Công Nghệ Và Vật Liệu Nano Trong Cải Thiện Chất Lượng Gỗ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1. Công nghệ và vật liệu nano trong cải thiện chất lượng gỗ

Cùng với những thành tựu đáng chú ý đã đạt được, công nghệ nano đã xâm nhập và đang ảnh hưởng đến hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống. Sản phẩm được tạo ra bằng công nghệ nano --- Vật liệu nano được mệnh danh là “Vật liệu của thế kỷ 21”, được các quốc gia và các nhà khoa học trên thế giới xem là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, có tính vượt trội và triển vọng ứng dụng rộng rãi. Công nghệ biến tính gỗ, đặc biệt là sự kết hợp giữa khoa học gỗ với công nghệ nano, để chế tạo ra các loại vật liệu mới đa tính năng và có giá trị sử dụng cao sẽ ngày càng được chú trọng [73]. Lợi dụng ưu điểm của vật liệu nano vô cơ kết hợp một cách hữu cơ với gỗ, cải thiện những tính năng vốn có của gỗ đồng thời tạo ra cho gỗ những tính năng đặc thù mới, làm vật liệu được tạo ra mang đồng thời hai đặc tính của vật liệu gỗ và vật liệu nano, là hướng phát triển mới, quan trọng và có triển vọng trong lĩnh vực biến tính gỗ.

Vật liệu nano là vật liệu trong không gian 3 chiều có ít nhất một chiều có kích thước nằm trong phạm vi kích thước nano (1~100 nm) hoặc do chúng đóng vai trò là những đơn nguyên cơ bản cấu tạo nên, kích thước của vật chất sau khi đạt đến kích thước nano, tính năng của nó biến đổi đột ngột từ lượng sang chất, sinh ra các các hiện tượng về hiệu ứng kích thước lượng tử, hiệu ứng kích thước tế vi, hiệu ứng bề mặt, … tạo ra nhiều tính chất mới khác với của vật thể vĩ mô và cũng không giống với tính chất của nguyên tử đơn lẻ. Vật liệu nano đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, do có các đặc tính như: nano ZnO có tác dụng rất mạnh trong việc ngăn tia tử ngoại và hấp thụ tia hồng ngoại, có thể tạo ra hiệu quả chống lão hóa và kháng khuẩn [77] [24]; nano Al2O3, SiO2 chủ yếu ứng dụng với đơn tinh thể quang học và đồ gốm sứ, có độ cứng tốt,

tính chống mài mòn và tác dụng tăng độ dẻo, có thể tăng độ bền cơ học và tính dẻo ở mức độ cao [29] [44] [28] [18]. Nano CaCO3 là một chất gia cường được ứng dụng rộng rãi, có thể nâng cao độ cứng và độ dòn của vật liệu [21] [38]... Nano TiO2 có hoạt tính quang xúc tác rất mạnh, có thể đạt đến mức độ phân giải chất ô nhiễm hữu cơ, có tác dụng làm sạch không khí, diệt khuẩn và tự làm sạch [30] [26] [78]. Đồng thời, nano TiO2, ZnO, SiO2, Al2O3 và Fe2O3,… đều là những chất chống lão hóa rất tốt.

Gỗ là loại vật liệu cao phân tử hữu cơ tự nhiên khi liên kết hữu cơ với vật liệu nano vô cơ sẽ không chỉ mang lại cho gỗ các hiệu ứng như: hiệu ứng kích thước, hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano, mà nó còn tạo ra độ cứng, tính ổn định kích thước và tính chịu nhiệt, chậm cháy của chất vô cơ kết hợp với tính dẻo, dễ gia công và đặc tính mô trường riêng có của gỗ, từ đó tạo ra rất nhiều tính năng đặc biệt, như tính tự làm sạch, tính tự diệt khuẩn và tính năng tự phân giải chất hữu cơ.

1.1.1. Cải thiện tính chất cơ lý gỗ

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 174 trang tài liệu này.

Trong quá trình sử dụng gỗ, một nhược điểm là gỗ sau khi hút ẩm thì sẽ dãn nở, làm giảm độ ổn định kích thước của nó và dễ bị sinh vật hại gỗ xâm nhập. Xử lý gỗ bằng nano SiO2 hoặc TiO2 có thể cải thiện được rất lớn tính ổn định kích thước và các tính chất vật lý khác của gỗ. Hübert và các cộng sự [71] đã áp dụng phương pháp sol-gel để tẩm sol TiO2 vào trong gỗ, kết quả kiểm tra cho thấy độ co rút thể tích của gỗ có thể giảm đến 5%, và độ ổn định kích thước có thể tăng đến 60%. Hình 1.1 cho thấy sự phân bố của các hạt TiO2 trong gỗ. Vì vậy, vật liệu nano vô cơ có tính năng ưu việt vượt trội trong việc áp dụng để cải thiện tính ổn định kích thước của gỗ, nhưng nó cũng làm giảm tính chất cơ học của gỗ. Nếu như có thể mang một số hợp chất cao phân tử hữu cơ kết hợp trước với nano vô cơ sau đó mới tiến hành cải thiện tính năng của gỗ, do diện tích bề mặt riêng của hạt nano lớn, số lượng nguyên tử bề mặt nhiều, có thể

liên kết một cách tốt nhất với hợp chất cao phân tử, thì có thể sẽ cải thiện được tính chất cơ học của gỗ.

Hình 1.1. Ảnh hiển vi SEM (a), ESEM (b) và sự phân bố hợp chất của TiO2 khi tẩm vào gỗ thông

Năm 2010 và 2012, Taghiyari, H. R. và cộng sự [35] [48] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp xử lý gỗ Dương - Populus nigra (poplar) và gỗ Dẻ gai - Fagus orientalis (beech) bằng nano Bạc với nồng độ 200ppm. Kết quả đã làm tăng độ bền nén dọc của các loại gỗ, nhưng độ bền uốn tĩnh lại có xu hướng giảm xuống. Tuy nhiên, tỉ lệ giảm độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi không đáng kể. Chỉ twff 1,7 % đến 6%.

Việc nghiên cứu áp dụng vật liệu nano vào nâng cao tính chất cơ học của gỗ trên thế giới không có nhiều nghiên cứu, thường nghiên cứu vào các trường hợp đặc thù. Đây cũng phù hợp với đặc tính của vật liệu nano. Để nâng cao tính chất cơ học của gỗ, đa số các nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu tạo compozit gỗ theo phương pháp sol-gel hoặc kết hợp vật liệu nano với một chất polyme phù hợp.

1.1.2. Tạo hiệu ứng bề mặt gỗ

Do vật liệu nano có hiệu ứng kích thước, khi xảy ra sự kết hợp giữa vật liệu nano và gỗ thì các phân tử nhỏ của vật liệu nano sẽ hình thành trong vách tế bào của gỗ, kết tủa, đồng thời cũng có thể liên kết với gốc -OH có trong gỗ, từ đó làm cho vật liệu nano trở thành một bộ phận tổ thành của gỗ, duy trì được hệ thống trong vách tế bào. Wang Chengyu và các cộng sự [36] [39] đã đưa nano ZnO dạng chuỗi, nano α-FeOOH hình cầu (Hình 1.2),… bám lên bề mặt gỗ để tạo ra vật liệu gỗ có tính năng siêu kỵ nước, đã làm thay đổi tính ưa nước của gỗ. Nguyên lý cơ bản của nó là lợi dụng phương pháp hóa học trong chế tạo nano, trên bề mặt gỗ tạo sự cùng tồn tại của hai kích thước nano và micron, sau khi xử lý giảm năng lượng bề mặt, làm cho giọt chất lỏng trên bề mặt gỗ chỉ có thể tiếp xúc với bề mặt của vật liệu nano, làm cho dầu hoặc nước không thể tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật liệu, tạo cho gỗ có được đặc tính hoàn toàn đối lập với đặc tính vốn có của nó, lúc này các vết mỡ hoặc nước khi tiếp xúc đến bề mặt gỗ không bị hút bởi sức căng bề mặt của nó, do đó đạt được hiệu quả tự làm sạch. Có thể thấy, sử dụng công nghệ chế tạo của vật liệu nano có thể chế tạo được vật liệu gỗ có khả năng siêu kỵ nước, kỵ dầu mỡ, nâng cao và cải thiệt rất lớn khả năng kỵ nước và kháng dầu mỡ của gỗ, làm cho gỗ không còn hoặc rất ít dãn nở do hút nước, bề mặt gỗ không còn bị bẩn do hấp thụ những chất hữu cơ. Lớp vật liệu nano được tạo ra có đóng vai trò là vỏ bọc vô cơ của bề mặt gỗ, đồng thời lại phát huy được hiệu ứng kích thước nhỏ của vật liệu nano, thực hiện được việc dung hòa một cách hữu cơ các đặc tính vốn có của gỗ với đặc tính của vật liệu nano. Một vấn đề quan trọng đặt ra là sau khi bề mặt gỗ được phủ bởi một lớp vật liệu nano thì có gây ra tác dụng xấu trong quá trình sử dụng không? Vì vậy, việc nghiên cứu hiệu ứng kích thước nhỏ của vật liệu nano trong biến tính gỗ nhằm nâng cao tính năng của gỗ có ý nghĩa rất quan trọng.

Hình 1.2. Vật liệu siêu kỵ nước (a) ZnO, (b) α-FeOOH

1.1.3. Tạo tính năng diệt khuẩn và tự làm sạch cho gỗ

Tìm kiếm chất bảo quản gỗ mới, không độc hại đối với con người và môi trường đồng thời có hiệu quả cao luôn là vấn đề được các nhà khoa học gỗ quan tâm. Những năm gần đây, việc lợi dụng nano TiO2, ZnO,…và các chất bán dẫn khác với tính năng xúc tác quang để loại bỏ và phân giải chất hữu cơ đang là điểm nóng trong nghiên cứu, hai loại vật liệu nano vô cơ này đều không độc, độ ổn định cao và có khả năng xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ khá cao. Nếu như có thể kết hợp một cách hữu cơ một số vật liệu thể bán dẫn xúc tác quang với gỗ, thì sẽ tạo cho gỗ có khả năng chống mục, diệt khuẩn, tự làm sạch và tự phân giải chất hữu cơ, như vậy có thể mở rộng được rất lớn phạm vi và mục đích sử dụng của vật liệu chất gỗ. Long Ling và các cộng sự [80] sử dụng thể huyền phù của TiO2 như là chất chống khuẩn trong công nghệ chế tạo tấm trang sức bề mặt ván nhân tạo, tiến hành kiểm tra tính năng diệt khuẩn phát hiện, tấm trang sức có hiệu quả kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn, nó có tác dụng ức chế rất tốt đối với cả khuẩn E. coli và tụ cầu khuẩn. Huang Suyong và đồng nghiệp [81] áp dụng phương pháp sol-gel chế tạo mẫu nhỏ vật liệu compozit TiO2-gỗ sa mộc, kết quả thí nghiệm kiểm tra vi sinh vật chống khuẩn cho thấy, vật liệu composite TiO2-gỗ sa mộc có tính chống khuẩn rõ rệt và tác

dụng rộng, tỷ lệ diệt khuẩn E.coli, tụ cầu khuẩn, vi khuẩn hình que (Salmonella typhimurium) và trực khuẩn Bacillus (Bacillus subtilis) đều đạt trên 90%, và tính chống khuẩn có độ ổn định và độ lâu bền nhất định. Năm 2018, Yawen Yao và cộng sự [66] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ siêu kỵ nước trên cơ sở este hóa xenlulo bằng glycerol stearoyl đến khả năng chống các loại nấm của gỗ, kết quả cho thấy gỗ sau khi xử lý kỵ nước và siêu kỵ nước có đặc tính chống nấm tốt hơn so với gỗ không xử lý. Hơn nữa, các tác dụng chống nấm khác nhau của gỗ kỵ nước và siêu kỵ nước đã được quan sát thấy: gỗ kỵ nước có thể ngăn chặn triệt để sự bám của nấm vào gỗ đã qua xử lý, trong khi nấm vẫn có thể được tìm thấy bên trong gỗ kỵ nước sau khi thử nghiệm chống nấm.

1.1.4. Cải thiện tính năng chống chịu thời tiết cho gỗ

Những năm gần đây, sử dụng vật liệu nano vô cơ để nâng cao khả năng chống chịu khí hậu của gỗ đã trở thành điểm nóng trong nghiên cứu biến tính gỗ [67] [12] [63]. Yu Yan và các đồng nghiệp [43] [50] kết hợp áp dụng phương pháp nhúng, tẩm và kết tủa tạo ra lớp ZnO dạng thanh trên bề mặt gỗ (Hình 1.3a), kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chống tia UV của gỗ đã được cải thiện và nâng cao khá nhiều. Tshabalala và cộng sự [46] [69] [20] đã lợi dụng các loại vật liệu vô cơ để tiến hành xử lý biến tính gỗ, sau đó để mẫu gỗ trong điều kiện chiếu tia UV cường độ cao đã phát hiện, khả năng chống chịu khí hậu của gỗ đã được nâng cao khá nhiều (Hình 1.3b). Ứng dụng đặc tính này để khắc phục tính lão hóa của gỗ, trạng thái bề mặt và phẩm chất của gỗ, có ý nghĩa thực tiễn với việc dùng gỗ ở ngoài trời, có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng gỗ trong điều kiện ngoài trời một cách rõ rệt.

Hình 1.3. Ảnh SEM của vật liệu ZnO-gỗ (a) và ảnh quang học của vật liệu vô cơ-gỗ (b)

1.1.5. Cải thiện tính năng chậm cháy cho gỗ

Xử lý chậm cháy cho gỗ luôn luôn là một trong những vấn đề kỹ thuật khó giải quyết nhất trong khoa học gỗ, rất nhiều nhà khoa học đã tiến hành các nghiên cứu mang tính thăm dò và không ngừng tìm kiếm loại hóa chất chậm cháy không độc hại đến môi trường và con người. Với sự phát triển của công nghệ nano, việc sử dụng vật liệu nano vào xử lý gỗ nhằm nâng cao khả năng chậm cháy và chịu lửa của gỗ cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Chuyên gia người Nhật Saka và các cộng sự [78] [79] đã sử dụng TiO2, Na2O-SiO2 và các hợp chất vô cơ khác, thông qua phương pháp sol-gel để tẩm các hợp chất này vào gỗ và tiến hành kiểm tra tính ổn định nhiệt và khả năng chịu lửa của vật liệu tạo ra, kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chậm cháy của vật liệu được nâng cao với mức độ nhất định. Sun Qingfeng và các cộng sự [37] đã tạo lớp anatase TiO2 trên bề mặt gỗ, sau đó sử dụng kỹ thuật CONE để xác định đặc tính cháy của vật liệu đã biến tính, kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian cháy của vật liệu đã biến tính kéo dài gấp hai lần, đồng thời lượng khói thoát ra và lượng CO, CO2 giảm rất nhiều so với gỗ đối chứng. Năm 2017, Lizhuo Kong và cộng sự [62] đã nghiên cứu phủ ZnO dạng que lên gỗ đã nâng cao được tính chất quang, tính năng siêu kỵ nước cũng như khả năng chậm cháy của gỗ. Năm 2018, Wang Ze và cộng sự [74] đã nghiên cứu sử dụng PDMS@Stearic Acid-Kaolin để phủ cho vật liệu lignocellulose, kết quả thu

được tính năng chậm cháy rất cao. Vì vậy, sử dụng vật liệu nano vô cơ để cải thiện khả năng chậm cháy của gỗ sẽ là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.

Tóm lại, từ góc độ phát triển hoặc tìm ra “loại vật liệu đa năng”, ít tác động tới môi trường, giá trị sử dụng cao để xử lý biến tính gỗ, cải thiện tính chất gỗ có thể thấy, nghiên cứu sử dụng vật liệu nano vô cơ để bảo quản gỗ và nâng cao chất lượng gỗ là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai của ngành chế biến và sử dụng gỗ.

1.2. Nghiên cứu ngoài nước về phương pháp biến tính gỗ bằng công nghệ nano

Hiện tại, ứng dụng công nghệ nano trong xử lý biến tính gỗ chủ yếu có hai phương thức là tạo vật liệu compozit gỗ-vật liệu nano vô cơ (phương pháp ngâm, tẩm) và tạo lớp phủ vật liệu nano trên bề mặt gỗ. Các phương pháp được áp dụng để tạo compozit có phương pháp sol-gel, phương pháp tẩm, phương pháp in-situ, phương pháp kết tủa thủy nhiệt; các phương pháp được áp dụng tạo lớp phủ có phương pháp sol-gel, phương pháp nhúng, phương pháp kết tủa thủy nhiệt, phương pháp phun, phương pháp quay,...

1.2.1. Các nghiên cứu xử lý tạo compozit gỗ-vật liệu vô cơ

Mặc dù gỗ là vật liệu dễ bị phá hoại, đây có thể xem là một ưu điểm khi để gỗ tự phân hủy trong điều kiện môi trường và được phân giải bằng quá trình tự nhiên để thực hiện chu kỳ tồn tại của nó, tuy nhiên đây là điều hoàn toàn không mong muốn khi gỗ được sử dụng trong các ứng dụng phục vụ cuộc sống con người.

Trong điều kiện những loài gỗ rừng tự nhiên ngày càng cạn kiệt, công nghiệp sử dụng gỗ đang chuyển sang hướng sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh, và việc quản lý và sử dụng gỗ khai thác từ rừng tự nhiên cũng được quan tâm hơn. Gỗ rừng trồng mọc nhanh thường có đặc điểm là tỉ lệ gỗ tuổi non cao và