3.2.2.1 Kết quả nhiễu xạ tia X
Các mẫu vật liệu dạng màng phủ trên bề mặt gạch men thường, gạch men phủ màng TiO2, gạch men phủ màng TiO2-xAl-12,5Si (với x = 0,5; 5; 12,5 % mol/mol so với Ti4+) chế tạo theo quy trình 2.11 đem đo nhiễu xạ tia X và kết quả được biểu diễn trên hình 3.27. Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X cho ta biết biết sự hình thành pha và kích thước trung bình của hạt tinh thể của các mẫu vật liệu màng chế tạo.
2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 -5 0 5 10 15 20 25 30 Eg (e V) Σ(Al,Si) (%)
103
Hình 3.27 (T5, T4, T1, T2, T3). Giản đồ XRD của các mẫu gạch men thường, gạch men phủ màng TiO2, gạch men phủ màng TiO2-xAl-12,5Si (với x = 0,5; 5; 12,5% mol/mol so với Ti4+) tương ứng
Trên giản đồ nhiễu xạ tia X trên cho thấy các mẫu gạch đều thể hiện các pic của các tinh thể được phát triển trong quá trình nung chảy men. Ví dụ như các pic (1) tương ứng với pha tinh thể SiO2; pic (2) tương ứng với pha tinh thể CaAl2Si2O8; pic (3) tương ứng với pha tinh thể KAlSi3O8; pic (4) tương ứng với pha tinh thể CaMg(SiO3)2. Ngoài ra, ở các giản đồ (T4), (T1), (T2) có xuất hiện thêm pic nhiễu xạ ở vị trí 2θ ≈ 27,42 o, tương ứng với giá trị vạch chuẩn của pha tinh thể TiO2 rutin. Ở giản đồ của mẫu gạch men (T3) có xuất hiện pic nhiễu xạ ở vị trí 2θ ≈ 25,35 o, tương ứng với giá trị vạch chuẩn của pha tinh thể TiO2 anata (N0 card 21-1272). Như vậy, khi nung ở nhiệt độ cao đến 1140 oC tương ứng với nhiệt độ chảy mềm của men, các màng TiO2 (T4), TiO2-0,5Al-12,5Si (T1) và TiO2-5Al- 12,5Si (T2) phun phủ trên gạch men đều có tinh thể TiO2 ở pha rutin, màng TiO2-12,5Al- 12,5Si (T3) cho ta mẫu màng kết tinh tinh thể TiO2 ở pha anata.
3.2.2.2 Kết quả hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ năng lượng tán xạ (EDS)
+ Kết quả hiển vi điện tử quét (SEM):
Trên Hình SEM 3.28 (a, b, c, d, e) là ảnh chụp hiển vi điện tử quét của các mẫu gạch men thường (a); màng TiO2 (b); TiO2-0,5Al-15,5Si (c); TiO2-5Al-15,5Si (d); và TiO2- 12,5Al-15,5Si (e) ở nhiệt độ nung 1140 oC. Hình SEM cho biết trạng thái bề mặt các màng chế tạo phun phủ trên gạch men là đều đồng nhất và không bị rạn nứt.
104
a/ Gạch men thường b/ TiO2
c/ TiO2-0,5Al-12,5Si d/ TiO2-5Al-12,5Si
e/ TiO2-12,5Al 12,5Si
Hình 3.28(a,b,c,d,e). Hình ảnh SEM của các mẫu gạch men thường; màng TiO2; TiO2-0,5Al- 15,5Si; TiO2-5Al-15,5Si; và TiO2-12,5Al-15,5Si nung ở 1140oC (độ phóng đại 500nm)
105
+ Bề dày màng phun phủ trên gạch men:
Bề dày màng TiO2 phun phủ trên gạch men được xác định bằng phương pháp đo FESEM cho 2 mẫu là gạch men thường và gạch được phun màng TiO2 pha tạp 12,5Al,12,5Si. Hình ảnh SEM đo bề dày màng được thể hiện trên hình 3.29(a,b) tương ứng.
a/Gạch men thường b/ TiO2-12,5Al-12,5Si
Hình 3.29(a,b). Hình ảnh FESEM đo bề dày màng của các mẫu gạch men thường và gạch men được phun phủ lớp màng TiO2-12,5Al-12,5Si ở nhiệt độ nung 1140oC.
Trên hình ảnh FESEM 3.29(a,b) cho thấy bề dày của lớp màng TiO2 phủ trên men khoảng 500 nm.
+ Kết quả phổ năng lượng tán xạ (EDS)
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) của mẫu gạch men thường; màng TiO2; TiO2-0,5Al- 12,5Si; TiO2-5Al-15,5Si; và TiO2-12,5Al-12,5Si thể hiện trên hình 3.30(a,b,c,d,e).
Trên hình phổ cho thấy ở mẫu gạch men thường (a) có xuất hiện pic của Ti ở dạng vết, mẫu gạch men phủ màng TiO2 (b); TiO2-0,5Al-12,5Si (c); TiO2-5Al-12,5Si (d) và TiO2- 12,5Al-12,5Si (e) xuất hiện các pic của nguyên tố Ti, Al, Si với cường độ được tăng cường hơn hẳn so với mẫu gạch men thường.
106
(a)
(b)
107
Hình 3.30(a,b,c,d,e). Hình ảnh EDS của các mẫu gạch men thường; màng TiO2; TiO2-0,5Al- 12,5Si; TiO2-5Al-12,5Si; và TiO2-12,5Al-12,5Si ở nhiệt độ nung 1140oC.
Như vậy, ta thấy đã có sự pha tạp thêm của các nguyên tố Al, Si trong lớp màng TiO2
phủ trên bề mặt gạch men (kết hợp với giản đồ XRD hình 3.27) và hàm lượng nguyên tố pha tạp Al, Si này được tăng lên trong cấu trúc tinh thể của TiO2 khi lượng pha tạp Al, Si trong sol chế tạo là tăng lên (từ 0,5÷12,5% mol/mol) (thể hiện ở cường độ pic Al, Si được tăng lên trong các mẫu vật liệu màng chế tạo (hình 3.30).
(d) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
108
3.2.2.3 Khảo sát tính chất siêu ưa nước của vật liệu gạch men được phủ màng TiO2-(Al,Si) trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV) và khả kiến
+ Khảo sát hiệu ứng siêu ưa nước của các màng TiO2 và TiO2-xAl-12,5Si dưới chiếu sáng tử ngoại (UV)
Để khảo sát hiệu ứng siêu ưa nước của các màng phủ TiO2 và TiO2-xAl-12,5Si (x= 0,5; 5; 12,5% mol/ mol so với Ti4+) dưới chiếu ánh sáng tử ngoại, các gạch men phủ màng được đem chiếu sáng UV (nguồn chiếu sáng là đèn cao áp thủy ngân Osram-hãng Philip 220V-250W). Sau khoảng thời gian nhất định, các vật liệu gạch men phủ màng này được lấy ra và đặt trên mặt phẳng ngang. Tiến hành nhỏ các giọt nước mực xanh lên trên bề mặt mẫu màng (tương ứng với lượng đều nhau 0,4 ml) trước và sau khi chiếu sáng, quan sát thấy với gạch men có phủ màng TiO2 vàTiO2 pha tạp Al, Si, giọt mực xanh nhỏ vào bề mặt được loang nhanh tạo thành màng nước với góc tiếp xúc θ giảm đi rõ rệt (≤2÷10o), đối với gạch men thường thì giọt mực xanh ở thế co tròn, không có hiện tượng lan rộng giọt nước thành màng nước trên bề mặt vật liệu. Hình thể hiện ở 3.31, 3.32 sau.
Hình 3.31(a,a’,b,b’,c,c’,d,d’,e,e’) Hình ảnh chụp giọt nước trên bề mặt gạch men thường và gạch men phủ màng TiO2; TiO2-xAl-12,5Si (x=0,5;5;12,5) tương ứng trước và sau khi được chiếu sáng
tử ngoại (UV) 1 giờ
Hình 3.32(a,a’,b,b’,c,c’,d,d’,e,e’) Ảnh chụp mặt cắt ngang của giọt nước trên bề mặt gạch men thường và gạch men phủ màng TiO2; TiO2-xAl-12,5Si (x=0,5; 5; 12,5) tương ứng trước và sau
109
- Việc xác định góc tiếp xúc θ của giọt nước trên các bề mặt mẫu màng chế tạo (góc tạo bởi đường tiếp tuyến kẻ ở điểm giao giữa 3 pha R-L-K với đường biên L-K và bề mặt vật liệu) được xác định bằng đo góc bằng hình chụp (3.31,3.32) và bằng thiết bị đo góc (hình 3.33a,b,c) đều cho kết quả tương đương:
Trước khi chiếu sáng, giọt nước nhỏ trên bề mặt gạch men đều ở dạng co tròn với góc tiếp xúc θ=30o (hình 3.31(a-e) và hình 3.32a)
Sau khi chiếu sáng 1 giờ, hình dạng của giọt nước trên bề mặt gạch men thường (T5) vẫn giữ hình dạng co tròn với góc tiếp xúc θ=30o; giọt nước trên bề mặt gạch men phủ lớp màng TiO2 được loang rộng hơn tương ứng với góc tiếp xúc θ=10o (hình 3.31(a’,b’) và hình 3.32b)
Giọt nước trên bề mặt gạch men phủ lớp màng TiO2-xAl-12,5Si (x = 0,5; 5; 12,5 % mol/mol)được loang rộng hơn và góc tiếp xúc nhỏ dần. Trong đó, mẫu gạch men TiO2- 12,5Al-12,5Si có góc tiếp xúc nhỏ hơn hẳn θ = 2o (Hình 3.31(c’,d’,e’) và hình 3.32c).
Hình 3.33(a,b,c) Xác định góc tiếp xúc của giọt nước trên bề mặt gạch men thường và gạch men phủ màng TiO2; TiO2-xAl-12,5Si (x=0,5; 5; 12,5) tương ứng trước và sau khi được chiếu sáng tử
ngoại (UV) 1 giờ (bằng thiết bị đo góc tiếp xúc)
+Khảo sát sự phụ thuộc của góc tiếp xúc θ theo thời gian chiếu sáng và ngừng chiếu sáng UV
Để khảo sát sự phụ thuộc của góc tiếp xúc θ của giọt nước nhỏ trên bề mặt các màng chế tạo, tiến hành chiếu sáng UV các màng với các thời gian chiếu sáng 20 phút, 40 phút, 60 phút, 100 phút (tại cường độ chiếu sáng 553mW/cm2) và chụp hình ảnh giọt nước trên bề mặt các màng này để xác định góc tiếp xúc θ. Sau đó ngừng chiếu sáng, để các màng ở chỗ tối không có ánh sáng chiếu tới, sau những khoảng thời gian nhất định lại chụp hình ảnh giọt nước trên bề mặt các màng để xác định góc tiếp xúc θ. Sự phụ thuộc của góc tiếp xúc θ của giọt nước trên bề mặt các màng sau những khoảng thời gian chiếu sáng và ngừng chiếu sáng UV (ở cường độ chiếu sáng 553mW/cm2) được trình bày trong bảng 3.14 sau:
110
Bảng 3.14 Sự phụ thuộc của góc tiếp xúc θ của giọt nước trên bề mặt các màng sau những khoảng thời gian chiếu sáng và ngừng chiếu sáng UV
20phút 40phút 60phút 100phút 4giờ 6giờ 8giờ 1ngày 2ngày 3ngày T1 19 o 14 o 5 o 2÷3 o 2÷3 o 2÷3 o 5 o 10 o 20 o 25 o T2 19 o 14 o 5 o 2÷3 o 2÷3 o 2÷3 o 5 o 10 0 20 o 25 o T3 16 o 10 o 1÷2 o 1÷2 o 1÷2 o 1÷2 o 1÷2 o 8 0 15 o 22 o T4 21 o 15 o 10 o 5 o 5 o 10 o 10 o 20 0 25 o 25 o
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của góc tiếp xúc θ của giọt nước trên bề mặt các màng sau những khoảng thời gian chiếu sáng và ngừng chiếu sáng UV thể hiện trên hình 3.34.
Hình 3.34 Sự phụ thuộc của góc tiếp xúc θ của giọt nước trên bề mặt các màng sau những khoảng thời gian chiếu sáng và ngừng chiếu sáng UV (ở cường độ chiếu sáng 553mW/cm2
).
+ Khảo sát hiệu ứng siêu ưa nước của các màng TiO2 và TiO2-xAl 12,5Si dưới chiếu sáng ánh sáng nhìn thấy
Khảo sát hiệu ứng siêu ưa nước của các màng dưới chiếu ánh sáng nhìn thấy, các mẫu gạch men thường và gạch men phủ màng TiO2; TiO2-12,5Al-12,5Si được đem phơi dưới ánh nắng mặt trời trong 3 giờ. Sau đó nhỏ giọt mực xanh trên bề mặt và chụp hình ảnh mặt chiếu thẳng đứng và mặt cắt ngang (thể hiện ở hình 3.35 (a,b,c,a’,b’,c’)). Hình ảnh chụp cho ta xác định được giọt nước trên bề mặt gạch men thường và gạch men phủ màng TiO2 vẫn giữ hình dạng co tròn với góc tiếp xúc θ=30o, còn giọt nước trên bề mặt gạch men phủ màng TiO2-12,5Al-12,5Si được loang rộng với góc tiếp xúc θ=2o.
111
Hình 3.35 (a,b,c,a’,b’,c’) Hình ảnh chụp giọt nước trên bề mặt gạch men thường, gạch men phủ màng TiO2 và phủ màng TiO2-12,5Al-12,5Si tương ứng ở mặt chiếu thẳng đứng và mặt cắt ngang
sau khi phơi dưới ánh nắng mặt trời trong 3 giờ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.36 thể hiện việc xác định góc tiếp xúc θ của giọt nước nhỏ trên bề mặt mẫu màng sau khi chiếu ánh sáng mặt trời bởi thiết bị đo góc.
Hình 3.36. Góc tiếp xúc của giọt nước trên bề mặt gạch men khi chiếu sáng tự nhiên 3h
(a) (b) (a’) (c’) (b’) (c)
112
Kết hợp xác định góc tiếp xúc θ bằng hình chụp và bằng thiết bị đo góc (hình 3.35 và 3.36) ta đều có kết quả xác định là tương đương.
Vậy qua phép khảo sát thực nghiệm trên ta thấy, vật liệu gạch men thường không có hiệu ứng siêu ưa nước; gạch men phủ màng TiO2 và TiO2-xAl-12,5Si có hiệu ứng siêu ưa nước với nguồn chiếu sáng UV; gạch men phủ màng TiO2-12,5Al-12,5Sicó hiệu ứng siêu ưa nước với cả nguồn sáng UV và ánh sáng nhìn thấy là nguồn chiếu sáng mặt trời. Kết quả này có ý nghĩa rất quan trọng trong hướng ứng dụng cho vật liệu gạch ceramic với bề mặt siêu ưa nước, tự làm sạch trong nhà và ngoài trời.
3.2.3 Thực nghiệm chế tạo bề mặt siêu ưa nước-tự làm sạch trên vật liệu gạch men đi từ men phun được trộn với bột TiO2-(Al,Si) bền pha anata