Kết quả của nghiên cứu của luận án là cơ sở cho việc áp dụng công nghệ tổng hợp keo UF vào sản xuất, đồng thời góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong công nghệ biến tính keo UF. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết đề tài!
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
NGUYỄN THỊ THUẬN
CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH KEO UF (UREA FORMALDEHYDE)
BẰNG PVA (POLYVINYL ALCOHOL) DÙNG ĐỂ
SẢN XUẤT VÁN DÁN
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, 2021
ĐẶT VẤN ĐỀ
Keo Urea formaldehyde (UF) là một trong những loại keo được dùng lâu đời và phổ biến nhất hiện nay. Lý do keo UF được sử dụng rộng rãi vì chúng có những ưu điểm rất lớn như: nguyên liệu đơn giản, có giá thành thấp và dễ dàng tìm thấy trên thị trường. Bên cạnh đó, tính năng dán dính của keo UF tốt, chịu nhiệt, chống nấm mốc, cách điện, ... Trong ngành công nghiệp gỗ, keo UF là thành phần không thể thiếu để sản xuất các loại vật liệu như: ván dăm, ván dán, ván sợi, ... Mỗi năm có hàng triệu m3 ván nhân tạo được sản xuất và đưa vào sử dụng, điều đó cho thấy nhu cầu sử dụng keo UF rất lớn.
Hiện nay, một số công nghệ sản xuất nhằm nâng cao chất lượng keo UF thông qua giảm hàm lượng formaldehyde dư và giảm độ dòn màng keo thường cho thêm các hợp chất như: melamine, PVA (polyvinyl alcohol), phenol,… để tạo ra keo UF biến tính. Trong đó hợp chất PVA (polyvinyl alcohol) là một trong số ít polymer tan được trong nước và có khả năng phân huỷ sinh học để tạo ra H2O và CO2 nên khá thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó, trong công thức cấu tạo của PVA có chứa nhóm –OH, chúng dễ dàng tạo phản ứng khâu mạch với urea-formaldehyde. Chính loại phản ứng này giúp cải thiện đáng kể tính năng của keo. Ngoài ra, PVA có thể kết hợp với formaldehyde, phản ứng này giúp làm giảm hàm lượng formaldehyde dư trong keo.
1
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về biến tính keo UF 1.1.1. Nghiên cứu cấu trúc phân tử keo UF
Thời gian gần đây, rất nhiều học giả tiến hành phân tích cấu trúc keo UF thông qua các thiết bị như: phổ sắc ký lỏng, GPC, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ cộng hưởng từ hạt nhâ (NMR), nhiệt lượng quét vi sai (Uchiyama S và cộng sự, 2007), TEM, SEM, nhiễu xạ tia X (Zhang Y và cộng sự, 2016). Hiện nay, ứng dụng hiều nhất là FTIR và NMR.
Năm 1956, Bercher sử dụng phổ hồng ngoại truyền thống để phân tích hệ thống và nghiên cứu làm ra phổ hồng ngoại của keo UF và sản phẩm sau khi đóng rắn. Năm 1981, Myers cũng sử dụng phổ hồng ngoại truyền thống để nghiên cứu phân tích những thay đổi về cấu trúc và độ ổn định thủy phân trong quá trình đóng rắn keo UF. Theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier cho quan sát tốt hơn và nắm bắt thông tin vi cấu trúc của keo. Năm 1988, Jada báo cáo đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc keo urea-formaldehyde bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Chiavarini và các cộng sự (1975) đã nghiên cứu quá trình ngưng tụ của
keo urea-formaldehyde bằng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR. 1.1.2. Biến tính keo UF thân thiện với môi trường
Nghiên cứu của Cao Xiuge và các cộng sự (1998) cho thấy, tỷ lệ mol F:U được kiểm soát ở mức thích hợp 1,40, tính độc hại của sản phẩm dán dính thấp và có độ bền liên kết cao. Mayer (1979) cũng đạt được kết quả tương tự thông qua nghiên cứu thực nghiệm, tác giả cho rằng tính chất có thể đạt được về nhiều mặt khi tỷ lệ mol 1,30.
Zhang Zhenfeng và cộng sự (2004) đã thiết kế một phương pháp tổng hợp đưa nguyên liệu urea và formadehyde cho mỗi loại 02 lần để đạt 0,1% hàm lượng formadehyde dư của keo, sự phát tán formadehyde của các sản phẩm ván nhân tạo có thể đạt được E1 tiêu chuẩn Trung Quốc.
Du Yuhong và cộng sự (2002) sử dụng điều chế keo bằng cách tiến hành cho thêm 04 lần urea trong điều kiện nhiệt độ trung bình thấp, thu được nhỏ hơn 0,2% hàm lượng formaldehyde tự do trong keo.
Theo Guanben D (2000) keo UF tổng hợp trong điều kiện nhiệt độ cao sẽ có cấu trúc đơn giản hơn, hàm lượng liên kết ete ít hơn, có lợi để 2
giảm lượng phát tán formaldehyde của sản phẩm kết dính.
Việc bổ sung chất biến tính nhằm cải thiện tính năng keo đặc biệt làm giảm hàm lượng formaldehyde dư là hướng nghiên cứu hiệu quả, được nhiều học giả tiếp cận.
Sensogut C và cộng sự (2009) cho thêm Borax pentoxide, Uchiyama S (2007) cho một số hợp chất thiên nhiên để làm giảm hàm lượng formaldehyde tự do và giảm chi phí.
Đầu những năm 60, Liu Chuan và cộng sự phát hiện thấy biến tính UF với Melamine đã nâng cao cường độ dán dính của ván dán. Khi tổng hợp keo UF với tỉ lệ mol 1,03-1,09, lượng Melamine được thêm vào là 0,5%-2,0% so với Urea, thêm một lượng nhỏ PVA vào quá trình tổng hợp keo UF có thể làm tăng tính chất dẻo và độ nhớt của keo UF tuy nhiên không nên vượt quá 5%, nếu không sẽ sản sinh ra gel (Xingong L, 2004). 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về biến tính keo UF
Năm 2007, tác giả Trần Văn Chứ đã tổng hợp keo UF cũng đưa ra một số kết quả khả quan dùng chủ yếu trong công nghệ sản xuất ván LVL.
Năm 2012 tác giả Nguyễn Văn Định và Phạm Văn Tiến đã nghiên cứu sản xuất keo UF thay thế cho keo nhập khẩu, dùng sản xuất ván dăm. Năm 2005, Phạm Đức Thắng và Đào Hùng Cường đã nghiên cứu biến tính keo UF bằng Melamine. Công trình nghiên cứu về keo UF ở Việt Nam rất ít và cũng chưa có
tính hệ thống. 1.3. Nhận xét đánh giá và định hướng nghiên cứu Từ các nghiên cứu đề cập ở trên có thể thấy, để tổng hợp keo UF chất lượng có thể tiếp cận theo các hướng sau: (1) Để thu được keo có hàm lượng formaldehyde dư thấp, cần khống
chế tỷ lệ mol tổng F:U không nên lớn hơn 1,4.
(2) Để tránh phức tạp trong quá trình tổng hợp, số lần thêm Urea không nên nhiều hơn 3. (3) Việc bổ sung loại chất biến tính sao cho có khả năng thu gom được formaldehyde dư và không làm giảm tính năng dán dính của keo.
Gần đây, trong các báo cáo của Essawy (2010, 2011) và Zhou (2013) đã cho biết các polyme siêu phân nhánh hoạt động có thể làm giảm hàm lượng formaldehyde tự do của keo UF và PVA là một trong số đó.
3
Chương 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu 2.1.1. Mục tiêu tổng quát
Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ trong quá trình tổng hợp đến chất lượng keo UF biến tính bằng PVA dùng trong sản xuất ván dán, đồng thời bổ sung cơ sở lý luận trong công nghệ biến tính keo UF dùng trong sản xuất vật liệu gỗ. 2.1.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định được ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol trong
giai đoạn phản ứng cộng (F:U1) đến các chỉ tiêu chất lượng keo UF;
- Xác định được ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng (F:U1) đến một số tính chất của ván dán sử dụng keo UF biến tính bằng PVA.
- Xác định được thông số công nghệ phù hợp để tổng hợp keo UF
biến tính bằng PVA dùng trong sản xuất ván dán thông dụng;
- Đề xuất được quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA dùng
để sản xuất ván dán đạt chất lượng theo QCVN và TCVN. 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu - Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần nguyên liệu tổng hợp đến tính chất
của keo UF biến tính bằng PVA (Urea, Formaldehyde và PVA).
- Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần nguyên liệu tổng hợp keo đến tính
chất của ván dán sử dụng keo UF biến tính bằng PVA.
- Quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA dùng để sản xuất
ván dán. 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu a) Các yếu tố cố định - Nguyên liệu + Urea 98% - (NH2)2CO; + Formaldehyde 37% - HCHO; + Poly(vinyl alcohol) (PVOH, PVA), PVA-1799 - [CH2CH(OH)]n,
độ polyme là 1700, độ tinh khiết 99%.
4
- Tỉ lệ mol tổng F : U là: 1,1 : 1 - Điều kiện tổng hợp keo: + Công nghệ tổng hợp keo: kiềm - axít - kiềm. + Nhiệt độ và thời gian được thiết lập cụ thể trong quy trình tổng hơp keo. PVA được cho vào giai đoạn xảy ra phản ứng cộng. Chất xúc tác (NaOH 20%, CH3COOH 15%).
- Cố định các yếu tố để tạo ván dán
b) Yếu tố thay đổi:
- Tỷ lệ mol F:U1: 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1. - Lượng dùng PVA so với U tổng: 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%, 2,5%
(áp dụng cho nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố)
- Trong thực nghiệm đơn yếu tố, khi thay đổi lượng dùng PVA thì cố định tỷ lệ mol F:U1. Khi thay đổi tỷ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng thì cố định lượng dùng PVA. c) Các chỉ tiêu chất lượng cần kiểm tra
- Chỉ tiêu chất lượng của keo UF biến tính bằng PVA: hàm lượng khô, thời gian đóng rắn, độ tan trong nước, hàm lượng formaldehyde tự do. - Các chỉ tiêu chất lượng của ván dán cần kiểm tra: độ bền kéo trượt
màng keo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh. 2.3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố: ảnh hưởng của lượng dùng
PVA và tỉ lệ mol F:U1 đến chất lượng keo và đến chất lượng ván dán.
- Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố: ảnh hưởng của lượng dùng PVA
và tỉ lệ mol F:U1 đến chất lượg keo và ván dán.
- Xây dựng quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA.
2.4. Phương pháp nghiên cứu 2.4.1. Phương pháp lý thuyết
Kế thừa các công trình nghiên cứu liên quan để nghiên cứu cơ sở lý
thuyết tổng hợp keo UF và xác định thông số thí nghiệm. 2.4.2. Phương pháp thực nghiệm
5
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA (1) Kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố Quan hệ giữa các hàm mục tiêu Y và các thông số ảnh hưởng Xi:
6
2
Y = bo + biXi + biiXi
Trong đó: Y - các hàm mục tiêu (hàm lượng khô, thời gian đóng rắn, độ tan trong nước, hàm lượng formaldehyde tự do, độ bền kéo trượt màng keo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh); Xi- giá trị mã hóa của các biến số; bo - hệ số tự do; bi - các hệ số tuyến tính; bii: - các hệ số bậc hai.
Để xác định các hệ số của các phương trình hồi quy, sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Để đánh giá tính tương thích của phương trình hồi quy, cần phân tích phương sai. Từ đó, dùng hệ số R2 để đánh giá mức độ tương thích của phương trình hồi quy so với thực nghiệm.
(2) Kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố Việc thiết kế thí nghiệm để tìm ra sự ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến chất lượng keo UF và chất lượng ván dán được tiến hành theo phương pháp bề mặt đáp ứng (response surface methodology – RSM). Trong luận án, phương pháp thiết kế phối hợp có tâm (CCD) được lựa chọn để thiết kế thí nghiệm. Số lần lặp ở nghiệm thức tâm là 5.
2
Phương trình hồi quy có dạng:
2 + b22X2
Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b12X1X2 + b11X1
Trong đó: Y là các hàm mục tiêu; b0 là hằng số; b1, b2 là các hệ số tuyến tính; b11, b22 là các hệ số bình phương, b12 là hệ số tương tác; X1, X2 là các biến khảo sát.
Bảng 2.1. Mã hóa biến và các mức độ khảo sát
Nhân tố (biến)
-α 0,6 1,76 -1 1,0 1,80 Giá trị 0 2,0 1,90 +1 3,0 2,00 +α 3,4 2,04 Mã hóa Lượng dùng PVA (%) X1 X2 Tỷ lệ mol F:U1
Với 5 lần lặp tại tâm và 2 yếu tố nghiên cứu, phần mềm Design expert
DX-11 sẽ bố trí thí nghiệm một cách ngẫu nhiên cho ra 13 thí nghiệm.
Phương pháp xác định các tính chất của keo: Các tính chất của keo trong luận án gồm: hàm lượng khô, thời gian đóng rắn, độ tan trong nước được xác định theo phương pháp quy định trong tiêu chuẩn Trung Quốc GB∕T 14732-2017 - Keo dán gỗ: Keo urea
7
formaldehyde (UF), phenol formaldehyde (PF) và melamine formaldehyde (MF). Hàm lượng formaldehyde dư trong keo được xác định theo phương pháp quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 11569:2016 - Keo dán gỗ - Xác định hàm lượng formaldehyde tự do.
Phương pháp xác định các tính chất của ván dán: - Độ bền dán dính: phương pháp lấy và cắt mẫu thử được tiến hành theo TCVN 8328-1:2010. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, chỉ tiến hành kiểm tra độ bền kéo trượt màng keo sau khi mẫu được để ổn định, với mục đích xác định xu hướng thay đổi khi điều kiện tổng hợp keo thay đổi, nhằm xác định thông số công nghệ tổng hợp keo UF biến tính PVA
- Độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh: kiểm tra theo tiêu
chuẩn TCVN 7756-6 : 2007 2.5. Ý nghĩa của luận án 2.5.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án đã nghiên cứu sử dụng hợp chất PVA (polyvinyl alcohol) để bổ sung vào quá trình tổng hợp keo UF nhằm cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng keo UF và chất lượng ván dán. Luận án đã xác định được lượng dùng PVA và tỷ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng (F:U1) hợp lý để nâng cao chất lượng keo UF cũng như chất lượng ván dán. 2.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu đã góp phần bổ sung cơ sở khoa học về công nghệ biến tính keo UF bằng PVA. Đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ biến tính keo dùng trong sản xuất vật liệu gỗ. Các kết quả nghiên cứu sẽ mở ra hướng mới cho công nghệ biến tính keo, đặc biệt là bổ sung chất biến tính để giảm hàm lượng formaldehyde dư trong keo.
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Cơ chế hình thành keo UF
Urea và formaldehyde qua phản ứng cộng và phản ứng trùng ngưng
(phản ứng đa tụ) tạo thành dung dịch keo.
Phản ứng cộng Trong sản xuất thông thường, việc tổng hợp keo UF được thiết lập bởi một quy trình 2 bước, bao gồm các phản ứng methyl hóa và các phản ứng trùng ngưng. Phản ứng methyl hóa là một phản ứng cộng, được thực
8
hiện trong môi trường trung tính hoặc kiềm nhẹ. Urea phản ứng với formaldehyde để tạo thành các methylolureas. Một mol urea có thể phản ứng với tối đa 4 mol formaldehyde để tạo thành nhiều loại urea methylol (monomethylolurea, dimethylolurea, trimethylolurea, tetramethylolurea). Tuy nhiên, tất cả các phản ứng này đều là phản ứng thuận nghịch (hình 3.1)
Phản ứng trùng ngưng Phản ứng trùng ngưng là phản ứng giữa các methylol urea làm tăng khối lượng phân tử, phản ứng này chỉ xảy ra trong môi trường axit thông qua các phản ứng giữa các nhóm methylol với các amide chính và phụ của chúng. Polyme được nhân lên không ngừng là nhờ sự hình thành của các cầu nối methylene ether (-CH2-O-CH2-) và methylene (-CH2-) (hình 3.2).
Hình 3.1. Sơ đồ phản ứng cộng của Urea với Formaldehyde
9
Hình 3.2. Sơ đồ phản ứng trùng ngưng của các methylolurea để tạo cầu nối (-CH2-) và (-CH2-O-CH2-) 3.2. Hợp chất PVA và sự ảnh hưởng đến tính chất keo UF biến tính
Trong thực tế, PVA được tổng hợp từ quá trình thủy phân polyvinyl acetate. Việc tổng hợp PVA được tiến hành qua nhiều bước, có thể được minh họa như sau:
Phản ứng của PVA với F: nhóm OH của PVA kết hợp với F tự do để hình thành nhóm methylol đính kèm vào PVA bởi một nguyên tử O, sau đó phần OH của nhóm methylol này kết hợp với hydro amide của keo và tách nước:
10
Khi PVA kết hợp với Urea sẽ tạo thành cao phân tử cacbamat este. Trong PVA có chứa nhóm (-OH), trong Urea chứa nhóm (-NH2), đây là những nhóm chức phân cực mạnh, có thể tương tác với nhau thông qua các liên kết hydro.
Chính bởi những đặc tính kể trên mà PVA được nghiên cứu bổ sung vào quá trình tổng hợp keo dùng cho ngành công nghiệp gỗ nhằm làm thay đổi tính chất sản phẩm theo chiều hướng tích cực.
11
Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến tính chất keo UF (thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố)
Hình 4.1. Ảnh hưởng của lượng dùng PVA đến tính chất keo và ván
Nhận xét: Khi PVA tăng làm giảm hoạt tính của các nhóm chức khiến mức độ phản ứng giữa các hợp chất giảm xuống, dẫn đến hàm lượng khô của keo giảm. Với cùng một lượng F mà PVA lại có thể phản ứng với F để tạo ra keo có gốc polyvinyl khiến F giảm, thời gian đóng rắn kéo dài. Trong PVA tồn tại nhiều nhóm hydroxyl, trong quá trình phản ứng tạo ra kết cấu với F, kết cấu của hợp chất tạo ra này làm tăng khả năng hút nước của keo khi chưa đóng rắn. PVA tăng lên làm F dư giảm do phản ứng tạo ra keo giữa PVA và F.
Theo Liu và cộng sự (2018), khi đưa PVA vào, ngoài U+F tạo mạng UF thì các chuỗi PVA liên kết ngang với nhau tạo mạng PVA và PVF. Các đại phân tử PVF gắn sâu vào mạng UF làm gia tăng sự móc nối lẫn nhau giữa 2 mạng lưới, tăng mức độ liên kết ngang trong hỗn hợp dẫn đến kéo trượt tăng. Khi lượng dùng PVA quá lớn (>2%) thì PVA + F nhiều hơn, thiếu hụt lượng F + U khiến kéo trượt giảm. Chuỗi đa phân tử có tính di động thấp nên vị trí của chuỗi PVF khó thay đổi, phản ứng của U+F xảy ra trong mạng PVF, mạng UF phát triển xen kẽ trong mạng PVF. Mạng UF có mật độ liên kết ngang dày đặc do các phân đoạn rất ngắn giữa các nhóm chức liền kề nên cứng, dễ gãy. Mạng PVA do quá trình acetal hóa liên phân tử bị hạn chế, nó luôn có mật độ liên kết ngang thấp nên linh hoạt, có thể kéo dài (tính co dãn). Khi bị ngoại lực tác động, độ co dãn của mạng PVA
12
cho phép nó trở về trạng thái ban đầu sau biến dạng khiến độ bền uốn và mô đun tăng khi PVA tăng. Khi lượng dùng PVA quá lớn, PVA+F nhiều hơn, thiếu hụt F+U, các nhóm (-OH) của PVA dư thừa không phản ứng sẽ hút nước làm giảm lượng keo xâm nhập vào gỗ làm cho độ bền kéo trượt, độ bền uốn và mô đun giảm.
Hình 4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol F:U1 đến tính chất keo và ván Nhận xét:
Khi tỉ lệ F:U1 tăng thì phản ứng giữa F và U xảy ra triệt để ở giai đoạn đầu, đến giai đoạn sau chỉ xảy ra phản ứng đa tụ, số lượng monome UF ở giai đoạn đầu lớn nên hàm lượng khô tăng. Tương tự, F:U1 tăng thì giai đoạn sau lượng F sẽ giảm nên F dư giảm. Đến giai đoạn đa tụ, lượng F vẫn dư để tiến hành các phản ứng kể cả với sự thêm vào của U mới nên thời gian đóng rắn giảm và độ tan trong nước tăng. Khi F:U1 >2 thì F còn lại ở giai đoạn đa tụ ít (do tổng lượng F ko đổi) nên F bị hao hụt giai đoạn sau – khi thêm U mới, phản ứng đa tụ thu được lượng sản phẩm ít, hàm lượng khô giảm và thời gian đóng rắn tăng lên.
Khi F:U1 tăng, mức độ phản ứng tăng, tạo thành cấu trúc mạng chặt chẽ hơn ở trạng thái đóng rắn nên kéo trượt tăng. Mặt khác, mạng UF thuận lợi đan xen vào mạng PVA nên độ bền uốn và mô đun tăng. Khi F:U1 cao (>2), thiếu hụt F ở phản ứng đa tụ khi thêm U, cấu trúc mạng không chặt chẽ. F ở quá trình đa tụ thấp thì độ nhớt tăng, keo đóng rắn dễ hình thành cấu trúc tinh thể làm cản trở sự xâm nhập của các phân tử keo vào trong vách tế bào gỗ (ván dán) khiến cho kéo trượt, độ bền uốn và mô đun giảm.
13
Bảng 4.1. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định các tính chất keo và ván dán theo tỷ lệ nguyên liệu khác nhau Độ tan trong nước, lần 3,4 3,6 3,5 3,1 2,5 3,8 3,4 3,3 2,4 3,7 1,8 1,4 3,5
14
4.2. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến một số tính chất keo UF (thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố) 4.2.1. Ảnh hưởng đến hàm lượng khô
Hình 4.3. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến hàm lượng khô của keo Hình 4.4. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hàm lượng khô
Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở hình 4.3 cho thấy, hàm lượng khô có xu hướng tăng khi tỷ lệ mol F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,85 và đạt giá trị tối ưu tại F:U1 = 1,80 sau đó giảm xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng đến 2,0. Hàm lượng khô giảm khi tăng lượng dùng PVA. Hàm lượng khô đạt giá trị tối ưu là 55,1% tương ứng với lượng dùng PVA = 0,6% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,80. Dữ liệu trong Hình 4.4 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9). 4.2.2. Ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn
Thời gian đóng rắn có xu hướng giảm khi tỷ lệ mol F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,9 và đạt giá trị tối ưu là 79,7 tại F:U1 = 1,87 sau đó tăng lên khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng đến 2,0. Thời gian đóng rắn tăng khi tăng lượng dùng PVA. Thời gian đóng rắn đạt giá trị tối ưu là 79,7 giây tương ứng với lượng dùng PVA = 0,6% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,87 (hình 4.5). Giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ khá chặt chẽ (R2 > 0,8) (hình 4.6).
15
Hình 4.5. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến thời gian đóng rắn Hình 4.6. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của thời gian đóng rắn 4.2.3. Ảnh hưởng đến độ tan trong nước
Hình 4.7. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ tan trong nước Hình 4.8. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tan trong nước
Độ tan trong nước có xu hướng tăng khi tỷ lệ mol F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,95 và đạt giá trị tối ưu tại F:U1 = 1,94 sau đó giảm xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng đến 2,0. Tăng lượng dùng PVA thì độ tan trong nước có xu hướng tăng lên. Độ tan trong nước của keo đạt giá trị tối ưu 3,8 lần tương ứng với lượng dùng PVA = 2,5% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,94 (hình 4.7). Giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ khá chặt (R2 > 0,8) (hình 4.8).
16
4.2.4. Ảnh hưởng đến hàm lượng formaldehyde dư
Hàm lượng formaldehyde tự do có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ mol F:U1 và lượng dùng PVA. Hàm lượng formaldehyde tự do của keo đạt giá trị tối ưu 0,49% tương ứng với lượng dùng PVA = 2,5% và tỷ lệ mol F:U1 = 2,0 (hình 4.9). Giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ rất chặt (R2 > 0,9) (hình 4.10). 4.2.5. Ảnh hưởng đến độ bền kéo trượt màng keo
Từ đồ thị hình 4.11 và 4.12 cho thấy, độ bền kéo trượt màng keo có xu hướng tăng khi tỷ lệ mol F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,95 và đạt giá trị tối ưu tại F:U1 = 1,94 sau đó giảm xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng đến 2,0. Độ bền kéo trượt màng keo cũng có xu hướng tăng khi tăng lượng dùng PVA, đạt giá trị tối ưu là 2,47 MPa tương ứng với lượng dùng PVA = 2,5% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,94. Giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ chặt (R2 > 0,8).
Hình 4.11. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ bền kéo trượt màng keo Hình 4.12. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ bền kéo trượt màng keo
17
4.2.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Hình 4.13. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ bền uốn tĩnh Hình 4.14. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ bền uốn tĩnh
Độ bền uốn tĩnh có xu hướng tăng khi tỷ lệ mol F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,85 và đạt giá trị tối ưu tại F:U1 = 1,83 sau đó giảm xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng đến 2,0. Độ bền uốn tĩnh cũng có xu hướng tăng khi tăng lượng dùng PVA từ 0,6% đến 2,5% sau đó giảm khi tiếp tục tăng lượng dùng PVA đến 3%. Độ bền uốn tĩnh đạt giá trị tối ưu 56,83 MPa tương ứng với lượng dùng PVA = 2,5% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,83 (hình 4.13). Giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ chặt (R2 > 0,8) (hình 4.14). 4.2.7. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Hình 4.16. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Hình 4.15. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh Từ hình 4.15 và 4.16 cho thấy, mô đun đàn hồi uốn tĩnh có xu hướng tăng khi tỷ lệ mol F:U1 tăng từ 1,76 đến 2,0 và đạt giá trị tối ưu tại F:U1 = 1,98. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh cũng có xu hướng tăng khi tăng
18
lượng dùng PVA đến 2,5% sau đó giảm xuống khi lượng dùng PVA tiếp tục tăng đến 3%. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh đạt giá trị tối ưu là 10,4 GPa tương ứng với lượng dùng PVA = 2,5% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,98. Giá trị hồi quy có quan hệ rất chặt (R2 > 0,9). 4.3. Tối ưu hóa đồng thời nhiều bề mặt đáp ứng của các hàm mục tiêu trong quá trình tổng hợp keo UF biến tính PVA
Để xác định các thông số ảnh hưởng đến các tiêu chí đáp ứng, cần căn cứ vào mục mục đích sử dụng của keo. Nhằm mở rộng khả năng lựa chọn được loại keo vào các mục đích khác nhau, luận án đã tiến hành tối ưu hóa tỷ lệ thành phần nguyên liệu dựa vào các tiêu chí đáp ứng. Để giải bài toán tối ưu cho các hàm mục tiêu, sử dụng phần mềm DX-11. Đặt điều kiện cho các tiêu chí đáp ứng với hàm mong đợi (desirability) cực trị hoặc trong khoảng xác định bằng cách chập mục tiêu theo thuật toán “hàm mong đợi” để tìm giải pháp tối ưu với 2 biến xác định chính là 2 yếu tố đầu vào. Bảng 4.2. Giá trị tối ưu của hàm lượng F dư và độ bền dán dính
Stt Hàm mục tiêu Giá trị tối ưu Lượng dùng PVA, % Tỷ lệ mol F:U1
2,5 2,00 1 2 Hàm lượng formaldehyde dư, % Độ bền kéo trượt màng keo, MPa 0,50 2,38
Bảng 4.3. Giá trị tối ưu của hàm lượng F dư, độ bền dán dính và hàm lượng khô
Stt Hàm mục tiêu Giá trị tối ưu Lượng dùng PVA, % Tỷ lệ mol F:U1
2,2 1,97 0,54 2,38 53,7 1 Hàm lượng F dư, % 2 Độ bền kéo trượt màng keo, MPa 3 Hàm lượng khô, %
19
Bảng 4.4. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô và thời gian đóng rắn
Stt Hàm mục tiêu Giá trị tối ưu Lượng dùng PVA, % Tỷ lệ mol F:U1
1 2 3 4 Hàm lượng F dư, % Độ bền kéo trượt màng keo, MPa Hàm lượng khô, % Thời gian đóng rắn, giây 0,55 2,40 53,8 86,4
Bảng 4.5. Giá trị tối ưu của hàm lượng F dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô và thời gian đóng rắn, mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Stt Hàm mục tiêu Giá trị tối ưu Lượng dùng PVA, % Tỷ lệ mol F:U1
Hàm lượng F dư, % 1 Độ bền kéo trượt màng keo, Mpa 2 Hàm lượng khô, % 3 4 Thời gian đóng rắn, giây 5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa 0,54 2,45 53,7 86,4 10,4
Hàm mục tiêu Stt Giá trị tối ưu Bảng 4.6. Thông số lựa chọn tối ưu hóa tất cả các hàm mục tiêu Lượng dùng PVA, % Tỷ lệ mol F:U1
1 Hàm lượng F dư, % 0,62
1,6 1,91
Độ bền kéo trượt màng keo, Mpa 2 Hàm lượng khô, % 3 4 Thời gian đóng rắn, giây 5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa Độ tan trong nước, lần 6 Độ bền uốn tĩnh, MPa 7 2,09 54,1 84 9,1 3,2 55,70
Với 5 sự lựa chọn nêu trên, luận án lựa chọn chế độ tối ưu hóa cho tất cả các hàm mục tiêu để thực hiện khảo nghiệm kết quả, vì mặc dù có sự thay đổi một số tính chất keo cũng như ván nhưng sự thay đổi đó là không nhiều so với chế độ tối ưu riêng cho từng mục tiêu.
20
4.4. Thực hiện khảo nghiệm từ thông số tối ưu đã xác định
Bảng 4.7 thể hiện sự sai lệch giữa giá trị lý thuyết và giá trị khảo nghiệm của các chỉ tiêu đều khá nhỏ, dưới 5%, cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa kết quả khảo nghiệm và kết quả dự đoán, giúp khẳng định tính chính xác của mô hình và sự tồn tại của điểm tối ưu. Với sự chênh lệch như vậy có thể hoàn toàn tin tưởng vào chế độ tối ưu đã được lựa chọn. Bảng 4.7. Kết quả các tính chất keo UF biến tính PVA và ván dán sử dụng các điều kiện tối ưu
Stt Chỉ tiêu Chế độ tối ưu Sai lệch
1 Hàm lượng F dư, % 2 Độ bền kéo trượt màng keo, Mpa 3 Hàm lượng khô, % 4 Thời gian đóng rắn, giây 5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa 6 Độ tan trong nước, lần 7 Độ bền uốn tĩnh, MPa 0,62 2,09 54,1 84 9,1 3,2 55,70 Chế độ khảo nghiệm 0,65 2,01 53,5 85 8,8 3,1 54,26 0,03 0,08 0,4 1 0,3 0,1 1,44
Ngoài các chỉ tiêu được kiểm tra tại bảng 4.7, luận án tiến hành xác định thêm một số tính chất khác nhằm khẳng định rõ hơn nữa sự thay đổi cũng như sự cải thiện chất lượng của keo UF biến tính PVA, các tính chất được xác định bổ sung gồm: - Độ nhớt của keo: 448,5 mPa.s (Brookfield LVT, sp2, 60 rpm, 30 oC) - Cấu trúc hóa học của keo qua phân tích phổ hồng ngoại FTIR, trong đó các đỉnh đặc trưng của cấu trúc acetal mạch vòng – đại diện cho phản ứng của PVA và formaldehyde không xuất hiện trong phổ và có thể bị chồng lên bởi các đỉnh dao động của C-O và của N-H - Hàm lượng FE: 0,11 mg/m3 tương đương 0,09 ppm < 0,11 ppm.
21
4.5. Đề xuất quy trình tổng hợp keo UF biến tính PVA (quy mô phòng thí nghiệm)
Hình 4.17. Lưu đồ quy trình tổng hợp keo UF biến tính PVA
22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận Luận án đã giải quyết được mục tiêu đề ra là xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ trong quá trình tổng hợp đến chất lượng keo UF biến tính bằng PVA dùng để sản xuất ván dán. Với các kết quả thu được, qua phân tích đánh giá, luận án rút ra một số kết luận sau:
(1) Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách
hệ thống về biến tính keo UF bằng PVA dùng để sản xuất ván dán;
(2) Luận án đã tổng hợp được cơ sở lý luận về quá trình tổng hợp keo UF biến tính, vai trò và sự tác động của hợp chất PVA đối với quá trình tổng hợp keo UF, các tiêu chuẩn và phương pháp xác định hàm lượng formaldehyde phát thải;
(3) Luận án xác định được ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng (F:U1) đến các chỉ tiêu chất lượng keo UF:
- Hàm lượng khô tăng khi F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,85 sau đó giảm
xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng.
- Thời gian đóng rắn giảm khi F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,9 sau đó tăng lên khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng. Thời gian đóng rắn tăng khi lượng dùng PVA tăng.
- Độ tan trong nước tăng khi F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,95 sau đó giảm khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng. Tăng lượng dùng PVA thì độ tan trong nước tăng lên.
- Hàm lượng formaldehyde tự do giảm khi F:U1 tăng và lượng dùng
PVA tăng.
(4) Luận án xác định được ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng (F:U1) đến một số tính chất cơ học của ván dán sử dụng keo UF biến tính bằng PVA:
- Độ bền kéo trượt màng keo tăng khi F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,95 sau đó giảm xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng. Độ bền kéo trượt màng keo tăng khi tăng lượng dùng PVA.
- Độ bền uốn tĩnh tăng khi F:U1 tăng từ 1,76 đến 1,85 sau đó giảm xuống khi tỷ lệ mol tiếp tục tăng. Độ bền uốn tĩnh tăng khi tăng lượng dùng PVA từ 0,6% đến 2,5% sau đó giảm khi tiếp tục tăng lượng dùng PVA.
23
- Mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng khi F:U1 tăng từ 1,76 đến 2,0. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh tăng khi lượng dùng PVA tăng đến 2,5% sau đó giảm xuống khi lượng dùng PVA tiếp tục tăng.
(5) Luận án xác định được thông số công nghệ phù hợp để tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA dùng trong sản xuất ván dán thông dụng, cụ thể lượng dùng PVA là 1,6% so với tổng lượng urea và tỷ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng F:U1 là 1,91;
(6) Luận án đã đưa ra được quy trình công nghệ tổng hợp keo UF
biến tính PVA dùng để sản xuất ván dán thông dụng.
2. Kiến nghị (1) Tiếp tục nghiên cứu đánh giá một cách đầy đủ chỉ tiêu chất lượng keo về độ nhớt, độ bền kéo trượt màng keo, … và đánh giá toàn diện chất lượng ván dán với việc bổ sung chỉ tiêu bong tách màng keo ở các chế độ cao hơn;
(2) Nghiên cứu một cách hệ thống hơn sự ảnh hưởng đến hàm lượng
F phát thải từ ván;
(3) Trên cơ sở kết quả của luận án, tiếp tục nghiên cứu các loại chất biến tính bổ sung vào quá trình tổng hợp keo dùng sản xuất ván dăm, ván sợi, … sao cho giá trị formaldehyde phát thải thấp hơn nữa để đảm bảo lưu thông được trong các thị trường quy định nghiêm ngặt hơn về hàm lượng phát tán formaldehyde.
24
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Nguyễn Thị Thuận, Vũ Mạnh Tường, Trần Văn Chứ, 2020. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần nguyên liệu đến một số tính chất keo UF biến tính bằng PVA, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Lâm nghiệp. Số 03/2020, Trường Đại học Lâm nghiệp, trang 114 - 122.
2. Nguyễn Thị Thuận, Vũ Mạnh Tường, Trần Văn Chứ, 2020. Ảnh hưởng của keo UF biến tính bằng polyvinyl alcohol đến một số tính chất cơ học của ván dán, Tạp chí Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn. Số 394/2020, Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, trang 52 - 57.
