Khóa luận Xây dựng hệ thống phủ nhúng dùng trong kỹ thuật Sol - Gel

Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác axit. Dưới điều kiện xúc tác axit hạt sẽ phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫu nhiên hoặc mạch thẳng cơ bản, đan xen vào nhau. 6 Hình 1.4. Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác bazơ. Dưới điều kiện xúc tác baz các hạt phát triển thành các cluster phân nhánh ở mức độ cao nhiều hơn, không xen vào nhau trước khi tạo thành Gel, chúng thể hiện như những cluster riêng biệt. Như vậy, với các loại xúc tác khác nhau, chiều hướng phát triển của hạt sol cũng có phần khác biệt. Sự phát triển của các hạt trong dung dịch là sự ngưng tụ, làm tăng số liên kết Kim loại-Oxide-Kim loại tạo thành một mạng lưới trong khắp dung dịch. Hình 1.5. Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol-gel. 1.1.3. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của quá trình sol-gel 1.1.3.1. Ƣu điểm  Tạo ra màng phủ liên kết rất tốt giữa vật liệu kim loại và màng.  Tạo ra màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mòn.  Dễ dàng tạo hình các vật liệu có hình dạng phức tạp. 7  Sản suất những sản phẩm có độ tinh khiết cao.  Khả năng thiêu kết ở nhiệt độ thấp, thường là 2000C – 6000C.  Có thể điều khiển các cấu trúc vật liệu.  Tạo được hợp chất với độ pha tạp lớn.  Độ khuếch tán đồng đều cao.  Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ.  Vì màng được chế tạo đơn giản ở nhiệt độ thấp nên mang lại hiệu quả kinh tế cao.  Ưu điểm nổi trội nhất của phương pháp sol-gel là khả năng chế tạo được những vật liệu mới có cấu trúc xốp đồng đều. 1.1.3.2. Nhƣợc điểm  Tiêu hao nhiều nguyên liệu trong quá trình tạo màng.  Giá nguyên liệu khá cao.  Liên kết trong màng yếu.  Vì vật liệu xốp nên có độ thẩm thấu cao.  Rất khó điều khiển độ xốp.  Dễ bị rạn nứt trong quá trình xử lý nhiệt. 1.1.4. Các ứng dụng hiện nay Phương pháp sol-gel được sử dụng rộng rãi trong chế tạo và nghiên cứu vật liệu oxyt kim loại tinh khiết. Những nghiên cứu của phương pháp sol-gel chủ yếu là chế tạo gel khối SiO2 (silica) và sau đó mở rộng chế tạo các oxyt kim loại chuyển tiếp khác như TiO2 (titania), ZrO2 (zirconia), Hiện nay, phương pháp sol-gel đã thành công trong việc chế tạo vật liệu oxyt đa thành phần (multicomponent oxyt: SiO2-TiO2, TiO2:SnO2) và chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô cơ (hybrid materials). 8 Hình 1.6. Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol-gel. Các nhóm sản phẩm chính từ phương pháp sol-gel, được mô tả trong hình 1.6, bao gồm:  Màng mỏng: Chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời,  Gel khối: Được sử dụng để chế tạo các oxyt đa kim loại các dụng cụ quang học: gương nóng (hot mirror), gương lạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beam splitter),  Gel khí: Thu được bằng cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel). Gel khí có ứng dụng trong nhiều lãnh vực: hấp thụ năng lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina (Al2O3) aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silica aerogel),  Hạt nano: Đơn thành phần và đa thành phần có kích thước đồng đều có thể thu được bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân - ngưng tụ.  Sợi ceramic: Sợi quang chất lượng cao và sợi ceramic cách nhiệt. 1.1.5. Các phƣơng pháp tạo màng 1.1.5.1. Phủ nhúng Phương pháp phủ nhúng là một cách nhúng đế hoàn toàn vào trong dung dịch phủ và sau đó được kéo lên với một tốc độ thích hợp trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. 9 Quá trình phủ nhúng gồm năm giai đoạn chính, xem hình1.7: Giai đoạn 1: Đế được nhúng vào dung dịch với tốc độ nhúng không đổi. Giai đoạn 2: Đế được nhúng vào dung dịch và để trong một lúc. Giai đoạn 3: Đế được kéo lên với tốc độ kéo không đổi, đồng thời hình thành lớp phủ ướt trên bề mặt đế. Giai đoạn 4: Trong khi kéo đế ra khỏi dung dịch với tốc độ kéo không đổi, dung dịch dư thừa sẽ chảy ra khỏi bề mặt đế. Giai đoạn 5: Sự bay hơi dung môi dẫn đến sự gel hóa của dung dịch sol trên bề mặt đế và lớp màng được hình thành. Hình 1.7. Năm giai đoạn trong quá trình phủ nhúng. Theo Landau và Levich [4] , độ dày màng phủ được tính như sau: (1.4) Trong đó: h là độ dày lớp phủ.  là độ nhớt dung dịch. LV là sức căng bề mặt lỏng – hơi.  là mật độ dung dịch. g là gia tốc trọng trường. v là tốc độ nhúng. 10 Hình 1.8. Độ dày màng được xác định khi có sự cân bằng tại điểm chuyển tiếp S giữa độ nhớt kéo  hv / , trọng lực  gh và sức căng bề mặt lỏng-hơi  LV của dung dịch. Tuy phương pháp phủ nhúng không phức tạp nhưng phương pháp này có một nhược điểm là độ dày màng không đồng đều, bởi vì lớp dung dịch bên trong di chuyển lên cùng với đế và lớp bên ngoài có xu hướng trôi xuống. Nhược điểm này có thể được cải thiện bằng cách nhúng đế cần phủ theo một góc nghiêng. 1.1.5.2. Phủ chảy dòng Hình 1.9. Mô hình của phương pháp phủ chảy dòng. Độ dày màng phụ thuộc vào góc nghiêng của đế, độ nhớt của dung dịch phủ và tốc độ bay hơi của dung môi. Phương pháp phủ chảy hiện nay chủ yếu được sử dụng phủ các trang thiết bị bằng thủy tinh của xe ôtô. 11 1.1.5.3. Phủ quay Phương pháp phủ quay được mô tả trong hình 1.7. Dung dịch sol được nhỏ giọt lên đế và cho đế quay. Dưới tác dụng của lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều trên đế và tạo thành màng mỏng. Hình 1.10. Bốn giai đoạn của phương pháp phủ quay. Quá trình phủ quay gồm bốn giai đoạn chính xảy ra tiếp nối nhau, xem hình 1.10. Giai đoạn 1: dung dịch được nhỏ giọt lên đế. Lượng dung dịch sử dụng thường nhiều hơn lượng dung dịch cần thiết hình thành màng. Giai đoạn 2: đế được gia tốc góc đến một tốc độ quay cần thiết. Trong quá trình này, một phần dung dịch bị văng ra khỏi đế. Giai đoạn 3: đế quay đạt tốc độ không đổi và dung dịch tiếp tục lan chảy trên đế dưới tác dụng của lực ly tâm. Trong quá trình này, độ nhớt ảnh hưởng lên đặc tính của màng. Do đó, độ dày màng phụ thuộc vào tốc độ quay của đế và độ nhớt của dung dịch. Giai đoạn 4: đế tiếp tục quay với tốc độ không đổi cùng với sự bay hơi của dung môi và dòng chảy nhớt giảm đáng kể bởi độ nhớt của dung dịch tăng lên. Song song đó là sự gel hóa dung dịch sol trên bề mặt đế. Do đó, độ dày màng còn phụ thuộc vào tốc độ bay hơi của dung môi. Theo Mayerhofer, độ dày màng được tính theo công thức sau: (1.5a) Trong đó: h là độ dày màng. A , A0 là mật độ dung dịch ban đầu, lúc sau. 12  là độ nhớt dung dịch. m là tốc độ bay hơi.  là tốc độ quay. Theo Lai và Chen, độ dày màng cũng được tính theo công thức thực nghiệm sau: (1.5b) Trong đó: A, B là các hằng số được xác định từ thực nghiệm. h là độ dày màng.  là tốc độ quay. 1.1.5.4. Phủ phun Phương pháp phủ phun được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sơn dầu. Thiết bị bao gồm một súng phun được gắn với vòi phun áp suất thấp, xem hình 1.11, dung dịch lớp phủ được đổ vào bình chứa sau đó được phun trực tiếp lên đế. Hình 1.11. Thiết bị phủ phun cầm tay. 1.2. Hợp chất TiO2 và tính năng quang xúc tác [1] 1.2.1. Các tính chất lý-hóa 1.2.1.1. Tính chất hóa học TiO2 trơ về mặt hóa học, có tính chất lưỡng tính, không tác dụng với nước, dung dịch axit loãng (trừ HF) và kiềm, chỉ tác dụng chậm với axit khi 13 đun nóng lâu và tác dụng với kiềm nóng chảy. Bị H2SO4 đặc nóng, HCl, kiềm đặc nóng phân hủy. 1.2.1.2. Tính chất vật lý Ở điều kiện thường TiO2 là chất rắn màu trắng trở nên vàng khi đun nóng. TiO2 cứng, khó nóng chảy và bền nhiệt. Công thức phân tử: TiO2 . Khối lượng phân tử: 79,88 g.mol -1 . Nhiệt độ nóng chảy: 1870 0 C. TiO2 xuất hiện trong tự nhiên không bao giờ ở dạng nguyên chất, nó tồn tại chủ yếu trong hợp kim (thường với Fe), trong các khoáng chất và trong các quặng đồng. Bảng 1.1. Tính chất quang của TiO2 Pha Chiết suất Khối lượng riêng (g.cm -3 ) Cấu trúc tinh thể Anatase 2,49 3,84 Tetragonal Rutile 2,903 4,26 Tetragonal Bảng 1.2. Số liệu về tính chất và cấu trúc của TiO2 Rutile Anatase Brookite Hệ tinh thể Tet Tet Orth Ô đơn vị a(Ao) 4,5845 3,7842 9,184 b(Ao) nt nt 5,447 c(Ao) 2,9533 9,5146 5,145 Vol 62,07 136,25 257,38 Density 4,2743 3,895 4,123 Hệ số nở nhiệt (theo thể tích) alpha 28,9 a0 0,2890 14 TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng cơ bản sau: Rutile, Anatase, Brookite. Rutile là trạng thái tinh thể bền của TiO2, pha rutile có độ rộng khe năng lượng 3,02eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha còn lại, khối lượng riêng 4,2g/cm 3 . Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện xếp tiêp xúc nhau ở các đỉnh, xem hình 1.12. Hình 1.12. Cấu trúc pha tinh thể rutile. Anatase là pha có hoạt tính quang hoá mạnh nhất trong 3 dạng tồn tại của TiO2. Anatase có độ rộng khe năng lượng 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm 3 . Anatase cũng có kiểu mạng Bravais tứ phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với nhau và trục c của tinh thể bị kéo dài, xem hình 1.13. Hình 1.13. Cấu trúc pha tinh thể anatase. Brookite có hoạt tính quang hoá rất yếu. Brookite có độ rộng khe năng lượng 3,4eV; khối lượng riêng 4,1g/cm 3 , xem hình 1.14. Do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có nên ta sẽ không xét đến pha brookite trong phần sau. 15 Hình 1.14. Cấu trúc pha tinh thể brookite. 1.2.2. Tính năng quang xúc tác Chất xúc tác quang là chất làm tăng tốc độ phản ứng quang hoá. Khi được chiếu ánh sáng thích hợp, chất xúc tác quang sẽ đẩy nhanh tốc độ phản ứng quang hoá bằng cách tương tác với chất nền ở trạng thái ổn định hay ở trạng thái bị kích thích hoặc với các sản phẩm của phản ứng quang hoá tuỳ thuộc vào cơ chế của phản ứng. Chất xúc tác quang khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp có thể tạo ra một loạt quy trình giống như phản ứng oxy hoá-khử và các phân tử ở dạng chuyển tiếp có khả năng oxy hoá-khử mạnh. Các hạt mang điện tự do có thể được tạo ra từ bằng cách kích thích nhiệt, kích thích quang. Nếu bề rộng khe năng lượng hay năng lượng vùng cấm Eg đủ nhỏ (khoảng vài chục meV) thì quá trình kích thích nhiệt có thể làm electron nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Tương tự như vậy, một electron có thể nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn bằng cách hấp thụ một photon có năng lượng lớn hơn hay bằng Eg, đây là quá trình kích thích quang. Để tạo các hạt mang điện tự do nhiều hơn trong các chất bán dẫn ở điều kiện nhiệt độ phòng, cần pha các tạp chất thích hợp vào chất này, xem hình 1.15. Sự dịch chuyển của các hạt mang điện tự do này dẫn tới quá trình oxy hoá-khử của các chất hấp thụ trên bề mặt chất bán dẫn. 16 Hình 1.15a. Dịch chuyển điện tử bởi kích thích nhiệt trong chất bán dẫn loại n, điện tử nhảy từ mức năng lượng Donor Ed lên vùng dẫn. Trong trường hợp này, các hạt mang điện tự do là các điện tử trong vùng dẫn. Hình 1.15b. Dịch chuyển điện tử bởi kích thích nhiệt trong chất bán dẫn loại p, điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên mức năng lượng Aceptor Ea. Trong trường hợp này, các hạt mang điện tự do là các lỗ trống trong vùng hóa trị. Khi photon có năng lượng lớn hơn Eg, electron (e – ) có thể nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại lỗ trống (h + ) trong vùng hoá trị. Một phần các cặp e – và h + sản sinh ra từ quá trình xúc tác quang khuếch tán tới bề mặt của chất xúc tác và bị bẫy tại đây, tiếp theo là tham gia vào các quá trình phản ứng hoá học với các phân tử chất cho D (Donor) hay chất nhận A (Acceptor), xem hình 1.16. Electron ở vùng dẫn có thể khử các phân tử nhận electron (phản ứng khử 1.6) trong khi lỗ trống có thể oxy hoá các phân tử cho electron (phản ứng oxy hoá 1.7). 17 Hình 1.16. Quá trình quang hoá với sự kích hoạt của các phân tử TiO2. A + e – → A• – (1.6) D + h + → D• + (1.7) Một tính chất đặc trưng của chất bán dẫn oxyt kim loại là khả năng oxy hoá mạnh của lỗ trống. Các lỗ trống này có thể phản ứng trực tiếp với H2O (1.8) để tạo ra gốc hydroxyl có hoạt tính cao (•OH). Cả lỗ trống và gốc hydroxyl đều có khả năng oxy hoá rất mạnh, chúng có thể oxy hoá hầu hết các chất bẩn hữu cơ bám lên bề mặt: H2O + h + → •OH + h + (1.8) Nói chung, oxy trong không khí đóng vai trò là chất nhận electron (1.9) tạo thành ion super-oxyt (•O2 – ). Super-oxyt cũng là các phân tử có hoạt tính cao, nó có thể được dùng để oxy hoá các chất hữu cơ. O2 + e – → •O2 – + H2O → •OH (1.9) Khi TiO2 được chiếu tia tử ngoại UV (Ultra-Violet), sẽ tạo ra các hạt mang điện tự do (electron ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hoá trị). TiO2 + hν → h + + e – (1.10) 18 Hình 1.17. Bề rộng khe năng lượng của một số chất bán dẫn. Khả năng chuyển e – và h + từ chất bán dẫn đến những chất bẩn bám trên bề mặt phụ thuộc vào vị trí dải năng lượng của chất bán dẫn so với thế oxy hoá-khử của các chất bị hút bám. Thế oxy hoá-khử của chất nhận phải thấp hơn mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Trong khi đó, thế oxy hoá- khử của chất cho phải cao hơn mức năng lượng cao nhất của vùng hoá trị. Hình 1.17 trình bày vị trí dải năng lượng của một số chất bán dẫn thường gặp. Quan sát hình 1.17 ta có thể giải thích vì sao pha TiO2 lại là chất xúc tác quang mạnh. TiO2 được chiếu sáng với photon có năng lượng lớn hơn năng lượng Eg, ứng với bước sóng phải nhỏ hơn 388 nm, sẽ tạo ra cặp điện tử-lỗ trống linh động. Như ta đã biết, trong khí quyển có rất nhiều hơi nước, oxy; mà thế oxy hoá-khử của nước và oxy thoả mãn yêu cầu trên nên nước đóng vai trò là chất cho (1.8) và khí oxy đóng vai trò là chất nhận (1.9) để tạo ra các chất mới có tính oxy hoá-khử mạnh (•OH, •O2 – ) có thể oxy hoá hầu hết các chất hữu cơ bị hút bám lên bề mặt vật liệu. Hai yếu tố quyết định tính năng quang xúc tác của màng: Diện tích bề mặt hiệu dụng: Bề mặt màng là nơi cấu trúc tinh thể dang dở, nơi sai hỏng mạng. Tính năng quang xúc tác của màng TiO2 mạnh hay yếu, phụ thuộc vào hai diễn tiến xảy ra đồng thời trên bề mặt màng liên quan đến hoạt động của các cặp điện tử-lỗ trống: diễn tiến tích cực là phản ứng oxy hoá-khử và diễn tiến tiêu cực là sự tái hợp. 19 Do đó, màng TiO2 có tính năng quang xúc tác mạnh đáng kể chỉ khi nó có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn. Diện tích bề mặt hiệu dụng của màng TiO2 có thể được xác định thông qua thiết bị AFM đo độ gồ ghề hiệu dụng của mẫu . Bậc tinh thể: Bậc tinh thể là khái niệm chỉ độ xa của trật tự sắp xếp tinh thể trong vật lý chất rắn. Màng TiO2 cấu trúc vô định hình có trật tự sắp xếp tinh thể gần nên có bậc tinh thể thấp không đáng kể. Màng TiO2 đa tinh thể có trật tự sắp xếp tinh thể xa nên có bậc tinh thể cao đáng kể. Màng TiO2 có bậc tinh thể càng cao, mật độ các cặp điện tử-lỗ trống càng nhiều, tính năng quang xúc tác càng mạnh. 1.3. Các thiết bị phủ nhúng Hình 1.19. Bộ thiết bị phủ nhúng số hiệu HO-TH-02 của hãng Holmarc [5] . Thông số tốc độ nhúng từ 2micron/sec đến 9000micron/sec với sáu mức điều chỉnh tốc độ. Hành trình là 150mm. 20 Hình 1.20a. Các thiết bị phủ nhúng của hãng KSV NIMA [6] . Hình 1.20b. Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống phủ nhúng một cốc, cung cấp bởi hãng KSV NIMA. 21 Hình 1.20c. Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống phủ nhúng nhiều cốc, cung cấp bởi hãng KSV NIMA. Hình 1.21. Bộ thiết bị phủ nhúng tại phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh [2] . 22 Hình 1.22. Bộ thiết bị phủ nhúng của trường đại học Khoa học tự nhiên TpHCM. Thông số tốc độ nhúng từ 40mm/min đến 80mm/min. Hình 1.23. Bộ thiết bị phủ nhúng trong công nghiệp. 23 1.4. Các phƣơng pháp phân tích 1.4.1. Đo độ dày của màng bằng máy Stylus Profiler 1.4.1.1. Cấu tạo Hình 1.24. Cấu tạo bên ngoài máy Stylus Profiler. 1. Mũi dò (Tip) có chức năng quét trên bề mặt mẫu, được chế tạo từ Saphere, Ruby để quét trên các bề mặt mẫu kim loại và được chế tạo từ SiN để quét trên bề mặt mẫu thủy tinh. Đối với bề mặt mịn thì mũi dò thường dùng có kích thước nhỏ hơn 2m, còn đối với bề mặt nhám thì mũi dò thường dùng có kích thước từ 2m đến 10m. 24 Hình 1.25. Cấu tạo mũi dò. Stylus có hai dạng chính là Ball-stylus và Chisel-Stylus. Ball tip  Giảm tín hiệu nhiễu.  Tiếp xúc tốt giữa bề mặt vật liệu và mũi dò.  Sử dụng cho nhiều loại vật liệu. Chisel tip  Bề mặt có độ cứng và gồ ghề cao. Hình 1.26. Hai dạng mũi dò. 2. Bộ biến đổi vi sai tuyến tính, gồm 3 cuộn dây:  Một cuộn sơ cấp (cuộn P) và hai cuộn thứ cấp (cuộn S).  Cuộn sơ cấp được nối với một nguồn điện xoay chiều.  Đầu ra hai cuộn thứ cấp nối với bộ phận khuếch đại tín hiệu. Hình 1.27. Bộ biến đổi vi sai tuyến tính. 25 3. Bộ phận khuếch đại và bộ lọc có chức năng khuếch đại tín hiệu và lọc các tín hiệu nhiễu. 1.4.1.2. Nguyên tắc hoạt động Khi mũi dò chưa di chuyển thì tín hiệu điện trên 2 cuộn thứ cấp là biến đổi tuần hoàn theo tín hiệu điện trên cuộn sơ cấp. Khi mũi dò quét trên bề mặt mẫu thì lõi kim loại sẽ di chuyển giữa ba cuộn dây và làm tín hiệu điện trên hai cuộn thứ cấp thay đổi. Chính vì vậy tín hiệu điện sẽ thay đổi sự mấp mô của đầu d ò và nó phản ánh hình dạng bề mặt mẫu. Tín hiệu điện tại đầu ra của bộ biến đổi vi sai tuyến tính rất nhỏ và sẽ được khuếch đại khi qua bộ khuếch đại trước khi đến máy tín xử lý. Hình 1.28. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi vi sai tuyến tính. 1.4.1.3. Các thông số kỹ thuật 26 1.4.1.4. Ứng dụng Quan sát bề mặt mẫu. Đo độ dày màng mỏng. Dưới đây là hình ảnh thu được khi quan sát một màng mỏng trên đế của nó. Dựa trên hình ảnh thu được ta xác định được bề dày của màng mỏng (trên hình thể hiện hai phần, phần có màng mỏng và phần không có màng mỏng). Hình 1.29. Dữ liệu máy thu được. 1.4.1.5. Ƣu điểm và nhƣợc điểm Ưu điểm:  Có thể quét với tốc độ nhanh hơn AFM.  Quét được trên diện tích rộng. Nhược điểm:  Hình ảnh quan sát không chi tiết bằng AFM.  Do mũi dò tiếp xúc cơ học với bề mặt mẫu nên dễ phá hủy bề mặt mẫu trong quá trình đo.  Vì với mũi dò đầu quả cầu không thể quét được ở các góc cạnh của bề mặt mẫu nên stylus thường sử dụng để xác định độ dày của mẫu hơn là xác định tính chất bề mặt mẫu. 27 Hình 1.30. Minh họa những điểm không quét được. 1.4.2. Đánh giá khả năng diệt khuẩn của màng TiO2 Hoạt lực diệt khuẩn của màng được đánh giá bằng phương pháp đếm số khuẩn lạc và tính số lượng tế bào trong 1ml mẫu theo công thức: V D AmlCFUM iii )/( (1.11) Trong đó: Ai là số khuẩn lạc trung bình trên một đĩa, tính theo CFU. Di là độ pha loãng. V là thể tích huyền phù tế bào cho vào mỗi đĩa, tính theo ml. 28 CHƢƠNG 2 – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 2.1. Vật liệu và thiết bị 2.1.1. Hệ thống phủ nhúng 2.1.1.1. Vật liệu chủ yếu Ống nhựa PVC của Bình Minh: đường kính ngoài 60mm, đường kính ngoài 34mm. Trục vít inox có độ dài 460mm và đường kính 11,5. Vòng bi có đường kính ngoài 30mm, trong 12mm, dày 10mm. Ron cao su có đường kính ngoài 50mm, đường kính dây 5mm. Động cơ giảm tốc sử dụng nguồn điện 6VDC, dùng truyền động lực cho trục vít. Encoder sử dụng nguồn điện 5DCV, 100xung/vòng, dùng ghi nhận độ dịch chuyển quay của trục vít. Bộ thu thập số liệu giao tiếp USB máy tính sử dụng nguồn điện 5DCV, dùng điều khiển động cơ giảm tốc, xuất tín hiệu số, ghi nhận tín hiệu analog, xung từ encoder. 2.1.1.2. Dụng cụ và thiết bị Máy tiện. Máy hàn điện. Cưa dùng để phân khúc ống nhựa theo độ dài thiết kế. Khoan dùng cho tạo các lỗ nhỏ trên ống nhựa để bắt vít. Dũa dùng loại bỏ các khía cạnh sắc sau khi cưa. Tuốc nơ vít dùng để vặn ốc vít. Kiềm tuốc dây dùng để tách lớp vỏ bảo vệ của dây dẫn điện. Mỏ hàn chì dùng để nối dây dẫn điện với các thiết bị điện. 2.1.2. Phủ màng TiO2 và đánh giá khả năng diệt khuẩn 2.1.2.1. Hóa chất Tetraisopropylorthotitanate Ti(OC3H7)4 của Merck, M=284,25g/mol, d=0,96g/ml. 29 Iso propanol (CH3)2CHOH của Merck, M=60,10 g/mol , d= 0,785. Axit acetic CH3COOH của Merck, M = 60,05 g/mol , d = 1,049. Methanol CH3OH của Merk, M = 32,04 g/mol , d = 0,791. Ethanol C2H5OH của Merk , M = 46,07 g/mol , d = 0,789. Môi trường nuôi cấy vi sinh Violet Red Bile (VRB). Vi khuẩn E.Coli thuần chủng do đại học Y dược Tp. Hồ Chí Minh cấp. 2.1.2.2. Dụng cụ và thiết bị Lọ trung tính, pipet, đũa thủy tinh, muỗng thủy tinh, cá từ, bếp khuấy từ có hệ thống ổn định nhiệt và tốc độ khuấy, cân, nhiệt kế. Đĩa petri, que trang thủy tinh, nồi áp suất dùng tiệt trùng. Ghi chú về việc chuẩn bị dụng cụ trước và sau khi sử dụng: Đầu tiên: Pipet, lọ, đũa thuỷ tinh, muỗng thủy tinh được ngâm trong nước sạch khoảng 30 phút, lọ và đũa thủy tinh rửa với xà phòng, sau đó rửa sạch với nước, tráng qua nước cất và sấy khô trong lò ở nhiệt độ khoảng 100 – 120 o C. Sau khi sử dụng, pipet, đũa, muỗng dùng để lấy hóa chất phải được ngâm trong dung dịch HCl pha loãng 0,5M khoảng nửa giờ, sau đó mới tiến hành các thao tác làm sạch khác. Các pipet khác tiến hành làm sạch tương tự như trên. 2.2. Tiến hành 2.2.1. Xây dựng hệ thống phủ nhúng 2.2.1.1. Hệ trục vít Chức năng: Giữ và nhúng tấm lam kính vào dung dịch trong cốc. Các thông số kỹ thuật:  Ống nhựa bảo vệ ngoài có độ dài 620mm và đường kính ngoài 60mm, dùng làm xy lanh cho ống nhựa bảo vệ bên trong trượt dọc theo ống và che chắn cho động cơ điện và encoder đặt bên trong ống; ngoài ra ở gần hai đầu ống có gắn hai vòng bi cố định vào thành ống thông qua một đĩa đệm bằng nhựa được bắt vít với vào thành ống. Hai đầu của trục vít inox 30 được gắn xuyên qua mỗi lỗ của mỗi vòng bi, một đầu gắn với động cơ điện và đầu còn lại gắn với encoder. Giữa ống nhựa bảo vệ ngoài có một khe cao 120mm và rộng 3mm để dẫn một thanh trượt dùng để giữ lam kính khi nhúng.  Ống nhựa bảo vệ trong có độ dài 420mm và đường kính 34mm, dùng bảo vệ trục vít inox khỏi sự ăn mòn của hơi hóa chất. Hai đầu ống này được gắn cố định với hai đai ốc inox có đường kính trong 11,5mm bởi hai đĩa đệm bằng nhựa. Hai đĩa này được gắn ron cao su bám sát vào thành ống nhựa bảo vệ ngoài để hạn chế sự thâm nhập của hơi hóa chất. Khi trục vít được quay bởi động cơ điện thì ống nhựa bảo vệ trong dịch chuyển tịnh tiến lên hay xuống bên trong ống nhựa bảo vệ ngoài.  Thanh trượt được mạ kẽm có độ dài 50mm và đường kính 3mm, một đầu được gắn vào giữa ống bảo vệ trong thông qua một vòng nhựa và đầu còn lại gắn một gá giữ lam kính. Hành trình di chuyển của thanh trượt là 100mm.  Gá giữ lam kính được làm từ nhựa để giữ tấm lam kính dày 1mm có độ dài 75mm và rộng 25mm. Hình 2.1. Ảnh chụp từ phía trước của hệ trục vít. 2.2.1.2. Hệ quay nghiêng Chức năng: Giữ và quay nghiêng hệ trục vít. Các thông số kỹ thuật:  Cơ cấu truyền động chéo bánh vít và trục vít gồm bánh vít là bánh răng nghiêng, trục vít có ren hình thang nằm trên trục, khi trục vít quay 31 33 vòng thì bánh vít quay được 1 vòng, trục vít được gắn với một động cơ điện thông qua một puly nhựa mà dây cua-roa kéo một puly nhựa gắn đồng trục với một biến trở 10 vòng 10Kohm dùng làm cảm biến vị trí góc, xác định góc nghiêng của hệ trục vít. Khi trục vít không hoạt động, bánh răng lập tức dừng chuyển động, vì vậy chúng thường được sử dụng khi cần giảm tốc nhanh. Nhờ cơ cấu này mà quá trình điều chỉnh góc nghiêng được đơn giản hóa và ổn định tốt hơn.  Cơ cấu truyền động song song xích và bánh răng dùng truyền động lực từ bánh răng nhỏ với 12 răng gắn đồng trục với bánh vít lên bánh răng lớn với 28 răng gắn đồng trục với giá đỡ hệ trục vít thông qua xích.  Giá đỡ được làm từ sắt la dày 5mm có dạng hình chữ “V” dùng giữ hai đầu của hệ trục vít, dài 460mm và cao 60mm; giá đỡ được gắn trên một chân đế cũng có dạng chữ “V” ngược được làm từ sắt ống có đường kính 27mm. Hình 2.2. Ảnh chụp từ phía trước của hệ quay nghiêng. 32 2.2.1.3. Hệ thu thập dữ liệu và máy vi tính Chức năng: thu thập tín hiệu analog gửi về từ cảm biến vị trí góc với bộ chuyển đổi ADC 8bit và tín hiệu số gửi về từ encoder. Sau khi chương trình máy vi tính xử lý các tín hiệu gửi về và các yêu cầu nhập vào từ giao diện người dùng, nó gửi tín hiệu điều khiển ra động cơ điện để điều chỉnh góc nghiêng, tốc độ nhúng. Các thông số kỹ thuật mà phần mềm LabView 2009 yêu cầu:  Hệ điều hành (OS): Windows XP hay phiên bản sau.  Xung nhịp bộ xử lý trung tâm (CPU): Pentium dual-core 1,73GHz hay cao hơn.  Bộ nhớ (RAM): 1GB hay cao hơn.  Giao tiếp (Interface): USB.  Dung lượng trống trên đĩa cứng (Free Hard Disk Space): 2GB.  Màn hình hiển thị (Display): 1024x768 Pixels/High Color (16bit) hay cao hơn. Hình 2.3. Ảnh chụp máy vi tính. 33 2.2.1.4. Thiết kế giao diện cho chƣơng trình Mục đích của việc thiết kế và tạo giao diện cho chương trình là tạo sự thoải mái và thân thiện cho người sử dụng. Hình 2.4. Giao diện của chương trình trên máy vi tính. 34 2.2.1.5. Xây dựng quy trình và viết chƣơng trình điề