Tiêu đề b3. Báo cáo tóm tắt kết quả nghiên cứu.pdf ✅

CUỘC THI KHOA HỌC, KĨ THUẬT CẤP QUỐC GIA HỌC SINH TRUNG HỌC NĂM HỌC 2021-2022 ---------- BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÊN DỰ ÁN: SỬ DỤNG NANOCOMPOSITE TỪ POLYTHIOPHENE VÀ SILICA VỎ TRẤU ĐỂ CHẾ TẠO MÀNG SƠN CHE CHẮN BỨC XẠ TỬ NGOẠI Lĩnh vực dự thi: Hóa học Năm 2022
1 PHẦN 1: LÝ DO CHỌN ĐỀTÀI Tia UV (ultra violet) hay còn có tên gọi khác là tia cực tím, tia tử ngoại. Phần lớn trong ánh sáng mặt trời đều có loại tia này. Tia UV được phân thành 3 loại chính, bao gồm tia UVA (có bước sóng ánh sáng dài nhất, dao động từ 380 – 315 nm), tia UVB (có bước sóng ánh sáng trung bình dao động từ 315 – 280 nm) và tia UVC (có bước sóng ánh sáng ngắn nhất, dao động từ 280 – 100 nm). Tia UV có những tác động tích cực như giúp kích hoạt vitamin D, ứng dụng trong việc khử khuẩn nước và không khí. Bên cạnh một số lợi ích kể trên, tia UV lại gây ra khá nhiều tác hại đến sức khỏe con người hay nội thất nhà ở. Đầu tiên, tia UV sẽ đi vào không gian và gây hại đến làn da con người, gây sạm màu da, bỏng rát, bỏng mắt, khô mắt, đục thủy tinh...Tia UV cũng tàn phá nội thất bằng cách bào mòn chất liệu, bay màu, làm giảm tuổi thọ của sơn phủ, đối với chất liệu bằng da như ghế sofa, nếu tiếp xúc với tia UV lâu sẽ bị biến dạng. Việt Nam có nền khí hậu nóng ẩm, lượng ánh sáng mặt trời ở đây khá nhiều, do đó người dân sống ở đây thường chịu tác hại của tia UV nhiều hơn so với một số nước khác. Mặt khác, nguồn năng lượng bức xạ Mặt Trời còn tạo ra các hiệu ứng đảo nhiệt đô thị “urban heat island” (UHI) trong các thành phố do hiện tượng hấp thụ năng lượng này của các thiết bị, công trình, nhất là các tòa nhà lớn, cao tầng. Do hiệu ứng này, ở đô thị có nhiệt độ môi trường không khí trung bình vào ban ngày cao hơn 2oC đến 5 oC so với các khu vực nông thôn xung quanh và tạo khí hậu nóng bức, khó chịu, vì vậy, nhu cầu về năng lượng làm mát trong nhà sẽ tăng cao. Sử dụng năng lượng để làm mát các tòa nhà, các công trình xây dựng, kiến trúc là giải pháp phổ biến nhưng tốn khá nhiều kinh phí, đặc biệt đối với các quốc gia có khí hậu nóng. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, bên cạnh việc yêu cầu về cắt giảm khí CO2 thì sử dụng lớp sơn phủ chống nóng/làm mát cho các công trình xây dựng kiến trúc là một trong những giải pháp quan trọng để tiết kiệm năng lượng làm mát cũng như giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, nhất là ở ngoài trời, các lớp sơn phủ luôn chịu tác động của ánh sáng và các yếu tố môi trường khác, gây suy giảm các tính chất ̧ hình thái bề mặt, thời hạn sử dụng của lớp sơn phủ. Năng lượng bức xạ Mặt trời, trong đó có bức xạ tử ngoại là một trong các thành phần gây ra sự phân hủy của lớp sơn phủ. Trong số các loại sơn trang trí, sơn phủ bề mặt cho các công trình xây dựng, kiến trúc, sơn trên cơ sở nhựa acrylic (polyacrylic) chiếm tỷ lệ lớn nhất. Một số nghiên cứu về lớp phủ trên cơ sở nhựa acrylic nhũ tương làm chất tạo màng định hướng ứng dụng cho các công trình xây dựng kiến trúc đã chỉ ra các lớp phủ này bền thời tiết, độ bám dính và tính chất cơ học cao, khả năng chịu thuỷ phân và kiềm hoá khá tốt, phù hợp đối với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, dễ thi công, sơn khô nhanh và dễ vệ sinh. Đưa các phụ gia vô cơ kích thước nano vào màng sơn acrylic nhũ tương là để khắc phục các nhược điểm chính của polyacrylic nhũ tương. Đó là nhiệt độ thủy tinh hóa thấp (màng phủ trên cơ sở polyacrylic nhũ tương thường mềm), hạn chế bẩn bề mặt và tăng độ bền nhiệt của lớp phủ. Trong đó, nanosilica là phụ gia khá phổ biến được dùng trong ngành sơn vì nó có diện tích bề mặt riêng lớn và rẻ tiền. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đưa hạt nanosilica vào lớp phủ polyacrylic sẽ cải thiện được cả tính chất cơ học cũng như độ bền thời tiết của lớp
2 phủ nhờ khả năng hấp thụ tia UV của nó [1-3]. Tuy nhiên, hạt nano silica chủ yếu hấp thụ UV trong giải bước sóng ngắn (từ 200 – 240 nm) trong khi tia UV từ ánh sáng mặt trời có bước sóng từ 280 – 400 nm. Do đó, việc nghiên cứu mở rộng vùng hấp thụ UV của silica là rất cần thiết để tăng khả năng ứng dụng của silica trong lớp phủ bảo vệ. Nhờ sự giúp đỡ của các nhà khoa học, chúng em được biết polythiophene (PTh) là một loại polymer dẫn (conducting polymer) được tổng hợp từ thiophene, có khả năng hấp thụ một phần tia UV [4]. Do vậy chúng em nghĩ rằng việc tổng hợp các polythiophene trên nền chất mang SiO2 có thể tạo ra các hạt nanocomposite có khả năng hấp thụ tia UV trong dải rộng hơn, từ bước sóng ngắn đến bước sóng dài (từ 240 – 400 nm). Từ đó, khi sử dụng các hạt nanocomposite này làm phụ gia cho sơn phủ, chúng sẽ tăng cường hiệu quả che chắn tia UV của sơn, cải thiện các tính chất cơ học cũng như độ bền thời tiết của sơn phủ, chính vì vậy sẽ kéo dài thời hạn sử dụng của sơn phủ. Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng của địa phương chúng em, do đó, nguồn vỏ trấu được tạo ra từ quá trình sản xuất gạo ở tỉnh khá dồi dào. Vỏ trấu thường chỉ được đốt thành tro hoặc trộn trực tiếp với bùn, đất để làm làm xốp đất trồng. Chúng em được biết vỏ trấu sau khi cháy sẽ chuyển hóa thành tro chứa silica (chiếm khoảng 80 – 90 %). Nếu tận thu được nguồn silica này trong vỏ trấu sẽ đem lại giá trị kinh tế tốt hơn cho người nông dân. Từ những nghiên cứu và kiến thức thực tế có được, chúng em quyết định thực hiện đề tài: Sử dụng nanocomposite từ polythiophene và silica vỏ trấu để chế tạo màng sơn che chắn bức xạ tử ngoại. CÂU HỎI NGHIÊN CỨU Có thể tổng hợp các nanocomposite trên cơ sở polythiophene trên nền chất mang SiO2, từ đó chế tạo thành công màng sơn che chắn bức xạ tử ngoại được không? MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Tổng hợp thành công hạt nanocomposite trên cơ sở polythiophene trên nền chất mang SiO2 chế tạo từ vỏ trấu. - Chế tạo thành công màng sơn che chắn bức xạ tử ngoại trên cơ sở các hạt nanocomposite và acrylic nhũ tương. LỢI ÍCH DỰ KIẾN CỦA ĐỀ TÀI - Tận dụng được nguồn vỏ trấu từ quá trình sản xuất gạo ở tỉnh. - Nâng cao hiệu quả che chắn bức xạ tử ngoại của sơn và gia tăng độ bền thời tiết cho sơn.
3 PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Thiết kế Bước 1: Tổng hợp các monomer DT-03-X (với X là H, Br, OCH3). Bước 2: Chế tạo nano SiO2 từ vỏ trấu. Bước 3: Tổng hợp nanocomposite từ nano SiO2 và monomer DT-03-X. Bước 4: Phân tán nanocomposite vào nhựa acrylic nhũ tương và đánh giá khả năng che chắn bức xạ tử ngoại của màng sơn. 2.2. Phương pháp 2.2.1. Dụng cụ, hóa chất và thiết bị nghiên cứu - Dụng cụ, thiết bị: bình cầu một cổ, hai cổ và ba cổ, cốc thủy tinh, bình tam giác, phễu, pipet, đũa thủy tinh, sinh hàn hồi lưu, máy khuấy từ gia nhiệt, tủ sấy, phễu chiết. - Hoá chất: vỏ trấu, ethanol, chlohydric acid, 3-thiophenecarbaldehyde, acetophenone, 4-methoxyacetophenone, 4-bromoacetophenone, chlorofom, phenylhydrazine, potassium hydroxide 50%, sodium hydroxide 3M, iron(III) chloride, methanol, acrylic nhũ tương Plexton R4152, và một số hóa chất khác. 2.2.2. Tiến hành nghiên cứu Sơ đồ 1. Sơ đồ chế tạo màng sơn có chứa hạt nanocomposite polythiophene/SiO2 a) Tổng hợp các monomer DT-03-X (với X là H, OCH3, Br) Quy trình tổng hợp các DT-02-X: cho 1 mmol (khoảng 112 mg) 3- thiophenecarbaldehyde và 1 mmol các dẫn xuất của acetophenone tương ứng hòa tan trong 5 mmol ethanol trong 1 giờ. Sau đó, thêm 10 mL KOH 50% vào hỗn hợp và khuấy trong 6 giờ. Thêm nước cất và HCl đặc vào hỗn hợp sau phản ứng tới khi hỗn hợp đổi màu, lọc kết tủa, kết tinh lại trong ethanol và sấy khô. Quy trình tổng hợp các monomer DT-03-X: Cho 1mmol DT-02-X và 3 mmol (khoảng 324 mg) phenylhydrazine vào bình cầu 100 mL hòa tan trong 20mL ethanol. Thêm khoảng 3 giọt HCl, đun hồi lưu trong bếp cách dầu ở 150oC trong 8 giờ. Đổ hỗn hợp sau phản ứng ra cốc 100 mL, chờ kết tinh ở nhiệt độ phòng, lọc rửa, kết tinh lại trong ethanol và sấy khô. b) Tổng hợp hạt nano SiO2 từ vỏ trấu Các hạt nano SiO2 được tổng hợp theo quy trình của Nguyễn Trí Tuấn và cộng sự [5]: Vỏ trấu rửa sạch, phơi khô, đem nung ở nhiệt độ từ 500oC trong 4 giờ thu được tro trấu có màu trắng xám. Tro trấu để nguội, nghiền mịn và cân 10g cho vào cốc thủy tinh 500 mL, thêm tiếp 100 mL dung dịch NaOH 3M. Bọc cốc,