NTTU phát triển sơn hệ nước graphene từ graphite, hướng tới thương mại hóa cùng Sơn Việt Nhật

NTTU – Từ những vảy graphite (than chì) có kích thước vài trăm micromet, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Nguyễn Tất Thành đã xây dựng một chuỗi công nghệ gồm hai sáng chế nối tiếp nhau: tổng hợp và chọn lọc graphene, sau đó đưa vật liệu này vào sơn hệ nước dùng cho công trình nội, ngoại thất. Công nghệ được NTTU phối hợp với Công ty Cổ phần Sơn và Chống thấm Việt Nhật thử nghiệm từ quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất mẫu và thi công tại các công trình ven biển

Hai kết quả nghiên cứu đã được Cục sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền sáng chế số 37294 và 37295 vào ngày 18/9/2023. Đây là cơ sở để NTTU cùng doanh nghiệp tiếp tục hoàn thiện sản phẩm sơn nước graphene, hướng tới một dòng vật liệu xây dựng công nghệ cao có giá thành phù hợp, phục vụ người tiêu dùng trong nước và từng bước tiếp cận thị trường quốc tế.

Xuất phát từ nhu cầu phát triển sơn công nghệ cao cho người Việt

Ý tưởng nghiên cứu được gợi mở từ một cuộc trao đổi về sản phẩm sơn châu Âu đang tìm kiếm chỗ đứng tại thị trường tại Việt Nam. Câu hỏi được đặt ra là làm thế nào tạo ra một dòng sơn có tính năng phù hợp, sử dụng vật liệu có thể chủ động nghiên cứu trong nước và duy trì mức giá đủ khả năng tiếp cận người tiêu dùng.

Sơn hệ nước đã được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhờ lấy nước làm môi trường phân tán, thời gian khô tương đối nhanh, thuận tiện khi thi công và giảm việc sử dụng dung môi hữu cơ so với nhiều dòng sơn dầu. Tuy nhiên, màng sơn nước vẫn cần được cải thiện về khả năng chịu cọ xát, va đập và kiểm soát nhiệt trên một số bề mặt công trình. Từ bài toán này, nhóm nghiên cứu NTTU lựa chọn graphene làm thành phần bổ sung cho hệ sơn.

Graphene là vật liệu carbon có cấu trúc dạng lớp rất mỏng, nổi bật với độ bền cơ học và khả năng dẫn nhiệt cao. Các nghiên cứu trên graphene đơn lớp gần như không khuyết tật từng ghi nhận độ bền nội tại khoảng 130 GPa và mô đun đàn hồi xấp xỉ 1 TPa; vật liệu này cũng thuộc nhóm vật liệu carbon có khả năng dẫn nhiệt cao. Trong sản phẩm sơn, hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào kích thước graphene, hàm lượng sử dụng, khả năng phân tán và cấu trúc của toàn bộ hệ polymer.

Để đưa graphene vào sơn, trước hết, nhóm nghiên cứu của NTTU phải giải quyết bài toán vật liệu đầu vào, đó là bóc tách graphene từ graphite, kiểm soát kích thước và hạn chế phần graphite chưa được tách hoàn toàn.

Sáng chế số 37294: Tạo graphene từ graphite

Sáng chế số 37294: “Quy trình tổng hợp hỗn hợp graphene” được cấp theo Quyết định số 69762/QĐ-SHTT ngày 18/9/2023 của nhóm tác giả gồm TS. Đinh Đức Anh, PGS.TS. Trần Việt Cường và TS. Vũ Văn Vân – Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT.

Có thể hình dung graphite như một có cấu trúc xếp chồng gồm nhiều lớp carbon mỏng xếp lên nhau. Mục tiêu của quy trình là tách các lớp này thành những mảnh graphene có kích thước phù hợp để phân tán tốt trong các hỗn hợp sơn. Để tổng hợp được graphene, nhóm nghiên cứu lựa chọn graphite dạng vảy có kích thước trung bình từ 100 đến 200 micromet. Sau đó, vật liệu được phân tán trong dung môi và quá trình bung tách graphite được thực hiện bằng sóng siêu âm trong nhiều giờ. Những bọt khí rất nhỏ được hình thành trong quá trình siêu âm, len vào giữa các lớp graphite và tạo lực giúp các lớp vật liệu dần bung tách.

Sau giai đoạn này, hỗn hợp vẫn gồm graphene và một phần graphite chưa được tách hoàn toàn. Quá trình ly tâm được sử dụng để phân loại vật liệu theo kích thước và độ dày, đồng thời tách phần graphene phân tán trong dung dịch khỏi các mảnh graphite lớn lắng xuống đáy.

Với từng chế độ ly tâm, quy trình có thể thu được những nhóm graphene khác nhau. Phương án hướng đến ứng dụng trong sơn và nhựa composite tạo ra các mảnh graphene có kích thước khoảng 300–600 nm, độ dày trung bình 15–25 nm và diện tích bề mặt khoảng 100–120 m²/g.

Việc kiểm soát kích thước không chỉ phục vụ mục tiêu tạo ra graphene. Các mảnh vật liệu quá lớn, không đồng đều hoặc còn lẫn nhiều graphite có thể khó phân tán trong sơn. Khi đó, graphene dễ kết tụ, làm hỗn hợp mất ổn định và ảnh hưởng đến quá trình hình thành màng phủ. Sáng chế vì vậy tạo ra mắt xích đầu tiên của chuỗi công nghệ, biến graphite thành hỗn hợp graphene có thể được lựa chọn cho từng mục đích sử dụng.

Sáng chế số 37295: Đưa graphene vào sơn hệ nước

Sau khi hoàn thiện nền tảng vật liệu, TS. Đức Anh cùng nhóm nghiên cứu gồm PGS.TS. Trần Việt Cường, TS. Vũ Văn Vân, TS. Vũ Bảo Khánh, GS. Thái Hoàng, TS. Phạm Gia Vũ, TS. Phạm Thị Năm, GS. Trần Đại Lâm, KS. Trần Thị Như Thủy và ông Vũ Văn Linh – Giám đốc Công ty Sơn Việt Nhật, tiếp tục phối hợp triển khai các thí nghiệm và thử nghiệm sản xuất sơn nước graphene. Kết quả của quá trình nghiên cứu là sáng chế “Sơn hệ nước graphene dùng cho lớp sơn phủ công trình nội ngoại thất và quy trình sản xuất sơn hệ nước graphene này”, được Cục Sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền sáng chế số 37295 theo Quyết định số 69763/QĐ-SHTT ngày 18/9/2023.

Graphene không được đưa trực tiếp vào bồn sơn như một loại bột thông thường. Vật liệu trước hết được bổ sung từ từ vào styrene acrylic – thành phần tham gia tạo màng sơn, trong điều kiện khuấy được kiểm soát. graphene chiếm mộ tỷ lệ thành phần vô cùng nhỏ < 0,3% trong hỗn hợp nhựa nền styrene acrylic – graphene.

Sau khi graphene được phân tán trong nền polymer, hỗn hợp này mới được đưa vào bồn chứa nước, titan dioxide, chất phân tán, chất tạo đặc, chất thấm ướt, chất hỗ trợ tạo màng và các phụ gia cần thiết khác. Trình tự phối trộn, tốc độ khuấy và thời điểm bổ sung graphene được kiểm soát để hạn chế kết tụ vật liệu và duy trì độ ổn định của sản phẩm.

Công thức được xây dựng thành các phương án dành cho công trình nội thất và ngoại thất. Sơn ngoại thất sử dụng tỷ lệ hỗn hợp styrene acrylic – graphene và chất hỗ trợ tạo màng cao hơn để phù hợp với điều kiện nắng, mưa và thay đổi nhiệt độ ngoài trời. Sơn nội thất được điều chỉnh theo yêu cầu của bề mặt và môi trường bên trong công trình.

Từ phòng thí nghiệm NTTU đến thử nghiệm thực tế tại công trình ven biển

Từ tháng 9/2019, nhóm nghiên cứu Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT phối hợp cùng 5 chuyên gia R&D của Công ty Cổ phần Sơn và Chống thấm Việt Nhật triển khai dự án phát triển sơn nước graphene. Nhóm nghiên cứu của NTTU phụ trách tổng hợp, lựa chọn graphene và đánh giá đặc tính vật liệu; doanh nghiệp đảm nhiệm tích hợp graphene vào công thức ở quy mô nhà máy, sản xuất mẫu và thi công thử nghiệm. Do sự khác biệt về thể tích bồn, kích thước cánh khuấy và dòng chảy giữa phòng thí nghiệm với dây chuyền công nghiệp, hai bên phải liên tục điều chỉnh hàm lượng graphene, thời điểm bổ sung, trình tự phối trộn và tốc độ khuấy để hạn chế kết tụ, duy trì độ ổn định của hơn 20 thành phần trong hệ sơn.

Đến tháng 8/2020, sản phẩm thử nghiệm đầu tiên được hoàn thiện sau đó được thi công tại một số công trình ở thành phố Vũng Tàu và huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang (cũ) để theo dõi trong điều kiện nắng, mưa, gió biển và hơi muối. Sau gần bốn tháng, các bề mặt thử nghiệm vẫn giữ độ sáng, chưa ghi nhận bong tróc hoặc loang lổ; độ cứng của mẫu sơn cao hơn khoảng 2–5% so với sản phẩm thông thường cùng nhóm. Cho đến thời điểm hiện tại (sau khoảng gần 3 năm), các màng sơn graphene vẫn tiếp tục duy trì trạng thái tốt, tạo cơ sở để nhóm nghiên cứu hoàn thiện công thức và chuẩn bị cho các bước kiểm định về độ bám dính, mài mòn, va đập, chống thấm, độ bền thời tiết, độ ổn định màu và an toàn sản phẩm.

TS. Đinh Đức Anh (trái) và ông Vũ Văn Lĩnh giới thiệu về hộp sơn graphene thử nghiệm (Ảnh: Hà An – Báo VNexpress)

Trong giai đoạn tiếp theo, NTTU và doanh nghiệp tiếp tục hoàn thiện công thức, mở rộng kiểm định các chỉ tiêu kỹ thuật, chuẩn hóa quy trình sản xuất và chuẩn bị các điều kiện cần thiết cho thương mại hóa. Sơn hệ nước graphene được kỳ vọng phát triển thành dòng vật liệu xây dựng công nghệ cao có giá thành phù hợp, phục vụ người tiêu dùng trong nước và hướng tới thị trường quốc tế. Hành trình này tiếp tục thể hiện định hướng của NTTU trong việc gắn nghiên cứu, sở hữu trí tuệ và hợp tác doanh nghiệp với mục tiêu đưa công nghệ vào sản phẩm có khả năng ứng dụng trong đời sống.

Thực hiện: Hồ Quý (P. KHCN)