(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phủ nano bạc trên vải cotton bằng plasma lạnh

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 vi khuẩn và chống bám bẩn Vải kháng khuẩn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế cho quần áo phẫu thuật, trang phục bệnh nhân, và drap giường bệnh, cũng như trong ngành may mặc cho veston, quần áo thể thao và rèm cửa Các doanh nghiệp may mặc trong nước đã nhanh chóng nắm bắt xu hướng này và tích cực sử dụng vải kháng khuẩn trong sản phẩm của mình Hiện nay, nhiều nghiên cứu trong nước đang tìm cách sản xuất vải kháng khuẩn thông qua các phương pháp như nhúng vải vào dung dịch nano bạc hoặc gắn cấu trúc nano bạc vào vải bằng tia UV và sóng siêu âm Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn gặp phải một số khó khăn như ô nhiễm môi trường, không an toàn cho người dùng, hiệu quả không lâu dài, và tốn kém về thời gian, tiền bạc và công sức Điều này dẫn đến việc nhiều nguyên liệu vải vẫn phải nhập khẩu, làm tăng giá thành sản phẩm do chi phí vận chuyển và giá nguyên liệu cao, 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 tạo ra sản phẩm mang tính Việt Nam với chất lượng cao Công nghệ này không chỉ khắc phục những nhược điểm hiện có mà còn giúp nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế, phục vụ nhu cầu trong và ngoài nước.

Công nghệ phủ nano bạc lên vải bằng Plasma lạnh là một giải pháp tiên tiến, đáp ứng nhu cầu sản xuất và kinh doanh hiện đại, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tạo ra các đặc tính mới Đối với người tiêu dùng, sản phẩm này mang lại tính linh hoạt cao, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường mà vẫn giữ nguyên tính chất của vải.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Phương pháp xử lý mới này có thể nâng cao quy trình sản xuất, tạo ra sản phẩm chất lượng cao và đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học toàn cầu Đề tài này khuyến khích các nhà nghiên cứu dám nghĩ, dám làm, góp phần mở rộng hiểu biết về công nghệ mới, bất kể kết quả thành công hay thất bại Thành công của nghiên cứu 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 tối ưu hóa việc tiết kiệm nguyên liệu.

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 mới trong việc ứng dụng nano bạc để cải thiện tính năng của vải cotton Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình phủ, đảm bảo hiệu quả và độ bền của lớp nano bạc trên bề mặt 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 nghiên cứu cách 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.

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 là hai đề tài chính Sau khi hoàn thành, dự án sẽ tiếp tục nâng cao công suất làm việc để 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, tài liệu liên quan đến Plasma và chất phủ Nano, cùng với sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn, ThS Thái.

Trong nghiên cứu của Văn Phước, các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng kháng khuẩn của vải phủ nano bạc và xử lý Plasma đối với vi khuẩn S Aureus Qua các thí nghiệm xử lý bề mặt, nhóm nghiên cứu đã rút ra những nhận xét và đánh giá quan trọng Đồng thời, bài viết cũng tham khảo một số máy xử lý bề mặt bằng công nghệ Plasma có cấu trúc tương tự và giá thành 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

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 và thiết bị ở kích thước nanomet Ở quy mô này, vật liệu sở hữu những tính năng đặc biệt mà các vật liệu truyền thống không có, nhờ vào sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích bề mặt.

Các hạt vô cơ cấu trúc nano, được sản xuất từ kim loại và oxit kim loại, có kích thước, hình dạng và lỗ xốp đa dạng Điểm nổi bật của các hạt nano vô cơ là khả năng chế tạo dễ dàng và tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực.

Các hạt nano polymer được tạo ra từ việc 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 truyền dẫn thuốc.

Nanotube là các cấu trúc tự gắn kết được hình thành từ các nguyên tử sắp xếp trong hình dạng ống Trong lĩnh vực dược phẩm và y tế, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu tiềm năng ứng dụng của nanotube trong việc dẫn truyền thuốc hiệu quả.

Tinh thể nano là những cấu trúc được hình thành từ sự kết hợp của các phân tử với kích thước ở cấp độ nano Chúng có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực vật liệu và kỹ thuật hóa học, đặc biệt là trong việc sử dụng chấm lượng tử (quantum dot) trong hình ảnh sinh học.

2.2.2.5 Hạt nano rắn lipid (solid lipid nanoparticles)

Các hạt lipid rắn là các lipid cơ bản cấu thành từ chất dẫn truyền thuốc dạng keo, nổi bật với độ ổn định cao hơn so với liposome trong hệ thống sinh học Chúng chủ yếu được ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc và làm chất mang cho các 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 các màu sắc đa dạng, một hiện tượng đã được người La Mã khai thác từ hàng ngàn năm trước Sự xuất hiện của các màu sắc này liên quan đến hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt, trong đó điện tử tự do trong hạt nano bạc hấp thụ ánh sáng Kim loại với nhiều điện tử tự do sẽ dao động khi có ánh sáng chiếu vào, và khi kích thước của hạt nano bạc nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử, hiện tượng dập tắt không còn diễn ra, dẫn đến sự dao động cộng hưởng với ánh sáng Sự dao động này làm cho điện tử trong hạt nano bạc phân bố lại, tạo thành một lưỡng cực điện và xuất hiện tần số cộng hưởng phụ thuộc vào hình dáng, kích thước của hạt nano và môi trường xung quanh Mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hưởng đến tính chất quang, với mật độ thấp được coi như hạt tự do, trong khi mật độ cao cần xem xét đến 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 rắn, độ dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng Điện trở của kim loại chủ yếu do sự tán xạ của điện tử với các sai hỏng trong mạng tinh thể và với dao động nhiệt của các nút mạng (phonon) Dòng điện (I) trong kim loại chịu tác động của điện trường (U) và có mối quan hệ chặt chẽ với các yếu tố này.

Định luật Ohm, được biểu diễn bằng công thức U = IR, cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp (U) và dòng điện (I), trong đó R là điện trở của kim loại 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 Điều này dẫn đến việc đường I – U không còn tuyến tính ở hạt nano bạc, mà xuất hiện hiệu ứng chắn Coulomb, gây ra sự nhảy bậc trong đường I – U với các giá trị khác nhau cho U và I, tương ứng là e/2C và e/RC, trong đó e là điện tích của electron, C và R là điện dung và điện trở của khoảng nối giữa hạt nano bạc và điện cực.

Bạc có tính nghịch từ khi ở 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 đầy đủ, 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 liên kết mạnh, được gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt 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 bằng cách phá vỡ các nối disulfit (–S–S–) là một phương pháp quan trọng, vì các nối này đóng vai trò như một công tắc điều chỉnh quá trình tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn tiếp xúc với các phản ứng oxy hóa Cấu trúc này rất cần thiết cho các enzyme trong vi khuẩn, giúp thực hiện các chức năng xúc tác Nano bạc có khả năng vô hiệu hóa các enzyme mà vi khuẩn, virus và nấm cần thiết cho quá trình chuyển hóa oxygen.

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 Những oxy hoạt tính này có tác dụng mạnh mẽ trong việc tiêu diệt vi khuẩn bằng cách làm hỏng cấu trúc màng 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 làm biến chất và oxy hóa, do đó vi khuẩn không thể kháng cự lại tác động của bạc Trong khi đó, các tế bào của con người, với cấu trúc mô, 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 rất hiệu quả khi sử dụng làm xúc tác 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 kết khối cục bộ, từ đó kéo dài thời gian hoạt động của chúng.

9 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 đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ, chuyển đổi ethylen thành ethylen oxit, phục vụ cho các phản ứng khử hợp chất nitro Ngoài ra, nó còn được sử dụng như một chất phụ gia nhằm 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 đời sống hiện nay, nhu cầu về nước uống sạch và tiệt trùng ngày càng trở nên quan trọng Việc ứng dụng công nghệ nano bạc phủ lên polyurethane trong xử lý nước uống hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người tiêu dùng.

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, mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng nước.

Ngành công nghiệp dệt may đã sử dụng lâu dài các hợp chất như CuSO4 và ZnSO4 để tạo ra vải có khả năng diệt khuẩn Tuy nhiên, những hợp chất này không đáp ứng đủ yêu cầu diệt khuẩn cơ bản Do đó, việc phát triển các tác nhân mới để đáp ứng nhu cầu thực tế trong lĩnh vực này là rất cần thiết.

Hạt nano bạc nổi bật với khả năng diệt khuẩn lên tới 98-99% Khi được đưa vào xơ sợi, các hạt nano bạc sẽ phân tán đều mà không gây hại cho da, đồng thời mang lại hiệu quả diệt khuẩn vượt trội.

Nano bạc hiện đang được ứng dụng trong xơ sợi của ngành dệt may, bao gồm các loại như cotton, polyester, polyester/cotton, PP/PE, PAN, polyamid, len, lụa và nylon Trong số này, vải cotton nổi bật với tính năng vượt trội.

10 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 các loại tơ sợi lại với nhau Những sợi này có dạng dài và xoắn, tạo thành phần tử cơ bản của vải Mỗi loại sợi cấu thành từ hàng triệu chuỗi phân tử hóa học đơn lẻ.

Quy trình sản xuất vải tại các doanh nghiệp lớn hiện nay bao gồm các bước chính: đầu tiên, sợi vải được chuyển qua công đoạn mắc sợi, sau đó qua hồ, và tiếp theo là hệ thống máy dệt để thực hiện dệt Cuối cùng, sản phẩm dệt sẽ trải qua công đoạn kiểm phẩm, nơi mà hệ thống vải dệt được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi xuất kho nhằm đảm bảo chất lượng và tránh lỗi sản phẩm.

Tạo cấu trúc sợi chéo

Hình 2.5: Sơ đồ các bước sản xuất dệt, nhuộm, may cho đến khi thành phẩm [8]

Hình 2.6: Vải cotton và góc liên kết sợi vải [Nguồn internet]

Bảng 2.1: Thành phần cấu tạo của sợi cotton thô

 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 đến 86.8% cellulose, với nhiều gốc –OH trong cấu trúc hóa học Các gốc –OH này có khả năng dễ dàng thay thế bởi các gốc liên kết của nano bạc khi được xử lý trong điều kiện Plasma.

Nano bạc Plasma Ứng dụng:

Sợi bông chủ yếu được ứng dụng trong ngành may mặc, đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất quần áo Bên cạnh đó, sợi bông cũng được sử dụng làm thành phần trong các chất liệu tổng hợp, mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

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 giúp giữ ấm trong những vùng có khí hậu lạnh trên thế giới.

Vải lụa, với đặc tính nổi bật là chiều dài và độ mảnh của 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 phản chiếu ở nhiều góc độ khác nhau, tạo nên vẻ óng ánh tự nhiên cho sản phẩm.

Quần áo lụa là lựa chọn lý tưởng cho cả thời tiết nóng và lạnh, nhờ khả năng thấm hút mồ hôi và dẫn nhiệt kém, giúp người mặc luôn cảm thấy thoải mái Với vẻ đẹp trang nhã và óng ánh, lụa không chỉ được ưa chuộng trong thời trang mà còn được sử dụng để làm màn, rèm và dù, mang lại sự sang trọng cho không gian sống.

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.

Ngoài các loại vải sợi tổng hợp như polyester, nylon, polypropylen và polyetylen, vải cotton được ưu tiên trong nghiên cứu do chứa nhiều gốc liên kết (-OH) với tỷ lệ 86.8% Việc tìm kiếm chất liệu vải có nhiều gốc liên kết này là cần thiết để thay thế bằng các gốc liên kết của hạt nano bạc nhằm mục đích kháng khuẩn Do đó, vải cotton là lựa chọn tối ưu cho việc phun phủ nano trong nghiên cứu.

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;

Việc phân tích đặc điểm của hai loại vải cho thấy vải kháng khuẩn có những ưu điểm nổi bật Để tạo ra loại vải này, cần thiết phải có một lớp màng mỏng hình thành rào chắn từ phân tử bạc siêu nhỏ, giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn.

Vải kháng khuẩn được tạo ra bằng cách phun một lớp dung dịch nano bạc lên bề mặt, giúp nâng cao tính năng vượt trội của sản phẩm.

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 được sử dụng để chuyển đổi vật liệu thể khối có tổ chức hạt thô thành kích thước nano Đây là những phương pháp đơn giản, tiết kiệm nhưng hiệu quả cho nhiều loại vật liệu lớn, đặc biệt trong ứng dụng làm vật liệu kết cấu Trong phương pháp nghiền, bột vật liệu được trộn với viên bi cứng trong cối nghiền, có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay, giúp phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều Phương pháp biến dạng áp dụng các kỹ thuật đặc biệt để tạo ra biến dạng cực lớn mà không làm hỏng vật liệu, với nhiệt độ gia công có thể điều chỉnh Nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại, đó là biến dạng nóng, ngược lại là biến dạng nguội Kết quả là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Hiện nay, các phương pháp quang khắc cũng được sử dụng để tạo ra 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

17 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 từ các phương pháp như bốc bay nhiệt, phún xạ, và phóng điện hồ quang Trong phương pháp chuyển pha, vật liệu được nung nóng và làm nguội nhanh chóng để đạt được trạng thái vô định hình, hoặc trải qua xử lý nhiệt để chuyển đổi từ vô định hình sang tinh thể Phương pháp vật lý 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 loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được phân loại thành hai nhóm chính: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng, như phương pháp kết tủa và sol-gel, và từ pha khí, chẳng hạn như nhiệt phân Kỹ thuật 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, chi phí thấp và có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu lớn, đặc biệt trong sản xuất vật liệu kết cấu Trong phương pháp nghiền, bột vật liệu được trộn với viên bi cứng trong máy nghiền lắc, rung hoặc quay, giúp phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Trong khi đó, phương pháp biến dạng sử dụng các kỹ thuật đặc biệt để tạo ra biến dạng cực lớn mà không phá hủy vật liệu, với nhiệt độ gia công có thể điều chỉnh cho từng trường hợp Nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại, đó là biến dạng nóng; ngược lại, là biến dạng nguội Phương pháp này cho ra các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Hiện nay, quang khắc cũng được sử dụng 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

17 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 tạo ra bằng các phương pháp như bốc bay nhiệt, phún xạ và phóng điện hồ quang Trong quá trình chuyển pha, vật liệu được nung nóng và sau đó làm nguội nhanh chóng để đạt được trạng thái vô định hình, hoặc trải qua xử lý nhiệt để chuyển từ vô định hình sang dạng tinh thể Phương pháp này thường được áp dụng để sản xuất các hạt nano và màng nano, ví dụ 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 loại vật liệu cụ thể Các phương pháp hóa học có thể được 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, chẳng hạn như nhiệt phân Kỹ thuật 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 kết hợp là kỹ thuật sản xuất vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học, bao gồm điện phân và ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này cho phép tạo ra nhiều dạng vật liệu nano như 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 một tấm bạc được ngâm trong dung dịch chứa chất hoạt hóa bề mặt Quá trình này được kích thích bằng chùm Laser xung với bước sóng 532 nm, độ rộng xung 10 ns.

Tần số 10 Hz với năng lượng mỗi xung đạt 90 mJ tạo ra vùng kim loại bị tác động có đường kính từ 1-3 mm Dưới tác động của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt.

CnH2n+1SO4Na 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 loại bỏ ion bạc, tạo ra các hạt nano kim loại Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là quá trình khử ion bạc thông qua phản ứng hóa học, dẫn đến sự hình thành các hạt nano có kích thước nhỏ và tính chất đặc biệt.

Ion Ag + được khử bởi chất khử X, dẫn đến sự hình thành nguyên tử Ag 0 Những nguyên tử Ag 0 này sau đó kết hợp lại với nhau để tạo thành các hạt bạc (Ag) 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 trong quá trình khử để điều chế hạt nano bạc Mỗi phương pháp khử tương ứng với từng loại hóa chất cụ thể và có cơ chế riêng biệt để tạo ra hạt nano bạc.

Để chọn lựa hóa chất phù hợp cho quá trình điều chế hạt nano bạc, cần xem xét tính kinh tế, yêu cầu quy trình và chất lượng hạt nano, vì mỗi loại hóa chất sẽ ảnh hưởng đến kích thước hạt Ngoài ra, tính bền vững của dung dịch hạt nano bạc cũng khác nhau tùy thuộc vào hóa chất sử dụng, cùng với khả năng thu hồi nano bạc từ dung dịch Do đó, việc lựa chọn 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 tác nhân vật lý, dung môi và các chất phụ gia trải qua nhiều quá trình biến đổi, dẫn đến sự hình thành các gốc hóa học Những gốc này có khả năng khử ion bạc thành bạc kim loại, từ đó tạo điều kiện cho các hạt nano bạc kết tụ lại với nhau.

Một ví dụ về việc sử dụng phương pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc là ứng dụng tia laser xung với bước sóng 500nm, độ dài xung 6s, tần số 10 Hz và công suất phù hợp.

12 -14mJ, chiếu vào dung dịch AgNO3 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, các nguyên tử kim loại được điện hóa và hình thành hạt nano bám lên điện cực âm Khi áp dụng xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân, các hạt nano kim loại sẽ tách 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

Sau khi được phun phủ, các hạt nano tạo thành lớp màng mỏng trên vải Dưới điện áp lớn và tần số cao giữa hai điện cực, sự phóng điện diễn 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 đứt gãy các liên kết bề mặt và tạo ra những liên kết mới bền chặt hơn Quá trình phun phủ nano và phóng năng lượng liên tục diễn ra trong suốt quá trình xử lý.

 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 hoặc nguyên tử chủ yếu chỉ còn lại hạt nhân, với các electron di chuyển tự do giữa các hạt nhân Dù plasma không phổ biến trên Trái Đất, nhưng hơn 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, cho thấy plasma được coi là trạng thái đầu tiên của vật chất trong vũ trụ.

Hình 2.11: Sự chuyển biến vật chất theo nhiệt độ [Nguồn internet]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Năng lƣợng Plasma

Ion là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có khả năng mất hoặc thu nhận electron Khi ion thu nhận electron, nó sẽ mang điện tích âm và được gọi là anion Ngược lại, ion mất electron sẽ mang điện tích dương.

25 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 nguyên tử hay phân tử là năng lượng cần thiết để tách một điện tử từ trạng thái cơ bản của chúng 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 Trong trạng thái cơ bản, nguyên tử không bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài, và đối với nguyên tử kim loại, trạng thái này thường ở 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 một khoảng cách tối thiểu, được gọi là bán kính hiệu dụng Đối với các hạt có hình dạng như quả cầu đàn hồi với bán kính lần lượt là r1 và r2, va chạm sẽ diễn ra khi khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn 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 là một loại va chạm đặc biệt, trong đó các hạt tương tác chỉ lệch đi một góc nhỏ.

Chúng ta sử dụng khái niệm cổ điển để nghiên cứu va chạm đàn hồi, tuy nhiên lý thuyết cổ điển không thể áp dụng cho các mức năng lượng nguyên tử Do đó, lý thuyết cổ điển chỉ được áp dụng trong những trường hợp cụ thể.

− 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 là hiện tượng làm thay đổi tính chất của một hoặc nhiều hạt, từ đó dẫn đến các quá trình quan trọng như ion hóa, kích thích, phân li và hóa hợp.

 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 xảy ra va chạm, thế năng của hạt kích thích sẽ chuyển giao cho hạt khác dưới dạng thế năng hoặc động năng Sau khi va chạm, hạt kích thích trở về trạng thái cơ bản của nó.

Hạt kích thích khi va chạm với điện tử sẽ truyền động năng cho chúng, trong khi va chạm với nguyên tử hoặc ion có thể dẫn đến sự kích thích hoặc ion hóa Ngoài ra, va chạm không đàn hồi loại 2 trong plasma sẽ tạo ra thêm hạt nhanh.

Sự tái hợp là quá trình kết hợp ion với electron để tạo thành nguyên tử hoặc phân tử trung hòa, trái ngược với quá trình ion hóa Trong quá trình này, nội năng toàn phần của hệ giảm, cho phép nó diễn 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 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 với ion dương, dẫn đến việc bức xạ năng lượng dư thừa dưới dạng lượng tử Tuy nhiên, quá trình này không đóng vai trò quan trọng trong plasma.

Sự tái hợp với kích thích 2 lần diễn ra khi ion dương tác động đồng thời vào hai electron, dẫn đến việc ion dương trung hòa với một electron Electron còn lại sẽ hấp thụ năng lượng ion hóa và bay ra ngoài với vận tốc lớn hơn Quá trình 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 ion không chuyển mức có kèm bức xạ mà rơi vào trạng thái không bền vững Trong quá trình này, hệ số tái hợp đạt giá trị rất lớn.

Plasma phóng điện khí là trạng thái mà khí trở thành dẫn điện khi bị ion hóa, thường xảy ra ở nhiệt độ cao hoặc trong điện trường mạnh Dưới những điều kiện này, các nguyên tử và phân tử khí mất đi tính chất cách điện và có khả năng dẫn điện.

28 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 đi qua plasma Khi điện trường bên ngoài bị loại bỏ, plasma khí nhanh chóng biến mất và trở 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, thường thông qua buồng ion hóa Dưới tác động của điện trường, các ion và electron tự do sẽ di chuyển theo hướng nhất định, 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 trước khi vải đi qua hệ thống plasma Tại đây, với điện áp cao và tần số lớn giữa hai điện cực, xảy ra sự phóng điện, ion hóa các chất và tạo ra các hạt tự do với động năng lớn Những hạt này bắn phá bề mặt vải, phá vỡ liên kết bề mặt và tạo ra liên kết bền chặt với phân tử nano bạc Quá trình phủ nano và phóng năng lượng lên bề mặt vải diễn ra liên tục trong suốt quá trình xử lý.

Phản ứng tạo keo bạc

Phản ứng dưới tác dụng của plasma

Dưới tác động của plasma, gốc –OH trong sợi vải cotton được thay thế bằng nano bạc, tạo ra loại vải cotton có khả năng kháng khuẩn nhờ vào sự hiện diện của nano bạc trong cấu trúc.

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ VẢI BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA