Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch polyme đến hình thái học của màng xơ nano

Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, khi nhu cầu sử dụng tăng cao con người đã khai thác nhiều loại xơ thiên nhiên khác như xơ đay, xơ gai, xơ lanh… Trong Thế kỷ XX loài người

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn đối với TS Đào Anh Tuấn người đã tận

tâm chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật này

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa May – Thời trang Trường

cao đẳng nghề Vĩnh Phúc đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu trong suốt

thời gian qua

Xin được gửi tới Lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và xin được

cảm ơn quý thầy cô của Trung tâm đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách

Khoa Hà Nội, cảm ơn BGH trường Cao Đẳng Công Nghiệp Hưng Yên đã tạo điều

kiện và môi trường thuận lợi cho chúng tôi học tập trong suốt hai năm học qua

Và tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô viện Dệt May

đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn của mình

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, các đồng nghiệp, bạn bè đã động viên,

giúp đỡ tôi trong thời gian qua để tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Nguyễn Thị Hồng Thái

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn

là do tôi nghiên cứu, do tôi tự trình bày, không sao chép từ các luận văn khác Tôi

xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về những nội dung, hình ảnh cũng như kết quả

nghiên cứu trong luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Người thực hiện

Nguyễn Thị Hồng Thái

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 10

1.1 Công nghệ nano và các ứng dụng: 10

1.1.1 Thế nào là công nghệ nano: 10

1.1.2 Các ứng dụng công nghệ nano: 11

1.2 Xơ dệt nano: 15

1.2.1 Giới thiệu: 15

1.2.2 Nguyên lý chế tạo xơ nano: 16

1.3 Lịch sử phát triển của công nghệ kéo sợi tĩnh điện: 22

1.4 Các ứng dụng tiềm năng của màng xơ nano: 23

1.5 Nguyên lý tạo màng xơ nano: 28

1.5.1 Thiết bị tạo ra màng xơ nano dùng kim: 28

1.5.2 Thiết bị tạo ra xơ nano dùng trục (tạo màng xơ từ bề mặt dung dịch polyme): 30

1.6 Các tính chất hình thái học của màng xơ nano: 32

1.7 Các yếu tố ảnh hưởng: 33

1.7.1 Các yếu tố về nguyên liệu: 33

1.7.2 Các yếu tố về công nghệ: 43

1.7.3 Các yếu tố về môi trường: 46

1.8 Các công trình nghiên cứu: 47

1.9 Kết luận: 47

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48

2.1 Đối tượng nghiên cứu: 48

2.1.1 Nguyên liệu: 48

2.1.2 Thiết bị sử dụng: 50

2.2 Nội dung nghiên cứu: 53

2.2.1 Chuẩn bị dung dịch: 53

2.2.2 Tạo màng xơ nano: 55

2.2.3 Chụp ảnh SEM các mẫu màng xơ nano: 58

2.2.4 Đo đường kính xơ và kích thước Beads: 60

2.3 Phương pháp nghiên cứu: 61

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: 61

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm: 61

2.3.3 Phương pháp phân tích hình ảnh số liệu: 61

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 62

3.1 Kết quả tạo màng xơ với điện áp 18KV 62

3.1.1 Kết quả ảnh SEM với độ phóng đại 10 000 lần: 62

3.1.2 Kết quả ảnh SEM với độ phóng đại 5000 lần: 64

3.1.3 Kết đo kích thước hạt beads ở nồng độ 3% - 5% - 7% - 10% - 15% điện áp 18kv: 66

3.1.4 Kết quả đo đường kính xơ: 68

3.2 Kết quả tạo màng xơ với điện áp 10KV 71

3.2.1 Kết quả ảnh SEM với độ phóng đại 10000 lần: 71

3.2.2 Kết đo diện tích hạt beads ở nồng độ 3% - 10% - 15% điện áp 10kv: 72

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Nguyên liệu và dung môi sử dụng kéo sợi tĩnh điện xơ nano Error!

Bookmark not defined

Bảng 1.2: Các loại Polime sử dụng 34

Bảng 1.3 Nồng độ giới hạn của nồng độ PVA 38

Bảng 1.4: Hệ số dẫn điện của một số dung môi 40

Bảng 2.1: Một số tính chất của Mowiol 8-88 Error! Bookmark not defined Bảng 2.2: Chú giải ký hiệu mẫu 57

Bảng 3.1: Giá trị trung bình diện tích hạt beads các mẫu: 67

Bảng 3.2: Giá trị trung bình đường kính xơ các mẫu: 69

Bảng 3.3: Giá trị trung bình diện tích hạt các mẫu 10KV: 72

Bảng 3.4: Giá trị trung bình đường kính xơ các mẫu 10KV: 73

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Biểu đồ số lượng đăng ký SC các quốc gia 11

Hình 1.2: Ứng dụng công nghệ nano trong y học 13

Hình 1.3: Dự đoán thị trường của vật liệu nano 14

Hình 1.4: Nguyên lý phân chia pha 19

Hình 1.5: Nguyên lý kéo sợi tĩnh điện 21

Hình 1.6: Đưa vật tĩnh điện đến gần giọt hổ phách 22

Hình 1.7: Thiết bị thí nghiệm của Morton 22

Hình 1.8: Thiết bị tạo ra màng xơ nano dùng kim 28

Hình 1.9: Thiết bị tạo ra màng xơ nano dùng trục 30

Hình 1.10: Thiết bị tạo màng xơ nano dung trục 31

Hình 1.11: Quan hệ giữa độ nhớt và nồng độ dung dịch 37

Hình 1.12: Quan hệ giữa sức căng bề mặt và nồng độ dung dịch 39

Hình 1.13 Ảnh SEM ảnh hưởng của muối 42

Hình 1.14 Ảnh SEM sự ảnh hưởng của khoảng cách cực 44

Hình 2.1: Độ nhớt của các loại PVA theo nồng độ Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Sức căng bề mặt phụ thuộc vào nồng độ 50

Hình 2.3: Thiết bị kéo sợi tĩnh điện NEU 1 51

Hình 2.4: Hình vẽ mô tả nguyên lý thiết bị 52

Hình 2.5: Cân điện tửđộ chính xác 10-3g 53

Hình 2.6: Máy khuấy từvà các dụng cụ 53

Hình 2.7: Các dung dịch PVA với nồng độ khác nhau 54

Hình 2.8: Thực hiện cuốn giấy bạc lên trục kim loại của thiết bị 55

Hình 2.9: Lầy dung dịch PVA vào xy lanh 56

Hình 2.10: Gắn xy lanh lên máy ép 56

Hình 2.11: Kim phun và trục thu được đặt đúng vị trí 56

Hình 2.12: Sấy mẫu màng xơ nano vừa tạo thành 57

Hình 2.13: Mẫu được gắn lên đĩa bản cực 58

Hình 2.14: Máy chụp ảnh SEM JEOL-JMS- 7600F 59

Hình 2.15: Chụp ảnh SEM cho các mẫu 60

Hình 2.16: Sử dụng phần mềm KLONK để đo kích thước hạt beads 60

Hình 2.17: Sử dụng phần mềm đo đường kính xơ 61

Hình 3.1: Ảnh SEM các mẫu với độ phóng đại 10000 lần 63

Hình 3.2: Ảnh SEM các mẫu với độ phóng đại 5000 lần 65

Hình 3.3: Đo kích thước hạt beads 66

Hình 3.4: Biểu đồ so sánh diện tích hạt beads các mẫu 18kv 67

Hình: 3.5 : Đo đường kính mẫu xơ 3-18kv 68

Hình 3.6 : Biểu đồ so sánh giá trị đường kính xơ giữa các mấu 69

Hình 3.7 : Biểu đồ quan hệ giữa đường kính xơ và nồng độ dung dịch 70

Hình 3.8 : Phương trình quan hệ giữa đường kính xơ và nồng độ dung dịch polymer 70

Hình 3.9 : Ảnh SEM các mẫu 71

Hình 3.10: Biểu đồ diện tích hạt beads các mẫu 10kv 73

Hình 3.11 : Biểu đồ giá trị đường kính xơ của các mẫu 74

LỜI MỞ ĐẦU

Trải qua tiến trình lịch sử hình thành và phát triển hàng nghìn năm nhất là

trong 20 năm hoạt động kinh tế thị trường định hướng chủ nghĩa xã hội, ngành dệt

may của Việt Nam đã trở thành một ngành kinh tế mũi nhọn trong nền kinh tế quốc

dân nước ta Luôn chiếm vị trí hàng đầu về kim ngạch xuất khẩu Ngành đã đóng

vai trò quan trọng, cung cấp một mặt hàng không thể thiếu trong đời sống sinh hoạt

của nhân dân Nhu cầu lao động trong ngành dệt may hàng năm rất lớn Mỗi năm

ngành dệt may tạo ra được khoảng 2,2 triệu việc làm các loại cho công nhân

Trước công nguyên khoảng 5000năm về trước, người tiền sử Mehico và Ấn

Độ đã biết sử dụng xơ bông làm nguyên liệu để xe sợi và dệt vải tạo ra các sản

phẩm quần áo phục vụ nhu cầu sinh hoạt Cách đây khoảng 3000 năm trước Công

Nguyên người Trung Quốc cổ đại đã biết sử dụng tơ tằm dể dệt vải, sau công

nguyên các loại vải lụa tơ tằm Trung Quốc đã được trao đổi thương mại trên thế

giới Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, khi nhu cầu sử dụng tăng cao

con người đã khai thác nhiều loại xơ thiên nhiên khác như xơ đay, xơ gai, xơ lanh…

Trong Thế kỷ XX loài người đã chứng kiến sự ra đời và phát triển mạnh mẽ

của nhiều ngành công nghiệp mới như công nghiệp sản xuất ô tô, máy bay, tàu

ngầm, tàu vũ trụ, vệ tinh… Do yêu cầu không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm

và giảm chi phí chế tạo, hơn nữa với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực polime,

các nhà khoa học đã sử dụng vật liệu polime compozit gia cường bằng xơ sợi tính

năng cao thay thế cho vật liệu truyền thống như sắt thép để chế tạo các chi tiết máy

và các kết cấu máy có trọng lượng nhỏ hơn và đạt được độ bền cao hơn Các loại xơ

gia cường vật liệu polime compozit tính năng cao thường là xơ dệt tính năng cao

tức là xơ có độ bền, modul và độ cứng cao, tỷ số độ bền/ khối lượng rất cao khả

năng chịu nhiệt độ cao chịu được môi trường hóa chất đặc biệt Các xơ dệt tính

năng cao hiện nay được sử dụng rộng rãi như xơ cacbon, xơ aramit, xơ polyetylen

phân tử cao, xơ thủy tinh, xơ xeramic, xơ bazan, và đặc biệt là công nghệ sản xuất

xơ nano đang được đầu tư nghiên cứu ứng dụng dân dụng và công nghiệp Sản

phẩm của công nghệ nano được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ khoa học

kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày Tuy là vật liệu vô cùng nhỏ bé mà mắt

thường không nhìn thấy nhưng có những ứng dụng vô cùng to lớn cho tất cả các

ngành như nhựa, xây dựng, in ấn, xăng dầu… nhất là trong ngành y dược và ngành

dệt may

CHƯƠNG 1:

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Công nghệ nano và các ứng dụng:

1.1.1 Thế nào là công nghệ nano:

( Trích nguồn [1] An introduction Electrospinning and nanofibers)

Vật liệu nano là loại vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano

mét (nm) Một nm bằng 10-9 m Để dễ hình dung, ta có thể so sánh với kích thước

của sợi tóc người và kích thước tế bào hồng cầu: Thì một sợi tóc của con người xấp

xỉ khoảng 80.000 nm và một tế bào hồng cầu xấp xỉ khoảng 7.000 nm [1]

Viện nghiên cứu nano National Nanotechnology của Mỹ đã thấy những ý nghĩa

quan trọng của công nghệ nano và đầu tư hơn một tỷ đô vào lĩnh vực này Công

nghệ nano đang có sức hấp dẫn lớn vì khả năng ứng dụng của nó cho nhiều lĩnh vực

trong khoa học kỹ thuật công nghệ và đời sống hàng ngày Nhưng công nghệ nano

là gì thì có rất nhiều định nghĩa khác nhau Nhưng theo định nghĩa của ông El-

Naschie’s thì Công nghệ nano là công nghệ liên quan đến các quá trình lý – hóa

– sinh học diễn ra ở phạm vi kích thước 1/100 triệu mét Do vậy 1nm= 10 -9 m

Theo ông El Naschie công nghệ nano là công nghệ liên quan đến thiết bị, máy móc,

hệ thống nhỏ và có tính chất mới Bao gồm các thiết bị điện tử vô cùng nhỏ và các

mạch điện được xác định từ nguyên tử phân tử riêng biệt Từ các hệ thống siêu nhỏ

vệ tinh nano… Nói chung nó liên quan đến phạm vi kích thước của nguyên tử, phân

tử, đại phân tử

Theo các tính năng khoa học công nghệ nano là công nghệ ứng dụng trong

miền xám giữa cơ học cổ điển và cơ học điện tử Cơ học cổ điển là cơ học về

chuyển động của tất cả các vật mà ta nhìn thấy bằng mắt thường, được miêu tả qua

định luật Newton Ở mặt ngược lại cơ học lượng tử có sự chuyển động của các

electron, proton…và các dạng như vậy Ta không biết gì ngoại trừ việc ta có thể

cảm nhận các electron, proton… ở đây hoặc ở kia Nếu chúng ta biết được vận tốc

của nó thì chúng ta cũng không biết mối quan hệ đó Hoặc chúng ta có thể biết được

mối quan hệ đó mà không biết được vận tốc của nó Gọi là nguyên lý không ổn định

của Heisenberg

1.1.2 Các ứng dụng công nghệ nano:

1.1.2.1 Các ứng dụng tiềm năng:

Sản phẩm của công nghệ nano được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực từ

khoa học kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày có thể áp dụng cho tất cả các

ngành như nhựa, xây dựng, in ấn, xăng dầu, y dược…

- Trong y dược, nano polyme được ứng dụng làm chất dẫn thuốc, chất vận chuyển

cho dược liệu kỵ nước, sản xuất băng gạc y tế,… Các quốc gia có lượng đăng ký SC

nhiều nhất về nano polyme trong vật liệu mới, y dược là Trung Quốc, Hàn Quốc và

Mỹ Trong đó, Trung Quốc là quốc gia dẫn đầu về lượng đăng ký SC với 693 SC

Hình 1.1: Biểu đồ số lƣợng đăng ký SC các quốc gia

- Ứng dụng nano polyme trong vật liệu mới chiếm tỷ lệ khá lớn tại nhiều quốc gia

như Trung Quốc: 29,9%, Hàn Quốc: 13,4%, Mỹ: 8,4% trong khi ứng dụng nano

polyme trong y dược chiếm tỷ lệ ít hơn như Trung Quốc: 2,3%, Hàn Quốc: 1%, Mỹ:

0,7%

Ứng dụng rất rộng của nano polyme:

- Nano polyme có ứng dụng rất rộng, hầu như có thể áp dụng cho tất cả các

ngành như nhựa, xây dựng, in ấn, xăng dầu, y dược… Ví dụ khi thêm nano polyme

mang các phức kim loại như Mn (Mangan), Fe (sắt) vào xăng A83, các nano

polyme này sẽ làm tăng chỉ số octan của xăng Hoặc khi thêm các nano polyme vào

dầu nhớt, các nano polyme này sẽ ngậm các phân tử dầu nhớt và nhả ra từ từ để

động cơ có thể hoạt động nhiều hơn mà không phải thay dầu nhớt thường xuyên

Hình 1.2: Cấu tạo một polyme micelle- liposome

Hay các bán dẫn, đi ốt ngày nay cũng ứng dụng các nano polyme dẫn điện

Một trong những hướng phát triển mạnh mẽ của ứng dụng nano polyme trên

thế giới cũng như Việt Nam đó là trong y học Ví dụ như ứng dụng nano polyme đổi

hình đưa vào các mạch máu để chống bị tắc nghẽn Hoặc ứng dụng nano polyme để

lấy các kim loại nặng ra khỏi cơ thể của người bị nhiễm độc nhờ vào khả năng tạo

phức với kim loại của các polyme này Ứng dụng nhiều nhất của nano polyme trong

y dược là sử dụng làm chất mang thuốc Ngoài ra, các nano polyme có thể còn được

gắn thêm các nhóm chức để tăng độ tương hợp của cơ thể

- Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về ứng dụng nano polyme, chẳng hạn

như:

- Viện Công nghệ Hóa học giới thiệu về ứng dụng nano polyme nhánh cây làm

chất mang thuốc chống ung thư 5-FlouroUracil, thuốc chống ung thư cis-Platin

- Công ty dược Danapha (Đà Nẵng) cho ra đời một loạt các dược phẩm được gói

trong các hạt nano-liposome như liposomal estoposide điều trị ung thư, glipizome

(điều trị tiểu đường), amlodisome (trị huyết áp cao), lovastasome (điều trị tim mạch,

trình trạng cholesterol máu cao)

Hình 1.3: Ứng dụng công nghệ nano trong y học

- Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng đang có một số nghiên cứu có tính ứng dụng

cao về nano polyme như phối trộn nano polyme vào nhựa PVC giúp làm tăng tính

cơ lý của nhựa PVC; ứng dụng nano polyme hình sao làm tăng tính cơ lý của răng

giả; ứng dụng nano polyme dẫn điện trong sơn nhằm tránh hiện tượng bị ăn mòn

trên bề mặt Ngoài ra Viện cũng định hướng nghiên cứu sử dụng nano polyme để

làm chất mang thuốc nhả chậm, sử dụng nano polyme gắn với các hoạt chất để làm

thuốc chống ung thư có hoạt lực cao và giảm được độ độc, sử dụng nano polyme để

1.1.2.2 Phát triển trên thị trường nano polyme:

- Công nghệ nano như một mảnh đất màu mỡ, hấp dẫn, tuy có nhiều thách thức

nhưng sẽ mang lại nhiều lợi nhuận và mức tăng trưởng đáng mơ ước cho các công

ty đầu tư Theo báo cáo của công ty BCC Research, dự kiến trong năm 2015, giá trị

thị trường toàn cầu cho công nghệ nano sẽ đạt gần 27 tỷ USD Trong đó vật liệu

nano polyme chiếm phân khúc lớn nhất trên thị trường, sẽ đạt gần 19,6 tỷ USD; các

dụng cụ hỗ trợ cho việc nghiên cứu vật liệu nano như kính hiển vi, máy đo cấu trúc

nano… sẽ đạt giá trị hơn 6,8 tỷ USD; các thiết bị điện tử có cấu trúc nano chiếm

phân khúc nhỏ nhất của thị trường, sẽ đạt gần 234 triệu USD

- Sức thu hút “mãnh liệt” của công nghệ nano đã khiến các quốc gia trên thế giới

lao vào cuộc đua để trở thành cường quốc trong lĩnh vực này

Hình 1.4: Dự đoán thị trường của vật liệu nano

- Chính phủ Mỹ có Chương trình sáng kiến công nghệ nano quốc gia (NNI), là

chương trình nhằm tài trợ, giúp đỡ để hỗ trợ nghiên cứu và học tập về công nghệ

góp phần bằng cách đầu tư hàng tỷ USD vào công nghệ nano và đã nộp hàng ngàn

đăng ký SC về nano trong năm 2009

- Nhà nước Đức thông qua Chương trình EXIST nhằm trả thù lao cho các cán bộ

nghiên cứu và sinh viên đại học tham gia nghiên cứu công nghệ nano

- Nhật Bản cũng có các chương trình hỗ trợ của Chính phủ để thúc đẩy khu vực tư

nhân đầu tư cho công nghệ nano Nhờ đó, các tập đoàn khổng lồ như Toray và

Sumitomo rất tích cực trong việc nghiên cứu và thương mại hóa về các công nghệ

nano

- Tại Hàn Quốc, Bộ Khoa học và Công nghệ thông qua chương trình “Khởi phát

các thiết bị nano mức tera” tài trợ cho các trường đại học và ngành công nghiệp

phát triển các thiết bị điện tử thế hệ tương lai tới đây

- Tại Trung Quốc, công nghệ nano là một chủ đề trong nhiều kế hoạch quốc gia,

cả Nhà nước và tư nhân đã cùng nhau đầu tư trong lĩnh vực này

- Phát biểu tại Chương trình “Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ” tháng

8/2012 tại Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ TP.HCM với chuyên đề

“Xu hướng sản xuất và ứng dụng nano polyme trong y dược, vật liệu mới”, PGS

TS Nguyễn Cửu Khoa - Viện trưởng Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng cho biết,

năng lực sản xuất sản phẩm nano polyme tại Việt Nam là rất lớn, có thể đến hàng

tấn Ông Khoa cho biết ông thật sự rất mừng là Việt Nam cũng đầy đủ phương tiện

để nghiên cứu về tổng hợp nano polyme; và trong vấn đề ứng dụng, có thể kết hợp

với rất nhiều phòng thí nghiệm khác ở trong nước cũng như nước ngoài Hướng

nghiên cứu về nano polyme là một trong những hướng nghiên cứu rất hứa hẹn tại

Việt Nam

1.2 Xơ dệt nano:

1.2.1 Giới thiệu:[2]

Trong kỹ thuật, thuật ngữ nano được sử dụng để mô tả các đại lượng vật lý có tỷ

lệ bằng một phần tỷ Do đó các đơn vị như nano mét, nano giây và nano gram mô tả

một phần tỷ của một mét đo chiều dài, của một giây đo thời gian và của một gam đo

khối lượng

Công nghệ nano là khái niệm liên quan đến khoa học kỹ thuật về lĩnh vực vật

liệu, cấu trúc và thiết bị có kích thước vô cùng nhỏ khoảng 100nm Trong cuộc sống

của con người, sợi tóc người có đường kính khoảng 80.000 nm, kích thước hồng

cầu khoảng 7.000nm, phân tử AND có kích thước khoảng 2 – 2.5nm và phân tử

nước có kích thước khoảng 0,3nm

Công nghệ nano ngày nay đạt được những thành tựu vượt bậc và đã được ứng

dụng rộng rãi vào trong cuộc sống từ các sản phẩm công nghệ cao đến các sản phẩm

thông dụng Trong lĩnh vực công nghiệp đệt may, công nghệ nano không những

được ứng dụng để tạo các xơ dệt siêu mảnh có kích thước nanomet mà còn được

ứng dụng trong công nghệ xử lý hoàn tất tạo cho sản phẩm dệt may có những tính

năng sử dụng vượt trội mà các công nghệ trước đây không tạo ra được

Xơ nano được định nghĩa là dạng xơ được kéo giãn và có đường kính trong

phạm vi nano Khi một vật liệu nào đó được chia nhỏ đến kích thước nano thì diện

tích bề mặt của vật liệu đó tăng lên rất nhiều lần Điều đó dẫn đến tăng diện tích tiếp

xúc với môi trường hoặc với vật liệu khác, làm tăng quá trình trao đổi chất, tăng quá

trình phản ứng (nếu có) và làm thay đổi một số tính chất của vật liệu Để minh

chứng điều này, một hiện tượng rõ ràng khác nhau khi nói về tỷ lệ diện tích bề mặt

của xơ dệt thường và xơ dệt nano:

VD: Nếu xơ có bán kính 1mm và chiều dài xơ là 10mm thì kích thước bề mặt như

- Xơ nano từ nguyên liệu polime được chế tạo theo một số nguyên lý sau: đa tụ,

kéo giãn, phân chia pha và kéo sợi tĩnh điện

1.2.2.1 Nguyên lý đa tụ:

- Nguyên lý đa tụ sử dụng nguyên liệu polyme polyacrrylonitrin và dung môi

dimethylfomanmit để sản xuất xơ nano, đường kính xơ nano nhận được khoảng

100nm, chiều dài xơ khoảng 10 micro mét

- Dưới áp lực đùn ép, dung dịch polyme được đẩy đùn ép qua các phin lỗ định hình

có đường kính rất nhỏ cỡ nanomet, sau khi qua phin lỗ định hình xơ được đóng rắn

bằng dung dịch đóng rắn hình 1.5

Hình 1.5 Nguyên lý đa tụ

1.2.2.2 Nguyên lý kéo giãn:

- Nguyên liệu thường là citrat natri, dung môi là axit chloroauric, đường kính xơ

nhận được từ 2 – 100 nm, chiều dài xơ chỉ đạt được khoảng 10 micro met đến vài

nm Xơ nano được tạo từ phân tử citrat natri do qua trình kéo giãn với tốc độ 1.10

-4m/s Ống pipet di chuyển theo hướng mũi tên tiến đến tiếp xúc với giọt dung dịch

polyme nguyên liệu tại vị trí tiếp xúc giữa giọt dung dịch với bề mặt ( hình vẽ), sau

đó ống pipet di chuyển theo hướng ngược lại tách ra khỏi dung dịch polyme, dung

dịch polyme dính vào đầu ống pipet được kéo giãn với vận tốc khoảng 1x10-4m/s

tạo ra xơ nano ( hình 1.6)

Hình 1.6 Nguyên lý kéo giãn

1.2.2.3 Nguyên lý phân chia pha:

- Polyme được trộn với dung môi trước khi tiến hành gel hóa Quá trình sản xuất xơ

nano theo phương pháp này sử dụng nguyên liệu poly ( L- lactic) axit (PLLA) và

dung môi tetrahydrofuran, xơ nhận được có đường kính từ 50- 500nm ở dạng cấu

trúc mạng lưới

Hình 1.7: Nguyên lý phân chia pha

Quá trình hình thành xơ gồm 5 giai đoạn:

- Trộn đều dung môi tetrahydrofuran với PLLA tạo thành dung dịch với nồng độ

yêu cầu khoảng 1% đến 15% w/v Dung dịch được khuấy đều ở nhiệt độ 60 độ

C trong khoảng thời gian 2 giờ để tạo thành một hỗn hợp đồng nhất

- Lấy 2ml dung dịch ở nhiệt độ 500C cho vào lọ và bảo quản lạnh ở nhiệt độ gel

hóa từ - 180C đến 450C Sau khi tạo thành gel, dung dịch tiếp tục bảo quản ở

nhiệt độ gel hóa thời gian 2 giờ

- Lọ chứa dung dịch được ngâm trong nước cất để chuyển hóa dung môi trong

thời gian 2 ngày Thay nước 3 lần/ ngày

- Tách gel ra khỏi nước, sau đó tiếp tục bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 180 C

trong 2 giờ

- Gel được chuyển vào buồng đông lạnh ở nhiệt độ - 55oC trong môi trường chân

không 0,5mmHg trong thời gian 1 tuần

1.2.2.4 Nguyên lý kéo sợi tĩnh điện:

- Nguyên lý kéo sợi tĩnh điện sản xuất xơ nano sử dụng lực tĩnh điện để kéo sợi từ

dung dịch polyme Giọt polyme trên miệng ống pipet được kéo giãn hình thành xơ

nano dưới tác dụng của một hiệu điện thế cao, xơ nano nhận được ở dạng màng xơ

trên bề mặt đĩa góp xơ nối với một cực điện tiếp đất Xơ nano nhận được đường

kính có kích thước từ 3nm đến 1000nm, chiều dài xơ từ vài đến vài met

- Để hiểu rõ nguyên lý kéo sợi tĩnh điện, cần phải nắm vững cơ chế sản xuất xơ

polyme Xơ polyme truyền thống có đường kính lớn được hình thành khi đùn ép

polyme nóng chảy qua lỗ định hình, sau đó polyme nóng chảy được kéo giãn và sấy

khô tạo thành các bó xơ Tương tự như vậy, kéo sợi tĩnh điện cũng kéo giãn polyme

nóng chảy hoặc dung dịch polyme Tuy nhiên không giống như phương pháp kéo

sợi truyền thống cần một ngoại lực cơ học đẩy polyme nóng chảy qua lỗ định hình,

kéo sợi tĩnh điện sử dụng lực tĩnh điện tác dụng lên dung dịch polyme để tạo ra lực

kéo giãn về phía cực nhận xơ nơi tồn tại một gradient điện trường Khi hiệu điện thế

đủ lớn, một tia dung dịch polyme thắng sức căng bề mặt sẽ tách ra từ giọt dung dịch

polyme và tạo thành xơ nano

Một số điểm quan trọng của kéo sợi tĩnh điện:

Dung môi hòa tan polyme phải thuộc loại có sẵn

- Áp suất bay hơi của dung môi phải phù hợp với quá trình kéo sợi để dung môi

bay hơi nhanh đảm bảo giữ được các tính chất của xơ, nhưng không được bay hơi

quá nhanh làm cho polyme đóng rắn trước khi xơ đạt được kích thước nanomet

- Độ nhớt và sức căng bề mặt của dung môi phải không quá lớn để ngăn cản sự

hình thành sợi hoặc không quá thấp để đảm bảo dung dịch polyme đóng rắn tự do

khi ra khỏi miệng và vòi phun

- Nguồn năng lượng điện áp phải đủ lớn để thắng được sức căng bề mặt của dung

dịch polyme

- Khoảng cách giữa ống pipet và đĩa góp xơ không được quá nhỏ dễ sinh ra tia lửa

điện, nhưng phải phải đủ lớn để dung môi bay hơi và để hình thành xơ

Hình 1.8: Nguyên lý kéo sợi tĩnh điện

1.3 Lịch sử phát triển của công nghệ kéo sợi tĩnh điện:

Ban đầu từ thế kỷ 15 ông Wiliam phát hiện ra hiện tượng lực tĩnh điện Đưa vật

có tĩnh điện đến gần giọt hổ phách làm cho hình dáng của giọt hổ phách biến dạng

và hút về tĩnh điện

Hình 1.9: Đƣa vật tĩnh điện đến gần giọt hổ phách

Đi sâu nghiên cứu đến thế kỷ 19 Moton phát minh thiết bị tạo nên xơ Nano Thiết

bị là một chiếc dây xích và các quả cầu được dúng vào dung dich polime có độ nhớt

nhất định Kết nối hai cực của nguồn điện cao thế vào dây xích và quả cầu thì xuất

hiện hiện tượng dung dịch từ quả cầu bay sang dây xích tạo xơ Nano bám vào dây

xích ở cực đối diện Đến năm 1934 ông Zeleny phát minh ra thiết bị tạo xơ Nano

Hình 1.10: Thiết bị thí nghiệm của Morton

Những khái niệm cơ bản về nano lần đầu tiên được nhà vật lý Richard Feynman

đưa ra vào năm 1959 trong bài luận có nhan đề “Còn nhiều khoảng trống ở dưới

đáy” Tới năm 1974, thuật ngữ “công nghệ nano” mới được sử dụng để đề cập tới

khả năng thao tác các vật liệu một cách chính xác ở mức nm bởi Norio Taniguchi,

một nhà nghiên cứu, Trường Đại học Tokyo, Nhật Bản Nhưng các nghiên cứu về

công nghệ nano chỉ mới phát triển trong thập niên 90 nhờ những sáng chế về dụng

cụ để nhìn và đo đạc các vật chất có kích thước nm như kính hiển vi điện tử quét,

kính hiển vi lực nguyên tử… Đặc biệt, những năm gần đây, các nghiên cứu về vật

liệu nano phát triển mạnh và một trong những vật liệu phát triển ấn tượng đó là

nano polyme

1.4 Các ứng dụng tiềm năng của màng xơ nano:

Mậu dịch toàn cầu hiện hành về hàng dệt gia dụng có giá trị 70 tỷ USD và được

cho là sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng hàng năm hợp nhất (CAGR) chừng 6%

trong 5 năm vừa qua Messe Frankfurt đã chỉ ra rằng các nhà sản xuất vật liệu dệt

gia dụng đang kiếm lợi từ những phát triển tích cực trong lĩnh vực xây dựng và nhu

cầu ở các nền kinh tế phát triển được dẫn dắt bởi các chương trình thiết kế nội thất

tinh vi được phát sóng trên Ti vi vào giờ cao điểm, kích thích người tiêu dùng đầu

tư vào ngôi nhà của mình

Hình 1.11

Hình 1.11: Ứng dụng công nghệ nano để sản xuất vải chông thấm

Một xu hướng chính đang được chú ý là sự phát triển của các sản phẩm mới có

giá trị cao nhưng bền vững Theo khảo sát của Messe Frankfurt, 78% khách tiêu

dùng Đức quan tâm đến việc mua vải và các sản phẩm bền vững

Công nghệ bền vững

Các nhà sản xuất đã thích ứng thành công các công nghệ hàng may mặc công

năng để sử dụng trong các sản phẩm dệt gia dụng có giá trị gia tăng và bền vững,

hiện đang được làm từ nhiều vật liệu chức năng khác nhau, gồm vải co giãn Lycra,

bộ đồ giường thích ứng nhiệt, vật liệu dệt thân thiện với môi trường, vải kháng

khuẩn, các quá trình xử lý chống bám bẩn, vật liệu chậm cháy và công nghệ bao

hương thơm trong viên nang Trong bối cảnh này công nghệ nano đã nổi lên như

một tùy chọn với tiềm năng đáng kể cho việc phát triển các vật liệu mới

Ngoài việc cải thiện tính chức năng, việc sử dụng công nghệ nano có thể dẫn tới sản

xuất vật liệu dệt có các tính chất hoàn toàn mới hoặc kết hợp nhiều chức năng khác

nhau trong một vải Các vật liệu dệt “đa chức năng” này có thể mở đường cho sử

dụng các sản phẩm dệt trong các ứng dụng trong gia đình vượt qua các ứng dụng

truyền thống

Từ quan điểm bền vững, công nghệ nano tạo ra sự hòa hợp của các chất phụ gia

hóa chất nguy hiểm tiềm tàng (ví dụ các chất làm chậm cháy) và dẫn tới các phương

pháp sản xuất thân thiện hơn với môi trường Ngoài ra, các sản phẩm sản xuất ra có

tác động lên môi trường giảm đi do tuổi thọ dài hơn và duy trì tác động thấp

Vật liệu dệt gia dụng được xử lý bằng các chất xử lý hoàn tất nano, vật liệu tráng

hoặc các hạt nano có các ứng dụng trong đồ nội thất dệt, gồm vải bọc đệm ghế, vải

rèm cửa, thảm, vật liệu dán tường, chăn và vải bọc gối tựa đầu trong nhà và nội thất

ô tô cũng như các ứng dụng ngoại thất như là lều bạt, mái hiên, vải bọc đồ gỗ ngoài

trời v.v

Hiện đã có các sản phẩm thương mại Chất xử lý hoàn tất dệt chống bám bẩn và

chậm thấm nước bền lâu Nano-Sphere sử dụng công nghệ nano để tạo ra chức năng

bảo vệ bền lâu tương tự với cây cối nào đấy trong tự nhiên Các chất bẩn nước, dầu,

và bụi được rũ trôi dễ dàng Chất xử lý hoàn tất 3xdry của Schoeller được đưa lên

vải trải giường dẫn đến giấc ngủ đêm tốt hơn, êm đềm hơn cho những ai hay đổi mồ

hôi

Vật liệu dệt được xử lý hoàn tất bằng chất xử lý chậm thấm nước và chống bám

bẩn (kỵ nước) 3xdry trên một mặt và hấp thụ ẩm (ưa nước) trên mặt kia Bề mặt ưa

nước vận chuyển chất ẩm từ cơ thể đi ra khỏi cơ thể, làm chất ẩm lan rộng ra và khô

đi Do bề mặt dưới không ưa nước, mồ hôi không thể ngấm vào vải trải giường hoặc

gối do vậy bảo vệ được đệm ở bên dưới

Đa dạng hóa chức năng

Một số chức năng khác nhau có ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu dệt gia dụng

như sau:

Chức năng kháng khuẩn có ứng dụng trong vải bọc đồ gỗ, rèm cửa và khăn trải

giường bằng cách tăng tính dẫn điện của vải thành phần khi tráng các lớp polyme

dẫn điện có độ dày nano (ví dụ polypyrrole, polyanilline, polythiophen) hoặc các

hạt cacbon nano (Carbon Nanotubes, Carbon Black) Có thể đạt được hiệu quả

thông qua nhúng và phun vật liệu tráng lên vải đã xử lý hoàn tất với nhũ tương hạt

nano hoặc dung dịch phân tán hạt nano; hoặc bằng quá trình polyme hóa dung dịch

hoặc hơi của polypyrrole lên bề mặt dệt

Vật liệu dệt có tính dẫn điện cũng có thể có vai trò của cảm biến (vật liệu dệt làm

tăng hoặc giảm tính dẫn điện của chúng, ví dụ khi tác dụng ứng suất vào) hoặc được

sử dụng để truyền các tín hiệu điện tử từ các cảm biến khác tới các dụng cụ điện tử

tích hợp vào vật liệu dệt Một ứng dụng có thể khác sẽ là thảm hoặc vật liệu trải sàn

với chức năng che chắn điện từ, có thể bảo vệ các dụng cụ điện tử nằm dưới

Vật liệu dệt kháng khuẩn và kháng mùi (cũng được gọi là tự làm sạch) có ứng

dụng trong đồ trang trí nội thất và vải bọc đồ gỗ, nội thất ô tô, vải dùng trong nhà

bếp, khăn mặt; và cũng được dùng trong lĩnh vực y tế để làm khăn trải giường và

khăn che phẫu thuật kháng khuẩn v.v Hầu như hạt nano bạc, TiO2, chitosan hoặc

kết hợp các chất này được sử dụng để đạt hiệu ứng khử khuẩn

Để có được tính chất “tự làm sạch” trong vật liệu dệt, về cơ bản ta có thể sử

dụng các hạt nano để hoạt động như là chất xúc tác quang học để làm thoái biến bụi

hữu cơ và chất bẩn Tuy nhiên phổ biến hơn là các bề mặt siêu kỵ nước được tạo ra

bằng cách dùng vật liệu tráng hạt nano đưa ra khả năng chậm bám bẩn và cáu ghét

và được “tự làm sạch” bằng cách làm các giọt nước lăn tròn, các giọt nước này thu

gom bụi và các hạt bẩn khác Cũng có thể tạo ra bề mặt chống dính bằng cách này

với các tính chất chậm bám dính hướng tới các hợp chất hoặc các chất cụ thể

Trong khi công nghệ nano có thể dẫn tới việc tạo ra bề mặt kỵ nước, thì cũng có

thể tạo ra được điều đối nghịch tức là bề mặt ái nước Chức năng hấp thụ ẩm như

vậy trong vật liệu dệt không chỉ cải thiện các tính chất nhuộm của vải làm cho

nhuộm được các màu đậm hơn, mà cũng có ứng dụng tích cực trong việc sản xuất

vải trải giường có tính dễ chịu, khăn mặt hút chất lỏng, khăn lau và khăn lau bát

Các pigment hạt nano cũng có thể được sử dụng trực tiếp như là thuốc nhuộm và

cũng có thể được đưa vào các vật liệu tráng có độ dày nano để cải thiện khả năng

bền với tẩy trắng và tính ổn định với ngâm chiết Có thể đạt được các kết quả đặc

biệt tốt bằng cách dùng các nanosol ôxit kim loại (ví dụ các ôxit nhôm hoặc ôxit

titan trong sol của oxit silica) có thể hình thành nên các phức chất với thuốc nhuộm

anion

Về khả năng bền với tẩy trắng, vật liệu tráng-thuốc nhuộm-nanosol có thể được

tối ưu hóa bằng cách bổ sung chất hấp thụ UV hữu cơ, ví dụ (e.g benzotrialzoles)

vào nanosol Những vật liệu dệt như vậy chống lại sự bạc màu do UV, sẽ có thể giữ

được độ đậm màu cũng như độ bền của vải kéo dài hơn nhiều trong ứng dụng ngoài

trời và được ứng dụng trong tất cả các vật liệu dệt nội thất cũng như sản phẩm dùng

ngoài trời, ví dụ vải lều hoặc vải làm dù che nắng

Chậm cháy là tính chất quan trọng cho vật liệu dệt gia dụng, Việc tích hợp các

vật liệu composit nano tạo nên hiệu ứng chậm cháy Các vật liệu composit nano có

chứa đất sét nano, boroxosiloxanes hoặc các ống nano cacbon làm tăng cường khả

năng chậm cháy Các vật liệu composit đất sét nano thông thường được kết hợp với

các nồng độ thấp các chất chậm cháy cổ truyền cũng tạo ra sự bảo vệ chống cháy

đáng tin cậy

Các hạt nano cũng có thể được trộn nóng chảy với vật liệu polyme để tạo sợi,

sợi sau đó có thể được dệt thành vải dệt kim hoặc dệt thoi, hoặc được đưa lên vật

liệu dệt thành phẩm dưới dạng vật liệu tráng Vật liệu dệt chậm cháy có ứng dụng

trong dãy rộng các sản phẩm dệt gia dụng và dùng cho ô tô như là thảm và các loại

vải trang trí nội thất, gối trên bộ ghế hoặc vải lót cho nội thất ô tô v.v

Công nghệ nano cũng đang được sử dụng để sản xuất xơ hoạt động như là các

dụng cụ chuyển tải thuốc, các chất thơm hoặc các tác nhân hoạt tính khác và có thể

làm cho chúng giải phóng có kiểm soát Các tác nhân này có thể được trộn với các

dụng cụ chuyển tải phù hợp và được pha trộn khi nóng chảy với polyme tạo xơ hoặc

được tráng lên xơ

1.5 Nguyên lý tạo màng xơ nano:

1.5.1 Thiết bị tạo ra màng xơ nano dùng kim:

Hình 1.12: Thiết bị tạo ra màng xơ nano dùng kim

a Dung dịch polyme

b Đầu kim

c Xi lanh ép bơm dung dịch polyme ra đầu kim một khoảng cách nhất định

d Màng tụ xơ nano

e : Nguồn điện cao thế

Mô tả quá trình hoạt động tạo màng xơ nano của thiết bị:

Dung dịch polyme a được chứa trong xi lanh và dưới tốc độ di chuyển không

đổi của pittong c thì sẽ ép dung dịch polyme ra đầu kim b, với tốc độ không đổi và

với dung dịch polyme thoát ra khỏi đầu kim khoảng 0,3 – 0,5 ml/ giờ

Do kim và màng thu được nối với hiệu điện thế nên các giọt polyme trên đầu

kim b sẽ bị trường điên tích tác động có thể tạo thành tia phun và đưa polyme từ đầu

kim phun đến màng thu Tùy thuộc vào tính chất của polyme cũng như tùy thuộc

vào mối tương quan giữa lực điện trường và sức căng bề mặt của polyme thì các

polyme được đưa từ đầu kim tới màng thu có thể tồn tại ở dạng hạt, dạng giọt hoặc

được kéo giãn tạo thành xơ

Trong quá trình polyme di chuyển từ đầu kim phun đến màng thu thì xẩy ra quá

trình bay hơi.Tùy thuộc vào khoảng cách giữa đầu kim với màng thu cũng như tùy

thuộc vào tốc độ bay hơi của dung môi thì các polyme hoặc màng xơ khi đến màng

thu có thể đã khô hoàn toàn hoặc vẫn còn một phần dung môi nào đó

Nguồn điện e có 2 điện cực, 1 cực nối với kim, một cực nối với màng thu

Thông thường cực âm nối với màng thu và nối đất, cực dương nối với kim Sự

chênh lệch điện áp giữa điện áp và màng thu tạo ra lực điện trường đưa polyme từ

kim phun đến màng thu Do vậy tùy vào nồng độ polyme mà màng xơ thu được có

thể có cấu trúc bao gồm toàn các xơ nano và các hạt beads cũng có thể bao gồm

toàn các hạt beads

Ưu điểm của thiết bị là có thể tạo ra xơ nano với nhiều nồng độ và điện áp khác

nhau, dung cho nhiều loại polymer khác nhau Ở nồng độ dung dịch thấp như 3%,

5% ta thu được màng xơ có nhiều hạt beads và hạt beads có dạng tròn dài Đối với

nồng độ dung dịch là 7%, 10% màng xơ ít hạt beads hơn nhưng hình dạng hạt beads

tròn Và khi phun ở nồng độ dung dịch 15% thì tạo ta màng xơ đồng đều không có

hạt beads

1.5.2 Thiết bị tạo ra xơ nano dùng trục (tạo màng xơ từ bề mặt dung dịch

polyme):

Hình 1.13: Thiết bị tạo ra màng xơ nano dùng trục

1 Trục kim loại quay nối vào một cực của nguồn điện cao thế

2 Bể chứa dung dịch polyme ( độ nhớt – sức căng bề mặt)

3 Trục tụ xơ nối một cực điện cao thế, tạo ra một màng xơ nano

Mô tả quá trình hoạt động tạo màng xơ nano của thiết bị:

Toàn bộ hệ thống này được đặt trong buồng kín có điều hòa không khí kiểm

soát nhiệt độ và độ ẩm cho quá trình tạo màng xơ như sau:

Trục quay kim loại với một tốc độ phù hợp cho từng loại polyme Sau đó

polyme được lấy từ bể chứa lên trên bề mặt của từng trục quay Tùy thuộc từng loại

polyme hay độ nhớt của polyme mà xơ nano bám trên bề mặt của trục quay dày hay

mỏng và cùng tốc độ quay

Hai cực của nguồn điện cao thế từ 50 đến 150 Kv sẽ được nối vào trục quay

bằng kim loại và màng thu Nhúng polyme nông hay sâu phụ thuộc vào loại polyme

và từng quá trình khác nhau Thông thường ở dưới màng thu người ta để một lớp

vải chạy liên tục với một tốc độ ổn định nhằm tạo ra màng xơ nano có tính liên tục

và khả năng ứng dụng cao hơn Vải lấy ra từ cuộn vải chưa có xơ nano Sau khi xơ

nano bám vào được cuộn vải thu vải thu dùng vải không dệt

Do lực điện trường được tạo ra từ sự chênh lệch điện áp giữa trục quay kim

loại và màng xơ nano mà trên bề mặt polyme bám trên trục quay, xuất hiện các tia

phun để đưa polyme từ trục quay đến màng thu Số lượng các tia phun polyme xuất

hiện trên bề mặt của trục phụ thuộc vào các tính chất polym và các thông số kim

loại như: khoảng cách, cường độ điện áp, tốc độ phun…

Màng xơ nano được tạo ra trên bề mặt của vải nằm dưới màng thu do vải chạy

liên tục với tốc độ ổn định nên màng xơ nano được đưa ra ngoài, các thông số của

màng xơ giống nhau về tính chất cũng như độ thoáng khí, độ dày của xơ

Trong quá trình tạo ra màng xơ nano polyme mới được cung cấp vào bể chứa

dung dịch, trong quá trình polyme đi từ bề mặt của trục đến màng xơ cũng giống

như quá trình tạo màng xơ trên thiết bị dùng kim thì dung môi sẽ bay hơi Quá trình

bay hơi được hỗ trợ bởi hệ thống điều không điều hòa cho buồng kín

Hình 1.14: Thiết bị tạo màng xơ nano dung trục

Sản phẩm của quá trình này không có điểm beads và không có hạt beads mà

chỉ bao gồm các xơ hoặc các vùng không dệt Nguyên nhân do thiết bị này không

tạo ra được hạt beads do điện áp cung cấp cho trục quay bằng kim loại không thể

quá lớn trong khi đó diện tích áp dụng lớn hơn rất nhiều so với thiết bị dùng kim

Do đó mật độ diện tích bề mặt của trục không thể quá lớn nên không đưa được từng

mảng polyme lên màng thu

Đối với thiết bị này có nhược điểm là phạm vi sử dụng polyme hạn chế hơn

cho thiết bị dùng kim Nhưng có ưu điểm nổi bật là chất lượng màng xơ tốt tạo ra

xơ không có hạt beads kích thước tương đối đồng đều

1.6 Các tính chất hình thái học của màng xơ nano:

Sản phẩm của quá trình kéo sợi tĩnh điện (màng xơ nano) được đánh giá qua

các tính chất như:

Đường kính xơ của màng xơ nano thông qua các ảnh SEM , Nguyên lý chụp

ảnh SEM được thể hiện trên hình sau:

Trong quá trình kéo sợi tĩnh điện dung dịch polyme bị kéo dài bằng các lực

điện được tạo ra giữa kim phun và màng thu Dung môi bay hơi, sau quá trình kéo

sợi tĩnh điện có thể vẫn còn một lượng dung môi trên màng xơ nano Do vậy màng

xơ nano được bảo quản một đêm trong điều kiện chân không khi màng xơ khô hoàn

toàn, lấy mẫu xơ với diện tích 1 x 1 cm được đưa đi chụp ảnh SEM

Do bản thân xơ có đường kính không đồng nhất Nên cần đo rất nhiều điểm

khác nhau ít nhất 100 điểm để tính giá trị trung bình các điểm đo

Hình thái học của màng xơ nano: Được phân tích qua ảnh SEM hoặc ảnh

TEM khi màng xơ có cấu trúc rỗ thì các tính chất hình thái học của màng xơ nano

bao gồm: hình rỗ, mật độ của các điểm rỗ,

Độ thoáng khí của màng xơ

Tỷ lệ diện tích không dệt trên màng xơ

Các hạt beads là một trong những sản phẩm thu được khi thực hiện tạo ra

màng xơ nano bằng phương pháp kéo sợi tĩnh điện Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng

đến số lượng beads của màng xơ nano như độ nhớt đàn hồi, điện áp, mật độ diện

tích, sức căng bề mặt của dung dịch…

Khi sử dụng dung môi phù hợp thì số lượng hạt beads giảm bên cạnh đó có rất

nhiều yếu tố ảnh hưởng tới hình thái học của màng xơ nano trong các loại dung môi

khác nhau Tốc độ bay hơi của dung môi, khả năng phân cực của điện môi, khả

năng dẫn điện của dung môi, hệ số sức căng bề mặt, khối lượng phân tử

Hoặc nhiệt độ của môi trường, các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra rằng dung môi

phù hợp có thể loại bỏ hạt beads của sản phẩm trong quá trình kéo sợi tĩnh điện

1.7 Các yếu tố ảnh hưởng:[2]

1.7.1 Các yếu tố về nguyên liệu:

1.7.1.1 Thông số dung dịch và loại polyme sử dụng:

Polyme bao gồm chuỗi các mạch phân tử, mỗi phân tử được gọi là monome

liên kết với nhau

Để thực hiện quá trình kéo sợi tĩnh điện, các polyme trước tiên phải ở dạng

polyme nóng chảy hoặc dạng dung dịch polyme Tính chất của dung dịch đóng một

vai trò quan trọng quyết định trong quá trình kéo sợi tĩnh điện và hình thái học xơ

nhận được Trong quá trình kéo sợi tĩnh điện dung dịch polyme được kéo ra từ đầu

ống pipet Tính chất điện của dung dịch, sức căng bề mặt của dung dịch và độ nhớt

dung dịch xác định khả năng kéo sợi Tốc độ bay hơi cũng ảnh hưởng tới độ nhớt

của dung dịch trong quá trình kéo sợi Tính hòa tan polyme trong dung môi không

những quyết định đến độ nhớt của dung dịch mà còn ảnh hưởng đến loại polyme có

thể sử dụng kết hợp

Các loại polyme sử dụng:

Bảng 1.1: Các loại Polime sử dụng và dung môi hòa tan

Nguyên liệu Dung môi Đường kính xơ Chiều dài xơ

Polyimit

Axit polyamic

Polyeterimit

Phenoi m-cresol metylen clorit

Poly (p- phenylen

terephtalamit)

Polyamit

Axit sunfuric Dimetylfomamit

Polyaninil Axit sulfuric

Có rất nhiều loại polyme khác nhau nhưng trong thí nghiệm ta sử dụng PVA

Mowiol 8-88 và nước cất vì chúng dễ tìm dễ sử dụng không gây độc hại độ an toàn

cao

1.7.1.2 Khối lƣợng phân tử polyme:

Một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch là

khối lượng phân tử của polyme Nói chung, khi một polyme có khối lượng phân tử

lớn được hòa tan trong một dung môi, độ nhớt của dung dịch của nó sẽ cao hơn so

với độ nhớt của dung dịch cùng loại polyme nhưng có khối lượng phân tử thấp hơn

khi hòa tan cùng một loại dung môi Một trong những điều kiện để kéo sợi tĩnh điện

là dung dịch kéo sợi phải bao gồm polyme có khối lượng phân tử đủ lớn và dung

dịch polyme phải có đủ độ nhớt cần thiết

Khối lượng phân tử polyme biểu hiện chiều dài mạch đại phân tử polyme, nó

ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch vì chiều dài polyme quyết định số lượng

chuỗi mạch polyme trong dung môi Một cách khác để tăng độ nhớt của dung dịch

là tăng mức độ cô đặc polyme Sự phân rã mạch polyme tác động đáng kể đến hiện

tượng tạo thành các hạt polyme nhỏ khi kéo sợi tĩnh điện hoặc có thể làm cho bề

mặt xơ nhận được chưa các điểm hạt khi kéo sợi

Độ nhớt dung dịch polyme là thông số rất quan trọng để thự hiện kéo sợi tĩnh

điện, độ nhớt quá cao sẽ rất khó phun dung dịch qua khỏi miệng vòi phun, hơn nữa

khi độ nhớt quá cao dung dịch có thể bị khô ở đầu miệng vòi phun trước khi thực

hiện kéo sợi tĩnh điện

Độ nhớt tối thiểu với mỗi loại dung dịch polyme phải đảm bảo sao cho quá

trình kéo sợi không tạo ra các điểm hạt trên bề mặt xơ Độ nhớt dung dịch thấp

thường tạo thành các hạt các điểm hạt trên bề mặt xơ, khi độ nhớt tăng lên hình

dạng điểm hạt thay đổi từ dạng hình tròn sang dạng hình thoi cho đến khi bề mặt xơ

trơn nhẵn

Ở độ nhớt thấp sức căng bề mặt gây ra hiện tượng tạo điểm hạt dọc theo chiều

dài xơ Khi độ nhớt tăng lên, tức là có một lượng lớn mạch phân tử polyme bị phân

rã trong dung dịch, các hạt điện tích lan tỏa đều trong dung dịch với các phân tử

dung môi được phân bố trong mạch polyme Khi độ nhớt dung dịch tăng lên thì

đường kính xơ cũng tăng lên Sự tương tác dung dịch và điện tích sẽ quyết định

đường kính xơ nhận được

1.7.1.3 Nồng độ dung dịch polyme:

Qua nhiều nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch polyme chỉ ra rằng

nồng độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất của qua trình kéo sợi tĩnh điện

Vì nồng độ ảnh hưởng tới độ nhớt của dung dịch Mặt khác quá trình tạo màng xơ

nano hình thái học của xơ phụ thuộc vào độ nhớt của dung dịch [7] Nếu nồng độ

polyme thấp, màng xơ có nhiều hạt beads và giọt hình cầu

Do vậy khi tăng nồng độ của dung dịch polyme làm giảm số lượng và kích

thước hạt beads và đến một nồng độ nhất định thì chỉ tạo ra màng xơ chứ không có

hạt beads

Để minh chứng cho điều này tác giả pha 5 loại dung dịch polyme khác nhau

PBS như 3%, 5%, 7%, 10% , 15% Và được sử dụng để kéo sợi tĩnh điện dưới cùng

điều kiện như nhau Qua quá trình thí nghiệm và kết quả chụp ảnh SEM ta thấy số

lượng hạt beads giảm khi nồng độ dung dịch tăng Không có hạt beads khi nồng độ

dung dịch là 15% Các xơ được tạo ra tương đối đồng nhất trong điều kiện này Các

hạt beads được tạo ra do sức căng bề mặt, trong trường hợp không có sức căng bề

mặt các tia phun bị gián đoạn tạo thành giọt trên màng thu Khi sức căng bề mặt

thấp có xu hướng tạo beads Khi tăng nồng độ polyme sức căng bề mặt lớn nên số

lượng hạt beads giảm

1.7.1.4 Độ nhớt của dung dịch:

Hình 1.15: Quan hệ giữa độ nhớt và nồng độ dung dịch

Độ nhớt cao có nghĩa là có một sự tương tác lớn giữa phân tử dung môi với

phân tử polyme, do đó khi dung dịch được kéo giãn dưới ảnh hưởng của điện tích,

phân tử dung môi sẽ trải rộng xung quanh các phân tử polyme vì vậy làm giảm xu

hướng các phân tử dung môi di chuyển sát với nhau dưới ảnh hưởng của sức căng

bề mặt

Độ nhớt của dung dịch PVA phụ thuộc vào độ trùng hợp phân tử hay khối

lượng phân tử và độ tinh khiết của polime cũng như sự phụ thuộc của nồng độ và

nhiệt độ của dung dịch theo hình 1.15 Với mỗi một khối lượng phân tử khác nhau

thì độ tinh khiết càng cao Tương tự như vậy nồng độ càng cao thì độ nhớt càng lớn

Trên thực tế do độ nhớt của dung dịch tăng nhanh nếu nồng độ cao cho nên

PVA chỉ có thể hoà tan tới một nồng độ nhất định

Bảng dưới đây thể hiện nồng độ giới hạn của các loại PVA :

Bảng 1.3 Nồng độ giới hạn của các loại PVA

Nếu để dung dịch PVA trong điều kiện nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian

nhất định thì độ nhớt tăng, xảy ra hiện tượng tạo thành deo Đối với dung dịch PVA

tinh khiết hoặc gần như tinh khiết ở nhiệt độ cao làm cho độ nhớt tăng nhanh mà có

thể tạo thành deo khi để trong một thời gian dài Do vậy trong thực tế các dung dịch

PVA không nên được lưu chữ và không nên pha ở nhiệt độ tối đa như bảng dưới: