Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình tạo thành sợi các bon hoạt tính từ sợi viscose thương mại.

LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên khích lệ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Thái Hùng và TS. Phạm Văn Cường đã tận tình hướng dẫn và cho những ý kiến đóng góp quí giá trong quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Quốc phòng, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, Viện Công nghệ và Phòng Công nghệ Vật liệu đã cho phép và tạo mọi điều kiện cho tôi học tập và thực hiện luận án. Những kết quả nghiên cứu đạt được là nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy cô giáo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các đồng nghiệp tại Phòng Công nghệ Vật liệu và Phòng Đo lường - Viện Công nghệ và Bộ Tham mưu - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ khí Năng lượng mỏ và Khoa Hoá học, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Hóa học môi trường quân sự - Bộ Tư lệnh Hóa học và Khoa Hoá lý, Đại học Sư Phạm Hà Nội. Xin cảm ơn các thầy cô giáo cùng các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Nguyễn Hữu Sơn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.......................................................................... viii MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 Chương 1 .............................................................................................................................. 6 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ SỢI CÁC BON HOẠT TÍNH.................................. 6 1.1. Sợi các bon ...................................................................................................... 7 1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển sợi các bon ...................................... 7 1.1.2. Các phương pháp chế tạo sợi các bon ................................................. 13 1.2. Sợi các bon hoạt tính ..................................................................................... 15 1.2.1. Quá trình nghiên cứu phát triển sợi các bon hoạt tính......................... 15 1.2.2. Các ảnh hưởng cơ bản đến tính chất của sợi các bon hoạt tính từ sợi Viscose ........................................................................................................... 23 1.3. Kết luận ......................................................................................................... 26 Chương 2 ............................................................................................................................ 27 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỢI CÁC BON HOẠT TÍNH ............................................................................................................ 27 2.1. Sự phân huỷ nhiệt xenlulô............................................................................. 27 2.1.1. Thành phần của các sản phẩm phân hủy xenlulô ................................ 27 2.1.2. Sự phân hủy nhiệt của xenlulô khi có chất xúc tác ............................. 29 2.1.3. Ảnh hưởng của môi trường ................................................................. 31 2.1.4. Cơ chế phân hủy nhiệt xenlulô ............................................................ 32 2.2. Các quy luật các bon hóa xenlulô và điều kiện cơ bản để chế tạo sợi các bon34 2.2.1. Các quá trình hóa lý xảy ra khi các bon hóa........................................ 35 2.2.2. Sự thay đổi tính chất của sợi trong quá trình các bon hóa................... 40 2.2.3. Điều kiện tiến hành quá trình các bon hóa .......................................... 41 2.3. Hoạt hóa sợi các bon ..................................................................................... 42 2.3.1. Hoạt hóa vật lý ..................................................................................... 43 2.3.2. Hoạt hóa hóa học ................................................................................. 46 2.4. Các nguyên lý hấp phụ và giải hấp phụ ....................................................... 46 2.4.1. Các khái niệm cơ bản về hấp phụ và phân loại ................................... 46 2.4.2. Cân bằng hấp phụ, đẳng nhiệt và động học hấp phụ ........................... 48 iii 2.4.3. Enthalpy của hấp phụ .......................................................................... 51 2.5. Kết luận ......................................................................................................... 51 Chương 3 ............................................................................................................................ 52 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA VÀ CÁC BON HÓA SỢI VISCOSE 52 3.1. Phương pháp thực nghiệm nghiên cứu quá trình ổn định hóa và các bon hóa52 3.2. Ổn định hóa sợi Viscose................................................................................ 53 3.2.1. Vật liệu ban đầu ................................................................................... 53 3.2.2. Chuẩn bị sợi ban đầu ........................................................................... 55 3.2.3. Điều kiện thí nghiệm ........................................................................... 56 3.2.4. Kết quả quá trình ổn định hóa ............................................................. 57 3.2.5. Nhận xét quá trình ổn định hóa ........................................................... 67 3.3. Nghiên cứu quá trình các bon hóa................................................................. 67 3.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt ........................................................ 68 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ các bon hóa .................................................. 69 3.3.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................. 70 3.3.4. Kết quả quá trình các bon hóa ............................................................. 70 3.3. Kết luận ......................................................................................................... 77 Chương 4 ............................................................................................................................ 79 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA VÀ ỨNG DỤNG SỢI CÁC BON HOẠT TÍNH ................................................................................................................................... 79 4.1. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa sợi các bon ................................................... 79 4.1.1. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 79 4.1.2. Điều kiện thí nghiệm ........................................................................... 80 4.1.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................. 80 4.1.4. Kết quả quá trình hoạt hóa sợi các bon ............................................... 84 4.1.5. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ và sự phân bố kích thước lỗ trống của sợi các bon hoạt tính ...................................................................................... 88 4.1.6. Nghiên cứu hình thái lỗ xốp của sợi các bon hoạt tính ....................... 90 4.2. Kết quả nghiên cứu ứng dụng sợi các bon hoạt tính ..................................... 91 4.2.1. Nghiên cứu chế thử áo phòng hóa ...................................................... 91 4.2.2. Nghiên cứu chế thử hộp lọc độc .......................................................... 93 4.3. Kết luận ......................................................................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 103 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 104 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên Thứ nguyên ACF/SCBHT Activated Carbon Fibers/ Sợi các bon hoạt tính PAN Polyacrylonitrile - PVA Polyvinylalchohol - DA Dubinin-Ashtakov - BET Brunauer–Emmett–Teller - Hs Nhiệt hấp phụ P Áp suất cân bằng mmHg Po Áp suất bão hòa mmHg v Lượng khí bị hấp phụ m3 vm Lượng khí bị hấp phụ đơn lớp m3 C Hằng số BET - N Số Avogadro, - At Tổng diện tích bề mặt của mẫu hấp phụ, m2 V Thể tích mol của khí hấp phụ m3 m Khối lượng chất hấp phụ g ABET Diện tích bề mặt riêng BET E1 Nhiệt hấp phụ đối với lớp thứ nhất Kcal/mol EL Nhiệt hấp phụ đối với các lớp thứ 2 và cao hơn Kcal/mol V1 Lưu lượng dòng khí sục qua bình bay hơi ml.min-1 V2 Lưu lượng dòng khí pha loãng ml.min-1 Pa Áp suất khí quyển mmHg Ps Áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ mmHg a Độ hấp phụ của chất hấp phụ li Độ giãn của lò xo tương ứng với các giá trị Kcal.mol-1 m2.g-1 mmol.g-1 P/Ps khác nhau. mm lo Độ giãn của lò xo khi treo mẫu (P/Ps = 0). mm lo, l Độ dài ban đầu và độ dài lò xo khi giãn mm v M Trọng lượng phân tử của chất bị hấp phụ. am Độ hấp phụ đơn lớp phân tử benzen của g chất hấp phụ. mmol.g-1 ao Độ hấp phụ tại P/Ps = 0,175. mmol.g-1 as Độ hấp phụ tại P/Ps = 0,99. mmol.g-1 vb Thể tích 1 mmol benzen ở 25 oC (= 0,089 cm3) Vn Tổng thể tích lỗ trống nhỏ cm3.g-1 Vt Tổng thể tích lỗ trống trung cm3.g-1 t Nhiệt độ  Thời gian Tknm Nhiệt độ khử nước mạnh nhất Co Nồng độ benzen ban đầu vk Tốc độ dòng khí ПМЦ Nồng độ cực đại của các trung tâm thuận từ ЭПР Phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử cm3 o C phút o C mg.l-1 ml.min-1 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Ảnh hưởng của cấu trúc xenlulô tới lượng đầu ra của levoglucosan ....... 28 Bảng 2.2 Ảnh hưởng của phương pháp xử lý bằng a xít vật liệu hydratcellulose trong thời gian nung ................................................................................................. 42 Bảng 3.1. Các mẫu thí nghiệm với hàm lượng dung dịch xúc tác khác nhau .......... 56 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm ổn định hóa với hàm lượng chất xúc tác khác nhau . 62 Bảng 3.3. Các chế độ thực nghiệm sự ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt................. 68 Bảng 3.4. Các chế độ thực nghiệm xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ các bon hóa .. 69 Bảng 3.5. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt ............................. 71 Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm với tốc độ nâng nhiệt trên 600 oC là 5 oC.min-1..... 72 Bảng 3.7. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ các bon hóa ................... 73 Bảng 4.1. Các chế độ thực nghiệm hoạt hóa sợi các bon theo nhiệt độ ................... 80 Bảng 4.2. Các chế độ thực nghiệm hoạt hóa sợi các bon theo thời gian .................. 80 Bảng 4.3. Kết quả thực nghiệm hoạt hóa sợi các bon theo nhiệt độ ........................ 84 Bảng 4.4. Kết quả thực nghiệm hoạt hóa sợi các bon theo thời gian ....................... 86 Bảng 4.5. Kết quả kiểm tra hộp lọc hơi độc dùng vải (sợi) các bon hoạt tính ......... 93 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Tổng hợp các ấn phẩm về SCBHT từ tạp chí ScienceDirect vào năm 1980-2012 ................................................................................................................... 6 Hình 1.2. Sơ đồ khối công nghệ chế tạo sợi các bon từ nguyên liệu ở thể rắn ........ 14 Hình 2.1. Lượng nhựa từ xenlulô cốt tông (1) và từ viscose (2) tùy thuộc vào mức độ phân hủy của xenlulô ........................................................................................... 28 Hình 2.2. Sơ đồ biến đổi hình học theo chiều dọc của Tang và Bacon .................... 32 Hình 2.3. Sơ đồ biến đổi hình học theo chiều ngang của Tang và Bacon................ 33 Hình 2.4. Sơ đồ biến đổi hình học từ xenlulô sang graphite của Davidson [110]. .. 33 Hình 2.5. Sơ đồ biến đổi hình học của Losty và Blakelock [nguồn: 112] ............... 34 Hình 2.6. Sự tiêu hao khối lượng (1) và độ co ngót (2) của sợi Fortizan phụ thuộc vào nhiệt độ gia công ................................................................................................ 35 Hình 2.7. Cấu trúc tinh thể của xenlulô I, xenlulô II và graphite ............................. 37 Hình 2.8. Sự phụ thuộc của các phần tinh thể và vô định hình của sợi các bon hóa vào nhiệt độ các bon hóa: 1- Sợi mành dạng PAN -2; 2- sợi mành dạng BA [nguồn:110] .............................................................................................................. 37 Hình 2.9. Sự thay đổi nồng độ ПМЦ vào nhiệt độ các bon hóa .............................. 39 1 - Sợi mành dạng PAN-2; 2- Sợi mành dạng BA [nguồn: 115] ............................. 39 Hình 2.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ các bon hóa tới chiều rộng của đường (1) và nồng độ ПМЦ (2). Đo trong chân không 10-6 torr. [nguồn: 112] ............................ 39 Hình 2.11. Sự thay đổi điện trở suất: (1) của sợi và hàm lượng các bon (2), phụ thuộc vào nhiệt độ các bon hóa ................................................................................ 40 Hình 2.12. Các dạng khác nhau của các đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 ở 77 oK. .... 50 Hình 2.13. Minh họa khuếch tán Knudsen (A) and khuếch tán phân tử (B)............ 50 Hình 3.1. Quy trình thí nghiệm nghiên cứu quá trình ổn định hóa và các bon hóa . 52 Hình 3.2. Sợi Viscose thương mại chưa xử lý.......................................................... 54 Hình 3.3. Ảnh SEM đơn sợi Viscose chưa xử lý với độ phóng đại (a) x500, (b) x 4000 .......................................................................................................................... 54 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của sợi Viscose ............................................. 54 Hình 3.5. Quá trình chuẩn bị mẫu sợi ban đầu: ........................................................ 55 Hình 3.6. Lò nung sử dụng để ổn định hóa sợi, vải Viscose .................................... 57 Hình 3.7. Thiết bị phân tích nhiệt TGA DTG - 60H của hãng Shimadzu dùng để nghiên cứu quá trình ổn định hóa ............................................................................. 57 Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose không thấm chất xúc tác V0 ........................................................................................................................ 58 Hình 3.9. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose thấm 0,84 % chất xúc tác V1 ........................................................................................................................ 59 viii Hình 3.10. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose thấm 5,73 % chất xúc tác V2 ........................................................................................................................ 60 Hình 3.11. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose thấm 5,73 % chất xúc tác V3 ........................................................................................................................ 60 Hình 3.12. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose thấm 6,82 % chất xúc tác V4 ........................................................................................................................ 61 Hình 3.13. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose thấm 8,71 % chất xúc tác V5 ........................................................................................................................ 61 Hình 3.14. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu sợi Viscose thấm 8,71 % chất xúc tác V6 ........................................................................................................................ 62 Hình 3.15. Quan hệ giữa hàm lượng xúc tác và nhiệt độ xảy ra quá trình khử nước xenlulô mạnh nhất Tknm ............................................................................................ 63 Hình 3.16. Sợi Viscose thương mại trước (a) và sau (b) khi ổn định hóa ................ 63 Hình 3.17. Ảnh SEM đơn sợi Viscose thương mại sau khi ổn định hóa với độ phóng đại ............................................................................................................................. 64 (a) x500, (b) x4000 ................................................................................................... 64 Hình 3.18. Giản đồ nhiễu xạ X-ray (a) sợi Viscose ban đầu tại 25 oC và (b) sợi Viscose thực hiện quá trình ổn định hóa tại 250 oC ................................................. 64 Hình 3.19. Hệ thống lò ống dùng để nghiên cứu quá trình các bon hóa sợi, ........... 70 vải trong môi trường khí Ar ..................................................................................... 70 Hình 3.20. Quan hệ giữa tốc độ gia nhiệt với hàm lượng các bon cuối cùng khi các bon hóa sợi Viscose ở 1200 oC ................................................................................. 71 Hình 3.21. Quan hệ giữa tốc độ gia nhiệt với hàm lượng các bon cuối cùng và hiệu suất các bon hóa sợi Viscose ở 1200 oC ................................................................... 72 Hình 3.22. Quan hệ giữa nhiệt độ các bon hóa với hàm lượng các bon và lượng chất dư còn lại .................................................................................................................. 74 Hình 3.23. Sợi Viscose ban đầu (a); sợi sau ổn định hóa ở 250 oC (b); sợi các bon sau khi các bon hóa ở 1200 oC (c) ............................................................................ 74 Hình 3.24. Vải các bon sau khi các bon hóa ở 1200 oC ........................................... 75 Hình 3.25. Giản đồ nhiễu xạ X-Ray của sợi trong quá trình các bon hóa................ 75 Hình 3.26. Sự khác nhau giữa cấu trúc các bon turbostratic và mạng tinh thể graphite 3D ............................................................................................................... 76 Hình 3.27. Ảnh SEM đơn sợi Viscose sau khi các bon hóa ở các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................................. 76 Hình 3.28. Ảnh HRTEM đơn sợi Viscose sau khi các bon hóa ở 1200 oC: ............. 77 (a) Vị trí chụp; (b) Ảnh phóng đại vi cấu trúc tại vị trí 1 ......................... 77 Hình 4.1. Sơ đồ các bước cơ bản của quy trình nghiên cứu quá trình hoạt hóa sợi các bon ...................................................................................................................... 79 Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm hoạt hóa sợi các bon ...................................... 81 Hình 4.3. Lò hoạt hóa sợi các bon ............................................................................ 81 ix Hình 4.4. Thiết bị phân tích hàm lượng các bon LECO CS230CSH (Mỹ) .............. 82 Hình 4.5. Thiết bị phân tích nhiễu xạ X-ray D8 Advance (Đức) ............................. 82 Hình 4.6. Sơ đồ cân hấp phụ Mark Bell .................................................................. 82 Hình 4.7. Hệ thống cân hấp phụ động Mark Bell..................................................... 83 Hình 4.8. Hệ thống cân hấp phụ động học SA 3100 ................................................ 83 Hình 4.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Technai G2 20 s-twin (Mỹ) ....... 84 Hình 4.10. Mối quan hệ giữa diện tích bề mặt riêng BET và độ hấp phụ hơi benzen của sợi các bon hoạt tính với nhiệt độ hoạt hóa ....................................................... 85 Hình 4.11. Mối quan hệ giữa diện tích bề mặt riêng BET của sợi các bon hoạt tính .................................................................................................................................. 86 và thời gian hoạt hóa. ............................................................................................... 86 Hình 4.12. Mối quan hệ giữa độ hấp phụ hơi benzen của sợi các bon hoạt tính và thời gian hoạt hóa ..................................................................................................... 87 Hình 4.13. Các mẫu vải các bon hoạt tính ................................................................ 88 Hình 4.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ ni tơ sợi các bon hoạt hóa ở 870 oC trong 90’ .................................................................................................................................. 89 Hình 4.15. Sự phân bố lỗ xốp trong sợi các bon hoạt tính hoạt hóa ở 870 oC trong 90’ ............................................................................................................................. 89 Hình 4.16. Ảnh TEM (a) và HRTEM (b, c, d) của sợi các bon hoạt tính được hoạt hóa ở 870 oC với các độ phóng đại khác nhau ......................................................... 90 Hình 4.17. Mô phỏng kết cấu của áo phòng hóa ...................................................... 91 Hình 4.18. Vải các bon hoạt tính .............................................................................. 92 Hình 4.19. Áo phòng hóa có lớp lót bằng vải các bon hoạt tính .............................. 92 Hình 4.20. Hộp lọc độc sử dụng sợi các bon hoạt tính ............................................ 94 x MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hiện đại, với áp lực của việc tăng trưởng kinh tế của các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam, lượng chất thải nguy hại ở các dạng khác nhau do các ngành công, nông nghiệp đưa vào môi trường ngày càng gia tăng đe dọa nghiêm trọng môi trường sống của con người cũng như các sinh vật khác trên trái đất. Ô nhiễm môi trường đã trở thành một trong những vấn đề lớn có tính toàn cầu. Nguy cơ của các cuộc chiến tranh bằng vũ khí hóa học luôn là mối hiểm họa đối với môi trường. Các chương trình phòng chống chiến tranh hóa học trong đó việc sử dụng vật liệu các bon hoạt tính là trọng tâm. Do vậy, các phương tiện phòng độc, làm sạch môi trường và bảo vệ con người cũng như sinh vật trên cơ sở các bon hoạt tính được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ. Các bon hoạt tính được cung cấp ở dạng bột hoặc hạt là một chất hấp phụ đa năng quen thuộc, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm: làm sạch và xử lý các chất độc hóa học gây ô nhiễm môi trường ở dạng lỏng, khí và sol khí; hộp lọc độc (hộp thở), trang bị phòng độc cá nhân, làm bộ phận lọc độc trong hệ thống xử lý chất thải công nghiệp vv… Công nghệ chống lại các nhân tố của chiến tranh hóa học sử dụng một lượng lớn các bon hoạt tính ở các dạng khác nhau. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển các bon hoạt tính có khả năng hấp phụ siêu cao được phát triển mạnh ngay từ lần đầu tiên được sử dụng làm hộp thở trong Đại chiến thế giới lần thứ nhất. Các quy định quốc tế gắn liền với ô nhiễm môi trường, phòng chống chất độc hóa học, sinh học, vật lý ngày càng chặt chẽ dẫn tới việc tăng các yêu cầu đối với các trang bị, dụng cụ phòng chống độc. Chính các yêu cầu này thúc đẩy quá trình nghiên cứu cải tiến công nghệ, tìm kiếm vật liệu có khả năng hấp phụ tốt và có tiềm năng ứng dụng cao. Sợi/vải các bon hoạt tính đã thu hút nhiều sự chú ý bởi vì chúng có các lợi thế hơn so với tất cả các dạng các bon hoạt tính truyền thống với các khả năng phát triển ứng dụng công nghệ trong các lĩnh vực khác nhau. Các ưu việt chính của sợi/vải các bon hoạt tính là nó được cấu thành từ các sợi đường kính nhỏ với lượng lỗ xốp micro rất lớn. Các ưu việt đó tạo ra động học hấp phụ/giải hấp phụ nhanh, hiệu quả cao, dung lượng hấp phụ lớn do diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp micro lớn và vận hành dễ dàng là các yếu tố quan trọng cho các ứng dụng hấp phụ [1,2]. Đặc biệt, lỗ xốp micro, nano (< 2nm) của sợi các bon hoạt tính nối trực tiếp với bề mặt ngoài, vì vậy làm suy giảm nhiệt và các trở lực chuyển khối làm giảm sự sụt áp trong các dòng chảy [3]. Bên cạnh đó, vải các bon hoạt tính là vật liệu nhẹ, có thể được sắp xếp theo các cấu hình ổn định và tạo ra dạng các bon liên tục như quần áo dệt, thảm không dệt, giấy và nỉ [4], tạo thành vật liệu hấp phụ thích hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện và điện hóa [5]. Do các ưu việt của chúng, sợi các bon hoạt tính đang thúc đẩy một quan niệm mới trong thiết kế trang bị, đang hướng tới sự phát triển các thiết bị mới [6], đó là các bình (lò) phản ứng vi mô để cải thiện tính an toàn và tăng cường các quá trình hóa học [7]. Vải các bon hoạt tính có hiệu quả đặc biệt trong việc ngăn chặn sự tấn công của chất độc hóa học và sinh học ở 1 dạng khí, lỏng và sol khí rắn. Vì vậy, nó là vật liệu được ứng dụng đặc biệt trong quân sự. Vật liệu mới này có thể được tổng hợp thành quần áo, mặt nạ, găng tay và ủng hạt nhân, sinh học và hóa học (NBC) [8]. Sản xuất, sử dụng các chất hóa học độc hại như thuốc trừ sâu và vật liệu độc hại cũng đòi hỏi an toàn cho con người bằng cách sử dụng các hàng may mặc bằng vải các bon hoạt tính [9,10]. Nhiều nghiên cứu các đặc trưng hấp phụ và phát triển các ứng dụng mới đã được tiến hành trong những năm gần đây. Sợi các bon không được xử lý hoặc biến tính đã được sử dụng làm chất xúc tác và trợ xúc tác/xúc tác sinh học trong một vài quá trình [11,12,13]. Chúng có thể dùng làm nền cho sự phát triển sợi nanotube. Sợi/vải các bon hoạt tính dùng trong các trang bị để khử mùi chất thải ô nhiễm ở dạng khí và lỏng, nó cũng được dùng để phân chia và lọc phân tử sinh học [14]. Các ứng dụng khác được nghiên cứu như là: dự trữ khí ga, ngăn cách, phục hồi, làm sạch cảm biến hydro… Ngoài ra vải các bon hoạt tính có khả năng hấp thụ sóng điện từ và hồng ngoại, khả năng làm màn chắn nhiệt và bụi phóng xạ tuyệt vời. Các ưu việt trên của sợi các bon hoạt tính được khai thác và sử dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như trị liệu tế bào, là môi trường trợ giúp cho nuôi cấy tế bào gốc, dự trữ và vận chuyển ga, phục hồi kim loại, xúc tác và ứng dụng sinh học, hộp sinh kháng thể, áo choàng, găng tay, ủng, hệ thống cung cấp khí, thiết bị xử lý chất độc hạt nhân, hóa học, sinh học (NBC) [15] và các lĩnh vực khác. Nhìn chung, sợi các bon hoạt tính có thể được sản xuất giống như sợi các bon nhưng bổ sung thêm công đoạn hoạt hóa. Tuy nhiên, để chế tạo sợi các bon với mục đích chuyển hóa thành sợi các bon hoạt tính có hiệu quả cao đòi hỏi phải điều chỉnh công nghệ để tạo ra trong sợi các bon ban đầu mật độ lỗ xốp cao. Các tính chất của sợi các bon hoạt tính nhận được tùy thuộc vào vật liệu ban đầu, quá trình hoạt hóa và các thông số của quá trình. Nghiên cứu chế tạo sợi các bon hoạt tính phức tạp hơn so với các dạng các bon truyền thống khác vì sợi các bon hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển cao hơn trong khi vẫn phải duy trì dạng vi sợi, chính vì vậy chúng cần phải có đủ độ bền để chống lại sự phân rã thành các bon dạng bột. Trên thế giới, sợi các bon với khả năng chịu nhiệt tốt nhất trong số các loại sợi đã được biết đến. Chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh khác nhau và trở thành sản phẩm thương mại có trong nhiều thiết bị được bán trên thị trường. Sợi các bon có thể được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu ban đầu khác nhau, phổ biến hơn cả là các loại sợi xenlulô tự nhiên và sợi xenlulô tổng hợp (sợi Viscose), sợi PAN, sợi có nguồn gốc từ hắc ín (pitch) dầu mỏ hoặc than đá. Các loại sợi các bon từ PAN và hắc ín (Pitch) có độ bền và mô đun đàn hồi siêu cao thích hợp trong các lĩnh chế tạo vật liệu kết cấu, là phần tử tăng bền trong composite và là vật liệu đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực du hành vũ trụ, hàng không và chế tạo tên lửa. Sợi các bon được chế tạo từ sợi xenlulô và các sợi hữu cơ khác được sử dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực đòi hỏi một số tính chất hóa, lý khác hơn là đặc tính cơ học. Tuy nhiên, sợi các bon được sản xuất từ vật liệu này cũng có thể dùng làm vật liệu tăng bền cho composite kết cấu. Sợi len và các loại sợi dạng Fortizan, Polime, sợi axetat, sợi phenolic vv... cũng đã được nghiên cứu [16,17]. Khi chuyển từ dạng sợi hữu cơ sang dạng sợi các bon, hình dạng của sợi không thay đổi, do đó nó có thể nhận được không chỉ các sợi các bon dạng chỉ, mà còn nhận được vật liệu các bon có dạng dệt bất kỳ. 2 Sợi xenlulô tổng hợp (tên thương mại là sợi Viscose) là nguồn nguyên liệu quan trọng và phổ biết nhất để chế tạo sợi/vải các bon hoạt tính, được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây. Xét về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật thì sợi Viscose có tính ưu việt hơn cả trong số các sợi có nguồn gốc từ hữu cơ và là đối tượng nghiên cứu của nhiều tác giả. Việc chế tạo sợi các bon có liên quan đến các quá trình hóa lý rất phức tạp còn nhiều vấn đề vẫn còn chưa được sáng tỏ và kết quả nghiên cứu của các tác giả khác nhau vẫn chưa thống nhất [16-20]. Các công trình nghiên cứu hiện tại vẫn chưa đủ dữ liệu khoa học để chứng minh về mối liên hệ của các tính chất của sợi nguyên liệu và sợi các bon nhận được từ chúng nên không có khả năng xác định được yêu cầu đối với nguyên liệu ban đầu. Một phần, điều này có thể được giải thích bởi sự phức tạp của các quá trình lý - hóa xảy ra trong các quá trình chuyển hóa từ sợi xenlulô thành sợi các bon. Thông thường tiến hành lựa chọn sợi ban đầu bằng thực nghiệm. Chất lượng của vật liệu các bon thu được là tiêu chí chính trong việc lựa chọn nguyên liệu ban đầu. Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về sợi các bon hoạt tính tập trung vào việc xác định các nhân tố ảnh đến chất lượng của sợi các bon nhằm tối ưu công nghệ chế tạo giảm giá thành sản phẩm. Đồng thời cũng tích cực nghiên cứu các tính chất đặc biệt của sợi các bon hoạt tính để tìm kiếm các ứng dụng mới trong thực tế. Tuy nhiên, cần có một công trình nghiên cứu hệ thống về toàn bộ các quá trình công nghệ chế tạo sợi các bon hoạt tình từ sợi Viscose thương mại có sẵn. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác cho quá trình xử lý nhiệt trong môi trường ô xy hóa cần quan tâm đến việc chọn hàm lượng tối ưu đối với một hệ chất xúc tác xác định. Các quá trình các bon hóa và hoạt hóa để hoàn thiện quy trình chế tạo sợi các bon hoạt tính có các tính chất hấp phụ cao từ nguồn sợi có sẵn cũng rất cần thiết đối với các nhà sản xuất và ứng dụng sợi các bon hoạt tính. Ở Việt Nam hiện nay chưa có công trình nghiên cứu có hệ thống nào về sợi các bon hoạt tính. Nhiều ứng dụng sợi các bon hoạt tính trong các trang bị hiện đại của quân đội cũng như dân sinh trên thế giới xuất hiện trong nước là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển sợi các bon hoạt tính. Đây là việc làm cần thiết không chỉ đối với Quốc phòng mà còn đối với các lĩnh vực khác của dân sinh. Việc xây dựng một phương pháp chung để xác định quy trình công nghệ chế tạo sợi/vải các bon hoạt tính từ nguồn nguyên liệu sợi Viscose bất kỳ cho sản xuất là thực sự cần thiết. Luận án về đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình tạo thành sợi các bon hoạt tính từ sợi Viscose thương mại” nhằm mục tiêu là nghiên cứu các quá trình công nghệ chế tạo sợi các bon hoạt tính từ nguồn sợi Viscose thương mại, làm cơ sở cho việc thiết lập quy trình công nghệ thích hợp để chế tạo sợi/vải các bon hoạt tính từ nguồn nguyên liệu sợi Viscose bất kỳ. Đồng thời luận án cũng nhằm góp phần làm sáng tỏ những phỏng đoán lý thuyết về cấu trúc của sợi các bon hóa và cấu trúc lỗ xốp micro dạng ống liên thông với bề mặt ngoài của sợi các bon hoạt tính. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản trong quá trình chuyển hóa sợi Viscose thương mại thành sợi các bon hoạt tính và khả năng áp dụng chúng trong các trang bị phòng độc. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là sợi Viscose thương mại (sợi xenlulô tổng hợp) Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung các nội dung sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của chất xúc tác, hàm lượng chất xúc tác và xác định nhiệt độ ổn định hóa trong quá trình ổn định hóa sợi. Nghiên cứu quá trình các bon hóa sợi, xem xét ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt, nhiệt độ đến quá trình các bon quá sợi. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa sợi, xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa và thời gian hoạt hóa sợi. Nghiên cứu ứng dụng sợi các bon hoạt tính trong chế thử áo phòng hóa và hộp lọc độc. 4. Phương pháp nghiên cứu - - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Sử dụng các hệ thống thiết bị nghiên cứu tại Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại – Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu và Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp Quốc phòng. Sử dụng các phương pháp đánh giá hiện đại để nghiên cứu phân tích vật liệu như: SEM, TEM, TGA, … Thử nghiệm sử dụng sợi vải các bon hoạt tính để đánh giá bước đầu khả năng ứng dụng của sợi vải các bon hoạt tính. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đây là một trong những công trình nghiên cứu công bố đầu tiên ở Việt Nam về chế tạo sợi, vải các bon hoạt tính. Góp phần làm rõ cơ chế hình thành sợi các bon từ sợi Viscose thương mại trong các giai đoạn: ổn định hóa, các bon hóa và hoạt hóa. Đưa ra phương pháp nghiên cứu tổng thể để xác lập quy trình công nghệ chế tạo sợi các bon hoạt tính từ một nguồn nguyên liệu sợi Viscose bất kì. Kết quả nghiên cứu góp phần chế tạo vải sợi các bon hoạt tính ứng dụng trong các trang bị phòng độc. 6. Các kết quả mới đạt được 1) Xác định được quy trình công nghệ với các thông số hợp lý để chế tạo sợi/vải các bon hoạt tính từ sợi Viscose thương mại. 2) Xác định được ảnh hưởng hàm lượng hệ chất xúc tác (NH4)2HPO4 và chất xúc tiến Urea cho quá trình ổn định hóa sợi Viscose thương mại và đưa ra hàm lượng chất xúc tác tốt nhất trong khoảng hàm lượng nghiên cứu. 3) Sợi/vải các bon hoạt tính có diện tích bề mặt riêng > 1800 m2.g-1 là một sản phẩm mới có đặc trưng hấp phụ cao lần đầu tiên được chế tạo thành công tại Việt Nam. 4 4) Góp phần làm sáng tỏ những phỏng đoán lý thuyết về cấu trúc turbostratic của sợi các bon hóa và cấu trúc lỗ xốp micro dạng ống liên thông với bề mặt ngoài của sợi các bon hoạt tính. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, luận án được thực hiện với các nội dung chính được trình bày trong 04 chương. Chương 1 trình bày tổng quan nghiên cứu về sợi các bon và sợi các bon hoạt tính. Chương 2 là cơ sở lý thuyết cơ bản có liên quan đến quá trình chế tạo sợi các các bon hoạt tính và ứng dụng chúng làm vật liệu hấp phụ. Chương 3 nghiên cứu quá trình ổn định hóa và các bon hóa sợi Viscose. Chương 4 nghiên cứu quá trình hoạt hóa và thử nghiệm ứng dụng của sợi các bon hoạt tính. Kết luận chung Tài liệu tham khảo Danh mục các công trình công bố của luận án 5 Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ SỢI CÁC BON HOẠT TÍNH Xét về khía cạnh ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ, sợi các bon hoạt tính (SCBHT) cho đến nay vẫn là một trong những vật liệu nano các bon quan trọng nhất được biết đến. Nó có lợi thế rất lớn so với các vật liệu chứa lỗ xốp thương mại khác. Sợi các bon hoạt tính là một vật liệu có lỗ xốp vi mô có triển vọng với hình dạng sợi và cấu trúc lỗ xốp ổn định. Kể từ khi xuất hiện cho đến nay, SCBHT thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới do khả năng hấp phụ cao và tốc độ hấp phụ /nhả hấp phụ nhanh so với các loại các bon khác. Tiềm năng ứng dụng SCBHT rất lớn, các nghiên cứu về cải tiến công nghệ, tính chất và tìm kiếm các ứng dụng mới có liên quan đến sợi các bon hoạt tính trở nên sôi động. Sự hiểu biết về xử lý SCBHT bao gồm chuẩn bị nguyên liệu ban đầu cho đến khi tạo ra sản phẩm cuối cùng và đặc tính của SCBHT trong các ứng dụng cụ thể là trọng tâm chính cho các nhà nghiên cứu về phát triển SCBHT trong vài thập kỷ qua. Hình 1.1 là đồ thị chỉ ra các ấn phẩm về SCBHT (tổng hợp các chủ đề về sợi các bon hoạt tính) có nguồn gốc từ tạp chí ScienceDirect vào năm 1980-2012 [21]. Hình 1.1. Tổng hợp các ấn phẩm về SCBHT từ tạp chí ScienceDirect vào năm 1980-2012 Số lượng ấn phẩm về sợi các bon hoạt tính từ năm 1980 đến năm 2012 tăng đều. Đường đứt đoạn trên biểu đồ được tuyến tính hóa dữ liệu được lấy từ ScienceDirect trong khoảng thời gian từ năm 1980 đến 2012. Từ biểu đồ, số lượng ấn phẩm về SCBHT tiếp tục tăng. Năm 2012 đã có hơn 160 ấn phẩm về SCBHT dưới nhiều hình thức khác nhau như: tạp chí, bằng sáng chế, sách vv… đã được xuất bản bằng tiếng Anh. Gần đây, người ta phát hiện nhiều ứng dụng mới của các bon hoạt tính như: điện cực pin nhiên liệu, dự trữ nhiên liệu, năng lượng [22], nuôi cấy tế bào sinh học [23,24] băng vết thương trong y tế vv… SCBHT là một loại sợi các bon có tính chất vật lý đặc biệt, chúng chứa nhiều lỗ xốp nhỏ có khả năng hấp phụ tốt nhất trong những loại vật liệu hấp phụ hiện có. Công nghệ chế tạo SCBHT là sự kết hợp của các công nghệ chế tạo sợi các bon và 6 các bon hoạt tính. Sự phát triển vật liệu SCBHT gắn liền với sự phát triển của sợi các bon. Về cơ bản, sợi các bon là tiền vật liệu để chế tạo sợi các bon hoạt tính thông qua một quá trình hoạt hóa để phát triển lỗ xốp. Như vậy, để chế tạo SCBHT trước hết phải chế tạo được sợi các bon. Do vậy, chương này tập trung vào hai vấn đề chính là sợi các bon và SCBHT, ngoài ra các tính chất và ứng dụng của SCBHT cũng được trình bày để thấy rõ vai trò của chúng trong các lĩnh khoa học và kỹ thuật hiện nay. 1.1. Sợi các bon 1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển sợi các bon Từ năm 1880, nhà sáng chế Thomas Alva Edison đã chế tạo được sợi các bon từ sợi tre, chúng dùng làm dây đốt bóng đèn điện. Tuy nhiên, sợi các bon đầu tiên này rất yếu và giòn do sự có mặt của các lỗ xốp, các tính chất cơ, lý kém, hình dạng sợi không đều và có chiều dài hạn chế nên chưa tìm được lĩnh vực ứng dụng [ 25]. Khi xuất hiện sợi wolfram nó được sử dụng hữu hiệu để làm dây đốt bóng đèn điện thì sợi các bon lúc bấy giờ không còn được chú ý. Cho đến giữa những năm 50 sợi các bon lại được quan tâm trở lại. Chúng phát triển theo hướng mới, sợi tơ nhân tạo được sử dụng làm vật liệu ban đầu bằng cách phân hủy nhiệt nhận được sợi các bon. Tuy nhiên, các sợi các bon này có cơ tính kém nên chỉ được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt. Vào đầu những năm 1960 đến nay sợi các bon được quan tâm đặc biệt và trở thành đối tượng của nhiều công trình nghiên cứu. Bacon [26] đã nghiên cứu sử dụng sợi tơ viscose có độ dài liên tục để chế tạo sợi các bon có độ bền và modun đàn hồi tương đối cao. Các thí nghiệm được tiến hành dẫn đến việc sản xuất thương mại các sợi các bon có độ dài liên tục với độ bền kéo trong khoảng (690 ÷ 1030) MPa và giá trị modun đàn hồi kéo khoảng 40 MPa. Vào năm 1959 công ty Union Carbide đã tiến hành graphite hóa cùng với việc kéo căng sợi để sản xuất sợi các bon từ sợi tơ nhân tạo có độ bền cao hơn [27, 28]. Các sợi đã được chế tạo có độ bền kéo khoảng (330 ÷ 900) MPa. Các vật liệu sợi các bon được sản xuất ở nhiều nước, nhưng nhiều hơn cả là các công ty của Mỹ như: Công ty “Union Carbide Corp”, “National Carbon Corp”, “Tompson Fieber Hass Corp”, “Minnesota Mining và Manufacturing Corp”, “Carborundum Corp”, HiTCO; tại Pháp có công ty "Le Carbone Lorraine" vv…. Trong nhiều năm qua, một số lượng lớn các bài báo khoa học và bằng phát minh đã được công bố, trong đó thảo luận về cơ sở và các nguyên lý thu nhận sợi các bon, các tính chất cơ, hóa-lý và các lĩnh vực ứng dụng của sợi các bon. Các nguồn nguyên liệu ban đầu để nghiên cứu chế tạo sợi các bon cũng được quan tâm đặc biệt nhằm tạo ra sợi có các tính chất tốt, giá thành thấp. Từ nguyên liệu tự nhiên, sợi cốt tông được nghiên cứu chủ yếu, tiếp đó là sợi lanh, sợi gai, sợi đay… Thậm chí là sợi len cũng đã được các bon hóa [29]. Sợi len ở điều kiện nhất định chuyển đổi thành sợi các bon, nhưng vì lý do kinh tế - kỹ thuật và cả do chất lượng sợi thu được thấp, việc sử dụng sợi len dùng cho mục đích này là không có lợi [30]. Nguồn nguyên liệu ban đầu có thể chuyển hóa thành sợi các bon rất đa dạng, trong số các tiền chất đó thì polyacrylonitrile (PAN), hắc ín pha trung gian (hắc ín dị hướng) và xellulo tổng hợp (Viscose) có tiềm năng hơn cả. Trong thực tế, chúng 7 là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi các bon và cũng được các nhà nghiên cứu, các hãng sản xuất trên thế giới quan tâm nhiều nhất. Sợi các bon được chế tạo từ PAN có độ bền và mô đun đàn hồi siêu cao được sử dụng có hiệu quả trong các ngành công nghiệp Quốc phòng, hàng không và du hành vũ trụ. Sợi các bon được chế tạo từ hắc ín pha trung gian có độ bền trên trung bình và mô đun đàn hồi siêu cao. Sợi các bon từ PAN và hắc ín thích hợp trong lĩnh vực chế tạo vật liệu composite kết cấu. Sợi các bon từ sợi Viscose có độ bền và mô đun đàn hồi ở mức trung bình, có thể dùng làm phần tử tăng bền cho composite (không cần độ bền và mô dun đàn hồi cao). Tuy nhiên, loại sợi này thích hợp với các lĩnh vực đòi hỏi một số tính chất lý hóa đặc biệt như: Vỏ cách nhiệt trong hầu hết các động cơ hành trình tên lửa, làm phần tử tăng bền trong composite ứng dụng trong y học (bộ phận giả trong cơ thể người), vải các bon làm băng vết thương và đặc biệt chúng làm vật liệu hấp phụ (vải các bon hoạt tính) dùng trong công nghệ xử lý môi trường và nhiều lĩnh vực khác. Do tính chất phổ dụng của ba loại sợi ở trên, trong mục này sẽ trình bày sâu hơn về các loại sợi các bon có nguồn gốc từ ba nguồn nguyên liệu này. Đặc biệt là sợi các bon từ viscose được trình bày kỹ hơn, chúng là đối tượng nghiên cứu của luận án. a) Sợi các bon chế tạo từ hắc ín Cho đến nay hắc ín là một trong những nguồn nguyên liệu ban đầu quan trọng để chế tạo sợi các bon có độ bền và mô đun đàn hồi cao. Sợi các bon chế tạo từ nguyên liệu ban đầu là hắc ín (pitch) được sử dụng nhiều trong lĩnh vực vật liệu kết cấu, chúng là phần tử tăng bền trong composite cốt sợi với các vật liệu nền khác nhau. Hai nguồn hắc ín cơ bản là hắc ín than đá và hắc ín dầu mỏ, chúng gồm hai loại là đẳng hướng (isotropic) và pha trung gian (mesophase) là loại hắc ín dị hướng (anisotropic pitch). Cả hai loại này đều có khả năng đùn qua lỗ ở dạng lỏng tạo thành sợi. Tuy nhiên, sợi các bon được chế tạo từ tiền chất là hắc ín đẳng hướng có độ bền và mô đun đàn hồi thấp. Sử dụng hắc ín pha trung gian sẽ cho sợi các bon có mô đun đàn hồi rất cao và độ bền kéo ở mức tương đối tốt. Mặt khác, không cần phải kéo căng sợi với một lực trong quá trình ổn định hóa và các bon hóa. Các pha trung gian tự định hướng dọc theo trục sợi trong quá trình kéo tạo sợi ban đầu (sợi tiền chất). Cải thiện sợi các bon trên cơ sở hắc ín đã được Hawthorne đề cập vào năm 1970 và năm 1971 [31,32] bằng cách kéo sợi ở chặng đầu của quá trình các bon hóa ở nhiệt độ trên 2500 oC, mức độ định hướng ưu tiên theo mặt cơ bản cao có thể đạt được, độ bền kéo nhận được đạt 2585 MPa và mô đun kéo vượt quá 480 GPa. Năm 1973, hắc ín ở trạng thái trung gian (mesophase) đã được nghiên cứu và kéo thành sợi ban đầu. Các sợi này được chuyển thành sợi các bon bằng cách ổn định hóa, tiếp theo là các bon hóa ở (1000  3000) oC nhận được sợi các bon có mức độ định hướng ưu tiên bởi vì trạng thái tinh thể lỏng được tạo thành trước khi kéo sợi. Cho đến nay hắc ín pha trung gian là nguồn nguyên liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi cac bon có mô đun đàn hồi cao. Nhiều công trình nghiên cứu các quá trình công nghệ chế tạo, tính chất và ứng dụng sợi các bon được chế tạo từ hắc ín đã được tiến hành. Hầu như các tác giả đã đề cập đến mọi lĩnh vực có liên quan đến việc tạo thành sợi các bon từ hắc ín. Các công trình về chuẩn bị hắc ín cho chế tạo sợi các bon cũng được tiến hành bởi nhiều tác giả [33-41]. Các nghiên cứu về 8 cấu trúc sợi của các tác giả [41, 42, 23, 44] được thực hiện rất tỉ mỉ. Năm 1986 Guigon, M; Oberlin, A [41] đã nghiên cứu về cấu trúc vi mô của sợi các bon trên cơ sở hắc ín pha trung gian (hắc ín dị hướng). Năm 1991, Fitz Gerald, J.D.; Pennock, G.M.; Taylor, G.H [42] nghiên cứu cấu trúc vùng của sợi các bon cũng được chế tạo từ nguyên liệu ban đầu là hắc ín dị hướng. Nhiều công trình nghiên cứu về các quá trình công nghệ nhằm nâng cao các tính chất của sợi và giảm giá thành sản phẩm cũng thường xuyên được các nhà khoa học và các hãng sản xuất quan tâm. Trên cơ sở các tài liệu công bố ở trên có thể tóm tắt quá trình công nghệ chế tạo sợi các bon từ hắc ín pha trung gian bao gồm các bước sau: (1) Chế tạo sợi ban đầu từ hắc ín pha trung gian bằng cách phun hắc ín nóng chảy qua đầu phun gồm nhiều lỗ (~10.000 lỗ). Phương pháp này được áp dụng trong nhà máy sản xuất thực tế ở Nga để chế tạo các bó sợi gồm vài nghìn đến 10.000 sợi đơn tùy theo yêu cầu. Các sợi này sau khi ra khỏi đầu phun được thấm một chất bôi trơn sau đó chúng được cuốn lại thành lô sợi. Các lô sợi này có thể được dệt thành vải theo các kiểu tùy ý. (2) Giai đoạn tiếp theo là ổn định hóa: Các sợi hắc ín sau khi tạo thành được ổn định hóa trong môi trường ô xy hóa có hoặc không có chất xúc tác ở nhiệt độ < 260 oC để làm cho sợi không bị nóng chảy ở nhiệt độ cao. (3) Giai đoạn các bon hóa: Được thực hiện ở nhiệt độ từ 500 oC đến trên 1000 o C trong chân không hoặc môi trường khí trơ. Sau quá trình các bon hóa, hàm lượng các bon đạt > 92 %, sợi có độ bền và mô đun đàn hồi ở mức chưa cao. Độ bền và mô đun đàn hồi tiếp tục tăng khi tăng nhiệt độ xử lý. Mô đun đàn hồi đạt giá trị cực đại khi sợi được graphite hóa ở nhiệt độ cao ~ 3000 oC. Tùy theo yêu cầu đối với sợi các bon cuối cùng mà chọn chế độ xử lý nhiệt cho phù hợp. (4) Quá trình graphite hóa: Là quá trình loại bỏ hầu như hoàn toàn tạp chất trong sợi các bon, hàm lượng các bon trong sợi đạt > 99 %. Dạng thù hình của các bon qua giai đoạn graphite hóa là graphite có cấu trúc mạng tinh thể lục giác. b) Sợi các bon chế tạo từ sợi PAN Việc chuyển đổi sợi polyacrylonitrile (PAN) thành sợi các bon có mođun đàn hồi cao đã thu hút sự chú ý nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới [43-50]. Shindo [51] đã chỉ ra sự thay đổi độ bền và mô đun đàn hồi kéo của sợi các bon trên cơ sở sợi PAN theo nhiệt độ xử lý và các tính chất điện của chúng cũng thay đổi theo hướng tăng độ dẫn điện cùng với nhiệt độ. Việc nghiên cứu chế tạo sợi các bon từ sợi PAN được quan tâm đặc biệt bởi nhiều hãng sản xuất trên thế giới vì các ứng dụng đặc biệt của chúng trong các ngành hàng không, du hành vũ trụ, chế tạo tên lửa và nhiều lĩnh vực khác. Có thể nói rằng sợi các bon có nguồn gốc từ PAN có các tính chất cơ học cao nhất trong số các sợi các bon có chiều dài liên tục hiện có. Các quá trình công nghệ chế tạo sợi các bon có thể được tóm tắt như sau: (1) Tạo sợi PAN: Sợi ban đầu polyacrylonitrile (PAN) được chế tạo bằng nhiều phương pháp. Polyme được tạo ra bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do trong dung dịch hoặc trong dung môi nước huyền phù. Polyme sau đó được sấy khô và hòa tan trong một dung môi khác để tạo sợi bằng cách kéo sợi ướt hoặc kéo sợi khô (thực tế là ép hoặc nén qua đầu phun nhiều lỗ). Để chế tạo sợi các bon có độ bền cao cần tránh sự tạo thành các lỗ xốp trong sợi tại bước này. Ban đầu, sợi các bon dựa trên PAN được sản xuất thương mại từ các polyme cho ngành dệt may. Những 9 nỗ lực phát triển trong những năm 1960 và 1970 tập trung vào việc tăng trọng lượng phân tử, đưa vào các đồng phân tử để hỗ trợ xử lý và loại bỏ các tạp chất làm giảm độ bền cơ học. Hóa lý của quá trình chuyển sợi PAN thành sợi các bon rất phức tạp, bao gồm các bước cơ bản sau: (2) Ổn định hóa: Trong bước ổn định, các phân tử PAN (mạch hở) trước tiên được chuyển đổi thành cấu trúc tuần hoàn (mạch kín). Các mô hình khác nhau đã được đề xuất để lý giải về cơ chế khép mạch của các phân tử PAN. Tuy nhiên, các mô hình này đều không giải thích được rõ ràng cơ chế khép kín mạch các phân tử PAN trong bước ổn định hóa. Như vậy, tạo vòng là một quá trình rất phức tạp, còn nhiều ý kiến khác nhau cho đến nay về các cơ chế của phản ứng vẫn chưa được làm sáng tỏ. Ổn định (tạo vòng và oxy hóa) là một phản ứng tỏa nhiệt, do đó quá trình nung nóng cần phải được kiểm soát tốt. Lượng nhiệt và dải nhiệt độ nung phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của các polyme. Nói chung, quá trình ổn định hóa thực hiện trong môi trường không khí ở nhiệt độ khoảng 230 oC với tốc độ nâng nhiệt chậm ~ 1 oC.min-1. (3) Các bon hóa: Các sợi đã được ổn định được nung nóng đến nhiệt độ lớn hơn 1500 °C trong môi trường chân không hoặc khí trơ (Nitơ hoặc Argon) đồng thời thực hiện việc kéo căng sợi trong quá trình các bon hóa. Tầm quan trọng của việc kéo trong bước này vẫn còn đang được tranh luận. Trong quá trình các bon hóa, đường kính sợi giảm cùng với việc loại bỏ các nguyên tố phi các bon. Ở giai đoạn đầu của quá trình các bon hóa, phản ứng liên kết ngang diễn ra trong PAN bị oxy hóa. Cấu trúc mạch vòng bắt đầu liên kết theo hướng bên do mất nước và khử nitơ. Một cấu trúc phẳng có thể được hình thành với mặt phẳng cơ sở định hướng dọc theo trục sợi. Những sợi này thường được gọi là sợi có độ bền cao. Độ bền của sợi các bon tăng theo nhiệt độ các bon hóa và đạt giá trị tối đa ở khoảng 1500 °C. Tăng thêm nhiệt độ dẫn đến mô đun tăng nhưng độ bền kéo giảm một chút [52]. Tốc độ các bon hóa quá nhanh dẫn đến hình thành khuyết tật trong sợi các bon, còn khi tốc độ các bon hóa thấp sẽ mất nhiều nitơ bảo vệ và năng lượng. Để đạt được độ bền cao, ở giai đoạn đầu của quá trình các bon hóa, chắc chắn áp dụng tốc độ chậm. Nhiều công trình nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các quá trình này để giảm giá thành sản phẩm đã được thực hiện. (4) Graphite hóa: Để đạt được một mô đun cao hơn, sợi các bon cần phải trải qua quá trình graphite hóa, quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ cao từ (2000 ÷ 3000) oC. Tăng nhiệt độ xử lý làm tăng mức độ trật tự của cấu trúc theo cả độ dày và diện tích, tăng sự định hướng tinh thể theo hướng sợi và giảm khoảng cách giữa các lớp. Argon thường được sử dụng trong bước này vì ni tơ có thể phản ứng với các bon ở nhiệt độ cao như vậy. Các quá trình chuyển hóa sợi PAN thành sợi các bon diễn ra rất chậm, tiêu tốn nhiều thời gian và năng lượng tiêu thụ cũng như khí trơ bảo vệ. Một số nhà nghiên cứu tích cực tìm giải pháp nhằm giảm thời gian cũng như nhiệt độ của các quá trình. c) Sợi các bon chế tạo từ sợi Viscose Các dạng nguyên liệu Viscose ban đầu và các yêu cầu đối với chúng đã được nghiên cứu. Việc chuẩn bị sơ bộ sợi Viscose, các quy luật cơ bản của quá trình các bon hóa và graphít hóa cũng được nghiên cứu bởi nhiều tác giả [53-64]. 10 Sợi nhân tạo được chú ý hơn cả. Sợi mành và sợi dệt Viscose, sợi đồng chứa amoniac, kể cả các loại sợi dạng Fortizan, Polime, sợi axetat cũng đã được nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi Viscose được tiếp nhận nhiều nhất. Điều này được giải thích bằng sự sẵn có của nguyên liệu, đây cũng là yếu tố quyết định và khả năng thu nhận được các vật liệu khác nhau bằng cách thay đổi tính chất của chúng theo yêu cầu sử dụng ở phạm vi rộng. Trên cơ sở xenlulô người ta sản xuất được các vật liệu sợi các bon có mô đun đàn hồi cao, có độ bền cao, cách nhiệt tốt, và cả các vật liệu có tính chất điện lý, tính chất hấp phụ, hấp thụ và có các đặc tính khác. Khi chuyển từ dạng sợi hữu cơ sang dạng sợi các bon, hình dạng của sợi không thay đổi, do đó nó có thể nhận được không chỉ các sợi các bon dạng chỉ liên tục, mà còn nhận được vải các bon có dạng dệt bất kỳ. Các sợi xenlulô tự nhiên được chứng minh là không thích hợp cho việc thu nhận được các bon, vì vậy các nghiên cứu chuyển hướng về nghiên cứu chế tạo sợi các bon từ sợi Viscose. Từ các sợi diacetat, triacetat xenlulô không thể thu nhận được sợi các bon có các thông số trung bình, từ sợi đồng có chứa amoniac có thể thu nhận được sợi các bon nhưng chúng có tính chất kém hơn so với các sợi các bon từ sợi Viscose. Tính chất của các xenlulô rất cần thiết để chế tạo sợi các bon từ tiền chất này. Yêu cầu về nguyên liệu có lẽ được xác định từ tập hợp các vật liệu các bon có các tính chất khác nhau. Trong một số trường hợp, sợi các bon cần có độ bền cao, trong trường hợp khác thì tính chất quyết định lại là tính cách nhiệt và sự tải mòn của nhựa trên nền sợi các bon này; đôi khi các thông số điện, nhiệt và hấp phụ lại có ý nghĩa cơ bản còn các thông số cơ học đóng vai trò thứ yếu. Hầu như các tài liệu công bố chưa đưa ra dữ liệu khoa học xác thực để chứng minh về mối liên hệ giữa các tính chất của sợi nguyên liệu và sợi các bon nhận được, do không có mối liên hệ này thì không có khả năng xác định chính xác được yêu cầu với nguyên liệu ban đầu. Một phần, điều này có thể được giải thích bởi sự phức tạp của các quá trình lý - hóa xảy ra trong giai đoạn các bon hóa. Một số công trình nghiên cứu đưa ra các thông tin đối lập nhau về ảnh hưởng của độ bền của sợi ban đầu đến các tính chất của sợi các bon. Các tác giả Bacon và Tang cho rằng, mức độ định hướng của sợi mành viscose khi chuyển sang sợi các bon xác định mức độ định hướng của các nguyên tố cấu trúc và tiếp đó là ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của sợi các bon. Kết luận này được tái lặp trong nhiều tài liệu, nhưng dường như các dữ liệu của Bacon và Tang vẫn chưa thuyết phục. Nhờ sự trợ giúp của phân tích cấu trúc rơn-gen đã chỉ ra là có mối liên hệ giữa sự định hướng của sợi các bon ban đầu và sợi grafit hóa. Sự định hướng của sợi xenlulô ban đầu càng lớn thì cấu trúc của sợi grafit hóa càng hoàn thiện. Rõ ràng là giữa mức độ định hướng của các nhân tố cấu trúc sợi và các tính chất cơ học có mối liên hệ, tuy nhiên để đưa ra kết luận quan trọng như vậy thì chỉ thông qua các nghiên cứu cấu trúc rơn-gen là chưa đủ. Ruland [65] trên cơ sở phân tích cấu trúc rơn-gen đã đi đến kết luận hoàn toàn khác. Ông đã nghiên cứu sợi dệt Viscose và sợi làm từ sợi fortizan; mức độ định hướng của sợi fortizan cao hơn đáng kể so với sợi dệt viscose. Sợi của cả hai loại đã được xử lý ở nhiệt độ cao tới 3000 °C, sự định hướng của sợi ban đầu và sợi các bon, sợi grafit thu được từ chúng đã được so sánh ở các giai đoạn xử lý nhiệt khác nhau. Tác giả đi đến kết luận rằng sự định hướng ban đầu tại giai đoạn xử lý ban đầu hoàn toàn bị phá hủy. Kết luận quan trọng nhất là không có mối liên hệ trực tiếp 11