ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THỊ THANH NGA

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI NANO POLYVINYL
ALCOHOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP ELECTROSPINNING

Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 30 tháng 06 năm 2012.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. GS.TS. NGUYỄN HỮU NIẾU
2. TS. HÙYNH ĐẠI PHÚ
3. TS. VÕ HỮU THẢO

4. PGS. TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG
5. TS. LA THỊ THÁI HÀ
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa.
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

GS.TS. NGUYỄN HỮU NIẾU

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc




Tp. HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ THỊ THANH NGA

Phái:

Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1984


Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp

MSHV: 00308441

Nữ

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI NANO POLYVINYL ALCOHOL BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ELECTROSPINNING

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tạo ra sợi nano Polyvinyl alcohol bằng phương pháp electrospinning dựa trên thiết
bị tự tạo.
- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ nhựa, lưu lượng bơm nhựa, khoảng
cách giữa đầu phun và collector, hiệu điện thế lên đường kính sợi Polyvinyl alcohol.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề
tài):.........................................................................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ...........................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ
CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH



LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Đại Phú, đã tận
tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Công nghệ Vật liệu
trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy truyền đạt cho
em những kiến thức trong suốt khóa học.
Em xin cảm ơn thầy Dương Huỳnh Bảo giảng viên trường Đại học Khoa
Học Tự Nhiên bộ môn CNTT đã giúp đỡ em hồn thành thiết bị electrospinning để
em có thể để việc nghiên cứu có thể diễn ra tốt đẹp. Em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị
Lê Thanh đã tạo điều kiện để em lắp đặt thiết bị, sử dụng dụng cụ và tiến hành thí
nghiệm.
Cuối cùng Tơi xin được cảm ơn gia đình và tất cả những người bạn đã chia
sẽ, giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập vừa qua.

Trân trọng.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012
Người viết

Lê Thị Thanh Nga


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Electrospinning được biết như là một phương pháp mới hiện nay để tạo
ra vật liệu nano plymer. Nhờ cách thực hiện khá đơn giản và các thông số điều
chỉnh được kiểm soát tương đối dễ dàng, ổn định nên phương pháp này đang rất
được ưa chuộng để thực nghiệm chế tạo sợi nano polymer, đặc biệt là các ứng
dụng trong lĩnh vực y sinh.


Đề tài “Nghiên cứu chế tạo sợi nano PVA bằng phương pháp
Electrospinning” sẽ tiến hành các khảo sát liên quan tới hình thái cấu trúc và
đường kính sợi polymer thơng qua thiết bị tự tạo và polyvinyl alcohol. Các
thông số được thiết lập để khảo sát bao gồm: hiệu điện thế, nồng độ, tốc độ bơm
và khoảng cách phun sợi khi sử dụng phương pháp này. Để khảo sát sự ảnh
hưởng của một thông số lên kích thước sợi, ta cố định các thơng số cịn lại và
thay đổi thơng số cần khảo sát. Vì thế quá trình thực hiện luận văn gồm các
bước khảo sát sau:
 Nồng độ dung dịch polyvinyl alcohol.
 Tốc độ bơm nhựa.
 Khoảng cách giữa đầu phun và collector.
 Hiệu điện thế đầu ra dùng để phun sợi.
Kết quả thu được sẽ giúp lựa chọn ra cụm thông số thích hợp để tạo ra
sợi nano polymer cũng như biết được hạn chế của thiết bị. Từ đó có thể mở rông
việc sử dụng những polymer khác để thực nghiệm hoặc thay đổi thêm các yếu tố
khác như môi trường, dung môi, xúc tác…

Trangi


MỤC LỤC
Trang

Đề mục
Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
Lời cảm ơn

Tóm tắt luận văn ................................................................................................... i
Mục lục.................................................................................................................. ii
Danh mục các hình ảnh....................................................................................... iv

Danh mục các bảng biểu ..................................................................................... ix
Mở đầu.................................................................................................................. 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về Electrospinning: ..................................................................... 3
1.1.1. Sợi nano polymer ........................................................................................ 3
1.1.2. Phương pháp electrospinning:……………………………...........................3
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sợi nano polymer:.................................................6
1.2.1. Dung dịch polymer…………………………………………………………..6
1.2.2. Môi trường ....................................................................................……….15
1.2.3. Colector ................................................................................................ ….15
1.2.4. Điện áp áp đặt………………………………………………………………16
1.2.5. Tốc độ cấp liệu .......................................................................................... 17
1.2.6. Đầu phun (tip)………………………………………………….………… 28
1.2.7. Khoảng cách (L)........................................................................................ 21
1.3. Những loại polymer dùng trong kỹ thuật electrospinning:.........................21
1.4. Ứng dụng của sợi nano electrospun...............................................................22
1.4.1. Ứng dụng trong y học ..................................................................................22
1.4.2. Ứng dụng trong các ngành khoa học khác.................................................32
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm ................................................................... 40
2.1.1. Hóa chất .................................................................................................... 40
2.1.1.1. PVA (Polyvinyl alcohol) …………………………………………......…40
Trang ii


2.1.1.2. Nước:…………………………...………………………………………....42
2.1.1.3. Ethanol:…………………………………………………………………...43
2.1.2. Thiết bị thí nghiệm………………………………………………………....46
2.1.3.1. Thiết bị thực hiện:......................................................................................46
2.1.3.1. Thiết bị tạo điện thế:..................................................................................46

2.1.3.2. Colector …………………………………………………………………..51
2.1.3.3. Hệ thống phun nhựa..................................................................................52
2.1.3.4. Máy khuấy từ: gia nhiệt và hòa tan PVA thành dd PVA......................53
2.1.4. Phụ kiện.........................................................................................................54
2.1.5. Các thơng số chính của thiết bị....................................................................54
2.2. Phương pháp nghiên cứu………………………………………………….....56
2.2.1. Qui trình cơng nghệ:……………………………………………………......56
2.2.2. Chuẩn bị mẫu:……………………………………………………………...56
2.3. Phương pháp phân tích:..................................................................................58
CHƯƠNG III : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Khảo sát hình thái phun sợi :…………………………………………….....59
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số : .....................................................69
3.1.1.1. Đường kính sợi khi thay đổi nồng độ :....................................................80
3.1.1.2. Đường kính sợi khi thay đổi tốc độ bơm :...............................................71
3.1.1.3. Đường kính sợi khi thay đổi khoảng cách :.............................................72
3.1.1.4. Đường kính sợi khi thay đổi hiệu điện thế :.............................................73
3.1.1.5. Đường kính sợi khi thay đổi khi đảo cực tính của đầu phun:...............75
CHƯƠNG IV:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận.............................................................................................................76
4.2. Kiến nghị...........................................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. .......................................................................... ......79
PHỤ LỤC................................................................................................................
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG....................................................................................

Trang iii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mơ phỏng ngun lý của PP Electrospinning . ............................................ 4
Hình 1.2: Sự phụ thuộc của sợi có đường kính trung bình d (µm) vào nồng độ ........... 7

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa đường kính sợi vào nồng độ với các giá trị khác nhau
của điện trường. .......................................................................................................... 8
Hình 1.4: Ảnh SEM của các sợi nano PS electrospun với dung môi khác nhau ......... 10
Hình 1.5: Sự thay đổi đường kính trung bình sợi nano PLGA copolymer .................. 11
Hình 1.6: Ảnh hưởng cuả sức căng bề mặt............................................................... 12
Hình 1.7: Ảnh hưởng của chất hoạt tính.................................................................... 12
Hình 1.8: Mối quan hệ giữa đường kính và hằng số điện mơi ................................... 13
Hình 1.9: Quan hệ giữa điểm sơi dung mơi và đường kính sợi .................................. 14
Hình 1.10: Các loại Collector được sử dụng trong electrospinning .......................... 15
Hình 1.11: Ảnh hưởng của điện áp U (kV) đến đường kính sợi trung bình ................ 16
Hình 1.12: Máy electrospinning có nhiều mao dẫn.. ................................................. 18
Hình 1.13: (a) Các sợi nano có đường kính trung bình thu được bằng phương pháp
electrospinning dung dịch nylon-6 với dung môi acid formic 85% từ đầu mao mạch
là cực dương hoặc cực âm. (b) Các mẫu sợi nano trong từng trường hợp: Dung
dịch 40 % polymer trong dung môiacid formic85% được electrospun với khoảng
cách là 10 cm và điện áp +21 và -21kV…………………………...……………………20
Hình 1.14: Sợi electrospun nano PEO theo các điều kiện giống hệt nhau nhưng sử
dụng dòng điện khác nhau: (a) +7500V AC và (b) 7500 V DC, cho thấy sự khác biệt
trong liên kết sợi………………………………………………………………………..…..20
Hình 1.15: Cơ chế nhả thuốc và hiệu quả sử dụng chất mang thuốc…………..................23

Hình 1.16: Tái tạo da trên cơ thể người ……………………………..…………..........24
Trang iv


Hình 1.17: Mạch máu nhân tạo làm từ electrospun………………………….............25
Hình 1.18: a) Sụn tai người. b)Scaffold ni tế bào sụn………………………….....26
Hình 1.19: a) tạo scaffold.

b) đưa tế bào tủy xương vào scaffold. c)Xương phát


triển dần trên khối scaffold………………………………………………………………..27
Hình 1.20: Cấy ghép dây thần kinh nhân tạo trên cơ thể người……………..........29
Hình 1.21: a) Đắp băng giữ ẩm và kháng khuẩn lên da bị bỏng. b) Băng y tế…...30
Hình 1.22: Sơ đồ truyền chất trên giọt và màng ái lực.(chất truyền tại một giọt chủ
yếu do sự khuếch tán vào các khe hở, và chậm hơn nhiều so với chất truyền trong
màng ái lực, chủ yếu bằng dịng đối lưu)…………………………………...................31
Hình 1.23: Ảnh SEM màng ái lực. ………………………………………….……….....31
Hình 1.24: Lưới lọc bằng electrospun………………………………...……………......32
Hình 1.25: Bộ lưới lọc composite và ảnh SEM của nó……………………………… .33
Hình 1.26: Vải làm quần áo bảo hộ…………………………………………….............34
Hình 1.27 : Pin Li-Poly………………………………..……………………………........35
Hình 1.28: Thiết bị cảm ứng khí gas khơng dây…………………….………...............37
Hình 1.29: màn hình LCD có cảm biến điện quang……………………….................37
Hình 1.30: Sơ đồ cấu tạo composite………………………………………………….....38
Hình 1.31: Các dạng cấu trúc sợi tăng cường trong composite………………......38
Hình 2.1: Cơng thức cấu tạo của PVA………………………………………...….40
Trang v


Hình 2.2: Bao bì đựng PVA 217…………………………………………………..41
Hình 2.3: PVA 217………………………………………………………………...42
Hình 2.4: Nước và phân tử nước………………………………………………….42
Hình 2.5: Phân cực của nước………………………………………………..…….43
Hình 2.6: Cấu trúc phân tử của êtanol.....................................................................44

Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế thiết bị electrospinning......................................................46

Hình 2.8: Thiết bị ổn áp...........................................................................................47
Hình 2.9: Cách đấu dây nguồn vào mặt sau của ổn áp...........................................47

Hình 2.10: Lõi thép và dây quấn máy biến áp..........................................................48
Hình 2.11: Máy hạ áp DC 24V_3A..........................................................................49
Hình 2.12: Bo mạch nguồn.......................................................................................49
Hình 2.13: Flyback coil............................................................................................50
Hình 2.14: Cấu tạo bên trong của máy tăng áp.......................................................51
Hình 2.15: Quạt tản nhiệt.........................................................................................51
Hình 2.16: Collector làm bằng thép.........................................................................52
Hình 2.17: Giấy bạc.................................................................................................52
Hình 2.18: a) Kim cánh bướm.

b) Xilanh 20ml hãng TOP.................................52

Hình 2.19: Bơm tiêm điện Top-5300........................................................................53
Hình 2.20: Máy khuấy từ..........................................................................................53
Trang vi


Hình 2.21: Tủ an tồn 2 ngăn..................................................................................54
Hình 2.22: Vị trí đặt đầu phun trong tủ...................................................................54
Hình 2.23: Mơ tả cách chuẩn bị dung dịch polymer PVA.......................................57
Hình 2.24: Kính hiển vi điện tử quét SEM...............................................................58
Hình 3.1: Mẫu sợi electrospun PVA 10%, Q = 5 ml/h, L= 80mm, U=-6,8KV.....60
Hình 3.2: Lực điện trường kéo dd PVA ra khỏi đầu kim và hướng về phía collector.
…………………………………………………………………………..…………60
Hình 3.3: Mẫu sợi electrospun PVA 8%, Q = 0,4 ml/h, L=80mm, U=-6,8KV…...61
Hình 3.4: Mẫu sợi electrospun PVA xuất hiện giọt polymer ( PVA 8%, Q =
0,1ml/h, L=80mm, U=-6,8KV).................................................................................62
Hình 3.5: Mẫu sợi electrospun PVA 7%, Q=0,1ml/h, L=80mm, U=-6,8KV..........63
Hình 3.6: Mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q= 0,4 ml/h, L=80mm, U=-6,8KV……64
Hình 3.7: Lớp sợi electrospun PVA 6%, Q= 0,4 ml/h, L=80mm, U=-6,8KV…….64

Hình 3.8: Mẫu sợi electrospunPVA 6% Q = 0,5 ml/h L=80mm U=-6.8KV. Có một
vài giọt bám phía dưới màng phun………………………………………………..65
Hình 3.9: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 5% .(Q=0.1ml/h L=300mm U=6,8KV).....................................................................................................................65
Hình 3.10: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 7%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm, U
= 22,7 KV Hiệu điện thế sử dụng quá lớn làm dung môi bay hơi khơng kịp và dẫn
đến q trình phun sợi khơng ổn định…………………………………………...…66
Hình 3.11: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm,
U=22,7KV………………………………………………………………………….66
Hình 3.12: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm,
U=-6,8KV……………………………………………………………………………………67
Hình 3.13: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q = 0,1 ml/h, L= 300mm,
U=22,7KV…………………………………………………………………………………..67
Trang vii


Hình 3.14: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospunPVA đạt cân bằng giữa lực kéo và
đẩy(C=6% ; Q=0.4ml/h ; L=80mm)........................................................................68
Hình 3.15: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 7%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm,
U=-6,8KV…………………………………………………………………………..68
Hình 3.16 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đường kính sợi theo nồng độ PVA...........71
Hình 3.17 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đường kính sợi theo tốc độ bơm..............72
Hình 3.18 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đường kính sợi theo khoảng cách............73
Hình 3.19 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đường kính sợi theo hiệu điện thế............74
Hình 3.20: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA ở cực tính thuận : đầu phun (+)
– collector (-)  sợi đều, mịn. Đường kính sợi trung bình khoảng 46
nm.(U=22.7KV; C=6% ; Q = 0,1 ml/h; L=250 mm)………………………...……75
Hình 3.21: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA ở cực tính nghịch : đầu phun(-)
– collector (+)  dung môi bay hơi không hết và quá trình phun khơng ổn định do
thực nghiệm ở hiệu điện thế quá lớn 22.7 KV so với nồng độ 6%, Q = 0,1 ml/h
L=250 mm dẫn tới sợi có đường kính khơng đều Ø ~ 53÷91 nm ……………….....75


Trang viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng1.1: Những dung mơi hịa tan polymer phổ biến dùng trong PP
electrospinning...........................................................................................................9
Bảng 1.2: Ảnh hưởng của hằng số điện môi của dm trong PP electrospinning lên
PMMA tại nồng độ 100mg/ml. (Điện áp 20KV, khoảng cách 25cm, đầu phun vát
góc nhọn 10o)............................................................................................................13
Bảng 1.3: Ảnh hưởng của kích thước đầu phun (Tip) trong kỹ thuật electrospinning
khi thử dùng copolymer (lactide-co-ε-caprolactone)................................................17
Bảng 1.4: Tóm tắt các dữ liệu: đường kính trung bình từ điện tích mao dẫn âm lớn
hơn đáng kể ở tất cả các nồng độ nghiên cứu..........................................................19
Bảng 1.5: Thí dụ một số loại polymer dùng kỹ thuật electrospinning ....................21
Bảng 2.1: Thông số của ethanol……………………………………………….…..45
Bảng 2.2: Các thông số chính của hệ thống thiết bị ……………………………....55
Bảng 3.1: Thơng số các mẫu cần khảo sát...............................................................69
Bảng 3.2: Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của nồng độ..............................................70
Bảng 3.3 : Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bơm........................................71
Bảng 3.4: Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách.......................................72
Bảng 3.5: Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của hiệu điện thế......................................73

Trang ix


MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết ngành công nghệ vật liệu nano đang trở thành một ngành
quan trọng trên thế giới. Vì vậy việc chế tạo sợi nano polymer là loại vật liệu có rất
nhiều triển vọng vì vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như: Môi

trường và Công nghệ sinh học, Năng lượng và Điện tử, Quốc phòng và An ninh…
Nghiên cứu sợi nano để ứng dụng trong công nghệ sinh học bao gồm các kỹ
thuật tạo mô và băng vết thương, màng ái lực và phân phối thuốc. Các lĩnh vực này
đã đạt được sự quan tâm rất lớn từ những người cao tuổi và dự kiến sẽ tăng nhanh
trong thế kỷ này. Đối với kỹ thuật tạo mô và băng vết thương, sợi nano polymer
electrospun đang được coi là sườn chỗ dựa cho tế bào tăng trưởng và phát triển.
Các sợi nano có cấu trúc tế bào có thể được cấy vào cơ thể bệnh nhân để điều
trị những mô bị hư hỏng. Đối với hệ thống phân phối thuốc, sợi nano được coi là
một người phân phối thuốc. Ở đây, màng nanofibrous thành phần kết hợp với thuốc
có thể được dán vào vết thương phẫu thuật hoặc đóng gói thành viên dược phẩm để
cung cấp các loại thuốc thông qua hệ thông tiêu hóa của bệnh nhân. Màng lọc ái lực
có chức năng tách các phần tử sinh học sử dụng các phần tử hóa học gắn trên sợi
nano, so với cột lọc thông thường màng từ sợi nano lọc hiệu quả hơn do diện tích bề
mặt riêng cao hơn.
Đối với kỹ thuật môi trường, các chức năng của màng lọc nanofibrous là lọc
bụi và độ ẩm. Trong khơng khí ơ nhiễm có chứa vi khuẩn cũng có thể sử dụng màng
lọc nano có kích thước cấp sợi. Ở đây, nếu bề mặt của sợi nano được sửa đổi về mặt
hóa học để diệt vi khuẩn thì tính kháng khuẩn này rất hữu ích để bảo vệ người dân
và ở văn phịng.
Trong chiến tranh, sợi nano electrospun được nghiên cứu ứng dụng làm áo bảo
vệ an toàn cho các binh sĩ. Quần áo bảo vệ mới này có thể ngăn chặn và trung hòa

1


hóa chất độc hại và các hóa chất của chiến tranh sinh học. Cho đến nay chưa có các
sách mà thảo luận về quần áo bảo hệ từ sợi nano.
Cảm biến phát hiện khí độc cũng có thể được áp dụng từ sợi nano để phục vụ
cho quốc phòng. Sợi nano làm vật liệu cảm biến có thể hiện thị các kết quả cảm ứng
một cách nhạy bén trong khoảng thời gian hoạt động ngắn. Sợi nano polymer

electrospun cũng được kết hợp thủy tinh aramid cở micro để làm composit sử dụng
trong công nghệ chế tạo máy bay, với diện tích bề mặt cao sợi electrospun giúp tăng
cường cơ tính tuyệt vời cho các máy bay.
Trong thế kỷ này, nền kinh tế của các nước phát triển và đang phát triển như
Trung Quốc và Ấn Độ được mở rộng nhanh hơn, nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng.
Một số nguồn năng lượng sinh thái sạch, chẳng hạn như máy phát điện gió, điện
mặt trời, pin hydro và pin polymer đã được nghiên cứu. Với pin polymer, mong
muốn của nhà nghiên cứu là pin kết hợp với màng polymer nanofibrous như là
nguồn năng lượng mới.
Để góp phần vào nghiên cứu và triển khai các ứng dụng của sợi nano polymer
thông qua một phương pháp kéo sợi mới chưa từng được thực hiện trước đây ở Việt
Nam, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo sợi nano polyvinyl alcohol
bằng phương pháp electrospinning.”

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
 Tạo ra sợi nano polyvinyl alcohol bằng phương pháp electrospinning dựa
trên thiết bị tự tạo.
 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ nhựa, lưu lượng bơm nhựa,
khoảng cách giữa đầu phun và collector, hiệu điện thế lên đường kính sợi.

2


CHƯƠNG I: TỒNG QUAN

GVHD: TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về Electrospinning:
1.1.1. Sợi nano polymer:

Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và cơng nghệ nano,
nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng
khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có m�t lớn, cảm quan có thể thấy lực phun mạnh.
Tuy nhiên hiện tượng giọt polymer lại xuất hiện, lần này giọt được kéo tuy không
liên tục nhưng nhanh và tập trung ở tâm của collector. Với hai mẫu PVA 4%,
PVA5% vấn đề cân bằng lực một lần nữa được đặt ra, và lực chiếm ưu thế trong
trường hợp là lực kéo của điện trường. Trong trường hợp này, vì lực kéo đã đủ
mạnh nên để đạt cân bằng nên điều chỉnh khoảng cách giữa hai cực ra xa.
Tóm lại, qua những khảo sát các mẫu PVA có nồng độ thay đổi từ 4% đến
15%, nhận thấy nồng độ thích hợp để tiếp tục tiến hành những khảo sát còn lại là
63


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

PVA 4% , PVA 5% và PVA 6%. Tuy nhiên cũng cần điều chỉnh đồng thời các
thông số hiệu điện thế(U), tốc độ bơm(Q) và khoảng cách (L) để đạt được cân bằng
giữa lực kéo và đẩy tốt nhất cho các mẫu.
Hình thái phun sợi electrospinning (nón Taylor lớn, khơng bị giọt).

Hình 3.6: Mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q= 0,4 ml/h, L=80mm, U=-6,8KV.

Hình 3.7: Lớp sợi electrospun PVA 6%, Q= 0,4 ml/h, L=80mm, U=-6,8KV.
64


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN


GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

Hình 3.8: Mẫu sợi electrospunPVA 6% Q = 0,5 ml/h L=80mm U=-6.8KV.
(Hình 3.8 cho thấy có một vài giọt bám phía dưới màng phun.)

 Hiện tượng sợi bị bết lại: điều này là do dung mơi chưa bay hết trong q
trình phun sợi. Tùy theo mức độ bay hơi dung môi, lượng dung mơi cịn bám lại
trên sợi mà ta thu được sợi có hình thái như thế nào. Để phân tích được hình dáng
sợi kéo ra thu lại trên collector như thế nào ta dùng đến thiết bị SEM để chụp ảnh
cho thấy bề mặt lớp sợi phun ra trên bản cực thu.

Hình 3.9: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 5% .(Q=0.1ml/h L=300mm U=6,8KV)
65


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

(Hình 3.9 cho thấy dung môi chưa bay hơi hết làm sợi phun ra dính lại với nhau
thành từng cụm.)

Hình 3.10: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 7%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm, U
= 22,7 KV.
(Hình 3.10 cho thấy hiệu điện thế sử dụng quá lớn làm dung môi bay hơi khơng kịp
và dẫn đến q trình phun sợi khơng ổn định).

Hình 3.11: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm,
U=22,7KV


66


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

Hình 3.12: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm,
U=-6,8KV

Hình 3.13: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 6%, Q = 0,1 ml/h, L= 300mm,
U=22,7KV
Khoảng cách giữa đầu tip và collector quá xa dẫn đến lực điện trường giảm, nghĩa
là lực kéo sợi Polymer cũng giảm vì thế thời gian phun sợi kéo dài hơn và sợi bám
thành 1 lớp mỏng trên bề mặt collector.

67


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

Hình 3.14: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospunPVA đạt cân bằng giữa lực kéo và
đẩy(C=6% ; Q=0.4ml/h ; L=80mm)

Hình 3.15: Ảnh SEM của mẫu sợi electrospun PVA 7%, Q = 0,1 ml/h, L= 80mm,
U=-6,8KV.

68



CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số :
Dựa vào những khảo sát về quá trình phun sợi polymer, về hình dạng nón
Taylor, chọn các mẫu với từng bộ thơng số khác nhau để đánh giá ảnh hưởng các
thông số chính lên đường kính sợi polymer bằng phương pháp electrospinning.
Đối với hiệu điện thế là -6,8KV sử dụng dung môi là nước, còn đối với
hiệu điện thế từ 7,2 KV trở lên sử dụng dung môi là nước +5% cồn.
Bảng 3.1: Thông số các mẫu cần khảo sát.
STT

C

Mẫu (%)

Q

L

U

Ø

(ml/h)

(mm)


(KV)

(nm)

Nồng độ C thay đổi.
1

6

0.1

80

- 6.8

78

2

7

0.1

80

- 6.8

149


3

8

0.1

80

- 6.8

159

Khoảng cách L thay đổi.
4

6

0.4

70

- 6.8

138

5

6

0.4


80

- 6.8

97

6

6

0.4

90

- 6.8

80

7

6

0.4

100

- 6.8

90


80

- 6.8

92

Lưu lượng thay đổi.
8

6

0.3

69


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

5

6

0.4

80

- 6.8


97

9

6

0.5

80

- 6.8

115

Hiệu điện thế thay đổi
10

10

0.1

265

7.2

291

11


10

0.1

265

8.3

271

12

10

0.1

265

11.5

212

13

10

0.1

265


14

182

3.1.1.1. Đường kính sợi khi thay đổi nồng độ :
Bảng 3.2: Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của nồng độ.
Mẫu

1

2

3

C (%)

6

7

8

Ø (nm)

78

149

159


70


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

Hình 3.16 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đường kính sợi theo nồng độ PVA
Nồng độ tăng, đường kính sợi tăng. Mức độ tăng kích thước đường kính
sợi giảm dần vì độ nhớt tăng thì sức căng bề mặt cũng tăng, khả năng kéo được sợi
càng khó và kích thước sợi thu được càng lớn. Biểu đồ cho thấy khi nồng độ PVA
tăng từ 6% lên 7%, đường kính sợi tăng gần gấp đôi, thế nhưng ở mẫu 8% thì
đường kính chỉ tăng thêm khoảng 7%, nhỏ hơn rất nhiều ở mức nồng độ trước đó.
3.1.1.2 Đường kính sợi khi thay đổi tốc độ bơm :
Bảng 3.3 : Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bơm.
Mẫu

8

5

9

Q (ml/h)

0,3

0,4

0,5


Ø (nm)

92

102

116

71


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

GVHD:TS. HUỲNH ĐẠI PHÚ

Hình 3.17 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đường kính sợi theo tốc độ bơm.
Một lần nữa lý thuyết được được kiểm chứng : càng tăng tốc độ bơm,
đường kính sợi càng tăng. Mức độ tăng kích thước sợi đều đặn khoảng 10% qua
mỗi lần tăng lưu lượng. Nếu xét với bước nhảy 0,1 ml/h của tốc độ bơm(Q) thì quả
thật đường kính sợi tăng ít. Nhưng vì loại kim mà thí nghiệm này sử dụng là loại
kim có số hiệu 25G 3/4’’, nó rất nhỏ nên khơng thể cài đặt các mức lưu lượng lớn.
Giả sử ta có đầu phun với kích thước đủ lớn và điện thế đủ mạnh để mức tăng tốc
độ bơm cho mỗi lần bằng 1 ml/h thì theo biểu đồ chúng ta sẽ thu được sợi có đường
kính trung bình gấp đơi. Đó thực sự là mức tăng rất lớn.
3.1.1.3. Đường kính sợi khi thay đổi khoảng cách :
Bảng 3.4: Các mẫu khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách.
Mẫu

4


5

6

7

L (mm)

70

80

90

100

Ø (nm)

138

97

80

90

72