Là nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Thành phố, do Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM chủ trì thực hiện, PGS. TS. Nguyễn Thị Lệ Thu làm chủ nhiệm, Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2023.
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 (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...
Nhiều vật liệu polyme 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 polyme 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 polyme “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 polyme 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 polyme đã được nghiên cứu rộng rãi bởi nhiều nhà khoa học. Đặc biệt, việc nghiên cứu đưa vào cấu trúc polyme 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 đem lại cơ tính cao (độ bền và module) 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.
Vì vậy, đề tài nêu trên 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. Cụ thể là tổng hợp hệ PU mới trên cơ sở liên kết 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 polyme 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 polyme 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.
Kết quả đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra là tổng hợp, đánh giá và so sánh cơ tính và tính chất tự lành của 2 hệ polyme 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.
Cụ thể, hệ Polyme 1 (Polyurethane - PU) có chứa nhóm liên kết Diels-Alder gắn trực tiếp với mạch linh động polyester-polydimethylsiloxane. Vật liệu đạt được các yêu cầu về tính chất như: độ bền kéo > 20 MPa; module Young 150 MPa; nhiệt độ chuyển pha nhớ hình 60-70oC; có thể lành hiệu quả vết rạch xước và vết cắt trên bề mặt khi gia nhiệt ở 70oC trong vòng 24h (theo kết quả kính hiển vi quang học). Hồi phục độ bền kéo của mẫu rạch khá tốt, khoảng trên 80%.
Hệ Polyme 2 (cấu trúc mạng đan xen) của: nền polyurethane nhớ hình trên cơ sở chuyển pha kết tinh/nóng chảy của phân đoạn polycaprolactone, có gắn các mạch nhánh poly(ethylene oxide); mạng nối ngang bởi liên kết Diels-Alder có chứa phân đoạn polycaprolactone (tạo hiệu ứng nhớ hình), nhóm amino-triazine và phân đoạn poly(dimethylsiloxane). Vật liệu đạt được các tính chất: độ bền kéo > 28 MPa; module Young > 140 MPa; nhiệt độ chuyển pha nhớ hình 60-75oC. Hiệu quả hồi phục vết xước/vết rạch là ≥ 95-100% (xét về độ rộng vết xước). Hiệu quả hồi phục cơ tính của mẫu sau khi cắt đứt và ghép chữa lành là ≥ 50%.
Kết quả đề tài cũng hoàn thành 2 quy trình là quy trình chế tạo vật liệu tự lành PU-PDMS-DA yl)phenyl)aniline 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. Với hệ vật liệu 1, quy trình tổng hợp đơn giản, có thể phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn, nhắm tới các sản phẩm tự lành giá thành tương đối thấp hơn. Hệ vật liệu 2 hướng tới các sản phẩm tự lành có tính chất tự lành hiệu quả cao với quy trình sản xuất phức tạp hơn. Hệ vật liệu tự lành này có tiềm năng ứng dụng làm màng phủ tự lành.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Theo https://cesti.gov.vn/
