Hình 1 .7 Quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt vàng
Hình 1.23 Cấu tạo và cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt
(a) Cấu tạo của chất hoạt động bề mặt (b) Cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt
Tùy theo tính chất mà chất hoạt động bề mặt đƣợc phân theo các loại khác nhau. Nếu xem theo tính chất điện của đầu phân cực của phân tử chất hoạt động bề mặt thì có thể phân chúng thành các loại sau:
Chất hoạt động ion: khi bị phân cực thì đầu phân cực bị ion hóa.
Chất hoạt động dƣơng: khi bị phân cực thì đầu phân cực mang điện dƣơng
Cetyl trimetylammonium bromua (CTAB) Cetyl pyridinium clorua (CPC)
Polyethoxylated tallow amin (POEA) Benzalkonium clorua (BAC)
Benzethonium clorua (BZT)
Chất hoạt động âm: khi bị phân cực thì đầu phân cực mang điện âm Sodium dodecyl sulfat (SDS), amoni lauryl sulfat, và
các muối ankyl sulfat khác
Natri laureth sulfat, hay natri lauryl ete sulfat (SLES) Ankyl benzen sulfonat
Xà phòng và các muối của axit béo
Chất hoạt động phi ion: đầu phân cực không bị ion hóa, ví dụ: Ankyl poly (êtylen ôxít).
Ankyl poly(etylen oxit)
Copolymers của poly(etylen oxit) và poly(propylen oxit) (trong thƣơng mại gọi là các Poloxamer hay Poloxamin)
Ankyl polyglucozit, bao gồm: Octyl glucozit : Decyl maltosit Các rƣợu béo
+ Rƣợu cetyl + Rƣợu oleyl
Cocamit MEA, cocamit DEA
Chất hoạt động lƣỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực có thể mang điện âm hoặc mang điện dƣơng tùy vào pH của dung môi, ví dụ:
Dodecyl đimêtylamin ôxít. Dodecyl betain
Dodecyl dimetylamin ôxít Cocamidopropyl betain Coco ampho glycinat
Các tiêu chuẩn lựa chọn chất hoạt động bề mặt
Không phải mọi chất hoạt động bề mặt đều có thể sử dụng làm chất nhũ hóa. Để chọn đƣợc chất nhũ hóa thích hợp là cả một quá trình tìm tòi và thử nghiệm. Tuy nhiên, các chất nhũ hóa đƣợc lựa chọn phải thỏa mãn đƣợc các yêu cầu sau:
Cấu trúc hóa học của chất nhũ hóa phải tƣơng đối phù hợp với cấu trúc của pha phân tán.
Hấp thụ nhanh chóng lên bề mặt giọt, ngăn chặn đƣợc sự va chạm gây keo tụ giữa các hạt bằng một năng lƣợng hàng rào đủ lớn.
Việc chọn lựa chất nhũ hóa ion hay không ion phụ thuộc vào hệ nhƣng quy tắc chung là vi nhũ tƣơng nghịch (nƣớc trong dầu) sẽ sử dụng chất hoạt động bề mặt không ion làm chất nhũ hóa. Còn vi nhũ tƣơng dầu trong nƣớc sẽ sử dụng chất nhũ hóa có ion.
Sử dụng hỗn hợp chất nhũ hóa thƣờng hiệu quả hơn và đồng thời có thể làm giảm nồng độ chất nhũ hóa cần sử dụng do hiệu ứng hình học của hỗn hợp.
1.3.1.9. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chế tạo nhũ tƣơng
[20], [32], [44]
Ảnh hƣởng của nồng độ chất nhũ hóa:
Nồng độ chất nhũ hóa có ảnh hƣởng lớn đến độ bền vững cho hệ vi nhũ tƣơng. Ở nồng độ rất thấp thì các phân tử chất nhũ hóa khi phân tán vào trong dung dịch không đủ để hình thành nên những micelle, hay nói cách khác là hàng rào năng lƣợng không đủ lớn để bao quanh giọt nhũ và do đó độ bền của nhũ tƣơng không cao. Trái lại, khi nồng độ rất cao thì hầu nhƣ các phân tử chất nhũ hóa đều tạo micelle nhƣng có thể gây ra hiện tƣợng đảo tƣớng nhũ tƣơng. Ảnh hƣởng này đƣợc thể hiện thông qua tỉ lệ mol giữa nƣớc và chất hoạt động bề mặt ( ).
Nhƣ vậy, để chế tạo đƣợc một hệ nhũ tƣơng bền vững thì việc xác định nồng độ tối ƣu của chất nhũ hóa là hết sức cần thiết. Để xác định nồng độ tối ƣu của chất nhũ hóa thông thƣờng ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm.
Ảnh hƣởng của thời gian khuấy trộn:
Dƣới điều kiện nhũ hóa bình thƣờng, thời gian khuấy trộn sẽ có ảnh hƣởng tới kích thƣớc trung bình của hạt nhũ, độ ổn định và độ nhớt của nhũ tƣơng. Hơn nữa, việc kéo dài thời gian tạo nhũ đối với một số hệ nhũ tƣơng có nồng độ phân tán lên tới 80% có thể gây đảo tƣớng nhũ tƣơng. Vì vậy, thời gian khuấy trộn phải đƣợc khảo sát kỹ.
Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn:
Quá trình tạo nhũ sẽ đạt kết quả mong muốn khi ngƣời ta điều chỉnh đƣợc một tốc độ khuấy thích hợp. Khi tốc độ càng cao, nói chung sẽ tạo ra nhũ tƣơng có kích thƣớc hạt nhỏ và nhũ tƣơng bền vững. Nhƣng nếu tốc độ cao quá sẽ phá vỡ cấu trúc
hạt nhũ. Ngƣợc lại tốc độ thấp quá sẽ hạn chế khả năng phân tán của các giọt, kết quả là không hình thành lên giọt nhũ.
Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích hai pha:
Tỉ lệ thể tích giữa pha phân tán và pha liên tục đƣợc gọi là tỉ lệ thể tích pha. Theo nghiên cứu của K.J.Lissant (1974) thì tỉ lệ này nếu nhỏ hơn 0,43 có nghĩa là thể tích pha phân tán chiếm dƣới 30% tổng thể tích của hỗn hợp thì tính chất của hệ tuân theo tính chất của pha liên tục. Nói cách khác, trong việc chế tạo hệ nhũ tƣơng w/o thì hàm lƣợng nƣớc tối đa đƣa vào không nên quá 30% tổng thể tích của hệ.
Ảnh hƣởng của thứ tự cho các pha vào nhau:
Vấn đề khảo sát thứ tự cho các pha vào nhau là rất quan trọng trong quá trình chế tạo nhũ tƣơng, nó là yếu tố xác định dạng của nhũ tƣơng tạo thành. Nếu nhƣ lúc đầu chúng ta cho từ từ pha dầu vào trong pha nƣớc thì ban đầu lƣợng dầu bao giờ cũng nhỏ hơn lƣợng nƣớc và sẽ tạo ra nhũ tƣơng thuận trƣớc tiên, điều đó trái với mong muốn của chúng ta. Nhƣ vậy phải cho từ từ pha nƣớc vào trong pha ban dầu, ngay tại thời điểm đó nhũ tƣơng nghịch sẽ đƣợc tạo ra.
Ảnh hƣởng bởi tỷ lệ mol giữa chất khử và tiền chất:
Một quy luật tổng quát là quá trình hình thành nhân nhanh sẽ tạo sản phẩm có hạt nhỏ. Đối với phƣơng pháp vi nhũ tƣơng nếu nồng độ bạc nitrat tăng thì kích thƣớc hạt nano bạc cũng sẽ tăng lên tuy nhiên trong quá trình này sự tăng kích thƣớc hạt nano bạc còn phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt và nƣớc.
1.3.1.10. Ƣu điểm và khuyết điểm của phƣơng pháp vi nhũ tƣơng [50]
Ƣu điểm:
Đây là phƣơng pháp cho phép kiểm soát tốt các tính chất của các hạt nano nhƣ kích thƣớc, hình dạng, tính đồng nhất. Ngoài ra, phƣơng pháp này có quá trình thực hiện một cách đơn giản, độ ổn định của hệ cao, bảo quản đƣợc ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài mà không bị kết tủa.
Khuyết điểm:
Số lƣợng dung môi hữu cơ trên bề mặt lớn, đó cũng là khó khăn trong việc tách bỏ chúng để thu các hạt nano sau khi tạo thành.
Ngoài ra dung môi đƣợc sử dụng trong hệ đôi khi là dung môi hữu cơ có hại. Đây cũng là vấn đề quan trọng cần chú ý quan tâm.
1.3.2. Phƣơng pháp Sol-gel
1.3.2.1. Định nghĩa
Sol-gel là một quá trình các phản ứng hóa học bắt đầu đi từ dung dịch đến sản phẩm cuối cùng ở trạng thái rắn. Sử dụng phƣơng pháp Sol-gel, ta có thể chế tạo ra các hợp chất ở dạng khối, bột siêu mịn, màng mỏng và sợi. Một cách đơn giản nhất, phƣơng pháp này đƣợc mô tả bởi hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng thủy phân và polymer hóa ngƣng tụ.[29]
Các nhóm sản phẩm chính của phƣơng pháp sol-gel đƣợc mô tả trong hình 1.24 bao gồm:[1]
Màng mỏng (thin film): chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời,…
Gel khối (monolithic gel): đƣợc sử dụng để chế tạo các dụng cụ quang học: gƣơng nóng (hot mirror), gƣơng lạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beam splitter),…
Gel khí (aerogel): thu đƣợc bằng cách sấy siêu tới hạn gel ƣớt (wet gel). Gel khí có ứng dụng trong nhiều lãnh vực: hấp thụ năng lƣợng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina Al2O3 aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silica aerogel),…
Hạt nano đơn thành phần và đa thành phần (multicomponent) có kích thƣớc đồng đều có thể thu đƣợc bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân- ngƣng tụ.
Sợi ceramic: sợi quang chất lƣợng cao và sợi cách nhiệt.