การเตรียมฟิล์มฐานเซลลูโลสที่มีสมบัตินำไฟฟ้า

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

Preparation of electrically conductive cellulose based films

Author

นพรุจ เคียงกิติวรรณ, คณะวิทยาศาสตร์

Year (A.D.)

2021

Document Type

Thesis

First Advisor

กาวี ศรีกูลกิจ

Second Advisor

ธนากร วาสนาเพียรพงศ์

Faculty/College

Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)

Department (if any)

Department of Material Science (ภาควิชาวัสดุศาสตร์)

Degree Name

วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต

Degree Level

ปริญญาเอก

Degree Discipline

วัสดุศาสตร์

DOI

10.58837/CHULA.THE.2021.816

Abstract

งานวิจัยนี้จะทำการเตรียมฟิล์มฐานเซลลูโลส/รีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ (CA-rGO) ด้วยวิธีการผสม โดยสารละลายเซลลูโลสที่ได้จากเศษผ้าฝ้ายจะถูกนำมาผสมกับสารแขวนลอยแกรฟีนออกไซด์ แล้วนำไฮโดรเจลที่ได้มารีดิวซ์ด้วยไฮดราซีนไฮเดรตเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิห้อง เพื่อเตรียมเป็น CA-rGO แต่ทว่าการเตรียม CA-rGO ด้วยวิธีนี้ไม่สามารถขึ้นรูปเป็นแผ่นฟิล์มที่มีความยืดหยุ่นได้ ทางคณะผู้วิจัยจึงเปลี่ยนมาเตรียมฟิล์มแบคทีเรียเซลลูโลส (BC) ที่ได้จากการหมักของชาคอมบูชาสโคบีแทน แล้วจึงนำฟิล์มแบคทีเรียเซลลูโลสที่ได้มาย้อมด้วยรีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ (BC-rGO) ด้วยวิธีการย้อมทางกายภาพเป็นจำนวน 5, 10, 15 และ 20 ครั้ง พบว่าความเข้มของสีฟิล์มที่ได้จะเพิ่มขึ้นตามจำนวนรอบของการย้อมที่มากขึ้น แต่ความเป็นไฮโดรฟิลิกบนพื้นผิวของฟิล์มจะลดลงเนื่องจากการซ้อนทับกันของแผ่นนาโนรีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ที่มีความเป็นไฮโดรโฟบิกบนพื้นผิวของ BC เพิ่มขึ้นหลังการถูกรีดิวซ์ สมบัติเชิงกลของฟิล์ม BC-rGO จะถูกวัดเทียบกับฟิล์ม BC พบว่าฟิล์ม BC-rGO มีค่าความต้านแรงดึงและมอดูลัสของยังที่สูงขึ้น แต่มีระยะยืด ณ จุดขาดที่ต่ำลง เป็นผลมาจากความเป็นผลึกที่เพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนครั้งในการย้อมที่มากขึ้น ซึ่งจะเห็นได้จากผลของ XRD ทำให้ส่งผลต่อความสามารถในการบวมตัว สมบัติเชิงกล และสมบัติการนำไฟฟ้าของฟิล์ม BC-rGO เมื่อทำการตรวจสอบพฤติกรรมทางไฟฟ้าเคมีของขั้วไฟฟ้าแบบตั้งเองได้และปราศจากสารยึดเกาะจากฟิล์ม BC-rGO จะพบว่าฟิล์ม BC-rGO5T จะแสดงค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะสูงที่สุดประมาณ 192.23 F/g ที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ 1 A/g จากผลของ GCD เนื่องจากความสามารถในการแพร่ของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ดีที่เกิดจากความสามารถในการเปียกของพื้นผิว (Surface wettability) แต่เมื่อจำนวนครั้งในการย้อมเพิ่มขึ้น (BC-rGO10T, BC-rGO15T และ BC-rGO20T) ค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะจะมีค่าลดลง เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในที่เกิดจากความเป็นไฮโดรโฟบิกบนพื้นผิวของฟิล์มคอมโพสิต ในทำนองเดียวกันทางคณะผู้วิจัยได้ทดลองเตรียมฟิล์มแบคทีเรียเซลลูโลสที่ย้อมด้วยพอลิอะนิลีนและรีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ (BC-PANI-rGO) ด้วยวิธีการย้อมทางกายภาพเช่นเดียวกันเป็นจำนวน 1-5 ครั้ง เมื่อทำการตรวจสอบพฤติกรรมทางไฟฟ้าเคมีของขั้วไฟฟ้า BC-PANI-rGO พบว่าฟิล์ม BC-PANI-rGO2T จะแสดงค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะสูงที่สุดประมาณ 150.87 F/g ที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ 1 A/g จากผลของ GCD ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าสามารถเตรียมฟิล์มคอมโพสิตที่มีสมบัตินำไฟฟ้าและมีความยืดหยุ่น อีกทั้งมีสมบัติเชิงกลที่ดีได้สำเร็จ

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

In this study, cellulose/reduced graphene oxide based films (CA-rGO) were prepared using blending method. Cellulose solution obtained from cotton fabric waste were mixed with graphene oxide (GO) suspension. Subsequently, the hydrogels were then reduced with hydrazine hydrate for 24 h at room temperature to obtain CA-rGO. However, the preparation of CA-rGO by this method cannot be formed into a flexible film. Bacterial cellulose (BC) hydrogels were cultured from a kombucha SCOBY starter. Then, BC-rGO composite films were fabricated via the exhaust dyeing method for 5, 10, 15 and 20 dyeing cycles. As found, the color strength increased with an increase in dyeing cycle due to BC and GO (rGO precursor) affinity. However, the surface hydrophilicity was found in the opposite direction due to the restacking of hydrophobic rGO nanosheets onto BC surface after reduction step. The mechanical properties of the composite films were investigated. Compared with virgin BC, the tensile strength of the composite films was higher, while the %Elongation at break was lower, resulting in a significant increase in the Young's modulus. The X-ray diffraction results indicated that an increase in the dyeing cycles gradually induced cellulose crystalline conformation, which in turn affected the swelling ability, mechanical properties, and electrical properties of the BC-rGO composite films. The electrochemical behavior of free-standing and binder-free BC-rGO electrodes was evaluated. It was found that BC-rGO5T exhibited the highest specific capacitance value of 192.23 F/g at the current density of 1 A/g (calculated from GCD plots) due to good diffusion of electrolyte arising from surface wettability. An increase in dyeing cycles (BC-rGO10T, BC-rGO15T, and BC-rGO20T) led to a gradual decrease in the corresponding specific capacitance value due to a gradual increase in an internal resistance derived from an increasing surface hydrophobicity of the composite films. In addition, BC/polyaniline (PANI)/rGO composite films were fabricated via the exhaust dyeing method for 1-5 dyeing cycles. The electrochemical behavior of BC-PANI-rGO electrodes was evaluated. It was found that BC-PANI-rGO2T exhibited the highest specific capacitance value of 150.87 F/g at the current density of 1 A/g (calculated from GCD plots). Thus, flexible conductive composite films with excellent mechanical properties were successfully fabricated.

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.

Recommended Citation

เคียงกิติวรรณ, นพรุจ, "การเตรียมฟิล์มฐานเซลลูโลสที่มีสมบัตินำไฟฟ้า" (2021). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 5358.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/5358