Nghiên cứu ứng dụng một số vật liệu nano nâng cao tính chất cơ học, vật lý và độ bền tự nhiên của gỗ
KH&CN trong nước
13/06/2017

Gỗ là nguồn tài nguyên đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống con người. Hiện nay, do nhiều nguyên nhân khác nhau, rừng tự nhiên suy giảm cả về diện tích và trữ lượng. Khả năng đáp ứng nguyên liệu gỗ cho các nhu cầu của xã hội sẽ không đủ. Rừng trồng của nước ta với các loài cây mọc nhanh được tập trung phát triển trong một vài thập niên trở lại đây đã và đang trở thành nguồn cung cấp nguyên liệu gỗ chính cho các nhu cầu sử dụng của xã hội. Trong quá trình sử dụng, gỗ luôn chịu tác động tổng hợp của các yếu tố sinh vật như mối, mọt, nấm mục, mốc và yếu tố phi sinh vật như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, ánh sáng, lửa.... làm cho gỗ bị nứt vỡ, cong vênh, hoặc bị phá huỷ. Đối với gỗ mọc nhanh rừng trồng, các tính chất gỗ thường kém hơn các loại gỗ quý rừng tự nhiên.

Do đó, việc nghiên cứu áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao tính chất gỗ đáp ứng yêu cầu sử dụng là rất cần thiết. Để nâng cao độ bền tự nhiên của gỗ phòng chống sinh vật gây hại, các giải  pháp bảo quản gỗ bằng hóa chất đã được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn trong thời gian dài. Một số loại hóa chất vô cơ được sử dụng phổ biến, phần lớn là các hợp chất của flo, kẽm, đồng và boron… Bên cạnh bảo quản gỗ bằng ngâm tẩm các loại hóa chất gây độc cho sinh vật, bảo quản gỗ hiện nay còn có nhiều con đường khác, một trong những con đường đó là xử lý để nâng cao một số đặc tính gỗ bằng các vật liệu có kích thước nanomet, trong đó tập trung chủ yếu là các vật liệu nano của các hợp chất vô cơ. Công nghệ nano có thể tham gia vào lĩnh vực bảo quản gỗ theo một số hướng như sau:Tạo các chất có hoạt tính phòng trừ sinh vật hại gỗ kích thước nanomet để xử lý bảo quản gỗ. Ngoài ra còn có thể kết hợp giữa hoạt chất kích thước nano mới với các hóa chất bảo quản gỗ hiện hành. Các chất mang kích thước nano: Các chất mang có vai trò quan trọng trong việc xử lý để nâng cao chất lượng các sản phẩm gỗ, đặc biệt là các vật liệu composite gỗ. Từ những nhu cầu thực tiễn này, nhóm nghiên cứu do TS. Bùi Văn Ái, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng một số vật liệu nano nâng cao tính chất cơ học, vật lý và độ bền tự nhiên gỗ”.

Để đáp ứng mục tiêu đặt ra, đề tài lựa chọn 02 đối tượng gỗ đưa vào nghiên cứu đó là gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) và Keo lai (Acacia auriculiformis x mangium. Trong đó, gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis): tuổi 12 khai thác tại Yên Bái. Gỗ Keo lai (Acacia auriculiformis x mangium) tuổi 8 khai thác tại Xuân Mai, Chương Mỹ, Hà Nội.

 Sau một thời gian triển khai nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã thu được một số kết quả như sau:

1. Đã nghiên cứu và xác định được thông số công để tổng hợp dung dịch lỏng, Keo PF và chất phủ PU chứa nano TiO2, SiO2, CuO, ZnO, nanoclay để bảo hệ bền, ổn định để xử lý nâng cao tính chất gỗ. Cụ thể:

a) Đối với dung dịch lỏng phân tán vật liệu nano:

Vật liệu nano được phân tán trong dung môi nước bằng thiết bị khuấy siêu âm, tần số làm việc 3.000 - 4.000Hz, thời gian khuấy 30 phút. Hệ chất lỏng nano giữ được ổn định trong thời gian từ 27 - 30 ngày, vật liệu nano không bị kết tập, lắng xuống khi có sự tham gia của chất hoạt động bề mặt theo một tỷ lệ xác định, độ pH của dung dịch được điều chỉnh cho phù hợp với mỗi loại. Nano TiO2  + chất hoạt động bề mặt LAS theo tỷ lệ 1:1, pH=3; Nano ZnO + chất hoạt động bề mặt ACT theo tỷ lệ 1:1, pH=6-7; Nano CuO + chất hoạt động bề mặt ACT theo tỷ lệ 1:1, pH=9-10; Nano SiO2  + không cần chất hoạt động bề mặt, pH=6-7; Nano clay + chất hoạt động bề mặt PVA , tỷ lệ 4% theo thể tích dung dịch nano cần tạo, pH=9-10.

b) Đối với dung dịch keo PF phân tán vật liệu nano:

Keo PF phân tử lượng thấp được tổng hợp theo đơn: Tỷ lệ theo khối lượng Formaldehyde/phenol là 1,5; tỷ lệ NaOH/ Phenol là 0,25 về số mol.

Đã xác định được thông số công nghệ tổng hợp keo PF phân tử lượng thấp. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của keo PF đạt được: Hàm lượng khô 50,7%; độ nhớt 13,5 mPs; pH 14; thời gian gel hóa 38 phút; thời gian sống của keo ở nhiệt độ phòng 4-5 tháng

Đã xác định được thông số công nghệ phân vật liệu nano tạo dung dịch keo PF nano bằng thiết bị khuấy trộn cắt nhanh ở quy mô thí nghiệm (5kg/mẻ). Hồ tinh bột với tỷ lệ sử dụng 2,5% là chất hoạt động bề mặt phù hợp nhất để giữ ổn định cho hệ keo PF-nano (TiO2, ZnO, SiO2, Clay); thời gian khuấy 60 phút; tốc độ khuấy 2.000 rpm. Hệ được giữ ổn định với thời gian trên 48 giờ.

c) Đối với dung dịch PU phân tán vật liệu nano:

Sơn PU 2 thành phần (2k) có sẵn trên thị trường được sử dụng để phân tán bổ sung vật liệu nano (TiO2, ZnO, SiO2 và nanoclay) bằng thiết bị thuấy từ, thời gian khuấy 2 giờ, tốc độ khuấy 400 - 600 vòng/phút. Chất hoạt động bề mặt CH3(CH2)11.C6H4SO3Na (Linear Alkylbenzene Sulfonate / Sodium Lauryl Benzen, viết tắt là LAS) được xác định là phù hợp để giữ ổn định các hệ Pu-nano với tỷ lệ sử dụng theo khối lượng với vật liệu  nano là 1:2; thời gian ổn định hệ Pu - nano (TiO2, ZnO, clay) là ≥ 18 giờ, với hệ PU nano SiO2 là 5 giờ.

2. Kết quả đánh giá độ bền gỗ phòng chống côn trùng, nấm mục, mốc của gỗ sau xử lý bằng các vật liệu nano cho thấy:

a)  Đối với gỗ tẩm chất lỏng của TiO2, ZnO và CuO

Hiệu lực phòng chống côn trùng: Dung dịch TiO2 nồng độ 0,2%; CuO 0,1% và 0,2%; ZnO 0,3 và 0,4% có hiệu lực phòng côn trùng tốt. Các nano này ở các nồng độ khác đạt hiệu lực trung bình. Riêng nano SiO2 và nano clay đạt hiệu lực kém với côn trùng; Hiệu lực phòng chống nấm mục: Dung dịch TiO2  0,3 - 0,4%; CuO  0,1% - 0,2% đạt hiệu lực tốt với nấm mục. Còn lại đều đạt hiệu lực trung bình đến kém. Hiệu lực phòng chống nấm mốc: chỉ có TiO2 0,4 % đạt hiệu lực tốt, còn lại đạt hiệu lực từ trung bình đến kém.

b) Đối với Gỗ tẩm các dung dịch keo PF và PF có phân tán vật liệu nano

Hiệu lực phòng chống côn trùng: PF 25% với chế độ tẩm 0,7Mpa, thời gian duy trì áp lực tẩm 120 phút, có hiệu lực trung bình song tiệm cận mức tốt đối với côn trùng hại gỗ. Các công thức PF 25% phối hợp với nano đều cho hiệu lực tốt đối với côn trùng hại gỗ. Hiệu lực phòng chống nấm mục: PF 25% và các công thức PF 25% có phân tán vật liệu nano với chế độ tẩm 0,7Mpa, thời gian duy trì áp lực tẩm 120 phút đều đạt hiệu lực tốt phòng chống nấm mục. Hiệu lực phòng chống nấm mốc: Chỉ có PF 25% + nano clay 2,5% có hiệu lực tốt đối với nấm mốc, các công thức còn lại đều đạt ở mức trung bình và tiệm cận gần mức tốt. So với các dung dịch nano đơn thuần thì các công thức PF - nano thể hiện hiệu lực lực chống mốc tốt hơn.

c) Đối với gỗ phủ sơn PU có phân tán vật liệu nano

Hiệu lực phòng chống côn trùng: 03 loại gồm PU phối hợp với nano TiO2, ZnO và nanoclay thể hiện hiệu lực phòng chống mối tốt, còn lại SiO2 không có hiệu lực ngăn cản mối gây hại. Hiệu lực phòng chống nấm mục: sơn PU có chứa hạt nano TiO2 nồng độ 0,1%, kích thước hạt <100nm; sơn PU có chứa hạt ZnO, nồng độ 0,1%; sơn PU có chứa hạt nanoclay hydrophilic nồng độ 0,5% đạt hiệu lực tốt phòng chống nấm mục. các công thức còn lại hầu hết đạt hiệu lực khá. Hiệu lực phòng chống nấm mốc: Công thức sơn PU có chứa hạt nanoclay biến tính kết hợp TiO2, kích thước hạt <100 nm, tỷ lệ (0,5+0,5)% cho hiệu lực chống mốc tốt. Công thức sơn PU có chứa hạt TiO2, nồng độ 0,1% thước hạt 21 nm và công thức sơn PU có chứa hạt nanoclay hydrophilic kết hợp TiO2, kích thước hạt 21 nm, tỷ lệ (0,25+0,25)%  cũng đạt tiệm cận mức tốt.

3. Kết quả đánh giá các tính chất cơ học (nén, uốn tĩnh, mô-đun đàn hồi, kéo), vật lý (ổn định kích thước và hút ẩm, nước) của gỗ sau xử lý vật liệu nano

Dung dịch lỏng chứa vật liệu nano và sơn PU sau khi xử lý không làm thay đổi đáng kể tính chất vật lý, cơ học của gỗ. Độ ổn định kích thước của gỗ tẩm dung dịch lỏng tăng hơn không nhiều so với gỗ đối chứng với đạt ASE ≤ 15%. Gỗ được sơn phủ PU có  hệ số chống trương nở cao hơn so  với gỗ tẩm dung dịch nano, đạt 20% ≤ ASE ≤ 35% ở một số công thức phối hợp giữa PU và nano ZnO 1%, SiO2 1%, TiO2 <100nm 1% và nano clay hydrophilic 0,5%.

Sơn PU sử dụng đã bảo vệ đáng kể chất lượng bề mặt gỗ dưới tác động của các yếu tố của môi trường thời tiết ngoài trời. Sơn được phân tán vật liệu nano ở một số công thức của TiO2, ZnO, nanoclay. Các công thức cho hiệu quả bảo vệ màu tốt nhất cho từng loại vật liệu  là TiO2  0.1%, ZnO 0.1% và nanoclay hydrophilic 0.1%.

Keo PF phối hợp với vật liệu nano sau khi tẩm vào gỗ đã cải thiện đáng kể độ ổn định kích thước của gỗ. 05 công thức có hệ số chống trương nở đạt 40%  2; PF + 5g SiO2; PF + 1g SiO2; PF + 0,5g TiO2.

Đã xác định được khả năng thấm của gỗ Bồ đề, Keo lai với 5 loại dung dịch tẩm và 5 loại keo PF, ứng với mỗi cấp nồng độ khác nhau và chế độ tẩm khác nhau theo phương pháp tẩm chân không - áp lực.

4. Đề tài đã căn cứ vào kết quả khảo nghiệm hiệu lực phòng chống sinh vật gây hại và khả năng nâng cao một số đặc tính gỗ để thử nghiệm chế độ tẩm cho gỗ xẻ Bồ đề, keo lai.

Với dung dịch lỏng TiO2 0,3% và CuO 0,2%, cần thực hiện xử lý với chế độ áp lực tẩm 0,7 Mpa, thời gian duy trì áp lực 120 phút cho gỗ xẻ Bồ đề và 180 phút cho gỗ xẻ Keo lai.

Với dung dịch keo PF-nano (TiO2, clay) , cần thực hiện xử lý với chế độ áp lực tẩm 0,7 Mpa, thời gian duy trì áp lực 240 phút cho gỗ xẻ Bồ đề và 720 phút cho gỗ xẻ Keo lai.

5. Đã sơ bộ đánh giá mức độ tác động môi trường của gỗ xử lý vật liệu nano. Vật liệu nano khó bị rửa trôi vào môi trường khi phân tán vào dung dịch keo PF và sơn PU. Với dung dịch lỏng nano, mẫu gỗ sau xử lý được tác động rửa trôi theo tiêu chuẩn EN 84 vẫn đảm bảo hiệu lực phòng chống sinh vật hại gỗ. Do dung dịch nước giữa lại sau tác động rửa trôi mẫu gỗ có hàm lượng nano quá nhỏ, các thiết bị phân tích hiện tại chưa đủ để xác định hàm lượng. Sơ bộ đánh giá hiệu quả kinh tế bằng cách tính toán chi phí vật tư xử lý gỗ. Với các báo giá vật liệu nano hàng công nghiệp, chi phí xử lý gỗ tương đương với chi phí thuốc bảo quản sử dụng để xử lý gỗ dùng ngoài trời và hiệu quả bảo quản đạt tương đương. Tổng hợp kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng nâng cao tính chất gỗ, đã xác định được 04 loại vật liệu nano có triển vọng tốt đó là TiO2, CuO, ZnO và clay.

6. Đề tài đã đề xuất 03 quy trình công nghệ tổng hợp dung dịch nano và xử lý gỗ Bồ đề, Keo lai bằng các dung dịch đó để nâng cao tính chất gỗ với quy mô  thí nghiệm.

Như vậy, các kết quả nghiên cứu này mới chỉ dùng lại ở quy mô thí nghiệm do đó nhóm nghiên cứu đề tài mong muốn cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu để làm cơ sở cho việc ứng dụng kết quả vào thực tiễn, cần tiếp tục nghiên cứu đánh giá khả năng nâng cao tính chất gỗ của các vật liệu nano ở các điều kiện tự nhiên và quy mô thực nghiệm gần sát với thực tế xử lý và sử dụng gỗ, Cần tiếp tục nghiên cứu kéo dài thời gian ổn định của các hệ dung dịch nano để thuận lợi hơn cho việc triển khai vào thực tế sản xuất và cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao toàn diện đặc tính sinh học của gỗ sau xử lý.

Để đáp ứng yêu cầu sử dụng gỗ cần khả năng chịu lực cao, cần tiếp tục nghiên cứu kết hợp giữa công nghệ xử lý tẩm keo- nano và nén ép gỗ để nâng cao toàn diện tính chất cơ lý, tính chất sinh học gỗ, nghiên cứu mở rộng đối tượng PU và các chất phủ khác đồng thời cần tiếp tục nghiên cứu sâu về khả năng phân tán vật liệu nano nano trong gỗ xử lý và khả năng tác động đến môi trường trong quá trình tổng hợp và sử dụng gỗ sau xử lý.

Nguồn: most.gov.vn