Ưu nhược điểm của vật liệu Nano - Ứng dụng trong trang trí nội thất

Ứng dụng Nano trong ngành vật liệu xây dựng và trang trí nội thất mới chỉ xuất hiện từ năm 2012 đến nay trên thế giới, nhưng tốc độ phát triển rất mạnh mẽ. Bề mặt Nano nhanh chóng trở thành một trong những tiêu chuẩn quan trọng, trong phân loại và đánh giá chất lượng sản phẩm. 

Trong quá trình bán hàng và ghi nhận ý kiến đánh giá của khách hàng sau khi sử dụng, trangtrinoithatxinh.vn nhận thấy, chất lượng sản phẩm gắn nhãn Nano thay đổi rất lớn giữa các chủng loại sản phẩm và thương hiệu khác nhau. Với trách nhiệm là đơn vị bán lẻ vật liệu, sản phẩm trang trí nội thất hàng đầu Việt Nam, chúng tôi sẽ tổng hợp các thông tin quan trọng về sản phẩm Nano, hướng dẫn đánh giá chất lượng, để khách hàng dễ dàng so sánh và ra quyết định chọn mua

>> So sánh ưu nhược điểm của bồn nhựa và bồn inox

1. Lịch sử phát triển vật liệu Nano

Khái niệm vật liệu Nano được giới thiệu lần đầu tiên bởi nhà Vật lý Richard Feynman, trong văn bản gửi Hiệp hội Vật lý Mỹ vào năm 1959. Tác giả mô tả khả năng dùng các nguyên tử như là thành phần cấu trúc, tạo ra các sản phẩm có kích thước Nano. Ý tưởng này không được chú ý cho đến năm 1974, khi Norio Taniguchi thuyết minh về "Công nghệ Nano", trong Hội nghị Quốc tế Kỹ nghệ Sản xuất tổ chức tại Tokyo, Nhật Bản. Tác giả sử dụng kỹ thuật cắt lát mỏng, tạo các mẫu vật kích thước Nano từ nguyên liệu khối lớn, ứng dụng trong sản xuất vật liệu bán dẫn.

Kết hợp 2 phương pháp trên, năm 1986, Kim Eric Drexler lần đầu tiên mô tả công nghệ Nano phân tử, là quá trình sản xuất vật liệu bằng cách lắp ráp các nguyên tử, phân tử có kích thước Nano. Với ưu điểm tạo ra nguyên liệu ổn định, không bị biến tính do pha lẫn tạp chất, công nghệ này dần trở thành mũi nhọn, trong chiến lược phát triển của nhiều công ty, tổ chức. Đến năm 2015, đã có 1.814 chủng loại sản phẩm ứng dụng công nghệ Nano, do 6.222 công ty, thuộc 32 quốc gia trên thế giới sản xuất [1].

2. Khái niệm sản phẩm phủ Nano

Năm 2017, Tổ chức Sáng kiến Công nghệ Nano Quốc gia (Mỹ) lần đầu tiên định nghĩa công nghệ Nano là "Quá trình nghiên cứu và điều khiển vật liệu kích thước từ 1 đến 100 Nanomet (nm), tạo hướng ứng dụng mới từ tính chất độc đáo của các loại vật liệu này". 1 nm có kích thước bằng 1 phần tỉ mét, công nghệ Nano ngày nay đã có thể điều khiển, tạo ra các hạt Nano có hình dạng, cấu trúc, kích thước, thành phần mong muốn, phục vụ cho các nhu cầu sản xuất khác nhau.

Trong nội dung bài viết, chúng tôi chỉ phân tích sâu về ứng dụng vật liệu Nano trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng và trang trí nội thất. Sản phẩm Nano trong phạm vi bài viết, được hiểu là sản phẩm phủ vật liệu Nano. Đây là nhóm sản phẩm được phủ một hoặc nhiều lớp bề mặt mỏng, kết cấu từ các hạt có cấu trúc siêu nhỏ, đường kính đo lường bằng đơn vị Nanomet (nm). 

3. Các phương pháp phủ Nano

Bề mặt Nano có thể được phủ bằng một trong các phương pháp sau:

3.1. Phương pháp vật lý

3.1.1. Nguyên lý chung

Phương pháp phổ biến là dựa trên Công nghệ mạ chân không PVD (Physical Vapor Deposition), trong đó vật liệu phủ là cực dương (anode), vật liệu cần phủ là cực âm (cathode). Vật liệu phủ ở dạng Nano, có thể là Titanium Nitride, Chrome Nitride, Titanium Carbo-Nitride, Aluminium Nitride, Titanium Nitroxide hoặc các kim loại khác tùy theo màu sắc mong muốn. Vật liệu cần phủ thường là kim loại, có thể là Đồng, Thép không rỉ (inox), Hợp kim ...

Phương pháp này sử dụng kỹ thuật hồ quang điện trong điều kiện chân không, làm bốc hơi vật liệu phủ ở cực dương thành các hạt có kích thước Nano. Các hạt Nano sau đó di chuyển về cực âm, lắng bám 1 lớp mỏng lên bề mặt vật liệu cần phủ. 

Đặc điểm của phương pháp vật lý là quá trình bám dính không xảy ra phản ứng hóa học, không làm thay đổi tính chất, trong khi có thể hạn chế nhược điểm của bề mặt vật liệu ban đầu [1]

3.1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp vật lý 

Lớp mạ PVD có độ cứng cao, độ bám dính cao hơn mạ Chrome nên khả năng bong tróc thấp

>> Chất liệu mạ Chrome là gì và 6 hướng dẫn chọn mua sản phẩm mạ Chrome chất lượng tốt 

Màu sắc đa dạng, là màu sắc thật của chất liệu mạ nên có độ bền màu rất cao (được cho là gần như không bay màu)

Do nguyên tử kích thước Nano nên bề mặt rất mịn, nên khả năng chống bong tróc, chống trầy xước tốt hơn

Có nhiều lựa chọn kỹ thuật khác nhau để tạo màng phủ, sản phẩm thu được có bề mặt đa dạng, như trơn bóng, chải xước, nhám hạt hoặc mờ mịn

Dễ vệ sinh, bền với acid, không bị hoen rỉ do oxi hóa

Ít gây hại môi trường hơn sản phẩm mạ Chrome (sản xuất theo phương pháp điện phân) hoặc sơn phủ (có hàm lượng chất hữu cơ bay hơi cao)

Như vậy, sản phẩm mạ PVD có tuổi thọ cao, màu sắc đa dạng, bề mặt đẹp, nhưng giá bán sản phẩm cao, thường đắt hơn từ 50% so với sản phẩm mạ Chrome do quy trình sản xuất phức tạp.

3.2. Phương pháp hóa học

3.2.1. Nguyên lý chung

Trong sản xuất quy mô công nghiệp, có thể ứng dụng phương pháp hoá học 2 pha (Sol - Gel method) để tạo vật liệu Nano. Với ưu điểm sản xuất được nguyên liệu khối lượng lớn, phương pháp đơn giản, chi phí thấp so với phương pháp vật lý PVD.

Nguyên lý của phương pháp hoá học là dựa trên chuyển đổi giữa 2 pha rắn (Sol) và pha keo (Gel), để bẻ gãy vật liệu ban đầu thành các nguyên tử có kích thước 2 - 5 nm. Vật chất ban đầu có thể là nhóm vô cơ như hợp chất oxid của Nhôm, Kẽm, Titan có tính bền, cứng, giòn, độ trong suốt cao. Hoặc hữu cơ như Acrylic, Silicon có tính dẻo, kháng nước, độ che phủ cao nhưng kém bền. Nhà sản xuất có thể phối trộn 2 nhóm vật chất hữu cơ và hữu cơ, để sản phẩm cuối cùng đạt được hiệu quả sử dụng tốt nhất.

Quy trình thực hiện gồm 2 giai đoạn, là giai đoạn tạo nguyên liệu Nano và giai đoạn phủ bề mặt

Giai đoạn tạo nguyên liệu Nano gồm 2 bước:

Bước thứ nhất, vật chất rắn (Sol) được pha vào dung dịch, tiến hành phản ứng phân ly để phá huỷ liên kết giữa các nguyên tử, tạo thành dịch thể đồng nhất (Gel).

Bước thứ hai, dịch Gel được sấy khô bằng phương pháp siêu tới hạn (Supercritical Method) trong máy gia nhiệt kín, ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tối thích, với dung môi Cồn, Acid hoặc Nước. Mục đích bóc tách các hạt chất lỏng dung môi khỏi dịch Gel, chuyển thành thể khí thoát ra ngoài, vật chất khô còn lại chính là các nguyên tử kích thước Nano. 

Giai đoạn phủ vật liệu Nano lên bề mặt:

Cách thực hiện tuỳ theo quy trình sấy khô, loại dung môi sử dụng và sản phẩm thu được ở giai đoạn tạo nguyên liệu.

(1) Nếu sản phẩm cuối cùng thu được ở dạng Xerogel, thì vật liệu Nano sẽ được dùng để nung chảy phủ lên gạch men, ngói lợp, sứ vệ sinh hoặc kính

(2) Nếu sản phẩm cuối cùng thu được ở dạng Aerogel, sẽ dùng để phun phủ lên bề mặt kém chịu nhiệt như giấy, vải, nhựa, mặt sàn gỗ

(3) Nếu sản phẩm cuối cùng thu được ở dạng Cryogel, sẽ dùng để pha vào sản phẩm sơn nước, chất chống thấm [2]. 

3.2.2. Ưu nhược điểm của phương pháp hoá học

Lớp phủ Nano có tính cách nhiệt rất tốt, do ngăn cản nhiệt độ khuyếch tán xuyên qua. Thí nghiệm cho thấy ở nhiệt độ 35 độ C, vật liệu có phủ Nano chỉ cho phép 64% lượng nhiệt xuyên qua, so với tỉ lệ 98% của bề mặt vật liệu thông thường [3]

Bằng cách trộn lẫn vật chất hữu cơ với vật chất vô cơ, nhà sản xuất có thể tạo ra lớp phủ Nano có khả năng chống thấm rất tốt. Thí nghiệm cho thấy, khi trộn thêm 20% Methyl Methotrexate vào chất cho ban đầu là Silic Oxid, ủ 3 giờ ở nhiệt độ 50 độ C, sẽ tạo ra vật liệu Nano phủ biến tính, không thấm nước trong thử nghiệm 24 giờ [2]

Quá trình sản xuất vật liệu Nano đơn giản, điều kiện nhiệt độ trong khoảng 110 - 150 độ C, hiệu quả sản xuất cao, do đó giá thành sản xuất thấp hơn so với phương pháp vật lý PVD.

Như vậy, phương pháp hóa học có chi phí sản xuất thấp, nhưng khó kiểm soát các điều kiện tương tác hóa học trong quá trình thực hiện, từ đó ảnh hưởng đến độ tinh khiết và chất lượng của sản phẩm Nano tạo ra.

4. Ứng dụng phủ Nano trong sản phẩm trang trí nội thất

4.1. Ngói phủ Nano

Trong quá trình mua hàng, khách hàng có thể bắt gặp sản phẩm ngói Nano Ceramic và ngói tráng men Ceramic, bản chất của 2 loại ngói này hoàn toàn khác nhau. Ngói tráng men Ceramic sản xuất từ đất sét nung, tráng phủ men Ceramic, trong khi ngói Nano Ceramic sản xuất từ xi măng, phun phủ sơn Nano Ceramic. Ở Việt Nam, chưa có sản phẩm ngói tráng men Nano Ceramic.

>> So sánh ngói đất nung, ngói tráng men và ngói xi măng phủ màu

Sơn Nano Ceramic là sản phẩm pha trộn từ hỗn hợp dung môi hữu cơ Acrylic và Sillica, kết hợp hạt TiO2 kích thước Nano. Các phân tử Acrylic liên kết thành chuỗi polyme tạo màng sơn có độ phủ cao và co giãn theo sự thay đổi của thời tiết. TiO2 là chất bán dẫn, có 2 ưu điểm là khả năng phân ly quang và tính kị nước. Sillica là thành phần tạo độ bóng, độ trong suốt, độ cứng của chất liệu Ceramic. 

Ngói phủ sơn Nano Ceramic có khả năng chống thấm, chống bám bẩn do bề mặt siêu mịn, có thể vo tròn hạt nước theo hiệu ứng lá sen. Chống tác hại của tia UV do điện tử trong ánh sáng mặt trời bị phân ly về trạng thái mất năng lượng, nên có thể bảo vệ độ bền màu của bề mặt ngói lên đến 15 - 20 năm, so với thời hạn từ 6 - 10 năm của sản phẩm ngói xi măng phủ màu bằng sơn Acrylic thông thường. 

Khi so sánh trực tiếp với ngói tráng men Ceramic thì chất lượng của ngói sơn phủ Nano Ceramic sẽ không bằng, do có độ bền màu, độ cứng bề mặt thấp hơn và trọng lượng nặng hơn. Tuy nhiên ngói sơn phủ Nano Ceramic có ưu điểm là giá rẻ, trung bình tại thời điểm năm 2022 là 200.000 đ/m2, so với giá trung bình 300.000 đ/m2 của ngói tráng men Ceramic

4.2. Đá ốp lát phủ Nano

Đá ốp lát (Porcelain Tiles) là sản phẩm ép từ hỗn hợp bột đá và đất sét trắng, dùng trong ốp lát bề mặt công trình. So với gạch men, đá có ưu điểm là rất cứng, ít cong vênh, co ngót trong quá trình nung, có thể chịu được cường độ đánh bóng tốc độ cao tạo bề mặt bóng kính.

>> Hướng dẫn đánh giá chất lượng Đá, cách phân biệt Đá và Gạch men

​Tuy nhiên, quá trình đánh bóng sẽ phát lộ lỗ kim, mạch mao dẫn có nguồn gốc là đường thoát khí tự nhiên trong thân đá. Vì vậy, bề mặt đá sẽ bị đổi màu, thân đá giòn cứng dần theo thời gian, do bị thấm hóa chất và nước chứa chất phèn, Clorine trong quá trình sử dụng. Để khắc phục nhược điểm này, nhà sản xuất thường phủ thêm lớp hóa chất kị nước lên bề mặt tạo sản phẩm đá chống thấm. Phương pháp này có chi phí thấp, tuy nhiên độ bền không cao, do lớp chống thấm sẽ dần chuyển màu ố vàng, bị ăn mòn và trầy xước. 

Một phương pháp mới xuất hiện trong khoảng 10 năm gần đây là phủ vật liệu Nano lên bề mặt đá, theo công nghệ phủ - đánh bóng tiếp nối 2 pha. Ở pha thứ nhất, sản phẩm đá sau khi ép khuôn tạo hình, sẽ được phủ hợp chất Polymer hữu cơ có chứa các hạt Nano kích thước từ 5 - 100 nm, đây là các hạt gốc kim loại hoặc á kim nên rất cứng. Sau khi phủ lớp đầu tiên, sản phẩm sẽ được đánh bóng, tiếp tục phủ lớp thứ hai và đánh bóng. Quá trình này phải lặp lại ít nhất từ 6 lần, lên đến 10 lần tùy nhà sản xuất.

Hạt Nano dưới tác động nén chặt của máy đánh bóng, sẽ liên kết bền vững với kết cấu đá tạo thành màng (Film) Nano hữu cơ bền vững. Như vậy, số lần phủ Nano và đánh bóng càng nhiều, thì các lỗ kim càng được bịt kín, bề mặt đá bóng và liên kết ổn định, đạt chất lượng càng cao.

Để bảo vệ màng Nano, sau pha thứ nhất, sản phẩm được phủ thêm 1 lớp hợp chất Polymer - Florine và tiếp tục đánh bóng ở pha thứ hai. Sản phẩm được rửa nước lần cuối, đem vào lò nung ở nhiệt độ 1.250 độ C. Nhiệt độ cao sẽ nung chảy Polymer - Florine, tạo lớp bảo vệ màng Nano không bị phá hủy bởi các loại hóa chất, dung môi acid hoặc kiềm [4]. 

Hình 1. Bề mặt đá bóng kính thông thường (A) và đá bóng kính phủ Nano (B) ở độ phóng đại (500 x) (Nguồn tiledpot.co.nz)

Công nghệ phủ Nano lên sản phẩm đá ốp lát sẽ tạo được sản phẩm không bị ố vàng, bề mặt cứng và chống trầy xước tốt hơn bề mặt đá thông thường. Sản phẩm có độ bóng mịn hoàn hảo, chống bám bẩn và khả năng giữ màu rất tốt. Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm đá phủ Nano khác nhau tùy theo quy trình sản xuất. Để giảm chi phí, nhà sản xuất có thể dùng hợp chất Nano chất lượng thấp, giảm số lần phủ và đánh bóng, không phủ thêm lớp Polymer - Florine bảo vệ trước khi nung, vì vậy độ bền sản phẩm sẽ không cao.

Với sản phẩm giá trị cao, ngoài lớp phủ Nano, nhà sản xuất còn chủ động cải tiến công nghệ để gia tăng chất lượng sản phẩm. Ví dụ, sản phẩm đá ốp lát có bề mặt Nano kháng khuẩn, tự phân giải chất bẩn trong 24h của Đồng Tâm (sản phẩm có ký hiệu H+ trong mã số). Hoặc bề mặt Nano kim cương siêu cứng (sản phẩm dán nhãn in hình viên Kim cương), có hiệu ứng bắt sáng tạo vẻ bóng đẹp vượt trội của Vinagres.

4.3. Sứ vệ sinh phủ Nano

Các sản phẩm sứ vệ sinh (bồn cầu, chậu rửa lavabo, bồn tiểu ...) sản xuất từ thành phần chính là đất sét trắng (Kaolin). Sau khi tạo hình và nung ở nhiệt độ cao, sản phẩm khô cứng, có bề mặt thô, màu kem đục, tông màu không đồng đều do phụ thuộc vào nguồn gốc và độ tinh khiết của nguyên liệu ban đầu.

Để tạo bề mặt bóng đẹp, đáp ứng thị hiếu khách hàng, sản phẩm sứ phải được phun phủ 2 lớp men trước khi nung. Lớp thứ nhất là men nền mờ đục, pha chất tạo màu, phổ biến nhất là màu trắng, sau đó là màu xanh dương, màu xanh ngọc, màu kem hồng, màu đỏ, màu đen ... mục đích che phủ toàn bộ khuyết điểm, tạo màu sắc đồng đều cho sản phẩm. Lớp thứ hai là men phủ, dưới tác động của nhiệt độ nung cao (1.150 - 1.200 độ C), thời gian nung kéo dài (từ 10 - 20 giờ), thành phần Sillica trong chất men sẽ nóng chảy, thủy tinh hóa cứng thành 1 lớp trong suốt phủ bên ngoài.

Sứ vệ sinh là sản phẩm kích thước lớn, cấu trúc hình học phức tạp, bề mặt tiếp xúc giữa thân sứ và lớp phủ rất rộng. Các thành phần trong chất men có tốc độ trương nở nhiệt khác nhau, nên sẽ ảnh hưởng đến độ phẳng bề mặt hoàn thiện cuối cùng. Khi quan sát bề mặt sứ dưới kính phóng đại, sẽ thấy các hốc lồi lõm. Đây chính là vị trí dễ lắng cặn, bám bẩn, vi khuẩn, nấm mốc sinh sôi nảy nở, làm sản phẩm nhanh chóng xuống cấp sau một thời gian sử dụng.

Để khắc phục, nhà sản xuất có thể bổ sung vào chất men các thành phần Bạc (Ag), Titan (Ti), Kẽm Oxid kích thước Nano, với tỉ lệ 2 - 10%, tạo hợp chất men Nano phun phủ lên bề mặt sứ. Lớp thứ nhất có độ dày khoảng 0.2 - 0.7 mm, lớp thứ 2 có độ dày 0.1 - 0.5 mm. Sau khi nung, các hạt Nano Bạc có tác dụng kháng khuẩn do ức chế tế bào vi khuẩn phân chia, Titan tăng độ trắng sáng do có độ che phủ rất cao, Kẽm sẽ bao phủ ngoài cùng, lấp đầy các hốc lõm, tạo bề mặt trơn mịn, chống bám bẩn bằng hiệu ứng lá sen vo tròn hạt nước [5].

Giá cả và chất lượng sản phẩm sứ vệ sinh phủ Nano sẽ thay đổi tùy theo thành phần và tỉ lệ hạt Nano bổ sung, ví dụ sản phẩm bổ sung Nano Bạc (Ag) thì có khả năng kháng khuẩn, nhưng giá bán sẽ rất cao (Tham khảo mẫu mã và giá cả sản phẩm sứ vệ sinh Toto).

>> Hướng dẫn chọn mua bàn cầu tiết kiệm chi phí

Hình 2. Độ mịn của bề mặt sứ vệ sinh có bổ sung lớp phủ Nano so với bề mặt men thông thường (Nguồn eu.toto.com)

Độ bền của bề mặt sứ vệ sinh phụ thuộc rất lớn vào chất lượng nước, thay đổi tùy theo tỉ lệ và thành phần nguyên tố hóa học hiện diện trong nước, tạo độ cứng, độ phèn, độ kiềm, độ acid ... khác nhau. Theo thời gian sử dụng, các gốc tự do trong nước sẽ phản ứng hóa học, tích lũy liên kết, tạo các đốm bẩn hoặc vệt ố vàng, bám chặt trên bề mặt sứ vệ sinh. Đây là lý do cho thấy, để tạo lớp phủ Nano ở các sản phẩm chất lượng cao, nhà sản xuất phải kết hợp thêm các công nghệ khác, ví dụ công nghệ Aqua Ceramic của sản phẩm sứ vệ sinh Inax (dòng sản phẩm có ký hiệu chữ A trong mã số), tạo lớp men sứ ngăn gốc OH trong nước tạo liên kết hóa học, được nhà sản xuất công bố có khả năng duy trì độ trắng sáng bề mặt sứ lên đến 100 năm.

>> Cấu tạo và ưu điểm của chất liệu sứ vệ sinh phủ men Aqua Ceramic

4.4. Kim loại phủ Nano

Sản phẩm kim loại hiện diện rất nhiều trong xây dựng và trang trí nội ngoại thất. Các nguyên liệu Nhôm, Đồng, Sắt ... khá dồi dào, chi phí thấp, độ chịu lực cao, tuy nhiên khi tiếp xúc với không khí, kim loại dễ bị oxi hóa gây ra vết hoen rỉ, thủng rỗ.

Để khắc phục, nhà sản xuất đã bổ sung Nickel và Chrome lên bề mặt kim loại, tạo các sản phẩm thép chống rỉ như inox 201, inox 304 phổ biến trong sản phẩm gia dụng và inox 316 phổ biến trong sản xuất bồn chứa, dụng cụ y tế, máy lọc nước ... do đòi hỏi độ tinh khiết rất cao. 

Mỗi loại inox có ưu nhược điểm, phù hợp với các công năng sử dụng khác nhau, nhưng đều có đặc điểm chung là sẽ hoen rỉ khi bị trầy xước, dễ bám bẩn, bám dấu vân tay, màu sắc đơn điệu và khả năng chống chịu môi trường nước mặn thấp. Các nhược điểm này có thể khắc phục bằng phương pháp phủ Nano.

Chất lượng sản phẩm kim loại phủ Nano phụ thuộc rất lớn vào hợp chất Nano sử dụng, độ mịn của hạt Nano và số lớp phủ nhiều hay ít. Các hợp chất kết hợp nhiều nguyên tố khác nhau sẽ có tác dụng bảo vệ tốt hơn so với chỉ sử dụng đơn chất. Ví dụ, nếu sử dụng hợp chất Nano Kẽm, sản phẩm có bề mặt láng mịn, màu sáng trắng, nhưng khả năng chống oxi hóa của Kẽm nguyên chất lại khá thấp ở điều kiện nhiệt độ cao, dễ gây ra các vết hoen rỉ nghiêm trọng. Khi sử dụng hợp chất dạng hợp kim Nano Kẽm - Nickel sẽ khắc phục được nhược điểm này, nhưng màu sắc bề mặt sản phẩm không trắng sáng bằng và chi phí sản xuất cao hơn [6]. 

Tương tự, hợp chất kết hợp giữa chất hữu cơ và Nano vô cơ, hoặc sử dụng hạt Nano kích thước càng nhỏ, thì có độ bám dính, khả năng chống bong tróc càng cao. Trong 2 thử nghiệm phủ hợp chất Epoxy - Nano Kẽm lần lượt 3 lớp và 4 lớp, tạo các vết rạch để lộ bề mặt inox và để mẫu thử trong môi trường không khí chứa 3.5% NaCl, mô phỏng môi trường không khí mặn ở khu vực gần biển. Kết quả ở Hình 3 cho thấy, phần bề mặt phủ Nano không bị rỉ sét, phần bề mặt inox (vị trí vết rạch) xuất hiện rỉ sét sau 180 ngày. Mẫu phủ 4 lớp ít đốm rỉ hơn mẫu phủ 3 lớp, thể hiện hiệu quả bảo vệ của 4 lớp phủ cao hơn [7]

Hình 3. Vị trí bề mặt inox không phủ Nano (vết rạch) bị rỉ sét sau 180 ngày thử nghiệm ở môi trường có độ muối cao (nguồn researchgate.net)

5. Hướng dẫn phân biệt bề mặt phủ Nano và bề mặt thông thường

Khi mua hàng, vấn đề khách hàng quan tâm nhất là làm thế nào để phân biệt sản phẩm có bề mặt phủ Nano so với bề mặt thông thường, có phương pháp nào để so sánh chất lượng giữa các bề mặt Nano với nhau hay không. Tổng hợp thông tin từ rất nhiều tài liệu, Trangtrinoithatxinh.vn cung cấp một số phương pháp như sau:

5.1. Phương pháp quan sát bề mặt

Trong sản xuất, hạt nguyên liệu được phân thành 3 nhóm tùy theo kích cỡ. Hạt Nano kích cỡ từ 1 - 100 nm, hạt mịn kích cỡ từ 100 - 250 nm, hạt thô kích cỡ từ 250 - 1000 nm (tương đương 0.01 mm).

Được phủ bởi các hạt kích thước Nano, có khả năng lấp kín bề mặt với khoảng cách giữa các hạt vô cùng nhỏ, nên bề mặt Nano có các đặc điểm nổi bật là độ che phủ, độ mịn rất cao và màu sắc đa dạng. Để đánh giá bằng mắt thường, cần quan sát bề mặt Nano và bề mặt thông thường dưới góc nhìn nghiêng khoảng 45 độ.

Hình 4. Quan sát sản phẩm thông thường và sản phẩm phủ Nano ở góc nhìn nghiêng

So sánh các hình ảnh ở Hình 4 có thể thấy, do được lấp kín và độ mịn cao nên bề mặt phủ Nano rất đều màu, phản chiếu ánh sáng đồng đều như nhau. Bề mặt thông thường sẽ thô ráp hơn, có điểm đậm nhạt, bắt sáng không đều màu. 

Màu sắc bề mặt do hạt Nano quyết định, nên không giống như inox 304 chỉ có 1 màu xám kim loại (Metallic Grey) duy nhất, sản phẩm phủ Nano có thể có nhiều màu, như xám đen (Titan Black), vàng (Gold), đồng (Copper), hồng vàng (Rose Gold), trắng bạc (Silver) ...

Theo thông tin từ nhà sản xuất Meibaotai.com, khi chọn mua sản phẩm phủ Nano bằng phương pháp mạ PVD, khách hàng có thể gặp phải trường hợp sản phẩm giả PVD theo phương pháp phun phủ bề mặt bằng dung dịch pha màu (xem thêm sản xuất vòi mạ Chrome giả bằng phương pháp phun xịt Tại đây). Sau một thời gian sử dụng, sản phẩm phun xịt sẽ nhanh chóng phai màu, lớp phủ bong tróc từng mảng lớn, lộ màu vật liệu ở phía trong.

Cách phân biệt là dựa trên quan sát, so sánh màu sắc. Màu bề mặt Nano do hạt Nano tạo thành, đây là các hạt nguồn gốc vô cơ, gần như không biến tính ở các điều kiện sản xuất khác nhau như thời gian, nhiệt độ, hiệu điện thế, dung môi. Màu sắc sản phẩm nhìn rất thật (natural color), không bị chảy nhòe, thâm tái hoặc tươi sáng, rực rỡ quá mức so với thực tế. Sản phẩm không có hiện tượng sai màu, chênh lệch đậm hơn hoặc nhạt hơn so với màu chuẩn giữa các đợt sản xuất khác nhau. 

Hình 5. Vách ngăn trang trí nội thất phủ Nano bằng phương pháp mạ PVD (nguồn meibaotai.com)

5.2. Phương pháp thử nước

Hạt Nano kích thước rất nhỏ, phủ lên bề mặt theo cấu trúc phân cấp (Hierarchica structure), giữ góc tiếp xúc giữa hạt nước và mặt phẳng luôn lớn hơn 70 độ. Đây là kiểu cấu trúc bề mặt lá sen, khi góc nâng lớn hơn 70 độ, liên kết yếu Hydro giữa các phân tử nước không bị trọng lực phá vỡ, giọt nước luôn được duy trì ở dạng hình cầu hoàn hảo. Giọt nước lăn tròn sẽ cuốn theo các chất bẩn, giữ bề mặt lá sen luôn sạch sẽ.

Hình 6. Cấu trúc phân cấp vo tròn hạt nước (nguồn Trangtrinoithatxinh.vn)

Từ đặc điểm này, có thể so sánh bằng cách đổ nước lên bề mặt Nano và bề mặt thông thường, sau đó nghiêng mặt phẳng để kiểm tra giọt nước. Ở bề mặt Nano, hạt nước có dạng vo tròn, trong khi ở bề mặt thông thường, nước sẽ chảy loang.

Hình 7. Bề mặt gỗ phủ Nano (trái) và không không phủ Nano (phải) 

Hình 6 cho thấy, khả năng vo tròn hạt nước của bề mặt Nano phụ thuộc vào mức độ phân cấp ít hay nhiều, cấu trúc càng phân cấp thì chi phí sản xuất càng cao. Như vậy, cũng bằng phương pháp thử nước, nếu sản phẩm nào vo tròn hạt nước hoàn hảo hơn, thì có thể kết luận bề mặt chất lượng tốt hơn.

Hình 8. Hình ảnh so sánh giọt nước để đánh giá chất lượng bề mặt Nano (nguồn Trangtrinoithatxinh.vn)

5.3. Phương pháp dấu vân tay

Bề mặt sản phẩm thông thường đều bám đấu vân tay, với đặc điểm bề mặt càng bóng càng dễ bám, dấu vân tay hiển thị càng rõ ràng, gây khó chịu cho người sử dụng. Trong dấu vân tay, ngoài nước, còn có mồ hôi, chất muối, chất acid, chất dầu và các thành phần hóa mỹ phẩm khác. Sau khi nước bốc hơi, các chất này sẽ lưu trữ lại, làm hư hỏng vật liệu bề mặt.

Sản phẩm Nano có thể khắc phục nhược điểm này, nguyên nhân do hạt Nano quá nhỏ, không đủ diện tích tiếp xúc để bám dấu vân tay. Đây là cơ sở của phương pháp dấu vân tay để so sánh bề mặt Nano với bề mặt thông thường. Bằng cách đặt ngón tay lên bề mặt và giữ trong khoảng 30 giây, quan sát kết quả ở góc nghiêng 45 độ, sẽ thấy dâu vân tay hiển thị khá rõ ràng trên bề mặt không phủ Nano.

Hình 9. Hình ảnh bề mặt thông thường có bám dấu vân tay (A) so với bề mặt Nano (B) (nguồn Trangtrinoithatxinh.vn)

Tuy nhiên, nghiên cứu mới gần đây cho thấy, khả năng bám dính dấu vân tay của bề mặt Nano còn phụ thuộc vào thành phần mồ hôi của mỗi người. Người nào có lượng chất dầu tiết ra nhiều, nồng độ Lipid dạng sáp cao, thì khả năng bám dính dấu vân tay lên bề mặt càng lớn [9].

Hiểu rõ điều này, nhà sản xuất đã nghiên cứu cải tiến công thức vật liệu Nano phủ, bổ sung thêm hạt Nano có độ chiết quang tương tự chất sáp dầu của con người. Với mục đích làm cho hình ảnh dấu vân tay trở nên vô hình, không quan sát được trong điều kiện ánh sáng thông thường, ngay cả trường hợp dấu vân tay có độ bám dính bề mặt rất cao.

Với những sản phẩm cao cấp hơn, thành phần lớp phủ Nano còn được bổ sung chất hoạt động bề mặt, có hoạt tính phân giải các chất khó tan trong dấu vân tay, giúp bề mặt nhanh chóng trở về trạng thái sạch sẽ ban đầu.

Như vậy, phương pháp dấu vân tay còn có thể giúp đánh giá, so sánh chất lượng giữa các bề mặt Nano với nhau. Bề mặt càng ít thấy dấu vân tay, hoặc dấu vân tay càng nhanh chóng biến mất, thì chất lượng càng tốt.

6. Các mặt hạn chế của sản phẩm phủ Nano

Bên cạnh ưu điểm, sản phẩm phủ Nano cũng có các nhược điểm sau:

6.1. Hạn chế kỹ thuật

Quy trình sản xuất Nano theo phương pháp vật lý PVD có một số hạn chế về mặt kỹ thuật, nên gần như không thể mạ phủ đầy đủ bề mặt sản phẩm có cấu trúc hình học phức tạp. 

Sản xuất vật liệu Nano thường vận hành ở điều kiện nghiêm ngặt, đòi hỏi người vận hành phải có kỹ thuật và luôn phải theo dõi giám sát. Cần hệ thống máy móc hiện đại, làm tăng chi phí sản xuất, đẩy giá sản phẩm tăng cao

Hiện nay, sản phẩm phun xịt Nano đã có sẵn trên thị trường, khách hàng có thể mua về để xịt lên kính, xe ô tô, sứ vệ sinh ... để tăng độ bóng mịn và khả năng bảo vệ bề mặt. Tuy nhiên cần lưu ý, bề mặt phủ Nano có thể bong tróc trong quá trình sử dụng. Khi đã bong tróc, sẽ ảnh hưởng đến tính mỹ thuật của sản phẩm do không thể sửa chữa, tái lập bề mặt như ban đầu. Ngoài ra, hợp chất Nano có thể đi vào phổi theo đường hít, gây nhiều hệ lụy cho sức khỏe sau này.

Hạt Nano hoạt động theo cơ chế lấp đầy lỗ trống, độ tích điện của khu vực đường biên xung quanh hạt Nano luôn cao hơn các khu vực khác. Sự chiếm chỗ và lực tương tác điện thụ động sẽ làm xê dịch, thay đổi khoảng cách của các phân tử vật liệu ban đầu. Đây là nguyên nhân khiến nhiều vị trí trên bề mặt vật liệu phủ Nano dễ bị ăn mòn, phá hủy hơn vật liệu thông thường [6]

6.2. Khả năng gây độc đối với con người

Khi vật liệu biến đổi từ kích thước khối lớn sang kích thước Nano, các đặc tính vật lý và hoá học sẽ biến đổi theo, trở thành chất lạ đối với con người. Cơ thể loài người trải qua quá trình tiến hoá và thích nghi lâu dài, các vật chất được xem là "Lạ" khi xâm nhập trực tiếp vào cơ thể, hoặc gián tiếp qua các mặt xích trong chuỗi thức ăn, sẽ có xu hướng tích luỹ trở thành chất độc đối với thận, gan, hệ thần kinh, gây rối loạn hoạt động miễn dịch, sinh sản và nội tiết. 

Hạt Nano có thể kết hợp với đại phân tử trong cơ thể người, làm thay đổi hoạt tính bề mặt, ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của các phân tử này. Ví dụ, enzym mất khả năng xúc tác, hormon mất khả năng dẫn truyền tín hiệu, kháng thể mất khả năng miễn dịch ...

Về lâu dài, các hạt Nano có thể xâm nhập vào cấu trúc vật chất di truyền (ADN), gây ung thư, tạo đột biến, di truyền các tính trạng không mong muốn cho các thế hệ tiếp theo.

Cho đến nay, nghiên cứu đầy đủ về đặc tính vật liệu Nano vẫn còn nhiều khó khăn. Các dữ liệu chính xác về cấu trúc, điểm sôi, điểm nóng chảy, thành phần, chiều hướng phản ứng, khả năng hoà tan trong nước, độ ổn định, áp suất bay hơi ... của các vật liệu Nano chưa đầy đủ. Do đó, chưa thể đánh giá toàn diện về khả năng gây hại của vật liệu Nano lên sức khoẻ của con người và môi trường. Đây là yếu tố nguy cơ, khiến không ít nhà khoa học lên tiếng phản đối, cho rằng chưa nên áp dụng rộng rãi vật liệu Nano trong sản xuất, đặc biệt là các sản phẩm trực tiếp tiếp xúc với con người [8].

7. Kết luận

Từ các thông tin trên có thể thấy, không phải sản phẩm Nano nào cũng có chất lượng tốt như nhau. Ngoài quy trình phủ Nano thông thường, nhà sản xuất còn có nhiều cải tiến công nghệ để bổ sung tính năng, đáp ứng nhu cầu sử dụng của khách hàng. Việc thay đổi công thức vật liệu Nano phủ, nghiên cứu điều kiện sản xuất tối ưu, cài đặt quy trình, thời gian chuẩn xác sẽ là các yếu tố rất quan trọng, đảm bảo chất lượng, độ bền sản phẩm trong quá trình sử dụng. 

Vật liệu Nano có tác động đến sức khỏe con người, việc sử dụng vật liệu Nano giá rẻ, có nhiều thành phần kim loại nặng, sẽ là mối nguy hại cần lưu ý. Do nhà sản xuất không công bố chi tiết thành phần vật liệu Nano được sử dụng, nên khi chọn mua sản phẩm phủ Nano, khách hàng nên đánh giá chất lượng gián tiếp thông qua các tiêu chuẩn sản xuất đảm bảo an toàn sức khỏe, được thế giới công nhận.

Xem thêm

Inox 201 là gì, khi nào nên sử dụng inox 201?

Inox 316 là gì, trường hợp nào nên sử dụng inox 316?

Tại sao nhiều mẫu vòi nước cao cấp lại có giá bán rất rẻ trên thị trường?

Nên mua gạch ốp lát kích thước bao nhiêu để đảm bảo độ bền công trình?

Cách chọn mua bàn cầu tiết kiệm chi phí?

Làm sao để phân biệt gạch men và đá khi mua hàng?

Làm thế nào để đánh giá chất lượng gạch men bằng mắt thường?

Gạch bông là gì, nên sử dụng ở đâu là đẹp?

Tài liệu tham khảo

[1] Mohajerany et al., 2019. Nanoparticles in Construction Materials and Other Applications, and Implications of Nanoparticle Use. Materials (Basel). Volume 2019, Oct; 12 (19): 3052

[2] Bokov et al., 2021. Nanomaterial by Sol-Gel Method: Synthesis and Application. Advances in material science and engineering. Volume 2021, Article ID 5102014

[3] Yang et al., 2020. Rapid sintering method for highly conductive Li7La3Zr2O12 ceramic electrolyte. Ceramics International, Volume 46, Issue 8, Part A, 1 June 2020, Pages 10917-10924

[4] The Tiles Depot, 2016. What is polished porcelain and is nano sealing? In "General Tile Knowledge" Catelogies, 15 November 2016.

[5] Huida Sanitary Ware Co Ltd, 2007. Sanitary ware with nano self-cleaning enamel and its making process. Application filed by Tangshan Huida Ceramic (Group) Corp Ltd, Publication of CN100357228C

[6] Abdeen et al., 2019. A review on the corrosion behaviour of nanocoatings on metallic substrates. Material, 2019, 12 (210): 1-42.

[7] Li et al., 2018. The role of Stainless Steel flakes Epoxy intermediate Nano-coating in the Heavy-duty Nano organic coating system. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 394 (2018) 022072

[8] Hardy et al., 2018. Guidance on risk assessment of the application of nanoscience and nanotechnologies in the food and feed chain: Part 1, human and animal health. EFSA J. 2018 Jul 4;16 (7)

[9] Fraunhofer, 2019. Keine fettabdrucker dank nanolack. Forschung Kompakt, Seite 1 - 3.