Nghiên cứu lựa chọn phương pháp phủ lớp nano bạc trên nền silica

Các kim loại quý như Ag, Au, Pt,… được sử dụng nhiều cho vật liệu có hệ số phát xạ thấp và ít bị oxy hoá do môi trường, khí hậu. Bài viết sẽ nghiên cứu lựa chọn và đưa ra phương pháp tạo lớp phủ phù hợp nhất hướng ứng dụng cho vật liệu cần có hệ số phát xạ thấp ứng dụng ở một số lĩnh vực đặc thù trong quân sự.

Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP PHỦ LỚP NANO BẠC TRÊN NỀN SILICA Nguyễn Văn Cành*, Nguyễn Trần Hùng, Nguyễn Mạnh Tường, Phạm Quang Thuần, Nguyễn Thị Hịa, Đỗ Thị Thủy, Ngơ Thị Thúy Phương Tóm tắt: Các kim loại quý Ag, Au, Pt,… sử dụng nhiều cho vật liệu có hệ số phát xạ thấp bị oxy hố mơi trường, khí hậu Việc sử dụng kim loại vật liệu nano khác cho hiệu ứng bề mặt khác có lợi việc làm giảm hệ số phát xạ Một số tác giả giới công bố: đạt hệ số phát xạ lớp vật liệu dạng nanosilica với lớp phủ nano Ag độ dày μm 0.04 vùng đo với bước sóng - 14 μm Một số cơng trình cơng bố có hai phương pháp chủ yếu để phủ lớp nano bạc silica: tổng hợp phủ bước; tổng hợp “in situ” Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng, mặt lý thuyết kinh nghiệm tổng hợp vật liệu nano, nhận thấy phương pháp in situ cho kết tốt liên kết thành phần vật liệu Tuy nhiên, việc khống chế, điều chỉnh cấu trúc vật liệu phương pháp có điểm khác Bài báo nghiên cứu lựa chọn đưa phương pháp tạo lớp phủ phù hợp hướng ứng dụng cho vật liệu cần có hệ số phát xạ thấp ứng dụng số lĩnh vực đặc thù quân Từ khóa: Hệ số phát xạ; Nano bạc; Silica MỞ ĐẦU Hệ số phát xạ vật liệu đặc trưng cho khả phát lượng dạng sóng điện từ Hầu hết bề mặt vật thể phát xạ tốt, trừ bề mặt nhẵn bóng kim loại, giảm độ phát xạ vật thể cách làm bóng bề mặt chúng, dùng phủ có bề mặt bóng nhẵn, hay vật liệu kim loại, thực tế bề mặt bóng có độ phản xạ cao dễ bị phát mắt thường Vật liệu kim loại có hệ số phát xạ thấp, vật liệu phi kim lại có hệ số phát xạ cao Đối với hệ thống trinh sát hồng ngoại ứng dụng quân sự, sở để phát mục tiêu độ tương phản mục tiêu môi trường xung quanh Độ tương phản cao khả phát mục tiêu lớn Tuy nhiên, vùng bước sóng khác độ tương phản vật thể lại có đặc điểm khác Theo nghiên cứu JV Ramana Rao [1], tác giả chứng minh rằng, nhiệt độ thể người ảnh hưởng hệ số phát xạ vật liệu ngụy trang quan trọng Các nghiên cứu vật liệu ngụy trang ảnh nhiệt đại tập trung nghiên cứu vật liệu dạng kết hợp, có tỷ trọng nhẹ, mỏng với kết hợp với chất nhuộm thông minh, có khả thay đổi màu sắc tác dụng nhiệt độ, ánh sáng hay dòng điện (bản chất thay đổi pha vật liệu tác động trên) [2-4] Một nghiên cứu vật liệu tổ hợp sở nano bạc (nano Ag) silica [5, 6] THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ, hóa chất - Thiết bị, dụng cụ: cốc thuỷ tinh lít, lít; bình định lượng; bếp điện 1.5 kw; thiết bị lọc chân không nhánh; tủ sấy chân không; nhiệt kế 0-500 oC - Hố chất: Bột AgNO3 (SigmaAldrich), bột SiO2, axit citric cơng nghiệp, natri citrate (TQ), NaOH công nghiệp (TQ), nước cất lần 2.2 Thực nghiệm 2.2.1 Tổng hợp phủ bước Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 27 Hóa học Kỹ thuật mơi trường Dung dịch AgNO3 định lượng theo nồng độ Ag 800 ppm với thể tích lít Dung dịch natri citrate 10% - 200 ml Các loại nguyên liệu bột chuẩn bị 300 g/mẻ Dung dịch AgNO3 cấp nhiệt giữ 90 oC, khuấy liên tục Cho thêm từ từ dung dịch natri citrate tiếp tục cấp nhiệt, khuấy 60 phút Hỗn hợp chuyển từ suốt sang màu xám nâu Đây dung dịch nano Ag nồng độ 800 ppm Thêm lượng bột SiO2 vào từ từ khuấy 30 phút Dừng cấp nhiệt khuấy, sau 10 phút toàn lượng bột lên trên, chuyển từ màu trắng bột silica sang màu xám, phần chất lỏng bên suốt Như vậy, cảm quan nhận thấy, vật liệu nano Ag hấp thụ bột SiO2 Phần bột phía tách ra, lọc rửa nước hệ thống lọc chân không, sấy khô nhiệt độ 105 oC thời gian h thu bột nano Ag-SiO2 2.2.2 Tổng hợp theo phương pháp in situ (theo tài liệu công bố [5]) Với phương pháp tổng hợp phủ sau: bổ sung bột silica vào hỗn hợp phản ứng tạo nano Ag, với logic hướng hạt nano Ag hình thành bề mặt vật liệu silica Chuẩn bị dung dịch AgNO3 bếp điện, cấp nhiệt tới 90 oC, khuấy bổ sung bột silica, sau bổ sung dung dịch natri citrate, khuấy giữ hỗn hợp nhiệt độ 90 oC 90 phút Sau dừng phản ứng, lượng bột phía giữ màu trắng silica, phần chất lỏng giữ suốt 2.3 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp SEM, TEM để xác định trạng thái bề mặt, cấu trúc vật liệu trước sau tổng hợp; - Sử dụng phương pháp EDX Phân bố cỡ hạt tán xạ laze để xác định thành phần nguyên tố cỡ hạt vật liệu trước sau tổng hợp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính chất vật liệu tổng hợp phương pháp in situ 3600 001 ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.2705 Element (keV) Mass% Error% Atom% Compound C K* 0.277 5.62 0.37 9.05 O K 0.525 52.32 0.37 63.19 Na K 1.041 3.79 0.26 3.19 Si K 1.739 30.39 0.18 20.91 Ca K 3.690 7.43 0.27 3.58 Ag L* 2.983 0.45 0.52 0.08 Total 100.00 100.00 O 3200 Si 2800 Counts 2400 2000 Ca 1600 1200 Na Ag Ag Ag C 800 Ca 400 0.00 0.80 1.60 2.40 3.20 4.00 4.80 5.60 6.40 7.20 keV Hình Kết phân tích vật liệu nanoAg/SiO2 theo phương pháp EDX Kết theo phương pháp EDX cho thấy, hàm lượng nano Ag SiO2 thấp, dạng vết (0.45% KL) Như vậy, q trình này, nano Ag khơng hình thành bề mặt silica (có thể có điều kiện cần thiết khác mà tác giả không công bố) Như vậy, để tổng hợp vật liệu nano Ag bề mặt silica lựa chọn phương án 2, phương án phủ bước thực nghiệm phịng thí nghiệm 3.2 Tính chất vật liệu tổng hợp phương pháp phủ bước Kết phân tích, đánh giá vật liệu (theo phương pháp phủ bước nano Ag SiO2) phương pháp TEM, EDX để xác định cấu trúc thành phần nguyên tố 28 N V Cành, …, N T T Phương, “Nghiên cứu lựa chọn … silica.” Mass% Cation 50 34 10 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Hình ảnh phân tích TEM vật liệu nano Ag Kết phân tích TEM vật liệu nano Ag ban đầu cho thấy, kích thước vật liệu khoảng – 10 nm Đây kích thước phổ biến vật liệu nano Ag tổng hợp phương pháp hoá học sử dụng chất khử chất ổn định natri citrate Hình Phân tích SEM vật liệu nano Ag/SiO2 Hình ảnh SEM lớp phủ nano Ag silica cho thấy: lớp phủ tương đối đồng đều, bề mặt không phẳng chứa hạt nano Ag xuất silica Chính vậy, bề mặt silica phủ lớp nano Ag Hình Phân tích phân bố kích thước hạt vật liệu nano Ag/SiO2 Phân tích phân bố kích thước hạt cho thấy, kích thước hạt nằm khoảng 50 - 200 nm Tuy nhiên, tồn dạng bột hạt silica có xu hướng co cụm lại thành cụm có kích thước lớn hơn, mà phương pháp laser scattering đánh giá xác Kết phù hợp với kết khác công bố [5], kết hợp phương pháp phân tích khác, EDX XRD Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 29 Hóa học Kỹ thuật mơi trường Hình Kết phân tích vật liệu nano Ag/SiO2 theo phương pháp EDX Một phương pháp để minh chứng cho lớp phủ nano Ag silica phương pháp phân tích EDX Trên giản đồ xuất nguyên tố Ag chiếm tỷ lệ 1.53 %KL, lần chứng tỏ lớp nano Ag phủ silica Hình Kết phân tích XRD vật liệu nano Ag/SiO2 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X từ công thức DebyeSherrer D = 0,9 λ/β cosθ, với λ bước sóng nhiễu xạ tia X, β độ bán rộng cực đại vạch nhiễu xạ cao nhất, θ góc nhiễu xạ Kích thước nano Ag/SiO2 khoảng 2.5 – 3.0 nm Đây kích thước thể vật liệu mang cấu trúc xốp lớp phủ nano Ag silica KẾT LUẬN - Đã đưa 02 phương pháp phủ nano Ag silica: tổng hợp phủ nano Ag bước; tổng hợp phương pháp in situ Kết lựa chọn phương pháp tối ưu điều kiện PTN phương pháp tổng hợp phủ nano Ag SiO2 bước; - Đã đánh giá, phân tích tính chất vật liệu thơng qua phương pháp TEM, SEM, đo phân bố cỡ hạt tán xạ laze, EDX, XRD Qua phân tích, đánh giá tính chất vật liệu chứng tỏ rằng, silica phủ lớp nano Ag khoảng 1.53 % KL lớp phủ có cấu trúc xốp (qua kết đo XRD) 30 N V Cành, …, N T T Phương, “Nghiên cứu lựa chọn … silica.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] JV Ramana Rao “Introduction to camouflage and dececption” Defend Research & Development Orgnisation, Ministry of Defend, New Delhi – 110 011, 1999 [2] Schmieder, D.E “Infrared and Electrooptical Handbook:, 2015, 7, 157 [3] “An infrared spectroscopy atlas for coating technology” Federation of Societies for Coating Technology, Blue Bell PA 2009 [4] Edward, D.K & Catton, I “Radiation characteristics of rough and oxidized metals In: Advances in therrnophysical properties of extreme temperatures” S Cratch, (Ed.) American Society of Mechanical Engineers, 2017 [5] Chou K.-S., Lu Y.-C “The application of nanosized silver colloids in far infrared lowemissive coating” Thin Solid Films 515, 7217–7221, 2007 [6] Nguyễn Trần Hùng thành viên đề tài cấp Bộ quốc phịng: “Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo vải nguỵ trang ảnh nhiệt, ứng dụng chế thử quần áo cho đội trinh sát” Viện KH-CN quân sự, 2017-2019, tr 37-42 ABSTRACT SELECTING METHODS FOR COATING NANO SILVER ON THE SILICA Precious metals such as Ag, Au, Pt are used more for materials with low emission coefficient and less oxidized by the environment and climate The use of these metals coating on different nanomaterials will give different surface effects that are beneficial in reducing the emission coefficient Some authors in the world published: that achieved the emission coefficient of nanosilica-type material layer with nanometer-thick Ag coating achieved 0.04 in the measuring area with a wavelength of - 14 μm Some papers are published: there are two main methods for coating silver nanoparticles on silica: step-by-step coating and "in situ" coating Each method has its advantages and disadvantages, based on theory and experience of nanomaterial synthesis, it is found that the in situ method will give better results on the link between the materials However, the controlling and adjusting of material structure, each method has different advantages and disadvantage points In the paper, the most suitable synthesis method for the application of low emission coefficient materials in some specific fields in the military will be studied to select and propose Keywords: Emission coefficient; Silver nan; Silica Nhận ngày 24 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 13 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Hóa học - Vật liệu/Viện Khoa học - Công nghệ quân *Email: nguyenvancanhvhh@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 31 ... liệu nano Ag/SiO2 theo phương pháp EDX Một phương pháp để minh chứng cho lớp phủ nano Ag silica phương pháp phân tích EDX Trên giản đồ xuất nguyên tố Ag chiếm tỷ lệ 1.53 %KL, lần chứng tỏ lớp nano. .. liệu chứng tỏ rằng, silica phủ lớp nano Ag khoảng 1.53 % KL lớp phủ có cấu trúc xốp (qua kết đo XRD) 30 N V Cành, …, N T T Phương, ? ?Nghiên cứu lựa chọn … silica. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ... phương pháp phủ bước nano Ag SiO2) phương pháp TEM, EDX để xác định cấu trúc thành phần nguyên tố 28 N V Cành, …, N T T Phương, ? ?Nghiên cứu lựa chọn … silica. ” Mass% Cation 50 34 10 Nghiên cứu