Cấu Trúc Tinh Thể Của Lớp Phủ Zno Trên Gỗ Bồ Đề

(C) là hai nguyên tố chính cấu tạo nên gỗ. Tuy nhiên, để biết nguyên tố Zn tồn tại trên bề mặt gỗ ở dạng hợp chất nào thì việc sử dụng phổ EDX này chưa đủ để khẳng định. Do đó cần phân tích cấu trúc tinh thể của thành phần cấu trúc nên lớp phủ mới có thể đủ để kết luận sự tồn tại của ZnO trong lớp phủ.

4.1.2. Cấu trúc tinh thể của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề

Trong nghiên cứu công nghệ nano, việc phân tích để xác định tinh thể của vật liệu nano vô cùng quan trọng. Do cấu trúc tinh thể của vật liệu có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của vật liệu. Ngoài ra, xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu nano cũng là cơ sở để nhận biết hợp chất ở cấp độ nano tồn tại hay không.

Về lý thuyết chúng ta có thể suy luận ZnO được hình thành thông qua phương trình phản ứng hóa học từ các hợp chất nguồn. Tuy nhiên, đôi khi điều kiện phản ứng cũng có thể ảnh hưởng và dẫn đến không hình thành được hợp chất mong muốn.

Đối với việc chế tạo vật liệu ZnO cấu trúc nano theo phương pháp của luận án, theo lý thuyết, ZnO có thể được hình thành thông qua các phương trình phản ứng sau [51]:

Zn(CH3COO)2.2H2O + TEA  [Zn(TEA)] + 2CH3COO- [Zn(TEA)]  Zn2+ + TEA

Zn2+ + 2OH-  Zn(OH)2 Zn(OH)2  ZnO + H2O

Ngoài ra còn có thể xảy ra phản ứng theo hướng sau [31]: Zn2+ + 2OH-  Zn(OH)2

Zn(OH)2 + 2OH-  Zn(OH)42- Zn(OH)42-  ZnO + 2H2O + 2OH-

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 174 trang tài liệu này.

Với cơ chế phản ứng đã được nhiều công trình nghiên cứu chứng minh như trên, có thể suy luận, trên bề mặt gỗ Bồ đề sau khi phủ bằng phương pháp của chuyên đề thì hoàn toàn có thể tạo ra được hợp chất ZnO trong lớp phủ.

Nhằm làm rõ sự có mặt của hợp chất ZnO trong lớp phủ trên gỗ Bồ đề trong thí nghiệm, nghiên cứu này đã tiến hành áp dụng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định tinh thể ZnO trên bề mặt gỗ. Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu gỗ được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 4.5. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của bề mặt mẫu gỗ Bồ đề phủ ZnO và mẫu không phủ

Từ phổ XRD có thể thấy, đối với mẫu gỗ không phủ ZnO thì chỉ xuất hiện 02 đỉnh (peak) thể hiện cấu trúc tinh thể của xenlulo trong gỗ. Đối với mẫu có lớp phủ ZnO thì đã xuất hiện thêm nhiều đỉnh mới. Các đỉnh này là các đặc trưng thể hiện cấu trúc của tinh thể ZnO ở dạng Wurtzite.

4.1.3. Tính năng kỵ nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO

Trên cơ sở phương pháp đo góc tiếp xúc mô tả trong Chương 2, nghiên cứu tiến hành đo góc tiếp xúc của giọt nước với bề mặt mẫu gỗ đã qua xử lý.

Để quan sát mức độ thay đổi giá trị góc tiếp xúc theo thời gian tiếp xúc, nghiên cứu tiến hành đo góc ở các thời điểm 0 giây, 30 giây, 60 giây, 90 giây và 180 giây.

Kết quả đo góc tiếp xúc của các loại mẫu trong nghiên cứu thể hiện trong hình 4.6.

0 giây 30 giây 60 giây 90 giây 180 giây

160

140

Góc tiếp xúc (độ)

120

100

ĐC1 ĐC2 ĐC3 W-ZnO

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

Từ kết quả đo góc tiếp xúc cho thấy, với gỗ Bồ đề không được phủ mặt và không xử lý bằng axit stearic (mẫu ĐC1), góc tiếp xúc ở thời điểm bắt đầu đo đạt khoảng 62,8o, sau thời gian tiếp xúc độ lớn của góc giảm rõ rệt, và sau 180 giây góc tiếp xúc chỉ đạt độ lớn nhỏ hơn 20o. Hiện tượng này hoàn toàn bình thường, và phù hợp với đặc tính vốn có của gỗ - vật liệu hữu cơ tự nhiên ưa nước.

Đối với mẫu gỗ Bồ đề không phủ nhưng được xử lý bằng axit stearic (mẫu ĐC2), góc tiếp xúc đo được tại thời điểm bắt đầu tiếp xúc là 114,3o, sau 180 giây tiếp xúc, góc tiếp xúc giảm xuống gần 90o. Có thể thấy, axit stearic đã có tác dụng làm giảm năng lượng tự do bề mặt của gỗ Bồ đề, chuyển bề mặt gỗ Bồ đề từ ưa nước sang bề mặt kỵ nước. Do đó, việc lựa chọn a xít stearic để

làm hợp chất xử lý giảm năng lượng bề mặt cho lớp phủ là hoàn toàn hợp lý. Kết quả này cũng tương đồng với các kết quả liên quan đã công bố.

Đối với bề mặt gỗ Bồ đề chỉ phủ ZnO mà không xử lý bằng axit stearic (mẫu ĐC3) thu được kết quả góc tiếp xúc tương tự với mẫu ĐC2, độ lớn góc tiếp xúc trên bề mặt mẫu ĐC3 khoảng 120,7o, tuy nhiên hai loại mẫu này cơ bản khác biệt không lớn, sau 180 giây tiếp xúc vẫn giữ được góc tiếp xúc lớn hơn 90o, thể hiện bề mặt của hai loại mẫu này (ĐC2 và ĐC3) cũng là bề mặt kỵ nước.

Với mẫu gỗ Bồ đề phủ bằng lớp ZnO kết hợp với xử lý bằng axit stearic (mẫu W-ZnO) kết quả có sự khác biệt rõ rệt. Giọt nước về cơ bản không thể dính được trên bề mặt mẫu, góc tiếp xúc đo được tại thời điểm ban đầu lần lượt lên tới 152,1o, và ngay cả sau khi tiếp xúc 180 giây thì góc tiếp xúc cơ bản vẫn giảm không đáng kể, và vẫn duy trì được góc tiếp xúc lớn hơn hoặc gần bằng 150o.

Kết quả thí nghiệm đã thể hiện mẫu gỗ phủ ZnO có đặc tính của bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn hơn 150o.

Ngoài ra, kết quả thí nghiệm còn thể hiện, độ lớn góc tiếp xúc trên tất cả các mẫu cơ bản giảm khá nhanh theo thời gian, nhưng với loại mẫu gỗ phủ ZnO kết hợp xử lý bằng axit stearic thì góc tiếp xúc giảm rất chậm và độ lớn giảm không đáng kể. Điều này cho thấy, lớp phủ đã có tác dụng rõ rệt ngăn cản nước tiếp xúc với nền gỗ. Thông qua đặc điểm này thêm một lần nữa khẳng định tác dụng của lớp phủ ZnO siêu kỵ nước đối với gỗ Bồ đề.

Kết quả này hoàn toàn có thể được giải thích bằng lý thuyết về tính thấm ướt bề mặt vật liệu như đề cập ở trên. Bề mặt gỗ Bồ đề sau khi phủ đã tạo nên cấu trúc thứ bậc cấp độ micro/nano được chứng minh bởi ảnh chụp hiển vi điện tử và cấu trúc tinh thể qua phân tích nhiễu xạ tia X kết hợp với năng lượng bề mặt thấp do axit stearic tạo ra. Trong đó, vách tế bào gỗ tạo ra lớp có cấu trúc

ở cấp độ micro, và các mảnh ZnO tạo ra cấu trúc nano cho lớp phủ, còn a xít stearic thì tạo ra lớp giảm năng lượng bề mặt của lớp phủ.

4.1.3. Tính năng chịu ẩm của gỗ Bồ đề phủ ZnO

Một trong những tính chất đặc thù và quan trọng của gỗ là tính hút ẩm. Do bản thân gỗ được cấu tạo từ các hợp chất hữu cơ tự nhiên gồm xenlulo, hemixenlulo, lignin và một số loại hợp chất hữu cơ khác (chất chiết xuất) nên gỗ có thể hút ẩm từ điều kiện môi trường nếu đặt trong môi trường có độ ẩm tương đối cao (môi trường ẩm), và ngược lại gỗ lại thoát ẩm nếu gỗ được đặt trong môi trường có độ ẩm tương đối thấp (môi trường khô). Trong một số trường hợp thì đặc tính này được coi là một nhược điểm rất lớn của gỗ, vì đây là nguyên nhân chính gây ra biến dạng của gỗ và sản phẩm gỗ trong quá trình sử dụng. Tuy nhiên, trong môi trường nội thất, với cách tiếp cận điều tiết độ ẩm không khí thì tính hút ẩm của gỗ lại được cho là ưu điểm. Vì nếu môi trường có gỗ, khi đột ngột tăng độ ẩm (trời nồm) thì gỗ sẽ là vật liệu hút đi lượng hơi ẩm trong môi trường để môi trường trở lại trạng thái cân bằng. Và ngược lại (trời hanh khô), gỗ sẽ nhả ẩm để môi trường không khí khô trở nên ẩm hơn. Cho dù vậy, đa số trường hợp sử dụng gỗ đều mong muốn gỗ hút ẩm ít hơn để hạn chế biến dạng.

Trong luận án đã tiến hành phủ mặt cho gỗ Bồ đề bằng ZnO với mục đích nâng cao tính kỵ nước, thông qua đó nâng cao khả năng chịu ẩm và chịu nước cho gỗ. Do đó, trong nghiên cứu đã tiến hành kiểm tra hiệu quả chịu ẩm của gỗ qua hiệu quả cách ẩm MEE (Moisture Excluding Efficiencies) của mẫu gỗ đã phủ ZnO siêu kỵ nước (W-ZnO). Phương pháp thí nghiệm chi tiết đã mô tả trong Chương 2. Hiệu quả cách ẩm MEE là đại lượng thể hiện mức độ giảm độ ẩm thăng bằng của gỗ biến tính so với mẫu gỗ không biến tính. Đây là đại lượng được sử dụng nhiều trong công nghệ biến tính gỗ để đánh giá khả năng chịu ẩm của gỗ biến tính.

100

150

200

250

300

350

Thời hút ẩm (giờ)

MEE (%)

Mẫu gỗ phủ ZnO kết hợp với a xít stearic được nghiên cứu khả năng chịu ẩm sau 14 ngày hút ẩm trong môi trường có nhiệt độ 20 oC và độ ẩm tương đối của không khí là 65%. Trong thời gian thí nghiệm, hiệu quả chịu ẩm của mẫu gỗ được đo ở các thời gian 2 giờ, 24 giờ, 48 giờ, 7 ngày và 14 ngày. Kết quả thể hiện trong hình sau:

Hình 4.7. Hiệu quả cách ẩm MEE của gỗ phủ ZnO

Từ hình có thể thấy, mẫu gỗ phủ ZnO siêu kỵ nước (W-ZnO) có hiệu quả chịu ẩm không cao, thậm chí có thể nói là hiệu quả chịu ẩm rất thấp. Cụ thể MEE chỉ khoảng 5% ở thời gian đầu, sau đó ổn định và gần như chỉ dưới 2%. Kết quả thí nghiệm chỉ ra, trong thời gian đầu tiếp xúc với môi trường ẩm, gỗ phủ ZnO có khả năng chịu ẩm cao hơn so với mẫu gỗ không phủ, tuy nhiên khi đặt trong môi trường ẩm lâu hơn thì khả năng chịu ẩm giảm xuống rõ rệt, và gần như không có sự khác biệt lớn (MEE dưới 2%).

Từ đây cũng có thể thấy, tuy gỗ phủ ZnO kết hợp với a xít stearic có thể tạo ra bề mặt siêu kỵ nước, nhưng lại không phải là vật liệu chịu ẩm. Nguyên nhân có thể là do, bề mặt lớp phủ có cấu trúc xốp ở cấp độ micro/nano có thể tạo ra được hiệu ứng lá sen để ngăn cản giọt chất lỏng (giọt nước), nhưng đối với hơi ẩm là loại vật chất tồn tại ở trạng thái hơi thì lớp phủ này không phát huy được tính năng của nó. Đặc điểm này sẽ là căn cứ để định hướng sử dụng gỗ phủ ZnO siêu kỵ nước.

4.1.5. Tính năng chịu nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO

Tương tự tính năng chịu ẩm, tính chịu nước của gỗ cũng là tính chất quan trọng. Gỗ nếu có khả năng chịu nước tốt sẽ có thể được sử dụng ở các điều kiện khắc nghiệt hoặc tiếp xúc với nước… đặc biệt là trong điều kiện ngoài trời.

-50

150

350

550

750

Thời gian ngâm nước (giờ)

WRE (%)

Trong luận án, qua đánh giá khả năng kỵ nước và chịu ẩm cho thấy, gỗ phủ ZnO kết hợp xử lý a xít stearic có tính năng siêu kỵ nước, nhưng hiệu quả cách ẩm MEE lại không cao. Vì vậy, trong nghiên cứu luận án đã tiến hành đánh giá tính năng chịu nước thông qua ngâm nước trong 30 ngày ở điều kiện nhiệt độ môi trường. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong hình sau:

Hình 4.8. Hiệu suất chống hút nước WRE của gỗ Bồ đề phủ ZnO

Từ hình ta thấy, hiệu suất chống hút nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO siêu kỵ nước khá cao, lên trên 50% ở 24 giờ đầu tiên ngâm nước, và đạt trên 40% sau 4 ngày ngâm nước, đến 30 ngày ngâm nước vẫn đạt gần 20%. Kết quả này cho thấy, gỗ Bồ đề phủ ZnO siêu kỵ nước có tính năng chịu nước (vật chất ở thể lỏng) khá tốt. Tuy nhiên, cũng tương tự như kết quả tính chịu ẩm, hiệu suất chống hút nước của gỗ giảm dần theo thời gian ngâm nước.

Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này có thể là do bề mặt gỗ Bồ đề phủ ZnO có tính siêu kỵ nước khi tiếp xúc với nước ở dạng lỏng nên đã hạn chế đáng kể việc gỗ tiếp xúc với nước dẫn đến gỗ gần như không thấm nước ở giai đoạn đầu, chỉ khi ngâm nước với thời gian dài hơn thì một phần các phân tử nước thấm được qua bề mặt lớp phủ, tiếp xúc với gỗ nên đã tạo ra con đường cho nước đi vào trong gỗ, làm giảm hiệu suất chống hút nước của gỗ.

Từ kết quả kết hợp đánh giá góc tiếp xúc, hiệu quả chịu ẩm, và hiệu suất chống hút nước cho thấy, gỗ Bồ đề phủ ZnO là sản phẩm có thể chống chịu được với việc tiếp xúc trực tiếp với nước, nhưng gần như không có hiệu quả bảo vệ với vật chất ở dạng hơi (hơi ẩm).

4.1.6. Tính năng chịu UV của gỗ Bồ đề phủ ZnO qua độ bền màu

Khi bề mặt gỗ không được phủ thì tính chất sẽ phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại gỗ. Với gỗ Bồ đề cũng không khác biệt. Với mục đích nâng cao khả năng chịu UV, trong luận án đã lựa chọn loại hợp chất có khả năng hấp thụ tia UV (ZnO) để làm vật liệu phủ.

Nhằm đánh giá hiệu quả chống chịu tia UV của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề được tạo ra trong thí nghiệm. Nội dung nghiên cứu này của luận án đã tiến hành thí nghiệm kiểm tra độ bền màu của mẫu gỗ phủ ZnO (W-ZnO) và của mẫu gỗ không phủ (ĐC1).

Kết quả thí nghiệm thể hiện trong hình 4.9 đến hình 4.12.