Nghiên cứu chế tạo chất phủ kị nước trên cơ sở nano silica và polysiloxan ứng dụng chống thấm cho các công trình xây dựng bằng bê tông và gạch đất sét nung

Vật liệu chống thấm hai thành phần gốc xi măng -polyme tuy dễ sử dụng, thi công nhanh chóng và tác dụng chống thấm cũng tương đối rõ rệt tuy nhiên việc sử dụng vật liệu hữu cơ và khô màn

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả thí nghiệm nêu trong luận văn này là trung thực và chƣa từng công bố trên bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Thái Duy Đức

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn TS Trịnh Minh Đạt và PGS.TS Tạ Phương Hòa

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Em cảm ơn các thầy, cô Trung tâm Vật liệu Polyme & Compozit - Viện Kỹ thuật hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trung tâm Vật liệu hữu cơ & Hóa phẩm xây dựng - Viện Vật liệu xây dựng đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này

Cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã ủng hộ, động viên tôi hoàn thành khóa cao học 2014A

Hà Nội, tháng 7 năm 2016

Học viên

THÁI DUY ĐỨC

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên 4

1.2 Vật liệu kị nước nhân tạo 6

1.2.1 Ống nano cac bon 6

1.2.2 Hợp chất kim loại có cấu trúc dạng hạt nano và nanorod 7

1.2.3 Vật liệu hợp kim 7

1.2.4 Vật liệu polyme và nanocompozit 8

1.3 Tính chất của màng phủ kị nước 9

1.3.1 Tính chất bám dính 9

1.3.2 Tính thấm ướt bề mặt của màng phủ nano kị nước 10

1.3.3 Tính chất quang học 12

1.3.4 Tính chất chống ăn mòn 12

1.3.5 Tính dẫn điện 13

1.4 Vật liệu bê tông và gạch đất sét nung 13

1.4.1 Vật liệu bê tông [7] 13

1.4.2 Gạch đất sét nung 15

iv

1.5 Tình hình nghiên cứu và sử dụng chất phủ chống thấm kỵ nước trong nước và

trên thế giới 16

1.5.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng ở ngoài nước 16

1.5.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong nước 17

1.6 Cơ sở khoa học của vấn đề nghiên cứu 18

1.6.1 Cơ sở lý thuyết về vấn đề thấm ướt và góc tiếp xúc 18

1.6.2 Cơ chế tương tác giữa chất tạo màng và chất phân tán 23

1.6.3 Cơ chế đóng rắn của màng phủ kị nước trên cơ sở chất kết dính polysiloxan 27

1.6.4 Cơ chế tương tác giữa nền và chất phủ, đặc tính thở của màng polysiloxan 29

CHƯƠNG 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Nguyên vật liệu 32

2.1.1 Chất tạo màng 32

2.1.2 Bột nano SiO 2 kị nước 33

2.1.3 Các loại phụ gia 33

2.1.4 Quy trình chế tạo bê tông thử nghiệm [15] 33

2.1.5 Quy trình chế tạo gạch đất sét nung 34

2.2 Phương pháp nghiên cứu 35

2.2.1 Các phương pháp tiêu chuẩn 35

2.2.2 Các phương pháp phi tiêu chuẩn 35

2.2.3 Các phương pháp phân tích lý hóa hiện đại 36

2.3 Thiết bị và dụng cụ thử nghiệm 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 38

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo màng khác nhau đến đặc tính kị nước và khả năng thoát hơi nước của màng phủ 38

v

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ phân tán các hạt nano SiO2

đến tính chất kị nước của màng phủ 42

3.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 42

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian khuấy 43

3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ khuấy đến tính kị nước của màng phủ 44

3.3 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán thích hợp để phân tán các hạt nano SiO2 trong dung dịch chất tạo màng 45

3.4 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt để nâng cao tính chất kị nước của màng phủ 47

3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng SiO2 đến tính chất kị nước của màng phủ 48

3.6 Nghiên cứu qui trình phối trộn dung dịch 50

3.7 Nghiên cứu đánh giá tính chất chống thấm của dung dịch kỵ nước đã chế tạo với sản phẩm đối chứng trên vật liệu bê tông và gạch đất sét nung 52

3.7.1 Nghiên cứu đánh giá độ hút nước trong bê tông và gạch đất sét nung 52

3.7.2 Nghiên cứu đánh giá khả năng chống thấm 2 chiều thuận nghịch 53

3.7.3 Nghiên cứu đánh giá mức độ chống thấm ion clo 54

3.7.4 Phân tích cấu trúc vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Ký hiệu và chữ viết tắt

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu chất lượng của dung dịch chống thấm cần đạt được

Bảng 1.2 Tính chất của các loại màng phủ kị nước trên cơ sở các chất tạo màng

khác nhau phủ lên bề mặt gạch

Bảng 1.3 Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng

Bảng 2.1 Thành phần và tính chất cơ bản của các mẫu bê tông thử nghiệm

Bảng 3.1 Khả năng thoát hơi nước của các mẫu vữa bê tông được xử lý bề mặt

bằng dung dịch kị nước trên cơ sở các chất tạo màng khác nhau

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của phụ gia phá bọt Foamaster NXZ và Dapro DF 7010 đến

ngoại quan màng phủ kị nước

Bảng 3.3 So sánh góc tiếp xúc giữa các mẫu dung dịch kị nước khuấy theo

qui trình 1 và qui trình 2

Bảng 3.4 Độ hút nước của bê tông và gạch đất sét nung

Bảng 3.5 Khả năng chống thấm hai chiều thuận nghịch trên bê tông M25

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm khả năng thấm ion clo của mẫu bê tông mác 25 Mpa

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cây sen và giọt nước trên bề mặt cây sen

Hình 1.2 (a) Ảnh SEM bề mặt của lá sen, ô biểu bì được bao bọc bởi những tinh thể nano sáp (cỡ 20 μm); (b) Quá trình tự làm sạch bề mặt trên bề mặt nhám Hình 1.3 (a) Nhện nước đứng trên bề mặt nước; (b) Ảnh SEM bề mặt của

chân nhện nước có nhiều gai định hướng có kích thước micro; (c, d, e, f) Cấu trúc dạng rãnh kích thước nanomet trên 1 lông

Hình 1.4 (a) Giọt nước trên màng PS với góc tiếp xúc là 95o ; Hình ảnh giọt nước trên bề mặt được tạo ra từ PS và ống nano với các góc nghiêng khác nhau: (b) 0o, (c) 90o, (d) 180o

Hình 1.5 (a) Giọt nước trên bề mặt kị nước; (b) giọt nước trên bề mặt ưa nước Hình 1.6 Sự liên hệ giữa góc tiếp xúc theta và sức căng bề mặt theo công thức Yoang Hình 1.7 (a) giọt nước rơi trên bề mặt theo mô hình Wenzel; (b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Wenzel

Hình 1.8 (a) giọt nước rơi trên bề mặt nhám theo mô hình Cassie; (b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Cassie

Hình 1.9 (a) góc tiếp xúc trễ; (b) góc tiếp xúc tiến và lùi khi thêm hoặc rút chất lỏng

ra khỏi giọt chất lỏng

Hình 1.10 Bề mặt tường được phủ một lớp màng kị nước trên cơ sở polysiloxan và nano SiO2 kị nước

Hình 1.11 Cấu trúc hóa học của polysiloxan

Hình 1.12 Cấu trúc hóa học của màng polyme siloxane sau khi đóng rắn

Hình 1.13 So sánh đặc tính thở của mẫu bê tông chưa xử lý và đã xử lý bằng

màng phủ kị nước

Hình 1.14 Tương tác hóa học giữa nền và màng phủ

Hình 3.1 Ảnh giọt nước trên bề mặt màng phủ kị nước trên cơ sở các chất tạo màng khác nhau

Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian bảo quản đến góc tiếp xúc của màng phủ

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến tính kị nước của màng phủ

ix

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến tính kị nước của màng phủ

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính kị nước của màng phủ

Hình 3.6 Ảnh hưởng của loại và hàm lượng phụ gia phân tán đến góc tiếp xúc với giọt nước của màng phủ kị nước

Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng SiO2 đến góc tiếp xúc với giọt nước của màng phủ

Hình 3.8 Hình ảnh giọt nước trên bề mặt màng phủ sau khi phủ dung dịch kị nước lên đế thủy tinh

Hình 3.9 Hình ảnh thử nghiệm khả năng chống thấm 2 chiều thuận nghịch

Hình 3.10 Thiết bị đo độ thấm ion clo - Viện Vật liệu xây dựng

Hình 3.11 Hình thái bề mặt bê tông trước và sau khi xử lý bằng COTI-12

Hình 3.12 Hình thái bề mặt gạch đất sét nung trước và sau khi xử lý bằng COTI-12

1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, ở nước ta hàng năm đã có rất nhiều các công trình xây dựng: các khu chung cư, trung tâm thương mại, khu giải trí… được hoàn thành Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, mưa nhiều, chênh lệch nhiệt độ giữa ngày- đêm lớn gây nên hiện tượng co ngót, giãn nở của vật liệu tạo ra các vết nứt trên bề mặt và ngay cả trong lòng vật liệu, điều này sẽ tạo điều kiện cho việc nước thấm vào cấu trúc bê tông, gạch đất sét để ăn mòn kết cấu thép và gây thấm dột cho công trình Để đảm bảo tuổi thọ, kết cấu và mỹ quan của các công trình đó thì hạng mục chống thấm là một phần không thể thiếu được trong quá trình thi công cũng như duy tu bảo dưỡng

Hiện nay, thị trường vật liệu chống thấm được sử dụng với nhiều nguồn gốc khác nhau: gốc bitum (sơn bitum, tấm trải chống thấm), gốc acrylic, butadien - sryren (vật liệu chống thấm gốc xi măng - polyme) và một số dòng vật liệu chống thấm có gốc từ thủy tinh lỏng Các dòng vật liệu chống thấm đi từ gốc bitum thường có nhược điểm

là ô nhiễm môi trường, thi công phức tạp và chất lượng chống thấm ngoài phụ thuộc vào vật liệu còn bị ảnh hưởng nhiều bởi tay nghề công nhân nên có rất nhiều hạn chế khi sử dụng Vật liệu chống thấm hai thành phần gốc xi măng -polyme tuy dễ sử dụng, thi công nhanh chóng và tác dụng chống thấm cũng tương đối rõ rệt tuy nhiên việc sử dụng vật liệu hữu cơ và khô màng theo phương pháp vật lý nên sau một thời gian chịu tác động của thời tiết màng cũng sẽ bị suy giảm chất lượng, ngoài ra các loại màng này khi sử dụng sẽ làm thay đổi màu sắc của nên nên ảnh hưởng đến tính ngoại quan bề mặt Các dòng vật liệu chống thấm đi từ nguồn gốc thủy tinh lỏng cũng

ít được sử dụng trong thực tế vì hiệu quả chống thấm không cao Trong khi đó, dòng vật liệu chống thấm trên cơ sở hợp chất polysiloxane biến tính có nhiều ưu điểm như: không làm thay đổi màu sắc của vật liệu nền, khả năng chống thấm và bền thời tiết tốt trong khoảng thời gian dài, quá trình trương tác giữa vật liệu chống thấm với nền theo

cơ chế tạo liên kết qua phản ứng hóa học nên màng sẽ bền theo thời gian, hơn nữa quá trình thi công loại vật liệu này đơn giản, không đòi hỏi kỹ thuật cao nên sẽ tiết kiệm rất lớn chi phí nhân công trong quá trình thi công

2

Trước nhu cầu ngày càng cao của thị trường về mảng vật liệu chống thấm, việc

nghiên cứu và chế tạo thành công “Chất phủ chống thấm kỵ nước trên cơ sở

nano silica và polysiloxan ứng dụng để chống thấm cho các công trình xây dựng bằng bê tông và bằng gạch đất sét nung” thân thiện môi trường sẽ góp

phần nâng cao khả năng chống thấm, tăng tuổi thọ cho các công trình, làm chủ được công nghệ và thay thế dần các sản phẩm ngoại nhập, có giá thành phù hợp là hết sức cần thiết

* Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

- Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo thành công dung dịch chống thấm trên cơ sở nano silica và polysiloxan ứng dụng để chống thấm cho các công trình bằng bê tông và gạch đất sét nung đạt được mức chất lượng như nêu trong Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu chất lượng của dung dịch chống thấm cần đạt được

TT Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị Mức yêu cầu đạt

3

- Nội dung nghiên cứu

+ Nghiên cứu lựa chọn chất tạo màng;

+ Nghiên cứu lựa chọn công nghệ phân tán nano SiO2 trong 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 chống thấm, kỵ nước; + Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo dung dịch làm màng phủ chống thấm,

kỵ nước;

+ Nghiên cứu cấu trúc vật liệu;

+ Đánh giá các chỉ tiêu của màng phủ nghiên cứu và so sánh với mẫu đối chứng

* Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu lựa chọn được chất tạo màng và hàm lượng bột nano SiO2 để chế tạo dung dịch chống thấm, kỵ nước thân thiện với môi trường bảo vệ cho các công trình xây dựng bằng bê tông và gạch đất sét nung

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xác định được thành phần và các tỷ lệ nguyên liệu: polysiloxan/nano SiO2, tỷ lệ các phụ gia phân tán, phá bọt… để chế tạo dung dịch chống thấm kỵ nước trên cơ sở poplysiloxan và nano SiO2 dùng để chống thấm cho các công trình xây dựng và thay thế cho các vật liệu truyền thống gốc bitum gây ô nhiễm môi trường

* Ý nghĩa kinh tế và xã hội

Sản phẩm nghiên cứu của đề tài sẽ sử dụng với mục đích chống thấm cho các công trình cầu, sàn, nhà vệ sinh, các công trình mỹ thuật đòi hỏi không làm thay đổi màu sắc của vật liệu và một số hạng mục khác nhằm nâng cao khả năng chống thấm, tăng tuổi thọ, chất lượng bền lâu cho các công trình

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên

Bề mặt siêu kị nước và bề mặt tự làm sạch tồn tại ở khắp nơi trong tự nhiên Những ví dụ điển hình như cánh bướm, chân của loài nhện nước, lá của một số loại cây, Côn trùng và thực vật sử dụng những đặc tính kị nước để bảo vệ chúng chống lại bệnh tật và thích nghi với môi trường sống Trong số đó, lá sen là ví dụ điển hình (hình 1), cây sen là biểu tượng cho sự tinh khiết, đặc trưng của một vài tôn giáo ở Châu Á và cũng thể hiện sự thiêng liêng của đạo phật Mặc dù sống trong môi trường bùn nước nhưng lá sen rất sạch Khi nước mưa rơi trên lá sen, nước sẽ lăn trên bề mặt lá và giúp lá sen rửa sạch mọi vết bẩn trên bề mặt Khả năng tự làm sạch

bề mặt của lá sen thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong vòng vài thập

kỷ qua Nhờ công nghệ hiển vi điện tử, các nhà khoa học biết đến khả năng đẩy nước và vết bẩn từ bề mặt siêu kị nước do bề mặt lá sen có cấu trúc hai lớp với những khối u có kích thước khoảng 10 µm, trên những khối u này được phủ dầy đặc những tinh thể sáp thực vật hình ống có kích thước khoảng 100 nm Lớp sáp này có năng lượng bề mặt thấp như sáp paraffin tạo ra bề mặt kị nước

(a) (b)

Hình 1.1: (a) Cây sen; (b) Giọt nước trên bề mặt lá sen

Do đó, nước rơi trên bề mặt sẽ co cụm lại thành giọt vì vậy bề mặt tiếp xúc giữa giọt nước và lá sen rất nhỏ làm giảm sự bám dính giữa chúng dẫn đến giọt nước có thể lăn rất dễ dàng (hình1.1b) Mặt khác, những vết bẩn trên bề mặt thường

5

lớn hơn cấu trúc tế bào của lá và có độ bám dính với bề mặt lá sen rất thấp Khi giọt nước lăn qua các phần tử chất bẩn thì các phần tử chất bẩn sẽ bám dính với các giọt nước tốt hơn và chúng sẽ bị cuốn đi cùng giọt nước làm cho bề mặt trở nên sạch sẽ [1]

(a) (b)

Hình 1.2: (a) Ảnh SEM bề mặt của lá sen, ô biểu bì được bao bọc bởi những

tinh thể nano sáp (cỡ 20 μm); (b) Quá trình tự làm sạch bề mặt trên bề mặt nhám

Một ví dụ khác là loài nhện nước, loài côn trùng có thể thấy nhiều ở ao hồ và sông suối (hình 3a) Loài nhện nước có khả năng đứng và di chuyển trên bề mặt nước nhờ những đôi chân đặc biệt của nó Chân của nhện nước có những sợi lông hình kim có kích thước khoảng 30µm, nghiêng góc 30o so với bề mặt ngang của chân (hình 1.2b) Trên mỗi sợi lông có các rãnh có kích thước nano, chiều rộng khoảng 400nm và sâu 200nm (hình 1.3c, d, e, f) Giống như lá sen, lớp biểu bì của nhện nước được phủ một lớp sáp kị nước có góc tiếp xúc với nước là 105o, nhờ sự phân cấp độc đáo ở cấu trúc chân làm cho chân nhện nước có tính chất siêu kị nước

6

với góc tiếp xúc lên tới 167o Những cái chân kị nước này làm cho nhện nước có thể

đỡ trọng lượng cơ thể và di chuyển dễ dàng trên bề mặt nước

Hình 1.3: (a) Nhện nước đứng trên bề mặt nước; (b) Ảnh SEM bề mặt của

chân nhện nước có nhiều gai định hướng có kích thước micro; (c, d, e, f) Cấu trúc

dạng rãnh kích thước nanomet trên 1 lông

1.2 Vật liệu kị nước nhân tạo

1.2.1 Ống nano cac bon

Ống nano các bon là một loại vật liệu mới được phát hiện từ năm 1991, có tính chất cơ và điện rất tốt Do đó, vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong những nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng Năm 2001, Jiang và các cộng sự [2] đã nghiên cứu chế tạo màng phủ siêu kị nước trên cơ sở các ống nano các bon có cấu trúc micromet và nanomet sắp xếp song song được biến tính bề mặt với hợp chất fluoroalkylsilan, tạo ra màng phủ có tính chất vừa kị nước vừa kị dầu với góc tiếp

7

xúc với nước và dầu hạt cải lần lượt là 1710 và 1610 Năm 2003, Lau và các cộng sự

đã chế tạo màng phủ siêu kị nước trên cơ sở sử dụng ống nano cacbon đường kính

cỡ 50nm với chiều cao khoảng 2µm và được phủ một lớp polytetrafluoetylen mỏng trên bề mặt, thu được lớp màng phủ có tính kị nước ổn định trong thời gian dài với góc tiếp xúc là 168o

1.2.2 Hợp chất kim loại có cấu trúc dạng hạt nano và nanorod

Cùng với sự phát triển của các nghiên cứu trên vật liệu vô cơ, những loại vật liệu vô cơ siêu kị nước cũng được đưa ra với số lượng lớn Ví dụ, ZnO là một oxit bán dẫn có vùng chuyển tiếp cấm là 3.2eV, được nghiên cứu nhiều trong các ứng dụng quang điện, quang dẫn với mức chi phí thấp Jiang và các cộng sự đã mô tả khả năng thấm ướt của vật liệu phụ thuộc vào sự sắp xếp của các nanorod ZnO trên màng Năm 2003, Feng và các cộng sự chỉ ra rằng màng oxit vô cơ có tính chất siêu

kị nước khi được bảo quản trong tối và tính chất siêu thấm khi chiếu sáng hoặc dưới tác dụng của tia cực tím Những ảnh hưởng này có thể là do sự kết hợp của bề mặt nhạy cảm ánh sáng và sự sắp xếp của các cấu trúc nano trên màng Jiang và các đồng nghiệp cũng đã chế tạo các màng nanorod TiO2 và SnO2 trên đế thủy tinh để tạo ra những bề mặt kị nước Hai bề mặt trên có thể chuyển đổi từ siêu kị nước sang siêu thấm ướt bởi sự đảo chiều của tia cực tím và trong điều kiện bảo quản tối Phương pháp để chế tạo ra các màng nanorod TiO2 và SnO2 có thể sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học như phún xạ, lắng đọng bằng dòng điện galvanic, sol-gel,…[2]

1.2.3 Vật liệu hợp kim

Những vật liệu kĩ thuật như thép, nhôm, titan và hợp kim của chúng, hợp kim nhôm và hợp kim titan đều có nhiều ứng dụng trong các ngành hàng không, hàng hải, tự động hóa và vũ trụ Trong tương lai, bề mặt siêu kị nước của các hợp kim sẽ

mở rộng phạm vi ứng dụng Liu và các cộng sự [3] đã sử dụng một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để chế tạo ra bề mặt siêu kị nước trên bề mặt nhôm và hợp kim bằng phương pháp oxy hóa và biến đổi hóa học Bề mặt siêu kị nước có thời gian

8

sống dài trong những môi trường pH khác nhau Bằng phương pháp khắc hóa học, Liu đã chế tạo được hệ thống dung dịch hỗn hợp để tạo ra những bề mặt siêu kị nước trên các bề mặt hợp kim thép, đồng và titan Bề mặt siêu kị nước có thể chịu được dung dịch muối với các nồng độ dung dịch khác nhau Do vậy, có thể mở ra những ứng dụng đặc biệt cho vật liệu kỹ thuật yêu cầu độ bền cao trong môi trường nước muối

1.2.4 Vật liệu polyme và nanocompozit

Jiang và các cộng sự đã tổng hợp sợi nano polyacrylonitrile bằng cách ép dung dịch polyacrylonitrie dưới áp suất Các sợi nano với các đường kính và mật độ khác nhau có thể dễ dàng thu được bằng cách sử dụng màng nhôm có đường kính lỗ khác nhau Sợi nano polyacrylonitrile có cấu trúc nano tương tự như cấu trúc ống nano cacbon nhưng có mật độ thấp hơn và có góc tiếp xúc với nước là 173,8o mà không cần phải biến tính bề mặt bởi vật liệu kị nước Từ sợi nano polyacrylonitrile

có thể chế tạo được các bề mặt nano compozit siêu kị nước với việc sử dụng các polyme như polyvinyl alcohol, polystyren, polyeste và polyamit làm nhựa nền

Mc Carthy và cộng sự đã chế tạo bề mặt polypropylen siêu kị nước bằng việc khắc đồng thời polypropylen và khắc/phun xạ polytetrafluoroethylen sử dụng cảm ứng plasma trong môi trường khí argon tần số vô tuyến Những bề mặt trên có tính siêu kị nước với góc tiếp xúc với nước là 1720 Shimomura và cộng sự đã chế tạo các màng trang trí hình tổ ong từ màng polyme fluorinat bằng phương pháp đúc dung dịch polyme dưới điều kiện không khí ẩm Màng giống như hình tổ ong trong suốt, siêu kị nước và màng có thể được phủ lên trên nhiều vật liệu và nền khác nhau Màng nano polyanilin được tổng hợp bằng phương pháp mạ điện của anilin vào các lỗ của anot là một tấm nhôm oxit trên nền Ti/Si, sau đó loại bỏ các tấm nhôm Bề mặt thu được có tính dẫn điện và tính chất siêu kị nước, thậm trí bền trong các môi trường ăn mòn, như môi trường axit hoặc bazơ với dải pH rất rộng [3]

9

Ngoài các vật liệu polyme trên, các vật liệu nanocompozit hiện nay đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi dựa trên cơ sở kết hợp giữa vật liệu nền là polyme và chất gia cường là các hạt nano như: SiO2, ZnO,… Phương pháp để chế tạo ra vật liệu nanocompozit chủ yếu là phương pháp trộn hợp đơn giản Tính chất của vật liệu có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi nguyên liệu đầu vào sao cho thích hợp Do vậy, hiện nay trên thế giới các loại màng phủ siêu kị nước có thêm những tính chất khác nhau như chống ăn mòn, tính chất quang, điện,… thường dựa trên cơ

ống trên 1 mm2), do đó lực bám dính giữa các giọt nước và màng ống nano polystyren rất cao Dựa vào tính chất này, trong tương lai màng phủ kị nước sẽ được dùng để di chuyển các giọt lỏng trong phương pháp phân tích tế vi

10

Hình 1.4: (a) Giọt nước trên màng PS với góc tiếp xúc là 95 o ; Hình ảnh giọt nước

trên bề mặt được tạo ra từ PS và ống nano với các góc nghiêng khác nhau:

(b) 0 o , (c) 90 o , (d) 180 o

1.3.2 Tính thấm ướt bề mặt của màng phủ nano kị nước

Khả năng thấm ướt là một trong những tính chất quan trọng của bề mặt chất rắn và thường được biểu thị dưới dạng góc tiếp xúc Màng phủ siêu kị nước là những màng phủ có góc tiếp xúc giữa bề mặt màng và giọt nước lớn hơn 1500 và nhỏ hơn góc trượt (góc tới hạn mà giọt nước có khối lượng xác định bắt đầu trượt xuống tấm nghiêng)

Đã có nhiều thành tựu trong việc tạo ra màng phủ siêu kị nước nhân tạo dựa trên những hiện tượng và kết quả phân tích bề mặt các cấu trúc có trong tự nhiên như lá sen, cánh của các loài bướm, Nhiều nghiên cứu đã công nhận có sự kết hợp giữa kích thước nano và micro trên bề mặt thô nhám, cùng với loại vật liệu có năng lượng bề mặt thấp dẫn đến góc tiếp xúc (WCAs) > 1500

, tạo ra một góc trượt thấp

và một bề mặt tự làm sạch hiệu quả Các nhà nghiên cứu tại KAO đã chế tạo được màng phủ siêu kị nước nhân tạo từ giữa thập niên 90 Sau đó, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng bên cạnh tính không thấm ướt thì một số tính chất khác như

độ trong, màu sắc, tính dị hướng, tính thuận nghịch, tính mềm dẻo, tính thoát khí cũng đã được tích hợp trên bề mặt siêu kị nước bằng các phương pháp xử lý vật lý

và hóa học

11

Nghiên cứu về khả năng tự làm sạch bề mặt sẽ thúc đẩy quá trình chế tạo tấm năng lượng mặt trời, các kiến trúc ngoại thất, nhà xanh, các bề mặt truyền nhiệt trong không khí của các trang thiết bị Tính không thấm ướt ngăn chặn khả năng hình thành băng hoặc chống bám băng tuyết trên bề mặt Nhờ hiện tượng lực ma sát của chất lỏng với bề mặt siêu kị nước thấp nên vật liệu kị nước cũng được ứng dụng trên các bề mặt trong đường ống, vỏ tàu,… Tính không thấm nước cũng đã được ứng dụng trong công nghệ y sinh, thay thế mạch máu để dễ kiểm soát vết thương Công nghệ chế tạo bề mặt siêu kị nước có thể chia ra làm hai loại: tạo một bề mặt thô nhám trên nền vật liệu có năng lượng bề mặt thấp và biến đổi bề mặt thô nhám với vật liệu có năng lượng bề mặt thấp Một số tính chất của các loại màng phủ kị nước trên cơ sở các chất tạo màng khác nhau phủ lên bề mặt gạch được nêu trong bảng 1.2 [4]

Bảng 1.2: Tính chất của các loại màng phủ kị nước trên cơ sở các chất tạo màng

12

1.3.3 Tính chất quang học

Đối với nhiều thiết bị như các loại kính chắn gió cho ô tô và một số loại kính khác thì độ trong suốt để ánh sáng có thể truyền qua dễ dàng là đặc tính vô cùng quan trọng Tính kị nước và độ trong suốt rất khó có thể đáp ứng tốt trên một bề mặt

vì muốn kị nước thì bề mặt vật liệu phải có độ thô nhám, nhưng tính truyền qua của ánh sáng sẽ giảm Do vậy, việc kiểm soát độ nhám và độ trong của vật liệu là vô cùng quan trọng Watanabe và cộng sự đã đưa ra phương pháp sol-gel để tạo ra một màng mỏng trên nền thủy tinh Năm 1999, Nakajima đã kiểm soát được độ nhám của vật liệu từ 20 nm đến 50 nm, tuy nhiên phương pháp này cần gia nhiệt lên tới

5000C, điều này sẽ không phù hợp với nhiều thiết bị quang học Năm 2002, Wu đã phủ màng kị nước lên trên thủy tinh ở nhiệt độ dưới 1000C Jiang và cộng sự cũng

đã tạo ra màng phủ ống nano ZnO đa chức năng với đặc tính trong suốt và kị nước thông qua việc điều khiển đường kính và chiều dài của ống nano sử dụng ở nhiệt độ thấp Đường kính và khoảng cách giữa các ống nano đều nhỏ hơn 100 nm Cấu trúc

bề mặt đủ nhỏ để không làm tăng tính tán xạ của ánh sáng nhìn thấy Như vậy, đặc tính quang học này mở ra nhiều ứng dụng cho màng kị nước khi phủ lên trên nền các thiết bị bằng thủy tinh [5]

1.3.4 Tính chất chống ăn mòn

Đối với các loại vật liệu khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn sẽ gây ra hiện tượng phá hủy theo thời gian Màng phủ kị nước có thể chịu được dung dịch nước muối ở mọi nồng độ, điều này mở ra một phương pháp để bảo vệ các công trình hay vỏ các thiết bị máy móc khi tiếp xúc với môi trường nước biển Năm

2005, Liu đã nghiên cứu về phủ màng kị nước bảo vệ các kim loại chống ăn mòn như: nhôm, thép, đồng và các hợp kim của chúng Các tài liệu công bố cho thấy khi vật liệu được phủ màng kị nước, chúng có khả năng chịu ăn mòn với nhiều loại dung dịch hóa chất khác nhau Do vậy, ứng dụng của màng kị nước trong việc chống ăn mòn vật liệu đang mở ra một hướng mới để tăng tuổi thọ và bảo

vệ các loại vật liệu

13

1.3.5 Tính dẫn điện

Dẫn điện là một đặc tính quan trọng cần thiết cho nhiều loại thiết bị vi điện

tử, như tranzito trường ứng, điốt tự phát sáng và tranzito màng mỏng Trong một số ứng dụng, như công nghệ sinh học, chống ăn mòn, chống tĩnh điện, vải dẫn điện và màng phủ chống gỉ thì việc ứng dụng bề mặt siêu kị nước làm vật liệu dẫn điện sẽ rất hữu ích và quan trọng Vật liệu siêu kị nước dẫn điện được hy vọng có tiềm năng ứng dụng cao trong tương lai như là thiết bị kiểm tra vi sinh trong mẫu dung dịch lỏng Thực tế, có nhiều kết quả đã công bố về bề mặt siêu kị nước dựa trên cơ sở kim loại và vật liệu nano kim loại dẫn điện tự nhiên, trong khi bản chất nội tại và tiềm năng sử dụng chưa được chú trọng [6]

1.4 Vật liệu bê tông và gạch đất sét nung

1.4.1 Vật liệu bê tông [7]

Bê tông xi măng là vật liệu đá nhân tạo do hỗn hợp các chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi silic, thạch cao ) nước và các hạt rời rạc của cát, sỏi, đá dăm (được gọi là cốt liệu) nhào trộn theo một tỷ lệ thích hợp rắn chắc lại mà thành Cũng có thể dùng chất kết dính hữu cơ như bitum để chế tạo bê tông atphan hoặc nhựa nhiệt rắn

để chế tạo bê tông polyme Trong bê tông xi măng (gọi tắt là bê tông), ngoài các thành phần cơ bản trên (chất kết dính, nước, cốt liệu) có thể thêm vào một số loại phụ gia để cải thiện các tính chất của bê tông như tính lưu động, giảm lượng nước dùng và xi măng, điều chỉnh thời gian ninh kết và rắn chắc, nâng cao tính chống thấm của bê tông

Bê tông là loại vật liệu rất quan trọng trong xây dựng cơ bản phục vụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân cũng như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường vì có những ưu điểm sau:

- Có cường độ chịu nén biến đổi trong phạm vi rộng, có thể đạt giá trị từ 10 MPa,

20 MPa đến 200 MPa

- Có thể tạo hình dáng cho mọi công trình khác nhau

14

- Tính chịu lửa tốt, giá thành thấp vì tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương

Bê tông thường được phân loại theo 3 cách:

1.4.1.1 Phân loại theo khối lượng thể tích (dung trọng):

- Bê tông đặc biệt nặng: có dung trọng lớn hơn 2500 kg/m3 được chế tạo bằng các cốt liệu đặc chắc và từ các loại đá chứa quặng Bê tông này ngăn được tia X, γ

- Bê tông nặng (còn gọi là bê thường): Có khối lượng riêng từ 1800 -2500 kg/m3được chế tạo từ các loại đá đặc chắc và đá chứa quặng Loại bê tông này được sử dụng phổ biến trong xây dựng cơ bản và dùng để sản xuất các cấu kiện chịu lực

- Bê tông nhẹ: có dung trọng từ 500 -1800 kg/m3, gồm bê tông chế tạo từ cốt liệu rỗng thiên nhiên , nhân tạo và bê tông tổ ong không cốt liệu chứa một lượng lớn lỗ rỗng kín giống dạng tổ ong

1.4.1.2 Phân loại theo chất kết dính dùng trong bê tông:

- Bê tông xi măng: Chất kết dính là xi măng và chủ yếu là xi măng pooclăng và các dạng khác của nó

- Bê tông silicat: Chế tạo từ nguyên liệu vôi, cát silic nghiền qua xử lý chưng hấp ở nhiệt độ và áp suất cao

- Bê tông xỉ: Chất kết dính là các loại xỉ lò cao trong công nghiệp luyện thép hoặc xỉ nhiệt điện có thể không dùng clanke xi măng và phải qua xử lý nhiệt ẩm ở áp suât thường hoặc áp suất cao

- Bê tông polyme: Chất kết dính là nhựa nền polyme nhiệt dẻo hoặc nhiệt rắn

1.4.1.3 Phân loại bê tông theo phạm vi sử dụng

- Bê tông công trình: sử dụng ở các kết cấu và công trình chịu lực, yêu cầu có tính chịu lực và chống biến dạng

- Bê tông công trình cách nhiệt: Vừa yêu cầu chịu tải, vừa yêu cầu cách nhiệt thường sử dụng làm kết cấu bao che tường ngoài, tấm mái

- Bê tông ổn định hóa học: Ngoài thỏa mãn yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật khác, cần chịu được tác dụng xâm thực của dung dịch muối, axit, kiềm và hơi của các chất này mà không bị suy giảm chất lượng

- Bê tông chịu lửa: Chịu tác động lâu dài của nhiệt độ cao trong quá trình sử dụng

- Bê tông trang trí: Dùng để trang trí bề mặt công trình, có màu sắc theo yêu cầu và chịu được tác động thường xuyên của thời tiết

- Bê tông nặng chịu bức xạ: Dùng trong các công trình đặc biệt, hút được bức xạ của tia γ, nơtrôn

1.4.2 Gạch đất sét nung

Gạch nung, gạch đỏ hay thường gọi đơn giản là gạch, là một loại vật liệu xây dựng được làm từ gạch đất sét nung Gạch được phát hiện từ cách đây hàng nghìn năm trước công nguyên Do có tính bền lâu theo thời gian nên gạch đã được sử dụng trong các công trình xây dựng có tuổi thọ hàng nghìn năm Đất sét sau khi trộn với nước, nhào nặn và đưa vào khuôn để tạo hình Viên đất sét được phơi hoặc sấy cho khô trước khi cho vào lò nung Nhiên liệu đốt có thể là củi, than đá trộn bùn, khí thiên nhiên được đặt bên dưới lò Thành phần một viên gạch tính theo % khối lượng thường như sau:

- Silica (cát): 50% - 60 %;

- Alumina (sét): 20% - 30%;

1.5.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng ở ngoài nước

Các nhà khoa học trên thế giới đã dựa vào hiện tượng giọt nước đọng trên lá sen, thậm chí cả các chất có độ đặc cao như mật ong, dầu ăn và chất keo cũng không dính trên bề mặt lá sen gọi đó là “hiệu ứng lá sen” hoặc “sự tự làm sạch”, khi các điều kiện cơ bản cho phép thì nước có thể lăn và cuốn theo chất bẩn Thuật ngữ

“Easy to clean” là chỉ những bề mặt có khả năng chỉ cần nước là đủ để rửa sạch hết bụi bẩn bám trên bề mặt

Từ thập niên 90 các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, phát triển các sản phẩm tự làm sạch Đặc tính cơ bản của màng phủ nano là kị nước, trong suốt, độ bền cào xước cao, không bị ảnh hưởng bởi hoá chất, kháng khuẩn, Tất cả các đặc tính này có thể đạt được trong cùng một dung dịch bằng các phương pháp vật lý và hoá học để cho ra những sản phẩm đa tính năng hoàn toàn mới phủ được trên hầu hết các bề mặt thủy tinh, gốm sứ, bê tông, kim loại, các loại sản phẩm chống trầy xước cho các loại nhựa, Cơ sở lý thuyết về góc thấm ướt và bề mặt vật rắn của màng kị nước được thiết lập bởi các nhà bác học Young, Wenzel, Cassie-Baxter có lịch sử hơn 200 năm [5, 7, 8] Những lý thuyết trên là cơ sở để các nhà khoa học chế tạo ra các màng phủ kị nước nhân tạo Năm 1996, Onda và các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo ra màng phủ kị nước nhân tạo đầu tiên dựa trên những hiện tượng quan sát trong tự nhiên Kể từ đó để chế tạo ra các màng phủ kị nước nhân tạo như vậy, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, phát triển nhiều công nghệ nghiên cứu như công nghệ plasma, lắng đọng hơi hóa học và gần đây nhất là tổng hợp các vật liệu kị nước trên cơ sở các hạt nano, sử dụng vật liệu polyme như polyme flo hóa,

17

silicon, silan, siloxan là những vật liệu có năng lượng bề mặt thấp và có thể tạo độ nhám nhân tạo trên bề mặt bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học để chế tạo thành các vật liệu siêu kị nước [9]

Đầu những năm 2000, xuất hiện nhiều bài báo, patent của các nhà khoa học trên thế giới công bố kết quả nghiên cứu về công nghệ chế tạo và cơ sở lý thuyết để tạo ra các bề mặt siêu kị nước Từ năm 2005 đến nay, số lượng các bài báo, patent tăng gấp đôi so với trước đó, chứng tỏ vài năm trở lại đây việc nghiên cứu, chế tạo màng kị nước phát triển mạnh mẽ Những tính chất cản nước, tự làm sạch, chống dính, của bề mặt đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế Kính tự làm sạch, sơn kị nước và những màng phủ trong suốt kị nước cho những bề mặt công trình trong suốt kị nước, vải tự làm sạch là những tiềm năng ứng dụng thực tế Một số công ty đã có các sản phẩm màng kị nước thương mại hóa như: công ty Guard Industry (Pháp) có các dòng sản phẩm Protect Guard kị nước phủ được lên hầu hết các bề mặt vật liệu, chống rêu mốc, tự làm sạch ; công ty Nanotrade của

Mỹ có các dòng sản phẩm màng phủ nano kị nước, kháng khuẩn dựa trên các hạt nano AgO, TiO2, SiO2 Trên thế giới những nghiên cứu sâu hơn đang hướng tới các sản phẩm có tính năng kị nước, bền với thời gian hơn và cải thiện được tính chất

cơ học, tính chất quang điện của vật liệu kị nước để mở rộng phạm vi ứng dụng Khi các bề mặt vật liệu có khả năng kị nước, chúng cũng chống lại sự phát triển của các vi sinh vật trên bề mặt Do đó, màng phủ kị nước đang được ứng dụng nhiều làm lớp phủ bảo vệ bề mặt các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải hoặc ở những nơi tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt (tàu biển, tầu ngầm và giàn khoan dầu)

1.5.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong nước

Ở Việt Nam, các sản phẩm có khả năng kị nước chưa được nghiên cứu triển khai sâu, mới chỉ dừng lại ở việc đưa thêm các phụ gia kị nước, kháng khuẩn vào các sản phẩm sơn, vữa, để làm tăng khả năng chống thấm, kị nước, kháng khuẩn Tuy nhiên, các kết quả kị nước, kháng khuẩn không cao và đặc biệt là không thể tạo

18

được một lớp màng có tính năng truyền quang trên bề mặt các vật liệu cần phủ Ngoài ra, các nghiên cứu cơ bản về màng phủ kị nước, kháng khuẩn dựa trên vật liệu nano SiO2, TiO2, ống nano các bon và chất tạo màng polyme tại các Viện nghiên cứu và trường Đại học như: Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, Viện Khoa học và công nghệ giao thông vận tải, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội, mới chỉ được nghiên cứu ở phòng thí nghiệm chưa được ứng dụng rộng rãi vào thực tế Các chủng loại sản phẩm kị nước mới xuất hiện trên thị trường Việt Nam và đều được nhập khẩu từ nước ngoài Chưa có thông tin nào về dung dịch kị nước trên cơ sở chất kết dính polysiloxan và các hạt nano SiO2 được nghiên cứu, sản xuất tại Việt Nam cho đến thời điểm hiện nay

1.6 Cơ sở khoa học của vấn đề nghiên cứu

1.6.1 Cơ sở lý thuyết về vấn đề thấm ướt và góc tiếp xúc

Khi giọt nước rơi trên bề mặt rắn sẽ tạo ra góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt rắn Tùy thuộc vào góc tiếp xúc, có thể phân biệt được bề mặt vật rắn là kị nước hay ưa nước Các loại bề mặt ưa nước như kim loại, thủy tinh sẽ làm giọt nước rơi trên đó chảy loang ra thành một vũng nhỏ dính vào bề mặt Bề mặt kị nước như lá sen, cánh bướm làm cho giọt nước co lại thành những hạt tròn giống như viên bi có thể di động được qua lại Hình dạng một giọt nước trên bề mặt ưa/kị nước được thể hiện trên hình 1.5

Hình 1.5: (a) Giọt nước trên bề mặt kị nước; (b) giọt nước trên bề mặt ưa nước

Góc tiếp xúc  là một đại lượng có thể đo được dễ dàng, cho biết độ ưa/kị nước của bề mặt vật liệu Khi góc tiếp xúc lớn hơn 900, bề mặt vật liệu thể hiện tính

kị nước và khi góc tiếp xúc nhỏ hơn 900, bề mặt vật liệu thể hiện tính ưa nước Bề mặt vật liệu và giọt nước càng có sự tương thích với nhau, góc tiếp xúc càng nhỏ

19

Khi góc tiếp xúc lớn hơn 1500, bề mặt vật liệu trở nên siêu kị nước, giọt nước co lại

thành hình cầu như hiện tượng nhìn thấy trên chảo rán có phủ lớp Teflon, góc tiếp

xúc là 1800 Tại đó diện tích tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt rất nhỏ, sự bám dính

không xảy ra, giọt nước di động khi nghiêng bề mặt

1.6.1.1 Phương trình Yoang

Khảo sát hình dạng của giọt nước trên bề mặt có lịch sử hơn 200 năm Năm

1805, Yoang đã đưa ra một công thức nổi tiếng về góc tiếp xúc của chất lỏng trên

bề mặt rắn hoàn toàn nhẵn, phẳng và đồng nhất hóa học dựa vào sự cân bằng lực tại

bề mặt tiếp giáp

γ sv - γ SL

Cos θ = ———— (1.1)

γ lv

Trong đó: γsv , γsl, γlv là sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt) tại phân cách của

rắn-hơi, rắn-lỏng, lỏng- hơi; góc tiếp xúc  là góc tiếp xúc ở trạng thái cân bằng trên

một mặt phẳng (hình 1.6)

Hình 1.6: Sự liên hệ giữa góc tiếp xúc theta và sức căng bề mặt theo công thức Yoang

Dựa vào công thức (1-1) nhận thấy, năng lượng bề mặt được dùng để dự

đoán bề mặt vật liệu đó kị hay ưa nước Theo định nghĩa, năng lượng bề mặt chính

là năng lượng dùng để đánh giá mức độ tiếp xúc bề mặt giữa hai vật liệu Như vậy,

vật liệu cứng như kim cương sẽ có năng lượng bề mặt lớn nhất, tiếp đó kim loại và

sau cùng là polyme được nêu trong bảng 2.1

bị ảnh hưởng bởi hình dạng của bề mặt Lý thuyết Wenzel, Cassie- Baxter đã chứng minh được sự lồi lõm làm bề mặt ưa nước càng ưa nước, bề mặt kị nước càng kị nước Những lý thuyết này xuất hiện từ những năm 70 dựa trên những lý luận đơn giản

1.6.1.2 Phương trình Wenzel, Cassie-Baxter

Phương trình Wenzel được thí nghiệm tại một bề mặt (hình 1.7), nơi mà chất lỏng có thể thâm nhập hoàn toàn vào bề mặt xù xì có rãnh khía và góc tiếp xúc trên

21

bề mặt nhám được đưa ra bởi công thức sau:

Cos w r Cos    

Trong đó: θ w là góc tiếp xúc trên bề mặt nhám, θ là góc tiếp xúc trong

phương trình của Young trên bề mặt nhẵn, r là hệ số của bề mặt nhám, được xác

định là tỷ số diện tích bề mặt thực tế và hình chiếu của nó (r=1 khi bề mặt nhẵn lý

tưởng, r>1 khi bề mặt thô nhám) Phương trình Wenzel (1-2) cho thấy rằng, độ

thấm ướt tăng khi bề mặt nhám

Hình 1.7: (a) giọt nước rơi trên bề mặt theo mô hình Wenzel;

(b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Wenzel

Tuy nhiên, khi θ > 900 ở điều kiện bề mặt thô nhám không đồng nhất, bọt khí

bị bẫy trong rãnh nhám Trong trường hợp này, giọt nước ở ngay trên bề mặt đa lớp

và trạng thái thấm ướt được xác định bởi công thức Cassie & Baxter

Phương trình Cassie- Baxter được xét đến trong những bề mặt đa lớp hoặc

không đồng nhất Trạng thái thấm ướt khác với trạng thái thấm ướt của Wenzel là

giọt nước được nằm trên đỉnh khe rãnh của bề mặt được thể hiện trên hình 1.8

22

Hình 1.8: (a) giọt nước rơi trên bề mặt nhám theo mô hình Cassie;

(b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Cassie

Trong trường hợp này, bề mặt lỏng phân chia thành hai pha, pha rắn -lỏng và

pha lỏng- hơi Góc tiếp xúc biểu kiến là tổng của tất cả các pha khác nhau và được

xác định theo công thức:

Cosθ c = f 1 Cosθ 1 +f 2 Cosθ 2 (1-3) Trong đó: θ c là góc tiếp xúc biểu kiến, f1 và f2 tương ứng là hệ số bề mặt của

pha 1 và pha 2 θ 1 , θ 2 tương ứng là góc tiếp xúc của pha 1 và pha 2 Phương trình

này là dạng tổng quát, chỉ áp dụng cho bề mặt không nhám Khi bề mặt là mặt phân

chia khí -lỏng, f là hệ số rắn, chính là hệ số của bề mặt rắn khi được chất lỏng thấm

ướt Chất khí có hệ số là 1-f Với θ =1800 của chất khí, góc tiếp xúc có thể được tính

theo phương trình dưới :

Cosθ c = f cosθ + (1-f) cos180 0 =f cosθ + f-1 (1-3)

Tham số f chạy từ 0÷1:

+ Khi f=0: giọt nước chưa tiếp xúc với bề mặt tại mọi điểm

+ Khi f=1: giọt lỏng thấm ướt hoàn toàn

Tóm lại, khi giọt lỏng trong trạng thái mô hình của Cassie, diện tích tiếp xúc

giữa giọt lỏng và bề mặt nhỏ cho phép nó có thể lăn chuyển dễ dàng

23

1.6.1.3 Góc tiếp xúc trễ

Góc tiếp xúc được đề cập ở trên là góc tiếp xúc tĩnh, được xác định rất thuận tiện trong trạng thái giọt lỏng trên bề mặt rắn Tuy nhiên, góc tiếp xúc khác nhau có thể tồn tại suốt theo đường tiếp xúc với chất không đồng nhất về hóa học Một giọt nước nhỏ có thể nằm bất động trên một mặt phẳng nghiêng, góc tiếp xúc ở mặt sau nhỏ hơn góc tiếp xúc ở mặt trước của giọt (hình 2.5a) Hai góc liên kết khác nhau cũng có thể được quan sát thấy khi nước được thêm vào hay rút ra từ một giọt Khi nước được thêm vào một giọt nước thì góc liên kết sẽ tăng tới khi đường thẳng tiếp xúc bắt đầu chuyển về phía trước, góc tiếp xúc này gọi là góc tiếp xúc tiến Mặt khác, khi rút nước ra từ một giọt thì góc tiếp xúc sẽ giảm tới khi đường thẳng tiếp xúc hạ xuống, góc tiếp xúc này gọi là góc tiếp xúc lùi (hình 2.5b) Sự khác biệt giữa góc tiếp xúc tiến và lùi gọi là góc tiếp xúc trễ Góc tiếp xúc trễ là hệ số để đánh giá khả năng bám dính bề mặt của giọt lỏng Do vậy, một bề mặt tự làm sạch khi nó có góc tiếp xúc trễ thấp

Hình 1.9: (a) góc tiếp xúc trễ; (b) góc tiếp xúc tiến và lùi khi thêm hoặc rút

chất lỏng ra khỏi giọt chất lỏng

1.6.2 Cơ chế tương tác giữa chất tạo màng và chất phân tán

Để chế tạo ra vật liệu nanocompozit có tính chất kị nước, phương pháp sử dụng đơn giản nhất là phương pháp trộn hợp dung dịch Các chất tạo màng chủ yếu được sử dụng là nhựa acrylic, polysiloxan, thủy tinh lỏng đều có năng lượng bề mặt thấp, có độ bám dính cao, bền cơ học… Hiện nay, các chất tạo màng vô cơ như

24

polysiloxane, thủy tinh lỏng, chất tạo màng lai tạo vô cơ-hữu cơ đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn do có độ bền nhiệt cao và quá trình tạo màng không liên tục nên màng có tính năng thở, không bị bong tróc theo thời gian

và đặc biệt sử dụng dung môi là nước nên rất thân thiện với môi trường Các vật liệu gia cường thường là các oxit kim loại như: TiO2, SiO2, ZnO,… Những nghiên cứu thử nghiệm cho thấy cả nano SiO2 và TiO2 đều có thể cản tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời, do vậy việc đưa chúng vào chất phủ có thể nâng cao độ cứng, sự bền chắc, tính ổn định, từ đó nâng cao độ bền tác động khí hậu và sẽ giúp cho chất phủ bền màu hơn Tính chất kị nước của nano TiO2, ZnO thường phụ thuộc vào điều kiện sử dụng như sự có mặt của ánh sáng tử ngoại Đối với nano SiO2 có thể dễ dàng biến tính để tạo thành các hạt nano SiO2 kị nước bằng các hợp chất silan Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi sử dụng nano SiO2 sẽ nâng cao khả năng chống bám bẩn và chống thấm của chất phủ, khi đưa chúng vào chất phủ truyền thống thì tính năng này sẽ tăng lên gấp nhiều lần Nước sẽ đọng thành giọt nhỏ rồi nhanh chóng chảy tuột đi trên bề mặt chất phủ và bám theo các tạp chất có trên bề mặt do đó sẽ làm giảm các tác động xấu tới bề mặt được phủ Nano SiO2 giúp màng phủ bền chắc khi bị chà xát tẩy rửa, giúp tăng độ bám dính, nâng cao độ bền nước, có khả năng chống thấm và chống bám bẩn nên số lần chịu tẩy rửa rất cao, có thể dùng nước cọ rửa vết bẩn trên bề mặt qua đó cũng tạo cho chất phủ công năng chống khuẩn (hình 1.10)

25

Hình 1.10: Bề mặt tường được phủ một lớp màng kị nước trên cơ sở polysiloxan và

nano SiO 2 kị nước

Trong công nghiệp, phương pháp thông dụng nhất để sản xuất hạt nano silica

là sử dụng tiền chất silicon tetraclo (SiCl4) SiCl4 được tổng hợp bằng phản ứng của hơi clo trong silicon kim loại nấu chảy Hơi clo được trộn với ôxy và hỗn hợp khí này bị đốt cháy với hydro trong lò đốt đặc biệt Bằng sự thay đổi nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ đốt cháy và thời gian lưu nồng độ bụi trong lò đốt có thể kiểm soát kích thước hạt nano SiO2 theo ý muốn

Hạt nano SiO2 sạch điều chế được luôn tồn tại các nhóm hydroxyl liên kết với nguyên tử silic gọi là nhóm silanol, nhóm này mang đặc tính cơ bản của nó Một trong những tính chất không mong muốn đó là sự tạo cầu kết nối bởi liên kết hydro

và sự hấp thụ ẩm trong không khí (hay còn gọi là đặc tính ưa nước hay hấp dẫn nước) Vậy, vấn đề là phải khử (loại bỏ) nhóm ưa nước hoặc phủ lên chúng bằng các nhóm kị nước khác để có thể tạo ra được vật liệu nano silica kị nước Để xử lý vấn đề này thì trong hầu hết các trường hợp chỉ cần cho chúng phản ứng với một hợp chất chứa nguyên tử silic liên kết với một nguyên tử clo hoặc nhóm chức khác

có khả năng thay thế hydro trong silanol theo một trong hai phản ứng sau: