GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại hiện nay, nhu cầu sử dụng vải kháng khuẩn tại Việt Nam ngày càng gia tăng nhờ vào những ưu điểm nổi bật như khả năng ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và chống bám bẩn Loại vải này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, bao gồm quần áo phẫu thuật, trang phục cho bệnh nhân, drap giường và mũ bác sĩ Ngoài ra, vải kháng khuẩn cũng được sử dụng trong ngành may mặc cho các sản phẩm như veston, quần áo thể thao và rèm cửa Để đáp ứng nhu cầu thị trường, nhiều doanh nghiệp may mặc trong nước đã bắt đầu áp dụng vải kháng khuẩn vào sản phẩm của mình Các nghiên cứu trong nước cũng đang tìm cách phát triển vải kháng khuẩn thông qua các phương pháp như nhúng vải vào dung dịch nano bạc hay sử dụng tia UV và sóng siêu âm để tạo liên kết Tuy nhiên, những phương pháp này vẫn gặp phải một số nhược điểm như ô nhiễm môi trường, không an toàn cho người sử dụng và chi phí sản xuất cao do nguyên liệu thường phải nhập khẩu, gây khó khăn trong cạnh tranh thương mại.
Đề tài xử lý phủ nano bạc lên bề mặt vải bằng công nghệ Plasma lạnh là rất cần thiết để phát triển sản phẩm mới chất lượng cao mang tính Việt Nam Công nghệ này giúp khắc phục những nhược điểm hiện tại, phục vụ nhu cầu trong và ngoài nước, đồng thời nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế.
Công nghệ xử lý phủ nano bạc lên vải bằng Plasma lạnh là giải pháp tiên tiến, đáp ứng nhu cầu sản xuất của doanh nghiệp và nâng cao chất lượng sản phẩm Công nghệ này mang lại tính linh hoạt cho sản phẩm, giúp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường mà không làm thay đổi nhiều tính chất của vải.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Phương pháp xử lý mới này có khả năng nâng cao chất lượng sản phẩm trong quy trình sản xuất, thu hút sự quan tâm của giới khoa học toàn cầu Đây là một chủ trương cần sự dám nghĩ, dám làm từ các nhà nghiên cứu, mang lại ý nghĩa khoa học sâu sắc, giúp mở rộng hiểu biết về công nghệ mới dù kết quả thành công hay thất bại Sự thành công của đề tài sẽ hoàn thiện phương pháp phun phủ nano bạc lên vải bằng công nghệ Plasma, mang lại hiệu quả cao mà không gây ô nhiễm môi trường Việc áp dụng công nghệ Plasma không chỉ tiết kiệm chi phí và thời gian, mà còn sử dụng điện an toàn, thân thiện với môi trường và tiết kiệm nguyên liệu hiệu quả.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano bạc trên vải cotton bằng công nghệ plasma ở nhiệt độ thấp" nhằm mục tiêu phát triển công nghệ phủ nano bạc hiệu quả, nâng cao tính năng kháng khuẩn của vải cotton và ứng dụng trong ngành dệt may Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ plasma trong sản xuất vải.
Tạo hướng đi mới trong lĩnh vực xử lý bề mặt;
Giúp phát triển ngành công nghiệp dệt may
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đƣợc mô hình phủ nano bạc trên vải bằng công nghệ Plasma đáp ứng đƣợc yêu cầu đề ra;
Tìm ra các thông số tối ƣu của mô hình;
Tạo ra sản phẩm vải có tính chất mới.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài này nghiên cứu phương pháp chế tạo môi trường Plasma ở nhiệt độ thấp trong điều kiện áp suất thường, nhằm ứng dụng vào việc xử lý và phủ nano bạc lên bề mặt vải.
Hệ thống phủ nano bạc trên vải
Đề tài nghiên cứu và thiết kế mô hình phun phủ nano bạc trên vải bằng công nghệ Plasma ở nhiệt độ thấp với năng suất 20m/phút Mục tiêu là nâng cao công suất làm việc sau khi thành công, nhằm đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp và công ty lớn.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Phương pháp phân tích tài liệu bao gồm việc tham khảo giáo trình thiết kế máy và các tài liệu liên quan đến Plasma cũng như chất phủ Nano Ngoài ra, sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn, ThS Thái, cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Văn Phước tiến hành điều tra thực tế về khả năng kháng khuẩn của vải được phủ nano bạc và xử lý Plasma trên vi khuẩn S Aureus Các thí nghiệm xử lý bề mặt đã được thực hiện để rút ra nhận xét và đánh giá hiệu quả Ngoài ra, nghiên cứu cũng tham khảo một số máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma có cấu trúc tương tự và giá thành của chúng trên thị trường.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Tham khảo tài liệu về thiết kế máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma;
Tham khảo chất phủ Nano đề xuất phương án phủ, nguyên lý hoạt động, thiết bị phụ trợ, thực hiện thiết kế mô hình;
Tiến hành làm thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm để đạt kết quả mong muốn.
Kết cấu của đồ án
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Phương hướng và giải pháp công nghệ
Chương 5: Tính toán, thiết kế hệ thống xử lý vải bằng công nghệ palsma
Chương 6: Chế tạo và thí nghiệm
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tổng quan công nghệ nano
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ cao như công nghệ thông tin và công nghệ sinh học, công nghệ nano đang trở thành một phần quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp thế kỷ 21.
21, hứa hẹn sẽ lấp đầy mọi nhu cầu trong cuộc sống của chúng ta
Công nghệ nano là lĩnh vực thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc và thiết bị bằng cách điều khiển hình dáng và kích thước của hạt ở quy mô từ 1 đến 100 nanômét Mặc dù còn non trẻ, công nghệ này hứa hẹn sẽ thay đổi toàn diện cuộc sống của chúng ta Nhiều quốc gia đã chú trọng nghiên cứu và phát triển công nghệ nano như một động lực thúc đẩy kinh tế và các ngành khoa học công nghệ khác, bao gồm công nghệ thông tin và công nghệ sinh học.
Công nghệ nano hiện nay đã phát triển thành một lĩnh vực quan trọng, thu hút đầu tư nghiên cứu nhằm tạo ra các ứng dụng và sản phẩm có giá trị lên tới hàng nghìn tỷ USD mỗi năm.
Nhiều công ty lớn như Mitsubishi, Motorola, Lucent, Hitachi, Nec, Sony, Microsoft và IBM đã tham gia vào lĩnh vực nghiên cứu nano Đặc biệt, Mitsubishi đã đầu tư hơn 100 triệu Euro vào công nghệ nano, với mục tiêu phát triển sợi carbon nhỏ có độ bền gấp 100 lần thép và nhẹ hơn thép 6 lần Chỉ riêng trong năm 2003, tổng ngân sách cho nghiên cứu nano đã đạt tới 3 tỷ Euro.
Mỹ đặc biệt chú trọng đến công nghệ nano, đã thành lập hai Viện nghiên cứu kỹ thuật nano quốc gia Người dân Mỹ kỳ vọng rằng công nghệ nano sẽ mang lại nhiều ứng dụng đột phá trong các lĩnh vực như y tế, giáo dục, năng lượng, giao thông và tư pháp.
Ngoài Mỹ, các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc đã đầu tư hàng trăm triệu USD vào nghiên cứu ứng dụng của công nghệ nano và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Dự báo, thị trường nano tại châu Á sẽ sớm phát triển mạnh mẽ trong thời gian tới.
Nhiều trung tâm và phòng ban nghiên cứu nano đã được thành lập tại các trường đại học Vào năm 2006, Hội thảo khoa học toàn quốc về ứng dụng công nghệ nano đã được tổ chức tại Cần Thơ, thu hút sự tham gia của nhiều nhà khoa học quốc tế.
Sơ lƣợc về nano
Hạt nano (nanoparticles) là các hạt với một hay nhiều kích thước ở dạng kích cỡ nano (nm, 1 nm = 10 −9 m)
Công nghệ nano là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến việc thiết kế, phân tích và chế tạo các cấu trúc, thiết bị và hệ thống với kích thước nanomet Ở quy mô nano, vật liệu thể hiện những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có, nhờ vào việc giảm kích thước và tăng diện tích bề mặt.
Các hạt vô cơ cấu trúc nano, được tạo ra từ kim loại và oxit kim loại, có kích thước, hình dạng và lỗ xốp đa dạng Điểm nổi bật của các hạt nano này là khả năng chế tạo dễ dàng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Các hạt nano polymer được tạo ra từ quá trình cắt đứt và phân hủy các chuỗi polymer dài thành kích thước nano Chúng chủ yếu được ứng dụng làm chất nền trong quá trình dẫn truyền thuốc.
Nanotube được coi là các cấu trúc tự gắn kết, được hình thành từ việc sắp xếp các nguyên tử trong hình dạng ống Hiện nay, trong lĩnh vực dược phẩm và y tế, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu tiềm năng ứng dụng nanotube trong việc vận chuyển thuốc.
Tinh thể nano là các cấu trúc được hình thành từ việc kết hợp các phân tử ở kích thước nano Chúng được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực vật liệu và kỹ thuật hóa học, đặc biệt là trong công nghệ chấm lượng tử (quantum dot) cho hình ảnh sinh học.
2.2.2.5 Hạt nano rắn lipid (solid lipid nanoparticles)
Các hạt lipid rắn là những lipid cơ bản cấu thành từ chất dẫn truyền thuốc dạng keo, mang lại ưu điểm vượt trội với độ ổn định cao hơn so với liposome trong môi trường sinh học Chúng chủ yếu được ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc và làm chất mang cho các loại thuốc đắp tại chỗ.
Giới thiệu về nano bạc
2.3.1 Tính chất của hạt nano bạc
Tính chất quang học của hạt nano bạc trong thủy tinh tạo ra nhiều màu sắc khác nhau, hiện tượng này đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước Nguyên nhân chính là do sự cộng hưởng Plasmon bề mặt, khi điện tử tự do trong hạt nano bạc hấp thụ ánh sáng Trong kim loại, các điện tử tự do dao động dưới tác động của ánh sáng, nhưng nếu kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình, hiện tượng dập tắt sẽ không xảy ra và điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến sự phân cực điện trong hạt nano bạc, tạo ra một lưỡng cực điện và xuất hiện tần số cộng hưởng phụ thuộc vào hình dáng, kích thước của hạt nano bạc và môi trường xung quanh Bên cạnh đó, mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hưởng đến tính chất quang; mật độ loãng gần giống hạt tự do, trong khi mật độ cao cần xem xét ảnh hưởng của sự tương tác giữa các hạt.
Tính dẫn điện của kim loại rất cao do mật độ điện tử tự do lớn, dẫn đến điện trở thấp Đối với vật liệu khối, độ dẫn điện được giải thích qua cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của kim loại chủ yếu xuất phát từ sự tán xạ của điện tử với các sai hỏng trong mạng tinh thể và sự tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon) Dòng điện (I) trong kim loại di chuyển dưới tác động của điện trường (U) tạo ra mối liên hệ chặt chẽ giữa chúng.
Định luật Ohm, được biểu diễn qua công thức U = IR, cho thấy rằng điện trở (R) của kim loại tạo ra một mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện (I) và điện áp (U) Tuy nhiên, khi kích thước của vật liệu giảm, hiệu ứng giam cầm lượng tử làm cho cấu trúc vùng năng lượng trở nên rời rạc, dẫn đến sự không còn tuyến tính của đường I – U ở hạt nano bạc Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade), trong đó đường I – U xuất hiện các bước nhảy với giá trị khác nhau, cụ thể là e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của electron, C là điện dung, và R là điện trở của mối nối giữa hạt nano bạc và điện cực.
Bạc có tính nghịch từ trong trạng thái khối nhờ vào sự bù trừ cặp điện tử Tuy nhiên, khi kích thước vật liệu được thu nhỏ, sự bù trừ này không còn toàn diện, dẫn đến việc vật liệu có từ tính tương đối mạnh.
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Trong tinh thể, mỗi nguyên tử có một số nguyên tử lân cận với liên kết mạnh, gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu có số phối vị nhỏ hơn so với các nguyên tử bên trong, cho phép chúng dễ dàng tái sắp xếp Do đó, khi kích thước của hạt nano bạc giảm, nhiệt độ nóng chảy cũng sẽ giảm.
2.3.2 Cơ chế kháng khuẩn và các ứng dụng của nano bạc
2.3.2.1 Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc
Nano bạc kháng khuẩn theo hai cơ chế chính:
Biến chất vi khuẩn thông qua việc phá vỡ các nối disulfit là một phương pháp quan trọng trong việc điều chỉnh hoạt động của protein Các nối disulfit (–S–S–) trong vi khuẩn hoạt động như một công tắc, giúp điều hòa quá trình tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn tiếp xúc với các phản ứng oxy hóa Cấu trúc này đóng vai trò then chốt trong hoạt động của các enzyme vi khuẩn, và nano bạc có khả năng vô hiệu hóa các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hóa oxygen của vi khuẩn, virus và nấm.
Nano bạc có khả năng tạo ra oxy hoạt tính từ không khí hoặc nước, giúp phá vỡ màng tế bào vi khuẩn thông qua các phản ứng oxy hóa Oxy hoạt tính này có tác dụng mạnh mẽ trong việc tiêu diệt vi khuẩn bằng cách làm hỏng cấu trúc tế bào của chúng.
Hình 2.4: Cơ chế phá vỡ bằng phản ứng oxy hóa [14]
Ƣu điểm của nano bạc so với thuốc kháng sinh:
Nano bạc tiêu diệt vi khuẩn ngay lập tức thông qua hai cơ chế chính là biến chất và oxy hóa, do đó vi khuẩn không thể phát triển khả năng kháng thuốc với bạc Trong khi đó, các tế bào mô của con người không bị ảnh hưởng bởi quá trình này.
+ Không nhƣ các thuốc kháng sinh bị hấp thụ trong quá trình diệt khuẩn, nano bạc hoạt động nhƣ chất xúc tác mà không bị hấp thụ
Nano bạc, với diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao, là một chất xúc tác hiệu quả Khi được sử dụng, các hạt nano bạc thường được phủ lên các chất mang như silica phẳng và alumina, giúp giữ cho chúng bám chắc và tăng cường độ bền Việc này không chỉ nâng cao tính chất xúc tác mà còn bảo vệ chất xúc tác khỏi quá nhiệt và hiện tượng kết khối cục bộ, từ đó kéo dài thời gian hoạt động của chúng.
10 của chất xúc tác Ngoài ra, hoạt tính xúc tác có thể điều khiển bằng kích thước của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác;
Xúc tác nano bạc được sử dụng để oxi hóa các hợp chất hữu cơ và chuyển hóa ethylen thành ethylen oxit, phục vụ cho các phản ứng khử hợp chất nitro Ngoài ra, nó còn được áp dụng như một chất phụ gia để cải thiện khả năng xử lý NO và khí.
CO của xúc tác FCC Ngoài ra, xúc tác nano bạc còn dùng làm xúc tác trong phản ứng khử thuốc nhuộm bằng NaBH4…
Với sự nâng cao của đời sống, nhu cầu về nước uống sạch và được tiệt trùng ngày càng trở nên cấp thiết Việc ứng dụng công nghệ nano bạc phủ lên PU trong xử lý nước uống hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho cuộc sống.
Hiện nay, việc xử lý ô nhiễm nguồn nước từ nước thải sinh hoạt và các khu công nghiệp đang được chú trọng Trên thế giới và trong nước, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về ứng dụng công nghệ nano bạc trong xử lý nước thải.
Ngành công nghiệp dệt may đã sử dụng lâu dài các hợp chất như CuSO4, ZnSO4 để tạo ra sản phẩm vải sạch với khả năng diệt khuẩn Tuy nhiên, những hợp chất này không đáp ứng đầy đủ yêu cầu diệt khuẩn cơ bản Do đó, việc phát triển các tác nhân mới nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế là rất cần thiết.
Hạt nano bạc nổi bật với khả năng diệt khuẩn lên đến 98-99% Khi được tích hợp vào sợi vải, các hạt nano bạc phân tán và bám dính hiệu quả, đồng thời không gây hại cho da, mang lại hiệu quả diệt khuẩn vượt trội.
Hiện nay, Nano bạc đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp dệt may, bao gồm các loại xơ sợi như cotton, polyester, polyester/cotton, PP/PE, PAN, polyamid, len, lụa và nylon Trong số đó, vải cotton là một trong những loại phổ biến nhất.
11 được chú ý nhiều nhất vì nó gần gũi với đời sống con người và các điều kiện để chế tạo cũng không quá khắc nghiệt;
Nghiên cứu các loại vải
Vải sợi là cấu trúc phẳng được hình thành từ việc đan xen các loại tơ sợi dài và xoắn lại với nhau Những sợi này là thành phần cơ bản của vải sợi, mỗi loại sợi được cấu tạo từ hàng triệu chuỗi phân tử hóa học đơn lẻ.
Hiện nay, quy trình sản xuất vải tại các doanh nghiệp lớn bao gồm các bước chính: đầu tiên, sợi vải được mắc sợi, tiếp theo là công đoạn hồ, sau đó được đưa vào hệ thống máy dệt để thực hiện dệt Cuối cùng, sản phẩm dệt sẽ trải qua công đoạn kiểm phẩm, nơi mà vải dệt được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi xuất kho nhằm đảm bảo chất lượng và tránh lỗi sản phẩm.
Hình 2.5: Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [8]
Xe sợi Nhuộm xơ Vải không dệt
Tạo cấu trúc sợi chéo
Hình 2.6: Vải cotton và góc liên kết sợi vải [Nguồn internet]
Thành phần Khối lượng tương đối (%)
Bảng 2.1: Thành phần cấu tạo của sợi cotton thô [10] Đặc tính:
Sợi bông là loại sợi thiên nhiên có khả năng hút/ thấm nước rất cao;
Khả năng thấm nước đến 65% so với trọng lượng;
Có khuynh hướng dính bẩn và dính dầu mỡ, dù vậy có thể giặt sạch được;
Sợi bông là nguyên liệu quan trọng trong ngành dệt may nhờ vào tính thân thiện với da người, không gây ngứa và không tạo ra nguy cơ dị ứng.
Không hòa tan trong nước, khi ẩm hoặc ướt sẽ dẻo dai hơn khi khô ráo;
Bền đối với chất kềm, nhƣng không bền đối với acid và có thể bị vi sinh vật phân hủy;
Khả năng chịu đƣợc mối mọt và các côn trùng khác rất cao;
Dễ cháy nhưng có thể nấu trong nước sôi để tiệt trùng
Khả năng liên kết với Ag+:
Vải cotton chứa tới 86.8% cellulose với nhiều gốc –OH, cho phép dễ dàng thay thế bằng các gốc liên kết của nano bạc trong điều kiện Plasma Việc này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng cho vải cotton trong công nghệ nano.
Sợi bông chủ yếu được ứng dụng trong ngành may mặc, nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các chất liệu tổng hợp.
2.4.2 Vải từ sợi len-wool
Hình 2.7: Sợi len [Nguồn internet] Đặc tính:
Len hay sợi len là một loại sợi dệt thu đƣợc từ lông cừu và một số loài động vật khác, nhƣ dê, lạc đà…
Len có một số phụ phẩm có nguyền gốc từ tóc hoặc da lông;
Có khả năng đàn hồi và giữ không khí và giữ nhiệt tốt;
Len bị đốt cháy ở nhiệt độ cao hơn bông và một số sợi tổng hợp Ứng dụng:
Len là nguyên liệu chính để dệt và đan các loại áo len, một sản phẩm phổ biến dùng để giữ ấm, đặc biệt ở những quốc gia có khí hậu lạnh.
Vải lụa có đặc tính nổi bật với chiều dài và độ mảnh của sợi tơ Sợi tơ có khả năng hút ẩm và dễ bị ảnh hưởng bởi nước nóng, axit, bazơ, muối kim loại và chất nhuộm màu Mặt cắt ngang của sợi tơ có hình dạng tam giác với các góc tròn, cho phép ánh sáng chiếu vào từ nhiều góc độ khác nhau, tạo ra vẻ óng ánh tự nhiên cho vải Vải lụa được ứng dụng rộng rãi trong ngành thời trang và trang trí nội thất.
Quần áo lụa là lựa chọn lý tưởng cho cả thời tiết nóng và lạnh nhờ khả năng thấm mồ hôi tốt và dẫn nhiệt kém, giúp giữ ấm cho người mặc Với vẻ đẹp trang nhã và óng ánh, lụa không chỉ được ưa chuộng trong thời trang mà còn thường được sử dụng để làm màn, rèm và dù, mang lại sự sang trọng cho không gian.
Hình 2.9: Vải kaki [Nguồn internet]
Có độ cứng và dày hơn so với các chất liệu khác nên thường được dùng để may quần, đồ công sở, đồng phục bảo hộ lao động…
Đặc điểm: ít nhăn, dễ giặt ủi, giữ màu tốt
Hình 2.10: Vải kate [Nguồn internet]
Vải có nguồn gốc từ sợi TC – là sợi pha giữa Cotton và Polyester;
Đặc điểm: Thấm hút ẩm tốt, mặt vải phẳng mịn, dễ dàng giặt ủi
Trong nghiên cứu về chất liệu vải, các loại sợi như polyester (PES), nylon, polypropylen (PP) và polyetylen (PE) thường không chứa nhiều gốc liên kết (-OH) như vải cotton, với tỷ lệ lên đến 86.8% Để đạt được hiệu quả kháng khuẩn, việc tìm kiếm chất liệu vải có nhiều gốc liên kết (-OH) là cần thiết nhằm thay thế các gốc liên kết của hạt nano bạc Do đó, vải cotton được chọn là chất liệu phù hợp nhất để phun phủ nano trong nghiên cứu này.
2.5 Vì sao phủ nano bạc lên vải
Đặc điểm của vải có đặc tính kháng khuẩn
Không gây hại sức khỏe cho người tiêu dùng;
Phân tích đặc điểm của hai loại vải cho thấy vải kháng khuẩn có nhiều ưu điểm nổi bật Việc sản xuất loại vải này yêu cầu một lớp màng mỏng tạo thành rào chắn phân tử bạc siêu, giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và mang lại hiệu quả bảo vệ sức khỏe cho người sử dụng.
Vải có khả năng kháng khuẩn vượt trội nhờ vào việc phun phủ một lớp dung dịch nano bạc lên bề mặt.
2.6 Phương pháp tổng hợp nano bạc
2.6.1 Nguyên tắc tổng hợp nano kim loại
2.6.1.1 Phương pháp từ trên xuống (top - down)
Phương pháp nghiền và biến dạng là kỹ thuật hiệu quả để chuyển đổi vật liệu thể khối có tổ chức hạt thô thành kích thước nano Những phương pháp này đơn giản và tiết kiệm, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu lớn, đặc biệt trong sản xuất vật liệu kết cấu Trong quá trình nghiền, bột vật liệu được trộn với viên bi cứng trong máy nghiền, như máy nghiền lắc, rung hoặc quay, giúp phá vỡ bột thành kích thước nano Kết quả là các hạt nano không chiều Phương pháp biến dạng sử dụng kỹ thuật SPD để tạo ra biến dạng cực lớn mà không làm hỏng vật liệu, với nhiệt độ gia công có thể điều chỉnh cho từng trường hợp Nếu nhiệt độ cao hơn điểm kết tinh lại, quá trình được gọi là biến dạng nóng; nếu thấp hơn, là biến dạng nguội, cho ra vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp nm) Ngoài ra, quang khắc cũng được sử dụng phổ biến để tạo ra các cấu trúc nano.
2.6.1.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom - up) Đây là phương pháp khá phổ biến hiện nay để chế tạo hạt nano kim loại Nguyên lý phương pháp này dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tử hay ion, các nguyên tử hay ion khi đƣợc xử lý bởi các tác nhân nhƣ vật lý, hóa học sẽ kết hợp với nhau tạo các hạt kim loại có kích thước nanomet Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được
18 chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai
Phương pháp vật lý là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ nguyên tử hoặc thông qua quá trình chuyển pha Nguyên tử hình thành vật liệu nano có thể được sản xuất bằng các phương pháp như bốc bay nhiệt, phún xạ và phóng điện hồ quang Quá trình chuyển pha bao gồm việc nung nóng vật liệu và làm nguội nhanh chóng để đạt được trạng thái vô định hình, cũng như xử lý nhiệt để chuyển đổi từ trạng thái vô định hình sang tinh thể (kết tinh) thông qua phương pháp nguội nhanh Phương pháp này thường được áp dụng để sản xuất các hạt nano và màng nano, chẳng hạn như trong ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ các ion, với sự đa dạng trong quy trình chế tạo tùy thuộc vào từng loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được phân chia thành hai loại chính: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng, như phương pháp kết tủa và sol-gel, và từ pha khí, ví dụ như nhiệt phân Phương pháp này cho phép sản xuất nhiều dạng vật liệu nano khác nhau, bao gồm hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
Phương pháp tổng hợp Nano Bạc
2.6.1 Nguyên tắc tổng hợp nano kim loại
2.6.1.1 Phương pháp từ trên xuống (top - down)
Phương pháp nghiền và biến dạng là kỹ thuật hiệu quả để chuyển đổi vật liệu thể khối có tổ chức hạt thô thành kích thước nano Các phương pháp này đơn giản và tiết kiệm, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu lớn, đặc biệt trong sản xuất vật liệu kết cấu Trong quá trình nghiền, vật liệu bột được trộn với viên bi cứng trong cối nghiền, bao gồm các loại máy như nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền kiểu hành tinh, giúp phá vỡ bột thành kích thước nano Phương pháp biến dạng sử dụng các kỹ thuật đặc biệt để tạo ra biến dạng cực lớn mà không làm hỏng vật liệu, với các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ gia công có thể điều chỉnh để thực hiện biến dạng nóng hoặc nguội, dẫn đến việc sản xuất vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp mỏng) Ngoài ra, phương pháp quang khắc cũng được sử dụng phổ biến để tạo ra các cấu trúc nano.
2.6.1.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom - up) Đây là phương pháp khá phổ biến hiện nay để chế tạo hạt nano kim loại Nguyên lý phương pháp này dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tử hay ion, các nguyên tử hay ion khi đƣợc xử lý bởi các tác nhân nhƣ vật lý, hóa học sẽ kết hợp với nhau tạo các hạt kim loại có kích thước nanomet Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được
18 chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai
Phương pháp vật lý là kỹ thuật tạo ra vật liệu nano từ nguyên tử hoặc thông qua quá trình chuyển pha Nguyên tử được hình thành thông qua các phương pháp như bốc bay nhiệt, phún xạ và phóng điện hồ quang Đối với phương pháp chuyển pha, vật liệu được nung nóng và làm nguội nhanh chóng để đạt được trạng thái vô định hình, từ đó có thể xử lý nhiệt để chuyển đổi giữa vô định hình và tinh thể Phương pháp này thường được áp dụng để sản xuất các hạt nano và màng nano, chẳng hạn như trong ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học là cách tạo ra vật liệu nano từ các ion, với sự đa dạng trong kỹ thuật chế tạo tùy thuộc vào loại vật liệu cụ thể Có thể phân loại phương pháp hóa học thành hai nhóm chính: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng, bao gồm các phương pháp như kết tủa và sol-gel, và từ pha khí, ví dụ như nhiệt phân Phương pháp này cho phép sản xuất nhiều dạng vật liệu nano khác nhau như hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
Phương pháp kết hợp là kỹ thuật sản xuất vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như điện phân và ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này cho phép tạo ra nhiều dạng vật liệu nano khác nhau, bao gồm hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano và bột nano.
2.6.2 Các phương pháp tổng hợp nano bạc
Phương pháp ăn mòn laser
Phương pháp từ trên xuống sử dụng tấm bạc đặt trong dung dịch chứa chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laser xung với bước sóng 532 nm, độ rộng xung 10 ns được áp dụng trong quy trình này.
Tần số 10 Hz với năng lượng mỗi xung đạt 90 mJ tạo ra tác động lên vùng kim loại có đường kính từ 1-3 mm Sự chiếu xạ bằng chùm laser xung dẫn đến sự hình thành các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm, được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt.
C n H 2n +1SO 4 Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1M
Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học sử dụng các tác nhân hóa học để chuyển đổi ion bạc thành các hạt nano kim loại, dựa trên nguyên lý khử ion hiệu quả.
Ion Ag+ được chuyển đổi thành nguyên tử Ag0 nhờ tác động của chất khử X Tiếp theo, các nguyên tử Ag0 này kết hợp lại với nhau để hình thành các hạt bạc có kích thước nano.
Các tác nhân hóa học như NaBH4, natri citrat, hydro, hydroxylamine, hydrazine, formaldehyd và các dẫn xuất của nó, EDTA cùng với các mono sacharides có thể được sử dụng để tổng hợp hạt nano bạc Mỗi phương pháp khử sẽ tương ứng với một loại hóa chất cụ thể, và mỗi phương pháp đều có cơ chế riêng biệt phù hợp với tác nhân khử được sử dụng.
Khi lựa chọn hóa chất để điều chế hạt nano bạc, cần cân nhắc về tính kinh tế, yêu cầu của quy trình và chất lượng hạt nano, vì mỗi loại hóa chất tạo ra kích thước hạt khác nhau Hơn nữa, tính bền vững của dung dịch hạt nano bạc cũng phụ thuộc vào hóa chất sử dụng, ảnh hưởng đến khả năng thu hồi nano bạc từ dung dịch Do đó, việc chọn lựa hóa chất trong quá trình điều chế hạt nano bạc là rất quan trọng.
Phương pháp vật lý là kỹ thuật sử dụng các tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ, tia UV, tia gamma và tia laser để chuyển đổi ion bạc thành hạt nano bạc.
Dưới tác động của các tác nhân vật lý, dung môi và các chất phụ gia sẽ trải qua nhiều quá trình biến đổi, tạo ra các gốc hóa học Những gốc này có khả năng khử ion bạc thành bạc kim loại, dẫn đến sự kết tụ và hình thành các hạt nano bạc.
Một ví dụ về việc sử dụng phương pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là áp dụng tia laser xung với bước sóng 500nm, độ dài xung 6 giây, tần số 10 Hz và công suất phù hợp.
12 -14mJ, chiếu vào dung dịch AgNO 3 nhƣ là nguồn kim loại và sodium dodecyl sulfate (SDS) nhƣ chất hoạt hóa bề mặt để thu đƣợc hạt nano bạc
Phương pháp này kết hợp giữa hóa học và vật lý, sử dụng điện phân và siêu âm để tạo ra hạt nano Trong quá trình điện phân, chỉ có thể tạo ra màng mỏng kim loại, nhưng trước khi màng hình thành, các nguyên tử kim loại được điện hóa sẽ tạo ra hạt nano bám vào điện cực âm Khi áp dụng xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân, các hạt nano kim loại sẽ tách ra khỏi điện cực và hòa vào dung dịch.
Các phương pháp phủ nano hiện nay
2.7.1 Phủ trực tiếp lên bề mặt
Làm sạch bề mặt trước khi phủ nano;
Xử lý vết xước nếu có (đối với những vết trầy nhẹ);
Bôi dung dịch nano lên bề mặt sản phẩm và xoa đều;
Chờ cho nano khô (khoảng 30 phút), sử dụng khăn lau nano để làm bóng bề mặt Ưu điểm
Bảo vệ bề mặt đƣợc bóng, tăng độ bóng;
Thời gian sử dụng không đươc lâu (khoảng 6 tháng);
Sử dụng phương pháp thủ công;
Chỉ sử dụng nano để phủ lên bề mặt kim loại (xe ôtô, môtô…)
2.7.2 Phun trực tiếp lên bề mặt
Làm sạch bề mặt trước khi phủ nano;
Sử dụng dụng dịch nano phun phủ lên bề mặt của sản phẩm;
Sau khi phủ lên bề mặt, sản phẩm sẽ có một lớp màng bảo vệ màu trắng mờ Ưu điểm
Có thể áp dụng lên hầu hết các bề mặt vật liệu, từ kim loại, gạch, gỗ, quần áo…
Khả năng chịu nhiệt độ từ -34°C đến 149°C
Bị ảnh hưởng bởi tia UV;
Chất dung môi và có thể bị bắt lửa;
Hóa chất của nano gây độc hại cho con người;
Sử dụng quần áo bảo hộ cẩn thận khi phun phủ;
2.7.3 Ngâm tẩm trong dung dịch nano
Trước khi xử lý vải được hấp vô trùng tại 120 0 C trong 20 phút;
Để nguội sau đó đƣợc nhúng vào dung dịch keo nano ở nhiêu nồng độ khác nhau;
Sau khi xử lý vải đƣợc sấy kho trong tủ sấy ở 70C cho đến khô;
Tiếp tục sấy ở nhiệt độ 120 0 C trong 5 phút Ưu điểm
Độ bám dính của nano trên vải tốt;
Khả năng kháng khuẩn cao
Sử dụng quá nhiều hóa chất;
Thời gian ngâm tẩm lâu, tốn nhiều công đoạn
2.7.4 Sử dụng công nghệ Plasma
Các hạt nano được phun phủ lên vải tạo thành lớp màng mỏng, và dưới điện áp lớn cùng tần số cao giữa hai điện cực, sự phóng điện xảy ra, ion hóa các chất trong hai tia điện cực thành các hạt tự do với động năng lớn Những hạt năng lượng này bắn phá bề mặt vải, làm phá vỡ các liên kết hiện có và hình thành những liên kết mới bền chặt hơn Quá trình phun phủ nano và phóng năng lượng diễn ra liên tục trong suốt quá trình xử lý, mang lại hiệu quả tối ưu cho bề mặt vải.
Do vật liệu không giữ ẩm nên vi khuẩn không có điều kiện thuận lợi để sản sinh;
Công nghệ xanh, thân thiện với môi trường;
Không ảnh hưởng đến sức khỏe con người;
Giới thiệu về Plasma
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, bên cạnh rắn, lỏng và khí, trong đó các phân tử và nguyên tử chủ yếu tồn tại dưới dạng hạt nhân, với các electron di chuyển tự do Mặc dù plasma không phổ biến trên Trái Đất, nhưng nó chiếm hơn 99% vật chất trong vũ trụ, cho thấy plasma là trạng thái vật chất đầu tiên hình thành trong vũ trụ.
Hình 2.11: Sự chuyển biến vật chất theo nhiệt độ [Nguồn internet]
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thành phần vải cotton
H nh : Vải cotton [Nguồn internet]
Cotton, hay còn gọi là bông vải, được thu hoạch từ cây bông và thường được trồng ở các quốc gia có khí hậu ôn đới và nhiệt đới Sau khi thu hoạch, sợi cotton trải qua nhiều công đoạn xử lý để loại bỏ chất béo và sáp bám trên bề mặt, nhằm tăng tính thấm nước và thực hiện quy trình tẩy trắng sợi Cuối cùng, sợi cotton sẽ tiếp tục được chế biến để tạo ra các tấm vải chất lượng.
Bảng Thành phần cấu tạo của sơị cotton thô
Sợi cotton có cấu trúc phức tạp bao gồm ba phần chính: lớp biểu bì ngoài cùng, lớp thành sợi chính và lớp thành sợi phụ Lớp biểu bì có tính kỵ nước và chứa cellulose, chất béo và sáp, cần được xử lý để cải thiện tính thấm nước Lớp thành sợi chính được hình thành từ các sợi nhỏ đan xen, trong khi lớp thành sợi phụ chiếm phần lớn khối lượng sợi cotton nhờ vào các lớp sợi chồng lên nhau theo hướng ngược nhau Ruột của sợi cotton rỗng, giúp dẫn protein nuôi dưỡng sợi Khi sợi trưởng thành, nó khô lại và ruột bị thu hẹp, làm cho các sợi cotton xoắn lại nhờ lớp thành sợi phụ.
Cotton, thuộc họ cellulose, là một polymer của glucose và là thành phần hóa học cơ bản nhất của vải cotton Với cấu trúc polyalcohol chứa nhóm -OH, cotton có liên kết hydro bền vững giữa các nhóm hydroxyl của các phân tử liền kề, ngăn nước xuyên thấu vào các vùng có cấu trúc tinh thể của cellulose, do đó nó không hòa tan trong nước Tuy nhiên, cotton lại rất ưa nước và có khả năng thấm hút nước tốt nhờ cấu trúc tổ ong với các lỗ li ti, cho phép các phân tử nước xuyên thấu và hình thành liên kết hydro với các hydroxyl tự do trong cellulose.
Hình 3.2: Công thức cấu tạo của cenllulose
Năng lƣợng Plasma
Ion là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có khả năng mất hoặc thu nhận electron, dẫn đến sự hình thành điện tích Khi một ion nhận thêm electron, nó sẽ mang điện tích âm và được gọi là anion Ngược lại, ion mất electron sẽ mang điện tích dương.
26 tích dương khi nó mất một hay nhiều electron, được gọi là cation hay Điện tích dương Quá trình tạo ra các ion gọi là ion hóa
Năng lượng ion hóa của một nguyên tử hay phân tử là năng lượng cần thiết để tách một điện tử ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử đó ở trạng thái cơ bản Cụ thể, năng lượng ion hóa thứ n là năng lượng cần thiết để tách điện tử thứ n sau khi đã tách (n-1) điện tử trước đó Trạng thái cơ bản là trạng thái mà nguyên tử không bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài, và nguyên tử kim loại ở trạng thái này thường tồn tại dưới dạng khí với cấu hình electron cơ bản, tuân theo nguyên lý Pauli, nguyên lý vững bền và quy tắc Hund.
Tiết diện hiệu dụng là khái niệm quan trọng trong quá trình va chạm giữa các hạt Va chạm xảy ra khi khoảng cách giữa hai tâm hạt nhỏ hơn hoặc bằng bán kính hiệu dụng Bán kính này được xác định bởi hình dạng của các hạt; ví dụ, với các hạt hình cầu đàn hồi có bán kính lần lượt là r1 và r2, va chạm sẽ xảy ra khi khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn tổng bán kính r1 + r2.
3.2.4 Khoảng đường tự do trung bình
Khoảng đường tự do trung bình của hạt được xác định như tổng số khoảng cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó
Tần số va chạm là số va chạm trong một đơn vị thời gian
Va chạm không làm thay đổi tính chất của hạt, trong đó các hạt tương tác chỉ lệch đi một góc nhỏ, đóng vai trò đặc biệt.
Chúng ta sử dụng khái niệm cổ điển để nghiên cứu va chạm đàn hồi, tuy nhiên lý thuyết cổ điển không phù hợp cho các mức năng lượng nguyên tử Do đó, lý thuyết cổ điển chỉ được áp dụng trong những trường hợp nhất định.
Vậy lý thuyết cổ điển đúng chỉ với năng lƣợng của hạt va chạm lớn và tiết diện hiệu dụng biến đổi chậm hơn V-2
3.2.7 Va chạm không đàn hồi
3.2.7.1 Va chạm không đàn hồi loại 1
Va chạm không đàn hồi làm biến đổi tính chất của một hoặc nhiều hạt, tạo điều kiện cho các quá trình như ion hóa, kích thích, phân li và hóa hợp diễn ra.
Trong va chạm không đàn hồi loại 1 khi kích thích hoặc ion hóa thì một phần động năng của hạt sẽ chuyển vào thế năng của hạt kia
3.2.7.2 Va chạm không đàn hồi loại 2
Khi va chạm, thế năng của hạt kích thích sẽ chuyển giao sang hạt khác dưới dạng thế năng hoặc động năng Sau khi va chạm, hạt kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản của nó.
Khi hạt va chạm với điện tử, nó sẽ cung cấp động năng cho điện tử Nếu va chạm xảy ra với nguyên tử hoặc ion, chúng sẽ bị kích thích hoặc ion hóa Ngoài ra, va chạm không đàn hồi loại 2 có khả năng tạo ra thêm hạt nhanh trong plasma.
Sự tái hợp là quá trình kết hợp ion với electron để tạo thành nguyên tử hoặc phân tử trung hòa, được coi là quá trình ngược lại với ion hóa Trong quá trình này, nội năng toàn phần của hệ giảm, cho phép sự tái hợp xảy ra với động năng của các hạt tương tác nhỏ Xác suất tái hợp đạt cao nhất khi các hạt trung hòa mới thành lập có chuyển động Đối với tái hợp ion nguyên tử, năng lượng thừa chính là năng lượng cần thiết để tách ion âm và ion dương ra khỏi nguyên tử.
Sự tái hợp đóng vai trò quan trọng trong môi trường plasma áp suất lớn có 4 dạng tái hợp:
Tái hợp kèm theo bức xạ xảy ra khi electron tự do tái hợp trực tiếp với ion dương, dẫn đến việc phát ra năng lượng dư thừa dưới dạng lượng tử Tuy nhiên, quá trình này không đóng vai trò quan trọng trong plasma.
Tái hợp với kích thích 2 lần là quá trình xảy ra khi ion dương tác động đồng thời lên hai electron Trong quá trình này, ion dương trung hòa với một electron, trong khi electron còn lại hấp thụ năng lượng ion hóa và bay ra với vận tốc cao hơn Hiện tượng này thường xảy ra khi mật độ electron trong plasma đạt mức cao.
+ Tái hợp do va chạm 3 hạt: nhờ hạt thứ 3 mang năng lƣợng thừa nên quá trình tái hợp xảy ra khá hiệu dụng;
Tái hợp phân ly xảy ra khi ion dương va chạm với điện tử, dẫn đến việc chúng không chuyển mức kèm bức xạ mà rơi vào trạng thái không bền vững Trong quá trình này, hệ số tái hợp rất lớn, cho thấy sự phân ly diễn ra mạnh mẽ.
Plasma phóng điện khí là trạng thái mà khí trở nên dẫn điện khi bị ion hóa, thường xảy ra ở nhiệt độ cao hoặc trong điện trường mạnh Trong điều kiện bình thường, khí là chất cách điện, nhưng khi ion hóa, các nguyên tử và phân tử khí sẽ thay đổi tính chất và có khả năng dẫn điện.
29 trung hòa về điện sẽ mất đi 1 phần electron và trở thành ion dương Chất khí bị ion hóa đó gọi là plasma
Sự phóng điện trong chất khí tạo ra plasma khí, trạng thái này được duy trì nhờ năng lượng từ dòng điện phóng qua plasma Khi loại bỏ điện trường ngoài, plasma khí sẽ nhanh chóng biến mất và chuyển thành chất khí bình thường, quá trình này được gọi là sự tái hợp của chất khí.
Sự phóng điện trong chất khí đƣợc phân thành 2 nhóm lớn: Sự phóng điện phụ thuộc và sự tự phóng điện
3.2.8 Sự phóng điện phụ thuộc
Sự phóng điện phụ thuộc là hiện tượng phóng điện trong đó tính dẫn điện của khí được duy trì nhờ vào ion hóa từ bên ngoài, như trong buồng ion hóa Dưới tác động của điện trường, các ion và electron tự do sẽ di chuyển có hướng và tạo ra dòng điện.
Khả năng phủ nano bạc lên vải cotton
Dung dịch keo bạc chứa nano bạc được phun trực tiếp lên vải, tạo thành lớp màng mỏng Sau đó, vải được xử lý qua hệ thống plasma với điện áp cao và tần số lớn, tạo ra sự phóng điện ion hóa các chất trong hai điện cực Các hạt tự do mang động năng lớn sẽ tác động lên bề mặt vải, phá vỡ liên kết bề mặt và hình thành liên kết bền chặt với phân tử nano bạc Quá trình phủ nano và phóng năng lượng này diễn ra liên tục trong suốt quá trình xử lý vải.
Phản ứng tạo keo bạc
Phản ứng dưới tác dụng của plasma
Dưới tác động của plasma, gốc –OH trong phân tử vải cotton được thay thế bằng nano bạc, tạo ra vải cotton có khả năng kháng khuẩn nhờ vào sự hiện diện của nano bạc trong thành phần.