Các Nghiên Cứu Xử Lý Tạo Lớp Phủ Micro/nano Vô Cơ Trên Bề Mặt Gỗ

gỗ lõi kém phát triển, do phát triển nhanh nên vòng tăng trưởng của nó thường rộng, tạo ra gỗ có khối lượng thể tích thấp. Điều này thể hiện rõ nhất là cường độ gỗ rừng trồng thấp hơn nhiều so với các loại gỗ rừng tự nhiên. Ngoài ra các đặc điểm như khả năng ổn định kích thước và độ bền của gỗ rừng trồng mọc nhanh cũng kém hơn so với gỗ rừng tự nhiên. Những nhân tố này đã làm giảm chất lượng của gỗ rừng trồng, và hiệu quả kinh tế kém hơn rất nhiều so với gỗ rừng tự nhiên. Qua đó cho thấy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng là rất cần thiết. Để kéo dài tuổi thọ của gỗ rừng trồng khi sử dụng trong điều kiện cụ thể, cần phải có các giải pháp biến tính để tăng khả năng chống vi sinh vật phá hoại, tăng tính ổn định kích thước và độ ổn định màu sắc khi chịu sự tác dụng của tia tử ngoại. Các phương pháp đã được áp dụng để nâng cao tính ổn định kích thước có acetyl hóa [70, 72, 76], xử lý nhiệt độ cao[34, 40, 68, 75] và tạo ra vật liệu compozit gỗ-vật liệu vô cơ [8].

Vật liệu compozit gỗ-vật liệu vô cơ Wood-Inorganic composites (WIC) có thể được tạo ra bằng phương pháp khuếch tán hợp chất vô cơ vào gỗ làm cho hợp chất vô cơ điền đầy trong tế bào gỗ. WIC cũng có thể được tạo bằng cách ngâm tẩm trực tiếp với hợp chất vô cơ [8]. Furuno [9, 10, 11] của Đại học Mokuzai University Nhật Bản, đã sử dụng Na2SiO3 làm hóa chất xử lý để biến tính gỗ Chamaecyparis obtuse, Ông đã chỉ ra rằng, bằng cách kết hợp giữa hợp chất Na2SiO3 với chất chậm cháy (borate) có thể tạo ra vật liệu có tính ổn định kích thước, khả năng chống vi sinh vật phá hoại và khả năng chậm cháy cao hơn nhiều so với khi chỉ sử dụng hóa chất chậm cháy là borate để xử lý gỗ. Yamaguchi (1994, 1997) của Đại học Kyushu University Nhật Bản đã có báo cáo khi sử dụng phương pháp trao đổi Ion giữa gỗ và dung dịch Na2SiO3 5% (SAMS), sau đó cho thêm phosphoric acid để xử lý gỗ Cryptomera japonica. Kết quả phân tích bằng SEM đã chỉ ra được sự hình thành của keo silicone

(silicone gel) trong kết cấu gỗ, và cường độ và tính ổn định kích thước của gỗ đã được cải thiện do có trao đổi của nhóm hydroxyl (-OH) trong gỗ.

Những năm gần đây, phương pháp sol-gel đã được áp dụng rộng rãi trong việc tạo ra vật liệu compozit chất vô cơ-gỗ (WIC). Trong quá trình sol-gel, dung dịch chất dẫn có chứa oxit kim loại nặng hoặc oxit silic được tẩm vào trong gỗ và sau đó tạo thành keo của các hạt nano trong gỗ do phản ứng thủy phân và ngưng tụ. Sau khi sấy sẽ thu được vật liệu compozit gỗ-hợp chất vô cơ. Ogiso and Saka (1994) đã xử lý gỗ bằng các hóa chất như: isocyanates, epoxies và nhựa, sau đó được xử lý bởi ethyl-ortho-silicate (TEOS). Nghiên cứu đã phát hiện ra, WIC được tạo ra bởi sự kết hợp xử lý giữa isocyanate-TEOS và epoxy- TEOS đã có tính ổn định kích thước và khả năng chậm cháy tăng lên rất nhiều do sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong vách tế bào gỗ. Tuy nhiên, xử lý hai lần bằng vinyl-TEOS tạo ra pholyme đồng nhất trong ruột tế bào đã không làm tăng tính chất vật lý của gỗ. Fumie and Saka (1998) đã chế tạo vật liệu compozit gỗ-SiO2 từ gỗ Chamaecyparis obtuse, vật liệu compozit thu được đã thể hiện khả năng chống lại mục trắng kém hơn so với mục nâu.

Bằng việc sử dụng ancoxit titan (titanium alkoxide) và titanium chelates có tỉ lệ thủy phân thấp, keo TiO2 có thể kết tủa vào trong vách tế bào, từ đó đã nâng cao được tính chất của gỗ đặc biệt là tính ổn định kích thước và khả năng chậm cháy (Miyafuji and Saka 1997; Hubert et al 2010; Wang et al. 2012).

Theo các nghiên cứu từ Nhật Bản thì có 3 phương pháp cơ bản để tạo vật liệu composite gỗ-hợp chất vô cơ bằng quá trình sol-gel. Phương pháp thứ nhất là, khống chế độ ẩm gỗ, nước tự do và một phần nước liên kết nên được loại bỏ và chỉ lợi dụng phần nước để tương tác với chất dẫn (sol precursors). Phương pháp thứ hai là, xử lý trước gỗ với chất liên kết (coupling agents) để tạo ra liên kết ngang giữa gỗ và nguyên tố kim loại để tạo ra ảnh hưởng tối đa đến tính chất gỗ. Phương pháp thứ ba là, cho thêm hợp chất chống cháy vào trong quá

trình xử lý để đồng thời tạo ra khả năng chậm cháy của vật liệu nhưng cũng cần phải xem xét lựa chọn hóa chất hợp lý và an toàn với môi trường sử dụng.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 174 trang tài liệu này.

1.2.2. Các nghiên cứu xử lý tạo lớp phủ micro/nano vô cơ trên bề mặt gỗ

Bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn hơn 150o và góc trượt nhỏ hơn 10o từ việc mô phỏng hiệu ứng lá sen đã được nhiều nghiên cứu cơ bản và ứng dụng quan tâm [86, 87, 95, 101]. Bề mặt này đã tạo ra được đặc tính nổi bật như chống nước, tự làm sạch, giảm ma sát và chống bám bẩn [32, 93, 96, 99].

Thời gian trở lại đây, bề mặt siêu kỵ nước đa tính năng đã được tạo ra trên cơ sở của các ô xít vô cơ như: TiO2, ZnO, and SiO2 [53, 88, 90, 102, 104]. Ngoài ra, đối với bề mặt phủ TiO2 còn thể hiện khả năng kháng khuẩn và được áp dụng vào ứng dụng trong bệnh viện và chế biến thực phẩm nhờ vào đặc tính quang xúc tác của nó [94, 103].

Như đã biết, đặc tính siêu kỵ nước có thể thu được bằng cách kết hợp bề mặt siêu ráp và lớp phủ với năng lượng bề mặt thấp. Về cơ bản có thể phân phương pháp tạo bề mặt siêu kỵ nước thành hai nhóm phương pháp chính: (1) Tạo lớp phủ có cấu trúc ráp trên vật liệu kỵ nước, (2) Biến tính lớp phủ ráp bằng vật liệu có năng lượng bề mặt thấp [47]. Trên cơ sở nguyên lý này, có nhiều phương pháp đã được áp dụng để tạo bề mặt siêu kỵ nước như: Phương pháp sol-gel [45, 98], phương pháp ngâm trong dung dịch, phương pháp tách pha khí, phương pháp kết tủa và phương pháp phân lớp [89, 91, 92].

Trong khoảng một thập niên trước, nhiều nhà khoa học đã tạo ra nhiều loại vật liệu trên cơ sở mô phỏng bề mặt siêu kỵ nước như: polyme, kim loại, compozit,… Gần đây, cũng đã có một số công trình nghiên cứu đề cập đến tạo bề mặt kỵ nước và chống tia UV cho gỗ bằng hợp chất vô cơ kích thước micro/nano. Wang và đồng tác giả [97] đã tổng hợp nano ZnO dạng que trên bề mặt gỗ bằng phương pháp hoá ướt, sản phẩm tạo ra tiếp tục được xử lý bằng a xít steric và trở thành bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc khoảng 152o.

Wang và cộng sự [41] chế tạo màng silic biến tính trên bề mặt gỗ thu được góc tiếp xúc khoảng 164o bằng phương pháp sol-gel. Hsieh và cộng sự [100] tạo lớp phủ silica xử lý bằng hợp chất flo trên bề mặt gỗ đã tạo ra được đặc tính siêu kỵ nước và kỵ dầu với góc tiếp xúc lớn nhất lần lượt đạt 168o và 154o. Sun và đồng nghiệp [42, 49, 105] áp dụng phương pháp thuỷ nhiệt ở nhiệt độ thấp đã tạo ra được bề mặt siêu kỵ nước cho gỗ bằng màng TiO2 với góc tiếp xúc khoảng 154o, và màng ZnO tạo bề mặt gỗ có khả năng chống chịu tia UV tốt. Zheng và đồng nghiệp [106] đã phát triển TiO2 với cấu trúc tầng (hierarchical structures) trên bề mặt gỗ bằng phương pháp thuỷ phân trực tiếp và kết tinh TiCl3 trong muối NaCl bão hoà gốc nước ở điều kiện nhiệt độ phòng. Sau khi biến tính bằng perfluorodecyltriethoxysilane (PFDTS), góc tiếp xúc của gỗ xử lý bằng TiO2 có thể đạt tới 140,0±4,2o, điều này chỉ ra rằng bề mặt gỗ xử lý đã trở thành bề mặt siêu kỵ nước. Ngoài ra, so sánh với mẫu gỗ không xử lý, gỗ phủ bằng TiO2 không những có độ hút nước thấp mà còn hút nước chậm hơn khi kiểm tra trong cùng điều kiện. Gan và đồng nghiệp [58] đã nghiên cứu được gỗ đa tính năng như: có từ tính, siêu kỵ nước và chịu tia UV bằng cách kết tủa hạt nano CoFe2O4 trên bề mặt gỗ sau đó tiến hành xử lý một lớp octadecyltrichlorosilane (OTS). Vật liệu compozit gỗ tạo ra thể hiện độ từ tính cao và góc tiếp xúc lớn hơn 150o. Hơn nữa, kết quả kiểm tra lão hoã nhanh còn cho thấy vật liệu còn có khả năng chịu tia UV rất tốt. Gao cùng cộng sự [59] đã nghiên cứu phương pháp thuỷ nhiệt ở nhiệt độ thấp hai bước để tạo lớp phủ TiO2 trên gỗ sau đó biến tính bằng fluoroalkyl silane. Kết quả phân tích SEM cho thấy gỗ phủ TiO2 có lớp phủ đồng đều từ các hạt TiO2 đã tạo ra độ ráp cho bề mặt gỗ, là nhân tốt chính để tạo ra bề mặt siêu kỵ nước cho sản phẩm này. Lớp phủ này còn giữ nguyên được hiệu quả siêu kỵ nước với góc tiếp xúc khoảng 150o sau khi ngâm trong dung dịch a xít HCl 0,1M trong một tuần, chiếu tia UV trong 24h, đun trong nước sôi 10h. Sản phẩm tạo ra trở thành loại

vật liệu gỗ đa tính năng với các đặc tính như kỵ nước, chịu a xít, chịu nhiệt độ và độ ẩm. Li và cộng sự [56] sử dụng phương pháp thuỷ nhiệt và biến tính bàng FAS-17 để tạo vật liệu đa tính năng từ tre với các đặc tính gồm: siêu kỵ nước, chống tia UV bằng màng ZnO. Vật liệu tre xử lý bằng FAS-17 thể hiện, bề mặt không những siêu kỵ nước với góc tiếp xúc khoảng 161o mà còn có thể giữ được trạng thái siêu kỵ nước với góc tiếp xúc khoảng 152o sau khi chịu tác động của dung dịch a xít với pH = 3. Ngoài độ bền của đặc tính siêu kỵ nước, loại vật liệu này còn có khả năng chịu tia UV. Jia cùng đồng nghiệp [60] đã nghiên cứu phương pháp hiệu quả, đơn giản tạo bề mặt siêu kỵ nước cho gỗ bằng cách sử dụng hạt nano SiO2 biến tính bằng VTES. Bề mặt siêu kỵ nước tạo ra này có góc tiếp xúc khoảng 154o và góc trượt gần như bằng 0o. Đồng thời, gỗ siêu kỵ nước này còn thể hiện độ bền khi chịu mài mòn, thậm chí chịu được bào mòn bằng dao. Trong điều kiện nước sôi, bề mặt siêu kỵ nước vẫn có hiệu quả. Qua các phân tích bằng SEM, XRD và FTIR cho thấy, cấu trúc micro/nano dạng tầng đã được tạo ra trên bề mặt gỗ và vinyltriethoxysilane đã góp phần chống lại sự tích tụ của các hạt nano SiO2, duy trì bề mặt có năng lượng thấp. Đây là phương pháp đơn giản, sản phẩm có khả năng chống lại mài mòn cơ học và ổn định lâu dài trong quá trình sử dụng. Vì vậy, nó có thể được ứng dụng trong những lĩnh vực đặc biệt ví dụ như các ứng dụng ở điều kiện ngoài trời.

1.3. Nghiên cứu trong nước về phương pháp biến tính gỗ bằng công nghệ nano

Trước đây vật liệu nano đã được nhiều nhà khoa học quan tâm với những thành công đáng khích lệ. Rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu nano được công bố trong và ngoài nước. Tuy nhiên, các kết quả này chủ yếu tậm trung vào hướng nghiên cứu cơ bản. Việc đưa vào ứng dụng thực tiễn còn bị hạn chế do cần phải vượt qua rào cản về hiệu quả kinh tế và khoa học công nghệ.

Mặt khác, qua các kết quả công bố về công nghệ nano cho thấy nghiên cứu mới chỉ tập trung ở một số lĩnh vực như: Ứng dụng nano trong y học, ứng dụng trong công nghiệp, điện tử... mà chưa có nhiều nghiên cứu sâu và hệ thống về ứng dụng côn nghệ nano trong chế biến gỗ.

Năm 2011-2012, Cao Quốc An và cộng sự trường Đại học Lâm nghiệp thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Nano để nâng cao chất lượng ván lạng”. Đề tài sử dụng hạt nano TiO2 để xử lý cho ván lạng từ 5 loại gỗ tự nhiên và rừng trồng là: Xoan đào, Mỡ, Giổi, Keo lai, Keo lá tràm. Kết quả của đề tài cho thấy được xử lý bằng hạt nano TiO2 đã cải thiện được nhiều tính chất của ván mỏng như: độ hút nước, độ ổn định kích thước, độ mài mòn [2].

Năm 2012, Nguyễn Văn Thiết cùng các cộng sự đã nghiên cứu công nghệ xử lý thanh cơ sở cho sản xuất ván sàn bằng vật liệu nano SiO2 thuộc đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng ván sàn từ gỗ Keo lai và Mỡ bằng kỹ thuật xử lý SiO2”. Kết quả đã tạo ra được thanh cơ sở có độ cứng bề mặt và độ mài mòn tăng lên một lượng nhất định [1].

Năm 2014, Trần Văn Chứ, Phạm Văn Chương và Vũ Mạnh Tường đã công bố một nghiên cứu về đặc tính thấm ướt của vật liệu compozit tạo ra từ gỗ Keo lai sau khi tẩm bằng TiO2 gel (dung dịch sol trước khi tẩm vào gỗ được pha với cồn nguyên chất), kết quả cho thấy, gỗ vật liệu có bề mặt gần như không thấm ướt với góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt gỗ lên tới trên 150o [54].

Năm 2014, Vũ Mạnh Tường và Phạm Văn Chương đã tiến hành nghiên cứu Một số tính chất vật lý của gỗ Keo lai xử lý bằng dung dịch TiO2 với nồng độ khác nhau, kết quả cho thấy, xử lý bằng TiO2 sol đã nâng cao được khả năng kỵ nước và tính ổn định kích thước của gỗ đáng kể [4].

Năm 2015, Vũ Mạnh Tường và Trần Văn Chứ đã công bố kết quả nghiên cứu xử lý gỗ Keo lai bằng TiO2 để nâng cao khả năng chịu UV cho gỗ. Kết quả

cũng thể hiện, gỗ được xử lý bằng TiO2 theo phương pháp Sol-gel kết hợp với xử lý nhiệt có thể nâng cao khả năng chịu UV của gỗ lên gấp 2 lần [57].

Năm 2015, Trần Văn Chứ và Vũ Mạnh Tường đã tiến hành Nghiên cứu tính chất vật liệu compozit gỗ chế tạo từ gỗ Keo lai và nano titan đioxit (TiO2), kết quả đã tạo ra được vật liệu compozit có độ ổn định kích thước cao và khả năng cách ẩm tốt hơn nhiều so với gỗ Keo lai đối chứng [7].

Năm 2015, Vũ Mạnh Tường và Lý Tuấn Trường đã tiến hành nghiên cứu Đặc tính cháy của vật liệu compozit gỗ-TiO2. Kết quả nghiên cứu thể hiện, compozit gỗ và TiO2 có khả năng chậm cháy nâng lên đáng kể, với thời gian bắt lửa kéo dài gấp nhiều lần so với gỗ không xử lý [5].

Năm 2015 Bùi Văn Ái cùng cộng sự đã tiến hành nghiên cứu Hiệu lực phòng chống nấm mục và côn trùng hại gỗ của sơn PU có phân tán nano TiO2, SiO2, ZnO, nanoclay. Trong nghiên cứu, vật liệu nano được phân tán trong sơn PU nhằm nâng cao hiệu lực bảo vệ gỗ trước các tác nhân gây hại. Gỗ Bồ đềStyrax tonkinensisđược sơn phủ bằng sơn PU có phân tán các hoạt chất nano được khảo nghiệm đánh giá hiệu lực phòng chống nấm mục Pleurotus otreatus và mối nhà Coptotermes gestroi. Kết quả thu được cho thấy sơn PU phân tán nano TiO2, ZnO và Nanoclay cho hiệu lực phòng chống mối tốt; sơn PU sau khi phân tán các hoạt chất nano ZnO nồng độ 0,1%, TiO2 <100nm nồng độ 0,1%, và Nanoclay hydrophilic nồng độ 0,5% cho hiệu lực phòng chống tốt với nấm mục [6].

Trong các năm 2016 đến 2019, Phạm Thị Ánh Hồng và cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu nâng cao chất lượng sơn PU bằng hạt nano TiO2, kết quả đã chỉ ra, việc áp dụng vật liệu nano TiO2 không những cải thiện chất lượng trang sức của màng sơn PU mà còn nâng cao được khả năng chịu môi trường của màng sơn cho bề mặt gỗ [10] [13] [9] [8].

Năm 2018, Vũ Mạnh Tường và cộng sự tiến hành nghiên cứu Chế tạo bề mặt siêu kỵ nước trên gỗ bằng công nghệ phủ vật liệu kích thước micro/nano, kết quả đã tạo ra được gỗ Keo lai siêu kỵ nước được phủ bằng màng TiO2 và ZnO theo phương pháp thủy nhiệt và phương pháp nhúng thông thường [11].

Cho đến thời điểm hiện tại, có thể thấy các nghiên cứu trong nước về ứng dụng vật liệu và công nghệ nano trong nâng cao chất lượng gỗ đã có bước tiến nhất định, tuy nhiên, các nghiên cứu đang tập trung chủ yếu vào phương pháp nhúng, ngâm tẩm thông thường hoặc pha trộn vào hỗn hợp sơn, keo. Một số nghiên cứu đã áp dụng phương pháp của lĩnh vực công nghệ nano để tạo màng phủ nano lên bề mặt gỗ như phương pháp sol-gel, thủy nhiệt,…

1.4. Kết luận rút ra từ tổng quan

Từ các nghiên cứu đã công bố về ứng dụng công nghệ và vật liệu nano để biến tính bề mặt gỗ ở phần trên, có thể rút ra các kết luận sau:

(1) Vật liệu nano nói chung, ZnO nói riêng khi có kích thước mirco/nano được sử dụng để phủ mặt vật liệu sẽ làm cho vật liệu trở nên siêu kỵ nước, chịu UV.

(2) Để tạo ra lớp phủ siêu kỵ nước cấu trúc micro/nano cần kết hợp đồng thời hai điều kiện là: bề mặt vật liệu phải có cấu trúc thứ bậc, cấu trúc lớp (hierarchical structure) và vật liệu bề mặt phải có năng lượng bề mặt thấp. Trong khí, bản thân ZnO không phải là loại vật liệu có năng lượng bề mặt thấp. Vì vậy, trong các nghiên cứu đã dùng các hợp chất hữu cơ để xử lý làm giảm năng lượng bề mặt của lớp phủ ZnO. Các hợp chất như: FAS-17 (1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilane hoặc một số loại a xít hữu cơ, trong đó a xít stearic (CH3-(CH2)16-COOH) là một trong những loại được sử dụng khá phổ biến.