Khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam có ảnh hưởng lớn tới chất lượng và độ bền lâu của các công trình xây dựng mỹ thuật và trang trí ngoài trời, đặc biệt là các lớp sơn phủ bên ngoài – phần chịu tác động trước tiên và trực tiếp của môi trường. Các tác động vật lý, cơ lý, hoá học và sinh học... của môi trường khiến cho bề mặt công trình mau chóng có những biểu hiện phai màu, tích tụ các chất bẩn và vi khuẩn sinh ra rêu mốc dẫn đến suy giảm chất lượng. Công tác tu bổ, sơn phủ định kỳ không những đòi hỏi khoản kinh phí nhất định, mà còn làm ảnh hưởng không nhỏ tới việc vận hành, sử dụng công trình. Nước ta có một hệ thống các di tích lịch sử, văn hóa rất phong phú và đa dạng. Đã có trên 3000 di tích được xếp hạng cấp quốc gia và nhiều công trình xây dựng mỹ thuật đã và đang được xây mới, vì thế nhu cầu về bảo tồn, trùng tu di tích rất lớn. Do vậy, cần có một lớp màng phủ kị nước cho bề mặt các công trình để nâng cao độ bền lâu mà không làm thay đổi mỹ thuật và giữ lại được vẻ cổ kính dưới tác động của môi trường. Hiện nay, màng phủ kị nước thường được sử dụng trên cơ sở chất kết dính polyme hữu cơ chủ yếu là nhựa acrylic biến tính, polybutadien,... và các hạt nano SiO2, TiO2, SnO,... có độ bám dính cao, kị nước tốt, chịu được điều kiện khắc nghiệt của môi trường đã được một số công ty nước ngoài có cơ sở tại Việt Nam cung cấp. Tuy nhiên, màng phủ trên cơ sở polyme hữu cơ có nhược điểm là không thân thiện môi trường và không cho thoát hơi ẩm từ bên trong tường ra ngoài, do đó màng dễ bị bong rộp theo thời gian. Để khắc phục nhược điểm trên, cần phải thay thế chất kết dính hữu cơ bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở polyme siloxan, thuỷ tinh lỏng mô đun cao,… Với đặc tính thở trong cấu trúc khi tạo màng của chất kết dính vô cơ sẽ dẫn tới màng có thể cho hơi ẩm thoát từ bên trong ra ngoài nhưng vẫn đảm bảo tốt khả năng kị nước. Đồng thời, màng vẫn có được độ bám dính tốt với các bề mặt gốm, bê tông, đá,… do có khả năng tạo liên kết hoá học giữa màng phủ và nền. Mặt khác, màng phủ trên cơ sở chất kết dính vô cơ, dung môi sử dụng là nước nên rất thân thiện môi trường. Việc nghiên cứu chế tạo ra dung dịch kị nước đa tính năng trên cơ sở chất kết dính vô cơ, không sử dụng dung môi hữu cơ để làm màng phủ kị nước, chống bám bẩn,... cho các bề mặt công trình xây dựng mỹ thuật và trang trí ngoài trời sẽ đa dạng hóa chủng loại sản phẩm màng phủ nói chung và màng phủ kị nước nói riêng và thay thế được các dòng sản phẩm màng phủ kị nước đang được nhập ngoại. Từ thực tế trên, nhóm nghiên cứu của Viện Vật liệu xây dựng đã đề xuất và được Bộ Xây dựng giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng phủ kị nước không màu, đa tính năng từ nano silica (nano SiO2) ứng dụng bảo vệ bề mặt các công trình mỹ thuật và trang trí ngoài trời” với mục tiêu nghiên cứu chế tạo được màng phủ kị nước trên các bề mặt vữabê tông xi măng, ngói, gạch... có độ bền lâu cao trong điều kiện thời tiết khí hậu nhiệt ẩm.
MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Nội dung nghiên cứu Trang 6 TỔNG QUAN VẬT LIỆU KỊ NƯỚC 3.1 Hiện tượng kị nước tự nhiên 3.2 Vật liệu kị nước nhân tạo 3.2.1 Ống nano cac bon 3.2.2 Hợp chất kim loại có cấu trúc dạng hạt nano nanorod 3.2.3 Vật liệu hợp kim 3.2.4 Vật liệu polyme nanocompozit 3.3 Tính chất màng phủ kị nước 3.3.1 Tính chất bám dính 3.3.2 Tính thấm ướt bề mặt màng phủ nano kị nước 3.3.3 Tính chất quang học 3.3.4 Tính chất chống ăn mòn 3.3.5 Tính dẫn điện 3.4 Tình hình nghiên cứu sử dụng màng phủ kị nước giới Việt 7 9 10 10 11 12 12 13 15 15 16 16 Nam 3.5 Cơ sở khoa học vấn đề nghiên cứu 3.5.1 Cơ sở lý thuyết vấn đề thấm ướt góc tiếp xúc 3.5.1.1 Phương trình Yoang 3.5.1.2 Phương trình Wenzel, Cassie-Baxter 3.5.1.3 Góc tiếp xúc trễ 3.5.2 Cơ chế tương tác chất tạo màng chất phân tán 3.5.3 Cơ chế đóng rắn màng phủ kị nước sở chất kết dính 19 19 19 21 23 24 27 polysiloxan 3.5.4 Cơ chế tương tác chất phủ, đặc tính thở màng 29 polysiloxan NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Nguyên vật liệu 4.1.1 Chất tạo màng 4.1.2 Bột nano SiO2 kị nước 4.1.3 Các loại phụ gia 4.2 Các phương pháp nghiên cứu 4.2.1 Các phương pháp thử tiêu chuẩn 4.2.2 Phương pháp xác định khả thoát nước 31 31 31 32 32 32 32 33 4.2.3 Phương pháp xác định góc tiếp xúc 4.2.4 Phương pháp phân tích ảnh SEM 4.2.5 Phương pháp phân tích TEM 33 33 34 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng chất tạo màng khác đến đặc tính 34 34 kị nước khả thoát nước màng phủ 5.2 Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện công nghệ phân tán hạt nano 38 SiO2 đến tính chất kị nước màng phủ 5.2.1 Ảnh hưởng tốc độ khuấy 5.2.2 Ảnh hưởng thời gian khuấy 5.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ khuấy đến tính kị nước màng phủ 5.3 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán thích hợp để phân tán hạt 38 39 40 41 nano SiO2 dung dịch chất tạo màng 5.4 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt để nâng cao tính chất kị nước 43 màng phủ 5.5 Ảnh hưởng hàm lượng SiO2 đến tính chất kị nước màng phủ 5.6 Nghiên cứu qui trình phối trộn dung dịch 5.7 Đánh giá chất lượng màng phủ kị nước sở chất kết dính polysiloxan SẢN XUẤT, ỨNG DỤNG THỬ VÀ SƠ BỘ TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH 6.1 Sản xuất thử ứng dụng thử 6.1.1 Sản xuất thử 6.1.2 Ứng dụng thử 6.2 Tính toán sơ giá thành QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DUNG DỊCH KỊ NƯỚC 7.1 Nguyên liệu 7.2 Phối liệu 7.3 Trang thiết bị 7.4 Qui trình công nghệ sản xuất 7.4.1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất 7.4.1.2 Mô tả công nghệ sản xuất 7.5 Qui trình sử dụng dung dịch kị nước cho bề mặt vữa- bê tông, ngói, gạch 7.5.1 Chuẩn bị bề mặt cần phủ 7.5.2 Chuẩn bị dung dịch kị nước 7.5.3 Phun phủ cho bề mặt vật liệu 45 47 48 51 51 51 53 55 58 58 58 58 58 59 59 60 60 60 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 64 PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam có ảnh hưởng lớn tới chất lượng độ bền lâu công trình xây dựng mỹ thuật trang trí trời, đặc biệt lớp sơn phủ bên – phần chịu tác động trước tiên trực tiếp môi trường Các tác động vật lý, lý, hoá học sinh học môi trường khiến cho bề mặt công trình mau chóng có biểu phai màu, tích tụ chất bẩn vi khuẩn sinh rêu mốc dẫn đến suy giảm chất lượng Công tác tu bổ, sơn phủ định kỳ đòi hỏi khoản kinh phí định, mà làm ảnh hưởng không nhỏ tới việc vận hành, sử dụng công trình Nước ta có hệ thống di tích lịch sử, văn hóa phong phú đa dạng Đã có 3000 di tích xếp hạng cấp quốc gia nhiều công trình xây dựng mỹ thuật xây mới, nhu cầu bảo tồn, trùng tu di tích lớn Do vậy, cần có lớp màng phủ kị nước cho bề mặt công trình để nâng cao độ bền lâu mà không làm thay đổi mỹ thuật giữ lại vẻ cổ kính tác động môi trường Hiện nay, màng phủ kị nước thường sử dụng sở chất kết dính polyme hữu chủ yếu nhựa acrylic biến tính, polybutadien, hạt nano SiO2, TiO2, SnO, có độ bám dính cao, kị nước tốt, chịu điều kiện khắc nghiệt môi trường số công ty nước có sở Việt Nam cung cấp Tuy nhiên, màng phủ sở polyme hữu có nhược điểm không thân thiện môi trường không cho thoát ẩm từ bên tường ngoài, màng dễ bị bong rộp theo thời gian Để khắc phục nhược điểm trên, cần phải thay chất kết dính hữu chất kết dính vô sở polyme siloxan, thuỷ tinh lỏng mô đun cao,… Với đặc tính thở cấu trúc tạo màng chất kết dính vô dẫn tới màng cho ẩm thoát từ bên đảm bảo tốt khả kị nước Đồng thời, màng có độ bám dính tốt với bề mặt gốm, bê tông, đá,… có khả tạo liên kết hoá học màng phủ Mặt khác, màng phủ sở chất kết dính vô cơ, dung môi sử dụng nước nên thân thiện môi trường Việc nghiên cứu chế tạo dung dịch kị nước đa tính sở chất kết dính vô cơ, không sử dụng dung môi hữu để làm màng phủ kị nước, chống bám bẩn, cho bề mặt công trình xây dựng mỹ thuật trang trí trời đa dạng hóa chủng loại sản phẩm màng phủ nói chung màng phủ kị nước nói riêng thay dòng sản phẩm màng phủ kị nước nhập ngoại Từ thực tế trên, nhóm nghiên cứu Viện Vật liệu xây dựng đề xuất Bộ Xây dựng giao thực đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng phủ kị nước không màu, đa tính từ nano silica (nano SiO 2) ứng dụng bảo vệ bề mặt công trình mỹ thuật trang trí trời” với mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng phủ kị nước bề mặt vữa-bê tông xi măng, ngói, gạch có độ bền lâu cao điều kiện thời tiết khí hậu nhiệt ẩm MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Đưa qui trình công nghệ chế tạo dung dịch kị nước tính cao Sản phẩm nghiên cứu cần đạt số tiêu chất lượng bảng 1: Bảng 1: Chỉ tiêu chất lượng cần đạt màng phủ kị nước TT Chỉ tiêu Góc tiếp xúc Khả chống bám bẩn Độ truyền quang Độ bền thời tiết tăng tốc Độ bám dính màng Độ bền nước Độ bền kiềm Đơn vị Mức đăng ký Độ 110 Bậc % Giờ Điểm Giờ Giờ > 88 > 2000 ≤2 480 240 Phương pháp thử Fox, H.W and Zisman TCVN 8785-5:2011 TCVN 7219:2002 ASTM B117-97 TCVN 6934:2001 TCVN 6934:2001 TCVN 6934:2001 2.2 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lựa chọn chất tạo màng - Nghiên cứu lựa chọn công nghệ phân tán nano SiO dung dịch chất - tạo màng Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt Nghiên cứu cấp phối chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước Nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước Đánh giá tiêu chất lượng màng phủ nghiên cứu so sánh với mẫu đối chứng TỔNG QUAN VẬT LIỆU KỊ NƯỚC 3.1 Hiện tượng kị nước tự nhiên Bề mặt siêu kị nước bề mặt tự làm tồn khắp nơi tự nhiên Những ví dụ điển cánh bướm, chân loài nhện nước, số loại cây, Côn trùng thực vật sử dụng đặc tính kị nước để bảo vệ chúng chống lại bệnh tật thích nghi với môi trường sống Trong số đó, sen ví dụ điển hình (hình 1), sen biểu tượng cho tinh khiết, đặc trưng vài tôn giáo Châu Á thể thiêng liêng đạo phật Mặc dù sống môi trường bùn nước sen Khi nước mưa rơi sen, nước lăn bề mặt giúp sen rửa vết bẩn bề mặt Khả tự làm bề mặt sen thu hút quan tâm nhà nghiên cứu vòng thập kỷ qua Nhờ công nghệ hiển vi điện tử, nhà khoa học biết đến khả đẩy nước vết bẩn từ bề mặt siêu kị nước bề mặt sen có cấu trúc hai lớp với khối u có kích thước khoảng 10 µm, khối u phủ dầy đặc tinh thể sáp thực vật hình ống có kích thước khoảng 100 nm Lớp sáp có lượng bề mặt thấp sáp paraffin tạo bề mặt kị nước (a) (b) Hình 1: (a) Cây sen; ( b) Giọt nước bề mặt sen Do đó, nước rơi bề mặt co cụm lại thành giọt bề mặt tiếp xúc giọt nước sen nhỏ làm giảm bám dính chúng dẫn đến giọt nước lăn dễ dàng (hình 2b) Mặt khác, vết bẩn bề mặt thường lớn cấu trúc tế bào có độ bám dính với bề mặt sen thấp Khi giọt nước lăn qua phần tử chất bẩn phần tử chất bẩn bám dính với giọt nước tốt chúng bị giọt nước làm cho bề mặt trở nên [1] (b) (a) Hình 2: (a) Ảnh SEM bề mặt sen, ô biểu bì bao bọc tinh thể nano sáp (cỡ 20 μm); (b) Quá trình tự làm bề mặt bề mặt nhám Một ví dụ khác loài nhện nước, loài côn trùng thấy nhiều ao hồ sông suối (hình 3a) Loài nhện nước có khả đứng di chuyển bề mặt nước nhờ đôi chân đặc biệt Chân nhện nước có sợi lông hình kim có kích thước khoảng 30µm, nghiêng góc 30 o so với bề mặt ngang chân (hình 3b) Trên sợi lông có rãnh có kích thước nano, chiều rộng khoảng 400nm sâu 200nm (hình 3c, d, e, f) Giống sen, lớp biểu bì nhện nước phủ lớp sáp kị nước có góc tiếp xúc với nước 105 o, nhờ phân cấp độc đáo cấu trúc chân làm cho chân nhện nước có tính chất siêu kị nước với góc tiếp xúc lên tới 167 o Những chân kị nước làm cho nhện nước đỡ trọng lượng thể di chuyển dễ dàng bề mặt nước Hình 3: (a) Nhện nước đứng bề mặt nước; (b) Ảnh SEM bề mặt chân nhện nước có nhiều gai định hướng có kích thước micro; (c, d, e, f) Cấu trúc dạng rãnh kích thước nanomet lông 3.2 Vật liệu kị nước nhân tạo 3.2.1 Ống nano cac bon Ống nano bon loại vật liệu phát từ năm 1991, có tính chất điện tốt Do đó, vật liệu sử dụng rộng rãi nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng Năm 2001, Jiang cộng [2] nghiên cứu chế tạo màng phủ siêu kị nước sở ống nano bon có cấu trúc micromet nanomet xếp song song biến tính bề mặt với hợp chất fluoroalkylsilan, tạo màng phủ có tính chất vừa kị nước vừa kị dầu với góc tiếp xúc với nước dầu hạt cải 171 1610 Năm 2003, Lau cộng chế tạo màng phủ siêu kị nước sở sử dụng ống nano cacbon đường kính cỡ 50nm với chiều cao khoảng 2µm phủ lớp polytetrafluoetylen mỏng bề mặt, thu lớp màng phủ có tính kị nước ổn định thời gian dài với góc tiếp xúc 168o 3.2.2 Hợp chất kim loại có cấu trúc dạng hạt nano nanorod Cùng với phát triển nghiên cứu vật liệu vô cơ, loại vật liệu vô siêu kị nước đưa với số lượng lớn Ví dụ, ZnO oxit bán dẫn có vùng chuyển tiếp cấm 3.2eV, nghiên cứu nhiều ứng dụng quang điện, quang dẫn với mức chi phí thấp Jiang cộng mô tả khả thấm ướt vật liệu phụ thuộc vào xếp nanorod ZnO màng Năm 2003, Feng cộng màng oxit vô có tính chất siêu kị nước bảo quản tối tính chất siêu thấm chiếu sáng tác dụng tia cực tím Những ảnh hưởng kết hợp bề mặt nhạy cảm ánh sáng xếp cấu trúc nano màng Jiang đồng nghiệp chế tạo màng nanorod TiO SnO2 đế thủy tinh để tạo bề mặt kị nước Hai bề mặt chuyển đổi từ siêu kị nước sang siêu thấm ướt đảo chiều tia cực tím điều kiện bảo quản tối Phương pháp để chế tạo màng nanorod TiO SnO2 sử dụng phương pháp vật lý hóa học phún xạ, lắng đọng dòng điện galvanic, sol-gel,…[2] 3.2.3 Vật liệu hợp kim Những vật liệu kĩ thuật thép, nhôm, titan hợp kim chúng, hợp kim nhôm hợp kim titan có nhiều ứng dụng ngành hàng không, hàng hải, tự động hóa vũ trụ Trong tương lai, bề mặt siêu kị nước hợp kim mở rộng phạm vi ứng dụng Liu cộng [3] sử dụng phương pháp đơn giản rẻ tiền để chế tạo bề mặt siêu kị nước bề mặt nhôm hợp kim phương pháp oxy hóa biến đổi hóa học Bề mặt siêu kị nước có thời gian sống dài môi trường pH khác Bằng phương pháp khắc hóa học, Liu chế tạo hệ thống dung dịch hỗn hợp để tạo bề mặt siêu kị nước bề mặt hợp kim thép, đồng titan Bề mặt siêu kị nước chịu dung dịch muối với nồng độ dung dịch khác Do vậy, mở ứng dụng đặc biệt cho vật liệu kỹ thuật yêu cầu độ bền cao môi trường nước muối 3.2.4 Vật liệu polyme nanocompozit Jiang cộng tổng hợp sợi nano polyacrylonitrile cách ép dung dịch polyacrylonitrie áp suất Các sợi nano với đường kính mật độ khác dễ dàng thu cách sử dụng màng nhôm có đường kính lỗ khác Sợi nano polyacrylonitrile có cấu trúc nano tương tự cấu trúc ống nano cacbon có mật độ thấp có góc tiếp xúc với nước 173,8o mà không cần phải biến tính bề mặt vật liệu kị nước Từ sợi nano polyacrylonitrile chế tạo bề mặt nano compozit siêu kị nước với việc sử dụng polyme polyvinyl alcohol, polystyren, polyeste polyamit làm nhựa Mc Carthy cộng chế tạo bề mặt polypropylen siêu kị nước việc khắc đồng thời polypropylen khắc/phun xạ polytetrafluoroethylen sử dụng cảm ứng plasma môi trường khí argon tần số vô tuyến Những bề mặt có tính siêu kị nước với góc tiếp xúc với nước 172 Shimomura cộng chế tạo màng trang trí hình tổ ong từ màng polyme fluorinat phương pháp đúc dung dịch polyme điều kiện không khí ẩm Màng giống hình tổ ong suốt, siêu kị nước màng phủ lên nhiều vật liệu khác Màng nano polyanilin tổng hợp phương pháp mạ điện anilin vào lỗ anot nhôm oxit Ti/Si, sau loại bỏ nhôm Bề mặt thu có tính dẫn điện tính chất siêu kị nước, trí bền môi trường ăn mòn, môi trường axit bazơ với dải pH rộng [3] Ngoài vật liệu polyme trên, vật liệu nanocompozit nghiên cứu ứng dụng rộng rãi dựa sở kết hợp vật liệu polyme chất gia cường hạt nano như: SiO 2, ZnO,… Phương pháp để chế tạo vật liệu nanocompozit chủ yếu phương pháp trộn hợp đơn giản Tính chất vật liệu điều chỉnh cách thay đổi nguyên liệu đầu vào 10 tiêu độ bám dính màng phủ Tuy nhiên, tiêu độ bám dính màng phủ suy luận qua hai phép thử độ bền rửa trôi độ bền nhiệt ẩm Sau thử nghiệm hai tiêu độ bền rửa trôi độ bền nhiệt ẩm màng phủ kị nước cho thấy đạt mức yêu cầu tương đương lớp màng sơn tường ngoài, qua hoàn toàn khẳng định độ bám dính màng phủ kị nước đạt yêu cầu Đề tài tiến hành phân tích độ phân tán hạt nano SiO dung dịch chất tạo màng polysiloxan phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hình thái cấu trúc bề mặt màng phủ kị nước đóng rắn kính hiển vi điện tử quét (SEM), kết trình bày hình 23 24 Hình 23: Ảnh TEM phân tán hạt nano SiO2 dung dịch kị nước Hình 24: Ảnh SEM cấu trúc bề mặt màng phủ kị nước 48 Từ ảnh TEM hình 23 nhận thấy: nano SiO phân tán thành tập hợp hạt polysiloxan với kích thước tập hợp hạt khoảng 50÷100 nm Trong đó, mẫu chụp SEM màng phủ đóng rắn hình 24 cho thấy hạt nano SiO2 phân bố đồng bề mặt màng phủ phân tán tới kích thước trung bình khoảng 400nm SẢN XUẤT, ỨNG DỤNG THỬ VÀ SƠ BỘ TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH 6.1 Sản xuất thử ứng dụng thử 6.1.1 Sản xuất thử Để sản xuất thử ứng dụng thử, đề tài tiến hành chế tạo 250 kg dung dịch màng phủ với cấp phối nguyên liệu nêu bảng Sau sản xuất thử dung dịch kị nước theo cấp phối trên, đề tài tiến hành kiểm tra tiêu chất lượng sản phẩm sản xuất thử Kết kiểm tra chất lượng sản phẩm nêu bảng 10 Bảng 9: Cấp phối nguyên liệu chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước TT Nguyên liệu Tỷ lệ khối lượng, % Khối lượng, kg Polysiloxan 78,38 195,95 Phụ gia phá bọt 0,039 0,096 Bột nano SiO2 kị nước 1,176 2,94 Phụ gia phân tán 0,117 0,29 Nước 20,37 50,93 100 250 Tổng số Bảng 10: Các tiêu chất lượng sản phẩm sản xuất thử 49 Tên tiêu kỹ thuật Đvt Góc tiếp xúc Độ Khả chống bám bẩn Bậc Độ truyền quang % Độ bền thời tiết tăng tốc Giờ Độ bền nước Giờ Độ bền kiềm Giờ Độ bền rửa trôi Chu kỳ Độ bền nhiệt ẩm Ngày Mức đạt Trong phòng Sản xuất thí nghiệm thử 112 89 2040 > 504 > 264 Đạt 112 90 2250 > 500 > 300 > 1500 Đạt Phương pháp xác định Máy ảnh TCVN 8785-5:2011 TCVN 7219:2002 ASTM B117-97 TCVN 6934:2001 TCVN 6934:2001 ASTMD2486:2006 TCVN 341:2005 Từ kết bảng 10 nhận thấy: sản phẩm sản xuất thử có chất lượng tương đương với sản phẩm nghiên cứu phòng thí nghiệm Đề tài tiến hành kiểm tra chất lượng sản phẩm dung dịch kị nước có tên thương mại Darkener Super nhà cung cấp Akemi để so sánh với sản phẩm đề tài chế tạo (ký hiệu COTI-12) Kết nêu bảng 11 Bảng 11: So sánh tính chất màng phủ kị nước Darkener Super màng phủ kị nước COTI-12 Tên tiêu Góc tiếp xúc Khả chống bám bẩn Độ truyền quang Độ bền thời tiết tăng tốc Độ bền nước Độ bền kiềm Đơn Mức đạt Phương pháp vị đo COTI-12 Darkener Super xác định Độ Bậc % Giờ Giờ Giờ 112 88 2250 > 500 > 300 115 90 2200 > 500 > 300 Máy ảnh TCVN 8785-5:2011 TCVN 7219:2002 ASTM B117-97 TCVN 6934:2001 TCVN 6934:2001 Từ bảng 11 nhận thấy, góc tiếp xúc độ truyền quang màng phủ COTI-12 thấp màng phủ thương mại Darkener Super, độ bền thời tiết đo lại tốt so với sản phẩm thương mại Nhìn chung tính chất khảo sát cho thấy sản phẩm màng phủ kị nước COTI-12 có tính chất tương đương với sản phẩm thương mại Darkener Super 6.1.2 Ứng dụng thử 50 Sản phẩm sản xuất thử ứng dụng thử tượng đài Bác Hồ (Nhà máy thủy điện Hòa Bình, tỉnh Hòa Bình) Tượng đài Bác Hồ hoàn thành đưa vào sử dụng đầu năm 1997, tượng đài làm vật liệu bê tông xi măng có cốt liệu thô đá granit Trải qua 14 năm, sau nhiều lần sửa chữa đến năm 2011 tượng đài Bác Hồ có xuất vết nứt chân chim dẫn đến tượng bị thấm cục bộ, rêu mốc bám bề mặt làm ảnh hưởng xấu tới hình ảnh tượng Bác Được đồng ý Nhà máy thủy điện Hòa Bình đơn vị thi công sửa chữa, sau hoàn thiện công đoạn xử lý vết nứt, rửa bề mặt tượng Bác, đơn vị thi công phun phủ sản phẩm chất phủ siêu kị nước COTI-12 lên toàn bề mặt công trình tượng Bác Tổng diện tích bề mặt tượng đài Bác bao gồm phần đế phần tượng khoảng 400 m2, phun phủ hết 120 lít dung dịch COTI-12 Sau 01 ngày kể từ kết thúc trình phun phủ, tiến hành cho phun nước lên bề mặt tượng đài Bác để kiểm tra nhận thấy: bề mặt bê tông sáng rõ đẹp hơn; phun nước lên bề mặt bê tông, nước không thấm vào bê tông mà trôi tuột kèm theo bụi bẩn bám bề mặt nền; không thấy xuất hiện tượng ẩm bề mặt bê tông Sản phẩm ứng dụng tượng Bác Hồ nhà thầu thi công đánh giá cao hiệu chống thấm ban đầu trình thi công tương tự trình thi công dung dịch chống thấm Radcon Chủ đầu tư Công ty Thủy điện Hòa Bình có nhận xét việc ứng dụng chất phủ siêu kị nước bảo vệ bề mặt tượng đài Bác Hồ (xem phụ lục) 51 Hình 25: Tượng đài Bác Hồ công trình thủy điện Hòa Bình Hình 26: Sản phẩm dung dịch chất phủ siêu kị nước COTI-12 52 Hình 27: Thi công màng phủ siêu kị nước COTI-12 tượng đài Bác Hồ 6.2 Tính toán sơ giá thành Để đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật màng phủ kị nước COTI-12, tiến hành tính toán giá thành sở quy trình công nghệ mục số giả thiết sau: + Sản xuất quy mô pilot, bán giới Tổng sản lượng sản xuất năm 600.000 lít dung dịch + Khấu hao thiết bị năm + Tổng diện tích nhà xưởng 100 m2, giá thuê nhà xưởng 36.000.000 đ/năm Kết tính toán sơ giá thành sản phẩm nêu bảng 12 đến 15, chi phí đầu tư dây chuyền sản xuất nêu bảng 16 53 Bảng 12: Cơ cấu giá thành sản phẩm tính cho công suất 600.000 lít/năm TT Nội dung I Tổng chi phí sản xuất, đó: Tổng chi phí, 1000 đ Nguyên vật liệu Năng lượng Nhân công, phụ cấp Sửa chữa, bảo trì II Chi phí gián tiếp khấu hao tài sản Khấu hao thiết bị 39.258.480 38.804.775 44.225 384.480 25.000 359.731 66.667 Ghi Bảng 13 Bảng 14 Bảng 15 Tạm tính năm Khấu hao nhà xưởng Tiếp thị, quảng cáo, chi khác Chi phí chung 36.000 45.600 211.464 39.618.211 66.030 đ/lit Tổng giá thành Giá thành đơn vị sản phẩm Bảng 13: Chi phí nguyên vật liệu tính cho công suất 600.000 lit/năm TT Tên nguyên vật liệu Đvt Số lượng Đơn giá, Thành tiền, Polysiloxan 470,28 1000 đ 80.000 Phụ gia phá bọt 0,234 40.000 9.360 Bột nano SiO2 kị nước 7,056 50.000 352.800 Phụ gia phân tán 0,702 38.000 26.676 Nước 122,22 5,0 611,1 Bao bì Chiếc 3000 300 900.000 Tổng 600,492 1000 đ 37.622.400 38.804.775 Bảng 14: Chi phí lượng tính cho công suất 600.000 lít/năm TT Nhu cầu Đvt Số lượng Về điện Về nước: 0,34m3/tấn sp Tổng kW m3 28.800 205 Đơn giá, Thành tiền, 1000 đ 1000 đ 1,5 43.200 5,0 1.025 44.225 Bảng 15: Chi phí nhân công tính cho công suất 600.000 lít/năm 54 TT Hạng mục Phụ trách chung Kế toán - Thủ quỹ Công nhân Cộng Bảo hiểm loại Tổng Số Số tháng người 12 12 12 Chi phí, Thành tiền, 1000 đ/ng/th 1000 đ 7.000 84.000 5.000 60.000 4.000 144.000 288.000 96.480 384.480 Bảng 16: Chi phí dây truyền sản xuất tính cho công suất 600.000 lit/năm Đơn giá, Thành tiền, 1000 đ 1000 đ TT Khoản chi Đvt Số lượng Hệ thống thiết bị khuấy trộn tốc độ cao Cái 180.000 180.000 Dụng cụ hỗ trợ Bộ 15.000 15.000 Cân loại Bộ 5.000 5.000 Tổng 200.000 Nhận xét: - Giá thành chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước thấp nhiều so với sản phẩm loại ngoại nhập Hiện giá bán loại sản phẩm hãng Akemi 180.000 đồng/lít - Quy mô hệ thống thiết bị sản xuất nhỏ gọn, giá trị đầu tư không lớn Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu hầu hết phải nhập ngoại khó chủ động trình sản xuất QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DUNG DỊCH KỊ NƯỚC 7.1 Nguyên liệu 55 - Chất tạo màng Polysiloxan nano SiO kị nước có yêu cầu kỹ thuật nêu mục 2.1 - Phụ gia phân tán Oratan TM 731: + Hàm lượng gốc khô: 24 - 26%; + Độ pH: 10,2 – 10,6; + Độ nhớt: 10 – 130 cP; + Tỉ trọng: 1,1 – 1,11 - Phụ gia phá bọt Dapro DF 7010: + Khối lượng riêng: 840 – 880 g/cm3; + Độ nhớt: 600 – 4000 cP - Nước sinh hoạt đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 5502:2003 7.2 Phối liệu Tỉ lệ cấp phối sử dụng để chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước nêu bảng Nước 7.3 Trang thiết bị Định lượng Phụ gia phân tán Bột nano SiO2 Phụ gia phá bọt Định lượng Định lượng Định lượng - Máy khuấy tốc độ cao 4000 vòng/ phút, công suất động máy khuấy chuyển đổi 10 kw.h Dung dịch polysiloxan - Thùng khuấy 1000 kg/mẻ Khuấy tốc độ 600 vòng/phút, - Hệ thống palăng tời kéo.thời gian khuấy 60 phút 7.4 Qui trình công nghệ sản xuất Dung dịch nano SiO2 Định lượng 7.4.1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất Hỗn hợp Sơ đồ công nghệ sản xuất dung dịchdung làmdịch màng phủ kị nước trình bày hình 28 Khuấy tốc độ 4000 vòng/phút, thời gian khuấy 90 phút 56 Dung dịch kị nước Hình 28: Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước 7.4.1.2 Mô tả công nghệ sản xuất * Công đoạn chuẩn bị: Định lượng nước, chất kết dính polysiloxan, bột nano SiO2, phụ gia phân tán, phụ gia phá bọt theo mẻ cấp phối trộn * Công đoạn trộn: + Bước 1: Cho nước vào thùng khuấy, bật máy khuấy vừa khuấy vừa cho nano SiO2, phụ gia phân tán phụ gia phá bọt vào khuấy tốc độ 600 vòng/phút, thời gian khuấy 60 phút hỗn hợp dung dịch chứa nano SiO2 57 + Bước 2: cho từ từ dung dịch chất tạo màng polysiloxan vào hỗn hợp dung dịch nano SiO2 tăng tốc độ khuấy lên 4000 vòng/phút, thời gian khuấy 90 phút thu dung dịch làm màng phủ kị nước * Công đoạn đóng bao xếp kho: Dung dịch làm màng phủ kị nước bơm/xả trực tiếp vào phuy can để chứa, sau đưa vào lưu kho 7.5 Qui trình sử dụng dung dịch kị nước cho bề mặt vữa- bê tông, ngói, gạch 7.5.1 Chuẩn bị bề mặt cần phủ * Lĩnh vực ứng dụng: Ứng dụng bảo vệ bề mặt chống bám bẩn, rêu mốc, phong hóa cho di tích cổ, công trình xây dựng mỹ thuật trang trí trời Ứng dụng chống thấm, bám bẩn, rêu mốc cho công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp cũ Ứng dụng chống thấm hệ thống công trình cầu giao thông: hệ thống trụ cầu, đốt dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực… Ứng dụng chống thấm cho cấu kiện bê tông đúc sẵn, vật liệu xây dựng không nung, ván xi măng-sợi, phẳng, lợp amiăng ximăng… * Chuẩn bị bề mặt cần phủ: Bề mặt vật liệu phủ cần phải làm vết ố, bẩn, rêu mốc, vết dầu mỡ,… khô hoàn toàn trước quét phủ Nếu bề mặt vật liệu có nhiều khuyết tật rỗ hay bị sứt mẻ phải tiến hành sửa chữa khuyết tật làm phẳng bề mặt để khô tối thiểu 72 trước quét phủ dung dịch COTI-12 lên 7.5.2 Chuẩn bị dung dịch kị nước Trước sử dụng phải lắc kỹ khuấy dung dịch COTI-12 thùng đựng Sử dụng trực tiếp COTI-12 chổi sơn, ru lô máy phun, không pha trộn thêm vào dung dịch COTI-12 với loại dung môi hóa chất khác 58 7.5.3 Phun phủ cho bề mặt vật liệu Sau tiến hành làm bề mặt vật liệu, dung dịch kị nước đưa vào thiết bị chuyên dụng (thường sử dụng thiết bị phun để bề mặt màng đồng đều, có độ dày đồng nhất,…) Phun dung dịch kị nước bình thường giống phun loại dung dịch chống thấm dung dịch sơn phủ khác (có thể ứng dụng với bề mặt đứng ngang) Phun phủ bề mặt vật liệu cần phủ lần, lần cách khoảng 1÷2 điều kiện nhiệt độ 25 0C (nếu nhiệt độ cao cần phải rút ngắn thời gian thi công lớp thứ 2) để khô tự nhiên tối thiểu 48 sau phủ điều kiện không bị nước mưa tác động trực tiếp Lưu ý, phun nên tiến hành nơi thoáng mát, phải có mái che để tránh thi công gặp mưa ảnh hưởng tới trình đóng rắn chất lượng màng phủ Mức tiêu hao dung dịch kị nước tùy thuộc vào độ rỗng phẳng bề mặt vật liệu cần phủ phương pháp thi công: - Bề mặt gạch di tích cổ: (2,5 ÷ 3,5) lít/m2 - Bề mặt bê tông, đá tự nhiên, đá marble,…: (0,3 ÷ 1,0) lít/m2 Thời hạn bảo quản dung dịch COTI-12 tối thiểu 12 tháng kể từ ngày sản xuất điều kiện bao gói chưa mở KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Kết luận - Đã nghiên cứu lựa chọn chất tạo màng polysiloxan-Type dùng để chế tạo màng phủ kị nước, có khả thoát ẩm - Đã nghiên cứu chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước sở chất kết dính polysiloxan nano SiO2 có tính chất đạt vượt mức đăng ký đề cương điều kiện nghiên cứu tối ưu là: + Hàm lượng nano SiO2 kị nước 1,5%; + Hàm lượng phụ gia phân tán Oratan TM 731: 10%; + Hàm lượng phụ gia phá bọt Dapro DF 7010: 0,05%; + Điều kiện công nghệ: tốc độ khuấy 4000 vòng/phút, thời gian khuấy 120 phút 59 - Chất lượng sản phẩm màng phủ kị nước đề tài hoàn toàn tương đương với sản phẩm nhập ngoại Darkener Super Theo tính toán sơ giá thành sản phẩm đề tài 66.030 đồng/lít, đơn giá khoảng 37% so với giá bán sản phẩm Darkener Super - Đề tài xây dựng qui trình công nghệ chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước qui mô pilot tương đối đơn giản, có tính khả thi cao - Đề tài tiến hành sản xuất thử 250 kg sản phẩm Kết ứng dụng thử ban đầu tượng đài Bác Hồ (Thủy điện Hòa Bình) đơn vị thi công chủ đầu tư đánh giá cao tính kỹ thuật Đặc biệt quy trình thi công đơn giản, phù hợp với công tác thi công cải tạo, sửa chữa công trình xây dựng mỹ thuật trang trí trời 8.2 Kiến nghị - Đề nghị chủ đầu tư, tư vấn giám sát, đơn vị thi công cho phép ứng dụng sản phẩm số công trình xây dựng mỹ thuật trang trí trời xi măng, đá, gạch, gốm để đánh giá độ bền lâu sản phẩm nghiên cứu - Tiếp tục nghiên cứu dòng sản phẩm kị nước không màu khác sở chất kết dính polysiloxan ứng dụng bảo vệ bề mặt cho kim loại đồng, nhôm, thép gỗ tự nhiên gỗ nhân tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO Barthlott, W.; Neinhuis, C., (1997), Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces Planta, 202 (1), 1-8 Butt, H J.; Graf, K.; Kappl, M., (2003), Physics and chemistry of interfaces Wiley-VCH Quere, D., (2008) Wetting and roughness Annual Review of Materials Research, 38, 71-99 “Colorless Coatings for Brick Masonry,”BIA Technical Notes on Brick Construction-6A, April 1995 Young, T., An Essay on the Cohesion of Fluids Philosophical Transactions of the Royal Society of London 1805, 95, 65-87 60 Shibuichi, S.; Onda, T.; Satoh, N.; Tsujii, K., (1996), Super water-repellent surfaces resulting from fractal structure Journal of Physical Chemistry, 100 (50), 19512-19517 Wenzel, R N., (1936), Resistance of solid surfaces to wetting by water Industrial and Engineering Chemistry, 28, 988-994 Cassie, A B D.; Baxter, S., (1944), Wettability of porous surfaces Transactions of theFaraday Society, 40, 0546-0550 Neinhuis, C.; Barthlott, W., (1997), Characterization and distribution of water-repellent, selfcleaning plant surfaces Annals of Botany, 79 (6), 667-677 10 “Colorless Coatings for Brick Masonry,” BIA Technical Notes on Brick Construction- 7E, February 1987, Brick Institute of America, 11490 Commerce Park Dr., Reston, VA 22091 11 Phạm Thị Vinh Nga, Trịnh Thị Hằng, Phạm Văn Thắng, Trần Quốc Tế (2010), Báo cáo tổng kết đề tài RD 38-09 “Nghiên cứu chế tạo sơn vô chống ăn mòn cho kết cấu thép kim loại” 12 Onda, T.; Shibuichi, S.; Satoh, N.; Tsujii, K., (1996), Super-water-repellent fractal surfaces Langmuir, 12 (9), 2125-2127 13 P Manoudis, I Karapanagiotis, A Tsakalof, I Zuburtikudis, C Panayiotou, Super-hydrophobic polymer/nanoparticle composites for the protection of marble monuments, 9th International Conference on NDT of Art, Jerusalem Israel, 25-30 May 2008 61 62 [...]... dung dch v cht mng nano SiO2 nhn c khi dung mụi bay hi: Nano SiO2 Bay hơi Chất tạo màng Màng nano SiO2 ng dng ca cỏc vt liu nano, trong ú cú nano SiO 2 l mt trong nhng bin phỏp nõng cao tớnh nng ca cht ph truyn thng Vic to ra cht ph k nc, tớnh nng cao trờn c s ht nano SiO2 l loi vt liu mi, trong ú vic la chn cỏc cht to mng cng nh cỏc yu t v cụng ngh phõn tỏn ht nano SiO2 l im mu cht gii quyt h hn hp... gian sng ca dung dch k nc khong 6 thỏng Qua cỏc kt qu nghiờn cu, polysiloxan- Type 1 cú thoỏt hi nc cao hn polysiloxan- Type 2 Do ú, ti ó la chn cht to mng kho sỏt cỏc quỏ trỡnh tip theo l polysiloxan- Type 1 (gi tt l polysiloxan) 5.2 Nghiờn cu nh hng ca iu kin cụng ngh phõn tỏn cỏc ht nano SiO2 n tớnh cht k nc ca mng ph iu kin cụng ngh nh hng nhiu n kh nng phõn tỏn ca cỏc ht nano SiO2 trong dung dch... kt t nh sau: Cỏc liờn kt ny kộo gi cỏc ht nano SiO 2 riờng l li cựng vi nhau to nờn s kt t v s kt t ú duy trỡ khụng thay i thm chớ l k c di cỏc iu kin khuy trn tt nht Do ú, yờu cu cao nht to ra mng ph nano l lm sao tỏch ri c cỏc ht SiO2 ri nhau ra trong dung dch cht to mng v dung 24 mụi S phõn tỏn cỏc ht SiO2 kớch thc nanomột trong dung dch cht to mng v dung mụi cú nh hng rt ln n tớnh cht ca mng... cỏc ht nano s b kt t Ngc li, cỏc ht s duy trỡ s tỏch ri nhau v gi mt trng thỏi phõn tỏn khi lc y ln hn lc hp dn Vỡ th, duy trỡ s tỏch ri nhau ca cỏc ht nano cn phi s dng cht phõn tỏn trong quỏ trỡnh khuy trn Trn hp l mt phng phỏp gia cụng bt nano SiO 2 trng thỏi lng thụng qua mt dung mụi ph v c s dng rng rói trong sn xut v gia cụng vt liu Khi ú ht nano SiO2 c phõn tỏn trong dung dch v cht mng nano. .. Vin Nghiờn cu ch to mng ph k nc tớnh nng cao t nano silica ng dng bo v b mt 16 cỏc cụng trỡnh m thut v trang trớ ngoi tri vi mc tiờu nghiờn cu ch to mng ph k nc trờn cỏc b mt va - bờ tụng, ngúi, gch chu c thi tit khớ hu nhit m ti ó nghiờn cu ch to c dung dch k nc trờn c s cht kt dớnh polysiloxan v cỏc ht nano SiO 2 k nc v a ra c qui trỡnh cụng ngh ch to dung dch lm mng ph k nc qui mụ phũng thớ nghim... tin hnh kho sỏt nh hng ca s phõn tỏn cỏc ht nano SiO 2 trong cỏc cht to mng khỏc nhau l nha acrylic bin tớnh, polysiloxan, thy tinh lng mụ un cao n tớnh cht k nc, kh nng thoỏt hi m ca mng ph v thi gian bo qun dung dch k nc Trờn c s cỏc ti liu ó cụng b [3, 11] v qua cỏc bc kho sỏt thm dũ ban u, ti ó la chn cỏc iu kin cụng ngh phõn tỏn ht nano silica trong dung dch cht to mng nh sau: - Tc khuy 3000... 731 l 8 % so vi hm lng nano silica - Hm lng nc l 26 % so vi khi lng dung dch cht to mng Kt qu xỏc nh gúc tip xỳc ca mng ph trờn c s cỏc cht to mng khỏc nhau c th hin trờn hỡnh 15 Nha acrylic bin tớnh =550 Polysiloxan =620 Dung dch thy tinh lng mụ un cao: =400 Hỡnh 15: nh git nc trờn b mt mng ph k nc trờn c s cỏc cht to mng khỏc nhau Qua kt qu thớ nghim trờn hỡnh 15 nhn thy, dung dch k nc trờn c s cht... hỡnh 15 nhn thy, dung dch k nc trờn c s cht kt dớnh nha acrylic bin tớnh v dung dch polysiloxan cho k nc cao hn so vi cht kt dớnh thy tinh lng mụ un cao Cú th gii thớch l do s kt hp ca cỏc nhúm chc k nc cú trờn nha acrylic bin tớnh v dung dch polysiloxan vi tớnh k nc ca cỏc ht nano SiO 2 phõn tỏn hoc kh nng phõn tỏn ca cỏc ht nano SiO2 trong chỳng tt hn 33 Mt trong nhng c tớnh rt quan trng ca mng ph... cao l do bn thõn dung dch thy tinh lng cú thi gian lu ngn Hn na, cỏc thnh phn trong thy tinh lng u cú phõn cc cao vỡ th trng thỏi ngh cỏc ht nano silica ó bin tớnh d b kt t do lc hỳt (lc hp dn) gia cỏc ht v tp hp ht vỡ th cng ó lm gim gúc tip xỳc ca mng ph Dung dch polysiloxan l mt hp cht silic cú th t tng hp bng phng phỏp solgel hoc nhp ngoi Ngun nguyờn liu phong phỳ, n nh, 35 dung mụi s dng l nc... s polysiloxan v nano SiO2 k nc Trong cụng nghip, phng phỏp thụng dng nht sn xut ht nano silica l s dng tin cht silicon tetraclo (SiCl 4) SiCl4 c tng hp bng phn ng ca hi clo trong silicon kim loi nu chy Hi clo c trn vi ụxy v hn hp khớ ny b t chỏy vi hydro trong lũ t c bit Bng s thay i nng cht phn ng, nhit t chỏy v thi gian lu nng bi trong lũ t cú th kim soỏt kớch thc ht nano SiO2 theo ý mun Ht nano