Nghiên cứu chế tạo vật liệu NANO bạc mang trên nền vải cotton

Trong quá trình đề tài này tiến hành chế tạo dung dịch nano bạc với kích thước hạt vào khoảng từ 3 nm đến 32 nm và có sự phân bố kích thước hạt tập trung tùy thuộc vào nồng độ của dung d

TÁC GIẢ: Nguyễn Trường Sơn

TÓM TẮT CÔNG TRÌNH

Đe tài này được thực hiện nhằm mục đích chế tạo ra vải nano bạc trên cơ sở vải cotton có mang nano bạc bám lên các sợi vải Trong quá trình đề tài này tiến hành chế tạo dung dịch nano bạc với kích thước hạt vào khoảng từ 3 nm đến 32 nm và có sự phân bố kích thước hạt tập trung tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch chế tạo ra, đồng thời độ bền của dung dịch là vào khoảng 5 tháng do vậy đảm bảo tính thực tế của quá trình chế tạo vải nano bạc

Đối với vải nano bạc được chế tạo theo phương pháp nhuộm và khảo sát quá trình nhuộm với các thông số: nồng độ, nhiệt độ, dung tỷ, thời gian, để tìm ra điều kiện chế tạo tối ưu Vải nano bạc chế tạo ra có các hạt bạc phân bố khá đều và bám tốt trên bề mặt vải sợi, khả năng diệt khuẩn cao

PHẦN 1: ĐẢT VẤN ĐÈ

•

Hiện nay Nano bạc với khả năng diệt khuẩn cao đã và đang được nghiên cứu ở khắp nơi trên thế giới, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác, thực phẩm, y học, vật liệu.v v hiện nay Nano bạc cũng được ứng dụng trong rất nhiều loại vật dụng như tủ lạnh nano bạc, sơn nano bạc, tất nano bạc, kính sát tròng nano bạc v v trong đó ngành dệt may hứa hẹn nhiều tiềm năng kinh tế hơn cả

Ở trong nước, chưa có một công trình nghiên cứu nào nhằm đưa nano bạc vào vải sợi để sản xuất các vật phẩm chống mùi hôi Tuy nhiên trên thế giới hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu đưa nano bạc vào vải sợi với rất nhiều các loại vải khác nhau như PAN, len, sylk, polyester, vải pha, cotton v v có thể kể đến vài công trình như của nhóm nghiêm cứu Chuh-Yean Chen, Che-Li Chiang của Trung Quốc, Sang Young Yeo, Hoon Joo Lee, Sung Hoon Jeong của Hàn Quốc nghiên cứu đưa nano bạc vào vải cotton và áp dụng cho các sản phẩm diệt khuẩn Ngoài ra, cũng nhóm Sang Young Yeo, Hoon Joo Lee, Sung Hoon Jeong đã nghiên cứu thành công đưa nano bạc vào vải polyester, vải cotton pha polyester Đối với các loại vải khác, len được nghiên cứu thành công bởi nhóm nghiên cứu Hee Yeon Ki, Jong Hoon Kim, Soon Chui Kwon, Sung Hoon Jeong của Hàn Quốc, poly amid được nghiên cứu thành công bởi nhóm nghiên cứu Qian Zhang, Dezhen

Wu, ShengLi Qi, ZhangPen Wu, XiaoPing Yang, Riguan Ji của Trung Quốc v v

Đối với mỗi loại vải khác nhau phương pháp để chế tạo vải kháng khuẩn cũng khác nhau Tuy nhiên, với vải cotton phương pháp thường sử dụng theo các tài liệu là nhuộm vải cotton bằng dung dịch nano bạc đã được điều chế sẵn do đó trong đề tài này tôi tiến hành chế tạo vật liệu nano bạc mang trên nền vải cotton theo hai bước là : chế tạo dung dịch nano bạc và sau đó tiến hành nhuộm để chế tạo vải nano

Tuy rất quan tâm đến độ bền lớp nano bạc bao phủ trên sợi vải cotton, nhưng do không đủ thời gian thực hiện do đó vấn đề tồn tại của đề tài là kiểm tra độ bền của lớp nano bạc trên sợi vải và đây được xem là vấn đề thiếu xót của đề tài và cần nghiên cứu

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐÈ

V MỤC TIÊU CỦA CÔNG TRÌNH

Chế tạo thành công vải cotton có mang nano bạc nhằm ứng dụng vào các sản phẩm như tấm lót mũ bảo hiềm, bít tất có mang nano bạc, tấm lót giày để tránh mùi hôi trong quá trình sử dụng

H/ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu

Thực hiện việc nghiên cứu với hai quá trình sau:

Quá trình xử lý vải

Quy trình chế tạo dung dịch nano bạc

QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ

Cơ chế của phản ứng được đề nghị như sau [31]:

Hình 3.1 : Sự biển đổi của dung dịch trong quả trình điều chế hạt nano bạc

1.1 Xác định sự hiện diện của hạt nano bạc trong dung dịch và thòi gian phản ứng 1.1.1 Xác định sự hiện diện của hạt nano bạc trong dung dịch

Kết quả phổ UV-Vis của dung dịch (hình 3.2) cho thấy có một đỉnh hấp thu mạnh ở bước sóng 406 nm Theo các tài liệu [37, 38, 39], khi tiến hành phân tích mẫu dung dịch nano bạc bằng phương pháp phổ UV-Vis, với kết quả nhận được có các đỉnh hấp thu trong khoảng từ 400nm đến 450nm thì có thể khẳng định rằng trong dung dịch đó đã có sự hiện diện của hạt nano bạc Như vậy, trong dung dịch chế tạo được kể trên đã có sự hiện diện của hạt nano bạc

Hình 3,2 : Phổ ƯV-Vis của dung dịch nano bạc.

1.1.2 Ảnh hưởng của thòi gian, chất bảo vệ, lượng AgN0 3 đến quá trình phản ứng

Tiến hành điều chế dung dịch chứa hạt nano bạc vói hàm lượng AgN03 cao

Bảng 3.1 : Bảng khảo sát quá trình điều chế hạt nano bạc

Thí

nghiệm

p (W)

Thừi gian (phút) Hàm lượng AgNƠ3 Thời gian nghỉ (phút)

Ab s

*Ảnh hưởng cửa thời gian phản ứng

Bảng 3,2 : Giá trị độ hấp thu A theo thời gian t của dung dịch nano bạc ứng

Thời gian t (phút) Độ hấp thu A

Đồ thị 3.1 : Đồ thị độ hẩp thu A theo thời gian phản ứng t ứng với lượng AgNOs thấp

❖ Nhận xét: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình phản ứng với lượng AgN03 thấp được trình bày trong hình 3.3, bảng 3.3 và đồ thị 3.1 Kết quả cho thấy độ hấp thu A tăng dần theo thời gian (từ 0,82 sau 4 phút tăng lên 0,88 sau 6 phút) Tuy nhiên, khi kéo dài thời gian thêm 6 phút, độ hấp thu A vẫn không đổi (A=0,88), nghĩa là lượng hạt nano bạc không tăng nữa Như vậy, thời gian để điều chế hạt nano bạc với hàm lượng AgN03 thấp là 6 phút

Bảng 3.3 : Giá trị độ hấp thu A theo thời gian t của dung dịch nano bạc ứng với

Thời gian ( phút) Độ hấp thu A

A

Đồ thị 3.2 : Đồ thị độ hấp thu A theo thời gian phản ứng ứng khi lượng AgNOs cao

❖ Nhận xét: Tương tự như với hàm lượng AgN03 thấp, kết quả nhận được trên hình 3.4, bảng 3.4 và đồ thị 3.2 cho thấy trong quá trình phản ứng điều chế hạt nano bạc với lượng AgN03 cao cũng cho độ hấp thu A tăng dần theo thời gian (từ 1,1 sau 4 phút tăng lên 3,25 sau 6 phút) Tuy nhiên với thời gian 6 phút tiếp theo, độ hấp thu A vẫn không đổi (A=3,25) Như vậy, thời gian để điều chế hạt nano bạc với hàm lượng AgN03 cao là 6 phút

> Ảnh hưởng của hàm lượng chất bảo vệ: Tiến hành điều chế dung dịch nano bạc với thời gian 6

phút và công suất là 160 w ứng với hàm lượng AgN03 cao và hàm lượng chất bảo vệ PVP khác nhau

AgNO, Bảng 3,4: Giá trị độ hấp thu A theo thời gian t của dung dịch nano bạc ứng với hàm

❖ Nhận xét; Kết quả trình bày trên hình 3.5 và bảng 3.5 cho thấy với cùng lượng AgN03 và ethylen glycol, khi tăng lượng PVP, độ hấp thu A tăng theo, đồng thời bước sóng hấp thu giảm xuống, tức là lượng nano bạc tăng lên và kích thước hạt nhỏ hơn Điều này có thể giải thích là khỉ lượng chất bảo vệ tăng, sự kết tụ của các hạt Ag° sẽ giảm xuống, hạt nano bạc sẽ có kích thước nhỏ hơn, vì thế mà sổ lượng hạt nano bạc trong dung dịch cố lượng PVP tăng lên, độ hấp thu A củã dung dịch nano bạc sẽ cao hơn Như vậy, trong quá trình điều chế nên sử dụng lượng PVP cao, tuy nhiên cần lựa chọn phù hợp với lượng AgN03 rì nếu lượng PVP quá nhiều khả năng hòa tan hết PVP trong ethylen glycol

sẽ khó khăn

> Ảnh hưởng của hàm lượng AgN0 3

❖ Nhận xét: Với hàm lượng khác nhau của AgN03 thi độ hấp thu A của phổ ƯV- Vis cũng khác nhau, tức là lượng nano bạc tạo ra cũng khác nhau Tuy nhiên, xét về bước sống hấp

thu thì không khác biệt nhiều Cố thể kết luận rằng, tính chất của dung dịch nano bạc ít

phụ thuộc vào hàm lượng AgN03 cao hay thấp trong khoảng thời gian khảo sát

1.2 Xác định kích thước hạt nano bạc

1.2.1 Ảnh TEM của dung dịch nano bạc ứng vóí hàm lượng AgNOa cao

Hình 3.7: Ảnh TEM và đồ thị phân bẩ kích thước hạt nano bạc khi lượng AgNOs cao

♦♦♦ Nhận xét : Dựa trên hình 3.7 cùng với đồ thị phân bố kích thước hạt, ta thấy rằng các

hạt nano bạc chế tạo được có kích thước phân bố rộng trong khoảng từ 3nm đến 32 nm, chủ yếu tập trung trong khoảng 10 nm đến 13nm Đồng thời các hạt chủ yếu có dạng hình cầu, đây là dạng cho hiệu quả kháng khuẩn cao nhất do có nhiều mặt tiếp xúc với vỉ khuẩn nhất

1.2.2 Ảnh TEM của dung dịch nano bạc ứng vói hàm lượng AgN0 3 cao

« * ' <•

IHUW.1

Ũ |rtfn)

Hình 3.8: Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt nano bạc khỉ lượng AgNOĩ thấp

❖ Nhận xét: Ảnh TEM cùng với đồ thị phân bố kích thước hạt (hình 3.8) cho thấy các hạt

nano bạc chế tạo được có dạng hình cầu, kích thước phân bố rộng trong khoảng từ 3nm đến 32 nm, chủ yếu tập trung trong khoảng 3nm đến 5nm Tuy nhiên, có một phần không lớn các hạt có kích thước vào khoảng 20 nm Các kết quả trên cho thấy kích thước của các hạt nano bạc ứng với nồng độ AgN03 thấp nhỏ hơn so với kích thước của các hạt nano bạc úng với nồng độ AgN03 cao

• Ảnh TEM cũng cho thấy các hạt nano bạc phân bố khá đều, đồng thời xuất hiện các hạt nano bạc tương đối lớn, nguyên nhân chủ yếu là khi ion Ag+ bị khử về Ag° thì các nguyên

tử Ag° sẽ có khuynh hướng va chạm và kết tụ lại với nhau tạo thành hạt nano bạc Sự va chạm là ngẫu nhiên do đó mà chúng ta thấy rằng các hạt bạc tạo ra có kích thước nanomet không đồng đều và giàn trải từ 3nm đến 32 run

1.3 Xác định tính bền, ẫn định của dung dịch nano bạc tạo thành

Tính bền của dung dịch nano bạc chế tạo ra được đánh giá theo tiêu chí

- Dung dịch không bị đục, không có những biến đồi nhiều về tính chất lý hóa so với dung dịch ban đầu trong quá trình lưu mẫu Điều đó có nghĩa là trên phổ uv~ Vis không xuất hiện các đỉnh hấp thu khác thường

- Sự kết tụ các hạt nano bạc để tạo thành các hạt bạc có kích thước lởn hơn phải diễn ra chậm, tức là độ hấp thu của dung dịch nano bạc trên phổ UV-Vis theo thời gian sẽ giảm không đáng kể

Bảng 3.5 : Độ hấp thu và độ giảm của độ hấp thu của dung dịch nano bạc theo thời gian

khi khảo sát tính bền của dung dịch nano bạc

Mau Thời gian Độ hấp thu A Độ giảm (%)

2 CHẾ TẠO VẢI NANO BẠC

2.1 Khảo sát quá trình nhuộm vải bằng dung dịch nano bạc

2.1.1 Ảnh hưởng bởi nồng độ nano bạc đến quá trình nhuộm vải

Tiến hành nhuộm vải cotton bằng dung dịch nano bạc với các thông số như sau:

- Nồng độ (tính theo lý thuyết) : 50 ppm, 100 ppm, 150 ppm

- Với dung tỷ được chọn là 1:60

- Thời gian: t= lh30

- Nhiệt độ : 80 0 c

Bảng 3.6 : Hàm lượng bạc bám trên vải cotton khi nhuộm vải bằng dung dịch nano

bạc có nồng độ khác nhau

Nồng độ dung dịch nano bạc tính theo lý thuyết 50 ppm 100 ppm 150 ppm

❖ Nhận xét: Kết quả nhận được trên bảng 3.7 cho thấy hàm lượng bạc bám lên vải tăng theo

nồng độ của dung dịch nano bạc Điều này được giải thích là trong quá trình nhuộm vải bằng dung dịch nano bạc thì các hạt nano sẽ hấp phụ lên bề mặt của vải sợi cũng như các trong mao quản của nó Khi nồng độ tăng, số lượng các hạt nano bạc hấp phụ lên các sợi vải cotton sẽ tăng Như vậy, chọn nồng độ dung dịch nano bạc 150 ppm trong quá trình chế tạo vải nano bạc và khảo sát các thông số tiếp theo

2.1.2 Ảnh hưởng bởi dung tỷ

Các thông số trong quá trình khảo sát:

Bảng 3.7 : Hàm lượng bạc bám trên vải cotton khi nhuộm vải bằng dung

dịch nano bạc cỏ dung tỷ khác nhau

Hàm lượng Ag trong vải (mg/kg) 549 692 815

❖ Nhận xét: Quá trình nhuộm vải cotton bằng dung dịch nano bạc nhằm để các hạt nano

bạc hấp phụ lên bề mặt cũng như trong mao quản của sợi vải, vì thế việc lựa chọn dung

tỷ lớn là phù hợp để vải sợi được ngập hoàn toàn trong dung dịch nhuộm, giúp dung dịch nhuộm ngấm đều trên sợi vải Trong quá trình nhuộm ta luôn phải đảo trộn vải để vải tiếp xúc đều hơn với toàn bộ dung dịch và giảm

nhiệt cục bộ gây kết tụ các hạt nano bạc thành các hạt lớn hơn Dựa vào kết quả phân tích ở bảng 3.8 ta thấy rằng hàm lượng bạc bám trên vải cotton tăng theo dung tỷ Do

đó, dung tỷ 1:80 được chọn cho quá trình chế tạo vải nano bạc

Mặc dù có thể chọn các dung tỷ khác lớn hơn, tuy nhiên với dung tỷ 1:80 vải đã ngập hoàn toàn trong dung dịch, cũng như mức độ đồng đều của nano bạc bám lên vải do đó

ta không chọn dung tỷ lớn hơn vì tiêu tốn nhiều hóa chất

2.1.3 Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ Khảo sát quá trình chế

tạo vải nano theo thời gian với các thông số:

Bảng 3.8: Hàm lượng bạc bám trên vải cotton có nồng độ 150 ppm trong các

điều kiện nhiệt độ, thời gian khác nhau

Đồ thị 33 ĩ Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian với hàm

lượng bạc bám lên trên vải cotton

❖ Nhận xét: Quá trình nhuộm vải cotton thường được thực hiện trong khoảng nhiệt độ trên

dưới 70°c, do đó ta tiến hành khảo sát quá trình nhuộm vải cotton với dung dịch nano bạc ở hai nhiệt độ gia nhiệt là 60° c và 80° c

- Dựa trên đồ thị ta thấy rằng: Hàm lượng nano bạc bám trên vải ứng vởi nhiệt độ 80°c là cao hom nhiều so vởi ở nhiệt độ 60 0 c.

- Hàm lượng bạc bám lên vải cotton tăng dần theo thời gian Tuy nhiên, sau thời điểm 2h30, hàm lượng bạc bám lên vải giảm và quan sát thấy trong dung dịch nhuộm có hiện tượng kết tụ lại của các hạt bạc, làm đen dung dịch nhuộm Như vậy, khỉ thời gian nhuộm là 2h30 hoặc lớn hơn thì hàm lượng nano bạc ừong dung dịch nhuộm giảm xuống, do đó hàm lượng bạc nano hấp phụ vào vải sợỉ cũng sẽ gỉảm theo

- Tại thời gian khảo sát là 2h ở cả hai thang nhiệt độ 60°c và 80°c, hàm lượng bạc bám lên trên vải cotton lớn nhất, đồng thời ở thời điểm này vẫn chưa thấy hiện

tượng biến màu củã dung dịch nano bạc dùng để nhuộm vải Do đó chúng tôi lựa chọn thời gian là 2h với nhiệt độ gia nhiệt trong quá trình nhuộm là 80°c để thực hiện quá trình nhuộm vải

Thông qua quá trình khảo sát, các thông số được lựa chọn cho quá trình chế tạo vải nano bạc như sau:

- Nồng độ dung dịch nhuộm : 150 ppm

2.2 Đánh giá các tính chất của vảỉ nano bạc

2.2.1 Bề mặt của sợi vải nano bạc

Hình 3,10: Ảnh FE-SEM của bề mặt sợi vải trước và sau khi nhuộm (a) trước khi nhuộm (b) sau khi nhuộm (độ phỏng đại lOOnm)

♦♦♦ Nhận xét: Kết quả trên hình (3.1 la) và (3.1 lb) cho thấy các hạt nano bạc đã bám ở trên các sợi vải sau khi chúng ta tiến hành nhuộm vải bằng dung dịch nano bạc Kích thước của các hạt nano bạc (kề cả lớp bảo vệ bên ngoài) bám lên các sợi vải là không đồng đều, chủ yếu tập trung trong khoảng từ 20 nm đến 50nm

Hình 3,11: Hình FE-SEM mô tả sự phân bố của các hạtnano bạc trên sợi vải

- Trong quá trình nghiên cứu cũng đã tiến hành cho vải nano bạc tiếp xúc với da trong khoảng 24 h ta thấy không có biến đổi nào vổỉ vùng da được tiếp xúc với vải nano bạc

do vậy có thể khẳng định vải nano bạc tạo da không gây bất kỳ tác động độc hại nào cho con người

2.2.2 Khảo sát khả năng kháng khuẩn của vải nano bạc

Xác định tính diệt khuẩn của vải nano bạc trên hai loại vì khuẩn gram âm E.colỉ và vỉ

khuẩn gram dương s.aureus ta thu được các kết quả như sau:

Bảng 3.9 : Hiệu suất kháng E.coỉi và S.aureus của vải nano bạc sau những khoảng thời

Thời gian (gi6)

Đồ thị 3.4: Hiệu suất khảng khuẩn của vải nano bạc

❖ Nhận xét: Các kết quả về hiệu suất kháng khuẩn E.Colỉ và S.Aureus của vải nano bạc được trình bày trên bảng 3.12 Hiệu suất kháng khuẩn E Coli khá cao, sau 5 giờ hiệu suất kháng khuẩn là 53,76%, sau 10 giờ là 98,5% và sau 24 giờ, vi khuẩn E Coli gần như

bị tiêu diệt hoàn toàn (hiệu suất kháng khuẩn là 99,99%) Hiệu suất kháng khuẩn s

Aureus cũng cho kết quả tương tự, sau 6 giớ hiệu suất kháng khuẩn là 64,54 và cũng sau

24 giờ, s Aureus gần như cũng bị tiêu diệt hoàn toàn

❖ So sánh hiệu xuất kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn là E.Coli và S.Aureus của vải nano bạc, thì chúng ta thấy rằng khả năng kháng khuẩn với vi khuẩn gram âm là E.Coli nhanh

và hiệu quả hơn so với khuẩn gram dương là S.Aureus (sau 10 giờ, hiệu suất kháng khuẩn

độ dày khác nhau màng tế bào của vi khuẩn gram âm và gram dương Màng tế bào của

vi khuẩn gram dương chứa lớp peptidoglycan dày (20-80 nm) so với vi khuẩn gram âm (7-8 nm) Do đó các hạt nano bạc có khả năng tấn công và xâm nhập qua màng tế bào của

vi khuẩn gram âm tốt hơn và dẫn đến hiệu suất kháng kháng khuẩn cao hơn