a. Đối với vật liệu gốm sứ
Hỗn hợp tạo lớp phủ cho vật liệu gốm sứ bao gồm:
+ Men: Men được sử dụng trong thí nghiệm là men bóng được cung cấp từ làng nghề gốm Bát Tràng Hà Nội. Men có nhiệt độ nóng chảy khoảng 600 oC. Men có tác dụng tạo bóng cho bề mặt gốm sứ, đồng thời men để giữ hạt nano bạc trên bề mặt gốm sứ. Do đó, lượng men sử dụng phải vừa đủ. Men với thành phần chính là SiO2 do vậy trước khi tiến hành gắn nano bạc, ta cần xử lý men. Men được cho phản ứng với dung dịch axit nitric HNO3 trong môi trường methanol CH3OH.
+ Dầu: Tại làng nghề Bát Tràng, khi tráng men lên bề mặt gốm sứ có bổ sung một lượng dầu nhỏ. Dầu được sử dụng trộn vào men nhằm mục đích giảm nhiệt độ nóng chảy của men. Trong thí nghiệm, dầu được sử dụng nhằm mục đích giảm nhiệt độ nung của men và tăng độ gắn kết của dung dịch nano bạc với men tạo hỗn hợp ở dạng huyền phù tốt nhất khi mang phủ lên bề mặt gốm sứ
+ Nano bạc: Nano bạc sử dụng trong thí nghiệm là nano bạc được chế tạo tại Viện Công nghệ môi trường theo phương pháp dung dịch nước, với nồng độ nano bạc 4.000 ppm
Tỉ lệ phối trộn các thành phần trong hỗn hợp tạo màng được trình bày trong bảng dưới đây:
43
Bảng 3.1: Tỉ lệ trộn hỗn hợp phủ nano bạc lên bề mặt gốm sứ:
STT Tên hỗn hợp Nano bạc: dầu: men Nhận xét
1 G4 1 mL : 1mL : 1 g
Lượng men được trộn vừa đủ vào lượng dung dịch nano bạc để men có thể trộn đều hầu hết vào nano bạc, lượng dầu trộn vào hỗn hợp trên vừa đủ để tạo huyền phù không gây hiện tượng phân lớp
2 G9 2 mL : 1 mL : 1 g
Lượng nano bạc đưa vào để trộn với men, men được hòa đều vào trong dung dịch nano bạc, lượng dầu trộn vào hỗn hợp trên không đủ để kết dính nano bạc và men tạo huyền phù.
3 G12 4 mL : 1 mL : 1 g
Lượng nano bạc được sử dụng để trộn men gấp 4 lần, men được trộn đều với nano bạc, tuy nhiên lượng nano bạc dư khá nhiều, lượng dầu trộn vào hỗn hợp trên không đủ để kết dính nano bạc và men tạo huyền phù.
4 G6 1 mL : 1 mL : 0,5 g
Lượng men được trộn vừa đủ vào lượng dung dịch nano bạc để men có thể trộn đều hầu hết vào nano bạc, lượng dầu trộn vào hỗn hợp trên vừa đủ để tạo huyền phù không gây hiện tượng phân lớp
5 G8 2 mL : 1 mL : 0,5 g
Lượng men được trộn vừa đủ vào lượng dung dịch nano bạc để men có thể trộn đều hầu hết vào nano bạc, lượng dầu trộn vào hỗn hợp trên vừa đủ để tạo huyền phù không gây hiện tượng phân lớp
44
Hình 3.1: Trộn hỗn hợp phủ theo tỉ lệ ở bảng 3.1
Quan sát hiện tượng ghi nhận được khi trộn các thành phần trong hỗn hợp tạo màng phủ lên bề mặt gốm sứ, nhận thấy các mẫu G8, G6, G4 tạo được huyền phù đảm bảo điều kiện để đưa vào tiến hành việc phủ lên bề mặt gốm sứ. Sau khi phủ nano bạc lên bề mặt vật liệu, bề mặt vật liệu cần phẳng mịn và đều đảm bảo sau khi sấy và nung nano bạc khi tập trung vào một vài điểm trên bề mặt.
b. Đối với vật liệu kính
+ Dầu: Khi tạo hỗn hợp phủ, dầu được trộn với nano bạc để tạo được hỗn hợp dạng huyền phù. Dầu được sử dụng nhằm mục đích giảm nhiệt độ nóng chảy của kính. Trong thí nghiệm, dầu được sử dụng nhằm mục đích giảm nhiệt độ nung của kính và tăng độ gắn kết của dung dịch nano bạc với kính tạo hỗn hợp ở dạng huyền phù tốt nhất khi mang phủ lên bề mặt kính.
+ Nano bạc: Nano bạc sử dụng trong thí nghiệm là nano bạc được chế tạo tại Viện Công nghệ môi trường theo phương pháp dung dịch nước, với nồng độ nano bạc 4.000 ppm
Tỉ lệ phối trộn các thành phần trong hỗn hợp tạo màng được trình bày ở bảng 3.2 dưới đây:
45
Bảng 3.2: Tỉ lệ trộn hỗn hợp phủ nano bạc lên bề mặt kính
STT Tên mẫu Nano bạc: dầu Nhận xét
1 K1 1 mL : 1mL
Lượng dung dịch nano bạc vừa đủ để dung dịch khuyếch tán vào trong lượng dầu.
Tuy nhiên sau khi đặt ống nghiệm chứa hỗn hợp đứng yên trong 15 phút, nhận thấy hỗn hợp xuất hiện hiện tượng phân lớp
Hỗn hợp có lượng dầu và nano bạc đủ để đưa lên bề mặt vật liệu là nhỏ nhất, nên lựa chọn mẫu để tiếp tục làm các thí nghiệm tiếp theo
2 K2 2 mL : 1 mL
Lượng dung dịch nano bạc gấp đôi lượng dầu trong hỗn hợp để dung dịch khuyếch tán vào trong lượng dầu. Khi trộn đều hỗn hợp có thể nhận thấy trong hỗn hợp xuất hiện hiện tượng các hạt dầu, kích thước hạt dầu khá bé và phân lớp ngay trong hỗn hợp.
Lượng nano bạc lớn hơn lượng dẫu khi tiến hành thí nghiệm tiếp theo trên bề mặt vật liệu hỗn hợp bị loãng khó trong việc đưa lên hỗn hợp lên bề mặt vật liệu
3 K3 1 mL : 2 mL
Lượng dầu gấp đôi lượng dung dịch nano bạc trong hỗn hợp, hỗn hợp xuất hiện hiện tượng các hạt dầu khá lớn phân lớp ngay trong hỗn hợp.
Với mẫu K3, lượng dầu lớn làm giảm nhiệt độ nung nhanh. Khi nung cùng một điều kiện vật liệu bị nứt vỡ.
46
Quan sát hiện tượng khi pha trộn các thành phần vào hỗn hợp, nhận thấy với các tỉ lệ phối trộn nano bạc và dầu khác nhau thì đều cho kết quả nhận được hỗn hợp bị phân lớp. Do vậy, sau khi hỗn hợp được phối trộn và lắc đều hỗn hợp ta đem các mẫu tiến hành phủ lên bề mặt vật liệu kính ngay khi nano bạc và dầu được trộn với nhau nhằm đảm bảo hàm lượng bạc được khuyếch tán hoàn toàn trong dầu. Khi đó, lượng dầu và nano bạc được đưa lên bề mặt kính là đồng đều nhất có thể.
Hình 3.2: Hỗn hợp phủ nano bạc lên bề mặt kính
Hỗn hợp phủ trên bề mặt vật liệu đối chứng được thay nano bạc bằng nước cất với tỉ lệ phối trộn hỗn hợp tương ứng với vật liệu chế tạo
3.2. Phương pháp tạo lớp phủ nano bạc
47
Sau khi đã có hỗn hợp tạo màng với tỉ lệ phối trộn thích hợp đủ để tạo nhũ tương cho hỗn hợp nano bạc khi phủ lên bề mặt vật liệu. Tiến hành phủ hỗn hợp lên bề mặt theo các phương pháp: phương pháp phủ quét, phương pháp ngâm, phương pháp in lưới.
Phương pháp phủ quét: Hỗn hợp phủ nano bạc được trộn đều với tỉ lệ trộn
phù hợp đã được lựa chọn sao cho hỗn hợp được trộn đều ở dạng huyền phù. Hỗn hợp được quét lên bề mặt vật liệu bằng cách sử dụng chổi quét, quét đều hỗn hợp trên lên bề mặt của vật liệu, đảm bảo bề mặt vật liệu được phủ đồng đều, lớp phủ đồng đều trên bề mặt vật liệu. Vật liệu sau khi được phủ lớp nano bạc lên bề mặt được đưa vào tủ sấy, và sấy vật liệu ở 80 oC sấy vật liệu đến khi bề mặt vật liệu khô. Bề mặt vật liệu khô đảm bảo nano bạc tạm thời được cố định trên bề mặt vật liệu trước khi đưa vào quá trình nung. Vật liệu sau khi được sấy khô, đưa vật liệu đi nung.
Hình 3.3: Bề mặt vật liệu sau khi được phủ bằng phương pháp quét
48
Phương pháp ngâm: Hỗn hợp phủ nano bạc được trộn đều với tỉ lệ trộn phù
hợp đã được lựa chọn sao cho hỗn hợp được trộn đều ở dạng huyền phù. Bề mặt vật liệu cần phủ nano bạc theo phương pháp ngâm được cho tiếp xúc với hỗn hợp bằng cách đổ hỗn hợp đã được trộn đều vào đĩa peptri sau đó đặt bề mặt cần được phủ nano bạc vào hỗn hợp. Ngâm bề mặt vật liệu đó trong khoảng 15 phút, sau đó lấy vật liệu ra. Vật liệu sau khi được phủ lớp nano bạc lên bề mặt được đưa vào tủ sấy, và sấy vật liệu ở 80 oC sấy vật liệu đến khi bề mặt vật liệu khô. Bề mặt vật liệu khô đảm bảo nano bạc tạm thời được cố định trên bề mặt vật liệu trước khi đưa vào quá trình nung. Vật liệu sau khi được sấy khô, đưa vật liệu đi nung. Vật liệu sau khi được sấy khô, đem nung gạch ở các nhiệt độ khác nhau trong khoảng thời gian 30 phút bằng lò nung Namertherm.
Hình 3.4: Bề mặt vật liệu sau khi được phủ nano bạc bằng phương pháp ngâm
Phương pháp in lưới: Hỗn hợp phủ nano bạc được trộn đều với tỉ lệ trộn phù
hợp đã được lựa chọn sao cho hỗn hợp được trộn đều ở dạng huyền phù. Bề mặt vật liệu cần phủ nano bạc theo phương pháp ngâm được cho tiếp xúc với hỗn hợp bằng cách đổ hỗn hợp đã được trộn đều lên lưới in. Lưới in được đặt trên bề mặt
49
vật liệu cần cho vào đĩa peptri sau đó đặt bề mặt cần được phủ nano bạc vào hỗn hợp. Sử dụng gạt, gạt đều hỗn hợp phủ lên bề mặt vật liệu. Vật liệu sau khi được phủ lớp nano bạc lên bề mặt được đưa vào tủ sấy, và sấy vật liệu ở 80 oC sấy vật liệu đến khi bề mặt vật liệu khô. Bề mặt vật liệu khô đảm bảo nano bạc tạm thời được cố định trên bề mặt vật liệu trước khi đưa vào quá trình nung. Vật liệu sau khi được sấy khô, đưa vật liệu đi nung. Vật liệu sau khi được sấy khô, đem nung gạch ở các nhiệt độ khác nhau trong khoảng thời gian 30 phút bằng lò nung Namertherm.
Hình 3.5: Bề mặt vật liệu được phủ nano bạc theo phương pháp in lưới
Bề mặt vật liệu được phủ bằng phương in lưới cho thấy đạt được sự đồng đều của lớp phủ nano bạc lên bề mặt vật liệu tốt nhất trong cả ba phương pháp trên. Hỗn hợp phủ đồng đều trên bề mặt đảm bảo lượng nano bạc có đồng đều trên bề mặt vật liệu.
Bề mặt vật liệu được phủ theo phương pháp quét có độ dày cao nhất, lớp phủ dầy nhất điều này thể hiện rõ những ảnh hưởng tại quá trình nung vật liệu. Lớp
50
phủ của phương pháp quét đồng đều tuy nhiên lớp phủ dầy sau khi nung những hạt bạc có trên bề mặt vật liệu sẽ bị che phủ bởi men chảy ra khiến hiệu quả diệt khuẩn không cao.
Bề mặt vật liệu được phủ theo phương pháp ngâm không đều, tạo những điểm có nano bạc và những điểm không có nano bạc. Khi đặt cả bề mặt vật liệu đang ngâm trong hỗn hợp phủ tủ sấy và sấy đến khô. Bề mặt vật liệu bị dính chặt và bị keo với mặt đĩa peptri ảnh hưởng đến quá trình tiếp theo, do vậy, ngâm vật liệu trong hỗn hợp trong thời gian 15 phút vừa đủ để hỗn hợp phủ bám dính lên bề mặt vật liệu và đã tạm thời cố định được một phần hỗn hợp lên bề mặt vật liệu.
Nhận thấy, việc sử dụng phương pháp ngâm hỗn hợp phủ bám không đều trên bề mặt vật liệu như phương pháp phủ quét và phương pháp in lưới. Do đó, tôi sử dụng vật liệu được phủ theo phương pháp phủ quét và vật liệu được phủ theo phương pháp in lưới để mang đi nung tiến hành bước tiếp theo.
3.3. Khảo sát nhiệt độ nung vật liệu
3.3.1. Nhiệt độ nung gốm sứ
Tạo điều kiện gắn nano bạc lên bề mặt vật liệu, tôi sử dụng thông qua men bóng. Men được bổ sung trong quá trình tạo hỗn hợp phủ nano bạc là men bóng được lấy từ làng nghề gốm Bát Tràng. Men trước khi đem trộn vào hỗn hợp, men được xử lý bằng cách trộn với dung dịch axit nitric HNO3 và dung dịch methanol CH3OH. Hỗn hợp này được trộn đều và sấy khô tại nhiệt độ 60 oC đến khô. Do thành phần chính của men là Si nên quá trình xử lý men nhằm chức năng hóa Si và gắn nhóm SH vào silica với vai trò gắn bạc vào nhóm [2].
Khảo sát nhiệt độ chảy của men phủ nano bạc. Tiến hành nung vật liệu gạch đã được phủ lớp màng nano bạc. Men sử dụng trong thí nghiệm được khuyến cáo
51
có nhiệt độ nóng chảy là 600 oC, đảm bảo đủ các yêu cầu của vật liệu sau nung các điểm nhiệt độ nung được lựa chọn cho vật liệu gốm sứ là 450 oC, 550 oC và 600 oC với thời gian nung tại từng điểm nhiệt độ nung là 30 phút.
Nung vật liệu tại 450 oC. Vật liệu đã được phủ lớp nano bạc được sấy khô và
đưa vào lò nung và nung tại nhiệt độ 450 oC trong thời gian 30 phút. Tại nhiệt độ này men chưa đủ chảy để bám vào bề mặt vật liệu gạch, bề mặt vật liệu bị bong tróc, hỗn hợp được phủ trên bề mặt bị rơi ra khỏi vật liệu, có thể tách lấy riêng phần hỗn hợp phủ này. Nhiệt độ 450 oC không đạt yêu cầu.
Hình 3.6: Lớp hỗn hợp phủ bị bong tróc sau khi nung ở nhiệt độ 450 oC
Nung vật liệu tại 550 oC. Vật liệu đã được phủ lớp nano bạc được sấy khô và
đưa vào lò nung và nung tại nhiệt độ 550 oC trong thời gian 30 phút. Tại nhiệt độ này men vừa đủ nhiệt để chảy và bám vào bề mặt vật liệu gạch, bề mặt vật liệu
52
trơn bóng, đặt nghiêng nghiêng bề mặt vật liệu có thể nhận thấy bề mặt vật liệu có một lớp phủ nano bạc mỏng. Hỗn hợp được phủ được gắn trên bề mặt vật liệu. Nhiệt độ 550 oC đạt yêu cầu.
Hình 3.7: Vật liệu được nung tại nhiệt độ 550 oC
Nung vật liệu tại 600 oC. Vật liệu đã được phủ lớp nano bạc được sấy khô và
đưa vào lò nung và nung tại nhiệt độ 600 oC trong thời gian 30 phút. Tại nhiệt độ này men chảy và bám vào bề mặt vật liệu gạch tạo được một lớp men bóng đều trên bề mặt vật liệu. Nhiệt độ 600 oC đạt yêu cầu.
53
Hình 3.8: Vật liệu nung tại nhiệt độ 600 oC
Với điều kiện nhiệt độ nung tại 550 oC, hỗn hợp phủ trên bề mặt vật liệu đã chảy và đảm bảo có độ bóng cần thiết trên bề mặt vật liệu. Bề mặt vật liệu không bị bong tróc mà sáng bóng. Nhiệt độ 600 oC cũng đạt được những yêu cầu về men bám trên bề mặt vật liệu. Ở nhiệt độ 450 oC, men trên bề mặt vật liệu bị bong tróc không bám trên bề mặt vật liệu, loại bỏ điều kiện nung 450 oC. Như vậy, nhiệt độ 550 oC đã đảm bảo các yêu cầu, lựa chọn nhiệt độ 550 oC để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
Kết quả đo EDX ở bảng 3.3 dưới đây cho thấy trong mẫu G8 được phủ nano bạc bằng phương pháp in lưới trên bề mặt cho thấy mẫu chỉ phát hiện được vết với tỉ lệ phần trăm về khối lượng của bạc được tìm thấy trong mẫu G8 là 0,02% cao nhất trong 3 mẫu G8, G6, G4. Mẫu G8 có lượng men trong hỗn hợp là 0,5 g nhỏ nhất trong 3 mẫu xem bảng 3.1. Điều này cho thấy hàm lượng men trong mẫu và trên bề mặt ảnh hưởng đến việc phát hiện nano bạc trên bề mặt mẫu. Lớp phủ quá dầy lượng men đưa lên bề mặt lớn không phát hiện thấy nano bạc không tìm thấy trên bề mặt vật liệu việc này thấy trên kết quả đo EDX các mẫu G6 và G4 được
54
phủ theo phương pháp in lưới với hàm lượng men lần lượt là 0,5 g và 1 g (xem bảng 3.1). Theo dõi tại bảng 3.1, ta thấy được mẫu G8 và G6 lượng men được đưa vào hỗn hợp là như nhau nhưng hàm lượng dung dịch nano bạc đưa vào hỗn hợp phủ của mẫu G8 nhiều hơn mẫu G6 hai lần với cùng phương pháp in lưới cùng điều kiện nung vật liệu kiểm tra kết quả chụp EDX tại bảng 3.3, 3.4, 3.5 và các