Nghiên cứu chế tạo vật liệu kị nước trên cơ sở hợp chất cơ silic (PMHS/TEOS) ứng dụng bảo vệ kính quang học trong môi trường biển đảo

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU KỊ NƯỚC TRÊN CƠ SỞ
HỢP CHẤT CƠ SILIC (PMHS/TEOS) ỨNG DỤNG BẢO VỆ
KÍNH QUANG HỌC TRONG MƠI TRƯỜNG BIỂN ĐẢO
Nguyễn Thị Liên
Khoa Mơi trường - Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Thấu kính quang học trong kính hiển vi,
hiển vi điện tử quét... là một trong những bộ
phận quan trọng nhất của các thiết bị này.
Trong môi trường biển đảo, hơi muối đọng
trên bề mặt kính làm ăn mịn dẫn đến mờ
kính. Để hạn chế q trình này, đã có nhiều
nghiên cứu đưa ra các phương pháp bảo quản
ứng dụng để chống mờ mốc cho kính.
Siloxan là vật liệu có năng lượng bề mặt thấp
và có thể tạo độ nhám nhân tạo trên bề mặt.
Bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học để
chế tạo thành các vật liệu siêu kị nước có khả
năng tự làm sạch, chống bám bẩn [3]. Vật
liệu nền siloxan đã và đang thu hút được sự
quan tâm để sử dụng làm màng phủ trực tiếp
trên bề mặt kính, để chống mờ mốc và chống
ăn mịn bởi hơi muối trong môi trường biển
đảo ở Việt Nam [1]. Bài báo này trình bày
kết quả tổng hợp vật liệu trên cơ sở hợp chất
PMHS (poly methyl hydro siloxane) và
TEOS (tetra ethoxysilane) chống ăn mòn hơi

muối bảo vệ bề mặt kính quang học.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Tổng hợp vật liệu

Dung dịch B: tỷ lệ thể tích TEOS :
C2 H5 OH = 1:9.
Quá trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hợp
chất PMHS:TEOS được khảo sát theo tỷ lệ
thể tích như sau: nhỏ 1 phần dung dịch
PMHS (TEOS) vào 9 phần dung môi
C2 H5 OH, pH của hệ được điều chỉnh 9  10.
Hỗn hợp tiếp tục được khuấy đều trong 02
giờ ở nhiệt độ phòng.
Hệ vật liệu tổng hợp thu được bằng cách
trộn dung dịch A và dung dịch B theo các tỷ
lệ thể tích tương ứng là PMHS:TEOS = 1:1;
PMHS:TEOS = 1:2 và PMHS:TEOS = 2:1
với điều kiện xúc tác NaOH 0,1N trong
khoảng pH 9  10. Hỗn hợp được khuấy đều
trong 02 giờ ở nhiệt độ phòng và được già
hóa 10 giờ ở nhiệt độ phịng.
2.2. Phương pháp thử
Trình tự thử nghiệm như sau: Vật liệu sau
khi tổng hợp được phủ tạo màng lên bề mặt
kính quang học tiến hành chụp ảnh SEM, đo
độ truyền quang và khả năng chịu hơi muối.
Đo góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt màng
phủ (thiết bị đo góc tiếp xúc và sức căng bề
mặt kí hiệu KSV (Đức); đo độ truyền quang

của kính trên máy quang phổ UV-2550 (Mĩ);
khả năng chịu hơi muối được thử nghiệm ở
mức khắc nghiệt 2 trên thiết bị S450/ascott
(Mĩ), thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM)
D4800-Hitachi.

Hóa chất tổng hợp vật liệu: Poly methyl
hydro siloxane (PMHS, 99%), tetra
ethoxysilane (TEOS, 99%), ethyl ancol
(khan), natri hidroxit (NaOH, 99,9%).
Nền kính quang học nghiên cứu: là vật liệu 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Tổng hợp vật liệu PMHS và TEOS
thủy tinh K8, với hệ số chiết suất nD =1,51679.
Hợp chất cơ silic sử dụng tổng hợp vật liệu
Dung dịch A: tỷ lệ thể tích PMHS:
mẫu M1 , M2 , M3 tương ứng với các tỉ lệ
C2 H5 OH = 1:9.
467


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

PMHS : TEOS (theo thể tích) lần lượt là 1:1; nghiệm cho thấy, khi thể tích của PMHS :
1:2; 2:1 trong điều kiện xúc tác NaOH 0,1N TEOS là 2:1 thì thời gian khơ màng lâu hơn
và pH 9  10.
và độ bám dính của màng giảm đi so với tỷ lệ
PMHS:TEOS là 1:1 và 1:2.
Bảng 1. Góc tiếp xúc giọt nước
Sau khi đo góc tiếp xúc, tiến hành xác định
Ký hiệu

M0
M1
M2
M3
độ truyền quang của màng phủ trên kính quang
Góc tiếp
học và tính độ truyền quang trung bình trong
57,40 102,6 94,38 111,26
xúc (độ)
vùng bước sóng 450650 nm được trình bày
Kết quả cho thấy, mẫu kính trước khi phủ trong Hình 2 và Bảng 2.
(M0 ) đo góc tiếp xúc đạt 57,40o , các mẫu
kính sau khi phủ vật liệu tổng hợp M1 , M2 ,
M3 với tỉ lệ PMHS:TEOS tương ứng 1:1; 1:2;
2:1 đạt được góc tiếp xúc lần lượt là 1020 ,
M1
M0
94,38 0 và 111,26 0 (đo khi màng phủ đã khơ
hồn tồn sau 02 giờ).

M0

M1

M2

M3

M2

M3
Hình 2. Giản đồ độ truyền quang mẫu kính
khi khơng sử dụng vật liệu tạo màng phủ
(M 0 ) và có sử dụng vật liệu tạo màng phủ
( M1 , M2 , M3 )
Bảng 2. Độ truyền quang trung bình của
vật liệu trong vùng bước sóng 450650 nm

Hình 1. Góc tiếp xúc giọt nước trước khi
phủ màng (M0 ) và sau khi phủ màng
bảo vệ (M1, M2 , M3 )
Độ tăng giảm góc tiếp xúc phụ thuộc vào
độ tăng giảm của tiền chất PMHS và TEOS,
khi tăng hàm lượng PMHS thì góc tiếp xúc
tăng mạnh hơn so với tăng hàm lượng TEOS.
Phân tử PMHS trong dung mơi etanol có xu
hướng xoắn ốc, cấu trúc dạng vòng. Độ xoắn
ốc phụ thuộc vào lực đẩy của các phân tử,
nên nồng độ tiền chất thấp thì lực đẩy yếu và
vòng xoắn dài, ngược lại nồng độ cao vịng
xoắn sẽ dày [2]. Khi đó một lượng lớn nhóm
-CH3 sẽ nằm trên bề mặt vịng làm cho tính
kị nước của màng phủ tăng lên đáng kể.
Trong điều kiện có mặt xúc tác NaOH, phản
ứng thủy phân TEOS sẽ sảy ra làm xuất hiện
nhóm -OH, kết quả là xảy ra phản ứng trùng
ngưng nhóm -OH này với các nhóm -OH của
nền thủy tinh và -OH của PMHS tạo thành
màng phủ trên bề mặt kính [3].
Như vậy, TEOS là chất có vai trị chính kết

nối giữa nền thủy tinh với PMHS. Các thử

Ký hiệu

M0

M1

M2

M3

Độ truyền
quang, %

92,66

92,25

91,91

91,84

Kết quả Bảng 2 cho thấy, mẫu M0 không
phủ vật liệu so với các mẫu M1 , M2 và M3 khi
phủ vật liệu chống mờ lên bề mặt kính thì độ
truyền quang của kính có sự thay đổi theo
chiều hướng giảm, độ giảm ứng với các tiền
chất khác nhau. Tuy nhiên, độ truyền quang
của các mẫu kính phủ vật liệu giảm khơng

đáng kể, trong đó đáng chú ý mẫu M1 cho độ
truyền quang giảm thấp nhất với góc tiếp xúc
lớn nhất (1020 ). Điều này cho thấy, sử dụng tỉ
lệ 1:1 cho kết quả góc tiếp xúc giọt nước tốt
nhất ứng với độ truyền quang cao nhất và
chiết suất trước phủ (nD=1,51687) và sau phủ
(nD =1,51686) gần như không thay đổi. Do
vậy, lựa chọn hợp chất cơ silic với tỉ lệ
PMHS:TEOS = 1:1 để thực hiện những
nghiên cứu tiếp theo.

468


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

3.2. Khả năng chịu hơi muối của màng phủ mạnh xuống 76,79 0 , màng phủ khơng cịn
Tiến hành thử nghiệm khả năng chịu hơi khả năng chống xâm thực của hơi muối. Vậy,
muối của màng dựa theo chu kỳ của mức với điều kiện thử nghiệm mù muối ở mức
khắc nghiệt 2 với các mẫu không phủ và có khắc nghiệt 2 thì màng phủ có thể ngăn cản
phủ vật liệu. Sau mỗi chu kì tiến hành lấy được sự ăn mòn của hơi muối tốt sau 4 chu
mẫu, chụp ảnh SEM (Hình 3) và góc thấm ướt kỳ và khả năng này giảm nhanh khi số chu kỳ
(Hình 4) để đánh giá tính chất của vật liệu. thử mù muối tăng. Kết quả này phù hợp với
kết quả ảnh SEM trong Hình 3.

E0

E3

E1

E2

E0

E1

E2

E5
E4
Hình 4. Góc tiếp xúc giọt nước của vật liệu
trước (E 0 ) và sau thử nghiệm mù muối
(E 1 , E 2 , E 3 , E 4 và E 5 tương ứng 1, 2, 3, 4
và 5 chu kỳ)
E3

E5

E4
Hình 3. Ảnh SEM của vật liệu trước (E 0 )
và sau thử nghiệm mù muối (E 1 , E 2 , E 3 , E 4
và E 5 tương ứng 1, 2, 3, 4 và 5 chu kỳ)
Hình ảnh của màng phủ vật liệu trên bề
mặt kính quang học sau thử nghiệm 1, 2, 3 và
4 chu kỳ cho thấy có sự biến đổi về hình thái
bề mặt, tuy nhiên sự biến đổi này không đáng
kể và chưa xuất hiện dấu hiệu phá hủy màng.
Khi tăng lên 5 chu kỳ thử nghiệm thì màng
phủ có sự thay đổi nhiều hơn, bề mặt mẫu đã

xuất hiện mảng ố, đây là dấu hiệu màng phủ
đã bị hư hỏng. Tuy nhiên, hình ảnh khơng
cho thấy sự bong tróc của lớp màng phủ.
Để làm rõ ảnh hưởng của hơi muối đến sự
suy giảm khả năng bảo vệ của màng phủ, tiến
hành đo góc tiếp xúc giọt nước của vật liệu
trước và sau thử nghiệm mù muối.
Bảng 3. Góc tiếp xúc của màng phủ
ở các chu kỳ thử mù muối khác nhau

4. KẾT LUẬN

Tổng hợp được vật liệu phủ tạo màng bảo
vệ kính quang học trên cơ sở hợp chất cơ
silic (PMHS/TEOS) với tỉ lệ PMHS:TEOS =
1:1. Kết quả cho màng phủ có khả năng kị
nước tốt với góc thấm ướt là 102,6 o ; độ
truyền quang lớn hơn 92%. Khả năng ngăn
cản được sự ăn mòn của hơi muối sau 4 chu
kỳ thử nghiệm ở mức khắc nghiệt 2. Kết quả
này mở ra hướng ứng dụng vật liệu bảo quản
mới cho kính trong mơi trường khí hậu biển
đảo Việt Nam.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Ký hiệu E0
E1 E2 E3 E4 E5
Góc tx, độ102,60 101,61 99,10 98,88 97,55 76,79

Kết quả cho thấy, tăng số chu kỳ thử
nghiệm thì góc tiếp xúc của vật liệu giảm dần
(từ 102,600 xuống 101,61; 99,10; 98,88;
97,55 lần lượt sau 1, 2, 3 và 4 chu kỳ). Sự
giảm này khơng đáng kể, chứng tỏ màng phủ
có khả năng ngăn cản sự phá hủy của hơi
muối gây ra. Tiếp tục tăng số chu kỳ thử
nghiệm lên 5 chu kỳ thì góc tiếp xúc giảm

[2]

[3]

469

Vũ Minh Thành, et al, Xác định nguyên
nhân gây mờ kính quang học và thành phần
của vật liệu chống mờ kính ngắm quang học
trong mơi trường biển đảo, Tạp chí Nghiên
cứu KH&CN Qn sự, số 27 (8/2013).
H.M. Shang, et al, (2005), Optically
transparent superhydrophobic silica-based
films, Thin Solid Films 472, 37– 43.
A Glass Jr, et al, 1996, 1996, “Reaction of
atomic hydrogen with hydrogenated
porous silicon-detection of precursor to
silane formation”, Surface science, 348
(3), pp 325-334.