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 là sản phẩm của PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu, Trường Đại học Bách khoa TPHCM.
Sản phẩm tự lành khi nứt vỡ
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 là nhiệm vụ khoa học do PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu, Trường Đại học Bách khoa TPHCM làm chủ nhiệm.
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...
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.
PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu cho biết, 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 giúp vật liệu tự lành. TS Lệ Thu và cộng sự đã 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.
Làm lành hiệu quả vết xước và vết cắt
PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu cho biết, nhóm nghiên cứu tổng hợp, đánh giá, 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 cao, nhiệt độ chuyển pha nhớ hình ở 60 - 70 độ C, có thể lành hiệu quả vết rạch xước và vết cắt trên bề mặt khi gia nhiệt ở 70 độ C trong vòng 24 giờ (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 cao, nhiệt độ chuyển pha nhớ hình 60 - 75 độ C. Hiệu quả hồi phục vết xước/vết rạch là từ 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 trên 50%.
Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành 2 quy trình chế tạo vật liệu tự lành, 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.
