ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO THỊ HỒNG VÂN

PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT MÀNG PHỦ KỲ NƢỚC

CHO KÍNH QUANG HỌC SỬ DỤNG

TRONG MÔI TRƢỜNG BIỂN ĐẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Thái Nguyên-2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO THỊ HỒNG VÂN

PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT MÀNG PHỦ KỲ NƢỚC

CHO KÍNH QUANG HỌC SỬ DỤNG

TRONG MÔI TRƢỜNG BIỂN ĐẢO

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Văn Thụ

TS Vũ Minh Thành

Thái Nguyên-2018

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, trƣớc hết em xin đƣợc bày tỏ lòng

biết ơn chân thành tới TS Lê Văn Thụ; TS Vũ Minh Thành đã dành rất nhiều

thời gian và tâm huyết hƣớng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian em

nghiên cứu, hoàn thành đề tài này.

Em xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Phòng Hóa lý, Viện Hóa học - Vật

liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự; Trung tâm Phát triển Công nghệ

cao; Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em rất nhiều

trong quá trình thực nghiệm làm luận văn.

Em xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, các thầy cô giáo Phòng đào tạo sau

đại học; Khoa Hoá học, Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tận

tình dạy bảo, trang bị kiến thức giúp em tiếp cận với các vấn đề nghiên cứu khoa

học.

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên tạo

điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2018

Ngƣời thực hiện luận văn

a

Đào Thị Hồng Vân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................a

MỤC LỤC ............................................................................................................. b

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................. d

DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. f

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ g

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3

1.1. Giới thiệu chung về thủy tinh quang học và kính ngắm quang học .............. 3

1.1.1. Thành phần và tính chất của thủy tinh quang học ...................................... 3

1.1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của thuỷ tinh quang học .................................................. 4

1.2. Đặc điểm và nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học ...................... 5

1.2.1. Đặc điểm của các loài nấm mốc thƣờng phát triển trên bề mặt kính của

các loại khí tài quang học ...................................................................................... 5

1.2.2. Nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học do sự phát triển của nấm mốc8

1.3. Vật liệu và công nghệ tạo màng chống mờ trên cơ sở hợp chất cơ silic ....... 9

1.3.1. Vật liệu tạo màng ........................................................................................ 9

1.3.2. Cơ chế hoạt động của màng kị nƣớc ......................................................... 11

1.3.3. Các phƣơng pháp để tạo màng phủ chống mờ kính quang học ................ 15

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 19

2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu ........ 19

2.1.1. Hóa chất ..................................................................................................... 19

2.1.2. Dụng cụ, thiết bị ........................................................................................ 19

2.2. Phân tích nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học sử dụng trong môi

trƣờng biển đảo .................................................................................................... 20

2.3. Nghiên cứu, phân tích các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình chế tạo màng phủ

kỵ nƣớc cho kính quang học ............................................................................... 22

2.3.1. Phân tích ảnh hƣởng của tiền chất chế tạo dung dịch chống mờ kính. ..... 22

2.3.2. Phân tích ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình tổng hợp vật liệu .. 24

b

2.3.3. Nghiên cứu phƣơng pháp tạo màng phủ ................................................... 24

2.4. Nghiên cứu phân tích tính chất màng phủ kỵ nƣớc ..................................... 25

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 27

3.1. Phân tích nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học .................................. 27

3.2. Nghiên cứu phân tích, chế tạo vật liệu trên cơ sở hợp chất cơ silic và đánh

giá một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu .............................................................. 29

3.2.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu ....................................................................... 29

3.2.2. Khảo sát một số tính chất của vật liệu ...................................................... 38

3.3. Nghiên cứu công nghệ tạo màng .................................................................. 39

3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp phủ ....................................................................... 39

3.3.2. Tiến trình tạo màng phủ chống mờ kính quang học ................................. 42

3.4. Khảo sát tính chất của màng phủ ................................................................. 42

3.4.1. Khảo sát khả năng tạo màng phủ với vật liệu nền .................................... 42

3.4.2. Khả năng kị nƣớc, chịu hơi muối của màng phủ trên bề mặt kính quang

học ....................................................................................................................... 43

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 53

c

PHỤ LỤC ............................................................................................................ 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

SEM Kính hiển vi điện tử quét

VKTBKT Vũ khí trang bị kỹ thuật

CMKQH Chống mờ kính quang học

Mẫu kính trắng M0

M1 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)nC2H5:C3H7OH =1:10

M2 Mẫu vật liệu tỉ lệ Si(OC2H5)4:C3H7OH =1:10

M3 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1

M4 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:2

M5 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =2:1

M3-3 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=3

M3-6 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=6

M3-8 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=8

M3-9 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=9

M3-11 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=11

M3-14 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=14

Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; không M3-0 chứa chống nấm mốc

Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa M3-0,2 0,2% chống nấm mốc

Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa M3-0,4 0,4% chống nấm mốc

Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa M3-0,6 0,6% chống nấm mốc

Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa 1% M3-1 chống nấm mốc

Mẫu quét 1 lần vật liệu bảo vệ M3-P1

Mẫu quét 2 lần vật liệu bảo vệ M3-P2

d

Mẫu phủ chƣa thử mù muối M3-CK0

Mẫu phủ thử nghiệm 1 chu kỳ mù muối M3-CK1

Mẫu phủ thử nghiệm 2 chu kỳ mù muối M3-CK2

Mẫu phủ thử nghiệm 3 chu kỳ mù muối M3-CK3

Mẫu phủ thử nghiệm 4 chu kỳ mù muối M3-CK4

Mẫu phủ thử nghiệm 5 chu kỳ mù muối M3-CK5

Mẫu phủ thử nghiệm 6 chu kỳ mù muối M3-CK6

Mẫu phủ thử nghiệm 7 chu kỳ mù muối M3-CK7

Mẫu không phủ sau 1 tuần nuôi cấy M0-C1

Mẫu phủ sau 1 tuần nuôi cấy M3-C1

Mẫu phủ sau 2 tuần nuôi cấy M3-C2

Mẫu phủ sau 3 tuần nuôi cấy M3-C3

Mẫu phủ sau 4 tuần nuôi cấy M3-C4

Mẫu phủ sau 5 tuần nuôi cấy M3-C5

e

Mẫu phủ sau 6 tuần nuôi cấy M3-C6

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại thủy tinh và thủy tinh quang học .... 3

Bảng 1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật chính của thủy tinh T1 sử dụng chế tạo chi tiết kính

vật lõm trong kính ngắm quang học ...................................................................... 5

Bảng 1.3. Chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm sử dụng để bảo quản kính quang học .... 14

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của môi trƣờng nuôi cấy nấm mốc ................... 27

Bảng 3.2. Tỉ lệ thành phần hợp chất cơ silic sử dụng tổng hợp vật liệu CMKQH29

Bảng 3.3. Độ truyền quang trung bình (%) của vật liệu trong vùng bƣớc sóng

350750 nm` ....................................................................................................... 32

Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ pH đến độ truyền quang .............................. 34

Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất chống nấm đến độ truyền quang ..... 36

Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chống mờ sau khi tổng hợp ...... 39

Bảng 3.7. Đánh giá chất lƣợng bề mặt của mẫu phủ với các chu kỳ thử nghiệm

mù muối khác nhau ............................................................................................. 44

Bảng 3.8. Kết quả cấy nấm mốc trên bề mặt kính quang học ............................ 46

Bảng 3.9. Ảnh hƣởng vật liệu tạo màng đến độ truyền quang ........................... 50

của kính quang học .............................................................................................. 50

f

Bảng 3.10. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của màng khi phủ 2 lần trên kính quang học50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính ................................................ 7

Hình 1.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phƣơng pháp sol-gel .................................. 10

Hình 1.3. Hình ảnh thử nghiệm sự phát triển của nấm mốc và th+ử nghiệm mù

muối của màng kị nƣớc ....................................................................................... 12

Hình 1.4. Cơ chế tạo màng kị nƣớc trên bề mặt kính trên cơ sở các hợp chất cơ silic ................................................................................................................ 14 Hình 1.5. Cấu trúc bề mặt và góc tiếp xúc của màng kị nƣớc trên cơ sở các hợp chất cơ sillic ........................................................................................................ 15 Hình 1. 6 Sơ đồ nhúng (a) và gelatin hóa (b) ...................................................... 16

g

Hình 2.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính ............................................. 21 Hình 3.1. Hình ảnh nuôi cấy nấm mốc trong phòng thí nghiệm ........................ 28 Hình 3.2. Ảnh SEM các chủng mốc trên kính quang học sau 15 ngày nuôi cấy..28 Hình 3.3. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của màng trƣớc và sau khi phủ màng bảo vệ..30 Hình 3.4. Xác định độ truyền quang (%) mẫu kính trƣớc và sau khi phủ vật liệu chống mờ ............................................................................................................ 31 Hình 3.5. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của mẫu kính khi thay đổi pH ....................... 33 Hình 3.6. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của mẫu kính khi sử dụng hệ vật liệu có bổ sung phụ gia chống nấm mốc ............................................................................. 35 Hình 3.7. Độ truyền quang mẫu phủ có bổ sung chống nấm mốc 0,2% (M3-0,2) ......... 35 Hình 3.8. Sự phát triển của nấm mốc trên mẫu kính phủ vật liệu bảo vệ kính quang học sau 5 tuần nuôi cấy ............................................................................ 37 Hình 3.9. Tiến trình tổng hợp vật liệu chống mờ kính quang học ...................... 38 Hình 3.10. Góc tiếp xúc của giọt nƣớc phủ một lần (M3-P1) và phủ hai lần (M3- P2) ......................................................................................................................... 40 Hình 3.11. Giản đồ AS xác định chiều dày với số lần quét khác nhau .............. 41 Hình 3.12. Tiến trình tạo màng phủ chống mờ kính quang học .............................. 42 Hình 3.13. Phổ hồng ngoại của mẫu kính sau khi tạo màng M3-9-0,2 ................. 43 Hình 3.14. Góc tiếp xúc giọt nƣớc sau khi phủ màng bảo vệ ............................. 44 Hình 3.15. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của vật liệu sau thử nghiệm mù muối sau thử nghiệm tƣơng ứng 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 và 7 chu kỳ ................................................ 45 Hình 3.16. Hình ảnh nuôi cấy nấm mốc trên bề mặt kính quang học ................ 48 Hình 3.17. Giản đồ AS xác định chiều dày màng phủ kính quang học .............. 49

MỞ ĐẦU

Việt Nam là nƣớc có đƣờng bờ biển dài với trên 4000 hòn đảo lớn nhỏ, có

khí hậu nóng ẩm quanh năm, đây là điều kiện thuận lợi để cho nấm mốc phát

triển gây ăn mòn vũ khí trang bị kỹ thuật nói chung và kính quang học nói riêng.

Để hạn chế quá trình này, đã có nhiều nghiên cứu đƣa ra các phƣơng pháp bảo

quản ứng dụng để chống mờ mốc cho kính ngắm quang học nhƣ: sử dụng khí

trơ để bảo quản; chế phẩm chống mốc; hòm hộp bao gói kín… Tuy nhiên, kính

sau bảo quản đƣa vào sử dụng thƣờng bị mờ, đặc biệt khi sử dụng trong môi

trƣờng biển đảo. Nguyên nhân mờ có thể do trong quá trình sử dụng kính bị tác

động của môi trƣờng dẫn đến hở buồng kính làm thâm nhập hơi nƣớc và đọng

ẩm trên bề mặt kính tạo điều kiện thuận lợi cho nấm mốc phát triển và chúng sẽ

tiết ra các axit hữu cơ nhƣ: axit oxalic, citric, gluconic… gây ăn mòn kính dẫn

đến mờ kính. Hơi muối trong môi trƣờng biển đảo đọng trên bề mặt kính cũng

gây ăn mòn dẫn đến mờ kính... Ngoài ra, sử dụng kính trong điều kiện thời tiết

bị mƣa, độ ẩm không khí cao, kính có hiện tƣợng bị nƣớc bám trên bề mặt ngoài

dẫn đến giảm tầm nhìn của kính, do đó cũng gây mờ kính và làm giảm khả năng

chiến đấu và sẵn sàng chiến đấu của khí tài. Để khắc phục hiện tƣợng này, hiện

nay các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu màng bảo quản này trên cơ sở hợp

chất cơ silic. Do đặc thù màng phủ này rất mỏng và yêu cầu có khả năng kị nƣớc

tốt, hạn chế sự phát triển của nấm mốc và không làm thay đổi tính năng kỹ thuật

của kính quan sát. Do đó đề tài "Phân tích tính chất màng phủ kỵ nƣớc cho kính

quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo" sẽ góp phần vào việc phân tích,

nghiên cứu chế tạo màng phủ bảo vệ kính quang học đáp ứng đƣợc yêu cầu chất

lƣợng của sản phẩm đề ra.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:

Chế tạo vật liệu kị nƣớc cho kính quang học phục vụ quá trình sửa chữa,

bảo quản, sản xuất mới kính quang học. Sử dụng các phƣơng pháp phân tích hóa

lý hiện đại để phân tích đƣợc tính chất màng phủ kỵ nƣớc cho kính quang học sử

dụng trong môi trƣờng biển đảo góp phần nâng cao chất lƣợng màng phủ kính

1

quang học đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.

Nội dung nghiên cứu:

- Tổng quan về màng phủ kỵ nƣớc và phƣơng pháp phân tích tính chất lý, hoá,

quang của kính quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo

- Phân tích, xác định các tác nhân và nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học

sử dụng trong môi trƣờng biển đảo.

- Nghiên cứu, phân tích ảnh hƣởng của pH, thành phần hợp chất chế tạo màng

phủ kỵ nƣớc cho kính quang học.

- Phân tích chỉ tiêu kỹ thuật của màng phủ kỵ nƣớc ở các chế độ công nghệ chế

tạo khác nhau, lựa chọn điều kiện tối ƣu chế tạo màng phủ.

- Nghiên cứu phân tích, xác định tính chất và xác định các chỉ tiêu kỹ thuật (liên

kết hoá học; cấu trúc; khả năng chống mốc; chiều dày; góc tiếp xúc giọt nƣớc;

chiết suất; độ truyền quang và độ chịu sƣơng muối...) của màng phủ kỵ nƣớc

2

cho kính quang học

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về thủy tinh quang học và kính ngắm quang học

Kính ngắm quang học nói riêng và kính quang học nói chung đều đƣợc

chế tạo từ thủy tinh quang học. Thủy tinh quang học đƣợc bắt đầu nghiên cứu từ

thế kỷ 18 và đƣa vào sản xuất trong thế kỷ 19. Sản xuất thủy tinh quang học là

quá trình phức tạp. Tuy nhiên, cho tới nay ngành công nghiệp chế tạo thủy tinh

quang học đã phát triển ở rất nhiều nƣớc trên thế giới.

1.1.1. Thành phần và tính chất của thủy tinh quang học

Thủy tinh quang học là một hỗn hợp các oxit kim loại khác nhau có tính

năng quang học phụ thuộc vào thành phần hóa học của chúng. Mỗi hỗn hợp có

chỉ số chiết suất và khuếch tán khác nhau, vì vậy thủy tinh quang học không

những phải tuyệt đối vô định hình mà còn đòi hỏi các chỉ tiêu kỹ thuật rất chặt

chẽ nhƣ: chỉ số chiết suất, độ thấu quang cao, bền hóa học đối với axit, kiềm và

các môi trƣờng khí quyển [1,5].

Trong tính năng quang học có hai hệ số quan trọng là: chỉ số chiết suất nD

và hệ số khuếch tán trung bình (nF-nC).

Chỉ số chiết suất của thủy tinh quang học nằm trong khoảng 1,47-1,90 và

 có giá trị trong khoảng 20-70. Trong đó,  đƣợc tính theo công thức sau:

=(nD- 1)/ (nF- nC)

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại thủy tinh

và thủy tinh quang học

SiO2 Al2O3 As2O3 B2O3 BaO CaO Fe2O3 K2O MgO ZnO Na2O PbO

73 - - - - 13,5 - 13,5 - - - -

80,4 1,49 0,5 11,5 0,51 12,2 - - - - -

48,8 0,3 21 6,5 - 4,1 0,8 - - - - -

- 70,4 0,2 7,5 2 - 14,5 - - 5,3 - -

Loại thủy tinh Kính xây dựng Thủy tinh ép Loại Baryt Loại Borosilic atkron

3

Ngoài ra, trên thị trƣờng còn có một số loại thủy tinh quang học khác có

thành phần chính là SiO2 nhƣ thủy tinh Kron-phospho, thủy tinh Flint-Bo…

trong khi đó một số loại có loại không có oxit kim loại kiềm nhƣ thủy tinh Kron

nặng, nhƣng cũng có loại chứa nhiều oxit thông thƣờng với tỉ lệ 80% PbO hay

nhiều hơn nữa nhƣ thủy tinh Flint nặng; hoặc 20% Sb2O3 nhƣ thủy tinh Flint đặc

biệt. Để thủy tinh quang học có hệ số thấu quang tốt đòi hỏi nguyên liệu phải

thật tinh khiết và đảm bảo nung và khuấy đúng chế độ. Khả năng thấu quang

đƣợc tính theo hệ số giảm quang với hệ số cho phép trong khoảng 0,002-0,02.

Nguyên liệu để sản xuất thủy tinh quang học cũng giống nhƣ các thủy tinh

thông thƣờng nhƣng có độ tinh khiết cao hơn. Tạp chất trong thủy tinh quang

học thƣờng là do oxit sắt và crom, đó là nguyên nhân gây màu, còn các hợp chất

sunfat và clorua làm cho thủy tinh trở nên đục. Vì vậy, thành phần tạp chất của

2- và Cl- trong khoảng 0,1-0,2 %.

thủy tinh quang học đƣợc quy định không có hợp chất của crom, hợp chất của

sắt tối đa 0,001-0,002 % Fe2O3 và các ion SO3

1.1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của thuỷ tinh quang học

Để chế tạo kính ngắm quang học, ngoài thủy tinh quang học còn có hơn

20 loại vật liệu đƣợc sử dụng, nhƣ các loại thép, đồng, nhôm, nhựa mài, nhựa

gắn, cao su kỹ thuật, … Tuy nhiên, trong các loại vật liệu này thì thủy tinh

quang học đóng một vai trò quan trọng, chúng dùng để chế tạo kính lồi, phân

quang, phản xạ và vạch khắc [1, 2, 6]. Nhƣ thủy tinh K8 dùng để chế tạo chi tiết

kính lồi nhỏ; kính phân quang; kính phản xạ; kính lồi lớn; kính vạch khắc và

thủy tinh T1dùng để chế tạo chi tiết kính vật lõm.

Chỉ tiêu kỹ thuật của các vật liệu thủy tinh quang học đƣợc sử dụng trong

4

chế tạo kính ngắm quang học đƣợc trình bày tại bảng 1.2 [1,2,6].

Bảng 1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật chính của thủy tinh K8 sử dụng chế tạo chi tiết

kính vật lõm trong kính ngắm quang học

Mức chỉ PP kiểm tra, đánh TT Tên chỉ tiêu tiêu giá

I Thành phần hoá học

1 1,64750 Chiết suất nD (Tia vàng)

Chiết suất nF (Tia tím); nc (tia 2 1,65284 Máy đo chiết suất đỏ) MYV 3 Hệ số tán sắc 33,9

4 Tán sắc trung bình 0,01912

5 Tỷ trọng 3,86 Cân điện tử

II Tính chất hoá lý

1 Vân 3 Б Kính hiển vi VMS –

25,5G 2 Bọt 5B

1.2. Đặc điểm và nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học

1.2.1. Đặc điểm của các loài nấm mốc thường phát triển trên bề mặt kính của

các loại khí tài quang học

Kết quả nghiên cứu [1,4,7] đã tìm thấy 2 chủng nấm thƣờng phát triển

trên bề mặt kính là: Aspergillus restrictus và Eurotiumtonophilum Ohtsuki trong

quá trình nghiên cứu phƣơng pháp nuôi cấy và phòng chống nấm mốc.

Aspergillus là một chủng có hình dạng giống nhƣ bình tƣới nƣớc bao gồm

vài trăm loài nấm khác nhau đƣợc thấy tại nhiều vùng có điều kiện khí hậu khác

nhau trên thế giới. Thông thƣờng, nấm đƣợc phát triển trên các cơ chất giàu

cacbon nhƣ monosaccarit và polysaccarit. Trong khi đó, các loài Aspergillus có

tính ƣa khí cao và tìm thấy trong hầu hết các vùng môi trƣờng giàu oxy, vì vậy,

chúng thƣờng phát triển nhƣ mốc trên bề mặt các chất cần có nhu cầu oxy cao

và thƣờng gây ô nhiễm trên các thực phẩm có tính tinh bột nhiều cũng nhƣ phát

5

triển trong nhiều loại thực vật khác nhau. Ngoài ra, chúng còn phát triển trên các

nguồn cacbon, nhiều loài Aspergillus còn có khả năng phát triển trong môi

trƣờng có chất dinh dƣỡng ở sâu, hoặc môi trƣờng mà ở đó thiếu các chất dinh

dƣỡng chính yếu. Hiện nay, các loài Aspergillus rất quan trọng về mặt y học và

thƣơng mại, với hơn 60 loài có liên quan đến y học. Đối với con ngƣời

Aspergillus có thể gây một số bệnh nhƣ nhiễm trùng ở tai, da, loét. Nó cũng đóng

vai trò rất quan trọng trong quá trình lên men của các vi sinh vật ở một số loài

[3,4].

Về cơ chế, chúng đều là loại vi sinh thuộc ngành thực vật bậc thấp. Khác

với các loại thực vật khác, nấm không có diệp lục nên không thể tạo thức ăn hữu

cơ từ CO2 của không khí và ánh sáng mặt trời, nấm phải sống nhờ các chất hữu

cơ có sẵn trong tự nhiên hay nhân tạo. Khi phát triển, nấm gồm một hệ thống sợi

có phân nhánh và phân nhánh mang theo bào tử là bộ phận sinh sản của nấm.

Đối với các loại khí tài quang học có bào tử nấm, khi gặp nhiệt độ và độ

ẩm phù hợp các tế bào nấm sẽ phát dục và trƣởng thành, kết lại với nhau thành

sợi mảnh có độ rộng cỡ phần trăm mi-li-mét và dài chừng phần mƣời mi-li-mét.

Nếu không đƣợc cung cấp chất dinh dƣỡng thì nấm kết thúc ở giai đoạn phát dục

này rồi chết. Ngƣợc lại, nếu nhận đƣợc nguồn dinh dƣỡng thì nấm tiếp tục phát

triển, sợi nấm đƣợc kéo dài ra rất nhanh và đẻ thêm nhiều nấm mới.

Khi đƣa một số bào tử nấm lên bề mặt kính đã đƣợc lau sạch (nghĩa là

không có chất dinh dƣỡng) và đƣợc đặt trong hộp kín có độ ẩm là 90 %, nhiệt độ 20oC thì chỉ sau 4 ngày nấm đã hoàn thiện giai đoạn phát dục, sợi nấm có kích

thƣớc dài 0,6 1 mm, chiều rộng sợi nấm mốc không thấy nấm phát triển thêm

và bắt đầu bong ra khỏi bề mặt kính. Khi tiến hành nuôi cấy nấm sau 28 ngày

trong ở điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau cho thấy: độ ẩm môi trƣờng thích

nghi cho nấm phát triển là r ≥ 70 % trong môi trƣờng có độ ẩm thấp hơn nấm

phát triển rất chậm, khi r ≤ 65 % nấm sẽ không phát dục và phát triển. Nhiệt độ

6

thích hợp cho nấm phát triển nằm trong khoảng 2035 oC. Ngoài phạm vi nhiệt độ này nấm hầu nhƣ ngừng phát triển và nấm sẽ chết ở nhiệt độ 100 oC ≤ to ≤ (- 15 oC).

Hình 1.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy nấm chỉ phát triển đƣợc khi có đầy đủ

bốn điều kiện sau:

- Phải có bào tử nấm.

- Phải có chất dinh dƣỡng cho nấm.

7

- Phải có độ ẩm phù hợp.

- Phải có nhiệt độ phù hợp.

Nhƣ vậy, nếu có thể loại trừ hoặc khống chế đƣợc một trong bốn điều kiện

phát triển trên thì nấm sẽ không thể phát sinh và phát triển đƣợc. Tuy nhiên, do

áp suất thẩm thấu bên trong sợi nấm có thể đạt tới 200 atm nên nấm vẫn có thể

tồn tại ở môi trƣờng có ít hơi nƣớc. Với khả năng đó cho phép các tế bào nấm

hút đƣợc hơi nƣớc trong khí quyển một cách dễ dàng, nhƣng khi độ ẩm tƣơng

đối cao đến 100 % hay khi bị dìm trong nƣớc thì các tế bào nấm sẽ bị phá vỡ.

Ngƣợc lại, nếu áp suất thẩm thấu bên trong sợi nấm thấp dƣới 10 atm thì chúng

vẫn sống đƣợc ngay cả khi bị dìm trong nƣớc [3,4].

1.2.2. Nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học do sự phát triển của nấm

mốc

Ngoài các đặc tính nêu ở phần trên, để mọc đƣợc dễ dàng trên thấu kính,

nấm còn có những đặc tính nhƣ: bản năng nảy mầm đƣợc trong khí quyển, nảy

mầm khi các bào tử khi đứng đơn độc, có thể nảy mầm dễ dàng trên một mặt

nhẵn không có chỗ bám. Nấm có bản năng nảy mầm đƣợc trong khí quyển do

các bào tử nấm có khả năng hút đƣợc lƣợng nƣớc cần thiết cho sự nảy mầm khi

nƣớc ở trạng thái hơi.

Thông thƣờng một bào tử nấm rơi vào một mặt phẳng thì một mặt sẽ có lợi

thế là không gian tiếp xúc với khí quyển thoáng hơn nhƣng nếu trên bề mặt thấu

kính quá nhẵn, rễ nấm khó bám và khó tìm đƣợc chất dinh dƣỡng và hơi ẩm tích

tụ. Tuy nhiên, nấm vẫn mọc đƣợc, bào tử của nấm này không cần chất dinh

dƣỡng vẫn nảy mầm đƣợc.

Những ảnh hưởng nấm gây ra trên thấu kính

Theo thống kê có đến 50% các thấu kính mất phẩm chất vì có một lớp mờ phủ

tạo nên bởi một vài loại nấm. Nấm làm giảm chất lƣợng của các thấu kính một

cách đáng kể do: thứ nhất là thấu kính bị phủ một lớp mờ mốc làm mất tính

trong suốt, thứ hai là các sợi nấm phân tán ánh sáng làm cho ảnh mất sắc nét.

Khi nấm đã mọc đƣợc trên mặt thấu kính rễ nấm để lại những vết ăn mòn dẫn

8

đến độ trong suốt của kính giảm. Nếu để lâu hơi nƣớc sẽ tích tụ lại tại đó, hơi

nƣớc sẽ hòa tan với một axit hữu cơ do nấm tiết ra gây ăn mòn mặt bóng của

thấu kính. Nhƣ vậy, một cơ chế sinh học phức tạp kết hợp với các phản ứng hóa

học đã xảy ra trên bề mặt của thấu kính [4,7]. Một khi sự việc đã xảy ra thì chỉ

còn một giải pháp là phải thay bỏ thấu kính đó bằng một thấu kính mới.

1.3. Vật liệu và công nghệ tạo màng chống mờ trên cơ sở hợp chất cơ silic

1.3.1. Vật liệu tạo màng

Vật liệu sử dụng trong công nghệ này thƣờng đƣợc chế tạo trên cơ sở

màng phủ có chứa hợp chất cơ silic hoặc titan oxit [10-19]. Tuy nhiên, màng

TiO2 đƣợc sử dụng rất hạn chế vì độ truyền quang kém và phải sử dụng nhiệt độ

cao trong quá trình chế tạo màng [15]. Vì vậy, các sản phẩm bảo quản kính

quang học hiện nay thƣờng đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp thủy phân tạo sol

silica trên cơ sở các hệ hợp chất cơ silic, nhƣ: hệ metyltriethoxysilan,

metoxitrimetylsilan, trimetylclorosilan trong metanol, hexan [18]; hệ

tetraetylorthosilicat, methacryloxypropyltrimethoxysilan trong etanol; hệ

tetraetylorthosiliat và metyltriethoxysilane trong etanol; hệ tetraetylorthosilicat

trong etanol; hệ tetraetylorthosilicat và 1,1,1,3,3,3-hexametyldisilazan trong

etanol trong đó tập trung kiểm soát các yếu tố ảnh hƣởng nhƣ: nồng độ hợp chất

silica, nhiệt độ, thời gian, pH, tốc độ khuấy, dung môi…[12,13,18,19]. Vật liệu

sau khi chế tạo thƣờng đƣợc đƣa lên bề mặt kính quang học bằng phƣơng pháp

quét, nhúng, phun, phun quay [9-12, 19].

Phương pháp chế tạo vật liệu

Phƣơng pháp sol-gel là một trong những phƣơng pháp quan trọng và đƣợc

sử dụng chính để tổng hợp vật liệu tạo màng phủ kị nƣớc hiện nay. Phƣơng pháp

này do tác giả R.Roy đề xuất năm 1956, cho phép trộn lẫn các chất ở mức độ

nguyên tử [13]. Do đó, sản phẩm thu đƣợc có độ đồng nhất và độ tinh khiết cao,

bề mặt riêng lớn, kích thƣớc hạt nhỏ, khả năng tạo compozit với thành phần

khác nhau mà phƣơng pháp nóng chảy không thể tổng hợp đƣợc.

Trong những năm gần đây, sol-gel trở thành một phƣơng pháp quan trọng

9

trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu trong lĩnh vực chế tạo màng

mỏng. Phƣơng pháp sol-gel hiện nay đƣợc thực hiện theo 3 hƣớng chính: Thủy

phân muối, thủy phân ankoxit, tạo phức (hay phƣơng pháp PPM - Polymeric

Precursor Method).

Hình 1.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp sol-gel

Phƣơng pháp thủy phân muối thƣờng sử dụng các muối nitrat, clorua, nên

sự thuỷ phân xem nhƣ chỉ xảy ra với các cation kim loại Mz+.

Trong môi trƣờng nƣớc xảy ra phản ứng hydrat hoá: Mz++ nH2O [M(H2O)n]z+ (Phức aquơ)

Sau đó xảy ra phản ứng thuỷ phân: [M(H2O)n]z+ + hH2O [M(OH)h(H2O)n-h](z-h)+ + hH3O+

Phƣơng pháp hủy phân ankoxit: Ankoxit có công thức tổng quát là M(OR)n, trong đó Mn+ là ion kim loại hoặc phi kim có tính ái điện tử; R là gốc

alkyl, n là số oxyhoá.

Các ankoxit phản ứng với nƣớc rất mạnh:

M(OR)n + nH2O → M(OH)n + nROH

Thực tế phản ứng này xảy khá phức tạp. Nó bao gồm hai quá trình chính

gồm: quá trình thủy phân M(OR)n và quá trình ngƣng tụ.

Quá trình thủy phân xảy ra theo cơ chế thế ái nhân SN: Tác nhân ái nhân (nucleophin) tấn công vào Mn+ của ankoxit hình thành trạng thái chuyển tiếp,

10

sau đó vận chuyển proton từ nƣớc sang nhóm RO và loại rƣợu ROH.

Quá trình ngƣng tụ xảy ra ngay sau khi sinh ra nhóm hydroxo. Tuỳ theo

điều kiện thực nghiệm có thể xảy ra ba cơ chế cạnh tranh nhau: alkoxolation,

oxolation, olation:

Nhƣ vậy, bốn phản ứng: thuỷ phân, ankoxolation, oxolation, olation tham

gia vào sự biến đổi ankoxit thành khung oxit. Do đó cấu trúc, hình thái học của

các oxit thu đƣợc phụ thuộc rất nhiều vào sự đóng góp tƣơng đối của mỗi phản

ứng. Sự đóng góp này có thể tối ƣu hoá bằng điều chỉnh điều kiện thực nghiệm

liên quan đến các thông số nội tức là bản chất kim loại và các nhóm ankyl, cấu

trúc của ankoxit và thông số ngoại là tỉ số thuỷ phân r = (H2O)/ (ankoxit), xúc

tác, nồng độ, dung môi và nhiệt độ.

Phƣơng pháp tạo phức: phƣơng pháp sol-gel qua con đƣờng tạo phức với axit

hữu cơ rất đa dạng, điều kiện tổng hợp rất khác nhau.

Về vai trò của axit hữu cơ, theo [12,13] giả thiết axit kết hợp với dung

môi tạo polymer trƣớc khi tạo phức với các ion kim loại hoặc tự nó tạo phức với

ion kim loại. Phần hữu cơ của phức trong điều kiện xác định sẽ trùng hợp với

nhau tạo thành các phân tử polyme hoặc mạng không gian ba chiều. Kết quả là

độ nhớt của dung dịch tăng đột ngột và sol trở thành gel:

M – O – CO –C  ... – C – CO – O – M

Cơ chế này chỉ xảy ra khi trong phần hữu cơ có nối đôi hoặc trong dung

dịch có chứa các chất có khả năng trùng ngƣng tạo este với axit (ví dụ:

etylenglycol, etylendiamin...). Yêu cầu này khắc phục đƣợc khó khăn của

phƣơng pháp thuỷ phân khi muốn tạo compozit từ các muối có khả năng thuỷ

phân khác nhau.

1.3.2. Cơ chế hoạt động của màng kị nƣớc

Màng kị nƣớc là loại vật liệu mới đang đƣợc nhiều nƣớc quan tâm nghiên

cứu và đƣa vào ứng dụng. Công nghệ sử dụng các loại màng kị nƣớc hiện nay

đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới, nó không những

11

chống đọng sƣơng, kị nƣớc, mà còn ngăn cản sự nhiễm bẩn và phát triển của vi

khuẩn trên bề mặt màng. Vật liệu sử dụng trong công nghệ này thƣờng đƣợc chế

tạo trên cơ sở màng phủ có chứa hợp chất cơ silic (fluoroalkylsilanes,

tetraethylorthosilane, chlorotrimethylsilane...) hoặc titan oxit. Tùy từng mục

đích, tính năng sử dụng mà có thể sử dụng màng trên cơ sở hợp chất cơ silic,

oxit silic hoặc màng TiO2 [9-12]. Các kết quả thử nghiệm cho thấy màng kị

nƣớc đã ngăn chặn khá tốt sự phát triển của nấm mốc và có khả năng chống chịu

ăn mòn khá tốt [20-22].

Hình 1.3. Hình ảnh thử nghiệm sự phát triển của nấm mốc và thử nghiệm mù

muối của màng kị nước

Cơ chế hoạt động của các loại màng kị nƣớc là ngăn cản toàn bộ hơi ẩm, hơi

muối biển ngƣng tụ trên bề mặt kính dẫn đến hạn chế môi trƣờng sinh sống và

phát triển của nấm mốc trên bề mặt kính. Có đƣợc tính chất này là do tính dễ

trƣợt và năng lƣợng tự do của bề mặt vật liệu thấp. Hiện nay, để làm giảm năng

lƣợng tự do của vật liệu thƣờng sử dụng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp hình

học và phƣơng pháp hóa học.

Phƣơng pháp hình học: là tạo nhám bề mặt vật liệu nền với độ nhám

cực nhỏ tới kích thƣớc nano bằng cách sử dụng hóa chất ăn mòn hoặc quá trình

xử lý cơ học.

Phƣơng pháp hóa học: là sử dụng các hợp chất có năng lƣợng tự do bề

mặt thấp đƣa lên bề mặt vật liệu nền.

Theo kết quả nghiên cứu [23-24], khi thay thế một số nguyên tố H và C

bởi nguyên tố flo thì năng lƣợng tự do bề mặt tăng: cụ thể -CF3<-CF2H<-CF2-<-

CH3<-CH2-. Nhƣ vậy nhóm -CF3 có năng lƣợng tự do bề mặt nhỏ nhất nên đƣợc

12

ứng dụng để chế tạo màng phủ siêu kị nƣớc. Tuy nhiên, độ liên kết của nó với

nền là lực Van đe Van, do đó khả năng bám dính với nền là rất kém. Ngoài ra F

rất dễ phản ứng với nền thủy tinh nên hợp chất của flo ít đƣợc sử dụng cho bảo

quản kính quang học mà thƣờng sử dụng nhóm -CH3.

Trong khoảng hơn chục năm trở lại đây vấn đề nghiên cứu màng phủ kị

nƣớc đƣợc các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Có nhiều hệ khác nhau

đƣợc nghiên cứu, trong đó phải kể đến một số nghiên cứu chính nhƣ sau:

Năm 2005 H.M. Shang, Y. Wang, S.J. Limmer, T.P. Chou, K. Takahashi,

G.Z. Cao dùng hệ tetraethylorthosilicate và ioxypropyltrimethoxysilane góc tiếp xúc thu đƣợc 105o [19]. Năm 2006 Sharad D.Bhagat, Yong-Ha, Young-Soo Ahn

dùng hệ tetramethoxysilane và 1,1,1,3,3,3- hexamethyldisilazane trong methanol thu đƣợc góc tiếp xúc từ 72-98o [11].

Theo kết quả nghiên cứu của tác giả Xinhui FANG ngƣời Trung Quốc và

cộng sự công bố năm 2009, khi kết hợp quá trình xử lý cơ học bề mặt vật liệu

nền và phủ hóa học thì làm tăng khả năng kị nƣớc của màng phủ lên rất nhiều, góc tiếp xúc có thể đạt >160o cơ chế hình thành màng này trên cơ sở hình thành

dung dịch sol của hợp chất tridecafluoroctyltriethoxysilane trong ethanol, nhƣng

dung dich cần bảo quản ở nhiệt độ thấp, thời gian sử dụng của lớp màng ngắn

[23,24]. Hình 1.4 là hình ảnh thành phần hóa học của màng kị nƣớc trên bề mặt

13

nền kính đƣợc xử lý nhám và ảnh chụp góc tiếp xúc của màng.

Hình 1.4. Cơ chế tạo màng kị nước trên bề mặt kính trên cơ sở các hợp chất

cơ silic

Năm 2010 Satish A. Mahadik, Mahendra S. Kavale, S.K. Mukherjee, A.

Venkateswara Rao dùng methyltriethoxysilane, trimethyl- methoxysilane trong methanol góc tiếp xúc thu đƣợc 161o [13]. Năm 2012 Wang, Shing- Dar, Luo,

Shih- Shiang với hệ tetraethoxysilane, hexamethyldisilazane trong ammoniac đƣợc góc tiếp xúc 154,3o [18].

Những năm gần đây Mỹ và các nƣớc Châu Âu đã bắt đầu nghiên cứu và

sản xuất vật liệu siêu kị nƣớc trên cơ sở hợp chất cơ silic để bảo quản chống mờ

cho kính quang học đƣa vào trang bị kỹ thuật An ninh-Quốc phòng (bảng 1.3).

Bảng 1.3. Chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm sử dụng để bảo quản kính quang học

Tên chỉ tiêu Yêu cầu

Cảm quan Chất lỏng không màu hoặc

hơi vàng

Lƣợng nƣớc giới hạn ≤ 0,05

6÷10

≤ 5

Hàm lƣợng nhóm vinyl, % Độ nhớt chất lỏng ở 20oC, cSt Khối lƣợng riêng, ở 20oC, g/cm3 ≥ 0,7

Độ hòa tan trong toluen và ete dầu tan vô hạn

hỏa

14

Độ truyền qua ≥ 90

Hình 1.5. Cấu trúc bề mặt và góc tiếp xúc của màng kị nước trên cơ sở các hợp

chất cơ sillic

Các hệ vật liệu này ngoài sử dụng cho kính quang học còn đƣợc ứng dụng

rất rộng rãi trong một số lĩnh vực nhƣ phủ lên kính xây dựng, kính ô tô, kính pin

năng lƣợng mặt trời… [21-28]. Khi biến tính hệ vật liệu này với một số hợp chất

hữu cơ còn có thể sử dụng làm màng kị nƣớc cho nhiều hệ vật liệu khác nhƣ: gỗ,

vải, kim loại và gốm sứ. Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay thì

nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu này sẽ mở ra nhiều ứng dụng khác trong thực tiễn.

1.3.3. Các phƣơng pháp để tạo màng phủ chống mờ kính quang học

1.3.3.1. Phƣơng pháp nhúng phủ

Chất nền đƣợc nhúng phủ vào trong lòng chất lỏng rồi rút ra với tốc độ

15

xác định dƣới sự kiểm soát nhiệt độ và áp suất. Độ dày lớp phủ phụ thuộc chính

vào tốc độ nhúng rút, thành phần rắn và độ nhớt của chất lỏng. Độ dày lớp phủ

có thể tính toán đƣợc theo phƣơng trình Landau-Levich:

h = C1(U/g)1/2

với: h: độ dày lớp phủ.

: độ nhớt.

C1: hằng số

U: tốc độ nhúng rút (115 cm/phút).

Điều thú vị là có thể chọn độ nhớt để thu đƣợc độ dày màng chính xác

trong khoảng 20 nm50 m khi duy trì các yếu tố khác.

Gần đây, quá trình nhúng phủ theo góc cũng đƣợc phát triển. Độ dày lớp

phủ phụ thuộc vào góc giữa chất nền và bề mặt chất lỏng, độ dày lớp phủ khác

nhau ở mặt trên và mặt dƣới của nền. Hoặc phát triển cho bề mặt cong nhƣ kính

mắt, chủ yếu thực hiện lớp phủ chống mài mòn cho nền plastic bằng cách xoay

trong quá trình nhúng rút.

16

Hình 1.6. Sơ đồ nhúng (a) và gelatin hóa (b)

Tuy nhiên, phƣơng pháp nhúng phủ có hạn chế là tạo lớp phủ lên một vật

liệu lớn và khi nhúng rút thì kiểm soát áp suất khó khăn.

1.3.3.2. Phƣơng pháp phủ phun

Kỹ thuật này sử dụng rộng rãi trong sơn hữu cơ cho những hình dạng đặc

biệt nhƣ đèn hoặc container thuỷ tinh.

1.3.3.3. Phƣơng pháp phủ chảy

Độ dày lớp phủ phụ thuộc vào góc nghiêng của nền, độ nhớt chất lỏng

phủ và tốc độ bay hơi dung môi.

Kỹ thuật này thƣờng ứng dụng cho mặt phẳng lớn. Tuy nhiên, sau đó

quay nền sẽ giúp đạt đƣợc lớp phủ tối ƣu hơn.

1.3.3.4. Phƣơng pháp quay phủ

Quá trình quay trong điều kiện sạch và tự động. Độ dày lớp phủ vào

khoảng vài trăm nanomet tới 10 micromet. Thậm chí nền không phẳng cũng có

thể tạo màng rất đồng nhất.

Chất lƣợng lớp phủ phụ thuộc vào lƣu biến học của chất lỏng, một nhân tố

quan trọng nữa là số Reynolds không khí xung quanh.

1.3.3.5. Phƣơng pháp phủ quét

Sử dụng các vật dụng thích hợp để đƣa chất phủ lên vật cần phủ, có thể sử

dụng bằng tay hoặc bằng máy. Phƣơng pháp này đơn giản và có thể áp dụng dễ

dàng đối với mọi chi tiết cần phủ mà không áp dụng đƣợc những kỹ thuật phủ

17

khác.

1.3.3.6. Phƣơng pháp phủ hoá học

Phủ hoá học đƣợc hiểu nhƣ một quá trình có xảy ra các phản ứng hoá học

hoặc là quá trình đồng kết tủa trên thuỷ tinh. Phủ hóa học thƣờng xảy ra quá

trình kim loại hoá với chất lỏng thông thƣờng sau khi tạo mầm trên bề mặt thuỷ

18

tinh.

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu

2.1.1. Hóa chất

TT Hóa chất Loại Nƣớc sản xuất

Tetraetylorthosilicat (TEOS) PA (Aldrich-Mĩ) 1 (Si(OC2H5)4)

Polymetylhydrosiloxan (PMHS) 2 (Aldrich-Mĩ) PA CH3(CH3SiHO)nCH3

3 (Aldrich-Mĩ) Trietylclorosilan ((C2H5)3SiCl)

4 (Aldrich-Mĩ) PA PA Trimetyltin clorua ((CH3)3SnCl)

Thủy tinh quang học K8 5 Nga

6 Bông quang học

7 Dietyl ete

Trung Quốc Trung Quốc (Aldrich-Mĩ) 8 CeO2

9 SiO2

Trung Quốc (Aldrich-Mĩ) 10 TiO2

11 isopropanol

12 Hexan

13 Etanol

14 Amonihydroxit

15 Natri hydroxit Trung Quốc Trung Quốc Trung Quốc Trung Quốc Trung Quốc PA PA PA PA PA PA PA PA PA

2.1.2. Dụng cụ, thiết bị

- Bộ cất hồi lƣu: bình cầu 3 cổ 500 ml, sinh hàn hồi lƣu. - Nhiệt kế: 100 oC.

- Phễu nhỏ giọt: 100 ml.

- Cốc, ống đong, pipet, lọ thủy tinh nút nhám, chổi quét, bình phun sƣơng

- Mẫu kính: vuông (20×20×5 mm); tròn ( 30mm).

19

- Bếp từ, tủ sấy, cân phân tích, bình silicator, máy đo pH, ...

2.2. Phân tích nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học sử dụng trong môi

trƣờng biển đảo

Mốc trong kính quang học vẫn là những loại mốc thƣờng gặp trong tự

nhiên nhƣ mốc trên gỗ, trên vải, trên giấy, trên da … Có rất nhiều loại mốc khác

nhau. Tuy vậy, về cơ chế, chúng đều là loại vi sinh thuộc ngành thực vật hạ

đẳng. Khác với các loại thực vật khác, mốc không có diệp lục nên không thể tạo

thức ăn hữu cơ từ CO2 của không khí và ánh sáng mặt trời, mốc phải sống nhờ

các chất hữu cơ có sẵn trong tự nhiên hay nhân tạo. Khi phát triển, mốc gồm

một hệ thống sợi có phân nhánh, phân nhánh mang theo bào tử là bộ phận sinh

sản của mốc.

Trong kính quang học có bào tử mốc, khi gặp nhiệt độ và độ ẩm phù hợp

các tế bào mốc sẽ phát dục và trƣởng thành, kết lại với nhau thành sợi mảnh có

độ rộng cỡ phần trăm mi-li-mét và dài chừng phần mƣời mi-li-mét. Nếu không

đƣợc cung cấp chất dinh dƣỡng thì mốc kết thúc ở giai đoạn phát dục này rồi

chết. Ngƣợc lại, nếu nhận đƣợc nguồn dinh dƣỡng thì mốc tiếp tục phát triển,

sợi mốc đƣợc kéo tài ra rất nhanh và đẻ thêm nhiều thành viên mới. Quá trình

phát triển này của mốc đã đƣợc trung tâm nghiên cứu sự ăn mòn vật liệu do vi

sinh thuộc viện Hàn lâm khoa học Tiệp Khắc kiểm nghiệm nhƣ sau:

Đƣa một số bào tử mốc lên bề mặt kính đã đƣợc lau sạch (nghĩa là không

có chất dinh dƣỡng cho mốc), mẫu đƣợc đặt trong hộp kín có độ ẩm là 90% và nhiệt độ là 20 0C thì thấy, chỉ sau 4 ngày mốc đã hoàn thiện giai đoạn phát dục,

sợi mốc có kích thƣớc dài 0,6 đến 1 mm, rộng cũng không thấy mốc phát triển

thêm và bắt đầu bong ra khỏi mặt kính, nghĩa là mốc đã chết. Nhƣ vậy là, khi có

bào tử mốc mà không có chất dinh dƣỡng thì mốc cũng không thể phát triển.

Thí nghiệm thứ hai đƣợc tiến hành để xét ảnh hƣởng của điều kiện môi

trƣờng đến sự phát triển của mốc:

Nuôi mốc sau 28 ngày trên vật liệu chịu mốc trong những điều kiện nhiệt

độ và độ ẩm khác nhau, trong đó tốc độ phát triển của mốc đƣớc biểu thị tăng

20

bằng độ dài sợi mốc.

Hình 2.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính

Kết quả nghiên cứu đƣợc thể hiện bằng các đặc tuyến trên hình 2.1. Độ

ẩm càng cao mốc phát triển càng nhanh. Thí nghiệm cũng chứng minh đƣợc

rằng, độ ẩm môi trƣờng thích nghi cho mốc phát triển là r ≥ 70% trong môi

trƣờng có độ ẩm thấp hơn mốc phát triển rất chậm, khi r ≤ 65% mốc sẽ không

21

phát dục và phát triển.

Về phƣơng diện nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho mốc phát triển nằm trong khoảng từ 200C đến 350C. Ngoài phạm vi nhiệt độ này mốc hầu nhƣ ngừng phát triển và mốc sẽ chết ở nhiệt độ 1000C ≤ t0 ≤ (-150C).

Hai thí nghiệm này chứng tỏ, mốc chỉ phát triển đƣợc khi có đầy đủ bốn điều

kiện sau:

- Phải có bào tử mốc

- Phải có chất dinh dƣỡng cho mốc

- Phải có độ ẩm phủ hợp

- Phải có nhiệt độ phù hợp

Nhƣ vậy, nếu tìm thấy loại trừ hoặc khống chế đƣợc một trong bốn điều

kiện phát triển trên thì mốc sẽ không thể phát sinh và phát triển.

2.3. Nghiên cứu, phân tích các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình chế tạo màng

phủ kỳ nƣớc cho kính quang học

Việc lựa chọn hệ hợp chất cơ silic cho quá trình tổng hợp các hệ vật liệu

là yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến quá trình chế tạo sản phẩm chống mờ

kính quang học [11-16,25,26], luận văn lựa chọn các hệ vật liệu trên cơ sở hợp

chất cơ silic của polymetylhydrosiloxan (PMHS) và tetraetylorthosilicat (TEOS)

với dung môi isopropanol.

2.3.1. Phân tích ảnh hƣởng của tiền chất chế tạo dung dịch chống mờ kính.

2.3.1.1. Tiền chất Polymetylhydrosiloxan

Quá trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hợp chất polymetylhydrosiloxan

đƣợc tính toán theo tỷ lệ thể tích (CH3SiHO)n:C3H7OH= 1:10. Quá trình tổng

hợp vật liệu đƣợc thực hiện trên hệ thống đun hồi lƣu nhƣ sau: nhỏ 1 phần dung

dịch (CH3SiHO)n vào 10 phần dung môi C3H7OH, pH của hệ đƣợc điều chỉnh

bằng dung dịch NaOH 0,1 N trong isopropanol đến 810. Hỗn hợp tiếp tục đƣợc

khuấy đều trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng. Vật liệu sau tổng hợp đƣợc tiến hành

phủ lên kính để khảo sát sự thay đổi tính chất của kính và khả năng chống nấm

22

mốc. Vật liệu đƣợc kí hiệu là: M1

2.3.1.2. Tiền chất Tetraetylorthosilicat

Hệ vật liệu trên cơ sở hợp chất tetraetylorthosilicat đƣợc tổng hợp tƣơng

tự với hệ vật liệu trên cơ sở hợp chất polymetylhydrosiloxan bằng cách thay thế

tác nhân polymetylhydrosiloxan bằng tác nhân tetraetylorthosilicat. Vật liệu

đƣợc kí hiệu: M2

2.3.1.3. Tiền chất polymetylhydrosiloxan và tetraetylorthosilicat

Quá trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở (CH3SiHO)n và Si(OC2H5)4 đƣợc

tính toán và khảo sát theo tỷ lệ thể tích (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 1:1;

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 1:2 và (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 2:1. Quá trình

tổng hợp vật liệu đƣợc thực hiện trên hệ thống đun hồi lƣu nhƣ sau:

Dung dịch A: đƣợc tính toán theo tỷ lệ thể tích(CH3SiHO)n:C3H7OH =

1:10 bằng cách nhỏ 1 phần dung dịch (CH3SiHO)n vào 10 phần dung môi

C3H7OH, pH của hệ đƣợc điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 0,1 N trong

isopropanol đến 810. Hỗn hợp tiếp tục đƣợc khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt

độ phòng.

Quá trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở (CH3SiHO)n và Si(OC2H5)4 đƣợc

tính toán và khảo sát theo tỷ lệ thể tích (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 1:1;

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 1:2 và (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 2:1. Quá trình

tổng hợp vật liệu đƣợc thực hiện trên hệ thống đun hồi lƣu nhƣ sau:

Dung dịch A: đƣợc tính toán theo tỷ lệ thể tích(CH3SiHO)n:C3H7OH =

1:10 bằng cách nhỏ 1 phần dung dịch (CH3SiHO)n vào 10 phần dung môi

C3H7OH, pH của hệ đƣợc điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 0,1 N trong

isopropanol đến 810. Hỗn hợp tiếp tục đƣợc khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt

độ phòng.

Dung dịch B: đƣợc tính toán theo tỷ lệ thể tích Si(OC2H5)4: C3H7OH=

1:10 bằng cách nhỏ 1 phần dung dịch Si(OC2H5)4 vào 10 phần dung môi

C3H7OH. Hỗn hợp tiếp tục đƣợc khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt độ phòng.

Hệ vật liệu thu đƣợc bằng cách trộn dung dich A và dung dịch B theo các

23

tỷ lệ thể tích tƣơng ứng là (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 1:1; (CH3SiHO)n :

Si(OC2H5)4 = 1:2 và (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 2:1. Hỗn hợp tiếp tục đƣợc

khuấy đều trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng. Vật liệu sau tổng hợp đƣợc tiến hành

phủ lên kính. Vật liệu dùng để thử nghiệm quá trình tạo màng trên kính đƣợc kí

hiệu là: M3, M4, M5 tƣơng ứng với các tỷ lệ thể tích là (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4

= 1:1; (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 1:2 và (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 = 2:1.

2.3.2. Phân tích ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình tổng hợp vật

liệu

2.3.2.1. Ảnh hƣởng của pH

Để khảo sát ảnh hƣởng của pH tới đặc tính kỹ thuật của vật liệu cũng nhƣ

tính chất của màng phủ luận văn thực hiện tổng hợp vật liệu ở các pH: 3; 6; 8; 9;

11 và 14; pH của hệ đƣợc điều chỉnh bằng các dung dịch HCl 0,1N và NaOH

0,1N trong isopropanol. Quá trình tổng hợp tƣơng tự nhƣ tổng hợp vật liệu M3

trên, vật liệu sau tổng hợp đƣợc phủ lên kính quang học, sau 2 giờ đo góc tiếp

xúc giọt nƣớc để đánh giá khả năng kị nƣớc của các mẫu kính khảo sát. Kí hiệu

3; M3-6; M3-8; M3-9; M3-11 và M3-14.

các mẫu kính đƣợc đánh dấu tƣơng ứng với giá trị pH 3; 6; 8; 9; 11 và 14 là: M3-

2.3.2.2. Ảnh hƣởng của chất chống nấm mốc đến tính năng của vật liệu

Trong quá trình nghiên cứu khảo sát và trên cơ sở các kết quả công bố

trong và ngoài nƣớc cho thấy, để tăng khả năng chống nấm mốc của các màng

phủ thì vật liệu tạo màng phủ thƣờng đƣợc nghiên cứu, lựa chon và bổ sung các

phụ gia có khả năng chống mốc. Vì vậy, luận văn đã lựa chọn đƣợc hệ chống

mốc trên cơ sở hợp chất trimetyltinclorua để bổ sung vào vật liệu [1,20-22]. Các

mẫu vật liệu đƣợc khảo sát với nồng độ là 0,2; 0,4; 0,6 và 1,0 % khối lƣợng chất

phụ gia trimetyltin clorua, các mẫu kính sau khi phủ vật liệu đƣợc kí hiệu lần

lƣợt nhƣ sau: M3-0,2; M3-0,4; M3-0,6 và M3-1.

2.3.3. Nghiên cứu phƣơng pháp tạo màng phủ

Để vật liệu tạo màng phủ liên kết tốt với bề mặt nền đòi hỏi phải loại bỏ

hoàn toàn các tác nhân ngăn cản sự liên kết của vật liệu với nền. Vì vậy, quá

24

trình làm sạch kính trƣớc khi phủ vật liệu kị nƣớc là rất quan trọng. Hiện nay,

đối với kính quang học trƣớc khi phủ màng bảo vệ phải tuân thủ các quy trình

làm sạch nhƣ sau:

+ Kính trƣớc khi phủ vật liệu đƣợc soi kiểm kỹ bề mặt kính, sau đó tiến

hành lau kỹ bằng hỗn hợp etanol-dietyl ete để loại nƣớc tự do.

+ Kính sau khi soi nếu phát hiện có chân mốc tiến hành loại bỏ bằng

phƣơng pháp mài tẩy chân mốc bằng hỗn hợp bột CeO2 trƣớc khi lau bằng hỗn

hợp etanol-dietyl ete.

Ngoài công đoạn chuẩn bị bề mặt kính thì chất lƣợng của màng phủ trên

nền kính phụ thuộc rất nhiều yếu tố nhƣ: phƣơng pháp tạo màng; thời gian tạo

màng, nhiệt độ sấy…

Để lựa chọn kỹ thuật tạo màng phủ trên nền kính quang học, luận văn đã

tiến hành khảo sát các kỹ thuật tạo màng phủ và các yếu tố ảnh hƣởng tới tính

chất của màng (thời gian và nhiệt độ sấy) đến một số tính chất của màng phủ

trên nền kính. Trong đó các kỹ thuật tạo màng đƣợc khảo sát cụ thể là số lần

quét.

2.4. Nghiên cứu phân tích tính chất màng phủ kỳ nƣớc

- Phƣơng pháp nuôi cấy nấm mốc: quá trình nuôi cấy đƣợc tiến hành trên

các thiết bị tủ ấm, buồng nuôi cấy của Phòng Hóa sinh, Viện Hóa học-Vật liệu.

Hình thái của các chủng này đƣợc xác định bằng thiết bị kính hiển vi điện tử

quét (SEM) D4800-Hitachi. Theo dõi sự phát triển của nấm mốc bằng kính hiển

vi Olympus (Nhật Bản).

- Phƣơng pháp đo phổ hồng ngoại IR: xác định liên kết của vật liệu.

- Phƣơng pháp đo góc tiếp xúc giọt nƣớc: góc tiếp xúc giọt nƣớc với bề

mặt màng phủ bằng thiết bị đo góc tiếp xúc quang và sức căng bề mặt KSV,

Đức.

- Phƣơng pháp thử nghiệm mù muối: độ bền hơi muối đƣợc thử nghiệm ở

mức khắc nghiệt 2 trên thiết bị S450/ascott, Mĩ.

- Phƣơng pháp đo độ truyền quang: độ truyền quang của kính đƣợc đo

25

trên máy quang phổ UV-2550, Mĩ.

Ngoài các phƣơng pháp trên, luận văn đã sử dụng các phƣơng pháp để

khảo sát một số tính chất của vật liệu và màng phủ kính quang học, cụ thể:

phƣơng pháp đo chiết suất; màu sắc; pH; khối lƣợng riêng; hàm lƣợng nƣớc; đo

26

chiều dày (phƣơng pháp đầu dò laze-AS, thiết bị KLA Tenco, Mĩ )…

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Phân tích nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học

Quá trình phân tích đƣợc thực hiện trên các mẫu kính quang học thu thập

tại các đơn vị đóng quân tại một số vùng biển đảo đánh giá nguyên nhân gây

mờ, mốc kính quang học. Các chủng nấm mốc trên các mẫu kính thu thập đƣợc

phân lập và nuôi cấy tại phòng thí nghiệm. Hình thái của các chủng này đƣợc

xác định bằng thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM). Thành phần của môi

trƣờng nuôi cấy và hình ảnh các mẫu kính sử dụng trong quá trình nghiên cứu

tại bảng 3.1 và hình 3.1.

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của môi trƣờng nuôi cấy nấm mốc

Thành phần hóa học Đơn vị tính Khối lƣợng

1 g/l 2 NaNO3

2 g/l 1 K2HPO4

3 Saccharose g/l 20

4 g/l 0,5 MgSO4.7H2O

5 KCl g/l 0,5

6 g/l 0,1 FeSO4.7H2O

7 g/l 3 CaCO3

8 Agar g/l 20

9 Nƣớc ml 1000

27

pH = 7, khử trùng 121oC trong 30 phút

Hình 3.1. Hình ảnh nuôi cấy nấm mốc trong phòng thí nghiệm

Sau 15 ngày nuôi cấy các chủng mốc trong phòng thí nghiệm qua kính

quang học nhận thấy các mẫu nấm mốc phát triển rất rõ. Hình 3.2 là ảnh hiển vi

điện tử quét về hình thái học của nấm, mốc phân lập đƣợc từ kính quang học.

a) Aspergillus niger b) Metarhizium anisopliae

Hình 3.2. Ảnh SEM các chủng mốc trên kính quang học sau 15 ngày nuôi cấy

Nhìn hình 3.2 nhận thấy rằng, các chủng nấm mốc đƣợc xác định là

Aspergillus niger và Metarhizium anisopliae, đây là hai chủng nấm mốc rất phổ

biến trong tự nhiên. Nhƣ vậy, hai chủng nấm mốc này khi sinh trƣởng và phát

28

triển là nguyên nhân chính gây mờ kính quang học [4,7].

3.2. Nghiên cứu phân tích, chế tạo vật liệu trên cơ sở hợp chất cơ silic và

đánh giá một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu

3.2.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu

Trên cơ sở khảo sát, luận văn lựa chọn các hệ vật liệu trên cơ sở hợp chất

cơ silic của polymetylhydrosiloxan (PMHS) và tetraetylorthosilicat (TEOS) với

dung môi isopropanol.

3.2.1.1. Phân tích ảnh hƣởng của polymetylhydrosiloxan và tetraetylorthosilicat

Hệ vật liệu tổng hợp đƣợc tính toán theo tỷ lệ thể tích của tiền chất trình

bày trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Tỉ lệ thành phần hợp chất cơ silic sử dụng tổng hợp vật liệu

CMKQH

Ký Tỉ lệ tiền

hiệu chất Tiền chất Xúc tác pH

mẫu (theo V)

M1 1:10 NaOH, 0,1N 810 (CH3SiHO)n:C3H7OH

M2 1:10 NaOH, 0,1N 810 Si(OC2H5)4:C3H7OH

M3 1:1 NaOH, 0,1N 810 (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4

M4 1:2 NaOH, 0,1N 810 (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4

M5 2:1 NaOH, 0,1N 810 (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4

Các mẫu vật liệu sau tổng hợp đƣợc phủ tạo màng trên kính quang học để

khô trong thời gian 2 giờ. Kết quả đo góc tiếp xúc giọt nƣớc đƣợc trình bày tại

29

hình 3.3.

Hình 3.3. Góc tiếp xúc giọt nước của màng trước và sau khi phủ màng bảo vệ

M0: kính trƣớc khi phủ. M1; M2; M3; M4; M5: sau khi phủ vật liệu tƣơng ứng

tỉ lệ tiền chất ở bảng 3.4

Qua kết quả đo góc tiếp xúc:

- Trƣớc khi phủ mẫu kính trắng có góc tiếp xúc là 59,4o

(M0) sau khi tiến hành phủ góc tiếp xúc có sự thay đổi. Với mẫu M1 góc tiếp xúc là 88,1o tăng 28,7o; với mẫu M2 góc tiếp xúc đạt 78,67o tăng 19,27o so với

mẫu kính trắng không đƣợc phủ. Góc tiếp xúc M1 > M2 là do

tetraetylorthosilicat không có hydro linh động dẫn đến sự polime hóa khi bay

hơi dung môi để tạo lớp màng phủ kém hơn và có thể một phần nhóm -OH của

tiền chất tetraetylorthosilicat sau khi thủy phân chƣa phản ứng với nhóm -OH

của nền thủy tinh, do vậy tính kị nƣớc của màng phủ chƣa cao [25,26].

- Qua thực nghiệm, với tác nhân polymethylhydrosiloxan và

methyltrietthoxysilane mỗi loại hệ vật liệu còn tồn tại nhƣợc điểm. Vậy nên tiến

hành trên cơ sở cả hai hợp chất polymetylhydrosiloxan và tetraetylorthosilicat. Các mẫu M3; M4; M5 góc tiếp xúc lần lƣợt là 107,29o; 102,85o; 117,87o. Khi

tăng hàm lƣợng polymetylhydrosiloxan thì góc tiếp xúc tăng mạnh hơn so với

tăng hàm lƣợng tetraetylorthosilicat. Trong dung môi isopropannol có mặt xúc

tác NaOH sẽ thực hiện phản ứng thủy phân tetraetylorthosilicat xuất hiện nhóm

30

-OH, khi đó sẽ xảy ra phản ứng trùng ngƣng nhóm -OH này với -OH nền thủy

tinh và -OH của polymetylhydrosiloxan tạo thành màng phủ trên bề mặt kính

[25, 26]. Nhƣ vậy, tetraetylorthosilicat có vai trò chính kết nối giữa nền thủy

tinh với polymetylhydrosiloxan.

Sau khi đo góc tiếp xúc, tiến hành xác định độ truyền quang của của màng

phủ trên kính quang học. Kết quả tính toán độ truyền quang trung bình trong

vùng bƣớc sóng 350750 nm đƣợc trình bày trong bảng 3.3 và hình 3.4.

a) Độ truyền quang của kính chưa phủ

b) Độ truyền quang mẫu phủ vật liệu chống mờ

Hình 3.4. Xác định độ truyền quang (%) mẫu kính

31

trước và sau khi phủ vật liệu chống mờ

Bảng 3.3. Độ truyền quang trung bình (%) của vật liệu trong vùng

bƣớc sóng 350750 nm

Ký hiệu M0 M1 M2 M3 M4 M5

Độ truyền qua, % 99,860 99,754 99,763 99,756 98,894 98,734

Kết quả bảng 3.3 cho thấy khi phủ vật liệu chống mờ lên bề mặt kính độ

truyền quang của kính có sự thay đổi theo chiều hƣớng giảm, độ giảm ứng với

các tiền chất khác nhau là khác nhau. Cụ thể, đối với mẫu không phủ (M0) độ

truyền quang đạt 99,860 %, với mẫu phủ vật liệu độ truyền quang của mẫu M1;

M2; M3; M4 và M5 tƣơng ứng đạt 99,754; 99,763; 99,756; 98,894 và 98,734%.

Điều này cho thấy sử dụng tỉ lệ 1:1 đạt kết quả tổng hợp cao nhất (góc tiếp xúc

giọt nƣớc tốt và độ truyền quang cao). Do vậy, luận văn lựa chọn hợp chất cơ

silic với tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4=1:1 để thực hiện những nghiên cứu tiếp

theo.

3.2.1.2. Phân tích ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình tổng hợp vật

liệu

Ảnh hưởng của pH

Để khảo sát ảnh hƣởng của pH tới đặc tính kỹ thuật của vật liệu cũng nhƣ

tính chất của màng phủ luận văn thực hiện tổng hợp vật liệu ở các pH sau: 3; 6;

8; 9; 11; 14, pH của hệ đƣợc điều chỉnh bằng các dung dịch HCl 0,1N và NaOH

0,1N. Quá trình tổng hợp tƣơng tự nhƣ tổng hợp vật liệu mẫu M3 ((CH3SiHO)n :

Si(OC2H5)4=1:1), vật liệu sau tổng hợp đƣợc phủ lên kính quang học, sau 2 giờ

đo góc tiếp xúc giọt nƣớc. Đồ thị biểu hiện ảnh hƣởng của pH đến góc tiếp xúc

tại hình 3.5.

Khi thay đổi pH từ 3; 6 đến 8 thì góc tiếp xúc giọt nƣớc lần lƣợt đạt 105,87; 100,65o và 109,55o góc tiếp xúc ở các giá trị pH trong giai đoạn không

thể hiện đƣợc sự ảnh hƣởng. Ở các giá trị này do tiền chất

polymetylhydrosiloxan và tetraetylorthosilicat thủy phân kém, vì vậy, khả năng

liên kết của màng phủ với nền kém và thời gian chờ khô của màng chƣa đủ lâu

32

dẫn đến màng phủ chƣa đƣợc khô hoàn toàn.

Tiếp tục tăng giá trị pH lên 9; 11; 14 thì giá trị góc tiếp xúc thu đƣợc tăng mạnh, lần lƣợt đạt 115,27; 122,14 và 151,43o. Điều này cho thấy quá trình phản

ứng xảy ra mạnh ở môi trƣờng kiềm. Tuy nhiên, ở giá trị pH từ 11 đến 14 sản

phẩm tạo ra không bền, sau 24 giờ dung dịch đã xuất hiện sự kết tụ tạo thành các

hạt sol lớn màu trắng đục trong dung dịch. Do vậy, luận văn chọn điều kiện tổng

hợp vật liệu tại giá trị pH=9 nhằm đảm bảo màng phủ bám dính tốt trên bề mặt

kính mà không làm thay đổi tính năng kỹ thuật của kính.

Qua đồ thị cho thấy giá trị pH ảnh hƣởng nhiều đến tính chất của màng

phủ.

Hình 3.5. Góc tiếp xúc giọt nước của mẫu kính khi thay đổi pH

Tiến hành đánh giá ảnh hƣởng của nồng độ pH đến chất lƣợng truyền

quang của kính quang học. Với nồng độ pH thay đổi từ 3; 6; 8; 9; 11; 14, các

mẫu kính đƣợc ký hiệu lần lƣợt là M3-3; M3-6; M3-8; M3-9; M3-11; M3-14. Kết quả

33

đánh giá độ truyền quang đƣợc thể hiện trên bảng 3.4.

Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ pH đến độ truyền quang

Ký hiệu M0 M3-3 M3-6 M3-8 M3-9 M3-11 M3-14

Độ truyền qua, % 99,860 98,745 99,175 99,340 99,600 99,450 98,890

Qua phân tích, đo đạc độ truyền quang thấy rằng các mẫu có độ pH khác

nhau cho độ truyền quang là khác nhau. Mẫu ban đầu khi chƣa phủ màng bảo vệ

có độ truyền quang là 99,860%, khi phủ màng bảo vệ khiến độ truyền quang

giảm nhẹ. Đặc biệt là mẫu M3-9 cho độ truyền quang 99,600% không khác so với

mẫu ban đầu M0. Nhƣ vậy, màng bảo vệ kính quang học chế tạo có độ pH = 9

cho chất lƣợng truyền quang là cao nhất, đảm bảo không làm thay đổi các yêu

cầu kỹ thuật của kính quang học.

Ảnh hưởng của chất chống nấm mốc đến tính năng của vật liệu

Các mẫu vật liệu đƣợc khảo sát với nồng độ là 0,2; 0,4; 0,6 và 1,0 % khối

lƣợng chất phụ gia trimetyltin clorua giá trị pH= 9. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng

của chất phụ gia chống mốc đến góc tiếp xúc dƣới hình 3.6.

Kết quả hình 3.6 cho thấy khi bổ sung chất chống mốc góc tiếp xúc giọt

nƣớc có xu hƣớng giảm theo chiều tăng nồng độ chất chống mốc. Cụ thể khi thêm 0,2% góc tiếp xúc giọt nƣớc giảm từ 115,27o xuống 114,09o. Tiếp tục tăng

hàm lƣợng chất chống mốc lên 0,4; 0,6 và 1% góc tiếp xúc giọt nƣớc giảm mạnh xuống 99,76o; 92,19o và 87,45o. Sự giảm góc tiếp xúc này do clo trong hợp chất

trimetyltin clorua liên kết trực tiếp với Sn tạo ra hợp chất có khả năng hút ẩm

34

cao làm giảm khả năng kị nƣớc của màng phủ.

Hình 3.6. Góc tiếp xúc giọt nước của mẫu kính khi sử dụng hệ vật liệu có bổ

sung phụ gia chống nấm mốc

Tiến hành đánh giá ảnh hƣởng của việc bổ sung chất chống nấm mốc đến

chất lƣợng truyền quang của kính quang học. Với hàm lƣợng chất chống nấm

mốc đƣợc điều chỉnh thay đổi lần lƣợt từ 0; 0,2; 0,4; 0,6 và 1% các mẫu kính

đƣợc ký hiệu lần lƣợt là M3-0; M3-0,2; M3-0,4; M3-0,6 và M3-1. Kết quả đánh giá độ

truyền quang đƣợc thể hiện trên bảng 3.5 và mẫu M3-0,2 thể hiện trên hình 3.7.

35

Hình 3.7. Độ truyền quang mẫu phủ có bổ sung chống nấm mốc 0,2% (M3-0,2)

Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất chống nấm đến độ truyền quang

Ký hiệu M3-0 M3-0,2 M3-0,4 M3-0,6 M3-1

Độ truyền quang, 99,600 99,530 98,560 97,980 96,735 %

Qua phân tích, đo đạc độ truyền quang thấy rằng các mẫu có hàm lƣợng

chất chống nấm mốc khác nhau cho độ truyền quang là khác nhau. Mẫu không

bổ sung chất chống nấm mốc sau khi phủ có độ truyền quang là 99,600%, khi bổ

sung chất chống nấm mốc vào vật liệu chế tạo thì độ truyền quangng có khuynh

hƣớng giảm. Tuy nhiên, mức độ suy giảm độ truyền quangng là khác nhau rất

nhiều, việc tăng chất chống nấm mốc là giảm độ truyền quangng của kính sau

khi phủ màng chế tạo. Đối với mẫu M3-0,2 bổ sung 0,2% chất chống nấm mốc,

mẫu phủ có độ truyền quang 99,530% không khác nhiều so với mẫu không cho

thêm chất chống nấm mốc (chỉ giảm rất ít). Khi tăng chất chống nấm lên thì độ

truyền quang kém hơn rất nhiều. Nguyên nhân gây ra giảm độ truyền quang của

kính là khi phủ màng có bổ sung thêm các chất chống nấm mốc, chất chống nấm

mốc chứa thành phần Clo tƣơng tác với vật liệu nền gây giảm khả năng truyền

quang kính. Điều này cho thấy việc bổ sung chất chống nấm mốc vào kính

quang học cần phải hạn chế.

Vì vậy, để khảo sát làm rõ hơn khả năng chống nấm mốc của các mẫu

thực nghiệm khi sử dụng hệ vật liệu có bổ sung phụ gia chống nấm mốc, luận

văn tiến hành khảo sát sự phát triển của nấm mốc đối các mẫu kính phủ vật liệu

bằng cách cấy các chủng mốc đã đƣợc phân lập lên kính quang học. Kết quả sau

36

5 tuần nuôi cấy đƣợc trình bày trong hình 3.8.

a) M3-0

b) M3-0,2 c) M3-0,4

d) M3-0,6 e) M3-1

Hình ảnh sự phát triển nấm mốc sau 5 tuần nuôi cấy

Hình 3.8. Sự phát triển của nấm mốc trên mẫu kính phủ vật liệu bảo vệ

kính quang học sau 5 tuần nuôi cấy

M3-0: không chứa chất chống mốc; M3-0,2; M3-0,4; M3-0,6 và M3-1: chứa chất chống

37

mốc tƣơng ứng: 0,2; 0,4; 0,6 và 1 %

Kết quả cho thấy, với mẫu không sử dụng chất chống mốc, sau 5 tuần

nuôi cấy (hình 3.8 M3-0) xuất hiện sợi nấm từ những bào tử nấm cấy trên bề mặt

kính. Trong đó, hình ảnh sợi nấm dài và có xu hƣớng phát triển lan rộng ra trên

bề mặt kính. Còn mẫu sử dụng chất chống mốc với hàm lƣợng 0,2; 0,4; 0,6 và

1). Kết quả này cho thấy khả năng ngăn cản sự phát triển của nấm mốc là đáng

1% thấy xuất hiện một lƣợng nhỏ sợi nấm (hình 3.12 M3-0,2; M3-0,4; M3-0,6 và M3-

kể so với mẫu không thêm phụ gia. Qua khảo sát, nhận thấy khả năng ngăn cản

sự phát triển nấm mốc ở các nồng độ này là không thể hiện rõ sự khác nhau

nhiều, trong khi đó độ giảm góc tiếp xúc giọt nƣớc, giảm độ truyền quang quá

lớn đối với mẫu khi tăng nồng độ chất chống mốc. Do vậy, luận văn chọn hệ vật

liệu có bổ sung 0,2% (hệ vật liệu M3-0,2) chất chống nấm mốc là đảm bảo góc

tiếp xúc giọt nƣớc và khả năng chống mốc của vật liệu đạt hiệu quả cao nhất.

3.2.2. Khảo sát một số tính chất của vật liệu

Trên cơ sở nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình tổng hợp vật

liệu, luận văn đã xây dựng tiến trình (hình 3.9) và quy trình kỹ thuật tổng hợp

PMHS + C3H7OH + NaOH

Khuấy: 120 phút

TEOS (nhỏ từ từ)

Khuấy: 30 phút

(CH3)3SnCl

Khuấy: 60 phút

Sản phẩm

vật liệu chống mờ kính quang học.

Hình 3.9. Tiến trình tổng hợp vật liệu chống mờ kính quang học

Mẫu vật liệu sau khi tổng hợp đƣợc khảo sát một số tính chất, kết quả

38

đƣợc trình bày trong bảng 3.6.

Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chống mờ sau khi tổng hợp

Vật liệu chống mờ kính sau tổng hợp Đơn vị Chất lƣợng sản phẩm đo STT Tên chỉ tiêu kỹ thuật

Không màu, trong suốt, 01 Ngoại quan (TCVN 7759:2008) - không phân lớp

Độ nhớt chất lỏng ở 20oC (TCVN 02 mm2/s 0,57 3171:2011)

Hàm lƣợng nƣớc (TCVN 03 % < 0,04 2692:2007)

Độ hòa tan trong toluen theo tỷ lệ 04 Hòa tan hoàn toàn - mẫu : toluen là 1:2 (mắt thƣờng)

Độ hòa tan trong ete dầu hỏa theo tỷ

- 05 lệ mẫu : ete dầu hỏa là 1:2 (mắt Hòa tan hoàn toàn

06 thƣờng) Khối lƣợng riêng ở 20oC kg/m3 699,5

Nhƣ vậy, vật liệu chống mờ kính quang học sau khi tổng hợp là dung dịch

không màu và có các chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm nhƣ bảng trên. Qua kết quả

phân tích, đo đạc cho thấy sản phẩm chế tạo đạt đủ các chỉ tiêu nhƣ yêu cầu.

3.3. Nghiên cứu công nghệ tạo màng

3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp phủ

Qua khảo sát các chi tiết kính quang học và điều kiện thực tiễn trong sửa

chữa bảo quản kính quang học bị mờ mốc, luận văn nhận thấy sử dụng vật liệu

tạo màng chống mờ kính quang học bằng kỹ thuật quét là phù hợp với điều kiện

thực tiễn, do đó luận văn tập trung khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng tới quá

trình tạo màng bằng phƣơng pháp quét tạo màng trên nền kính. Quá trình thực

nghiệm cho thấy đối với các mẫu thử nghiệm số lần quét tạo màng cho mẫu 35

lần thì thời gian khô màng lâu, đặc biệt có mẫu thời gian khô không đồng đều

39

giữa các vùng. Vì vậy, luận văn lựa chọn số lần quét tạo màng từ một đến hai

lần. Hình 3.10 ảnh góc tiếp xúc của giọt nƣớc trên bề mặt kính quang học sau

khi phủ vật liệu tạo màng bằng phƣơng pháp quét một lần và quét hai lần.

(M3-P1) (M3-P2)

Hình 3.10. Góc tiếp xúc của giọt nước phủ một lần (M3-P1)

và phủ hai lần (M3-P2)

Kết quả cho thấy đối với mẫu sau khi phủ vật liệu tạo màng một lần (hình 3.10 M3-P1) và hai lần (hình 3.10 M3-P2) thì góc tiếp xúc lần lƣợt đạt đạt 104,37o và 114,34o, chứng tỏ sau khi phủ hai lần vật liệu tạo màng thì góc tiếp xúc của

giọt nƣớc đã tăng đáng kể so với phủ một lần. Điều này làm tăng khả năng

chống bám bẩn do tính chất kị nƣớc của kính quang học đã tăng.

Để đánh giá chất lƣợng bề mặt lớp phủ màng lên kính quang học, nhóm

tiến hành khảo sát thêm chiều dày lớp phủ bằng phƣơng pháp đầu dò laze của

40

mẫu màng phủ một, hai lần quét đƣợc trình bày ở hình 3.11.

a) Mẫu M3-P1 - Phủ một lần

b) Mẫu M3-P2 - Phủ hai lần

Hình 3.11. Giản đồ AS xác định chiều dày với số lần quét khác nhau

Trên giản đồ AS (hình 3.11) cho thấy, màng phủ có cấu trúc đồng đều và

bằng phẳng, lớp phủ sau lần quét 1 và 2 là mỏng. Màng phủ sau 1 lần quét

(hình 3.11a) có chiều dày trung bình khoảng 0,0113 µm, sau 2 lần quét (hình

3.11b) có chiều dày tăng lên 1 chút là 0,0159 µm. Với chiều dày chỉ là 0,0159

41

µm, màng phủ không làm ảnh hƣởng đến tính chất kỹ thuật của kính, lớp phủ

đảm bảo sự đồng đều hơn, độ bền của màng cao hơn và lớp chiều dày này cũng

tƣơng đƣơng với chiều dày màng phủ sử dụng vật liệu đƣợc khảo sát (vật liệu

nƣớc ngoài đang sử dụng).

Nhƣ vậy, nên tiến hành phủ hai lần sẽ thu đƣợc bề mặt màng có cấu trúc

phẳng, đồng đều, có khả năng bảo vệ kính và có tính chất kị nƣớc cao.

3.3.2. Tiến trình tạo màng phủ chống mờ kính quang học

Trên cơ sở nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình tạo màng phủ

vật liệu trên nền kính quang học, đã xây dựng tiến trình (hình 3.12) và quy trình

kỹ thuật sử dụng vật liệu chống mờ kính quang học (có quy trình kỹ thuật sử

Kính quang học

Làm sạch bề mặt

Bông quang học tẩm Etanol:dietyl ete

Để khô bề mặt: 10 phút

Tạo màng phủ lần 1

Bông quang học tẩm Dung dịch chống mờ kính

Sau 30 phút

Tạo màng phủ lần 2

Bông quang học tẩm Dung dịch chống mờ kính

Sau 120 phút

Kết thúc quá trình tạo màng phủ

dụng chi tiết kèm theo).

Hình 3.12. Tiến trình tạo màng phủ chống mờ kính quang học

3.4. Khảo sát tính chất của màng phủ

3.4.1. Khảo sát khả năng tạo màng phủ với vật liệu nền

Để khảo sát quá trình tạo màng với nền kính quang học, tiến hành đo phổ

hồng ngoại vật liệu phủ lên nền kính quang học (hình 3.13). Với màng phủ là

42

M3 ở pH= 9 với 0,2% khối lƣợng chống mốc, kí hiệu là M3-9-0,2.

Kết quả phổ tại hình 3.13 cho thấy với mẫu sau khi phủ có sự xuất hiện

thêm các pic đặc trƣng với cƣờng độ từ mạnh đến trung bình: 3599; 2966; 2925; 2749; 1472; 1418 và 1117 cm-1 chứng tỏ trên bề mặt mẫu phủ đã xuất hiện lớp

màng của hợp chất cơ silic. Quá trình tạo màng trên mặt kính là sự polyme hóa

của các hợp chất hydrosiloxan với các H đã đƣợc thay thế bởi các nhóm

hydrocacbon no hoặc các nhóm siloxan.

Hình 3.13. Phổ hồng ngoại của mẫu kính sau khi tạo màng M3-9-0,2

3.4.2. Khả năng kị nƣớc, chịu hơi muối của màng phủ trên bề mặt kính

quang học

Mẫu sau khi phủ hai lần trên bề mặt kính đƣợc tiến hành khảo sát khả năng kị

nƣớc và hơi muối của màng. Kết quả đo góc tiếp xúc giọt nƣớc đƣợc trình bày tại

43

hình 3.14.

Hình 3.14. Góc tiếp xúc giọt nước sau khi phủ màng bảo vệ

Kết quả cho thấy, mẫu kính sau khi phủ màng bảo vệ đã tăng mạnh từ 59,40 lên 114,090 làm tăng khả năng chống bám bẩn trên nền kính và đây là yếu

tố quan trọng của màng phủ bảo vệ kính quang học.

Tiến hành thử nghiệm khả năng chịu hơi muối của màng dựa theo chu kỳ

của mức khắc nghiệt 2 với các mẫu không phủ và có phủ vật liệu. Sau mỗi chu

kì tiến hành lấy mẫu đánh giá bề mặt mẫu (bảng 3.7) và góc thấm ƣớt (hình

3.15) để đánh giá tính chất của vật liệu.

Bảng 3.7. Đánh giá chất lƣợng bề mặt của mẫu phủ với các chu kỳ thử

nghiệm mù muối khác nhau

Loại mẫu Số chu kỳ thử nghiệm

Mẫu phủ ban đầu Mẫu sau 1 chu kỳ M3-CK0 M3-CK1

Mẫu sau 2 chu kỳ M3-CK2

Mẫu sau 3 chu kỳ M3-CK3

Mẫu sau 4 chu kỳ M3-CK4

Mẫu sau 5 chu kỳ M3-CK5

Mẫu sau 6 chu kỳ M3-CK6

44

Mẫu sau 7 chu kỳ M3-CK7 Chất lƣợng bề mặt mẫu Bề mặt trắng đều, phẳng và mịn Bề mặt trắng đều, phẳng và mịn Bề mặt phẳng, có một số điểm trắng nhạt, chƣa xuất hiện dấu hiệu phá hủy Bề mặt phẳng, có nhiều điểm trắng nhạt, chƣa xuất hiện dấu hiệu phá hủy Bề mặt phẳng, có một số vùng trắng nhạt, không bị bong tróc màng phủ Bề mặt phẳng, trắng nhạt hoàn toàn, không bị bong tróc màng phủ Bề mặt bị trắng đục, có xuất hiện mảng ố vàng, chƣa bị bong tróc màng phủ Bề mặt bị ố hoàn toàn, màng phủ bắt đầu phá hủy, chƣa thấy sự bong tróc

Kết quả cho thấy cho thấy, màng phủ vật liệu trên bề mặt kính quang học

sau thử nghiệm 1 chu kỳ không thấy thay đổi gì so với ban đầu; sau 2 chu kỳ bắt

đầu mới xuất hiện một vài điểm trắng nhạt; sau 3 chu kỳ thì số điểm trắng nhạt

tăng lên; sau 4 chu kỳ thì xuất hiện các vùng trắng nhạt và 5 chu kỳ bề mặt bằng

phẳng, trắng nhạt hoàn toàn, không thấy xuất hiện bong tróc màng phủ. Khi tăng

lên 6 đến 7 chu kỳ thử nghiệm thì màng phủ có sự thay đổi nhiều hơn, bề mặt

mẫu đã xuất hiện trắng đục, nhiều mảng ố vàng, đây là dấu hiệu màng phủ đã bị

hƣ hỏng. Tuy nhiên, hình ảnh không cho thấy sự bong tróc của lớp màng phủ.

Nhƣ vậy, màng phủ sau khi quét lên kính quang học có độ bền cao trong môi

trƣờng mù muối, ở mức khắc nghiệt thử nghiệm 2 qua thử nghiệm cho thấy,

màng có khả năng làm việc sau 5 chu kỳ thử nghiệm.

Để làm rõ ảnh hƣởng của hơi muối đến sự suy giảm tính chất bảo vệ của

màng phủ, tiến hành đo góc tiếp xúc giọt nƣớc của vật liệu trƣớc và sau thử

nghiệm mù muối nhƣ trình bày tại hình 3.15.

Hình 3.15. Góc tiếp xúc giọt nước của vật liệu sau thử nghiệm mù muối

sau thử nghiệm tương ứng 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 và 7 chu kỳ

Kết quả cho thấy khi tăng số chu kỳ thử nghiệm thì góc tiếp xúc của vật

45

liệu giảm dần.

- Từ 114,090 ban đầu xuống 112,860; 110,550; 107,670; 104,980; 100,210

lần lƣợt sau 1; 2; 3, 4 và 5 chu kỳ. Sự giảm này theo khuynh hƣớng tăng dần số

chu kỳ thử nghiệm. Khi thử nghiệm ở mức chu kỳ thứ 5, góc tiếp xúc giọt nƣớc giảm còn 100,210, ở góc tiếp xúc này kính quang học vẫn đảm bảo không bị

bám nƣớc.

- Tiếp tục tăng số chu kỳ thử nghiệm lên 6 chu kỳ thì góc tiếp xúc giảm mạnh xuống rất mạnh 88,230 và khi tăng mức độ thử nghiệm lên 7 chu kỳ thì góc tiếp xúc giảm xuống 60,670, màng phủ không còn khả năng chống xâm thực

của hơi muối. Kết quả này cho thấy với điều kiện thử nghiệm mù muối ở mức

khắc nghiệt 2 thì màng phủ có thể ngăn cản đƣợc sự ăn mòn của hơi muối tối đa

là sau 5 chu kỳ và khả năng này giảm nhanh khi số chu kỳ thử mù muối tăng

đến 6 và 7. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả quan sát bề mặt mẫu ở bảng

3.9.

3.4.3. Khả năng ngăn cản sự phát triển nấm mốc của màng phủ

Tiến hành cấy các chủng mốc lên nền kính quang học không phủ và có phủ

màng bảo vệ. Sau đó mẫu đƣợc đặt vào môi trƣờng thuận lợi cho sự phát triển của

nấm mốc (độ ẩm > 90 % và điều kiện dinh dƣỡng nhƣ bảng 3.1). Lần lƣợt kiểm

tra sự phát triển của nấm mốc sau mỗi tuần nuôi cấy. Kết quả nuôi cấy đƣợc trình

bày trên bảng 3.8 và hình 3.16.

Bảng 3.8. Kết quả cấy nấm mốc trên bề mặt kính quang học

TT Tên mẫu

Kết quả quan sát nấm mốc Sau 04 Sau 03 Sau 02 tuần tuần tuần Sau 06 tuần

1 Mẫu CP Mốc mọc nhiều Mốc mọc nhiều Mốc mọc nhiều Mốc mọc nhiều

2 Mẫu ĐC

3 Mẫu VN

46

Sau 01 tuần Bắt đầu xuất hiện mốc Không thấy mốc mọc Chƣa thấy mốc mọc Không thấy mốc mọc Chƣa thấy mốc mọc Không thấy mốc mọc Chƣa thấy mốc mọc Không thấy mốc mọc Thấy xuất hiện mốc mọc Không thấy mốc mọc Thấy xuất hiện mốc mọc

Chú thích:

- Mẫu CP: mẫu kính quang học chƣa tiến hành phủ vật liệu bảo quản;

- Mẫu ĐC: mẫu đã khử trùng và không đƣợc cấy nấm mốc;

- Mẫu VN: mẫu kính quang học phủ chất bảo quản do đề tài nghiên cứu,

chế tạo.

a) M0-C1 b) M0-C2

c) M3-C1 d) M3-C2

47

e) M3-C3 f) M3-C4

g) M3-C5 h) M3-C6

Hình 3.16. Hình ảnh nuôi cấy nấm mốc trên bề mặt kính quang học

M0-C1 b) M0-C2 mẫu kính trắng sau 1 và 2 tuần nuôi cấy; c) M3-C1; d) M3-C2;

e) M3-C3; f) M3-C4; g) M3-C5; h) M3-C6 tương ứng 1; 2; 3; 4; 5 và 6 tuần nuôi cấy

Kết quả cho thấy, đối với mẫu kính trắng sau 1 tuần nuôi cấy thì sợi mốc

đã phát triển mạnh trên bề mặt kính (hình 3.16a). Sau 2 tuần nuôi cấy thì sợi

nấm đã phát triển rất mạnh kín đều trên toàn bộ bề mặt mẫu (hình 3.16b). Đối

với mẫu đƣợc phủ màng bảo vệ sau 1; 2; 3 tuần nuôi cấy tƣơng ứng hình 3.16c,

d, e thì trên bề mặt nền kính chỉ xuất hiện bào tử nấm đƣợc rắc trên bề mặt mà

không thấy sự phát triển của bào tử nấm thành sợi nấm. Khi tăng số tuần nuôi

cấy lên 4 (hình 3.16f) thì đã bắt đầu có sợi nấm xuất hiện trên bề mặt mẫu, tăng

số tuần nuôi cấy lên 5 (hình 3.16g) và 6 tuần (hình 3.16h) đã xuất hiện sự phát

triển của sợi nấm từ bào tử nấm lan ra bề mặt kính. Tuy nhiên, tốc độ phát triển

của sợi nấm chậm và dây nấm hình thành nhỏ hơn so với mẫu không tạo màng

phủ sau 1 tuần nuôi cấy.

Nhƣ vậy, Mẫu kính quang học phủ bằng vật liệu bảo quản do luận văn

nghiên cứu, chế tạo có thể ngăn cản sự phát triển của nấm mốc phân lập đƣợc từ

kính quang học tối thiểu là 21 ngày (TCVN/QS 572:2012) (trong môi trƣờng

48

nuôi cấy thuận lợi cho sự phát triển của nấm mốc).

3.4.4. Khảo sát chiều dày và độ truyền quang của màng phủ

Mẫu sau khi chế tạo tiến hành xác định chiều dày. Kết quả thể hiện rõ

bằng giản đồ AS (hình 3.17).

Hình 3.17. Giản đồ AS xác định chiều dày màng phủ kính quang học

Kết quả hình 3.17 cho thấy chiều dày của màng phủ trung bình trong

khoảng 14,7 nm. Nhƣ vậy, màng phủ có chiều dày rất mỏng, khá đồng đều nên

49

không làm thay đổi tính năng kỹ thuật ban đầu của kính.

Tiến hành đo độ truyền quang của màng phủ trong dải bƣớc sóng 350nm

đến 750nm. Kết quả đƣợc thể hiện trên bảng 3.9.

Bảng 3.9. Ảnh hƣởng vật liệu tạo màng đến độ truyền quang

của kính quang học

Độ truyền qua, %

STT Loại mẫu Trung Lần 1 Lần 2 Lần 3 bình

01 Mẫu số 1 99,6 99,4 99,5 99,5

02 Mẫu số 2 99,3 99,6 99,6 99,5

03 Mấu số 3 99,7 99,6 99,5 99,6

Theo kết quả đo đƣợc (bảng 3.9) trên 03 mẫu kính quang học khi phủ

màng bảo vệ chống bám nƣớc nhận thấy, độ truyền quang ánh sáng của mẫu từ

dải bƣớc sóng 350nm đến 750nm là rất cao khoảng 99,5% . Điều đó cho thấy,

màng bảo vệ không ảnh hƣởng đến độ truyền quang ánh sáng của kính quang

học.

Trên cơ sở các kết quả khảo sát tính chất của màng chống mờ trên kính

quang học, nghiên cứu đƣa ra một số chỉ tiêu kỹ thuật sau khi tạo màng trên

kính quang học nhƣ sau.

Bảng 3.10. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của màng khi phủ 2 lần

trên kính quang học

Chất lƣợng sản phẩm Đơn vị đo STT Màng chống mờ sau khi phủ Tên chỉ tiêu kỹ thuật

01 Góc thấm ƣớt của màng phủ Độ 114,09

02 KB 5 Độ bền sƣơng muối màng phủ (TCVN 7699-2-52:2007)

03 Ngày 21

50

Khả năng ngăn cản sự phát triển của nấm mốc (TCVN/QS 572:2012) (trong môi trƣờng nuôi cấy thuận lợi cho sự phát triển của nấm mốc)

04 05 Chiều dày của màng Độ truyền quang sau khi phủ nm % 14,7 99,5

Nhƣ vậy, sau khi tiến hành phủ 2 lần vật liệu màng chống mờ do luận văn

chế tạo, kết quả cho thấy màng sau khi phủ trên kính quang học ban ngày hoàn

toàn đảm bảo chất lƣợng, chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết để ứng dụng trong bảo quản

51

và sử dụng các trang bị kỹ thuật An ninh - Quốc phòng.

KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và các công trình nghiên cứu

trong và ngoài nƣớc. Đề tài: "Phân tích tính chất màng phủ kỵ nƣớc cho kính

quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo " đã thu đƣợc một số kết quả nhƣ

sau:

1. Các chủng nấm mốc khi sinh trƣởng và phát triển trên bề mặt kính là

nguyên nhân chính gây mờ kính quang học;

2. Trên cơ sở phân tích thành phần hóa học vật liệu bảo quản của nƣớc

ngoài đã khảo sát, nhóm nghiên cứu đƣa ra hệ vật liệu tạo màng bảo vệ kính

quang học trên cơ sở hợp chất cơ silic của polymetylhydrosiloxan và

tetraetylorthosilicat với dung môi isopropanol;

3. Vật liệu tạo màng sau khi chế tạo có thành phần chính nhƣ sau:

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 tỉ lệ 1:1; trimetyltin clorua: 0,2 %. Với một số chỉ tiêu kỹ thuật sau: màu sắc: không màu; độ nhớt chất lỏng ở 200C: 0,57 mm2/s; khối lƣợng riêng ở 200C: 699,5 kg/m3; hàm lƣợng nƣớc: < 0,04 %; độ hòa tan trong

toluen (tỷ lệ mẫu:toluen là 1:2): hòa tan hoàn toàn và độ hòa tan trong ete dầu

hỏa (tỷ lệ mẫu:ete dầu hỏa là 1:2): hòa tan hoàn toàn;

4. Đã xác lập đƣợc tiến trình phủ vật liệu và sử dụng vật liệu chế tạo thử

nghiệm phủ chống mờ cho một số sản phẩm kính quang học trong các điều kiện

phòng thí nghiệm. Vật liệu chế tạo sau khi tạo màng phủ lên kính quang học có

một số tính chất sau: khả năng liên kết tốt với nền kính; không làm thay đổi tính

năng kỹ thuật của kính quang học; chiều dày màng phủ khoảng: 14,7 nm; khả

52

năng ngăn cản sự phát triển của nấm mốc: 3 tuần nuôi cấy; khả năng chịu sƣơng muối: 5KB; góc tiếp xúc giọt nƣớc đạt: 114,090; độ truyền qua: 99,50%;

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Tài liệu kỹ thuật bảo quản, Viện Kỹ thuật quân sự, 1980.

[2]. TCKT3514-57, ''Chỉ tiêu kỹ thuật đầu vào cho sản xuất kính ngắm quang

học BK-3'', Xí nghiệp X23/Z199/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng.

[3.] Bùi Xuân Đông, Hà Huy Kế, Nấm mốc và các phƣơng pháp phòng chống,

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999

[4]. Phạm Hồ Trƣơng, Ăn mòn vi sinh, Trung tâm KHKT-CNQS, 2004.

[5]. Võ Quốc Dũng, Công tác niêm cất súng pháo, khí tài, đạn dƣợc thực trạng

và giải pháp, Kỹ thuật và trang bị, 12(2007).

[6]. Gyorgy Koranyi, Surface properties of Silicate Glasses, Budapest, 1963.

[7]. Saxena, B.B.L., Nigam S.S. and Segupta S.R., "Fungal attack of optical

instruments and its prevention", Indial Journal og Technology, 01, 283-286

(1963).

[8]. Laskey, Richard A., "Anti-fog coated optical substrates", United States

Patent 4080476(1978).

[9]. Itoh, Susumu, Shimura, Shoichi , Hatakeyama, Hideyuki, Ukuda, Hideo,

"Anti-fogging coating and optical part using the same", United States

Patent 6287683(2001).

[10]. Kyoo-Chul Park, Hyungryul J. Choi, Chih-Hao Chang, "Nanotextured

Silica Surfaces with Robust Superhydrophobicity and Omnidirectional

Broadband Supertransmissivity", American Chemical Society, 8(2012).

[11]. Sharad D. Bhagat, Yong-Ha Kim, Young-Soo Ahn, "Room temperature

synthesis of water repellent silica coatings by the dip coat technique",

Applied Surface Science 253, 2217-2221(2006).

[12]. Xinhui FANG, Zhijia YU, Xiangyu SUN, Xinhua LIU, Futao QIN,

"Formation of superhydrophobic boehmite film on glass substrate by Sol-

53

Gel method", Higher Education Press and Springer-Verlag (2009).

[13].Satish A. Mahadik, Mahendra S. Kavale, S.K. Mukherjeeb, A.

Venkateswara Rao, "Transparent Superhydrophobic silica coatings on glass

by sol–gel method", Applied Surface Science, 257, 333-339(2010).

[14]. Jan Zimmermann, Stefan Seeger, "Superhydrophobic coating", United

states patent, 5(2007).

[15]. Feng Guo, Xunjia Su, Genliang Hou, Zhaohui Liu, Zhenxing Mei,

"Fabrication of superhydrophobic TiO2 surface with cactus-like structure

by a facile hydrothermal approach", Colloids and Surfaces A:

Physicochem. Eng. Aspects, 395, 70-74(2012).

[16]. John A. Glass, Jr, Edward A. wovchko, John T. Yates, “Rection of atomic

hydrogen with hydrogenated porous silicon-detection of precursor to silane

formation”, Surface science, 348, 325-334(1996).

[17]. Jinbin Lin, Hongling Chen, Ting Fei, Chang Liu, Jinlong Zhang, “Highly

transparent and thermally stable superhydrophobic coatings from the

deposition of silica aerogels”, Applied surface science (2013).

[18].Shing-Dar Wang, Shih-Shiang Luo, “Fabrication of transparent

superhydrophobic silica-based film on a glass substrate”, Applied Surface

Science, 258, 5443-5450(2012).

[19]. H.M. Shang, Y. Wang, S.J. Limmer, T.P. Chou, K. Takahashi, G.Z. Cao,

“Optically transparent superhydrophobic silica-based films”, Thin Solid

Films, 472, 37-43 (2005).

[20]. A. Levkin, F. Svec and J. J. M. Frechet, “Porous Poly- mer Coatings: A

Versatile Approach to Superhydropho- bic Surfaces”, Advanced Functional

Materials, 19, No. 12, 1993-1998(2009).

[21]. B. Bhushan, Y. C. Jung and K. Koch, “Self-Cleaning Ef- ficiency of

Artificial Superhydrophobic Surfaces,” Lang- muir, 25, No. 5, 3240-

54

3248(2009).

[22]. X. Zhang, F. Shi, J. Niu, Y. G. Jiang and Z. Q. Wang, “Superhydrophobic

Surfaces: From Structural Control to Functional Application”, Journal of

Materials Chemistry, 18, No. 6, 621-633(2008).

[23]. Liangliang Cao, Tyler P. Price, Michael Weiss, and Di Gao, "Super

Water- and Oil-Repellent Surfaces on Intrinsically, Hydrophilic and

Oleophilic Porous Silicon Films", Langmuir, 24, 1640-1643(2008).

[24]. Sanjay Subhash Latthe1, Annaso Basavraj Gurav, Chavan Shridhar Maruti,

Rajiv Shrikant Vhatkar, "Recent Progress in Preparation of

Superhydrophobic Surfaces: A Review", Journal of Surface Engineered

Materials and Advanced Technology, 2, 76-94(2012).

[25]. Shang-Ru Zhai, Yu Song, Bin Zhai, "One-pot synthesis og hybrid

mesoporous xerogels starting with linear polymethylhydrosiloxane and

bribged bis-(trimethoxysilyl)thane", Microporous and Mesoporous

Material, 163, 178-185(2012).

[26]. Dongjiang Yang, Junping Li, Yao Xu, Dong Wu, Feng Deng, "Direct

formation of hydrophobic silica-based micro/mesoporous hybrids from

polymethylhydrosiloxane and Methyltrietthoxysilane", Microporous and

Mesoporous Material, 95, 180-186(2006).

[27]. Jinbin Lin, Hongling Chen, Ting Fei, Chang Liu, Jinlong Zhang, "Highly

transparent and thermally stable superhydrophobic coatings from the

deposition of silica aerogels", Applied Surface Science, 273, 776-

786(2013).

[28]. Sunetra L. Dhere, Uzma K.H. Bangi, Sanjay S. Latthe, A. Venkateswara

Rao, "Enhancement in hydrophobicity of silica films using metal

acetylacetonate and heat treatment", Journal of Physics and Chemistry of

55

Solids 72 (2011) 45–49.

PHỤ LỤC

Kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trên tạp chí Nghiên cứu Khoa học và

Công nghệ Quân Sự, số Đặc san CBES2, 04-2018 từ trang 115-120.

Phân tích tính chất màng phủ kỵ nước cho kính quang học

sử dụng trong môi trường biển đảo

Tác giả bài báo: Công Tiến Dũng,

Vũ Thị Hồng Huệ,

Vũ Minh Thành,

Nguyễn Thị Nhàn,

Đào Thị Hồng Vân,

56

Lê Văn Thụ.