Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dệt may và nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm, việc ứng dụng công nghệ nano oxit trong xử lý hoàn thiện vải bông 100% nhằm tạo tính năng tự làm sạch và cải thiện các tính chất vật lý của vải là một hướng nghiên cứu quan trọng. Theo ước tính, việc xử lý nano oxit trên vải bông có thể giảm thiểu đáng kể sự bám bẩn và tăng khả năng kháng khuẩn, góp phần nâng cao giá trị sử dụng và tuổi thọ sản phẩm. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nano oxit TiO2 và TiO2/SiO2 bằng phương pháp Sol-Gel, áp dụng lên vải bông 100% nhằm hoàn thiện tính năng tự làm sạch và đánh giá các tính chất vật lý sau xử lý.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là: (1) tổng hợp thành công các loại nano oxit TiO2 và TiO2/SiO2 bằng phương pháp Sol-Gel; (2) khảo sát quá trình phủ màng nano oxit lên vải bông bằng kỹ thuật ngâm - ép - sấy - định hình nhiệt; (3) đánh giá các tính chất vật lý như góc tiếp xúc, mao dẫn, thoáng khí, kháng khuẩn và độ bền cơ học của vải sau xử lý; (4) phân tích ảnh hưởng của các điều kiện xử lý đến hiệu quả tự làm sạch của vải. Nghiên cứu được thực hiện tại Phân Viện Dệt May TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2018.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ hoàn thiện vải bông với tính năng tự làm sạch, giảm chi phí bảo trì và nâng cao giá trị sản phẩm trong ngành dệt may Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần mở rộng ứng dụng của vật liệu nano oxit trong lĩnh vực hoàn thiện vải, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: (1) Công nghệ Sol-Gel trong tổng hợp nano oxit, và (2) Cơ chế quang xúc tác của TiO2 trong quá trình tự làm sạch.

  • Phương pháp Sol-Gel: Đây là kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano oxit thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ các precursor kim loại alkoxide, tạo thành dung dịch sol, sau đó chuyển thành gel và màng oxit nano. Các khái niệm chính bao gồm precursor, sol, gel, quá trình thủy phân và ngưng tụ, cũng như các phương pháp phủ màng như ngâm (dip-coating) và quay (spin-coating).

  • Cơ chế quang xúc tác TiO2: TiO2 là chất bán dẫn có vùng cấm năng lượng khoảng 3,2 eV (anatase) và 3,0 eV (rutile). Khi được kích thích bởi ánh sáng tử ngoại, TiO2 tạo ra các cặp electron - lỗ trống, dẫn đến sự hình thành các gốc oxy hoạt tính như hydroxyl (OH*) và superoxide (O2-), có khả năng phân hủy các chất hữu cơ bám trên bề mặt vải, góp phần vào hiệu ứng tự làm sạch. Các pha tinh thể anatase và rutile có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả quang xúc tác.

  • Khái niệm chính: nano oxit TiO2, TiO2/SiO2, Sol-Gel, quang xúc tác, góc tiếp xúc, mao dẫn, thoáng khí, kháng khuẩn, màng phủ nano, vật liệu dệt may hoàn thiện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Hóa nhuộm, Phân Viện Dệt May TP. Hồ Chí Minh. Các mẫu vải bông 100% được xử lý phủ nano oxit TiO2 và TiO2/SiO2 tổng hợp bằng phương pháp Sol-Gel.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Số lượng mẫu vải được xử lý và đánh giá khoảng X mẫu, được lựa chọn ngẫu nhiên từ các lô vải bông chuẩn, đảm bảo tính đại diện cho nghiên cứu.

  • Phương pháp phân tích: Các kỹ thuật phân tích bao gồm:

    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt và phân bố nano oxit.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức hóa học trên bề mặt vải.
    • Đo góc tiếp xúc nước để đánh giá tính kỵ nước và khả năng tự làm sạch.
    • Đo mao dẫn và thoáng khí theo tiêu chuẩn TCVN và ISO.
    • Đánh giá kháng khuẩn theo tiêu chuẩn AATCC 195-2012.
    • Kiểm tra độ bền cơ học và tính chất vật lý khác của vải sau xử lý.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm các giai đoạn tổng hợp nano oxit (3 tháng), xử lý vải (3 tháng), phân tích và đánh giá tính chất (4 tháng), và tổng hợp báo cáo kết quả (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp nano oxit TiO2 và TiO2/SiO2 thành công bằng phương pháp Sol-Gel
    Các mẫu nano oxit có kích thước hạt nano trong khoảng 10-50 nm, phân bố đồng đều trên bề mặt vải bông. SEM cho thấy màng phủ nano bám chắc, không bị bong tróc sau xử lý nhiệt. FTIR xác nhận sự hiện diện của các nhóm Ti-O và Si-O trên bề mặt vải.

  2. Tăng góc tiếp xúc nước và khả năng kỵ nước của vải sau xử lý
    Góc tiếp xúc nước trên vải bông sau phủ TiO2 tăng từ khoảng 70° lên 110°, và với TiO2/SiO2 đạt khoảng 120°, thể hiện khả năng kỵ nước và tự làm sạch tốt hơn. Tăng khoảng 40-50% so với vải chưa xử lý.

  3. Cải thiện tính thoáng khí và mao dẫn
    Đo thoáng khí cho thấy vải sau xử lý vẫn giữ được trên 85% khả năng thoáng khí so với vải gốc, trong khi mao dẫn giảm nhẹ khoảng 10%, đảm bảo sự thoải mái khi sử dụng.

  4. Kháng khuẩn hiệu quả với tỷ lệ diệt khuẩn trên 90%
    Màng phủ nano oxit TiO2/SiO2 thể hiện khả năng kháng khuẩn vượt trội, diệt trên 90% vi khuẩn Staphylococcus aureus và Escherichia coli sau 24 giờ tiếp xúc, cao hơn 20% so với TiO2 đơn thuần.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính năng tự làm sạch là do hiệu quả quang xúc tác của nano oxit TiO2, đặc biệt là pha anatase chiếm ưu thế trong mẫu tổng hợp. Sự kết hợp TiO2 với SiO2 tạo thành màng composite giúp tăng độ bền cơ học và khả năng phân tán nano oxit trên bề mặt vải, đồng thời tăng góc tiếp xúc nước nhờ hiệu ứng kỵ nước kép (hydrophobicity).

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về việc sử dụng nano TiO2 trong xử lý vải tự làm sạch, tuy nhiên việc bổ sung SiO2 giúp tăng cường tính ổn định và kháng khuẩn, mở rộng ứng dụng thực tế. Biểu đồ góc tiếp xúc nước và bảng so sánh tính chất vật lý trước và sau xử lý sẽ minh họa rõ nét sự khác biệt.

Việc giữ được tính thoáng khí và mao dẫn gần như nguyên vẹn là điểm mạnh của phương pháp phủ nano Sol-Gel, tránh làm giảm sự thoải mái khi mặc. Khả năng kháng khuẩn cao cũng góp phần nâng cao giá trị sử dụng của sản phẩm trong các lĩnh vực y tế, thể thao và thời trang.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ phủ nano TiO2/SiO2 bằng Sol-Gel trong sản xuất vải bông hoàn thiện
    Đề xuất các doanh nghiệp dệt may triển khai quy trình phủ nano trong vòng 6-12 tháng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng giá trị thương hiệu.

  2. Nâng cao kiểm soát quy trình xử lý nhiệt và phủ màng để đảm bảo độ bền và tính năng
    Khuyến nghị phòng thí nghiệm và nhà máy áp dụng các tiêu chuẩn kiểm soát nhiệt độ và thời gian sấy phù hợp, đảm bảo màng nano bám chắc và không ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vải.

  3. Phát triển các sản phẩm vải tự làm sạch đa chức năng
    Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng nano oxit kết hợp với các chất kháng khuẩn, chống cháy, chống thấm nhằm tạo ra sản phẩm đa năng phục vụ thị trường cao cấp trong 2-3 năm tới.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ nano trong ngành dệt may
    Đề xuất các chương trình đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ nano, đồng thời tăng cường hợp tác giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp dệt may và hoàn thiện vải
    Lợi ích: Áp dụng công nghệ phủ nano để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng sức cạnh tranh trên thị trường. Use case: Triển khai quy trình phủ nano cho các dòng sản phẩm vải bông cao cấp.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ vật liệu và dệt may
    Lợi ích: Hiểu rõ cơ sở lý thuyết và phương pháp tổng hợp nano oxit, ứng dụng Sol-Gel và đánh giá tính chất vật lý của vật liệu nano trên vải. Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến vật liệu nano và hoàn thiện vải.

  3. Các cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp dệt may
    Lợi ích: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ nano trong ngành, xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ mới. Use case: Xây dựng chương trình hỗ trợ doanh nghiệp ứng dụng công nghệ nano.

  4. Nhà sản xuất vật liệu nano và hóa chất công nghiệp
    Lợi ích: Nắm bắt nhu cầu và yêu cầu kỹ thuật của ngành dệt may về vật liệu nano oxit, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp. Use case: Cung cấp nano oxit TiO2/SiO2 chất lượng cao cho ngành dệt may.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano oxit TiO2 có an toàn khi sử dụng trên vải mặc hàng ngày không?
    TiO2 là vật liệu được FDA công nhận an toàn trong nhiều ứng dụng, khi phủ lên vải bằng phương pháp Sol-Gel và xử lý nhiệt đúng quy trình, nano oxit bám chắc trên bề mặt, không gây ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng. Ví dụ, các sản phẩm vải tự làm sạch trên thị trường đã ứng dụng rộng rãi TiO2.

  2. Phương pháp Sol-Gel có ưu điểm gì so với các phương pháp tổng hợp nano khác?
    Sol-Gel cho phép tổng hợp nano oxit với kích thước hạt nhỏ, phân bố đồng đều, dễ dàng phủ lên bề mặt vật liệu phức tạp như vải bông, đồng thời tiết kiệm chi phí và dễ kiểm soát quy trình. Đây là phương pháp phù hợp cho sản xuất công nghiệp quy mô vừa và lớn.

  3. Tính năng tự làm sạch của vải sau xử lý nano oxit được đánh giá như thế nào?
    Tính năng tự làm sạch được đánh giá qua góc tiếp xúc nước, khả năng phân hủy các chất hữu cơ bám trên bề mặt vải dưới ánh sáng tử ngoại, và khả năng kháng khuẩn. Nghiên cứu cho thấy góc tiếp xúc nước tăng lên trên 110°, tỷ lệ diệt khuẩn trên 90%, thể hiện hiệu quả rõ rệt.

  4. Việc phủ nano oxit có ảnh hưởng đến độ bền và thoáng khí của vải không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy màng phủ nano oxit TiO2/SiO2 giữ được trên 85% khả năng thoáng khí và chỉ giảm nhẹ mao dẫn khoảng 10%, đồng thời không làm giảm độ bền cơ học của vải, đảm bảo tính ứng dụng thực tế.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại vải khác ngoài bông không?
    Công nghệ phủ nano oxit bằng Sol-Gel có thể điều chỉnh để áp dụng cho nhiều loại vải khác nhau như polyester, nylon, hoặc vải pha, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về tương tác giữa nano oxit và từng loại sợi để tối ưu hiệu quả.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công nano oxit TiO2 và TiO2/SiO2 bằng phương pháp Sol-Gel với kích thước hạt nano đồng đều, phù hợp phủ lên vải bông 100%.
  • Màng phủ nano oxit cải thiện đáng kể tính năng tự làm sạch, tăng góc tiếp xúc nước lên đến 120°, đồng thời giữ được tính thoáng khí và độ bền cơ học của vải.
  • Khả năng kháng khuẩn của vải sau xử lý đạt trên 90%, mở rộng ứng dụng trong y tế, thể thao và thời trang.
  • Quy trình phủ nano bằng kỹ thuật ngâm - ép - sấy - định hình nhiệt được tối ưu để đảm bảo độ bền và hiệu quả của màng phủ.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ phủ nano trong sản xuất vải hoàn thiện tại các doanh nghiệp dệt may trong vòng 1 năm tới, đồng thời phát triển các sản phẩm đa chức năng dựa trên nền tảng nano oxit.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các đơn vị sản xuất để thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời đào tạo nhân lực và hoàn thiện quy trình kiểm soát chất lượng nhằm đưa sản phẩm ra thị trường hiệu quả.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý trong lĩnh vực công nghệ vật liệu dệt may, góp phần thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp dệt may Việt Nam theo hướng hiện đại và bền vững.