Việc ứng dụng tính chất xúc tác quang, khử khuẩn, siêu ưa nước-tự làm sạch của vật liệu nano TiO2 trên vật liệu xây dựng là thủy tinh và gốm sứ là nhằm mục đích chế tạo vật liệu xây dựng (kính, gạch men, sứ vệ sinh ceramic) có bề mặt siêu ưa nước, tự làm sạch, khử khuẩn trên bề mặt của nó. Đây là những những sản phẩm chất lượng cao nhằm mục đích nâng cao chất lượng sống của con người.
Để nghiên cứu chế tạo sản phẩm kính, gạch men có bề mặt siêu ưa nước, tự làm sạch, khử khuẩn. Chúng tôi đi vào nghiên cứu chế tạo lớp màng phủ nano TiO2 trên đế kính và đế gạch men với bề mặt có tính chất siêu ưa nước, tự làm sạch không những có phản ứng với ánh sáng tử ngoại (UV) mà còn được làm cải thiện tính chất quang là có khả năng phản ứng với ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
Tùy theo việc nghiên cứu chế tạo màng TiO2 trên mỗi loại đế khác nhau (kính, gạch men), chúng tôi đã lựa chọn phương pháp chế tạo màng và nhiệt độ nung cho phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm và gần sát với điều kiện có thể ứng dụng thực tế.
+ Lựa chọn phương pháp chế tạo vật liệu màng TiO2 trên đế kính, gạch men:
1- Đối với nghiên cứu chế tạo màng TiO2 trên đế kính, chúng tôi lựa chọn phương pháp nhúng phủ sol-gel, do đế kính được lựa chọn có kích cỡ nhỏ gọn, nhẹ (2,5cmx7,5cmx0,2cm ) nên dễ dàng chế tạo được bằng phương pháp nhúng phủ ở quy mô phòng thí nghiệm.
42
2- Đối với nghiên cứu chế tạo màng TiO2 trên đế gạch men, chúng tôi lựa chọn phương pháp phun phủ sol-gel, do đế gạch men được lựa chọn có kích cỡ tương đối to và cồng kềnh hơn nhiều so với đế kính (3cmx10cmx1,0cm) nên lựa chọn phương pháp phun phủ sol-gel là phù hợp cho việc chế tạo vật liệu màng trên đế gạch men ở quy mô phòng thí nghiệm.
3- Ngoài phương pháp chế tạo sản phẩm gạch men với bề mặt siêu ưa nước, tự làm sạch bằng phương pháp tạo màng TiO2 phun phủ sol-gel trên bề mặt gạch men (như ý 2- trên). Nhóm nghiên cứu chúng tôi đã kết hợp với Viện nghiên cứu và phát triển viglacera tiến hành thực nghiệm chế tạo lớp men được trộn với một tỷ lệ nano bột bền pha anata TiO2 nhất định, phun trên gạch mộc theo dây chuyền phun men của nhà máy và nung cùng với chế độ nung gạch men của nhà máy (1250oC).
4- Để khảo sát tính chất xúc tác quang của vật liệu nền TiO2 trong vùng khả kiến. Các vật liệu nano bột TiO2 pha tạp các nguyên tố La, Fe, Sn được chế tạo theo quy trình hoàn toàn tương tự với quy trình chế tạo màng TiO2 cùng loại nguyên tố La, Fe, Sn phủ trên đế kính, sau đó khảo sát tính chất xúc tác quang phân hủy metylen xanh phản ứng với ánh sáng nhìn thấy.
+ Lựa chọn nhiệt độ nung cho vật liệu TiO2 dạng màng, bột chế tạo:
Nhiệt độ nung có ảnh hưởng đến khả năng bám dính của màng trên mỗi loại đế. Nhiệt độ nung càng tăng thì độ bám dính của màng TiO2 chế tạo trên đế càng chắc hơn do khi có xử lý nhiệt, vật liệu màng được thiêu kết, cố định và gắn chặt vào đế (hình 2). Đối với vật liệu màng phủ đế là polyme thì việc nung ở nhiệt độ cao là hoàn toàn không thích hợp do độ bền của chất nền bị phá hủy. Đối với vật liệu màng phủ trên đế là kính, gạch men thì thường chọn xử lý ở nhiệt độ cao, gần với nhiệt độ biến mềm của đế (nhiệt độ biến mềm của thủy tinh là 500-600oC; nhiệt độ biến mềm của lớp men phủ trên gạch men khoảng 1100-1250oC) để đạt được khả năng bám dính tốt của vật liệu màng chế tạo vào đế kính hoặc gạch men; đạt được độ thẩm mỹ của màng phủ trên đế là sự chảy mịm của màng, không bị ghồ ghề trên bề mặt vật liệu xây dựng và đạt được độ bền màu theo thời gian [32,134]. Theo các tài liệu này đã công bố thì lớp màng TiO2 chế tạo phủ trên đế kính, gạch men với nhiệt độ nung lựa chọn ở nhiệt độ cao như vậy đạt được đến độ bền hơn 15 năm.
Hình 2.4 Sự thiêu kết lớp TiO2 bề mặt trên chất nền [134] 1- Lựa chọn nhiệt độ nung cho vật liệu dạng màng TiO2 phủ trên đế kính:
43
Lựa chọn nhiệt độ nung đối với chế tạo màng phủ trên nền kính sẽ theo nguyên tắc đảm bảo được màng đơn pha anata, độ bám dính của màng tốt trên đế kính và cải thiện được tính chất quang của vật liệu, tức là làm dịch chuyển được bờ hấp thụ nhiều hơn về vùng ánh sáng nhìn thấy. Theo tham khảo giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TiO2 pha tạp nguyên tố La và TiO2 pha tạp nguyên tố Fe [26,62] (hình 2.5) thì thấy rằng:
Hình 2.5 Đường phân tích nhiệt TG-DTA của hệ vật liệu TiO2 pha tạp La, Fe [62]
Trên giản đồ phân tích nhiệt ở trên cho thấy có sự mất mát hoàn toàn trọng lượng ở khoảng 500-550oC, đường DTA thiết lập sự chuyển đổi của TiOx(OH)y vào TiO2, liên quan đến sự mất nước từ 50-300o
C với một đỉnh cao ở 150oC. Sau đó là một đỉnh tỏa nhiệt từ 300-560oC, tối đa của nó vào khoảng 460oC mà là do sự hình thành của pha anata TiO2 từ pha vô định hình. Anata cuối cùng chuyển đổi tới rutin ở nhiệt độ 770-870o
C trong một quá trình tỏa nhiệt. Từ các đường cong DTA thì sự kết tinh tốt anata trong khoảng 460oC- 550oC. Vậy, để tránh sự hình thành pha rutin và tránh sự kết tụ các hạt TiO2 thành hạt kích cỡ lớn thì nên chọn nhiệt độ nung <550oC.
Mặt khác, theo tham khảo tài liệu [94,140] thì nhiệt độ nung mẫu có ảnh hường tới phổ hấp thụ của vật liệu TiO2. Khi nhiệt độ nung càng tăng thì càng làm tăng độ dịch chuyển của bờ hấp thụ về vùng khả kiến (tức là làm cải thiện tính chất quang của vật liệu TiO2) (hình 2.6).
44
Như vậy, để đảm bảo sự kết tinh tốt pha anata trên vật liệu màng chế tạo, làm tăng hơn khả năng dịch chuyển của bờ hấp thụ quang về vùng khả kiến và đảm bảo khả năng bám dính tốt của màng TiO2 trên đế kính thì nhiệt độ nung được chọn cho chế tạo vật liệu màng phủ trên đế kính là 520oC.
2- Lựa chọn nhiệt độ nung cho vật liệu dạng màng TiO2 phủ trên đế gạch men:
Màng TiO2 phủ trên gạch men sẽ vẫn phải đảm bảo bền pha anata và đạt độ bám dính tốt cũng như đạt độ thẩm mỹ (đạt độ chảy trơn, mịn, không bị ghồ ghề trên bề mặt gạch men) của vật liệu màng phủ, theo tham khảo của các tài liệu [26,32,134] sẽ lựa chọn nhiệt độ nung gần với nhiệt độ biến mềm của gạch men cùng với lựa chọn loại chất pha tạp có khả năng làm bền pha anata TiO2 ở nhiệt độ cao. Trong nghiên cứu về phần này sẽ lựa chọn chế tạo màng TiO2 đồng thời pha tạp các nguyên tố Al, Si và nhiệt độ nung được lựa chọn là 1140oC (xấp xỉ với nhiệt độ chảy mềm của lớp men tráng trên bề mặt gạch của nhà máy gạch men Phú Thọ).
3- Lựa chọn nhiệt độ nung cho trong nghiên cứu chế tạo bề mặt siêu ưa nước, tự làm sạch đi từ nghiên cứu men trộn với tỷ lệ nhất định của bột nano TiO2 bền pha anata ở nhiệt độ cao (ký hiệu TAS):
Do gạch men được men TAS trên bề mặt gạch men và nung theo dây chuyền sản xuất gạch men của nhà máy, nên nhiệt độ nung được chọn theo nhiệt độ nung gạch men của nhà máy là 1250oC.
4- Lựa chọn nhiệt độ nung cho vật liệu nano bột TiO2 pha tạp các nguyên tố La, Fe, Sn trong khảo sát tính chất xúc tác quang phân hủy metylen xanh trong vùng khả kiến:
Trong nghiên cứu này, vật liệu nano bột TiO2 pha tạp các nguyên tố La, Fe, Sn được chế tạo theo quy trình hoàn toàn tương tự với quy trình chế tạo vật liệu dạng màng phủ trên đế kính và nhiệt độ nung được chọn trong chế tạo vật liệu nano bột này là ở 520o
C.