Khả Năng Phủ Zno Để Nâng Cao Tính Kỵ Nước Và Chịu Uv Cho Gỗ Bồ Đề

cấp thấp của pin năng lượng mặt trời, thiết bị kiểm tra tia tử ngoại, LED, LD, xúc tác quang, xúc tác quang điện, pin nhạy cảm năng lượng mặt trời, chất chống tia tử ngoại, chất tẩy trắng,... Phương pháp chế tạo vật liệu ZnO dựa theo trạng thái ban đầu của vật chất có thể chia thành 3 loại lớn là phương pháp pha rắn, phương pháp pha lỏng và phương pháp pha khí. Trong đó phương pháp pha lỏng có ưu thế là công nghệ tổng hợp đơn giản, tiêu hao nguyên liệu thấp, dễ khống chế thành phần sản phẩm,... do vậy, phương pháp pha lỏng luôn chiếm ưu thế chủ yếu trong chế tạo vật liệu nano ZnO. Mà trong rất nhiều phương pháp pha lỏng như phương pháp sol-gel, phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp tổng hợp mẫu, phương pháp ngoại diên chùm phân tử, phương pháp cấy hạt tinh thể, phương pháp nhiệt dung dịch và phương pháp thủy nhiệt, phương pháp thủy nhiệt do có ưu điểm là thời gian phản ứng ngắn, tốc độ phản ứng nhanh, tính năng sản phẩm ưu việt,... cho nên được rất được xem trọng. Liu và các cộng sự trong quá trình chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, thông qua việc điều chỉnh công nghệ phản ứng đã chế tạo ra nano ZnO dạng hoa, họ cũng đã sử dụng kỹ thuật XRD, SEM và quang phổ Raman để phân tích và nghiên cứu cấu trúc vật liệu và cấu tạo vi mô của tinh thể của vật liệu nano hoa này, hình dạng của nano hoa như thể hiện trên hình 1-12 [117]. Yin và các cộng sự trong quá trình chế tạo vật liệu nano ZnO cho thêm vào chất hoạt tính bề mặt C12H25―OSO3Na đã chế tạo ZnO dạng hoa cúc (Hình 3.10), đồng thời sử dụng các kỹ thuật SEM, TEM, SAED, HRTEM, XRD,... tiến hành phân tích đặc trưng bề mặt của vật liệu, kết quả cho thấy ZnO dạng hoa cúc là đơn tinh thể wurtzite lục giác có cấu trúc lăng trụ nano một chiều, đồng thời ZnO này phát triển theo phương trục tinh thể ZnO (0001) [118]. Nhóm nghiên cứu cảu Ji và Liu đi tiên phong trong việc sử dụng phương pháp thủy nhiệt để chế tạo nano ZnO dạng trụ [117,119], còn nhóm nghiên cứu của Choy người Hàn Quốc tổng hợp ra nano ZnO sợi và cấu tạo với san hô tạo nên vật liệu nano ZnO [120].

Nhóm của Yang Peidong lợi dụng điều kiện pha lỏng chế tạo ra mảng nano dạng thanh ZnO có diện tích lớn, thêm thuốc nhộm chế tác ra tấm pin năng lượng mặt trời [121]. Với sự hoàn thiện không ngừng của điều kiện công nghệ thủy nhiệt chế tạo ZnO, rất nhiều hình dạng kỳ lạ của nano ZnO lần lượt được nghiên cứu phát hiện ra, như nano rừng cây (Hình 3.12),...[122].

Hình 3.10. Ảnh SEM của ZnO dạng hoa được tổng hợp

(a) độ phóng đại 10000x,

(b) độ phóng đại 30000x

Hình 3.11. Ảnh TEM, SEM, HRTEM của ZnO

dạng hoa cúc

Hình 3.12. Nano rừng cây ZnO

3.5. Đặc điểm gỗ Bồ đề

Gỗ Bồ đề có tên khoa học là Styrax TonkinensisPierre, phân bố tự nhiên ở một số vùng của Việt Nam, Lào, Thai lan, Indonesia. Tại Việt Nam, Bồ đề phân bố từ Nghệ An, Hà Tĩnh trở ra, phân bố nhiều nhất là dọc thung lũng sông Lô, sông Chảy, sông Hồng và tiếp đến là Bắc giang, Thái Nguyên, Hoà Bình,… Theo tài liệu nghiên cứu [84] [85], đặc điểm cấu tạo và một số tính chất

gỗ Bồ đề như sau:

Cấu tạo của gỗ Bồ Đề:

- Cấu tạo thô đại: Gỗ có màu trắng phớt hồng; gỗ giác, gỗ lõi không phân biệt; vòng năm rõ; gỗ sớm, gỗ muộn không phân biệt; thớ thẳng mịn.

- Cấu tạo hiển vi: Mạch gỗ phân tán tụ hợp đơn kép, đường kính mạch gỗ trung bình từ 100-200 µm, số lượng khoảng 10-25 mạch/mm2. Tế bào mô mềm xếp dọc thân cây. Tia gỗ sắp xếp đồng nhất chiếm 10-30% thể tích gỗ, số lượng trung bình 8-10 tia/mm. Không có cấu tạo lớp và ống dẫn nhựa.

Đặc điểm của gỗ Bồ Đề:

- Ưu điểm: Gỗ Bồ Đề có màu sắc trắng sáng, thớ thẳng mịn. Gỗ nhẹ, mềm nên công cắt gọt nhỏ. Cây có sức sinh trưởng khá nhanh. Gỗ có hàm lượng cellulose khá cao từ 47-49%, hàm lượng lignin thấp 22,3%.

- Nhược điểm: Do cây sinh trưởng nhanh nên ứng suất sinh trưởng lớn, gây khó khăn cho quá trình gia công chế biến.

Bảng 3.2. Một số tính chất cơ học của gỗ Bồ Đề

Chỉ tiêu	Đơn vị tính	Giá trị
1	Khối lượng thể tích	g/cm3	0,420
2	Điểm bão hòa thớ gỗ	%	24
3	Hệ số co rút thể tích	-	0,36
4	Độ bền nén dọc thớ	MPa	26,1
5	Độ bền uốn tĩnh	MPa	62,3
6	Độ bền khi tách	kg/cm	6
7	Hệ số uốn va đập	-	0,7

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 174 trang tài liệu này.

CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

4.1. Khả năng phủ ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chịu UV cho gỗ Bồ đề

Với mục đích nghiên cứu khả năng hình thành lớp phủ ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chịu UV cho gỗ Bồ đề, đồng thời đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc xử lý a xít stearic đến tính siêu kỵ nước của gỗ, trong nội dung này luận án đã lựa chọn một chế độ xử lý (tỉ lệ pha hỗn hợp chất xử lý) dựa trên kết quả nghiên cứu của nước ngoài đã công bố để tiến hành chế tạo mẫu gỗ bồ đề phủ bằng ZnO theo Phương pháp nhúng kết hợp xử lý thủy nhiệt. Cụ thể như sau:

- Bước 1: Tạo lớp phủ chứa Zn2+ lên mẫu gỗ

- Bước 2: Xử lý thủy nhiệt để tạo ra cấu trúc thứ bậc chứa tinh thể ZnO trong lớp phủ

- Bước 3: Xử lý giảm năng lượng bề mặt lớp phủ ZnO

- Bước 4: Đánh giá đặc tính bề mặt của gỗ Bồ đề đã phủ ZnO.

Tạo lớp phủ chứa Zn2+ lên mẫu gỗ Bồ đề

- Bước 1: Chuẩn bị mẫu gỗ, sau đó sấy mẫu đến khô kiệt.

- Bước 2: Pha Sol ZnO bằng cách cho 24,4g Kẽm acetate (ZnAc.2H2O) vào 200 ml ethanol, khuấy liên tục trong 30 phút bằng máy khuấy từ gia nhiệt, nhiệt độ phản ứng 60 oC. Sau đó cho 11,25g Triethenamine (TEA), tiếp tục khuấy cho đến khi thu được dung dịch trong suốt.

- Bước 3: Ngâm mẫu gỗ vào dung dịch ở Bước 1 trong 30 phút, sau đó sấy ở nhiệt độ 60 oC trong 30 phút (thực hiện bước này 5 lần để được lớp phủ chứa Zn2+ đồng đều trên gỗ).

Xử lý thủy nhiệt tạo cấu trúc micro/nano cho lớp ZnO trên gỗ Bồ đề

- Bước 1: Chuẩn bị dung dịch thủy nhiệt bằng cách hòa tan 0,5625g Zn(NO3)2.6H2O và 0,2668g HMTA vào 40 ml nước tinh khiết (0,002 mol mỗi chất), khuấy dung dịch trong 30 phút.

- Bước 2 : Xử lý thủy nhiệt mẫu trong dung dịch thu được ở Bước 1, nhiệt độ 80 oC, thời gian 5 giờ, sau đó sấy mẫu ở nhiệt độ 60 oC, 1 giờ.

(3) Xử lý giảm năng lượng bề mặt lớp phủ ZnO trên gỗ

- Bước 1: Chuẩn bị mẫu gồm mẫu gỗ Bồ đề không phủ và đã phủ ZnO.

- Bước 2: Ngâm mẫu ở Bước 1 vào dung dịch a xít stearic nồng độ 1,5% trong 2 giờ.

- Bước 3: Sấy mẫu ở 60 oC trong 3 giờ.

Các mẫu thí nghiệm trong nội dung này được phân loại như sau:

- Mẫu đối chứng: Mẫu gỗ Bồ đề tự nhiên chỉ qua sấy về độ ẩm thăng bằng. Ký hiệu ĐC1.

- Mẫu gỗ chỉ xử lý a xít stearic: Mẫu gỗ Bồ đề tự nhiên sau khi sấy được xử lý với a xít stearic. Ký hiệu ĐC2.

- Mẫu gỗ chỉ phủ ZnO: Mẫu gỗ Bồ đề tự nhiên sau khi sấy được phủ lớp ZnO nhưng không xử lý bằng a xít stearic. Ký hiệu ĐC3.

- Mẫu gỗ phủ ZnO siêu kỵ nước: Mẫu gỗ Bồ đề sau khi sấy được phủ lớp ZnO kết hợp xử lý với a xít stearic. Ký hiệu W-ZnO.

Sau khi tạo ra các loại mẫu theo mô tả ở trên, sẽ tiến hành phân tích các tính chất bề mặt của các mẫu gỗ. Các tính chất kiểm tra gồm:

- Cấu trúc hiển vi lớp phủ và cấu trúc tinh thể lớp phủ.

- Tính năng kỵ nước của lớp phủ thông qua góc tiếp xúc (WCA).

- Tính năng chịu ẩm thông qua hiệu quả cách ẩm (MEE).

- Tính năng chịu nước thông qua hiệu suất chống nước (WRE).

- Tính năng chịu UV của lớp phủ thông qua độ bề màu của gỗ.

- Khả năng tự làm sạch bề mặt của lớp phủ.

4.1.1. Cấu trúc hiển vi của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề

Để làm rõ cơ chế của hiện tượng kỵ nước/siêu kỵ nước cho mẫu gỗ Bồ đề sau khi phủ ZnO kế hợp xử lý bằng a xít stearic, luận án đã tiến hành phân tích cấu trúc hiển vi của lớp phủ bằng kính hiển vi điện tử quét (FESEM) trên máy S-4800 của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả phân tích hiển vi của gỗ Bồ đề được thể hiện trong hình 4.1.

(a) Mẫu không phủ (b) Mẫu phủ

Hình 4.1. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của gỗ Bồ đề đối chứng và gỗ bồ đề phủ mặt bằng ZnO

Trong các mẫu phân tích hình ảnh FESEM, do mẫu ĐC2 không phủ ZnO mà chỉ xử lý a xít stearic nên cấu trúc bề mặt không thay đổi, tương tự như mẫu không phủ ĐC1, mẫu ĐC3 phủ ZnO có cấu trúc bề mặt không khác biệt so với mẫu W-ZnO, vì vậy luận án chỉ phân tích mẫu hình ảnh của không phủ ĐC1 và mẫu phủ W-ZnO.

Từ hình ảnh FESEM của gỗ không phủ và gỗ phủ ZnO cho thấy các đặc điểm sau:

Đối với gỗ không phủ, trên bề mặt chỉ xuất hiện cấu trúc vốn có của gỗ do ruột các tế bào mạch gỗ, sợi gỗ, tế bào mô mềm cấu tạo nên tia gỗ tạo ra. Cấu trúc này cũng là một dạng cấu trúc thứ bậc, tuy nhiên kích thước của các phần tử ở cấp độ micro. Với đặc điểm này chưa đủ điều kiện để tạo ra bề mặt kỵ nước hoặc siêu kỵ nước theo các mô hình của Wenzel [15].

Đối với gỗ sau khi phủ ZnO, trên bề mặt xuất hiện lớp phủ liên tục được cấu tạo bởi các phần tử dạng mảnh phủ lên cấu trúc vốn có của gỗ tạo ra cấu trúc thứ bậc do cấu trúc ở cấp độ micro mét (cấu trúc bề mặt gỗ) và cấu trúc của lớp phủ ZnO ở cấp độ nano mét tạo nên. Từ đặc điểm này có thể thấy, cấu trúc bề mặt gỗ sau khi phủ hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu bề mặt kỵ nước hoặc siêu kỵ nước của Wenzel [15] hoặc Cassie [17].

Trên cơ sở cấu trúc bề mặt gỗ và cấu trúc lớp phủ ZnO, có thể mô phỏng cấu trúc bề mặt gỗ trước và sau khi phủ hình sau [83]:

Gỗ không phủ Gỗ sau khi phủ ZnO Gỗ sau khi phủ và xử lý

bằng a xít stearic

Hình 4.2. Mô phỏng cấu trúc bề mặt gỗ trước và sau khi phủ ZnO

Trong nghiên cứu cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét FESEM, ngoài việc quan sát được hình dạng cấu trúc lớp phủ, còn có thể kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để xác định sự có mặt hay không của các nguyên tố hình thành nên lớp phủ.

Trong nội dung nghiên cứu này, các mẫu gỗ phủ ZnO đã được phân tích phổ EDX. Kết quả thể hiện trong hình 4.3 và hình 4.4.

Hình 3.3. Vị trí lựa chọn phân tích thành phần nguyên tố

Hình 4.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) bề mặt gỗ phủ ZnO

Từ hình ảnh phổ EDX của bề mặt gỗ phủ ZnO có thể thấy, trên bề mặt đã tồn tại nguyên tố Kẽm (Zn), hai nguyên tố còn lại là Ô xy (O) và Các bon