Nhà khoa học TP.HCM chế tạo thành công vật liệu tự lành

Vật liệu tự lành do nhóm các nhà khoa học tại TP.HCM nghiên cứu và phát triển thành công đã mở ra hướng tiếp cận mới cho một số lĩnh vực như in ấn, tráng phủ trên bề mặt vải, gỗ hay nhựa, cũng như sản xuất một số loại vật liệu dùng trong lĩnh vực bao bì, hộp đựng và các lĩnh vực khác có liên quan.

Vật liệu “tự lành” là một khái niệm tương đối mới và phát triển rất nhanh chóng trong khoa học vật liệu trong hơn thập kỷ gần đây. Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu áp dụng các phương pháp khác nhau để tạo ra vật liệu khi bị hư hỏng có thể tự phục hồi các tính chất như độ bền gãy đứt, tính chống ăn mòn, hoặc tính dẫn điện. Quá trình phục hồi hay còn gọi là quá trình “lành” của vật liệu có thể diễn ra ở điều kiện phòng, hoặc dưới tác động bởi một tác nhân như nhiệt, ánh sáng, hơi ẩm, thay đổi pH...

Đại diện nhóm các nhà khoa học Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM báo cáo kết quả triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ

Nhiều vật liệu polymer dạng "tự lành" đã và đang được phát triển ứng dụng làm vật liệu composite tự lành, màng phủ chống ăn mòn cho bề mặt kim loại, màng phủ “tự lành” trầy xước cho các sản phẩm composite, nhựa và vải. Vật liệu polymer tự lành có thể được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, chẳng hạn như làm vật liệu bộ phận cấy ghép, da nhân tạo hay keo dán vết thương, hoặc làm màng sơn tự lành vết xước cho xe hơi và điện thoại thông minh, làm màn hình điện thoại thông minh.

Hiện nay nghiên cứu về vật liệu polymer “tự lành” đang là một đề tài mới cấp thiết thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học trên thế giới. Vật liệu có thể “tự lành” khi xuất hiện vết rạn tế vi giúp cho sản phẩm có tuổi thọ sử dụng cao, nhờ đó giảm thiểu chi phí sửa chữa, đem lại hiệu quả ứng dụng của sản phẩm và hiệu quả kinh tế, đồng thời giúp giảm thiểu năng lượng, tài nguyên và chất thải.

Việc sử dụng các liên kết thuận nghịch là cầu nối mạng cấu trúc phân tử polymer nhằm đưa khả năng “tự lành” vào vật liệu đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới. Khi bị đứt gãy, các liên kết thuận nghịch này có khả năng tái tạo, đem lại khả năng hồi phục cho vật liệu. Ưu điểm của vật liệu tự lành sử dụng cơ chế này là vật liệu có khả năng “tự lành” lặp lại được nhiều lần.

Phản ứng thuận nghịch, đặc biệt là phản ứng Diels-Alder (DA) sử dụng để tạo liên kết ngang trong cấu trúc vật liệu polymer đã được nghiên cứu rộng rãi bởi nhiều nhà khoa học. Đặc biệt, việc nghiên cứu đưa vào cấu trúc polymer mạng lưới dày đặc các liên kết hydro với vai trò liên kết thuận nghịch tạo khả năng tự lành mà không cần tác nhân kích thích bên ngoài thu hút nhiều sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới trong những năm gần đây.

Trong cấu trúc của polyurethane (PU), liên kết hydro mạnh mẽ của nhóm urethane hình thành “pha cứng” gồm các phân đoạn ngắn chứa nhóm urethane. Pha cứng mang lại cơ tính cao (độ bền và mô-đun) cho vật liệu, nhưng đồng thời sẽ cản trở khả năng tái hợp của các liên kết DA bị đứt gãy do sự hạn chế về độ linh động phân tử.

Việt Nam đã có thể làm chủ công nghệ

PGS. TS Nguyễn Thị Lệ Thu (Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM) cho biết, nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tự lành trên cơ sở kết hợp cấu trúc mạng đan xen của polyurethane nhớ hình với liên kết Diels-Alder và mạch linh động" được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu tổng hợp vật liệu tự lành trên cơ sở kết hợp cấu trúc mạng đan xen (interpenetrating network) của polyurethane, kết hợp với liên kết Diels-Alder và các phân đoạn, mạch bên linh động.

Đại diện hội đồng tư vấn nghiệm thu nhiệm vụ khoa học - công nghệ quan sát một mẫu nhựa dẻo được phủ vật liệu có khả năng tự lành

Cụ thể, PGS. TS Nguyễn Thị Lệ Thu và các cộng sự đã tiến nhành tổng hợp hệ PU mới trên cơ sở liên kết cộng hóa trị thuận nghịch Diels-Alder và kết hợp các yếu tố để tăng hiệu quả tự lành như cấu trúc mạng đan xen, cơ chế khuếch tán - rối mạch của mạch nhánh/mạch bên, sử dụng các phân đoạn có độ linh động cao như polydimethylsiloxane.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành các nội dung gồm tổng hợp polyester/polyether-PDMS (Polydimethylsiloxane) mang nhóm DA-alcohol; tổng hợp hệ polymer 1-polyurethane trên cơ sở liên kết DA gắn kết với mạch PDMS; đánh giá tính chất và khả năng hồi phục vết xước/cắt của vật liệu hệ polymer PU-PDMS-DA; tổng hợp monomer triazine-furan; tổng hợp tiền chất polymer trên cơ sở triazine furan-PDMS-PPG (TF-PDMS-PPG); tổng hợp PCL8000-bisfuran, oligomer bismaleimide; đánh giá quá trình đóng rắn bằng phản ứng DA của mạng đan xen và đánh giá tính chất tự lành của mạng đan xen DA riêng rẽ; nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất hệ nền PU với các cấu trúc khác nhau; tổng hợp và đánh giá tính chất của vật liệu cấu trúc đan xen của PU và mạng DA.

Nhiệm vụ đã đạt được mục tiêu đề ra là tổng hợp, đánh giá và so sánh cơ tính và tính chất tự lành của hai hệ polymer trên cơ sở nền polyurethane nhớ hình có chứa liên kết thuận nghịch Diels-Alder, đồng thời kết hợp với cấu trúc mạng đan xen và các phân đoạn, mạch bên linh động.

Hướng nghiên cứu được nhóm triển khai nhiệm vụ triển khai

Cụ thể, nhóm đã chế tạo thành công vật liệu cấu trúc đan xen của PU nhớ hình với cấu trúc mạch nhánh và mạng DA đạt các tính chất như độ bền kéo > 27 MPa (kế hoạch đề ra là 10 MPa), Module Young > 170 MPa, nhiệt độ chuyển pha nhớ hình 50-75 độ C, có thể lành hiệu quả vết rạch xước trên bề mặt khi gia nhiệt ở 60-70 độ C trong vòng 1 giờ, và hiệu quả hồi phục vết xước/vết rạch là trên 90% (xét về độ rộng vết xước). Hiệu quả hồi phục cơ tính của màng có vết xước, rạch là trên 70%. Hiệu quả hồi phục cơ tính của mẫu sau khi cắt đứt và ghép chữa lành là > 50%.

Bên cạnh đó, nhóm cũng chế tạo thành công vật liệu polyurethane PU-PDMS-DA đạt các tinh chất như độ bền kéo > 10 MPa, Module Young 80 MPa, nhiệt độ chuyển pha nhớ hình 50-75 độ C, có thể lành hiệu quả vết rạch xước trên bề mặt khi gia nhiệt ở 60-70 độ C trong vòng 24 giờ.

Hai mẫu sản phẩm được gia công từ vật liệu có khả năng tự lành, chống trầy xước trong quá trình đúc khuôn, gia nhiệt

Với vật liệu polyurethane PU-PDMS-DA, sản phẩm nghiên cứu đạt tiêu chuẩn độ bền kéo  24 MPa, Module Young 187 MPa, nhiệt độ chuyển pha nhớ hình 50-75 độ C, và có thể lành hiệu quả vết rạch xước trên bề mặt khi gia nhiệt ở 70 độ C trong vòng 24 giờ.

Nhiệm vụ cũng đã cũng hoàn thành quy trình chế tạo vật liệu tự lành PU-PDMS-DA, và quy trình chế tạo vật liệu tự lành cấu trúc đan xen của PU nhớ hình với cấu trúc mạch nhánh và mạng DA.

PGS. TS Nguyễn Thị Lệ Thu khẳng định, kết quả của nhiệm vụ đã tạo ra sản phẩm được hiệu quả sản phẩm tương đương với các sản phẩm cùng hệ (PU, Diels-Alder) trên thế giới nếu so ở các tiêu chí độ tinh khiết, cấu trúc hóa học theo yêu cầu thiết kế, đạt được tính nhớ hình và tính thuận nghịch của liên kết nối mạng. Hiệu quả hồi phục cơ tính của màng có vết xước/rạch là trên 80%.

Các mẫu vật liệu tự lành khi quan sát dưới kính hiển vị quang học

Về hiệu quả kinh tế - xã hội, có thể khẳng định rằng, việc chế tạo ra vật liệu mới với tính năng “tự lành” giúp cho sản phẩm có tuổi thọ sử dụng cao, nhờ đó giảm thiểu chi phí sữa chữa, mang lại hiệu quả ứng dụng của sản phẩm và hiệu quả kinh tế, đồng thời giúp giảm thiểu năng lượng, tài nguyên và chất thải.

Được biết, vật liệu tự lành là kết quả của nhiệm vụ khoa học - công nghệ nói trên đã được thử nghiệm trong việc in ấn nội dung quảng cáo trên bề mặt áo thun, vỏ hộp tại một số cơ sở, doanh nghiệp trên địa bàn TP.HCM, ghi nhận những phản hồi tích cực về chất lượng, độ bền và khả năng ứng dụng lâu dài trong thực tiễn.

Có thể khẳng định rằng, thành công của nhiệm vụ đã mở ra hướng tiếp cận mới cho một số lĩnh vực như in ấn gia nhiệt trên bề mặt vải, gỗ hay nhựa và thậm chí bề mặt kính, cũng như sản xuất một số loại vật liệu dùng trong lĩnh vực bao bì, hộp đựng và các lĩnh vực khác có liên quan, đồng thời khẳng định trình độ của đội ngũ các nhà khoa học tại TP.HCM trong nghiên cứu các lĩnh vực về vật liệu mới, vật liệu sinh học và bảo vệ môi trường, gắn ứng dụng tiến bộ khoa học - công nghệ vào phát triển năng lực sản xuất.