Đang tải... (xem toàn văn)
luận văn - báo cáo tốt nghiệp cử nhân, thạc sĩ, tiến sĩ
Đề tài Nghiên cứu quy trình tổng hợp hạt nano bạc hình thành vật liệu nanocompozit bằng phương pháp khử hóa học ion Ag+ trong môi trường polyvinylancol (PVA)Ag/PVA. -1- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, khoa học và công nghệ nano được xem là lĩnh vực công nghệ mới. Ngành khoa học này phát triển rất nhanh chóng chế tạo ra vật liệu có kích thước rất bé (trong khoảng từ 0.1 – 100nm ). Loại vật liệu này có nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Chế tạo hạt nano có kích thước theo yêu cầu và phân bố hẹp là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Vì, trong vật liệu nano thông số kích thước là rất quan tr ọng ảnh hưởng đến đặc tính của chúng do sự thay đổi diện tích tiếp xúc bề mặt. Ở kích thước nano, bạc tăng hoạt tính sát khuẩn lên gấp 50000 lần so với ở kích thước ion. Các hạt nano bạc tiêu diệt tất cả các bệnh nhiễm nấm, vi khuẩn và vi rút, kể cả các chủng vi khuẩn kháng sinh. Tuy nhiên, không phải các loại thuốc kháng sinh đều có hiệu quả đối với tất cả các loại vi khuẩn. Ngoài ra, nghiên cứ u còn chỉ ra rằng, vi khuẩn không thể phát triển bất kỳ khả năng miễn dịch nào đối với bạc. Bạc xuất hiện một cách tự nhiên, không độc, không dị ứng, không tích tụ và vô hại đối với cả động vật hoang dã và môi trường. Bạc, và các trạng thái oxi hóa của nó (Ag 0 , Ag + , Ag 2+ , và Ag 3+ ) đã được thừa nhận khả năng ngăn chặn sự ảnh hưởng của nhiều loại vi khuẩn và vi sinh vật thường có mặt trong y học và công nghiệp. Là một trong những vật liệu có hoạt tính khử trùng, diệt khuẩn mạnh và ít độc tính với mô động vật [29]. Việc kết hợp giữa các loại polymer với các hạt nano Ag nhằm mục đích tạo ra một loại vật liệ u mới, khai thác những tính chất vật lý, hóa học, sinh học, đặc thù. Ví dụ: một số tính chất quang, nhiệt, điện ,từ tính, hay xúc tác . Vì vậy, hạt nano kim loại có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bán dẫn, xúc tác, vật l ý lượng tử, y học, sinh học, mội trường, công nghệ hóa học, công nghệ thực phẩm và bao bì,…[30]. Polyvinylancol sử dụng để tạo nanocomzit bởi tính công nghệ thuận lợi như: d ễ gia công, ổn định tốt đối với các hạt kim loại nhỏ, nó có tác dụng bảo vệ cũng như ngăn ngừa sự kết tụ và lắng đọng [30]. -2- 2. Cơ sở khoa học của đề tài: Đề tài được tiến hành dựa trên các kết quả nghiên cứu tổng hợp nano bạc và thử nghiệm hiệu lực diệt vi khuẩn, nấm bệnh của chúng bởi các công trình đã công bố. Hiện nay, nano bạc được chế tạo bằng nhiều phương pháp. Trong đó có phương pháp khử hóa học trong môi trường polyme hình thành vật liệu nanocompozit. Sản phẩm có khả năng tiêu diệt vi khuẩ n, nấm bệnh và vi rút cao. 3. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu quy trình tổng hợp hạt nano bạc hình thành vật liệu nanocompozit bằng phương pháp khử hóa học ion Ag + trong môi trường polyvinylancol (PVA)Ag/PVA. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới kích thước và sự phân bố của hạt nano bạc, nghiên cứu các tính chất hóa lý đặc thù của vật liệu. 4. Nội dung nghiên cứu: Nội dung của luận án bao gồm: - Bằng phương pháp khử hóa học xây dựng quy trình tổng hợp nanocompozit Ag/PVA với chất khử hydrazin hydrat và sử dụng natri citrat như là tác nhân trợ phân bố tới sự hình thành hạt nano bạc. - Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng AgNO 3 , natri citrat tới kích thước và sự phân bố của hạt nano bạc trong nanocompozit. - Nghiên cứu các tính chất hóa lý của vật liệu: tính chất quang học, cấu trúc, kích thước và sự phân bố của hạt nano bạc, tính chất nhiệt của vật liệu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả của luận án sẽ là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo của việc chế tạo h ạt nano kim loại bằng phương pháp khử hóa học. Các kết quả của luận án cũng là cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo của nano bạc như chất sát khuẩn trong y tế, môi trường, thực phẩm, xúc tác hóa học, chất trừ nấm bệnh trong nông nghiệp… -3- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan 1.1.1. Compozit [1] Vật liệu compozit hay compozitlà vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Những thành phần của vật liệu nanocompozit bao gồm: Thứ nhất, thành phần cốt (các sợi, hạt .) nhằm đảm bảo compozit có những tính năng cơ học cần thiết. Th ứ hai, thành phần nền kết dính nhằm đảm bảo cho sự liên kết và làm hài hòa giữa các thành phần của compozit với nhau. Khả năng khai thác của vật liệu compozit phụ thuộc trước hết vào đặc tính cơ, lý, hóa của các thành phần, cấu trúc phân bố của vật liệu cốt cũng như độ bền vững liên kết giữa nền và cốt. Thông thường, thành phần cốt đảm bảo cho vật liệu compozit có độ cứng độ bền cơ học cao. Còn chất liệu nền không những đảm bảo cho các thành phần compozit liên kết hoài hòa với nhau đảm bảo tính liền khối của vật liệu, tạo ra kết cấu compozit phân bố lại chịu tải khi một phần cốt đã bị đứt gãy để đảm bảo tính liên tục của kết cấu mà chất liệu nền cũng chịu một phần l ớn khả năng chịu nhiệt chịu ăn mòn của vật liệu và cũng chính vật lệu nền là cơ sở để xác định phương thức công nghệ chế tạo sản phẩm. Ngoài hai thành phần cơ bản trên thì trong vật liệu compozit còn có các phụ gia khác như chất xúc tác, chất xúc tiến, chất tạo màu . Vật liệu composite có nhiều tính năng tốt là nhẹ, bền, cơ tính cao, chịu nhiệt, chịu hóa ch ất và giá thành phù hợp nên được sử dụng rất rộng rãi. Hầu hết, vật liệu compozit được ứng dụng trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp, y tế, hàng không, vũ trụ -4- 1.1.2. Nanocompozit Kim loại/polyme Nano kim loại/polyme: là loại vật liệu mà trong đó polyme đóng vai trò như một chất bao bọc bên ngoài và ổn định hạt kim loại bên trong, thể hiện nhiều tính năng khác nhau (thể hiện tính năng cơ tính: bền nhiệt hay không bền nhiệt; tính năng ưa nước hay kỵ nước, thể hiện tính năng điện tính: dẫn điện hay không dẫn điện). [24] Công nghệ chế tạo có nanocompozit kim lo ại/polyme có thể chia thành phương pháp in-situ và ex -situ: - Phương pháp in-situ: monome được trùng hợp, ion kim loại được đưa vào trước hay sau quá trình trùng hợp. Sau đó ion kim loại trong nền polyme được khử bởi tác nhân hóa học, bởi nhiệt hay bức xạ, để hình thành hạt nano. Phương pháp này thường không đơn giản và thuận lợi như ex-situ, nhưng cho kết quả tốt hơn và có thể điều chỉnh chất lượng sản phẩm vật liệu nanocompozit. [25] - Phương pháp ex-situ: hạt nano kim loại được tổng hợp trước, và bề mặt được thụ động hữu cơ. Từ đó hạt nano được phân tán vào dung dịch polyme hay dịch monome sau đó tiến hành trùng hợp. [25] + Đầu tiên, hạt nano kim loại được chuẩn bị và tránh sự lắng đọng, đồng thời ổn định ngay mầm tinh thể. Quá trình được thực hiện bởi sự khử dung dịch muối trong dung môi thích hợ p. Phương pháp tạo hạt này nhằm ngăn ngừa sự kết tụ của các hạt. [25] + Tiếp theo, hạt nano được đưa vào trong polyme. Quá trình được thực hiện do sự trộn các hạt nano kim loại với dung dịch của polyme hoặc monome, mà sự khuấy trộn này tùy thuộc vào quá trình gia công polyme. Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi sự phân tán. Do đó, quá trình này rất khó có thể thu được compozit có sự phân bố tốt và sẽ kết tụ l ại. [25] Hiện nay trên thế giới thì phương pháp in-situ được phổ biến và dùng rộng rãi hơn phương pháp ex-situ để chế tạo nanocompozit kim loại/polyme. Vì, phương pháp in-situ đơn giản, thuận lợi, cho kết quả tốt hơn và có thể điều chỉnh được chất lượng sản phẩm. -71- [15] N.leopold and B.lendl, A New Method for past preparation of Highly SERS Active Silver Colloids at Room Temperature by Reduction of Siver Nitrate with Hydroxyamine Hydrochloride, J.Phys.Chem.B107(2003)5723. [16] U.Nickel, K.Mansyreff and Schneider, Production of Monodisperse silver colloids by reduction with hydrazine: the effect of chloride and aggregation on SER(R)S signal intensity, J.Raman Spectr.35(2004)101. [17] P.K. Khanna and V.Subbarao, Nanosized siver powder via reduction of siver nitrate by sodium formaldehydesulfoxylate in acidic pH medium, Mater. Lett.57(2003)2242. [18] R.M.Briht, M.D.Musick and M.J.Natan, Production of characterization of Ag Colloid Monolayer, Langmuir 14 (1998)5696. [19] WanZhong Zhang, Xueliang Qiao, Jianguo Chen, Synthetic of nano particles – effects concerned parameter in water/ oid microemusion, Material Sciene and Engineer B 142 (2007), 1- 15. [21] Shin HS, Yang HJ, Kim SB, Lee MS, Mechanism of growth of colloidal silver nanoparticles stabilized by polyvinyl pyrrolidone in gamma – irradiated silver nitrate solution, J. Colloid interface Sci.274 (2004) 89. [22] Dewu Long, Guozhong Wu and Shimou Chen, Preparation of oligochitosan stabilized silver nanoparticle by gamma irradiation, Radiation Physics and Chemistry 76 (2007) 1126 – 1131. [23] T.Tsuji, T. Kakita and M. Tsuzi, preparation of nano-size Paticles of Silver with Femtosecond laser Ablation in Wate, J. Appl. Surt. Sci. 206(2003) 314. [24] Mukherjee, A.Ahmad, D.Mandal, S.Senapati, SR.Sainkar, M.I.Khan, R.Parishcha, P.V.Ajatkumar, M.Alam, R.Kuma and M.Sastry, Fungus – Mediated Synthetic of Silver Nanoparticles and Their Immobilization in the Mycelial Matrix: A Novel Biological Approach to Nanoparticle synthesis, Nano lett. 1. (2001)515. [25] A.Ahmad, P. Mukherjee, S.Senapati, D. Mandal, M.IKhan, R.Kumar and M.Sastry, Extracellular biosynthesis of silver nanoparticles using the fungus Fusarium oxysporrum, Colloids and Surfaces: Biointerfaces 28 (2003) 313 -318. -72- [26] Jiang K. Moon, Z. Zhang, S. Pothukuchi, C.P. Wong, Variable Frequency Microwave Synthesis of Silver Nanopraticles, Journal of Nanopraticle Research, Vol.8, (2006) 117 – 124 . [27] Nikolaj L.Kildeby, Ole z.andersen, Ramus E.roge, Tomlarsen, Rene Petrsen, Jacob F.Riis, Silver Nanopraticle, (2005) 4,14, 15,16. [28] Q.B. Yang, D.M. Li, Y.L. Hong, Z.Y.Li, C.Wang, S.L. Qui, Y. Wei, Preparation of Charecterization of APAN nano fibers containing silver nanoparticles via electroping , Synthetic Metals 137 (2003) 973 – 974. [29] Kendall M. Hurst, Characteristics and Applications of Antibacterial nano – Silver, Department of Chemical Engineering Auburn University, 2006. [30] P.K. Khanna, Narendra Singh, Shobhit Charan, V.V.V.S. Subbarao, R. Gokhale, U.P. Mulif 93, 117–121, 2005. . Nghiên cứu quy trình tổng hợp hạt nano bạc hình thành vật liệu nanocompozit bằng phương pháp khử hóa học ion Ag+ trong môi trường polyvinylancol (PVA )Ag/PVA. . công trình đã công bố. Hiện nay, nano bạc được chế tạo bằng nhiều phương pháp. Trong đó có phương pháp khử hóa học trong môi trường polyme hình thành vật liệu