SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 319
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SƠN KỊ NƯỚC CHỨA HẠT LAI NANO BẠC
RESEARCH AND PRODUCTION OF WATERPROOF PAINT WITH SILVER NANO PARTICLES Nguyễn Duy Mạnh1,*, Nguyễn Xuân Huân1, Nguyễn Khắc Đạt1, Bùi Thị Thu Thủy1, Phạm Tuấn Hiệp1, Nguyễn Thế Hữu2 TÓM TẮT Tổng hợp thành công xúc tác Ag/TiO2 để đưa vào sơn tạo nên sơn kị nước chứ
a
hạt lai nano bạc với kích thước hạt nano Ag từ 5 - 20nm. Điều kiện thời gian tổ
ng
hợp hạt lai khác nhau cho thấy sự phân bố Ag/TiO2 cũng khác nhau và ở thờ
i gian
3 giờ cho kết quả hạt phân bố đồng đều. Cùng với đó nồng độ Ag phù hợp nhấ
t là
4.105 cho kết quả ổn định nhất và tạo được hiệu ứng cánh sen trên bề mặt sơn kịnước. Kết quả đo BET cho thấy diện tích bề mặt riêng của Ag là 147,6552m2/g, diệ
n
tích bề mặt riêng tương đối lớn Việc sử dụng vật liệu xúc tác Ag/TiO2 để
đưa vào
sơn cho hiệu quả cao hơn so với sơn thông thường. Từ khóa: Ag/TiO2, sơn kị nước, hiệu ứng cánh sen. ABSTRACT Successfully synthesizing Ag/TiO2
catalyst to put into paint creates hydrophobic
paint containing silver nanoparticle hybrid with Ag nanoparticle size from 5 -
20nm.
The different hybridization time conditions showed that the Ag/TiO2
distribution was
also different and at 3h, the seeds were uniformly distributed. Along with that, the
most suitable Ag concentration is 4.105, giving the most stable results and creating
a lotus effect on the surface of the hydrophobic paint. The BET meas
urement results
show that the specific surface area of Ag is 147,6552m2
/g, the specific surface area is
relatively large. ordinary paint. Keywords: Ag/TiO2, hydrophobic paint, lotus effect. 1Lớp Kĩ thuật Hóa học 01 - K15, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệ
p
Hà Nội 2Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: manhnd1226@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, trên thế giới hướng nghiên cứu áp dụng nano bạc vào lĩnh vực xây dựng đặc biệt là lĩnh vực sơn đang là hướng nghiên cứu chính thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học và các hãng sản xuất. Tại Việt Nam, có rất ít các hãng sơn ứng dụng nano bạc vào sản phẩm do chưa có nhiều đề tài nghiên cứu sâu về loại vật liệu này [1]. Hiệu quả của bạc có thể được tăng lên gấp nhiều lần khi ở kích thước nano. So với bạc ở kích thước micro hoặc lớn hơn, các hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn, khi được phân bố đều trong môi trường hoặc trên một chất mang làm tăng khả năng tiếp xúc với các chất tham gia, do đó làm tăng hiệu quả làm việc của vật liệu [2]. Vì vậy, mục tiêu hướng đến là nghiên cứu chế tạo sơn kị nước chứa hạt lai nano bạc. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên vật liệu TiO2: Hàm lượng 99,5%; kích thước < 100nm, Sigmar, AgNO3: Hàm lượng 99,5%; Sigmar, Chất phân tán (A648 - Pháp), Phá bọt S1000 (Thái Lan), Titantr828 (Mỹ), Chất tạo đặc HEC 30S (HLB30S - Trung Quốc), Stab 25B (Pháp - Thái Lan), Nhựa bondex 5290 (Nhựa styren acrylic - Ấn Độ), Texanol CS 12 (Nhật Bản), Phá bọt 1360 (Đài Loan), Bột màu (Việt Nam). 2.2. Phương pháp tổng hợp hạt lai Ag/TiO2 Cân 0,1g TiO2 và 0,01M AgNO3 cho vào trong cốc thủy tinh chứa 100ml nước cất rồi cho cốc thủy tinh có chứa hỗn hợp TiO2 và AgNO3 lên máy khuấy từ có con khuấy, khấy trong vòng 8 giờ dưới ánh sáng của đèn UV. Để lắng lọc phần chất rắn phía dưới đem đi sấy ở 95 -100oC trong khoảng 60 phút. Mẫu hạt lai được đem đi đo BET, TEM,X-Ray để đánh giá kích thước hạt, khả năng phân tán của vật liệu. 2.3. Chế tạo sơn kị nước chứa hạt lai nano bạc Cho hóa chất theo thứ tự, cho 0,335% nước vào trong cốc thủy tinh 1l sau đó lần lược cho 0,004% chất phân tán, 0,005 PON 9 TDK, phá bọt S1000. Cho cốc vào máy khuấy có cánh khuấy, đặt tốc độ 420v/p trong thời gian 2 phút. Sau giai đoạn 1, cho titan tr828 với 1 lượng rất nhỏ 0,04%, không sử dụng bột đá để thu được sơn có góc thấm ướt cao, cho 1 lượng nano titan vào. Khuấy tiếp tục với tốc độ 800v/p trong thời gian 10 phút. Giai đoạn 3, thêm 0,15% nước, 0,053% chất tạo đặc tăng tốc khuấy lên 1300v/p trong thời gian 30 phút. Sau 30 phút giảm tốc độ xuống 800v/p trong thời gian 15 phút. Sau đó thêm 0,0015% phá bọt rồi giảm tốc độ xuống 700v/p. Khuấy hỗn hợp trong 15 phút. Thêm nhựa Bondex 5290 với tỉ lệ 0,32%, texanol cs12 tỉ lệ 0,023%, phá bọt 1360 tỉ lệ 0,0015%, bột màu tỉ lệ 0,003%. Sau khi thực hiện đủ các giai đoạn thu được mẫu sơn, không xuất hiện bọt khí trên bề mặt, không bị vẩn đục. Mẫu được sơn lên những tấm thép sạch đã được làm sạch bề mặt để kiểm tra các tính chất.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
320
KHOA H
ỌC
2.4. Phương pháp nghiên cứu tính chất sơn 2.4.1. Phương pháp nghiên cứu đặc tính của hạt lai Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp nitơ (BET) thường xác định lượng chất bị hấp phụ ở các giá trị áp suất tương đối P/Po thay đổi được thực hiện trên máy Tristar II Plus hãng Micromeritics tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy - TEM) đưa ra sự phóng đại cao từ 50 đến 106 lần và khả năng cung cấp cả thông tin về hình dạng và sự nhiễu xạ từ một mẫu được đo tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương. 2.4.2. Phương pháp xét tính chất cơ lý của sơn - Độ nhớt chảy của dung dịch sơn (thời gian chảy nhớt bằng phễu chảy - TCVN 2092 - 1993) cho các sản phẩm có dòng chảy newton hay gần newton, có độ nhớt động học trong khoảng (15 - 150).106m2/s (25 - 150cSt) như các loại sơn loãng để quét, phun hoặc nhúng [3]. - Xác định độ phủ (TCVN 2095 - 1993) dùng để xác định độ phủ của bột màu [4]. - Độ bền uốn (TCVN 2099-1993) phương pháp kiểm tra và đánh giá độ bền của màng sơn bị gẫy hoặc tách khỏi nền kim loại khi tấm mẫu thử bị uốn vòng quanh một trục hình trụ ở các điều kiện tiêu chuẩn [5]. - Độ bám dính (TCVN 2097-1993) xác định độ bám dính màng trên bề mặt vật liệu [6]. - Độ trầy xước (TCVN 10239-1:2013) xác định độ bền cào xước của lớp phủ đơn lớp hoặc hệ phủ đa lớp của sơn, vécni hoặc sản phẩm liên quan bằng bút thử xước với một tải trọng quy định ở các điều kiện xác định [7]. - Góc thấm ướt dùng để xác định góc của chất lỏng khi tiếp xúc với bề mặt liệu khi được sơn [8]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng đến quá trình tổng hợp hạt lai Bảng 1. Ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng đến quá trình tổng hợp hạt lai Điều kiện ánh sáng Kích thước hạt hạt lai (nm) Sự phân bố Ag/TiO2
Không ánh sáng 4-7 Hạt tạo ra ít Ánh sáng mặt trời 6-12 Phân tán đồng đều Chiếu đèn 5-10 Phân tán chưa đồng đều Kết quả: Do vậy điều kiện ánh sáng thuận lợi cho quá trình tổng hợp hạt lai là điều kiện ánh sáng mặt trời 3.2. Ảnh hưởng của thời gian ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp hạt lai Ag/TiO2 Bảng 2. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp hạt lai Thời gian tổng hợp hạt lai (giờ) Kích thước hạt hạt lai (nm) Sự phân bố Ag/TiO2 1 Hạt tạo ra rất ít Hạt tạo ra ít 2 4-15 Phân tán chưa đều 3 5-20 Phân tán đồng đều 4 13-25 Co cụm Kết quả: Do vậy chọn thời gian cho quá trình tổng hợp hạt lai là 3 giờ cho các quá trình khảo sát tiếp theo. 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trên vật liệu nổi Nồng độ (M) Tính chất 0,01 0,02 0,03 0,04 Kích thước hạt nano bạc( mm) Hạt tạo ra ít 10-20 20-40 40-60 Độ phân bố Không ổn định Phân tán dồng đều Phân tán đồng đều Co cụm Độ ổn định Không ổn định Ổn định Ổn định Ổn định Kết quả: Từ kết quả khảo sát lựa chọn nồng độ dung dịch AgNO3 trên xốp là 0,04M để cho các quá trình khảo sát tiếp theo. 3.4. Kết quả BET Đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của vật liệu hỗn hợp bạc, titan oxit trên dây thừng được biểu diễn ở hình 1. Hình 1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 ở 770K của vật liệu hạt lai Ag/TiO2 quang Hình1 cho thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 của các mẫu hạt lai hỗn hợp bạc, titan oxit trên dây thừng quang có dạng VI (theo phân loại IUPAC) đặc trưng cho vật liệu có cấu trúc mao quản trung bình. Diện tích bề mặt riêng của mẫu vật liệu hạt lai hỗn hợp bạc, titan oxit trên dây thừng. Diện tích bề mặt riêng của Ag là 147,6552 m²/g. Do vậy, giá trị diện tích bề mặt riêng của vật liệu hạt lai hỗn hợp bạc, titan oxit là tương đối lớn. Nguyên nhân là do các hạt TiO2 có độ xốp cao, các hạt Ag bám trên bề mặt. Mao quản tạo thành
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 321
do các hạt hạt lai sắp xếp lên nhau (đây được gọi là mao quản ngoài) nên diện tích bề mặt riêng tương đối lớn. 3.5. Ảnh TEM Hình 2. Ảnh TEM của vật liệu lại quang Ag/TiO2 Ảnh TEM (hình 2) cho thấy rằng các hạt nano Ag đã phân tán và bám đều trên bề mặt chất mang nan TiO2. 3.6. Kết quả thử nghiệm mẫu sơn - Độ nhớt chảy Bảng 4. Độ nhớt chảy của mẫu sơn TT Lượng hạt lai trong mẫu sơn Kết quả đo (giây) 1 0 84 2 1.105 82 3 2.105 83 4 3.105 84 5 4.105 84 Độ nhớt chảy của mẫu sơn được xác định bằng TCVN 2092-1993 số lượng 5 mẫu/1 tính chất. Sau khi thực hiện phép đo độ nhớt chảy cho thấy 5 mẫu đều có thời gian chảy tương tự nhau. Điều này chứng tỏ độ đặc của sơn không bị ảnh hưởng bởi hạt lai. - Độ bám dính Độ bám dính của lớp sơn được xác định theo TCVN 2097:2015. Số lượng mẫu là 5 mẫu/1 tính chất. Bảng 5. Độ bám dính của màng sơn TT Lượng hạt lai trong mẫu sơn (g/g) Kết quả đo (điểm) Hiện tượng TCVN 6934:2001 1 0 1 Vết cắt nhẵn, không bong tróc Điểm 2 2 1.105 1 Vết cắt nhẵn, không bong tróc Điểm 2 3 2.105 1 Vết cắt nhẵn, không bong tróc Điểm 2 4 3.105 1 Vết cắt nhẵn, không bong tróc Điểm 2 5 4.105 1 Vết cắt nhẵn, không bong tróc Điểm 2 Kiểm tra mẫu theo TCVN 2097:2015 dùng chổi lông mềm quét nhẹ thì không có hiện tượng bong tróc sơn, vết cắt hoàn toàn nhẵn. Điều này chứng tỏ lớp phủ có độ bám dính rất tố, đạt điểm 1. Như vậy sau khi bổ sung hạt lai vào không ảnh hưởng tới khả năng bám dính của sơn, so sánh với TCVN thì sơn đạt tiêu chuẩn. - Độ bền uốn Bảng 6. Độ bền uốn của màng sơn TT Lượng hạt lai trong mẫu sơn Kết quả đo Hiện tượng 1 0 Điểm 1, 1mm tấm mẫu Không xuất hiện vết nứt, bong tróc 2 1.105 Điểm 1, 1mm tấm mẫu Không xuất hiện vết nứt, bong tróc 3 2.105 Điểm 1, 1mm tấm mẫu Không xuất hiện vết nứt, bong tróc 4 3.105 Điểm 1, 1mm tấm mẫu Không xuất hiện vết nứt, bong tróc 5 4.105 Điểm 1, 1mm tấm mẫu Không xuất hiện vết nứt, bong tróc Độ bền uốn của lớp sơn được xác định theo TCVN 2099:2013. Số lượng mẫu là 5 mẫu/1 tính chất. Sau khi thực hiện phép đo độ bền uốn, cho thấy 5 mẫu đều đạt điểm 1 theo TCVN 2099:2013. Điều này chứng tỏ lớp phủ có độ bền uốn tốt, không bị gãy hay tách ra khỏi vật liệu khi bị uốn theo khung bản vuông có chiều dày 1mm và phép đo này được đo 5 lần/ mẫu. Thành phần hạt lai không ảnh hưởng đến độ bền uốn màng sơn - Độ bền cào xước Bảng 7. Độ bền cào xước TT Lượng hạt lai có trong mẫu sơn Khối lượng quả nặng 1 0 750 2 1.105 750 3 2.105 750 4 3.105 750 5 4.105 750
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
322
KHOA H
ỌC
Sau khi thực hiện phép đo độ bền cào xước, cho thấy 5 mẫu đều đạt tiêu chuẩn theo TCVN 10239-1:2013, kết quả đo cho thấy màng sơn không bị trầy xước hay có hiện tượng nứt gãy khi sử dụng quả cân có khối lượng cao nhất là 750g. Kết quả cho thấy màng sơn có độ bền cào xước tốt. - Độ bền nước Độ bền nước của lớp màng sơn xác định theo TCVN 8653-2:2012. Số lượng mẫu là 5 mẫu/1 tính chất. Bảng 8. Độ bền nước của màng sơn TT Lượng hạt lai có trong mẫu sơn Kết quả bền nước (giờ) TCVN 6934:2001(giờ) 1 0
1200
1000
2 1.105
1200
1000
3 2.105
1200
1000
4 3.105
1200
1000
5 4.105
1200
1000
- Góc thấm ướt Bảng 9. Góc thấm ướt của màng sơn TT Lượng hạt lai có trong mẫu sơn Góc thấm ướt 1 0 30o 2 1.105 580 3 2.105 75o 4 3.105 86o 5 4.105 124o Hình 3. Mẫu 1 Hình 4. Mẫu 2 Hình 5. Mẫu 3 Hình 6. Mẫu 4 Hình 7. Mẫu 5 Kết quả: Sau khi thực hiện phép đo, cho thấy mẫu sơn được thêm hạt lai có góc thấm ướt cao hơn hẳn mẫu sơn không có hạt lai. Mẫu 5 đạt góc thấm ướt 124o bề mặt không thấm nước, kỵ nước. Ta có bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm mẫu sơn như bảng 10. Bảng 10. Bảng chất lượng mẫu sơn TT Chỉ tiêu Đơn vị đo
Mức chất lượng Phương pháp thử TCVN 6934:2001 Sơn hạt lai Ag/TiO2 1 Độ bám dính Điểm Điểm 2 Điểm 1 TCVN 2097:2015 2 Độ bền uốn Điểm, mm Điểm 1 1mm TCVN 2097:2015 3 Độ bền cào xước g 750 TCVN 10239-1:2013
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 323
4 Độ bền nước Giờ
1200
1000
TCVN 8653-2:2012 5 Góc thấm ướt Độ 124o 4. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, sơn kị nước chứa hạt lai nano bạc đã được nghiên cứu và chế tạo thành công với chất lượng ổn định cao. Thành công tìm ra được những điều kiện, thời gian, nồng độ và kích thước hạt để tổng hợp hạt lai nano bạc. Việc mô tả được những đặc tính của sơn kị nước chứa hạt lai nano bạc bằng cách xét các tính chất cơ lý của sơn và đạt được những tiêu chuẩn chất lượng của sơn bằng những TCVN. Từ đó cho thấy hiệu quả và tiềm năng ứng dụng của sơn kị nước chứa hạt lai nano bạc trong việc giảm thiểu chi phí sản xuất, tăng chất lượng sơn và bảo vệ môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Lộc, 2008. Công nghệ sơn. NXB Giáo dục. [2]. Trần Quang Vinh, 2015. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bac, chất mang ứng dụng trong xử lý môi trường. [3]. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2092:1993 phương pháp xác định thời gian chảy (độ nhớt quy ước) bằng phễu chảy. [4].Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2095 – 1993 về sơn - phương pháp xác định độ phủ [5]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 2099-1993 về phương pháp xác định độ uốn màng sơn [6]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN2097-1993 về phương pháp xác định độ bám dính màng sơn [7]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 1239-1:2013 về phương pháp xác định độ bền cào xước sơn [8]. Nguyễn Thị Anh, 2012. Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc và ứng dụng. Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2.
