Để chế tạo ra vật liệu nanocompozit có tính chất kị nƣớc, phƣơng pháp sử dụng đơn giản nhất là phƣơng pháp trộn hợp dung dịch. Các chất tạo màng chủ yếu đƣợc sử dụng là nhựa acrylic, polysiloxan, thủy tinh lỏng đều có năng lƣợng bề mặt thấp, có độ bám dính cao, bền cơ học… Hiện nay, các chất tạo màng vô cơ nhƣ
24
polysiloxane, thủy tinh lỏng, chất tạo màng lai tạo vô cơ-hữu cơ đang đƣợc 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 nƣớc nên rất thân thiện với môi trƣờng. Các vật liệu gia cƣờng thƣờng là các oxit kim loại nhƣ: 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 đƣa 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 nƣớc của nano TiO2, ZnO thƣờng phụ thuộc vào điều kiện sử dụng nhƣ 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 nƣớc 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 đƣa chúng vào chất phủ truyền thống thì tính năng này sẽ tăng lên gấp nhiều lần. Nƣớc 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 đƣợc phủ. Nano SiO2 giúp màng phủ bền chắc khi bị chà xát tẩy rửa, giúp tăng độ bám dính, nâng cao độ bền nƣớc, có khả năng chống thấm và chống bám bẩn nên số lần chịu tẩy rửa rất cao, có thể dùng nƣớc 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 SiO2 kị nước
Trong công nghiệp, phƣơng pháp thông dụng nhất để sản xuất hạt nano silica là sử dụng tiền chất silicon tetraclo (SiCl4). SiCl4 đƣợc tổng hợp bằng phản ứng của hơi clo trong silicon kim loại nấu chảy. Hơi clo đƣợc 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 lƣu nồng độ bụi trong lò đốt có thể kiểm soát kích thƣớc hạt nano SiO2 theo ý muốn.
Hạt nano SiO2 sạch điều chế đƣợc 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 ƣa nƣớc hay hấp dẫn nƣớc). Vậy, vấn đề là phải khử (loại bỏ) nhóm ƣa nƣớc hoặc phủ lên chúng bằng các nhóm kị nƣớc khác để có thể tạo ra đƣợc vật liệu nano silica kị nƣớc. Để xử lý vấn đề này thì trong hầu hết các trƣờng 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:
Hơi ẩm thoát ra Cản nƣớc Tự làm sạch bề mặt Màng kị nƣớc Nền Lớp phủ Bụi bẩn
26
Tuy nhiên, đối với cả loại nano SiO2 ƣa nƣớc và nano SiO2 kị nƣớc thì vẫn luôn tồn tại nhóm silanol cƣ ngụ ở các hạt liền kề dạng các liên kết cầu hydro và dẫn đến tạo nên sự kết tụ nhƣ sau:
Các liên kết này kéo giữ các hạt nano SiO2 riêng lẻ lại cùng với nhau tạo nên sự kết tụ và sự kết tụ đó duy trì không thay đổi thậm chí là kể cả dƣới các điều kiện khuấy trộn tốt nhất. Do đó, yêu cầu cao nhất để tạo ra màng phủ nano là làm sao tách rời đƣợc các hạt SiO2 rời nhau ra trong dung dịch chất tạo màng và dung môi. Sự phân tán các hạt SiO2 ở kích thƣớc nanomét trong dung dịch chất tạo màng và dung môi có ảnh hƣởng rất lớn đến tính chất của màng phủ. Một sự phân tán tốt có thể đạt đƣợc bằng cách biến tính bề mặt hạt nano SiO2 bằng phƣơng pháp vật lý hoặc phƣơng pháp hóa học đồng thời sử dụng quá trình nghiền bi năng lƣợng cao, hoặc khuấy trộn tốc độ cao có sử dụng sóng siêu âm.
27
Trong lý thuyết ổn định tĩnh điện của Derjaguin, Landau, Verwey và Overbeek (thuyết DLVO) cho rằng, luôn tồn tại hai lực tƣơng tác đối lập nhau là lực hút phân tử (lực hấp dẫn, VA) và lực đẩy (VR). Nếu các hạt nano va chạm nhau trong suốt quá trình chuyển động và lực hấp dẫn của các hạt là lớn hơn lực đẩy thì các hạt nano sẽ bị kết tụ. Ngƣợc lại, các hạt sẽ duy trì sự tách rời nhau và giữ ở một trạng thái phân tán khi lực đẩy lớn hơn lực hấp dẫn. Vì thế, để duy trì sự tách rời nhau của các hạt nano cần phải sử dụng chất phân tán trong quá trình khuấy trộn.
Trộn hợp là một phƣơng pháp gia công bột nano SiO2 ở trạng thái lỏng thông qua một dung môi phụ và đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất và gia công vật liệu. Khi đó hạt nano SiO2 đƣợc phân tán trong dung dịch và chất màng nano SiO2 nhận đƣợc khi dung môi bay hơi:
Ứng dụng của các vật liệu nano, trong đó có nano SiO2 là một trong những biện pháp nâng cao tính năng của chất phủ truyền thống. Việc tạo ra chất phủ kị nƣớc, tính năng cao trên cơ sở hạt nano SiO2 là loại vật liệu mới, trong đó việc lựa chọn các chất tạo màng cũng nhƣ các yếu tố về công nghệ để phân tán hạt nano SiO2 là điểm mấu chốt để giải quyết hệ hỗn hợp này. Đây là vấn đề quan trọng nhất mà đề tài cần phải tập trung nghiên cứu.