Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, vật liệu aerogel được tổng hợp từ cellulose có nguồn gốc từ thân cây ngô với poly(vinyl Alcohol) (PVA) làm chất liên kết cho ứng dụng cách nhiệt. Đặc trưng và khả năng cách nhiệt của vật liệu aerogel được phân tích và nghiên cứu. Kết quả cho thấy vật liệu aerogel có cấu trúc xốp, độ xốp cao, khối lượng riêng thấp có khả năng cách nhiệt hiệu quả.

Giới thiệu

Việt Nam hiện đang phát triển mạnh trong lĩnh vực nông nghiệp, đồng thời sở hữu một nguồn tài nguyên sinh khối phong phú. Trong số các phụ phẩm nông nghiệp, thân cây ngô có sản lượng lớn nhưng chưa được khai thác đúng mức, thường bị thải bỏ, từ đó gây ra các vấn đề về môi trường. Điều đáng chú ý là thành phần cellulose trong thân ngô chiếm tỉ lệ cao, đây là nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp aerogel là một vật liệu thân thiện với môi trường, có khối lượng riêng thấp, độ xốp cao, độ bền cơ cao mang lại hiệu quả tốt trong cách nhiệt.

Aerogel là một loại vật liệu có cấu trúc ba chiều và có độ xốp cao (80–99,8%), khối lượng riêng thấp (0,003–0,500 g cm3), và diện tích bề mặt riêng lớn (100–1600 m2 / g). Aerogel được tổng hợp từ nhiều loại vật liệu khác nhau và được chia làm ba nhóm chính là cellulose aerogel tự nhiên (aerogel nanocellulose và cellulose aerogel vi khuẩn), cellulose aerogel tái tạo và aerogel làm từ các dẫn xuất celluloses. Aerogel được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu thiên nhiên, có thể phân hủy sinh học và không gây hại đến sức khỏe, nên rất được ưa chuộng. Thực tế, nhiều nhà khoa học và doanh nghiệp lớn đã bắt đầu đầu tư nghiên cứu sâu hơn để mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong đời sống. Vật liệu aerogel có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống như vật liệu hấp phụ, vật liệu cách nhiệt, vật liệu cách âm, vật liệu y sinh, trong ngành hàng không vũ trụ, v.v

 Aerogel được tổng hợp từ cellulose thông qua các chất tạo liên kết ngang trong dung dịch để liên kết các sợi cellulose tạo hydrogel. Liên kết ngang trong hydrogel thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu là poly(vinyl alcohol) (PVA), polystyrene sulfonate, poly amic acid (PAA), chitosan, agar, sodium alginate (SA), v.v.. Trong đó, PVA được đánh giá là an toàn cho sức khỏe con người và thân thiện với môi trường nhờ khả năng phân hủy sinh học nên PVA được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, thực phẩm, y sinh và đặc biệt là trong nghiên cứu vật liệu mới như aerogel. Trong nghiên cứu này, PVA đóng vai trò là chất liên kết ngang, giúp tăng độ bền và ổn định cấu trúc cho vật liệu aerogel sau khi sấy [29]. Cơ chế liên kết giữa cellulose và poly(vinyl alcohol) (PVA) như minh họa ở Hình 1

 

Hình 1.  Cơ chế liên kết giữa cellulose và poly(vinyl alcohol) (PVA)

Trong nghiên cứu này, vật liệu aerogel được tổng hợp từ 1, 5, 10, 15, 20 g cellulose thân ngô cùng với 1 g PVA tạo vật liệu aerogel được ký hiệu tương ứng PTA1, PTA5, PTA10, PTA15 và PTA20. Vật liệu PTA sau khi tổng hợp được khảo sát khả năng cách nhiệt thông qua hệ số dẫn nhiệt ở các khoảng nhiệt độ khác nhau.

Độ dẫn nhiệt của mẫu được tính theo Phương trình (1).

 

 

trong đó: K là hằng số dẫn nhiệt (W/m^(-1) k^(-1)); T2  và T1 lần lượt là nhiệt độ ở phía được làm nóng và không được làm nóng (°C), T_o là nhiệt độ ban đầu của mẫu ( nhiệt độ phòng 303 K).

Đặc trưng của vật liệu

Khối lượng riêng và độ xốp của PTA được xác định và hiển thị trong Hình 2. Tác động của tỷ lệ khối lượng giữa cellulose và PVA đến khối lượng riêng và độ xốp của vật liệu aerogel đã được nghiên cứu và minh họa trong Hình 2. Kết quả cho thấy độ xốp của vật liệu giảm từ 91,86% đến 82,81% khi tăng lượng cellulose từ 1 đến 20 g. Sự suy giảm này có thể là do hàm lượng cellulose cao hơn có thể cản trở sự hình thành các tinh thể băng liên kết với nhau trong giai đoạn tạo gel, cuối cùng dẫn đến kích thước lỗ xốp nhỏ hơn. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy khi tỷ lệ phần trăm khối lượng poly(vinyl alcohol) (PVA) thấp hơn cũng thúc đẩy sự co rút lỗ xốp do sức căng bề mặt trong quá trình đông khô, cuối cùng làm giảm cấu trúc khung và độ xốp của PTA.  .

Hình 2. Độ xốp và khối lượng riêng và của PTA

Giản đồ XRD được của cellulose thân ngô (Cel–N) và PTA được thể hiện ở Hình 3.

Ở mẫu Cel–N, hai đỉnh nhiễu xạ rõ nét tại khoảng 2θ ≈ 16,2° và 22,5° tương ứng với mặt phẳng (110) và (200) đặc trưng của cellulose tự nhiên. Khi tăng dần hàm lượng PVA trong hệ vật liệu, cường độ và độ nét của các đỉnh nhiễu xạ thay đổi rõ rệt. Cụ thể, đỉnh tại 2θ ≈ 22,5° (mặt phẳng (200)) tăng cường và sắc nét hơn, cho thấy sự gia tăng mức độ kết tinh (crystallinity) của vật liệu.

Hình 3. Giản đồ XRD của thân ngô, cellulose và aerogel từ cellulose thân ngô

Khả năng cách nhiệt của vật liệu

Dựa trên kết quả thu được từ Hình 4 về khối lượng riêng và độ xốp, có thể nhận thấy rằng các mẫu vật liệu aerogel PTA thể hiện sự khác biệt đáng kể về cấu trúc vi mô và khả năng cách nhiệt khi thay đổi tỷ lệ thành phần pha rắn. Cụ thể, khi hàm lượng pha rắn tăng dần từ PTA1 đến PTA20, khối lượng riêng của vật liệu cũng tăng từ 0,1221 g/cm³ lên 0,2578 g/cm³, trong khi độ xốp giảm từ 91,86% xuống còn 82,81%. Xu hướng này phản ánh mối quan hệ nghịch biến rõ rệt giữa khối lượng riêng và độ xốp trong khi cấu trúc vật liệu trở nên đặc hơn, thể tích các lỗ rỗng giảm đi, làm suy giảm khả năng giữ khí là yếu tố chính đóng vai trò cách nhiệt trong hệ vật liệu aerogel. Kết quả đo hệ số cách nhiệt cho thấy mẫu PTA10 thể hiện hiệu quả cách nhiệt vượt trội, thể hiện qua nhiệt độ thấp nhất ở bề mặt phía sau mẫu khi chịu tác động nhiệt. Điều này cho thấy tại tỷ lệ phối trộn tương ứng của PTA10, vật liệu đạt được sự tối ưu giữa khối lượng riêng vừa phải và độ xốp tương đối cao, đảm bảo cấu trúc xốp ba chiều đủ ổn định để giữ không khí và chất khí có hệ số dẫn nhiệt thấp nhưng mà không làm suy giảm đáng kể độ bền cơ học. Ngược lại, mẫu PTA1 tuy có độ xốp cao nhưng lại có khối lượng riêng thấp, khiến cấu trúc quá lỏng lẻo, dẫn đến khả năng cản trở truyền nhiệt kém. Trong khi đó, các mẫu PTA15 và PTA20 với khối lượng riêng cao hơn lại có độ xốp giảm mạnh, làm mất đi vai trò cách nhiệt của hệ lỗ rỗng, dẫn đến hiệu suất cách nhiệt kém hơn. Từ những phân tích trên, có thể kết luận rằng PTA10 là mẫu vật liệu có cấu trúc và đặc tính nhiệt tối ưu nhất trong loạt khảo sát. Nhờ sự cân bằng giữa độ xốp và mật độ khối, vật liệu này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng cách nhiệt cao, khối lượng nhẹ và độ ổn định cơ học tương đối.

Hình 4. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu PTA ở các khoảng nhiệt độ khác nhau

Kết luận

Vật liệu PTA tổng hợp được có khối lượng riêng thấp, độ xốp cao, thành phần chủ yếu là cellulose có khả năng cách nhiệt tốt, trong đó mẫu PTA10 cho thấy hiệu quả cách nhiệt vượt trội. Kết quả này cho thấy tại tỷ lệ phối trộn tương ứng của PTA10, vật liệu đạt được sự cân bằng tối ưu giữa khối lượng riêng vừa phải và độ xốp tương đối cao, từ đó duy trì được cấu trúc xốp ba chiều ổn định, giúp giữ lại không khí và các khí có hệ số dẫn nhiệt thấp từ đó giúp gia tăng hiệu quả cách nhiệt của vật liệu.