Các sản phẩm da đã được sử dụng rộng rãi từ thời cổ đại. Việc ứng dụng da có thể được truy溯 nguồn gốc từ thời kỳ đồ đá cũ. Vào thời đó, tổ tiên chúng ta đã có thể sử dụng da động vật để may quần áo bằng da. Với sự cải tiến liên tục của công nghệ, nhu cầu của con người đối với các sản phẩm da cũng không ngừng được nâng cao. Từ “da sống” đơn giản đến “da đã qua xử lý” và việc theo đuổi sản xuất da đa chức năng với các đặc tính vượt trội như chống thấm nước, chống dầu, chống cháy. Đồng thời, sự xuất hiện của da nhân tạo với các đặc tính ưu việt đặc biệt đã thách thức da tự nhiên.
Khả năng chống thấm nước là một đặc tính không thể thiếu của da hiện đại. Loại da dùng rộng rãi nhất cho quần áo và giày dép đều đòi hỏi khả năng này.chống thấm nướcNhu cầu về sản phẩm da đang tăng lên từng ngày. Đối với nhiều sản phẩm da, điều kiện mua hàng của người tiêu dùng cũng bao gồm yếu tố “chống thấm nước”. Sự ứng dụng rộng rãi của công nghệ chống thấm nước khiến khả năng chống thấm nước dường như trở thành một trong những đặc tính vốn có của da. Ngày nay, nhiều công nghệ xử lý chống thấm nước đã được phát triển. Loạt bài này đã tổng hợp một cách hệ thống các nội dung liên quan đến nghiên cứu chống thấm nước của da từ ba khía cạnh: khái niệm chống thấm nước của da, cơ chế chống thấm nước và công nghệ xử lý chống thấm nước. Bài viết này chủ yếu giải thích khái niệm và cơ chế chống thấm nước.
1. Khái niệm cơ bản về khả năng chống thấm nước của da
Mấu chốt của việc làm cho da chống thấm nước là ngăn nước xâm nhập vào mặt trong của da. Vì bản thân da có tính ưa nước, nên da tự nhiên thường được thuộc và quá trình này không thể tránh khỏi. Tính ưa nước của da được tạo thành từ các sợi collagen đan xen trong không gian ba chiều, và có vô số ống mao dẫn với bán kính khác nhau giữa các sợi. Sau khi thuộc da, việc bổ sung các hóa chất đã tạo ra nhiều nhóm phân cực hơn, chẳng hạn như nhóm hydroxyl, carboxyl và amino. Do nguyên tắc tương thích tương tự, các nhóm phân cực này có thể tạo liên kết với nước.
Sau khi da tiếp xúc với nước, sự hiện diện của một lượng lớn các nhóm phân cực khiến da trở nên ưa nước và thấm hút ẩm. Đồng thời, sự tồn tại của các ống nhỏ trong da cho phép da hấp thụ nước vào bên trong. Và khả năng chống thấm nước là ngăn chặn sự xảy ra của các quá trình trên, vì vậy khả năng chống thấm nước có thể được tóm tắt thành ba loại sau:
(1) Không dưỡng ẩm: Ngăn chặn đặc tính bề mặt của fibrin biểu mô, vốn ẩm ướt trên bề mặt nước, là tham chiếu nước.
(2) Không thấm nước: khả năng ngăn da hấp thụ nước và thấm vào bên trong, tức là khả năng chống nước.
(3) Khả năng chống nước chính xác: Khả năng ngăn nước thấm từ mặt da này sang mặt da khác, tức là Chống thấm nước.
Trên đây là ba khía cạnh của khả năng chống thấm nước. Khả năng chống thấm nước cần bao gồm ba khía cạnh này, đề cập đến khả năng của da trong việc chống lại sự hấp thụ nước, tính thấm nước và khả năng bị ướt bởi nước. Tuy nhiên, khả năng chống thấm nước của các loại da chống thấm hiện có thường không đáp ứng được cả ba khía cạnh này. Ví dụ, mặc dù một số loại da chống thấm có thể bị ướt trên bề mặt, nhưng khả năng chống thấm nước động của chúng lại kém; mặc dù một số loại da chống thấm không thể bị ướt trên bề mặt, nhưng khả năng chống thấm nước động của chúng lại kém. Sự tồn tại của hiện tượng này khiến nhận thức của mọi người về da chống thấm trở nên mơ hồ hơn. Để chế tạo một loại da chống thấm cao cấp, trước hết chúng ta phải làm cho nó vừa chống thấm nước tĩnh vừa chống thấm nước động. Trên cơ sở đó, nó không làm giảm hiệu suất tuyệt vời của da tự nhiên, đặc biệt là hiệu suất vệ sinh của da, và thậm chí còn làm cho da trở nên đa năng hơn.
Thứ hai, cơ chế chống thấm nước bằng da.
Xét về mặt hình thức, có thể chia thành hai lớp: lớp phủ và lớp da. Đối với Cheng Demon, chúng ta thường gọi là Liên minh Levy. Mô tả trước đó cho thấy khả năng chống thấm nước đề cập đến khả năng của da chống lại sự hấp thụ nước, tính thấm nước và sự thấm ướt bởi nước. Bước đầu tiên của khả năng chống thấm nước là ngăn bề mặt da bị ướt, điều này liên quan đến vấn đề độ ẩm trên bề mặt rắn. Sự tương tác giữa sự thấm ướt là sự tương tác giữa chất lỏng và chất rắn, liên quan đến sự tiếp xúc của khí, chất lỏng và chất rắn. Bề mặt tiếp xúc ba pha có sức căng bề mặt. Hiện tượng thấm ướt có xảy ra hay không có thể được đánh giá bằng sức căng bề mặt: Khi sức căng bề mặt của chất lỏng thấp hơn sức căng bề mặt của chất rắn, chất lỏng có thể trải rộng trên bề mặt rắn để làm ướt chất rắn. Trong trường hợp sức căng bề mặt thấp hơn, chất lỏng sẽ co lại trên bề mặt rắn dưới dạng các giọt nước mà không lan rộng và làm ướt, nghĩa là các chất có sức căng bề mặt cao không thể làm ướt vật liệu có sức căng bề mặt thấp. Do đó, để ngăn da bị thấm nước, sức căng bề mặt của da phải thấp hơn sức căng bề mặt của nước.
Mức độ làm ướt của chất rắn thường được biểu thị bằng góc tiếp xúc. Nhà khoa học người Anh Thomas Young đã giải thích vấn đề này khi đề xuất phương trình Young nổi tiếng: Khi chất lỏng bám vào bề mặt chất rắn, mức độ làm ẩm bề mặt chất rắn có thể được biểu thị bằng góc tiếp xúc θ (hay góc làm ẩm): cosθ = vs -g-vl-g vs-l
Trong công thức 1: θ — Góc giữa giao điểm của ba pha khí-lỏng-rắn, góc giữa sức căng bề mặt giữa giao diện khí-lỏng và khí-rắn; sức căng bề mặt giữa chất lỏng-khí; sức căng bề mặt giữa chất rắn-lỏng. Xem chi tiết bên dưới:
Hình 1 minh họa mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và sức căng bề mặt. A là trạng thái chất lỏng thấm ướt bề mặt rắn, và B là trường hợp không thấm ướt. Bằng cách xác định kích thước của góc tiếp xúc, ta có thể xác định khả năng thấm ướt của bề mặt rắn, thường là 90°. Như thể hiện trong Hình 1A, sự tương tác giữa chất rắn ưa nước và chất lỏng. Góc tiếp xúc θ < 90°, chất lỏng được đặt trên bề mặt rắn, cho thấy chất lỏng dễ dàng thấm ướt bề mặt rắn; có xu hướng co lại trên bề mặt rắn để tạo thành các giọt chất lỏng hình cầu. Góc tiếp xúc θ > 90° cho thấy chất lỏng không dễ thấm ướt bề mặt rắn, tức là sự tương tác giữa bề mặt rắn kỵ nước và chất lỏng. Góc tiếp xúc càng nhỏ, khả năng thấm ướt càng tốt; khi θ = 0°, điều đó cho thấy bề mặt rắn hoàn toàn thấm ướt, và θ = 180° là hoàn toàn không thấm ướt. Do đó, để bề mặt da không bị ướt và không thấm nước, cần phải duy trì góc tiếp xúc θ > 90°, và điều này có thể đạt được bằng cách giảm sức căng bề mặt của da. Bên cạnh việc thay đổi góc tiếp xúc để ngăn bề mặt da bị ướt, cần lưu ý rằng bản thân da được cấu tạo từ các sợi collagen, tức là có vô số khả năng thấm hút với bán kính khác nhau. Hiện tượng mao dẫn rất dễ xảy ra, điều này sẽ làm tăng thêm tỷ lệ hấp thụ nước của da. Vì vậy, cần phải làm cho da không thấm nước, và chúng ta cũng nên xem xét việc cải thiện tính chất kỵ nước của các sợi da.
Hiện tượng mao dẫn xảy ra do lực bám dính và lực ngưng tụ của lớp bám dính phân tử làm cho bề mặt chất lỏng bị uốn cong. Đồng thời, sự tồn tại của sức căng bề mặt gây ra áp suất bổ sung trên bề mặt chất lỏng bị uốn cong, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt chất lỏng bị uốn cong và bề mặt chất lỏng nằm ngang. Sự chênh lệch áp suất này làm cho chất lỏng trong ống mao dẫn dâng lên hoặc hạ xuống, bù lại áp suất bổ sung, từ đó cân bằng sự chênh lệch áp suất. Có thể đánh giá điều này bằng phương trình Young-Laplace. Phương trình Young-Laplace mô tả mối quan hệ giữa áp suất bổ sung của chất lỏng bị uốn cong và sức căng bề mặt cũng như bán kính cong của chất lỏng, như thể hiện trong phương trình loại 2: △P = γ(1/R1 + 1/R2) Trong đó: △P là sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài bề mặt chất lỏng; γ là hệ số sức căng bề mặt; R1 và R2 là bán kính cong chính của chất lỏng. Xem chi tiết bên dưới:
Như thể hiện trong Hình 2, hệ thống ba pha α, β và σ cùng tồn tại trong ống mao dẫn. Nếu sự cân bằng ba pha xảy ra trong ống mao dẫn có bán kính R, góc tiếp xúc của α là θ. Trong sơ đồ phương trình Young-Laplace, nếu θ < 90°, thì △P < 0, bề mặt chất lỏng trong ống mao dẫn lõm, và lực tác dụng lên chất lỏng bên dưới kéo chất lỏng vào ống mao dẫn và làm ướt chất rắn; nếu θ > 90°, thì △P > 0, bề mặt chất lỏng trong ống mao dẫn lồi. Do đó, để tránh hiện tượng mao dẫn, về cơ bản cần làm cho góc tiếp xúc < 90°, nhưng điều này có thể đạt được bằng cách giảm diện tích bề mặt bên trong của mao dẫn để thay đổi sức căng bề mặt của nó.
Thứ ba, cơ chế chống thấm nước của lớp phủ da
Bề mặt da là phần đầu tiên tiếp xúc với nước. Ngoài việc thay đổi bề mặt da để ngăn nước và độ ẩm, người ta cũng có thể thay thế bề mặt da bằng cách thêm một lớp phủ chống thấm nước lên bề mặt da để tạo thành lớp bảo vệ đầu tiên chống thấm nước cho da. Điều quan trọng là chìa khóa để thêm lớp phủ này nằm ở độ ẩm của da, độ bám dính của lớp phủ và khả năng thẩm thấu của bột giấy. Lớp phủ đáy là nền tảng của toàn bộ lớp phủ, và độ bám dính rất quan trọng đối với lớp phủ đáy, vì vậy độ bám dính của lớp phủ là rất cần thiết. Tác động lên lớp phủ có thể được thảo luận từ cả khía cạnh vật lý và hóa học. Bề mặt nhẵn ít thuận lợi cho sự bám dính của lớp phủ hơn so với bề mặt chịu mài mòn. Lý do là trên bề mặt chịu mài mòn có nhiều nếp nhăn, các chỗ lồi nhỏ và các chỗ không đều, dễ gây bám dính hơn. Việc sử dụng các chất liên kết ngang hóa học có thể cải thiện khả năng chống thấm nước và độ bám dính của lớp phủ. Khả năng thẩm thấu của bột giấy đáy cũng là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng. Bản thân da là một chất xốp có cấu trúc sợi. Theo định luật thấm ướt và bám dính, tốc độ thẩm thấu của bột giấy vào mô da phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Công thức SandMeyer mô tả mối quan hệ giữa tốc độ xuyên thấu và sức căng bề mặt, độ nhớt và góc tiếp xúc.
Công thức 4: Tốc độ thấm = độ xốp × sức căng bề mặt × độ nhớt cosθ
Từ phương trình 4, ta có thể thấy:
(1) Giá trị chức năng (COSθ) của góc ướt (COSθ) tỷ lệ thuận với tốc độ thâm nhập của bột giấy, cho thấy rằng quá trình làm ướt đóng vai trò quan trọng trong sự thâm nhập của bột giấy đáy.
(2) Việc tăng lỗ rỗng, tăng sức căng bề mặt, tăng giá trị chuỗi (COSθ) của góc tiếp xúc và giảm độ nhớt của chất lỏng có lợi cho việc tăng tốc độ thấm ướt của chất lỏng. Đồng thời, cần xem xét độ sâu thấm. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu thấm về cơ bản giống như các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thấm, nhưng độ sâu thấm của bột giấy tăng lên đồng nghĩa với việc giảm độ nhớt, giảm góc thấm ướt và tăng sức căng bề mặt của bột giấy. Việc giảm góc thấm ướt và tăng sức căng bề mặt là mâu thuẫn. Do đó, cần điều chỉnh sức căng bề mặt một cách thích hợp để bột giấy thấm sâu hơn. Mặc dù tốc độ thấm tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt, nhưng sức căng bề mặt càng lớn thì tốc độ thấm càng lớn.
Ngoài các yếu tố đã đề cập ở trên, khả năng thẩm thấu vào lớp đáy bề mặt da còn liên quan đến nồng độ, trạng thái của da (độ ẩm, độ xốp, cực tính, v.v.) và phương pháp phủ.
Thời gian đăng bài: 30 tháng 5 năm 2024