Độ hút nước là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa độ hút nước

Độ hút nước là đại lượng thể hiện khả năng của một vật liệu trong việc hấp thụ và giữ lại nước từ môi trường bên ngoài. Đây là một chỉ số quan trọng trong các lĩnh vực như xây dựng, kỹ thuật vật liệu, nông nghiệp, công nghiệp dệt may và dược phẩm. Độ hút nước được sử dụng để đánh giá đặc tính tương tác giữa vật liệu và môi trường ẩm, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định kích thước hoặc khả năng chịu nước cao.

Theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM hoặc ISO, độ hút nước có thể được xác định theo khối lượng hoặc thể tích, thường biểu diễn dưới dạng phần trăm so với mẫu khô. Ví dụ, nếu một vật liệu hút 5g nước trên mỗi 100g vật liệu khô, độ hút nước sẽ là 5%.

Các hệ vật liệu khác nhau có độ hút nước rất khác nhau. Vật liệu xốp như gạch, bê tông, hoặc gỗ có thể hút nước rất mạnh, trong khi kim loại, thủy tinh hoặc nhựa kỹ thuật thường có độ hút nước rất thấp hoặc gần như bằng không. Độ hút nước không chỉ phụ thuộc vào bản chất hóa học mà còn chịu ảnh hưởng lớn từ cấu trúc hình thái của vật liệu.

Các cơ chế vật lý và hóa học liên quan

Độ hút nước xảy ra do sự tương tác giữa nước và vật liệu, thông qua các cơ chế như hấp phụ bề mặt, mao dẫn và thẩm thấu. Hấp phụ bề mặt thường xảy ra với các vật liệu có bề mặt hoạt hóa hoặc nhóm chức có tính ưa nước (hydrophilic), như nhóm hydroxyl (-OH), carboxyl (-COOH), hoặc amine (-NH2). Những nhóm chức này có thể hình thành liên kết hydro với phân tử nước.

Trong các vật liệu rỗng như gạch hoặc xi măng, mao dẫn đóng vai trò chính. Hiện tượng mao dẫn xảy ra khi nước di chuyển vào các mao quản nhỏ dưới tác động của lực căng bề mặt. Chiều cao nước dâng trong mao quản được tính bằng công thức: $h = \frac{2 \gamma \cos\theta}{\rho g r}$ trong đó $\gamma$ là sức căng bề mặt của nước, $\theta$ là góc tiếp xúc giữa nước và thành mao quản, $\rho$ là khối lượng riêng của nước, $g$ là gia tốc trọng trường và $r$ là bán kính mao quản.

Ngoài ra, một số vật liệu còn hấp thụ nước thông qua cơ chế thẩm thấu, đặc biệt là trong các polymer hoặc màng sinh học. Tại đây, các phân tử nước khuếch tán vào mạng lưới phân tử do sự chênh lệch nồng độ hoặc điện thế hóa học. Sự kết hợp nhiều cơ chế đồng thời thường xảy ra trong các hệ vật liệu phức tạp như đất sét, vật liệu composite hoặc hydrogel.

Phân biệt độ hút nước với độ ẩm và thấm nước

Độ hút nước, độ ẩm và tính thấm nước là ba khái niệm liên quan đến nước trong vật liệu nhưng mang ý nghĩa hoàn toàn khác nhau. Độ ẩm mô tả lượng nước tồn tại trong vật liệu tại thời điểm đo, có thể là nước hấp phụ hoặc nước kết tinh. Độ thấm nước phản ánh khả năng nước xuyên qua vật liệu, thường liên quan đến tính liên tục và cấu trúc mao quản mở.

Độ hút nước tập trung vào quá trình hấp thu nước khi tiếp xúc với môi trường ẩm, thường được đánh giá qua sự thay đổi khối lượng hoặc thể tích mẫu. Độ hút nước là hiện tượng động học – nó liên quan đến thời gian, điều kiện môi trường và trạng thái ban đầu của vật liệu.

Bảng so sánh sau minh họa sự khác biệt giữa ba khái niệm:

Thông số	Độ hút nước	Độ ẩm	Độ thấm nước
Định nghĩa	Khả năng hấp thụ nước từ môi trường	Lượng nước tồn tại trong vật liệu	Khả năng nước xuyên qua vật liệu
Đơn vị	% theo khối lượng hoặc thể tích	% theo khối lượng	cm/s, mL/h hoặc m/s
Bản chất	Hiện tượng động học	Trạng thái tĩnh	Hiện tượng truyền dẫn

Phương pháp đo độ hút nước

Phương pháp phổ biến nhất để xác định độ hút nước là ngâm mẫu vật liệu khô vào nước trong thời gian xác định, sau đó cân lại để đo khối lượng nước đã hấp thu. Tùy theo tiêu chuẩn áp dụng, thời gian ngâm có thể từ vài phút đến 24 giờ. Mẫu sau đó được thấm khô bề mặt và cân nhanh để tránh bay hơi.

Công thức tính độ hút nước theo phần trăm khối lượng: $A = \frac{M_{wet} - M_{dry}}{M_{dry}} \times 100\%$ trong đó $M_{wet}$ là khối lượng mẫu sau khi hút nước, $M_{dry}$ là khối lượng mẫu đã sấy khô hoàn toàn. Đây là phương pháp được áp dụng trong ASTM C20 cho gốm và ASTM C373 cho vật liệu sứ.

Một số phương pháp nâng cao bao gồm sử dụng thiết bị hút mao dẫn (capillary rise apparatus), theo dõi tốc độ hấp thụ nước theo thời gian bằng cảm biến khối lượng, hoặc chụp ảnh vi cấu trúc để phân tích vùng phân bố nước. Đối với vật liệu nhạy nhiệt, kỹ thuật đo khối lượng theo thời gian tại điều kiện ẩm ổn định cũng được sử dụng để tránh làm biến tính mẫu.

Yếu tố ảnh hưởng đến độ hút nước

Độ hút nước của một vật liệu không phải là hằng số tuyệt đối mà chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố nội tại và ngoại vi. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là cấu trúc vi mô của vật liệu, đặc biệt là độ xốp và sự phân bố kích thước lỗ rỗng (pore size distribution). Vật liệu có cấu trúc mao quản nhỏ và kết nối tốt giữa các lỗ rỗng thường có độ hút nước cao hơn do hiệu ứng mao dẫn mạnh hơn.

Yếu tố hóa học cũng đóng vai trò đáng kể. Những vật liệu chứa nhóm chức phân cực như hydroxyl (-OH), cacboxyl (-COOH), hoặc amide (-CONH2) thường có xu hướng hấp phụ nước tốt hơn so với vật liệu không phân cực. Trong polymer, liên kết hydrogen với phân tử nước là cơ chế phổ biến làm tăng khả năng hút nước.

Ngoài ra, các điều kiện môi trường như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tương đối của không khí cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước. Ở nhiệt độ cao, tốc độ bay hơi tăng khiến vật liệu khó giữ nước hơn; ngược lại, trong môi trường ẩm cao, tốc độ hấp phụ nước tăng. Một số yếu tố khác bao gồm:

• Thời gian tiếp xúc với nước
• Phương pháp xử lý bề mặt (phủ nano, kỵ nước hóa)
• Tuổi vật liệu (lão hóa làm thay đổi cấu trúc mao quản)

Ý nghĩa của độ hút nước trong xây dựng

Trong ngành xây dựng, độ hút nước là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng và độ bền lâu dài của vật liệu. Gạch, bê tông, vữa trát hoặc đá xây dựng có độ hút nước cao sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi chu trình ướt – khô, đặc biệt là hiện tượng đóng băng – tan băng (freeze-thaw). Khi nước thâm nhập và đông lại bên trong vật liệu, thể tích nước tăng gây áp lực và tạo vết nứt vi mô, làm suy giảm độ bền kết cấu.

Các tiêu chuẩn kỹ thuật như ASTM C373 hoặc ISO 10545-3 quy định rõ ràng giới hạn cho phép về độ hút nước trong các loại vật liệu xây dựng. Ví dụ, gạch ceramic sử dụng ngoài trời thường yêu cầu độ hút nước < 3%. Bảng sau minh họa giới hạn điển hình:

Loại vật liệu	Độ hút nước tối đa (%)
Gạch ceramic ốp lát ngoài trời	3%
Bê tông mác cao (> M300)	6–8%
Vữa trát tường nội thất	10–15%

Ngoài tác động vật lý, độ hút nước còn ảnh hưởng đến khả năng phát triển của nấm mốc, ăn mòn thép cốt bên trong bê tông, và hiệu suất cách nhiệt của vật liệu. Do đó, trong thiết kế công trình, cần cân nhắc sử dụng các vật liệu chống thấm hoặc phủ lớp bảo vệ bề mặt nhằm hạn chế độ hút nước không mong muốn.

Độ hút nước trong ngành dệt may và vật liệu polymer

Trong công nghiệp dệt may, độ hút nước ảnh hưởng đến khả năng thấm hút mồ hôi, độ thoáng khí, khả năng khô nhanh và cảm giác mặc của vải. Những sợi tự nhiên như cotton, viscose và len có độ hút nước cao, nhờ cấu trúc xốp và sự hiện diện của nhóm hydroxyl dễ hình thành liên kết hydro với nước.

Trái lại, các loại sợi tổng hợp như polyester, nylon hoặc acrylic thường có độ hút nước thấp, dẫn đến khả năng khô nhanh nhưng lại giữ mồ hôi kém hơn. Việc pha trộn sợi tự nhiên và tổng hợp cho phép điều chỉnh đặc tính hút nước theo mục đích sử dụng. Bảng dưới đây so sánh một số loại sợi:

Loại sợi	Độ hút nước (%)	Đặc điểm
Cotton	8–10%	Thấm hút tốt, khô chậm
Polyester	<1%	Khô nhanh, không thấm mồ hôi
Viscose	11–13%	Rất hút nước, dễ nhăn
Nylon	3–4%	Hút nước vừa phải, bền cơ học cao

Trong polymer kỹ thuật, độ hút nước ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước, điện trở suất và khả năng kết dính. Ví dụ, nylon có thể hút nước đến 9% khối lượng khi tiếp xúc lâu dài với môi trường ẩm, làm thay đổi đặc tính cơ lý. Do đó, trong thiết kế chi tiết cơ khí chính xác, vật liệu cần được lựa chọn theo mức độ hút nước cho phép.

Ứng dụng trong ngành dược phẩm và công nghệ sinh học

Độ hút nước là thông số thiết yếu trong thiết kế viên nén, thuốc giải phóng kéo dài, màng sinh học và bao bì dược phẩm. Viên nén hút nước nhanh sẽ hòa tan nhanh hơn trong dịch tiêu hóa, ảnh hưởng đến dược động học và hiệu quả sinh học của thuốc. Một số tá dược như microcrystalline cellulose có khả năng hút nước cao, giúp cải thiện độ trơn và khả năng nén ép của hỗn hợp bột.

Trong công nghệ sinh học, độ hút nước quyết định khả năng giữ ẩm và trao đổi chất của gel sinh học, vật liệu scaffold (giá đỡ tế bào), hoặc màng lọc sinh học. Nhiều hydrogel y sinh được thiết kế để có độ hút nước lên tới 90% trọng lượng nhằm mô phỏng môi trường nội bào và thúc đẩy tăng trưởng tế bào.

Ngoài ra, bao bì dược phẩm cũng cần có độ hút nước thấp để bảo vệ hoạt chất khỏi bị phân hủy do ẩm. Các vật liệu màng như PVDC (polyvinylidene chloride) hoặc nhôm foil được sử dụng rộng rãi vì tính chống ẩm cao, giúp kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm.

Độ hút nước trong vật liệu thông minh và công nghệ mới

Trong các lĩnh vực công nghệ cao, độ hút nước không chỉ là đặc tính bị động mà còn được điều chỉnh có chủ đích để tạo ra vật liệu chức năng. Ví dụ, hydrogel siêu thấm được ứng dụng trong băng y tế, sản phẩm vệ sinh và hệ thống tưới nhỏ giọt nhờ khả năng hút nước gấp 100–1000 lần khối lượng khô.

Một số vật liệu nano hoặc bề mặt siêu kỵ nước (superhydrophobic) được thiết kế để có độ hút nước gần bằng 0, giúp chống bám bẩn, chống ăn mòn và tự làm sạch. Trong môi trường khắc nghiệt như hàng không, năng lượng hoặc y học tái tạo, việc kiểm soát độ hút nước có thể quyết định hiệu suất và độ an toàn của thiết bị.

Xu hướng phát triển vật liệu thông minh hiện nay là tích hợp cảm biến đo độ ẩm và điều chỉnh cấu trúc vật liệu theo điều kiện môi trường. Các hệ thống tự điều tiết độ hút nước đang được nghiên cứu để ứng dụng trong nhà kính tự động, vật liệu responsive và mô phỏng mô sinh học trong y khoa.

Tài liệu tham khảo

1. ASTM C20 – Standard Test Methods for Apparent Porosity, Water Absorption, Apparent Specific Gravity, and Bulk Density of Burned Refractory Brick. Link
2. ASTM C373 – Standard Test Method for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products. Link
3. ISO 10545-3 – Ceramic tiles — Part 3: Determination of water absorption, apparent porosity, apparent relative density and bulk density. Link
4. Journal of Applied Polymer Science – Wiley. Link
5. Smart Materials and Structures – IOPscience. Link
6. International Journal of Pharmaceutics – Elsevier. Link