Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian ngâm tẩm đến tính chất gỗ Keo lai và Mỡ biến tính nano SiO2

Chuyên khảo vật lý phân tích Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến một số tính chất cơ vật lý của gỗ keo lai và mỡ, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Đỗ Thị Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Hiền Mai
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Chế biến lâm sản
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến một số tính chất cơ vật lí của gỗ Keo Lai và Mỡ biến tính bằng hạt Nano SiO2
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá giải pháp biến tính gỗ Keo lai Mỡ bằng nano SiO2

Ngành công nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam đang đối mặt với sự khan hiếm nguồn cung gỗ từ rừng tự nhiên. Gỗ rừng trồng như Keo lai (Acacia Mangium x Acacia auriculiformis) và gỗ Mỡ (Manglietia conifera) nổi lên như một giải pháp thay thế bền vững. Tuy nhiên, các loại gỗ này thường có nhược điểm về độ bền tự nhiên và tính chất cơ vật lý, hạn chế khả năng ứng dụng trong các sản phẩm cao cấp như ván sàn. Để khắc phục vấn đề này, công nghệ biến tính gỗ ra đời, và một trong những hướng đi tiên tiến nhất là ứng dụng vật liệu nano. Nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến một số tính chất cơ vật lý của gỗ Keo lai và Mỡ biến tính bằng hạt nano SiO2 mở ra một chương mới trong việc nâng cao giá trị cho gỗ rừng trồng. Phương pháp này không chỉ cải thiện các đặc tính của gỗ mà còn đảm bảo tính an toàn, thân thiện với môi trường. Các hạt nano SiO2, với kích thước siêu nhỏ, khi được đưa vào cấu trúc gỗ thông qua phương pháp ngâm tẩm áp lực, sẽ tạo ra một lớp màng bảo vệ, giúp tăng cường độ cứng, độ bền và đặc biệt là khả năng chống chịu với độ ẩm – một yếu tố quan trọng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định thời gian ngâm tẩm tối ưu, một thông số công nghệ then chốt quyết định hiệu quả của quá trình biến tính và tính kinh tế trong sản xuất. Việc tìm ra khoảng thời gian hợp lý giúp tối đa hóa chất lượng sản phẩm mà không gây lãng phí tài nguyên và chi phí, từ đó tạo ra vật liệu gỗ-nano composite với những tính năng ưu việt, sẵn sàng đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của thị trường.

1.1. Tiềm năng đột phá của công nghệ nano trong ngành gỗ

Công nghệ nano đang tạo ra một cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực, và ngành chế biến gỗ cũng không ngoại lệ. Việc ứng dụng vật liệu nano để biến tính gỗ giúp tạo ra các sản phẩm gỗ-nano composite với những đặc tính vượt trội. Các hạt nano thường được sử dụng bao gồm TiO2, ZnO, và đặc biệt là nano SiO2 (Dioxit Silic). Theo nghiên cứu của Saka Sasaki (1992), việc đưa các hạt nano SiO2 vào cấu trúc gỗ bằng phương pháp Sol-gel đã tạo ra vật liệu "Nanowood" với các tính năng ưu việt hơn hẳn gỗ nguyên bản. Các hạt nano SiO2 có đặc tính bền, không độc hại, không bị ăn mòn quang học và có giá thành tương đối thấp. Khi thẩm thấu vào gỗ, chúng không chỉ lấp đầy các vi mao quản mà còn bám vào vách tế bào, tạo thành một lớp áo siêu mỏng có khả năng kháng nước, chống nấm mốc và cải thiện đáng kể các tính chất cơ học.

1.2. Đặc điểm và giá trị của gỗ Keo lai và gỗ Mỡ rừng trồng

Gỗ Keo lai và gỗ Mỡ là hai loại gỗ rừng trồng chiến lược tại Việt Nam, có chu kỳ sinh trưởng ngắn và khả năng cung cấp nguồn nguyên liệu dồi dào. Gỗ Keo lai có thớ gỗ tương đối thẳng, ít mắt, phù hợp cho việc gia công. Gỗ Mỡ có màu vàng nhạt, thớ mịn, tổ chức đồng đều. Tuy nhiên, cả hai loại gỗ này đều thuộc nhóm gỗ có khối lượng thể tích trung bình, độ bền tự nhiên và các tính chất cơ lý chưa cao, đặc biệt là khả năng chống chịu ẩm và mài mòn. Những hạn chế này khiến chúng khó đáp ứng yêu cầu cho các sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao như ván sàn công nghiệp. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp cải thiện chất lượng gỗ là vô cùng cấp thiết, giúp tối ưu hóa giá trị sử dụng của nguồn tài nguyên gỗ rừng trồng phong phú này.

II. Thách thức Nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng Keo lai Mỡ

Việc sử dụng gỗ rừng trồng làm nguyên liệu sản xuất các sản phẩm giá trị cao như ván sàn đặt ra nhiều thách thức lớn. Gỗ Keo lai và Mỡ, dù có tiềm năng lớn, vẫn còn tồn tại những nhược điểm cố hữu về tính chất cơ vật lý. Các đặc tính này bao gồm độ cứng bề mặt thấp, khả năng chống mài mòn kém, và đặc biệt là tính ổn định kích thước không cao khi độ ẩm môi trường thay đổi. Những yếu tố này trực tiếp ảnh hưởng đến tuổi thọ, tính thẩm mỹ và chất lượng tổng thể của sản phẩm cuối cùng. Để gỗ rừng trồng có thể cạnh tranh với gỗ tự nhiên hoặc các vật liệu cao cấp khác, việc cải thiện chất lượng gỗ thông qua các phương pháp biến tính là yêu cầu bắt buộc. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm bằng nano SiO2 chính là một nỗ lực để giải quyết bài toán này. Mục tiêu không chỉ là tăng cường một vài chỉ số riêng lẻ, mà là tạo ra một vật liệu mới có sự cải thiện đồng bộ về cả tính chất cơ học và tính chất vật lý. Thách thức nằm ở việc tìm ra một quy trình công nghệ vừa hiệu quả về mặt kỹ thuật, vừa khả thi về mặt kinh tế, trong đó thời gian ngâm tẩm là một biến số quan trọng. Một quy trình tối ưu sẽ giúp các hạt nano SiO2 phân bố đồng đều trong cấu trúc gỗ, phát huy tối đa hiệu quả bảo vệ và gia cường mà không làm ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính khác của gỗ.

2.1. Hạn chế về tính chất cơ vật lý của gỗ rừng trồng tự nhiên

Gỗ rừng trồng mọc nhanh như Keo lai và Mỡ thường có khối lượng thể tích thấp hơn gỗ rừng tự nhiên lâu năm. Điều này dẫn đến các tính chất cơ học như độ cứng, độ bền uốn tĩnh và khả năng chống va đập bị hạn chế. Về tính chất vật lý, gỗ có cấu trúc xốp rỗng nên dễ hút ẩm từ môi trường, dẫn đến hiện tượng co ngót, trương nở. Sự thay đổi kích thước này gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho sản phẩm như cong vênh, nứt nẻ, đặc biệt với ván sàn, nơi yêu cầu tính ổn định kích thước cực kỳ cao. Hơn nữa, độ bền tự nhiên kém khiến chúng dễ bị tấn công bởi nấm mốc và côn trùng, làm giảm tuổi thọ sử dụng.

2.2. Tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe đối với nguyên liệu ván sàn

Sản phẩm ván sàn công nghiệp phải tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt, chẳng hạn như tiêu chuẩn Châu Âu EN 13329. Theo đó, vật liệu gỗ phải đạt các yêu cầu tối thiểu về tính chất cơ học. Cụ thể, độ cứng tĩnh bề mặt phải lớn hơn hoặc bằng 55 MPa, độ cứng va đập phải đạt trên 813 gmm/mm², và tỷ lệ tổn thất khối lượng do độ mài mòn phải nhỏ hơn 0,15%. Về độ bền uốn tĩnh (MOR), ván có chiều dày ≤ 15mm phải đạt trên 98 MPa. Gỗ Keo lai và Mỡ ở trạng thái tự nhiên thường không đáp ứng được đồng thời tất cả các chỉ tiêu này. Do đó, quá trình biến tính gỗ phải hướng đến mục tiêu cải thiện các chỉ số này để đạt ngưỡng tiêu chuẩn.

III. Phương pháp biến tính gỗ bằng hạt nano SiO2 tối ưu nhất

Để giải quyết các hạn chế của gỗ rừng trồng, phương pháp biến tính gỗ bằng phương pháp ngâm tẩm áp lực với dung dịch chứa hạt nano SiO2 được xem là một giải pháp hiệu quả. Công nghệ này dựa trên nguyên lý sử dụng áp suất để đẩy dung dịch chứa các hạt nano siêu nhỏ vào sâu bên trong cấu trúc mao quản của gỗ. Khác với các phương pháp xử lý bề mặt, ngâm tẩm áp lực đảm bảo các hạt nano SiO2 có thể khuếch tán và bám dính lên thành vách tế bào, tạo ra sự cải thiện đồng đều từ trong ra ngoài. Nghiên cứu này tập trung xác định ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm – một trong những yếu tố công nghệ quan trọng nhất. Quá trình thực nghiệm được thiết kế một cách khoa học để đánh giá tác động của ba mức thời gian khác nhau (2 giờ, 5 giờ và 8 giờ) lên tính chất cơ vật lý của gỗ Keo lai và Mỡ. Các yếu tố khác như nồng độ dung dịch nano (2 g/l), áp suất ngâm tẩm (5 bar) và nhiệt độ (20°C) được giữ không đổi để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số này cho phép phân tích một cách độc lập và rõ ràng vai trò của thời gian ngâm tẩm trong việc cải thiện chất lượng gỗ, từ đó đưa ra những khuyến nghị thực tiễn cho sản xuất.

3.1. Quy trình thực nghiệm ngâm tẩm áp lực với nano SiO2

Quy trình thực nghiệm bắt đầu bằng việc chuẩn bị các thanh cơ sở từ gỗ Keo lai và gỗ Mỡ với kích thước tiêu chuẩn 330 × 100 × 15 mm và sấy về độ ẩm 12-15%. Dung dịch biến tính được pha chế bằng cách phân tán hạt nano SiO2 (đường kính 7-40 nm) trong nước cất với nồng độ 2 g/l, sử dụng máy khuấy tốc độ cao để tránh hiện tượng kết tụ. Các thanh gỗ sau đó được xếp vào bồn ngâm tẩm áp lực. Quá trình ngâm tẩm được thực hiện dưới áp suất không đổi 5 bar tại nhiệt độ phòng. Yếu tố được thay đổi là thời gian ngâm tẩm, với các mốc 2 giờ, 5 giờ và 8 giờ. Sau khi ngâm, các mẫu được phơi khô tự nhiên và dưỡng trong phòng điều hòa khí hậu để ổn định độ ẩm trước khi gia công thành mẫu thử nghiệm các tính chất cơ vật lý.

3.2. Vai trò của thời gian và các yếu tố công nghệ khác

Thời gian ngâm tẩm là yếu tố quyết định đến lượng hóa chất thẩm thấu vào gỗ. Thời gian quá ngắn sẽ không đủ để hạt nano SiO2 khuếch tán sâu, dẫn đến hiệu quả biến tính thấp. Ngược lại, thời gian quá dài có thể không làm tăng thêm chất lượng một cách đáng kể mà lại gây tốn kém chi phí sản xuất và năng lượng. Bên cạnh thời gian, các yếu tố khác như áp suất, nồng độ dung dịch và cấu trúc của từng loại gỗ cũng có ảnh hưởng lớn. Áp suất cao giúp dung dịch thấm sâu hơn, trong khi nồng độ hóa chất ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ hạt nano trong gỗ. Nghiên cứu này, bằng cách cố định các yếu tố khác, đã làm nổi bật vai trò then chốt của thời gian ngâm tẩm trong việc tối ưu hóa chất lượng gỗ biến tính.

IV. Cách thời gian ngâm tẩm ảnh hưởng đến tính chất cơ học

Kết quả thực nghiệm đã chứng minh rõ rệt ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến việc cải thiện chất lượng gỗ về mặt cơ học. Việc đưa hạt nano SiO2 vào cấu trúc gỗ đã tạo ra một bộ khung gia cường ở cấp độ vi mô, giúp nâng cao đáng kể các chỉ tiêu quan trọng như độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn. Phân tích số liệu cho thấy, khi thời gian ngâm tẩm tăng lên, các tính chất cơ học của cả gỗ Keo lai và Mỡ biến tính đều có xu hướng cải thiện. Sự gia tăng này là do lượng hạt nano khuếch tán vào gỗ nhiều hơn, đặc biệt là ở lớp bề mặt, nơi chịu tác động trực tiếp của ngoại lực trong quá trình sử dụng. Chẳng hạn, độ cứng tĩnh và độ cứng va đập – hai chỉ số cốt lõi đối với vật liệu làm ván sàn – đều tăng mạnh. Tuy nhiên, mức độ cải thiện không phải là một hàm tuyến tính vô hạn. Kết quả chỉ ra rằng có một khoảng thời gian tối ưu, sau đó hiệu quả gia tăng sẽ chậm lại. Điều này cung cấp một cơ sở khoa học quan trọng để các nhà sản xuất lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp, cân bằng giữa chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế. So sánh giữa hai loại gỗ, gỗ Keo lai cho thấy sự cải thiện ấn tượng và có khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn ván sàn sau khi biến tính, trong khi gỗ Mỡ cũng có những tiến bộ đáng kể.

4.1. Phân tích độ cứng tĩnh và độ cứng va đập của gỗ biến tính

Kết quả kiểm tra cho thấy độ cứng tĩnh bề mặt của gỗ Keo lai tăng từ 44.85 MPa (mẫu đối chứng) lên 56.55 MPa sau 5 giờ ngâm tẩm và 59.95 MPa sau 8 giờ. Với kết quả này, gỗ Keo lai biến tính từ 5 giờ trở lên đã đạt yêu cầu làm ván sàn (≥ 55 MPa). Tương tự, độ cứng va đập của Keo lai cũng tăng từ 671.67 gmm/mm² lên 849.56 gmm/mm² sau 5 giờ, vượt qua tiêu chuẩn (≥ 813 gmm/mm²). Đối với gỗ Mỡ, dù độ cứng cũng tăng đáng kể nhưng vẫn chưa đạt được ngưỡng tiêu chuẩn cho ván sàn, cho thấy hiệu quả biến tính phụ thuộc vào cả đặc tính nền của loại gỗ.

4.2. Tác động lên độ bền uốn tĩnh MOR và mô đun đàn hồi MOE

Độ bền uốn tĩnh (MOR) và mô đun đàn hồi uốn (MOE) là các chỉ số thể hiện khả năng chịu uốn của vật liệu. Kết quả cho thấy cả MOR và MOE của gỗ Keo lai và Mỡ đều tăng lên sau khi biến tính bằng nano SiO2. Cụ thể, MOR của Keo lai tăng rõ rệt khi thời gian ngâm tẩm kéo dài từ 2 đến 8 giờ. Sự cải thiện này chứng tỏ các hạt nano không chỉ gia cường bề mặt mà còn góp phần tăng cường liên kết bên trong cấu trúc sợi gỗ, giúp vật liệu trở nên cứng và bền hơn dưới tác dụng của tải trọng uốn. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng chịu lực như ván sàn hay các chi tiết kết cấu.

4.3. Cải thiện độ mài mòn bề mặt của gỗ Keo lai và Mỡ

Độ mài mòn là một trong những yếu tố quyết định tuổi thọ của bề mặt ván sàn. Thực nghiệm cho thấy tỷ lệ tổn thất khối lượng do mài mòn của cả hai loại gỗ đều giảm mạnh sau khi biến tính. Ở gỗ Keo lai, tỷ lệ này giảm từ 0.35% (đối chứng) xuống còn 0.14% sau 5 giờ ngâm tẩm, đáp ứng yêu cầu (≤ 0.15%). Thời gian ngâm tẩm càng dài, lớp bề mặt gỗ càng được bão hòa bởi các hạt nano SiO2 có độ cứng cao, tạo ra một bề mặt chống trầy xước và mài mòn hiệu quả hơn, giúp sản phẩm giữ được vẻ đẹp và độ bền lâu dài trong quá trình sử dụng.

V. Phân tích ảnh hưởng thời gian ngâm tẩm đến tính vật lý

Bên cạnh các tính chất cơ học, ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến các tính chất vật lý của gỗ, đặc biệt là các đặc tính liên quan đến nước, là một khía cạnh cực kỳ quan trọng. Gỗ là vật liệu hút ẩm tự nhiên, và sự thay đổi độ ẩm là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề về tính ổn định kích thước. Nghiên cứu biến tính gỗ Keo lai và Mỡ bằng nano SiO2 đã chứng minh rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể khả năng chống chịu của gỗ với nước. Khi thời gian ngâm tẩm tăng lên, khả năng hút nước của gỗ giảm đi rõ rệt. Cơ chế đằng sau sự cải thiện này là các hạt nano SiO2 lấp đầy các vi mao quản và tạo thành một lớp phủ kỵ nước trên bề mặt vách tế bào. Lớp màng nano này hoạt động như một rào cản, ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình các phân tử nước xâm nhập vào cấu trúc gỗ. Kết quả là, gỗ biến tính không chỉ giảm độ hút nước (WU) mà còn giảm cả độ trương nở (TS) theo các chiều. Việc nâng cao hiệu quả chống hút nước (WRE) và chống trương nở (ASE) là một thành công lớn, giúp sản phẩm làm từ gỗ Keo lai và Mỡ biến tính có thể hoạt động ổn định trong môi trường có độ ẩm thay đổi, giảm thiểu nguy cơ cong vênh, nứt vỡ.

5.1. Hiệu quả cải thiện khả năng chống hút nước WRE cho gỗ

Kết quả thực nghiệm cho thấy độ hút nước của cả gỗ Keo lai và gỗ Mỡ giảm đáng kể so với mẫu đối chứng. Ví dụ, sau 72 giờ ngâm trong nước, khả năng chống hút nước (WRE) của gỗ Keo lai biến tính trong 8 giờ đạt tới 25.1%. Điều này có nghĩa là lượng nước mà mẫu gỗ này hút vào ít hơn 25.1% so với mẫu gỗ không qua xử lý. Thời gian ngâm tẩm càng dài, hiệu quả chống hút nước càng cao, do mật độ hạt nano SiO2 trong gỗ càng lớn, tạo ra một hàng rào bảo vệ vững chắc hơn trước sự xâm nhập của hơi ẩm.

5.2. Tăng cường tính ổn định kích thước và chống trương nở ASE

Tính ổn định kích thước là thước đo khả năng duy trì hình dạng và kích thước của gỗ khi độ ẩm thay đổi. Thông qua việc giảm hút nước, quá trình biến tính gỗ cũng làm giảm đáng kể độ trương nở. Chỉ số hiệu quả chống trương nở (ASE) được sử dụng để đánh giá mức độ cải thiện này. Kết quả cho thấy, thời gian ngâm tẩm 8 giờ giúp gỗ Keo lai đạt chỉ số ASE lên tới 36.1% ở chiều tiếp tuyến và 31.9% ở chiều xuyên tâm sau 72 giờ ngâm nước. Sự cải thiện này là yếu tố then chốt giúp các sản phẩm như ván sàn duy trì được sự khít khao giữa các mối ghép, hạn chế tối đa hiện tượng phồng rộp hay tạo khe hở trong quá trình sử dụng.

VI. Kết luận Hướng đi tương lai cho gỗ Keo lai Mỡ biến tính

Nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến một số tính chất cơ vật lý của gỗ Keo lai và Mỡ biến tính bằng hạt nano SiO2 đã mang lại những kết quả khoa học có giá trị và ý nghĩa thực tiễn cao. Quá trình biến tính gỗ bằng phương pháp ngâm tẩm áp lực với nano SiO2 đã chứng tỏ là một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng gỗ rừng trồng. Các tính chất cơ học như độ cứng, độ bền uốn, khả năng chống mài mòn và các tính chất vật lý như khả năng chống hút nước, tính ổn định kích thước đều được nâng cao một cách đáng kể. Đặc biệt, nghiên cứu đã xác định được vai trò then chốt của thời gian ngâm tẩm, cho thấy sự cải thiện chất lượng tăng dần khi kéo dài thời gian từ 2 giờ đến 8 giờ. Tuy nhiên, mức độ cải thiện có xu hướng chậm lại sau mốc 5 giờ, gợi ý về một khoảng thời gian xử lý tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật. Gỗ Keo lai sau khi biến tính hoàn toàn có khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe cho sản phẩm ván sàn. Hướng nghiên cứu này không chỉ mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho gỗ Keo lai và Mỡ trong ngành công nghiệp chế biến gỗ mà còn góp phần vào việc sử dụng bền vững nguồn tài nguyên rừng trồng, tạo ra các sản phẩm gỗ chất lượng cao, có khả năng cạnh tranh trên thị trường.

6.1. Xác định thời gian ngâm tẩm tối ưu cho từng loại gỗ

Dựa trên phân tích tổng hợp các kết quả, thời gian ngâm tẩm 5 giờ được xem là lựa chọn tối ưu cho gỗ Keo lai để sản xuất ván sàn. Ở mốc thời gian này, hầu hết các chỉ tiêu quan trọng như độ cứng tĩnh, độ cứng va đập và độ mài mòn đều đã vượt qua ngưỡng yêu cầu của tiêu chuẩn. Việc kéo dài thời gian lên 8 giờ tuy có cải thiện thêm một chút nhưng không đáng kể, trong khi chi phí sản xuất sẽ tăng lên. Đối với gỗ Mỡ, dù chất lượng được cải thiện nhưng vẫn cần các nghiên cứu sâu hơn, có thể kết hợp tăng nồng độ hóa chất hoặc áp suất để đạt hiệu quả cao hơn.

6.2. Triển vọng ứng dụng thực tiễn trong ngành chế biến gỗ

Kết quả của nghiên cứu này cung cấp một cơ sở khoa học vững chắc để triển khai công nghệ biến tính gỗ bằng nano SiO2 vào sản xuất thực tiễn. Việc nâng cấp gỗ rừng trồng giá trị thấp thành nguyên liệu chất lượng cao sẽ giúp giải quyết bài toán thiếu hụt nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ. Công nghệ này có thể được áp dụng không chỉ cho ván sàn mà còn cho các sản phẩm ngoại thất, đồ gỗ chịu ẩm và nhiều ứng dụng khác. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa toàn bộ quy trình công nghệ, nghiên cứu kết hợp nano SiO2 với các tác nhân biến tính khác để tạo ra vật liệu composite gỗ-nano thế hệ mới với các tính năng ưu việt hơn nữa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về công nghệ biến tính gỗ bằng vật liệu Nano Thuật ngữ Nano được dùng là ước số của đơn vị đo lường (ký hiệu n, ước số 10-9). Trong hệ mét, đo độ dài sẽ có Nanomét (ký hiệu nm, 1nm = 10-9 m).

Để thấy rõ ứng dụng của đơn vị đo lường nm các nhà khoa học đã đưa ra bảng so sánh kích thước một số vật (bảng 1. So sánh kích thước của một số vật 1 Nano = 10-9 m = một phần tỉ của m = 10-6 mm = một phần triệu mm 1 Nano = 10 Å ~ kích thước 10 nguyên tử Micromet µm = Nm 103 nm Độ dày sợi tóc 80 – 200 80.000 Tế bào máu 4–6 4000 - 6000 Vi khuẩn e-coli 1 1000 λ- bước sóng ánh sáng thấy 400 -750 Virus được đậu mùa 0,2 -0,3 200 -300 Đường kính ADN 2 1 nguyên tử 0,1 Công nghệ Nano (Nanotechnology): là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét [ 9 ]. Ranh giới giữa công nghệ Nano và khoa học Nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu Nano. Công nghệ Nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: 3  Cơ sở khoa học Nano  Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm  Chế tạo vật liệu Nano  Ứng dụng vật liệu Nano Năm 1985, hai nhà nghiên cứu Gerd Bining (Đức) và Heinrich Rohrer (Thuỵ Sỹ) tạo ra kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM).

Thiết bị với nguyên lý như hình 1.2, có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, nhờ đó con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực Nano. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) Nếu thế kỷ 20 được coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì thế kỷ 21 sẽ thuộc về công nghệ Nano. Khoa học thế giới năm 2005 sang trang, cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ cao như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, là sự ra đời và phát triển của một ngành công nghệ mới, hứa hẹn sẽ lấp đầy mọi nhu cầu trong cuộc sống của chúng ta, đó chính là công nghệ Nano. Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ Nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy nghe nhạc iPod Nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh … Trong y học, công nghệ Nano được áp dụng để 4 chữa bệnh ung thư với kết quả khá khả quan.

Ngày nay, y tế Nano đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này. Đối với việc sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành Nano phẩu thuật thẩm mỹ, nhiều loại thuốc thẩm mỹ có chứa các loại hạt Nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da. Đây là một thị trường có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời như công nghệ Nano. Một ứng dụng quan trọng không thể không kể đến là tác dụng của hạt Nano đối với môi trường.

Các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ Nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, cụ thể như lọc nước ô nhiễm bằng hạt Nano, tạo ra các máy lọc nước có sử dụng công nghệ Nano… Trong lĩnh vực công nghiệp chế biến gỗ thì công nghệ Nano mới được nghiên cứu và ứng dụng trong khoảng 10 năm trở lại đây. Những thành tựu nổi bật nhất thuộc về lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano là biến tính gỗ, tạo ra loại vật liệu Gỗ - Nano với những tính năng ưu việt hơn hẳn gỗ tự nhiên và gỗ biến tính bằng các phương pháp thông dụng khác. Các hạt Nano thường được sử dụng trong công nghiệp chế biến gỗ là: TiO2, SiO2, ZnO, Al2O3… Có thể kể ra một số nghiên cứu tiêu biểu như sau: Công nghệ Nano có thể được áp dụng theo nhiều cách khác nhau để nâng cao tính chất của vật liệu cũng như để tạo ra loại vật liệu Nano – composite mới. Theo đó, trước hết cần đưa các hạt Nano vào trong gỗ, các hạt Nano đã được đưa vào trong vật liệu gỗ giúp bảo vệ vật liệu gỗ chống lại các tác động của môi trường bên ngoài, làm giảm khả năng hút nhả ẩm của gỗ từ đó nâng cao được tính ổn định kích thước của gỗ.

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 5 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 (Nanowood). Qua quá trình kiểm tra, đánh giá cho thấy vật liệu tạo ra có những tính năng ưu việt hơn hẳn so với gỗ nguyên.[16] 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 được tính ổn định kích thước cao, khả năng hút ẩm của gỗ giảm đi đáng kể (giảm khoảng 40%), cường độ gỗ cũng tăng lên một lượng nhất định, khả năng chậm cháy của gỗ cũng được cải thiện rõ rệt. [13] Đến năm 1999, một trong những hướng nghiên cứu mới đó là sử dụng Cellulose Nano 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. 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 đã 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 6 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. [11] Trong nghiên cứu về biến tính gỗ bằng các hóa chất, đã có một số nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến chất lượng của gỗ biến tính, ví dụ như: Nghiên cứu của Xiaolin Cai (2011) về ảnh hưởng của thời gian hút chân không đến chất lượng bề mặt gỗ Maple và Oak khi ngâm tẩm gỗ với hỗn hợp có chứa hạt Nano Silic. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra, với một khoảng thời gian hút chân không rất ngắn từ 30 giây đến 10 phút, chất lượng bề mặt gỗ: độ cứng tĩnh, cứng va đập, độ mài mòn đã được cải thiện đáng kể.[18] Nghiên cứu của Rashmi và Maji (2006) về ảnh hưởng của nồng độ hóa chất, thời gian ngâm tẩm đến chất lượng gỗ Thông biến tính với dung dịch styren và glycidyl methacrylate đã chỉ ra: các yếu tố này có ảnh hưởng đến tính chất cơ vật lý của gỗ. Phương pháp quang phổ hồng ngoại FTIR và siêu hiển vi điện tử (SEM) cũng được sử dụng ở đây để đánh giá sự tích tụ của polymer trong cấu trúc gỗ.

Kết quả chỉ ra, các thông số công nghệ này ảnh hưởng đáng kể đến các chỉ số màu sắc của vật liệu.[19] Tóm lại: Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về biến tính gỗ bằng hạt Nano và ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm hóa chất biến tính, tuy nhiên chưa có nghiên cứu cụ thể nào về ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm hạt Nano SiO2 đến chất lượng gỗ biến tính. Tình hình nghiên cứu trong nước về công nghệ biến tính gỗ bằng vật liệu Nano Ở Việt Nam, vật liệu Nano đã được nhiều nhà khoa học quan tâm với những thành công đáng khích lệ. Gần 100 công trình nghiên cứu về vật liệu Nano đã được công bố trong và ngoài nước. Tuy nhiên, các kết quả này thiên về 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 và công nghệ. Mặt khác qua các kết quả công bố về công nghệ Nano cho thấy việc 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, quân sự… mà chưa có một kết quả nghiên cứu chính thức nào về ứng dụng công nghệ Nano trong lĩnh vực chế biến gỗ. Đặc biệt trong điều kiện hiện nay khi nguồn nguyên liệu gỗ đang ngày càng khan hiếm thì việc ứng dụng công nghệ Nano nhằm nâng cao giá trị sử dụng cho gỗ đồng thời tạo ra nguồn nguyên liệu mới có khả năng thay thế cho nguồn nguyên liệu gỗ là hết sức cần thiết. Việc nghiên cứu về biến tính gỗ ở Việt Nam đến nay vẫn còn ở mức độ phòng thí nghiệm.