Nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 2, Số 1 (2014) 1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUAY ĐIỆN E-HUSC-01 Trương Văn Chương*, Lê Quang Tiến Dũng, Nguyễn Ngọc Minh Hoàng, Đỗ Phương Anh Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế *Email: truongvanchuong@yahoo.com. TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện và ứng dụng chế tạo vật liệu sợi nanô. Đã nghiên cứu chế tạo thành công thiết bị quay điện có nguồn cao áp đến 30 kV, bộ phận thu dạng trống quay, bộ phun dung dịch có thể tích 50ml và tốc độ thay đổi từ 1 đến 999 mL/h. Trên cơ sở thiết bị này đã bước đầu chế tạo được một số vật liệu có cấu trúc nanô dạng sợi. Từ khóa. Phun điện, quay điện, , sợi nanô. 1. MỞ ĐẦU Gần đây, người ta thường đề cập đến những thành tựu khoa học nổi bật của nước ngoài liên quan đến công nghệ Electrospinning (tạm dịch là quay điện). Có thể kể đến là thành tựu của các nhà nghiên cứu Mỹ chế tạo thành công một thiết bị phát xạ ánh sáng nhỏ nhất từ trước đến nay. “Bóng đèn siêu nhỏ” này được tạo bởi một sợi nano có bề rộng chỉ khoảng 200 nm. Thành công này mở ra một hướng ứng dụng trong việc chế tạo các thiết bị điện tử dẻo và có khả năng uốn cong. Các nhà nghiên cứu ở Đại học Washington đã phát triển nên một loại "bao cao su" dùng cho nữ với độ linh hoạt cao để có thể vừa chống sự xâm nhập của virus HIV vào cơ thể, vừa chặn được sự thụ thai. Các nhà nghiên cứu ở Trung uốc đã công bố chế tạo thành công các tấm nhựa có thể co giãn gấp 0 lần chất liệu gốc mà không bị đứt làm b ng kỹ thuật quay điện. Vật liệu này có thể đem lại cho nhựa những ứng dụng mới được sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô và ngành điện tử. Và gần đây nhất, các nhà khoa học hật Bản chế tạo được loại màng lưới làm b ng sợi nano có thể dùng để thay thế cho phương pháp lọc thận hiện hành ở bệnh nhân suy thận. Trong phát minh này, các nhà nghiên cứu kết hợp loại polymer tương thích với máu được làm từ EVOH với zeolite, loại khoáng chất có cấu trúc tổ ong có khả năng thấm hút chất bẩn trong máu. Sau đó, họ sử dụng kỹ thuật quay điện để tạo ra tấm lưới nano từ hỗn hợp polymer và zeolite nói trên. B ng công nghệ quay điện, các nhà khoa học cũng đã tạo ra các sợi bông có đường kính 00 nm làm chất hấp thụ phân bón và thuốc trừ sâu sử dụng những sợi hay bụi bông thải ra trong quá trình dệt vải. Cũng b ng công nghệ này, người ta đã chế tạo được sụn nhân tạo, cũng như phát minh màng cảm biến siêu nhạy có khả năng phát hiện hơi thoát ra từ bom mìn có thể hiển thị và quan sát b ng mắt thường. B ng kỹ thuật quay điện, người ta cũng đã chế tạo được các sợi nanô từ sợi thiên nhiên như tơ nhện, collagen, cotton, xenlulo, với những tính năng cơ lý vượt trội [1, 2]. Nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01 2 Qua các hình 1 và 2 cho thấy, công nghệ quay điện đang được quan tâm một cách đặc biệt. Trong đó các quốc gia châu Á như Trung uốc, hật Bản, Hàn uốc có sự đóng góp rất quan trọng. Sự quan tâm đặc biệt này có thể bắt nguồn từ tính đơn giản của công nghệ, nhưng khả năng ứng dụng lại rất tiềm tàng và rộng lớn (hình 3). Có lẽ đây là vấn đề mà đã đến lúc, chúng ta cần phải nhìn lại mình một cách nghiêm túc hơn về chính sách phát triển khoa học và công nghệ, đặc biệt là phát triển các công nghệ nguồn. Hình 1. Biểu đồ mô tả sự gia tăng số lượng bài báo khoa học trong lĩnh vực quay điện [2]. Hình 2. Biểu đồ mô tả sự gia tăng số lượng b ng phát minh trong lĩnh vực quay điện [2]. ăm xuất bản S ố c ô n g t rì n h c ô n g b ố / n ăm Các nước khác ăm xuất bản S ố b n g p h át m in h / n ăm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 2, Số 1 (2014) 3 Hình 3. Một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của công nghệ quay điện Vậy công nghệ quay điện là gì và hơn thế nữa là chúng ta có thể tiếp cận được công nghệ này không? Tất cả những vấn đề trên là trăn trở của nhóm chúng tôi trong thời gian qua. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ giới thiệu về công nghệ mới này và những kết quả đầu tiên thực hiện trên thiết bị Electrospinning do chúng tôi chế tạo. Chúng tôi muốn đặt tên cho thiết bị này là E-HUSC-01, vì đây là thiết bị Electrospinning đầu tiên của Việt am được chế tạo tại Trường Đại học Khoa học Huế. 2. CÔNG NGHỆ QUAY ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG uay điện là kỹ thuật sử dụng lực điện để kéo ra những sợi rất mảnh từ một chất lỏng nhớt nào đó. Khi đặt áp cao vào đầu phun và bảng thu sợi (được nối đất) để tạo một điện trường lớn. Một dòng điện rất nhỏ tạo ra, làm đầu phun bị nhiễm điện. Do đó, dung dịch đi qua đầu phun này cũng bị nhiễm điện và các hạt mang điện được gia tốc bởi điện trường, phun ra dung dịch chuyển động theo chiều của điện trường tạo thành ở trên. Kết quả là dung dịch được tăng tốc đều và hình thành một sợi mỏng với bán kính nhỏ từ micromet đến nanomet. B ng cách thay đổi nồng độ dung dịch, độ nhớt, dung môi, cường độ điện trường,... chúng ta dễ dàng kiểm soát được hình dạng, kích thước của sợi. Vì không sử dụng nhiệt độ cao nên phương pháp này phù hợp để dùng với các loại phân tử kém bền nhiệt. Có thể phát triển phương pháp này để chế tạo vật liệu ở quy mô công nghiệp. Hình 4 mô tả các khối cơ bản của thiết bị quay điện. Nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01 4 Khối cấp nguyên liệu Khối cấp cao áp (15 kV – 25 kV) Khối thu Hình 4. Các khối cơ bản của thiết bị quay điện [3]. B ng cách biến thể các mô hình thiết bị quay điện, có thể chế tạo được vật liệu cấu trúc nano dạng sợi có hình thái khác nhau. Sản phẩm tồn tại dưới dạng hạt hay sợi phụ thuộc vào các thông số của dung dịch và lực tĩnh điện. Các thông số đó là: độ nhớt, sức căng bề mặt, nồng độ dung dịch, tốc độ phun dung dịch và thế gia tốc. ăm 20 0, J. Miao, M. Miyauchi, T. J. Simmons, J. S. Dordick, and R. J. Linhardt đã có bài báo tổng quan về ứng dụng của phương pháp quay điện trong việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô trong các lĩnh vực khác nhau như: cảm biến, pin mặt trời, vật liệu phát quang, pin nhiên liệu, siêu tụ, [3]. ăm 20 0, D. Gao và cộng sự đã sử dụng phương pháp phun điện chế tạo được các sợi TiO2 có tính quang xúc tác mạnh [4]. ăm 20 0, nhóm của X. Chen đã chế tạo được thiết bị phát điện có điện áp .63 V, công suất 0.03 µW, sử dụng tấm áp điện gồm các sợi PZT nano dường kính 60 nm dài 500 µm chế tạo b ng phương pháp quay điện [5]. ăm 20 2, nhóm các tác giả J. Lin, X. Wang, B. Ding, J. Yu, G. Sun and M. Wang, có bài báo tổng quan về ứng dụng quay điện chế tạo các vật liệu theo phương pháp phỏng sinh học [6]. B ng phương pháp này, người ta đã tạo được các vật liệu bền vững có cấu trúc như tổ ong. Vật liệu không thấm nước giống như lông chim, vật liệu tự làm sạch như lá sen, Để đáp ứng các ứng dụng khác nhau, việc cải tiến và phát triển thiết bị là vấn đề thu hút được sự quan tâm nhất của các nhà công nghệ. Với mỗi ứng dụng khác nhau, chúng ta lại thấy có những cải tiến khác nhau. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 2, Số 1 (2014) 5 Hình 5. Chế tạo vật liệu có cấu trúc giống lông vũ của loài chim [6]. Trên hình 5, để nhận được vật liệu không thấm nước có cấu trúc giống lông chim, người ta đã thay đổi thiết kế của đầu phun và bộ phận thu. Hình 6, mô tả cách bố trí của đầu phun và bộ phận thu để nhận được vật liệu có cấu trúc dạng tổ ong. Hình 7 mô tả một thiết kế khác của đầu phun. Đầu phun gồm nhiều ống nhỏ lồng trong một ống lớn. Mỗi ống nhỏ chứa một vật liệu khác nhau, và kết quả ta thu được sợi có cấu trúc kiểu vỏ - lõi hoặc vỏ - lõi xốp. Hình 6. Chế tạo vật liệu có cấu trúc tổ ong [6]. Nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01 6 Hình 7. Chế tạo sợi TiO2 dạng ống [7]. hư vậy, từ cấu hình cơ bản của thiết bị quay điện, b ng cách thay đổi cách thiết kế của các bộ phận phun, bộ phận thu, chúng ta có thể tạo nên các vật liệu có cấu trúc phong phú với nhiều tính chất mới. Rõ ràng, đây là lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn, cho phép mọi người đều có thể tự do phát huy được khả năng sáng tạo của riêng mình. 3. CHẾ TẠO THIẾT BỊ E-HUSC-01 3.1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị Trên thị trường đã có những thiết bị thương mại, với giá khoảng 500 đến 500 triệu đồng. Trong điều kiện hiện nay, khó có thể thuyết phục để có nguồn kinh phí để mua thiết bị này. Tuy nhiên, từ hình 4 chúng ta có thể nhận thấy r ng các bộ phận cấu thành thiết bị phun điện và quay điện là không quá phức tạp. Chính vì vậy, chúng tôi tin r ng sẽ tự chế tạo và làm chủ được công nghệ này. 3.1.1. Khối cao áp Hình 8. Sơ đồ mạch điện tử của khối cấp cao áp. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 2, Số 1 (2014) 7 Khối cao áp là phần quan trọng nhất đối với một thiết bị quay điện. Trên cơ sở cao áp của máy thu hình, chúng tôi đã thiết kế được các bộ cấp cao áp phục vụ cho việc phân cực gốm áp điện cũng như sử dụng cho thiết bị quay và phun điện. Sơ đồ mạch điện tử của khối cấp cao áp được mô tả trên hình 8. Điện áp lối ra có thể điều chỉnh được từ 0 đến 25 Kv. 3.1.2. Khối cấp nguyên liệu Khối cấp nguyên liệu gồm có ống tiêm, bơm tiêm và kim phun. Tùy thuộc vào tính chất, dung môi, pH, của dung dịch mà ống tiêm có thể là nhựa hoặc thủy tinh. Phần bơm tiêm là quan trọng nhất, nó cho phép chúng ta thay đổi chính xác, ổn định tốc độ phun dung dịch. Ở đây, chúng tôi sử dụng thiết bị bơm tiêm điện ULIS P B với tốc độ thay đổi từ 1 mL/h đến 999 mL/h. Kim phun là bộ phận quan trọng ảnh hưởng lớn đến kích thước của sợi được tạo ra. Thiết bị này sử dụng 0 kim tiêm inox đường kính trong khoảng 0.5 mm. 3.1.3. Khối thu Trong thiết bị E-HUSC-0 , chúng tôi thiết kế khối thu dạng trục quay. Tốc độ quay thay đổi tối đa đến 500 v/ph. Hình 9. Thiết bị quay điện E-HUSC-01. 3.2. Một số kết quả ứng dụng chế tạo sợi nanô Một trong những nguyên nhân làm ô nhiễm môi trường là do chất thải của các bao gói làm từ polyme không có khả năng phân hủy sinh học gây ra. Do vậy, trong những năm gần đây polyme phân hủy sinh học được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng mạnh. Một trong những giải pháp khả thi, hiệu quả và kinh tế là sử dụng chính các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, có khả năng tái tạo và có bản chất phân huỷ sinh học. Một trong những đối tượng được quan tâm hiện nay là vật liệu tổ hợp trên cơ sở tinh bột, PVA và nano xenlulo. Trong phần này, chúng tôi Nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01 8 giới thiệu một số kết quả chế tạo các vật liệu trên b ng phương pháp quay điện. Các kết quả nghiên cứu chi tiết về cơ tính, cấu trúc, khả năng tự phân hủy, sẽ được công bố trong các bài báo sau. Dung dịch PVA nồng độ 5% được sử dụng để chế tạo sợi. Tốc độ phun dung dịch là 20 mL/h; điện trường 0 kV; khoảng cách từ đầu phun đến trống thu 0 cm; tốc độ trống quay 500 v/ph. Riêng dung dịch tinh bột và hỗn hợp tinh bột – PVA tỷ lệ 50/50 phun ở tốc độ 2 mL/h. Hình 10 và 11 là ảnh FESEM của các màng nhận được sau khi phun 30 phút. Hình 10. Ảnh FESEM của màng PVA.với các độ phân giải khác nhau. Hình 11. Ảnh FESEM của màng tinh bột –PVA (50/50).với các độ phân giải khác nhau. Kết quả phân tích cho thấy, đường kính sợi trung bình của PVA cỡ 25 nm, của tinh bột cỡ 80 nm và hỗn hợp tinh bột – PVA cỡ 50 nm. Các sợi của màng tinh bột là khá đều. Điều quan trọng nhất là độ bền kéo của tất cả các màng chế tạo b ng phương pháp quay điện đều cao hơn màng cùng loại chế tạo b ng phương pháp tráng khoảng 8 đến 0 lần. Các màng tạo b ng phương pháp quay điện đều khô và có thể bóc nhanh ra khỏi trống sau khi quay. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 2, Số 1 (2014) 9 4. KẾT LUẬN Mặc dù mới chỉ là phiên bản đầu, song thiết bị E-HUSC-0 do chúng tôi chế tạo đã có khả năng sử dụng để chế tạo được các vật liệu có cấu trúc dạng sợi nanomet. Việc phát triển thành công thiết bị này sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới về vật liệu có cấu trúc nanô tại Huế. Hiện nay, chúng tôi đang tiếp tục cải tiến để hoàn thiện thiết bị mới có khả năng tự động hóa cao, đa dạng hóa các kiểu đầu phun, chế tạo lượng lớn. ghiên cứu khả năng điều khiển được sự sắp xếp của các sợi vật liệu theo yêu cầu. Đặc biệt tập trung phát triển phương pháp quay điện trường gần [8]. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. [2]. James J. Doyle, Santosh Choudhari, SeeramRamakrishna, and Ramesh P. Babu (2013). Conference Paper Electrospun Nanomaterials: Biotechnology, Food, Water, Environment, and Energy. Hindawi Publishing Corporation. Conference Papers in Materials Science. Article ID 269313. [3]. J. Miao, M. Miyauchi, T. J. Simmons, J. S. Dordick, and R. J. Linhardt (2010). Electrospinning of Nanomaterials and Applications in Electronic Components and Devices. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 10, pp. 5507–5519. [4]. D. Gao, Q. Wang, H. Qiao, Y. Cai, F. Huang, Q.Wei (2010). Preparation and Characterization of Porous TiO2 Fibers and Their Photocatalytic Activity. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, Volume 7, Issue 2, pp. 94-98. [5]. X. Chen, S. Xu, N. Yao, and Y. Shi (2010). 1.6 V Nanogenerator for Mechanical Energy Harvesting Using PZT anofibers. Nano Lett. Vol. 10, pp. 2133–2137. [6]. J. Lin, X. Wang, B.Ding, J. Yu and G. Sun (2012). Biomimicry via Electrospinning. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, Vol.37, pp. 94–114. [7]. D. Li and Y. Xia (2004). Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?. Adv. Mater. Vol. 16, No. 14, pp. 1151-1170. [8]. Z. H. Liu, C. T. Pan, L. W. Lin, J. C. Huang and Z. Y. Ou (2014). Direct-write PVDF nonwoven fiber fabric energy harvesters via the hollow cylindrical near-field electrospinning process. Smart Mater. Struct. Vol. 23, doi:10.1088/0964-1726/23/2/025003. Nghiên cứu chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01 10 STUDY AND MANUFACTURE OF E-HUSC-01 ELECTROSPINNING EQUIPMENT Truong Van Chuong * , Le Quang Tien Dung, Nguyen Ngoc Minh Hoang, Do Phuong Anh Department of Physics, Hue University of Sciences *Email: truongvanchuong@yahoo.com. ABSTRACT This paper presents some results of the manufacture of electrospinning equipment and its application for generation of nanofibers. We have studied and fabricated successfully electrospinning equipment with high voltage power supply of 30 kV, syringe pump with 50 mL of volume and ejecting about 1-999 mL/h and rotation drum collector. By using this electrospinning equipment, we have fabricated some nanofiber materials. Keywords: Electrospinning, nanofibers, nanotechnology.