Tìm hiểu về Kính cường lực phủ nano, tự làm sạch

Giới thiệu công nghệ phủ nano cho kính

Kính (thủy tinh) được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, nội thất và nhiều lĩnh vực khác như kính hiển vi quang học, thiết bị điện tử,… Những lợi ích khi sử dụng kính trong các tòa nhà, công trình là: cho ánh sáng mặt trời truyền vào làm sáng không gian bên trong, giúp tiết kiệm điện năng cho việc chiếu sáng hay giúp ta thấy được cảnh quan xung quanh, góp phần tạo nên sự hài hòa, gần gũi với thiên nhiên.Thế nên kính thường được lắp thành cửa sổ, các mặt tiền cửa hàng hay mặt dựng các tòa nhà cao tầng. Đây là các vị trí rất khó để vệ sinh nhưng để đảm bảo được sự trong suốt và tính thẩm mỹ của kính, việc làm sạch bề mặt kính thường xuyên là điều quan trọng. Với sự phát triển của khoa học hiện đại, vấn đề trên đã được giải quyết. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều dòng kính “tự làm sạch” hay trong tiếng anh là self-cleaning glass. Thực chất, “kính tự làm sạch” là sản phẩm kính có thể dễ dàng vệ sinh bề mặt hơn kính xây dựng thông thường nhưng nó vẫn cần yếu tố bên ngoài tác động vào. Để có thể “tự làm sạch, loại kính này cần nước tiếp xúc với bề mặt của nó, có thể là nước mưa (tự nhiên) hay vòi phun nước (nhân tạo).

 Vì sao phải phủ nano cho kính?

Khi nhìn bằng mắt thường, ta thấy kính (thủy tinh) có bề mặt rất nhẵn, láng. Tuy nhiên nếu nhìn vào bề mặt kính ở cấu trúc vi mô ta sẽ thấy rất sần sùi nên dễ bị bám bụi, chất bẩn hay các loại vi khuẩn,… Nếu kính tiếp xúc lâu ngày với những tạp chất này thì sẽ bị mờ, đục và giảm độ trong suốt của nó, khó có thể làm sạch. Vì bụi và các tạp chất đã bám vào cấu trúc sần sùi của bề mặt kính, không thể thoát ra được.

Để tránh hiện tượng trên xảy ra, ta cần phủ một lớp vật liệu mỏng trên bề mặt kính để kiểm soát độ thấm ướt của bề mặt kính cũng như ngăn bụi bẩn và tạp chất không tiếp xúc trực tiếp với nó, giúp vệ sinh dễ dàng hơn. Vì thế các lớp phủ trên bề mặt kính tự làm sạch sẽ được chia làm hai loại là ưa nước và kị nước.

 Cơ chế tự làm sạch cửa kính phủ nano

Mức độ thấm ướt của một bề mặt được thể hiện qua thông số góc thấm ướt θ, góc tạo bởi tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí và bề mặt pha rắn.

Lớp phủ kị nước: hay không thấm ướt với nước sẽ có góc thấm ướt θ≥90^o. Tính chất này có thể đạt được bằng cách kiểm soát độ nhám bề mặt (tương tự hiệu ứng lá sen trong tự nhiên) hoặc phủ các phần tử có năng lượng bề mặt thấp lên bề mặt kính. Vật liệu thường được sử dụng để phủ lên kính trong trường hợp này là SiO₂

Hình 2. Sự tương tác của nước và bốn kiểu cấu trúc bề mặt

Trong hình 2, bề mặt phẳng là kiểu cấu trúc có diện tích tiếp xúc giữa nước và bề mặt rắn là lớn nhất. Cấu trúc phân lớp (tương tự bề mặt lá sen) là sự kết hợp của hai loại cấu trúc có kích thước nano và micro, có diện tích tiếp xúc với nước nhỏ nhất trong bốn loại bề mặt. Vì thế góc thấm ướt của nó sẽ lớn nhất, tạo nên một bề mặt siêu kị nước (θ ≈ 180^o)

Khi ta sử dụng vòi nước phun vào kính có lớp phủ kị nước hay trời đổ mưa, nước sẽ tự co tròn thành dạng hình cầu rồi trượt khỏi bề mặt kính và cuốn theo các bụi bẩn tích tụ bám trên bề mặt một cách dễ dàng.

• Lớp phủ ưa nước: hay thấm ướt với nước sẽ có góc thấm ướt θ<90^o. Vật liệu thường được sử dụng để phủ lên kính trong trường hợp này là TiO₂. Sau một thời gian tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và hấp thụ ánh sáng tia cực tím UV, lớp phủ TiO₂ sẽ có hai tính chất đặc biệt là quang hóa ưa nước và quang xúc tác.

Sự hấp thụ ánh sáng tia cực tím tạo nên tương tác giữa các phần tử mang điện tích được kích thích bởi ánh sáng ( lỗ trống và electron) và band gap. Các lỗ trống được kích thích ở vùng hóa trị sẽ khuếch tán tới bề mặt TiO₂ và phản ứng với các phân tử nước bị hấp phụ rồi tạo ra gốc hydoxyl (OH^–). Các lỗ trống được kích thích bởi ánh sáng và các gốc hydroxyl oxi hóa các phần tử hữu cơ trên bề mặt TiO₂. Trong khi đó, các electron ở

vùng dẫn tham gia vào quá trình khử, phản ứng với phân tử oxy trong không khí để tạo ra O₂^–. Quá trình quang xúc tác giúp phân hủy các tạp chất hữa cơ, bụi bẩn bám trên kính.

Hình 3. Bụi bẩn và vết nước bám trên kính thông thường sau mưa

Hình 4. (a) Quá trình quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ, tạp chất trên bề mặt kính phủ TiO₂; (b) Quá trình quang hóa ưa nước giúp nước dàn đều cuốn đi bụi bẩn

Cũng như các vật liệu khác, ban đầu lớp TiO₂ có tính kị nước nhất định. Nhưng khi hấp thụ tia cực tím, cấu trúc bề mặt lớp TiO₂ bị thay đổi từ kị nước thành siêu ưa nước (θ

≈ 0^o), đây là tính chất quang hóa ưa nước.

Nhờ hai tính chất trên, khi nước tiếp xúc với bề mặt kính phủ TiO₂ sẽ tự động dàn đều thành một màng nước, dễ dàng cuốn theo bụi bẩn, tạp chất đã bị phân hủy rồi trượt khỏi kính mà không để lại dấu vết gì (hình 4).

 Phương pháp chế tạo

Phương pháp chế tạo các cấu trúc vật liệu nano lên một bề mặt thường được chia thành 2 nhánh: từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up).

Với cách tiếp cận từ trên xuống, cần loại bỏ một lượng lớn vật liệu từ cấu trúc ban đầu cho đến khi có được cấu trúc vật liệu nano mong muốn (ví dụ như phương pháp quang khắc lithography). Có thể so sánh phương pháp này với việc người thợ mộc làm ra các vật dụng từ một khúc gỗ.

Còn với cách tiếp cận từ dưới lên, cấu trúc nano hình thành khi xây dựng dần dần các nguyên tử hoặc phân tử trên bề mặt kính. Cũng giống như việc xây một căn nhà đồ chơi từ các cục gạch lego. Phương pháp này lại được chia làm 2 nhánh nhỏ là pha khí (phương pháp bay hơi plasma arc và phương pháp phủ hóa hơi hóa học CVD) và pha lỏng (phương pháp sol-gel và phương pháp các phần tử tự sắp xếp).

Ưu điểm và khuyết điểm cưa kính phủ nano

• Ưu điểm:

– Giúp bề mặt phòng tắm chống xước và luôn sạch sẽ như mới nhờ lớp NANO bao phủ bên ngoài.
– Chống tia cực tím, chống ăn mòn axit, tăng độ bóng, tăng độ truyền sáng.
– Dễ dàng được làm sạch bằng cách chỉ dùng nước thông thường, dễ dàng loại bỏ vết bẩn vì bề mặt láng mịn.
– Vách tắm kính nano có chống nhiệt độ cao, sương mù và bằng tuyết. Đặc biệt khi bạn sử dụng nước nóng, hơi nước bốc lên sẽ không làm ảnh hưởng đến độ bền của kính.
– Nhà tắm phủ NANO sẽ tăng khả năng kháng khuẩn, phòng tránh nấm mốc trong điều kiện ẩm ướt của phòng tắm.
– Bề mặt có khả năng kháng khuẩn, chống việc bị trầy xước và sử dụng đơn giản.
– Với vách kính phòng tắm sử dụng công nghệ phủ NANO có thể chịu được nhiệt độ cao, khi sử dụng nước tắm nóng không lo hơi nước bốc lên làm ảnh hưởng đến độ bền của kính
– Bề mặt tự làm sạch bằng nước mưa hoặc với một vòi nước bình thường, loại bỏ hết mọi vết bẩn, trả lại vẻ bóng đẹp ban đầu cho kính.
– Tiết kiệm thời gian và chi phí cho việc lau dọn: đây cũng là cách hữu hiệu để tiết kiệm thời gian, công sức và tiền bạc khi bạn không phải kỳ cọ quá lâu hay thay mới các thiết bị đã sờn và bạc màu.
– Giúp phòng tắm kính luôn bền đẹp như mới.
– Đặc biệt hạn chế tối đa việc sử dụng các chất tẩy rửa hóa học trong việc lau chùi, các chất tẩy rửa mạnh phần lớn đều gây ảnh hưởng tới xấu sức khỏe cho cả bạn và gia đình.
– Giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho việc lau dọn.

• Khuyết điểm:

+ Vẫn cần nước tiếp xúc với bề mặt trong quá trình làm sạch

+ Góc nghiêng tạo bởi kính và phương ngang cần lớn hơn 10^o

Trên đây là những ưu khuyết điểm chung của loại kính tự làm sạch. Những đặc điểm riêng của hai loại lớp phủ trên bề mặt kính tự làm sạch được thể hiện thông qua bảng sau.