Luận Văn Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc trong latex cao su thiên nhiên

LỜI MỞ ĐẦU
Việt Nam với điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm rất thích
hợp cho sự tồn tại và phát triển của cây cao su, và trên thực tế, cao
su là một trong những thế mạnh của Việt Nam. Trong nhiều năm,
nước ta là một trong 5 nước xuất khẩu cao su nhiều nhất trên thế
giới. Sản lượng cao su của Việt Nam lên đến 600.000 tấn/năm, tuy
nhiên phần lớn lượng cao su này được xuất khẩu ở dạng thô có giá
trị kinh tế thấp. Một nghịch lý đang tồn tại là mặc dù Việt Nam trồng
nhiều cao su, nhưng chúng ta lại phải nhập khẩu các sản phẩm cao
su thành phẩm với giá rất cao. Đó là vì chúng ta chưa sản xuất được
những sản phẩm cao su có chất lượng và tính năng tốt. Do đó, việc
nâng cao chất lượng cũng như tăng cường những tính năng mới cho
những sản phẩm hiện có sẽ làm tăng giá trị cũng như tính cạnh tranh
của những sản phẩm này trên thị trường.
Gần đây, với sự phát triển của công nghệ nano, chúng ta có
thể chế tạo những vật liệu có kích thước ngày càng nhỏ (có thể chỉ
vài nano). Khi được chế tạo với kích thước nano, các vật liệu này sẽ
thể hiện những tính chất đặc biệt về quang, điện, từ, sinh học nhất
là đối với các hạt nano kim loại (như vàng, bạc ) do có sự xuất
hiện của hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Đối với bạc, khi
2
được chế tạo ở kích thước nano thì những hạt nano bạc sẽ có khả
năng diệt khuẩn rất tốt chỉ với lượng dùng rất ít.
Điều này mở ra cơ hội đưa những hạt nano bạc vào những
sản phẩm cao su thiên nhiên (như nệm, găng tay phẫu thuật ) để
tăng cường thêm tính năng diệt khuẩn cho những sản phẩm này, do
đó sẽ làm tăng giá trị cũng như tính cạnh tranh của những sản phẩm
cao su sản xuất trong nước, đồng thời cũng giúp bảo vệ tốt hơn sức
khỏe cho mọi người. Đây chính là lý do để tôi thực hiện đề tài
“Nghiên cứu chế tạo nano bạc trong latex cao su thiên nhiên”.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NANO BẠC
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Nano bạc được biết đến như một vật liệu có khả năng kháng
khuẩn rất tốt. Những năm gần đây, đề tài nano bạc thu hút được rất
nhiều sự quan tâm của giới khoa học và số lượng bài viết trên thế
giới về đề tài này cũng tăng lên khá nhanh. Các công trình này tập
trung trình bày về cách chế tạo nano bạc và các tính chất của nano
bạc, đặc biệt là khả năng kháng khuẩn.
Nano bạc có thể được nghiên cứu chế tạo bằng nhiều
phương pháp như vật lý (chiếu các bức xạ để phá hủy hạt bạc lớn
thành những hạt bạc có kích thước nano .), hóa học (dùng các hóa
chất có khả năng khử muối bạc để tạo nano bạc), sinh học (dùng vi
sinh vật để khử các muối bạc tạo nano bạc). Những hạt nano bạc có
thể được chế tạo ở dạng bột hoặc dạng lỏng (hạt nano bạc phân tán
trong chất bảo vệ như PEG, PVA, PVP . để giữ cho những hạt nano
bạc không tụ lại thành hạt lớn hơn). Khả năng ứng dụng nano bạc
3
trong thực tế là rất lớn. Nano bạc có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực như đồ gia dụng, sơn, plastic, bao bì, vải sợi, lọc nước .
Ở nước ta, đề tài nano bạc cũng đã bắt đầu được nghiên cứu
trong một vài năm gần đây ở một số đơn vị như Phòng thí nghiệm
Công nghệ Nano – ĐHQG TPHCM, Trường Đại học Bách khoa
TPHCM, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên .
Riêng đối với đề tài chế tạo nano bạc trong latex cao su
thiên nhiên, hiện nay có rất ít công trình nghiên cứu về đề tài này.
Trên thế giới hiện nay chỉ có một công trình do một nhóm các nhà
nghiên cứu ở Malaysia tiến hành với mục đích chứng minh khả năng
bảo vệ của cao su thiên nhiên (nhờ sự có mặt của protein) đối với
các hạt nano bạc. Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano – ĐHQG
TPHCM hiện đang tiến hành một số công trình nghiên cứu chế tạo
và phát triển các ứng dụng của nano bạc trong latex cao su thiên
nhiên. Luận văn này là một trong số các công trình đó.
Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu chế tạo nano bạc
trong latex cao su thiên nhiên bằng phương pháp chiếu tia UV và
khảo sát khả năng diệt khuẩn của sản phẩm tạo thành, đồng thời đề
nghị một số ứng dụng có thể thực hiện được ở Việt Nam trong điều
kiện hiện nay.
Nội dung của luận văn bao gồm các chương :
ã Chương 1 – Tổng quan : giới thiệu những kiến thức chung
về cao su thiên nhiên, kim loại bạc, các phương pháp chế tạo
vật liệu nano, các phương pháp phân tích.
4
ã Chương 2 – Thực nghiệm : Trình bày các nguyên liệu và
thiết bị sử dụng, quy trình tiến hành thí nghiệm, quy trình
phân tích mẫu.
ã Chương 3 – Kết quả và bàn luận : trình bày các kết quả phân
tích XRD, UV-VIS, TEM, GPC, AAS, phân tích kháng
khuẩn.
ã Kết luận và kiến nghị : trình bày những kết luận rút ra và đề
nghị một số ứng dụng thực tế.
Chương 1 : TỔNG QUAN
1.1 CAO SU THIÊN NHIÊN
Cao su thiên nhiên là một chất có tính đàn hồi và tính bền,
thu được từ mủ (latex) của nhiều loại cây cao su, đặc biệt nhất là loại
cây Hevea Brasiliensis. Năm 1875, nhà bác học người Pháp
Bouchardat đã chứng minh cao su thiên nhiên là một hỗn hợp
polymer isoprene (C5H8)n , những polymer này có mạch carbon rất
dài với những nhánh ngang tác dụng như cái móc. Các mạch đó xoắn
lẫn nhau, móc vào bằng những nhánh ngang mà không đứt khi kéo
dãn, mạch carbon có xu hướng trở về trạng thái cũ sinh ra tính đàn
hồi.
1.1.1 Lịch sử :
Christophe Colomb trong hành trình thám hiểm châu Mỹ lần
thứ hai (1493 – 1496), ông phát hiện người dân châu Mỹ đã biết sử
dụng nhựa cây có tính đàn hồi để làm quả bóng thay vì dùng quả
bóng làm bằng vải độn như lúc bấy giờ tại châu Âu.
5
Sau đó, nhiều phát minh lần lượt ra đời đã thúc đẩy công
nghiệp cao su phát triển nhanh chóng trong đó phải kể đến hai phát
minh quan trọng của Hancock (nghiền dẻo hóa) và của Goodyear
(lưu hóa).
Cây cao su lần đầu tiên được du nhập vào Đông Dương là do
ông J.B.Louis Pierre đem trồng tại Thảo cầm viên Sài Gòn năm
1877. Sản lượng cao su của Việt Nam đứng hàng thứ 5 trên thế giới
(sau Thái Lan, Indonesia, Ấn Độ và Malaysia).
1.1.2 Trạng thái thiên nhiên của cao su : Cao su thiên nhiên sinh ra
từ một số loại thực vật có khả năng tạo ra latex. Chức năng tạo ra
latex trong các nhu mô thực vật biểu thị đặc tính qua sự hiện hữu của
tế bào chuyên biệt gọi là tế bào latex, tiết ra một dịch gọi là latex.
Tùy theo loại cây cao su, latex cũng có nhiều loại khác nhau : bản
chất cấu tạo gồm dung dịch vô cơ và hữu cơ có chứa các tiểu cầu ở
dạng nhũ tương.
1.1.3 Phân loại cây cao su : cây cao su có 5 họ chính nhưng quan
trọng nhất là giống Hevea brasiliensis, nó cung cấp khoảng 95 –
97% lượng cao su thiên hiên trên thế giới.
1.1.4 Thành phần latex cao su thiên nhiên : Latex là mủ cao su ở
trạng thái phân tán nằm lơ lửng trong dung dịch chứa nhiều chất vô
cơ và hữu cơ. Ngoài hydrocarbon cao su ra, latex còn chứa nhiều
thành phần khác như : protein, acid béo, dẫn xuất của acid béo,
sterol, glucid, heterosid, enzyme, muối khoáng. Hàm lượng những
chất cấu tạo nên latex thay đổi tùy theo các điều kiện về khí hậu, hoạt
tính sinh lý và hiện trạng sống của cây cao su.
6
1.1.5 Tính chất của latex cao su thiên nhiên : trình bày về các tính
chất của latex như lý tính, tính chất sinh hóa, tính chất thể giao trạng,
tính chất hóa học của latex cao su thiên nhiên. Trong đó, đáng lưu ý
nhất là điểm đẳng điện của latex và quá trình đánh đông latex.
Hạt tử cao su được bao bọc bởi một lớp protein mỏng có cấu
tạo là các amino acid. Với cấu tạo như vậy protein latex sẽ có sự cân
bằng giữa 2 trạng thái : + ư NH ư PrưCOOH⇔ NH ư PrưCOO 2 3
Điểm đẳng điện của protein latex tương đương pH = 4,7
Với các trị số pH > 4,7 công thức ư NH ư Prư COO 2 chiếm ưu
thế và các hạt tử cao su mang điện tích âm. Ngược lại trị số pH > 4,7
công thức NH ư ư COOH + Pr 3 chiếm ưu thế và hạt tử cao su mang
điện tích dương. Chính điện tích này nếu cùng điện tích âm hoặc
cùng điện tích dương tạo ra lực đẩy giữa các hạt cao su với nhau,
Hình 1.4 Ảnh hưởng của pH tới điện tích của hạt tử latex
7
đảm bảo sự phân tán của chúng trong serum. Khi đưa pH dần về 4,7 ,
lực đẩy sẽ mất đi và latex sẽ đông tụ lại, quá trình này được gọi là
đánh đông latex.
1.1.6 Ứng dụng của cao su thiên nhiên : trình bày những ứng dụng
của cao su thiên nhiên trong cuộc sống : lốp xe, găng tay, nệm
1.2 BẠC – Ag :
1.2.1 Lịch sử tìm ra bạc : bạc là một trong những kim loại được con
người phát hiện ra từ rất sớm (khoảng 5500 – 6000 về trước) chỉ sau
vàng và đồng.
1.2.2 Nhận xét chung : bạc có ký hiệu Ag, số hiệu nguyên tử 47, khối
lượng nguyên tử xấp xỉ 108, thuộc phân nhóm 1B, chu kỳ 5. Bạc dễ
dát mỏng, kéo sợi, có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt nhất trong các
kim loại. Bạc thường tìm thấy trong các quặng có lẫn chì, kẽm, đồng
và vàng. Hàm lượng trong vỏ trái đất : 10-5%.
1.2.3 Cấu trúc tinh thể : Bạc có cấu trúc mạng tinh thể lập phương
tâm mặt, điều này giải thích việc bạc có khối lượng riêng lớn và
nhiệt độ nóng chảy tương đối cao. Hằng số mạng (ô cơ sở) : a = b = c
= 408.53 pm, α = β = γ = 90.000
1.2.4 Tính chất vật lý : trình bày một số hằng số vật lý của bạc
1.2.5 Tính chất điện tử : trình bày cấu hình điện tử của bạc và một số
hằng số về tính chất điện tử của bạc. Giải thích vì sao bạc khó bị oxy
hóa nhưng ion của bạc lại rất dễ bị khử.
Hình 1.5 Sự thành lập các vùng theo độ pH
8
1.2.6 Tính chất hóa học : trình bày tính chất hoá học bạc như tính
kém hoạt động hóa học của bạc. Trong không khí bạc không bị biến
đổi. Ngay cả khi bị đun nóng, bạc cũng không bị oxy hóa. Với
halogen, bạc kết hợp chậm ở nhiệt độ thường. Với lưu huỳnh, bạc
không kết hợp trực tiếp. Với hydro, nitơ, carbon, bạc không tác dụng.
Bạc tan dễ dàng trong HNO3 và H2SO4 đặc nóng. Bạc bị đen trong
không khí có chứa H2S do sự tạo thành sunfua bạc màu đen.
1.2.7 Tính chất hóa học các hợp chất Ag (+1) : trình bày tính chất
hoá học của các hợp chất +1 của bạc.
1.2.8 Tính chất hóa học : trình bày những ứng dụng của bạc trong
thực tế : pin, đồ trang sức, mạ điện, rửa ảnh, gương
1.3 VẬT LIỆU NANO :
1.3.1 Khoa học, công nghệ và vật liệu nano :
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện
tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô
nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của
vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.
Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo
và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển
hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét.
9
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano
và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước
của vật liệu nano từ 0,1 nm đến 100 nm.
1.3.2 Tính chất của vật liệu nano : Sự khác biệt về tính chất của vật
liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng : hiệu ứng
bề mặt và hiệu ứng kích thước.
1.3.3 Phân loại vật liệu nano : phân loại theo hình dáng (vật liệu
nano 1 chiều, 2 chiều , 3 chiều) hoặc theo tính chất vật liệu (từ tính,
bán dẫn , sinh học )
1.3.4 Hạt nano kim loại: giới thiệu về khái niệm hạt kim loại nano
và nêu ví dụ về việc sử dụng hạt kim loại nano từ thời La Mã.
1.3.5 Chế tạo hạt nano kim loại : trình bày 2 phương pháp chung để
chế tạo hạt nano kim loại : từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên
(bottom-up). Cụ thể, ta có thể chế tạo hạt nano kim loại theo cách
phương pháp như : ăn mòn laser, khử hóa học, khử vật lý, khử hóa
lý, khử sinh học.
1.3.6 Chất ổn định hạt nano kim loại : trình bày về việc sử dụng các
polymer để làm chất ổn định (hay chất bảo vệ) cho các hạt nano kim
loại để tránh các hạt nano kim loại kết tụ thành hạt lớn hơn hoặc tạo
thành đám. Trong đó các polymer thường được sử dụng là PVP,
PEG, PVA, PAN và các polymer tự nhiên như chitosan, cellulose,
cao su thiên nhiên.