Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu tổng hợp silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO THỊ HỒNG OANH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SILICA AEROGEL TỪ METHYL
TRIMETHOXY SILANE (MTMS) SYNTHESIS OF SILICA
AEROGELS USING METHYL TRIMETHOXY SILANE (MTMS)
Chuyên ngành : Kỹ thuật hóa học
Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2019


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ


TS. Nguyễn Trường Sơn
Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

PGS.TS. Ngô Thanh An

PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 01 tháng 08 năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.

Chủ tịch hội đồng: PGS.TS. Nguyễn Quang Long
Thư ký hội đồng: TS. Nguyễn Văn Dũng
ủy viên phản biện 1: PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân
ủy viên phản biện 2: PGS.TS. Ngô Thanh An
ủy viên hội đồng: PGS.TS. Trần Ngọc Quyển

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Quang Long

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT HÓA HỌC

GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: CAO THỊ HỒNG OANH .................................MSHV: 1670674 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 26/01/1991 ............................................Nơi sinh: Tây Ninh.......
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học ................................................. Mã số: 60520301
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu tổng hợp silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS)
Synthesis of silica aerogels using methyl trimethoxy silane (MTMS)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu tổng quan về composite silica aerogel.

- Tìm hiểu về methyl trimethoxy silane (MTMS) và dung dịch sodium silcate
(Na2SiO3) được chiết từ tro trấu.
- Sử dụng phương pháp sol-gel xúc tác axit-bazơ, trao đổi dung môi, sấy đông khô để
tổng hợp composite silica aerogel.
-

Khảo sát chi tiết:
+ Ảnh hưởng của tỷ lệ mol giữa methyl trimethoxy silane (MTMS) và lượng nước (trong
axit axetic CH3COOH và axit clohydric HC1) đến độ bền nén và độ dẫn nhiệt TCi
của silica aerogel.
+ Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch poly vinyl alcohol (PVA) đến khối lượng riêng, độ
xốp, cơ tính, diện tích bề mặt riêng, độ bền nhiệt và khả năng truyền nhiệt của silica
aerogel.

- Hình dạng và tính chất của vật liệu được kiểm tra bằng các phương pháp hiện đại như
SEM, BET, XRD, TGA-DSC, TCi.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/08/2018 .................................................................

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019 .................................................


V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN): TS. Nguyễn Trường Sơn
PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ
Tp. HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN
Viết những lời này cũng chính là lúc tôi nhìn lại những tháng ngày được học tập và
trưởng thành ở trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM. Từ những ngày mới vào trường còn bỡ
ngỡ với phương pháp giảng dạy và học tập, tưởng chừng như chẳng thể đi tiếp được nữa thì
thầy cô, bạn bè và người thân đã luôn ở bên cạnh, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều. Tôi xin
được bày tỏ lòng biết ơn đến những sự giúp đỡ quý báu đó.
Trước tiên, tôi xin chân thành gởi lời cám ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Trường Sơn và
PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi rất nhiều trong quá
trình nghiên cứu, đã luôn tạo nhiều điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành bài luận văn
này.
Tôi xin chân thành cám ơn gia đình, người thân và các bạn trong phòng thí nghiệm
điện hóa, Huỳnh Minh Đạt, Nguyễn Văn Ất, Nguyễn Thị Thu Vân. Đặc biệt là các bạn Quảng
Thế Anh, Trần Du Tuấn, Thái Bá Quốc, Hồ Khánh Dương, Thibthong Phuong Pha, .. .vì sự
giúp đỡ nhiệt tình của họ, đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận
văn tại đây. Nếu không có họ, tôi chẳng thể hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình.
Tôi xin chân thành cám ơn công ty Bronx Creative & Design Center Pte Ltd (BDC)
đã cung cap các trang thiết bị hỗ trợ quá trình thực hiện thí nghiệm.
Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô trong hội đồng chấm luận văn bộ môn Kỹ thuật
Hóa lý đã dành thời gian đọc, chỉnh sửa và đóng góp ý kiến, giúp tôi hoàn thành luận văn một
cách hoàn chỉnh.


TÓM TẮT
Silica aerogel thường dễ vỡ và MTMS thì khá đắt. Do đó, cần phải làm bền cho silica
aerogel bằng MTMS và giảm chi phí của chúng. Trong nghiên cứu này, các aerogel gốc
monolithic methyltrimethoxysilane (MTMS) đã được nghiên cứu. Các aerogel được tổng
họp bằng phương pháp sol-gel xúc tác axit-bazơ với trao đổi dung môi và sấy đông khô.
Silica chiết xuất từ tro trấu, poly vinyl alcohol (PVA) và bông thủy tinh được kết hợp với
MTMS để tạo thành composite aerogel. Việc bo sung PVA và bông thủy tinh giúp cải
thiện đáng kể tính kỵ nước và mô đun đàn hồi của aerogel. Các composite aerogel có tính
kỵ nước cao (124-152°) và độ dẫn nhiệt thấp (0,032-0,037 W/m.K), tạo ra khả năng hứa
hẹn cho ứng dụng cách nhiệt.


ABSTRACT
Silica aerogels are often brittle and MTMS is rather expensive. Therefore, it is necessary
to strengthen MTMS silica aerogels and lower their cost. In this research, hydrophobic
composite monolithic methyltrimethoxysilane (MTMS) based aerogels were
investigated. The aerogels were synthesized by an acid base sol-gel process with solvent
exchange and freeze drying. Silica extracted from rice husk ash, poly vinyl alcohol
(PVA) and glass wool were combined with MTMS to form the composite aerogels. The
addition of PVA and glass wool considerably improves the hydrophobicity and Young’s
modulus of the aerogel. The composite aerogels possess high hydrophobicity (124152°) and low thermal conductivity (0,032-0,037 W/m.K), making them promising for
thermal insulation application.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo
đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích
một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết
quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.

Tác giả luận văn

Cao Thị Hồng Oanh


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU------------------------------------------------------------------------------------------- 1
Chương 1: NỘI DUNG ------------------------------------------------------------------------- 3
1.1. TRO TRẤU -------------------------------------------------------------------------------- 4
1.1.1 .Hiện trạng tro trấu ở Việt Nam --------------------------------------------------- 4
1.1.2. ----------------------------------------------------------------------------------------------Thành phần của tro hấu ------------------------------------------------------------------------- 5
1.2. TỔNG QUAN VỀ AEROGEL -------------------------------------------------------- 5
1.2.1. Aerogel là gì? ------------------------------------------------------------------------ 5
1.2.2. Lịch sử tìm ra aerogel-------------------------------------------------------------- 5
1.2.3. Phân loại và tính chất của các loại aerogel ------------------------------------- 7
>

Silica aerogel ---------------------------------------------------------------------------- 7

>

Aerogel oxit kim loại ------------------------------------------------------------------- 8

>

Aerogel carbon --------------------------------------------------------------------------- 8

>

Các dạng aerogel cải tiến --------------------------------------------------------------- 9

1.2.4. ứng dụng của aerogel -------------------------------------------------------------- 10
1.2.5. Tiềm năng thị trường của aerogel ------------------------------------------------ 12
1.3.

PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU

AEROGEL TRONG LĨNH VỰC XÂY DỤNG TRÊN CƠ SỞ SÁNG CHẾ QUỐC TẾ
----------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
1.3.1. Tình hình công bố sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong
lĩnh vực xây dựng theo thời gian ---------------------------------------------------------- 14
1.3.2. Tình hình công bố sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong
lĩnh vực xây dựng theo quốc gia ---------------------------------------------------------- 15
1.3.3.1ình hình công bố sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong
lĩnh vực xây dựng theo các hướng nghiên cứu ------------------------------------------ 15
1.3.4.Các đơn vị dẫn đầu sở hữu sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel
trong ------------------------------------------------------------------------------------------- 16


1.3.5. Các sáng chế tiêu biểu liên quan đến vật liệu aerogel ---------------------------- 16
1.3.6. Kết luận ---------------------------------------------------------------------------------- 17
1.4. TỔNG HỢP SILICA AEROGEL --------------------------------------------------- 18
1.4.1. Tổng hợp silica aerogel bằng phương pháp sol-gel ------------------------------ 18
1.4.1.1 --------------------------------------------------------------------------------------.Các khái niệm cơ bản -------------------------------------------------------------------------- 18
1.4.1.2. CƠ chế phản ứng --------------------------------------------------------------- 19
> Đối với silicon alkoxide---------------------------------------------------------- 19
> ĐốivớiMTMS --------------------------------------------------------------------- 19
> Đối với dung dịch sodium silicate ---------------------------------------------- 20
1.4.1.3.Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong quá trình gel hóa ---------------------- 21
1.4.1.4. --------------------------------------------------------------------------------------Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sol-gel ------------------------------------------------- 23
1.4.1.5. --------------------------------------------------------------------------------------- Ưu
điểm và nhược điểm của quá trình sol-gel --------------------------------------------------- 27
1.4.2. Làm khô để tạo silica aerogel -------------------------------------------------------- 28
1.4.2.1 --------------------------------------------------------------------------------------- .Sấy
khô siêu tới hạn ---------------------------------------------------------------------------------- 28
1.4.2.2. sấy thường ----------------------------------------------------------------------- 29
1.4.2.3. sấy đông khô (Sấy thăng hoa) ------------------------------------------------ 29
> Nguyên lý hoạt động của máy sấy đông khô ------------------------------------------ 31
1.5. TỔNG QUAN METHYL TRIMETHOXY SILANE (MTMS) --------------- 32
1.6. TỔNG QUAN VỀ POLY VINYL ALCOHOL (PVA) -------------------------- 34
1.7. TỔNG QUAN VỀ BÔNG THỦY TINH (GLASS WOOL) -------------------- 36
1.8. TỞNG HỢP SILICA AEROGEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL TỪ TRO
TRẤU --------------------------------------------------------------------------------------------- 38
1.8.1. Xử lý tiền chất ------------------------------------------------------------------------- 38
1.8.2. Tạogel ----------------------------------------------------------------------------------- 39
1.8.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp silica aerogel từ tro trấu ----------------- 40
1.8.3.

l.pH -------------------------------------------------------------------------------- 40

1.8.3.2. Quá trình làm muồi, rửa và sấy mẫu ------------------------------------------ 40


1.8.3.3. Dung môi ------------------------------------------------------------------------- 41
1.8.3.4. --------------------------------------------------------------------------------------- Nhiệt
độ -------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
1.9. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SIO2 TRONG TRO TRẤU
VÀ DUNG DỊCH SAU KHI CHIẾT ------------------------------------------------------ 42
1.9.1. Xác định hàm lượng S1O2 trong tro trấu ----------------------------------------- 42
1.9.2. Xác định hàm lượng S1O2 trong dung dịch sau khi chiết ---------------------- 42
1.10. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ KIỂM TRA TÍNH CHẤT
CỦA SILICA AEROGEL ĐƯỢC SỬ DỤNG ------------------------------------------ 43
1.10.1. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET) -------------------------- 45
1.10.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) --------------------------------- 40
1.10.3 .Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ----------------------------------------------- 45
1.10.4. ------------------------------------------------------------------------------------------Phương pháp phân tích độ dẫn nhiệt (TCi) ------------------------------------------------- 47
1.10.5. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (TGA) ------------------------------------- 48
1. lO.ó.Phương pháp xác định góc thấm ướt --------------------------------------------- 50
1.10.7. Phương pháp xác định mô đun đàn hồi của silica aerogel -------------------- 50
1.10.8. ------------------------------------------------------------------------------------------Phương pháp xác định khối lượng riêng và độ xốp của silica aerogel ------------------ 51

Chương 2: THỰC NGHIỆM ------------------------------------------------------- 47
2.1. Hóa chất, nguyên liệu và dụng cụ thí nghiệm ------------------------------------- 47
2.1.1. Hóa chất ----------------------------------------------------------------------------- 47
2.1.2. Nguyên liệu ------------------------------------------------------------------------- 47
2.1.3. Dụng cụ thí nghiệm --------------------------------------------------------------- 47
2.2. Thí nghiệm -------------------------------------------------------------------------------- 52
2.2.1. Tổng hợp dung dịch sodium silicate từ tro trấu ------------------------------ 52
2.2.2. Quy trình tổng hợp silica aerogel từ MTMS ---------------------------------- 55
2.2.3. Quy trình tổng hợp composite silica aerogel từ MTMS, dung dịch sodium
silicate, dung dịch PVA và bông thủy tinh --------------------------------------------- 57
2.3. sấy ------------------------------------------------------------------------------------------ 58


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ------------------------------------------- 60
3.1.

Ảnh hưởng của tỷ lệ mol giữa MTMS/H2O (trong hỗn hợp dung dịch CH3COOH IM

và HC1 0,0IM) đến mô đun đàn hồi và độ dẫn nhiệt TCi của silica aerogel được
tổng hợp từ MTMS ----------------------------------------------------------------------------- 60
3.2. Ảnh hưởng của pH đến thời gian gel hóa và cấu trúc của mẫu silica aerogel được
tổng hợp từ MTMS và dung dịch Na2SiO3 ------------------------------------------------ 61
3.3. Ảnh hưởng của PVA lên khả năng kỵ nước của composite silica aerogel ------- 62
3.4. Ảnh hưởng của PVA đến khối lượng riêng và độ xốp của composite silica aerogel được
tổng hợp từ MTMS, dung dịch PVA, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh —64
3.5. Ảnh hưởng của PVA đến diện tích bề mặt riêng (BET) của composite silica aerogel được
tổng hợp từ MTMS, dung dịch PVA, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh - 65
3.6. Ảnh hưởng của PVA đến mô đun đàn hồi của composite silica aerogel được tổng
hợp từ MTMS, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh, có chứa PVA với các nồng độ
khác nhau ------------------------------------------------------------------------------------- 66
3.7. Kết quả phân tích XRD------------------------------------------------------------------ 67
3.8. Kết quả phân tích TGA-DSC ----------------------------------------------------------- 67
3.8.1. Mầu composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch Na2SiO3 và
bông thủy tinh, có chứa dung dịch PVA 15% .......................................................... 68
3.8.2. Mau composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch sodium
silicate và bông thủy tinh có chứa PVA với các nồng độ khác nhau ----------------- 69
3.9. Anh hưởng của PVA đến độ dẫn nhiệt TCi của composite silica aerogel được tổng
hợp từ MTMS, dung dịch PVA, dung dịch Na2SiC>3 và bông thủy tinh --------- 70
3. lO.Kết quả đo kính hiển vi điện tử quét (SEM)------------------------------------------ 72
3.11. TÓM TẮT CÁC TÍNH CHẮT CỦA CÁC MẪU COMPOSITE SILICA
AEROGEL ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ MTMS, DUNG DỊCH Na2SiO3 VÀ BÔNG THỦY
TINH CÓ CHỨA PVA VỚI CÁC NỒNG ĐỘ KHÁC NHAU ----------------------------- 73
3.12. ĐÁNH GIÁ CÁC MẪU COMPOSITE SILICA AEROGEL ĐƯỢC TỔNG
HỢP TỪ MTMS, DUNG DỊCH Na2SiO3 VÀ BÔNG THỦY TINH CÓ CHỨA HÀM
LƯỢNG PVA VỚI CÁC NÒNG ĐỘ KHÁC NHAU, THEO TIÊU CHUẨN QUỐC


GIA TCVN 7194:2002 DÀNH CHO VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT ------------------- 75

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ -------------------------------------- 82
4.1. Kết luận -------------------------------------------------------------------------------- 82
4.2. Kiến nghị ------------------------------------------------------------------------------- 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------ 84
PHỤ LỤC: TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 7194 : 2002 ------------------------- 88


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Các công đoạn chế tạo aerogel được Kistler thực hiện ---------------------------- 6
Hình 1.2: Lỗ xốp trong aerogel-------------------------------------------------------------------- 7
Hình 1.3: Silica aerogel ---------------------------------------------------------------------------- 7
Hình 1.4: Aerogel oxit kim loại ------------------------------------------------------------------- 8
Hình 1.5: Cacbon aerogel -------------------------------------------------------------------------- 9
Hình 1.6: Aerogel bọt biển ứng dụng thấm hút các vết dầu loang trong môi trường ------ 9
Hình 1.7: Căn nhà Mặt Trời của viện kỹ thuật Georgia - aerogel được sử dụng như lớp
cách nhiệt cho các mái nhà bán trong suốt ------------------------------------------------------ 10
Hình 1.8: Siêu tụ điện aerogel --------------------------------------------------------------------- 11
Hình 1.9: ứng dụng của aerogel trong ngành công nghiệp vũ trụ ---------------------------- 11
Hình 1.10: ứng dụng của aerogel trong ngành dụng cụ thể thao ----------------------------- 12
Hình 1.11: Tăng trưởng của aerogel từ năm 2006-2013 --------------------------------------- 13
Hình 1.12: Hình ảnh về quy trình chung tổng hợp silica aerogel ---------------------------- 14
Hình 1.13: Phản ứng sol-gel với silicon alkoxides --------------------------------------------- 15
Hình 1.14a: Cơ chế phản ứng sol-gel đối với MTMS (giai đoạn đầu) ---------------------- 16
Hình 1.14b: Cơ chế phản ứng sol-gel đối với MTMS (giai đoạn hai) ----------------------- 16
Hình 1.15: Sự phát triển của cấu trúc trong điều kiện axit ------------------------------------ 17
Hình 1.16: Sự phát triển cấu trúc trong điều kiện bazơ ---------------------------------------- 17
Hình 1.17: Sự phát triển cấu trúc trong quá trình sol-gel -------------------------------------- 18
Hình 1.18: Biểu đồ các giai đoạn điển hình của quá trình sấy thăng hoa ------------------- 26
Hình 1.19: Nguyên lý hoạt động của máy sấy đông khô -------------------------------------- 27
Hình 1.20: Công thức cấu tạo của MTMS ------------------------------------------------------- 28
Hình 1.21: Các bước tổng hợp chính của phương pháp sol-gel ------------------------------ 29
Hình 1.22: Phương trình phản ứng thủy phân của MTMS ------------------------------------ 30
Hình 1.24: Công thức cấu tạo của PVA ---------------------------------------------------------- 30
Hình 1.25: Tương tác liên kết hóa học và liên kết hydro giữa PVA và MTMS trong quy
trình sol-gel------------------------------------------------------------------------------------------- 32


Hình 1.26: Bông thủy tinh dùng trong phòng thí nghiệm ------------------------------------- 32
Hình 1.27: Hai quá trình trung hòa và ngưng tụ ------------------------------------------------ 35
Hình 1.28: Đồ thị đường BET --------------------------------------------------------------------- 39
Hình 1.29: Sơ đồ tán xạ tia X của nguyên tử ---------------------------------------------------- 41
Hình 1.30: Sơ đồ tán xạ tia X của tinh thể ------------------------------------------------------- 41
Hình 1.31: Thiết lập phép đo độ dẫn nhiệt bằng máy C-Therm TCi Thermal Conductivity
Analyzer (C-therm Technologies, Canada) --------------------------------------------------------- 42
Hình 1.33: Nguyên lý phân tích nhiệt trọng lượng vi sai -------------------------------------- 43
Hình 1.34: Máy đo góc tiếp xúc phonenix 150/300 -------------------------------------------- 45
Hình 1.29: Máy kiểm tra modulus nén của vật liệu -------------------------------------------- 45
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp dung dịch Na2SiO3 từ tro trấu ------------------------- 48
Hình 2.2: Quy trình thực hiện chiết dung dịch sodium silicate ------------------------------- 48
Hình (a): Cân tro trấu --------------------------------------------------------------------------49
Hình (b): Khuấy tro trấu trong dung dịch NaOH IM --------------------------------------49
Hình (c): Lọc dung dịch sau khi khuấy và thu được dung dịch sodium silicat --------49
Hình 2.3: Sơ đồ quy trình tổng hợp silica aerogel từ dung dịch MTMS --------------------50
Hình 2.4: Sơ đồ quy trình tổng hợp composite silica aerogel từ MTMS, dung dịch sodium
silicate, dung dịch PVA và bông thủy tinh --------------------------------------------------------- 52
Hình 2.5: Khuôn có chứa khoảng 0,01g bông thủy tinh được chuẩn bị sẵn ----------------54
Hình 2.6: Máy sấy đông khô-----------------------------------------------------------------------54
Hình 2.7: Sản phẩm silica aerogel sau khi sấy -------------------------------------------------54
Hình 3.1: Đường cong ứng suất - độ biến dạng của các mẫu silica aerogel theo các tỷ lệ mol
MTMS/H2O ( trong hỗn hợp dung dịch CH3COOH IM và HC1 0,0IM) được tổng hợp từ
MTMS với cùng thời gian khuấy 1,5 giờ và thời gian làm muồi 48 giờ a)l:5; b) 1:6; c) 1:7 55
Hình 3.2: Mau silica aerogel được tổng hợp từ MTMS và dung dịch Na2SiC>3 trong môi
trường có pH khác nhau ----------------------------------------------------------------------------56
Hình 3.3: Sản phẩm silica aerogel được tổng hợp từ MTMS và dung dịch Na2SiO3 trong môi
trường có pH khác nhau sau khi sấy ----------------------------------------------------------------- 56


Hình 3.4: Giản đồ mối liên hệ giữa giá trị pH và thời gian gel của mẫu silica aerogel được
tổng hợp từ MTMS và dung dịch Na2SiO3 ------------------------------------------------------- 57
Hình 3.5: Khả năng kỵ nước của mẫu silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch
Na2SiO3 và bông thủy tinh --------------------------------------------------------------------------- 57
Hình 3.6: Ảnh chụp góc thấm ướt của composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung
dịch Na2SiO3VÙ bông thủy tinh a) không chứa PVA, b) chứa dung dịch PVA 5%— 58
Hình 3.7: Ảnh chụp góc thấm ướt của composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung
dịch Na2SiŨ3 và bông thủy tinh có chứa dung dịch c) PVA 10%, d PVA 15%----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
Hình 3.8: Ảnh hưởng của nồng độ PVA đến khối lượng riêng và độ xốp của các mẫu
composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch PVA, dung dịch Na2SiO3 và
bông thủy tinh--------------------------------------------------------------------------------------- 59
Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ PVA đến diện tích bề mặt riêng của các mẫu composite
silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch PVA, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy
tinh-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 60
Hình 3.10: Đường cong ứng suất - độ biến dạng của các mẫu composite silica aerogel được
tổng hợp từ MTMS, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh có chứa PVA với các nồng độ
khác nhau a) 5%, b)10%, c)15% --------------------------------------------------------------------- 61
Hình 3.11: Pho XRD của mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch
Na2SiO3 và bông thủy tinh có chứa dung dịch PVA 10% --------------------------------------- 62
Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ
MTMS, dung dịch Na2SiC>3 và bông thủy tinh có chứa dung dịch PVA 15% -------------- 63
Hình 3.13: Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ
MTMS, dung dịch Na2SiC>3 và bông thủy tinh có chứa hàm lượng PVA khác nhau —
64
Hình 3.14: Ảnh hưởng của nồng độ PVA đến độ dẫn nhiệt của các mẫu composite silica
aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch PVA, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh 65
Hình 3.15: So sánh độ dẫn nhiệt TCi giữa các loại vật liệu (W/m.K) ---------------------- 66
Hình 3.16: Ảnh chụp SEM của các mẫu silica aerogel được tổng hợp từ a) MTMS, b)


MTMS và dịch sodium silicate ------------------------------------------------------------------- 66
Hình 3.17: Ảnh chụp SEM của các mẫu silica aerogel được tổng hợp từ MTMS và dung
dịch Na2SiO3 có chứa hàm lượng PVA với các nồng độ khác nhau: c) 5%, e)15% — 67
Hình 3.18: Ảnh chụp SEM của mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung
dịch sodium silicate và bông thủy tinh có chứa dung dịch PVA 10% ---------------------- 67


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần tro trấu ---------------------------------------------------------------------- 5
Bảng 1.2: Hệ số cách nhiệt --------------------------------------------------------------------------- 32
Bảng 1.3: Hệ số cách âm theo tiêu chuẩn thử nghiệm ASTMC423 --------------------------- 33
Bảng 1.4: Hệ số dẫn nhiệt (Theo tiêu chuẩn thử nghiệm ASTM C177-85) ------------------ 33
Bảng 1.5: Ảnh hưởng của thời gian rửa lên các đặc tính của silica aerogel ------------------ 36
Bảng 2.1: Chương trình hoạt động của máy sấy đông khô ------------------------------------- 53
Bảng 3.1: Môđun đàn hồi và độ dẫn nhiệt của silica aerogel theo các tỷ lệ mol MTMS/H2O
(trong hỗn hợp dung dịch CH3COOH IM và HC1 0,0IM) được tổng hợp từ MTMS với cùng
thời gian khuấy 1,5 giờ và thời gian làm muồi 48 giờ ------------------------------------------ 56
Bảng 3.2: Độ xốp của các mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ thành MTMS, dung
dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh có chứa dung dịch PVA với các nồng độ khác nhau --- 59
Bảng 3.3: Diện tích bề mặt riêng của các mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ
MTMS, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh có chứa dung dịch PVA với các nồng độ khác
nhau ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 60
Bảng 3.4: Kết quả đo độ dẫn nhiệt của các mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ
MTMS, dung dịch Na2SiO3 và bông thủy tinh có chứa PVA với các nồng độ khác nhau —
64
Bảng 3.5: Tóm tắt các tính chất của các mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ
MTMS, dung dịch Na2SiC>3 và bông thủy tinh có chứa PVA với các nồng độ khác nhau —
68
Bảng 3.6: Đánh giá các mẫu composite silica aerogel được tổng hợp từ MTMS, dung dịch
Na2SiO3 và bông thủy tinh có chứa hàm lượng PVA với các nồng độ khác nhau, theo tiêu
chuẩn quốc gia TCVN 7194:2002 dành cho vật liệu cách nhiệt------------------------------- 68


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASTM

American Society for Testing and Materials

BET

Brunauer-Emmett-Teller (tên một lý thuyết hấp phụ chất khí trên bề mặt rắn)

DMCS

Dimethyl chlorosilane

DMDC

Dimethyl dichlorosilane

HDTMS

hexa decyl trimethoxy silane

HMDZ

Hexa methyl disilazane

MTMS

Methy trimethoxy silane

MTPS

Modified transient plane source

SEM

Scanning electron microscope

TCi

Thermal conductivity analyzer

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TEOS

Tetra thoxy silane

TG-DTA

Thermal Gravimetry-Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt trọng lượng nhiệt vi sai)

TMCS

Trimethyl chlorosilane

TMES

Trimethyl ethoxy silane

TMOS

Tetra methoxy silane

XRD

X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X)


MỞ ĐẦU
l.Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt dần và chi phí cho nhiên
liệu này ngày càng tăng cao. Với tốc độ tiêu thụ năng lượng hiện tại thì trữ lượng dầu của
thế giới được dự báo sẽ cạn kiệt trước năm 2050. Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng này
còn là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong
khi đó, những nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió, sinh khối, thủy triều, địa
nhiệt,... lại là những nguồn năng lượng vô tận và “sạch” hơn rất nhiều so với năng lượng
không tái tạo. Rào cản lớn nhất để tiếp cận và khai thác những nguồn năng lượng này
chính là công nghệ và chi phí thiết bị đắt hơn so với thiết bị sử dụng nhiên liệu hóa thạch
[1].
Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi như: nóng ẩm, mưa nhiều, đất đai phì
nhiêu... nên sinh khối phát triển rất nhanh. Do vậy, nguồn phụ phẩm từ nông, lâm nghiệp
vô cùng phong phú và ngày càng tăng cùng với sự phát triển của nông, lâm nghiệp. Tuy
nhiên, những nguồn phụ phẩm đó lại đang bị coi là rác thải tự nhiên, đang bị bỏ phí hoặc
lại chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường (như tình trạng đốt rơm rạ ở miền Bắc
hoặc đổ trấu xuống sông, kênh rạch ở đồng bằng sông Cửu Long, đốt bỏ mùn cưa tại Yên
Bái,...). Năng lượng sinh khối nằm trong trong chu trình tuần hoàn ngắn, được các tổ chức
về phát triển bền vững và môi trường khuyến khích sử dụng. Tận dụng được nguồn nhiên
liệu này vừa cung cấp năng lượng cho phát triển kinh tế và đảm bảo bảo vệ môi trường
[1],
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã khám phá ra rất nhiều vật liệu. Một
trong số đó là vật liệu cách nhiệt. Tuy nhiên, các vật liệu cần phải đạt được rất nhiều đặc
tính cực kỳ quan trọng, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt thấp, khối lượng riêng thấp, độ xốp
cao, diện tích bề mặt lớn và vật liệu mang lại hiệu quả kinh tế. Năm 1932, aerogel được
giới thiệu lần đầu tiên bởi Kistler [2], Nghiên cứu này đóng một vai trò quan trọng trong
việc cải thiện và phát triển các vật liệu trong những năm gần đây. Tổng hợp composite
silica aerogel là một trong những vật liệu tiềm năng.
Ngày nay, vật liệu composite silica aerogel là một trong những vật liệu siêu nhẹ có

1


nhiều ứng dụng trong đời sống. Tuy nhiên, nghiên cứu liên quan đến loại vật liệu này là
một số lượng lớn các rắc rối liên quan đến công nghệ, thiết bị hoặc nguồn lực của quy trình
tại Việt Nam. Hon nữa, các nguyên liệu chính đến từ chất thải công nghiệp như tro trấu,
mùn cưa, bả mía, v.v... có thể tiết kiệm ngân sách cho nghiên cứu này và làm giảm giá
thành sản xuất. Bên cạnh đó, các nguyên liệu thô được sử dụng để giúp giảm thiểu các vấn
đề môi trường bị ô nhiễm. Đồng thời, việc áp dụng phương pháp sấy đông khô cũng giúp
tăng hiệu quả quy trình và nâng cao chất lượng sản xuất.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Các bề mặt siêu kỵ nước có góc tiếp xúc cao > 130° đã tạo ra rất nhiều lợi ích
nghiên cứu cả trong giới học viện và ngành công nghiệp vì khả năng tự làm sạch của chúng.
Năm 1997, Barthlott và Neinhuis cho thấy rằng khả năng tự làm sạch của lá sen có được
là do hình thái bề mặt đặc biệt và tính chất kỵ nước [7]. Việc chế tạo các lớp phủ kỵ nước
là một lĩnh vực thu hút sự nghiên cứu trong những năm gần đây vì các ứng dụng rộng rãi
như kính chắn gió ô tô, bề mặt tự làm sạch và tự làm sạch bụi bẩn cho tấm pin mặt trời, vệ
tinh, tường xây dựng và kính mái, kính kiến trúc và nhà kính, bề mặt truyền nhiệt trong
thiết bị điều hòa không khí,... Ngày nay, các lớp phủ thu được từ phương pháp sol-gel đã
được tìm thấy có ích cho một số ứng dụng chủ yếu do sự tổng hợp dễ dàng, linh hoạt. Mặc
dù silica aerogel có rất nhiều đặc tính nổi bật nhưng chúng lại rất dễ vỡ khi có tác động cơ
học dù rất nhỏ, điều này đã làm hạn chế khả năng ứng dụng của vật liệu xuất sắc này.
Luận văn này tập trung nghiên cứu tính chất kỵ nước, độ bền nén và độ dẫn nhiệt
TCi của composite silica aerogel được tổng hợp từ methyltrimothoxysilane (MTMS), dung
dịch natri silicate (từ dịch chiết tro trấu). Ngoài ra, còn sử dụng poly (vinyl alcohol) (PVA)
và bông thủy tinh để cải thiện tính chất cơ của composite silica aerogel, hướng đến tạo ra
sản phẩm có khả năng hứa hẹn trong việc sản xuất ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt (đạt
tiêu chuẩn quốc gia - TCVN 7194 : 2002) trong tương lai.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:
Luận văn là một công trình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng. Đối tượng nghiên
cứu của luận văn là composite silica aerogel. Các kết quả của luận văn đưa ra là một trong
những tiền đề, hứa hẹn bổ sung thêm thông tin mới trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu

2


aerogel dùng làm vật liệu cách nhiệt.
1.4. Những đóng góp mới của luận văn
1) Chế tạo được vật liệu composite silica aerogel bằng phương pháp sol-gel hai bước
(xúc tác axit-bazơ), trao đổi dung môi, sấy đông khô. Sản phẩm có độ xốp lớn, tỷ
trọng nhẹ, có tính kỵ nước cao, và độ dẫn nhiệt thấp.
2) Nghiên cứu tổng hợp composite silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS)
và dung dịch sodium silicate (dịch chiết tro trấu) (góp phần xử lý môi trường), được
kết hợp với PVA và bông thủy tinh, cho ứng dụng vật liệu cách nhiệt.

3


Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1. TRO TRẤU
1.1.1. Hiện trạng tro trấu ờ Việt Nam
Việt Nam là một trong những quốc gia có nền sản xuất gạo lớn nhất thế giới (khoảng
50 triệu tấn mỗi năm). Do đó, tạo ra lượng tro trấu khá lớn (khoảng 2 triệu tấn mỗi năm).
Chúng không được sử dụng nhiều mà phần lớn được đốt rồi thải ra sông tiêu hủy. Điển
hình là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nơi cung cấp 50% sản lượng gạo cho cả nước,
đã có khoảng 3 triệu tấn tro trấu mỗi năm nhưng chỉ khoảng 10% được sử dụng làm chất
đốt. Các nhà máy xay xát ở đây đã thẳng tay đổ tro trấu xuống sông, rạch. Trấu trôi lềnh
bềnh khắp nơi ,chìm xuống đáy gây ô nhiễm nguồn nước. Ở An Giang có khoảng 700
nghìn tấn tro trấu mỗi năm và lại được sử dụng lãng phí vào việc làm chất đốt để nấu ăn
và thải vào các dòng sông ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân. Đi dọc một số bờ sông
ở quận Ô Môn, huyện Thới Lai, huyện Cờ Đỏ của thành phố Cần Thơ như sông Thị Đội,
sông Ngang... sẽ thấy rất nhiều vỏ trấu trôi trên mặt sông. Bờ sông ngập một màu vàng của
vỏ trấu. Nước sông ở những đoạn này vốn đã ô nhiễm, giờ quyện với mùi vỏ trấu phân hủy
tạo nên một hương vị rất khó chịu. Chính vì lượng tro trấu thải ra như vậy đã ảnh hưởng
rất lớn đến sinh hoạt của người dân và ghe thuyền qua lại, gây ô nhiễm nguồn nước nặng.
Lượng vỏ trấu quá nhiều, không còn chỗ chứa thì cách duy nhất là đổ ra sông để
nước cuốn trôi. Vì thế cần biết các công dụng của vỏ trấu để sử dụng đúng cách nếu không
vỏ trấu sẽ trở thành tác nhân gây nên ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng đến đời sống của
người dân sống xung quanh khu vực đó [28].
1.1.2. Thành phần của tro trấu
Vỏ trấu chiếm khoảng 20% trọng lượng hạt lúa, sau khi cháy các thành phần hữu
cơ sẽ chuyển hóa thành tro chứa các thành phần oxit kim loại. Silic oxit là chất có tỷ lệ
phần trăm về khối lượng cao nhất trong tro trấu, chiếm khoảng 80-90%. Vì vậy, sử dụng
tro trấu là nguồn nguyên liệu điều chế S1O2 đã và đang được rất nhiều sự quan tâm
nghiên cứu [27].
Bảng 1.1: Thành phần tro trấu
Tỷ lệ theo khối lượng (%)

Tỷ lệ theo khối lượng (%)
4


S1O2

80-90

AI2O3

1-2,5

K2O

0,2

CaO

1-2

Na2O

0,2-0,5

S1O2 được sử dụng trong đời sống sản xuất rất phổ biến. Nếu tận dụng được nguồn
S1O2 sẽ có ý nghĩa rất lớn. Sẽ không cần phải nhập khẩu S1O2 và vấn đề ô nhiễm môi
trường từ tro trấu cũng được cải thiện phần nào.
1.2. Tổng quan về aerogel
1.2.1. Aerogel là gì?
Có thể mường tượng vật liệu aerogel là một dạng vật liệu gel (một trạng thái, trong
đó mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng kết dính với nhau), thành phần lỏng
của gel sẽ được thay thế bởi thành phần khí. Kết quả làm cho sản phẩm gel có được là một
chất rắn, chứa hơn 90% không khí nên rất nhẹ, khối lượng riêng thấp và cách nhiệt. Nó
còn có các tên khác như là khói đóng băng, không khí rắn, khối rắn [5].
1.2.2. Lịch sử tìm ra aerogel
Sự ra đời của aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm
1920, khi Samuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người Mỹ đã đánh cược với đồng
nghiệp của mình là Charles Learned rằng “có tồn tại một loại gel không lỏng ?”.
Bằng sự kiên trì và quyết tâm của mình, sau nhiều thử nghiệm và gặp không ít thất
bại, cuối cùng Kistler đã tìm ra một loại gel ở trạng thái khí (không phải trạng thái lỏng),
một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tượng ra nó. Ông
đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí, và
đặt tên cho nó là "aerogel". Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của mình trong bài viết
"Coherent expanded aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học Nature. Có lẽ ông
cũng không ngờ, những năm sau này, vật liệu dạng aerogel đã và đang tạo ra cuộc cách
mạng các sản phẩm trong tương lai, từ máy giặt đến các phi thuyền không gian.
Ông đã tìm ra aerogel như thế nào?

5


Ban đầu, ông tạo ra trong môi trường gel một nhiệt độ và áp suất đạt đến điểm tới
hạn - ở mức mà không có sự khác biệt nhiều giữa chất lỏng và chất khí. Tiếp đến, giữ
nguyên mức nhiệt độ ở điểm tới hạn, giảm từ từ áp suất. Khi áp suất giảm, các phân tử
được giải phóng dưới dạng khí và lỏng với mật độ không quá dày đặc. Bước tiếp theo là
làm lạnh. Trước khi làm lạnh, sẽ có một lượng rượu nhỏ được ngưng tụ lại thành chất lỏng,
sau đó sẽ được chuyển thành dạng hơi như ban đầu [5].
Aerogel Production Process (Silica Aerogel)

Sol-gel process Drying process

Hình 1.1: Các công đoạn chế tạo aerogel được Kistler thực hiện
Những gì còn lại sẽ là một chất rắn bằng silica, nhưng thay vì ở dạng lỏng thì nó lại
chứa đầy không khí. Sản phẩm thu được ở bước này có thể gọi là alcogel. Alcogel sau khi
bị khử rượu sẽ được gọi là aerogel (rượu đã bị thay thế bằng khí) [17], [18].
Vì vậy, aerogel còn được ông gọi là alcogel, do được chế tạo từ gel silica (S1O2)
và ancol. Nói một cách đơn giản, chỉ cần cho rượu bay hơi khỏi gel silica là chúng ta sẽ
tạo ra cấu trúc aerogel.

6


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×