Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU GỖ TRONG SUỐT 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Gỗ là vật liệu hữu cơ tái sinh. Thành phần cơ bản của Gỗ bao gồm: xenluloza (40-50%), hemixenluloza (15-25%), lignin (15-30%) và một số chất khác [1]. Vật liệu được khai thác chủ yếu từ các loài cây thân gỗ.
Trái Đất có khoảng một nghìn tỷ tấn gỗ, với tốc độ sinh trưởng và phát triển nhanh, mỗi năm có khoảng 10 tỷ tấn gỗ. Gỗ là một nguồn tài nguyên tái tạo trung hòa cacbon và dồi dào, vật liệu gỗ được quan tâm đặc biệt vì là và nguồn nguyên liệu hữu cơ tái sinh và cũng là một một nguồn năng lượng tái tạo. Gỗ trong suốt (gỗ thấu quang) là một vật liệu mới làm chủ yếu từ gỗ với đặc điểm nổi bật là trong suốt và thân thiện với môi trường, gỗ trong suốt nhẹ hơn bê tông và thép, dễ phân huỷ hơn nhựa và chịu lực gấp nhiều lần so với gỗ thông thường. Nó có thể trở thành vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng trong tương lai vì nó có giá trị R (giá trị cách nhiệt) cao hơn và nhẹ hơn rất nhiều so với một lớp kính tiêu chuẩn với độ dày tương đương.
Trong những năm gần đây vật liệu gỗ trong suốt đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Năm 2016, Li và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu tạo gỗ trong suốt từ Nanoporous Cellulosic [23]. Nghiên cứu đã tiến hành loại lignin bằng cách ngâm các sợi cellulose với methyl methacrylate (MMA). Kết quả cho thấy, vật liệu gỗ trong suốt tạo ra có khả năng truyền sáng tới 85% và độ mờ của gỗ đạt 71%.
Năm 2016, Zhu cùng cộng sự đã nghiên cứu tạo vật liệu composite gỗ trong suốt tăng cường quản lý ánh sáng cho tấm pin mặt trời [2]. Nghiên cứu đã tiến hành chiết xuất nhanh lignin và polyme hóa các khoảng trống tạo ra vật việu composite gỗ trong suốt với độ truyền quang đến 90% và độ mờ lên đến 80% với dải bước sóng rộng từ 400nm đến 1100nm (hình 1). Với tính 4 năng độc đáo như vậy, vật liệu có thể ứng dụng cho các thiết bị quang điện tử và đặc biệt là ứng dụng trong việc sản xuất pin năng lượng mặt trời. Sơ đồ tạo vật liệu gỗ trong suốt bằng loại lignin và polyme hóa [2].
Năm 2017, Mingwei Zhu cùng đồng tác giả đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite gỗ có độ trong suốt cao [24] (hình 2). Nghiên cứu đã tiến hành loại lignin bằng phương pháp I (NaOH và Na2SO3) và phương pháp II bằng H2O2, sau đó sẽ lấp đầy khoảng trống băng nhựa epoxy. Kết quả cho thấy, vật liệu tạo ra có độ trong suốt rất lớn, lên đến trên 90%, các chỉ tiêu cơ lý vẫn đảm bảo tốt. (a) Sơ đồ minh họa 2 tấm vật liệu được cắt theo chiều thớ (R và L) khác nhau; (b) Mặt cắt R các tia gỗ vuông góc với mặt phẳng; (c) Mặt cắt chữ L (f) hình ảnh loại bỏ lignin (g,h) so sánh sự thay đổi màu của gỗ trong quá trình loại lginin theo phương pháp I, II tương ứng.
Năm 2019, Li và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng sử dụng H2O2 để loại bỏ lignin và sử dụng nhựa epoxy để tạo thành gỗ trong suốt[3] (hình 3). Nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu trên mẫu gỗ lớn kích thước dài x rộng x dày là 210x190x40 mm, vật liệu gỗ trong suốt tạo ra có hàm lượng lignin thấp 0,84 % (các phương pháp loại lignin đã được công bố trước đây có hàm lượng lignin 1,94%). Sau khi nhựa epoxy xâm nhập vào trong gỗ thì độ bền cơ học đã tăng từ 12,5 đến 20,6 MPa và độ thấu quang (bước sóng là 550nm) cũng tăng từ 80 đến 87%. Vật liệu gỗ trong suốt tạo ra có cơ tính tăng lên rõ nét từ 12,5 - 20,6 MPa, độ truyền sáng tăng từ 80 – 87%.
Sơ đồ tạo vật liệu gỗ trong suốt bằng H2O2 và nhựa epoxy [3]. Năm 2018, Fu, Qiliang và cộng sự đã nghiên cứu ván dán trong suốt với khả năng chịu lực và phát quang [4] (hình 4). Nghiên cứu đã tiến hành xử lý các tấm ván mỏng thành ván trong suốt sau đó các tấm ván được liên kết với nhau tạo thành ván dán 5 lớp. Kết quả cho thấy, ván tạo ra có tính chất cơ học cao, cường độ hướng ngang thớ được tăng từ 15 MPa đến 45 MPa.
Ánh sáng được phân bố đồng đều, không phụ thuộc vào góc chiếu sáng. Vật liệu tạo ra được kết hợp với các chấm lượng tử quang (quantum dots) dùng cho các ứng dụng về chiếu sáng. Mô hình minh họa cho quy trình chế tạo ván dán 5 lớp trong suốt kết hợp với chấm lượn tử phát quang [4]. 7 Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, yêu cầu về tính năng vật liệu được nâng cao, nhiều nghiên cứu đã bổ sung nano để tăng các tính chất của vật liệu như: nhẹ, chống UV, chậm cháy, chống sinh vật.
Nhiều vật liệu mới với tính năng đặc biệt đã được tạo ra, như các loại vật liệu nanocomposite, polyme nanocomposite, [5-11]. Vật liệu Gỗ được xử lý polyme hoá hoặc biến tính bằng các hợp chất nano không những giữ được các đặc tính của gỗ, như cấu trúc tự nhiên, nhẹ, đàn hồi, cách âm, cách nhiệt, mà còn tạo ra các tính đặc biệt mới như khả năng truyền sáng [12], chống tia UV [13, 14], có từ tính [15], siêu kỵ nước [16], chậm cháy [17] và chống sinh vật [18]. Tuy nhiên, mỗi công nghệ xử lý chỉ tạo ra được một tính năng nổi bật, trong khi các tính năng khác không được tạo ra, thậm chí còn làm mất tính năng tự nhiên của gỗ. Năm 2017, Gan và cộng sự đã nghiên cứu vật liệu tổng hợp gỗ phát quang trong suốt được chế tạp bằng cách kết hợp giữa PMMA và hạt nano phát quang γ-Fe2O3@YVO4: Eu3+ để tạo thành một loại hỗn hợp gỗ phát quang và trong suốt mới[19] (Hình 5).
Kết quả cho thấy, vật liệu gỗ trong suốt tạo ra có tính cách nhiệt, ổn định kích thước và tính chất cơ học được nâng cao rõ nét. Đặc biệt, vật liệu tạo ra có độ truyền quang cao trong dải bước sóng rộng từ 350 đến 800 nm, khả năng đáp ứng từ tính và phát quang màu dưới sự kích thích của tia cực tím ở bước sóng 254 nm. Đặc tính này sẽ ứng dụng trong sản xuất các loại tem chống hàng giả. Sơ đồ tạo vật liệu phát quang trong suốt[19] Yu Ziya và cộng sự năm 2017 đã nghiên cứu thành công tấm chắn nhiệt polymer composite gỗ trong suốt bằng xử lý với các hạt nano Cs xWO3 được phân tán trong prepolymerized methyl methacrylate (PMMA) [20] (hình 6).
Sơ đồ tổng hợp gỗ trong suốt với nano CsxWO3 Kết quả cho thấy vật liệu composite gỗ có khả năng chắn tia hồng ngoại gần (NIR, trong dải từ 780 đến 2500nm). Vật liệu tạo ra có độ truyền 9 sáng 86% và độ trong suốt trên 90%. Tính chất cơ học được nâng cao đáng kể với độ bền uốn 59,8 MPa và mô đun lên tới 2,72 GPa. Đặc biệt nghiên cứu cũng đã mô phỏng khả năng cách nhiệt của vật liệu cho thấy vật liệu tạo ra có khả năng cách nhiệt tốt.
Mô hình thử nghiệm chiếu sáng mô phỏng mặt trời với vật liệu làm cửa lấy sáng trong suốt (1) gỗ trong suốt với nano CsxWO3 (2) vật liệu kính thông thường trong thời gian 3 phút, 10 phút cho thấy hiệu quả của vật liệu mới tạo ra (hình 7). Trong thời gian chiếu sáng 3 phút môi trường dùng vật liệu gỗ trong suốt/nano CsxWO3 thu được nhiệt độ 23,9oC, trong môi trường sử dụng vật liệu kính có nhiệt độ 31,2 oC; với thời gian chiếu sáng 10 phút môi trường dùng vật liệu gỗ trong suốt/nano Cs xWO3 thu được nhiệt độ 26,8oC trong môi trường sử dụng vật liệu kính có nhiệt độ 41,5 oC. Mô hình Kết quả cho thấy vật liệu tạo ra sẽ là một loại vật liệu tương lai trong việc thay thế kính trong các công trình sử dụng cửa sổ, cửa kính. Mô hình thử nghiệm vật liệu gỗ trong suốt với nano CsxWO3.
Nhiệt độ của mô hình sau (a) 0 phút (b) 3 phút (c) 10 phút. Năm 2016, Gan Wentao và cộng sự đã nghiên cứu tạo ra vật liệu gỗ trong suốt có từ tính bằng việc bổ sung các hạt nano Fe3O4 từ tính. Nghiên cứu đã tiến hành loại bỏ lignin trong gỗ sau đó mẫu vật liệu được ngâm trong hỗn hợp nhựa methyl methacrylate (MMA) và các hạt nano Fe 3O4 [21]. Kết quả cho thấy vật liệu composite gỗ trong suốt được tạo ra sở hữu tính chất từ tính kết hợp với hiệu suất cơ học vượt trội.
Độ từ hóa của vật liệu tăng khi hàm lượng hạt nano Fe3O4 tăng, trong khi độ truyền ánh sáng và tính chất cơ 10 học giảm. Vật liệu composite gỗ thu được có khả năng thấu quang đạt 63% dưới ánh sáng thường và có từ hóa bão hòa 0,35 emu/g. Nghiên cứu này này đã cung cấp một giải pháp tiềm năng để phát triển vật liệu dựa trên gỗ cho ứng dụng quang từ, như các tòa nhà từ tính truyền ánh sáng và các thiết bị quang từ. Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, nghiên cứu thay đổi nâng cao tính chất của gỗ đặc biệt là nghiên cứu tạo gỗ trong suốt đã được quan tâm và bước đầu nghiên cứu.
Năm 2017 nhóm sinh viên Viện Công nghiệp Gỗ và Nội thất bao gồm Nguyễn Văn Cường, Đôn Văn Thành, Trần Văn Công, Hoàng Văn Chung, Hoàng Đình Duy do PGS. Vũ Mạnh Tường hướng dẫn đã tiến hành nghiên cứu “Công nghệ chế tạo vật liệu compozit thấu quang từ gỗ Bồ đề”. Nghiên cứu đã bước đầu đã tạo ra được vật liệu compozit thấu quang, tuy nhiên tính chất cơ lý của gỗ thấu quang và độ thấu quang vẫn còn hạn chế, mẫu thí nghiệm được tạo ra chỉ dừng lại ở mẫu nhỏ (2 x 20 x 20 mm). Năm 2021, Tác giả Nguyễn Thị Trịnh và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý tẩy trắng đến sai màu và tỷ lệ lignin của gỗ mỡ và gỗ bồ đề làm vật liệu tạo cốt compozit gỗ nhựa thấu quang [22].
Nghiên cứu đã tiến hành xác định sự thay đổi màu sắc và tỷ lệ lignin của gỗ Mỡ và gỗ Bồ đề sau quá trình tẩy trắng bằng dung dịch H2O2 và NaOH làm vật liệu tạo cốt compozit gỗ nhựa thấu quang. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Sự chênh lệch màu (ΔE) của gỗ Mỡ (20,68) và gỗ Bồ đề (28,18) trước và sau khi xử lý tẩy trắng là rất lớn. Màu sắc của hai loại gỗ sau quá trình tẩy trắng sáng lên/nhạt hơn nhiều (ΔL của gỗ Mỡ: +5,53 và gỗ Bồ đề: +5,39).