Phân Tích Tính Chất Màng Phủ Kỵ Nước Cho Kính Quang Học Sử Dụng Trong Môi Trường Biển Đảo

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

Đào Thị Hồng Vân

a


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

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

c


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

M0

Mẫu kính trắng

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

M3-0

M3-0,2

M3-0,4

M3-0,6

M3-1

Mẫu vật liệu tỉ lệ

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; không

chứa chống nấm mốc
Mẫu vật liệu tỉ lệ

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa

0,2% chống nấm mốc
Mẫu vật liệu tỉ lệ

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa

0,4% chống nấm mốc
Mẫu vật liệu tỉ lệ

(CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa

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

M3-P1

Mẫu quét 1 lần vật liệu bảo vệ

M3-P2

Mẫu quét 2 lần vật liệu bảo vệ

M3-CK0

Mẫu phủ chƣa thử mù muối
d


M3-CK1

Mẫu phủ thử nghiệm 1 chu kỳ mù muối

M3-CK2

Mẫu phủ thử nghiệm 2 chu kỳ mù muối

M3-CK3

Mẫu phủ thử nghiệm 3 chu kỳ mù muối

M3-CK4

Mẫu phủ thử nghiệm 4 chu kỳ mù muối

M3-CK5

Mẫu phủ thử nghiệm 5 chu kỳ mù muối

M3-CK6

Mẫu phủ thử nghiệm 6 chu kỳ mù muối

M3-CK7

Mẫu phủ thử nghiệm 7 chu kỳ mù muối

M0-C1

Mẫu không phủ sau 1 tuần nuôi cấy

M3-C1

Mẫu phủ sau 1 tuần nuôi cấy

M3-C2

Mẫu phủ sau 2 tuần nuôi cấy

M3-C3

Mẫu phủ sau 3 tuần nuôi cấy

M3-C4

Mẫu phủ sau 4 tuần nuôi cấy

M3-C5

Mẫu phủ sau 5 tuần nuôi cấy

M3-C6

Mẫu phủ sau 6 tuần nuôi cấy

e


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

f

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
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 (M3P2) ......................................................................................................................... 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
g


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
quang học đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.
1


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
cho kính quang học

2


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
Loại
SiO2 Al2O3 As2O3 B2O3 BaO CaO Fe2O3 K2O MgO ZnO Na2O PbO
thủy tinh
Kính xây
73
- 13,5 - 13,5 dựng
Thủy
80,4 1,49 0,5 11,5 - 0,51
- 12,2
tinh ép
Loại
48,8 0,3 21
- 6,5

4,1 0,8 Baryt
Loại
Borosilic 70,4 0,2 7,5
2
- 14,5 5,3 atkron
Ngoài ra, trên thị trƣờng còn có một số loại thủy tinh quang học khác có
3


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
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 SO32- và Cl- trong khoảng 0,1-0,2 %.
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
chế tạo kính ngắm quang học đƣợc trình bày tại bảng 1.2 [1,2,6].

4


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
TT

Tên chỉ tiêu

I

Thành phần hoá học

1

Chiết suất nD (Tia vàng)

2

4

Tán sắc trung bình

5

Tỷ trọng

II

Tính chất hoá lý

1
2

tiêu

giá

1,65284

đỏ)
Hệ số tán sắc

PP kiểm tra, đánh

1,64750

Chiết suất nF (Tia tím); nc (tia

3

Mức chỉ

33,9

Máy đo chiết suất
MYV

0,01912
3,86

Cân điện tử

Vân

3Б

Kính hiển vi VMS –

Bọt

5B

25,5G

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
triển trong nhiều loại thực vật khác nhau. Ngoài ra, chúng còn phát triển trên các
5


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
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).
6


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.
- Phải có độ ẩm phù hợp.
7


- 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
đến độ trong suốt của kính giảm. Nếu để lâu hơi nƣớc sẽ tích tụ lại tại đó, hơi
8


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,

tetraetylorthosilicat,

methacryloxypropyltrimethoxysilan

hexan
trong

[18];

hệ

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
trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu trong lĩnh vực chế tạo màng
9


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

10


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
chống đọng sƣơng, kị nƣớc, mà còn ngăn cản sự nhiễm bẩn và phát triển của vi
11


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-ứng dụng để chế tạo màng phủ siêu kị nƣớc. Tuy nhiên, độ liên kết của nó với
12


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

13

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

Hàm lƣợng nhóm vinyl, %

6÷10

Độ nhớt chất lỏng ở 20oC, cSt

≤5

Khối lƣợng riêng, ở 20oC, g/cm3

≥ 0,7

Độ hòa tan trong toluen và ete dầu

tan vô hạn

hỏa
Độ truyền qua

≥ 90

14


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
xác định dƣới sự kiểm soát nhiệt độ và áp suất. Độ dày lớp phủ phụ thuộc chính
15


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

16