Sản phẩm 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... có thể tự lành nhờ công nghệ này.

Tự phục hồi các tính chất

PGS.TS Nguyễn Thị Lệ Thu, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TPHCM cho biết, vật liệu tự lành là loại vật liệu 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...

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.

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.

Polymer nhớ hình (shape-memory polymers - SMP) là polymer có khả năng lưu giữ một hình dạng tạm thời và có thể từ một trạng thái bị biến dạng (hình dạng tạm thời) trở về hình dạng ban đầu bởi một tác nhân bên ngoài, chẳng hạn như sự thay đổi nhiệt độ. Ngoài việc thay đổi nhiệt độ, sự thay đổi hình dạng của SMP cũng có thể được kích hoạt bởi điện trường, từ trường, ánh sáng…

Xuất phát từ thực tế này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài “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.

PGS 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.

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.

Nhóm đã 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.

Vết xước có thể tự lành khi gia nhiệt

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.

PGS Nguyễn Thị Lệ Thu cho hay, nhóm đã chế tạo thành công vật liệu cấu trúc đan xen của PU nhớ hình đạt các tính chất như độ bền kéo > 27 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%.

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.

Nhóm 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.

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%.

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 sửa 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.

Vật liệu này 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 TPHCM. Các đơn vị ứng dụng vật liệu có những phản hồi tích cực về chất lượng, độ bền và khả năng ứng dụng lâu dài trong thực tiễn.