GIA CƯỜNG VÀ CHUẨN BỊ CHO KHẢ NĂNG KỴ NƯỚC CỦA PVA AEROGELS NHẰM HẤP THỤ DẦU HIỆU QUẢ LUẬN VĂN KỸ THUẬT HÓA HỌC, ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

 

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH 

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA K Ỹ THUẬT HĨA HỌC

BỘ MƠN HĨA LÝ
-------o0o-------

CHUN ĐỀ LUẬN VĂN 

GIA CƯỜ NG
NG VÀ CHUẨ
CHUẨN BỊ
BỊ CHO KHẢ
KHẢ NĂNG
K Ỵ NƯỚ C CỦ
CỦA PVA AEROGELS NHẰ
NHẰM HẤ
HẤP
ẦU HIỆ
THỤ D
THỤ
 DẦ
HIỆU QUẢ
QUẢ 
GVHD

: TS. NGUY
NGUYỄN

ỄN TRƯỜNG SƠN 
SƠN 

SINH VIÊN

: TRƯƠNG NỮ  TRÀ
 TRÀ MY

MSSV

: 1512040

TP. HỒ
HỒ CHÍ MINH 2018


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

LỜ I MỞ  ĐẦU
Em chân thành cảm ơn  TS. Nguyễn Trường Sơn đã hướ ng
ng dẫn và hỗ  tr ợợ   em
hoàn thành chuyên đề luận văn. Trong thờ i gian làm việc vớ i thầy, em đã học hỏi đượ c
nhiều điều và tích lũy kinh nghiệm trong nghiên cứu cũng như tổng hợ  p aerogel.
Em cũng xin cảm ơn Đại h ọc Bách khoa nói chung và Khoa K ỹ  thuật Hóa học

nói riêng đã tạo điều kiện, vật li ệu và thiết bị  tốt nh ất để em có thể  học t ậ p và nghiên

cứu. Để có thể đóng góp phần nào cho đất nướ c và nhân loại thì thật là hạnh phúc. Và
em r ất biết ơn gia đình mình ln ở  bên
 bên cạnh, giúp đỡ  và động viên.
Cuối cùng, mặc dù đã cố g ắng nhưng vớ i s ự hi ểu bi ết cịn hạn ch ế nên bài luận
này khơng tránh khỏi thiếu sót. Em r ất mong nhận đượ c sự  đóng góp ý kiến của các
thầy cơ.
Em xin chân thành cảm ơn. 

Thành phố Hồ Chí Minh, 2018

Trương Nữ Trà My


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚ I THIỆ
THIỆU ...............................................................................................
.............................................................................................. 1
1.  Gi
Giớ 
ớ i thiệ
thiệu ...........................................................................................
..................................................................................................................
....................... 1
................................................................................... 3

2.  Đối tượ ng
ng và phạm
phạm vi đề tài
đề tài ....................................................................................
CHƯƠNG 2: TỔNG
TỔNG QUAN .........................................................................................
.............................................................................................
..... 3
1.  Polyvinyl alcohol .................................................................................................
......................................................................................................
..... 3

1.1.  Cấu tạ
tạo ..................................................................................................
...............................................................................................................
............. 4
1.2.  Tính chấ
chất vậ
vật lý ..................................................................................................
................................................................................................. 4
1.3.  Tính chấ
chất hóa họ
học ..............................................................................................
............................................................................................. 5
1.4.  Một số
số ứ ng
ng dụ
dụng:................................................
...............................................................................................
............................................... 5

2.  AEROGEL VÀ PVA AEROGELS ........................................................................
........................................................................ 6
...............................................................................................................
............. 6
2.1.  Aerogel ...................................................................................................
2.2.  PVA aerogel ..................................................................................................
.......................................................................................................
..... 9
3.  Sợ i thủ
thủy tinh (GF) ..............................................................................................
..................................................................................................
.... 10

CHƯƠNG 3: TỔNG
TỔNG HỢ 
HỢ P AEROGELS .......................................................................
....................................................................... 11
1.  QUÁ TRÌNH TẠ
TẠO PVA/GLASS FIBERS AEROGELS ...................................
.................................. 11
1.1.  Quá trình sol-gel ..............................................................................................
............................................................................................. 11
1.2.  Quá trình liên k ết ............................................................................................
............................................................................................ 12
1.3.  Quá trình ssấấy tạ
tạo aerogel ...............................................................................
............................................................................... 13
.........................................................................................
... 14
1.4.  Quy trình tổ

tổng hợ 
hợ p .......................................................................................
2.  Các phương pháp khảo
khảo sát PVA/GF aerogel ...................................................... 17

2.1. 
2.2. 
2.3. 
2.4. 
2.5. 
2.6. 
2.7. 

Khối lượng riêng và độ x
Khối
độ xốốp ............................................................................
........................................................................... 17
Diệ
Diện tích bề
bề m
 mặặt riêng (BET) ......................................................................... 18
Kính hiển
hiển vi điện
điện tử 
tử  quét
 quét (SEM) ....................................................................
................................................................... 18
Phân tích nhiệ
nhiệt trọ
trọng ......................................................................................

...................................................................................... 19
Độ d
Độ
 dẫẫn nhiệ
nhiệt .....................................................................................................
.................................................................................................... 19
Độ b
Độ
 bền
ền cơ  ..........................................................................................................
......................................................................................................... 20
Độ  dính ướ t ...................................................................................................
Độ
......................................................................................................
... 20


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

2.8.  Độ
Độ h
 hấấp thu dầ
dầu .............................................................................................
................................................................................................
... 20
TÀI LIỆ

LIỆU THAM KHẢ
KHẢO ...............................................................................................
............................................................................................... 22


 

Chun đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

DANH MỤC HÌNH
Hình 2: Carbon aerogels................................................
..................................................................................................
.......................................................
..... 8
Hình 3: Minh họa vật liệu được gia cườ ng
ng bằng sợ i thủy tinh dài và ngắn .......................
....................... 11
Hình 4: Phản ứng giữa PVA và GA ...................................................................................
................................................................................... 13
Hình 5: Q trình trong sấy đơng khơ ................................................................................
............................................................................... 14

DANH MỤC BẢNG 
Bảng 1: Tính chất vật lý của PVA .......................................................................................
....................................................................................... 4
Bảng 2: Nguyên liệu thí nghiệm tổng hợ  p ............................................
.........................................................................
............................. 15

Bảng 3: Dụng cụ cần cho thí nghiệm .................................................................................
................................................................................. 16


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

KÝ HIỆU
MTMS

Methyltrimethoxysilane

PVA

Polyvinyl alcohol

GF

Sợ i thủy tinh (Glass fibers)

SEM

Scanning electron microscopy

TGA 

Thermogravimet

Thermogravimetrical
rical analysis


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

CHƯƠNG 1: GIỚ I THIỆU
1. 

Giớ 
Gi
ớ i thiệ
thiệu

Trướ c nh ững thách thức về  sự  thay đổi chóng mặt của thờ i tiết, sự  khắc nghiệt
của thiên tai và vấn đề  mơi trườ ng,
ng, bản năng tìm tịi của con ngườ i lại đượ c thôi
thúc. Và lẽ  dĩ nhiên, các nhà nghiên cứu cũng ln phả i chuyển mình để phù hợ  p v ớ i
thế  giớ ii.. Họ  luôn mong muốn đem đến những giải pháp mang tính tiết kiệm năng

lượ ng
ng nhằm hạn chế các phế  thải và thân thi ện với môi trườ ng.
ng. L
Làn
àn sóng của ngành
cơng nghiệ p hóa học và vật liệu xây dựng đang  phát triển mạnh mẽ  nhằm đem  lại

những l ựa chọn m ớ i cho thị  trườ ng
ng v ật li ệu trên thế gi ớ i.i. Chúng ta, ln khơng ngừng
tìm kiếm ra những v ật li ệu m ớ i,i, t ối ưu hơn, rẻ  hơn, bền hơn…và cả nh ẹ  hơn nữa. M ột
trong những thành tựu đáng chú ý nhất trong cuộc cách mạng ấy là việc tìm ra vật liệu
r ắn nhẹ nhất từ trướ c tớ i nay. Đặc biệt vớ i sự xuất hiện của Aerogel –  khơng
 khơng chỉ là một
trong những vật liệu nhẹ nhất mà cịn nằm trong top những chất cách điện tốt nhất (giữ 
13 k ỷ  lục Guiness năm 2011). Đượ c phát triển bở i NASA, Aerogel phục vụ  chủ  yếu
cho nhu cầu dân dụng và thương mại.

Đồng thờ i,i, b ở i s ự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệ p d ầu m ỏ và sự 
cần thiết của vận tải biển. Từ  đó phát sinh nên vấn đề   môi trường như sự  cố tràn dầu
ng xuyên xảy ra trong quá trình khai thác và vận chuyển. Tràn dầu khơng chỉ  ảnh
thườ ng
hưở ng
ng xấu đến mơi trườ ng
ng biển mà cịn đe dọa đế n hệ sinh thái xung quanh và s ức
khỏe con ngườ i.i. Chính vì vậy, việc tìm kiếm phương án hiệu quả  để gi ải quyết vấn đề 
ô nhiễm do dầu là nhiệm vụ cấ p thiết cho toàn cầu.
Hiện tại, các phương pháp thông thườ ng
ng giải quyết vấn đề này chia thành bốn
nhóm chính[1]:

 Phương pháp thu gom và đố tt:: gây nên sự lãng phí tài nguyên dầu, ô nghiễm môi
trườ ng.
ng.

1

 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

 Phương pháp sinh học:  bổ sung vi sinh xử  lý nướ c thải. Phương pháp này khá
 phức t ạ p, chi phí x ử lý cao vì phải s ản xu ất ch ủng vi sinh vật phân hủy dầu ở  quy
  quy mơ

ằng ra ngồi mơi trườ ng
 phịng thí nghiệm và khơng chắc r ằng
ng chúng có thể  cạnh tranh
ng và phát triển.
đượ c vớ i các chủng có sẵn trong mơi trường đó để  sinh trưở ng
 Phương pháp vật lý:  thườ ng
ng thu hồi dầu bằng phương các phao quay nổi
(booms) và thiết bị hút dầu (skimmers), nhưng chúng đặc biệt không hiệu quả khi tỷ l ệ 
dầu/nướ c thấ p.

 Phương pháp hóa học: phân tán dầu trên biển bằng các chất học (chất phân tán,
chất hoạt động bề m ặt, các chất keo tụ…), thườ ng
ng thực hiện băng các phương tiện như
tr ực
ực thăng và trên phạm vi r ộng lớ n nên chi phí cao và nguy hại đến mơi trườ ng.
ng.

 Phương pháp hấ  p thụ: dùng vật liệu có độ xố p cao có th ể hấ p phụ hoặc hấ p thụ 
dầu nhưng kỵ nướ c và dầu đượ c hút vào trong thân của vật liệu.
Chính vì thế, lu ận văn tậ p trung vào viêc tổng h ợ  p vật li ệu như vậy để kh ắc ph ục v ấn

đề ô nhiễm mơi trườ ng
ng do tràn dầu gây nên.
cứu trong nướ c 
1.1.  Tình hình nghiên cứu
Vật liệu mớ i Aerogel ở  nướ c ta đang đượ c biết và bắt đầu vào nghiên cứu nhưng 
vớ i một số  lượ ng
ng nhỏ. Vớ i các nhóm nghiên cứu của các trườ ng
ng đại học, các viện,… 

đang nghiên cứu và ứng dụng các đặc tính của Aerogel vào đờ i sống. Vớ i nhóm nghiên
cứu của tiến s ỹ Lê Anh Kiên ở  vi
 viện k ỹ thuật Nhiệt Đớ i và bảo vệ môi trườ ng
ng cũng đag 
nghiên cứu vật liệu Carbon aerogel cho xử  lý nướ c biển thành nướ c ngọt,… Và hiện

chưa có nhóm nghiên cứu nào tổng hợ  p vật liệu PVA aerogel.
1.2.  Tình hình nghiên cứu
cứu ngoài nướ c 
Sự ra đờ i c ủa Aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện đượ c k ể l ại vào cuối những

năm 1920, khi Samuel Kistler (1900 -1975), giáo sư hóa học ngườ i Mỹ  đã trở   thành
người đầu tiên thay thế đượ c tr ạng thái lỏng của gel thành tr ạng thái khí. K ỹ thuật điều
chế aerogel của Kistler mặc dù hiệu quả  nhưng lại khá nguy hiểm do phải thực hiện ở  
2


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

nhiệt độ và áp suất cao và lại còn r ất tốn kém về mặt thờ i gian và tiền bạc. Sau 30 năm

được đưa vào sản xuất bởi công ty Monsanto, đến cuối thậ p niên 70, quá trình s ản xuất
đã phải dừng l ại do thiếu nhà đầu tư. Gần đây, năm 2017 Zhaoyang Xu cùng với đồ ng
nghiệp đã nghiên cứu việc tổng hợ  p provinyl alcohol-cellulose nanofiber aerogel hấ p
thụ d ầu đã sử d ụng k ỹ  thuật s ấy đơng khơ tiết ki ệm chi phí hơn và an tồn hơn nhưng
vật liệu này về tính chịu cơ học thì hầu như kém. 

ất đa dạng và khơng ngừng phát
 Nói chung tình hình nghiên c ứu trên thế  giớ i r ất
triển. Bên cạnh đó, polymer aerogel cũng đượ c nghiên cứu r ất nhiều nhưng chưa có
nghiên cứu nào nghiên cứu hẳn về  vật liệu aerogel tổng hợ  p PVA k ết hợ  p các s ợ i gia

cường giúp chúng có các đặc tính ưu việt hơn như chị u lực, phân hủy sinh học[2] giúp
 bảo vệ  mơi trườ ng.
ng. Từ  đó giúp vật liệu mớ i này ln xứng đáng vị trí là một vật liệu
của tương lai nhân loại.i.  

2. 

Đốii tượ ng
Đố
ng và phạm
phạm vi đề tài
đề tài
Mục đích đề tài là tổng h ợ  p PVA aerogels k ỵ  nướ c và gia cườ ng
ng b ằng s ợ i th ủy

tinh. Quá trình tr ải qua sự phân tán và sấy đơng khơ. Có th ể  ứng dụng trong việc hấ p
thụ  dầu và vật liệu aerogel đóng vai trò như mộ t composite cách nhiệt ch ịu lực tốt và
thân thiện môi trườ ng.
ng.

1. 

Polyvinyl alcohol

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Polyvinyl alcohol đượ c gọi tắt là PVA, là m ột loại hóa chất trong ngành cơng
nghiệ p ph ổ  biến được dùng như một nhũ tương trong nướ c và thường đượ c g ọi là keo
PVA cho các vật liệu xốp như gỗ, giấy, đá,v.v. 
Polyvinyl alcohol khơng độc hại nên khá an tồn khi ti ế p xúc tr ực tiế p, bảo quản

và lưu trữ  nơi khơ ráo, thống mát, tránh ánh nắng mặt tr ời,
ời, nơi ẩm ướ t,t, nguồn nhiệt,
xa tầm tay tr ẻ em.

3


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

1.1.  Cấu tạ
tạ o
Polyvinyl alcohol có cơng thức phân tử: [C2H4O]n1

Khơng giống hầu hết các polyme khác, PVA không đượ c tổng hợ  p tr ực tiế p từ 
monomer polyvinyl alcohol vì hợ  p chất này khơng tồn tại mà chuyển sang đồng phân
 bền hơn là acetaldehyde. Thực ra nó đượ c tổng hợ  p từ q trình thủy phân polyvinyl
acetate [3].
[CH2CH(OAc)]n + C2H5OH → [CH2CH(OH)]n + C2H5Oac

1.2.  Tính chấ
chất vậ
vật lý
Ở nhiệt độ thườ ng,
ng, PVA là chất r ắn
ắn vơ định hình, r ất giống với đườ ng
ng tr ắng. Khi
đun nóng bị mềm hóa, có thể kéo dài như cao su và khi đó sẽ k ết tinh.
PVA có tính chất tạo màng, nhũ hóa và kết dính tuyệt vời. Độ tan phụ thuộc vào
nhiệt độ, độ  trùng hợ  p,v.v.[4]. Tan trong đa số  dầu mỡ   và dung môi hữu cơ như:
hydrocarbon, ethe, ketone đa chức. Ngồi ra cịn có
có khả năng phân tán ổn định, độ bền
kéo cao và uốn tốt cũng như không độc hại và tính chống oxi hóa cao[5].
 Bảng 1: Tính chấ t vật lý của PVA

STT

Tính chấ
chất

Giá tr
trịị 

1

Màu sắc

Tr ắng tớ i ngà

2

Tỷ tr ọng

1,27 –  1,31
 1,31

3

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

190 - 230

4

Khối lượ ng
ng riêng (g/cm3)

1,19 –  1,31
 1,31

5

Độ bền kéo (MPa)

24 - 79

4


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

6

Độ dãn dài (%)

0 - 300

7

Hệ số giản nở  nhi
 nhiệt (oC)

7 –  12x10
 12x10-5 

8

Nhiệt dung riêng (J/g.K)

1,67

9

Độ dẫn nhiệt (W/m.K)

0,2
>100 bắt đầu mất màu

10

Độ bền nhiệt

>150 bắt đầu đen 
>200 bắt đầu phân hủy nhanh

11

Chỉ số khúc xạ (nD, 20oC)

1,55

12

Độ k ết tinh

0 –  0,54

 0,54

13

Tính bắt cháy

Cháy vớ i tốc độ của giấy

14

Ảnh hưở ng
ng của acid mạnh

Hòa tan hoặc phân hủy

15

Ảnh hưở ng
ng của base

Chảy mềm hoặc hịa tan

16

Ảnh hưở ng
ng của dung mơi hữu cơ  

Khơng ảnh hưở ng
ng

1.3.  Tính chấ
chất hóa họ
học
PVA là một polymer chứ nhiều nhóm OH, do vậy nó có tính chất c ủa một rượ u

đa chức. Ngồi ra, PVA có khả  năng phản ứng tạo mạch nhánh khi có mặt chất sinh
chống t ự  do như peroxide, persulfate,… khi ở  d
 d ạng l ỏng hay r ắn. Các nhà sản xu ất đã

ứng dụng tính chất này để sản xuát xơ PVA biến tính.
1.4.  Một số
số ứ ng
ng dụ
dụng:
 Xơ sợ i t ổổ ng
n
  g hợ  p: PVA là loại xơ có ái lực với nướ c lớ n nhất trong số các chất xơ
tổng hợp đực ứng dụng đặc biệt mà ít có loại xơ nào có thể thay thế đượ c.
c.
 Keo dán:

Độ  bền kéo cao và đặc tính keo dán của PVA khiến chúng có ứng

dụng r ộng rãi trong sản xu ất keo dán vớ i các thể lo ại đa dạng t ừ  keo dán ướ t cho giấy
tớ i keo dan hoạt hóa ẩm.

5


 

Chuyên đề luận văn 

Chấ t k ế 
ế t dính:

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

là chất k ết dính hiệu quả  cao đối vớ i nhiều vật liệu khác nhau

trong đó có sợ i v ải, hạt xúc tác, nút chai, sản phẩm ph ế  thải,v.v.PVA có thể  thu đượ c
k ết quả tuyệt vờ i nhờ  s
 sử dụng 3 –  5%
 5% PVA r ắn.
 H ồ và phủ  giấ 
 y: cung

cấ p loại nhựa tan trong nước làm tăng độ   bền, độ trong,
chịu dầu mỡ , khơng thấm khí và nhờ   đó nâng cao chất lượ ng
ng in các sản phẩm giấy.
 Ngoài ra, gi ấy chịu dầu mỡ  có
 có thể  đượ c tạo b ằng các hồ bề m ặt bằng PVA và ít bị ảnh

hưở ng
ng bởi độ ẩm và oxi hóa vì PVA hút âm ít hơn mộ t số tác nhân làm trong và không
 bay hơi. 
 Màng PVA:  ứng dụng trong sản suất bao gói gồm túi và

ống giấy chứa dầu, mỡ ,

sơn và hóa chất. Đặc biêt, do mức độ bám dính thấp đối vớ i một số v ật liệu nhựa khác
nên màng PVA ngăn chặn nấm mốc, v.v.
2. 
AEROGEL VÀ PVA AEROGELS
2.1.  Aerogel
2.1.1.  Giớ i thiệu aerogel:
Thuật ngữ Aerogel lần được tiên đượ c Samuel Stephens Kistler  –   một giáo sư
hóa học ngườ i Mỹ  giớ i thiệu vào năm 1931 . Sản phẩm aerogel đầu tiên đượ c nghiên
cứu và tạo ra là silica aerogel và sau đó ông đã thành công trong việc đưa ra aerogel

alumin,… và các aerogel hữu cơ  cũng đượ c tạo ra như cellulose, gelatin,v.v.
Aerogel là vật liệu có 95  –  99%
  99% pha khí. Chúng xuất hiện như một cuộc cách
mạng vật liệu r ắn vì khối lượ ng
ng riêng cực thấ p (0,001  –  0,1
  0,1 g/cm3) và đặc tính vật lý
nổi bật, đặc biệt là vật liệu cách nhiệt và cách âm. Vật liệu mang tên Aerogel có đặc

điểm siêu nhẹ  và xốp, đượ c tổng hợ  p bằng cách thay thế  thành phần lỏng trong gel
 bằng thành phần khí nhưng khơng làm thay đổi cấu trúc r ắn của gel[6].

Aerogel đượ c sản xuất bằng cách tách thành phần lỏng ra khỏi gel thơng qua
q trình sấy siêu tớ i hạn.
2.1.2.  Các loại aerogel
6


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

Silica aerogel:

Là loại đượ c phát hiện và đưa vào sả n xuất đầu tiên trên thế  giớ i nên silica

aerogel đượ c bi ết đến và phổ biến nhất. V ớ i hình thái của nó nên nó đượ c gọi là “khói
đóng băng” và có màu xanh dương mờ . Nó chứa hơn 90% khơng khí, nặng hơn khơng
khí ba lần, nhẹ  hơn thủy tinh đến 1000 lần và đượ c xem là vật liệu nhẹ  nhất (<0,05
g/cm3) cũng như là vật liệu có độ xố p cao, di ện tích bề mặt riêng lớ n (>1 000 m2/g) và

cách nhiệt tốt (<0,02 W/m.K)[7].
 Hình 1: Silica aerogel t ại phịng thí nghiệm Quố c gia Lawrence Berkeley.
Carbon aerogel:

Carbon aerogel có màu đen và khơng trong suố t, nó bao gồm các hạt nano có
ng kính khoảng 1-2 nm, và chúng có di ện tích bề  mặt khác nhau từ 500-800 m2/g
đườ ng
tuy nhiên điều này phụ thuộc vào mật độ. 
Carbon aerogel là chất liệu bền và có tính đàn hồ i cao. Nó có th ể  hấ p thu một

lượ ng
ọng lượ ng
ng dầu lớ n bằng 900 lần tr ọng
ng của nó và tốc độ hấ p thu nhanh. Vớ i 1g carbon
aerogel có thể  hấ p thụ 68,8g chất hữu cơ mỗi giây. Vì đặc tính này mà ngườ i ta ứng
dụng nó để thu gom dầu tràn trên biển. Ngồi đặc tính trên carbon aerogel cịn đượ c sử 
dụng để dự tr ữ năng lượ ng
ng ,chất xúc tác hoặc composite và nó đượ c ứng dụng trong tụ 

điện, pin và hệ thống khử muối.
7


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

 Hình 2: Carbon aerogels
 Aerogel kim loại: 

Aerogel oxit kim loại t ừ oxit kim loại v ớ i nhiều màu sắc khác nhau và đặc tính
độc đáo là tùy thuộc vào kim loại t ạo ra nó. Những aerogel này r ất quan tr ọng vì chất
có thể hoạt động như chất xúc tác cho các biến đổi hóa học, chất nổ và là tiền chất cho
các loại vật liệu khác.

Đặc điểm nổi bật của aerogel oxit kim loại là khả năng chịu va đậ p mạnh, do đó
đượ c NASA sử dụng trong các lướ i thu bụi vũ trụ để thu những vật chất di chuyển vớ i
tốc độ cao.
Các loại aerogel khác: 

Trong đó loại aerogel hữu cơ có những tính chất đặc biệt, vớ i những chất hữu cơ
khác nhau tạo ra các loại aerogel khác thì chúng mang những tính chất khác nhau, mỗi
loại có các đặc tính phát sinh từ polymer tạo nên khung của aerogel. Nhìn chung chúng

ổn định và khó vỡ  hơn so vớ i các aerogel khác[8].
2.1.3.  Ứ ng

ng dụng

8


 

Chun đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

Chính vì những đặc điểm ưu việt, chúng đượ c nghiên cứu, phát triển thành các
vật liệu cho các ứng d ụng khác nhau như cách nhiệt, hấ p thụ  dầu tràn, chất mang xúc
tác hạt nano,v.v.
2.1.4.  Các phương pháp tạo nên aerogel

Aerogel đượ c sản xuất bằng cách lấy thành phần lỏng ra khỏi gel bằng các k ỹ 
thuật siêu tớ i hạn hoặc s ấy đông khô. Điều này giúp thành ph ần l ỏng đượ c lấy ra từ t ừ 
mà không gây hiện tượ ng
ng phá vỡ , sụp đổ cấu trúc vật liệu.
Quy trình bao gồm:
Quá trình t ạo sol: ti ền ch ất

ban đầu đượ c hịa tan trong dung mơi thích h ợ  p t ạo

thành dung dịch. Dưới tác động của xúc tác, các phân t ử tiền chất tiế p xúc vớ i nhau và

ngưng tụ thành các hạt sol.
Q trình gel hóa: các

hạt sol trong dung d ịch tiế p xúc nhau t ạo và tạo liên k ết

thành mạng lướ i cấu trúc micro các phân t ử trong dụng dịch.
Quá trình t ạo thành aerogel:  thành

phần lỏng trong gel đượ c thay thế  bằng

khơng khí mà khơng làm phá hủy cấu trúc của hệ hoặc chỉ gây ra sự thay đổi nhỏ.

2.2.  PVA aerogel
PVA aerogel  thuộc lo ại polymer aerogel. Các nhà khoa học NASA đã cho thấy
một số polymer aerogel bền chắc hơn lên tớ i 500 lần và có khả năng chịu nhiệt cao gấ p
10 lần so với silica aerogel thông thườ ng.
ng. Khơng chỉ vậy, chúng cịn cho th ấy khả năng
chịu nén và độ bền căng kéo cao gấ p 100 lần so sớ i silica aerogel.

 Ngườ i ta có thể  hình dung đượ c phạm vi ứng dụng r ộng lớ n mà vật liệu mớ i
 polymer aerogel nói chung và PVA aerogel nói riêng này có thể  tác động. Hãy thử 

tưởng tượng các đồ  dùng, quần áo, hệ  thống,… siêu cách nhiệt, cách điện chiếm tỷ 
tr ọng không nhỏ  trong đờ i sống đang đượ c sử d ụng. Và vấn đề duy nhất vẫn cịn đượ c
giải quyết là chi phí. Cơng nghệ  vật liệu mớ i này r ất
ất đáng được mong đợ i khả thi về 
mặt thương mại trong tương lai gần. Trong khi, PVA là một nguyên liệu chi phí thấ p,

9


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

không độc hại, khả  năng phân hủy sinh học, phổ  biến và đượ c ứng dụng r ộng
ộng rãi như
một dung mơi, tạo màng, hóa sinh, vật liệu,.v.v. [2],[9]

3. 

Sợ i thủ
thủy tinh (GF)
Cơ sở   cc ủa s ợ i th ủy tinh là silica (SiO2). Ở d ạng tinh khiết, nó tồn t ại dướ i d ạng

 polymer (SiO2)n. Nó khơng có điể m nóng chảy thực sự nhưng làm mềm tớ i 1200°C. Ở 
1713°C, hầu hết các phân tử có thể di chuyển t ự do. Nếu thủy tinh được ép đùn và làm
nguội nhanh ở  nhi
 nhiệt độ này, nó sẽ khơng thể tạo thành một cấu trúc có tr ật tự.[10]
Sợ i thủy tinh gồm silica nằm trên mạch chính vớ i các thành phần oxit khác nhau
sẽ tạo ra các tính chất khác nhau. Trong đó có ba loạ i phổ biến nhất là loại E, S và C.
Sợ i E khi yêu cầu về tính cách nhiệt và độ b ền, là loại thơng dụng nhất, đượ c c ắt gia
ng nhựa nhiệt dẻo k ỹ thuật, gia cườ ng
ng cho nền nhựa polyester và vinyl ester trong
cườ ng
ngành ô tô, xây dựng, tàu thuyền,… Sợi S đặc trung bởi độ bền cao hơn sợ i E khoảng
40% và duy trì tính chất ở   nhiệt độ cao. Sợi C (kháng ăn mòn) đượ c sử  dụng trong

mơi trường ăn mịn vì khả  năng ổn định hóa chất của thành phần đa vơi silicate.[11]
Sợ i thủy tinh là một trong những vật liệu công nghiệ p thông dụng nhất đượ c biết

đến hi ện nay. Chúng thể hi ện các đặc tính ưu việt như độ cứng, khả  năng chống chịu
tốt, tính ổn định cao, r ất nhẹ  và trơ, cũng như các sợ i với các đặc điể m mong muốn
cho vật liệu như bền chắc, tính linh hoạt, dẻo uốn, thân thiện với môi trườ ng,v.v.[12]
ng,v.v.[12]
Vật liệu đượ c k ết hợ  p các sợi gia cườ ng
ng làm tăng tính tồn vẹn c ấu trúc của nó.
Việc sử dụng sợi để tăng cường độ dẻo và độ bền của nhựa là một phương pháp tuyệt
vời để  kiểm soát chi phí v ật liệu. Trong đó, sợ i thủy tinh và sợ i carbon là phổ  biến
nhất và việc s ử dung sợ i thủy tinh thì đáp ứng v ề  mặt kinh tế  hơn mặc dù sợ i carbon
 bền chắc hơn. 
Hầu h ết các loại nhựa được gia cườ ng
ng b ằng hai dạng sợ i là ngắn và dài. Chiều
dài sợ i trung bình trong v ật liệu sợ i ngắn thườ ng
ng nhỏ  hơn một milimeter. Trong sợ i

10


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

dài, các sợ i theo một chiều và tùy vào cách chế bi ến mà tạo ra các độ dài khác nhau.
Chẳng hạn, đối vớ i ch ế  biến thơng qua ép phun, sợ i có chiều dài khoảng 12mm[13].
Thử  nghiệm về  sức căng có ttỷỷ  số  ứng suất R = 0,5 và ứng suất cực đại

  = 60

 max

MPa[14]. Và bài luận khảo sát về aerogel được gia cườ ng
ng bằng sợ i thủy tinh ngắn loại
E.  
E.

 Hình 3: Minh họa vật liệu được gia cườ ng
ng bằ ng
ng sợ i thủ y tinh dài và ng ắ 
ắn 

Vật liệu gia cố bằng sợ i ngắn chứa các sợ i r ờờ i  r ạc ngắn đượ c phân bố đồng đều và

định hướ ng
ng ngẫu nhiên. Ngồi ra, tính ch ất của vật liệu thay đổi vớ i các loại vật liệu
khác nhau, vật liệu sợ i,i, hình học, phân bố, định hướ ng
ng và mật độ.  Các hợ  p chất sợ i
ngắn có khả  năng tốt để cung cấp độ  cứng và cải thiện s ức mạnh, nhưng nói chung là
các polyme dễ uốn tr ở 
 nên cứng nhắc hơn, chúng cũng trở  nên giòn hơn. Trong trườ ng
ng
ở nên
hợp độ va đậ p, sợ i ngắn có khả năng chịu độ bền mỏi ở  c
 cục bộ hơn cho một khu vực cụ 
thể. 

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢ P AEROGELS
1. 

Q TRÌNH TẠ
TẠO PVA/GLASS FIBERS AEROGELS

1.1.  Q trình sol-gel
Trong khoa học vật liệu, phương pháp sol-gel là một phương pháp để  sản xuất
vật liệu r ắn từ  các phân tử  nhỏ. Quá trình này liên quan đế n việc chuyển đổi các
11


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

monome vào một dung dịch keo (sol) đóng vai trị như là tiền thân cho một m ạng tích
hợ  p (hoặc gel) của một trong các hạt r ờ 
ời  r ạc hoặc các polyme mạng.
Là s ự chuyển đổi c ủa m ột dung dịch keo (chất l ỏng) sang dạng gel (r ắn). Sol là
huyền phù dạng keo của các hạt r ắn trong một chất lỏng trong pha phân tán nhỏ  (11000 nm). Gel hóa là q trình mà m ột sol chảy tự  do đượ c chuyển đổi thành một
mạng lướ i r ắn
ắn 3D mà môi trườ ng
ng dung môi bao quanh[15]. Điểm b ắt đầu c ủa gel hóa

thường được xác định bở i một s ự  gia tăng đột ng ột v ề  độ  nhớ t.t. Tr ạng
ạng thái cơ học c ủa
gel thườ ng
ng phụ thuộc r ất nhiều vào số lượ ng
ng các liên k ết trong mạng.
1.2.  Quá trình liên k ết

Quá tình hình thành liên k ết chéo (crosslinking) hóa học là q trình liên k ết hai
hay nhiều phân tử b ằng liên k ết c ộng hóa tr ị. Tác nhân liên k ết chéo là các phân tử có
chứa hai hay nhiều nhóm có khả năng liên kết hóa học vớ i các nhóm chức (amine, …)
 phân tử khác[16].
Khi PVA đươc gia nhiệt, năng lượ ng
ng này sẽ  thay đổi tr ật tự  cấu trúc của chuỗi
và hình thành liên k ết H chặt chẽ  giữa các nhóm OH. Mặc khác, q trình liên k ết
chéo hóa học là cơ sở  ph
 phản ứng giữa tác nhân hóa học và các nhóm OH của PVA.
Có r ất nhiều loại liên k ết chéo cho PVA như maleic acid, formaldehyde and
glutaraldehyde (GA). Trong những năm gần đây, GA là một tác nhân liên k ết
ết điển
hình đớ i vớ i PVA bở i chúng không cần đượ c xử lý nhiệt để thúc đẩy phản ứng. Thêm

vào đó, nó cũng đượ c biết r ằng GA có thể  liên k ết
ết đặc biệt vớ i các phân tử  sinh
học.[17]. Và mục đích trong bài luận dùng GA như một tác nhân liên k ết giúp PVA
vớ i GF tạo độ nhớ t thích hợp để GF đượ c phân bổ đồng đều, tránh GF bị lắng.

12


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

 Hình 4: Phản ứ ng
ng giữ a PVA và GA

Với phương pháp, chúng liên k ết vớ i nhau tạo ra các sợ  vô
  vô cùng nhỏ  đan xen
nhau. Tạo ra một mạng lướ i dày chắc chắn trong các dung mơi hữu cơ và nướ c.
c.

1.3.  Q trình sấ
sấy tạ
tạo aerogel
Quá trình sấy đượ c xem là quan tr ọng nhất. Điều kiện sấy phải duy trì đượ c
mạng cấu trúc của gel trong khi loại bỏ pha lỏng. Khi nướ c bốc hơi trong gel sẽ  tạo
khum rút lại. Điều này tạo áp lực mao dẫn trên khung gel r ắn, sẽ có hiện tượ ng
ng co lại.
 Nếu áp lực mao dẫn ngày càng lớ n trong gel sẽ dẫn đến sự phá hủy cấu trúc của khối.
Hiện nay có ba phương pháp sấ y : sấy siêu tớ i hạn, sấy thườ ng
ng và sấy đơng khơ. 
Thực tế, có thể  tạo aerogel bằng sấy thườ ng
ng bằng cách làm khô môi trườ ng
ng xung
quanh. Tuy nhiên, trong hầu h ết các trườ ng
ng h ợ  p nó sẽ cho ra mảnh gel hoặc xerogelsmột vật liệu gi ống aerogel nhưng độ x ố p bị gi ảm đáng kể[18]. Hai phương pháp đượ c
sử dụng phổ bi ến để h ạn chế s ự xuất hi ện c ủa sức căng bề m ặt bằng cách tránh đi qua
vùng biên giớ i pha giữa lỏng và khí là phương pháp sấy đông khô và sấ y siêu tớ i hạn.
Trong những năm gần đây, phương pháp sấy đông lạ nh tr ực ti ế p c ủa polymer hòa tan

trong nướ c tạo aerogel polymer đã có nhiều nghiên cứu và r ất thú vị[19]. Và trong
luận văn này sử dụng phương pháp sấy đông khô.

13

 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

 Hình 5: Quá trình trong sấy đông khô 

Phương pháp sấy đông khô là phương pháp dự a trên hiện tượng thăng hoa của
chất r ắn thành dạng hơi mà không thông qua sự  bi ến đổi pha thành dạng l ỏng nên sức

căng bề  mặt b ị lo ại b ỏ[20]. Phương pháp này đượ c th ực hi ện b ằng cách làm đông gel
thành dạng r ắn
ắn sau đó sử  dụng lực hút chân khơng để chuyển dung mơi ở   dạng lỏng
chuyển sang dạng khí và thốt ra kh ỏi c ấu trúc của gel. Phương pháp sấy đông khô là

 phương pháp hiệu quả để tạo ra vật liệu PVA aerogel vớ i chi phí thấ p, tỷ lệ sụp đổ cấu
trúc thấ p có tiềm năng ứng dụng ở  quy
 quy mô công nghiệ p.
Trong nỗ lực nhằm tạo PVA Aerogel dạng nguyên khối, PVA aerogel đượ c làm
khô bằng máy sấy đông khô mà không gặ p bất k ỳ vết nứt hoặc dẫn đến sản phẩm dạng
 bột. Ngoài ra, PVA aerogel chỉ yêu cầu s ử d ụng nước như một ch ất l ỏng làm việc mà
không gây ảnh hưở ng
ng lớn đến cấu trúc của aerogel[7].

1.4.  Quy trình tổ
tổng hợ 
hợ p
1.4.1.  Quy trình

14


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

1.4.2.  Thuyết minh quy trình
1.4.2.1.   Ngun liệu 

ổ ng
ng hợ 
 p 
 Bảng 2: Ngun liệu thí nghiệm t ổ 
Tên nguyên liệ
liệu

Đặc điểm
điểm

Xuấ
Xuất xứ 
xứ  

Polyvinyl alcohol (PVA) 

M= 84000  146000 

Singapore 

Sợ i thủy tinh (GA) 

Loại E, 12mm

Singapore 

15


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

Sulfuric acid (H2SO4)

1M

Trung Quốc

Glutaraldehyde (C5H8O2)

25% khối lượ ng
ng

Trung Quốc

 Nướ c cất

1.4.2.2.   Dụng cụ thí nghiệm
 Bảng 3: Dụng cụ cần cho thí nghiệm 

Tên dụ
dụng cụ
cụ  

Số lượ ng
ng

Becher 100 ml

2

Becher 200ml

1

Ống đong 

1

Pipette 1ml

1

Pipette 2ml

1

 Nhiệt k ế 

1

Cân 4 số 

1

Bế p khuấy từ gia nhiệt

1

Cá từ 

2

Kéo

1

1.4.2.3.  Tiế n hành thí nghiệm
Chuẩ n bị dung d ịch PVA 5%:

Ban đầu nguyên liệu PVA ở   ddạng hạt nhỏ r ắn màu tr ắng, mà chúng ta sử dụng ở  
dạng dung dịch nên ta cần xử  lý trướ c.
c. PVA ở   dạng dung dịch thì có màu trong suốt
nhớt, độ nhớ t tùy theo nồng độ  mà độ nhớt tăng lên. Vì vậ y dung dịch PVA luôn đượ c

sử  dụng vớ i nồng độ  thấp để trách sự keo hóa. Ban đầu vừa gia nhiệt nước đến 800C
ng PVA:H2O = 5:100,
sau đó vừa khuấy vừa cho PVA r ắn vào theo tỷ  lệ  khối lượ ng
16


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

khuấy mạnh mẽ  đến khi tan hoàn toàn trong 3 gi ờ . Ở bài luận này sử  dụng PVA 5%
tổng hợ  p aerogel.
 Phân tán sợ i thủ y tinh:

Sợ i thủy tinh đượ c ép thành dạng tấm nên đượ c lấy ra theo một lượ ng
ng c ần khảo
sát (0; 0,625% ;1,25% khối lượ ng)
ng). Sau đó, chúng đượ c c ắt ng ắn (0.5  1 cm) r ồi cho
vào dung dịch PVA 5% đang khuấy ở  trên
  trên nhằm trong quá trình phân tán x ảy ra một
cách dễ dàng. Đồng thờ i,i, dung dịch đượ c làm nguội đến nhiệt độ phòng và khuấy trong
1 giờ  đến khi sợ i thủy tinh được phân tán đều và một cách hồn tồn. Lúc này sợ i thủy
tinh có chiều dài khá nhỏ (nhỏ hơn 1mm). 
T ạo aerogel :

Để  tạo ra PVA aerogel, bài luận này sử  dụng sự  tác động cơ học tr ực tiế p
(khuấy mạnh trong vòng 2 giờ) đồng thờ i dùng tác nhân liên k ết, thông qua tác nhân
liên k ết gluataraldehyde đượ c cho vào lúc này. Dưới tác động cơ thì làm các tác chấ t

liên k ết vớ i nhau mạnh mẽ  làm cho khối aerogel đượ c bền bỉ  hơn. Cũng nhờ   sự tác

động cơ học mà hạt sol đượ c t ạo ra nhiều hơn và các hạt đều hơn về  kích cỡ . Sau các
ết đượ c vớ i nhau tạo nên gel.
hạt sol liên k ết
Gel được đóng băng trong tủ   lạnh ở   nhiệt độ  -50C trong 24 giờ   trướ c khi cho
vào sấy đông khô nhằm hạn chế cấu trúc bị biến đổi. Cuối cùng, mẫu được đưa vào q
trình sấy đơng khơ. Duy trì áp suất ở  200
 200 Pa và nhi ệt độ đi từ -300C đến 700C theo chu
trình sấy trong vòng 54 giờ  cho đến khi thu đượ c PVA/Glass fibers aerogel.

2. 

Các phương pháp khảo
khảo sát PVA/GF aerogel

2.1.  Kh
Khối
ối lượng riêng và độ x
độ xốốp
Khối lượng riêng được xác đị nh bằng công thức:

17


 

Chuyên đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

d=

m
   D

 (g/cm3)

2

 H 

4

Trong đó:

m : khối lượ ng
ng của mẫu (g)

D : đườ ng
ng kính mẫu (cm)
H : chiều cao hay bê ̀ da ̀ y mẫu (cm)

Độ xốp đượ c tính theo công thức:
Đ ộ ố  = ( 1 −




). 100 (%)

Trong đó: khối lượ ng
ng riêng của PVA là dPVA =1.2 g/cm3, dGF = 2,58 g/cm3.
2.2.  Diệ
Diện tích bề
bề m
 mặặt riêng (BET)
Hấ p phụ khí là phương pháp thơng dụng nhất để đo diện tích bề mặt và phân bố 

kích thướ c xố p của vật liệu. Hai đặc tính vật lý quan tr ọng này ảnh hưở ng
ng lớn đến tính
chất vật li ệu. Diện tích bề m ặt c ủa vật li ệu thường được xác định b ằng phân tích BET

đườ ng
ng h ấ p phụ  đẳng nhiệt khí N2 ở   -- 196°C, nhưng đơi khi có thể  sử d ụng các đầu đo
vớ i khí hấ p phụ khác.

2.3.  Kính hiển
hiển vi điện
điện tử 
tử  qt
 qt (SEM)
Các hình thái của m ẫu airgel đã đượ c nghiên cứu b ằng cách sử d ụng kính hiển

vi điện t ử quét (SEM) vớ i kính hiển vi điện t ử quét Hitachi S4800 hoạt động ở  5kV.
  5kV.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét một chùm electron tậ p trung trên một bề mặt để 
tạo ra một hình ảnh. Các electron trong chùm tương tác vớ i mẫu, t ạo ra các tín hiệu
khác nhau có thể  đượ c sử  dụng để thu thậ p thơng tin về  địa hình và thành phần bề 
mặt.

18


 

Chun đề luận văn 

GVHD: TS. Ngyễn Trường Sơn 

 Nói chung, một kính hiển vi điện tử quét (SEM) bao gồm một cột quang điện
tử, một hệ thống chân không, điện tử và phần mềm. Cột này ngắn hơn đáng kể bở i vì
các thấu kính duy nhất cần thiết là những thấu kính trên mẫu đượ c sử  dụng để  tậ p
trung các electron vào một vị trí tốt trên bề  mặt mẫu. Tuy nhiên, buồng mẫu là lớ n
hơn vì kỹ  thuật SEM không áp đặt bất k ỳ  hạn chế nào về  kích thướ c mẫu khác vớ i

kích thướ c buồng. Bằng cách quét mẫu và thu thập các electron đượ c phát ra bằng
máy dị đặc biệt, một hình ảnh hiển thị địa hình của bề mặt đượ c tạo ra.
2.4.  Phân tích nhiệ
nhiệt trọ
trọng
Tính ổn định của mẫu đượ c phân tích bằng k ỹ  thuật phân tích nhiệt tr ọng
(TGA). Mẫu đượ c làm nóng từ 250C đến 8000C trong điều ki ện khơng khí hoặc N 2,…
và làm nguội xuống nhiệt độ phịng.

Phân tích nhiệt trọng (TGA) đo lường những thay đổi trọng lượng trong vật liệu
như một hàm của nhiệt độ (hoặc thời gian) trong một môi trường có kiểm sốt. Sử
dụng ngun tắc của nó bao gồm đo lường độ ổn định nhiệt của vật liệu, hàm lượng
chất độn trong polyme, độ ẩm và dung môi, và thành phần phần trăm của các thành
 phần trong hợp chất. 

Phân tích TGA được thực hiện bằng cách tăng dần nhiệt độ của một mẫu trong

lị khi trọng lượng của nó được đo trên một số dư phân tích vẫn cịn bên ngồi lị.
Trong TGA, mất khối lượng được quan sát thấy nếu một sự kiện nhiệt liên quan đến
việc mất đi một thành phần dễ bay hơi. Phản ứng hóa học, chẳng hạn như đốt cháy, liên
quan đến tổn thất khối lượng, trong khi thay đổi vật   lý, chẳng hạn như nóng chảy hay  
khơng. Trọng lượng của mẫu được vẽ với nhiệt độ hoặc thời gian để minh họa sự
chuyển đổi nhiệt trong vật liệu - chẳng hạn như mất dung môi và chất làm dẻo trong
 polyme, nước hydrat hóa trong vật liệu vơ cơ, và cuối cùng là phân hủy vật liệu. 
2.5.  Độ
Độ d
 dẫẫn nhiệ
nhiệt

19