Đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác Quang Hóa cho sơn xây dựng

g hóa đã đ−ợc quan tâm nhiều hơn trong một vμi nghiên cứu của các Viện vμ các tr−ờng đại học, tuy nhiên chỉ mới ở mức độ có sản phẩm nghiên cứu ứng dụng bột nano xúc tác quang hóa cho men sứ vệ sinh, lớp phủ cho kính... ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 27 Phần II Nội dung vμ ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1. Nội dung nghiên cứu Đề tμi “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng” đã đ−ợc giao thực hiện nhằm đặt đ−ợc những mục tiêu sau: - ứng dụng công nghệ Nano để chế tạo các loại sơn phủ dùng trong xây dựng. - Tiếp cận vμ lμm chủ các tiến bộ khoa học công nghệ cao trong việc nghiên cứu phát triển vật liệu mới. - Nâng cao năng lực cho các cán bộ tham gia nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ Nano vμ công nghệ vật liệu mới. Để đạt đ−ợc những mục tiêu trên đề tμi đã hợp tác với Viện Hμn lâm khoa học vật liệu xây dựng Trung Quốc (CBMA) nhằm tận dụng những điểm thuận lợi sau: - Tận dụng những kinh nghiệm vμ những kết quả nghiên cứu sẵn có của phía bạn trong việc định h−ớng nghiên cứu để rút ngắn thời gian nghiên cứu. - Bạn cung cấp sản phẩm nano xúc tác quang hóa TiO2 vμ mẫu sơn diệt khuẩn vμ tự lμm sạch của CBMA. - Một số cán bộ tham gia đề tμi được tham quan, học tập các ph−ơng pháp thử nghiệm các sản phẩm nano xúc tác quang hóa trong phòng thí nghiệm của CBMA. Với những điều kiện thuận lợi do việc hợp tác vừa trình bầy ở trên vμ trên cơ sở thỏa thuận các nội dung nghiên cứu giữa 2 bên CBMA vμ Viện Vật liệu xây dựng (xem chi tiết phần phụ lục 4), đề tμi đã đặt ra những nội dung thực hiện nh− sau: - Nghiên cứu các tính chất vμ hoạt tính xúc tác quang hóa của bột Nano TiO2 trong điều kiện khí hậu Việt Nam. - Nghiên cứu thμnh phần phối liệu để chế tạo 2 loại sơn diệt khuẩn vμ tự lμm sạch có chứa bột nano TiO2 xúc tác quang hóa. ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 28 - Nghiên cứu các tính chất của sản phẩm sơn nano xúc tác quang hóa: Thử nghiệm tính năng diệt khuẩn, tính năng tự lμm sạch, tính năng phân hủy các độc tố, độ bền thời tiết... - Xây dựng qui trình công nghệ sản xuất hai loại sơn nano t−ờng trong vμ t−ờng ngoμi. - Sản xuất vμ thử nghiệm sơn nano ở qui mô pilot. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện để chủ động nguồn cung cấp vật liệu nano xúc tác quang hóa TiO2 đề tμi đã sử dụng thêm vật liệu nano TiO2 P25 của công ty Degussa (Đức). Đây lμ sản phẩm nano TiO2 th−ơng mại sẵn có trên thị tr−ờng. Ngoμi ra đề tμi đã điều chế thử vật liệu nano xúc tác quang hóa TiO2 vμ nghiên cứu vμ so sánh các tính chất xúc tác quang hóa của loại nano TiO2 nμy với 2 sản phẩm cùng loại của n−ớc ngoμi lμ: nano TiO2 Degussa P25, nano TiO2 của CBMA. Quá trình điều chế vật liệu nano TiO2 đ−ợc trình bầy chi tiết trong phần phụ lục 1 của đề tμi. 2.2. ph−ơng pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện các nội dung nghiên cứu đề tμi đã sử dụng một số ph−ớng pháp nghiên cứu vμ thử nghiệm sau đây - Ph−ơng pháp phân tích nhiễu xạ tia Rơn ghen (XRD) để phân tích thμnh phần pha vμ cấu trúc tinh thể của bột nano TiO2. Các mẫu nghiên cứu đ−ợc thực hiện trên máy Nhiễu xạ tia X Advance D8 – Thụy Sỹ. - Ph−ơng pháp phân tích ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định kích th−ớc hạt của bột nano TiO2. Thí nghiệm đ−ợc thực hiện trên máy Hitachi JSM 6490- Nhật Bản. - Ph−ơng pháp phân tích định l−ợng các chất hữu cơ bằng đo mật độ quang để đánh giá mức độ hoạt tính của xúc tác quang hóa nano TiO2 trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Các mẫu nghiên cứu đ−ợc đo trên máy quang phổ UV VIS 1100. ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 29 - Ph−ơng pháp phân tích sắc ký khí vμ phổ khối để phân tích hμm l−ợng của hơi Formalin trong không khí trong việc nghiên cứu tính năng lọc không khí của sơn Nano TiO2 xúc tác quang hóa. - Một số các ph−ơng pháp thử nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN, ASTM, JIS vμ tiêu chuẩn Trung Quốc trong việc đánh giá các tính chất của mμng sơn. 2.3. Nguyên vật liệu, hóa chất sử dụng Trong đề tμi nμy chúng tôi đã sử dụng các nguyên vật liệu sau để nghiên cứu: a) Chất kết dính: + Polymer 1: Revacryl 4134 (TTK chemicals corp. – Nhật Bản). lμ một loại nhũ t−ơng Acrylic, th−ờng đ−ợc dùng lμm chất kết dính cho sơn t−ờng ngoμi, có khả năng kết dính tốt vμ khả năng chống bám bụi cao. - Trạng thái : nhũ t−ơng mμu trắng sữa - Thμnh phần chính : polymer acrylic tinh khiết - Hμm l−ợng chất rắn : 47 – 49% - Độ nhớt : 200 – 1000 cps (nhớt kế Brookfile tại 250C) - Độ pH : 8,0 – 9,5 - Cỡ hạt : 0,1μm + Polymer 2: Neochem 60 (Vimin Chemical Industrial corp.). Lμ nhũ t−ơng của polydimethyl-siloxane, có các tính chất sau: - Trạng thái: : Nhũ t−ơng mμu trắng sữa - Hμm l−ợng chất rắn : 60% - Độ pH : 8,5 - Tỷ trọng : 0,99 b) Chất tạo mμu - TiO2 -TR 92 : 100% dạng rutile - Khối l−ợng riêng : 4,05 g/cm3 c) Bột độn CaCO3: - Cỡ hạt :40- 60 μm - Khối l−ợng riêng :2,7 g/cm3 ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 30 d) Bột nano TiO2 Trong đề tμi nμy chúng tôi đã sử dụng 3 loại nano TiO2 để so sánh hoạt tính xúc tác quang hóa của bột nano TiO2 mμ đề tμi điều chế đ−ợc với các sản phẩm cùng loại trong thμnh phần của sơn: - Bột nano TiO2- VIBM do đề tμi chế tạo: 100% tinh thể anatase, kích th−ớc hạt 1- 20 nm. - Bột nano TiO2-P25 Degussa (Đức) 70% anatase, 30% rutile, kích th−ớc hạt 25nm. - Bột nano TiO2 – CBMA do CBMA chế tạo; 100% tinh thể anatase, kích th−ớc hạt 20nm. e) Phụ gia phân tán Hydropalat 5040 lμ tác nhân phân tán dạng poly cacboxylic acid, có khả năng lμm phân tán mμu vô cơ vμo dung môi n−ớc rất tốt. Nó có các −u điểm nh− : mềm dẻo, độ bóng cao, độ nhớt ổn định, chống mμi mòn tốt, tiết kiệm năng l−ợng. Thông số kỹ thuật: pH : 7,5 – 9,.0 Khối l−ợng riêng : 1,27 – 1,3 g) Phụ gia chống tạo bọt: Foamaster 111 h) Phụ gia điều chỉnh độ nhớt Hydroxy ethyl cellulose (HEC) ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 31 Phần III Các kết quả nghiên cứu 3.1. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa trong điều kiện khí hậu của Việt Nam Một trong những nội dung quan trọng của đề tμi lμ nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2 trong điều kiện khí hậu của Việt Nam nhất lμ trong những điều kiện có c−ờng độ ánh sáng tự nhiên mạnh, điều kiện khí hậu có nhiệt độ vμ độ ẩm cao. Nh− chúng ta đã biết, trong thực tế việc ứng dụng xúc tác quang hóa hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO2 phụ thuộc vμo 2 yếu tố chính : - Chất l−ợng của bản thân chất xúc tác nh− thμnh phần pha, diện tích bề mặt riêng, kích th−ớc hạt của nano xúc tác quang hóa - Môi tr−ờng lμm việc của xúc tác quang hóa (độ mạnh yếu của c−ờng độ ánh sáng tự nhiên) Điều kiện khí hậu của Việt Nam lμ nơi có khí hậu nhiệt đới, ánh sáng tự nhiên có c−ờng độ mạnh vμ số ngμy nắng trong năm nhiều (trung bình trên 200 ngμy) sẽ lμ môi tr−ờng tốt để phát huy hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2. Để nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa trong một số nghiên cứu tr−ớc đây ng−ời ta th−ờng đánh giá khả năng qua sự phân hủy các chất hữu cơ của xúc tác quang hóa [14, 15]. Các chất hữu cơ th−ờng đ−ợc chọn lμ các chất thỉ thị mμu nh− xanh methylene (MB), metyl da cam vμ các chất chỉ thị khác. Với việc sử dụng các chất nμy ng−ời ta có thể theo dõi đánh giá quá trình suy giảm nồng độ của chúng bởi xúc tác quang hóa trong dung dịch n−ớc bằng việc phân tích định l−ợng hoặc định tính qua việc suy giảm vμ mất mμu của chất chỉ thị một cách nhanh chóng. Đề tμi đã nghiên cứu hoạt tính xúc tác quan hóa của cả 3 loại vật liệu nano TiO2 lμ : TiO2- VIBM (do đề tμi chế tạo), TiO2- P25 (sản phẩm th−ơng mại của Degussa - Đức) vμ TiO2- CBMA (Trung Quốc) nhằm mục đích so sánh hoạt tính xúc tác quang hóa trong điều kiện khí hậu Việt Nam của 3 loại xúc tác trên. 3.1.1. Nghiên cứu định tính hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2 trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Để đánh giá hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2 một cách định tính chúng tôi đã sử dụng dung dịch xanh methylene (MB) 0,05mM lμm dung dịch ban đầu C0, sau đó sử dụng ánh sáng tự nhiên tại thμnh phố Hồ Chí Minh lμm môi tr−ờng thử nghiệm. Thời gian thử nghiệm từ 10h đến 14 h lμ khoảng thời gian có c−ờng độ ánh sáng mạnh nhất trong ngμy. Cân chính xác 0,2 g mỗi loại bột nano TiO2 cho vμo 3 cốc thủy tinh có chứa 150 ml dung dịch MB có nồng độ C0 nh− trên. Khuấy nhẹ dung dịch bằng máy khuấy từ trong 20 phút sau đó để dung dịch nμy d−ới ánh sáng mặt trời vμ quan sát sự biến đổi mμu của dung dịch chất chỉ thị mμu MB theo thời gian. Hình 12: Dung dịch MB ban đầu có 3 loại sản phẩm nano TiO2: A: TiO2-VIBM; B: TiO2- CBMA; C: TiO2 -P25, Degussa. ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 32 Hình 13: Dung dịch MB có 3 loại sản phẩm nano TiO2: A: TiO2-VIBM; B: TiO2- CBMA; C: TiO2 - P25, Degussa sau khi phơi nắng 2 giờ 30 phút tại thμnh phố Hồ Chí Minh. Hình 14: Dung dịch MB có 3 loại sản phẩm nano TiO2: A: TiO2-VIBM; B: TiO2- CBMA; C: TiO2 -P25, Degussa sau khi phơi nắng 3 giờ tại thμnh phố Hồ Chí Minh. Kết quả hoạt tính của 3 loại xúc tác trên trong điều kiện khí hậu của Việt Nam tại thμnh phố Hồ Chí Minh đ−ợc thể hiện từ hình 12 đến hình 14 cho thấy bột nano TiO2 do nhóm đề tμi tổng hợp đ−ợc có hoạt tính khá tốt, có thể t−ơng ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 33 ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 34 đ−ơng với sản phẩm TiO2 Degussa P25 lμ sản phẩm thông dụng hiện nay trên thị tr−ờng của sản phẩm nano xúc tác quang hóa TiO2 trên thế giới. Cả 3 loại xúc tác quang hóa đều tỏ rõ hoạt tính xúc tác quang hóa rất mạnh trong điều kiện khí hậu Việt Nam, chỉ sau 3 giờ đã phân hủy vμ lμm mất mμu dung dịch MB. Tuy nhiên mạnh nhất lμ TiO2 -P25 sau đó đến TiO2-VIBM vμ sau cùng lμ TiO2- CBMA của Trung Quốc. 3.1.2. Nghiên cứu định l−ợng hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2 trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Để nghiên cứu một cách định l−ợng hoạt tính xúc tác quang hóa, trong một số nghiên cứu gần đây ng−ời ta đã đánh giá mức độ hoạt tính của xúc tác quang hóa qua mức độ phân hủy dung dịch xanh methylene (MB). Việc đo sự suy giảm nồng độ của dung dịch MB đ−ợc thực hiện qua ph−ơng pháp phân tích định l−ợng MB bằng việc đo mật độ quang của dung dịch MB. Tham khảo các tμi liệu trên, nhóm đề tμi đã áp dụng ph−ơng pháp nμy để nghiên cứu định l−ợng mức độ hoạt tính xúc tác quang hóa của bột nano TiO2. Trong ph−ơng pháp đo mật độ quang ng−ời ta sẽ phải xác định đ−ờng chuẩn của mối liên hệ giữa mật độ quang D vμ nồng độ của dung dịch phân tích theo ph−ơng trình của định luật Lambert-Beer: I = I010 - εCl Trong đó: I : C−ờng độ chùm ánh sáng đi qua dung dịch; I0 : C−ờng độ chùm sáng tới dung dịch; ε : Hệ số hấp thụ ánh sáng, đặc tr−ng cho mỗi chất mμu, C: Nồng độ chất mμu trong dung dịch; l: Chiều dμy của lớp dung dịch hấp thụ ánh sáng, cm. Nếu lấy logarit ph−ơng trình định luật Beer vμ đổi dấu, thì ph−ơng trình có dạng: lg ( I0/I ) = ε.C.l Đại l−ợng lg ( I0/I ) lμ đại l−ợng đặc tr−ng rất quan trọng cho mμu của dung dịch, đ−ợc gọi lμ mật độ quang của dung dịch vμ đ−ợc ký hiệu bằng chữ “ D “: D = lg ( I0/I ) = ε.C.l Từ ph−ơng trình đó chúng ta thấy, mật độ quang của dung dịch D tỷ lệ thuận với nồng độ C của chất mμu vμ chiều dμy của lớp dung dịch cần phân tích. Nh− vậy, nếu ta cố định chiều dμy của lớp dung dịch lμ l cm thì trong ph−ơng trình trên chỉ còn 2 biến lμ D vμ C sẽ có tỷ lệ tuyến tính với nhau, Nếu ta đo đ−ợc D thì sẽ tính ra đ−ợc nồng độ của dung dịch lμ C. Tuy nhiên sự phụ thuộc nμy không phải lúc nμo cũng tuyến tính do đó trong ph−ơng pháp định l−ợng bằng đo mật độ quang ng−ời ta phải xây dựng đ−ờng chuẩn để tìm ra khoảng nồng độ có tỷ lệ tuyến tính với mật độ quang của dung dịch cần đo. Trong thực tế khi phân tích định l−ợng ta phải khảo sát tr−ớc vμ đ−a nồng độ của dung dịch chất cần đo D vμo vùng có quan hệ tuyến tính mμ đ−ờng chuẩn qui định. a) Xây dựng đ−ờng chuẩn về mật độ quang của dung dịch MB Xanh methylen sử dụng lμ loại hóa chất tinh khiết 99,98%. Tr−ớc khi sử dụng chất mμu nμy đ−ợc sấy trong thời gian 3 giờ ở nhiệt độ 90-100oC đến trọng l−ợng không đổi. Sau đó lấy ra vμ lμm nguội trong bình hút ẩm. Bảng 5: Giá trị mật độ quang D của các dung dịch MB từ 0,25 đến 2,5 mM Dung dịch 1 2 3 4 5 6 C MB, (mM) 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 D 0,105 0,21 0,419 0,629 0,838 1,05 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.25 0.5 1 1.5 2 2.5 Nồng độ MB (mM) M ật đ ộ qu an g D Hình 15: Đ−ờng chuẩn mối liên hệ giữa mật độ quang vμ nồng độ của dung dịch MB Cân chính xác một l−ợng 0,80g xanh methylen trên cân phân tích. Hoμ tan l−ợng xanh methylen vừa cân với n−ớc cất trong bình định mức dung tích 500 ml ta thu đ−ợc dung dịch xanh methylen có nồng độ 5 mM. Từ dung dịch nμy chuẩn bị một loạt dung dịch có nồng độ thấp hơn 0,25mM, 0,5mM, 1,0mM, 1,5mM, ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 35 ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 36 2,0mM, 2,5mM vμ đo mật độ quang của các dung dịch nμy. Sự liên quan giữa nồng độ dung dịch (C) vμ mật độ quang (D) đ−ợc thể hiện ở bảng 5 vμ hình 15. Theo kết quả trên thì mối liên hệ giữa C vμ D chỉ tuyến tính trong khoảng nồng độ từ 0,5 đến 2,5 mM. b) So sánh định l−ợng hoạt tính xúc tác của các sản phẩm TiO2 Để so sánh hoạt tính xúc tác quang hóa của bột nano TiO2 điều chế đ−ợc với các sản phẩm cùng loại của n−ớc ngoμi, nhóm đề tμi đã khảo sát quá trình phân hủy của xúc tác quang hóa đối với dung dịch MB trong điều kiện ánh sáng tự nhiên tại thμnh phố HCM qua việc phân tích sự suy giảm nồng độ của dung dịch MB của các dung dịch MB có chứa các loại bột nano TiO2 khác nhau theo thời gian phơi nắng tại thμnh phố HCM. Kết quả nghiên cứu đ−ợc trình bầy tại bảng 6 vμ hình 16. Bảng 6: Sự suy giảm nồng độ của các dung dịch MB có chứa các mẫu xúc tác quang hóa khác nhau Nano TiO2 Degussa P25 (Đức) Mật độ quang D 1,05 0,53 0,29 0,07 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Nồng độ MB (C) mM 2,5 1,25 0,68 0,16 0 0 0 Thời gian (phút) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Nano TiO2 -VIBM (Việt Nam) Mật độ quang D 1,05 0,71 0,53 0,37 0,21 0,06 0,00 0,00 0,00 Nồng độ MB (C) mM 2,50 1,70 1,25 0,88 0,50 0,15 0,00 0,00 0,00 Thời gian (phút) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Nano TiO2- CBMA (Trung Quốc) Mật độ quang D 1,05 0,81 0,61 0,47 0,36 0,20 0,11 0,05 0,00 Nồng độ MB (C) mM 2,50 1,92 1,45 1,13 0,85 0,48 0,25 0,13 0,00 Thời gian (phút) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Hình 16: Hoạt tính xúc tác quang hóa qua sự phân hủy xanh methylene của 3 loại xúc tác: A: nano TiO2- P25 (Degussa); B: nano TiO2-VIBM; C: nano TiO2-CBMA Kết quả ở bảng 6 vμ hình 16 cho ta thấy rằng hoạt tính xúc tác quang hóa của cả 3 loại xúc tác trong điều kiện khí hậu Việt Nam đều rất mạnh. Tuy nhiên mạnh nhất lμ nano TiO2 P25 (Degussa) có tốc độ phân hủy chất MB nhanh nhất biểu hiện ở đ−ờng cong suy giảm c−ờng độ (A) có độ dốc lớn nhất vμ chỉ sau 2 h đã phân hủy hoμn toμn l−ợng MB có trong dung dịch. Tiếp theo lμ nano TiO2- VIBM vμ nano TiO2-CBMA có tốc độ phân hủy MB t−ơng đ−ơng nhau thể hiện ở độ dốc gần giống nhau của 2 đ−ờng cong B vμ C. Tuy nhiên điểm tiếp 0 của đ−ờng cong B ở tại 3 giờ còn điểm tiếp 0 của đ−ờng cong C tại 4 giờ. Kết quả thí nghiệm nμy phù hợp với kết quả phân tích định tính ở mục 3.1.1. Điều nμy khẳng định hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2-VIBM do đề tμi chế tạo cao hơn sản phẩm cùng loại của Trung Quốc. 3.2. Nghiên cứu lựa chọn thμnh phần cấp phối sơn nano xúc tác quang hóa 3.2.1. Lựa chọn thμnh phần, cấp phối cho sơn: Nh− đã trình bầy tại mục 2.3 về Sơn xây dựng, thμnh phần cơ bản của sơn xây dựng gồm có chất kết dính (polymer), maứu (pigment), dung moõi (solvent) vaứ phuù gia (additive). ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 37 - Chất kết dính đóng vai trò tạo mμng sơn thông th−ờng lμ polymer nh− polyacrylic, epoxy, silicon, các hợp chất alkyd... vμ các chất vô cơ nh− silicat hoặc xi măng. Sơn xây dựng hiện nay th−ờng sử dụng polyacrylic hoặc các copolymer của acrylate vμ epoxy vì đó lμ những polymer thông dụng hiện nay vμ t−ơng đối bền với môi tr−ờng của bề mặt bê tông, t−ờng nhμ vμ bền trong môi tr−ờng thời tiết nắng ẩm... Nhóm đề tμi đã lựa chọn chất tạo mμng thông dụng nhất trong sơn xây dựng lμ polyacrylic để chế tạo sơn nano xúc tác quang hóa. Trong thời gian gần đây các polymer của silicon đã đ−ợc dùng để sản xuất sơn có độ bền cao trong các môi tr−ờng oxy hóa vμ ăn mòn hóa học. Đặc biệt polysiloxane lμ một polymer với các liên kết mạch chính lμ O-Si-O rất bền với tia UV do độ bền liên kết của của Si-O rất cao (445kJ/mol) so với các liên kết C-C (358kJ/mol) [22]. O Si O Si O Si O Si O OR R R R R R R R=H, CH3, C2H5, Hoặc gốc hữu cơ khác Hình 17: Cấu trúc hóa học của polysiloxane Chính vì lý do trên polysiloxane đã đ−ợc dùng lμm chất tạo mμng trong thμnh phần của sơn nano xúc tác quang hóa [20-23]. Tuy nhiên polysiloxane có giá thμnh rất đắt nên sẽ lμm cho sản phẩm sơn có giá thμnh cao. Trong thực tế ng−ời ta đã dùng hỗn hợp 2 polymer lμ acrylic vμ polysiloxane trong thμnh phần của sơn tùy theo sự tính toán giữa mục đích sử dụng, giá thμnh của sản phẩm. Dựa trên những kinh nghiệm trên trong đề tμi nμy chúng tôi đã sử dụng hỗn hợp của acrylic vμ polysiloxane lμm chất tạo mμng cho sơn. ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 38 - Các pigment dùng trong sơn xây dựng th−ờng lμ các chất vô cơ nh− TiO2, ZnO, Zr2O3...(mμu trắng), Fe2O3 (mμu đỏ) hoặc các chất vô cơ khác cho các mμu vμng, xanh... vμ các chất hữu cơ cho một số mμu khác theo yêu cầu tạo mμu cho ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 39 sơn. Trong đề tμi nμy chúng tôi lựa chọn các chất vô cơ thông dụng nhất cho sơn xây dựng lμ TiO2. - Dung môi cho sơn hiện nay trên thị tr−ờng sơn xây dựng đa số lμ các loại sơn gốc n−ớc không độc hại vμ an toμn cho ng−ời thi công cũng nh− ng−ời sử dụng. Đề tμi cũng định h−ớng chế tạo sơn nano gốc n−ớc trên cơ sở sử dụng các polymer latex của acrylic. - Phụ gia: trong sản xuất sơn xây dựng gốc n−ớc có một số loại phụ gia có những chức năng khác nhau đ−ợc sử dụng vμo thμnh phần của sơn nh−: phụ gia phân tán, phụ gia chống tạo bọt, phụ gia điều chỉnh độ nhớt.... Trong quá trình nghiên cứu đề tμi cũng sử dụng các loại phụ gia trên. - Chất độn: (Filler): Chất độn th−ờng dùng trong sản xuất sơn xây dựng lμ CaCO3 hoặc cao lanh trắng. Trong đề tμi nμy chúng tôi sử dụng CaCO3. Trong thμnh phần của sơn thì tỷ lệ chất kết dính, chất mμu, chất độn vμ các phụ gia sẽ có vai trò quyết định các tính chất của mμng sơn. Với hệ sơn gốc n−ớc thì chất kết dính lμ polymer latex th−ờng có nồng độ chất khô lμ ~50%. Mặt khác trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6934:2001 về Sơn t−ờng – Sơn nhũ t−ơng – Yêu cầu kỹ thuật vμ ph−ơng pháp thử đã qui định hμm l−ợng chất không bay hơi phải >50% để đảm bảo các tính chất khác của sơn nh− độ phủ, độ nhớt .... Dựa trên các dữ liệu trên vμ các kết quả nghiên cứu khác về thμnh phần của sơn n−ớc trong xây dựng [19, 21-23] chúng tôi lựa chọn thμnh phần của sơn nano nh− sau: - Chất kết dính (bao gồm tổng các polyme latex): khoảng từ 34% - Chất độn : 16% - Chất mμu: 14% - Phụ gia (tổng các loại phụ gia): 3% Tỷ lệ các thμnh phần trên sẽ không thay đổi trong các mẫu nghiên cứu. Chúng tôi tập trung khảo sát tỷ lệ của 2 polyme latex lμ polyacrylic vμ polysiloxane) vμ tỷ lệ của xúc tác quang hóa nano TiO2 trong sơn để có thể tìm ra cấp phối tối −u 3.2.2. Xác định tỷ lệ xúc tác tối −u trong thμnh phần sơn nano Để xác định tỷ lệ (%) của xúc tác quang hóa TiO2 tham gia vμo thμnh phần của sơn chúng tôi đã nghiên cứu vμ đánh giá qua mức độ phân hủy chất chỉ thị ________________________________________________________________________________ BC TK ĐT: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBM- CBMA, 2008. 40 xanh methylene (MB) của mμng sơn có chứa xúc tác quang hóa qua đó sẽ rút ra đ−ợc kết luận về tỷ lệ % nano xúc tác quang hóa trong thμnh phần sơn trong khoảng bao nhiêu lμ tối −u. Trong các công trình nghiên cứu gần đây đã cho thấy tỷ lệ tối −u trong hỗn hợp sơn dao động trong khoảng từ 1- 4% [14,15]. Tuy nhiên trong hỗn hợp sơn xây dựng có nhiều thμnh phần khác có thể ảnh h−ởng đến tỷ lệ tối −u nμy. Mặt khác độ xốp của mμng trong các cấp phối cụ thể sẽ cho khả năng l−u thông, tiếp xúc giữa bề mặt của xúc tác quang hóa với không khí hoặc các chất bẩn khác nhau do đó ảnh h−ởng lớn tới hiệu quả hoạt động của xúc tác quang hóa. Để xác định tỷ lệ nμy trong thμnh phần cấp phối của sơn nano vμ trong điều kiện khí hậu của Việt Nam chúng tôi đã khảo sát mức độ phân hủy MB của những tỷ lệ của chất nano xúc tác quang hóa TiO2 trong thμnh phần của sơn. Các thí nghiệm đ−ợc tiến hμnh nh− sau: Chế tạo 6 mẫu sơn có thμnh phần cấp phối nh− nhau những khác nhau về tỷ lệ chất xúc tác quang hóa từ 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% nano TiO2 (Degussa P25) (cấp phối số M1 của bảng 9). Các mẫu sơn nμy đ−ợc quét lên các tiêu bản kính có kích th−ớc 5 x5 cm. Các tiêu bản nμy sau khi sơn vμ chờ cho mμng sơn khô trong thời gian 48h, chúng đ−ợc nhúng trong 150 ml dung dịch MB có nồng độ 1,5 mM vμ toμn bộ dung dịch đ−ợc phơi nắng tự nhiên trong 2 giờ. Sau đó các dung dịch nμy đ−ợc phân tích nồng độ của MB sau thời gian thử nghiệm để xem khả năng phân hủy MB của các mẫu sơn. Bảng 7: Kết quả thí nghiệm khảo sát l−ợng TiO2 tối −u trong dung dịch MB DnDung dịch C0 C1 C2 C3 C4 C5 L−ợng TiO2 trong Thμnh phần sơn (%) 0 1 2 3 4 5 Giá trị mật độ quang D 0,64 0,36 0,28 0,25 0,26 0,32 Mức độ phân hủy MB (%)* 0 43,75 55,85 60,54 58,59 49,21 * Mức độ phân hủy MB đ−ợc tính theo công thức: 100* (D0-Dn)/D0 . Trong đó - D0 : lμ mật độ quang của dung dịch đối chứng (không có nano TiO2); - Dn: lμ mật độ quang của dung dịch có nano TiO2 ở các nồng độ khác nhau sau thì gian phơi nắng 2 giờ d−ới ánh nắng tại TP. HCM Kết quả nghiên cứu về tỷ lệ tối −u của nano xúc tác quang hóa đ−ợc trình bầy tại bảng 7 vμ hình 18. Chúng ta có thể thấy rằng các mẫu sơn có tỷ lệ xúc tác quang hóa nano TiO2 lμ 3% có độ phân hủy MB lμ lớn nhất. Tuy nhiên trong khoảng tỷ lệ từ 2-4% thì mức độ phân hủy MB không khác nhau quá 5%. Nh− vậy ta có thể kết luận rằng khoảng tỷ lệ chất xúc tác quang hóa trong thμnh phần của sơn nano tối −u lμ từ 2-4%. 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5% TiO2 % P h ân h ủ y M B Hình 18: Tỷ lệ (%) tối −u của nano TiO2 trong thμnh phần sơn nano 3.2.3. Chế tạo sơn nano TiO2 xúc tác quang hóa trong phòng thí nghiệm H2O Phụ gia Khuấy th−ờng Khuấy cao tốc Khuấy nhẹ Sản phẩm sơn Mμu Chất độn Polymer latex 1 Polymer latex 2 Nano TiO2 + H2O Phân tán B−ớc 1 B−ớc 2 B−ớc 3 B−ớc 4 Hình 19: Sơ đồ công nghệ chế tạo sơn nano TiO2 trong phòng thí nghiệm Để chế tạo sơn gốc n−ớc thì yếu tố công nghệ quan trọng nhất lμ sự phân tán các thμnh phần của sơn một cách tốt nhất để hỗn hợp của sơn đảm bảo sự đồng nhất lμ đảm bảo các tính chất của sơn đạt mức tối −u. Dựa vμo các tμi liệu tham khảo [2] chú