Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tính ổn định kích thước của gỗ keo lai biến tính bằng nano tio2

Biến tính gỗ bằng phương pháp xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao có thể làm giảm đáng kể tính hút ẩm của gỗ, nguyên nhân chính là có sự thuỷ phân phần ưa nước nhất của gỗ -- Hemixelulo, làm giảm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu trích dẫn trong quá trình nghiên cứu đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Hữu Tú

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Lâm nghiệp theo chương trình đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật máy, thiết bị và công nghệ gỗ, giấy khoá 2011-2013, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân Nhân dịp hoàn thành luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Vũ Mạnh Tường đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu nhà trường, các thầy, cô giáo và cán bộ Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm thực nghiệm và chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng, Trung tâm thí nghiệm-thực hành khoa Chế biến lâm sản, Thư viện Trường Đại học Lâm Nghiệp đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn dành sự động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành tốt bản luận văn này

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Hữu Tú

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.1.1 Các nghiên cứu về xử lý ổn định kích thước 2

1.1.2 Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano 8

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

1.2.1 Các nghiên cứu về ổn định kích thước 10

1.2.2 Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano 12

14

2.1 Thành phần hóa học của gỗ 14

2.1.1 Xenlulo 14

2.1.2 Hemixenlulo 22

2.1.3 Lignin 24

2.2 Công nghệ và vật liệu nano 24

2.2 Đặc điểm của một số hạt nano thường dùng 26

2.3 Đặc điểm của hạt Nano TiO2 27

2.3.1 Tính chất vật lý 27

2.3.2 Tính chất hóa học 28

2.3.3 Đặc điểm của hạt TiO2 29

2.4 Phương pháp đưa vật liệu Nano vào trong gỗ 30

2.4.1 Phương pháp sol-gel 32

2.4.2 Phương pháp phân tán trực tiếp hạt Nano 35

2.4 Ảnh hưởng của hạt nano tới tính chất của gỗ 35

Chương 3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1 Mục tiêu 37

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 37

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 37

3.2.2 Phạm vi nghiên cứu 37

38

3.4 Phương pháp nghiên cứu 38

3.4.1 Phương pháp lý thuyết 38

3.4.2 Phương pháp thực nghiệm 38

3.4.3 Phương pháp xử lý số liệu 43

3.5 Ý nghĩa của luận văn 43

3.5.1 Ý nghĩa khoa học 43

3.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 43

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

4.1 Sự phân bố của TiO2 trong gỗ sau khi biến tính 44

4.2 Hệ số chống trương nở 48

4.3 Hiệu suất chống hút nước của gỗ 51

4.4 Hiệu quả cách ẩm 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

9 T1 Hút nước trung bình của mẫu đối chứng %

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Một số loại vật liệu nano và các lĩnh vực sử dụng 26

SDS là 3 theo thời gian 50 4.10 Hệ số chống trương nở (%) của các chế độ biến tính có pH của dung

dịch SDS là 6,5 theo thời gian 50 4.11 Hệ số chống trương nở (%) của các chế độ biến tính có pH của dung

dịch SDS là 9,5 theo thời gian 51 4.12 Hệ số chống hút nước (%) của các chế độ biến tính có pH của dung

dịch SDS là 3 theo thời gian 52 4.13 Hệ số chống hút nước (%) của các chế độ biến tính có pH của dung

dịch SDS là 6,5 theo thời gian 53 4.14 Hệ số chống hút nước (%) của các chế độ biến tính có pH của dung

dịch SDS là 9,5 theo thời gian 53

ĐẶT VẤN ĐỀ

Gỗ là loại vật liệu hữu cơ tự nhiên có những tính chất ưu việt mà các loại vật liệu khác không có được, vì thế nó đã và đang được con người ưa chuộng và sử dụng rất rộng rãi trong đời sống

Keo lai là một loại gỗ mọc nhanh rừng trồng hiện nay đang được sử dụng rất nhiều các nhà máy chế biến gỗ Tuy nhiên, do sinh trưởng nhanh, nên gỗ Keo lai tồn tại rất nhiều nhược điểm vốn có của gỗ mọc nhanh rừng trồng, như: tỉ lệ gỗ tuổi non cao, độ co rút lớn, dễ biến dạng khi độ ẩm môi trường sử dụng thay đổi,… Các nhược điểm này đã làm hạn chế khả năng sử dụng, làm giảm hiệu quả sử dụng nó

Đã có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ Keo lai như đưa một hoặc một số hóa chất vào gỗ hoặc dùng các tác nhân vật lý như nhiệt độ cao hoặc sóng siêu âm,… để xử lý nhằm cải tiến một hoặc một số tính chất nhất định của gỗ Các nghiên cứu cũng đã đạt được những kết quả nhất định

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ nano với mục đích tạo ra các loại vật liệu có kích thước siêu nhỏ (khoảng 10-100 nm) đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xử lý ô nhiễm môi trường, tạo vật liệu mới, tạo pin năng lượng mặt trời, Những năm gần đây, trong lĩnh vực công nghệ gỗ cũng đã bắt đầu áp dụng các loại vật liệu này để xử lý gỗ và vật liệu gỗ Một trong những phương pháp đưa vật liệu nano vào gỗ đó là phương pháp sol-gel Với phương pháp này, vật liệu nano

có thể được trực tiếp tạo ra trong vách tế bào gỗ hoặc trên bề mặt tế bào gỗ

Đề tài “Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tính ổn định kích thước của gỗ Keo lai biến tính bằng nano TiO 2” sẽ áp dụng phương pháp sol-gel để đưa hạt TiO2 vào gỗ Keo lai, đồng thời sẽ phân tích ảnh hưởng của

các thông số công nghệ chủ yếu tính ổn định kích thước của gỗ Keo lai

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.1.1 Các nghiên cứu về xử lý ổn định kích thước

Một trong những nhược điểm lớn của gỗ là tính co rút và dãn nở, đó là nguyên nhân gây ra nhiều loại hình khuyết tật gỗ Để khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều giải pháp xử lý Biến tính gỗ là một trong những giải pháp có thể nâng cao được tính ổn định kích thước của gỗ

Các công trình nghiên cứu biến tính gỗ đã được thực hiện từ khá lâu Sản phẩm gỗ biến tính có nhiều tính chất được cải thiện so với gỗ chưa xử lý

Biến tính gỗ với Melamine Formaldehyde có thể nâng cao khả năng chịu nước, chịu ẩm và tính ổn định kích thước, cường độ cơ học của gỗ cũng được cải thiện đáng kể Gỗ Sugi biến tính với dung dịch Melamine Formaldehyde có khối lượng phân tử thấp, với hàm lượng rắn 25% đã đạt đến độ trương nở vách tế bào (BE) 5% và độ ổn định kích thước (ASE) 42%, những trị

số này không bị giảm qua các chu kỳ sấy khô, ngâm nước của mẫu gỗ biến tính; đồng thời cường độ uốn tĩnh (MOR) và mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) của gỗ biến tính cũng tăng lần lượt 18% và 10% so với gỗ đối chứng [15]

Ngoài ra, gỗ biến tính với Melamine Formaldehyde có khả năng làm giảm sự phá huỷ bởi các loại nấm mục và nấm biến màu, cũng như tăng khả năng chống chịu các điều kiện môi trường [16] Gỗ European larch được tẩm với dung dịch Melamine Formaldehyde có hàm lượng khô thấp (7,5%) cũng thu được hiệu quả chống nấm mục nâu và nấm mục trắng đáng kể [17]

Biến tính gỗ bằng phương pháp Axetyl hoá, Axetyl hoá là quá trình gỗ chịu tác động của dung dịch Anhydrit Axetic, khi đó phần lớn các nhóm hydroxyl (-OH) của các thành phần tạo nên vách tế bào (Xenlulo,

Hemixelulo, Lignin) được thay thế bởi nhóm Axetyl có tính kỵ nước (Hydrophobic) CH3COO- [3]

Tại Thụy Điển đã tiến hành nghiên cứu thành công công nghệ Axetyl hoá sợi gỗ để sản xuất ván sợi có tính chống ẩm và nấm mốc Năng suất khoảng 4000 tấn sợi gỗ được Axetyl hoá trong một năm Đây là kết quả nghiên cứu của nhiều viện nghiên cứu, trường Đại học nghiên cứu về biến tính gỗ: Chalmers University ở Goteborg, Sweden và USA, Phòng thí nghiệm Lâm sản ở Madison, Wisconsin (Rowell và cộng sự, 1986) hợp tác với British Petroleum ở Hull, UK [9]

Stamm, Seborg (1955) và Stamm (1964) đã thành công khi cho thực hiện phản ứng giữa nhóm Hydroxyl với Anydric axetic và Pyridin ở dạng khí Pyridin hoạt động như một chất gây trương nở tế bào và là chất xúc tác cho phản ứng tạo este Hệ số chống dãn nở có thể đạt đến 80% với độ Axetyl hoá khoảng 25% Tarkow (1950) và Goldstein (1961) đã tiến hành quá trình Axetyl hoá ở dạng khí và dung dịch lỏng cho gỗ xẻ từ gỗ Vân sam có kích thước 5 x12 x120 cm trong thời gian từ 8-16 h, mức độ axetyl hoá đạt 20-22%

và hệ số chống dãn nở đạt đến 80% [9]

M V Grinberg, D V Okonov (Látvia) đã nghiên cứu ổn định kích thước gỗ Bạch dương bằng Anhyđrit axetic kết hợp với xử lý nhiệt Kết quả cho thấy độ dãn dài của gỗ Bạch dương sau khi được xử lý ở nhiệt độ 170oC trong 6 giờ và Axetyl hoá trong 6 giờ giảm 3,3 lần so với gỗ không xử lý [9]

Biến tính gỗ bằng phương pháp xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao có thể làm giảm đáng kể tính hút ẩm của gỗ, nguyên nhân chính là có sự thuỷ phân phần

ưa nước nhất của gỗ Hemixelulo, làm giảm số lượng nhóm -OH có trong gỗ dẫn đến tính hút ẩm của gỗ giảm Theo F Kolmal và A Sneider tính hút ẩm của gỗ giảm đi khi nhiệt độ làm nóng gỗ 70oC và lớn hơn Hiệu quả ổn định lớn nhất khi làm nóng gỗ ở 180oC và cao hơn trong 24 giờ Tính hút ẩm của

gỗ được xử lý nhiệt có thể giảm 2 lần Phương pháp này chỉ áp dụng với mẫu

gỗ mỏng, với gỗ có chiều dày lớn nó ít được áp dụng do tác động của nhiệt độ cao trong thời gian dài làm giảm cường độ cơ học của gỗ Trong công nghệ chế biến gỗ xử lý nhiệt được áp dụng cho sản xuất ván dăm, ván sợi chịu nước Hiện nay, xu hướng này cũng đang được phát triển mạnh ở châu Âu, đặc biệt là ở Phần Lan, Pháp [9], [19]

Burmester và một số tác giả phát hiện: nguyên nhân chủ yếu nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ You là sau khi gia nhiệt hàm lượng Hemixelulo giảm xuống do xảy ra phản ứng thuỷ phân Với các loại gỗ khác qua gia nhiệt xử lý thì hàm lượng Hemixelulo trong gỗ giảm xuống, tính hút

ẩm và trương nở so với gỗ You càng thấp [4]

Chow người Trung Quốc đã đem xử lý nhiệt ván mỏng gỗ Bạch vân sam trong môi trường không khí, khi bề mặt có sự thay đổi màu sắc đồng thời phát hiện số lượng gốc -OH giảm đi, Xenlulo phát sinh phân giải, độ kết tinh giảm

Theo Hiroshi Jnno (1993), kết quả sự tăng nhiệt độ sấy gỗ làm giảm tính hút nước của các Polysacharide, độ ổn định kích thước của gỗ tăng lên, song ở mức độ cao của sự hạ bậc, phân đoạn các cấu tử trong gỗ sẽ làm giảm cường độ gỗ, tính chống thấm, chống nước tăng lên, màu sắc gỗ trở nên tối hơn, tuy nhiên, nếu sự hạ bậc, phân đoạn các cấu tử gỗ là nhỏ và sự tạo thành cấu trúc liên kết là trội hơn thì cơ tính của gỗ sẽ tăng lên [4]

Kết quả nghiên cứu của Hiroshi Jnno (1993), Misatonrimoto và Joeseph Gril cho thấy xử lý gỗ ở 180oC từ 3 giờ đến 10 giờ với áp suất thường làm cho cường độ, và đặc biệt là mô đun đàn hồi của gỗ tăng nhẹ

Theo kết quả nghiên cứu của Sergeeva và Miliutina (1960) cho thấy: Khi xử lý nhiệt 200 - 260oC cho sợi Xenlulo - Lignin thì độ trương nở và hút nước của sợi giảm đi nhiều do sự biến đổi của Lignin và mối liên kết Lignin - Xenlulo (các phân tử Lignin sẽ bị kết tụ lại dưới tác động của nhiệt độ), đồng

thời khi ở nhiệt độ đó làm thành thứ cấp của tế bào bị phân đoạn nhiều, đó là nguyên nhân làm giảm cường độ gỗ

Theo P.I issinscôva, dưới tác động của nhiệt độ cao trên 150o

C thì thành phần Pentose bị phân huỷ, nhiệt độ càng cao thì sự phân huỷ càng mạnh

và như vậy cường độ cơ học của gỗ càng giảm nhiều, dưới tác động của nhiệt

độ cao còn xảy ra hiện tượng Lignoxenlulo, nhóm Hydroxyl trở nên kém linh động và ái lực của nó với nước yếu đi làm cho tính hút nước của gỗ giảm đi

Kamdem và cộng sự (2002), xử lý nhiệt tăng khả năng chống vi sinh vật của gỗ Kamdem et al cho rằng, việc xử lý nhiệt của gỗ giảm cường độ uốn tĩnh (MOR) khoảng 10 - 50% Nghiên cứu chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng

và thời gian xử lý dài thì cường độ uốn tĩnh gỗ Sồi giảm xuống

Militz (2002), xử lý nhiệt cho gỗ nhằm nâng cao các tính chất khác nhau của nó, chẳng hạn như chống thấm nước, ổn định kích thước, hệ số chống trương nở (ASE), chống tia UV

Yildiz et al (2002), nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số chống trương nở (ASE) của gỗ Sồi Chế độ xử lý ở nhiệt độ 180o

C với các mức thời gian là 2, 4 và 10 giờ sau đó thực hiện chu kỳ ngâm sấy Kết quả thu được hệ

số ASE đạt khoảng 47,64%

Behbood Mohebby và Ibrahim Sanaei (2005), nghiên cứu ảnh hưởng

của xử lý thuỷ - nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Sồi (Fagus orientalis) Mẫu

gỗ (20x20x20mm) được đặt trong một khoang thép không rỉ, chứa đầy nước Mẫu được xử lý ở nhiệt độ 160oC, 180 oC và 200 oC trong 4, 5 và 6 giờ Mẫu

gỗ đã xử lý được ngâm trong nước 24 giờ, sau đó sấy khô, chu kỳ ngâm/sấy được lặp đi lặp lại 7 lần Kết quả cho thấy ASE, WRE tăng và khối lượng thể tích bị giảm nhẹ [18]

P.Rezayati Charani và cộng sự (2007) “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế

độ xử lý thuỷ nhiệt đến sự ổn định kích thước của gỗ sồi” Mẫu gỗ được xử lý

ở nhiệt độ khác nhau (150 o

C, 160 oC, 170 oC) và thời gian khác nhau (1 giờ, 3 giờ, 5 giờ và 7 giờ) trong lò Sau đó thực hiện chu kỳ ngâm/ sấy mẫu 8 lần Kết quả hệ số chống trương nở tăng và khối lượng thể tích giảm khi tăng nhiệt độ

và thời gian xử lý, ASE cao nhất là 47,43% thu được ở nhiệt độ 170 oC thời gian 1 giờ, nhưng xử lý ở nhiệt độ 170 oC, ASE có xu hướng giảm khi thời gian

xử lý tăng Hiệu suất chống hút nước (WRE) của mẫu gỗ được xử lý ở 160 oC,

170 oC cao hơn nhiều so với 150 o

C trong thời gian 1 giờ Trong thời gian 3 giờ, 5 giờ, giá trị WRE ở 150 oC lớn hơn 160 oC và 170 oC Ở 150 oC, 160 oC ,

170 oC trong thời gian 1 giờ thì giá trị WRE gần bằng nhau WRE lớn nhất là 22,20% thu được khi xử lý ở nhiệt độ 170 o

C trong thời gian 1 giờ [19]

Andreja KUTNAR , Milan ŠERNEK (2008), nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt làm thay đổi màu sắc gỗ Dưới tác động của nhiệt độ cao và độ ẩm tạo ra sự thay đổi lớn trong cấu trúc gỗ, dẫn đến thay đổi màu sắc gỗ Màu sắc gỗ tối hơn khi xử lý ở nhiệt độ cao hơn và thời gian

xử lý lâu hơn Koch, PULS và BAUCH (2003) đã chỉ ra rằng những thay đổi trong cấu trúc Lignin ảnh hưởng đến màu sắc gỗ và có thể thấy được trong quá trình xử lý trong nước nóng ở nhiệt độ cao hơn 80 oC Hơi nước có thể bắt đầu phân cắt của khu phức hợp Lignin-Polysaccharide bằng việc giải phóng

ra các axit hữu cơ từ các Hemixelulo Mặt khác, giả định rằng một số các tương tác của các thành phần gỗ trong tế bào dẫn đến sự hình thành của một liên kết Lignin-Carbohydrate thứ mà cuối cùng gây ra sự bạc màu Do có sự tách biệt của các nhóm Hydroxyl, liên hợp liên kết đôi ở C3 của phân tử Lignin có thể được hình thành Trong quá trình xử lý bằng hơi nước các hợp chất bị hoà tan trong nước, sự mất màu là do quá trình oxy hoá và ngưng tụ Những thay đổi trong cơ cấu Lignin có thể gây ra màu đen sậm và đỏ của gỗ Sồi, trong đó có thể bao gồm các biến thể màu sắc gây ra bởi chất chiết suất của gỗ, phản ứng Lignin gây ra sự đồng nhất màu đỏ của gỗ Sồi trong thời

gian xử lý, sự mất màu bất thường trong gỗ Sồi gây ra bởi các phản ứng hóa học của phân bố không đều các hợp chất Phenolic [24]

Inga JUODEIKIENĖ (2009), đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của xử lý thủy - nhiệt đến cường độ nén và uốn tĩnh của gỗ Thông Các mẫu được xử lý

ở 60, 80, 100 và 120 o

C với thời gian 24, 48, 72 và 96 giờ Kết quả cường độ uốn tĩnh của gỗ Thông được xử lý nhiệt giảm xuống so với gỗ ban đầu Sau khi làm nóng ở nhiệt độ 60 oC cường độ uốn tĩnh giảm từ 5,13% - 9,0% so với

gỗ chưa được xử lý Đối với các mẫu xử lý ở nhiệt độ 80 oC với thời gian khác nhau làm cho cường độ uốn giảm từ 5,88% - 10,03% Sau khi làm nóng ở nhiệt độ 100 oC cường độ uốn tĩnh giảm từ 5,73% - 12,52% và ở nhiệt độ 120

oC cường độ uốn tĩnh giảm từ 11,46% đến 13,73% Cường độ nén vuông góc với thớ gỗ sau khi làm nóng ở 60 oC giảm khoảng 2,2% - 4,7%; ở 80 oC là 4,6% - 12,7 %; ở 100 oC là 6,5% - 8,0% và tại 120 oC giảm từ 2,5% - 10% Sau khi làm nóng ở 60 oC, 80 oC, 100 oC và 120 oC làm tăng cường độ nén dọc thớ gỗ tương ứng 6% -14,5%; 8% - 18,3%; 0,1% - 11,7% và 2% - 7,4% Những kết quả này chỉ ra rằng nhiều thay đổi đáng kể đạt được trong quá trình làm nóng ở nhiệt độ 60 oC và 80 oC với thời gian 96 giờ Sự gia tăng cường độ nén dọc thớ gỗ có thể liên quan đến việc thay đổi kết cấu gỗ Phá hủy hệ thống Hemicenlulose sớm hơn so với Xenlulo và Lignin Sự xuống cấp của Hemixelulo từ những chuỗi dài thành những chuỗi ngắn hơn, có khả năng chịu nén dọc thớ gỗ tốt hơn Song cường độ uốn tĩnh và cường độ nén vuông góc với thớ gỗ giảm [20]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng xử lý thuỷ nhiệt dẫn đến thay đổi trong thành phần cấu trúc vách tế bào của gỗ Thành phần hoá học của gỗ bị thay đổi nhiều nhất dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao là Hemicellulo Sự phá huỷ của thành phần Hemixelulo gia tăng với sự tăng nhiệt độ và thời gian của quá trình xử lý nhiệt Chỉ một tỷ lệ nhỏ Xenlulo và Lignin bị phá huỷ ở nhiệt

độ thấp Sự thay đổi thành phần hoá học của cấu trúc vách tế bào đã đem đến một loạt thay đổi các tính chất của gỗ như: nâng cao khả năng chịu nước, tính

ổn định kích thước và cải thiện độ bền sinh học, màu sắc của gỗ đậm hơn

1.1.2 Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano

Trong lĩnh vực công nghệ chế biến gỗ, công nghệ Nano được rất nhiều nước trên thế giới tập trung vào nghiên cứu và đạt được những thành tựu đáng

kể Một trong những xu hướng ứng dụng công nghệ Nano trong chế biến gỗ là đưa hạt nano vào bên trong gỗ, phát huy tối đa ưu điểm của gỗ đồng thời hạn chế được những nhược điểm mà không làm thay đổi màu sắc, vân thớ gỗ Các hạt Nano thường được sử dụng trong công nghệ chế biến gỗ là: TiO2, SiO2, ZnO…

Vật liệu composite 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

Những thí nghiệm đầu tiên về việc áp dụng hạt Nano để xử lý gỗ được Saka Sasaki thực hiện năm 1992 Trong thí nghiệm này, Saka và các cộng sự

đã sử dụng phương pháp Sol-gel để đưa các hạt Nano vô cơ SiO2 vào trong

gỗ Kết quả thí nghiệm cho thấy các hạt Nano SiO2 có kích thước nhỏ đã tích

tụ ở trong các khe hở trên vách tế bào gỗ, tạo thành vật liệu gỗ-Nano Qua quá trình kiểm tra, đánh giá cho thấy vật liệu tạo ra có những tính năng ưu việt hơn hẳn so với gỗ chưa biến tính

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 [14]

Năm 1997, Miyafuji và Ueno T đã tiến hành thí nghiệm đưa các hạt Nano TiO2 và SiO2 vào trong gỗ Sồi rừng Trong nghiên cứu của mình, các tác giả đã sử dụng phương pháp điền đầy trực tiếp để đưa hạt Nano vào trong

gỗ từ đó tạo thành vật liệu gỗ-Nano mới có những tính năng nổi trội hơn hẳn

so với gỗ Sồi không qua xử lý Cụ thể là: Vật liệu tạo thành có tính ổn định kích thước cao hơn, khả năng hút ẩm của gỗ giảm đi (giảm khoảng 40%), cường độ gỗ tăng lên đáng kể, khả năng chậm cháy của gỗ cũng được cải thiện rõ rệt

Năm 1998, Fumie and Saka đã chế tạo vật liệu composite gỗ-SiO2 từ gỗ

Chamaecyparis obtuse, vật liệu composite thu được đã thể hiện khả năng

chống lại mục trắng kém hơn so với mục nâu

Đến năm 1999, một trong những hướng nghiên cứu mới đó là sử dụng Nano Cellulose để biến tính gỗ được thực hiện bởi Hiroyuki Matsumura và Wolfgang Glasser Các tác giả đã sử dụng phương pháp phức hợp tầng để đưa hạt Nano vào gỗ Anh đào Kết quả là các tính chất của gỗ cũng được cải thiện một cách đáng kể so với gỗ không qua biến tính (Matsumura, H and Glasser,

W G 2000)

Wimmer năm 2002 đã sử dụng phương pháp thẩm thấu trực tiếp theo chiều dọc thớ gỗ để đưa hạt Nano vào trong gỗ, đây được coi là một bước đột phá mới trong công nghệ biến tính gỗ bằng hạt Nano Tuy đã thu được những kết quả nhất định nhưng phương pháp này còn có những tồn tại làm giảm hiệu quả của quá trình biến tính Đó chính là khả năng thẩm thấu của các hạt Nano vào gỗ không đồng đều theo các chiều thớ mà đặc biệt là theo chiều ngang thớ gỗ

Năm 2009, Thomas Hubert, Prita Unger và Michael Bruker dùng phương pháp Sol-gel để phân tán hạt Nano TiO2 vào trong gỗ Thông để biến tính tạo thành loại gỗ-Nano có tính ổn định kích thước cao và có khả năng chống lại các tác động của tia tử ngoại

Gần đây nhất năm 2010, H Turgut Sahin và George I Mantanis đã nghiên cứu xử lý bốn loại gỗ: Gỗ Dẻ, gỗ Anh đào, gỗ Thông và gỗ Linh sam bằng hợp chất Nano TiO2 và ZnO với bốn cấp nồng độ khác nhau Kết quả cho thấy độ ổn định kích thước và độ cứng của gỗ tăng lên rõ rệt

Những năm gần đây, phương pháp sol-gel đã được áp dụng rộng rãi trong việc tạo ra vật liệu composite chất vô cơ-gỗ (WIC) Trong quá trình sol-gel, dung dịch chất nguồn 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 composite gỗ-hợp chất vô cơ

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.2.1 Các nghiên cứu về ổn định kích thước

Trong những năm gần đây, công nghệ biến tính gỗ theo các xu hướng khác nhau như nâng cao khối lượng thể tích, tính chất cơ lý, ổn định kích thước gỗ đã được nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất quan tâm nghiên cứu

Năm 2004, Nguyễn Thị Thu Hà đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tẩm nhựa Polyurethane (PU) đến chất lượng gỗ biến tính Sau khi tiến hành xử lý gỗ Keo lá tràm bằng PU với các cấp nồng độ 3, 5, 7, 9, 11%

và thời gian từ 1 ngày đến 5 ngày đã làm tăng khối lượng thể tích, chống được nấm mốc xâm nhập, hạn chế co rút dãn nở…

Năm 2004, Tạ Thị Phương Hoa, đã thực hiện nghiên cứu nâng cao tính

ổn định kích thước gỗ Keo lá tràm bằng phương pháp axetyl hóa Kết quả cho thấy, hầu hết các tính chất cơ học được nâng lên cụ thể là: độ bền ép dọc tăng

từ 4,94% đến 16,22%; độ bền ép ngang thớ tiếp tuyến tăng từ 2,55% đến 26,77%, độ cứng tĩnh tăng 7% đến 22,05%

Năm 2004, Nguyễn Tất Thắng đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ

và thời gian tẩm UF (Ure Formaldehyde) đến chất lượng gỗ biến tính với thời

gian xử lý 1 - 5 ngày, nồng độ UF 10 - 30% Kết quả làm cho khả năng co rút của gỗ giảm Còn tỷ lệ dãn nở theo chiều tiếp tuyến, khối lượng thể tích, ứng suốt ép dọc thớ và ứng suất uốn tĩnh có xu hướng tăng lên khi nồng độ nằm trong khoảng 10 - 25% Nhưng khi nồng độ tăng 25 - 30% thì các tính chất trên giảm xuống

Năm 2005, Nguyễn Thị Thanh Hải nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tẩm Urea đến một số chỉ tiêu chất lượng của gỗ biến tính Kết quả thu được tỷ lệ co rút và dãn nở của gỗ xử lý bằng Urea sau khi qua nén ép giảm, tính chất cơ học tăng, khối lượng thể tích tăng, độ bám dính màng phủ

Năm 2008, Vũ Huy Đại nghiên cứu quy trình công nghệ xử lý ván phủ mặt từ gỗ Keo lai bằng DMDHEU (akrofix) Kết quả nghiên cứu đã cho thấy sau khi được xử lý bằng DMDHEU với chất xúc tác là MgCl2 ở nhiệt độ

130oC các tính chất vật lý và hầu hết các tính chất cơ học của ván mỏng gỗ Keo lai xử lý đều được cải thiện

Năm 2010, Lê Ngọc Phước nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm hóa chất đến tính chất của gỗ biến tính bằng DMDHEU dùng để phủ mặt ván sàn gỗ công nghiệp Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian ngâm tẩm hóa

chất ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của ván sàn Độ mài mòn, độ bong tách màng keo và độ võng do uốn của ván xử lý đều giảm so với ván không xử lý Khối lượng thể tích của ván sàn thay đổi không đáng kể qua các chế độ xử lý

1.2.2 Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano

Vật liệu Nano đã được nhiều nhà khoa học quan tâm với nhiều thành công Rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu Nano được công bố trong

và ngoài nước Tuy nhiên, các kết quả này phần nhiều còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm 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

Qua các kết quả công bố về công nghệ Nano của Việt Nam cho thấy nghiên cứu chủ yếu tập trung ở một số lĩnh vực như: Ứng dụng Nano trong y học, ứng dụng trong công nghiệp, điện tử Trong lĩnh vực công nghệ gỗ, việc ứng dụng vật liệu nano còn hạn chế và nghiên cứu chưa nhiều

Năm 2011-2012, Cao Quốc An và các cộng sự trường Đại Học Lâm

Nghiệp thực hiện đề tài cấp bộ “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 biến tính 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 [9]

Năm 2012, Nguyễn Văn Thiết cùng các cộng sự đã nghiên cứu công nghệ biến tính 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 SiO 2” Kết quả đã tạo ra được thanh cơ sở có độ cứng bề mặt và độ mài mòn tăng lên một lượng nhất định

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 composite 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 [23]

Tóm lại, các nghiên cứu về xử lý gỗ bằng công nghệ nano cho thấy còn

một số vấn đền cần làm rõ, như: (1) Ảnh hưởng của công nghệ đưa hạt nano vào gỗ; (2) Ảnh hưởng của loài gỗ đến công nghệ xử lý; (3) Cơ chế tác động của vật liệu nano đến tính chất gỗ Với các vấn đề này cần có các công trình nghiên cứu một cách tổng hợp, hệ thống Nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ chất TBOT (Titanium (IV) butoxide) đến chất lượng của gỗ Keo lai sẽ là một trong những nghiên cứu sẽ góp phần bổ sung dữ liệu để làm rõ các vấn đề còn tồn tại trên Do

đó có thể thấy đây là một nghiên cứu có tính mới và có ý nghĩa

Chương 2

2.1 Thành phần hóa học của gỗ

Gỗ được tổ thành từ các nguyên tố cơ bản như: C, H, O, N, ngoài ra gỗ còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khoáng chất Các hợp chất hóa học cấu tạo nên vách tế bào gỗ có thể được phân làm hai nhóm: Thành phần chủ yếu và thành phần thứ yếu Thành phần chủ yếu bao gồm xenlulo, hemixenlulo và lignin; các thành phần thứ yếu bao gồm nhựa cây, tannin, tinh dầu, sắc tố, khoáng chất, pectin, protein, hợp chất vô cơ,…

Hình 2.1 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ

2.1.1 Xenlulo

-

Các kết quả nghiên cứ

-ệ

2.2c)

2.2

xenlulo

(1) Quan hệ với tính chất gỗ Liên kết hydro có tác dụng quan trọng tới

sự tạo thành siêu phân tử của xenlulo, trong vùng vô định hình các phân tử xenlulo hình thành rất nhiều liên kết hydro, số lƣợng liên kết hydro nhiều có thể nâng cao đƣợc khả năng chịu lực của vật liệu gỗ, giảm thiểu tính hút ẩm,

và giảm khả năng tham gia phản ứng hóa học của gỗ,…

(2) Quan hệ với công nghệ gia công sợi Kết hợp các liên kết hydro là

lý thuyết hình thành ván trong sản xuất ván sợi ƣớt Lý thuyết kết hợp liên kết hydro cho rằng, các sợi rời rạc có thể kết hợp với nhau hình thành ván là do

giữa các sợi đã hình thành liên kết hydro Nghiền bột gỗ có thể phân ly sợi và

“chổi hóa” sợi ở mức độ nhất định, tăng diện tích bề mặt sợi có thể tăng số lượng gốc –OH tự do, từ đó cải thiện được điều kiện hình thành liên kết hydro Ép nóng có thể nâng cao độ linh động của các nhóm chức, thu nhỏ khoảng cách của các nhóm chức Khi khoảng các giữa các nhóm –OH trong sợi được thu nhỏ đến khoảng 0,275 nm lúc này giữa chúng có thể hình thành liên kết hydro, làm cho kết cấu của ván sợi chặt chẽ hơn

(3) Quan hệ với quá trình sấy Phân tử nước có thể xâm nhập vào vùng

vô định hình của xenlulo làm cho xenlulo hút ẩm và trương nở; ngược lại, tách nước và co rút là quá trình ngược lại của hút ẩm và trương nở Trong quá trình sấy vật liệu gỗ liên tục, cùng với sự thay đổi liên kết hydro của xenlulo, đầu tiên các liên kết hydro giữa các phân tử nước bị cắt đứt, khi một bộ phận phân tử nước bị thoát ra lúc này bề mặt của các xenlulo sẽ co lại gần nhau, cho đến khi giữa bề mặt của các phân tử xenlulo chỉ còn một lớp phân tử nước; tiếp theo làm đứt liên kết hydro giữa phân tử nước và xenlulo tại vị trí nhóm –OH, từ đó tạo ra liên kết hydro mới giữa các phân tử xenlulo

2

Độ kết tinh của xenlulo là tỉ lệ phần trăm của vùng kết tinh so với toàn

bộ xenlulo, nó phản ánh mức độ kết tinh của xenlulo khi trùng hợp

Phương pháp xác định độ kết tinh của xenlulo có phương pháp hóa học (hoặc lý hóa) và phương pháp vật lý Phương pháp hóa học chủ yếu gồm các phương pháp như: Thủy phân, trao đổi ion, focmyl hóa, hút ẩm, hấp thụ i-ốt

và hấp thụ brôm; phương pháp vật lý chủ yếu có các phương pháp như: Nhiễu

xạ tia X (XRD), phân tích phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt sai (differential thermal analysis – DTA),… Các phương pháp xác định khác nhau thường cho kết quả độ kết tinh khác biệt khá lớn Nhiễu xạ tia X là phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất để xác định độ kết tinh của xenlulo

Phương pháp xác định độ kết tinh của xenlulo bằng phổ nhiễu xạ tia X chủ yếu lợi dụng tia X chiếu vào mẫu vật, đo được cường độ nhiễu xạ của tia

X tương ứng với góc chiếu xạ θ, trục hoành là 2θ, trục tung là cường độ của tia X, từ đó vẽ được đồ thị quan hệ giữa góc 2θ và cường độ tia X Khi đo, góc 2θ quét từ 10o đến 40o

Khi độ kết tinh tăng lên, khả năng chịu kéo, độ cứng, khối lượng thể tích và tính ổn định kích thước cũng tăng lên; nhưng tỉ lệ kéo dài, tính hút ẩm,

độ hấp thụ chất nhuộm màu, khả năng thấm, tính dẻo dai và khả năng phản ứng hóa học sẽ giảm xuống Vì vậy, độ kết tinh của xenlulo có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của sợi

Xenlulo là thành phần chủ yếu cấu tạo nên gỗ, ước chiếm khoảng 50 %

Do vậy, độ kết tinh của xenlulo có quan hệ rất mật thiết với tính chất cơ lý và hóa học của gỗ Độ kết tinh lớn tức vùng kết tinh nhiều, dẫn đến khả năng chịu kéo, khả năng chịu uốn, tính ổn định kích thước của gỗ cũng cao Ngược lại, độ kết tinh thấp, tức vùng vô định hình nhiều thì các tính chất này sẽ giảm xuống, hơn nữa lại gia tăng tính hút ẩm, tính hấp thụ và khả năng phản ứng hóa học

2.1.1.4 Ảnh hưởng của xenlulo đến gia công và sử dụng gỗ

a Sự hút và nhả ẩm của xenlulo

Xenlulo có tính hút ẩm và nhả ẩm Khi hút hơi nước được gọi là hút ẩm

và khi thoát hơi nước được gọi là nhả ẩm Tính hút ẩm của xenlulo có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và tính ổn định kích thước của sợi

Nhóm hydroxyl (–OH) trên phân tử xenlulo trong vùng vô định hình có một phần nhất định ở trạng thái tự do Các nhóm –OH tự do rất dễ hấp phụ các phân tử nước và hình thành liên kết hydro Khả năng hút ẩm phụ thuộc vào độ lớn vùng vô định hình và số lượng nhóm –OH tự do Tính hút ẩm sẽ tăng lên khi vùng vô định hình tăng lên hay đồng nghĩa với nó là độ kết tinh giảm xuống

Khi nhiệt độ môi trường thấp, hàm lượng nước hút vào và thoát ra lúc đầu tăng lên khi độ ẩm môi trường tăng lên, đến khi độ ẩm tương đối đạt khoảng 60-70 % lượng nước hấp phụ sẽ giảm xuống Khi gần đến điểm bão hòa sợi sự tăng lên của nước hấp phụ nhanh hơn nhiều so với sự tăng lên của

độ ẩm tương đối

Khi độ ẩm tương đối của môi trường thấp, nhóm –OH tự do trong vùng

vô định hình hấp phụ phân tử nước; độ ẩm tương đối môi trường tăng lên, một bộ phận liên kết hydro bị phá vỡ hình thành nhóm –OH tự do mới, tiếp tục hấp phụ phân tử nước Khi độ ẩm tương đối môi trường thấp hơn 70 %, phân tử nước sẽ bị hấp phụ bởi nhóm -OH vốn có và nhóm -OH mới; độ ẩm tương đối môi trường tăng lên trên 70 %, lúc này sẽ hình thành các trung tâm hấp thụ, đồng thời rất nhiều lớp nước hấp phụ sẽ được tạo ra

là nhiệt hấp thụ hoặc nhiệt thấm ướt Nhiệt hấp thụ của sợi cellulo lớn nhất khi ở trạng thái khô kiệt, và giảm đi khi lượng nước hấp thụ tăng lên, đến khi đạt điểm bão hòa sợi thì sẽ không có nhiệt tỏa ra Khi đo nhiệt hấp thụ, thông thường sử dụng khái niệm tích phân nhiệt hấp thụ Tích phân nhiệt hấp thụ là nhiệt lượng tỏa ra của 1 g xenlulo khi thấm ướt hoàn toàn; vi phân nhiệt hấp thụ là nhiệt lượng kết hợp của 1 g nước với lượng xenlulo khô hoặc ướt, hoặc nhiệt lượng tỏa ra do lượng xenlulo khô hoặc ướt thoát ra 1 g nước Vi phân nhiệt hấp thụ khoảng 21-23 kJ/mol nước, giá trị này tương đương với năng lượng của liên kết hydro Từ đó cho thấy, khi xenlulo khô kiệt hút ẩm là do

liên kết hydro gây ra Theo sự gia tăng của nước hấp thụ, nhiệt hấp thụ giảm dần, cho đến khi đạt điểm bão hòa sợi thì nhiệt hấp thụ sẽ bằng không

Phân tử nước hấp thụ vào trước điểm bão hòa sợi được gọi là nước thấm (nước liên kết), nước hấp thụ trên điểm bão hòa sợi được gọi là nước tự

do Nước tự do tồn tại trong ruột tế bào hoặc các mao quản, không làm cho xenlulo trương nở, cũng không có hiệu ứng nhiệt Lượng nước có tại thời điểm bão hòa sợi thường khoảng 20-30 % Sự hút và thoát ẩm, và hiệu ứng nhiệt của gỗ cùng với hiện tượng mềm hóa và co rút của gỗ có quan hệ mật thiết với tính hút ẩm của xenlulo

2.1.2 Hemixenlulo

Cũng như xenlulo, hemixenlulo là những polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulo thì hemixenlulo kém ổn định hoá học hơn,

dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao Hemixenlulo phân giải trong khoảng nhiệt

độ từ 200 – 260 oC Độ bền vững của hemixenlulo so với xenlulo là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường trong gỗ của hemixenlulo rất thấp, nó rất dễ phát sinh phản ứng thoát nước Hemixenlulo ở nhiệt độ tương đối thấp phát sinh phân giải sinh ra khối lượng lớn axít acetic và chất khí không cháy, đồng thời

có ít dầu gỗ Hemixenlulo dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của acid

Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200 Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị chiết xuất khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền

Hemixenlulo là một trong những chất cao phân tử chủ yếu của gỗ nhạy cảm nhất với điều kiện môi trường Sự biến đổi, tính chất và đặc điểm của nó

có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất gia công sử dụng gỗ

2.1.2.1 Ảnh hưởng của hemixenlulo đến khả năng chịu lực của gỗ

Gỗ sau khi xử lý nhiệt polysacarit bị tổn hại chủ yếu là hemixenlulo, do trong điều kiện nhiệt độ cao tốc độ phân giải của hemixenlulo lớn hơn xenlulo, hay nói cách khác tính chịu nhiệt của hemixenlulo kém Trong vách

tế bào, hemixenlulo có tác dụng kết dính, do đó sự biến đổi và tổn thất của hemixenlulo không chỉ làm giảm tính dẻo dai (toughness) của gỗ mà còn làm cho khả năng chịu uốn, độ cứng và tính mài mòn của gỗ cũng giảm xuống Tốc độ phân giải của pentosan lớn hơn so với hexosan, sau khi xử nhiệt độ cao tính dẻo của gỗ lá rộng giảm mạnh hơn nhiều so với gỗ lá kim, vì pentosan trong gỗ lá rộng nhiều hơn 2-3 lần so với gỗ lá kim

2.1.2.2 Ảnh hưởng của hemixenlulo đến tính hút ẩm của gỗ

Hemixenlulo là vật chất vô định hình, phân nhánh, trên mạch chính và mạch nhánh hàm chứa rất nhiều nhóm thân nước như: –OH, –COOH, đây là các thành phần có tính hút nước rất mạnh, là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ trương nở, biến dạng, nứt, nẻ Mặt khác, trong quá trình xử lý nhiệt, một vài loại đường trong hemixenlulo dễ bị phân giải thành fufuran (C4H3O-CHO) và các loại đường đơn, dưới tác dụng của nhiệt độ, những chất này tiếp tục xảy ra tác dụng tụ hợp tạo ra các vật chất không tan trong nước,

vì thế có thể làm giảm tính hút ẩm của gỗ, làm giảm co rút và trương nở

2.1.2.3 Ảnh hưởng của hemixenlulo đến độ axit của gỗ

Sự có mặt của hemixenlulo là một trong những nguyên nhân làm cho

gỗ có tính axit yếu Hemixenlulo có nhiều nhóm chức có tính hoàn nguyên, dễ

bị ô xy hoá thành gốc -COOH, trong môi trường ẩm ướt, nhóm acetyl (-C=O) trên phân tử hemixenlulo dễ bị thủy phân tạo thành axit axetic, làm cho tính axit của gỗ tăng lên, khi sử dụng gỗ có tính axit mạnh để sản xuất thùng đừng linh kiện kim loại có thể làm ăn mòn kim loại Trong quá trình sấy, do phun

ẩm và gia nhiệt, có thể gia tăng tốc độ thủy phân của hemixenlulo tạo thành

các axit tự do, vì thế làm cho tường và các thiết bị trong lò sấy sau một thời gian sử dụng xuất hiện hiện tượng ăn mòn

2.1.3 Lignin

Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử từ 4000 -10000,

độ trùng hợp cao n = 25 – 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp Bản chất của các liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng với halogen, axit nitric, phản ứng metyl hóa

Liên kết giữa lignin và xenlulo có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi xenlulo trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định Liên kết lignin và xenlulo có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước cuả gỗ Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử xenlulo, hemixenlulo, lignin và liên kết giữa các thành phần đó Để cải thiện tính chất hút nước và giãn nở của gỗ, ta cần có những tác động vào nhóm hydroxyl, để thay đổi tính chất cơ học ta cần tác động làm thay đổi độ polime, khoảng cách giữa các phân tử

2.2 Công nghệ và vật liệu nano

Nano là loại vật liệu siêu nhỏ, có kích thước từ 1-100nm, vật liệu Nano

có thể được phân ra thành 2 loại Loại thứ nhất là vi hạt Nano, tức là chỉ những loại hạt siêu nhỏ có kích thước ở cấp độ Nanometer, kích thước của chúng lớn hơn kích thước của nguyên tử và nhỏ hơn kích thước của các vi hạt thông thường, hạt Nano này có kích thước nằm trong khoảng 1-100nm, nó

cũng được gọi là hạt siêu nhỏ, những hạt này bằng mắt thường và bằng kính hiển vi thông thường không thể quan sát được các hạt đơn lẻ, mà chỉ có thể quan sát được bằng kính hiển vi siêu điện tử có độ phóng đại rất cao Loại thứ hai là Nano dạng rắn, chúng còn có tên gọi là vật liệu Nano kết cấu, chúng do các hạt Nano có kích thước 1-100nm tụ hợp lại với nhau hình thành nên dạng màng siêu mỏng hoặc dạng sợi Nano

Công nghệ nano là công nghệ nghiên cứu thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước ở quy mô nano mét

Năm 1959, giáo sư Richard Feyman (Viện Công nghệ MIT) đề xuất ý tưởng mới, theo đó ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử và hơn nữa Thay vì phải phân nhỏ vật chất, tại sao ta không đi từ cái vô cùng nhỏ? Đây là ý tưởng mà sau này trở thành một trong hai cách tạo ra vật liệu nano bằng phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Thuật ngữ “công nghệ nano” thực sự được sử dụng vào năm 1974 khi Nario Taniguchi, nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo, đã

Masstchusets-sử dụng thuật ngữ này để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch

vi điện tử

Vật liệu nano (bao gồm các màng nano, sợi và ống nano, hạt nano) được điều chế bằng nhiều cách Vật liệu nano có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được Đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích bề mặt của vật liệu này Trên thi trường hiện nay vật liệu nano được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực (Bảng 2.1)

Bảng 2.1 Một số loại vật liệu nano và các lĩnh vực sử dụng

Loại sản phẩm Số lượng Lĩnh vực sử dụng Tỷ lệ (%)

Vật liệu xốp Nano 22 CN Thông tin, viễn thông 21

2.2 Đặc điểm của một số hạt nano thường dùng

Hiện nay trong nghiên cứu xử lý gỗ thường sử dụng những loại hạt Nano như: SiO2, TiO2, ZnO, CaCO3 và Al2O3, và tất nhiên là kích thước hạt của chúng đều phải nhỏ hơn 100nm Mỗi loại hạt Nano đều có những đặc điểm riêng, như TiO2 khi đưa vào trong gỗ, ngoài những tính năng cơ bản của hạt Nano như hoạt tính bề mặt tốt, tính năng hấp phụ cao, khả năng ngăn ẩm tốt, chịu mài mòn tốt ra, thì nó còn có những tính năng đặc biệt khác, như tỷ

lệ phản xạ đối với tia cực tím từ ánh sáng là rất lớn, điều này sẽ làm cho bề

mặt gỗ ít chịu ảnh hưởng của tia cực tím, làm giảm khả năng biến màu của

gỗ, giảm khả năng lão hóa của gỗ,…, giá thành của hạt Nano TiO2 trên thị trường hiện nay cũng khá rẻ, hạt Nano TiO2 có kích thước từ 0 ~ 40nm có giá khoảng 25~ 60 USD/kg, còn hạt Nano có kích thước từ 40 ~ 80nm thì chỉ có giá khoảng 16 ~ 30USD/kg, trong đó 1 gram hạt Nano kích thước hạt từ 0~40nm cho diện tích bề mặt khoảng 21010m2, vì vậy TiO2 là loại hiện đang được đưa vào sử dụng trong ngành công nghiệp trong đó có ngành chế biến

gỗ Hay như hạt Nano SiO2, đây là loại hạt có hiệu ứng bề mặt rất lớn, tức là khả năng bám dính tự nhiên của hạt khá cao, điều này sẽ có lợi cho quá trình hình thành vi kết cấu dạng màng ở bên trong gỗ Hạt Nano ZnO thì ngoài tác dụng chắn tia tử ngoại rất tốt ra, nó lại có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại, nó

có thể trực tiếp tạo màng phức hợp với gỗ, cũng có thể tạo phức hợp với các dung dịch sơn phủ sau đó mới tiến hành phủ lên bề mặt gỗ, từ đó phát huy được những hiệu quả như chống lão hóa của gỗ, chống hút ẩm, chống nấm mốc cho gỗ,… Hạt Nano CaCO3 mặc dù là loại được sử dụng khá rộng rãi hiện nay, song nó chỉ được coi là loại hạt Nano có tính năng bổ trợ, chúng ít khi được sử dụng trực tiếp đưa vào trong gỗ, mà thường được trộn lẫn vào keo dán, chất sơn phủ, hay chất bảo quản để kết hợp làm tăng cường độ và cải thiện các tính chất khác của gỗ Hạt Nano Al2O3 hiện nay được ứng dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sản xuất thủy tinh, quang học hay gốm sứ tinh khiết, tuy nhiên trong biến tính gỗ thì nó cũng phát huy được những tác dụng nhất định, đặc biệt là tăng khả năng chịu mài mòn cho gỗ

2.3 Đặc điểm của hạt Nano TiO 2

2.3.1 Tính chất vật lý

TiO2 là chất bột màu trắng, có trọng lượng riêng từ 4,13 – 4,25 g/cm3, nóng chảy ở nhiệt độ cao gần 1.800oC TiO2 không tan trong nước mà chỉ phân tán, hình thành dạng huyền phù lỏng ở trong nước,