Nghiên cứu chế tạo dung dịch chống thấm kỵ nước trên cơ sở polysiloxan và nano Silica

MỤC LỤC
MỤC LỤC

1. MỞ ĐẦU
2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2.2. Nội dung nghiên cứu

Trang
1
4
6
6
6

3. TỔNG QUAN VẬT LIỆU KỊ NƯỚC
3.1. Hiện tượng kị nước trong tự nhiên
3.2. Vật liệu kị nước nhân tạo
3.2.1. Ống nano cac bon
3.2.2. Hợp chất kim loại có cấu trúc dạng hạt nano và nanorod
3.2.3. Vật liệu hợp kim
3.2.4. Vật liệu polyme và nanocompozit
3.3. Tính chất của màng phủ kị nước
3.3.1. Tính chất bám dính
3.3.2. Tính thấm ướt bề mặt của màng phủ nano kị nước
3.3.3. Tính chất quang học
3.3.4. Tính chất chống ăn mòn
3.3.5. Tính dẫn điện
3.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng màng phủ kị nước trên thế giới và tại Việt

7

7
9
9
10
10
11
12
12
13
15
15
16
16

Nam
3.5. Cơ sở khoa học của vấn đề nghiên cứu
3.5.1. Cơ sở lý thuyết về vấn đề thấm ướt và góc tiếp xúc
3.5.1.1. Phương trình Yoang
3.5.1.2. Phương trình Wenzel, Cassie-Baxter
3.5.1.3. Góc tiếp xúc trễ
3.5.2. Cơ chế tương tác giữa chất tạo màng và chất phân tán
3.5.3. Cơ chế đóng rắn của màng phủ kị nước trên cơ sở chất kết dính

19
19
19
21
23
24
27

polysiloxan
3.5.4. Cơ chế tương tác giữa nền và chất phủ, đặc tính thở của màng

29

polysiloxan
4. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Nguyên vật liệu
4.1.1. Chất tạo màng
4.1.2. Bột nano SiO2 kị nước
4.1.3. Các loại phụ gia
4.2. Các phương pháp nghiên cứu
4.2.1. Các phương pháp thử tiêu chuẩn
4.2.2. Phương pháp xác định khả năng thoát hơi nước
1

31
31
31
32
32
32
32
33


4.2.3. Phương pháp xác định góc tiếp xúc
4.2.4. Phương pháp phân tích ảnh SEM
4.2.5. Phương pháp phân tích TEM

33
33

34

5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
5.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo màng khác nhau đến đặc tính

34
34

kị nước và khả năng thoát hơi nước của màng phủ
5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ phân tán các hạt nano

38

SiO2 đến tính chất kị nước của màng phủ
5.2.1. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy
5.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy
5.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuấy đến tính kị nước của màng phủ
5.3. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán thích hợp để phân tán các hạt

38
39
40
41

nano SiO2 trong dung dịch chất tạo màng
5.4. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt để nâng cao tính chất kị nước

43

của màng phủ
5.5. Ảnh hưởng của hàm lượng SiO2 đến tính chất kị nước của màng phủ
5.6. Nghiên cứu qui trình phối trộn dung dịch
5.7. Đánh giá chất lượng màng phủ kị nước trên cơ sở chất kết dính polysiloxan
6. SẢN XUẤT, ỨNG DỤNG THỬ VÀ SƠ BỘ TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH
6.1. Sản xuất thử và ứng dụng thử
6.1.1 Sản xuất thử
6.1.2. Ứng dụng thử
6.2. Tính toán sơ bộ giá thành
7. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DUNG DỊCH KỊ NƯỚC
7.1. Nguyên liệu
7.2. Phối liệu
7.3. Trang thiết bị
7.4. Qui trình công nghệ sản xuất
7.4.1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất
7.4.1.2. Mô tả công nghệ sản xuất
7.5. Qui trình sử dụng dung dịch kị nước cho các bề mặt vữa- bê tông, ngói, gạch
7.5.1. Chuẩn bị bề mặt cần được phủ
7.5.2. Chuẩn bị dung dịch kị nước
7.5.3. Phun phủ cho bề mặt vật liệu

45
47
48
51
51
51

53
55
58
58
58
58
58
59
59
60
60
60
59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

62

TÀI LIỆU THAM KHẢO

63

2


64

PHỤ LỤC

1. MỞ ĐẦU

Khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam có ảnh hưởng lớn tới chất lượng và độ bền lâu
của các công trình xây dựng mỹ thuật và trang trí ngoài trời, đặc biệt là các lớp
sơn phủ bên ngoài – phần chịu tác động trước tiên và trực tiếp của môi trường.
Các tác động vật lý, cơ lý, hoá học và sinh học... của môi trường khiến cho bề
mặt công trình mau chóng có những biểu hiện phai màu, tích tụ các chất bẩn và
vi khuẩn sinh ra rêu mốc dẫn đến suy giảm chất lượng. Công tác tu bổ, sơn phủ
định kỳ không những đòi hỏi khoản kinh phí nhất định, mà còn làm ảnh hưởng
không nhỏ tới việc vận hành, sử dụng công trình. Nước ta có một hệ thống các di
tích lịch sử, văn hóa rất phong phú và đa dạng. Đã có trên 3000 di tích được xếp
hạng cấp quốc gia và nhiều công trình xây dựng mỹ thuật đã và đang được xây
mới, vì thế nhu cầu về bảo tồn, trùng tu di tích rất lớn. Do vậy, cần có một lớp
màng phủ kị nước cho bề mặt các công trình để nâng cao độ bền lâu mà không
làm thay đổi mỹ thuật và giữ lại được vẻ cổ kính dưới tác động của môi trường.
Hiện nay, màng phủ kị nước thường được sử dụng trên cơ sở chất kết dính
polyme hữu cơ chủ yếu là nhựa acrylic biến tính, polybutadien,... và các hạt nano
SiO2, TiO2, SnO,... có độ bám dính cao, kị nước tốt, chịu được điều kiện khắc
nghiệt của môi trường đã được một số công ty nước ngoài có cơ sở tại Việt Nam
cung cấp. Tuy nhiên, màng phủ trên cơ sở polyme hữu cơ có nhược điểm là
không thân thiện môi trường và không cho thoát hơi ẩm từ bên trong tường ra
ngoài, do đó màng dễ bị bong rộp theo thời gian.
Để khắc phục nhược điểm trên, cần phải thay thế chất kết dính hữu cơ
bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở polyme siloxan, thuỷ tinh lỏng mô đun cao,…
3


Với đặc tính thở trong cấu trúc khi tạo màng của chất kết dính vô cơ sẽ dẫn tới
màng có thể cho hơi ẩm thoát từ bên trong ra ngoài nhưng vẫn đảm bảo tốt khả
năng kị nước. Đồng thời, màng vẫn có được độ bám dính tốt với các bề mặt gốm,
bê tông, đá,… do có khả năng tạo liên kết hoá học giữa màng phủ và nền. Mặt

khác, màng phủ trên cơ sở chất kết dính vô cơ, dung môi sử dụng là nước nên rất
thân thiện môi trường.
Việc nghiên cứu chế tạo ra dung dịch kị nước đa tính năng trên cơ sở chất
kết dính vô cơ, không sử dụng dung môi hữu cơ để làm màng phủ kị nước, chống
bám bẩn,... cho các bề mặt công trình xây dựng mỹ thuật và trang trí ngoài trời sẽ
đa dạng hóa chủng loại sản phẩm màng phủ nói chung và màng phủ kị nước nói
riêng và thay thế được các dòng sản phẩm màng phủ kị nước đang được nhập
ngoại.
Từ thực tế trên, nhóm nghiên cứu của Viện Vật liệu xây dựng đã đề xuất
và được Bộ Xây dựng giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng phủ kị
nước không màu, đa tính năng từ nano silica (nano SiO 2) ứng dụng bảo vệ bề
mặt các công trình mỹ thuật và trang trí ngoài trời” với mục tiêu nghiên cứu chế
tạo được màng phủ kị nước trên các bề mặt vữa-bê tông xi măng, ngói, gạch... có
độ bền lâu cao trong điều kiện thời tiết khí hậu nhiệt ẩm.

4


2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Đưa ra được qui trình công nghệ chế tạo dung dịch kị nước tính năng cao. Sản
phẩm nghiên cứu cần đạt được một số chỉ tiêu chất lượng như bảng 1:
Bảng 1: Chỉ tiêu chất lượng cần đạt của màng phủ kị nước
TT

Chỉ tiêu

1

Góc tiếp xúc

2
3
4
5
6
7

Khả năng chống bám bẩn
Độ truyền quang
Độ bền thời tiết tăng tốc
Độ bám dính của màng
Độ bền nước
Độ bền kiềm

Đơn vị

Mức đăng ký

Độ

110

Bậc
%
Giờ
Điểm
Giờ
Giờ

0
> 88
> 2000
≤2
480
240

Phương pháp thử
Fox, H.W and
Zisman
TCVN 8785-5:2011
TCVN 7219:2002
ASTM B117-97
TCVN 6934:2001
TCVN 6934:2001
TCVN 6934:2001

2.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lựa chọn chất tạo màng.
- Nghiên cứu lựa chọn công nghệ phân tán nano SiO 2 trong dung dịch chất
-

tạo màng.
Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phân tán.
Nghiên cứu lựa chọn phụ gia phá bọt.
Nghiên cứu cấp phối chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước.
Nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước.
Đánh giá chỉ tiêu chất lượng của màng phủ nghiên cứu so sánh với mẫu
đối chứng.

3. TỔNG QUAN VẬT LIỆU KỊ NƯỚC
3.1. Hiện tượng kị nước trong tự nhiên
Bề mặt siêu kị nước và bề mặt tự làm sạch tồn tại ở khắp nơi trong tự
nhiên. Những ví dụ điển hình như cánh bướm, chân của loài nhện nước, lá của
5


một số loại cây,... Côn trùng và thực vật sử dụng những đặc tính kị nước để bảo
vệ chúng chống lại bệnh tật và thích nghi với môi trường sống. Trong số đó, lá
sen là ví dụ điển hình (hình 1), cây sen là biểu tượng cho sự tinh khiết, đặc trưng
của một vài tôn giáo ở Châu Á và cũng thể hiện sự thiêng liêng của đạo phật.
Mặc dù sống trong môi trường bùn nước nhưng lá sen rất sạch. Khi nước mưa rơi
trên lá sen, nước sẽ lăn trên bề mặt lá và giúp lá sen rửa sạch mọi vết bẩn trên bề
mặt. Khả năng tự làm sạch bề mặt của lá sen thu hút sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu trong vòng một thập kỷ qua. Nhờ công nghệ hiển vi điện tử, các nhà
khoa học biết đến khả năng đẩy nước và vết bẩn từ bề mặt siêu kị nước do bề mặt
lá sen có cấu trúc hai lớp với những khối u có kích thước khoảng 10 µm, trên
những khối u này được phủ dầy đặc những tinh thể sáp thực vật hình ống có kích
thước khoảng 100 nm. Lớp sáp này có năng lượng bề mặt thấp như sáp paraffin
tạo ra bề mặt kị nước.

(a)

(b)

Hình 1: (a) Cây sen; ( b) Giọt nước trên bề mặt lá sen
Do đó, nước rơi trên bề mặt sẽ co cụm lại thành giọt vì vậy bề mặt tiếp xúc
giữa giọt nước và lá sen rất nhỏ làm giảm sự bám dính giữa chúng dẫn đến giọt
nước có thể lăn rất dễ dàng (hình 2b). Mặt khác, những vết bẩn trên bề mặt
thường lớn hơn cấu trúc tế bào của lá và có độ bám dính với bề mặt lá sen rất

thấp. Khi giọt nước lăn qua các phần tử chất bẩn thì các phần tử chất bẩn sẽ bám
dính với các giọt nước tốt hơn và chúng sẽ bị cuốn đi cùng giọt nước làm cho bề
mặt trở nên sạch sẽ [1].
6


(b)

(a)

Hình 2: (a) Ảnh SEM bề mặt của lá sen, ô biểu bì được bao bọc bởi những tinh
thể nano sáp (cỡ 20 μm); (b) Quá trình tự làm sạch bề mặt trên bề mặt nhám.
Một ví dụ khác là loài nhện nước, loài côn trùng có thể thấy nhiều ở ao hồ
và sông suối (hình 3a). Loài nhện nước có khả năng đứng và di chuyển trên bề
mặt nước nhờ những đôi chân đặc biệt của nó. Chân của nhện nước có những sợi
lông hình kim có kích thước khoảng 30µm, nghiêng góc 30 o so với bề mặt ngang
của chân (hình 3b). Trên mỗi sợi lông có các rãnh có kích thước nano, chiều rộng
khoảng 400nm và sâu 200nm (hình 3c, d, e, f). Giống như lá sen, lớp biểu bì của
nhện nước được phủ một lớp sáp kị nước có góc tiếp xúc với nước là 105 o, nhờ
sự phân cấp độc đáo ở cấu trúc chân làm cho chân nhện nước có tính chất siêu kị
nước với góc tiếp xúc lên tới 167 o. Những cái chân kị nước này làm cho nhện
nước có thể đỡ trọng lượng cơ thể và di chuyển dễ dàng trên bề mặt nước.

7


Hình 3: (a) Nhện nước đứng trên bề mặt nước; (b) Ảnh SEM bề mặt của chân
nhện nước có nhiều gai định hướng có kích thước micro; (c, d, e, f) Cấu trúc
dạng rãnh kích thước nanomet trên 1 lông.

3.2. Vật liệu kị nước nhân tạo
3.2.1. Ống nano cac bon
Ống nano các bon là một loại vật liệu mới được phát hiện từ năm 1991, có
tính chất cơ và điện rất tốt. Do đó, vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong
những nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Năm 2001, Jiang và các cộng
sự [2] đã nghiên cứu chế tạo màng phủ siêu kị nước trên cơ sở các ống nano các
bon có cấu trúc micromet và nanomet sắp xếp song song được biến tính bề mặt
với hợp chất fluoroalkylsilan, tạo ra màng phủ có tính chất vừa kị nước vừa kị
dầu với góc tiếp xúc với nước và dầu hạt cải lần lượt là 171 0 và 1610. Năm 2003,
Lau và các cộng sự đã chế tạo màng phủ siêu kị nước trên cơ sở sử dụng ống
nano cacbon đường kính cỡ 50nm với chiều cao khoảng 2µm và được phủ một
8


lớp polytetrafluoetylen mỏng trên bề mặt, thu được lớp màng phủ có tính kị nước
ổn định trong thời gian dài với góc tiếp xúc là 168o.
3.2.2. Hợp chất kim loại có cấu trúc dạng hạt nano và nanorod
Cùng với sự phát triển của các nghiên cứu trên vật liệu vô cơ, những loại
vật liệu vô cơ siêu kị nước cũng được đưa ra với số lượng lớn. Ví dụ, ZnO là một
oxit bán dẫn có vùng chuyển tiếp cấm là 3.2eV, được nghiên cứu nhiều trong các
ứng dụng quang điện, quang dẫn với mức chi phí thấp. Jiang và các cộng sự đã
mô tả khả năng thấm ướt của vật liệu phụ thuộc vào sự sắp xếp của các nanorod
ZnO trên màng. Năm 2003, Feng và các cộng sự chỉ ra rằng màng oxit vô cơ có
tính chất siêu kị nước khi được bảo quản trong tối và tính chất siêu thấm khi
chiếu sáng hoặc dưới tác dụng của tia cực tím. Những ảnh hưởng này có thể là do
sự kết hợp của bề mặt nhạy cảm ánh sáng và sự sắp xếp của các cấu trúc nano
trên màng. Jiang và các đồng nghiệp cũng đã chế tạo các màng nanorod TiO 2 và
SnO2 trên đế thủy tinh để tạo ra những bề mặt kị nước. Hai bề mặt trên có thể
chuyển đổi từ siêu kị nước sang siêu thấm ướt bởi sự đảo chiều của tia cực tím và
trong điều kiện bảo quản tối. Phương pháp để chế tạo ra các màng nanorod TiO 2

và SnO2 có thể sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học như phún xạ, lắng
đọng bằng dòng điện galvanic, sol-gel,…[2].
3.2.3. Vật liệu hợp kim
Những vật liệu kĩ thuật như thép, nhôm, titan và hợp kim của chúng, hợp
kim nhôm và hợp kim titan đều có nhiều ứng dụng trong các ngành hàng không,
hàng hải, tự động hóa và vũ trụ. Trong tương lai, bề mặt siêu kị nước của các hợp
kim sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng. Liu và các cộng sự [3] đã sử dụng một
phương pháp đơn giản và rẻ tiền để chế tạo ra bề mặt siêu kị nước trên bề mặt
nhôm và hợp kim bằng phương pháp oxy hóa và biến đổi hóa học. Bề mặt siêu kị
nước có thời gian sống dài trong những môi trường pH khác nhau. Bằng phương
pháp khắc hóa học, Liu đã chế tạo được hệ thống dung dịch hỗn hợp để tạo ra
những bề mặt siêu kị nước trên các bề mặt hợp kim thép, đồng và titan. Bề mặt
siêu kị nước có thể chịu được dung dịch muối với các nồng độ dung dịch khác
9


nhau. Do vậy, có thể mở ra những ứng dụng đặc biệt cho vật liệu kỹ thuật yêu
cầu độ bền cao trong môi trường nước muối.
3.2.4. Vật liệu polyme và nanocompozit
Jiang và các cộng sự đã tổng hợp sợi nano polyacrylonitrile bằng cách ép
dung dịch polyacrylonitrie dưới áp suất. Các sợi nano với các đường kính và mật
độ khác nhau có thể dễ dàng thu được bằng cách sử dụng màng nhôm có đường
kính lỗ khác nhau. Sợi nano polyacrylonitrile có cấu trúc nano tương tự như cấu
trúc ống nano cacbon nhưng có mật độ thấp hơn và có góc tiếp xúc với nước là
173,8o mà không cần phải biến tính bề mặt bởi vật liệu kị nước. Từ sợi nano
polyacrylonitrile có thể chế tạo được các bề mặt nano compozit siêu kị nước với
việc sử dụng các polyme như polyvinyl alcohol, polystyren, polyeste và polyamit
làm nhựa nền.
Mc Carthy và cộng sự đã chế tạo bề mặt polypropylen siêu kị nước bằng
việc khắc đồng thời polypropylen và khắc/phun xạ polytetrafluoroethylen sử

dụng cảm ứng plasma trong môi trường khí argon tần số vô tuyến. Những bề mặt
trên có tính siêu kị nước với góc tiếp xúc với nước là 172 0. Shimomura và cộng
sự đã chế tạo các màng trang trí hình tổ ong từ màng polyme fluorinat bằng
phương pháp đúc dung dịch polyme dưới điều kiện không khí ẩm. Màng giống
như hình tổ ong trong suốt, siêu kị nước và màng có thể được phủ lên trên nhiều
vật liệu và nền khác nhau. Màng nano polyanilin được tổng hợp bằng phương
pháp mạ điện của anilin vào các lỗ của anot là một tấm nhôm oxit trên nền Ti/Si,
sau đó loại bỏ các tấm nhôm. Bề mặt thu được có tính dẫn điện và tính chất siêu
kị nước, thậm trí bền trong các môi trường ăn mòn, như môi trường axit hoặc
bazơ với dải pH rất rộng [3].
Ngoài các vật liệu polyme trên, các vật liệu nanocompozit hiện nay đang
được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi dựa trên cơ sở kết hợp giữa vật liệu nền là
polyme và chất gia cường là các hạt nano như: SiO 2, ZnO,… Phương pháp để chế
tạo ra vật liệu nanocompozit chủ yếu là phương pháp trộn hợp đơn giản. Tính
chất của vật liệu có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi nguyên liệu đầu vào sao
10


cho thích hợp. Do vậy, hiện nay trên thế giới các loại màng phủ siêu kị nước có
thêm những tính chất khác nhau như chống ăn mòn, tính chất quang, điện,…
thường dựa trên cơ sở vật liệu nanocompozit tổ hợp.

3.3. Tính chất của màng phủ kị nước
3.3.1. Tính chất bám dính
Hình ảnh bề mặt với góc tiếp xúc lớn và diện tích tiếp xúc nhỏ có thể là do
lực bám dính thấp. Tuy nhiên, một số kết quả nghiên cứu trên bề mặt kị nước chỉ ra
rằng điều đó không đúng trong mọi tình huống. Feng, Jiang và nhóm đồng nghiệp
[2] đã công bố kết quả nghiên cứu về bề mặt siêu kị nước của lớp nano polystyren
thông qua phương pháp thấm ướt. Bề mặt siêu kị nước này cho thấy rằng, các giọt
nước vẫn giữ nguyên dạng hình cầu dù bề mặt có dựng đứng hay lật ngược xuống

(hình 4). Chúng được giữ trên một bề mặt tiếp xúc lớn (màng nano polystyren được
tạo ra với mật độ ống nano khoảng 6,76x10 6 ống trên 1 mm2), do đó lực bám dính
giữa các giọt nước và màng ống nano polystyren rất cao. Dựa vào tính chất này,
trong tương lai màng phủ kị nước sẽ được dùng để di chuyển các giọt lỏng trong
phương pháp phân tích tế vi.

11


Hình 4: (a) Giọt nước trên màng PS với góc tiếp xúc là 95o ; Hình ảnh giọt
nước trên bề mặt được tạo ra từ PS và ống nano với các góc nghiêng khác nhau:
(b) 0o, (c) 90o, (d) 180o
3.3.2. Tính thấm ướt bề mặt của màng phủ nano kị nước
Khả năng thấm ướt là một trong những tính chất quan trọng của bề mặt
chất rắn và thường được biểu thị dưới dạng góc tiếp xúc. Màng phủ siêu kị nước
là những màng phủ có góc tiếp xúc giữa bề mặt màng và giọt nước lớn hơn 150 0
và nhỏ hơn góc trượt (góc tới hạn mà giọt nước có khối lượng xác định bắt đầu
trượt xuống tấm nghiêng).
Đã có nhiều thành tựu trong việc tạo ra màng phủ siêu kị nước nhân tạo
dựa trên những hiện tượng và kết quả phân tích bề mặt các cấu trúc có trong tự
nhiên như lá sen, cánh của các loài bướm,... Nhiều nghiên cứu đã công nhận có
sự kết hợp giữa kích thước nano và micro trên bề mặt thô nhám, cùng với loại vật
liệu có năng lượng bề mặt thấp dẫn đến góc tiếp xúc (WCAs) > 150 0, tạo ra một
góc trượt thấp và một bề mặt tự làm sạch hiệu quả. Các nhà nghiên cứu tại KAO
đã chế tạo được màng phủ siêu kị nước nhân tạo từ giữa thập niên 90. Sau đó, các
nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng bên cạnh tính không thấm ướt thì một
số tính chất khác như độ trong, màu sắc, tính dị hướng, tính thuận nghịch, tính
mềm dẻo, tính thoát khí cũng đã được tích hợp trên bề mặt siêu kị nước bằng các
phương pháp xử lý vật lý và hóa học.
Nghiên cứu về khả năng tự làm sạch bề mặt sẽ thúc đẩy quá trình chế tạo

tấm năng lượng mặt trời, các kiến trúc ngoại thất, nhà xanh, các bề mặt truyền
nhiệt trong không khí của các trang thiết bị. Tính không thấm ướt ngăn chặn khả
năng hình thành băng hoặc chống bám băng tuyết trên bề mặt. Nhờ hiện tượng
lực ma sát của chất lỏng với bề mặt siêu kị nước thấp nên vật liệu kị nước cũng
được ứng dụng trên các bề mặt trong đường ống, vỏ tàu,… Tính không thấm
nước cũng đã được ứng dụng trong công nghệ y sinh, thay thế mạch máu để dễ
kiểm soát vết thương. Công nghệ chế tạo bề mặt siêu kị nước có thể chia ra làm
hai loại: tạo một bề mặt thô nhám trên nền vật liệu có năng lượng bề mặt thấp và
12


biến đổi bề mặt thô nhám với vật liệu có năng lượng bề mặt thấp. Một số tính
chất của các loại màng phủ kị nước trên cơ sở các chất tạo màng khác nhau phủ
lên bề mặt gạch được nêu trong bảng 2 [4].
Bảng 2: Tính chất của các loại màng phủ kị nước trên cơ sở các chất tạo màng
khác nhau phủ lên bề mặt gạch
Loại chất tạo màng

Khả năng thoát hơi ẩm

Độ cản nước

Thời gian sống, năm

Acrylic

Kém

Rất tốt

5-7

Polyurethan

Kém

Rất tốt

1-3

Silicon

Khá tốt

Thay đổi

1

Silan

Rất tốt

Rất tốt

>10

Siloxan

Rất tốt

Rất tốt

>10

Thay đổi

Thay đổi

Thay đổi

Hỗn hợp (Blend)

3.3.3. Tính chất quang học
Đối với nhiều thiết bị như các loại kính chắn gió cho ô tô và một số loại kính
khác thì độ trong suốt để ánh sáng có thể truyền qua dễ dàng là đặc tính vô cùng
quan trọng. Tính kị nước và độ trong suốt rất khó có thể đáp ứng tốt trên một bề
mặt vì muốn kị nước thì bề mặt vật liệu phải có độ thô nhám, nhưng tính truyền
qua của ánh sáng sẽ giảm. Do vậy, việc kiểm soát độ nhám và độ trong của vật liệu
là vô cùng quan trọng. Watanabe và cộng sự đã đưa ra phương pháp sol-gel để tạo
ra một màng mỏng trên nền thủy tinh. Năm 1999, Nakajima đã kiểm soát được độ
nhám của vật liệu từ 20 nm đến 50 nm, tuy nhiên phương pháp này cần gia nhiệt
lên tới 5000C, điều này sẽ không phù hợp với nhiều thiết bị quang học. Năm 2002,
Wu đã phủ màng kị nước lên trên thủy tinh ở nhiệt độ dưới 100 0C. Jiang và cộng
sự cũng đã tạo ra màng phủ ống nano ZnO đa chức năng với đặc tính trong suốt và
kị nước thông qua việc điều khiển đường kính và chiều dài của ống nano sử dụng ở
nhiệt độ thấp. Đường kính và khoảng cách giữa các ống nano đều nhỏ hơn 100 nm.
13


Cấu trúc bề mặt đủ nhỏ để không làm tăng tính tán xạ của ánh sáng nhìn thấy. Như

vậy, đặc tính quang học này mở ra nhiều ứng dụng cho màng kị nước khi phủ lên
trên nền các thiết bị bằng thủy tinh [5].
3.3.4. Tính chất chống ăn mòn
Đối với các loại vật liệu khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn sẽ gây ra hiện
tượng phá hủy theo thời gian. Màng phủ kị nước có thể chịu được dung dịch nước
muối ở mọi nồng độ, điều này mở ra một phương pháp để bảo vệ các công trình
hay vỏ các thiết bị máy móc khi tiếp xúc với môi trường nước biển. Năm 2005, Liu
đã nghiên cứu về phủ màng kị nước bảo vệ các kim loại chống ăn mòn như: nhôm,
thép, đồng và các hợp kim của chúng. Các tài liệu công bố cho thấy khi vật liệu
được phủ màng kị nước, chúng có khả năng chịu ăn mòn với nhiều loại dung dịch
hóa chất khác nhau. Do vậy, ứng dụng của màng kị nước trong việc chống ăn mòn
vật liệu đang mở ra một hướng mới để tăng tuổi thọ và bảo vệ các loại vật liệu.
3.3.5. Tính dẫn điện
Dẫn điện là một đặc tính quan trọng cần thiết cho nhiều loại thiết bị vi điện
tử, như tranzito trường ứng, điốt tự phát sáng và tranzito màng mỏng. Trong một
số ứng dụng, như công nghệ sinh học, chống ăn mòn, chống tĩnh điện, vải dẫn
điện và màng phủ chống gỉ thì việc ứng dụng bề mặt siêu kị nước làm vật liệu
dẫn điện sẽ rất hữu ích và quan trọng. Vật liệu siêu kị nước dẫn điện được hy
vọng có tiềm năng ứng dụng cao trong tương lai như là thiết bị kiểm tra vi sinh
trong mẫu dung dịch lỏng. Thực tế, có nhiều kết quả đã công bố về bề mặt siêu kị
nước dựa trên cơ sở kim loại và vật liệu nano kim loại dẫn điện tự nhiên, trong
khi bản chất nội tại và tiềm năng sử dụng chưa được chú trọng [6].
3.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng màng phủ kị nước trên thế giới và tại Việt
Nam
Các nhà khoa học trên thế giới đã dựa vào hiện tượng giọt nước đọng trên lá
sen, thậm chí cả các chất có độ đặc cao như mật ong, dầu ăn và chất keo cũng
không dính trên bề mặt lá sen gọi đó là “hiệu ứng lá sen” hoặc “sự tự làm sạch”,
14

khi các điều kiện cơ bản cho phép thì nước có thể lăn và cuốn theo chất bẩn.
Thuật ngữ “Easy to clean” là chỉ những bề mặt có khả năng chỉ cần nước là đủ để
rửa sạch hết bụi bẩn bám trên bề mặt.
Từ thập niên 90 các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, phát triển các sản
phẩm tự làm sạch. Đặc tính cơ bản của màng phủ nano là kị nước, trong suốt, độ
bền cào xước cao, không bị ảnh hưởng bởi hoá chất, kháng khuẩn,.... Tất cả các
đặc tính này có thể đạt được trong cùng một dung dịch bằng các phương pháp vật
lý và hoá học để cho ra những sản phẩm đa tính năng hoàn toàn mới phủ được
trên hầu hết các bề mặt thủy tinh, gốm sứ, bê tông, kim loại, các loại sản phẩm
chống trầy xước cho các loại nhựa,... Cơ sở lý thuyết về góc thấm ướt và bề mặt
vật rắn của màng kị nước được thiết lập bởi các nhà bác học Young, Wenzel,
Cassie-Baxter có lịch sử hơn 200 năm [5, 7, 8]. Những lý thuyết trên là cơ sở để
các nhà khoa học chế tạo ra các màng phủ kị nước nhân tạo. Năm 1996, Onda và
các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo ra màng phủ kị nước nhân tạo đầu tiên dựa
trên những hiện tượng quan sát trong tự nhiên. Kể từ đó để chế tạo ra các màng
phủ kị nước nhân tạo như vậy, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, phát
triển nhiều công nghệ nghiên cứu như công nghệ plasma, lắng đọng hơi hóa học
và gần đây nhất là tổng hợp các vật liệu kị nước trên cơ sở các hạt nano, sử dụng
vật liệu polyme như polyme flo hóa, silicon, silan, siloxan là những 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 [9].
Đầu những năm 2000, xuất hiện nhiều bài báo, patent của các nhà khoa học
trên thế giới công bố kết quả nghiên cứu về công nghệ chế tạo và cơ sở lý thuyết
để tạo ra các bề mặt siêu kị nước. Từ năm 2005 đến nay, số lượng các bài báo,
patent tăng gấp đôi so với trước đó, chứng tỏ vài năm trở lại đây việc nghiên cứu,
chế tạo màng kị nước phát triển mạnh mẽ. Những tính chất cản nước, tự làm
sạch, chống dính,... của bề mặt đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Kính tự làm sạch, sơn kị nước và những màng phủ trong suốt kị nước cho những
bề mặt công trình trong suốt kị nước, vải tự làm sạch... là những tiềm năng ứng
15

dụng thực tế. Một số công ty đã có các sản phẩm màng kị nước thương mại hóa
như: công ty Guard Industry (Pháp) có các dòng sản phẩm Protect Guard kị nước
phủ được lên hầu hết các bề mặt vật liệu, chống rêu mốc, tự làm sạch...; công ty
Nanotrade của Mỹ có các dòng sản phẩm màng phủ nano kị nước, kháng khuẩn
dựa trên các hạt nano AgO, TiO2, SiO2... Trên thế giới những nghiên cứu sâu hơn
đang hướng tới các sản phẩm có tính năng kị nước, bền với thời gian hơn và cải
thiện được tính chất cơ học, tính chất quang điện của vật liệu kị nước để mở rộng
phạm vi ứng dụng. Khi các bề mặt vật liệu có khả năng kị nước, chúng cũng
chống lại sự phát triển của các vi sinh vật trên bề mặt. Do đó, màng phủ kị nước
đang được ứng dụng nhiều làm lớp phủ bảo vệ bề mặt các công trình dân dụng,
công nghiệp, giao thông vận tải hoặc ở những nơi tiếp xúc với môi trường khắc
nghiệt (tàu biển, tầu ngầm và giàn khoan dầu).
Ở Việt Nam, các sản phẩm có khả năng kị nước chưa được nghiên cứu
triển khai sâu, mới chỉ dừng lại ở việc đưa thêm các phụ gia kị nước, kháng
khuẩn vào các sản phẩm sơn, vữa,... để làm tăng khả năng chống thấm, kị nước,
kháng khuẩn. Tuy nhiên, các kết quả kị nước, kháng khuẩn không cao và đặc biệt
là không thể tạo được một lớp màng có tính năng truyền quang trên bề mặt các
vật liệu cần phủ. Ngoài ra, các nghiên cứu cơ bản về màng phủ kị nước, kháng
khuẩn dựa trên vật liệu nano SiO 2, TiO2, ống nano các bon và chất tạo màng
polyme tại các Viện nghiên cứu và trường Đại học như: Viện Khoa học và công
nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Quốc gia
Hà Nội,... mới chỉ được nghiên cứu ở phòng thí nghiệm chưa được ứng dụng
rộng rãi vào thực tế. Các chủng loại sản phẩm kị nước mới xuất hiện trên thị
trường Việt Nam và đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Chưa có thông tin nào
về dung dịch kị nước trên cơ sở chất kết dính polysiloxan và các hạt nano SiO 2
được nghiên cứu, sản xuất tại Việt Nam cho đến thời điểm hiện nay.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn nêu trên, năm 2010 nhóm nghiên cứu
của Viện Vật liệu xây dựng đã tiến hành nghiên cứu đề tài cấp Viện “Nghiên cứu

chế tạo màng phủ kị nước tính năng cao từ nano silica ứng dụng bảo vệ bề mặt
16


các công trình mỹ thuật và trang trí ngoài trời” với mục tiêu nghiên cứu chế tạo
màng phủ kị nước trên các bề mặt vữa - bê tông, ngói, gạch... chịu được thời tiết
khí hậu nhiệt ẩm. Đề tài đã nghiên cứu chế tạo được dung dịch kị nước trên cơ sở
chất kết dính polysiloxan và các hạt nano SiO 2 kị nước và đưa ra được qui trình
công nghệ chế tạo dung dịch làm màng phủ kị nước ở qui mô phòng thí nghiệm.
Kế thừa những kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Viện, đề tài này sẽ tiếp tục khảo
sát độ ổn định chất lượng dung dịch làm màng phủ kị nước và độ bền của màng
phủ kị nước theo thời gian của sản phẩm trong phòng thí nghiệm và sản phẩm
sản xuất thử. Đồng thời, đưa sản phẩm sản xuất thử đi ứng dụng thử ở các công
trình xây dựng mỹ thuật và trang trí ngoài trời để đánh giá hiệu quả kinh tế-kỹ
thuật và xây dựng qui trình công nghệ sản xuất dung dịch làm màng phủ kị nước
ở qui mô pilot.
3.5. Cơ sở khoa học của vấn đề nghiên cứu
3.5.1. Cơ sở lý thuyết về vấn đề thấm ướt và góc tiếp xúc
Khi giọt nước rơi trên bề mặt rắn sẽ tạo ra góc tiếp xúc giữa giọt nước và
bề mặt rắn. Tùy thuộc vào góc tiếp xúc, có thể phân biệt được bề mặt vật rắn là kị
nước hay ưa nước. Các loại bề mặt ưa nước như kim loại, thủy tinh sẽ làm giọt
nước rơi trên đó chảy loang ra thành một vũng nhỏ dính vào bề mặt. Bề mặt kị
nước như lá sen, cánh bướm làm cho giọt nước co lại thành những hạt tròn giống
như viên bi có thể di động được qua lại. Hình dạng một giọt nước trên bề mặt
ưa/kị nước được thể hiện trên hình 5.

Hình 5: (a) Giọt nước trên bề mặt kị nước; (b) giọt nước trên bề mặt ưa nước
Góc tiếp xúc θ là một đại lượng có thể đo được dễ dàng, cho biết độ ưa/kị
nước của bề mặt vật liệu. Khi góc tiếp xúc lớn hơn 90 0, bề mặt vật liệu thể hiện
tính kị nước và khi góc tiếp xúc nhỏ hơn 90 0, bề mặt vật liệu thể hiện tính ưa

17


nước. Bề mặt vật liệu và giọt nước càng có sự tương thích với nhau, góc tiếp xúc
càng nhỏ. Khi góc tiếp xúc lớn hơn 1500, bề mặt vật liệu trở nên siêu kị nước,
giọt nước co lại thành hình cầu như hiện tượng nhìn thấy trên chảo rán có phủ lớp
Teflon, góc tiếp xúc là 1800. Tại đó diện tích tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt
rất nhỏ, sự bám dính không xảy ra, giọt nước di động khi nghiêng bề mặt.
3.5.1.1. Phương trình Yoang
Khảo sát hình dạng của giọt nước trên bề mặt có lịch sử hơn 200 năm.
Năm 1805, Yoang đã đưa ra một công thức nổi tiếng về góc tiếp xúc của chất
lỏng trên bề mặt rắn hoàn toàn nhẵn, phẳng và đồng nhất hóa học dựa vào sự cân
bằng lực tại bề mặt tiếp giáp.

γ sv – γ SL
Cos θ = ————

(1.1)

γ lv
Trong đó: γsv , γsl, γlv là sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt) tại phân cách của
rắn-hơi, rắn-lỏng, lỏng- hơi; góc tiếp xúc θ là góc tiếp xúc ở trạng thái cân bằng
trên một mặt phẳng (hình 6).

Hình 6: Sự liên hệ giữa góc tiếp xúc theta và sức căng bề mặt theo công thức Yoang
Dựa vào công thức (1-1) nhận thấy, năng lượng bề mặt được dùng để dự
đoán bề mặt vật liệu đó kị hay ưa nước. Theo định nghĩa, năng lượng bề mặt
chính là năng lượng dùng để đánh giá mức độ tiếp xúc bề mặt giữa hai vật liệu.
Như vậy, vật liệu cứng như kim cương sẽ có năng lượng bề mặt lớn nhất, tiếp đó
18

kim loại và sau cùng là polyme được nêu trong bảng 3.
Bảng 3: Năng lượng bề mặt của các vật liệu thông dụng [10]
Vật liệu
Kim cương
Bạch kim
Đồng
Vàng
Sắt
Silicon
Bạc
Kẽm
Silica (thành phần chính của thủy tinh)
Sáp paraffin
Polyethylene
Teflon

Năng lượng bề mặt (mJ/m2)
9820
2340
1670
1410
1360
1240
1140
830
290
50
32

16

Một vật liệu có năng lượng bề mặt càng cao thì bề mặt càng ưa nước.
Ngược lại, các vật liệu polyme như polyetylen và Teflon có trị số năng lượng
thấp nhất nên là các vật liệu kị nước.
Những quan sát khác cho thấy, khi giọt nước (hay chất lỏng) nhỏ lên bề
mặt lồi lõm hay bề mặt rỗ của vật liệu xốp sẽ làm cho góc tiếp xúc thay đổi. Như
vậy góc tiếp xúc không những phụ thuộc vào năng lượng bề mặt của chất nền mà
còn bị ảnh hưởng bởi hình dạng của bề mặt. Lý thuyết Wenzel, Cassie- Baxter đã
chứng minh được sự lồi lõm làm bề mặt ưa nước càng ưa nước, bề mặt kị nước
càng kị nước. Những lý thuyết này xuất hiện từ những năm 70 dựa trên những lý
luận đơn giản.
3.5.1.2. Phương trình Wenzel, Cassie-Baxter
Phương trình Wenzel được thí nghiệm tại một bề mặt (hình 7), nơi mà chất
lỏng có thể thâm nhập hoàn toàn vào bề mặt xù xì có rãnh khía và góc tiếp xúc
trên bề mặt nhám được đưa ra bởi công thức sau:
Cos θw = r Cos θ

(1−2)

19


Trong đó: θw là góc tiếp xúc trên bề mặt nhám, θ là góc tiếp xúc trong
phương trình của Young trên bề mặt nhẵn, r là hệ số của bề mặt nhám, được xác
định là tỷ số diện tích bề mặt thực tế và hình chiếu của nó (r=1 khi bề mặt nhẵn
lý tưởng, r>1 khi bề mặt thô nhám). Phương trình Wenzel (1-2) cho thấy rằng, độ
thấm ướt tăng khi bề mặt nhám.

Hình 7: (a) giọt nước rơi trên bề mặt theo mô hình Wenzel; (b) cách tính góc

tiếp xúc theo mô hình Wenzel
Tuy nhiên, khi θ > 900 ở điều kiện bề mặt thô nhám không đồng nhất, bọt
khí bị bẫy trong rãnh nhám. Trong trường hợp này, giọt nước ở ngay trên bề mặt
đa lớp và trạng thái thấm ướt được xác định bởi công thức Cassie & Baxter.
Phương trình Cassie- Baxter được xét đến trong những bề mặt đa lớp hoặc
không đồng nhất. Trạng thái thấm ướt khác với trạng thái thấm ướt của Wenzel là
giọt nước được nằm trên đỉnh khe rãnh của bề mặt được thể hiện trên hình 8.

Hình 8: (a) giọt nước rơi trên bề mặt nhám theo mô hình Cassie;
(b) cách tính góc tiếp xúc theo mô hình Cassie.

20


Trong trường hợp này, bề mặt lỏng phân chia thành hai pha, pha rắn –lỏng
và pha lỏng- hơi. Góc tiếp xúc biểu kiến là tổng của tất cả các pha khác nhau và
được xác định theo công thức:
Cosθc = f1Cosθ1 +f2Cosθ2

(1-3)

Trong đó: θc là góc tiếp xúc biểu kiến, f1 và f2 tương ứng là hệ số bề mặt
của pha 1 và pha 2. θ1, θ2 tương ứng là góc tiếp xúc của pha 1 và pha 2. Phương
trình này là dạng tổng quát, chỉ áp dụng cho bề mặt không nhám. Khi bề mặt là
mặt phân chia khí –lỏng, f là hệ số rắn, chính là hệ số của bề mặt rắn khi được
chất lỏng thấm ướt. Chất khí có hệ số là 1-f. Với θ =1800 của chất khí, góc tiếp
xúc có thể được tính theo phương trình dưới :
Cosθc = f cosθ + (1-f) cos1800 =f cosθ + f-1

(1-3)

Tham số f chạy từ 0÷1:
+ Khi f=0: giọt nước chưa tiếp xúc với bề mặt tại mọi điểm.
+ Khi f=1: giọt lỏng thấm ướt hoàn toàn.
Tóm lại, khi giọt lỏng trong trạng thái mô hình của Cassie, diện tích tiếp
xúc giữa giọt lỏng và bề mặt nhỏ cho phép nó có thể lăn chuyển dễ dàng.
3.5.1.3. Góc tiếp xúc trễ
Góc tiếp xúc được đề cập ở trên là góc tiếp xúc tĩnh, được xác định rất
thuận tiện trong trạng thái giọt lỏng trên bề mặt rắn. Tuy nhiên, góc tiếp xúc khác
nhau có thể tồn tại suốt theo đường tiếp xúc với chất không đồng nhất về hóa
học. Một giọt nước nhỏ có thể nằm bất động trên một mặt phẳng nghiêng, góc
tiếp xúc ở mặt sau nhỏ hơn góc tiếp xúc ở mặt trước của giọt (hình 9a). Hai góc
liên kết khác nhau cũng có thể được quan sát thấy khi nước được thêm vào hay
rút ra từ một giọt. Khi nước được thêm vào một giọt nước thì góc liên kết sẽ tăng
tới khi đường thẳng tiếp xúc bắt đầu chuyển về phía trước, góc tiếp xúc này gọi
là góc tiếp xúc tiến. Mặt khác, khi rút nước ra từ một giọt thì góc tiếp xúc sẽ giảm
tới khi đường thẳng tiếp xúc hạ xuống, góc tiếp xúc này gọi là góc tiếp xúc lùi
(hình 9b). Sự khác biệt giữa góc tiếp xúc tiến và lùi gọi là góc tiếp xúc trễ. Góc
21


tiếp xúc trễ là hệ số để đánh giá khả năng bám dính bề mặt của giọt lỏng. Do vậy,
một bề mặt tự làm sạch khi nó có góc tiếp xúc trễ thấp.

Hình 9: (a) góc tiếp xúc trễ;
(b) góc tiếp xúc tiến và lùi khi thêm hoặc rút chất lỏng ra khỏi giọt chất lỏng

3.5.2. Cơ chế tương tác giữa chất tạo màng và chất phân tán
Để chế tạo ra vật liệu nanocompozit có tính chất kị nước, phương pháp sử
dụng đơn giản nhất là phương pháp trộn hợp dung dịch. Các chất tạo màng chủ

yếu được sử dụng là nhựa acrylic, polysiloxan, thủy tinh lỏng đều có năng lượng
bề mặt thấp, có độ bám dính cao, bền cơ học… Hiện nay, các chất tạo màng vô
cơ như polysiloxane, thủy tinh lỏng, chất tạo màng lai tạo vô cơ-hữu cơ đang
được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn do có độ bền nhiệt cao và
quá trình tạo màng không liên tục nên màng có tính năng thở, không bị bong tróc
theo thời gian và đặc biệt sử dụng dung môi là nước nên rất thân thiện với môi
trường. Các vật liệu gia cường thường là các oxit kim loại như: TiO 2, SiO2, ZnO,
… Những nghiên cứu thử nghiệm cho thấy cả nano SiO 2 và TiO2 đều có thể cản
tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời, do vậy việc đưa chúng vào chất phủ có thể
nâng cao độ cứng, sự bền chắc, tính ổn định,... từ đó nâng cao độ bền tác động
khí hậu và sẽ giúp cho chất phủ bền màu hơn. Tính chất kị nước của nano TiO 2,
ZnO thường phụ thuộc vào điều kiện sử dụng như sự có mặt của ánh sáng tử
ngoại. Đối với nano SiO2 có thể dễ dàng biến tính để tạo thành các hạt nano SiO 2
kị nước bằng các hợp chất silan. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi sử dụng nano
SiO2 sẽ nâng cao khả năng chống bám bẩn và chống thấm của chất phủ, khi đưa
22


chúng vào chất phủ truyền thống thì tính năng này sẽ tăng lên gấp nhiều lần.
Nước sẽ đọng thành giọt nhỏ rồi nhanh chóng chảy tuột đi trên bề mặt chất phủ
và bám theo các tạp chất có trên bề mặt do đó sẽ làm giảm các tác động xấu tới
bề mặt được phủ. Nano SiO2 giúp màng phủ bền chắc khi bị chà xát tẩy rửa, giúp
tăng độ bám dính, nâng cao độ bền nước, có khả năng chống thấm và chống bám
bẩn nên số lần chịu tẩy rửa rất cao, có thể dùng nước cọ rửa vết bẩn trên bề mặt
qua đó cũng tạo cho chất phủ công năng chống khuẩn (hình 10).

Hơi ẩm thoát ra
Bụi bẩn
Lớp phủ

Cản nước

Tự làm sạch bề mặt

Nền

Màng kị nước

Hình 10: Bề mặt tường được phủ một lớp màng kị nước trên cơ sở polysiloxan
và nano SiO2 kị nước
Trong công nghiệp, phương pháp thông dụng nhất để sản xuất hạt nano
silica là sử dụng tiền chất silicon tetraclo (SiCl 4). SiCl4 được tổng hợp bằng phản
ứng của hơi clo trong silicon kim loại nấu chảy. Hơi clo được trộn với ôxy và hỗn
hợp khí này bị đốt cháy với hydro trong lò đốt đặc biệt. Bằng sự thay đổi nồng độ
chất phản ứng, nhiệt độ đốt cháy và thời gian lưu nồng độ bụi trong lò đốt có thể
kiểm soát kích thước hạt nano SiO2 theo ý muốn.
Hạt nano SiO2 sạch điều chế được luôn tồn tại các nhóm hydroxyl liên kết
với nguyên tử silic gọi là nhóm silanol, nhóm này mang đặc tính cơ bản của nó.
Một trong những tính chất không mong muốn đó là sự tạo cầu kết nối bởi liên kết
hydro và sự hấp thụ ẩm trong không khí (hay còn gọi là đặc tính ưa nước hay hấp
23


dẫn nước). Vậy, vấn đề là phải khử (loại bỏ) nhóm ưa nước hoặc phủ lên chúng
bằng các nhóm kị nước khác để có thể tạo ra được vật liệu nano silica kị nước.
Để xử lý vấn đề này thì trong hầu hết các trường hợp chỉ cần cho chúng phản ứng
với một hợp chất chứa nguyên tử silic liên kết với một nguyên tử clo hoặc nhóm
chức khác có khả năng thay thế hydro trong silanol theo một trong hai phản ứng
sau:

Tuy nhiên, đối với cả loại nano SiO 2 ưa nước và nano SiO2 kị nước thì vẫn
luôn tồn tại nhóm silanol cư ngụ ở các hạt liền kề dạng các liên kết cầu hydro và
dẫn đến tạo nên sự kết tụ như sau:

Các liên kết này kéo giữ các hạt nano SiO 2 riêng lẻ lại cùng với nhau tạo nên sự
kết tụ và sự kết tụ đó duy trì không thay đổi thậm chí là kể cả dưới các điều kiện
khuấy trộn tốt nhất. Do đó, yêu cầu cao nhất để tạo ra màng phủ nano là làm sao
tách rời được các hạt SiO2 rời nhau ra trong dung dịch chất tạo màng và dung
24


môi. Sự phân tán các hạt SiO2 ở kích thước nanomét trong dung dịch chất tạo
màng và dung môi có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của màng phủ. Một sự
phân tán tốt có thể đạt được bằng cách biến tính bề mặt hạt nano SiO 2 bằng
phương pháp vật lý hoặc phương pháp hóa học đồng thời sử dụng quá trình
nghiền bi năng lượng cao, hoặc khuấy trộn tốc độ cao có sử dụng sóng siêu âm.
Trong lý thuyết ổn định tĩnh điện của Derjaguin, Landau, Verwey và Overbeek
(thuyết DLVO) cho rằng, luôn tồn tại hai lực tương tác đối lập nhau là lực hút
phân tử (lực hấp dẫn, V A) và lực đẩy (VR). Nếu các hạt nano va chạm nhau trong
suốt quá trình chuyển động và lực hấp dẫn của các hạt là lớn hơn lực đẩy thì các
hạt nano sẽ bị kết tụ. Ngược lại, các hạt sẽ duy trì sự tách rời nhau và giữ ở một
trạng thái phân tán khi lực đẩy lớn hơn lực hấp dẫn. Vì thế, để duy trì sự tách rời
nhau của các hạt nano cần phải sử dụng chất phân tán trong quá trình khuấy trộn.
Trộn hợp là một phương pháp gia công bột nano SiO 2 ở trạng thái lỏng
thông qua một dung môi phụ và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và gia công
vật liệu. Khi đó hạt nano SiO2 được phân tán trong dung dịch và chất màng nano
SiO2 nhận được khi dung môi bay hơi:
Nano SiO2

Bay h¬i

ChÊt t¹o mµng

Mµng nano SiO2

Ứng dụng của các vật liệu nano, trong đó có nano SiO 2 là một trong những
biện pháp nâng cao tính năng của chất phủ truyền thống. Việc tạo ra chất phủ kị
nước, tính năng cao trên cơ sở hạt nano SiO2 là loại vật liệu mới, trong đó việc
lựa chọn các chất tạo màng cũng như các yếu tố về công nghệ để phân tán hạt
nano SiO2 là điểm mấu chốt để giải quyết hệ hỗn hợp này. Đây là vấn đề quan
trọng nhất mà đề tài cần phải tập trung nghiên cứu.
3.5.3. Cơ chế đóng rắn của màng phủ kị nước trên cơ sở chất kết dính
polysiloxan
25