Làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu nano vô cơ và phụ gia ứng dụng trong công nghệ lớp phủ tiên tiến

Thử nghiệm sơn phản xạ nhiệt mặt trời tại Công ty Cổ phần xăng dầu dầu khí Cái Lân, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh

Phụ gia nano tăng hiệu quả lớp sơn phủ

Việc chế tạo các lớp sơn phủ nhằm nâng cao tuổi thọ của vật liệu, cũng như bảo vệ các công trình xây dựng, quốc phòng và an ninh là một trong những nhiệm vụ quan trọng cần được ưu tiên. Hiện nay, các sản phẩm được đưa ra thị trường chủ yếu là lớp phủ hữu cơ truyền thống với giá thành tương đối rẻ, dễ thi công, tuy nhiên, hiệu quả chưa cao và tuổi thọ còn hạn chế. Bên cạnh đó, để tăng cường thời gian và hiệu quả bảo vệ của các lớp phủ hữu cơ, nhiều hợp chất thường được bổ sung lại gây hại với sức khỏe con người và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống. Vì vậy, các nhà khoa học luôn quan tâm tìm kiếm biện pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ của lớp phủ hữu cơ, cũng như giảm thiểu yếu tố gây hại cho môi trường.

Trong đó, việc bổ sung phụ gia nano mang lại hiệu quả vượt trội với nhiều đặc tính của lớp sơn phủ được nâng cấp và đa dụng. Do diện tích bề mặt riêng lớn, các phụ gia nano, ngay cả ở một lượng nhỏ cũng có thể mang lại sự thay đổi lớn về hiệu suất và tác dụng bảo vệ cho các lớp sơn phủ. Việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp, điều khiển kích thước, hình dạng các phụ gia nano đóng vai trò rất quan trọng. Độ phân tán của các hạt nano có thể được điều chỉnh bằng cách hữu cơ hóa bề mặt, cho phép các hạt nano liên kết chéo để tăng độ ổn định hoặc độ bền cho lớp phủ đã đóng rắn.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về ứng dụng phụ gia nano vào các lớp sơn phủ khá đa dạng, tuy nhiên, hầu hết đang được tiến hành trên quy mô nhỏ lẻ, trong phòng thí nghiệm, sản phẩm mỗi mẻ thu được chỉ khoảng vài gam. Để áp dụng quy trình công nghệ từ phòng thí nghiệm đi vào thực tế sản xuất là rất khó. Khi đó, bài toán tiết kiệm chi phí nguyên vật liệu, thiết bị, máy móc, hóa chất cũng như vấn đề một lượng lớn dung môi thải ra môi trường sẽ vô cùng khó giải quyết. Mặt khác, trên thị trường hiện nay có rất ít các hệ phức tạp đa chức năng được sản xuất từ nhiều loại hạt nano.

Nghiên cứu, chế tạo

Nghiên cứu chế tạo và biến tính bề mặt các phụ gia nano cho lớp phủ tiên tiến có ý nghĩa khoa học và tiềm năng ứng dụng lớn trong thực tiễn. Từ thực tế trên, GS.TS. Trần Đại Lâm và cộng sự đã đề xuất và được Viện Hàn lâm phê duyệt thực hiện Hợp phần: “Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vô cơ và phụ gia ứng dụng trong các công nghệ lớp phủ tiên tiến” (mã số: TĐVLTT01/21-23), thuộc Đề án: “Nghiên cứu phát triển vật liệu và công nghệ lớp phủ tiên tiến ứng dụng trong dân dụng và quốc phòng”.            

Trong khuôn khổ nghiên cứu, các nhà khoa học đã tổng hợp in-situ thành công một số phụ gia nano ở dạng lỏng, nồng độ cao, sử dụng các chất hoạt động bề mặt như: TOPO, OLA, OA... Các phụ gia nano có kích thước hạt trung bình ≤ 50 nm, tương đối đồng đều. Hiệu suất ghép nối các nhóm chức hữu cơ trên bề mặt đạt > 90% với hàm lượng hữu cơ khoảng 5-25 %. Các phụ gia nano phân tán tốt và ổn định trong các dung môi hữu cơ ngay cả sau 12 tháng. Đồng thời, nhóm nghiên cứu đã thực hiện chuyển pha thành công một số phụ gia nano bằng phương pháp như trao đổi ligand, hoặc sử dụng các amphiphilic polyme hoặc phản ứng silan hoá để biến tính bề mặt, phù hợp với cả sơn nước và sơn dung môi. Cũng trong nghiên cứu, điện cực sensor đã được chế tạo thành công bằng kỹ thuật in 3D, sử dụng mực in trên cơ sở graphen và một số nano kim loại dẫn điện như AuNPs, AgNPs và CuNPs. Các hệ đo điện trở hai điện cực với mạch đo sử dụng IC 555, IC LM393 và thiết bị tự động đo điện trở đã được chế tạo thành công để cảnh báo sớm sự cố ăn mòn xảy ra, đặc biệt tại các môi trường nhiệt đới ẩm, môi trường biển có tính ăn mòn cao.

Hình ảnh ứng dụng của nano ZrO2@PMAO - một trong các phụ gia nano do Hợp phần chế tạo trong hệ sơn tường ngoại thất, phản xạ nhiệt mặt trời

Bằng Sáng chế về phụ gia nano được Cục Sở hữu trí tuệ Liên bang Nga cấp vào tháng 4/2023

GS.TS. Trần Đại Lâm chia sẻ: Đây là nhiệm vụ cần thiết, có ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Việc chế tạo và biến tính bề mặt một số phụ gia nano với các tác nhân hữu cơ phù hợp và nghiên cứu chế tạo các nanosensor là cần thiết và cấp bách. Kết quả nghiên cứu đã mang lại nhiều giá trị về kinh tế, định hướng cung cấp các phụ gia nano cho thị trường và giảm thiểu nguy cơ gây ô nhiễm môi trường trong quá trình thực nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các vật liệu nano có kích thước nhỏ, đồng đều, diện tích bề mặt riêng lớn, với hàm lượng hữu cơ trên bề mặt nằm trong khoảng khá rộng (5-25%), có thể ứng dụng trực tiếp cho cả hệ sơn dung môi và sơn nước mà không cần phải trải qua quá trình biến tính phức tạp như quy trình sử dụng các hạt nano trên thị trường hiện nay. Từ những thành công của nghiên cứu, các nhà khoa học mong muốn tiếp tục phát triển sản xuất ở quy mô pilot và thương mại hóa sản phẩm. GS. Lâm hy vọng hướng nghiên cứu này sẽ tiếp tục được quan tâm phát triển để trở thành một trong các hướng nghiên cứu thế mạnh của Viện Hàn lâm.

Tổng hợp: Chu Thị Ngân - Trung tâm Thông tin - Tư liệu
Xử lý tin: Minh Tâm