Tổng quan nghiên cứu

Keo Urea Melamine Formaldehyde (UMF) là một loại keo dán gỗ biến tính từ keo Urea Formaldehyde (UF) truyền thống, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ván dán, đặc biệt là ván cốp pha xây dựng. Theo báo cáo ngành, keo UF chiếm khoảng 68% lượng keo sử dụng trong sản xuất ván dăm và 23% trong sản xuất ván dán trên toàn thế giới. Tuy nhiên, keo UF truyền thống có nhược điểm về độ bền cơ học và phát thải formaldehyde, một chất độc hại và có khả năng gây ung thư. Việc biến tính keo UF bằng melamine nhằm cải thiện khả năng chống ẩm, giảm phát thải formaldehyde và nâng cao chất lượng keo là một hướng nghiên cứu quan trọng.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hai yếu tố công nghệ quan trọng là nhiệt độ và thời gian trong giai đoạn phản ứng cộng đến chất lượng keo UMF, từ đó đề xuất thông số công nghệ phù hợp cho sản xuất ván dán tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2022 đến năm 2023 tại Trung tâm thực nghiệm và Phát triển công nghệ, Phân hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp tại Đồng Nai. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao chất lượng keo UMF, góp phần phát triển ngành công nghiệp chế biến lâm sản, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường do phát thải formaldehyde.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về phản ứng hóa học tổng hợp keo UF và biến tính keo UMF, bao gồm:

  • Phản ứng cộng và phản ứng trùng ngưng: Quá trình tổng hợp keo UMF diễn ra qua phản ứng cộng giữa urea, melamine và formaldehyde tạo thành methylolurea và methylolmelamine, tiếp theo là phản ứng trùng ngưng tạo liên kết mạng không gian bền vững.
  • Ảnh hưởng của tỷ lệ mol F/U/M: Tỷ lệ mol giữa formaldehyde, urea và melamine quyết định cấu trúc phân tử, độ nhớt, thời gian đóng rắn và hàm lượng formaldehyde tự do trong keo.
  • Tác động của nhiệt độ, thời gian và pH: Các yếu tố này ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, mức độ trùng ngưng và tính chất cuối cùng của keo UMF.
  • Khái niệm về độ nhớt, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn: Là các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng đánh giá chất lượng keo dán gỗ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ quá trình tổng hợp keo UMF quy mô phòng thí nghiệm tại Trung tâm thực nghiệm và Phát triển công nghệ, Phân hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp Đồng Nai, cùng các phép thử vật lý và hóa học theo tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp thực nghiệm thay đổi lần lượt nhiệt độ (75°C, 80°C, 85°C, 90°C, 95°C) và thời gian bảo ôn (10, 20, 30, 40, 50 phút) trong giai đoạn phản ứng cộng, giữ các yếu tố khác cố định. Các chỉ tiêu đo gồm độ pH, hàm lượng khô, độ nhớt, thời gian đóng rắn keo, độ ẩm, khối lượng riêng, độ trương nở chiều dày và độ bền kéo trượt màng keo của ván dán.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu keo UMF được tổng hợp theo từng điều kiện công nghệ cụ thể, mỗi điều kiện được lặp lại để đảm bảo tính chính xác và khách quan.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 7/2022, hoàn thành thu thập và phân tích dữ liệu trong năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo ôn đến tính chất keo UMF:

    • Độ pH keo dao động trong khoảng 7,5 - 8,2 khi nhiệt độ bảo ôn tăng từ 75°C đến 95°C.
    • Hàm lượng khô keo tăng từ 53% lên 56% khi nhiệt độ bảo ôn tăng từ 75°C đến 90°C, sau đó ổn định.
    • Thời gian đóng rắn keo giảm từ 110 giây xuống còn khoảng 85 giây khi nhiệt độ bảo ôn tăng từ 75°C lên 95°C, cho thấy tốc độ đóng rắn nhanh hơn ở nhiệt độ cao.
    • Độ nhớt keo tăng lên đến 600 mPa.s ở 90°C, phù hợp với yêu cầu sản xuất ván dán.

  2. Ảnh hưởng của thời gian bảo ôn đến tính chất keo UMF:

    • Độ pH keo ổn định quanh 7,8 khi thời gian bảo ôn thay đổi từ 10 đến 50 phút.
    • Hàm lượng khô tăng từ 52% lên 55% khi thời gian bảo ôn tăng từ 10 đến 30 phút, sau đó không thay đổi đáng kể.
    • Thời gian đóng rắn giảm từ 115 giây xuống 90 giây khi thời gian bảo ôn tăng từ 10 đến 50 phút.
    • Độ nhớt keo đạt mức tối ưu khoảng 580 mPa.s ở thời gian bảo ôn 30 phút.

  3. Ảnh hưởng đến tính chất vật lý của ván dán sử dụng keo UMF:

    • Độ ẩm ván dán giảm từ 14,5% xuống 13,2% khi nhiệt độ bảo ôn tăng từ 75°C đến 90°C.
    • Khối lượng riêng ván tăng từ 0,65 g/cm³ lên 0,70 g/cm³ tương ứng với sự tăng nhiệt độ bảo ôn.
    • Độ trương nở chiều dày giảm 15% khi nhiệt độ bảo ôn tăng, cho thấy khả năng chống ẩm tốt hơn.
    • Độ bền kéo trượt màng keo tăng 20% khi nhiệt độ bảo ôn đạt 90°C, chứng tỏ độ bền liên kết keo cải thiện rõ rệt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nhiệt độ và thời gian bảo ôn trong giai đoạn phản ứng cộng có ảnh hưởng rõ rệt đến các chỉ tiêu kỹ thuật của keo UMF và tính chất vật lý của ván dán. Nhiệt độ bảo ôn tối ưu khoảng 90°C và thời gian bảo ôn 30 phút giúp tăng hàm lượng khô, giảm thời gian đóng rắn và nâng cao độ nhớt keo, phù hợp với yêu cầu sản xuất ván dán chất lượng cao. Điều này đồng nhất với các nghiên cứu quốc tế cho thấy nhiệt độ cao thúc đẩy phản ứng trùng ngưng, tăng phân tử lượng keo và cải thiện tính năng cơ học.

Độ pH ổn định trong khoảng 7-8 đảm bảo phản ứng diễn ra hiệu quả, tránh hiện tượng đóng rắn sớm hoặc tạo cặn không tan. Việc tăng hàm lượng khô và độ nhớt giúp keo bám dính tốt hơn trên bề mặt ván mỏng, giảm hiện tượng trương nở và tăng độ bền kéo trượt màng keo, từ đó nâng cao chất lượng ván dán.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành và góp phần giảm phát thải formaldehyde nhờ sự biến tính melamine. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian bảo ôn với các chỉ tiêu keo và tính chất ván dán sẽ minh họa rõ nét xu hướng biến đổi này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh nhiệt độ bảo ôn trong giai đoạn phản ứng cộng ở mức 90°C nhằm tối ưu hóa hàm lượng khô và độ nhớt keo UMF, giúp rút ngắn thời gian đóng rắn xuống dưới 90 giây, phù hợp với quy trình sản xuất ván dán hiện đại. Thời gian thực hiện: ngay trong quy trình sản xuất hiện tại. Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất keo và ván dán.

  2. Kiểm soát thời gian bảo ôn khoảng 30 phút để đảm bảo độ đồng đều và ổn định của keo UMF, tránh hiện tượng keo đóng rắn sớm hoặc phân lớp. Thời gian thực hiện: áp dụng trong quy trình tổng hợp keo. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên phòng thí nghiệm và sản xuất.

  3. Duy trì độ pH trong khoảng 7 - 8 trong suốt quá trình tổng hợp để đảm bảo phản ứng trùng ngưng diễn ra hiệu quả, giảm thiểu cặn không tan và tăng tuổi thọ keo. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình sản xuất. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng.

  4. Áp dụng quy trình tổng hợp keo UMF biến tính melamine với tỷ lệ melamine khoảng 3% trọng lượng urea để giảm phát thải formaldehyde, nâng cao độ bền cơ học của ván dán, đồng thời giảm chi phí sản xuất so với keo MUF truyền thống. Thời gian thực hiện: nghiên cứu và triển khai trong 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất keo dán gỗ và vật liệu composite gỗ: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình tổng hợp keo UMF, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm phát thải formaldehyde, từ đó tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

  2. Doanh nghiệp sản xuất ván dán, ván cốp pha xây dựng: Tham khảo để lựa chọn loại keo phù hợp, điều chỉnh quy trình ép nóng và bảo quản nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tỷ lệ lỗi và tăng hiệu quả kinh tế.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành công nghệ chế biến lâm sản: Là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về biến tính keo, phát triển vật liệu thân thiện môi trường và nâng cao hiệu suất sản xuất.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng hoặc điều chỉnh các quy chuẩn kỹ thuật về keo dán gỗ, kiểm soát phát thải formaldehyde, bảo vệ sức khỏe người lao động và người tiêu dùng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Keo UMF khác gì so với keo UF truyền thống?
    Keo UMF là keo UF được biến tính bằng melamine, giúp tăng khả năng chống ẩm, giảm phát thải formaldehyde và nâng cao độ bền cơ học so với keo UF truyền thống.

  2. Nhiệt độ bảo ôn ảnh hưởng thế nào đến chất lượng keo UMF?
    Nhiệt độ bảo ôn cao (khoảng 90°C) thúc đẩy phản ứng trùng ngưng, tăng hàm lượng khô và độ nhớt keo, rút ngắn thời gian đóng rắn, giúp keo đạt chất lượng tốt hơn.

  3. Tại sao cần kiểm soát thời gian bảo ôn trong quá trình tổng hợp keo?
    Thời gian bảo ôn ảnh hưởng đến mức độ trùng ngưng và phân tử lượng keo; thời gian quá ngắn làm keo chưa hoàn thiện, quá dài làm keo quá đặc, khó sử dụng.

  4. Làm thế nào để giảm phát thải formaldehyde từ keo UMF?
    Bổ sung melamine với tỷ lệ thích hợp trong quá trình tổng hợp giúp thu giữ formaldehyde tự do, giảm phát thải khí độc hại mà không làm giảm chất lượng keo.

  5. Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng khi đánh giá keo UMF là gì?
    Bao gồm độ pH (7-8), hàm lượng khô (52-56%), độ nhớt (400-600 mPa.s), thời gian đóng rắn (<120 giây) và hàm lượng formaldehyde tự do ≤1,4%, đảm bảo keo phù hợp sản xuất ván dán chất lượng cao.

Kết luận

  • Nhiệt độ bảo ôn 90°C và thời gian bảo ôn 30 phút là thông số công nghệ tối ưu cho tổng hợp keo UMF dùng sản xuất ván dán.
  • Keo UMF đạt hàm lượng khô 55-56%, độ nhớt 580-600 mPa.s, thời gian đóng rắn dưới 90 giây, phù hợp tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Ván dán sử dụng keo UMF có độ ẩm thấp, khối lượng riêng cao, độ trương nở chiều dày giảm và độ bền kéo trượt màng keo tăng đáng kể.
  • Biến tính keo UF bằng melamine giúp giảm phát thải formaldehyde, nâng cao độ bền cơ học và thân thiện môi trường.
  • Đề xuất áp dụng quy trình tổng hợp keo UMF với kiểm soát nhiệt độ, thời gian và pH để nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng thị trường tiêu thụ.

Hành động tiếp theo: Các nhà sản xuất và nghiên cứu nên triển khai áp dụng quy trình đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ melamine và các yếu tố công nghệ khác nhằm phát triển keo UMF chất lượng cao, thân thiện môi trường.