ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu khả năng phân hủy chất màu
của ZnO cho ứng dụng tự làm sạch đối với
vết bẩn từ cà phê của vải bông
VŨ THỊ THÂN THƯƠNG


Ngành Công Nghệ Dệt, May

Giảng viên hướng dẫn: TS. Phan Duy Nam
Chữ ký của GVHD

Viện: Dệt may, Da giầy & Thời trang

HÀ NỘI, 6/2023
1


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Thị Thân Thương
Đề tài luận văn: Nghiên cứu khả năng phân hủy chất màu của ZnO cho ứng dụng
tự làm sạch đối với vết bẩn từ cà phê của vải bông
Chuyên ngành: Công nghệ may
Mã số SV: 20212632M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác

giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 23 tháng 6
năm 2023 với các nội dung sau:
1. Chỉnh sửa thuật ngữ trên cơ sở các tài liệu chuyên ngành chuẩn.
2. Chỉnh sửa cấu trúc luận văn làm rõ kết quả nghiên cứu và đảm bảo quy định của
Đại học Bách khoa Hà Nội.
3. Bổ sung thông tin đối tượng nghiên cứu, phịng thí nghiệm. Chỉnh sửa kết luận
của luận văn.
Ngày 23 tháng 06 năm 2023
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

3


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung luận văn “Nghiên cứu khả năng phân hủy
chất màu của ZnO cho ứng dụng tự làm sạch đối với vết bẩn từ cà phê của
vải bơng” là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Phan
Duy Nam.
Tôi xin cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu có vấn đề nào sai, tơi xin
hồn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, 23 tháng 06 năm 2023
Tác giả

5



ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu khả năng phân hủy chất màu của ZnO cho ứng dụng tự làm sạch
đối với vết bẩn từ cà phê của vải bông.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

7


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
tôi đã nhận được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện của lãnh đạo viện
Dệt may – Da giầy & Thời trang, sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của
các thầy, cơ giáo trong và ngồi viện, sự hỗ trợ, ủng hộ trọn vẹn từ gia đình và bạn
bè.
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình và hơn hết là sự đồng
hành, chia sẻ của thầy hướng dẫn, TS. Phan Duy Nam. Người thầy đã trực tiếp
định hướng, truyền đạt cho tôi về kiến thức khoa học, kỹ thuật thực nghiệm và tạo
điều kiện học tập tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận
văn thạc sĩ.
Xin được gửi lời cảm ơn đến Bộ Giáo dục và Đào tạo Việt Nam thơng qua đề
tài B2022-BKA-18 đã tài trợ tồn bộ kinh phí thực hiện nghiên cứu này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong Viện Dệt may –
Da giầy và Thời trang, các anh chị cán bộ phụ trách phịng thí nghiệm đã hỗ trợ tơi
trong q trình nghiên cứu. Xin cảm ơn GS. Lê Minh Thắng và Dự án RoHan được
tài trợ bởi Cơ quan Trao đổi Học thuật Đức (DAAD, số 57315854) và Bộ Hợp tác
Kinh tế và Phát triển Liên bang (BMZ) trong khn khổ “Chương trình đào tạo
sau đại học song phương của SDG” đã hỗ trợ một số phép đo và kiến thức chuyên
môn. Xin cảm ơn các bạn thành viên Dự án RoHan và thành viên nhóm nghiên

cứu Nano Tech Lab đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong q trình hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

9


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài:
Tiếng Việt: “Nghiên cứu khả năng phân hủy chất màu của ZnO cho ứng dụng tự
làm sạch đối với vết bẩn từ cà phê của vải bông”.
Tiếng Anh: “Study the ability of ZnO to decompose pigments for self-cleaning
applications of cotton fabrics against coffee stain”.
Tác giả luận văn: Vũ Thị Thân Thương
Khóa: 2021B
Mã học viên: 20212632M
Người hướng dẫn: TS. Phan Duy Nam
Từ khóa (Keyword): ZnO, phương pháp kết tủa, quang xúc tác, phân hủy vết bẩn,
bề mặt tự làm sạch.
Nội dung tóm tắt:
1. Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển như hiện nay, thời
trang vốn bị đánh giá là một ngành công nghiệp không thân thiện với môi trường.
Theo nghiên cứu của Liên Hợp Quốc, ngành thời trang tiêu thụ nhiều tài nguyên
nước đứng thứ hai so với các ngành khác, tạo ra 10% lượng khí thải cacbon và gần
20% lượng nước thải toàn cầu. Ước tính 85% hàng dệt may trên thế giới kết thúc
tại các bãi rác và thông thường, những vật dụng này không dễ hoặc không thể phân
hủy [1]. Tuy nhiên, thực trạng đó đang dần thay đổi nhờ một số xu hướng thời
trang mới đặt tính bền vững lên hàng đầu. Thời trang bền vững (sustainable fashion
hay eco-fashion) khơng có một đích đến duy nhất. Đó là hành trình một thương
hiệu hay doanh nghiệp thời trang cần liên tục học hỏi và thay đổi để giảm thiểu

ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường, trái đất và tồn thể cơng dân [2]. Khái niệm
“thời trang bền vững” trước đây dường như chỉ dành cho các thương hiệu nhỏ,
nhưng nay đã được các hãng thời trang lớn, các nhà thiết kế nổi tiếng hướng tới.
Họ có xu hướng tìm đến những chất liệu thân thiện với mơi trường, có nguồn gốc
tự nhiên hoặc được tái chế từ các nguồn nguyên liệu khác, không lạm dụng chất
hóa học và phẩm màu độc hại. Mỗi người tiêu dùng cũng có những thay đổi trong
cách lựa chọn các sản phẩm thời trang. Người ta đã quan tâm, chú trọng hơn nhiều
đến tính bền vững, đến nguồn gốc và công năng sử dụng của một sản phẩm thời
trang chứ không dừng lại ở tác dụng thẩm mỹ và che chắn, bảo vệ cơ thể [3].
Với sự phát triển của khoa học - kĩ thuật và công nghệ hiện đại, cùng ý thức bảo
vệ môi trường ngày càng gia tăng của nhiều người, những xu hướng công nghệ vật
liệu mới, thân thiện hơn với môi trường được ra đời. Cơng nghệ nano đóng một
vai trị quan trọng trong việc thiết kế các loại vải thông minh. Vật liệu nano đã
được sử dụng để đưa các đặc tính bền vững, kháng khuẩn, chống tia cực tím, dẫn
điện, quang học, chống thấm, chống cháy và tự làm sạch vào hàng dệt may. Các
thiết bị thông minh dựa trên vật liệu nano hiện cũng đang được tích hợp với vải để
thực hiện các chức năng khác nhau như tiếp nhận và lưu trữ năng lượng, cảm biến,
dẫn thuốc và quang học [4].
10


Bên cạnh đó, cơng nghệ tự làm sạch cũng thu hút được nhiều sự chú ý của các
nhà khoa học và tiềm năng thương mại bởi nhiều ứng dụng đa dạng [5], [6]. Trong
dệt may, có rất nhiều phát triển để tạo ra các lớp phủ tự làm sạch hiệu quả và bền
vững. Công nghệ này cung cấp nhiều lợi ích khác nhau, bao gồm giảm thiểu chi
phí vận hành, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm nước, đồng thời giảm thiểu chi phí cho
cơng việc giặt giũ [7]. Cơng nghệ tự làm sạch có thể được phân loại là kị nước
hoặc ưa nước. Đối với nhóm kị nước, việc phủ một lớp vải kị nước, siêu kị nước
có cấu trúc nano, sắp xếp chặt chẽ trên vải giúp loại bỏ các giọt nước có chứa chất
gây ơ nhiễm. Với nhóm ưa nước ngồi việc sử dụng dịng nước như một công cụ

cuốn trôi vết bẩn ra khỏi vật liệu, việc kết hợp với các yếu tố xúc tác quang cho
phép các chất ô nhiễm hữu cơ bị phân hủy quang học [5].
Việc ứng dụng nano kẽm oxit (ZnO) làm vật liệu phân hủy các chất gây ô nhiễm
môi trường cũng đã được nghiên cứu rộng rãi do tính chất khơng độc hại, chi phí
thấp và khả năng phản ứng quang hóa cao của nó [8]–[12]. Chất bán dẫn ZnO thể
hiện hiệu quả phản ứng quang xúc tác tốt tương tự TiO2 pha anatase trong q trình
phân hủy quang hóa thuốc nhuộm hoạt tính [6], [13], [14]. ZnO ở dạng bột đã được
sử dụng rộng rãi để phân hủy quang xúc tác của chất màu hữu cơ trong nước [6].
Tuy nhiên, bột ZnO có vấn đề về khả năng phục hồi sau khi phân hủy, vì một phần
bột ZnO bị mất đi trong khi cô cạn dung dịch. Để khắc phục vấn đề này, các hạt
ZnO có thể được gắn vào chất nền, đặc biệt là vải dệt vì chúng có diện tích bề mặt
cao nhất [15]–[18]. Thêm vào đó, vải bông 100% là vật liệu dệt được dùng phổ
biến, các sản phẩm may mặc từ loại vải này có giá trị thẩm mỹ và giá thành tương
đối cao. Đối với các sản phẩm sáng màu, đặc biệt là màu rắng, sự xuất hiện của
vết bẩn được phản ánh tương đối rõ ràng, gây mất tính thẩm mỹ của sản phẩm,
giảm tính tính nghi cho người mặc và có thể kết thúc sớm vòng đời của sản phẩm.
Để phát triển vấn đề này, luận văn đã nghiên cứu đưa các hạt ZnO kích thước
nano gắn lên chất nền đặc biệt là vải cotton 100%, dệt thoi, màu trắng cho ứng
dụng tự làm sạch nhờ khả năng phân hủy chất màu dựa trên nguyên lý quang xúc
tác. Những vật liệu dệt chức năng này có thể được sử dụng cho tự làm sạch cũng
như xử lý nước thải. Trong khuôn khổ luận văn, mục tiêu chính của việc tạo ra một
loại vật liệu dệt có khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch là tạo
ra loại vải với yêu cầu có thể mặc trong nhiều ngày nhất mà khơng cần phải giặt.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
− Tạo ra hạt nano oxit kim loại ZnO.
− Đưa nano oxit ZnO lên vải bông cho ứng dụng tự làm sạch.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: vải bông dệt thoi màu trắng, các loại vết bẩn trên vải và
quần áo, nano ZnO tổng hợp theo phương pháp kết tủa và khả năng phân hủy chất
màu cho ứng dụng tự làm sạch.

Phạm vi nghiên cứu:
11


− Nghiên cứu quá trình tổng hợp ZnO theo phương pháp kết tủa. Đánh giá
đặc tính (SEM, EDS, FTIR và XRD) và khả năng quang xúc tác của ZnO
(UV-vis) tổng hợp được.
− Nghiên cứu quá trình xử lý phủ nano ZnO lên vải bằng phương pháp ngâm
tẩm. Đánh giá đặc tính tự làm sạch theo hai cơ chế quang xúc tác (phân tích
sự biến đổi màu sắc) và kị nước (góc tiếp xúc).
− Đánh giá một số tính chất tiện nghi của vải bông được xử lý bằng nano ZnO
theo các tiêu chuẩn hiện hành.
4. Tóm tắt cơ đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Trong nghiên cứu này, một lớp phủ trên vải bông đã được phát triển với khả
năng phân hủy các chất màu hữu cơ (MB, MO và cà phê) mà không cần tác động
của bất kỳ chất tẩy rửa hay hành động giặt nào. Điều này đạt được thông qua hoạt
động hấp phụ và phân hủy chất bẩn dựa trên nguyên lý quang xúc tác. Nội dung
nghiên cứu được trình bày trong luận văn bao gồm 3 chương:
− Chương 1: Tổng quan về vải bông và các vết bẩn thường gặp trên quần áo;
tự làm sạch và các phương pháp tự làm sạch trên vải; giới thiệu về chất xúc
tác quang ZnO; vải tự làm sạch.
− Chương 2: Nghiên cứu xây dựng quy trình tổng hợp xúc tác ZnO; quy trình
đưa nano ZnO lên vải; khảo sát đánh giá các đặc trưng hóa lý, hoạt tính
quang xúc tác của ZnO và vải phủ ZnO.
− Chương 3: Kết quả của nghiên cứu khả năng phân hủy chất màu cho ứng
dụng tự làm sạch vết bẩn từ cà phê của vải chứa ZnO.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn là phương pháp nghiên
cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm tại trung tâm thí nghiệm Vật liệu Dệt may và
Trung tâm nghiên cứu xúc tác Việt Đức, tại Đại học Bách khoa Hà Nội.

− Phương pháp khảo cứu tài liệu: Tìm đọc và phân tích các tài liệu để khái
quát các đặc trưng, các tính chất cơ bản của vải tự làm sạch và của ZnO.
Nghiên cứu các tiêu chuẩn liên quan để làm cơ sở tiến hành các phương
pháp kiểm tra và đánh giá.
− Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tổng hợp xúc tác, phân tích đặc
trưng xúc tác về hình thái, cấu trúc và thành phần, khảo sát tính chất quang
hóa của xúc tác, đánh giá khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm
sạch của vải có chứa ZnO.
6. Kết quả nghiên cứu
− Xúc tác ZnO đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp kết tủa và đạt
kích thước nm.
12


− Sử dụng phương pháp ngâm tẩm đưa thành công ZnO lên vải bông cho ứng
dụng tự làm sạch.
− Đã khảo sát khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu của vải hạt nano ZnO
− Đã đánh giá một số tính chất của vải bơng sau xử lý như khả năng kị nước,
sự khác biệt về độ sáng và màu sắc, độ thống khí, độ dãn đứt.
− Kết quả nghiên cứu cho thấy, ZnO có thể được dùng làm chất hoạt động bề
mặt cho ứng dụng tự làm sạch của vải bơng, mang lại lợi ích sinh thái và
bảo vệ môi trường.
7. Ý nghĩa của đề tài
− Cung cấp thơng tin khoa học về:
+ Quy trình tổng hợp hạt nano ZnO; quy trình tạo vải phủ hạt nano ZnO
+ Đặc trưng xúc tác nano ZnO
+ Đặc trưng vải phủ nano ZnO
+ Phân tích khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu của nano ZnO
+ Phân tích khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch của nano
ZnO trên vải bông 100% đối với các chất màu MB, MO và cà phê.

− Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của việc đưa nano ZnO lên vải cho ứng dụng tự làm sạch
này có thể được đưa vào các sản phẩm trong ngành dệt may, việc sử dụng loại vải
có tính tự làm sạch đồng thời giúp tiết kiệm điện, nước và hóa chất giặt tẩy, góp
phần bảo vệ môi trường.
Tác giả
Ký và ghi rõ họ tên

13


MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................16
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................17
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................19
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................20
1.1. Vải bông và một số loại vết bẩn thường gặp trên quần áo .........................20
1.1.1. Vải bông ..............................................................................................20
1.1.2. Một số loại vết bẩn thường gặp trên quần áo ......................................21
1.1.3. Vết bẩn từ cà phê .................................................................................23
1.2. Giới thiệu chung về công nghệ tự làm sạch ...............................................25
1.2.1. Khái niệm tự làm sạch .........................................................................25
1.2.2. Các cơ chế tự làm sạch ........................................................................27
1.3. Chất xúc tác quang ZnO .............................................................................30
1.4. Vải tự làm sạch ...........................................................................................37
1.5. Kết luận chương 1 ......................................................................................39
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................41
2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thực nghiệm.................................................41
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................41
2.1.2. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................48

2.2. Tổng hợp hạt nano xúc tác ZnO và tạo vải phủ nano ZnO ........................48
2.2.1. Tổng hợp hạt nano xúc tác ZnO ..........................................................48
2.2.2. Tạo vải phủ nano ZnO .........................................................................49
2.3. Phân tích đặc trưng xúc tác ZnO và vải phủ nano ZnO .............................49
2.3.1. Phân tích đặc trưng xúc tác nano ZnO ................................................49
2.3.2. Phân tích đặc trưng vải phủ nano ZnO ................................................52
2.4. Phân tích khả năng phân hủy chất màu của ZnO cho ứng dụng tự làm sạch
của vải bơng ......................................................................................................54
2.4.1. Phân tích khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu của nano ZnO .....54
2.4.2. Phân tích khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch của
vải bông phủ nano ZnO .................................................................................56
2.5. Kết luận chương 2 ......................................................................................57
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..........................................................59
3.1. Kết quả tổng hợp hạt nano ZnO ................................................................59
14


3.1.1. Kết quả tổng hợp hạt nano ZnO.......................................................... 59
3.1.2. Phân tích hình thái bề mặt hạt nano ZnO ........................................... 60
3.1.3. Phân tích thành phần pha tinh thể (nhiễu xạ XRD) ............................ 61
3.1.4. Phân tích dao động liên kết hóa học (FT-IR) ..................................... 62
3.2. Kết quả phân tích khả năng quang hóa của hạt nano ZnO ........................ 63
3.3. Kết quả đưa hạt nano ZnO lên vải bông .................................................... 64
3.3.1. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố (EDS) ................................. 64
3.3.2. Kết quả đo độ bền kéo đứt .................................................................. 65
3.3.4. Kết quả đo độ thống khí .................................................................... 67
3.3.5. Kết quả đo độ hút ẩm .......................................................................... 67
3.4. Kết quả phân tích khả năng làm mất màu ................................................. 69
3.4.1. Khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu của nano ZnO ................... 69
3.4.2. Khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch đối với vết bẩn

từ cà phê của vải bông phủ hạt nano ZnO .................................................... 75
3.4.3. Khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch đối với một số
vết bẩn khác của vải bông phủ hạt nano ZnO............................................... 77
3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 80
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN.................................................................................... 82
CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ ..................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 85
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 94

15


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ/Cụm từ viết tắt
Ý nghĩa
Ag
Bạc
CA
Contact angle – Góc tiếp xúc của nước và bề mặt vật
liệu, gọi tắt là góc tiếp xúc nước
EDS
Energy-dispersive X-ray spectroscopy – Quang phổ
tán xạ năng lượng tia X
FTIR
Fourier transform infrared – Quang phổ hồng ngoại
biến đổi Fourier
FWHM
Full Width at Half Maximum – Nửa chiều rộng tối
đa
IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry
– Liên minh quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học
ứng dụng
KOH
Kali hydroxit
MB
Methylene blue – Xanh methylen
MO
Methyl orange – Methylen da cam
SC
Semiconductor catalyst – Chất xúc tác bán dẫn
SEM
Scanning Electron Microscopy – Kính hiển vi điện
tử quét
TiO2
Titan đioxit
UV
Ultraviolet – Tia cực tím
UV-Vis DRS
UVVis diffuse reflectance spectroscopy
Vis
Visible – Vùng quang phổ nhìn thấy – Quang phổ
phản xạ khuếch tán UV Vis
XRD
Energy-dispersive X-ray spectroscopy – Nhiễu xạ tia
X
ZnO
Kẽm oxit

16



DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Q trình sản xuất vải bơng ................................................................. 20
Hình 1.2. Ứng dụng của bơng và vải bơng .......................................................... 21
Hình 1.3. Vết bẩn trên quần áo ............................................................................ 22
Hình 1.4. Vết bẩn cà phê trên vải ......................................................................... 23
Hình 1.5. (a) Cấu trúc phân tử melanoidin và (b) Sản phẩm caramen hóa đường
sucrose trong hạt cà phê rang ............................................................................... 24
Hình 1.6. Hiện tượng vết cà phê trên bề mặt vật liệu .......................................... 25
Hình 1.7. Hiệu ứng hoa sen và cấu trúc sần, nhám kích thước nano mét của bề mặt
lá sen, cánh ve sầu, mắt muỗi, cây nắp ấm, cánh bướm và lá lúa [24] ................ 26
Hình 1.8. Bề mặt vật liệu (a) chưa xử lý và (b) đã xử lý theo hiệu ứng hoa sen [29]
.............................................................................................................................. 26
Hình 1.9. Mối liên hệ giữa góc tiếp xúc bề mặt và khả năng kị nước ................. 27
Hình 1.10. Sơ đồ đơn giản về hiệu ứng hoa sen [33] ........................................... 28
Hình 1.11. Tự làm sạch dựa trên cơ chế kết hợp ưa nước và quang xúc tác ....... 29
Hình 1.12. Sơ đồ quá trình quang xúc tác ............................................................ 29
Hình 1.13. Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn oxit kim loại [41] ................ 30
Hình 1.14. Cấu trúc tinh thể ZnO: mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl (a), mạng
lập phương kiểu Zinc blende (b) và mạng lục giác Wurtzite (c) [45].................. 31
Hình 1.15. Các mức độ khuyết tật được tính tốn trong cấu trúc nano ZnO. [44]
.............................................................................................................................. 32
Hình 1.16. Phổ huỳnh quang của nano ZnO ở 100℃ [50] .................................. 33
Hình 1.17. Mơ tả cơ chế xúc tác quang hóa của ZnO .......................................... 33
Hình 1.18. Cơ chế kháng khuẩn của nano ZnO [55] ........................................... 35
Hình 1.19. Ứng dụng của nano ZnO trên vật liệu dệt [56] .................................. 36
Hình 1.21. Vải tự làm sạch dựa trên bề mặt kị nước và xúc tác quang ưa nước . 38
Hình 2.1. Mơ hình và cấu trúc của phân tử thuốc nhuộm MB [73] ..................... 42
Hình 2.2. Cấu trúc phân tử và mơ hình của thuốc nhuộm MO [77] .................... 43

Hình 2.3. Cấu trúc caffein trong hạt cà phê [81].................................................. 43
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình tạo vải bơng phủ nano ZnO ........................................ 49
Hình 2.5. Vải Au-Pd phún xạ dày 3 nm trên nền silicon được ghi lại ở 15 keV trên
máy ảnh Hitachi S4700. Khoảng cách giữa các tính năng được lấy làm thước đo
độ phân giải hình ảnh [87] ................................................................................... 50
Hình 2.6. Sơ đồ thành phần chính của một máy quang phổ FTIR đơn giản [88] 51
Hình 2.7. Mơ phỏng thiết lập chiếu xạ bằng đèn cực tím .................................... 56
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano ZnO .................................................... 59
Hình 3.2. Hình ảnh SEM của ZnO (a) với độ phóng đại 5K lần, (b) với độ phóng
đại 10K lần ........................................................................................................... 60

17


Hình 3.3. Hình ảnh FE-SEM của ZnO độ phóng đại 100K lần chụp bằng thiết bị
JSM-IT800 tại trường Đại học Khoa học và Cơng nghệ Hà Nội .........................61
Hình 3.4. Kết quả đo nhiễu xạ XRD của ZnO ......................................................61
Hình 3.5. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier điển hình với phổ phản xạ toàn phần
suy giảm (FTIR-ATR) của các hạt nano ZnO tổng hợp .......................................62
Hình 3.6. Dải quang phổ hấp thụ UV-Vis DRS của nano ZnO ............................63
Hình 3.7. Quang phổ phát xạ khuếch tán UV-Vis (UV-Vis DRS) của nano ZnO
...............................................................................................................................64
Hình 3.8. Kết quả phân tích mẫu EDS của vải bơng phủ ZnO .............................65
Hình 3.9. Biểu đồ ứng suất – biến dạng đại diện của vải bông trước và sau xử lý
phủ nano ZnO a) theo phương dọc và b) theo phương ngang ..............................67
Hình 3.10. Khả năng (a) hấp phụ MB và (b) MO của nano ZnO trên vải bơng ...69
Hình 3.11. Khả năng hấp phụ MB, MO trong bóng tối theo thời gian của ZnO ..70
Hình 3.12. Khả năng hấp phụ chất màu trong cà phê theo thời gian của ZnO .....71
Hình 3.13. Khả năng phân hủy MB của ZnO với đèn UV ...................................72
Hình 3.14. Khả năng phân hủy MO của ZnO với đèn UV ...................................73

Hình 3.15. Khả năng phân hủy chất màu trong cà phê của ZnO với đèn UV ......73
Hình 3.16. Sự thay đổi màu sắc của cà phê trên vải bơng – ZnO sau mỗi 2 giờ ..75
Hình 3.17. Biểu đồ sự thay đổi cường độ màu sắc của cà phê trên vải bơng có chứa
ZnO dưới tác dụng của tia UV theo thời gian sau mỗi 2 giờ ................................77
Hình 3.18. Sự thay đổi màu sắc của MB trên vải bơng – ZnO sau mỗi 2 giờ ......77
Hình 3.19. Biểu đồ sự thay đổi cường độ màu sắc của MB trên vải bơng có chứa
ZnO dưới tác dụng của tia UV theo thời gian sau mỗi 2 giờ ................................78
Hình 3.20. Sự thay đổi màu sắc của MO trên vải bơng – ZnO sau mỗi 2 giờ ......79
Hình 3.21. Biểu đồ sự thay đổi cường độ màu sắc của MO trên vải bơng có chứa
ZnO dưới tác dụng của tia UV theo thời gian sau mỗi 2 giờ ................................79

18


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các hóa chất sử dụng ........................................................................... 44
Bảng 2.2. Các dụng cụ và thiết bị sử dụng trong thực nghiệm ............................ 44
Bảng 2.3. Bước sóng gần đúng, năng lượng và loại kích thích cho các vùng quang
phổ khác nhau [108] ............................................................................................. 55
Bảng 3.1. Độ bền kéo đứt vải bông trước và sau xử lý với nano ZnO ................ 65
Bảng 3.2. Giá trị ứng suất trung bình và độ giãn đứt tương đối của vải bông trước
và sau khi xử lý với nano ZnO ............................................................................. 66
Bảng 3.3. Độ thống khí của vải .......................................................................... 67
Bảng 3.4. Kết quả đo độ hút ẩm và khả năng hấp thụ chất lỏng của vải bông .... 68
Bảng 3.5. Kết quả đo độ hút ậm và khả năng hấp thụ chất lỏng của vải bơng-ZnO
.............................................................................................................................. 68
Bảng 3.6. Bảng chuyển hóa nống độ chất màu trong quá trình hấp phụ của ZnO
.............................................................................................................................. 69
Bảng 3.7. Bảng chuyển hóa nồng độ chất màu trong quá trình phân hủy quang của
ZnO....................................................................................................................... 71

Bảng 3.8. Bảng tóm tắt cơ chế phân hủy chất màu của nano ZnO ...................... 74
Bảng 3.9. Khối lượng vải bông và vải bông phủ ZnO trạng thái bão hòa ........... 75
Bảng 3.10. Bảng giá trị K/S của vải bông phủ nano ZnO đối với vết bẩn cà phê
thay đổi theo thời gian (xét ở bước song 445 nm) ............................................... 76
Bảng 3.11. Bảng giá trị K/S của vải bông phủ nano ZnO đối với vết bẩn MB thay
đổi theo thời gian (xét ở bước song 665 nm) ....................................................... 78
Bảng 3.12. Bảng giá trị K/S của vải bông phủ nano ZnO đối với vết bẩn MO thay
đổi theo thời gian (xét ở bước song 465 nm) ....................................................... 79

19


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Vải bông và một số loại vết bẩn thường gặp trên quần áo
1.1.1. Vải bông
Nguồn gốc của vải bông
Vải bông hay vải cotton là một trong những loại vải được sử dụng phổ biến nhất
trên thế giới. Bằng chứng sớm nhất về việc sử dụng sợi bông trong dệt may là từ
các địa điểm Mehrgarh và Rakhigarhi ở Ấn Độ, có niên đại khoảng 5000 năm trước
Công nguyên. Nền văn minh Thung lũng Indus, trải dài khắp Tiểu lục địa Ấn Độ
từ năm 3300 đến năm 1300 trước Cơng ngun, đã có thể phát triển mạnh mẽ nhờ
trồng bông, cung cấp cho người dân của nền văn hóa này nguồn quần áo và các
loại vải dệt sẵn có. Châu Mỹ: người dân Mỹ trồng bơng và phổ biến rộng rãi trên
khắp ít nhất 4200 trước Cơng nguyên. Châu Âu: các nước châu Âu là nhà sản xuất
và xuất bông lớn cùng với Ấn Độ sau cuộc chinh phục bán đảo Iberia của người
Hồi Giáo. Trung Quốc: người Trung quốc cổ đại lại dựa vào tơ tằm nhiều hơn để
may mặc. Bông được trồng phổ biến ở Trung Quốc vào thời Hán, kéo dài từ năm
206 TCN đến năm 220 sau Cơng ngun [19].

Hình 1.1. Q trình sản xuất vải bơng


Tính chất của vải bơng
Xơ bơng lấy từ quả của cây bơng, có cấu tạo hình ống dẹt, một đầu nhọn và đầu
kia dẹt gắn với hạt bơng. Trong q trình phát triển, xơ có những vịng xoắn, tiết
diện có hình dẹt, cấu trúc của xơ khơng đồng nhất. Xơ bơng có cấu trúc từ hai pha
nằm xen kẽ nhau: miền vi tinh thể trong xơ chiếm khoảng 70%, cịn lại 30% là
miền vơ định hình [20].
Xơ bơng thuộc nhóm xơ ưa nước [20], dễ bị thấm ướt do có chứa nhiều nhóm OH là nhóm ưa nước. Các phân tử nước dễ thâm nhập sâu vào cấu trúc xơ, làm
giãn nở các mạch đại phân tử, làm thay đổi kích thước nên làm xơ trương nở. Đây
cũng là lí do khiến vải bơng dễ hấp phụ thuộc nhuộm.
20


Các sản phẩm từ xơ bông thường gặp là các loại: vải bị (denim, jean), vải phin,
vải pơpơlin, kaki, gabađin, chéo, vải thô, vải pha Pe/Co, Pa/Co/AC, Co/Vi,
Co/Silk. Các loại vải từ xơ bơng có ưu điểm là thống mát về mùa hè, ấm về mùa
đông, hợp vệ sinh cơ thể. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là dễ bị nhàu và bị tấn
công bởi vi khuẩn, nấm mốc.
Ứng dụng của vải bơng

Hình 1.2. Ứng dụng của bơng và vải bông

Hơn 50% các sản phẩm quần áo trên thế giới có thành phần từ bơng hoặc pha
bơng [19]. Tính theo tỷ lệ các sản phẩm, bông là loại xở được sử dụng rộng rãi
nhất trên thế giới và vải từ bông được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như may mặc, công nghiệp, xây dựng, nông nghiệp,...
- Xơ bông: dùng kéo sợi dệt vải. Vải bông hút ẩm tốt nên dùng may mặc lót,
may mặc mùa hè, làm khăn, đồ vệ sinh, giẻ lau.
- Xơ ngắn: dùng dể nhồi đệm, làm bông y tế, sản xuất xơ nhân tạo, chất dẻo,
màng mỏng, sơn.

- Hạt bông: ép dầu (dầu chiếm 14÷18%). Dầu có thể ăn được sau khi đã khử độc
tố, kết hợp với dầu dừa, dầu lạc để làm bơ thực vật. Bột khơ dầu chứa khoảng 60%
protein có thể làm thức ăn cho người và gia súc [21].

1.1.2. Một số loại vết bẩn thường gặp trên quần áo
Bản chất của quá trình nhiễm bẩn
Trong quá trình sử dụng, tác động của bụi bẩn lên sản phẩm may mặc có thể
phân bố đều hoặc khơng đều. Sự phân bố bụi bẩn đều trên toàn bộ sản phẩm là
điều tất yếu, không thể tránh được và việc xử lý chúng tuân theo những nguyên lý
chung. Bên cạnh đó, có những vết bẩn cục bộ trên sản phẩm do quá trình sử dụng
21


gây nên. Vết bẩn do các loại thức ăn, nước uống trên quần áo hay khăn ăn cũng
được xếp vào nhóm vết bẩn cục bộ [20]. Q trình nhiễm bẩn tồn bộ và cục bộ
có bản chất như nhau và bao gồm bốn giai đoạn tương tự như quá trình nhuộm vải:
−
−
−
−

Chất bẩn khuếch tán từ môi trường lên bề mặt vải
Chất bẩn hấp phụ trên bề mặt vải
Chất bẩn khuếch tán sâu vào trong lõi sợi, vải
Chất bẩn cố định trong sợi, vải bằng các liên kết

Hình 1.3. Vết bẩn trên quần áo

Sự liên kết của chất bẩn với vải sợi tùy thuộc vào bản chất của chất bẩn và bản
chất của mỗi loại vật liệu sợi. Có thể xảy ra các trường hợp: liên kết cộng hóa trị,

liên kết ion, liên kết phối trí, liên kết hidro và liên kết Van der Waals. Ngồi ra,
chất bẩn cịn được giữ lại trong vải sợi bởi các lực ma sát, lực hấp phụ và lực hút
tĩnh điện.
Cơ chế tẩy sạch vết bẩn
Nguyên tắc chung của tẩy sạch vết bẩn là không được tác động xấu đến chất
liệu sản phẩm như làm giảm bền, giảm xốp, thay đổi kích thước, hình dáng, bề mặt
của vải và đặc biệt không làm biến màu hay mất màu vốn có của vải [20].
−
−
−
−
−
−

Cơ chế hịa tan
Cơ chế cơ học
Cơ chế muối hóa
Cơ chế hấp phụ
Cơ chế nhũ hóa
Cơ chế hóa học

22


1.1.3. Vết bẩn từ cà phê

Hình 1.4. Vết bẩn cà phê trên vải

Cà phê là một trong những cây trồng kinh tế chính trên thế giới, được trồng ở
hơn 60 quốc gia ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới. Về mặt hóa học, cà phê rất

phức tạp và thành phần chính xác của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống,
điều kiện rang, xay và ủ. Sự biến đổi của cà phê được nhấn mạnh bởi một nghiên
cứu gần đây đã phân tích thành phần hóa học của hạt cà phê bao gồm: cacbon
hydrat, chất béo, protein, axit hữu cơ, caffeine và chất đắng (tannin). Nó chứa 23% caffein, 3 – 5% tannin, 13% protein và 10 – 15% chất béo cố định. Trong hạt
cà phê, caffein hiện diện dưới dạng muối của axit chlorogenic (CGA). Ngoài ra nó
cịn chứa nhiều chất thơm và khống chất. Trong số đó, các hợp chất phenolic và
axit chlorogenic có hàm lượng cao khoảng 6 – 12% trong hạt cà phê thô. Dựa trên
nghiên cứu của Xu et al. [22], axit chlorogenic (CGA) trong hạt cà phê có thể được
phân thành ba nhóm: axit caffeoylquinic (CQA), axit feruloylquinic (FQC) và axit
dicaffeoylquinic (diCQA). Trong số các CGA này, axit caffeoylquinic, đặc biệt là
axit 5-caffeoylquinic (5-CQA), chiếm tỷ lệ lớn trong hạt cà phê và thường được sử
dụng làm đối tượng nghiên cứu do khả năng chống oxy hóa của nó. Mối tương
quan giữa hàm lượng axit chlorogen và caffein ở các mức độ rang khác nhau với
các giá trị phịng thí nghiệm CIE đã được kiểm tra trong nghiên cứu của Tsai C et
al. [22] Theo đó, hàm lượng axit chlorogenic ở các độ rang khác nhau cho thấy
mối tương quan cao với các thơng số L* và a* và góc độ màu sắc trong cả cà phê
xay và cà phê chưa xay. Hàm lượng caffein xét theo các tham số a*, b* và C* cho
thấy mối tương quan cao trong cà phê chưa xay, trong khi cà phê xay khơng có
mối tương quan đáng kể với bất kỳ tham số nào.
Cacbon hydrat trọng lượng phân tử thấp (hay gọi đơn giản là đường) chủ yếu
trong cà phê nhân xanh là Sucrose. Cacbon hydrat (các phân tử cacbon ngậm nước
có cấu trúc phức tạp) chiếm khoảng 40 – 50% thành phần hóa học của cà phê bao
gồm cả phần hòa tan và khơng hịa tan. Cacbon hydrat có trọng lượng phân tử cao
hay còn gọi là poly saccharide trong hạt cà phê chủ yếu là ba loại polyme:
23


Arabinogalactan, mannan (hoặc galactomannan) và xenlulo. Trong quá trình rang,
các cacbon hydrat này phản ứng với các axit amin tạo ra các phân tử có cấu trúc
phức tạp được gọi là melanoidin. Các hợp chất cao phân tử này có màu nâu và góp

phần tạo nên màu sẫm của cà phê. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng melanoidin thể
hiện các hoạt động sinh học khác nhau, bao gồm kháng khuẩn, chống oxy hóa và
khả năng ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường ruột.

(a)

(b)
Hình 1.5. (a) Cấu trúc phân tử melanoidin và (b) Sản phẩm caramen hóa đường
sucrose trong hạt cà phê rang

Vết bẩn từ cà phê trên bề mặt vật liệu dệt bắt nguồn từ việc dây bẩn cà phê lên
trên bề mặt vật liệu, quần áo trong quá trình sử dụng. Cụ thể, khi chất lỏng từ cà
phê (chứa các hạt rắn nhỏ từ nm đến µm) trên bề mặt một vật liệu bay hơi, thường
để lại một vết ố trên sản phẩm dệt may [23]. Các vết bẩn này trong các ứng dụng
tự làm sạch được gọi là “vết cà phê” hoặc “vòng cà phê”.

24


Hình 1.6. Hiện tượng vết cà phê trên bề mặt vật liệu

Vì vết bẩn từ cà phê bắt nguồn từ hai yếu tố chính, đó là sự tăng cường bởi độ
trễ góc tiếp xúc và sự bay hơi nhanh ở đường tiếp xúc. Nói cách khác, để tránh
việc dây bẩn bởi cà phê, các nhà khoa học tăng góc tiếp xúc của giọt dung dịch cà
phê với bề mặt của vật liệu. Cơ chế có thể bằng cách tạo các bẫy khí trên bề mặt,
ngăn cản việc thấm hút cà phê bởi các vật liệu dệt may … bị triệt tiêu bằng cách
loại bỏ đường tiếp xúc, ngăn dòng đối lưu của dung môi đến ngoại vi giọt, làm xáo
trộn dịng mao quản hoặc bẫy chất tan. Ví dụ, các bề mặt kỵ nước và thấm điện
ngăn ngừa sự hình thành vết cà phê bằng cách giảm thiểu độ trễ góc tiếp xúc và
cho phép triệt tiêu đường tiếp xúc khi q trình bay hơi diễn ra. Ngược lại, dịng

điện thẩm thấu, rung động của chất nền, sóng âm, nhiệt hoặc chất hoạt động bề
mặt, dòng Marangoni, chu kỳ độ ẩm, chất nền xốp và cả quá trình thấm điện cản
trở hiện tượng vết cà phê bằng cách làm xáo trộn dịng mao dẫn của dung mơi đến
ngoại vi giọt. Bẫy chất tan liên quan đến việc tạo ra (bằng cách thêm muối hoặc
điều chỉnh độ pH) các tương tác hấp dẫn hạt – hạt hoặc hạt – chất nền làm cho các
tập hợp hạt hình thành và lắng xuống chất nền thay vì bị cuốn vào đường tiếp xúc.
Tương tác hấp dẫn của các hạt tại vị trí chất nền – chất lỏng, gây ra bởi việc bổ
sung chất hoạt động bề mặt, cũng đã được sử dụng để ngăn chặn sự di chuyển của
các hạt đến đường tiếp xúc, do đó triệt tiêu hiệu ứng vết cà phê. Ngoài ra, hiệu ứng
vết cà phê được ngăn chặn bằng cách điều chỉnh các đặc tính lưu biến của hạt
huyền phù sao cho chúng chuyển từ dạng sol sang dạng gel khi quá trình bay hơi
diễn ra. Điều này ngăn chặn dòng chảy mao dẫn và mở rộng dòng chảy của các hạt
phân tán [23].

1.2. Giới thiệu chung về công nghệ tự làm sạch
1.2.1. Khái niệm tự làm sạch
Công nghệ tự làm sạch đã thu hút được nhiều sự quan tâm vì các tính năng đặc
biệt của chúng và nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Cùng
với việc tăng nhu cầu về các bề mặt vệ sinh, tự khử trùng và không nhiễm bẩn, mối
quan tâm đến các vật liệu và bề mặt bảo vệ tự làm sạch đã phát triển nhanh chóng
25


trong suốt những năm qua vì nó có tiềm năng cao như một sản phẩm thương mại,
có thể đáp ứng nhu cầu thị trường trên tồn cầu. Có rất nhiều vật liệu sử dụng công
nghệ tự làm sạch bao gồm các ứng dụng nội thất như vải, vật liệu trang trí nội thất,
kính cửa sổ và vật liệu xây dựng ngồi trời như ngói lợp, gương ơ tơ và tấm pin
mặt trời [6].

Hình 1.7. Hiệu ứng hoa sen và cấu trúc sần, nhám kích thước nano mét của bề

mặt lá sen, cánh ve sầu, mắt muỗi, cây nắp ấm, cánh bướm và lá lúa [24]
Thuyết tự làm sạch bắt nguồn từ hiện tượng tự nhiên có thể nhận thấy trên lá
cây sen, cây gạo, cánh bướm, vảy cá, cánh chuồn chuồn v.v. [25]–[27]. Đối với lá
sen là loại cây mọc trong bùn, không để bùn ảnh hưởng đến bề mặt quang hợp của
cây. Bề mặt lá sen có dạng sáp do sự hiện diện của các cấu trúc vi mô dẫn đến tính
siêu kị nước. Năm 1997, Barthlott và Neihuis đã tiến hành khảo sát khả năng phân
hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch của bề mặt lá cây [28]. Trong trường hợp
một giọt nước lăn trên một hạt, diện tích bề mặt của giọt nước tiếp xúc với khơng
khí bị giảm và năng lượng thu được thơng qua sự hấp phụ. Hạt chỉ bị loại bỏ khỏi
bề mặt của giọt nước nếu một lực mạnh hơn thắng được lực bám dính giữa hạt và
giọt nước. Do diện tích tiếp xúc giữa hạt và bề mặt nhám rất nhỏ nên độ bám dính
được giảm thiểu. Do đó, hạt bị giọt nước ‘bắt giữ’ và loại bỏ khỏi bề mặt. Hiện
tượng này được gọi là “hiệu ứng hoa sen” – “Lotus effect” [25]. Trên cơ sở đó, các
nhà khoa học đã phát triển một khái niệm mới về vải dệt tự làm sạch: Cơng nghệ
tự làm sạch có thể hiểu là bề mặt vật liệu có khả năng tự ngăn chặn, đẩy lùi hoặc
phân hủy các vết bẩn mà khơng sử dụng hóa chất hay tác động vật lý [29].

Hình 1.8. Bề mặt vật liệu (a) chưa xử lý và (b) đã xử lý theo hiệu ứng hoa sen
[29]
26


1.2.2. Các cơ chế tự làm sạch
Theo nhiều nghiên cứu khoa học, về cơ bản bề mặt tự làm sạch có thể bao gồm:
bề mặt siêu kị nước, bề mặt thấm hút dung dịch nhưng có khả năng quang hóa để
phân hủy vêt bẩn.
Bề mặt siêu kị nước hay kị nước là những bề mặt cho phép nước và các hạt rắn
trượt đi dễ dàng. Bề mặt xúc tác quang là bề mặt vật liệu được bổ sung các tác
nhân quang xúc tác. Các tác nhân này làm suy yếu liên kết hóa học của chất bẩn
khi tiếp xúc với ánh sáng và phân hủy chúng. [27].

Bề mặt kị nước và siêu kị nước
Dựa trên công nghệ nano và công nghệ bắt chước sinh học, các nhà nghiên cứu
đã cố gắng tái tạo cấu trúc bề mặt Micro-nano của lá sen trong việc tạo ra lớp phủ
siêu kị nước và tự làm sạch. Bề mặt của các loại vật liệu rắn đều có tính kị nước ở
một mức độ nào đó. Mức độ kị nước được phản ánh qua góc tiếp xúc của giọt nước
với bề mặt, gọi tắt là góc tiếp xúc nước (CA – contact angle), ký hiệu .  có số đo
sao cho thỏa phương trình Young [24]:
PT 1.1
r-l + l cos = r
Trong đó: r là hệ số căng bề mặt của chất rắn (N/m).
l là hệ số căng bề mặt của chất lỏng (N/m).
r-l là hệ số căng bề mặt tiếp giáp chất rắn – chất lỏng (N/m).
Khi tiếp xúc với bề mặt chất rắn, lực căng bề mặt của khối chất lỏng có tác dụng
sao cho năng lượng bề mặt của khối chất lỏng đạt giá trị cực tiểu.

Góc tiếp xúc < 90°

Góc tiếp xúc 90° <  < 150°

Góc tiếp xúc > 150°

Bề mặt ưa nước

Bề mặt kị nước

Bề mặt siêu kị nước

Hình 1.9. Mối liên hệ giữa góc tiếp xúc bề mặt và khả năng kị nước
Khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng tự làm sạch của vật liệu có mối liên
quan chặt chẽ đến tính kị nước của chúng. Góc tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và

bề mặt của vải thể hiện khả năng kị nước của vải. Theo đó, bề mặt kị nước đẩy
nước với đặc tính là khả năng thấm ướt thấp và góc tiếp xúc hơn 90º. Góc tiếp xúc
càng cao thì giá trị bám dính trên bề mặt càng giảm và tăng tính kị nước. Đối với
góc tiếp xúc hơn 150°, bề mặt được gọi là siêu kị nước (Super hydrophilic). Vật
liệu phủ tối ưu nhất về tính kị nước và khả năng phân hủy chất màu cho ứng dụng
27


tự làm sạch khi giá trị của góc trượt và góc tiếp xúc là tối ưu nhất (góc trượt là ≤
5° và góc tiếp xúc là ≥ 150°).

Hình 1.10. Sơ đồ đơn giản về hiệu ứng hoa sen [33]

Tính kị nước cũng có thể được điều chỉnh bởi yếu tố độ nhám. Bằng việc sử
dụng lớp phủ nano, tạo ra bề mặt gồ ghề hơn, góc tiếp xúc của nước trên bề mặt sẽ
tăng lên và tạo thành các vết lồi giữ khơng khí giữa nước và bề mặt. “Hiệu ứng
Hoa sen” đã được áp dụng trong cơ chế siêu kị nước này [30]. Nói chung, trạng
thái thấm ướt của một bề mặt gồ ghề có thể được mơ tả bằng mơ hình CassieBaxter [31] và Wenzel [32]. Theo mơ hình Cassie-Baxter, các giọt nước nằm trên
bề mặt gồ ghề có cấu trúc vi mơ/ nano, chúng khơng lọt xuống các rãnh khuyết và
tạo ra các khoảng trống chứa không khí ở giữa giọt nước và bề mặt gồ ghề. Những
giọt nước khơng thấm hồn tồn vào bề mặt, khơng tạo được liên kết chặt chẽ với
bề mặt đó, dẫn tới chúng dễ bị lăn hay trượt khỏi bề mặt.Mô hình này có thể được
sử dụng để mơ tả trạng thái kị nước của bề mặt hoa sen. Trong mô hình Wenzel,
các giọt nước thấm hồn tồn vào bề mặt và các rãnh. Ngoài ra, trạng thái thấm
ướt Cassie giữa trạng thái Cassie-Baxter và Wenzel, mô tả các giọt nước trên bề
mặt gồ ghề khơng có cấu trúc nano. Các giọt nước xuyên qua các rãnh và bị ghim
lại trên bề mặt, khiến chúng khó bị lăn hay trượt ra ngồi. [31]–[33]
Bề mặt siêu kị nước có thể được ứng dụng trong các loại cảm biến và thiết bị
đeo, cho phép các loại thiết bị điện tử đó hoạt động ổn định hơn trong môi trường
nước, trời mưa, độ ẩm cao để kéo dài tuổi thọ [33]. Các lớp phủ siêu kị nước có

thể nâng cao tuổi thọ của tàu, thuyền trong ngành hàng hải bằng cách sử dụng các
vật liệu sơn phủ kị nước trên vỏ tàu. Lớp phủ như vậy làm giảm ma sát giữa thân
tàu với môi trường, làm tăng tốc độ tàu và cũng hoạt động như hệ thống chống ăn
mịn, ngăn chặn chất gây ơ nhiễm hữu cơ hoặc các vi sinh vật biển tiếp xúc với vỏ
tàu. Trên kính xe, lớp phủ siêu kị nước được phủ lên kính để ngăn các giọt nước
mưa bám vào, từ đó giúp làm sạch xe. Hay xử lý bề mặt vật liệu và sản phẩm (tấm
Zn, tấm xốp PU (polyurethane), giấy lọc, sợi bơng, v.v.), bảo trì cơ sở hạ tầng dân
dụng, ứng dụng công nghệ nano cảm biến nhiệt độ.
Bề mặt ưa nước – Quá trình quang xúc tác
Bên cạnh tính kị nước, các nhà nghiên cứu cũng quan tâm nhiều hơn đến bề mặt
xúc tác quang cho ứng dụng tự làm sạch [34]. Bề mặt ưa nước, cùng với quá trình
28


xúc tác quang diễn ra, làm phân hủy các chất bẩn [35]. Quá trình quang xúc tác
thúc đẩy tốc độ phản ứng quang nhờ các chất xúc tác bán dẫn. Quá trình này sẽ
phân hủy các phân tử bụi bẩn bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời. Các phản ứng
quang gây ra bởi chất xúc tác quang phản ứng với các liên kết hóa học trong chất
ơ nhiễm hữu cơ, cuối cùng bị phân hủy thành khí cacbon đioxit và nước [36].
Quang xúc tác và tính ưa nước có liên hệ chặt chẽ, tính ưa nước giúp các loại hợp
chất hữu cơ được hút lên bề mặt của các hạt bán dẫn, nhờ cơ chế tự làm sạch của
chất xúc tác quang sẽ phân hủy các chất ô nhiễm [34], [37].

Hình 1.11. Tự làm sạch dựa trên cơ chế kết hợp ưa nước và quang xúc tác

Quá trình xúc tác quang hóa
Khuếch tán chất
phản ứng tới bề
mặt xúc tác


Hấp phụ lên bề
mặt

Hấp phụ photon
và khuếch tán
đến bề mặt

Giai đoạn các phần tử xúc tác bị kích thích tham gia vào
phản ứng với các chất hấp phụ lên bề mặt.
Giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn
hấp phụ

Nhả hấp thụ các sản phẩm

Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng
Hình 1.12. Sơ đồ q trình quang xúc tác
29