Nghiên cứu khảo sát khả năng chống thấm của vải cotton phủ Polysiloxane (Silicone)

Polysiloxane Silicone Nghiên cứu điều kiện đóng rắn của vật liệu Silicone Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của loại vải cotton đến tính chất của vật liệu Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của h

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận vãn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khi luận vãn đã được chỉnh sửa (nếu có)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT VẬT LIỆU CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Polysiloxane (Silicone)

Nghiên cứu điều kiện đóng rắn của vật liệu Silicone

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của loại vải cotton đến tính chất của vật liệu

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Silicone (tỉ lệ nhựa/ sợi) tới tính chất chống thấm và tính chất cơ lý của vật liệu

Nghiên cứu khảo sát số lần tẩm ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

4

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đen PGS.TS Huỳnh Đại Phú, thầy đã giúp tôi tìm ý tưởng và định hướng phát triển luận văn, cùng với những sự giúp đỡ về vật chất cũng như tinh thần để hoàn thành luận văn Tiếp theo, tôi xin cảm ơn các chị tại Phòng Thí Nghiệm của Công ty Sản Phẩm Máy Tính Fujitsu đã hỗ ttợ tôi, tạo điều kiện về máy móc thiết bị ữong suốt thời gian thực hiện luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Thái Hòa- Nghiên cứu viên Khoa Kỹ Thuật Vật liệu- Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, chị Nguyễn Thị Lệ Giang cùng các anh chị công ty Nhựa Rạng Đông đã nhiệt tỉnh hỗ ừợ tôi ttong việc

đo mẫu để hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn các thầy, cô ừong khoa Kỹ thuật Vật liệu và bộ môn Polyme đã bổ sung kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm và dành thời gian nhận xét, phản biện, đánh giá luận văn của tôi, giúp tôi hoàn thiện khóa học Cao học của mình Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn cùng lớp Cao học Vật liệu khóa 2012 đã cũng đồng hành với tôi ừong cả khóa học Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố mẹ và gia đình đã động viên, hỗ ttợ tôi ttong suốt thời gian qua Cảm ơn bạn trai của tôi đã ở bên cạnh, giúp đỡ tôi những lúc khó khăn bế tắc

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất mọi người đã giúp đỡ, hỗ ừợ tôi ừong suốt thời gian vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2015

Người thực hiện

Phạm Thị Hằng

X

TÓM TẮT

Polysiloxane, được biết đến nhiều nhất là Polydimethylsiloxane, với đặc tính ưu việt vốn có của nó như chống thấm tốt, mềm dẻo ở nhiệt độ thấp, chống nhiệt và lạnh tốt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vải để giúp vải có tính chống thấm cao và mềm mại

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, dung dịch gồm Silicone lỏng Hydroxyl terminated Polydimethylsiloxane, chất tạo nối mạng, chất hóa dẻo cùng với dung môi xylene được sử dụng để nghiên cứu khảo sát khả năng chống thấm của vải cotton 100% khi vải được phủ dung dịch này Trước hết, dung dịch được kéo màng ừên tấm phim để tìm điều kiện đóng rắn cho vật liệu Sau đó, với điều kiện đóng rắn tìm được, khảo sát khả năng chống thấm khi phủ Silicone hên năm loại vải cotton 100% với các mật độ dệt và cấu trúc bó sợi chặt chẽ khác nhau Tiến hành nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Silicone (tỉ lệ nhựa/sợi) tới tính chất chống thấm và tính chất cơ lý của vật liệu; nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của loại vải cotton đến tính chất của vật liệu; và nghiên cứu khảo sát số lần tẩm ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu Khả năng chống thấm của vải cotton được xác định thông qua tiêu chí đánh giá là góc tiếp xúc nước, áp lực nước và chỉ số tuột nước; trong khi đó cấu trúc và thành phần nguyên tố của bề mặt vải được xác định bằng phương pháp SEM, và EDX; tính chất

cơ lý được xác định bằng phương pháp đo độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt

ABSTRACT

Polysiloxane with typical Polydimethylsiloxane has many its unique properties and performance, such as water repellency, flexibility at low temperatures, excellent heat and cold resistance Thus, Polysiloxane are widely used for textile finishing to impart desữable properties such as water repellent and softness

In this work, mixtures of a liquid Silicone Hydroxyl terminated Polydimethylsiloxane, crosslink agent, plasticizer and xylene are used to investigate the water repellency property

of 100% cotton fabric when it is impregnated with this mixtures At first, the polymerization conditions were tested by producing a polymeric film on a Poly(ethylene terephthalate) substrate Then, the mixtures were spread on the 100% cotton samples and investigate the water repellency and physical property based on the concentration of Silicone, kind of cotton samples and the time of treating fabric Water-resistance properties were determined in term

of the contact angle, the spray test, and the hydrostatic head test; whereas the morphology and surface composition of treated fabrics were examined with scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray analysis; the physical property were determined in term of tensile strength and elongation

vi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận vãn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phạm Thị Hằng

7

MỤC LỤC

A TỔNG QUAN 1

1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO BỀ MẶT CHỐNG THẤM CHO VẢI 1

2 GIỚI THIỆU VỀ VẢI COTTON 3

2.1 Cấu trúc vải cotton 3

2.2 Tính chất vải cotton 7

3 GIỚI THIỆU VỀ POLYSILOXANE (SILICONE) 7

3.1 Giới thiệu về Silicone 7

3.2 Quy trình sản xuất Silicone 8

3.3 Tính chất của Silicone 13

3.4 ứng dụng của Silicone 14

3.5 Silicone lỏng 19

3.6 Cơ chế chống thấm của Polydimethylsiloxane 21

4 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 22 B THỰC NGHIỆM 25

1 Hóa chất sử dụng 25

2 Vải cotton sử dụng 25

3 Qui trình thực nghiệm tìm điều kiện đóng rắn cho vật liệu Silicone 27

4 Phủ dung dịch Polydimethylsiloxane lên vải cotton 31

5 Các phương pháp phân tích được áp dụng 33

5.1 Xác định hàm lượng Gel 33

5.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp EDX 34

5.3 Tuột nước (Spray test) 35

5.4 Ẩp lực nước (hydrostatic head tester) 37

5.5 Độ bền kéo đứt 38

8

5.6 Đo sức căng bề mặt (Surface electro optics-SEO) 39

6 Giới thiệu các thiết bị thí nghiệm 41

c KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 47

1 Qui trình thực nghiệm tìm điều kiện đóng rắn cho màng 47

2 Qui trình phủ Silicone lên vải 49

2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Silicone (tỉ lệ nhựa/sợi) tới tính chất chống thấm và tính chất cơ lý của vật liệu 49

2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của loại vải cotton đến tính chất của vật liệu 60

2.3 Nghiên cứu khảo sát số lần tẩm ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 93

9

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

HìnhO-A-1: Bông sợi cotton và sản phẩm vải cotto XV

Hình A-l: Thời gian thấm của giọt nước vào vải 2

HìnhA-2: SEM của sợi PET không xử lý uv và xử lý uv 3

Hình A-3: cấu trúc của cellulose 4

Hình A-4: Sợi cotton thô dưới kính hiển vi điện tử 5

Hình A-5: cấu trúc một sợi cotton 5

Hình A-6: Sợi cotton chưa qua xử lý mercer Hình A-7: Sợi cotton qua xử lý mercer 6

Hình A-8: Mặt cắt ngang sợi cotton chưa qua xử lý mercer 6

Hình A-9: Mặt cắt ngang sợi cotton qua xử lý mercer 6

Hình A-10: Công thức hóa học của Polydimethylsiloxane đặc trưng 8

Hình A-11: Qui trình sản xuất Silicone 8

Hình A-12: Lò luyện Silica và Silic kim loại tạo thành 9

Hình A-13: Các cột chưng cất Chlorosilane 10

Hình A-14: Túi khí silicone 15

Hình A-15: Các bộ phận xe hơi cần keo dán Silicone 15

Hình A-16: Sản phẩm chăm sóc da từ Silicone của hãng Dow Corning 15

Hình A-17: Sản phẩm chăm sóc tóc từ Silicone của hãng Dow Corning 16

Hình A-18: Keo dán trong xây dựng của hãng Dow Corning 16

Hình A-19: Chất bao từ Silicone bảo vệ độ sáng màn hình laptop 17

Hình A-20: Hệ thống dẫn thuốc của hang Dow Corning 17

Hình A-21: Các thiết bị y học của hang Dow Corning 18

Hình A-22: Bột giặt của hãng Dow Corning 18

X

Hình A-23: Lều được phủ Silicone thoáng khí, chống nắng, gió và nước 18

Hình A-24: Phủ Silicone lên cạp quần để giúp cạp quần giữ đúng vị trí 19

Hình A-25: Vải thời trang phủ Silicone giúp vải cảm giác mát, mềm mại, bóng mượt 19

Hình A-26: Quần áo phủ Silicone có đặc tính quản lý hơi ẩm đặc trưng, chống nhăn, dễ là ủi, co dãn 19

Hình A-27: Cơ chế chống thấm của Polydimethylsiloxane 22

Hình B-l: cấu trúc và buồng điện tử trong SEM 34

Hình B-2: Máy SEM sử dụng trong luận văn 35

Hình B-3: Phương pháp tuột nước (Spay test) 36

Hình B-4: Biểu đồ tiêu chuẩn 37

Hình B-5: Thiết bị đo áp lực nước 38

Hình B-6: Minh họa góc tiếp xúc tạo bởi giọt chất lỏng ừên bề mặt chất rắn phẳngđồng chất 39

Hình B-7: Sức căng bề mặt gây bởi lực không cân bằng của các phân tử chất lỏng tại bề mặt 40

Hình B-8: Lò sấy Memmert 41

Hình B-9: Cân phân tích Shimadzu 42

Hình B-10: Cân phân tích Pioneer 42

Hình B-l 1: Thiết bị khuấy Iuchi 43

Hình B-12: Thiết bị khuấy từ As one 43

Hình B-13: Dụng cụ đo bề dày vải Mitutoyo 44

Hình B-14: Thiết bị thử sức bền vật liệu Instíon/USA 44

Hình B-15: Thiết bị đo tuột nước (Spray test) 45

Hình B-16: Máy đo áp lực nước 45

xi

Hình B-17: Máy đo sức căng bề mặt Pheonex 300 46

Hình B-18: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 46

Hình C-l: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng hàm lượng phần Gel theo nhiệt độ và nồng độ Silicone ứng thời gian sấy 1 giờ 47

Hình C-2: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng hàm lượng phần Gel theo nhiệt độ và nồng độ Silicone ứng thời gian sấy 2 giờ 47

Hình C-3: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng hàm lượng phần Gel theo nhiệt độ và nồng độ Silicone ứng thời gian sấy 3 giờ 48

Hình C-4: Hàm lượng nhựa/sợi của các mẫu vải kiểu lvới nồng độ Silicone khác nhau 50

Hình C-5: Bề dày vải kiểu 1 và bề dày lớp phủ của vải kiểu 1 51

Hình C-6: Ảnh SEM (x50) của (1) vải không phủ và (2) vải phủ với 10% Silicone ; Ảnh SEM (xlOOO) của (a) vải không phủ và (b) vải phủ với 10% Silicone 52

Hình C-7: Ảnh SEM (x50) của (3) vải với 15% Silicone và (4) vải phủ với 20% Silicone ; Ảnh SEM (xlOOO) của (c) vải phủ với 15% Silicone và (d) vải phủ với 20% Silicone 53 Hình C-8: Đồ thị so sánh kết quả phân tích EDX 54

Hình C-9: Đồ thị biễu diễn độ bền kéo đứt của các mẫu vải với nồng độ Silicone khác nhau 55

Hình C-10: Đồ thị biểu diễn độ giãn dài khi đứt của các mẫu vải với nồng độ Silicone khác nhau 55

Hình C-l 1: Vải không phủ trước kéo đứt (a) và sau khi kéo đứt (b) 56

Hình C-12: Vải phủ Silicone trước khi kéo đứt (c) và sau khi kéo đứt (d) 56

Hình C-13: Góc tiếp xúc nước của mẫu vải và màng Silicone 57

Hình C-14: Minh họa giọt nước và góc tiếp xúc trên màng Silicone 58

Hình C-15 : Minh họa giọt nước và góc tiếp xúc trên vải không phủ 58

Hình C-16: Minh họa giọt nước và góc tiếp xúc ttên vải phủ Silicone 58

xii

Hình C-17: Đồ thị biểu diễn áp lực nước của vải không phủ (vải trắng) và vải phủ với

nồng độ Silicone khác nhau 59

Hình C-18: Chỉ số tuột nước vải không phủ (vải ttắng) và vải phủ với nồng độ Silicone khác nhau 59

Hình C-19: Ảnh SEM của vải cotton kiểu 1 (a) độ phóng đại x50 và (b) độ phóng đại x350 62

Hình C-20: Ảnh SEM của vải cotton kiểu 2 (a) độ phóng đại x50 và (b) độ phóng đại x500 63

Hình C-21: Ảnh SEM của vải cotton kiểu 3 (a) độ phóng đại x50 và (b) độ phóng đại xiooo 63

Hình C-22: Ảnh SEM của vải cotton kiểu 4 (a) độ phóng đại x50 và (b) độ phóng đại x750 64

Hình C-23: Ảnh SEM của vải cotton kiểu 5 (a) độ phóng đại x50 và (b) độ phóng đại x500 64

Hình C-24: Đồ thị biểu diễn hàm lượng nhựa/sợi 65

Hình C-25: Đồ thị so sánh kết quả EDX 66

Hình C-26: Đồ thị biểu diễn bề dày lớp phủ 67

Hình C-27: Ảnh SEM (x50) của vải kiểu 1 không phủ Silicone: hình bề mặt (độ phóng đại x50) (1); bó sợi (độ phóng đại xlOOO) (a) 68

Hình C-28: Ảnh SEM của vải kiểu 2 không phủ Silicone: hình bề mặt (độ phóng đại x50)(2); bó sợi (độ phóng đại xlOOO) (a) 69

Hình C-29: Ảnh SEM của vải kiểu 3 không phủ Silicone: hình bề mặt (độ phóng đại x50) (3); bó sợi (độ phóng đại xlOOO) (a) 70

Hình C-30: Ảnh SEM của vải kiểu 4 không phủ Silicone: hình bề mặt (độ phóng đại x50)(4); bó sợi (độ phóng đại xlOOO) (a) 71

Hình C-31: Ảnh SEM của vải kiểu 5 không phủ Silicone: hình bề mặt (độ phóng đại x50)(5); bó sợi (độ phóng đại xlOOO) (a) 72

HìnhC-32: Độ bền kéo đứt của năm kiểu vải 73

xiii

Hình C-33: Độ giãn dài khi đứt của năm kiểu vải 74

Hình C-34: Vải kiểu 1 khi đứt: Vải không phủ (A), vải phủ Silicone (B) 75

Hình C-35: Vải kiểu 3 khi đứt: Vải không phủ (C), vải phủ Silicone (D) 75

Hình C-36: Vải kiểu 5 khi đứt: Vải không phủ (E), vải phủ Silicone (F) 76

Hình C-37: Góc tiếp xúc của các mẫu vải và màng Silicone 77

Hình C-38: Áp lực nước của năm kiểu vải 78

Hình C-39: Chỉ số tuột nước của năm kiểu vải 78

Hình C-40: Bồ dày lớp phủ của vải cotton kiểu 3 với số lần tẩm khác nhau 80

Hình C-41: Hàm lượng nhựa/sợi của vải kiểu 3 với số lần tẩm khác nhau 81

Hình C-42: Đồ thị so sánh kết quả EDX 82

Hình C-43: Ảnh SEM của vải kiểu 3 không phủ (a) độ phóng đại x50; (b) độ phóng đại xiooo 82

HìnhC-44: Ảnh SEM của vải tẩm 1 lần (a) độ phóng đại x50; (b) độ phóng đại xiooo 83

Hình c 1: Ảnh SEM của vải tẩm 2 lần (a) độ phóng đại x50; (b) độ phóng đại xiooo 83

Hình c 2: Ảnh SEM của vải tẩm 3 lần (a) độ phóng đại x50; (b) độ phóng đại X1000 84

Hình c 3: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo đứt của vải kiểu 3 với số lần tẩm khác nhau 85

Hình c 4: Đồ thị biểu diễn độ giãn dài khi đứt của vải kiểu 3 85

Hình c 5: Vải không phủ trước (1) và sau khi đứt (a); Vải tẩm Silicone 1 lần trước (2) và sau khi đứt (b)86 Hình c 6: Vải tẩm Silicone 2 lần trước (3) và sau khi đứt (c); Vải tẩm Silicone 3 lần trước (4) và sau khi đứt (d) 86

Hình c 7: Đồ thị biểu diễn góc tiếp xúc của vải kiểu 3 87

Hình c 8: Minh họa giọt nước và góc tiếp xúc nước ừên màng Silicone 88

xiv

Hình c 9: Minh họa giọt nước và góc tiếp xúc nước ừên vải kiểu 3 không phủ 88

Hình c 10: Minh họa giọt nước và góc tiếp xúc nước hên vải kiểu 3 phủ Silicone 88

Hình c 11: Đồ thị biểu diễn áp lực nước của vải kiểu 3 89

Hình c 12: Đồ thị biểu diễn chỉ số tuột nước của vải ki 89

Hình c 13: Kết quả từ công ty nhựa Rạng Đông 96

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng A-l: Thành phần cấu tạo nên sợi cotton thô 4

Bảng A-2: Các dạng cấu trúc của Silicone từ các Chlorosilane khác nhau được tạo thành 12

Bảng A-3: Một số điểm giống nhau giữa liên kết Si-X ừong Silicone và C-X 13

Bảng A-4: Các công trình nghiên cứu liên quan ngoài nước 22

Bảng B-l: Năm loại vải cotton 100% kiểu dệt thoi sử dụng trong luận văn 26

Bảng B-2: Các điều kiện khảo sát để tìm điều kiện đóng rắn cho vật liệu Silicone 29

Bảng C-l: Năm kiểu vải cotton sử dụng ttong luận văn 60

BảngO-1: Kết quả thực nghiệm của tìm điều kiện đóng rắn vật liệu 93

LỜI MỞ ĐẦU

Polysiloxane được sử dụng rộng rãi ừong công nghiệp dệt vải nhằm giúp vải có thêm một

số đặc tính mong muốn như mềm mại, chống nhăn và chống thấm nước

Cotton là chất liệu được người tiêu dùng khắp thế giới cho là chất liệu phù hợp nhất trong may mặc do giá cả phù họp, độ bền tốt, thông thoáng, dễ phù họp với mọi loại thời tiết và mang lại sự thoải mái cho người sử dụng

Vải cotton với đặc tính ưa nước, có khả năng thấm hút nước tốt là kết quả của nhiều nhóm hydroxyl - OH gắn trên nó, điều này góp phần làm giảm tính kháng bẩn cũng như tính chống thấm nước của vải

Do đó, việc phủ lên vải cotton chất chống thấm là một yêu cầu đặc biệt cần thiết ừong công nghiệp vải

Sự lựa chọn Polysiloxane thay vì các chất phủ hữu cơ khác là do đặc tính ưu việt vốn có của Polysiloxane như chống thấm tốt, mềm dẻo ở nhiệt độ thấp, chống nhiệt và lạnh tốt, và đặc tính điện tốt

Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có báo cáo chính thức về việc nghiên cứu khảo sát khả năng chống thấm của vải cotton được phủ Polysiloxane

Vì vậy, đề tài tiến hành khảo sát khả năng chống thấm của vải cotton khi được phủ Polysiloxane (Silicone)

HĩnhO-A-1: Bông sợi cotton và sản phâm vải cotto

Tạo bề mặt gồ ghề ở cấu trúc vi mô

1.1 Phủ hóa học hợp chất không phân cực

Thông thường, Fluorocarbon được sử dụng như là một tác chất kỵ nước trong qui trình ướt, như nhúng vải vào trong dung dịch sau đó ổn định nhiệt Các sản phẩm này cho tính chống thấm tốt, tuy nhiên qui này này đưa đến vấn đề về nước thải và môi trường khi sử dụng fluorocarbon mạch dài

Một lựa chọn thú vị khác thay cho Fluorocarbon là các hợp chất nền Silicone Rất nhiều bài báo về Silicone và ứng dụng của nó trên vải được ví dụ [3], [5], [6], [13], [14], [15], Qui trình phủ có thể được thực hiện với phương pháp đơn giản như nhúng, sau đó cho vải qua hai con trục vắt

Kỹ thuật Sol-gel có thể được tiến hành để thu được một lớp màng mỏng có tính chống thấm cao trên vải sợi cotton cũng như sợi nhân tạo cao cấp, như công bố của nhóm tác giả Chaoxia Wang [2], Hợp chất sử dụng trong bài báo là dẫn xuất từ alkoxysilane

1.2.2 Biến tính bề mặt dùng ánh sáng đon sắc chiếu từ đèn uv

CÓ rất nhiều bài báo công bố về việc sử dụng đèn uv để tăng tính kỵ nước Một số nghiên

2

cứu gần đây về tính chống thấm của vải PET (vải kỹ thuật), dùng quang hóa xử lý với sự

có mặt của 1,5-hexadiene, 1,7-octadiene, diallyphthalete (DAP) và 1H,1H, 2H, 2H-

perHuorodecyl acrylate (PFDA) Dữ liệu thử nghiệm được tổng kết ở hình A-l cho thấy rằng thời gian giọt nước thấm vào vải đã xử lý uv là một giờ, trong khi đó vải không xử lý

là 20s

Hình A-l: Thời gian thẩm của giọt nước vào vải

Dựa vào đặc tính tự làm sạch của bề mặt kỵ nước và gồ ghề vi mô của một số con vật và cây trong tự nhiên (như hiệu ứng lá sen, bàn chân con tắc kè), có rất nhiều phương pháp khác nhau để tạo bề mặt có tính chống thấm cao đã được bàn luận và công bố

Nhìn chung, các phương pháp đều có ý tưởng chung là tạo bề mặt vải có tính chống thấm như hiệu ứng lá sen cấu trúc “lá sen” có thể được chế tạo trên nền vải cotton thông qua việc gắn carbon nanotube lên vải Khi đó, góc tiếp xúc đo được lớn hơn 150°

Một cách khác để tạo độ gồ ghề vi mô cho vải, được đề nghị bởi nhiều nhà nghiên cứu ừong những năm 1980, là chiếu lên bề mặt sợi các xung, tia laser hấp thu mạnh Hình A-2 đặc

3

trưng cho kết quả bề mặt sợi sau khi được xử lý laser uv

Halin' N FFTIiii-diníihuiiuiib ‘Oi- tk-HhaiHÍ uv luíCr Irtulud Thu hM'1 in ; K I Í ; I I Ú

dut Uh-inự :i Iiulnal KrF uviirvr 1:14'1 UITI ilũiiụ' :il 21S rtm I HI lílhcs Lviilt u putìí or

N.Ì mJ.tni 1

!

HĩnhA-2: SEM của sợi PET không xử lý uv và xử lý uv

2.1 Cấu trúc vải cotton

Vải cotton được ứng dụng rộng rãi nhất ngày nay (chiếm khoảng 50% số lượng các sản phẩm

từ vải sợi ừên the giới) Cotton được lấy từ cây bông vải, thường được ừồng ở những nước

ôn đới và nhiệt đới Sau khi được khai thác, sợi cotton được xử lý qua nhiều công đoạn để loại bỏ những thành phần chất béo, chất sáp bám ừên vỏ sợi làm tăng tính thấm nước và qui trình tẩy trắng sại Sau quá trình xử lý, sại cotton sẽ được trai qua những công đoạn khác để làm nên tấm vải

4

Bảng A-l: Thành phần cẩu tạo nên sợi cotton thô

ỏ

Cellolose- polymer của glucose- là thành phần hóa học cơ bản nhất của tất cả các loại thực vật Monomer của cellulose là 1, 2, 4, 8- anhydroglucose, số lượng monomer có thể từ 1000 đến 18000 đơn vị

Hình A-3: cấu trúc của cellulose

Chuỗi Hên kết dài của cellulose làm cho các mối liên ket hydro của các phân tử liền kề liên kết chặt chẽ với nhau Các chuỗi liên kết phân tử này cộng với cấu trúc mạch thẳng của ceHulose hình thành nên những vùng có cấu trúc tinh thể của cellulose (microfibril) Những microfibril này liên kết sắp xếp lại với nhau thành một cấu trúc lớn hơn gọi là fibril (sợi) Cấu trúc của sợi cotton rất phức tạp, gồm ba phần chính Lớp biểu bì ngoài cùng có tính kỵ nước, có chức năng bảo vệ Ngoài cellulose ra còn có những lớp chất béo và sáp, nên để có tính thấm nước tốt thì cotton phải được xử lý Bên dưới lớp biểu bì là lớp thành sợi chính,

do những sợi (fibril) nhỏ đan ngang dọc với nhau tạo thành Bên dưới lớp thành sợi

5

chính đó là lớp thành sợi phụ, chiếm hầu hết khối lượng của sợi cotton, do các lớp sợi liên

tiếp chồng lên nhau và ngược hướng tạo thành Ruột (lumen) của sợi cotton rỗng, để dẫn

protein đi nuôi lớn sợi cotton Khi sợi đã trưởng thành, sợi khô đi và ruột bị thu hẹp lại, làm

cho những sợi cotton xoắn lại (do lớp thành sợi phụ)

Hình A-4: Sợi cotton thô dưới kính hiển vỉ điện tử

Hình A-5: cẩu trúc một sợi cotton

Cotton là một polyalcohol (có nhóm -OH), nhưng mối liên kết hydro giữa những nhóm

hydroxyl của các phân tử liền kề khá bền vững, không cho nước xuyên thấu vào những vùng

có cấu trúc tinh thể của cellulose, do đó nó không hòa tan trong nước Tuy nhiên, cotton lại

khá ưa nước, có khả năng thấm hút nước tốt cấu trúc tổ ong với các lồ li ti giúp các phân tử

nước xuyên thấu qua những vùng trống trong chuỗi polymer và hình thành liên kết hydro

với các cellulose hydroxyl tự do Các sợi cotton khi hút nước sẽ phồng lên,

6

trở nên dẻo dai hơn, mềm hơn và độ bền tăng lên (20%) do liên kết hydro mới tạo thành Mức độ thấm hút nước của cotton thông thường là 8% và tăng lên đến 25-30% ở độ ẩm tương đối 100%, nhiệt độ phòng Giữa những cấu trúc tinh thể trong cotton là những vùng ừống, những chất màu của thuốc nhuộm hay mực in sẽ bám vào những vùng này Cotton sẽ

bị phân hủy (hydro hóa) khi gặp dung dịch acid loãng nóng hoặc đậm đặc lạnh, nhưng không

có tác dụng với acid loãng ở nhiệt độ phòng Cotton bền với dung dịch kiềm nên dung dịch kiềm được dùng ừong quá trình xử lý vải gọi là mercerization Trong dung dịch kiềm, sợi cotton sẽ phồng lên, ttở nên tròn, đều đặn và giảm thiểu tính xoắn của sợi Nếu ừong khi phồng lên, vải được giữ chặt để ưánh co rút thì cotton sẽ thay đổi hình dạng và tạo ra 1 bề mặt nhẵn hơn Sau khi tẩy chất kiềm và sấy khô, sợi cotton vẫn giữ nguyên dạng ống ừòn Tuy không có sự khác biệt về tính chất hóa học của vải được qua xử lý mercer và không xử

lý nhưng vải qua xử lý sẽ cho tính bám màu tốt hơn và chất lượng hình ảnh cao hơn

Hĩnh A-6: Sợi cotton chưa qua xử lý mercer Hĩnh A-7: Sợi cotton qua xử lý mercer

Hĩnh A-8: Mặt cẳt ngang sợi cotton Hình A-9: Mặt cẳt ngang sợi cotton qua

Vải cotton rất dễ dàng nhuộm màu

Vải cotton có tính đàn hồi thấp, do đó hầu như là không dãn

Vải cotton dễ giặt và có thể là sấy ở nhiệt độ cao

3.1 Giới thiệu về Silicone

Giống như Ketone, tên gọi Silicone được đưa ra năm 1901 bởi Kipping để mô tả hợp chất

có công thức chung là R2S1O

Sau đó, nó nhanh chóng được nhận ra là một hợp chat polymer với tên gọi thích hợp hơn là

“ Polysiloxane” hay Polydialkylsiloxanes, với công thức:

8

Luận văn cao học

HìnhA-10: Cồng thức hóa học của Poly dimethylsiloxane đặc trưng

3.2 Quy trình sản xuất Silicone

Hình A-ll: Qui trình sản xuat Silicone

Quy trình sản xuất Silicone gồm các bước sau:

Tổng hợp Methyl Chlorosilane từ Silic kim loại và Methyl chloride Chưng cat Chlorosilane

Thủy phân và trùng ngưng Chlorosilane

3.2.1 Tổng hợp Methyl Clorosỉlane từ Silic kim loại

■ Tinh thể Silic nguyên chất hiếm tìm thấy ừong tự nhiên, thông thường nó nằm ừong dạng Silic dioxit (S1O2) Nó có trong đất sét, granit, thạch anh và cát, chủ yếu ừong dạng Dioxit silic (hay Silica) và các Silicat (các hợp chất chứa Silic, oxy và kim loại ừong dạng R-SÌO3) Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu sạch

9

trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon Ở nhiệt độ dưới 1400°C, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng:

SiO + 2C—'SĨ + 2CO

Hĩnh A-12: Lò luyện Silica và Silic kim loại tạo thành

Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội Đe chuẩn bị cho qui trình sản xuất Silicone, Silic được mài thành bột mịn để tăng diện tích cho phản ứng xảy ra

■ Methyl chloride được sản xuất bằng cách trùng ngưng methanol với acid hydrochloric

CH OH + HCL —"CHCI + H,0

Methanol là thành phần chính trong quy trình sản xuất Silicone

■ Chlorosilane được tổng hợp trong giường lò phản ứng chất lỏng tại nhiệt độ trong khoảng

từ 250°C đến 300°C và áp suất từ 1 đến 5 bars Methyl chloride (CH3CI) chảy qua giường có sẵn bột kim loại Silic Phản ứng được xúc tác bởi chất xúc tác nền đồng, tạo nên sản phẩm là một hồn họp của methyl chlorosilane:

XSi + yCH CI ■■■*■ Methyl ChlorasilaneS

Hỗn hợp Methyl chlorosilane gồm:

Một lượng lớn Dimethylchlorosilane (MC2SÌCI2)- Chlorosỉlane chính

Một lượng trung bình Methyltrichlorosilane (MeSiCh)

Carbon Sifccft*

Sand

10

Một vài trimethylchlorosilane (Me3SiCl)

Một lượng nhỏ methyldichlorosilane (MeHSiCb)

Cộng thêm một lượng nhỏ hơn của các silane khác

Hỗn hợp này sau đó được tách riêng thông qua quá trình chưng cất tiếp theo

đó cột chưng cất yêu cầu phải rất cao mới tách riêng từng chất được

Hình A-13: Các cột chưng cất Chlorosiỉane

Sau khi được tách riêng, Các chlorosilane sẵn sàng cho giai đoạn tiếp theo là thủy phân và trùng ngưng

3.2.3 Thủy phân và trùng ngưng Chlorosỉlane

Khi nước được thêm vào Dimethylchorosilane (chlorosilane chính), phản ứng xảy ra tạo nên disilanol và acid hydrochloric Điều này xảy ra là do Oxy “giống” Silic hơn là Clo, và clo

“giống” Hydro hơn là Oxy (Me=CH3)

Các disilanol này không bền và tấn công mạnh mẽ lẫn nhau Nhờ xúc tác là acid

Hydrochloric, chúng trùng ngưng tạo thành polydimethylsiloxane

Cyclic rings- Các mạch vòng (với 3-6 vòng lặp của đơn vị SiO)

Linear chains- Các dây thẳng (với 30-50 đơn vị SiO)

Các Oligomer vòng và thẳng này được tách khỏi nhau và chưng cất thành các phần dựa vào

số đơn vị SiO trong mạch Một số trong đó được sử dụng (ví dụ cyclosiloxane và chất lỏng Silicone thấp phân tử) Nhưng phần lớn được tiếp tục polymer hóa để tạo thành vật liệu có khả năng lớn hơn

12

Bảng A-2: Các dạng cẩu trúc của Silicone từ các Chlorosilane khác nhau được tạo thành

4 0

—ìí—o- i — B

và năng lượng liên kết lớn, 425kJ/mol (108kcal/mol) Liên kết Si-C có năng lượng là

±318kJ/mol (76kcal/mol), hơi thấp so với liên kết C-C, trong đó liên kết C-C là yếu, 193kJ/mol (46,4 kcal/mol) Những giá ừị này một phần nào giải thích tính bền của silicone Liên kết Si-O có khả năng kháng lại quá trình cắt mạch đồng ly Ngược lại, cắt mạch dị ly rất

dễ, minh họa bằng phản ứng tái cân bằng xuất hiện ừong quá trình polymer hóa xúc tác bởi acid hoặc bazo

Silicone thể hiện sự kết hợp khác thường của mạch vô cơ giống như silicate có năng lượng rất cao với nhánh là nhóm methyl là chất hữu cơ có năng lượng rất thấp Liên kết Si-0 phân cực rất mạnh, và nếu không có sự bảo vệ sẽ dẫn đến sự tương tác giữa các phân tử với nhau Nhưng các nhóm CH3, tương tác rất yếu với nhau, che chắn mạch chính Điều này làm cho mạch siloxane có tính linh hoạt cao Năng lượng quay rất thấp và mạch siloxane có thể có nhiều cấu hình khác nhau Năng lượng quay xung quanh liên kết CH2- CH2 ừong polyethylene là 13,8kJ/mol, nhưng chỉ 3,3kJ/mol xung quanh liên kết Me2Si-O, gần như là quay tự do

Mặc dù mạch phân cực rất mạnh, Silicone có sức căng bề mặt tới hạn của thấm ướt nhỏ (bằng của paraffin) Hoạt tính bề mặt của silicone được thể hiện trong nhiều trường hợp:

Polydimethylsiloxane (PDMS) có sức căng bề mặt nhỏ (20,4mN/m) và có khả năng thấm ướt hầu hết các bề mặt Các nhóm methyl định hướng ra ngoài làm cho nó có tính chống thấm ướt nước Sức căng bề mặt nhỏ còn giúp polydimethylsiloxane có tính tương hợp sinh

Tương tác giữa các phân tử trong silicone có những hệ quả sau:

Nhiệt độ chuyển thủy tinh rất thấp, ví dụ polydimethylsiloxane là 146°K so với polyisobutylene là 200°K

Thể tích tự do (free volume) cao so với hydrocacbon giải thích cho tính tan cao và hệ

số khuếch tán của khí cao vào ừong silicone Silicone có tính thấm khí cao đối với Oxi, Nitơ hoặc hơi nước, thậm chí trong trường hợp này, giọt nước lỏng cũng không có khả năng làm ướt bề mặt silicone Silicone cũng có tính nén cao

Trong silicone, năng lượng hoạt hóa đến sự thay đổi độ nhớt rất thấp, và độ nhớt của silicone phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ so với polymer hữu cơ

Sự hiện diện của các nhóm khác ngoài nhóm methyl làm giảm độ bền nhiệt của polymer, nhưng với các nhóm the đó, có thể biến tính một số tính chất như:

Một lượng nhỏ của nhóm phenyl dọc theo mạch làm thay đổi nó 1 cách thích hợp để ảnh hưởng đến mức độ kết tinh và cho phép mạch polymer vẫn còn linh hoạt ở nhiệt độ rất thấp Nhóm phenyl cũng làm tăng chỉ số khúc xạ

Nhóm trifluoropropyl dọc theo mạch thay đổi chỉ số tan của polymer từ 7,5 đến 9,5 cal1/2.cm3/2 Những copolymer này được dùng để tổng hợp chất đàn hồi có khả năng trương 1

ít trong alkane hoặc dung môi thơm

3.4 ứng dụng của Silicone

Silicone được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau:

Công nghiệp xe hơi: túi khí, keo dán các bộ phận của xe

15

Hĩnh A-14: Túi khí silicone

Hình A-15: Các bộ phận xe hơi cần keo dán Silicone

Chăm sóc cá nhân và làm đẹp : dưỡng tóc mượt, cung cấp độ ẩm cho da

Hình A-16: Sản phẩm chăm sóc da từ Silicone của hãng Dow Corning

16

Hình A-l 7: Sản phẩm chăm sóc tóc từ Silicone của hãng Dow Corning

Xây dựng: Keo dán các bộ phận khác nhau ừong cấu trúc xâu dựng : các cửa kính, các

bộ phận cần chống thấm nước

Hĩnh A-18: Keo dán trong xây dựng của hãng Dow Corning

Điện tử: chất bao giúp bảo vệ và hàn chip đèn Led của màn hình laptop để quản lý ảnh sáng của màn hình, keo dán giúp hàn và bảo vệ đế bảng mạch điện tử và các linh kiện của nó

Hình A-19: Chat bao từ Silicone bảo vệ độ sáng màn hình laptop

Chăm sóc sức khỏe: các dụng cụ y học, hệ thống dẫn thuốc

DON'T FORGET YOUR MEDECINẼ

D(W Conning's BIO-PSA adhesives help patients receive the ficht amount of drug at th e right time

Hình A-20: Hệ thống dẫn thuốc của hang Dow Corning

18

Hình A-21: Các thiêt bị y học của hang Dow Coming

Các sản phẩm chăm sóc gia đình, nội ừợ: Bột giặt, chất làm sạch bề mặt bếp

Hĩnh A-22: Bột giặt của hãng Dow Corning

Công nghiệp vải: Quần áo và chất phủ

Hình A-23: Leu được phủ Silicone thoáng khí, chống nắng, gió và nước

19

Hình A-24: Phủ Silicone lên cạp quần để giúp cạp quần giữ đúng vị trí

Hình A-25: Vải thời trang phủ Silicone giúp vải cảm giác mát, mềm mại, bóng mượt

Hình A-26: Quần áo phủ Silicone có đặc tính quản lý hen ẩm đặc trưng, chổng nhăn, dễ

Tính chất

> Silicone lỏng không bay hoi : Nhóm mạch thẳng Polydimethylsiloxane (PDMS)

Trong suốt, không màu, về cơ bản là không mùi

Sức căng bề mặt thấp- Có khả năng phủ lên nhiều bề mặt và thành phần khác nhàu Rất ổn định, kháng giảm cấp

Rất linh động, ttải dài dễ dàng tạo thành màng mỏng

Nhìn chung là trơ, không hoạt tính

Không tan trong nước (chống thấm ướt nước)

Tan tốt ừong hydrocarbon

Có tính nhờn đặc trưng

Không dễ bị oxi hóa

Không thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật

Cách điện tốt

21

> Silicone lỏng dễ bay hoi: Đặc trưng là mạch vòng dễ bay hoi methylsiloxane (VMS) (Silicone mạch thẳng có độ nhót rất thấp cũng có thể bay hoi nhưng hoi bền hon)

Trong suốt, không màu và không mùi như Silicone lỏng không bay hơi nhưng ừong một thể ttạng tạm thời

Sức căng bề mặt thấp 13dynes/cm- ttải dài nhanh chóng

Bay hơi ở nhiệt độ thấp- Khô nhanh chóng với 1 lượng nhỏ và không lạnh ừên da Không hoạt tính

Tan trong dung môi hữu cơ không cực, làm dung môi tuyệt vời cho các loại silicone khác

Vải phủ silicone giúp quần áo mềm hơn, chống nhăn, chống thấm ướt nước tốt

Lớp phủ Silicone chất lượng cao giúp bảo vệ xe hơi khỏi mưa acid, nắng, tuyết, muối

và hóa chất

3.6 Cư chế chống thấm của Polydỉmethylsỉloxane

Polydimethylsiloxane có sức căng bề mặt thấp, do đó nó có khả năng phát tán và ngâm chính

nó vào các lỗ hổng của các lớp nền một cách dễ dàng Mạch phân tử có độ linh động và mềm dẻo cao với nhóm Methyl - CĨỈ3 có tính chống thấm ướt được định hướng sắp xếp ra phía ngoài bề mặt, tạo nên một “chiếc ô” chống thấm

22

Hình A-27: Cơ chế chống thẩm của Polydimethylsiloxane

“Chiếc ô” này độc nhất do nó có khả năng “thở” Bởi vì, Polydimethylsiloxane có cấu trúc phân tử mở, hơi nước nằm kẹt trong chất nền có thể dễ dàng vuột thoát đi Phân tử nước, tuy nhiên, quá lớn để có thể chui vào

Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có báo cáo chính thức về việc nghiên cứu khảo sát khả năng chống thấm của vải cotton được phủ Polysiloxane

Ở nước ngoài, có rất nhiều bài báo, patent nói đến khả năng chống thấm của vải cotton được phủ Silicone

Bảng A-4: Các công trình nghiên cứu liên quan ngoài nước

Phạm Thị Hằng-12452034 Luận văn cao học

Phạm Thị Hằng-12452034 Luận văn cao học

25

B THựC NGHIỆM

1 Hóa chất sử dụng

Tất cả các hóa chất thí nghiệm được liệt kê ttong bảng 2-1

Trong phạm vi luận văn này, công thức phối chế được giữ cố định với hàm lượng các tác chất như sau:

Bảng 2-1: Hóa chất được sử dụng trong luận văn

HO-pSi-O—H

1 1 CHs

Cl

1 H3 c— Si —CH 3