Chương 1. Tổng quan Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị.
TỔNG QUAN VỀ SƠN ACRYLIC VÀ HẠT LAI NANO BẠC 1. TỔNG QUAN VỀ HẠT LAI NANO BẠC 1. Giới thiệu về công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10 -9 m). Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài.
Được đưa ra bởi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Năm 1974, Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Tổ chức Nanotechnology Initiative tại Mỹ định nghĩa công nghệ nano: “là bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”, trong công nghệ chế tạo các cấu trúc vi mạch điện tử. Độ chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân tử nên đòi hỏi rất cao từ 0,1 đến 100 nm.
Quá trình chế tạo các lớp mỏng bề mặt có bề dày cỡ nm, các sợi dẫn có bề ngang cỡ nm, các hạt có đường kính cỡ nm. Việc nghiên cứu vật liệu nano phát hiện các hiện tượng, tính chất rất mới, có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau để hình thành các chuyên ngành mới có gắn thêm chữ nano. Tổng quan về bạc Bạc có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (hình 1.1), là kim loại chuyển tiếp của chu kì 5, nhóm IB, có một electron ở lớp ngoài cùng. Bạc có các thông số mạng cơ sở a = b = c = 4,08 Å.
Tinh thể của bạc * Tính chất và ứng dụng của nano bạc Bạc ở kích thước nano có các tính chất quang học, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Nano bạc có thể được đưa vào các sản phẩm như: các chi tiết cần độ dẫn nhiệt cao, các loại pin quang điện, các sản phẩm điện tử, các cảm biến sinh học và hóa học. Khi có nano bạc giúp cho các sản phẩm này có độ dẫn diện, dẫn nhiệt cao, ổn định và có độ bền cao. Tính chất diệt khuẩn của nano bạc là khả năng được quan tâm, đặc biệt trong lĩnh vực y tế, trong sản xuất hàng hoá tiêu dùng.
Các sản phẩm này có được tính năng kháng khuẩn, đồng thời có khả năng bảo vệ sức khỏe con người. Trong lĩnh vực hóa học, bạc được sử dụng làm vật liệu diệt khuẩn và làm xúc tác cho. Trong các nghiên cứu này nhằm chế tạo các vật liệu trên cơ sở nano bạc có hoạt tính cao và tối ưu hóa thành phần, tỉ lệ mà vẫn đạt hiệu quả cao. Các phương pháp chế tạo nano bạc Các phương pháp chế tạo nano bạc chia thành hai nhóm.
Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học có ưu điểm là không cần thiết bị phức tạp, dễ thực hiện, có thể thu được kích thước các hạt nano bạc bằng cách thay đổi hóa chất sử dụng như: loại hóa chất khử khác nhau, nồng độ các chất tham gia phản ứng,. Ngoài ra, cũng có thể thay đổi các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, tốc độ nhỏ giọt hay thời gian khử,… để thu được các hạt nano bạc kích thước khác nhau. [125] 7 Có thể chia Phương pháp Hóa học như sau: Phương pháp khử hóa học: Phương pháp này sử dụng tác nhân khử hóa học để chuyển bạc ion thành kim loại bạc. Sử dụng các chất khử như: natrixitrat, focmandehit, natribohidrua, axit ascorbic, etylenglycol, hydrazin, glyxerol,… Đối với chất khử mạnh như: natribohydrua thì phản ứng xảy ra nhanh, các phân tử nano rất nhỏ được tạo thành.
Khi nồng độ bạc cao dẫn tới sự khuếch tán ion bạc trên các chất bảo vệ bị hạn chế (chất bảo vệ sử dụng như: polyvinylpyrolidon-PVP). Trong trường hợp có tốc độ khử cao, có thể dẫn đến độ chuyển hóa cao, khi đó các hạt nano tạo thành có kích thước hạt phân bố rộng. Sử dụng tác nhân khử trung bình như: focmandehyt, ở nồng độ ion bạc khoảng 0,1 M, các phân tử nano thu được có kích thước khoảng 30 nm. Khi sử dụng chất khử yếu như: glucose, sẽ thu được phân tử nano bạc không đồng đều, với kích thước khoảng 20 nm.
Trong trường hợp sử dụng nguyên liệu bạc là Ag2O thì sản phẩm nano bạc có kích thước khoảng 10 – 50 nm [85]. Các yếu tố như: pH của dung dịch, nồng độ ion Ag+, tỷ lệ chất khử,… đều ảnh hưởng đến hiệu suất khử và sự phân bố cũng như kích thước hạt bạc [20]. Phương pháp polyol: sử dụng polyme mạch thẳng có nhóm chức -OH (như: polyvinylalcohol) để khử bạc ion thành bạc kim loại trong dung dịch có nhiệt độ 60-70 oC. Polyvinylalcohol vừa đóng vai trò làm chất ổn định và vai trò làm tác nhân khử.
Phương pháp polyol có thể thu được dung dịch keo nano bạc với kích thước hạt 10-30 nm [51]. Phương pháp phản ứng thế: sử dụng một kim loại để khử ion bạc thành kim loại bạc từ dung dịch muối bạc, trong hỗn hợp có chất ổn định. Phương pháp sử dụng để tổng hợp dung dịch chứa bạc nano. Ví dụ: đồng phản ứng thế với AgNO3 trong dung dịch có chứa chất ổn định PVP.
Sản phảm thu được là dung dịch keo nano bạc với kích thước hạt nano khoảng 50 nm [68]. 8 Phương pháp khử hóa bức xạ: sử dụng bức xạ gama phát ra từ đồng vị Co60, Cs137 và máy phát trùm tia điện tử gia tốc để khử ion bạc thành kim loại bạc. Có thể sử dụng đèn cực tím xenon - thủy ngân (150 W) tạo nguồn bức xạ UV để chiếu xạ dung dịch ion bạc, axeton, iso-propanol và chất ổn định là polime. Bạc nano thu được có kích thước trung bình khoảng 7 nm do sự khử ion bạc bởi tia cực tím và gốc tự [62].
Phương pháp điện hóa: sử dụng tấm Pt làm cực âm, sợi bạc làm cực dương, để hai cực cách nhau 5 cm trong bình điện phân, khi đó hạt nano bạc tạo thành có kích thước trung bình khoảng 17 nm. Sử dụng dung dịch điện phân chứa Bu4NPF6, dimetylformamid, viologen-cavitand (MVCA-C58+) [126]. Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của chất khử điện hóa MVCA-C58+, ion bạc sẽ được giải phóng từ điện cực bạc vào dung dịch và các hạt bạc nano sẽ được tạo thành trong dung dịch. Phương pháp vật lý Phương pháp vật lý thu được các hạt bạc nano có kích thước khá đồng đều, độ tinh khiết cao.
So với các phương pháp khác, xét về khía cạnh kinh tế thì các phương pháp vật lý có đầu tư các thiết bị lớn, yêu cầu khá cao, đồi hỏi tiến hành ở các điều kiện khá nghiêm ngặt. Do vậy, giá thành hạt bạc nano cao hơn so với các phương pháp chế tạo khác. Các phương pháp vật lý bao gồm: Phương pháp bay hơi vật lý: Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ: tiến hành cho hóa hơi bạc ở dạng dây, sợi tinh khiết ở nhiệt độ cao với điều kiện môi trường chân không. Dòng hơi bạc nguyên tử quá bão hòa được tiến hành ngưng tụ, sau đó phát triển thành hạt nano bạc khi tiếp xúc với khí heli được làm lạnh bằng nitơ lỏng.
Kỹ thuật đồng ngưng tụ: xảy ra trên lớp sử dụng các dung môi thích hợp để đồng ngưng tụ (ví dụ như: iso-propanol). 9 Kỹ thuật kết hợp ngưng tụ khí trơ và đồng ngưng tụ: quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn 2000 oC, sản phẩm có độ tinh khiết cao. Kích thước hạt bạc nano trung bình khoảng 15 nm (phương pháp đồng ngưng tụ) và 75 nm (phương pháp ngưng tụ khí trơ). Ngoài ra hạt bạc nano tạo thành lớp mỏng có kích thước trung bình khoảng 15 - 50 nm được lắng đọng trên nền thạch anh hoặc thủy tinh được làm lạnh sâu sử dụng kỹ thuật ngưng tụ dòng hơi phun mạnh lên bia rắn ở áp suất cao và nhiệt độ cao [120].
Phương pháp ăn mòn laze: sử dụng vật liệu ban đầu là một tấm bạc đặt trong dung dịch có lớp chất hoạt hóa bề mặt, sản phẩm thu được là dung dịch chứa nano bạc. Dùng chùm laze có tần số là 10 Hz, với bước sóng 532 nm, khi đó đường kính vùng kim loại bị tác dụng là 1-3 mm. Các hạt bạc nano được tạo thành có kích thước khoảng 10 nm, được bao phủ bởi chất hoạt động bề mặt CnH2n+1SO4Na (n = 8; 10; 12; 14) có nồng độ dung dịch từ 0,001 - 0,1 M [120]. Phương pháp phân hủy nhiệt: sử dụng các phức chất hữu cơ bạc để tạo thành nano bạc dạng rắn.
Phân huỷ nhiệt phức bạc oleat đến 290 oC, ổn định 1 giờ, hạ nhiệt độ đến nhiệt độ phòng, hạt bạc nano thu được có kích thước trung bình khoảng 10 nm [75]. Phương pháp bức xạ vi sóng điện từ: dưới tác dụng của sóng ngắn và nhiệt phân bố đều trong dung dịch hỗn hợp gồm: ion bạc, chất khử và chất ổn định được chiếu xạ vi sóng điện từ quá trình khử xảy ra và phát triển nhanh chóng thành hạt bạc kim loại, sản phẩm thu được là dung dịch keo bạc có kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm. Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng mà kích thước hạt nano có thể thay đổi [65]. Các phương pháp chế tạo vật liệu chứa nano bạc Quá trình chế tạo kim loại trên bề mặt chất mang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới bởi tính ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác cho các phản ứng chuyển hoá dầu mỏ và các quá trình xử lý môi trường [85,92,112,130].
Các nghiên cứu chế tạo kim loại nano phân tán trên 10 bề mặt chất mang đã thu được các thành tựu ấn tượng trong việc tạo vật liệu có kích thước cỡ nanomet, đồng đều, phân tán cao trên chất mang. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của khoa học và đời sống. Do số lượng các nguyên tử kim loại phân tán trên bề mặt chất mang ít hơn so với dùng kim loại riêng, mức độ phân tán trên chất mang đồng đều hơn nên hoạt tính của kim loại/chất mang cao hơn nhiều so với các vật liệu chế tạo từ kim loại đó nhưng nó không ở trạng thái phân tán cao trên bề mặt chất mang [3].