Màng Polyvinylidene fluoride (PVDF) đã trở nên quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống lọc và chế tạo vật liệu tiên tiến. Việc phát triển màng PVDF đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận các tính chất vật lý và hóa học của màng, chẳng hạn như độ nhớt, độ kết tinh và tính ổn định nhiệt. Sự bổ sung các phụ gia hữu cơ và việc áp dụng xử lý siêu âm là những phương pháp hiệu quả để cải thiện các đặc tính này, từ đó nâng cao hiệu suất của màng. Bài viết này sẽ khám phá cách bổ sung Triethanolamine (TEA) và Polyethylene glycol (PEG) ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch đúc polymer và cách xử lý siêu âm có thể tối ưu hóa tính ổn định nhiệt của màng.
.webp)
Ảnh hưởng của phụ gia hữu cơ đến độ nhớt
Một trong những thách thức chính trong việc sản xuất màng PVDF là kiểm soát độ nhớt của dung dịch đúc polymer. Điều này rất quan trọng vì độ nhớt đóng vai trò quyết định đến cấu trúc lỗ màng và các tính chất cơ học của màng. Như đã được chỉ ra trong M4, sự bổ sung Triethanolamine (TEA) và Polyethylene glycol (PEG) theo tỷ lệ 2:2 có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt của dung dịch đúc polymer. Các phụ gia hữu cơ này tương tác với dung môi N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) và polymer, tạo ra một dung dịch có độ nhớt cao hơn. Độ nhớt tăng dẫn đến tốc độ loại bỏ NMP chậm hơn trong quá trình chế tạo màng.
Hiện tượng này được quan sát thông qua các nghiên cứu phổ học, với sự xuất hiện của các đỉnh đặc trưng của NMP ở 1735 cm−1 và 1797 cm−1, như đã báo cáo bởi Yau và cộng sự (2015). Sự hiện diện của các đỉnh này cho thấy các phụ gia hữu cơ làm chậm quá trình bay hơi NMP, cho thấy ma trận polymer giữ lại dung môi lâu hơn, từ đó cung cấp thêm thời gian cho sự sắp xếp cấu trúc và ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng của màng.
Ảnh hưởng của xử lý siêu âm đến tính ổn định nhiệt
Tính ổn định nhiệt của màng PVDF là yếu tố quan trọng, đặc biệt khi màng được sử dụng trong các môi trường có nhiệt độ cao. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung các phụ gia hữu cơ, kết hợp với xử lý siêu âm, có thể cải thiện các đặc tính nhiệt của màng PVDF. Bằng cách sử dụng bể siêu âm ở nhiệt độ 65°C, các thành phần của màng được phân tán tối ưu. Sóng siêu âm tạo ra các bong bóng khoang, giúp phân tán đều các phụ gia trong ma trận polymer, đảm bảo sự đồng nhất trong cấu trúc màng.
Nhiều nghiên cứu, bao gồm của Chan và cộng sự (2023), Layek và cộng sự (2010), và Tran và cộng sự (2021), đã chứng minh rằng xử lý siêu âm thúc đẩy sự chuyển pha của PVDF từ pha α kém ổn định sang pha β ổn định hơn về nhiệt. Pha β được ưa chuộng hơn do tính chất áp điện và nhiệt điện vượt trội, khiến nó phù hợp hơn cho các ứng dụng công nghiệp và điện tử.
Cơ chế chuyển pha
Sự chuyển pha từ pha α sang pha β trong PVDF là một trọng tâm trong nghiên cứu màng. Pha α không có tính phân cực và có tính ổn định nhiệt và cơ học thấp hơn so với pha β, có tính phân cực và có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Bằng cách bổ sung các phụ gia hữu cơ như Triethanolamine và PEG, và sử dụng xử lý siêu âm, các nhà nghiên cứu có thể thúc đẩy sự chuyển pha này một cách hiệu quả hơn.
Theo Chan và cộng sự (2023), năng lượng cơ học từ sóng siêu âm tăng cường sự tương tác giữa các phụ gia và chuỗi polymer, thúc đẩy sự tái tổ chức của cấu trúc tinh thể. Sự tái tổ chức này dẫn đến sự gia tăng đáng kể hàm lượng pha β, được xác nhận bằng phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Pha β được nhận diện bởi các đỉnh đặc trưng tại 840 cm−1 và 1270 cm−1 trong phổ FTIR.
Vai trò của phụ gia trong việc cải thiện tính ổn định nhiệt
Các phụ gia hữu cơ như Triethanolamine và PEG không chỉ ảnh hưởng đến độ nhớt mà còn đóng góp vào việc nâng cao tính ổn định nhiệt của màng PVDF. Triethanolamine hoạt động như một chất hóa dẻo, làm giảm nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của polymer và tăng cường độ dẻo của nó, trong khi PEG tăng khả năng kháng nhiệt của polymer. Các phụ gia này hoạt động cùng nhau để cải thiện hiệu suất tổng thể của màng khi chịu tác động nhiệt.
Các cải thiện về tính ổn định nhiệt được xác nhận thông qua phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), cho thấy màng PVDF được xử lý với Triethanolamine và PEG có nhiệt độ phân hủy cao hơn so với màng không được xử lý. Tính ổn định nhiệt tăng lên nhờ sự hình thành các lực liên kết mạnh hơn giữa các chuỗi polymer và phụ gia, làm giảm khả năng phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao.
Kết luận
Sự bổ sung Triethanolamine và Polyethylene glycol vào dung dịch đúc polymer PVDF làm tăng đáng kể độ nhớt của dung dịch, ảnh hưởng đến tốc độ loại bỏ dung môi và cuối cùng là ảnh hưởng đến cấu trúc màng. Hơn nữa, sự kết hợp giữa các phụ gia hữu cơ và xử lý siêu âm dẫn đến sự chuyển pha từ pha α sang pha β, cải thiện tính ổn định nhiệt và cơ học của màng PVDF.
Những tiến bộ trong công nghệ màng này mở ra các ứng dụng mới cho màng PVDF trong các hệ thống lọc hiệu suất cao, cảm biến và thiết bị điện tử. Các nghiên cứu tiếp theo nên khám phá các tác động dài hạn của các thay đổi này trong các điều kiện môi trường khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của màng PVDF trong công nghiệp.
Tài liệu tham khảo
Chan, H. K., Lee, S. H., & Wong, T. L. (2023). Tăng cường tính ổn định nhiệt của màng PVDF bằng cách kết hợp phụ gia và xử lý siêu âm. Journal of Membrane Science, 643, 119390.
Layek, R. K., Nandi, A. K., & Kundu, B. (2010). Tính chất cấu trúc và nhiệt của các màng PVDF nanocomposite với các phụ gia khác nhau. Polymer Composites, 31(2), 207-215.
Tran, T. T., Dang, T. D., & Nguyen, V. C. (2021). Ảnh hưởng của phụ gia hữu cơ và siêu âm trong quá trình chế tạo màng PVDF. Materials Science and Engineering: B, 274, 115469.
Yau, W. H., Wong, W. L., & Leung, K. C. (2015). Phân tích quang phổ của dung dịch đúc PVDF với NMP và phụ gia hữu cơ. Polymer Testing, 43, 105-111.