BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
NGUYỄN VĂN HUYẾN
NÂNG CAO TÍNH KỴ NƯỚC VÀ CHỐNG TIA UV CHO GỖ
BỒ ĐỀ (Styrax tonkinensis) BẰNG CÔNG NGHỆ PHỦ ZnO
Ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản Mã số: 9 54 90 01
Có thể bạn quan tâm!
-
Nâng cao tính kỵ nước và chống tia uv cho gỗ Bồ đề Styrax tonkinensis bằng công nghệ phủ ZnO - 2 -
Công Nghệ Và Vật Liệu Nano Trong Cải Thiện Chất Lượng Gỗ -
Các Nghiên Cứu Xử Lý Tạo Lớp Phủ Micro/nano Vô Cơ Trên Bề Mặt Gỗ
Xem toàn bộ 174 trang tài liệu này.
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, 2022
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
NGUYỄN VĂN HUYẾN
NÂNG CAO TÍNH KỴ NƯỚC VÀ CHỐNG TIA UV CHO GỖ
BỒ ĐỀ (Styrax tonkinensis) BẰNG CÔNG NGHỆ PHỦ ZnO
Ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản Mã số: 9 54 90 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hướng dẫn khoa học: PGS. TS. VŨ MẠNH TƯỜNG GS. TS. PHẠM VĂN CHƯƠNG
HÀ NỘI, 2022
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH iv
DANH MỤC BẢNG vii
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii
LỜI CAM ĐOAN ix
LỜI CẢM ƠN x
TRANG THÔNG TIN NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ MẶT HỌC THUẬT,
LÝ LUẬN CỦA LUẬN ÁN xi
ĐẶT VẤN ĐỀ 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3
1.1. Công nghệ và vật liệu nano trong cải thiện chất lượng gỗ 3
1.1.1. Cải thiện tính chất cơ lý gỗ 4
1.1.2. Tạo hiệu ứng bề mặt gỗ 6
1.1.3. Tạo tính năng diệt khuẩn và tự làm sạch cho gỗ 7
1.1.4. Cải thiện tính năng chống chịu thời tiết cho gỗ 8
1.1.5. Cải thiện tính năng chậm cháy cho gỗ 9
1.2. Nghiên cứu ngoài nước về phương pháp biến tính gỗ bằng công nghệ nano 10
1.2.1. Các nghiên cứu xử lý tạo compozit gỗ-vật liệu vô cơ 10
1.2.2. Các nghiên cứu xử lý tạo lớp phủ micro/nano vô cơ trên bề mặt gỗ 13
1.3. Nghiên cứu trong nước về phương pháp biến tính gỗ bằng công nghệ nano 15
1.4. Kết luận rút ra từ tổng quan 18
1.5. Mục tiêu nghiên cứu 19
1.5.1. Mục tiêu tổng quát 19
1.5.2. Mục tiêu cụ thể 19
1.6. Những đóng góp mới của luận án 19
1.7. Ý nghĩa của luận án 20
1.7.1. Ý nghĩa khoa học 20
1.7.2. Ý nghĩa thực tiễn 20
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
2.1. Vật liệu nghiên cứu 21
2.1.1. Mẫu gỗ 21
2.1.2. Hóa chất 22
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 23
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu 23
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu 23
2.3. Cách tiếp cận và nội dung nghiên cứu 25
2.3.1. Nghiên cứu khả năng phủ ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chịu UV cho gỗ Bồ đề 26
2.3.2. Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện xử lý a xít stearic cho màng ZnO trên gỗ Bồ đề 27
2.3.3. Nghiên cứu nâng cao khả năng duy trì tính năng siêu kỵ nước của gỗ Bồ đề bằng phương pháp phủ kết hợp epoxy và ZnO 27
2.4. Phương pháp nghiên cứu 27
2.4.1. Phương pháp lý thuyết 27
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm 28
2.4.3. Kiểm tra tính chất và phân tích số liệu 33
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 38
3.1. Thành phần hóa học của gỗ 38
2.1.1. Xenlulo 38
3.1.2. Hemixenlulo 42
3.1.3. Lignin 44
3.2. Công nghệ và vật liệu nano 44
3.3. Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên và lý thuyết thấm ướt 46
3.3.1. Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên 46
3.3.2. Lý thuyết thấm ướt bề mặt 47
3.4. Đặc điểm của nano ZnO 50
3.5. Đặc điểm gỗ Bồ đề 53
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 54
4.1. Khả năng phủ ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chịu UV cho gỗ Bồ đề 54
4.1.1. Cấu trúc hiển vi của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề 56
4.1.2. Cấu trúc tinh thể của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề 59
4.1.3. Tính năng kỵ nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO 60
4.1.3. Tính năng chịu ẩm của gỗ Bồ đề phủ ZnO 63
4.1.5. Tính năng chịu nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO 65
4.1.6. Tính năng chịu UV của gỗ Bồ đề phủ ZnO qua độ bền màu 66
4.1.7. Khả năng chống bám bẩn bề mặt của gỗ Bồ đề phủ ZnO 69
4.2. Tối ưu hóa điều kiện xử lý a xít stearic cho màng ZnO trên gỗ Bồ đề 72
4.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến góc tiếp xúc (WCA) 74
4.2.2. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến hiệu quả cách ẩm (MEE) 79
4.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến hiệu suất chống hút nước (WRE) 85
4.2.4. Tối ưu hóa điều kiện xử lý a xít stearic cho gỗ Bồ đề phủ ZnO 90
4.3. Nâng cao khả năng duy trì tính năng siêu kỵ nước của gỗ Bồ đề bằng phương pháp phủ kết hợp epoxy và ZnO 93
4.3.1. Cấu trúc hiển vi của lớp phủ epoxy kết hợp ZnO trên gỗ Bồ đề 95
4.3.2. Cấu trúc tinh thể của lớp phủ epoxy kết hợp ZnO trên gỗ Bồ đề 100
4.3.3. Tính năng kỵ nước của gỗ Bồ đề phủ epoxy kết hợp ZnO 101
4.3.4. Tính năng chịu UV của gỗ Bồ đề phủ epoxy kết hợp ZnO qua độ bền màu 103
4.4. Đề xuất quy trình công nghệ phủ gỗ Bồ đề bằng ZnO 106
4.4.1. Quy trình công nghệ phủ ZnO cho gỗ Bồ đề bằng phương pháp thủy nhiệt 106
4.4.2. Quy trình công nghệ phủ ZnO cho gỗ Bồ đề bằng phương pháp phun 108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110
1. Kết luận 110
2. Kiến nghị 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114
PHỤ LỤC 120
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ảnh hiển vi SEM (a), ESEM (b) và sự phân bố nguyên tố của TiO2 khi tẩm vào gỗ thông 5
Hình 1.2. Vật liệu siêu kỵ nước (a) ZnO, (b) α-FeOOH 7
Hình 1.3. Ảnh SEM của vật liệu ZnO-gỗ (a) và ảnh quang học của vật liệu vô cơ-gỗ (b) 9
Hình 2.1. Sơ đồ lấy mẫu gỗ 21
Hình 2.2. Sơ đồ phương pháp tiếp cận nghiên cứu của luận án 26
Hình 2.3. Mô hình bài toán thực nghiệm đa yếu tố trong nghiên cứu 30
Hình 3.1. Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ 38
Hình 3.2. Cấu tạo hóa học của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã qua metyl hóa 40
Hình 3.3. Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ 41
Hình 3.4. Hình ảnh bề mặt siêu kỵ nước của lá Sen (Nelumbo nucifera) và cấu trúc hiển vi của bề mặt lá Sen [33] 46
Hình 3.5. Cấu trúc bề mặt chân Nhện nước (Gerris remigis) 47
Hình 3.6. Góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt vật rắn [52] 48
Hình 3.7. Mô hình tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt rắn theo mô hình Wenzel (trái) và Cassie-Baxter (phải) [52] 48
Hình 3.8. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis) 49
Hình 3.9. Cấu trúc tinh thể ZnO 50
Hình 3.10. Ảnh SEM của ZnO dạng hoa được tổng hợp (a) độ phóng đại 10000x, (b) độ phóng đại 30000x 52
Hình 3.11. Ảnh TEM, SEM, HRTEM của ZnO dạng hoa cúc 52
Hình 3.12. Nano rừng cây ZnO 52
Hình 4.1. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của gỗ Bồ đề đối chứng và gỗ bồ đề phủ mặt bằng ZnO 56
Hình 4.2. Mô phỏng cấu trúc bề mặt gỗ trước và sau khi phủ ZnO 57
Hình 3.3. Vị trí lựa chọn phân tích thành phần nguyên tố 58
Hình 4.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) bề mặt gỗ phủ ZnO 58
Hình 4.5. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của bề mặt mẫu gỗ Bồ đề phủ ZnO và mẫu không phủ 60
Hình 4.6. Góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt gỗ Bồ đề ở các chế độ xử lý khác nhau, thời gian tiếp xúc từ 0-180 giây 61
Hình 4.7. Hiệu quả cách ẩm MEE của gỗ phủ ZnO 64
Hình 4.8. Hiệu suất chống hút nước WRE của gỗ Bồ đề phủ ZnO 65
Hình 4.9. Thay đổi chỉ số độ sáng (L) của bề mặt mẫu gỗ 67
Hình 4.10. Thay đổi chỉ số đỏ-xanh lá (a) của bề mặt mẫu gỗ 67
Hình 4.11. Thay đổi chỉ số vàng-xanh lam (b) của bề mặt mẫu gỗ 68
Hình 4.12. Thay đổi độ lệch màu tổng (E) của mẫu gỗ 68
Hình 4.13. Hình ảnh mẫu gỗ trước và sau khi phun nước 70
Hình 4.14. Thay đổi của WCA theo nồng độ dung dịch 75
Hình 4.15. Thay đổi của WCA theo thời gian xử lý 75
Hình 4.16. Mối quan hệ giữa điều kiện xử lý với WCA 78
Hình 4.17. Tương quan giữa giá trị hồi quy và giá trị thực nghiệm WCA 79
Hình 4.18. Thay đổi của MEE theo nồng độ dung dịch 81
Hình 4.19. Thay đổi của MEE theo thời gian xử lý 81
Hình 4.20. Mối quan hệ giữa điều kiện xử lý với MEE 83
Hình 4.21. Tương quan giữa giá trị hồi quy và giá trị thực nghiệm MEE 84
Hình 4.22. Thay đổi của WRE theo nồng độ dung dịch 86
Hình 4.23. Thay đổi của WRE theo thời gian xử lý 86
Hình 4.24. Mối quan hệ giữa điều kiện xử lý với WRE 88
Hình 4.25. Tương quan giữa giá trị hồi quy và giá trị thực nghiệm WRE 89
Hình 4.26. Đồ thị thể hiện giá trị tối ưu theo hàm mục tiêu 91
Hình 4.27. Quá trình tạo ra hạt ZnO kỵ nước kích thước micro/nano 97
Hình 4.28. Quy trình phủ epoxy và ZnO lên gỗ 97
Hình 4.29. Ảnh cấu trúc bề mặt (a) mẫu không phủ S1; (b) mẫu phủ ZnO - S2; (c) mẫu phủ epoxy kết hợp ZnO – S3; và (d) ảnh phóng đại của mẫu S3 98
Hình 4.30. Phổ tán sắc năng lương (EDX) của mẫu không phủ (S1) và mẫu phủ epoxy kết hợp ZnO (S3) 99
Hình 4.31. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu không phủ ZnO (S1) và mẫu phủ epoxy kết hợp ZnO (S3) 100
Hình 4.32. Góc tiếp xúc của nước với bề mặt gỗ 102
Hình 4.33. (a) Góc tiếp xúc (WCA) của nước với gỗ sau các chu kỳ phun nước; (b) Mô phỏng phương pháp mài mòn bằng tia nước lên bề mặt gỗ 103
Hình 4.34. Sự thay đổi màu sắc của gỗ không phủ (a) và gỗ phủ epoxy kết hợp ZnO với thời gian chiếu UV khác nhau 104
Hình 4.35. Quy trình phủ ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt 107
Hình 4.36. Quy trình phủ ZnO bằng phương pháp phun 109