Tài liệu Ứng dụng công nghệ nano trong hoàn tất tơ tằm chống bụi, chống thấm nước

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHKT 2010 1/ Cơ quan chủ trì: Phân Viện Dệt-May Tại Thành phố Hồ Chí Minh Địa chỉ : 345/128A Trần Hưng Đạo, Quận 1, Tp. HCM 2/ Tên đề tài: “Ứng dụng công nghệ Nano trong hoàn tất vải tơ tằm chống bụi, chống thấm nước” Thực hiện theo hợp đồng KHCN số 094.10RD/HD-KHCN ký ngày 25 tháng 02 năm 2010 giữa Bộ công thương và Phân Viện Dệt May tại TP.Hồ Chí Minh. 3/ Chủ nhiệm đề tài: KS. Nhữ Thị Việt Hà 4/ Cán bộ phối hợp nghiên cứu đề tài: Nguyễn Anh Kiệt ThS. Dệt May Phạm Thị Mỹ Giang Kỹ sư sợi –dệt Lê Đức Lộc Kỹ sư hóa nhuộm 5/ TP. Hồ Chí Minh – Tháng 12 năm 2010 1 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực: thông tin, sinh học, điện tử, chế tạo máy, nông sản, thực phẩm, vũ trũ... và cả ngành dệt may. Trong ngành dệt may, công nghệ nano được ứng dụng để xử lý xơ, sợi, vải tạo thêm một số chức năng cải tiến các thuộc tính bề mặt như: kháng khuẩn, chống bụi, bẩn, chống thấm nước, chống mùi hôi, chống tia UV... Riêng đối với các sản phẩm tơ tằm, đã có một số nước ứng dụng công nghệ này trong đó Ý là quốc gia tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ nano để xử lý mặt hàng tơ tằm tạo ra được sản phẩm có chất lượng cao. Hiện nay chưa có đơn vị nào trong nước nghiên cứu về công nghệ nano trong hoàn tất vải tơ tằm chống bám bẩn, chống thấm nước. Năm 2010, với sự chấp thuận, đồng ý của Bộ Công Thương, Phân Viện Dệt May đã thực hiện nghiên cứu Ứng dụng công nghệ Nano trong hoàn tất vải tơ tằm chống bụi, chống thấm nước. Sản phẩm ra đời tạo thêm sự đa dạng cho các sản phẩm của ngành dệt may Việt Nam, nâng cao tính cạnh tranh cho ngành, đáp ứng được nhu cầu về chất lượng, thời trang cho người tiêu dùng. 2 MỤC LỤC Chương 1. Nghiên cứu lý thuyết.......................................................... 5 A./ Xử lý hoàn tất chống thấm – chống bẩn........................................ 5 I. Giới thiệu.......................................................................................... 5 II. Cơ chế ............................................................................................. 7 III. Hóa học chống thấm nước và chống dầu – chống bám bụi ...... 11 B./ Tổng quan về công nghệ nano...................................................... 14 I. Giới thiệu........................................................................................ 14 II. Ứng dụng công nghệ nano trong hoàn tất cao cấp hàng dệt ...... 16 1. Công nghệ nano trong dệt may..................................................... 16 2. Các công nghệ xử lý hoàn tất vải phổ biến đang được ứng dụng 21 3. Cơ chế, quy trình, khuynh hướng trong tương lai ...................... 23 Chương 2. Thực nghiệm .................................................................... 29 A./ Sản xuất vải tơ tằm...................................................................... 29 Qui trình ............................................................................................ 29 Thiết bị sử dụng.................................................................................. 29 I.Sản xuất sợi xe mộc......................................................................... 29 II. Chuội sợi tơ tằm ........................................................................... 32 III. Nhuộm sợi tơ tằm........................................................................ 34 IV. Dệt................................................................................................ 36 B./ Hoàn tất chống thấm- chống bám bẩn cho vải tơ tằm............... 42 1. Lựa chọn hóa chất ......................................................................... 42 2. Những vấn đề cần quan tâm trước khi xử lý chống thấm và chống bẩn...................................................................................................... 45 3. Thử nghiệm.................................................................................... 46 Chương 3. Kết quả và Bình luận ...................................................... 52 KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ............................................................. 55 Phụ lục Tài liệu tham khảo 3 4 TÓM TẮT NHIỆM VỤ 1. Tóm tắt nhiệm vụ: - Mục tiêu của đề tài là ứng dụng công nghệ nano trong xử lý hoàn tất mặt hàng tơ tằm tạo thêm các chức năng mới cho sản phẩm này nhằm nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm. - Phạm vi đề tài: + Xây dựng quy trình công nghệ, thông số, thiết bị phù hợp ứng dụng công nghệ nano trong xử lý hoàn tất vải tơ tằm. + Tạo ra mặt hàng vải tơ tằm có chức năng chống thấm nước, chống bám bẩn. 2. Nội dung đề tài: - Tổng quan về nguyên lý chống bụi và chống thấm nước của vật liệu dệt - Tổng quan về ứng dụng công nghệ nano trong hoàn tất vải. - Nghiên cứu công nghệ nano trong hoàn tất vải tơ tằm chống bụi. - Nghiên cứu công nghệ nano trong hoàn tất vải tơ tằm chống thấm nước. - Ứng dụng công nghệ nano trong hoàn tất vải tơ tằm để sản xuất thử vải chống bụi, chống thấm nước Đánh giá kết quả, khả năng ứng dụng công nghệ. - Tổng kết, viết báo cáo. 3. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp phân tích hệ thống. - Phương pháp lịch sử, kế thừa những thành quả nghiên cứu. - Phương pháp tham dự, phương pháp chuyên gia. 4 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU A./ XỬ LÝ HOÀN TẤT CHỐNG THẤM NƯỚC, CHỐNG BÁM BẨN I. Giới thiệu Định nghĩa: tính kỵ nước (chống thấm) là khả năng đẩy nước ở dạng giọt trên bề mặt vải. Quá trình xử lý vải kỵ nước (chống thấm) bảo vệ vải và người sử dụng nó khỏi bị ướt nhưng không ảnh hưởng tới khả năng thoáng khí của vải. Tính kỵ nước (chống thấm) khó xác định hơn do có nhiều cách kiểm tra cả tĩnh và động để đo khả năng chống thấm nước. Khả năng kháng nước của vải phụ thuộc vào bản chất của bề mặt xơ, tính xốp của vải. Điều quan trọng là cần phải phân biệt giữa (water –repellent) và (water –proof fabric). Tính kỵ nước của vải khác với tính không thấm ướt của vải (waterproofing) đạt được nhờ quá trình tráng phủ màng chặt chẽ trên vải gắn liền với việc giảm khả năng thoát khí và hơi nước. Theo quan điểm khoa học, tính kỵ nước của vải được xác định thông qua sự khác nhau về năng lượng bề mặt giữa vải và chất lỏng. Một chất rắn sẽ đẩy một giọt chất lỏng trên bề mặt nó khi chất lỏng có sức căng bề mặt cao hơn. Sự khác nhau về sức căng bề mặt được đo qua góc tiếp xúc của giọt chất lỏng với bề mặt vải: góc tiếp xúc cao nghĩa là có sự khác nhau lớn về sức căng bề mặt giữa chất lỏng và vải. Nói cách khác là vải có tính kỵ nước cao. Water repellent fabric: vải có nhiều lỗ hổng và có khả năng thoáng khí, thoát hơi nước. Water repellent fabrics sẽ cho phép nước truyền qua vải khi áp lực thủy tĩnh đủ cao. 5 Water –proof fabric: có khả năng chống thấm nước dưới áp lực thủy tĩnh cao hơn nhiều so với vải water –repellent fabrics. Loại vải này có ít lỗ hổng hơn và khả năng thoáng khí, thoát hơi nước cũng kém hơn. Xử lý hoàn tất kỵ nước, dầu mỡ hay những vết bẩn khô là những vấn đề rất quan trọng với thị trường dệt may: trang phục, hàng dệt dùng trong gia đình và dệt kỹ thuật. Tính kỵ nước đạt được khi sử dụng các nhóm sản phẩm khác nhau, nhưng tính kỵ dầu thì chỉ có thể đạt được khi sử dụng các polyme florocacbon. Chúng đã được biến đổi để có một dãy rộng các tính chất để đáp ứng các yêu cầu của người tiêu dùng và những mục đích nào đó. Đây là một phát triển mới đáng quan tâm nhất trong xử lý hoàn tất hóa học. Xử lý kỵ nước (water-repellent finish) là xử lý đã có từ lâu. Mục đích của xử lý này như bản thân tên gọi của nó. Những giọt nước không lan chuyền trên bề mặt vải và không làm ướt vải. Chúng chỉ nằm trên mặt vải và dễ rũ trôi. Tương tự, xử lý kỵ dầu ( oil- repellent finish) ngăn cản những giọt dầu lỏng trên vải đã xử lý. Theo cách tương tự, xử lý kỵ bẩn cũng bảo vệ cho vải không bị bẩn ở dạng khô cũng như ướt. Trong tất cả các trường hợp, thì độ thoáng khí của vải xử lý không bị giảm đáng kể. Cùng với những hiệu ứng mong muốn, vải xử lý còn có các tính chất không mong muốn khác như vấn đề tĩnh điện, giặt khó loại bỏ sạch bẩn, cảm giác sờ tay cứng, vải bị xấu đi (do bụi bẩn bám trở lại) trong quá trình giặt nước và tăng khả năng bốc cháy. Một vài tính chất của vải thường được cải thiện bằng việc xử lý này đó là khả năng chống nhàu có độ bền cao hơn, nhanh khô, dễ là, tăng khả năng chịu đựng được axít, bazơ và các loại hoá chất khác. Bảng 3 cho thấy những ứng dụng điển hình trong ngành dệt cho loại vải xử lý và những yêu cầu của chúng. 6 Bảng 1: Những mặt hàng dệt tiêu biểu và các yêu cầu của chúng khi xử lý chống thấm nước, thấm dầu và bám bẩn. Loại sản phẩm OR WR DS SR CF AS H P Quần áo thể thao, quần áo + +++ 0 + + + +++ ++ mặc thoải mái Quần áo đồng phục, quần áo +++ +++ ++ +++ + + ++ +++ làm việc Vải dùng trong ô tô và vải +++ ++ +++ ++ +++ +++ + + bọc Vải mành rèm, màn cửa, vải + +++ +++ 0 0 0 0 + bạt Vải trải bàn, trải giường +++ ++ ++ +++ + 0 + +++ Thảm ++ ++ +++ 0 ++ ++ 0 + (Trong đó: Kỵ dầu = OR; kỵ nước = WR; kỵ bẩn khô = DS; nhả bụi bẩn = SR, độ bền ma sát = CF; chống tĩnh điện = AS; cảm giác sờ tay = H, độ ổn định = P). II. Cơ chế Công nghệ xử lý kỵ nước, kỵ dầu hay bụi bẩn đạt được những đặc tính này bằng cách giảm năng lượng tự do trên bề mặt xơ. Nếu như lực tương tác bám dính giữa xơ với giọt chất lỏng có trên xơ lớn hơn lực tương tác dính kết bên trong chất lỏng thì khi đó giọt nước này sẽ loang ra. Nếu như lực tương tác bám dính giữa xơ với giọt chất lỏng nhỏ hơn lực tương tác dính kết bên trong chất lỏng này thì giọt nước sẽ không bị loang. Những bề mặt mà tạo ra lực tương tác với chất lỏng thấp là do năng lượng bề mặt thấp. Năng lượng bề mặt tới hạn hay sức căng bề mặt của chúng c phải nhỏ hơn so với sức căng bề mặt của chất lỏng L (lực tương tác kết dính bên trong) thì có khả năng chống thấm nước, bám dầu, bụi bẩn. L của nước, ở 73mNm-1 gấp 2 đến 3 lần L của dầu (20- 35mNm-1). Vì thế, xử lý hoàn tất chống bám dầu mỡ với florocacbon (c= 10- 20mNm-1) luôn đạt được độ chống thấm, nhưng với những sản phẩm không chứa flo, chẳng hạn như silicon (C= 2430mNm-1) thì sẽ không chống lại được dầu mỡ. Những bề mặt có năng lượng thấp cũng cung cấp một biện pháp để chống bám bẩn khô bằng cách tránh không cho 7 những hạt bụi bẩn kết dính chặt lên trên bề mặt xơ. Lực tương tác thấp này cho phép các hạt bụi bẩn dễ dàng bị đánh bật và loại ra khỏi bề mặt xơ bằng tác động cơ học. Khi một giọt dung dịch rơi trên mặt chất rắn sẽ không lan trải ra mà được cho rằng hình dạng giọt dung dịch sẽ không thay đổi và được biểu thị bằng góc θ, được gọi là góc tiếp xúc. Góc tiếp xúc θ là tính chất đặc trưng của sự tương tác lẫn nhau giữa dung dịch và chất rắn; Vì vậy, góc tiếp xúc cân bằng khi chất lỏng thấm ướt chất rắn. Như hình 1 mô tả , lực tương tác giữa chất lỏng và hơi nước, chất lỏng và chất rắn, chất rắn và hơi nước, tất cả đều là yếu tố để xác định chất lỏng có dàn trải trên bề mặt nhẵn của chất rắn hay không. Sự cân bằng được thiết lập giữa các lực này được xác định khi góc tiếp xúc θ bằng không. Hình 1. Mô tả lực tương tác giữa chất lỏng - chất rắn - hơi nước L/V = năng lượng mặt phân giới giữa chất lỏng/ hơi nước S/L = năng lượng mặt phân giới giữa chất rắn/ chất lỏng S/V = năng lượng mặt phân giới giữa chất rắn/ hơi nước θ = góc tiếp xúc cân bằng Công tách kết dính: Công tách kết dính giữa chất lỏng và chất rắn đước tính bằng phương trình Dupre: W= γS/V + γL/V – γ S/L 8 Giọt dung dịch rơi trên bề mặt nhẵn của chất rắn sẽ chịu tác dụng của lực cân bằng, được biểu diễn bằng phương trình Young: γS/V = γ S/L + γL/V Cosθ Mối quan hệ giữa công tách kết dính và góc tiếp xúc: WA= γL/V (1+ Cosθ) Năng lượng mặt phân cách giữa chất lỏng và hơi nước có thể được xác định trực tiếp, nhưng năng lượng mặt phân cách giữa chất rắn và không khí thì không thể tính trực tiếp. Theo phương trình trên, khi góc tiếp xúc tiến về 180 độ, công tách kết dính sẽ tiến về không, và giọt chất lỏng sẽ không dính. Khi góc tiếp xúc tiến về không, công tách kết dính sẽ tăng lên và tiến về giá trị cực đại, 2 γL/V . Sức căng bề mặt của chất lỏng sẽ trải ra trên chất rắn (θ = 0). Quan sát góc tiếp xúc trong điều kiện lý tưởng, bề mặt chất rắn trơn nhẵn. Gần như tất cả các bề mặt đều có độ nhám, độ nhám làm thay đổi mạnh mẽ đến góc tiếp xúc. Góc θ ≥ 90 độ trên bề mặt nhẵn sẽ cho kết quả góc tiếp xúc cao hơn nhiều trên sản phẩm dệt may. Góc tiếp xúc nhỏ hơn 90 độ sẽ cho phép giọt dung dịch thấm nhanh vào vải. Hiện tượng này được dùng để ứng dụng trong xử lý chống thấm cho vải. Nước tinh khiết có sức căng bề mặt cao là 72 dyn/cm và nó bị đẩy bởi nhiều loại vật liệu. Với hầu hết các chất lỏng khác, chất nền phải có sức căng bề mặt thấp hơn để có được tính đẩy dung dịch đó. Nói chung cấu trúc hóa học của chất hoàn tất sẽ giới hạn sức căng bề mặt vật liệu có thể thấp, nhưng các thông số của quá trình hoàn tất đóng vai trò quan trọng. Sức căng bề mặt của một số vật liệu như sau: - Nước cất: 72dyn/cm - Bông: 60 dyn/cm - Polyester: 46 dyn/cm - Parafin: 26 dyn/cm 9 - Axit béo: 22 dyn/cm - Axit béo florinat: 15 dyn/cm - Axit béo perflorinat: 10 dyn/cm Các phương pháp tạo ra vải kỵ nước: - Sự dụng các loại xơ kỵ nước: PA, PE.. - Sử dụng các kiểu dệt có cấu trúc chặt chẽ, có mật độ cao - Hoàn tất cơ học: bề mặt mượt, bóng kháng nước tốt hơn bề mặt ráp, xổ lông - Hoàn tất hóa học: xử lý vải với các chất kỵ nước. Có một vài phương pháp khác nhau để đưa những bề mặt có năng lượng thấp lên sản phẩm dệt: + Cách thứ nhất là bằng phương pháp cơ học đưa các sản phẩm chống thấm nước vào trong hoặc trên xơ và bề mặt vải, trong lỗ chân xơ, trong những khoảng trống giữa xơ và sợi. + Một cách khác nữa đó là bằng phản ứng hoá học của vật liệu chống thấm nước, bám dầu hay bụi bẩn với bề mặt của xơ. + Cách cuối cùng đó là sử dụng các cấu trúc vải đặc biệt chẳng hạn như những tấm màng mỏng polytêtrafloroêtylen được kéo căng (Goretex), màng mỏng của polyeste có thể thấm nước (Sympatex) và tráng phủ vi xốp (các polyurêtan biến tính thấm nước). 10 III. Hóa học chống thấm nước, thấm dầu và bám bụi 1. Chống thấm kiểu parafin: Trước đây đã có một phương pháp được sử dụng nhưng mới chỉ chống thấm nước chứ chưa chống thấm được dầu. Những sản phẩm điển hình là các nhũ tương có chứa muối nhôm hay ziriconi của các axít béo (thường là axít stêaríc). Lượng parafin trong hỗn hợp chống thấm, chống bẩn sẽ bị hút tới khu vực không thấm nước, trong khi đó những đầu có cực của các axít béo được hút tới các muối kim loại trên bề mặt xơ. Công nghệ hoàn tất này có thể được dùng cho cả hai kiểu tận trích và ngấm ép. Chúng tương thích với hầu hết các kiểu hoàn tất nhưng lại làm tăng tính dễ bốc cháy. Mặc dù những nguyên liệu sẵn có với giá thành tương đối thấp, tạo ra được hiệu ứng chống thấm nước đồng nhất song với nhược điểm ít bền với giặt giũ và giặt khô, mức độ thấm nước và không khí kém nên đã hạn chế việc sử dụng kiểu hoàn tất chống thấm, chống bám bẩn kiểu parafin. 2. Công nghệ chống thấm, chống bám bẩn dùng axít mêlamin stêaríc: Các hợp chất được tạo thành bằng phản ứng của axít stêaríc và formalđêhyt với mêlamin tạo ra một phân lớp khác của loại nguyên liệu chống thấm nước. Tính chất không thấm hút của các nhóm axít stêaríc tạo ra được khả năng chống thấm nước, trong khi đó những nhóm N-mêtylen còn lại có thể phản ứng với xenlulô hoặc với (liên kết ngang) khác để tạo được hiệu quả lâu dài. Ưu điểm của kiểu chống thấm, chống bẩn bằng mêlamin axít stêaríc là làm tăng độ bền với giặt có cảm giác sờ tay tốt với vải đã được xử lý. Một số sản phẩm loại này có thể được ứng dụng hiệu quả bằng cách xử lý theo phương pháp tận trích. 11 Nhược điểm của kiểu xử lý chống thấm, chống bám bẩn mêlamin axít stêaríc là có những vấn đề tương tự như với xử lý hoàn tất là tạo nếp bền (xu hướng tạo ra finish mark-off), giảm độ bền xé rách và khả năng chống mài mòn của vải, làm biến đổi ánh màu của vải đã nhuộm, thải ra chất formalđêhyt). 3. Xử lý chống thấm kiểu silicôn: Để có thể đạt được một vài tiêu chuẩn về độ bền, loại silicôn dùng để xử lý chống thấm thường gồm có ba thành phần, đó là: silanol, silane và chất xúc tác, chẳng hạn như octoate thiếc. Ưu điểm của xử lý chống thấm nước kiểu silicôn là tạo khả năng chống thấm nước cao với trọng lượng của sự cô đặc vải (fabric concentration) tương đối thấp (0,5- 1%), cảm giác sờ tay rất mềm mại, tăng khả năng may và duy trì được hình dáng, cải thiện vẻ đẹp ngoại quan và cảm giác của loại vải cào tuyết. Một số kiểu chống thấm kiểu silicôn biến tính có thể được tận trích dùng cho (những loại vải dễ bị ảnh hưởng bởi áp suất). Nhược điểm của kiểu xử lý chống thấm silicôn đó là làm tăng hiện tượng nổi hạt xoắn, trượt đường may, giảm khả năng chống thấm nếu như sử dụng số lượng quá thừa, chỉ làm giảm nhẹ độ bền với giặt và với quá trình giặt khô (hút các chất hoạt động bề mặt), không chống thấm được dầu mỡ và không chống bám bẩn được. Hoàn tất dùng silicôn có thể làm tăng độ hấp dẫn với chất bẩn không thấm hút. Thêm nữa, nước bẩn mà đặc biệt là nước bể bơi còn đọng lại từ những quy trình ứng dụng hoàn tất này có thể độc hại cho loài cá. 4. Xử lý chống thấm, chống bám bẩn florocacbon Florocacbon (FC) làm cho các bề mặt của xơ có năng lượng bề mặt thấp nhất cho các kiểu hoàn tất chống thấm, chống bám bẩn đang được ứng dụng với việc đạt được cả hai khả năng chống thấm nước và chống dầu mỡ. Xử lý chống 12 thấm, chống bám bẩn FC được tổng hợp lại bằng việc phối hợp các nhóm alkyl perfloro vào trong các monomer acrylic hay urêtan để sau đó có thể được polyme hoá để thực hiện các quy trình hoàn tất vải. Những ưu điểm chung của kiểu hoàn tất chống thấm, chống bẩn florocacbon gồm có: sự tăng có hoạt tính thấp (< 1% owf), vải được xử lý sấy khô nhanh hơn. Các FC đặc biệt cho phép cải thiện được mức độ nhả bẩn trong quá trình giặt hoặc chống bám bụi trên nylon, đặc biệt có tác dụng với loại vải thảm. Nhược điểu của kiểu hoàn tất này là giá thành cao, vải bị xám màu trong qúa trình giặt, độ may rủi cao và cần phải có xử lý đặc biệt với nước thải dùng trong quá trình xử lý. Trong thực tế là chúng thường không được sử dụng hiệu quả bằng phương pháp tận trích (nhưng hiện có một vài sản phẩm FC mới nằm ngoài quy luật này). Các FC sấy ở nhiệt độ thấp là một sự phát triển mới khác nữa. Chúng có thể đạt được độ chống thấm, chống bám bẩn mà không cần nhiệt, chỉ sau khi phơi trong điều kiện nhiệt độ phòng. Đây là một lợi điểm cho việc ngấm ép các loại quần áo, vải bọc và các loại vải thảm. Một nhược điểm không thể tránh được đó là độ bền thấp do không có việc gắn kết bằng các liên kết ngang. Đánh giá tổng quát về tầm quan trọng của công nghệ hoàn tất FC trong ba lĩnh vực thị trường đó là trong may mặc, trong hàng tiêu dùng và trong lĩnh vực hàng dệt kỹ thuật đã được Otto đưa ra. Nhóm chủ yếu những mặt hàng dệt chống thấm nước đó là những loại vải microfiber được xử lý hoàn tất với các polyme florocacbon. Một nhóm những mặt hàng được xử lý FC đặc biệt là các loại vải chống đạn, có khả năng bảo vệ khỏi đạn súng, mảnh gỗ, đá, kim loại. Chúng có một vài lớp vải dệt para- aramid, được xử lý kỹ với các polyme florocacbon. Do không có khả năng chống thấm nước nên loại vải này sẽ bị mất khả năng bảo vệ khi bị ẩm ướt (hiệu ứng trượt của nước). 13 B./ TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NANO I. Giới thiệu: Nano có nghĩa là nanomét (ký hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét (1/1.000.000.000 m), một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử: 1 nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, sợi tóc: 100.000 nm, đầu cây kim: 1 triệu nm và chiều cao con người: 2 tỷ nm. Khoa học và công nghệ nano (nanoscience and nanotechnology) là một bộ môn khảo sát, tìm hiểu đặc tính những vật chất cực nhỏ, để thao tác (manipulate), chồng chập những vật chất này, xây dựng vật thể to hơn. Người ta gọi phương pháp xây dựng từ vật nhỏ đến vật to và to hơn nữa là phương pháp "từ dưới lên" (bottom-up method). Sự xuất hiện của khoa học và công nghệ nano đang cách mạng lề lối suy nghĩ và phương pháp thiết kế toàn thể các loại vật liệu. Vật liệu nano là các vật liệu có chứa một vùng vô định hình có kích thước nano được kiểm soát. Ví dụ đơn giản nhất là một loại bột gồm các hạt có đường kính giữa 1 và 100 nm (hạt nano). Có thể sản xuất được hạt nano bằng quá trình tổng hợp ở pha khí. Các nguyên tử mong muốn được bốc hơi từ một bề mặt tạo nên khí mật độ cao. Việc làm lạnh khí đem lại các hạt nano giống như các giọt mưa trong một đám mây. Kích thước hạt có thể được kiểm soát tương đối tốt bằng các thông số của quá trình. Có thể tổng hợp các hạt nano ở dạng dung dịch bằng các kỹ thuật cổ truyền từ công nghệ hoá học chất keo (công nghệ của các hạt có kích thước giữa 1 và 1000 nm). Trong trường hợp này các hạt nano tăng kích thước lên thành các phân tử nhỏ tụ lại với nhau thành dung dịch siêu bão hoà. Các hạt có thể được tráng với các nhóm chức. Hình dạng và thành phần của chúng có thể kiểm soát được nhưng việc kiểm soát kích thước khó hơn khi tổng hợp ở pha khí. Có thể thu được các hạt nano đã được tổng hợp bằng cách bốc hơi hoặc thể huyền phù kết tủa. Do tỷ số diện tích bề mặt/thể tích lớn nên bột có hoạt tính cao. Do vậy cần cẩn trọng để tránh oxy hoá và cũng tránh mối nguy hại cho sức khỏe 14 khi sử dụng chúng. Việc chuyển từ các hạt “micro” sang các hạt “nano” có một số ưu điểm. Trước tiên, diện tích bề mặt tăng lên rất nhiều. Các tính chất của hạt to bị khống chế bởi các tính chất bề mặt. Ví dụ vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng bằng cách tráng các hạt có thuốc nhuộm. Thứ hai là việc giảm kích thước hạt mang lại cả ưu điểm cơ học và các hiệu ứng lượng tử. Ví dụ sự truyền bị ngăn cản của các nhiễu loạn mạng tinh thể dẫn tới các kim loại bền và cứng và sự dão khuyếch tán được tăng cường dẫn tới gốm siêu dẻo dễ kéo sợi trong khi gia công tại nhiệt độ được nâng dần. Bẫy lượng tử cho phép kiểm soát “các hằng số” của vật liệu, như được biểu diễn ở sự dịch chuyển màu xanh của quang phổ của các hạt nano. Vật liệu nano sẽ tìm thấy ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Đã có một số sản phẩm trên thị trường như dầu chống rám nắng có chứa các hạt nano hấp thụ tia cực tím và kính đeo mắt có lớp tráng nano chống xước. Trong vòng 10 tới 20 năm vật liệu nano có thể tạo ra các thành phần sống còn cho các linh kiện điện tử nano dựa trên hiệu ứng lượng tử như hiện tượng siêu từ. Trong khi đó công nghệ vật liệu nano được mong đợi phát triển hơn theo hướng công nghệ nano phân tử. Công nghệ Nano là công nghệ nổi bật đang được ứng dụng trong ngành dệt. Công việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng đang tiến triển trên khắp thế giới, từng bước thử nghiệm sản xuất các mặt hàng dệt cao cấp bằng cách trực tiếp biến tính cấu trúc xơ sợi hoặc bằng con đường phối hợp các phân tử Nano trong công đoạn xử lý hoàn tất. Theo báo cáo nghiên cứu về thị trường của tổ chức Lux Research (Mỹ) xuất bản năm 2008, dự đoán doanh thu của thị trường thế giới các sản phẩm ứng dụng từ công nghệ nano sẽ tăng từ 147 tỷ đô la Mỹ năm 2007 lên khoảng 3 ngàn tỷ đô la Mỹ năm 2015 với tỷ lệ tăng bình quân hàng năm là 46%, trong đó các sản phẩm ứng dụng trong công nghệ vật liệu và công nghệ sản xuất từ 97 tỷ đô la Mỹ lên 1.700 tỷ đô la Mỹ, các sản phẩm ứng dụng trong lĩnh vực điện tử từ 35 tỷ đô la Mỹ lên khoảng 970 tỷ đô la Mỹ, các sản phẩm ứng dụng trong lĩnh vực y tế từ 15 tỷ đô la Mỹ lên khoảng 310 tỷ đô la Mỹ. Thị trường tiềm năng các sản phẩm ứng dụng 15 từ công nghệ nano vào năm 2015 sẽ chiếm khoảng 5% tổng sản phẩm của thế giới hay 15% thị trường sản phẩm công nghiệp toàn cầu. Trên thế giới các quốc gia đi đầu trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano như Mỹ, Đức, Thụy sỹ, Nhật, Hàn Quốc, Trung quốc…Trong đó Đức là một trong những quốc gia đứng đầu thế giới về nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano (kinh phí nghiên cứu và phát triển công nghệ nano năm 2007 là 4,7 tỷ euro với lực lượng lao động 63 ngàn người, và 750 công ty). II/ Ứng dụng công nghệ Nano trong hoàn tất cao cấp hàng dệt 1/. Công nghệ Nano trong dệt may: Ứng dụng của công nghệ Nano trong hoàn tất dệt may đã tạo ra những phương pháp hoàn tất mới cũng như kĩ thuật sản xuất mới. Đặc biệt trong quá trình hoàn tất hoá học, quy trình dễ điều khiển hơn và chất lượng hoàn hảo hơn. 1.1 Ứng dụng công nghệ nano cho sản phẩm sợi: Sợi composit có cấu trúc Nano chính là ứng dụng ban đầu về công nghệ nano: - Sợi Nano cacbon và hạt Nano cacbon - Sợi Nano cácbon và hạt Nano than đen là những vật liệu phụ gia cấu trúc Nano được sử dụng nhiều nhất. Sợi Nano cacbon có thể nâng cao độ bền đứt của sợi composit một cách rất hiệu quả do đạt được tỉ lệ pha trộn cao, trong khi đó các hạt Nano than đen nâng cao được cảm giác sờ tay và độ bền ma sát. Cả hai loại Nano này đều có tính dẫn điện và bền với hóa chất. - Hạt Nano đất sét: Các hạt Nano hay các vảy nano đất sét được tạo ra từ một số loại muối nhôm silicat ngậm nước. Các hạt này có tính cách điện, cách nhiệt, bền hóa chất và khả năng ngăn ngừa tia UV. Vì vậy sợi composit được bổ sung các hạt Nano đất sét sẽ có khả năng chống cháy, chống tia UV và chống ăn mòn. - Hạt Nano oxit kim loại: Các hạt Nano TiO2, Al2O3, ZnO và MgO là nhóm các oxit kim loại có khả năng xúc tác quang hóa, dẫn điện, hấp thụ tia UV, oxi hóa 16 quang học chống lại các tác động sinh học và hóa học. Những nghiên cứu chuyên sâu đã tập trung cho việc xử lý chống khuẩn, tự làm sạch và ngăn ngừa tia UV đối với cả trang thiết bị quân sự và các sản phẩm bảo vệ sức khỏe bằng việc sử dụng các hạt oxit kim loại. Xơ nylon được bổ sung các hạt Nano ZnO có thể nâng cao đặc tính ngăn ngừa tia UV và cũng giảm được hiện tượng tĩnh điện. Xử lý với hỗn hợp Nano TiO 2/MgO có thể nâng cao tính khử trùng của xơ composit. - Nano cacbon hình ống: Nano cacbon hình ống (CNT) là một trong số những dạng cấu tạo Nano có nhiều triển vọng. Độ bền cao hơn nhưng độ dẫn điện lại kém hơn so với các hạt Nano cacbon. Nói chung CNT được chia thành 2 loại: ống các bon một lớp (SWNT) và ống các bon nhiều lớp (MWNT). Những ứng dụng của CNT là xơ sợi composit dẫn điện và có độ bền cao, thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng, cảm biến, làm mực in. - Cấu trúc bọt Nano tạo lỗ trống: Sử dụng các chất phụ gia Nano là một trong những phương pháp thông dụng nhất để sản xuất sợi Nano composit. Một cách xử lý khác đó là tạo ra những lỗ trống kích cỡ Nano trong mạng cấu trúc polyme. Một khối lượng lỗ trống kích cỡ Nano trong vật liệu đã làm cho vật liệu đó nhẹ hơn, cách nhiệt tốt, chống nứt gẫy mà không bị ảnh hưởng đến độ bền cơ lý. ứng dụng rất hiệu quả của công nghệ này là sử dụng các thành phần chức năng đưa vào bên trong những lỗ trống kích cỡ Nano. Xơ có lỗ trống Nano có thể được coi là sản phẩm composit cao cấp được dùng làm dụng cụ thể thao và vật liệu du hành vũ trụ. - Nano-Dry: Xử lý hoàn tất nâng cao tính hút nước cho sợi tổng hợp. Công nghệ giúp cải thiện đặc tính hút ẩm của sợi nylon và polyeste, làm cho chúng có tính hút nước. Đó là chất hoàn tất cho trên 50 lần giặt là. Lĩnh vực áp dụng chính là quần áo thể thao và quần áo lót bằng sợi polyeste và sợi nylon vì chúng yêu cầu phải thấm mồ hôi. Một cách xử lí khác là xây dựng một mạng lưới phân tử ba chiều bao quanh sợi (tức là cấu trúc Nano-Net) được gọi là Nano-dry. - Nano-Touch: Tạo ra sự kết hợp tối đa của sợi tổng hợp và bông. Công nghệ hoàn tất này tạo ra một lớp cellulozơ bền phủ lên bề mặt xơ tổng hợp. Vỏ bọc cellulozơ và lõi tổng hợp cùng nhau tạo thành một cấu trúc đồng tâm, có tác dụng làm giảm những hạn chế của sợi tổng hợp như là tĩnh điện, cảm giác sờ 17 tay không tự nhiên và độ sáng bóng. Nó có thể bền với sau 50 lần giặt là. Công nghệ Nano-Touch, công nghệ hoàn tất được mong đợi để làm tăng trở lại nhu cầu dùng sợi tổng hợp vi mảnh, bao gồm sợi crếp, vải the và nhiễu, và mang lại khả năng phục hồi những mặt hàng này. - Sợi xenlulô bao bọc sợi tổng hợp và nylon siêu mịn, độ săn cao. Trong khi sợi bông thường xe trong khoảng Ne5 đến Ne120 (bông xơ dài), thì công nghệ Nano-Touch đã mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới cho việc sử dụng sợi polyeste hay nylon chi số Ne300 hay Ne500 thậm chí tới Ne1000. Bởi vì bông là khó xe chặt, việc sử dụng bị hạn chế đối với vải crếp hay voan cho đồ mùa hè. Tuy nhiên, khoảng sử dụng sẽ được đa dạng hóa, từ chỗ được bao phủ polyeste xe chặt bao gồm vải crếp, đến chỗ siêu chặt như vải the, nhiễu đơn và nhiễu đôi. Mặc dù có sự thay đổi độ xe chặt và kiểu dệt thoi sợi tổng hợp polyeste, sợi giả tơ tằm đã bị giảm một phần trong thị trường, sự giảm nhu cầu sử dụng vì đặc tính không thấm nước, cảm giác và trông không tự nhiên, có độ tĩnh điện cao. Công nghệ Nano-Touch mở rộng tính ưu việt nhằm tăng sự hồi phục của vật liệu dệt này. - Sợi xenlulô bao phủ acrylic siêu nhẹ: Lực hút tĩnh điện của sợi acrylic là khoảng 1.17 đến 1.40, còn bông là 1.54. Công nghệ Nano-Touch sẽ mở ra thuận lợi cho việc sử dụng sợi xenlulô, cung cấp loại sợi xenlulô bao phủ acrylic siêu nhẹ. Nhược điểm lớn nhất của sợi acrylic là thấm nước kém, tĩnh điện cao cũng như một vài sợi nhân tạo khác, cảm giác sờ tay hơi nhũn nhẽo và dính tay. Công nghệ Nano-Touch đã đưa ra giải pháp khắc phục các vấn đề này. Vải bông thấm mồ hôi có một sự thay đổi về trọng lượng và thậm chí càng nặng hơn khi nó ẩm và thoát ẩm cực kỳ chậm. Việc sử dụng nhiều hơn sợi acrylic theo công nghệ Nano-Touch sẽ đồng thời làm tăng đặc tính được ưa chuộng của cả 2 loại acrylic và bông, mở ra một trang mới cho các loại sợi xenlulô siêu nhẹ. 1.2 Ứng dụng công nghệ nano cho sản phẩm vải: + Nano-care: think-carefree - Siêu chống thấm nước, dầu và vết ố bẩn - Chống nhăn 18 - Bảo quản như mới - Vải thông thoáng, dễ thở (breathable fabric) - Dễ bảo quản - Chất lượng lâu bền + Nano-dry: - Bôi trơn, tăng khả năng thấm hút - Giữ được sự thông thoáng - Bảo quản như mới - Chất lượng lâu bền + Nano- pel: (chống bẩn) - Siêu chống thấm nước, dầu và vết ố bẩn - Chống nhăn - Bảo quản như mới - Vải thông thoáng, dễ thở (breathable fabric) - Dễ bảo quản - Chất lượng lâu bền + Nano-touch: - Siêu mịn đối với vải có thành phần pha trộn - Chất lượng lâu bền - Cotton sang trọng (luxurious cotton-like hand) - Dễ bảo quản + Hàng dệt cotton UV với lớp phủ nano bạc (nano silver – phần tử bạc nhỏ ở cấp độ nano): lớp phủ nano bạc tạo ra 1 lớp siêu mỏng và vô hình trên bề mặt vải dệt, cách ly và chống thấm nước, dầu hay chất bẩn. + Kháng khuẩn: Những hạt Nano-silver (Nano-bạc - phần tử bạc nhỏ ở cấp độ nano) chiếm 1 khu vực bề mặt rất lớn, vì vậy giúp tăng tác động của chúng lên vi khuẩn hay các loại nấm, và cải thiện đáng kể hiệu quả diệt khuẩn và nấm. + Vải dệt thông minh: 19