Luận văn Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano bằng công nghệ plasma (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano bằng công nghệ plasma (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PHỦ NANO BẰNG CÔNG NGHỆS K C PLASMA0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014-01GVT S KC 0 0 4 7 9 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PHỦ NANO BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA Mã số: T2014-01GVT Chủ nhiệm đề tài: ThS. Thái Văn Phước Thành viên đề tài: TP. HCM, tháng 12/2014
3. MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỀU iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 3 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 3 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 1.5. Phương pháp nghiên cứu 4 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1. Nghiên cứu về một số loại vải thông dụng 5 2.1.1. Vải cotton – vải sợi bông 6 2.1.2. Vải từ sợi polyester 6 2.1.3. Lụa – tơ tằm 6 2.1.4. Vải tổng hợp 7 2.2. Sơ lược về nano 8 2.2.1. Phương pháp chế tạo nano kim loại 9 2.2.2. Tính chất của nano kim loại 9 2.2.3. Một số loại dung dịch nano để phun phủ 10 2.3. Các phương pháp phủ nano lên bề mặt hiện tại 14 2.3.1. Phun trực tiếp lên bề mặt 14 2.3.2. Ngâm tẩm trong dung dịch nano 15 2.4. Giới thiệu về Plasma 15 2.5. Nguyên lý tạo liên kết hóa học giữa gốc nano và vải bằng công nghệ Plasma lạnh 18 i
4. Chương 3. THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 19 3.1. Yêu cầu kỹ thuật của mô hình 19 3.2. Các phương án thiết kế bộ tạo Plasma 19 3.2.1. Phương án 1 19 3.2.2. Phương án 2 20 3.3. Thiết kế sơ bộ 21 3.3.1. Phương án 1 (sử dụng điện cực dương ngắn hơn cực âm) 21 3.3.2. Phương án 2 (sử dụng điện cực dương dài hơn cực âm) 21 3.3.3. Phương án định vị thanh điện cực 22 3.4. Hệ thống kết cấu mô hình 23 3.5. Thuyết minh sơ đồ thực nghiệm 25 3.6. Mô hình thử nghiệm ban đầu 25 3.7. Mạch điều chỉnh độ rộng xung 26 3.8. Mạch điều chỉnh tần số và điện áp 27 3.9. Bộ biến áp 28 Chương 4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 29 4.1. Trình tự công việc tiến hành 29 4.2. Chọn vật liệu cho hệ thống 29 4.3. Tính toán cho hệ thống 30 4.3.1. Tính toán chọn động cơ 30 4.3.2. Tính toán thiết kế bánh đai 30 4.3.3. Tính toán thiết kế trục 32 4.3.4. Thiết kế mô hình 35 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 38 5.1. Chế tạo 38 5.1.1. Chế tạo giá đỡ 38 5.1.2. Chế tạo trục lăn 38 5.1.3. Gối đỡ trục 38 5.1.4. Chế tạo tấm đỡ trục lăn 39 ii
5. 5.1.5. Mô hình thực tế 39 5.2. Thử nghiệm 40 5.3. Kết quả thực nghiệm 40 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 iii
6. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 - Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [9] 5 Hình 2 – Cấu trúc phân tử của vải cotton (vải sợi bông) 6 Hình 3 – Hạt nano từ phương pháp siêu âm 11 Hình 4 – Cấu trúc của nano TiO2 12 Hình 5 – Công thức cấu tạo của nano Silane-TEOS 13 Hình 6 – Phủ nano bằng phương pháp phun trực tiếp 15 Hình 7 – Chùm tia Plasma (a-Plasma ngoài tự nhiên; b-Plasma nhân tạo) 16 Hình 8 – Phản ứng tạo liên kết giữa phân tử nano-Silane và sợi vải 18 Hình 9 - Mô hình dạng tấm 20 Hình 10 - Mô hình dạng ống phóng Plasma 20 Hình 11 – Mô hình vùng phản ứng Plasma phương án 1 21 Hình 12 - Mô hình vùng phản ứng Plasma phương án 2 22 Hình 13 – Định vị điện cực bên trong ống thạch anh 22 Hình 14 – Định vị điện cực bên ngoài 23 Hình 15 – Sơ đồ mô hình hệ thống phủ nano bằng công nghệ Plasma lạnh 23 Hình 16 - Sơ đồ mô hình hệ thống phủ nano bằng công nghệ Plasma lạnh 24 Hình 17 – Nano-Silane được hóa hơi và đưa vào vùng 25 Hình 18 - Mô hình thí nghiệm xử lý và phủ nano trên vải 26 Hình 19 – Thí nghiệm vải chống thấm nước 26 Hình 20 – Mạch điều chỉnh độ rộng xung 26 Hình 21 – Chu kỳ một xung 27 Hình 22 – Mạch điều chỉnh tần sồ và điện áp 27 Hình 23 – Bộ biến áp và bộ khuếch đại 28 Hình 24 – Sơ đồ phân bố lực trên trục chủ động 34 Hình 25 – Biểu đồ phân bố lực và momen xoắn trên trục lăn 35 Hình 26 – Thân đế 35 iv
7. Hình 27 - Giá đỡ trục vào và giá đỡ trục ra 36 Hình 28 – Tấm đỡ trục lăn 36 Hình 29 – Thanh đỡ trục lăn 36 Hình 30 – Gối đỡ Plasma 36 Hình 31 – Tấm đỡ ống thạch anh 36 Hình 32 - Mô hình hóa hơi dung dịch nano-Silane 37 Hình 33 – Chi tiết giá đỡ 38 Hình 34 – Chi tiết trục lăn 38 Hình 35 – Gối đỡ trục 38 Hình 36 – Tấm đỡ trục lăn 39 Hình 37 – Mô hình xử lý và phủ nano trên vải bằng 39 Hình 38- Ảnh thực tế: vải được xử lý và phủ nano(bên trái) và vải không được xử lý (bên phải), vải thun cotton 40 Hình 39 - Ảnh hưởng của tốc độ xử lý đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton 41 Hình 40 - Ảnh chụp sợi vải thun cotton sau khi xử lý nano trên máy SEM (110V, 1A, 0,8 m/ph) 41 Hình 41- Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton 41 Hình 42 - Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun cotton 41 Hình 43- Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải sơ-mi polyester 42 Hình 44 - Ảnh hưởng của điện áp đầu vào 42 Hình 45: Ảnh hưởng của dòng điện đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun tổng hợp 43 Hình 46: Ảnh hưởng của điện áp đầu vào đến góc tiếp xúc θc trên vải thun tổng hợp 43 Hình 47 - Sự thay đổi góc tiếp xúc theo thời gian 43 v
8. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 – Đặc tính cơ bản các loại vải sợi 7 Bảng 2 – Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu 8 Bảng 3 – Sự suy giảm hàm lượng Ag theo số lần giặt [10] 11 Bảng 4 – Các quá trình trao đổi năng lượng ở trạng thái Plasma [4] 17 Bảng 5 - Một số quá trình va chạm và trao đổi năng lượng giữa hạt (Plasma) với bề mặt [4] 17 vi
9. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT nlc Năng lượng cao TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Thí nghiệm TNHH Trách nhiện hữu hạn vii
10. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Tp. HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống phủ Nano bề mặt bằng công nghệ Plasma” - Mã số: T2014-01GVT - Chủ nhiệm: ThS. Thái Văn Phước - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Thời gian thực hiện: tháng 12/2013 đến tháng 12/2014 2. Mục tiêu: - Chế tạo mô hình thiết bị xử lý và phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp; - Tìm ra các thông số vận hành của mô hình. 3. Tính mới và sáng tạo: - Quá trình xử lý đơn giản, tiết kiệm năng lượng; - Quy trình vận hành đơn giản; - Dễ dàng lắp đặt trên dây chuyền sản xuất vải. 4. Kết quả nghiên cứu: - Thí nghiệm và chứng minh khả năng phủ nano của mô hình; - Các thông số vận hành của mô hình. 5. Sản phẩm: - Mô hình thực nghiệm hệ thống phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường; - Một bài báo đăng trên “Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật Tp. HCM”. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Hoàn thiện và phát triển thành hệ thống hoàn chỉnh có thể chuyển giao cho các cơ sơ sản xuất vải. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Thái Văn Phước 1
11. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: “Research, design and manufacturing experimental coating-nano model by cold-plasma at atmospheric pressure” Code number: T2014-01GVT Coordinator: MSc. Thai Van Phuoc Implementing institution: University of Technology and Education Ho Chi Minh City Duration: from December 2013 to December 2014 2. Objective(s): - Manufacturing model experimental coating-nano on fabric by cold-plasma at atmospheric pressure; - Find out operating parameters of model. 3. Creativeness and innovativeness: - The model has many advantages such as small size, simple operation, save energy; - Easy to install on fabric production line 4. Research results: - Testing and demonstrating coating-Nano ability of the model on fabric; - The operating parameters of the model. 5. Products: - Experimental coating-nano model on fabric by cold-plasma at atmospheric pressure; - An article published on Journal of Technical Education Science. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - The model should be improved and developed into a complete system that can be transferred to fabric factory. 2
12. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng và khí). Ở trạng thái Plasma, các electron chuyển động tương đối tự do giữa các nhân của nguyên tử. Để đạt được trạng thái này, các electron được cung cấp một năng lượng lớn dưới dạng nhiệt (mặt trời, các ngôi sao) – Plasma nóng hoặc trong các môi trường khác như bức xạ điện từ, môi trường điện trường lớn nhằm ion hóa các phân tử - Plasma nguội (Plasma ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ từ 30-70°C) [1]. Ở trạng thái Plasma các electrons, ions và các hạt kích thích mang một năng lượng lớn dưới dạng động năng. Khi hướng các hạt mang năng lượng trên lên một bề mặt thì các hạt electrons, ions, hạt kích thích sẽ bắn phá lên bề mặt, làm sạch bề mặt, tẩy khuẩn, bẽ gãy các liên kết trên bề mặt, đồng thời lại tạo ra các liên kết mới. Với những tính chất trên công nghệ Plasma được ứng dụng nhằm làm sạch bề mặt, làm tăng năng lượng bề mặt, tẩy khuẩn, phủ nano [1, 2]. Ứng dụng công nghệ Plasma ở áp suất thấp để phủ nano lên bề mặt đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là điều kiện tiến hành phải ở áp suất thấp, dẫn đến chi phí thiết bị, vận hành rất đắt và quy mô sản xuất cũng bị hạn chế. Hiện nay tại một số nước phát triển đã ứng dụng thành công công nghệ Plasma ở áp suất thường vào việc phủ nano, ví dụ như Công ty Fraunhofe ở Đức đã chế tạo thành công thiết bị Plasma Jet phủ nano ở điều kiện áp suất thường, Enercon Industries Corporation ở Mỹ, Courstesy of Dow Corning Plasma Solution ở Anh v.v Qua tham khảo tài liệu và thực tế trong nước, tác giả chưa thấy có nghiên cứu nào ứng dụng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường vào việc phủ nano bề mặt. Trong phần nghiên cứu này tác giả đưa ra một mô hình xử lý và phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 0 Để tạo tính chất siêu chống thấm (góc tiếp xúc θc ≥150 ), vải thường được chế tạo- xử lý như sau: thứ nhất, vải được dệt bằng các sợi có tính chất siêu chống thấm có nguồn gốc chủ yếu từ polymer; hoặc theo cách thứ hai, vải được phun phủ các vật liệu siêu chống thấm có kích thước cỡ nano từ vật liệu SiO2, ZnO, TiO2 v.v và làm cho các sợi vải liên kết với các hạt nano này để tạo cho vải tính chất như hiệu ứng lá sen. Vải được 3
13. tạo theo cách thứ nhất có giá trị sử dụng không cao, lý do chính là vì được chế tạo từ vật liệu polymer nên vải thô-cứng, màu sắc bóng loáng, khi mặc có cảm giác nóng, không thoải mái. Theo cách thứ hai vải được ngâm trong hỗn hợp gồm các dung dịch nano+dung môi trong thời gian dài, sau đó được xử lý nhiệt. Theo phương pháp này, chi phí sản xuất rất cao do việc xử lý trong thời gian dài tốn nhiều năng lượng, quy trình vận hành cồng kềnh. Với khả năng chống thấm, vải chống thấm còn có khả năng tự làm sạch, hạn chế- ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật gây mùi hôi trên vải, gây ảnh hưởng đến sức khỏe. Vải chống thấm không chỉ được ứng dụng vào lĩnh vực thời trang-may mặc, các vật dụng trong gia đình (thảm chống thấm, divang bọc vải chống thấm, màn che cửa chống thấm ), mà cả trong lĩnh vực y tế (pra giường bệnh nhận, quần áo bệnh nhân, quần áo bác sỹ dung để phẫu thuật ). Trước những vấn đề như trên, việc nghiên cứu và thiết kế thiết bị và quy trình phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp, áp suất thường trở thành một đề tài mang tính ứng dụng thực tiễn cao. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề tài được thực hiện theo các mục tiêu sau: - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano trên vải bằng công nghệ Plasma nhiệt độ thấp trong môi trường áp suất thường với kích thước nhỏ để tiến hành thử nghiệm; - Tìm ra các thông số tối ưu của vận hành mô hình; - Tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phủ nano trên vải. 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - Môi trường tạo Plasma nhiệt độ thấp ở áp suất thường; - Khả năng tạo liên kết giữa sợi vải và nano silane. b. Phạm vi nghiên cứu: - Đề tài sẽ khảo sát khả năng phủ nano trên vải cotton, polyester, vải tổng hợp với dung dịch nano-silane. 1.5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu, phân tích lý thuyết; - Phân tích thực nghiệm. 4
14. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Nghiên cứu về một số loại vải thông dụng Vải sợi là những cấu trúc dạng phẳng, được tạo thành từ các loại tơ sợi được đan lại với nhau theo những kiểu cách cho trước. Những sợi này có dạng sợi dài, xoắn vào nhau tạo thành phần tử cơ bản nhất của vải sợi. Mỗi loại sợi này được cấu thành từ hàng triệu chuỗi phân tử hoá học đơn lẻ. Hiện nay, quy trình sản xuất các loại vải ở các doanh nghiệp hoặc các công ty lớn chủ yếu được thực hiện theo các bước như sau: Hình 1 - Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [9] 5
15. Sợi vải được chuyển qua công đoạn mắc sợi. Sau đó chuyển sang hồ rồi mới đưa qua hệ thống máy dệt để thực hiện công đoạn dệt. Công đoạn cuối cùng trước khi sản phẩm dệt được xuất xưởng là công đoạn kiểm phẩm. Tại đây, hệ thống vải dệt được kiểm tra kỹ trước khi cho xuất kho để tránh những lỗi sản phẩm. 2.1.1. Vải cotton – vải sợi bông Vải cotton được làm từ sợi của cây bông vải, có cấu trúc phân tử như hình 2. Vải cotton có khả năng thấm nước đến 65% so với trọng lượng; có đến 86.8% có cấu trúc hóa học từ cenllulose, có khuynh hướng dính bẩn và dính dầu mỡ, dù vậy có thể giặt sạch được. Sợi bông thân thiện với da người (không làm ngứa) và không tạo ra các nguy cơ dị ứng việc khiến cho sợi bông trở thành nguyên liệu quan trọng trong ngành dệt may. Hình 2 – Cấu trúc phân tử của vải cotton (vải sợi bông) 2.1.2. Vải từ sợi polyester Polyester là một loại sợi tổng hợp với thành phần cấu tạo đặc trưng là ethylene (nguồn gốc từ dầu mỏ). Quá trình hóa học tạo ra các polyester hoàn chỉnh được gọi là quá trình trùng hợp. Có bốn dạng sợi polyester cơ bản là sợi filament, xơ, sợi thô, và fiberfill. Vải được chế tạo từ sợi polyester có tính chất chống thấm, không hút ẩm. Nhờ những đặc tính này làm cho vải polyester vật liệu cho những ứng dụng chống nước, chống bụi. 2.1.3. Lụa – tơ tằm Đặc điểm chủ yếu của tơ là chiều dài tơ đơn và độ mảnh tơ. Sợi tơ có thể hút ẩm, bị ảnh hưởng bởi nước nóng, axit, bazơ, muối kim loại, chất nhuộm màu. Mặt cắt ngang sợi tơ có hình dạng tam giác với các góc tròn. Vì có hình dạng tam giác nên ánh sáng có thể rọi vào ở nhiều góc độ khác nhau, sợi tơ có vẻ óng ánh tự nhiên. Quần áo bằng lụa rất thích hợp với thời tiết nóng và hoạt động nhiều vì lụa dễ thấm mồ hôi. Quần áo lụa cũng thích hợp cho thời tiết lạnh vì lụa dẫn nhiệt kém làm cho người mặc ấm hơn. 6
16. 2.1.4. Vải tổng hợp Vải được tổng hợp từ sợi cotton và polyester. Vì được tổng hợp từ cotton và polyester nên vải có được tính chất của sợi cotton và sợi polyester như dễ thấm hút, thoáng mát do chứa sợi cotton, mặt vải phẳng, dễ dàng giặt ủi. Giá thành rẽ hơn các loại vải cotton. Bảng 1 – Đặc tính cơ bản các loại vải sợi Đặc tính Cotton Nylon Polyester Mượt và sáng, vì Bề mặt mượt vì thế Là dạng sợi thô nên thế ngăn chặn được không hấp thu chất Hình thức dễ dàng bị bám bẩn sự bám bẩnvà dễ bẩn và có thể giặt giặt sạch dễ dàng Không dễ hút ẩm. Cotton hút ẩm dễ Hút ẩm ít nhất so Nó cũng ấm khi Mức độ hút ẩm dàng và cũng nhanh với các loại sợi mặc và không thấm khô. khác. mồ hôi Là vật dẫn tốt giúp nhiệt tỏa ra ngoài Dẫn nhiệt Dẫn nhiệt kém. Dẫn nhiệt kém. cơ thể và giữ cơ thể mát mẻ. Bền nhất trong tất Bền hơn khi ướt. cả các loại sợi. Là loại sợi cực bền Có thể chà mạnh Độ bền của sợi Chịu được chà xát mặc dù không bền mà không bị hỏng tốt, không giảm sức bằng nylon. trong khi giặt bền bị bịướt. Có thể không cần Nếp nhăn và nếp Cần là lại một chút phải là sau khi giặt gấp. Sau khi giặt, sau khi giặt để Độ đàn hồi vì loại sợi polyester những vết nhăn cần tránh nếp nhăn hay bị nhăn hay bị nếp được là phẳng. nếp gấp gấp rất ít. Được dùng cho các Trang phục mùa hè, mặt hàng dệt kim Nguyên liệu may Mục đích sử trang phục thể thao, như tất, quần áo, quần áo cho cả nam dụng chăn, khăn ăn, khăn thích hợp làm lớp và nữ. tắm. lót cho áo khoác nặng. 7
17. 2.2. Sơ lược về nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên nanomet (1nm = 10-9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài  Phân loại theo hình dáng vật liệu: - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano. - Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano. - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng. - Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.  Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano: - Vật liệu nano kim loại. - Vật liệu nano bán dẫn. - Vật liệu nano từ tính. - Vật liệu nano sinh học. Bảng 2 – Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu Năng lượng bề Đường kính Tỉ số nguyên tử Năng lượng bề mặt/ năng hạt nano Số nguyên tử trên bề mặt (%) mặt (erg/mol) lượng tổng (nm) (%) 10 30.000 2 4,8.1011 7,6 5 4.000 4 8,6.1011 14,3 2 250 8 2,04.1011 14,3 1 30 9 9,23.1011 82,2 8
18. 2.2.1. Phương pháp chế tạo nano kim loại Đối với hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc thì phương pháp thường được áp dụng từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại Au+, Ag+ để tạo thành các nguyên tử Au, Ag. Các nguyên tử sẽ liên kết vơí nhau tạo ra hạt nano. Phương pháp khử hóa học: dùng các tác nhân hóa học để khử các ion kim loại thành kim loại. Thông thường dung dịch ban đầu là các muối của kim loại như: HAuCl4 , H2PtCl6 , AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành AgO, AuO . Phương pháp khử vật lý: dùng các tác nhân như điện tử,sóng điện từ năng lượng cao như tia gama, tia tử ngoại, tia laser khử các ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình của dung môi và các chất phụ gia trong dung môi để sinh ra có góc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại. Phương pháp khử hóa lí: dùng các phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo ra hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ tạo được lớp màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hinh thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo thành các hạt nano bám lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano sẽ rời khỏi điện cực vào đi vào dung dịch. Phương pháp xung laser được sử dụng như nhân tố kích thích lắng động từ pha khí hoặc kết tinh từ dung dịch. Ví dụ: lắng động hạt nano silicon từ khí silane (Si(OR)4) hoặc kết tinh hạt nano bạc từ dung dịch bạc nitrat (AgNO3). 2.2.2. Tính chất của nano kim loại Tính chất quang học: tính chất quang của hạt nano được có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy, xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt. Tính chất điện: tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao. Tính chất từ: Các kim loại quý như vàng, bạc, có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không 9
19. toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, côban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không. Tính chất nhiệt: Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở rạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ : hạt vàng 2 nm cóTm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C. 2.2.3. Một số loại dung dịch nano để phun phủ 2.2.3.1. Nano Bạc (Ag2O) Bạc được biết đến như những chất tự nhiên có tính kháng khuẩn cao và ít độc nhất không ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đặc biệt là các hạt nano có khích thước nanomet (1-100 nm) có khả năng kháng khuẩn vượt trội, có khả năng kháng trên 600 loại vi khuẩn và virut trong đó có cả HIV. Ngoài những ứng dụng trong nghành công nghệ cao, trong y học, nano bạc còn được sử dụng rất hiệu quả để sản suất ra các vật dụng có tinh kháng khuẩn cao như (quẩn áo, bít tất, lót giầy ) vừa có ý nghĩa bảo vệ môi trường vừa ngăn ngừa một số vi khuẩn gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người.  Điều chế nano Ag. Thành phần hóa học: -50 ml dung dịch AgNO3 0.02N. -3 ml Chitôsan 2% -100 ml dung dịch NaBH4 (20 mg/100 ml). Bằng phương pháp hóa siêu âm. Cho Chitôsan vào dung dịch AgNO3 siêu âm trong 5 phút sau đó cho NaBH4 vào với tốc độ 2-3 giọt/giây. Sau khi phản ứng kết thúc tiếp siêu âm thêm 5 phút để phản ứng xảy ra hoàn toàn. 10
20. Hình 3 – Hạt nano từ phương pháp siêu âm Bằng phương pháp khuấy từ. - Cho chitôsan vào dung dịch AgNO3 khuấy từ trong 5 phút sau đó cho NaBH4 vào với tốc độ 2-3 giọt/giây. Sau khi phản ứng kết thúc tiếp khuấy từ thêm 5 phút để phản ứng xảy ra hoàn toàn. - Nano Ag được điều chế có màu vàng đục, trong và không có hiện tượng kết tủa - Màu nano Ag khuấy từ có màu vàng đậm hơn nano Ag siêu âm.  Kỹ thuật tẩm nano Ag trên vải cotton Vải cotton 100% chưa qua hồ hoặc vải xô đươc hấp vô trùng tại 1200C trong 20 phút, để nguội sau đó được nhúng vào dung dịch keo nano Bạc ở nhiều nồng độ khác nhau. Các mẫu vải được sấy khô trong tủ sấy ở 700C cho đến khô, sau đó được sấy ở nhiệt độ 1200C trong 5 phút.  Kỹ thuật đánh giá của nano Bạc Được đánh giá bằng phương pháp sinh đồ, phương pháp này dựa trên kỹ thuật Kitby-Bauer. Bảng 3 – Sự suy giảm hàm lượng Ag theo số lần giặt [10] Số lần giặt 1 10 20 30 Siêu âm % 38 36 35 33 Khuấy từ % 32 28 25 22 11
21. 2.2.3.2. Nano Titanium Dioxide (TiO2) TiO2 là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suất cao, từ lâu đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm Ngoài ra TiO2 còn được phủ lên các vật liệu khác như : gạch men, các thiết bị vệ sinh, kính cửa sổ bằng công nghệ sol-gel hay công nghệ khác có khả năng làm sạch, diệt vi khuẩn, nấm mốc, khử mùi hôi, phân hủy các khí độc hại NOx, SOx Hình 4 – Cấu trúc của nano TiO2  Đặc tính quang xúc tác của nano TiO2 Chất xúc tác là chất có tác dụng làm giảm năng lượng kích hoạt của phản ứng hoá học và không bị mất sau khi phản ứng. Nếu quá trình xúc tác được kích thích bằng ánh sáng thì được gọi là quang xúc tác. Chất có tính năng kích hoạt các phản ứng hoá học khi được chiếu sáng gọi là chất quang xúc tác. Khi được chiếu ánh sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hoá khử mạnh nhất trong số những chất đã biết (gấp 1,5 lần O3, gấp hơn 2 lần clo - là những chất thông dụng vẫn được dùng trong xử lý môi trường). Điều này tạo cho vật liệu nhiều ứng dụng phong phú. Nano TiO2 có thể phân huỷ được các chất độc hại bền vững như điôxin, thuốc trừ sâu, benzen cũng như một số loại virus, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn so với các phương pháp khác. Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nước hay ái nước tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo. Khả năng này được ứng dụng để tạo ra các bề mặt tự tẩy rửa không cần hoá chất và tác động cơ học. Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân huỷ, tác động vào vi sinh vật như phân huỷ một hợp chất hữu cơ. Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh. Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư một lần và sử 12
22. S K L 0 0 2 1 5 4