Nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn Polyurethane (PU) phân tán Nano TiO2

Các sản phẩm gỗ đều được trang sức bằng một số loại chất phủ với mục đích làm tăng tính thẩm mỹ và bảo vệ bề mặt sản phẩm trước các yếu tố độ ẩm, ánh sáng và vi sinh vật hại gỗ, trong đó, sơn PU là loại được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, các nghiên cứu về nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ tại Việt Nam chưa nhiều. Do đó, đề tài luận án được thực hiện có tính cấp thiết trong lĩnh vực sản xuất chế biến gỗ tại Việt Nam. Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung và hoàn thiện cơ sở khoa học về công nghệ nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn PU kết hợp với vật liệu nano TiO2.

1

MỞ ĐẦU

Gỗ là vật liệu dị hướng dễ bị thay đổi màu sắc, kích thước dưới tác động của môi trường nên các sản phẩm gỗ ở nước ta hiện nay đều được trang sức bằng một số loại chất phủ với mục đích làm tăng tính thẩm mỹ và bảo vệ bề mặt sản phẩm trước các yếu tố độ ẩm, ánh sáng và vi sinh vật hại gỗ, Công đoạn trang sức có thể tiến hành trước hoặc sau khi lắp ráp thành sản phẩm Đây là khâu quan trọng trong quá trình sản xuất đồ gỗ

Chất phủ Polyurethane (PU) là loại được dùng phổ biến nhất để trang sức sản phẩm

gỗ bởi chúng có nhiều ưu điểm như màng sơn khô nhanh, bám dính tốt, phẳng mịn, có độ cứng và độ bóng cao, giá thành phù hợp Tuy nhiên, loại sơn này có nhược điểm lớn là chịu ánh sáng tự nhiên kém nên màng sơn dễ bị biến màu trong quá trình sử dụng, khả năng

kháng ẩm và hóa chất không cao Để khắc phục nhược điểm trên, một số nhà khoa học đã

nghiên cứu nâng cao chất lượng màng sơn PU bằng một số vật liệu nano như SiO2, ZnO, TiO2,… Phần lớn kết quả cho thấy, màng sơn PU sau khi kết hợp với vật liệu nano đều có khả năng kháng khuẩn và tự làm sạch, chống chịu được tia cực tím (UV) có khả năng chống trầy xước, chống mài mòn, độ cứng tăng lên, khả năng kháng ẩm cũng được cải thiện rõ rệt

Titanium dioxide (TiO2).là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, màu trắng, từ lâu đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm Đây là vật liệu không độc hại, thân thiện với môi trường, có tính ổn định hóa học cao, có khả năng kháng khuẩn, diệt nấm mốc và tự làm sạch bề mặt và chống được tia UV,

có khả năng kháng ẩm, cải thiện độ bền bám dính, độ bền va đập có tác dụng làm sạch không khí, làm sạch nước và có giá thành thấp

Xuất phát từ những lý do trên, tôi tiến hành nghiên cứu Luận án: "Nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn Polyurethane (PU) phân tán nano TiO2” Với những

tính năng vượt trội của nano TiO2, trong Luận án tác giả đã phối trộn vật liệu nano TiO2 với sơn

PU thông qua dung môi phân tán nhằm cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức trên

bề mặt gỗ, từ đó nâng cao giá trị và mở rộng phạm vi sử dụng cho sản phẩm gỗ

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát chung về sơn Polyurethane

Sơn Polyurethane (PU) là các polyme có chứa nhóm chức Urethane:

PU có khả năng pha chế với nhiều màu sắc Tuy nhiên, sơn PU có một số nhược điểm: Thời gian sống bị hạn chế (thời gian sống khoảng 6-8 giờ khi hòa trộn thành phần A với thành phần B), sử dụng không thuận tiện; Lớp phủ không bền vững với ánh sáng Chính nhờ những ưu điểm trên, hiện nay PU là một trong những loại sơn được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đồ gỗ

1.2 Đặc tính của vật liệu nano TiO 2

TiO2.là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm Nano TiO2 là vật liệu có tính năng quang xúc tác Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế thủy phân, tác động vào vi sinh vật như phân hủy một số hợp chất hữu cơ Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao Bản thân nano TiO2 không độc hại, là chất trơ về mặt hóa học và sinh học Ngoài ra, hạt nano TiO2 còn có khả năng hấp thụ tia cực tím, có tính năng tiêu diệt nấm mốc, Do đó, tác giả đã lựa chọn vật liệu nano TiO2 bổ sung vào sơn PU để nâng cao chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ

1.3 Tổng quan nghiên cứu về trang sức bề mặt sản phẩm gỗ và ứng dụng vật liệu nano

để nâng cao chất lượng sơn dùng cho đồ gỗ

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

M Sabzi, S.M Mirabedini, J Zohuriaan-Mehr, M Atai (2009) đã nghiên cứu biến tính lớp phủ PU bằng các hạt nano TiO2 với tác nhân liên kết silan Các hạt nano được phân tán trong dung môi Toluene bằng thiết bị siêu âm trong 30 phút và khuấy thêm 4 giờ Kết quả cho thấy, xử lý bề mặt các hạt nano TiO2 với APS đã cải thiện sự phân tán các hạt nano, các tính chất cơ học và bảo vệ tia cực tím của lớp phủ polyurethane cũng tăng Khi trọng lượng hạt nano tăng thì sức căng, mô đun đàn hồi, độ cứng lớp phủ được tăng lên [44]

S.M Mirabedini và cộng sự (2011) đã tiến hành đánh giá vai trò của vật liệu TiO2 kích thước nano (20 nm) lên hiệu quả của sơn PU 2 thành phần Các kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu TiO2 nếu được biến tính bằng aminopropyl trimethoxy silan sẽ cho kết quả bảo vệ màng phủ cũng như các tính chất cơ học của màng tốt hơn so với màng phủ có vật liệu TiO2 thuần túy, với hàm lượng thêm vào từ 0,5% đến 1% [51]

Yixing Tang (2013) đã sử dụng vật liệu nano TiO2 để sản xuất sơn PU có khả năng kháng khuẩn và tự làm sạch Trong nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp sơn PU-TiO2 đi từ tiền chất 4,4′-methylenebis (cyclohexylisocyanate) và Poly tetrahydrofuran ở tỷ lệ mol 2: 1 được hòa tan trong dung môi THF với DBTDL làm chất xúc tác, phản ứng được giữ ở 60 ºC trong

2 giờ Kết quả cho thấy, nano TiO2 có khả năng phân tán đều trong dung dịch PU không có

sự lắng đọng và kết tụ Các tính chất của màng phủ PU-TiO2 đều được cải thiện đáng kể so với màng PU thuần túy [61]

3

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Bùi Văn Ái và cộng sự (2015) đã nghiên cứu hiệu lực phòng chống nấm mục và côn trùng hại gỗ của sơn PU có phân tán nano TiO2, SiO2, ZnO, nanoclay Gỗ Bồ đề Styrax tonkinensis được sơn phủ bằng sơn PU có phân tán nano được khảo nghiệm đánh giá hiệu lực phòng chống nấm mục Pleurotus otreatus và mối nhà Coptotermes gestroi Kết quả cho thấy,

sơn PU phân tán nano TiO2, ZnO và nanoclay cho hiệu lực phòng chống mối tốt; sơn PU sau khi phân tán nano ZnO nồng độ 0,1%, TiO2 có kích thước nhỏ hơn 100 nm nồng độ 0,1%,

và nanoclay hydrophilic nồng độ 0,5% cho hiệu lực phòng chống tốt với nấm mục [3]

Nguyễn Thiên Vương và cộng sự (2016) đã nghiên cứu ứng dụng hạt nano chế tạo hệ sơn nước cách nhiệt phản xạ ánh sáng mặt trời, bền thời tiết Để nâng cao tính chất cơ học, tính ổn định nhiệt độ, tính chống chịu thời tiết và tính chất kháng khuẩn của lớp phủ PU trên

cơ sở nhựa Acrylic bằng cách thêm hạt nano titanium rutile (R-TiO2) Kết quả cho thấy, các hạt nano được phân tán một cách đồng nhất vào toàn bộ thể tích của lớp phủ; Độ bền va đập của màng sơn nano tăng từ 120 đến 145 kg cm và tăng độ bám dính từ mức 1 xuống mức 0;

lớp phủ nano compozite chứa 2% hạt nano R-TiO2 với độ dày 30 µm có thể che chắn xấp xỉ 94% tia UV trong vùng 230 đến 400 nm; Kết hợp 2% trọng lượng hạt nano TiO2 vào lớp phủ giảm nồng độ vi khuẩn xuống 6,1% sau 60 phút nuôi cấy [30], [56];

Cao Quốc An, Lý Tuấn Trường (2017) đã nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung môi phân tán nano đến chất lượng màng sơn PU-nano TiO2 Nhóm tác giả đã sử dụng 3 loại dung môi Toluene, Etylacetate, Acetone để phân tán nano TiO2 cho vào sơn PU bóng, PU mờ tự tạo từ nhựa Alkyde và sơn phủ trên ván ghép thanh và ván MDF Kết quả cho thấy, chất lượng của màng sơn có nano cải thiện đáng kể so với mẫu đối chứng Dung môi phân tán có ảnh hưởng đáng kể đến độ bóng của màng sơn Độ bóng của màng sơn PU khi dùng Etylacetate để phân tán nano vào sơn cao hơn độ bóng của màng sơn khi dùng dung môi Axetone, Toluene phân tán Các loại dung môi sử dụng trong nghiên cứu ít ảnh hưởng đến một số tính chất của màng sơn như: Độ bền axít, kiềm, nước, độ bám dính, độ mài mòn, độ cứng và khả năng chịu tia UV chênh lệch không đáng kể [2]

Bùi Văn Ái, Nguyễn Thị Hằng, Hoàng Trung Hiếu, Hoàng Thị Tám, Bùi Thị Thủy (2017), đã nghiên cứu khả năng bảo vệ màu sắc gỗ của sơn PU chứa vật liệu nano TiO2, ZnO

và nanoclay hydrophilic Các mẫu gỗ sau khi được sơn phủ và đặt trên giá phơi ở điều kiện tự nhiên trong vòng 12 tháng, định kỳ đo đạc, lấy số liệu Kết quả cho thấy, sơn PU phân tán nano TiO2 (nhỏ hơn 100 nm) 0,1%, nano TiO2 (21 nm) 0,1%, nano ZnO 0,1% và nanoclay hydrophilic 0,1% đã làm giảm đáng kể hiện tượng biến màu cho gỗ: Tỷ lệ thay đổi màu sắc ΔE (%) của cả gỗ Bồ đề và gỗ Keo lai đã được sơn phủ bằng PU chứa vật liệu nano đều nhỏ hơn 12%, mẫu sơn bằng PU thông thường đạt 18%, mẫu đối chứng không phủ mặt đạt trên 30% [5]

Lưu Minh Đại, Phạm Ngọc Chức, Đoàn Trung Dũng, Đào Ngọc Nhiệm (2018) đã nghiên cứu đặc trưng và tính chất của màng sơn PU chứa nano CeO2-TiO2 Trong nghiên cứu này, các hạt nano CeO2-TiO2 đã được áp dụng để cải thiện tính chất hấp thụ cực tím (UV) của màng mỏng polyurethane Kết quả cho thấy, khả năng tạo màng, ngoại quan màng phủ, độ cứng, độ bám dính, độ bền va đập gần như không bị ảnh hưởng khi chứa hạt nano CeO2-TiO2 nhỏ hơn hoặc bằng 2%; độ trầy xước không thay đổi khi CeO2-TiO2 nhỏ hơn hoặc bằng 1% Các mẫu chứa 0,2% nano CeO2-TiO2 cho thấy khả năng chống biến màu tốt nhất và ít ảnh hưởng đến độ bóng của sơn [12]

1.4 Định hướng nghiên cứu của Luận án

1.4.1 Phân tích và đánh giá về các công trình nghiên cứu

Qua các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước cho ta thấy, các nhà khoa học chủ yếu tập trung nghiên cứu về lĩnh vực sử dụng vật liệu nano để nâng cao chất lượng sơn PU, AC, Alkyde dùng cho một số vật liệu như đồ gỗ, bê tông, kim loại, Trong nghiên cứu các tác giả đã sử dụng một số loại nano SiO2, TiO2, ZnO, ở các nồng độ khác nhau cho vào sơn thông qua dung môi hữu cơ bằng phương pháp khuấy trộn siêu âm, thiết

bị khuấy từ hoặc thiết bị khuấy trộn cắt nhanh với tốc độ cao hoặc tạo dung dịch sol nano từ tiền chất hoặc bổ sung nano vào trong quá trình sản xuất sơn Kết quả cho thấy, các hạt nano phân tán đều trong sơn và đa phần các tính chất của màng sơn có chứa nano đều tốt hơn so với màng sơn đối chứng Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về lĩnh vực sử dụng vật liệu

1.4.2 Định hướng nghiên cứu của Luận án

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ và thời thời gian phân tán nano TiO2 đến một

số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất và tốc độ phun sơn PU kết hợp với nano TiO2 đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức

1.5 Đối tượng nghiên cứu

- Phối trộn sơn PU với vật liệu nano TiO2;

- Kỹ thuật phun sơn PU kết hợp với nano TiO2

- Phương pháp sấy khô màng trang sức: Sấy khô tự nhiên

1.6.2 Các yếu tố thay đổi

- Nồng độ hạt nano TiO2: Thực nghiệm ở các nồng độ: 0,05%; 0,1%; 0,15%; 0,2%; 0,25% (so với hàm lượng khô của sơn PU bóng) và chỉ cho vào sơn PU bóng;

- Thời gian phân tán hạt nano: 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ;

- Áp suất phun: Khi phun sơn bóng PU-TiO2 thay đổi áp suất phun ở 5 cấp độ: 0,1 MPa; 0,14 MPa; 0,18 MPa; 0,22 MPa; 0,26 MPa;

- Tốc độ di chuyển của súng phun: Khi phun sơn bóng PU-TiO2 thay đổi tốc độ súng phun ở 5 cấp độ: 60 m/phút; 65 m/phút; 70 m/phút; 75 m/phút; 80 m/phút

1.7 Mục tiêu nghiên cứu

1.7.1 Mục tiêu tổng quát

Xây dựng được cơ sở lý luận và thực tiễn về một số yếu tố công nghệ nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn PU kết hợp với vật liệu nano TiO2, từ đó góp phần nâng cao giá trị sử dụng và mở rộng thị trường tiêu thụ cho sản phẩm gỗ

1.7.2 Mục tiêu cụ thể

- Xác định được ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán vật liệu nano TiO2 đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức;

- Xác định được ảnh hưởng của áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun đến một

số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức;

- Đề xuất được thông số công nghệ hợp lý nhằm nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn PU

1.8 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp các thông tin về sơn PU, vật liệu nano TiO2, phương pháp phân tán nano

vào trong sơn và công nghệ trang sức sản phẩm gỗ;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức;

1.9 Phương pháp nghiên cứu

Ở đây chỉ tóm tắt phương pháp thực nghiệm đa yếu tố ô thí nghiệm: N = 2n + 2n + 1

= 22 + 2 x 2 + 1 = 9 (1)

Bảng 1.1 Miền thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2

đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức

biến thiên

Nồng độ nano TiO2 (C, %) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,05

Thời gian phân tán (τ, giờ) 1 2 3 4 5 1

Bảng 1.2 Ma trận thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano

TiO 2 đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức

Bảng 1.3 Các chế độ phun sơn PU sau khi phối trộn với nano TiO 2

Bảng 1.4 Ma trận thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất và tốc độ di chuyển của súng

phun đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức STT

Dạng mã Dạng thực Thông số đầu ra

X 1 X 2 P

(MPa)

V (m/phút)

1.10 Quá trình thực nghiệm phân tán nano TiO 2 với sơn PU và công nghệ trang sức bề mặt gỗ bằng sơn PU và PU-TiO 2

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ phân tán nano TiO 2 với sơn PU và quy trình trang sức bề mặt gỗ bằng sơn PU và PU-TiO 2

Sơn lót

Xử lý bề mặt sản phẩm

Chà nhám Sấy khô

Sấy khô Sơn bóng Sấy khô Sơn màu

Kiểm tra chất lượng

Sản phẩm gỗ chưa trang sức

Kiểm tra chất lượng

Phân tán nano TiO 2

trong dung môi có chứa chất HĐBM Las

Dung môi Butyl acetate + nano TiO2 +

7

a) Mô tả các bước phân tán nano TiO 2 vào trong sơn bóng PU

Bước 1: Tính toán lượng nano TiO2, LAS, lượng dung môi Butyl acetate:

- Lượng nano TiO2 và chất HĐBM LAS căn cứ vào tỷ lệ sử dụng để xác định Tỷ lệ chất HĐBM LAS và vật liệu nano TiO2 là 1 : 2;

- Lượng dung môi Butyl acetate dùng để phân tán nano TiO2 phải căn cứ vào tỷ lệ pha sơn và độ nhớt sử dụng để xác định;

Bước 2: Tiến hành phân tán hạt nano TiO2 vào trong dung môi Butyl acetate đã có

chất HĐBM LAS trong bình chứa thủy tinh bằng thiết bị sóng siêu âm kết hợp với thiết bị khuấy từ với tốc độ 400-600 vòng/phút theo các chế độ ở bảng 1.4

Bước 3: Tiếp tục bổ sung phần sơn bóng và cứng PU theo tỷ lệ sử dụng và khuấy đều

bằng máy khuấy từ với tốc độ 200-300 vòng/phút trong 15 phút

Bước 4: Lọc : Mục đích của công đoạn lọc là nhằm bỏ tạp chất có trong sơn Sơn

được lọc qua lớp vải xô gồm 3 lớp

Bước 5: Đo độ nhớt của sơn PU và PU kết hợp với nano TiO2 bằng máy đo độ nhớt SNB-1 trước khi trang sức lên bề mặt gỗ

b) Mô tả các bước công nghệ trang sức bề mặt gỗ bằng sơn PU và PU-TiO 2

Bước 1: Xử lý bề mặt sản phẩm gỗ

- Mục đích: Xử lý bề mặt gỗ nhằm xử lý các khuyết tật và tạo độ phẳng và độ nhẵn bề mặt trước khi trang sức

- Yêu cầu chất lượng đạt được: Bề mặt phẳng không gợn sóng, không xù lông gỗ, sạch bụi và đạt độ nhẵn 8 (Rmax nhỏ hơn hoặc bằng 60µm), độ ẩm đạt 10±2%

- Thông số công nghệ: Đối với sản phẩm gỗ có khuyết tật như nứt, mọt, mắt tiến hành

bả ma tít, sau đó sấy khô 1giờ và chà nhám bằng loại giấy nhám 120, 180, 240, 320

- Sau khi chà nhám xong, tiến hành làm sạch bụi gỗ trên bề mặt và kiểm tra chất lượng

bề mặt bằng máy đo độ nhẵn Sản phẩm đạt chất lượng bề mặt và độ ẩm chuyển sang công đoạn sơn lót

Bước 2: Tiến hành sơn lót (2 lớp)

- Mục đích: Sơn lót nhằm mục đích tạo ra một lớp nền phẳng tạo điều kiện thuận lợi

cho các lớp sơn tiếp theo có độ nhẵn, bóng và khả năng liên kết cao; giảm thiểu lượng tiêu hao sơn lớp mặt

- Yêu cầu chất lượng đạt được: Màng sơn lót phủ đều (độ phủ nhỏ hơn hoặc bằng 100%) và bám dính tốt với bề mặt sản phẩm (độ bám dính đạt cấp độ 0)

- Thông số công nghệ: Pha sơn theo tỷ lệ: Sơn lót (2) + Cứng (1) + Dung môi (2,5-3) (theo tỷ lệ khối lượng); Độ nhớt khi phun: 40 mPa.s; Áp suất phun: 0,2 MPa; Tốc độ di chuyển của súng phun: 70 m/phút; Tốc độ băng tải: 4,8 m/phút; Khoảng cách phun: 20 cm; Hướng súng phun đi 2 chiều

Bước 3: Sấy khô màng sơn lót

- Yêu cầu: Sấy màng sơn lót khô hoàn toàn

- Các mẫu gỗ sau khi sơn lót xong để hong phơi tự nhiên trên các giá ở nhiệt độ thường, độ ẩm không khí 655% Sau khi khô hoàn toàn, chuyển sang công đoạn chà nhám

Bước 5: Tiến hành sơn màu

- Mục đích: Sơn màu với mục đích tạo màu sắc cho sản phẩm

Tỷ lệ tinh màu: Pha màu cánh gián già với màu vàng theo tỷ lệ là 9:1 (theo tỷ lệ khối lượng);

Bước 6: Sấy khô màng sơn màu

- Mục đích: Sấy màng sơn màu khô hoàn toàn (khô triệt để 100%) để tránh bị loang màu màng sơn khi phủ lớp sơn bóng

- Yêu cầu chất lượng đạt được: Màng sơn nhẵn, sạch bụi và đạt màu so với mẫu màu chỉ định, không bị bong tróc, trầy xước bề mặt

- Các mẫu gỗ sau khi sơn màu để hong phơi tự nhiên trên giá ở nhiệt độ thường, độ ẩm không khí 655% Sản phẩm đạt chất lượng màu chuyển sang công đoạn sơn sơn bóng

Bước 7: Tiến hành sơn bóng

Trong công đoạn này, nghiên cứu đã bổ sung vật liệu nano TiO2 vào sơn PU bóng thông qua dung môi Butyl acetate đã có chất HĐBM Las với mục đích nâng cao một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ

- Yêu cầu chất lượng sản phẩm: Bề mặt sản phẩm phải trơn nhẵn, bóng, mịn, không có vết trầy xước, bong tróc, bụi dính vào bề mặt

- Thông số công nghệ: Tỷ lệ pha sơn: Sơn bóng (2) + Cứng (1) + Dung môi (3) (theo tỷ lệ khối lượng); độ nhớt: 37 mPa.s; Áp suất phun: 0,18 MPa; Tốc độ di chuyển của súng phun: 70 m/phút; Tốc độ băng tải: 4,8 m/phút; Khoảng cách phun: 20 cm; Hướng súng phun đi 2 chiều

Bước 8: Sấy khô màng sơn bóng : Tiến hành sấy màng sơn khô hoàn toàn Cách sấy

tương tự bước 6

Bước 9: Kiểm tra chất lượng sản phẩm

1.11 Những đóng góp mới của Luận án

- Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống, khoa học

về nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn PU-TiO2;

- Luận án đã sử dụng vật liệu nano TiO2 dạng hạt phân tán bằng dung môi Butyl acetate có bổ sung chất hoạt động bề mặt LAS sau đó phân tán vào sơn PU nhằm cải thiện chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ như nâng cao khả năng chống tia UV, khả năng kháng hóa chất, nước và tăng khả năng chịu mài mòn, độ cứng của màng sơn, ;

- Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis của nano TiO2 trong dung môi phân tán và UV-Vis của sơn PU kết hợp với nano TiO2 là một trong những tính mới quan trọng của nghiên cứu;

- Luận án đã xác định được nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 hợp lý để đưa vào sơn PU, đồng thời cũng xác định được áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun để trang sức sơn PU-TiO2 lên bề mặt sản phẩm gỗ nhằm cải thiện chất lượng trang sức

1.12 Ý nghĩa của Luận án

1.12.1 Ý nghĩa khoa học

Xây dựng được cơ sở khoa học về công nghệ nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn PU kết hợp với vật liệu nano TiO2 Đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ trang sức bề mặt và các công nghệ khác cho sản phẩm gỗ

Các kết quả nghiên cứu sẽ mở ra hướng mới cho công nghệ trang sức bề mặt gỗ đặc biệt sơn phủ bằng chất phủ lỏng kết hợp với vật liệu nano

1.12.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn các thông số công nghệ, quy trình, giải pháp phù hợp để nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn PU kết hợp với vật liệu nano TiO2 Công nghệ này sẽ góp phần nâng cao giá trị sử dụng và mở rộng thị trường tiêu thụ cho sản phẩm gỗ

9

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ chế khô của màng sơn PU

Sự tạo thành màng sơn PU gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Dung môi bay hơi;

Giai đoạn 2: Phản ứng tạo mạng của hệ polymer giữa các nhóm chức isocyanate (NCO) với hydroxyl

Với sơn một thành phần, ẩm chứa nhóm hydroxyl (OH) trong không khí bị hấp phụ và tương tác lên màng tạo phản ứng khâu mạch hình thành polyurethane Ngoài ra, có vài loại sơn PU một thành phần có chất kết dính có thể khô nhờ nhiệt Nhiệt độ kích hoạt sự giải phóng các nhóm isocynate bị bất hoạt để phản ứng với chính polyol trong mạch các phân tử polymer để tạo mạch

Sơn hai thành phần: Nhóm OH của các phân tử polyols sẽ phản ứng với các nhóm NCO của MDI hay polyisocyanate tạo mạng mạch polyurethane trong màng

2.2 Cấu trúc và tính chất vật lý của hạt nano TiO 2

TiO2 là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (nhiệt độ là 1870 oC) [13], [18]

Tinh thể pha rutile và anatase đều có cấu trúc tứ giác và được xây dựng từ các đa diện phối trí bát diện, trong mỗi bát diện có 1 ion Ti4+ nằm ở tâm và 6 ion O2+ nằm ở 2 đỉnh 4 góc Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 pha anatase có 4 ion Ti4+ và 7 ion O2+ Mỗi bát diện tiếp giáp với 8 bát diện lân cận Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 pha rutile có 2 ion

Ti4+ và 4 ion O2+ Qua đó, cho thấy tinh thể TiO2 pha anatase khuyết O nhiều hơn tinh thể TiO2 pha rutile, dẫn đến ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu

Độ bền nhiệt: Rutile có độ bề nhiệt động học nhất trong số các dạng tinh thể điển hình

của TiO2 Với anatase và brookite có sự sắp xếp khi nâng nhiệt độ lên 750 oC và 915oC tương ứng để chuyển thành rutile Cách biến đổi này là sự ổn định để đạt đến điểm nóng chảy xấp xỉ

1830 oC và 1858 oC

Độ cứng: Trong thang Moh, vật liệu TiO2 có độ cứng tương đối cao So với rutile,

anatase có độ cứng theo thang Moh thấp hơn Anatase được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực đòi hỏi độ cứng thấp hơn Rutile thường được đưa vào trong nền polyme để cải thiện một số tính chất như độ bền va đập, độ bề kéo đứt,… [13]

TiO2 rất bền về hóa học, không tác dụng với nước, dung dich axít vô cơ loãng (trừ HF), kiềm và axít hữu cơ Tuy nhiên, TiO2 có thể tác dụng với axít khi đun nóng lâu và với kiềm mạnh [18], [19]

2.3.Các giả thuyết của sự bám dính

2.3.1.Tác dụng của sức căng bề mặt [7], [8], [9]

Hiện tượng dính kết là kết quả tổng hợp các lực

do sức căng bề mặt Do bề mặt gỗ có các mao mạch

nên chất phủ chui vào các lỗ đó Mặt khác, khi đưa

chất phủ lên bề mặt gỗ thì tại bề mặt tiếp xúc xuất

hiện các lực sức căng bề mặt qua các pha tiếp xúc:

10

cân bằng:

Góc  phụ thuộc vào bản chất của ba thể, nó thay đổi theo trạng thái và độ sạ ch của bề

mặt Nếu góc căng của thể rắn và thể khí lớn hơn so với thể lỏng thì góc 0 <  < 90o Khi

cos > 0 giọt chất lỏng có dạng cụp vào, khi đó giọt chất lỏng dính ướt bề mặt chất rắn Khi

 > 90o tức là 13 > 12 giọt chất lỏng có dạng cong ra Trường hợp này giọt chất lỏng không

dính ướt bề mặt chất rắn

Đây là điều kiện dính ướt với bề mặt vật nhẵn

2.3.2 Lý thuyết cơ học (liên kết đinh keo) [7], [8], [9]

Thuyết này do MacBain và Hopkins đề xuất năm 1925 Theo thuyết này, khi đưa chất

phủ lên bề mặt gỗ, do gỗ là vật liệu rỗng xốp nên các phân tử của chất phủ thấm vào bề mặt

gỗ và đóng rắn tạo thành các đinh keo Lực ma sát giữa các đinh keo và thành mao mạch

của gỗ tạo nên lực bám dính Chất phủ càng thấm sâu vào bề mặt gỗ thì liên kết đinh keo

càng tốt

2.3.3 Lý thuyết phân tử [7], [8]

Lực liên kết do ảnh hưởng của lớp điện tích kép: Trong quá trình chuyển động nhiệt

các điện tử dẫn điện chuyển động vượt khỏi ranh giới của bề mặt tạo thành lớp mây điện tử

ở bề mặt gỗ Giữa lớp mây điện tử và các nguyên tử tạo thành một lớp điện tích kép, một

cực là mây điện tử, cực kia là các nguyên tử ở bề mặt Lớp này gọi là lớp điện tử kép Khi

có hai vật liệu tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch hiệu điện thế ở hai bề mặt, giữa chúng có lực

điện tác dụng Lực đó tính theo công thức 2.5:

F = 22S (2.5)

Trong đó:  - điện tích riêng trên một đơn vị diện tích của lớp mây điện tử; S- diện

tích tiếp xúc

Lực Van der Waals: Khi một phan tử hay một nguyên tử va vào bề mặt gỗ, giữa chúng

có lực liên kết phân tử Van der Waals Lực này do tác dụng tương hỗ giữa hai mô men

lưỡng cực của hai nguyên tử hay phân tử

2.3.4 Lý thuyết điện tử (liên kết tĩnh điện) [7], [8], [9]

Theo thuyết này, bản thân các phân tử của chất phủ và vật liệu nền mang điện tích

trái dấu Khi đưa chất phủ lên bề mặt gỗ, tại bề mặt tiếp xúc hình thành lực hút tĩnh điện

Lực này phụ thuộc vào chất lượng bề mặt vật liệu (độ nhẵn), độ ẩm của vật liệu và các

thông số kỹ thuật của chất phủ

2.3.5 Lý thuyết khuếch tán [7], [8], [9]

Theo thuyết này, để tạo liên kết đòi hỏi các phần tử chất phủ và bề mặt vật liệu nền phải có khả

năng chuyển động, tương thích lẫn nhau và có thể xác nhập vào nhau Mối liên kết này phụ thuộc

nhiều vào nhiệt độ tiếp xúc và trạng thái bề mặt của hai vật liệu Vì vậy, khi đưa chất phủ lên bề mặt

gỗ, do gỗ là vật liệu rỗng xốp nên các phân tử chất phủ thấm ướt và khuếch tán vào bề mặt gỗ hình

thành nên 1 miền tiếp xúc tạo nên các liên kết

2.3.6 Lý thuyết hoá học [7], [8, [9]

Lý thuyết hóa học chủ yếu giải thích sự hình thành các mối liên kết hoá học giữa các

nhóm chức của chất phủ và vật liệu nền Liên kết hóa học giữa phân tử của chất phủ và gỗ

thường được thể hiện qua phản ứng giữa nhóm chức (-OH) với –NCO, -CH2-OH,… hoặc

hydro linh động (-H) với các nhóm (-NCO), -COOH,…

23 12

11

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2 đến chất lượng màng trang sức

Do tóm tắt Luận án quy định số trang nên phần này tác giả chỉ tóm tắt một sô kết quả đơn yếu tố và chủ yếu báo cáo kết qủa thực nghiệm đa yếu tố

3.1.1 Kiểm tra độ ổn định của nano TiO2 trong dung môi phân tán

Từ biểu đồ ở hình 3.1 cho thấy độ đục của dung dịch nano TiO2 phân tán trong dung môi Butyl acetate không có chất HĐBM Las giảm rất nhanh theo thời gian so với dung dịch nano TiO2 phân tán trong dung môi Butyl acetate có chất HĐBM Las, nghĩa là nano TiO2phân tán trong dung môi không có chất Las bị sa lắng rất nhanh Như vậy, chất HĐBM Las không chỉ hỗ trợ cho quá trình phân tán còn có tác dụng làm ổn định hạt nano TiO2 trong dung môi Butyl acetate dùng để phân tán sơn PU, thời gian ổn định của nano TiO2 trong dung môi Butyl acetate tương đối dài

3.1.2 Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis của nan TiO2 trong dung môi phân tán

Bước sóng (nm)

Hình 3.2 Phổ hấp thụ UV-Vis của dung môi Butyl acetate có chất HĐBM Las

Bước sóng (nm)

môi Butyl acetate có chất HĐBM Las

00 5.000 10.000 15.000 20.000

Ngay sau khi phân tán 1 2 4 8 12 24 48 72 96

12

Qua kết quả phổ UV-Vis ở hình 3.2, 3.3 cho thấy, độ hấp thụ của dung môi Butyl acetate có chất HĐBM Las rất nhỏ, không đáng kể so với độ hấp thụ tia UV của nano TiO2phân tán trong dung môi Butyl acetate có chất HĐBM Las, đặc biệt độ hấp thụ tia UV của dung dịch có nano TiO2 từ bước sóng 296 nm đến 390 nm đạt 2,365 đến 3,017 Như vậy, nano TiO2 có khả năng hấp thụ được tia UV ở vùng bước sóng tử ngoại (hình 3.3) Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu của Mirela Vlad và cộng sự (2009), Boris Forsthuber et al và cộng sự (2013)

3.1.3 Xác định sự tồn tại hạt nano TiO2 trong màng sơn PU trên bề mặt gỗ

Kết quả phân tích cấu tạo hiển vi của màng sơn PU trước và sau khi kết hợp với vật liệu nano TiO2 được thể hiện từ hình 3.4 đến hình 3.13

Hình 3.4 Ảnh SEM của màng

sơn PU đối chứng (x 4000)

nồng độ 0,05% phân tán trong 3 giờ (x 500)

Na no TiO2

Na no

TiO2

Na no TiO2

Na no TiO2