Bài viết Nghiên cứu chế tạo vật liệu kị nước trên cơ sở hợp chất cơ silic (PMHS/TEOS) ứng dụng bảo vệ kính quang học trong môi trường biển đảo trình bày kết quả tổng hợp vật liệu trên cơ sở hợp chất PMHS (poly methyl hydro siloxane) và TEOS (tetra ethoxysilane) chống ăn mòn hơi muối bảo vệ bề mặt kính quang học.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU KỊ NƯỚC TRÊN CƠ SỞ HỢP CHẤT CƠ SILIC (PMHS/TEOS) ỨNG DỤNG BẢO VỆ KÍNH QUANG HỌC TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN ĐẢO Nguyễn Thị Liên Khoa Môi trường - Trường Đại học Thủy lợi, email: liennt@wru.vnNgu GIỚI THIỆU CHUNG Thấu kính quang học kính hiển vi, hiển vi điện tử quét phận quan trọng thiết bị Trong môi trường biển đảo, muối đọng bề mặt kính làm ăn mịn dẫn đến mờ kính Để hạn chế q trình này, có nhiều nghiên cứu đưa phương pháp bảo quản ứng dụng để chống mờ mốc cho kính Siloxan vật liệu có lượng bề mặt thấp tạo độ nhám nhân tạo bề mặt Bằng phương pháp vật lý hóa học để chế tạo thành vật liệu siêu kị nước có khả tự làm sạch, chống bám bẩn [3] Vật liệu siloxan thu hút quan tâm để sử dụng làm màng phủ trực tiếp bề mặt kính, để chống mờ mốc chống ăn mịn muối mơi trường biển đảo Việt Nam [1] Bài báo trình bày kết tổng hợp vật liệu sở hợp chất PMHS (poly methyl hydro siloxane) TEOS (tetra ethoxysilane) chống ăn mịn muối bảo vệ bề mặt kính quang học PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng hợp vật liệu Dung dịch B: tỷ lệ thể tích TEOS : C2 H5 OH = 1:9 Quá trình tổng hợp vật liệu sở hợp chất PMHS:TEOS khảo sát theo tỷ lệ thể tích sau: nhỏ phần dung dịch PMHS (TEOS) vào phần dung môi C2 H5 OH, pH hệ điều chỉnh 10 Hỗn hợp tiếp tục khuấy 02 nhiệt độ phòng Hệ vật liệu tổng hợp thu cách trộn dung dịch A dung dịch B theo tỷ lệ thể tích tương ứng PMHS:TEOS = 1:1; PMHS:TEOS = 1:2 PMHS:TEOS = 2:1 với điều kiện xúc tác NaOH 0,1N khoảng pH 10 Hỗn hợp khuấy 02 nhiệt độ phòng già hóa 10 nhiệt độ phịng 2.2 Phương pháp thử Trình tự thử nghiệm sau: Vật liệu sau tổng hợp phủ tạo màng lên bề mặt kính quang học tiến hành chụp ảnh SEM, đo độ truyền quang khả chịu muối Đo góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt màng phủ (thiết bị đo góc tiếp xúc sức căng bề mặt kí hiệu KSV (Đức); đo độ truyền quang kính máy quang phổ UV-2550 (Mĩ); khả chịu muối thử nghiệm mức khắc nghiệt thiết bị S450/ascott (Mĩ), thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM) D4800-Hitachi Hóa chất tổng hợp vật liệu: Poly methyl hydro siloxane (PMHS, 99%), tetra ethoxysilane (TEOS, 99%), ethyl ancol (khan), natri hidroxit (NaOH, 99,9%) Nền kính quang học nghiên cứu: vật liệu KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Tổng hợp vật liệu PMHS TEOS thủy tinh K8, với hệ số chiết suất nD =1,51679 Hợp chất silic sử dụng tổng hợp vật liệu Dung dịch A: tỷ lệ thể tích PMHS: mẫu M1 , M2 , M3 tương ứng với tỉ lệ C2 H5 OH = 1:9 467 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 PMHS : TEOS (theo thể tích) 1:1; nghiệm cho thấy, thể tích PMHS : 1:2; 2:1 điều kiện xúc tác NaOH 0,1N TEOS 2:1 thời gian khô màng lâu pH 10 độ bám dính màng giảm so với tỷ lệ PMHS:TEOS 1:1 1:2 Bảng Góc tiếp xúc giọt nước Sau đo góc tiếp xúc, tiến hành xác định Ký hiệu M0 M1 M2 M3 độ truyền quang màng phủ kính quang Góc tiếp học tính độ truyền quang trung bình 57,40 102,6 94,38 111,26 xúc (độ) vùng bước sóng 450650 nm trình bày Kết cho thấy, mẫu kính trước phủ Hình Bảng (M0 ) đo góc tiếp xúc đạt 57,40o , mẫu kính sau phủ vật liệu tổng hợp M1 , M2 , M3 với tỉ lệ PMHS:TEOS tương ứng 1:1; 1:2; 2:1 đạt góc tiếp xúc 1020 , M1 M0 94,38 111,26 (đo màng phủ khơ hồn tồn sau 02 giờ) M0 M1 M2 M3 M2 M3 Hình Giản đồ độ truyền quang mẫu kính khơng sử dụng vật liệu tạo màng phủ (M ) có sử dụng vật liệu tạo màng phủ ( M1 , M2 , M3 ) Bảng Độ truyền quang trung bình vật liệu vùng bước sóng 450650 nm Hình Góc tiếp xúc giọt nước trước phủ màng (M0 ) sau phủ màng bảo vệ (M1, M2 , M3 ) Độ tăng giảm góc tiếp xúc phụ thuộc vào độ tăng giảm tiền chất PMHS TEOS, tăng hàm lượng PMHS góc tiếp xúc tăng mạnh so với tăng hàm lượng TEOS Phân tử PMHS dung mơi etanol có xu hướng xoắn ốc, cấu trúc dạng vòng Độ xoắn ốc phụ thuộc vào lực đẩy phân tử, nên nồng độ tiền chất thấp lực đẩy yếu vịng xoắn dài, ngược lại nồng độ cao vòng xoắn dày [2] Khi lượng lớn nhóm -CH3 nằm bề mặt vịng làm cho tính kị nước màng phủ tăng lên đáng kể Trong điều kiện có mặt xúc tác NaOH, phản ứng thủy phân TEOS sảy làm xuất nhóm -OH, kết xảy phản ứng trùng ngưng nhóm -OH với nhóm -OH thủy tinh -OH PMHS tạo thành màng phủ bề mặt kính [3] Như vậy, TEOS chất có vai trị kết nối thủy tinh với PMHS Các thử Ký hiệu M0 M1 M2 M3 Độ truyền quang, % 92,66 92,25 91,91 91,84 Kết Bảng cho thấy, mẫu M0 không phủ vật liệu so với mẫu M1 , M2 M3 phủ vật liệu chống mờ lên bề mặt kính độ truyền quang kính có thay đổi theo chiều hướng giảm, độ giảm ứng với tiền chất khác Tuy nhiên, độ truyền quang mẫu kính phủ vật liệu giảm khơng đáng kể, đáng ý mẫu M1 cho độ truyền quang giảm thấp với góc tiếp xúc lớn (1020 ) Điều cho thấy, sử dụng tỉ lệ 1:1 cho kết góc tiếp xúc giọt nước tốt ứng với độ truyền quang cao chiết suất trước phủ (nD=1,51687) sau phủ (nD =1,51686) gần không thay đổi Do vậy, lựa chọn hợp chất silic với tỉ lệ PMHS:TEOS = 1:1 để thực nghiên cứu 468 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 3.2 Khả chịu muối màng phủ mạnh xuống 76,79 , màng phủ không Tiến hành thử nghiệm khả chịu khả chống xâm thực muối Vậy, muối màng dựa theo chu kỳ mức với điều kiện thử nghiệm mù muối mức khắc nghiệt với mẫu khơng phủ có khắc nghiệt màng phủ ngăn cản phủ vật liệu Sau chu kì tiến hành lấy ăn mịn muối tốt sau chu mẫu, chụp ảnh SEM (Hình 3) góc thấm ướt kỳ khả giảm nhanh số chu kỳ (Hình 4) để đánh giá tính chất vật liệu thử mù muối tăng Kết phù hợp với kết ảnh SEM Hình E0 E3 E1 E2 E0 E1 E2 E5 E4 Hình Góc tiếp xúc giọt nước vật liệu trước (E ) sau thử nghiệm mù muối (E , E , E , E E tương ứng 1, 2, 3, chu kỳ) E3 E5 E4 Hình Ảnh SEM vật liệu trước (E ) sau thử nghiệm mù muối (E , E , E , E E tương ứng 1, 2, 3, chu kỳ) Hình ảnh màng phủ vật liệu bề mặt kính quang học sau thử nghiệm 1, 2, chu kỳ cho thấy có biến đổi hình thái bề mặt, nhiên biến đổi không đáng kể chưa xuất dấu hiệu phá hủy màng Khi tăng lên chu kỳ thử nghiệm màng phủ có thay đổi nhiều hơn, bề mặt mẫu xuất mảng ố, dấu hiệu màng phủ bị hư hỏng Tuy nhiên, hình ảnh khơng cho thấy bong tróc lớp màng phủ Để làm rõ ảnh hưởng muối đến suy giảm khả bảo vệ màng phủ, tiến hành đo góc tiếp xúc giọt nước vật liệu trước sau thử nghiệm mù muối Bảng Góc tiếp xúc màng phủ chu kỳ thử mù muối khác KẾT LUẬN Tổng hợp vật liệu phủ tạo màng bảo vệ kính quang học sở hợp chất silic (PMHS/TEOS) với tỉ lệ PMHS:TEOS = 1:1 Kết cho màng phủ có khả kị nước tốt với góc thấm ướt 102,6 o ; độ truyền quang lớn 92% Khả ngăn cản ăn mòn muối sau chu kỳ thử nghiệm mức khắc nghiệt Kết mở hướng ứng dụng vật liệu bảo quản cho kính mơi trường khí hậu biển đảo Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ký hiệu E0 E1 E2 E3 E4 E5 Góc tx, độ102,60 101,61 99,10 98,88 97,55 76,79 Kết cho thấy, tăng số chu kỳ thử nghiệm góc tiếp xúc vật liệu giảm dần (từ 102,600 xuống 101,61; 99,10; 98,88; 97,55 sau 1, 2, chu kỳ) Sự giảm không đáng kể, chứng tỏ màng phủ có khả ngăn cản phá hủy muối gây Tiếp tục tăng số chu kỳ thử nghiệm lên chu kỳ góc tiếp xúc giảm [2] [3] 469 Vũ Minh Thành, et al, Xác định nguyên nhân gây mờ kính quang học thành phần vật liệu chống mờ kính ngắm quang học mơi trường biển đảo, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 27 (8/2013) H.M Shang, et al, (2005), Optically transparent superhydrophobic silica-based films, Thin Solid Films 472, 37– 43 A Glass Jr, et al, 1996, 1996, “Reaction of atomic hydrogen with hydrogenated porous silicon-detection of precursor to silane formation”, Surface science, 348 (3), pp 325-334 ... M3 Hình Giản đồ độ truyền quang mẫu kính không sử dụng vật liệu tạo màng phủ (M ) có sử dụng vật liệu tạo màng phủ ( M1 , M2 , M3 ) Bảng Độ truyền quang trung bình vật liệu vùng bước sóng 450650... Minh Thành, et al, Xác định nguyên nhân gây mờ kính quang học thành phần vật liệu chống mờ kính ngắm quang học mơi trường biển đảo, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 27 (8/2013) H.M Shang, et... khả bảo vệ màng phủ, tiến hành đo góc tiếp xúc giọt nước vật liệu trước sau thử nghiệm mù muối Bảng Góc tiếp xúc màng phủ chu kỳ thử mù muối khác KẾT LUẬN Tổng hợp vật liệu phủ tạo màng bảo vệ kính