Tài liệu Phân tích tính chất màng phủ kỵ nước cho kính quang học sử dụng trong môi trường biển đảo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐÀO THỊ HỒNG VÂN PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT MÀNG PHỦ KỲ NƢỚC CHO KÍNH QUANG HỌC SỬ DỤNG TRONG MÔI TRƢỜNG BIỂN ĐẢO LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên-2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐÀO THỊ HỒNG VÂN PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT MÀNG PHỦ KỲ NƢỚC CHO KÍNH QUANG HỌC SỬ DỤNG TRONG MÔI TRƢỜNG BIỂN ĐẢO Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Văn Thụ TS Vũ Minh Thành Thái Nguyên-2018 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, trƣớc hết em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Lê Văn Thụ; TS Vũ Minh Thành đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hƣớng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian em nghiên cứu, hoàn thành đề tài này. Em xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Phòng Hóa lý, Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự; Trung tâm Phát triển Công nghệ cao; Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực nghiệm làm luận văn. Em xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, các thầy cô giáo Phòng đào tạo sau đại học; Khoa Hoá học, Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tận tình dạy bảo, trang bị kiến thức giúp em tiếp cận với các vấn đề nghiên cứu khoa học. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2018 Ngƣời thực hiện luận văn Đào Thị Hồng Vân a MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................a MỤC LỤC ............................................................................................................. b DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................. d DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. f DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ g MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Giới thiệu chung về thủy tinh quang học và kính ngắm quang học .............. 3 1.1.1. Thành phần và tính chất của thủy tinh quang học ...................................... 3 1.1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của thuỷ tinh quang học .................................................. 4 1.2. Đặc điểm và nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học...................... 5 1.2.1. Đặc điểm của các loài nấm mốc thƣờng phát triển trên bề mặt kính của các loại khí tài quang học ...................................................................................... 5 1.2.2. Nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học do sự phát triển của nấm mốc8 1.3. Vật liệu và công nghệ tạo màng chống mờ trên cơ sở hợp chất cơ silic ....... 9 1.3.1. Vật liệu tạo màng ........................................................................................ 9 1.3.2. Cơ chế hoạt động của màng kị nƣớc ......................................................... 11 1.3.3. Các phƣơng pháp để tạo màng phủ chống mờ kính quang học ................ 15 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 19 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu ........ 19 2.1.1. Hóa chất..................................................................................................... 19 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị ........................................................................................ 19 2.2. Phân tích nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo.................................................................................................... 20 2.3. Nghiên cứu, phân tích các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình chế tạo màng phủ kỵ nƣớc cho kính quang học ............................................................................... 22 2.3.1. Phân tích ảnh hƣởng của tiền chất chế tạo dung dịch chống mờ kính. ..... 22 2.3.2. Phân tích ảnh hƣởng của một số yếu tố đến quá trình tổng hợp vật liệu .. 24 2.3.3. Nghiên cứu phƣơng pháp tạo màng phủ ................................................... 24 b 2.4. Nghiên cứu phân tích tính chất màng phủ kỵ nƣớc ..................................... 25 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 27 3.1. Phân tích nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học .................................. 27 3.2. Nghiên cứu phân tích, chế tạo vật liệu trên cơ sở hợp chất cơ silic và đánh giá một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu .............................................................. 29 3.2.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu ....................................................................... 29 3.2.2. Khảo sát một số tính chất của vật liệu ...................................................... 38 3.3. Nghiên cứu công nghệ tạo màng .................................................................. 39 3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp phủ....................................................................... 39 3.3.2. Tiến trình tạo màng phủ chống mờ kính quang học ................................. 42 3.4. Khảo sát tính chất của màng phủ ................................................................. 42 3.4.1. Khảo sát khả năng tạo màng phủ với vật liệu nền .................................... 42 3.4.2. Khả năng kị nƣớc, chịu hơi muối của màng phủ trên bề mặt kính quang học ....................................................................................................................... 43 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 53 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 56 c DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT SEM Kính hiển vi điện tử quét VKTBKT Vũ khí trang bị kỹ thuật CMKQH Chống mờ kính quang học M0 Mẫu kính trắng M1 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)nC2H5:C3H7OH =1:10 M2 Mẫu vật liệu tỉ lệ Si(OC2H5)4:C3H7OH =1:10 M3 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1 M4 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:2 M5 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =2:1 M3-3 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=3 M3-6 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=6 M3-8 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=8 M3-9 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=9 M3-11 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=11 M3-14 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; pH=14 M3-0 M3-0,2 M3-0,4 M3-0,6 M3-1 Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; không chứa chống nấm mốc Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa 0,2% chống nấm mốc Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa 0,4% chống nấm mốc Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa 0,6% chống nấm mốc Mẫu vật liệu tỉ lệ (CH3SiHO)n : Si(OC2H5)4 =1:1; chứa 1% chống nấm mốc M3-P1 Mẫu quét 1 lần vật liệu bảo vệ M3-P2 Mẫu quét 2 lần vật liệu bảo vệ M3-CK0 Mẫu phủ chƣa thử mù muối d M3-CK1 Mẫu phủ thử nghiệm 1 chu kỳ mù muối M3-CK2 Mẫu phủ thử nghiệm 2 chu kỳ mù muối M3-CK3 Mẫu phủ thử nghiệm 3 chu kỳ mù muối M3-CK4 Mẫu phủ thử nghiệm 4 chu kỳ mù muối M3-CK5 Mẫu phủ thử nghiệm 5 chu kỳ mù muối M3-CK6 Mẫu phủ thử nghiệm 6 chu kỳ mù muối M3-CK7 Mẫu phủ thử nghiệm 7 chu kỳ mù muối M0-C1 Mẫu không phủ sau 1 tuần nuôi cấy M3-C1 Mẫu phủ sau 1 tuần nuôi cấy M3-C2 Mẫu phủ sau 2 tuần nuôi cấy M3-C3 Mẫu phủ sau 3 tuần nuôi cấy M3-C4 Mẫu phủ sau 4 tuần nuôi cấy M3-C5 Mẫu phủ sau 5 tuần nuôi cấy M3-C6 Mẫu phủ sau 6 tuần nuôi cấy e DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại thủy tinh và thủy tinh quang học.... 3 Bảng 1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật chính của thủy tinh T1 sử dụng chế tạo chi tiết kính vật lõm trong kính ngắm quang học...................................................................... 5 Bảng 1.3. Chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm sử dụng để bảo quản kính quang học .... 14 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của môi trƣờng nuôi cấy nấm mốc ................... 27 Bảng 3.2. Tỉ lệ thành phần hợp chất cơ silic sử dụng tổng hợp vật liệu CMKQH29 Bảng 3.3. Độ truyền quang trung bình (%) của vật liệu trong vùng bƣớc sóng 350750 nm` ....................................................................................................... 32 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ pH đến độ truyền quang .............................. 34 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất chống nấm đến độ truyền quang ..... 36 Bảng 3.6. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu chống mờ sau khi tổng hợp ...... 39 Bảng 3.7. Đánh giá chất lƣợng bề mặt của mẫu phủ với các chu kỳ thử nghiệm mù muối khác nhau ............................................................................................. 44 Bảng 3.8. Kết quả cấy nấm mốc trên bề mặt kính quang học ............................ 46 Bảng 3.9. Ảnh hƣởng vật liệu tạo màng đến độ truyền quang ........................... 50 của kính quang học.............................................................................................. 50 Bảng 3.10. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của màng khi phủ 2 lần trên kính quang học50 f DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính ................................................ 7 Hình 1.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phƣơng pháp sol-gel .................................. 10 Hình 1.3. Hình ảnh thử nghiệm sự phát triển của nấm mốc và th+ử nghiệm mù muối của màng kị nƣớc ....................................................................................... 12 Hình 1.4. Cơ chế tạo màng kị nƣớc trên bề mặt kính trên cơ sở các hợp chất cơ silic ................................................................................................................ 14 Hình 1.5. Cấu trúc bề mặt và góc tiếp xúc của màng kị nƣớc trên cơ sở các hợp chất cơ sillic ........................................................................................................ 15 Hình 1. 6 Sơ đồ nhúng (a) và gelatin hóa (b) ...................................................... 16 Hình 2.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính ............................................. 21 Hình 3.1. Hình ảnh nuôi cấy nấm mốc trong phòng thí nghiệm ........................ 28 Hình 3.2. Ảnh SEM các chủng mốc trên kính quang học sau 15 ngày nuôi cấy..28 Hình 3.3. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của màng trƣớc và sau khi phủ màng bảo vệ..30 Hình 3.4. Xác định độ truyền quang (%) mẫu kính trƣớc và sau khi phủ vật liệu chống mờ ............................................................................................................ 31 Hình 3.5. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của mẫu kính khi thay đổi pH ....................... 33 Hình 3.6. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của mẫu kính khi sử dụng hệ vật liệu có bổ sung phụ gia chống nấm mốc ............................................................................. 35 Hình 3.7. Độ truyền quang mẫu phủ có bổ sung chống nấm mốc 0,2% (M3-0,2) ......... 35 Hình 3.8. Sự phát triển của nấm mốc trên mẫu kính phủ vật liệu bảo vệ kính quang học sau 5 tuần nuôi cấy ............................................................................ 37 Hình 3.9. Tiến trình tổng hợp vật liệu chống mờ kính quang học ...................... 38 Hình 3.10. Góc tiếp xúc của giọt nƣớc phủ một lần (M3-P1) và phủ hai lần (M3P2) ......................................................................................................................... 40 Hình 3.11. Giản đồ AS xác định chiều dày với số lần quét khác nhau .............. 41 Hình 3.12. Tiến trình tạo màng phủ chống mờ kính quang học .............................. 42 Hình 3.13. Phổ hồng ngoại của mẫu kính sau khi tạo màng M3-9-0,2 ................. 43 Hình 3.14. Góc tiếp xúc giọt nƣớc sau khi phủ màng bảo vệ ............................. 44 Hình 3.15. Góc tiếp xúc giọt nƣớc của vật liệu sau thử nghiệm mù muối sau thử nghiệm tƣơng ứng 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 và 7 chu kỳ ................................................ 45 Hình 3.16. Hình ảnh nuôi cấy nấm mốc trên bề mặt kính quang học ................ 48 Hình 3.17. Giản đồ AS xác định chiều dày màng phủ kính quang học .............. 49 g MỞ ĐẦU Việt Nam là nƣớc có đƣờng bờ biển dài với trên 4000 hòn đảo lớn nhỏ, có khí hậu nóng ẩm quanh năm, đây là điều kiện thuận lợi để cho nấm mốc phát triển gây ăn mòn vũ khí trang bị kỹ thuật nói chung và kính quang học nói riêng. Để hạn chế quá trình này, đã có nhiều nghiên cứu đƣa ra các phƣơng pháp bảo quản ứng dụng để chống mờ mốc cho kính ngắm quang học nhƣ: sử dụng khí trơ để bảo quản; chế phẩm chống mốc; hòm hộp bao gói kín… Tuy nhiên, kính sau bảo quản đƣa vào sử dụng thƣờng bị mờ, đặc biệt khi sử dụng trong môi trƣờng biển đảo. Nguyên nhân mờ có thể do trong quá trình sử dụng kính bị tác động của môi trƣờng dẫn đến hở buồng kính làm thâm nhập hơi nƣớc và đọng ẩm trên bề mặt kính tạo điều kiện thuận lợi cho nấm mốc phát triển và chúng sẽ tiết ra các axit hữu cơ nhƣ: axit oxalic, citric, gluconic… gây ăn mòn kính dẫn đến mờ kính. Hơi muối trong môi trƣờng biển đảo đọng trên bề mặt kính cũng gây ăn mòn dẫn đến mờ kính... Ngoài ra, sử dụng kính trong điều kiện thời tiết bị mƣa, độ ẩm không khí cao, kính có hiện tƣợng bị nƣớc bám trên bề mặt ngoài dẫn đến giảm tầm nhìn của kính, do đó cũng gây mờ kính và làm giảm khả năng chiến đấu và sẵn sàng chiến đấu của khí tài. Để khắc phục hiện tƣợng này, hiện nay các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu màng bảo quản này trên cơ sở hợp chất cơ silic. Do đặc thù màng phủ này rất mỏng và yêu cầu có khả năng kị nƣớc tốt, hạn chế sự phát triển của nấm mốc và không làm thay đổi tính năng kỹ thuật của kính quan sát. Do đó đề tài "Phân tích tính chất màng phủ kỵ nƣớc cho kính quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo" sẽ góp phần vào việc phân tích, nghiên cứu chế tạo màng phủ bảo vệ kính quang học đáp ứng đƣợc yêu cầu chất lƣợng của sản phẩm đề ra. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Chế tạo vật liệu kị nƣớc cho kính quang học phục vụ quá trình sửa chữa, bảo quản, sản xuất mới kính quang học. Sử dụng các phƣơng pháp phân tích hóa lý hiện đại để phân tích đƣợc tính chất màng phủ kỵ nƣớc cho kính quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo góp phần nâng cao chất lƣợng màng phủ kính quang học đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. 1 Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về màng phủ kỵ nƣớc và phƣơng pháp phân tích tính chất lý, hoá, quang của kính quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo - Phân tích, xác định các tác nhân và nguyên nhân gây mờ mốc kính quang học sử dụng trong môi trƣờng biển đảo. - Nghiên cứu, phân tích ảnh hƣởng của pH, thành phần hợp chất chế tạo màng phủ kỵ nƣớc cho kính quang học. - Phân tích chỉ tiêu kỹ thuật của màng phủ kỵ nƣớc ở các chế độ công nghệ chế tạo khác nhau, lựa chọn điều kiện tối ƣu chế tạo màng phủ. - Nghiên cứu phân tích, xác định tính chất và xác định các chỉ tiêu kỹ thuật (liên kết hoá học; cấu trúc; khả năng chống mốc; chiều dày; góc tiếp xúc giọt nƣớc; chiết suất; độ truyền quang và độ chịu sƣơng muối...) của màng phủ kỵ nƣớc cho kính quang học 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về thủy tinh quang học và kính ngắm quang học Kính ngắm quang học nói riêng và kính quang học nói chung đều đƣợc chế tạo từ thủy tinh quang học. Thủy tinh quang học đƣợc bắt đầu nghiên cứu từ thế kỷ 18 và đƣa vào sản xuất trong thế kỷ 19. Sản xuất thủy tinh quang học là quá trình phức tạp. Tuy nhiên, cho tới nay ngành công nghiệp chế tạo thủy tinh quang học đã phát triển ở rất nhiều nƣớc trên thế giới. 1.1.1. Thành phần và tính chất của thủy tinh quang học Thủy tinh quang học là một hỗn hợp các oxit kim loại khác nhau có tính năng quang học phụ thuộc vào thành phần hóa học của chúng. Mỗi hỗn hợp có chỉ số chiết suất và khuếch tán khác nhau, vì vậy thủy tinh quang học không những phải tuyệt đối vô định hình mà còn đòi hỏi các chỉ tiêu kỹ thuật rất chặt chẽ nhƣ: chỉ số chiết suất, độ thấu quang cao, bền hóa học đối với axit, kiềm và các môi trƣờng khí quyển [1,5]. Trong tính năng quang học có hai hệ số quan trọng là: chỉ số chiết suất nD và hệ số khuếch tán trung bình (nF-nC). Chỉ số chiết suất của thủy tinh quang học nằm trong khoảng 1,47-1,90 và  có giá trị trong khoảng 20-70. Trong đó,  đƣợc tính theo công thức sau: =(nD- 1)/ (nF- nC) Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại thủy tinh và thủy tinh quang học Loại SiO2 Al2O3 As2O3 B2O3 BaO CaO Fe2O3 K2O MgO ZnO Na2O PbO thủy tinh Kính xây 73 - 13,5 - 13,5 dựng Thủy 80,4 1,49 0,5 11,5 - 0,51 - 12,2 tinh ép Loại 48,8 0,3 21 - 6,5 4,1 0,8 Baryt Loại Borosilic 70,4 0,2 7,5 2 - 14,5 5,3 atkron Ngoài ra, trên thị trƣờng còn có một số loại thủy tinh quang học khác có 3 thành phần chính là SiO2 nhƣ thủy tinh Kron-phospho, thủy tinh Flint-Bo… trong khi đó một số loại có loại không có oxit kim loại kiềm nhƣ thủy tinh Kron nặng, nhƣng cũng có loại chứa nhiều oxit thông thƣờng với tỉ lệ 80% PbO hay nhiều hơn nữa nhƣ thủy tinh Flint nặng; hoặc 20% Sb2O3 nhƣ thủy tinh Flint đặc biệt. Để thủy tinh quang học có hệ số thấu quang tốt đòi hỏi nguyên liệu phải thật tinh khiết và đảm bảo nung và khuấy đúng chế độ. Khả năng thấu quang đƣợc tính theo hệ số giảm quang với hệ số cho phép trong khoảng 0,002-0,02. Nguyên liệu để sản xuất thủy tinh quang học cũng giống nhƣ các thủy tinh thông thƣờng nhƣng có độ tinh khiết cao hơn. Tạp chất trong thủy tinh quang học thƣờng là do oxit sắt và crom, đó là nguyên nhân gây màu, còn các hợp chất sunfat và clorua làm cho thủy tinh trở nên đục. Vì vậy, thành phần tạp chất của thủy tinh quang học đƣợc quy định không có hợp chất của crom, hợp chất của sắt tối đa 0,001-0,002 % Fe2O3 và các ion SO32- và Cl- trong khoảng 0,1-0,2 %. 1.1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của thuỷ tinh quang học Để chế tạo kính ngắm quang học, ngoài thủy tinh quang học còn có hơn 20 loại vật liệu đƣợc sử dụng, nhƣ các loại thép, đồng, nhôm, nhựa mài, nhựa gắn, cao su kỹ thuật, … Tuy nhiên, trong các loại vật liệu này thì thủy tinh quang học đóng một vai trò quan trọng, chúng dùng để chế tạo kính lồi, phân quang, phản xạ và vạch khắc [1, 2, 6]. Nhƣ thủy tinh K8 dùng để chế tạo chi tiết kính lồi nhỏ; kính phân quang; kính phản xạ; kính lồi lớn; kính vạch khắc và thủy tinh T1dùng để chế tạo chi tiết kính vật lõm. Chỉ tiêu kỹ thuật của các vật liệu thủy tinh quang học đƣợc sử dụng trong chế tạo kính ngắm quang học đƣợc trình bày tại bảng 1.2 [1,2,6]. 4 Bảng 1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật chính của thủy tinh K8 sử dụng chế tạo chi tiết kính vật lõm trong kính ngắm quang học TT Tên chỉ tiêu I Thành phần hoá học 1 Chiết suất nD (Tia vàng) 2 4 Tán sắc trung bình 5 Tỷ trọng II Tính chất hoá lý 1 2 tiêu giá 1,65284 đỏ) Hệ số tán sắc PP kiểm tra, đánh 1,64750 Chiết suất nF (Tia tím); nc (tia 3 Mức chỉ 33,9 Máy đo chiết suất MYV 0,01912 3,86 Cân điện tử Vân 3Б Kính hiển vi VMS – Bọt 5B 25,5G 1.2. Đặc điểm và nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học 1.2.1. Đặc điểm của các loài nấm mốc thường phát triển trên bề mặt kính của các loại khí tài quang học Kết quả nghiên cứu [1,4,7] đã tìm thấy 2 chủng nấm thƣờng phát triển trên bề mặt kính là: Aspergillus restrictus và Eurotiumtonophilum Ohtsuki trong quá trình nghiên cứu phƣơng pháp nuôi cấy và phòng chống nấm mốc. Aspergillus là một chủng có hình dạng giống nhƣ bình tƣới nƣớc bao gồm vài trăm loài nấm khác nhau đƣợc thấy tại nhiều vùng có điều kiện khí hậu khác nhau trên thế giới. Thông thƣờng, nấm đƣợc phát triển trên các cơ chất giàu cacbon nhƣ monosaccarit và polysaccarit. Trong khi đó, các loài Aspergillus có tính ƣa khí cao và tìm thấy trong hầu hết các vùng môi trƣờng giàu oxy, vì vậy, chúng thƣờng phát triển nhƣ mốc trên bề mặt các chất cần có nhu cầu oxy cao và thƣờng gây ô nhiễm trên các thực phẩm có tính tinh bột nhiều cũng nhƣ phát triển trong nhiều loại thực vật khác nhau. Ngoài ra, chúng còn phát triển trên các 5 nguồn cacbon, nhiều loài Aspergillus còn có khả năng phát triển trong môi trƣờng có chất dinh dƣỡng ở sâu, hoặc môi trƣờng mà ở đó thiếu các chất dinh dƣỡng chính yếu. Hiện nay, các loài Aspergillus rất quan trọng về mặt y học và thƣơng mại, với hơn 60 loài có liên quan đến y học. Đối với con ngƣời Aspergillus có thể gây một số bệnh nhƣ nhiễm trùng ở tai, da, loét. Nó cũng đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình lên men của các vi sinh vật ở một số loài [3,4]. Về cơ chế, chúng đều là loại vi sinh thuộc ngành thực vật bậc thấp. Khác với các loại thực vật khác, nấm không có diệp lục nên không thể tạo thức ăn hữu cơ từ CO2 của không khí và ánh sáng mặt trời, nấm phải sống nhờ các chất hữu cơ có sẵn trong tự nhiên hay nhân tạo. Khi phát triển, nấm gồm một hệ thống sợi có phân nhánh và phân nhánh mang theo bào tử là bộ phận sinh sản của nấm. Đối với các loại khí tài quang học có bào tử nấm, khi gặp nhiệt độ và độ ẩm phù hợp các tế bào nấm sẽ phát dục và trƣởng thành, kết lại với nhau thành sợi mảnh có độ rộng cỡ phần trăm mi-li-mét và dài chừng phần mƣời mi-li-mét. Nếu không đƣợc cung cấp chất dinh dƣỡng thì nấm kết thúc ở giai đoạn phát dục này rồi chết. Ngƣợc lại, nếu nhận đƣợc nguồn dinh dƣỡng thì nấm tiếp tục phát triển, sợi nấm đƣợc kéo dài ra rất nhanh và đẻ thêm nhiều nấm mới. Khi đƣa một số bào tử nấm lên bề mặt kính đã đƣợc lau sạch (nghĩa là không có chất dinh dƣỡng) và đƣợc đặt trong hộp kín có độ ẩm là 90 %, nhiệt độ 20oC thì chỉ sau 4 ngày nấm đã hoàn thiện giai đoạn phát dục, sợi nấm có kích thƣớc dài 0,6 1 mm, chiều rộng sợi nấm mốc không thấy nấm phát triển thêm và bắt đầu bong ra khỏi bề mặt kính. Khi tiến hành nuôi cấy nấm sau 28 ngày trong ở điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau cho thấy: độ ẩm môi trƣờng thích nghi cho nấm phát triển là r ≥ 70 % trong môi trƣờng có độ ẩm thấp hơn nấm phát triển rất chậm, khi r ≤ 65 % nấm sẽ không phát dục và phát triển. Nhiệt độ thích hợp cho nấm phát triển nằm trong khoảng 2035 oC. Ngoài phạm vi nhiệt độ này nấm hầu nhƣ ngừng phát triển và nấm sẽ chết ở nhiệt độ 100 oC ≤ to ≤ (15 oC). 6 Hình 1.1. Sự phát triển của nấm trên bề mặt kính Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy nấm chỉ phát triển đƣợc khi có đầy đủ bốn điều kiện sau: - Phải có bào tử nấm. - Phải có chất dinh dƣỡng cho nấm. - Phải có độ ẩm phù hợp. 7 - Phải có nhiệt độ phù hợp. Nhƣ vậy, nếu có thể loại trừ hoặc khống chế đƣợc một trong bốn điều kiện phát triển trên thì nấm sẽ không thể phát sinh và phát triển đƣợc. Tuy nhiên, do áp suất thẩm thấu bên trong sợi nấm có thể đạt tới 200 atm nên nấm vẫn có thể tồn tại ở môi trƣờng có ít hơi nƣớc. Với khả năng đó cho phép các tế bào nấm hút đƣợc hơi nƣớc trong khí quyển một cách dễ dàng, nhƣng khi độ ẩm tƣơng đối cao đến 100 % hay khi bị dìm trong nƣớc thì các tế bào nấm sẽ bị phá vỡ. Ngƣợc lại, nếu áp suất thẩm thấu bên trong sợi nấm thấp dƣới 10 atm thì chúng vẫn sống đƣợc ngay cả khi bị dìm trong nƣớc [3,4]. 1.2.2. Nguyên nhân gây mờ mốc của khí tài quang học do sự phát triển của nấm mốc Ngoài các đặc tính nêu ở phần trên, để mọc đƣợc dễ dàng trên thấu kính, nấm còn có những đặc tính nhƣ: bản năng nảy mầm đƣợc trong khí quyển, nảy mầm khi các bào tử khi đứng đơn độc, có thể nảy mầm dễ dàng trên một mặt nhẵn không có chỗ bám. Nấm có bản năng nảy mầm đƣợc trong khí quyển do các bào tử nấm có khả năng hút đƣợc lƣợng nƣớc cần thiết cho sự nảy mầm khi nƣớc ở trạng thái hơi. Thông thƣờng một bào tử nấm rơi vào một mặt phẳng thì một mặt sẽ có lợi thế là không gian tiếp xúc với khí quyển thoáng hơn nhƣng nếu trên bề mặt thấu kính quá nhẵn, rễ nấm khó bám và khó tìm đƣợc chất dinh dƣỡng và hơi ẩm tích tụ. Tuy nhiên, nấm vẫn mọc đƣợc, bào tử của nấm này không cần chất dinh dƣỡng vẫn nảy mầm đƣợc. Những ảnh hưởng nấm gây ra trên thấu kính Theo thống kê có đến 50% các thấu kính mất phẩm chất vì có một lớp mờ phủ tạo nên bởi một vài loại nấm. Nấm làm giảm chất lƣợng của các thấu kính một cách đáng kể do: thứ nhất là thấu kính bị phủ một lớp mờ mốc làm mất tính trong suốt, thứ hai là các sợi nấm phân tán ánh sáng làm cho ảnh mất sắc nét. Khi nấm đã mọc đƣợc trên mặt thấu kính rễ nấm để lại những vết ăn mòn dẫn đến độ trong suốt của kính giảm. Nếu để lâu hơi nƣớc sẽ tích tụ lại tại đó, hơi 8 nƣớc sẽ hòa tan với một axit hữu cơ do nấm tiết ra gây ăn mòn mặt bóng của thấu kính. Nhƣ vậy, một cơ chế sinh học phức tạp kết hợp với các phản ứng hóa học đã xảy ra trên bề mặt của thấu kính [4,7]. Một khi sự việc đã xảy ra thì chỉ còn một giải pháp là phải thay bỏ thấu kính đó bằng một thấu kính mới. 1.3. Vật liệu và công nghệ tạo màng chống mờ trên cơ sở hợp chất cơ silic 1.3.1. Vật liệu tạo màng Vật liệu sử dụng trong công nghệ này thƣờng đƣợc chế tạo trên cơ sở màng phủ có chứa hợp chất cơ silic hoặc titan oxit [10-19]. Tuy nhiên, màng TiO2 đƣợc sử dụng rất hạn chế vì độ truyền quang kém và phải sử dụng nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo màng [15]. Vì vậy, các sản phẩm bảo quản kính quang học hiện nay thƣờng đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp thủy phân tạo sol silica trên cơ sở các hệ hợp chất cơ silic, nhƣ: hệ metyltriethoxysilan, metoxitrimetylsilan, trimetylclorosilan trong metanol, tetraetylorthosilicat, methacryloxypropyltrimethoxysilan hexan trong [18]; hệ etanol; hệ tetraetylorthosiliat và metyltriethoxysilane trong etanol; hệ tetraetylorthosilicat trong etanol; hệ tetraetylorthosilicat và 1,1,1,3,3,3-hexametyldisilazan trong etanol trong đó tập trung kiểm soát các yếu tố ảnh hƣởng nhƣ: nồng độ hợp chất silica, nhiệt độ, thời gian, pH, tốc độ khuấy, dung môi…[12,13,18,19]. Vật liệu sau khi chế tạo thƣờng đƣợc đƣa lên bề mặt kính quang học bằng phƣơng pháp quét, nhúng, phun, phun quay [9-12, 19]. Phương pháp chế tạo vật liệu Phƣơng pháp sol-gel là một trong những phƣơng pháp quan trọng và đƣợc sử dụng chính để tổng hợp vật liệu tạo màng phủ kị nƣớc hiện nay. Phƣơng pháp này do tác giả R.Roy đề xuất năm 1956, cho phép trộn lẫn các chất ở mức độ nguyên tử [13]. Do đó, sản phẩm thu đƣợc có độ đồng nhất và độ tinh khiết cao, bề mặt riêng lớn, kích thƣớc hạt nhỏ, khả năng tạo compozit với thành phần khác nhau mà phƣơng pháp nóng chảy không thể tổng hợp đƣợc. Trong những năm gần đây, sol-gel trở thành một phƣơng pháp quan trọng trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu trong lĩnh vực chế tạo màng 9 mỏng. Phƣơng pháp sol-gel hiện nay đƣợc thực hiện theo 3 hƣớng chính: Thủy phân muối, thủy phân ankoxit, tạo phức (hay phƣơng pháp PPM - Polymeric Precursor Method). Hình 1.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp sol-gel Phƣơng pháp thủy phân muối thƣờng sử dụng các muối nitrat, clorua, nên sự thuỷ phân xem nhƣ chỉ xảy ra với các cation kim loại Mz+. Trong môi trƣờng nƣớc xảy ra phản ứng hydrat hoá: Mz++ nH2O [M(H2O)n]z+ (Phức aquơ) Sau đó xảy ra phản ứng thuỷ phân: [M(H2O)n]z+ + hH2O [M(OH)h(H2O)n-h](z-h)+ + hH3O+ Phƣơng pháp hủy phân ankoxit: Ankoxit có công thức tổng quát là M(OR)n, trong đó Mn+ là ion kim loại hoặc phi kim có tính ái điện tử; R là gốc alkyl, n là số oxyhoá. Các ankoxit phản ứng với nƣớc rất mạnh: M(OR)n + nH2O → M(OH)n + nROH Thực tế phản ứng này xảy khá phức tạp. Nó bao gồm hai quá trình chính gồm: quá trình thủy phân M(OR)n và quá trình ngƣng tụ. Quá trình thủy phân xảy ra theo cơ chế thế ái nhân SN: Tác nhân ái nhân (nucleophin) tấn công vào Mn+ của ankoxit hình thành trạng thái chuyển tiếp, sau đó vận chuyển proton từ nƣớc sang nhóm RO và loại rƣợu ROH. 10 Quá trình ngƣng tụ xảy ra ngay sau khi sinh ra nhóm hydroxo. Tuỳ theo điều kiện thực nghiệm có thể xảy ra ba cơ chế cạnh tranh nhau: alkoxolation, oxolation, olation: Nhƣ vậy, bốn phản ứng: thuỷ phân, ankoxolation, oxolation, olation tham gia vào sự biến đổi ankoxit thành khung oxit. Do đó cấu trúc, hình thái học của các oxit thu đƣợc phụ thuộc rất nhiều vào sự đóng góp tƣơng đối của mỗi phản ứng. Sự đóng góp này có thể tối ƣu hoá bằng điều chỉnh điều kiện thực nghiệm liên quan đến các thông số nội tức là bản chất kim loại và các nhóm ankyl, cấu trúc của ankoxit và thông số ngoại là tỉ số thuỷ phân r = (H2O)/ (ankoxit), xúc tác, nồng độ, dung môi và nhiệt độ. Phƣơng pháp tạo phức: phƣơng pháp sol-gel qua con đƣờng tạo phức với axit hữu cơ rất đa dạng, điều kiện tổng hợp rất khác nhau. Về vai trò của axit hữu cơ, theo [12,13] giả thiết axit kết hợp với dung môi tạo polymer trƣớc khi tạo phức với các ion kim loại hoặc tự nó tạo phức với ion kim loại. Phần hữu cơ của phức trong điều kiện xác định sẽ trùng hợp với nhau tạo thành các phân tử polyme hoặc mạng không gian ba chiều. Kết quả là độ nhớt của dung dịch tăng đột ngột và sol trở thành gel: M – O – CO –C  ... – C – CO – O – M Cơ chế này chỉ xảy ra khi trong phần hữu cơ có nối đôi hoặc trong dung dịch có chứa các chất có khả năng trùng ngƣng tạo este với axit (ví dụ: etylenglycol, etylendiamin...). Yêu cầu này khắc phục đƣợc khó khăn của phƣơng pháp thuỷ phân khi muốn tạo compozit từ các muối có khả năng thuỷ phân khác nhau. 1.3.2. Cơ chế hoạt động của màng kị nƣớc Màng kị nƣớc là loại vật liệu mới đang đƣợc nhiều nƣớc quan tâm nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng. Công nghệ sử dụng các loại màng kị nƣớc hiện nay đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới, nó không những chống đọng sƣơng, kị nƣớc, mà còn ngăn cản sự nhiễm bẩn và phát triển của vi 11