Kính tự làm sạch

Giới thiệu

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).

 Tác dụng

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

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.

Hình 1. Trạng thái không thấm ướt và thấm ướt

Lớp phủ kị nước: hay không thấm ướt với nước sẽ có góc thấm ướt θ≥90o. 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 ≈ 180o)

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<90o. 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

≈ 0o), 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

  • Ưu điểm:

+ Ít tốn công cũng như giảm chi phí cho việc vệ sinh kính .

+ Thân thiện với môi trường do giảm được lượng nước và chất tẩy rửa sử dụng

+ Có thể vệ sinh được kính ở những vị trí khó tiếp cận

  • 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 10o

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.

 Lớp phủ kị nướcLớp phủ ưa nước
Ưu diểm-Làm sạch được cả chất vô cơ và hữu cơ
-Bề mặt có tính chống trầy
-Phân hủy được các tạp chất hữu cơ
- Nước tạo thành màng dễ nhìn hơn
-Chống hiện tượng đọng sương
Khuyết điểm
-Độ nhám bề mặt cao nên giảm tính chất cơ học, giảm độ trong suốt
-Nước co thành giọt trên bề mặt gây cản trở tầm nhìn
-Cần tiếp xúc, hấp thụ tia UV từ ánh sáng mặt trời trong một thời gian nhất định để kích hoạt tính năng tự làm sạch
-Không phân hủy được chất vô cơ; tạp chất dày dính trên bề mặt như sơn, silicon; bụi khi xây dựng

Call Now Button DMCA.com Protection Status