GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ HOÀN TẤT TẠO RA SẢN PHẨM DỆT TỰ LÀM SẠCH

Tác giả: ThS. Dương Phương Thảo
Đơn vị: Khoa Công nghệ Sợi Dệt

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Xử lý hoàn tất sản phẩm dệt may là một công đoạn trong quá trình sản xuất vải nhằm tạo cho vải các đặc tính chức năng cần thiết. Mục đích chính của quá trình xử lý hoàn tất là làm cho vải có những tính năng phù hợp với mục đích sử dụng và xử lý hoàn tất thường là công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất vải trước khi được đưa vào gia công thành sản phẩm may...

Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp xử lý hoàn tất kết hợp hóa học và vật lý để tạo ra vải có bề mặt siêu chống thấm và có khả năng tự làm sạch. Khái niệm tự làm sạch sản phẩm dệt lấy ý tưởng từ lá sen, lá sen được biết đến với khả năng “tự làm sạch” bằng cách ngăn chặn sự hấp thu nước và bụi bẩn. Bề mặt sản phẩm dệt có thể tự làm sạch mà không cần sử dụng bất kỳ thao tác giặt tẩy nào.

2. NỘI DUNG

2.1 Hiệu ứng lá sen (lotus effect)

Lá sen được biết đến với đặc tính chống thấm rất tốt. Mặc dù thường mọc ở vùng đầm nước bùn lầy nhưng lá của nó luôn giữ được sự sạch sẽ, “chẳng hôi tanh mùi bùn”. Lá sen có đặc điểm siêu kỵ nước, tức là những giọt nước đọng trên là sẽ lăn tròn trên lá và cuốn theo bụi bẩn.

Hình 1. Lá sen

Khi quan sát bề mặt lá sen bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), các nhà khoa học đã chỉ ra rằng bề mặt của lá sen không bằng phẳng, mà nó có một độ nhám đặc biệt, rất đặc trưng, được sắp xếp một cách có hệ thống, không thấm nước, các tinh thể sáp với kích thước nano tạo thành cấu trúc ba chiều, tương tự như những núm nhỏ, có kích thước nhỏ hơn vài nanomet [1].

Hình 2. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét bề mặt của 04 loại lá sen khác nhau [1]

Sự kết hợp giữa độ nhám bề mặt và các vết nứt của sáp không thấm nước tạo cho nó đặc tính siêu kỵ nước và khi kết hợp với các đặc tính hóa học không thấm nước của lớp sáp, những cấu trúc này làm cho lá sen cực kỳ không thấm nước, trạng thái này được gọi là siêu sợ nước hoặc hay siêu kỵ nước và chúng tạo cho lá sen đặc tính tự làm sạch. Các hạt bụi chỉ nằm trên đầu của các tinh thể sáp, do đó chỉ có một diện tích bề mặt rất nhỏ tiếp xúc với bề mặt của cây. Nếu nước rơi xuống bề mặt lá như thế này, sự tương tác của sức căng bề mặt và lực hút thấp giữa bề mặt và nước sẽ tạo ra một giọt nước hình cầu chỉ nằm trên đầu của cấu trúc sáp. Nếu nước rơi trên đầu lá, giọt nước lăn tăn ngay lập tức và cuốn theo các hạt bụi bẩn. Vì lực hấp dẫn giữa bụi bẩn và bề mặt lá rất nhỏ nên ngay cả những tạp chất ưa béo, chẳng hạn như bồ hóng cũng có thể bị rửa trôi [2].

Hình 3. Giọt nước sẽ hút các hạt bụi bẩn nằm trên bề mặt lá
 

Trong hầu hết các trường hợp, hình thức tự làm sạch này không có nhiều tác dụng trong việc bảo vệ cây khỏi bụi bẩn cũng như mầm bệnh (ví dụ như bào tử nấm, vi khuẩn). Tính siêu kỵ nước là một đặc tính không chỉ có ở cây sen mà còn có ở khoảng 300 loài thực vật khác. Côn trùng cũng vậy, chẳng hạn như chuồn chuồn và bướm đều có đặc tính này trên bề mặt của đôi cánh của chúng.

Nguyên tắc tự làm sạch được phát hiện vào năm 1973 bởi nhà thực vật học Wilhelm Barthlott và nhóm nghiên cứu của ông tại Đại học Bonn. Vì nó là một hiệu ứng hóa lý hoàn toàn không liên quan đến hệ thống sống, Barthlott tin rằng việc triển khai kỹ thuật của nó là có thể thực hiện được. Tuy nhiên, ngành công nghiệp ban đầu tỏ ra không mấy quan tâm, vì vậy ông đã tự sản xuất các bề mặt vật liệu với những đặc tính này, đăng ký bằng sáng chế cho phát minh của mình và đăng ký tên thương hiệu “lotus effect” [2].

Vật liệu tổng hợp được tạo thành từ các hạt nano trong lớp phủ giúp nó có thể tạo ra cấu trúc bề mặt cần thiết cho “hiệu ứng lá sen”. Những loại vải polyester này được quan tâm đặc biệt trong sản xuất mái hiên, dù che, buồm và lều. Đặc tính tự làm sạch của chúng đã khiến Viện Công nghệ và Kỹ thuật Dệt may (ITV) ở Denkendorf, Đức trao cho chúng nhãn chất lượng “tự làm sạch lấy cảm hứng từ thiên nhiên” [2].

Việc sản xuất các bề mặt có “hiệu ứng lá sen” là một thách thức về mặt kỹ thuật và còn tồn tại một số vấn đề sau:

Độ bền của các cấu trúc bề mặt này đối với tác động cơ học khiến chúng không được sử dụng rộng rãi. Giặt trong máy giặt sẽ phá hủy cấu trúc bề mặt vật liệu.

Việc tự làm sạch cũng cần có nước chảy, ví dụ như mưa, do đó các cấu trúc bề mặt với các đặc tính này không thể sử dụng trong hầu hết các nội thất. Chất hoạt động bề mặt (ví dụ như xà phòng hoặc nước giặt) có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước, do đó làm gián đoạn sự hình thành các giọt, nếu các bề mặt vật liệu dệt tự làm sạch được xử lý bằng chất tẩy rửa có chứa chất hoạt động bề mặt, “hiệu ứng lá sen” sẽ dễ dàng bị phá vỡ và nước sẽ làm ướt bề mặt, nhưng bề mặt vật liệu không bị phá hủy và hoàn toàn bình thường sau khi giặt với nước sạch.

2.2 Tráng phủ chất xúc tác quang hoá

Đặc tính tự làm sạch đã và đang nhận được sự quan tâm rất lớn bởi tầm quan trọng và khả năng ứng dụng của nó. Xử lý hoàn tất tự làm sạch sử dụng công nghệ nano để mang lại hiệu quả sử dụng cho vật liệu dệt. Hơn nữa, cơ chế tự làm sạch đã được giải thích bằng tác dụng của quá trình ưa nước và kỵ nước. Ưa nước và kỵ nước có thể có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như lọc nước, vi lỏng và quang điện. Trong đánh giá này, việc áp dụng tự làm sạch trong pin mặt trời và môi trường cũng như các hợp chất của TiO₂ và các ứng dụng của chúng trong quản lý nước đã được dẫn chứng. Ngoài ra, nó đã được giải thích rằng một số lượng vật liệu tự làm sạch, ứng dụng và cải tiến trong các tiện ích rất cần thiết. Bề mặt lấy cảm hứng từ sinh học phản ứng trong tự nhiên thông qua tính kỵ nước (cánh ve sầu, cánh bướm, lá sen, lá gạo) và ưa nước (vảy cá, ốc, da cá mập...) [3].

Bề mặt tự làm sạch có tính ưa nước hoặc kỵ nước. Khi bề mặt ưa nước, nước lan rộng trên nó, rửa trôi chất gây ô nhiễm. Khi bề mặt kỵ nước, các hạt nước lăn thành giọt, và rửa trôi các tạp chất gây ô nhiễm. Một số nghiên cứu cho thấy TiO₂ có tiềm năng ứng dụng trong lọc nước và lọc không khí. TiO₂ đang được nghiên cứu và ứng dụng trong vật liệu chống phản xạ, cảm biến sinh học, xúc tác quang hóa và pin mặt trời. TiO₂ là một vật liệu có tính chất xúc tác quang hóa rất tốt. Mặc dù màng TiO₂ có khả năng chống tia cực tím, khử mùi, kháng khuẩn và tự làm sạch rất cao nhưng lại rất khó để tái chế TiO₂ sau khi sử dụng.

TiO₂ là một oxit bán dẫn có nhiều ưu điểm nổi bật như: giá rẻ, không độc hại, có cấu trúc ổn định, có khả năng xúc tác quang hóa. Dưới tác dụng của tia UV các electron từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn để lại các lỗ trống trong vùng hóa trị. Các lỗ trống này có tính oxi hóa mạnh sẽ oxi hóa các hợp chất hữu cơ độc hại tạo thành các hợp chất trung gian và cuối cùng tạo thành CO₂ và H₂O.

Các đặc tính quang xúc tác của TiO₂ đã được Akira Fujishima, một nhà khoa học tại Đại học Tokyo, phát hiện vào năm 1967 và hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng Honda Fujishima”, ngôi nhà đầu tiên có bề mặt bên ngoài tự làm sạch là của Fujishima [3].

Vật liệu xúc tác quang hóa tự làm sạch chỉ ứng dụng cho các vật liệu sử dụng ngoài trời do cần tia UV trong ánh sáng mặt trời và nước để loại bỏ chất bẩn. Các phương pháp để nâng cao hoạt tính của TiO₂ hiện đang được nghiên cứu để vật liệu này có hoạt tính xúc tác quang hóa cao khi chiếu ánh sáng tia UV.
2.3 Chống bám bụi và nước với công nghệ nano bề mặt “Easy to clean” 

Hiện nay, đã có một số sản phẩm có đặc tính chống bám bẩn và chống thấm nước được các nhà sản xuất thiết kế và đưa ra thị trường dựa trên công nghệ nano hoặc chứa các hạt nano. Chúng không chỉ được tạo ra từ vật liệu dệt mà còn từ sứ hay kính… tuy nhiên nước thông thường sẽ không đủ để làm sạch loại sản phẩm này. 

Hình 4. Nguyên lý công nghệ nano bề mặt “Easy to clean” [4]

Mức độ thấm ướt được xác định bởi góc tiếp xúc vật lý. Góc tiếp xúc trong trường hợp vật liệu thấm hút hết nước là 0°. Nếu nước tạo thành một giọt hoàn toàn hình cầu mà chỉ có một điểm tiếp xúc với bề mặt, thì góc tiếp xúc lý thuyết là 180°, tuy nhiên, điều này không xảy ra trong tự nhiên. Vật liệu chống thấm như Teflon đạt được góc tiếp xúc tối đa 120°. Các bề mặt của chất liệu chống thấm nước có góc tiếp xúc đặc trưng là 140° thậm chí có thể lớn hơn [4].

Trong nhiều trường hợp, các sản phẩm này có bề mặt chống thấm được gọi là “easy to clean”, không giống như các sản phẩm có “hiệu ứng lá sen”, có bề mặt nhẵn chứ không phải nhám và không chỉ không thấm nước mà còn chống thấm chất béo (lipophobic). Nhiều vật liệu được sử dụng phổ biến, chẳng hạn như thủy tinh, thường có bề mặt hơi thô, ngay cả khi chúng có vẻ nhẵn mịn khi nhìn bằng mắt thường, có khả năng thấm hút cả nước và bụi bẩn. Không giống như các bề mặt “hiệu ứng lá sen”, các lớp phủ “easy to clean” được làm phẳng bằng cách sử dụng các hóa chất kỵ nước và kỵ khí. Tuy nhiên, góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt nhỏ hơn so với trường hợp của “hiệu ứng lá sen” (<140°), tức là vật liệu được xử lý theo cách này không siêu kỵ nước. Trong khi “hiệu ứng lá sen” dựa trên các nguyên tắc vật lý cũng như hóa học, lớp phủ “easy to clean” có cơ sở hoàn toàn là hóa học. Ở những nơi chỉ có một lượng nước rất nhỏ, những giọt nước này có thể để lại dấu vết có thể nhìn thấy khi chúng lăn đi. “Easy to clean” không có nghĩa là bề mặt được xử lý này không bao giờ cần phải làm sạch, tuy nhiên, lượng nước cần dùng để làm sạch so với các sản phẩm truyền thống có thể giảm xuống, tùy thuộc vào mức độ và tính chất của vết bẩn, một tia nước mạnh có thể loại bỏ vết bẩn hoặc có thể loại bỏ bằng phương pháp cơ học một cách dễ dàng [4].

Các lớp tráng phủ kỵ nước và ưa nước trong suốt của loại này có thể được sản xuất bằng quy trình sol-gel. Nói một cách dễ hiểu, nguyên liệu thô được gọi là silan với một nguyên tử cơ bản silic có thể được biến tính bằng cách thêm một số chất hóa học (ví dụ như các hợp chất flo) để giữ được các đặc tính cần thiết. Các hạt kích thước nano (gel) được tạo ra từ silan bằng các phản ứng hóa học trong dung dịch. Sự phân tán của các hạt được gọi là sol. Tùy thuộc vào loại sol được chọn, dung dịch bay hơi ở nhiệt độ phòng hoặc khi nó được làm nóng, và sol trở thành gel nhớt do các hạt liên kết thành một mạng dày đặc do khả năng phản ứng của chúng, khi khô, một lớp màng nén được hình thành. Quy trình sol-gel được phát triển sớm nhất vào những năm 1930, nhưng gần đây, nó đã được coi là công nghệ nano hóa học. Một trong những công ty tiên phong trong lĩnh vực này là Viện Vật liệu mới Leibniz (INM) ở Saarbr Cken, Đức [5].

Hình 5. Sơ đồ bề mặt “easy to clean” [4]

Sol-gel có thể được áp dụng cho nhiều loại bề mặt bằng cách sử dụng các quy trình công nghiệp truyền thống như tráng phủ hoặc phun. Các lớp phủ tạo thành chỉ mỏng vài nanomet và trong suốt, là một lợi thế quan trọng so với các vật liệu phủ truyền thống khác như Teflon, có màu tối vì chứa graphit. Quy trình sol-gel đã được sử dụng trong ngành công nghiệp xe cơ giới để sản xuất lớp phủ chống thấm nước cho kính chắn gió hoặc gương chiếu hậu. 

Các chất ngâm tẩm cũng làm cho vật liệu dệt và da bị bẩn và thấm nước, các nhà sản xuất tuyên bố rằng chúng có chứa các hạt nano hoặc dựa trên công nghệ nano. Tuy nhiên, thông thường, các chất hoạt động bề mặt truyền thống được sử dụng, chẳng hạn như nhựa fluorocarbon hoặc dầu silicon, tạo ra một lớp phủ có kích thước nano. Trên thị trường có các vật liệu ngâm tẩm lấy ý tưởng từ lá sen, tạo ra cho bề mặt vật liệu có độ nhám và tính kỵ nước bằng các hạt nano, khiến chúng trở nên không thấm nước.

2.4 Ý nghĩa và hạn chế của công nghệ xử lý hoàn tất tự làm sạch sản phẩm dệt

Ý nghĩa kinh tế của sản phẩm dệt tự làm sạch như sau:

Dễ vệ sinh và bảo vệ môi trường do giảm tác động làm sạch;

Bảo tồn tài nguyên (thời gian, năng lượng và tiền bạc);

Bền với thời gian và tạo cho sản phẩm độ mới lâu dài…

Một số hạn chế của công nghệ xử lý hoàn tất tự làm sạch:

Sản phẩm dệt tự làm sạch mất nhiều thời gian để tự làm sạch, do đó, cần nhiều chất xúc tác hoạt tính hơn để tăng tốc quá trình làm sạch;

Khả năng oxy hóa cao của chất xúc tác sẽ không chỉ làm biến chất vết bẩn mà còn ảnh hưởng xấu đến sợi, vải;

Độ bền cơ học của vải giảm đáng kể;

Chất xúc tác cũng là chất gây kích ứng da;

Lớp phủ tự làm sạch dựa trên công nghệ phủ nano cacbon có khả năng ứng dụng hạn chế vì chúng dễ chuyển sang màu tối sau khi phủ…

2.5 Ứng dụng của công nghệ xử lý hoàn tất tự làm sạch sản phẩm dệt

Các loại vật liệu dệt tự làm sạch được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ vải gia dụng đến vải kỹ thuật trong các ngành công nghiệp, chủ yếu là hàng may mặc, phụ kiện (quần áo thể thao, đồ lót quân phục, quân phục quốc phòng); sản phẩm dệt y tế, sản phẩm vệ sinh; vải bọc, sản phẩm dệt dùng ngoài trời, nội thất ô tô…; một số lĩnh vực khác như cửa sổ kính, biển báo, biểu ngữ, phòng tắm, thiết bị vệ sinh, sàn, ngói lợp, sơn tường, vỏ tàu, đồ nhựa…

Hình 6. Mốt số sản phẩm áp dụng công nghệ tự làm sạch [6]

Các sản phẩm thương mại có sẵn trên thị trường với đặc tính tự làm sạch gồm sản phẩm dệt dùng ngoài trời như lều, ô, dù che nắng, cờ, buồm là những sản phẩm chính, ngoài ra còn có các dòng sản phẩm nanotex và nanosphere (chủ yếu ứng dụng cho áo sơ mi nam với đặc tính tự làm sạch) [6].

Tuy nhiên, đối với quân nhân hoặc những người đi bộ đường dài, những người ở ngoài nắng trong thời gian dài mà không có thời gian hoặc phương tiện để làm sạch quần áo của họ, vật liệu tự làm sạch sẽ lý tưởng vì mặt trời là nguồn tốt để tự làm sạch.

3. KẾT LUẬN

Bài viết giới thiệu một số công nghệ xử lý hoàn tất tự làm sạch bao gồm hiệu ứng lá sen, tráng phủ chất xúc tác quang hoá, công nghệ nano tự làm sạch “easy to clean”; ý nghĩa, hạn chế của các công nghệ và ứng dụng của chúng. Qua đây có thể thấy rằng các công nghệ xử lý hoàn tất cho sản phẩm dệt rất được quan tâm, đầu tư nghiên cứu và ứng dụng, tuy nhiên mỗi công nghệ lại có những tồn tại riêng, mở ra nhiều định hướng nghiên cứu và phát triển hơn nữa.

Tài liệu tham khảo

[1]. Hans J. Ensikat, Petra Ditsche-Kuru, Christoph Neinhuis and Wilhelm Barthlott (2011), “Superhydrophobicity in perfection: the outstanding properties of the lotus leaf”, Beilstein J. Nanotechnol, 2, 152–161, https://doi.org/10.3762/bjnano.2.19.

[2]. “Lotus-Effect - A trade name under copyright for the patented self-cleaning superhydrophobic micro to nano structured surfaces”, http://www.nees.un-bonn.de/lotus/en/faq_html.html.

[3]. Siavash Hosseinpour Chermahini, Kaveh Ostad-Ali-Askari, Saeid Eslamian and Vijay P. Singh (2018), “Recent Progress in Self-Cleaning Materials with Different Suitable Applications”, American Journal of Engineering and Applied Sciences, DOI: 10.3844/ajeassp.2018.560.573.

[4]. Sabine Greßler, Ulrich Fiedeler, Myrtill Simkó, André Gazsó, Michael Nentwich (2010), “Nanotechnology solutions for self-cleaning, dirt and water-repellent coatings”, ITA Nanotrust Dossiers, DOI:10.1553/ITA-nt-020en.

[5]. Dr. B. Senthil Kumar, Asst.Professor (2015), “Self-cleaning finish on cotton fabric using Nano Tio₂ finish extracted from Sol-Gel”, IOSR Journal of Polymer and Textile Engineering, Vol. 2, Issue 1, 1-5.

[6]. Mark T. Sampson (2004), “Self-cleaning” suits may be in your future”, http://www.voyle.net/Nano%20Textiles/Textiles-2004-006.htm.