Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu ngày càng quan tâm đến các vấn đề môi trường và tiêu dùng bền vững, công nghệ tự làm sạch trên vật liệu dệt may đã trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng. Theo khảo sát của Viện nghiên cứu Giá trị doanh nghiệp thuộc Tập đoàn IBM năm 2021, 90% người tiêu dùng cho biết dịch COVID-19 đã thay đổi nhận thức về môi trường và ưu tiên sử dụng sản phẩm thân thiện. Đồng thời, báo cáo của Công ty Nielsen Việt Nam chỉ ra doanh số các thương hiệu cam kết bền vững tăng gấp 4 lần so với đối thủ không có cam kết. Trong ngành dệt may, việc ứng dụng công nghệ nano, đặc biệt là nano oxit kim loại TiO2, nhằm tạo ra các loại vải có khả năng tự làm sạch, vừa nâng cao giá trị sản phẩm vừa góp phần bảo vệ môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu đưa nano oxit kim loại TiO2 lên bề mặt vải bông 100% nhằm tạo ra vải có tính năng tự làm sạch dựa trên cơ chế kép: tính kị nước siêu vi và hoạt tính quang xúc tác phân hủy vết bẩn dưới ánh sáng cực tím. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp TiO2 bằng phương pháp sol-gel, xử lý phủ TiO2 lên vải bằng phương pháp ngâm tẩm, đánh giá đặc tính hóa lý và khả năng tự làm sạch của vải. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu Dệt may Da giày và Trung tâm nghiên cứu xúc tác Việt Đức, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trong năm 2022.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu vải bông tự làm sạch có thể ứng dụng rộng rãi trong đời sống như quần áo, chăn ga, nội thất, y tế, góp phần tiết kiệm nước, điện và hóa chất giặt tẩy, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đây là bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ nano vào ngành dệt may, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng bền vững và thân thiện với môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính:

  1. Hiệu ứng tự làm sạch vật lý (Physical self-cleaning): Dựa trên nguyên lý siêu kị nước, mô phỏng theo "Hiệu ứng hoa sen" với góc tiếp xúc nước trên bề mặt vải đạt từ 150° trở lên, giúp các giọt nước lăn tròn cuốn đi bụi bẩn và tạp chất. Cấu trúc vi mô và nano của bề mặt tạo ra độ nhám và năng lượng bề mặt thấp, làm giảm lực kết dính của chất bẩn.

  2. Cơ chế quang xúc tác hóa học (Chemical self-cleaning): Sử dụng tính năng quang xúc tác của TiO2, khi được chiếu sáng bằng tia cực tím, tạo ra các cặp electron-lỗ trống, sinh ra các gốc oxy phản ứng (ROS) như hydroxyl (.OH) và superoxide (.O2-). Các gốc này oxy hóa và phân hủy các hợp chất hữu cơ gây bẩn thành CO2 và H2O, đồng thời tiêu diệt vi khuẩn gây hại.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: góc tiếp xúc nước (contact angle), hiệu ứng hoa sen, quang xúc tác TiO2, phương pháp sol-gel tổng hợp nano TiO2, và các chỉ số đánh giá tính chất vải như độ bền kéo đứt, độ thoáng khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu khoa học về vật liệu tự làm sạch, đặc tính TiO2, các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước liên quan đến đánh giá vải và quang xúc tác.

  • Phương pháp tổng hợp: TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel từ titanium isopropoxide (TTIP) trong dung môi ethanol, sau đó nung ở 500°C để tạo bột nano TiO2 kích thước hạt nhỏ, phân bố đều.

  • Xử lý phủ nano TiO2 lên vải: Vải bông 100% được giặt sạch, sau đó ngâm tẩm trong dung dịch chứa 10% khối lượng TiO2 kết hợp rung siêu âm, lặp lại hai lần, làm khô ở 80°C và rửa lại bằng ethanol.

  • Phân tích đặc trưng: Sử dụng phổ UV-Vis để xác định năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ năng lượng tia X (EDS) để khảo sát cấu trúc và thành phần, nhiễu xạ tia X (XRD) để đánh giá độ kết tinh.

  • Đánh giá tính năng tự làm sạch: Thử nghiệm phân hủy các chất màu như Methylene Blue, rượu vang đỏ và nước dâu trên vải phủ TiO2 dưới ánh sáng UV theo tiêu chuẩn ISO 105-J02:1997. Đo góc tiếp xúc nước để đánh giá tính kị nước theo ISO 27448:2009.

  • Đánh giá tính chất cơ lý: Đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt theo TCVN 1754-1986 và độ thoáng khí theo TCVN 5092-2009.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên các mẫu vải bông phủ TiO2 với nhiều lần lặp để đảm bảo tính lặp lại, trong khoảng thời gian từ đầu năm đến cuối năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp TiO2 nano thành công: Bột TiO2 thu được có kích thước hạt nhỏ, phân bố đều, được xác nhận qua hình ảnh SEM với độ phóng đại 10.000 lần và phổ XRD cho thấy cấu trúc tinh thể anatase với độ kết tinh cao. Kích thước hạt ước tính khoảng 10-35 nm.

  2. Phương pháp ngâm tẩm phủ TiO2 lên vải hiệu quả: Vải bông phủ TiO2 có góc tiếp xúc nước tăng từ 73° (vải nguyên bản) lên 153°-154°, đạt mức siêu kị nước, chứng tỏ lớp phủ nano tạo ra bề mặt có khả năng chống bám bẩn tốt.

  3. Khả năng phân hủy chất màu dưới ánh sáng UV: Vải phủ TiO2 phân hủy hiệu quả các chất màu Methylene Blue, rượu vang đỏ và nước dâu. Nồng độ Methylene Blue giảm nhanh chóng dưới tác động của ánh sáng UV với xúc tác TiO2, đạt tỷ lệ phân hủy trên 80% sau khoảng 120 phút chiếu sáng.

  4. Tính chất cơ lý của vải được bảo toàn: Độ bền kéo đứt và độ giãn đứt của vải sau xử lý phủ TiO2 không giảm đáng kể so với vải nguyên bản, đảm bảo tính tiện nghi và độ bền sử dụng. Độ thoáng khí của vải vẫn duy trì ở mức 225 l/m²/s, phù hợp với tiêu chuẩn thoáng khí cho vải may mặc.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp sol-gel tổng hợp TiO2 kết hợp với kỹ thuật ngâm tẩm phủ lên vải bông là giải pháp đơn giản, khả thi và có thể mở rộng quy mô sản xuất. Việc tăng góc tiếp xúc nước lên mức siêu kị nước giúp vải chống bám bẩn hiệu quả nhờ cơ chế vật lý, trong khi hoạt tính quang xúc tác của TiO2 dưới ánh sáng UV phân hủy các vết bẩn hữu cơ, tạo nên tính năng tự làm sạch kép.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, lớp phủ không chứa flo trong nghiên cứu này khắc phục được nhược điểm về độ bền và tác động môi trường của các lớp phủ flo hóa. Ngoài ra, việc duy trì các tính chất cơ lý và độ thoáng khí của vải sau xử lý là điểm mạnh, giúp sản phẩm phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển hóa nồng độ chất màu theo thời gian chiếu sáng UV, bảng so sánh góc tiếp xúc nước trước và sau xử lý, cùng bảng đánh giá các chỉ số cơ lý của vải. Những biểu đồ và bảng này minh họa rõ ràng hiệu quả và tính ổn định của lớp phủ TiO2 trên vải.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất quy mô công nghiệp: Áp dụng phương pháp ngâm tẩm phủ nano TiO2 cho vải bông tại các nhà máy dệt may nhằm tạo ra sản phẩm vải tự làm sạch, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng.

  2. Nâng cao hiệu quả quang xúc tác: Nghiên cứu pha tạp TiO2 với các kim loại hoặc oxit khác để mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả tự làm sạch dưới ánh sáng tự nhiên. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu vật liệu trong 24 tháng.

  3. Phát triển các sản phẩm đa dạng: Ứng dụng vải tự làm sạch trong các lĩnh vực như y tế (khăn trải giường, khăn phẫu thuật), nội thất (vải bọc ghế, rèm cửa), và đồ dùng gia đình (khăn mặt, vải nhà bếp) nhằm đa dạng hóa thị trường và tăng tính cạnh tranh.

  4. Đánh giá tác động môi trường và sức khỏe: Tiến hành các nghiên cứu đánh giá lâu dài về độ bền lớp phủ, khả năng an toàn với người sử dụng và môi trường nhằm đảm bảo sản phẩm thân thiện và bền vững.

  5. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân trong ngành dệt may để nâng cao năng lực sản xuất và ứng dụng công nghệ nano TiO2.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Dệt may: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ nano và ứng dụng quang xúc tác trong xử lý vải, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dệt may và vật liệu chức năng: Tham khảo quy trình tổng hợp và xử lý phủ nano TiO2 để ứng dụng vào sản xuất vải tự làm sạch, nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng xu hướng tiêu dùng bền vững.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Tài liệu giúp hiểu rõ tiềm năng công nghệ nano trong giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ ngành dệt may, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh.

  4. Các tổ chức đào tạo và phát triển nguồn nhân lực: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, cập nhật kiến thức mới về vật liệu chức năng và công nghệ nano trong ngành dệt may.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano TiO2 có ảnh hưởng đến cảm giác và độ thoáng khí của vải không?
    Nghiên cứu cho thấy lớp phủ nano TiO2 không làm giảm độ thoáng khí của vải (đạt 225 l/m²/s) và không ảnh hưởng đến cảm giác mềm mại, do kích thước hạt nhỏ và lớp phủ mỏng, giữ nguyên đặc tính vật lý của vải.

  2. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp sol-gel cho phép tổng hợp TiO2 với kích thước hạt nhỏ, phân bố đồng đều, chi phí thấp và thiết bị đơn giản, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn so với các phương pháp vật lý phức tạp và đắt đỏ.

  3. Lớp phủ TiO2 có bền sau nhiều lần giặt không?
    Mặc dù nghiên cứu chưa đánh giá trực tiếp độ bền sau giặt, nhưng lớp phủ nano TiO2 có ái lực tốt với vải nhờ diện tích bề mặt lớn, dự kiến duy trì chức năng tự làm sạch trong thời gian dài nếu được xử lý đúng quy trình.

  4. Tính năng tự làm sạch hoạt động như thế nào dưới ánh sáng tự nhiên?
    TiO2 hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV, chiếm khoảng 4% trong ánh sáng huỳnh quang trong phòng. Tuy nhiên, để tăng hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến tự nhiên, cần nghiên cứu pha tạp hoặc kết hợp với các vật liệu khác.

  5. Ứng dụng thực tế của vải tự làm sạch là gì?
    Vải tự làm sạch có thể dùng trong quần áo hàng ngày, chăn ga, nội thất, đồ dùng y tế như khăn trải giường và khăn phẫu thuật, giúp giảm tần suất giặt, tiết kiệm nước và hóa chất, đồng thời nâng cao vệ sinh và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp nano TiO2 bằng phương pháp sol-gel và phủ lên vải bông 100% bằng phương pháp ngâm tẩm, tạo ra vải có tính năng tự làm sạch kép: siêu kị nước và quang xúc tác phân hủy vết bẩn.
  • Vải phủ TiO2 đạt góc tiếp xúc nước trên 150°, phân hủy hiệu quả các chất màu Methylene Blue, rượu vang đỏ và nước dâu dưới ánh sáng UV, đồng thời giữ nguyên các tính chất cơ lý và độ thoáng khí.
  • Nghiên cứu góp phần cung cấp giải pháp công nghệ xanh, thân thiện môi trường cho ngành dệt may, phù hợp với xu hướng tiêu dùng bền vững hiện nay.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu pha tạp TiO2 để nâng cao hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến và đánh giá độ bền lớp phủ sau giặt.
  • Khuyến khích triển khai ứng dụng công nghệ nano TiO2 trong sản xuất vải tự làm sạch quy mô công nghiệp, đồng thời tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các doanh nghiệp dệt may để thử nghiệm sản xuất mẫu quy mô lớn và đánh giá thực tế tính năng sản phẩm, đồng thời nghiên cứu cải tiến công nghệ nhằm mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực đa dạng.