Nâng cao tính kỵ nước và chống tia uv cho gỗ bồ đề (styrax tonkinensis) bằng công nghệ phủ zno 100

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NÂNG CAO TÍNH KỴ NƯỚC VÀ CHỐNG TIA UV CHO GỖ
BỒ ĐỀ (Styrax tonkinensis) BẰNG CÔNG NGHỆ PHỦ ZnO

Ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản
Mã số: 9 54 90 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2022


BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG
ĐẠI HỌC
LÂM
NGHIỆP

NÂNG CAO TÍNH KỴ
NƯỚC VÀ CHỐNG TIA
UV CHO GỖ
BỒ ĐỀ (Styrax
tonkinensis) BẰNG

CÔNG NGHỆ PHỦ ZnO

Ngà
nh:
Kỹ
thuậ
t
Chế
biến
lâm
sản
Mã
số:
9 54
90
01


LUẬN ÁN TIẾN
SĨ KỸ THUẬT

Hướng dẫn
khoa học:

HÀ NỘI,
2022


i

MỤC LỤC

MỤC LỤC

i

DANH MỤC HÌNH

iv

DANH MỤC BẢNG

vii

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN

viii
ix
x

TRANG THƠNG TIN NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI VỀ MẶT HỌC THUẬT,
LÝ LUẬN CỦA LUẬN ÁN

xi

ĐẶT VẤN ĐỀ

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

3

1 1 Công nghệ và vật liệu nano trong cải thiện chất lượng gỗ
3
1 1 1 Cải thiện tính chất cơ lý gỗ
4
1 1 2 Tạo hiệu ứng bề mặt gỗ
6
1 1 3 Tạo tính năng diệt khuẩn và tự làm sạch cho gỗ
7
1 1 4 Cải thiện tính năng chống chịu thời tiết cho gỗ
8
1 1 5 Cải thiện tính năng chậm cháy cho gỗ
9
1 2 Nghiên cứu ngồi nước về phương pháp biến tính gỗ bằng công nghệ nano 10
1 2 1 Các nghiên cứu xử lý tạo compozit gỗ-vật liệu vô cơ
10
1 2 2 Các nghiên cứu xử lý tạo lớp phủ micro/nano vô cơ trên bề mặt gỗ
13
1 3 Nghiên cứu trong nước về phương pháp biến tính gỗ bằng cơng nghệ nano 15
1 4 Kết luận rút ra từ tổng quan
18
1 5 Mục tiêu nghiên cứu
19
1 5 1 Mục tiêu tổng quát
19
1 5 2 Mục tiêu cụ thể

19
1 6 Những đóng góp mới của luận án
19
1 7 Ý nghĩa của luận án
20
1 7 1 Ý nghĩa khoa học
20
1 7 2 Ý nghĩa thực tiễn
20
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
21
2 1 Vật liệu nghiên cứu
2 1 1 Mẫu gỗ
2 1 2 Hóa chất
2 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2 2 1 Đối tượng nghiên cứu
2 2 2 Phạm vi nghiên cứu
2 3 Cách tiếp cận và nội dung nghiên cứu

21
21
22
23
23
23
25


ii

2 3 1 Nghiên cứu khả năng phủ ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chịu UV cho gỗ
Bồ đề
26
2 3 2 Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện xử lý a xít stearic cho màng ZnO trên gỗ Bồ
đề
27
2 3 3 Nghiên cứu nâng cao khả năng duy trì tính năng siêu kỵ nước của gỗ Bồ đề
bằng phương pháp phủ kết hợp epoxy và ZnO
27
2 4 Phương pháp nghiên cứu
27
2 4 1 Phương pháp lý thuyết
27
2 4 2 Phương pháp thực nghiệm
28
2 4 3 Kiểm tra tính chất và phân tích số liệu
33
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
38
3 1 Thành phần hóa học của gỗ
2 1 1 Xenlulo
3 1 2 Hemixenlulo
3 1 3 Lignin
3 2 Công nghệ và vật liệu nano
3 3 Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên và lý thuyết thấm ướt
3 3 1 Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên
3 3 2 Lý thuyết thấm ướt bề mặt
3 4 Đặc điểm của nano ZnO
3 5 Đặc điểm gỗ Bồ đề
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

38
38
42
44
44
46
46
47
50
53
54

4 1 Khả năng phủ ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chịu UV cho gỗ Bồ đề
54
4 1 1 Cấu trúc hiển vi của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề
56
4 1 2 Cấu trúc tinh thể của lớp phủ ZnO trên gỗ Bồ đề
59
4 1 3 Tính năng kỵ nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO
60
4 1 3 Tính năng chịu ẩm của gỗ Bồ đề phủ ZnO
63
4 1 5 Tính năng chịu nước của gỗ Bồ đề phủ ZnO
65
4 1 6 Tính năng chịu UV của gỗ Bồ đề phủ ZnO qua độ bền màu
66
4 1 7 Khả năng chống bám bẩn bề mặt của gỗ Bồ đề phủ ZnO
69
4 2 Tối ưu hóa điều kiện xử lý a xít stearic cho màng ZnO trên gỗ Bồ đề

72
4 2 1 Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến góc tiếp xúc (WCA)
74
4 2 2 Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến hiệu quả cách ẩm (MEE)
79
4 2 3 Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến hiệu suất chống hút nước (WRE)
85
4 2 4 Tối ưu hóa điều kiện xử lý a xít stearic cho gỗ Bồ đề phủ ZnO
90
4 3 Nâng cao khả năng duy trì tính năng siêu kỵ nước của gỗ Bồ đề bằng phương
pháp phủ kết hợp epoxy và ZnO
93
4 3 1 Cấu trúc hiển vi của lớp phủ epoxy kết hợp ZnO trên gỗ Bồ đề
95
4 3 2 Cấu trúc tinh thể của lớp phủ epoxy kết hợp ZnO trên gỗ Bồ đề
100
4 3 3 Tính năng kỵ nước của gỗ Bồ đề phủ epoxy kết hợp ZnO
101
4 3 4 Tính năng chịu UV của gỗ Bồ đề phủ epoxy kết hợp ZnO qua độ bền màu 103
4 4 Đề xuất quy trình cơng nghệ phủ gỗ Bồ đề bằng ZnO
106
4 4 1 Quy trình cơng nghệ phủ ZnO cho gỗ Bồ đề bằng phương pháp thủy nhiệt 106
4 4 2 Quy trình cơng nghệ phủ ZnO cho gỗ Bồ đề bằng phương pháp phun
108


iii

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

110

1 Kết luận
2 Kiến nghị
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ

110
111
113

TÀI LIỆU THAM KHẢO

114

PHỤ LỤC

120


iv

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Ảnh hiển vi SEM (a), ESEM (b) và sự phân bố nguyên tố của TiO2 khi
tẩm vào gỗ thơng

5

Hình 1 2 Vật liệu siêu kỵ nước (a) ZnO, (b) α-FeOOH

7

Hình 1 3 Ảnh SEM của vật liệu ZnO-gỗ (a) và ảnh quang học của vật liệu vơ cơ-gỗ
(b)

9

Hình 2 1 Sơ đồ lấy mẫu gỗ

21

Hình 2 2 Sơ đồ phương pháp tiếp cận nghiên cứu của luận án

26

Hình 2 3 Mơ hình bài tốn thực nghiệm đa yếu tố trong nghiên cứu

30

Hình 3 1 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ

38

Hình 3 2 Cấu tạo hóa học của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã qua
metyl hóa

40

Hình 3 3 Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ

41

Hình 3 4 Hình ảnh bề mặt siêu kỵ nước của lá Sen (Nelumbo nucifera) và cấu trúc
hiển vi của bề mặt lá Sen [33]

46

Hình 3 5 Cấu trúc bề mặt chân Nhện nước (Gerris remigis)

47

Hình 3 6 Góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt vật rắn [52]

48

Hình 3 7 Mơ hình tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt rắn theo mơ hình Wenzel
(trái) và Cassie-Baxter (phải) [52]

48

Hình 3 8 Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis)

49

Hình 3 9 Cấu trúc tinh thể ZnO

50

Hình 3 10 Ảnh SEM của ZnO dạng hoa được tổng hợp (a) độ phóng đại 10000x,
(b) độ phóng đại 30000x

52

Hình 3 11 Ảnh TEM, SEM, HRTEM của ZnO dạng hoa cúc

52

Hình 3 12 Nano rừng cây ZnO

52

Hình 4 1 Hình ảnh cấu trúc bề mặt của gỗ Bồ đề đối chứng và gỗ bồ đề phủ mặt
bằng ZnO

56

Hình 4 2 Mơ phỏng cấu trúc bề mặt gỗ trước và sau khi phủ ZnO

57

Hình 3 3 Vị trí lựa chọn phân tích thành phần nguyên tố

58

Hình 4 4 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) bề mặt gỗ phủ ZnO

58

Hình 4 5 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của bề mặt mẫu gỗ Bồ đề phủ ZnO và mẫu
không phủ

60


v

Hình 4 6 Góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt gỗ Bồ đề ở các chế độ xử lý khác nhau,
thời gian tiếp xúc từ 0-180 giây

61

Hình 4 7 Hiệu quả cách ẩm MEE của gỗ phủ ZnO

64

Hình 4 8 Hiệu suất chống hút nước WRE của gỗ Bồ đề phủ ZnO

65

Hình 4 9 Thay đổi chỉ số độ sáng (∆L) của bề mặt mẫu gỗ

67

Hình 4 10 Thay đổi chỉ số đỏ-xanh lá (∆a) của bề mặt mẫu gỗ

67

Hình 4 11 Thay đổi chỉ số vàng-xanh lam (∆b) của bề mặt mẫu gỗ

68

Hình 4 12 Thay đổi độ lệch màu tổng (∆E) của mẫu gỗ

68

Hình 4 13 Hình ảnh mẫu gỗ trước và sau khi phun nước

70

Hình 4 14 Thay đổi của WCA theo nồng độ dung dịch

75

Hình 4 15 Thay đổi của WCA theo thời gian xử lý

75

Hình 4 16 Mối quan hệ giữa điều kiện xử lý với WCA

78

Hình 4 17 Tương quan giữa giá trị hồi quy và giá trị thực nghiệm WCA

79

Hình 4 18 Thay đổi của MEE theo nồng độ dung dịch

81

Hình 4 19 Thay đổi của MEE theo thời gian xử lý

81

Hình 4 20 Mối quan hệ giữa điều kiện xử lý với MEE

83

Hình 4 21 Tương quan giữa giá trị hồi quy và giá trị thực nghiệm MEE

84

Hình 4 22 Thay đổi của WRE theo nồng độ dung dịch

86

Hình 4 23 Thay đổi của WRE theo thời gian xử lý

86

Hình 4 24 Mối quan hệ giữa điều kiện xử lý với WRE

88

Hình 4 25 Tương quan giữa giá trị hồi quy và giá trị thực nghiệm WRE

89

Hình 4 26 Đồ thị thể hiện giá trị tối ưu theo hàm mục tiêu

91

Hình 4 27 Quá trình tạo ra hạt ZnO kỵ nước kích thước micro/nano

97

Hình 4 28 Quy trình phủ epoxy và ZnO lên gỗ

97

Hình 4 29 Ảnh cấu trúc bề mặt (a) mẫu không phủ S1; (b) mẫu phủ ZnO - S2; (c)
mẫu phủ epoxy kết hợp ZnO – S3; và (d) ảnh phóng đại của mẫu S3

98

Hình 4 30 Phổ tán sắc năng lương (EDX) của mẫu không phủ (S1) và mẫu phủ
epoxy kết hợp ZnO (S3)

99

Hình 4 31 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu không phủ ZnO (S1) và mẫu phủ epoxy kết
hợp ZnO (S3)

100

Hình 4 32 Góc tiếp xúc của nước với bề mặt gỗ

102

Hình 4 33 (a) Góc tiếp xúc (WCA) của nước với gỗ sau các chu kỳ phun nước; (b)
Mô phỏng phương pháp mài mòn bằng tia nước lên bề mặt gỗ

103


vi

Hình 4 34 Sự thay đổi màu sắc của gỗ không phủ (a) và gỗ phủ epoxy kết hợp ZnO
với thời gian chiếu UV khác nhau

104

Hình 4 35 Quy trình phủ ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt

107

Hình 4 36 Quy trình phủ ZnO bằng phương pháp phun

109


vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Các mức thay đổi của thơng số đầu vào

30

Bảng 2 2 Ma trận thí nghiệm đa yếu tố biến tính nhiệt cho gỗ

30

Bảng 3 1 Một số loại vật liệu nano và các lĩnh vực sử dụng

45

Bảng 3 2 Một số tính chất cơ học của gỗ Bồ Đề

53

Bảng 4 1 Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định WCA

74

Bảng 4 2 Kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng đến WCA

76

Bảng 4 3 Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định MEE

80

Bảng 4 4 Kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng đến MEE

82

Bảng 4 5 Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định WRE
Bảng 4 6 Kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng đến WRE

85

87

Bảng 4 7 Thông số lựa chọn tối ưu hóa

90

Bảng 4 8 Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính và hàm
lượng khơ

91


viii

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Ý nghĩa

WIC

Wood-Inorganic composites

TEOS

ethyl-ortho-silicate

PFDTS

perfluorodecyltriethoxysilane

OTS

octadecyltrichlorosilane

TEA

Triethenamine

MEE

Hiệu quả cách ẩm

WA

Độ hút nước của gỗ

RSM

Phương pháp phương pháp bề mặt đáp ứng

CCD

Cách bố trí phức hợp tâm

WRE

Hiệu suất chống nước

ZnO

Kẽm ô xít

C

Nồng độ dung dịch

t

Thời gian

EDX

Phổ tán sắc năng lượng tia X

FESEM

Kính hiển vi điện tử quét

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X

WCA

Góc tiếp xúc

ZnAC

Zinc Acetate

LB-ADSA

Low Bond Axisymmetric Drop Shape Analysis


ix

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ mang tên “Nâng cao tính kỵ nước và
chống tia uv cho gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) bằng công nghệ phủ ZnO”
là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi Tơi xin cam đoan số liệu và kết quả
nghiên cứu trong Luận án là hồn tồn trung thực
Tơi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án tiến sĩ về lời
cam đoan của mình
Hà Nội, tháng 5 năm 2022
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Huyến
XÁC NHẬN DUYỆT LUẬN ÁN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
Người Hướng dẫn 1

Người Hướng dẫn 2

PGS TS Vũ Mạnh Tường

GS TS Phạm Văn Chương

x

LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ mang tên “Nâng cao tính kỵ nước và chống tia uv cho gỗ Bồ
đề (Styrax tonkinensis) bằng công nghệ phủ ZnO” chuyên ngành Kỹ thuật Chế
biến Lâm sản, mã số: 9 54 90 01 là cơng trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam sử
dụng vật liệu vơ cơ kích thước micro/nano để tạo lớp phủ nâng cao chất lượng gỗ
Trong quá trình thực hiện Luận án đã gặp khơng ít những khó khăn, nhưng với
sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của q Thầy, Cơ giáo cùng các đồng
nghiệp và gia đình, đến nay Luận án đã hồn thành nội dung nghiên cứu và mục tiêu
đặt ra
Nhân dịp này, Tơi xin đặc biệt bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hai thầy giáo
hướng dẫn PGS TS Vũ Mạnh Tường và GS TS Phạm Văn Chương đã hết lịng dìu
dắt, định hướng, tận tình hướng dẫn và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị khoa học và
thực tiễn để tơi hồn thành Luận án
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Phịng
Đào tạo, Viện Cơng nghiệp gỗ và Nội thất, Khoa Công nghiệp và Kiến trúc – Phân
hiệu Đại học Lâm nghiệp tại Đồng Nai, Trung tâm Thí nghiệm và Phát triển Công
nghệ, Viện Công nghiệp gỗ và Nội thất, Thư viện, các Thầy, Cô giáo Trường Đại học
Lâm nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Phân hiệu Trường Đại học
Lâm nghiệp tại tỉnh Đồng Nai đã tạo điều kiện cho tôi trong thời gian tôi thực hiện
Luận án
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn tới tồn thể gia đình, đồng
nghiệp và những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất,
tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua
Hà Nội, tháng 5 năm 2022

Nguyễn Văn Huyến

xi

TRANG THƠNG TIN NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI
VỀ MẶT HỌC THUẬT, LÝ LUẬN CỦA LUẬN ÁN
I) Thông tin chung:
- Tên đề tài luận án và cơ sở đào tạo
+ Tên đề tài luận án: “Nâng cao tính kỵ nước và chống tia uv cho gỗ Bồ đề
(Styrax tonkinensis) bằng công nghệ phủ ZnO”
+ Tên cơ sở đào tạo: Trường Đại học Lâm nghiệp
- Nghiên cứu sinh
+ Họ tên NCS: Nguyễn Văn Huyến
+ Khóa đào tạo NCS: K25
+ Ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản; Mã số: 9 54 90 01
- Người hướng dẫn khoa học:
+ Họ tên người hướng dẫn khoa học 1: Vũ Mạnh Tường; Chức danh khoa học:
Phó giáo sư, học vị: Tiến sĩ; Đơn vị công tác: Trường Đại học Lâm nghiệp;
+ Họ tên người hướng dẫn khoa học 2: Phạm Văn Chương; Chức danh khoa
học: Giáo sư, học vị: Tiến sĩ; Đơn vị công tác: Trường Đại học Lâm nghiệp
II) Những đóng góp mới về mặt học thuật, lý luận của luận án:
- Về mặt học thuật:
+ Luận án là cơng trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống
công nghệ phủ mặt gỗ Bồ đề bằng ZnO để nâng cao tính kỵ nước và chống tia UV
cho gỗ;
+ Luận án đã nghiên cứu sử dụng hợp ZnO để phủ mặt cho gỗ Bồ đề bằng
phương pháp thủy nhiệt để cải thiện tính chất gỗ, đặc biệt là tính chất bề mặt gỗ trong
đó có tính siêu kỵ nước và chịu UV cho gỗ; Đã xác định được cấu trúc bề mặt bằng
hình ảnh FESEM và cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của lớp phủ
ZnO trên gỗ Bồ đề;
+ Luận án đã xác định được điều kiện hợp lý để xử lý cho gỗ sau khi đã phủ
ZnO để đạt được tính siêu kỵ nước tốt nhất cho gỗ Bồ đề;

xii

+ Luận án đã nghiên cứu được giải pháp kéo dài tuổi thọ siêu kỵ nước cho bề
mặt gỗ Bồ đề phủ ZnO;
+ Luận án đã xây dựng được quy trình cơng nghệ đơn giản để tạo ra lớp phủ
siêu kỵ nước, chịu UV và có độ bền cao cho gỗ Bồ đề
- Về mặt lý luận:
+ Nội dung nghiên cứu của luận án đã góp phần bổ sung cơ sở khoa học về
công nghệ phủ mặt gỗ bằng vật liệu nano vô cơ Đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu
tiếp theo về công nghệ phủ mặt gỗ bằng cơng nghệ nano để nâng cao tính năng siêu
kỵ nước và chịu UV ở Việt Nam;
+ Các kết quả nghiên cứu sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực phủ
mặt, biến tính gỗ bằng cơng nghệ và vật liệu nano
- Những luận điểm mới rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận án:
Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn các thông số cơng nghệ, quy
trình, giải pháp phù hợp để phủ mặt cho gỗ Bồ đề nói riêng, gỗ rừng trồng Việt Nam
nói chung Cơng nghệ này sẽ góp phần nâng cao giá trị sử dụng và mở rộng lĩnh vực
sử dụng cho gỗ Bồ đề cũng như các loại gỗ kém chất lượng khác của Việt Nam
Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2022
Tập thể người hướng dẫn
Hướng dẫn 1

Hướng dẫn 2

Vũ Mạnh Tường

Phạm Văn Chương

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Huyến


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Gỗ là nguồn nguyên liệu tái tạo duy nhất trong các loại vật liệu như: sắt thép, xi
măng, gỗ, nhựa; là loại vật liệu thân thiện với môi trường nên gỗ ln được con người
u thích, và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất đồ gỗ, trang trí nội thất
và nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, do gỗ là vật liệu hữu cơ, có cấu trúc xốp, rỗng và
chứa nhiều nhóm chức ưa nước, nên gỗ có khả năng hút ẩm và nước rất mạnh Đặc
biệt, khi sử dụng ở điều kiện ngoài trời gỗ thường bị thay đổi đặc tính bề mặt do chịu
tác động của các nhân tố môi trường như: tia tử ngoại (UV) từ ánh sáng mặt trời và
độ ẩm không khí Vì vậy, nâng cao khả năng chống chịu tia UV cũng như tính chịu
ẩm/nước của gỗ sẽ mở rộng lĩnh vực sử dụng của nó
Nhằm cải thiện tính năng, mở rộng phạm vi ứng dụng của gỗ đã có rất nhiệu
nghiên cứu, đồng thời không ngừng xuất hiện các công nghệ, kỹ thuật mới và phương
pháp mới trong xử lý/biến tính gỗ (Để thống nhất thuật ngữ, trong tồn bộ luận án
sẽ sử dụng thuật ngữ biến tính gỗ hoặc biến tính bề mặt gỗ, bao gồm phủ mặt gỗ)
Trong các phương pháp biến tính gỗ, biến tính bề mặt gỗ là phương pháp làm thay
đổi hình thái, thành phần, cấu trúc hoặc trạng thái ứng suất của bề mặt gỗ, từ đó thu
được các tính năng đặc biệt cho bề mặt gỗ, làm cho bề mặt gỗ có những tính năng mà
bản thân bề mặt gỗ tự nhiên khơng có Biến tính bề mặt gỗ có ý nghĩa vơ cùng đặc
biệt, một mặt nó có thể cải thiện và nâng cao tính năng của vật liệu và sản phẩm (chịu
nước, chịu UV, chống mục, chậm cháy, ổn định kích thước, chịu mài mịn, tính năng
trang sức), đảm bảo độ tin cậy và độ an toàn khi sử dụng sản phẩm, kéo dài tuổi thọ
sử dụng sản phẩm, tiết kiệm tài nguyên và nguồn năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm
mơi trường; mặt khác cịn tạo thêm cho gỗ những tính năng hóa học và vật lý đặc thù

(siêu kỵ nước, diệt khuẩn, tự làm sạch, tự phân giải chất hữu cơ,…), từ đó chế tạo ra
vật liệu gỗ có tính năng mới và giá trị sử dụng cao, nhằm mở rộng lĩnh vực sử dụng
cũng như phạm vi ứng dụng của nó
Những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều thiết bị
hiện đại được ứng dụng trong nghiên cứu, do đó đã có nhiều nghiên cứu làm rõ bản


2

chất của các hiện tượng tự nhiên Ví dụ trường hợp bề mặt siêu kỵ nước trong tự
nhiên, như lá Sen, cánh hoa hồng, chân Nhện nước,… đã trở thành nguồn ý tưởng
quan trọng trong nghiên cứu xử lý biến tính gỗ Trong đó bề mặt lá Sen là bề mặt kỵ
nước điển hình với góc tiếp xúc lớn hơn 150o và góc lăn/trượt của giọt nước nhỏ hơn
10o Giọt nước lăn trên bề mặt lá Sen cuốn trôi đi bụi bẩn trên lá từ đó đã tạo ra hiệu
quả tự làm sạch Vì vậy, nếu có thể xử lý làm cho bề mặt gỗ có cấu trúc phân lớp
tương tự như bề mặt lá Sen, làm cho bề mặt gỗ trở nên siêu kỵ nước, sẽ có thể giảm
một cách hiệu quả việc nước thấm vào gỗ, từ đó cải thiện được vấn đề kém ổn định
kích thước do hút ẩm/nước của gỗ gây ra Ngoài ra, nếu tiến hành xử lý bề mặt gỗ
hợp lý, sử dụng loại vật liệu phủ phù hợp sẽ có thể làm cho gỗ trở thành loại vật liệu
sinh học thân thiện với mơi trường có cấu trúc xốp, có tính năng kỵ nước, tự làm sạch,
chậm cháy, chịu UV,… làm nguyên liệu tốt trong trang trí nội ngoại thất và trong xây
dựng, kéo dài tuổi thọ sản phẩm, nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ, góp phần bảo vệ tài
ngun và mơi trường
Để tạo ra bề mặt siêu kỵ nước đồng thời chịu tia UV cho vật liệu, những năm
gần đây đã có những cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước công bố Các công
nghệ chủ yếu dựa trên cơ sở khoa học của công nghệ nano để tạo ra bề mặt có cấu
trúc phân lớp với kích thước micro/nano mét tương tự cấu trúc tạo ra hiệu ứng lá Sen
Các bề mặt này thường được tạo ra từ các hợp chất vơ cơ như TiO2, SiO2, ZnO,…
Trong đó, mỗi loại hợp chất có những đặc tính riêng và cơng nghệ chế tạo khác nhau
Trên cơ sở xem xét ưu điểm nguồn nguyên liệu phong phú, giá thành rẻ, công

nghệ chế tạo đơn giản của hợp chất vô cơ đáp ứng được yêu cầu tạo ra bề mặt có cấu
trúc phân lớp với kích thước micro/nano mét nên luận án đã chọn để tài “Nâng cao
tính kỵ nước và chống tia uv cho gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) bằng công nghệ
phủ ZnO” Luận án đã tiến hành nghiên cứu tạo lớp phủ có cấu trúc micro/nano, để
gỗ Bồ đề trở thành loại vật liệu kỵ nước và chịu tia UV Kết quả này sẽ tạo ra hướng
mới trong việc áp dụng để xử lý thay thế cho một số phương pháp xử lý bề mặt gỗ
hiện nay


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1 1 Công nghệ và vật liệu nano trong cải thiện chất lượng gỗ
Cùng với những thành tựu đáng chú ý đã đạt được, công nghệ nano đã
xâm nhập và đang ảnh hưởng đến hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống Sản phẩm
được tạo ra bằng công nghệ nano --- Vật liệu nano được mệnh danh là “Vật liệu
của thế kỷ 21”, được các quốc gia và các nhà khoa học trên thế giới xem là một
trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, có tính vượt trội và triển vọng ứng
dụng rộng rãi Công nghệ biến tính gỗ, đặc biệt là sự kết hợp giữa khoa học gỗ
với công nghệ nano, để chế tạo ra các loại vật liệu mới đa tính năng và có giá
trị sử dụng cao sẽ ngày càng được chú trọng [73] Lợi dụng ưu điểm của vật
liệu nano vô cơ kết hợp một cách hữu cơ với gỗ, cải thiện những tính năng vốn
có của gỗ đồng thời tạo ra cho gỗ những tính năng đặc thù mới, làm vật liệu
được tạo ra mang đồng thời hai đặc tính của vật liệu gỗ và vật liệu nano, là
hướng phát triển mới, quan trọng và có triển vọng trong lĩnh vực biến tính gỗ
Vật liệu nano là vật liệu trong khơng gian 3 chiều có ít nhất một chiều có
kích thước nằm trong phạm vi kích thước nano (1~100 nm) hoặc do chúng đóng
vai trị là những đơn ngun cơ bản cấu tạo nên, kích thước của vật chất sau
khi đạt đến kích thước nano, tính năng của nó biến đổi đột ngột từ lượng sang

chất, sinh ra các các hiện tượng về hiệu ứng kích thước lượng tử, hiệu ứng kích
thước tế vi, hiệu ứng bề mặt, … tạo ra nhiều tính chất mới khác với của vật thể
vĩ mơ và cũng khơng giống với tính chất của ngun tử đơn lẻ Vật liệu nano
đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, do có các đặc tính như: nano ZnO
có tác dụng rất mạnh trong việc ngăn tia tử ngoại và hấp thụ tia hồng ngoại, có
thể tạo ra hiệu quả chống lão hóa và kháng khuẩn [77] [24]; nano Al2O3, SiO2
chủ yếu ứng dụng với đơn tinh thể quang học và đồ gốm sứ, có độ cứng tốt,


4

tính chống mài mịn và tác dụng tăng độ dẻo, có thể tăng độ bền cơ học và tính
dẻo ở mức độ cao [29] [44] [28] [18] Nano CaCO3 là một chất gia cường được
ứng dụng rộng rãi, có thể nâng cao độ cứng và độ dòn của vật liệu [21] [38]
Nano TiO2 có hoạt tính quang xúc tác rất mạnh, có thể đạt đến mức độ phân
giải chất ơ nhiễm hữu cơ, có tác dụng làm sạch khơng khí, diệt khuẩn và tự làm
sạch [30] [26] [78] Đồng thời, nano TiO2, ZnO, SiO2, Al2O3 và Fe2O3,… đều
là những chất chống lão hóa rất tốt
Gỗ là loại vật liệu cao phân tử hữu cơ tự nhiên khi liên kết hữu cơ với vật
liệu nano vô cơ sẽ không chỉ mang lại cho gỗ các hiệu ứng như: hiệu ứng kích
thước, hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano, mà nó cịn tạo
ra độ cứng, tính ổn định kích thước và tính chịu nhiệt, chậm cháy của chất vơ
cơ kết hợp với tính dẻo, dễ gia cơng và đặc tính mơ trường riêng có của gỗ, từ
đó tạo ra rất nhiều tính năng đặc biệt, như tính tự làm sạch, tính tự diệt khuẩn
và tính năng tự phân giải chất hữu cơ
1 1 1 Cải thiện tính chất cơ lý gỗ
Trong q trình sử dụng gỗ, một nhược điểm là gỗ sau khi hút ẩm thì sẽ
dãn nở, làm giảm độ ổn định kích thước của nó và dễ bị sinh vật hại gỗ xâm
nhập Xử lý gỗ bằng nano SiO2 hoặc TiO2 có thể cải thiện được rất lớn tính ổn

định kích thước và các tính chất vật lý khác của gỗ Hübert và các cộng sự [71]
đã áp dụng phương pháp sol-gel để tẩm sol TiO2 vào trong gỗ, kết quả kiểm tra
cho thấy độ co rút thể tích của gỗ có thể giảm đến 5%, và độ ổn định kích thước
có thể tăng đến 60% Hình 1 1 cho thấy sự phân bố của các hạt TiO2 trong gỗ
Vì vậy, vật liệu nano vơ cơ có tính năng ưu việt vượt trội trong việc áp dụng để
cải thiện tính ổn định kích thước của gỗ, nhưng nó cũng làm giảm tính chất cơ
học của gỗ Nếu như có thể mang một số hợp chất cao phân tử hữu cơ kết hợp
trước với nano vơ cơ sau đó mới tiến hành cải thiện tính năng của gỗ, do diện
tích bề mặt riêng của hạt nano lớn, số lượng nguyên tử bề mặt nhiều, có thể


5

liên kết một cách tốt nhất với hợp chất cao phân tử, thì có thể sẽ cải thiện được
tính chất cơ học của gỗ

Hình 1 1 Ảnh hiển vi SEM (a), ESEM (b) và sự phân bố hợp chất
của TiO2 khi tẩm vào gỗ thông
Năm 2010 và 2012, Taghiyari, H R và cộng sự [35] [48] đã nghiên cứu
áp dụng phương pháp xử lý gỗ Dương - Populus nigra (poplar) và gỗ Dẻ gai Fagus orientalis (beech) bằng nano Bạc với nồng độ 200ppm Kết quả đã làm
tăng độ bền nén dọc của các loại gỗ, nhưng độ bền uốn tĩnh lại có xu hướng
giảm xuống Tuy nhiên, tỉ lệ giảm độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi không
đáng kể Chỉ twff 1,7 % đến 6%
Việc nghiên cứu áp dụng vật liệu nano vào nâng cao tính chất cơ học của
gỗ trên thế giới khơng có nhiều nghiên cứu, thường nghiên cứu vào các trường
hợp đặc thù Đây cũng phù hợp với đặc tính của vật liệu nano Để nâng cao tính
chất cơ học của gỗ, đa số các nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu tạo
compozit gỗ theo phương pháp sol-gel hoặc kết hợp vật liệu nano với một chất
polyme phù hợp

6

1 1 2 Tạo hiệu ứng bề mặt gỗ
Do vật liệu nano có hiệu ứng kích thước, khi xảy ra sự kết hợp giữa vật
liệu nano và gỗ thì các phân tử nhỏ của vật liệu nano sẽ hình thành trong vách
tế bào của gỗ, kết tủa, đồng thời cũng có thể liên kết với gốc -OH có trong gỗ,
từ đó làm cho vật liệu nano trở thành một bộ phận tổ thành của gỗ, duy trì được
hệ thống trong vách tế bào Wang Chengyu và các cộng sự [36] [39] đã đưa
nano ZnO dạng chuỗi, nano α-FeOOH hình cầu (Hình 1 2),… bám lên bề mặt
gỗ để tạo ra vật liệu gỗ có tính năng siêu kỵ nước, đã làm thay đổi tính ưa nước
của gỗ Nguyên lý cơ bản của nó là lợi dụng phương pháp hóa học trong chế
tạo nano, trên bề mặt gỗ tạo sự cùng tồn tại của hai kích thước nano và micron,
sau khi xử lý giảm năng lượng bề mặt, làm cho giọt chất lỏng trên bề mặt gỗ
chỉ có thể tiếp xúc với bề mặt của vật liệu nano, làm cho dầu hoặc nước không
thể tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật liệu, tạo cho gỗ có được đặc tính hồn tồn
đối lập với đặc tính vốn có của nó, lúc này các vết mỡ hoặc nước khi tiếp xúc
đến bề mặt gỗ không bị hút bởi sức căng bề mặt của nó, do đó đạt được hiệu
quả tự làm sạch Có thể thấy, sử dụng cơng nghệ chế tạo của vật liệu nano có
thể chế tạo được vật liệu gỗ có khả năng siêu kỵ nước, kỵ dầu mỡ, nâng cao và
cải thiệt rất lớn khả năng kỵ nước và kháng dầu mỡ của gỗ, làm cho gỗ khơng
cịn hoặc rất ít dãn nở do hút nước, bề mặt gỗ khơng cịn bị bẩn do hấp thụ
những chất hữu cơ Lớp vật liệu nano được tạo ra có đóng vai trị là vỏ bọc vơ
cơ của bề mặt gỗ, đồng thời lại phát huy được hiệu ứng kích thước nhỏ của vật
liệu nano, thực hiện được việc dung hòa một cách hữu cơ các đặc tính vốn có
của gỗ với đặc tính của vật liệu nano Một vấn đề quan trọng đặt ra là sau khi
bề mặt gỗ được phủ bởi một lớp vật liệu nano thì có gây ra tác dụng xấu trong
q trình sử dụng khơng? Vì vậy, việc nghiên cứu hiệu ứng kích thước nhỏ của
vật liệu nano trong biến tính gỗ nhằm nâng cao tính năng của gỗ có ý nghĩa rất
quan trọng

7

Hình 1 2 Vật liệu siêu kỵ nước (a) ZnO, (b) α-FeOOH
1 1 3 Tạo tính năng diệt khuẩn và tự làm sạch cho gỗ
Tìm kiếm chất bảo quản gỗ mới, không độc hại đối với con người và môi
trường đồng thời có hiệu quả cao ln là vấn đề được các nhà khoa học gỗ quan
tâm Những năm gần đây, việc lợi dụng nano TiO2, ZnO,…và các chất bán dẫn
khác với tính năng xúc tác quang để loại bỏ và phân giải chất hữu cơ đang là
điểm nóng trong nghiên cứu, hai loại vật liệu nano vô cơ này đều khơng độc,
độ ổn định cao và có khả năng xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ khá cao
Nếu như có thể kết hợp một cách hữu cơ một số vật liệu thể bán dẫn xúc tác
quang với gỗ, thì sẽ tạo cho gỗ có khả năng chống mục, diệt khuẩn, tự làm sạch
và tự phân giải chất hữu cơ, như vậy có thể mở rộng được rất lớn phạm vi và
mục đích sử dụng của vật liệu chất gỗ Long Ling và các cộng sự [80] sử dụng
thể huyền phù của TiO2 như là chất chống khuẩn trong công nghệ chế tạo tấm
trang sức bề mặt ván nhân tạo, tiến hành kiểm tra tính năng diệt khuẩn phát
hiện, tấm trang sức có hiệu quả kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn, nó có tác
dụng ức chế rất tốt đối với cả khuẩn E coli và tụ cầu khuẩn Huang Suyong và
đồng nghiệp [81] áp dụng phương pháp sol-gel chế tạo mẫu nhỏ vật liệu
compozit TiO2-gỗ sa mộc, kết quả thí nghiệm kiểm tra vi sinh vật chống khuẩn
cho thấy, vật liệu composite TiO2-gỗ sa mộc có tính chống khuẩn rõ rệt và tác


8

dụng rộng, tỷ lệ diệt khuẩn E coli, tụ cầu khuẩn, vi khuẩn hình que (Salmonella
typhimurium) và trực khuẩn Bacillus (Bacillus subtilis) đều đạt trên 90%, và
tính chống khuẩn có độ ổn định và độ lâu bền nhất định Năm 2018, Yawen

Yao và cộng sự [66] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ siêu kỵ nước trên
cơ sở este hóa xenlulo bằng glycerol stearoyl đến khả năng chống các loại nấm
của gỗ, kết quả cho thấy gỗ sau khi xử lý kỵ nước và siêu kỵ nước có đặc tính
chống nấm tốt hơn so với gỗ khơng xử lý Hơn nữa, các tác dụng chống nấm
khác nhau của gỗ kỵ nước và siêu kỵ nước đã được quan sát thấy: gỗ kỵ nước
có thể ngăn chặn triệt để sự bám của nấm vào gỗ đã qua xử lý, trong khi nấm
vẫn có thể được tìm thấy bên trong gỗ kỵ nước sau khi thử nghiệm chống nấm
1 1 4 Cải thiện tính năng chống chịu thời tiết cho gỗ
Những năm gần đây, sử dụng vật liệu nano vô cơ để nâng cao khả năng
chống chịu khí hậu của gỗ đã trở thành điểm nóng trong nghiên cứu biến tính
gỗ [67] [12] [63] Yu Yan và các đồng nghiệp [43] [50] kết hợp áp dụng phương
pháp nhúng, tẩm và kết tủa tạo ra lớp ZnO dạng thanh trên bề mặt gỗ (Hình
1 3a), kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chống tia UV của gỗ đã được cải
thiện và nâng cao khá nhiều Tshabalala và cộng sự [46] [69] [20] đã lợi dụng
các loại vật liệu vô cơ để tiến hành xử lý biến tính gỗ, sau đó để mẫu gỗ trong
điều kiện chiếu tia UV cường độ cao đã phát hiện, khả năng chống chịu khí hậu
của gỗ đã được nâng cao khá nhiều (Hình 1 3b) Ứng dụng đặc tính này để khắc
phục tính lão hóa của gỗ, trạng thái bề mặt và phẩm chất của gỗ, có ý nghĩa
thực tiễn với việc dùng gỗ ở ngồi trời, có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng gỗ trong
điều kiện ngoài trời một cách rõ rệt


9

Hình 1 3 Ảnh SEM của
vật liệu ZnO-gỗ (a) và ảnh
quang học của vật liệu vô
cơ-gỗ (b)

1 1 5 Cải thiện tính năng chậm cháy cho gỗ

Xử lý chậm cháy cho gỗ luôn luôn là một trong những vấn đề kỹ thuật khó
giải quyết nhất trong khoa học gỗ, rất nhiều nhà khoa học đã tiến hành các
nghiên cứu mang tính thăm dị và khơng ngừng tìm kiếm loại hóa chất chậm
cháy không độc hại đến môi trường và con người Với sự phát triển của công
nghệ nano, việc sử dụng vật liệu nano vào xử lý gỗ nhằm nâng cao khả năng
chậm cháy và chịu lửa của gỗ cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm Chuyên
gia người Nhật Saka và các cộng sự [78] [79] đã sử dụng TiO2, Na2O-SiO2 và
các hợp chất vô cơ khác, thông qua phương pháp sol-gel để tẩm các hợp chất
này vào gỗ và tiến hành kiểm tra tính ổn định nhiệt và khả năng chịu lửa của
vật liệu tạo ra, kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chậm cháy của vật liệu
được nâng cao với mức độ nhất định Sun Qingfeng và các cộng sự [37] đã tạo
lớp anatase TiO2 trên bề mặt gỗ, sau đó sử dụng kỹ thuật CONE để xác định
đặc tính cháy của vật liệu đã biến tính, kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian
cháy của vật liệu đã biến tính kéo dài gấp hai lần, đồng thời lượng khói thốt
ra và lượng CO, CO2 giảm rất nhiều so với gỗ đối chứng Năm 2017, Lizhuo
Kong và cộng sự [62] đã nghiên cứu phủ ZnO dạng que lên gỗ đã nâng cao
được tính chất quang, tính năng siêu kỵ nước cũng như khả năng chậm cháy
của gỗ Năm 2018, Wang Ze và cộng sự [74] đã nghiên cứu sử dụng
PDMS@Stearic Acid-Kaolin để phủ cho vật liệu lignocellulose, kết quả thu


10

được tính năng chậm cháy rất cao Vì vậy, sử dụng vật liệu nano vô cơ để cải
thiện khả năng chậm cháy của gỗ sẽ là một trong những hướng nghiên cứu quan
trọng trong tương lai
Tóm lại, từ góc độ phát triển hoặc tìm ra “loại vật liệu đa năng”, ít tác
động tới môi trường, giá trị sử dụng cao để xử lý biến tính gỗ, cải thiện tính
chất gỗ có thể thấy, nghiên cứu sử dụng vật liệu nano vô cơ để bảo quản gỗ và
nâng cao chất lượng gỗ là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong

tương lai của ngành chế biến và sử dụng gỗ
1 2 Nghiên cứu ngồi nước về phương pháp biến tính gỗ bằng công nghệ
nano
Hiện tại, ứng dụng công nghệ nano trong xử lý biến tính gỗ chủ yếu có hai
phương thức là tạo vật liệu compozit gỗ-vật liệu nano vô cơ (phương pháp
ngâm, tẩm) và tạo lớp phủ vật liệu nano trên bề mặt gỗ Các phương pháp được
áp dụng để tạo compozit có phương pháp sol-gel, phương pháp tẩm, phương
pháp in-situ, phương pháp kết tủa thủy nhiệt; các phương pháp được áp dụng
tạo lớp phủ có phương pháp sol-gel, phương pháp nhúng, phương pháp kết tủa
thủy nhiệt, phương pháp phun, phương pháp quay,
1 2 1 Các nghiên cứu xử lý tạo compozit gỗ-vật liệu vô cơ
Mặc dù gỗ là vật liệu dễ bị phá hoại, đây có thể xem là một ưu điểm khi
để gỗ tự phân hủy trong điều kiện môi trường và được phân giải bằng quá trình
tự nhiên để thực hiện chu kỳ tồn tại của nó, tuy nhiên đây là điều hồn tồn
khơng mong muốn khi gỗ được sử dụng trong các ứng dụng phục vụ cuộc sống
con người
Trong điều kiện những loài gỗ rừng tự nhiên ngày càng cạn kiệt, công
nghiệp sử dụng gỗ đang chuyển sang hướng sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh,
và việc quản lý và sử dụng gỗ khai thác từ rừng tự nhiên cũng được quan tâm
hơn Gỗ rừng trồng mọc nhanh thường có đặc điểm là tỉ lệ gỗ tuổi non cao và