(Luận án tiến sĩ) nâng cao chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn polyurethane (pu) phân tán nano tio2

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

PHẠM THỊ ÁNH HỒNG

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRANG SỨC BỀ MẶT SẢN PHẨM
GỖ BẰNG SƠN POLYURETHANE (PU) PHÂN TÁN NANO TIO2

Ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản
Mã số: 9.54.90.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Cao Quốc An
2. GS.TS. Trần Văn Chứ

Hà Nội - 2020

luan an


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ kỹ thuật mang tên “Nâng cao chất lượng
trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn Polyurethane (PU) phân tán nano TiO2”,
mã 9.54.90.01 là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn
trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác dưới mọi

hình thức.
Tơi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ về lời cam
đoan của mình.
Hà Nội, ngày 12 tháng 08 năm 2020
Tác giả luận án

Phạm Thị Ánh Hồng

i

luan an


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
MỤC LỤC ..............................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU...................................... 3
1.1. Khái quát chung về sơn Polyurethane ............................................................... 3
1.2. Đặc tính của vật liệu nano TiO2 ........................................................................ 5
1.3. Tổng quan nghiên cứu về trang sức bề mặt sản phẩm gỗ và ứng dụng vật liệu
nano để nâng cao chất lượng sơn dùng cho đồ gỗ .................................................... 6
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................. 6
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................ 11
1.4. Định hướng nghiên cứu của Luận án .............................................................. 16
1.4.1. Phân tích và đánh giá về các cơng trình nghiên cứu ..................................... 16
1.4.2. Định hướng nghiên cứu của Luận án............................................................ 17

1.5. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 18
1.6. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 18
1.6.1. Các yếu tố cố định ....................................................................................... 18
1.6.2. Các yếu tố thay đổi ...................................................................................... 19
1.7. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 19
1.7.1. Mục tiêu tổng quát ....................................................................................... 19
1.7.2. Mục tiêu cụ thể ............................................................................................ 19
1.8. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 19
1.9. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 20
1.9.1. Phương pháp lý thuyết ................................................................................. 20
1.9.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................... 20
1.10. Mô tả thực nghiệm của Luận án .................................................................... 26

ii

luan an


1.10.1. Thông số đầu vào của nguyên liệu gỗ và hóa chất ...................................... 26
1.10.2. Q trình thực nghiệm phân tán nano TiO2 với sơn PU và công nghệ trang
sức bề mặt gỗ bằng sơn PU và PU-TiO2 ................................................................ 28
1.11. Những đóng góp mới của Luận án ................................................................ 43
1.12. Ý nghĩa của Luận án ..................................................................................... 43
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................... 44
2.1. Cơ chế khô của màng sơn PU ......................................................................... 44
2.2. Cơ sở lý thuyết về vật liệu nano và nano TiO2 ................................................ 44
2.2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu nano ........................................................... 44
2.2.2. Cấu trúc và tính chất vật lý của hạt nano TiO 2 ............................................. 45
2.2.3. Lựa chọn loại nano và phương pháp phân tán nano vào sơn PU ................... 47
2.3. Cơ sở lý thuyết về công nghệ trang sức sản phẩm gỗ ...................................... 50

2.3.1. Các giả thuyết của sự bám dính.................................................................... 50
2.3.2. Q trình hình thành màng trang sức [7], [8] ............................................... 53
2.3.3. Phương pháp trang sức sản phẩm gỗ [7], [8] ................................................ 55
2.3.4. Yêu cầu cơ bản của chất phủ dạng lỏng và nền gỗ [7], [8] ........................... 61
2.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng trang sức [7], [8], [32], [33] ..... 61
2.4. Đặc điểm của gỗ Keo lai ................................................................................. 64
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................ 65
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2 đến chất lượng màng
trang sức ................................................................................................................ 65
3.1.1. Kiểm tra độ ổn định của nano TiO2 trong dung môi phân tán ....................... 65
3.1.2. Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis của nan TiO2 trong dung môi phân tán ........... 66
3.1.3. Xác định sự tồn tại hạt nano TiO2 trong màng sơn PU trên bề mặt gỗ .......... 67
3.1.4. Kết quả kiểm tra độ nhớt của sơn PU-TiO2 .................................................. 69
3.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 đến chất lượng
màng trang sức (thực nghiệm đơn yếu tố) .............................................................. 71
3.1.6. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 đến chất lượng
màng trang sức (thực nghiệm đa yếu tố) ................................................................ 90

iii

luan an


3.2. Ảnh hưởng của áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun đến chất lượng màng
trang sức .............................................................................................................. 107
3.2.1. Ảnh hưởng của áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun đến chất lượng
màng trang sức (thực nghiệm đơn yếu tố) ............................................................ 107
3.2.2. Ảnh hưởng của áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun đến chất lượng
màng trang sức (thực nghiệm đa yếu tố) .............................................................. 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 129

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ...... 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 132

iv

luan an


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

AC

Acrylic

APS

Amino propyl trimethoxy silane

C
HĐBM Las

Nồng độ

%

Chất hoạt động bề mặt Linear alkyl benzen
sunfonic acid

NCO

Isocyanate

MDI

Diphenyl methane Diisocyanate

MC

Độ ẩm

NC

Nitrocellulose

OH

Hydroxyl

PU

Polyurethane

PU-TiO2
P
SEM
T
TiO2


UV
UV-Vis
V

Đơn vị

%

Polyurethane kết hợp với nano Titanium dioxide
Áp suất phun

MPa

Kính hiển vi điện tử qt
Nhiệt độ

o

C

Titanium dioxide

TiO2

Thời gian

Giờ

Tia cực tím

Quang phổ tử ngoại nhìn thấy được
Tốc độ phun

m/phút

Máy phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

FTIR



Độ nhớt

mPa.s

∆E

Độ lệch màu

∇8

Độ nhẵn bề mặt

FTIR



Trọng lượng riêng

g/m3

v

luan an


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong Luận án ................................... 20
Bảng 1.2: Bảng kế hoạch thực nghiệm................................................................... 23
Bảng 1.3. Miền thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano
TiO2 đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức .............................................. 24
Bảng 1.4. Ma trận thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano
TiO2 đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức .............................................. 24
Bảng 1.5. Các chế độ phun sơn PU sau khi phối trộn với nano TiO2 ...................... 25
Bảng 1.6. Ma trận thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất và tốc độ di chuyển của súng
phun đến một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức.............................................. 25
Bảng 1.7. Thông số kỹ thuật của sơn PU ............................................................... 27
Bảng 1.8. Thông số kỹ thuật của máy phun sơn tự động Mito K01 ........................ 33
Bảng 1.9. Tiêu chuẩn, kích thước và số lượng mẫu thử dùng trong nghiên cứu ..... 34
Bảng 1.10. Tên chất thử dùng trong thí nghiệm ..................................................... 38
Bảng 1.11. Phân loại mức độ bong tách của màng sơn........................................... 40
Bảng 2.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase [13], [18] .............. 46
Bảng 3.1. Kết quả kiểm tra ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 đến độ nhớt của sơn
PU ......................................................................................................................... 70
Bảng 3.2. Kết quả kiểm tra ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2............... 70
đến độ nhớt của sơn PU ......................................................................................... 70
Bảng 3.3. Kết quả kiểm tra ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 ................................. 71
đến độ bền bám dính màng trang sức ....................................................................... 71
Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2 ................ 72
đến độ bền bám dính màng trang sức ..................................................................... 72

Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức trên bề mặt
gỗ với các thông số C và  thích hợp ................................................................... 103
Bảng 3.6. So sánh giữa giá trị tính tốn được và giá trị thực nghiệm của một số chỉ
tiêu chất lượng màng trang sức ............................................................................ 103
Bảng 3.7. Thuộc tính phổ FTIR của màng sơn PU và PU kết hợp với nano TiO2 . 104
Bảng 3.8. Kết quả kiểm tra một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức trên bề mặt
gỗ với các thơng số P và V thích hợp ................................................................... 127
Bảng 3.9. So sánh giữa giá trị tính tốn được và giá trị thực nghiệm của một số chỉ
tiêu chất lượng màng trang sức ............................................................................ 127

vi

luan an


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Một số sản phẩm gỗ trang sức bằng sơn PU ............................................. 4
Hình 1.2. Một số hóa chất dùng trong thí nghiệm .................................................. 28
Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ phân tán nano TiO2 với sơn PU và quy trình trang sức bề
mặt gỗ bằng sơn PU và PU-TiO2 ........................................................................... 29
Hình 1.4. Thiết bị sóng siêu âm model PS-40 ........................................................ 32
Hình 1.5. Thiết bị khuấy từ model MS-300HS....................................................... 32
Hình 1.6. Nano TiO2 phân tán trong Butyl axetate ................................................. 32
Hình 1.7. Sơn bóng PU kết hợp với nano TiO2 ...................................................... 32
Hình 1.8. Hệ thống máy phun sơn tự động Mito K01 ............................................ 33
Hình 1.9. Máy đo độ ẩm gỗ ................................................................................... 34
Hình 1.10. Máy chà nhám...................................................................................... 34
Hình 1.11. Máy đo độ nhám bề mặt ....................................................................... 34
Hình 1.12. Thiết bị đo độ đục ................................................................................ 35
Hình 1.13. Máy quang phổ hấp thụ UV-Vis........................................................... 35

Hình 1.14. Máy đo độ nhớt SNB-1 ........................................................................ 36
Hình 1.15. Dụng cụ đo chiều dày........................................................................... 37
Hình 1.16. Máy đo độ bóng ................................................................................... 37
Hình 1.17. Khơng gian màu CIELab...................................................................... 39
Hình 1.18. Thiết bị đo màu BYK ........................................................................... 39
Hình 1.19. Dụng cụ kiểm tra độ bền bám dính ....................................................... 40
Hình 1.20. Máy đo độ cứng bút chì........................................................................ 41
Hình 1.21. Thang đo độ cứng bút chì ..................................................................... 41
Hình 1.22. Máy thử mài mịn ................................................................................. 41
Hình 1.23. Máy qt SEM ..................................................................................... 42
Hình 1.24. Máy quang phổ hồng ngoại (FTIR) ...................................................... 42
Hình 2.1. Bột Nano TiO2 ....................................................................................... 45
Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 : ........................................ 46
Hình 2.3. Thiết bị phân tán hạt nano bằng sóng siêu âm cao tần [20] ..................... 49
Hình 2.4. Sự bám dính của giọt chất lỏng trên bề mặt vật rắn: ............................... 50
Hình 2.5. Hình ảnh xác định góc thấm ướt  của giọt chất phủ trên bề mặt vật liệu:
.............................................................................................................................. 51
Hình 2.6. Liên kết cơ học ...................................................................................... 51

vii

luan an


Hình 2.7. Liên kết tĩnh điện ................................................................................... 52
Hình 2.8. Liên kết khuếch tán ................................................................................ 53
Hình 2.9. Liên kết hóa học..................................................................................... 53
Hình 2.10. Đồ thị biểu diễn q trình khơ màng trang sức ..................................... 54
Hình 2.11. Dịng chất phủ của súng phun có miệng phun hình trịn [7], [8], [32]: .. 55
Hình 2.12. Vị trí nắp điều chỉnh và hình dạng mặt cắt dịng phun chất phủ [7]: ..... 56

Hình 2.13. Quỹ đạo di chuyển súng phun [7] ......................................................... 59
Hình 2.14. Phương hướng phun sơn hoặc véc ni [7] .............................................. 59
Hình 2.15. Sơ đồ cắt ngang vệt sơn trùng nhau [7], [38]: ....................................... 60
Hình 2.16. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng trang sức .......................... 61
Hình 3.1. Độ đục của nano TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán trong dung môi Butyl
acetate trong 3 giờ (tỷ lệ chất HĐBM Las và vật liệu nano TiO2 là 1 : 2) ............... 65
Hình 3.2. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung mơi Butyl acetate có chất HĐBM Las .... 66
Hình 3.3. Phổ hấp thụ UV-Vis của nano TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán trong dung
mơi Butyl acetate có chất HĐBM Las.................................................................... 66
Hình 3.4. Ảnh SEM của màng sơn PU đối chứng (x 4000) .................................... 67
Hình 3.5. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,05% phân tán trong 3 giờ
(x 500)................................................................................................................... 67
Hình 3.6. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,1% phân tán 3 giờ (x
1000) ..................................................................................................................... 67
Hình 3.7. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 3 giờ (x
500) ....................................................................................................................... 67
Hình 3.8. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 4 giờ (x
1000) ..................................................................................................................... 68
Hình 3.9. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 5 giờ (x
5000) ..................................................................................................................... 68
Hình 3.10 Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,2% phân tán 3 giờ (x
10.000) .................................................................................................................. 68
Hình 3.11. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,25% phân tán 3 giờ (x
5000) ..................................................................................................................... 68
Hình 3.12. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 1 giờ (x
1000) ..................................................................................................................... 68
Hình 3.13. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 1 giờ
(x500).................................................................................................................... 68

viii

luan an


Hình 3.14. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 2 giờ (x
5000) ..................................................................................................................... 69
Hình 3.15. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,15% phân tán 2 giờ (x
30.000) .................................................................................................................. 69
Hình 3.16. Mẫu gỗ sơn PU sau khi thử độ bền bám dính ....................................... 73
Hình 3.17. Mẫu gỗ sơn PU-TiO2 sau khi thử độ bền bám dính............................... 73
Mối quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với khả năng kháng hóa
chất và nước của màng trang sức được thể hiện ở hình 3.18, 3.19.......................... 73
Hình 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 đến độ bền hóa chất và nước của
màng trang sức ...................................................................................................... 73
Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2 đến độ bền hóa chất và
nước của màng trang sức ....................................................................................... 74
Hình 3.20. Ảnh SEM màng sơn PU sau khi nhỏ dung dịch axít Acetic 10 % (x
1000) ..................................................................................................................... 75
Hình 3.21. Ảnh SEM màng sơn PU sau khi nhỏ dung dịch Natriclorua 15% (x 500)
.............................................................................................................................. 75
Hình 3.22. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,2% sau khi nhỏ Amoniac 10%
(x 1000)................................................................................................................. 75
Hình 3.23. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,15% sau khi nhỏ Acetic 10% (x
2000) ..................................................................................................................... 75
Hình 3.24. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,25 % sau khi nhỏ Natriclorua
15% (x5000).......................................................................................................... 76
Hình 3.25. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,2 % sau khi nhỏ Natriclorua
15% (x5000).......................................................................................................... 76
Hình 3.26. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,25% sau khi nhỏ rượu etylic
48% (x 2000)......................................................................................................... 76

Hình 3.27. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,2% sau khi nhỏ rượu etylic
48% (x 500)........................................................................................................... 76
Hình 3.28. Ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 đến độ cứng của màng trang sức ... 77
Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2 đến độ cứng của màng
trang sức ................................................................................................................ 77
Hình 3.30. Ảnh SEM của màng sơn PU đối chứng sau khi thử độ cứng (x5.000) .. 79
Hình 3.31. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,15% sau khi thử độ cứng
(x10.000) ............................................................................................................... 79

ix

luan an


Hình 3.32. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,2% sau khi thử độ cứng
(x10.000) ............................................................................................................... 79
Hình 3.33. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,25% sau khi thử độ cứng
(x2000).................................................................................................................. 79
Hình 3.34. Ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 đến tỷ lệ tổn thất khối ................... 80
lượng do mài mịn ................................................................................................. 80
Hình 3.35. Ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2 đến tỷ lệ tổn thất ............ 81
khối lượng do mài mịn.......................................................................................... 81
Hình 3.36. Ảnh SEM màng sơn PU đối chứng sau khi thử mài mòn (x4000)......... 83
Hình 3.37. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,15% sau khi thử mài mịn
(x500).................................................................................................................... 83
Hình 3.38. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,2% sau khi thử mài mịn
(x5000).................................................................................................................. 83
Hình 3.39. Ảnh SEM màng sơn PU-TiO2 nồng độ 0,25% sau khi thử mài mịn
(x5000).................................................................................................................. 83
Hình 3.40. Ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 đến độ biến màu............................ 84

của màng trang sức ................................................................................................ 84
Hình 3.41. Ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2 đến độ biến màu ............ 84
của màng trang sức ................................................................................................ 84
Hình 3.42. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch sơn PU đối chứng. ........................ 87
Hình 3.43. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch sơn PU kết hợp với nano TiO2 ...... 87
Hình 3.44. Ảnh hưởng của nồng độ nano TiO2 đến độ bóng của màng trang sức
trước và sau khi chiếu tia UV ................................................................................ 87
Hình 3.45. Ảnh hưởng của thời gian phân tán nano TiO2 đến độ bóng của màng
trang sức trước và sau khi chiếu tia UV ................................................................. 88
Hình 3.46. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2 với độ
cứng của màng trang sức ....................................................................................... 91
Hình 3.47. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2 với tỷ lệ
khối lượng tổn thất do mài mịn của màng trang sức .............................................. 93
Hình 3.48. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2 với độ
bền hóa chất và nước của màng trang sức .............................................................. 95
Hình 3.49. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO 2 với độ
lệch màu của màng trang sức ................................................................................. 97
Hình 3.50. Mẫu gỗ sơn PU-TiO2 trước khi chiếu tia UV ........................................ 99

x

luan an


Hình 3.51. Mẫu gỗ sơn PU-TiO2 sau khi chiếu tia UV 960h .................................. 99
Hình 3.52. Mẫu gỗ sơn PU trước khi chiếu tia UV ................................................ 99
Hình 3.53. Mẫu gỗ sơn PU sau khi chiếu tia UV 960h ........................................... 99
Hình 3.54. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ
bóng của màng trang sức trước và sau khi chiếu tia UV....................................... 100
Hình 3.55. Phổ hồng ngoại của màng sơn PU đối chứng...................................... 105

Hình 3.57. Ảnh hưởng của áp suất phun đến thời gian khô hồn tồn của màng
trang sức .............................................................................................................. 107
Hình 3.58. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của súng phun đến thời gian khơ hồn
tồn của màng trang sức ...................................................................................... 108
Hình 3.59. Ảnh hưởng của áp suất phun đến chiều dày màng trang sức ............... 110
Hình 3.60. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của súng phun đến chiều dày màng
trang sức .............................................................................................................. 110
Hình 3.61. Ảnh hưởng của áp suất phun đến độ bóng của màng trang sức ........... 112
Hình 3.62. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của súng phun đến độ bóng............. 112
của màng trang sức .............................................................................................. 112
Hình 3.63. Ảnh hưởng của áp suất phun đến khả năng chống tia UV của màng
trang sức .............................................................................................................. 114
Hình 3.64. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của súng phun đến khả năng chống tia
UV của màng trang sức ....................................................................................... 114
Hình 3.65. Biểu đồ quan hệ giữa áp suất và tốc độ phun với chiều dày màng trang
sức ....................................................................................................................... 116
Hình 3.66. Biểu đồ quan hệ giữa áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun với thời
gian khơ hồn tồn của màng trang sức ............................................................... 119
Hình 3.67. Biểu đồ quan hệ giữa áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun với độ
bóng màng trang sức ........................................................................................... 121
Hình 4.68. Khuyết tật xù lơng.............................................................................. 123
Hình 4.69. Khuyết tật chảy sơn............................................................................ 123
Hình 3.70. Màng sơn quá mỏng ........................................................................... 123
Hình 3.71. Màng sơn đồng đều ............................................................................ 123
Hình 3.72. Biểu đồ quan hệ giữa áp suất và tốc độ di chuyển của súng phun với khả
năng chống tia UV của màng trang sức sau 960h ................................................. 123
Hình 3.73: Một số mẫu gỗ trang sức sơn PU-TiO2 ở chế độ thông số tối ưu ........ 127

xi

luan an


MỞ ĐẦU
Gỗ là vật liệu dị hướng dễ bị thay đổi màu sắc, kích thước dưới tác động của mơi
trường nên các sản phẩm gỗ ở nước ta hiện nay đều được trang sức bằng một số loại
chất phủ với mục đích làm tăng tính thẩm mỹ và bảo vệ bề mặt sản phẩm trước các yếu
tố độ ẩm, ánh sáng và vi sinh vật hại gỗ. Công đoạn trang sức có thể tiến hành trước
hoặc sau khi lắp ráp thành sản phẩm. Đây là khâu quan trọng trong quá trình sản xuất
đồ gỗ. Phương pháp trang sức sản phẩm mộc rất đa dạng, cơ bản chia thành 3 loại:
phun, quét, dán mặt và nghệ thuật đặc biệt. Các dạng này có thể tiến hành thủ cơng
hoặc cơ giới. Bề mặt sản phẩm gỗ sau khi trang sức có độ cứng nhất định, có tính năng
chịu nước, chịu khí hậu, làm cho nó tránh được hoặc giảm nhẹ sự xâm hại của ánh sáng
mặt trời, nước, ngoại lực, hóa chất, côn trùng,… ngăn ngừa sản phẩm cong vênh biến
dạng, nứt, mài mòn, kéo dài thời gian sử dụng, tạo cho sản phẩm có màu sắc, hoa văn
đẹp, độ bóng cao mang lại cho con người cảm giác dễ chịu tốt đẹp. Hiệu quả trang sức
có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị của sản phẩm mộc.
Các loại chất phủ thường được sử dụng trong ngành gỗ hiện nay như:
Nitrocellulose (NC), Polyurethane, Ankyde, chất phủ gốc Amine,... Trong đó, chất
phủ Polyurethane (PU) là loại được dùng phổ biến nhất để trang sức sản phẩm gỗ
bởi chúng có nhiều ưu điểm như màng sơn khơ nhanh, bám dính tốt, phẳng mịn, có
độ cứng và độ bóng cao, giá thành phù hợp. Tuy nhiên, loại sơn này có nhược điểm
lớn là chịu ánh sáng tự nhiên kém nên màng sơn dễ bị biến màu trong quá trình sử
dụng, khả năng kháng ẩm và hóa chất khơng cao. Do đó, chúng chỉ thích hợp trang
sức cho sản phẩm gỗ dùng trong nội thất và dùng ở những nơi có độ ẩm khơng
cao,... Để khắc phục nhược điểm trên, một số nhà khoa học trên thế giới và trong
nước đã tiến hành nghiên cứu nâng cao chất lượng màng sơn PU bằng một số vật
liệu nano như SiO2, ZnO, TiO2,… Phần lớn kết quả nghiên cứu cho thấy, màng sơn
PU sau khi kết hợp với vật liệu nano đều có khả năng kháng khuẩn và tự làm sạch,
chống chịu được tia cực tím (UV) có khả năng chống trầy xước, chống mài mòn, độ

cứng tăng lên, khả năng kháng ẩm cũng được cải thiện rõ rệt.

1

luan an


Titanium dioxide (TiO2).là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, màu trắng,
từ lâu đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ
phẩm, dược phẩm... Trong lĩnh vực cơng nghệ nano, thật khó tìm thấy một loại vật
liệu nào lại có nhiều ứng dụng quý giá, thậm chí khơng thể thay thế như vật liệu
nano TiO2 bởi nó là vật liệu khơng độc hại, thân thiện với mơi trường, có tính ổn
định hóa học cao, có khả năng kháng khuẩn, diệt nấm mốc và tự làm sạch bề mặt
và chống được tia UV, có khả năng kháng ẩm, cải thiện độ bền bám dính, độ bền va
đập có tác dụng làm sạch khơng khí, làm sạch nước và có giá thành thấp.
Mặt khác, ở nước ta hiện nay chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng
về lĩnh vực công nghệ trang sức bề mặt gỗ nên cịn khó khăn về cơ sở khoa học
trang sức cho các sản phẩm gỗ. Các doanh nghiệp chế biến gỗ mặc dù đã chú trọng
đến khâu hoàn thiện sản phẩm nhưng chủ yếu làm theo kinh nghiệm nên chất lượng
bề mặt sản phẩm sau khi trang sức thường xảy ra một số khuyết tật như chảy sơn
hoặc thiếu sơn, màng sơn không đều, bị nhăn, xù lông, loang màu,… Chất lượng
trang sức phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như độ nhẵn, độ ẩm của loại gỗ, loại sơn,
độ nhớt, phương pháp trang sức, môi trường trang sức,… Để nâng cao được chất
lượng trang sức cho sản phẩm gỗ các nhà khoa học cần phải nghiên cứu tìm ra
nguyên nhân và giải pháp khắc phục các khuyết tật trên. Vì vậy, việc nghiên cứu
một số yếu tố cơng nghệ nhằm nâng cao chất lượng trang sức bề mặt gỗ là rất cần
thiết và có ý nghĩa.
Xuất phát từ những lý do trên, tôi tiến hành nghiên cứu Luận án: "Nâng cao chất
lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ bằng sơn Polyurethane (PU) phân tán nano
TiO2”. Với những tính năng vượt trội của nano TiO2, trong Luận án tác giả đã phối trộn

vật liệu nano TiO2 với sơn PU thông qua dung môi phân tán nhằm cải thiện một số chỉ
tiêu chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ, từ đó nâng cao giá trị và mở rộng phạm vi
sử dụng cho sản phẩm gỗ.

2

luan an


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát chung về sơn Polyurethane
Sơn Polyurethane (PU) là các polyme có chứa nhóm chức Urethane:
N C O
H

O

PU là sản phẩm được tạo ra từ phản ứng giữa nhóm Isocyanate (-NCO) với
Hydro linh động (-H) của rượu đa chức (Polyol), amin, urê, amid, este, ête.
Tùy theo thành phần nguyên liệu dầu và khả năng đóng rắn, sơn PU gồm các
loại sau: PU 2 thành phần đóng rắn nguội; PU 1 thành phần đóng rắn nóng; PU 1
thành phần đóng rắn bằng hơi ẩm khơng khí; Urethane Alkyde 1 thành phần khơ tự
nhiên; Urethane Alkyd gốc nước, khơ sấy nóng 1 thành phần …[29].
Thực tế hiện nay sơn PU dùng để trang sức cho gỗ và sản phẩm từ gỗ chủ
yếu là sơn PU 2 thành phần gốc dung mơi. Vì vậy, trong Luận án chỉ giới thiệu về
thành phần, đặc tính và phạm vi sử dụng của sơn PU 2 thành phần.
Khái niệm về sơn PU 2 thành phần:
Sơn PU 2 thành phần là loại sơn tổng hợp gồm 2 thành phần (thành phần A
và thành phần B) để tách rời nhau, khi sử dụng mới tiến hành phối trộn chúng theo
quy định của nhà sản xuất.

Thành phần A: Là một rượu đa chức (polyol) đồng thời là một polyeste hay
polyete, đó là một phần của polyol tiếp nhận sự pha màu, có tính nhựa, dung mơi.
Thành phần B: Là một chất phản ứng rất nhạy, đó là một polyisocyanate,
thường gọi là chất đóng rắn.
Thành phần polyol phải hồn tồn khơ, nếu khơng nó sẽ thốt ra những bọt
bong bóng, để lại vết trên màng và làm giảm chất lượng màng sơn.
Polyisocyanate rất nhạy cảm với nước, dễ bị keo kết, thoát ra những bọt khí
cacbonic. Vì vậy, phải thao tác rất thận trọng [16].
Đặc tính của sơn PU 2 thành phần:
Theo một số tài liệu nghiên cứu [7], [8], [16], [29] đã chỉ ra rằng, sơn PU có
những tính chất vượt trội hơn hẳn so với nhiều loại sơn khác như:
- Màng sơn có độ bóng cao, có tính chất trang trí tốt;
- Bám dính tốt vào nhiều loại vật liệu khác nhau như: kim loại, gỗ, da, chất
dẻo, bê tông, vơi vữa,…;
- Lớp phủ bền vững với sự bào mịn, nước, nhiệt, môi trường xung quanh;
- Độ cứng cao, gần bằng độ cứng của gương nhưng cũng rất dẻo;
- Có khả năng chịu mài mòn tốt;

3

luan an


- Có các chỉ số cách điện cao;
- Sơn PU có khả năng pha chế với nhiều màu sắc khác nhau.
Tuy nhiên, sơn PU có một số nhược điểm:
- Do là sơn 2 thành phần nên thời gian sống bị hạn chế (thời gian sống
khoảng 6-8 giờ khi hòa trộn thành phần A với thành phần B), sử dụng không thuận
tiện. Trong quá trình sử dụng cần bảo vệ isocyanate tránh tác dụng của ẩm [16].
- Đối với loại sơn PU dùng cho đồ gỗ thì lớp phủ khơng bền vững với ánh sáng

(thường hay bị ố vàng) nên không thích hợp cho sử dụng ngoại thất hoặc ở những nơi
có ánh sáng chiếu vào.
Chính nhờ những ưu điểm trên, hiện nay PU là một trong những loại sơn
được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đồ gỗ. Loại sơn này có thể trang
sức bằng phương pháp thủ cơng và phương pháp cơ giới. Thời gian khơ hồn toàn
của sơn PU ở nhiệt độ 18-200C là 8-24h, ở nhiệt độ 600C là 5h. Dung mơi thường
dùng để hịa tan sơn PU là Ketone, Ester, Ether, Hydrocacbin thơm. Lựa chọn một
loại dung môi hoặc hỗn hợp một số loại dung mơi phụ thuộc vào đặc tính của từng
loại polyureathane [7], [8].

Hình 1.1. Một số sản phẩm gỗ trang sức bằng sơn PU

4

luan an


1.2. Đặc tính của vật liệu nano TiO 2
TiO2.là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, được ứng dụng trong nhiều ngành
công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm... Trong lĩnh vực cơng
nghệ nano, thật khó tìm thấy một loại vật liệu nào lại có nhiều ứng dụng q giá,
thậm chí khơng thể thay thế như vật liệu nano TiO2.
Nano TiO2 là vật liệu có tính năng quang xúc tác. Khi được chiếu ánh sáng,
nano TiO2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnh nhất trong số những chất đã biết
(gấp 1,5 lần ozôn, gấp hơn 2 lần clo) là những chất thông dụng vẫn được dùng trong
xử lý môi trường. Điều này tạo cho vật liệu nhiều ứng dụng phong phú, đa dạng và
quý giá. TiO2 có thể phân hủy được các chất độc hại bền vững như điôxin, thuốc trừ
sâu, benzen,… cũng như một số loại virus, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn
so với các phương pháp khác. Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ
nước hay ái nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo. Khả năng này được ứng dụng để

tạo ra các bề mặt tự tẩy rửa khơng cần hóa chất hoặc tác động cơ học hoặc các thiết
bị làm lạnh không cần điện. Khả năng quang xúc tác mạnh của nano TiO2 còn đang
được nghiên cứu ứng dụng trong pin nhiên liệu và xử lý CO2 gây hiệu ứng nhà kính.
Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế thủy phân, tác động vào vi sinh vật như
phân hủy một số hợp chất hữu cơ. Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc”
và là một cơng cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh.
Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao,
nghĩa là đầu tư một lần và sử dụng lâu dài.
Bản thân nano TiO2 không độc hại, là chất trơ về mặt hóa học và sinh học do
đó sản phẩm của sự phân huỷ chất này không gây tác động xấu đến mơi trường và
sức khỏe con người. Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội
về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong việc làm sạch mơi trường nước và khơng khí
khỏi các tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và sinh học [13], [20].
Đặc tính của nano TiO2 đối với ngành chế biến gỗ:
Hạt nano TiO2 có tính kỵ nước: Một trong những đặc tính quan trọng nhất của
hạt nano TiO2 chính là tính kỵ nước. Tính chất này có thể giúp khắc phục nhược
điểm quan trọng của gỗ là hút và nhả ẩm khi để ngồi mơi trường hoặc ở những nơi
có độ ẩm cao, điều này có nghĩa là tính ổn định kích thước của gỗ được tăng lên
đáng kể. Mặt khác, TiO2 khơng làm ảnh hưởng đến các tính chất khác của gỗ như
đặc tính về thị giác, đặc tính về âm thanh... của gỗ.
Có khả năng hấp thụ tia cực tím: Sự hấp thụ tia cực tím của các hạt nano TiO2
đã tạo ra hiệu ứng che chắn tia UV cho bề mặt gỗ, nên làm giảm khả năng biến màu
của gỗ, giảm khả năng lão hóa của gỗ,…

5

luan an


Hạt nano TiO2 bền, không độc: TiO2 bền, không bị ăn mịn quang học và hóa

học nên việc sử dụng sẽ mang lại hiệu quả cao. Trong công nghiệp chế biến gỗ, hạt
nano TiO2 được coi như một vật liệu biến tính có cơng hiệu rất cao, là vật liệu an
tồn, khơng ơ nhiễm và có hiệu quả lâu dài.
Hiệu ứng bề mặt: Do hạt Nano TiO2 có kích thước rất nhỏ nên có khả năng
dàn trải rất tốt. Chỉ với 1 g hạt nano kích thước hạt từ 0- 40nm cho diện tích bề mặt
khoảng 210  10m2. Như vậy, chỉ cần một lượng nhỏ hạt nano đã cho hiệu quả biến
tính như mong muốn.
Có khả năng tiêu diệt nấm mốc: Ngồi những tính năng ưu việt trên, hạt nano
TiO2 cịn có tính năng tiêu diệt nấm mốc, phân giải chất gây ơ nhiễm dạng hữu cơ,
đồng thời nó cịn có thể làm cho các loại nấm mốc sau khi chết sản sinh ra những
loại nội tố có thể tiếp tục tiêu diệt nấm mốc cho vật liệu.
Giá thành rẻ: 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, cịn hạt
nano có kích thước từ 40 - 80nm thì chỉ có giá khoảng 16 ÷ 30USD/kg.
Chính nhờ những tính năng ưu việt trên mà hạt nano TiO2 hiện đang được sử
dụng khá phổ biến trong ngành công nghiệp chế biến gỗ [20].
Với những lý do trên, trong Luận án tác giả đã lựa chọn vật liệu nano TiO2 bổ
sung vào sơn PU để nâng cao chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ.
1.3. Tổng quan nghiên cứu về trang sức bề mặt sản phẩm gỗ và ứng dụng vật
liệu nano để nâng cao chất lượng sơn dùng cho đồ gỗ
Trang sức bề mặt gỗ là công đoạn cuối cùng của quy trình sản xuất đồ gỗ với
mục đích là làm tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm và hạn chế những tác động xấu từ
môi trường, vi sinh vật, từ đó nâng cao được tuổi thọ sử dụng và giá trị về kinh tế
cho sản phẩm gỗ. Ngoài ra, bề mặt gỗ sau khi trang sức dễ vệ sinh hơn [7], [8], [40].
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.3.1.1. Các cơng trình nghiên cứu về trang sức bề mặt sản phẩm gỗ
Trang sức bề mặt gỗ đã được tiến hành từ rất lâu. Cho đến nay, công nghệ này
đã rất phát triển ở rất nhiều nước trên thế giới, cụ thể đã có các nhà khoa học nghiên
cứu về các thành tựu trang sức bề mặt gỗ và các cơng trình này đã được ứng dụng ở
rất nhiều nước.

Abdullah Sonmez và cộng sự (2009) đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm gỗ
đến độ bền bám dính của lớp phủ. Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã sử dụng gỗ
Thông, gỗ Beech, và gỗ Sồi ở 3 cấp độ ẩm 8%, 12%, 15% được phủ 3 loại sơn
bóng: NC, PU 2 thành phần và sơn PU gốc nước. Theo kết quả nghiên cứu cho

6

luan an


thấy, sự khác biệt về độ ẩm có ảnh hưởng đáng kể đến độ bám dính của vecni trên
bề mặt gỗ. Độ bám dính cao nhất thu được từ sơn bóng polyurethane hai phần, được
áp dụng trên mẫu gỗ Sồi có độ ẩm 8% [35].
Abdullah Sưnmez và cộng sự (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm gỗ
đến chất lượng trang sức bề mặt gỗ. Các mẫu gỗ thử nghiệm làm từ gỗ Thông
Scotland (Pinus sylvestris) và gỗ Sồi (Fagus orientalis) được thay đổi 3 cấp độ ẩm
8%, 10% và 12% và trang sức bằng véc ni gốc nước. Độ cứng của các mẫu thử
được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn ANS / ISO1522, độ bóng dựa trên TS.4318 EN
ISO 2813 và độ bền dính dựa trên ASTM D-4541. Kết quả chỉ ra rằng sự thay đổi
độ ẩm của vật liệu gỗ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất trang sức bề mặt gỗ. Đối với gỗ
có độ ẩm là 8% và 10% cho chất lượng trang sức tốt nhất [36].
Ozdemir, T và cộng sự (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhớt và độ
dày màng sơn đến độ bền bám dính của gỗ. Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã sơn
Nitrocelluse không màu trang sức lên loại gỗ Alder (Alnus glutinosa), và gỗ Pine
Scotland (Pinus sylvestris). Kết quả cho thấy, mẫu gỗ Pine có độ bền bám dính cao
hơn so với mẫu Alder. Sự biến đổi của độ nhớt sơn có ảnh hưởng đáng kể đến độ
bền bám dính cụ thể là độ nhớt của sơn 15s cho độ bền bám dính cao hơn 25s, trong
khi hiệu quả của độ dày màng là không đáng kể [45].
Emilia-Adela Salca và cộng sự (2016) đã nghiên cứu ảnh hưởng của loại
giấy nhám, phương pháp trang sức, loại chất phủ đến chất lượng màng trang sức.

Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã sử dụng 4 loại giấy nhám: 80#, 100#, 120#, 150#
và xử lý bề mặt cuối cùng loại 180#; sử dụng phương pháp cán trục và phương pháp
phun đối với loại sơn UV bóng gốc acrylic 100%; phương pháp phun đối với sơn
bóng gốc nước để trang sức lên bề mặt gỗ Black Alder. Kết quả nghiên cứu cho
thấy, độ bám dính của các mẫu sơn UV 100% theo phương pháp cán trục và
phương pháp phun khơng có sự khác biệt. Khi giấy nhám càng mịn thì độ bóng của
màng trang sức tăng, độ bóng của các mẫu khi phủ loại sơn UV 100% theo phương
pháp cán trục cao hơn so với phương pháp phun (cùng 1 loại sơn UV 100%). Cả 2
loại sơn sử dụng trong nghiên cứu được phủ lên bề mặt mẫu gỗ theo phương pháp
phun có độ bóng (đo theo góc 60 oC) chênh lệch khơng đáng kể [38].
Gabriela Slabejová và cộng sự (2016) đã nghiên cứu ảnh hưởng của loại lớp
phủ trong suốt, số lượng lớp phủ và phương pháp gia công bề mặt gỗ đến độ bóng
của lớp phủ trên gỗ Beech. Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã chà nhám bề mặt gỗ

7

luan an


dọc theo chiều thớ gỗ và vng góc với chiều thớ gỗ, sau đó tiến hành trang sức lên
bề mặt các mẫu gỗ 2,3 lớp chất phủ gốc nước và polyurethane trong suốt theo
phương pháp phun khí nén. Kết quả cho thấy loại lớp phủ, số lượng lớp phủ và
phương pháp gia công bề mặt gỗ đã ảnh hưởng đến độ bóng của lớp phủ trên bề mặt
gỗ rất nhiều. Độ bóng của lớp phủ trên gỗ Beech tăng lên khi số lượng lớp phủ tăng.
Độ bóng bề mặt của lớp phủ gốc nước cao hơn độ bóng bề mặt của lớp phủ
polyurethane. Độ bóng của lớp phủ trên bề mặt gỗ đạt cao nhất trên hai và ba lớp
phủ được đánh nhẵn bằng giấy nhám từ nhỏ nhất đến lớn nhất. Bề mặt được chà
nhám vng góc với sợi gỗ đã giảm độ bóng so với bề mặt được chà nhám song
song với sợi gỗ [39].
1.3.1.2. Các nghiên cứu về nâng cao chất lượng màng sơn bằng vật liệu nano

Gỗ là vật liệu dễ bị thay đổi màu sắc, kích thước khi chịu tác động của mơi
trường. Một trong những biện pháp hữu hiệu để tránh được những tác động đó và
nâng cao tính thẩm mỹ cho sản phẩm thì đa phần các sản phẩm gỗ hiện nay đều
được trang sức bằng những loại sơn hoặc véc ny có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng
hợp. Tuy nhiên, sau thời gian sử dụng những màng sơn này dễ bị ố vàng hoặc bị lão
hóa dưới tác động của ánh sáng và vi sinh vật, ẩm... Vì vậy, trong những năm gần
đây, các nhà khoa học trên thế giới đã không ngừng nghiên cứu ứng dụng vật liệu
nano để nâng cao chất lượng các loại sơn hoặc véc ny dùng cho đồ gỗ và vật liệu
khác đặc biệt là cải thiện về độ bám dính, khả năng chịu mài mịn và chịu tia cực
tím (UV), cụ thể là:
Mirela Vlad, Bernard Riedl, Ing. Pierre Blanchet (2009) đã nghiên cứu biến
tính sơn Acrylic bằng nano TiO2 có kích thước 10, 20 nm ở nồng độ 1%, 2%, ZnO
có kích thước 20 nm ở nồng độ 1%, 2%, 5%, và 0,4% nano ZnO kết hợp với 0,54%
nano CeO2 có kích thước 10 nm dùng cho gỗ ngoài trời. Kỹ thuật tạo sơn nano bằng
thiết bị khuấy trộn siêu âm. Mẫu gỗ Vân Sam sau khi sơn phủ đưa vào thiết bị thử
độ ổn định thời tiết có gia tốc và để ngồi trời. Chỉ tiêu chất lượng của sơn được
đánh giá qua độ bền bám dính, sự thay đổi màu và độ bóng của màng sơn. Kết quả
cho thấy màng sơn biến tính nano đều cải thiện đáng kể về độ bền bám dính, khả
năng chịu tia UV và độ bóng khơng ảnh hưởng đáng kể so với màng sơn khơng có
nano [42].
M. Sabzi, S.M. Mirabedini, J. Zohuriaan-Mehr, M. Atai (2009) đã nghiên
cứu biến tính lớp phủ PU bằng các hạt nano TiO2 với tác nhân liên kết silan. Để cải

8

luan an


thiện sự phân tán các hạt nano và tăng khả năng tương tác giữa các hạt nano và ma
trận polyme, bề mặt các hạt nano đã được biến tính bằng amino propyl trimethoxy

silane (APS). Các hạt nano được phân tán trong dung môi Toluene bằng thiết bị siêu
âm trong 30 phút và khuấy thêm 4 giờ. Kết quả cho thấy, xử lý bề mặt các hạt nano
TiO2 với APS đã cải thiện sự phân tán các hạt nano, các tính chất cơ học và bảo vệ
tia cực tím của lớp phủ polyurethane cũng tăng. Các mức độ ảnh hưởng này phụ
thuộc vào phần trọng lượng của hạt nano. Khi trọng lượng hạt nano tăng thì sức
căng, mơ đun đàn hồi, độ cứng lớp phủ được tăng lên [44].
S.M. Mirabedini và cộng sự (2011) đã tiến hành đánh giá vai trò của vật liệu
TiO2 kích thước nano (20 nm) lên hiệu quả của sơn PU 2 thành phần, loại N75 của
hãng Bayer. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu TiO2 nếu được biến tính bằng
aminopropyl trimethoxy silan sẽ cho kết quả bảo vệ màng phủ cũng như các tính
chất cơ học của màng tốt hơn so với màng phủ có vật liệu TiO2 thuần túy, với hàm
lượng thêm vào từ 0,5% đến 1% [51].
Selamawit Mamo Fufa và cộng sự (2012) đã nghiên cứu ảnh hưởng của vật
liệu nano lên chất lượng màng phủ cho gỗ dùng làm ván ốp tường ngoài trời. Hai
loại vật liệu nano tác giả đã sử dụng là TiO2 và nanoclay được thêm vào chất phủ
Acrylic (AC) với hàm lượng 1%, 0,5% cho mỗi loại. Mẫu được thử độ ổn định với
thời tiết trong phòng thí nghiệm bằng thiết bị gia tốc. Chất lượng của màng phủ
được thể hiện qua 2 thông số đo là độ thay đổi màu và khả năng chống hấp thụ hơi
nước. Các kết quả thu được cho thấy sự có mặt của vật liệu nano làm tăng chất
lượng của chất phủ trong việc bảo vệ gỗ và chất lượng màng phủ đạt hiệu quả cao
nhất khi sử dụng hỗn hợp cả 2 loại vật liệu [48].
P A Charpentier, K Burgess, L Wang, R R Chowdhury, A F Lotus and G
Moula (2012), Canada đã nghiên cứu tạo vật liệu PU-TiO2 bằng phương pháp từ
monomer dùng làm lớp phủ có tác dụng tự làm sạch. Trong nghiên cứu, tác giả đã
tổng hợp PU-TiO2 bằng phương pháp monomer từ các chất Poly (tetrahydrofuran)
(PTHF), 4,4-methylene bis (p-phenyl isocyanat) (MDI) theo tỷ lệ mol 1:2 trong
dung môi Toluen ở nhiệt độ 85 oC, thời gian 2 giờ tạo thành tiền polyme
polyurethane, sau đó cho tiền polymer này với 2,2-bis (hydroxymethyl) propionic
acid (DMPA)-TiO2 trong dung môi toluen ở nhiệt độ 80 oC, thời gian 4 giờ. Kết quả
nghiên cứu cho thấy: nano TiO2 đã phân bố đều và giữ ổn định trong polyurethane,

không bị kết tụ; các lớp phủ tổng hợp PU-TiO2 có tính kháng khuẩn tuyệt vời chống

9

luan an


lại vi khuẩn Escherichia coli; 99% E. coli đã chết trong vòng chưa đầy một giờ dưới
bức xạ mặt trời và có khả năng tự làm sạch tốt [47].
S. K. Dhoke, Narayani Rajgopalan, A. S. Khanna (2012), Ấn Độ đã nghiên
cứu biến tính sơn PU gốc nước bằng vật liệu nano ZnO có kích thước trung bình 3540nm ở nồng độ 0,1%, 1%. Kỹ thuật phân tán nano bằng thiết bị phân tích dị siêu
âm. Kết quả cho thấy chất lượng màng sơn biến tính với nano đều được cải thiện
đáng kể so với màng sơn khơng có nano. Màng sơn có nano ở nồng độ 0,1% có độ
cứng cao hơn, khả năng chống tia UV và chịu trầy xước tốt hơn so với màng sơn
biến tính ở nồng độ 1%, như: Độ cứng màng sơn không nano: 3H, độ cứng màng
sơn nano ở nồng độ 0,1%: 5H, độ cứng màng sơn nano ở nồng độ 1%: 4H; Độ trầy
xước của màng sơn khơng nano: 700gm, màng sơn có 0,1% nano: 1100gm và màng
sơn có 1% nano: 900 gm...[52].
R. Y. Hong và cộng sự (2012) đã nghiên cứu SiO2 kích thước hạt nano được
biến tính bề mặt bằng một loại silan được phân tán trong chất phủ PU bằng kỹ thuật
nén dung dịch (solution blending) cùng với sự hỗ trợ của thiết bị nghiền. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy, với sự có mặt của silica, độ cứng của màng phủ tăng lên
đáng kể, loại được biến tính giúp tăng mạnh hơn loại khơng được biến tính. Khi có
mặt silica, tính chất kéo của màng cũng tăng đáng kể (xấp xỉ 70 MPa so với 45 MPa
của màng không được gia cường). Kết quả phân tích nhiệt cũng cho thấy silica gia
tăng độ bền nhiệt cho vật liệu phủ [53].
Nghiên cứu của Boris Forsthuber và cộng sự (2013) cho thấy: Hydroxybenzotriazole (BTZ) có thể phối hợp với TiO2 để bảo vệ lớp phủ Acrylic cho gỗ khi
sử dụng trong môi trường có nguồn tia UV lớn. Các kết quả thực nghiệm cho thấy,
BTZ có mặt trong chất phủ giúp cho gỗ tránh khỏi sự tác động của q trình quang
hóa, TiO2 giúp bảo vệ màng phủ vì giữ cho màng phủ có điểm thủy tinh hóa khá

cao. Từ các kết quả thực nghiệm, nhóm tác giả cũng xây dựng được mơ hình cho
phép xác định và dự đốn chính xác tốc độ quang hóa các chất phủ trong [37].
Mahr M.S và cộng sự (2013) đã nghiên cứu sử dụng vật liệu nano ZnO để gia
tăng tính chống chầy xước và ma sát cho vật liệu phủ PU. Kết quả cho thấy, với 5%
ZnO, có thể gia cường khả năng chống chầy xước cho chất phủ PU 1 thành phần lên
gấp hơn 3 lần so với chất phủ thuần túy [43].
Yixing Tang (2013) đã sử dụng vật liệu nano TiO2 để sản xuất sơn PU có khả
năng kháng khuẩn và tự làm sạch. Trong nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp sơn PU-

10

luan an


TiO2 đi từ tiền chất 4,4′-methylenebis (cyclohexylisocyanate) (HMDI) và Poly
tetrahydrofuran (PTHF) ở tỷ lệ mol 2: 1 được hòa tan trong dung môi THF với
DBTDL (0,1% trọng lượng) làm chất xúc tác, phản ứng được giữ ở 60ºC trong 2
giờ, sau đó cho tiền polymer này phản ứng với chất TiO2-DMPA theo tỷ lệ mol 1:1
(TiO2-DMPA được tạo ra từ nano TiO2 ở nồng độ 0,5%, 1%, 2%, 5% và axít 2,2Bis(hydroxymethyl)-propionic (DMPA) phân tán trong dung mơi iso-propanol). Kết
quả cho thấy, nano TiO2 có khả năng phân tán đều trong dung dịch PU khơng có sự
lắng đọng và kết tụ. Các tính chất của màng phủ PU-TiO2 đều được cải thiện đáng
kể so với màng PU thuần túy, cụ thể là cho 1% và 2% TiO 2 vào màng PU làm tăng
modul Young tương ứng là 56,5% và 66,7%; cường độ kéo của cả hai mẫu tăng
8,2% và 13,6%; bề mặt của màng PU-TiO2 chống chịu tốt hơn khi tiếp xúc với tia
tử ngoại (góc tiếp xúc giảm xuống còn 58,1o so với 90,5o); tăng cường sự ổn định
nhiệt độ (nhiệt độ phân hủy tăng lên 404,2oC từ 396,1oC) [61].
Yern Chee Ching and Nurehan Syamimie (2013), Malaysia đã nghiên cứu sử
dụng nano SiO2 để nâng cao khả năng chịu mài mòn của màng phủ PU. Trong
nghiên cứu, tác giả đã sử dụng hạt nano SiO2 có đường kính 16nm ở nồng độ 0%,
1,5%, 3%, 7%, 10% phân tán trong dung dịch nhựa Acrylic ở nhiệt độ 60°C trong

thời gian 1 giờ bằng thiết bị khuấy từ. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Nano SiO 2
phân tán đều trong PU, khơng có sự kết tụ. Màng phủ PU-SiO2 có khả năng chịu
mài mòn tốt hơn so với màng PU thuần túy và cho mức độ cải thiện độ mài mòn tốt
nhất khi cho SiO2 vào chất phủ PU ở nồng độ 3% [62].
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
1.3.2.1. Các cơng trình nghiên cứu về chất lượng trang sức bề mặt sản phẩm gỗ
Nguyễn Thị Kim Loan (2016) đã nghiên cứu một số yếu tố công nghệ trang
sức vật liệu gỗ bằng sơn Alkyde. Trong nghiên cứu tác giả đã tiến hành trang sức bề
mặt ván ghép thanh bằng sơn Alkyde ở 3 mức độ nhớt là: 18s; 21s; 24s và 3 mức áp
suất phun là: 2 kg/cm2; 3,5 kg/cm2; 5 kg/cm2. Kết quả cho thấy khi trang sức ở độ
nhớt 21s và áp suất 3,5 kg/cm2 chất lượng màng sơn đạt tối ưu nhất, cụ thể là: Khi
phun ở độ nhớt 21s độ bám dính màng sơn đạt 1 điểm; Độ cứng đạt 2,3H; Độ bền
uốn đạt cấp 1 tương ứng đường kính trục 1 mm; Độ bóng đạt 71,7%; Thời gian khô
bề mặt là 2,1 giờ và thời gian khơ hồn tồn là 20,4 giờ. Khi phun ở áp suất 3,5
kg/cm2 : Độ bám dính màng sơn đạt 1 điểm; Độ cứng đạt 2,2 H; Độ bền uốn đạt 1;

11

luan an


Độ bóng đạt 71,5%; Thời gian khơ bề mặt là 2,05 giờ và thời gian khơ hồn tồn là
20,3 giờ [17].
Phạm Thị Ánh Hồng, Cao Quốc An, Nguyễn Thị Minh Nguyệt (2016) đã
nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhớt chất phủ polyurethane (PU) đến chất lượng của
màng sơn. Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã thay đổi độ nhớt của 3 loại sơn PU 2
thành phần tự tạo từ nhựa Alkyde theo các cấp: sơn lót: 12s, 15s, 18s; sơn màu: 10s,
13s, 16s; sơn bóng: 9s, 12s, 15s và sơn phủ lên bề mặt ván ghép thanh bằng phương
pháp phun khí nén với áp suất phun 0,24-0,29 MPa, khoảng cách phun: 20-30 mm.
Kết quả cho thấy khi độ nhớt tăng, một số tính chất của màng sơn PU đã được cải

thiện đáng kể như thời gian khơ giảm, độ bóng, chiều dày, độ cứng, độ bền bám
dính, độ bền hóa chất và nước đều tăng. Tuy nhiên, khi phun sơn PU lót, PU màu,
PU bóng ở độ nhớt 18s, 16s, 15s tương ứng thì độ dàn trải của sơn kém, độ bóng
của màng sơn giảm. Khi phun sơn PU lót, PU màu, PU bóng ở độ nhớt 15s, 13s và
12s tương ứng sẽ cho chất lượng trang sức tốt nhất [14].
Tạ Thị Phương Ngân (2018) đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và độ nhẵn
vật liệu nền đến chất lượng màng trang sức. Trong nghiên cứu tác giả đã thay đổi 3
cấp độ ẩm (7%, 10%, 13%) và 3 cấp độ nhẵn (32 μm, 60 μm, 100 μm) của ván ghép
thanh và dùng sơn Alkyde để trang sức. Kết quả cho thấy, với độ ẩm 10%, độ nhẵn
bề mặt đạt 8 (Rmaz bằng 60 μm) và 9 (Rmaz bằng 32μm) ván ghép thanh đều có
khả năng trang sức tốt. Tuy nhiên, bề mặt ván đạt được độ nhẵn 9 (Rmaz bằng 32
μm) thì mất nhiều thời gian và chi phí cao. Do đó, để đảm bảo hiệu suất làm việc,
chất lượng trang sức cũng như giá thành sản phẩm ván nền chỉ cần đạt độ nhẵn 8.
Cụ thể là: Khi độ ẩm ván nền 10%, độ bám dính màng sơn đạt 1 điểm; Độ cứng đạt
2,33H; Độ mài mòn đạt 0,143%; Độ bóng đạt 75,01%; Chiều dày đạt 57,8 m. Khi
độ nhẵn ván nền đạt 8, độ bám dính màng sơn đạt 1,33 điểm; Độ cứng đạt 2,78H;
Độ mài mịn đạt 0,1382%; Độ bóng đạt 72,89%; Chiều dày đạt 57,53 m [21].
1.3.2.2. Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano TiO2 trong sơn phủ
Bùi Văn Ái và cộng sự (2015) đã nghiên cứu hiệu lực phòng chống nấm mục
và cơn trùng hại gỗ của sơn PU có phân tán nano TiO2, SiO2, ZnO, nanoclay. Gỗ Bồ
đề Styrax tonkinensis được sơn phủ bằng sơn PU có phân tán nano được khảo
nghiệm đánh giá hiệu lực phòng chống nấm mục Pleurotus otreatus và mối nhà
Coptotermes gestroi. Kết quả cho thấy, sơn PU phân tán nano TiO2, ZnO và
nanoclay cho hiệu lực phòng chống mối tốt; sơn PU sau khi phân tán nano ZnO

12

luan an

nồng độ 0,1%, TiO2 có kích thước nhỏ hơn 100 nm nồng độ 0,1%, và nanoclay
hydrophilic nồng độ 0,5% cho hiệu lực phòng chống tốt với nấm mục [3].
Bùi Văn Ái, Nguyễn Duy Vượng, Hoàng Trung Hiếu (2015) đã nghiên cứu
khả năng nâng cao độ ổn định kích thước của gỗ bằng sơn PU phân tán vật liệu
nano. Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã dùng sơn PU phân tán vật liệu TiO2 kích
thước 21 nm, nhỏ hơn 100 nm, và sự kết hợp của TiO2 với 02 loại vật liệu nanoclay
phủ mặt gỗ Keo lai và gỗ Bồ đề. Kết quả cho thấy, màng phủ khi được phân tán vật
liệu nano nâng cao khơng nhiều độ ổn định kích thước gỗ [4].
Nguyễn Ngọc Tú Hương (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số loại
hạt nano đến biến đổi hóa học của lớp phủ Acrylic trong mơi trường thời tiết nhân
tạo. Trong nghiên cứu tác giả đã phân tán các hạt nano R-TiO2 và ZnO trong nước
cất bằng thiết bị siêu âm TPC-15 còn Texanol được phân tán trong nhũ tương
acrylic AC-261. Sau 1 giờ rung siêu âm, hai hỗn hợp này được pha trộn với nhau và
tiếp tục rung siêu âm thêm 3 giờ. Kết quả cho thấy, dưới tác động của môi trường
thời tiết nhân tạo đã xảy ra sự thay đổi các nhóm chức hóa học trong lớp phủ. Các
liên kết C-H ankan và C-O este giảm dần trong đó các liên kết C-H ankan giảm
mạnh nhất, đồng thời có sự gia tăng của các nhóm hydroxyl, C=O của nhóm axit
cacboxylic và nhóm C=C đặc trưng của các sản phẩm oxy hóa quang; Các hạt nano
R-TiO2 ở các nồng độ khảo sát (1-6%) đều có các dụng bảo vệ quang cho chất nền.
Các hạt nano R-TiO2 ở nồng độ 2% có tác dụng ổn định quang tốt nhất. Trong khi,
các hạt ZnO gây suy giảm cho chất nền polyme [15].
Tô Thị Xuân Hằng và cộng sự (2015), đã nghiên cứu khả năng chống tia UV
của lớp phủ PU bằng nano ZnO biến tính với silan. Sự suy thối của lớp phủ PU có
nano ZnO ở nồng độ 0,1% và các lớp phủ PU có nano ZnO-APS ở hai nồng độ 0,1
và 0,5% trong quá trình thử QUV được đánh giá bởi phép đo độ bóng và quang phổ
trở kháng điện hóa. Bề mặt phủ sau khi thử QUV được quan sát bằng SEM. Kết quả
cho thấy nano ZnO-APS có cấu trúc hình cầu với kích thước hạt khoảng 10-15 nm.
Nano ZnO cải thiện độ bền UV của lớp phủ PU và xử lý bề mặt bằng APS tăng
cường hiệu quả của ZnO nano. Sự hiện diện của nano ZnO-APS ở nồng độ 0,1% đã
làm cải thiện đáng kể độ bền tia cực tím của lớp phủ PU [55].

Nguyễn Thiên Vương và cộng sự (2016) đã nghiên cứu ứng dụng hạt nano chế
tạo hệ sơn nước cách nhiệt phản xạ ánh sáng mặt trời, bền thời tiết. Để nâng cao tính
chất cơ học, tính ổn định nhiệt độ, tính chống chịu thời tiết và tính chất kháng khuẩn

13

luan an