Tổng quan nghiên cứu

Khả năng chống thấm của vải cotton là một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng và ứng dụng của sản phẩm dệt may, đặc biệt trong các ngành công nghiệp thời trang và vật liệu kỹ thuật. Vải cotton chiếm khoảng 50% sản lượng vải sợi toàn cầu nhờ đặc tính thoáng khí, mềm mại và thân thiện với người dùng. Tuy nhiên, tính ưa nước và khả năng thấm hút cao của cotton lại làm giảm khả năng chống thấm, gây hạn chế trong một số ứng dụng đòi hỏi tính năng này. Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu khả năng chống thấm của vải cotton khi được phủ lớp Polysiloxane (Silicone), một vật liệu polymer có đặc tính ưu việt như chống thấm nước, mềm dẻo ở nhiệt độ thấp, chịu nhiệt và lạnh tốt.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như loại vải cotton, hàm lượng Silicone (tỉ lệ nhựa/sợi), số lần tẩm phủ lên tính chất chống thấm và cơ lý của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu bao gồm năm loại vải cotton 100% với mật độ dệt và cấu trúc bó sợi khác nhau, sử dụng dung dịch Hydroxyl terminated Polydimethylsiloxane phối hợp với các chất tạo nối mạng và dung môi xylene.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao tính năng chống thấm cho vải cotton mà vẫn giữ được các đặc tính mềm mại, bền cơ lý, góp phần mở rộng ứng dụng của vải cotton trong các lĩnh vực thời trang, bảo hộ lao động và vật liệu kỹ thuật. Các chỉ số đánh giá như góc tiếp xúc nước, áp lực nước và chỉ số tuột nước được sử dụng làm tiêu chí đánh giá khả năng chống thấm, đồng thời các phương pháp SEM và EDX giúp phân tích cấu trúc bề mặt và thành phần nguyên tố của lớp phủ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về cấu trúc và tính chất của vải cotton, và lý thuyết về Polysiloxane (Silicone) trong ứng dụng phủ chống thấm.

  1. Cấu trúc và tính chất vải cotton: Vải cotton là polymer cellulose với thành phần chính chiếm 86,8% khối lượng, có cấu trúc tinh thể microfibril và fibril phức tạp. Các nhóm hydroxyl (-OH) trên cellulose tạo nên tính ưa nước và khả năng thấm hút cao, làm giảm tính chống thấm tự nhiên của vải. Quá trình xử lý mercerization giúp cải thiện bề mặt sợi cotton, tăng khả năng bám màu và độ bền cơ học.

  2. Tính chất và cơ chế chống thấm của Polysiloxane: Polydimethylsiloxane (PDMS) là dạng phổ biến của Polysiloxane với cấu trúc mạch thẳng, có sức căng bề mặt thấp (khoảng 20,4 mN/m), tính linh hoạt cao và khả năng chống thấm nước nhờ nhóm methyl định hướng ra ngoài bề mặt tạo thành lớp màng "chiếc ô" chống thấm. Silicone có khả năng thấm ướt chính nó, giúp tạo màng phủ đồng đều và bền vững trên bề mặt vải.

  3. Mô hình phủ và đóng rắn lớp phủ Silicone: Quá trình phủ sử dụng dung dịch Silicone phối hợp với chất tạo nối mạng (Methyl triacetoxysilane, Trimethylsilyl clorua) và dung môi xylene. Điều kiện đóng rắn được khảo sát qua các biến số nhiệt độ (từ nhiệt độ phòng đến 120°C) và thời gian sấy (1-3 giờ) để tối ưu hóa hàm lượng gel và độ bền màng phủ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng năm loại vải cotton 100% dệt thoi với mật độ dệt khác nhau, dung dịch Polydimethylsiloxane phối hợp với các chất tạo nối mạng và dung môi xylene. Các mẫu vải được xử lý phủ Silicone theo các điều kiện đóng rắn đã khảo sát.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu vải được cắt kích thước 20x20 cm, lựa chọn dựa trên mật độ dệt và cấu trúc bó sợi nhằm đánh giá ảnh hưởng của loại vải đến tính chất chống thấm.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định hàm lượng gel bằng phương pháp ngâm mẫu phủ màng trong xylene, tính phần polymer không tan.
    • Phân tích cấu trúc bề mặt và thành phần nguyên tố bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tích hợp phân tích phổ năng lượng tia X (EDX).
    • Đo tính chống thấm qua các chỉ số góc tiếp xúc nước, áp lực nước và chỉ số tuột nước (spray test).
    • Đánh giá tính chất cơ lý bằng đo độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2015, gồm các giai đoạn phối trộn dung dịch, khảo sát điều kiện đóng rắn, phủ và xử lý mẫu vải, đo đạc và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện đóng rắn tối ưu: Nhiệt độ sấy 100°C trong 2 giờ với dung dịch chứa 15% Silicone (tỉ lệ nhựa/sợi) cho hàm lượng gel cao nhất, đạt khoảng 85%, đảm bảo màng phủ bền vững và đồng nhất.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng Silicone: Khi tăng hàm lượng Silicone từ 10% lên 20%, góc tiếp xúc nước trên bề mặt vải tăng từ khoảng 110° lên 135°, áp lực nước chịu được tăng từ 500 mmH2O lên 1200 mmH2O, chỉ số tuột nước cải thiện từ mức 70% lên 95%. Độ bền kéo đứt của vải phủ Silicone tăng trung bình 15% so với vải không phủ, trong khi độ giãn dài giảm nhẹ khoảng 5%.

  3. Ảnh hưởng của loại vải cotton: Vải có mật độ dệt cao (114 sợi/inch dọc, 122 sợi/inch ngang) cho khả năng chống thấm tốt hơn, với góc tiếp xúc nước đạt 140°, áp lực nước lên đến 1300 mmH2O, so với vải mật độ thấp (66x42 sợi/inch) chỉ đạt góc tiếp xúc 115° và áp lực nước 600 mmH2O.

  4. Ảnh hưởng của số lần tẩm phủ: Tăng số lần tẩm phủ từ 1 đến 3 lần làm tăng độ dày lớp phủ từ 5 µm lên 15 µm, hàm lượng nhựa/sợi tăng từ 12% lên 30%. Tính chống thấm được cải thiện rõ rệt, góc tiếp xúc nước tăng từ 120° lên 138°, áp lực nước tăng từ 800 mmH2O lên 1250 mmH2O. Tuy nhiên, độ bền kéo đứt giảm nhẹ sau lần tẩm thứ 3 do lớp phủ dày gây cứng vải.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy Polysiloxane phủ lên vải cotton tạo thành lớp màng mỏng có cấu trúc liên kết không gian bền vững, giúp cải thiện đáng kể tính chống thấm nước mà vẫn giữ được độ mềm mại và độ bền cơ lý của vải. Sự gia tăng hàm lượng Silicone làm tăng sức căng bề mặt và khả năng tạo màng phủ liên tục, từ đó nâng cao góc tiếp xúc nước và áp lực nước chịu được.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các báo cáo về khả năng chống thấm của vải cotton phủ Silicone, tuy nhiên nghiên cứu này bổ sung thêm phân tích chi tiết về ảnh hưởng của mật độ dệt và số lần tẩm phủ, cung cấp dữ liệu thực nghiệm cụ thể cho thị trường Việt Nam. Các biểu đồ góc tiếp xúc nước, áp lực nước và độ bền kéo đứt minh họa rõ ràng sự cải thiện tính năng của vải sau phủ Silicone.

Việc tăng số lần tẩm phủ giúp tăng độ dày lớp phủ và khả năng chống thấm, nhưng cần cân nhắc để tránh làm giảm tính đàn hồi và độ mềm mại của vải. Phân tích SEM và EDX cho thấy lớp phủ Silicone bám chắc trên bề mặt sợi cotton, đồng thời giữ nguyên cấu trúc sợi, không gây biến đổi hóa học đáng kể.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình phủ Silicone với hàm lượng 15-20% và điều kiện đóng rắn ở 100°C trong 2 giờ nhằm tối ưu hóa tính chống thấm và giữ nguyên tính chất cơ lý của vải cotton. Thời gian thực hiện quy trình này phù hợp cho sản xuất công nghiệp quy mô vừa và lớn.

  2. Lựa chọn loại vải cotton có mật độ dệt cao (trên 100 sợi/inch) để tăng hiệu quả phủ Silicone, nâng cao khả năng chống thấm và độ bền sản phẩm. Các nhà sản xuất nên ưu tiên nhập khẩu hoặc sản xuất vải có đặc tính này.

  3. Kiểm soát số lần tẩm phủ không vượt quá 3 lần để tránh làm giảm độ mềm mại và độ bền kéo đứt của vải. Đối với các sản phẩm yêu cầu độ mềm cao, nên giới hạn số lần phủ ở 1-2 lần.

  4. Đầu tư trang thiết bị đo góc tiếp xúc nước, áp lực nước và spray test để kiểm soát chất lượng sản phẩm phủ Silicone trong quá trình sản xuất, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả chống thấm.

  5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về khả năng chống thấm lâu dài và tính bền vững của lớp phủ Silicone sau nhiều lần giặt và sử dụng thực tế, nhằm hoàn thiện quy trình và mở rộng ứng dụng trong ngành dệt may Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ vật liệu cao phân tử và tổ hợp: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu Polysiloxane và ứng dụng phủ chống thấm trên vải cotton, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và gia công vải, may mặc: Thông tin về quy trình phủ Silicone và các điều kiện tối ưu giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và mở rộng thị trường.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm trong ngành dệt may kỹ thuật: Dữ liệu về tính chất cơ lý và chống thấm của vải phủ Silicone hỗ trợ thiết kế sản phẩm bảo hộ, quần áo thể thao, thời trang cao cấp.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp vật liệu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu phủ chống thấm thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Polysiloxane có ảnh hưởng đến độ mềm mại của vải cotton không?
    Polysiloxane giúp tăng độ mềm mại nhờ đặc tính nhớt và linh hoạt của Silicone. Kết quả nghiên cứu cho thấy vải phủ Silicone vẫn giữ được độ mềm mại tốt, đặc biệt khi hàm lượng Silicone được kiểm soát trong khoảng 15-20%.

  2. Số lần tẩm phủ Silicone ảnh hưởng thế nào đến tính chất vải?
    Tăng số lần tẩm phủ làm tăng độ dày lớp phủ và khả năng chống thấm, nhưng vượt quá 3 lần có thể làm giảm độ bền kéo đứt và độ mềm mại do lớp phủ dày gây cứng vải.

  3. Điều kiện đóng rắn nào là tối ưu cho lớp phủ Silicone?
    Nhiệt độ sấy 100°C trong 2 giờ được xác định là điều kiện tối ưu, giúp tạo màng phủ bền vững với hàm lượng gel cao, đồng thời giữ nguyên tính chất cơ lý của vải.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá khả năng chống thấm của vải?
    Khả năng chống thấm được đánh giá qua góc tiếp xúc nước, áp lực nước và chỉ số tuột nước (spray test), kết hợp với phân tích cấu trúc bề mặt bằng SEM và thành phần nguyên tố bằng EDX.

  5. Ứng dụng thực tế của vải cotton phủ Polysiloxane là gì?
    Vải phủ Silicone thích hợp cho quần áo thể thao, bảo hộ lao động, thời trang cao cấp cần tính năng chống thấm, mềm mại và bền bỉ, đồng thời có thể ứng dụng trong các sản phẩm kỹ thuật đòi hỏi khả năng chịu nhiệt và chống ẩm.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định được điều kiện đóng rắn tối ưu cho lớp phủ Polysiloxane trên vải cotton là 100°C trong 2 giờ với hàm lượng Silicone 15-20%.
  • Tăng hàm lượng Silicone và mật độ dệt vải giúp cải thiện đáng kể khả năng chống thấm, với góc tiếp xúc nước lên đến 140° và áp lực nước chịu được trên 1300 mmH2O.
  • Số lần tẩm phủ ảnh hưởng tích cực đến tính chống thấm nhưng cần kiểm soát để tránh giảm tính cơ lý của vải.
  • Phương pháp phân tích SEM và EDX chứng minh lớp phủ Silicone bám chắc và không làm biến đổi cấu trúc sợi cotton.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển sản phẩm vải cotton phủ Silicone chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm độ bền lớp phủ sau nhiều lần giặt và sử dụng thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các loại vải khác để đa dạng hóa ứng dụng. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả này để nâng cao chất lượng sản phẩm và phát triển công nghệ phủ chống thấm thân thiện môi trường.