Công nghệ bức xạ trong ngành công nghiệp Dệt

Sự tiến bộ không ngừng của công nghệ đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu phát triển các kỹ thuật mới nhằm hoàn thiện và tăng chất lượng cho vật liệu trong ngành dệt may hiện nay như vải địa kỹ thuật, vải chống cháy, vải chống côn trùng, vải thơm, vải y tế, vải dệt thông minh, dệt kháng khuẩn và vải nano.v.v. Những phát triển gần đây trong ngành dệt may chủ yếu tập trung vào các biến đổi vật lý và hóa học trên bề mặt của sợi và vải. Các phương pháp hóa học và sinh học được sử dụng để cải thiện hoặc truyền các đặc tính chức năng vĩnh viễn trên bề mặt của vật liệu dệt. Tuy nhiên, các phương pháp này thường phát sinh nhiều hóa chất độc hại và chi phí cao. Công nghệ bức xạ bước vào như một cánh cửa mới dành cho ngành công nghiệp dệt may không hóa chất, dễ xử lý và tốc độ xử lý cao, biến đổi được bề mặt vải dệt và cải thiện khả năng hấp thụ thuốc nhuộm, khả năng in, độ bền, độ bám dính của lớp phủ và hấp phụ các hóa chất đã qua sử dụng.

Chiếu xạ gamma trên vải dệt

Tia gamma là bức xạ điện từ năng lượng cao có năng lượng trên 100 keV và bước sóng nhỏ hơn 10 picomet. Việc biến đổi bề mặt của vải dệt bằng chiếu xạ tia gamma hiện là một trong những phương pháp nhiều tiềm năng và đầy hứa hẹn.

Các đặc tính cơ học lý tưởng với khả năng chịu nhiệt và oxy hóa, tính ổn định của môi trường làm cho vải sợi carbon trở thành vật liệu lý tưởng trong lĩnh vực composite tiên tiến hiện nay như chế tạo bảng điều khiển năng lượng mặt trời, sản xuất thân vỏ của xe điện. Tất cả các đặc tính đó phụ thuộc phần lớn vào độ kết dính của các bề mặt, cuối cùng ảnh hưởng đến tính chất tổng thể của vật liệu tổng hợp tạo thành. Gần đây, phương pháp tổng hợp sử dụng bức xạ đã được áp dụng rộng rãi như một phương pháp cạnh tranh để phát triển các vật liệu có đặc tính mới. Đây là phương pháp dễ dàng làm đồng đều các bề mặt vải, đơn giản, thân thiện môi trường và linh hoạt. Các đặc tính hóa đồng nhất hơn nhiều so với phương pháp điện hóa truyền thống.

Hiện nay, màng polyme được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu y sinh (tiếp xúc với máu). Vải không dệt polypropylene sulfo hóa (PPNWF) cũng nhờ đó mà được điều chế thành công thông qua quá trình trùng hợp ghép gây ra bởi bức xạ tia gamma của natri styrenesulfonate (SSS) và acrylamide (AAm).

Sơ đồ điều chế PPNWF sulfo hóa thông qua phương pháp chiếu xạ gamma

Quá trình trùng hợp cograft gây ra bởi tia gamma đã được sử dụng rộng rãi cho các vật liệu polyme biến tính nhờ quy trình đơn giản. Acrylonitrile (AN) cũng được sử dụng phổ biến trong việc biến đổi vật liệu và tiếp theo có thể thu được nhóm amidoxime bằng cách xử lý hóa học từ nhóm nitrile để tăng hiệu quả hấp phụ đối với các ion nặng. Trong một nghiên cứu được thực hiện vào năm 2013 bởi Liu và các đồng nghiệp, phương pháp trùng hợp cograft nhũ tương cảm ứng được sử dụng để đưa AN và AA lên vải không dệt polyethylene PE. Việc sử dụng AA là để cải thiện tính dễ thấm nước của vải biến tính. Ngoài ra, SSS cũng được ghép vào PPNWF thông qua phương pháp chiếu xạ gamma với sự tồn tại của N-vinyl-2-pyrrolidone. PPNWF được sửa đổi cho thấy khả năng tương thích tốt với máu, tỷ lệ tan máu thấp hơn và độ kết dính tiểu cầu thấp hơn. Bên cạnh đó, PPNWF được cải tiến có thể kéo dài thời gian đông máu và cho hiệu quả chống đông máu tốt hơn.

Ngành công nghiệp dệt may là một trong những nguồn gây ô nhiễm nước lớn. Nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm bị nhiễm các chất tạo màu tổng hợp độc hại và các hóa chất nguy hiểm. Bởi thế, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra phương pháp phân hủy các phân tử thuốc nhuộm và các chất ô nhiễm hữu cơ của nước thải dệt nhuộm bằng cách sử dụng chiếu xạ gamma. Nước thải được chiếu xạ có thể tái chế trong quy trình dệt ướt và ngoài ra còn có thể tái sử dụng cho mục đích nông nghiệp.

Sự hiện diện của các kim loại độc hại và vi sinh vật gây bệnh trong nước uống là nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. Nhằm giảm thiểu tác hại đó, từ năm 2013, các nhà khoa học đã đưa ra phương pháp mới được sử dụng là chiếu xạ gamma để cố định AgNP trên vải không dệt polyethylene (PE) ghép acrylic nhằm xử lý nước uống.

Vải PE được xử lý bằng hỗn hợp dung dịch axeton/H₂O và được làm khô trước khi chiếu xạ. Các mẫu vải PE được chiếu xạ với liều lượng lên đến 50 kGy bằng nguồn Co-60. Sau đó, thực hiện các phản ứng ghép ở ∼90°C trong một bình chứa 1 g PE đã được chiếu xạ trước, 0,05 g muối Mohr và AA với nồng độ 10–50% (v/v) trong 100 ml dung dịch nước. Các mẫu PE-g-PAAc được ngâm qua đêm ở nhiệt độ phòng trong dung dịch keo Ag NP và sau đó loại bỏ Ag NP dư, rửa sạch bằng nước tinh khiết và làm khô trong tủ sấy ở 70°C trong 2 giờ. Vải khô sau đó được ủ ở 120^oC trong 1 giờ để este hóa nhóm –COOH của PAAc với nhóm –OH của rượu Polyvinyl (PVA). Dựa trên hiệu quả diệt khuẩn và trong giới hạn cho phép, vải PE-g PAAc/Ag NP có thể được sử dụng để xử lý nước uống. Ngoài ra, dạng bộ lọc này còn có thể được sử dụng trong máy lọc không khí và các ứng dụng khác.

Các ion bạc được khử hiệu quả bằng chiếu xạ gamma và cố định trên vải bông bằng cách tổng hợp tại chỗ. Hàm lượng Ag NP lắng đọng trên vải là 1.696 mg/kg, khi mẫu vải được chiếu xạ trong dung dịch 1,5 mM Ag NO và 1,0% chitosan ở liều 13,8 kGy ở 30°C. Hiệu quả kháng khuẩn của vải Ag NP sau khi giặt 40 chu kỳ giặt là khoảng 99,99% đối với Staphylococcus aureus và E. coli. Việc giặt AgNP/vải bông từ 1 đến 40 chu kỳ không gây hại cho da (k = 0). Các kết quả này khẳng định rằng chiếu tia gamma lên vải bông với sự có mặt của dung dịch AgNO và chitosan là cách tiếp cận đầy hứa hẹn đối với các loại vải kháng khuẩn có tính ổn định, an toàn và hiệu quả.

Trong những thập kỷ qua, những vật liệu có khả năng chống thấm dầu và nước cao đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các ngành công nghiệp khác nhau. Các acrylat perfluoroalkyl phosphat đã được ghép vào vải bông thông qua chiếu xạ gamma để cải thiện các đặc tính kỵ nước và kỵ khí.

Ảnh chụp giọt nước và dầu hướng dương trên mẫu ghép

Kết quả cho thấy vải trở nên kỵ nước và kỵ khí cao với góc tiếp xúc trên 150^o và 140^o tương ứng với nước và dầu hướng dương. Ngoài ra, hiện nay các nhà khoa học cũng đã đưa ra được một công thức mới cho lớp phủ để cải thiện đặc tính chống tia cực tím trên vải cotton, PET và cotton/PET. Chiếu xạ gamma được áp dụng để bảo quản bề mặt lớp phủ này.

Chiếu xạ tia cực tím (UV)

Một trong những phương pháp hiệu quả và tiết kiệm nhằm sửa đổi lớp bề mặt cho cả polyme tự nhiên và polyme tổng hợp là chiếu tia UV. Sự kích thích và phân ly của các cao phân tử diễn ra trong quá trình tiếp xúc với tia cực tím, được gọi là quá trình oxy hóa nhạy sáng. Nhờ cơ chế phản ứng, độ sâu về màu của vải polylactide (PLA) và polyethylene terephthalate (PET) được tăng lên. Sự gia tăng đó được cho là do bề mặt của vải trở nên thô ráp khi bị chiếu xạ UV.

Theo các kết quả nghiên cứu đã công bố, các màng lọc nano polyamide dạng màng mỏng được biến tính bằng axit acrylic (AA) và chiếu xạ UV. Sự ảnh hưởng của tia UV và bổ sung AA đối với hiệu suất và hình thái của màng lọc nano đã được các nhà khoa học kiểm chứng và xác định tương đối rõ ràng từ những thí nghiệm và công trình nghiên cứu trước đây. Màng nano thu được cũng cho thấy khả năng loại bỏ Na₂SO₄ và đặc tính tách ion hóa trị hai khỏi các ion đơn hóa trị.

Trong những năm gần đây, rất nhiều phương pháp đã được đưa ra nhằm biến đổi vải PET trở nên ưa nước hơn. Tuy nhiên, tính ưa nước của bề mặt PET đã qua xử lý không bền vì vật liệu ưa nước phủ lên bề mặt dễ dàng bị hòa tan trong quá trình rửa nhiều lần. Việc chiếu xạ và xử lý bằng tia UV với nano-TiO₂, H₂O₂ và NaOH lại cải thiện đáng kể nhược điểm này, làm tăng tính ưa nước của vải PET. Với thời gian chiếu xạ khoảng 30 phút, tia UV có thể làm cho vải gần như thấm ướt và khi thời gian chiếu xạ đạt 40 phút sẽ làm cho vải trở nên siêu ưa nước. Kết quả thu được với khả năng thấm ướt lớn nhất và bền nhất thu là khi chiếu tia UV đạt 40 phút kết hợp với 30 g/L nano-TiO₂, 50 g/L H₂O₂ và 30 g/L NaOH. Các đặc tính cơ lý có lợi của vải PET vẫn được giữ lại sau khi chiếu, độ bền đứt gãy và độ giãn dài giảm đi không đáng kể. Tính ưa nước của vải PET có thể được coi là vĩnh viễn vì bề mặt của vải PET đã được biến đổi về mặt hóa học khi có sự xuất hiện của các nhóm ưa nước.

Ngoài ra phương pháp trên, các nhà khoa học đã tiến hành ghép các nhóm sulfonic trên bề mặt của vải PET, dựa trên việc xử lý UVC với phân tử khí SO₃. Những sửa đổi này đã cải thiện đặc tính ưa nước của bề mặt vải PET. Nguyên lý cơ bản của phương pháp là đưa một luồng khí có chứa các phân tử SO vào bình chứa giữa đèn UVC và vải xử lý. Đèn UVC phát ra ánh sáng mạnh (phát ra 512 kJ/mol cho mỗi photon) và gần như đơn sắc (254 nm). Tác động này cho phép các sợi PET hoạt hóa chức năng mà không làm hỏng các đặc tính của chúng. Các nhóm sulfonic (SOH) được đưa vào các hợp chất thơm thông qua phản ứng thế electrophin. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng sunfonat hóa.

Thiết bị xử lý UVC

Các kết quả nghiên cứu cũng đã chứng minh phương pháp chiếu xạ UVC (254 nm) dưới dòng khí Cl có tiềm năng ghép các loại vải dệt PET. Kỹ thuật này mang đến nhiều ưu điểm như xử lý dễ dàng, quy trình rẻ, không dung môi, không làm thay đổi lớn các đặc tính. Các phân tích bằng kính hiển vi điện tử (SEM) cho thấy quá trình clo hóa chỉ xảy ra ở bề mặt của sợi mà không làm thay đổi số khối của sợi. Nhiệt kế đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) cũng chỉ ra rằng các đặc tính nhiệt của vải PET vẫn được duy trì. Đặc tính tương hợp của vải biến tính với thuốc nhuộm có nhiều hơn so với các mẫu không được xử lý. Có được sự liên kết tốt giữa hai vật liệu khác nhau là rất quan trọng đối với quá trình gia công hoàn thiện hàng dệt may. Quy trình chiếu xạ UV cải thiện sự kết dính giữa PET và chất liệu nhựa dẻo Tuftane (TPU).