Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng keo Urea-formaldehyde (UF) biến tính bằng PVA (polyvinyl alcohol) dùng để sản xuất ván dán là rất cần thiết và có ý nghĩa, làm thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất vật liệu gỗ nói chung và ngành công nghiệp keo dán nói riêng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HÀ NỘI, 2021
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ mang tên “Công nghệ biến tính keo UF
(urea formaldehyde) bằng PVA (polyvinyl alcohol) dùng để sản xuất ván dán” là
công 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 công bố trong bất kỳ công
trình nào khác dưới mọi hình thức.
Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án tiến sĩ về lời cam
đoan của mình.
Hà Nội, tháng 4 năm 2021
Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thuận
ii
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i
MỤC LỤC .......................................................................................................................... ii
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... xi
ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................................1
Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................................3
1.1. Vai trò của keo UF trong ngành công nghiệp chế biến gỗ .....................................3
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..............................................................................3
1.2.1. Nghiên cứu cấu trúc phân tử keo UF .....................................................................3
1.2.2. Biến tính keo urea-formaldehyde thân thiện với môi trường ..............................5
1.2.3. Nghiên cứu khả năng ép sơ bộ ván dùng keo UF cho hàm lượng Formaldehyde
tự do thấp ........................................................................................................................... 12
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................ 14
1.4. Yêu cầu của keo dùng trong sản xuất ván dán ...................................................... 15
1.5. Nhận xét đánh giá và định hướng nghiên cứu ....................................................... 16
Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................... 18
2.1. Mục tiêu...................................................................................................................... 18
2.1.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................................. 18
2.1.2. Mục tiêu cụ thể ....................................................................................................... 18
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 18
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................ 18
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................... 18
2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 21
2.3.1. Nghiên cứu quy hoạch đơn yếu tố ....................................................................... 21
2.3.2. Nghiên cứu quy hoạch đa yếu tố ......................................................................... 21
2.3.3. Xây dựng quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA .............................. 21
2.4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 21
2.4.1. Phương pháp lý thuyết .......................................................................................... 21
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm .................................................................................... 22
iii
2.5. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................... 39
2.6. Ý nghĩa của luận án .................................................................................................. 39
2.6.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................... 39
2.6.2. Ý nghĩa thực tiễn.................................................................................................... 40
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 41
3.1. Khái quát keo Urea Formaldehyde (UF) ................................................................ 41
3.2. Cơ chế hình thành keo UF ....................................................................................... 42
3.2.1. Các bước phản ứng ................................................................................................ 42
3.3. Một số nhân tố ảnh hưởng đến phản ứng trùng ngưng và tính chất keo ............ 46
3.3.1. Tỉ lệ mol .................................................................................................................. 46
3.3.2. Độ pH môi trường phản ứng ................................................................................ 49
3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng ................................................. 50
3.3.4. Ảnh hưởng của nguyên liệu.................................................................................. 51
3.4. Hợp chất PVA và sự ảnh hưởng đến tính chất keo UF biến tính........................ 55
3.5. Sự phát thải formaldehyde đối với ván nhân tạo .................................................. 58
3.5.1. Các phương pháp xác định hàm lượng formaldehyde phát thải ...................... 58
3.5.2. Tiêu chuẩn quy định hàm lượng formaldehyde phát thải ................................. 62
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................... 65
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)........................................................................................ 65
4.1.1. Ảnh hưởng đến hàm lượng khô ........................................................................... 65
4.1.2. Ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn ...................................................................... 69
4.1.3. Ảnh hưởng đến độ tan trong nước ....................................................................... 71
4.1.4. Ảnh hưởng đến hàm lượng formaldehyde tự do ................................................ 73
4.2. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến một số tính chất cơ
học của ván dán (thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố) ................................................ 75
4.2.1. Ảnh hưởng của keo UF với lượng dùng PVA khác nhau ................................. 76
4.2.2. Ảnh hưởng của keo UF với tỉ lệ mol F và U1 khác nhau ................................. 78
4.3. 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) ......................................................................... 81
4.3.1. Ảnh hưởng đến hàm lượng khô ........................................................................... 81
4.3.2. Ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn ...................................................................... 86
iv
4.3.4. Ảnh hưởng đến hàm lượng formaldehyde dư .................................................... 93
4.4. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến một số tính chất cơ
học của ván dán (thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố) ................................................... 97
4.4.1. Ảnh hưởng đến độ bền kéo trượt màng keo ....................................................... 97
4.4.2. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh......................................................................... 101
4.4.3. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh ......................................................... 105
4.5. 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 .......................................................................... 108
4.5.1. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư và độ bền dán dính ........................ 109
4.5.2. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô 111
4.5.3. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời
gian đóng rắn ................................................................................................................... 113
4.5.4. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời
gian đóng rắn, mô đun đàn hồi uốn tĩnh ...................................................................... 115
4.5.5. Tối ưu hóa đồng thời tất cả bề mặt đáp ứng của các hàm mục tiêu trong quá
trình tổng hợp keo........................................................................................................... 117
4.6. Thực hiện khảo nghiệm từ thông số tối ưu đã xác định ..................................... 119
4.7. Xác định độ nhớt của keo ...................................................................................... 121
4.8. Cấu trúc hóa học của keo UF phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR) ............ 121
4.9. Xác định hàm lượng F phát thải từ ván dán ........................................................ 123
4.10. Đề xuất quy trình tổng hợp keo UF biến tính PVA (quy mô phòng thí nghiệm)
........................................................................................................................................... 123
4.10.1. Xác định lượng nguyên liệu và lựa chọn thông số công nghệ ..................... 123
4.10.2. Lưu đồ quy trình công nghệ ............................................................................. 125
4.10.3. Mô tả quy trình................................................................................................... 126
4.10.4. Hướng dẫn sử dụng keo UF biến tính trong sản xuất ván dán ..................... 127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 129
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC G IẢ ĐÃ CÔNG BỐ ................ 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 132
v
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Thiết bị tổng hợp keo điều khiển tự động ..................................................... 20
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án............... 22
Hình 2.3. Mô hình bài toán xác định các thông số mục tiêu khi thực nghiệm đa yếu tố
............................................................................................................................................. 26
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA ............................... 29
Hình 2.5. Đồ thị kiểm soát nhiệt độ trong quá trình tổng hợp keo.............................. 30
Hình 2.6. Một số thiết bị dùng xác định tính chất keo.................................................. 34
Hình 2.7. Máy thử cơ lý MTS25N .................................................................................. 38
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của buồng thử loại 0,225 m3 ........................... 38
Hình 3.1. Sơ đồ phản ứng cộng của Urea với Formaldehyde ...................................... 43
Hình 3.2. Sơ đồ phản ứng đa tụ của các methylolurea để tạo cầu nối (-CH2-) ......... 44
và (-CH2-O-CH2-) ............................................................................................................ 44
Hình 3.3. Các phản ứng trùng ngưng .............................................................................. 44
Hình 3.4. Ví dụ về cấu trúc keo UF đã đóng rắn ........................................................... 45
Hình 4.1. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và hàm lượng khô của keo ....................... 66
Hình 4.2. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và hàm lượng khô của keo ........................... 66
Hình 4.3. Phản ứng giữa urea và formaldehyde ............................................................ 67
Hình 4.4. Phản ứng đa tụ tạo thành dung dịch keo urea formaldehyde ...................... 67
Hình 4.5. Phản ứng hình thành mạng PVA và UF ........................................................ 68
Hình 4.6. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và thời gian đóng rắn của keo.................. 70
Hình 4.7. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và thời gian đóng rắn của keo ...................... 70
Hình 4.8. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và độ tan trong nước của keo................... 72
Hình 4.9. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và độ tan trong nước của keo ....................... 72
Hình 4.10. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và hàm lượng formaldehyde dư ............ 74
vi
Hình 4.11. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và hàm lượng formaldehyde dư................. 74
Hình 4.12. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và độ bền kéo trượt màng keo ............... 76
Hình 4.13. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và độ bền uốn tĩnh................................... 77
Hình 4.14. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và mô đun đàn hồi uốn tĩnh ................... 77
Hình 4.15. Quá trình hình thành keo UF biến tính bằng PVA .................................... 78
Hình 4.16. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và cường độ kéo trượt màng keo ............... 80
Hình 4.17. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và độ bền uốn tĩnh ....................................... 80
Hình 4.18. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và mô đun đàn hồi uốn tĩnh........................ 80
Hình 4.19. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến ........................... 84
hàm lượng khô của keo ..................................................................................................... 84
Hình 4.20. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy ................. 85
của hàm lượng khô ............................................................................................................ 85
Hình 4.21. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến ........................... 87
thời gian đóng rắn của keo ............................................................................................... 87
Hình 4.22. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy ................. 88
của thời gian đóng rắn....................................................................................................... 88
Hình 4.23. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ tan trong nước
của keo ............................................................................................................................... 91
Hình 4.24. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tan
trong nước.......................................................................................................................... 92
Hình 4.25. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến ........................... 95
hàm lượng formaldehyde dư c ủa keo.............................................................................. 95
Hình 4.26. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hàm
lượng formaldehyde tự do ............................................................................................... 96
Hình 4.27. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ bền kéo trượt
màng keo............................................................................................................................ 99
vii
Hình 4.28. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy ............... 100
của độ bền kéo trượt màng keo ...................................................................................... 100
Hình 4.29. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ bền uốn .... 102
Hình 4.30. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy ............... 104
của độ bền uốn tĩnh ......................................................................................................... 104
Hình 4.31. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến mô đun đàn hồi
uốn tĩnh ............................................................................................................................ 106
Hình 4.32. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của mô đun
đàn hồi uốn tĩnh .............................................................................................................. 108
Hình 4.33. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu hàm lượng
formaldehyde dư và độ bền dán dính ........................................................................... 110
Hình 4.34. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu ............... 112
hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính và hàm lượng khô............................ 112
Hình 4.35. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu hàm lượng
formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn................. 114
Hình 4.36. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu hàm lượng
formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn và mô đun đàn
hồi uốn tĩnh...................................................................................................................... 116
Hình 4.37. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung của lượng dùng PVA và tỷ lệ
mol F:U1 cho các hàm mục tiêu ................................................................................... 118
Hình 4.38. Phổ FTIR của keo UF đối chứng ............................................................... 122
Hình 4.39. Phổ FTIR của dung dịch keo UF................................................................ 122
Hình 4.40. Lưu đồ quy trình công nghệ tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA...... 125
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của lượng dùng PVA đến tính
chất keo UF và tính chất ván dán ................................................................................... 25
Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của tỷ lệ mol F:U1 đến tính chất
keo UF và tính chất ván dán............................................................................................ 25
Bảng 2.3. Mã hóa biến và các mức độ khảo sát............................................................. 27
Bảng 2.4. Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến tính
chất keo UF và tính chất ván dán ................................................................................... 27
Bảng 3.1. Các tiêu chuẩn xác định hàm lượng formaldehyde phát thải từ ván nhân tạo
tại Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc ................................................................. 64
Bảng 4.1. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định hàm lượng khô của keo theo tỷ lệ
thành phần nguyên liệu khác nhau ................................................................................. 82
Bảng 4.2. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến
hàm lượng khô .................................................................................................................. 82
Bảng 4.3. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm..................... 83
Bảng 4.4. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định thời gian đóng rắn của keo theo tỷ lệ
thành phần nguyên liệu khác nhau ................................................................................. 86
Bảng 4.5. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến
thời gian đóng rắn ............................................................................................................. 86
Bảng 4.6. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm..................... 87
Bảng 4.7. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định độ tan trong nước của keo theo tỷ lệ
thành phần nguyên liệu khác nhau ................................................................................. 89
Bảng 4.8. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến độ
tan trong nước ................................................................................................................... 90
Bảng 4.9. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm..................... 90
Bảng 4.10. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định hàm lượng formaldehyde dư của keo
theo tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau ................................................................ 93
ix
Bảng 4.11. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến
hàm lượng formaldehyde dư ........................................................................................... 94
Bảng 4.12. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm .................. 94
Bảng 4.13. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định độ bền kéo trượt màng keo của ván
theo tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau ................................................................ 97
Bảng 4.14. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến
độ bền kéo trượt màng keo .............................................................................................. 98
Bảng 4.15. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm .................. 98
Bảng 4.16. Độ bền uốn tĩnh của ván với các tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
........................................................................................................................................... 101
Bảng 4.17. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến
độ bền uốn ....................................................................................................................... 101
Bảng 4.18. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm ................ 102
Bảng 4.19. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván với các tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác
nhau .................................................................................................................................. 105
Bảng 4.20. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến
mô đun đàn hồi uốn tĩnh ................................................................................................ 105
Bảng 4.21. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm ................ 106
Bảng 4.22. Kết quả tối ưu hóa của từng hàm mục tiêu riêng lẻ ................................ 109
Bảng 4.23. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư và độ bền dán
dính ................................................................................................................................... 110
Bảng 4.24. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư và độ bền dán dính ..... 111
Bảng 4.25. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán
dính và hàm lượng khô .................................................................................................. 111
Bảng 4.26. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính và hàm
lượng khô ......................................................................................................................... 112
Bảng 4.27. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán
dính, hàm lượng khô và thời gian đóng rắn ................................................................ 113
x
Bảng 4.28. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng
khô và thời gian đóng rắn .............................................................................................. 113
Bảng 4.29. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán
dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn và mô đun đàn hồi uốn tĩnh.................... 115
Bảng 4.30. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng
khô, thời gian đóng rắn và mô đun đàn hồi uốn tĩnh ................................................. 115
Bảng 4.31. Thông số lựa chọn tối ưu hóa tất cả các hàm mục tiêu ........................... 117
Bảng 4.32. Giá trị tối ưu các hàm mục tiêu theo tỷ lệ thành phần nguyên liệu ....... 117
Bảng 4.33. Kết quả các tính chất keo UF biến tính PVA và ván dán sử dụng các điều
kiện tối ưu ........................................................................................................................ 120
xi
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
MOR Độ bền uốn tĩnh
FTIR Phổ hồng ngoài biến đổi Fourier
MOE Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
SC Hàm lượng khô
FE Hàm lượng formaldehyde phát thải
FC Hàm lượng formaldehyde tự do
TS Độ bền kéo trượt màng keo
CT Thời gian đóng rắn
WM Độ tan trong nước
RSM Phương pháp bề mặt đáp ứng (response surface
methodology)
CCD Thiết kế phối hợp có tâm (central composite design)
UF Keo urea formaldehyde
PVA Polyvinyl alcohol
Tỷ lệ mol giữa formaldehyde và urea trong giai F:U1 đoạn phản ứng cộng
U Tổng lượng urea
U1 Lượng urea cho vào quá trình tổng hợp keo lần 1
U2 Lượng urea cho vào quá trình tổng hợp keo lần 2
U3 Lượng urea cho vào quá trình tổng hợp keo lần 3
1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Keo Urea formaldehyde (UF) là một trong những loại keo được dùng lâu đời và
phổ biến nhất trong ngành công nghiệp gỗ hiện nay. Lý do keo UF được sử dụng rộng
rãi vì chúng có những ưu điểm rất lớn như: nguyên liệu đơn giản, trong đó nguyên
liệu chính là urea và formaldehyde có giá thành thấp và dễ dàng tìm thấy trên thị
trường. Bên cạnh đó, tính năng dán dính của keo UF rất tốt, chịu nhiệt, chống nấm
mốc, cách điện, ... Trong ngành công nghiệp chế biến gỗ, keo UF là thành phần không
thể thiếu để sản xuất ra 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 là rất lớn.
Trên thế giới, công nghệ sản xuất keo UF đã khá thành thục, hiện tại có thể điều
chỉnh công nghệ theo các cấp chất lượng khác nhau, tuỳ vào yêu cầu và mục đích sử
dụng. Vào năm 2007, công ty Dynea AS có trụ sở tại Na Uy đã đưa ra thị trường một
loại keo AsWood™. Đây là loại keo có lượng dư formaldehyde rất thấp, khi sử dụng
để tạo ra ván thành phẩm có lượng dư formaldehyde (0,025 – 0,05 ppm) tương đương
gỗ tự nhiên, thậm chí còn nhỏ hơn so với gỗ Thông (0,03 ppm). Tuy nhiên, giá của loại
keo này quá cao nên chưa thu hút được sự quan tâm của người sử dụng.
Tại Việt Nam, hầu hết nhà máy sản xuất các loại vật liệu gỗ để đáp ứng yêu cầu
sản phẩm cho xuất khẩu đều phải nhập keo UF. Keo tự sản xuất cơ bản không đáp
ứng được yêu cầu về môi trường vì chúng chứa hàm lượng Formaldehyde dư cao.
Ngay cả trong điều kiện thường, keo UF cũng phát tán ra khí formaldehyde. Ở hàm
lượng 40 ppm trở lên, formaldehyde có mùi khó chịu, tiếp xúc qua da sẽ gây nên
những tác hại như ngứa, dị ứng, hen suyễn, ... tiếp xúc lâu dài có thể dẫn đến ung thư.
Từ năm 2004, tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã đưa formaldehyde vào loại hóa chất
độc hại đối với sức khỏe con người [40]. Formaldehyde cũng được tổ chức nghiên
cứu về ung thư quốc tế IARC trực thuộc WHO xếp vào nhóm 1 - nhóm các chất gây
ung thư cho người vào năm 2006. Đây là một thách thức lớn đối với các nhà sản xuất
keo UF.
2
Cho đến nay, sau hơn 50 năm phát triển ngành keo dán gắn liền với lượng dư
formaldehyde, từ gần 12 ppm (năm 1965) cho đến nay còn khoảng xấp xỉ 0,1 ppm là
cả một quá trình nỗ lực rất lớn. Theo tổ chức nghiên cứu về ung thư quốc tế IARC thì
lượng dư formaldehyde an toàn với người là 0,11 ppm, đối với sở kiểm soát tài nguyên
không khí tiểu bang California của Mỹ (CARB) thì giá trị này là 0,09 ppm.
Như vậy có thể thấy, một trong những khó khăn lớn nhất của ngành sản xuất đồ
gỗ xuất khẩu nước ta là kiểm soát được lượng dư formaldehyde trong keo, đảm bảo
tiêu chuẩn môi trường. Cơ sở để tạo ra một loại keo UF đáp ứng yêu cầu môi trường
cho vật liệu gỗ xuất khẩu cơ bản đã có nhiều nghiên cứu được đề cập. Chất lượng keo
UF được đánh giá thông qua nhiều chỉ tiêu như: đặc tính keo (hàm lượng khô, độ
nhớt, thời gian gel hoá, thời gian sống, hàm lượng formaldehyde dư, …), độ bền dán
dính, khả năng chịu nước, độ dòn màng keo, … 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 giòn màng keo thường cho thêm các hợp chất như: phenol, PVA (polyvinyl
alcohol), melamine,… để tạo ra keo 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 tính năng chịu nước của keo. Ngoài ra, PVA kết hợp với
chất độn (tinh bột) sẽ đem lại hiệu quả tốt hơn bởi chúng làm tăng độ bền và góp phần
tăng khả năng chịu nước của keo.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn và cấp thiết nói trên, có thể thấy việc
nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng keo Urea-
formaldehyde (UF) biến tính bằng PVA (polyvinyl alcohol) dùng để sản xuất ván dán
là rất cần thiết và có ý nghĩa, làm thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản
xuất vật liệu gỗ nói chung và ngành công nghiệp keo dán nói riêng.
Kết quả của nghiên cứu sẽ 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.
3
Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vai trò của keo UF trong ngành công nghiệp chế biến gỗ
Ngày nay, các sản phẩm gỗ được sử dụng rất phổ biến trong đời sống con người.
Cùng với sự suy giảm sản lượng gỗ tự nhiên thì các loại vật liệu gỗ được tạo ra với
các tính năng không hề thua kém gỗ tự nhiên mà thậm chí một số loại còn có ưu điểm
vượt trội. Để tạo ra được các loại vật liệu gỗ này thì không thể không nói đến vai trò
của chất kết dính – với tác dụng làm cho các “sợi” xenlulo liên kết chặt chẽ với nhau.
Trong rất nhiều loại chất kết dính được sử dụng cho ngành gỗ thì keo Urea
formaldehyde (UF) có tính phổ biến nhất. Hàng năm, lượng keo UF dùng cho việc
sản xuất ván dăm (particle board), ván MDF (medium density fiberboard) là 68% và
dùng cho việc sản xuất ván dán (plywood) là 23% sản lượng keo UF trên toàn thế
giới [72]. Với ưu điểm giá thành rẻ và đặc biệt là khả năng dán dính tuyệt vời, có thể
nói đây là loại keo không thể thiếu trong ngành công nghiệp sản xuất vật liệu gỗ.
Ngoài những ưu điểm kể trên, keo UF tồn tại một số nhược điểm lớn như khả
năng chống ẩm khá thấp, màng keo tương đối giòn và khả năng phát thải chất
formaldehyde ra môi trường bởi việc sử dụng các sản phẩm làm từ vật liệu gỗ. Để
hạn chế những nhược điểm này, công nghệ biến tính keo UF ra đời với hàng loạt các
nghiên cứu trong và ngoài nước nhằm tăng khả năng chịu ẩm của ván, tăng tính dẻo
cho màng keo và giảm hàm lượng formaldehyde phát thải ra môi trường.
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
1.2.1. Nghiên cứu cấu trúc phân tử keo UF
Phản ứng tổng hợp của keo UF rất phức tạp, nên phương pháp tổng hợp và các
thông số có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phản ứng và cấu trúc của keo, do đó việc
tiến hành phân tích cấu trúc của keo, kiểm soát quá trình phản ứng và cấu trúc vi mô
của keo là công trình nghiên cứu rất quan trọng kể từ khi sinh ra keo UF [14]. Với sự
phát triển nhanh chóng của các máy móc phân tích cấu trúc hiện đại và không ngừng
cải tiến tính chất của keo, có sự tiến bộ lớn đối với việc nghiên cứu và kiểm soát cấu
4
trúc keo urea-formaldehyde [32, 44]. Đồng thời, nghiên cứu quy trình đóng rắn của
keo và cấu trúc của sản phẩm đóng rắn cũng đã được tiến hành xử lý [56], đối với
keo tổng hợp với tỷ lệ mol F:U thấp, một số học giả chỉ ra rằng có những vùng kết
tinh tồn tại trong cấu trúc sản phẩm đóng rắn [57]. Một vài năm trở lại đây, rất nhiều
học giả tiến hành phân tích cấu trúc keo urea-formaldehyde thông qua các thiết bị
như: phổ sắc ký pha lỏng, GPC, phổ hồng ngoại, 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR,
nhiệt lượng quét vi sai [77], TEM, SEM, nhiễu xạ tia X, hiện nay, ứng dụng chủ đạo
nhiều nhất là phổ hồng ngoại và cộng hưởng từ hạt nhân.
1.2.1.1. Phân tích phổ hồng ngoại cấu trúc của keo
Phổ hồng ngoại là phương pháp để mô tả cấu trúc vật chất sơ đồ phổ một rung
động, chuyển động năng lượng quay vòng của phân tử có sự thay đổi trong thời điểm
lưỡng cực bằng cách hấp thụ năng lượng ánh sáng hồng ngoại. Khi phân tử hợp chất
hữu cơ “va chạm” với chùm sóng điện từ sẽ hấp thụ một năng lượng tương ứng với
bước sóng xác định nào đó của tia tới và không hấp thu các chùm tia có bước sóng
khác. Nếu ta chiếu mẫu chất hữu cơ một sóng điện từ với các bước sóng khác nhau
và sau đó xác định xem bước sóng nào bị hấp thụ, bước sóng nào không thì chúng ta
sẽ có được phổ hấp thụ của mẫu đó.
Việc sử dụng phổ hồng ngoại để phân tích cấu trúc polymer là một phương pháp
rất quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu về polymer [100], cung cấp thông tin về
định tính, định lượng về tính chất hóa học, cấu trúc có thể được sử dụng cho các tính
chất hóa học của polymer, cấu trúc không gian ba chiều của polymer, đã được sử
dụng rộng rãi trong nghiên cứu để xác định cấu trúc và tính chất của polymer.
Năm 1956, Bercher [18] 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. Sau đó, vào năm 1981, Myers [54] 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 đó cung cấp cơ sở lý thuyết cho sản xuất keo UF với
lượng nhỏ formaldehyde. Theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật, phổ hồng ngoại
biến đổi Fourier cho quan sát và thu được thông tin vi cấu trúc của keo tốt hơn . Năm
5
1988, Jada [41] đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc keo urea-formaldehyde bằng phổ
hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nghiên cứu cho thấy, trong phổ hồng ngoại của
keo urea-formaldehyde, đỉnh hấp thu mạnh của 3300-3500 cm-1 được tạo ra bởi rung
động đàn hồi bởi nhóm –OH và NH, các đỉnh hấp thu mạnh của 1630-1600 cm-1 và
1530-1600 cm-1 là sự tạo rung động (va chạm) của dải amit I và II, một đỉnh hấp thu
rộng và mạnh giữa 1000 và 1110 cm-1 được tạo ra bởi tác dụng của một nhóm
methylol và một liên kết ete.
1.2.1.2. Phân tích cộng hưởng từ hạt nhân của cấu trúc keo
Cộng hưởng từ hạt nhân là phương pháp để mô tả cấu trúc của vật liệu bằng
cách tạo ra một sơ đồ phổ chuyển tiếp cấp năng lượng hạt nhân xoay vòng bằng cách
hấp thụ năng lượng sóng vô tuyến với thời điểm từ hạt nhân đó trong từ trường bên
ngoài. Phổ từ hạt nhân có thể hiển thị các nhóm chức khác nhau của keo một cách chi
tiết, Chiavarini và các cộng sự [21] đã nghiên cứu quá trình ngưng tụ của keo urea-
formaldehyde bằng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR, mà Ebdon và
Heaton báo cáo lần đầu tiên sử dụng 13C-NMR để phân tích cấu trúc keo UF.
Rất nhiều nghiên cứu về quá trình phản ứng và thay đổi cấu trúc của keo urea-
formaldehyde bằng cộng hưởng từ hạt nhân NMR [30] [47, 71, 74] cho thấy sự đa
dạng của cấu trúc keo liên quan chặt chẽ đến quá trình tổng hợp, mấu chốt để kiểm
soát điều kiện công nghệ trong công nghiệp tổng hợp là xác định chất lượng và độ
lặp lại của sản phẩm, nhưng thật không may, hầu hết các phân tích cấu trúc keo urea-
formaldehyde không phản ánh tiềm năng thực sự của khoa học thí nghiệm, cung cấp
đầy đủ lý thuyết cho công nghiệp sản xuất.
1.2.2. Biến tính keo urea-formaldehyde thân thiện với môi trường
Để mở rộng hơn nữa lĩnh vực ứng dụng của keo urea-formaldehyde, cải thiện
và nâng cao tính năng toàn diện của keo, nghiên cứu theo hướng biến tính keo urea-
formaldehyde là một trong những giải pháp hữu hiệu [59] [32, 36]. Với ứng dụng
rộng rãi của keo UF, formaldehyde tự do chứa trong keo ít và phát tán formaldehyde
của các loại sản phẩm dán dính trong quá trình sử dụng tiếp theo không gây ô nhiễm
môi trường và sức khỏe con người, vấn đề về formaldehyde ngày càng được xã hội
6
chú trọng nhiều hơn vì nó ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường,
khơi dậy sự quan tâm ngày càng nhiều của các nhà nghiên cứu khoa học môi trường
và người tiêu dùng. Cho nên, đó là một xu hướng tất yếu để sản xuất và sử dụng sản
phẩm phát tán formaldehyde thấp đảm bảo tính năng tổng hợp tốt của keo UF [50].
Những nguyên nhân chủ yếu khiến cho formaldehyde phát tán từ các sản phẩm
dán dính như:
1. Monomer formaldehyde không tham gia vào phản ứng trong quá trình tổng
hợp còn sót lại trong keo.
2. Keo sẽ phát tán formaldehyde trong quá trình đóng rắn [58] [62].
3. Trong quá trình sử dụng các sản phẩm dán dính bị ảnh hưởng bởi các yếu tố
môi trường như: axit và kiềm, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và bị phân hủy để phát tán
formadehyde.
4. Trong môi trường bên ngoài đặc biệt (như: nhiệt độ cao, độ ẩm cao), sinh ra
sự phân hủy của hemicellulose trong gỗ và sự phá hủy của một số liên kết methyoxy
trong lignin tất cả đều có thể phát tán được formaldehyde.
Từ giữa thế kỷ 20 trở lại đây, các nước đã tích cực nghiên cứu và sản xuất keo
UF có độ độc hại thấp cho tới các sản phẩm ván nhân tạo tương ứng, có rất nhiều
nghiên cứu mở rộng trong việc làm giảm ô nhiễm không khí trong nhà do
formaldehyde phát tán ra.
Gần 10 năm qua, các nhà khoa học và kỹ thuật viên Trung Quốc cũng đã tiến
hành rất nhiều nghiên cứu về việc chế tạo ra keo urea-formaldehyde ít độc hại, đã áp
dụng nhiều biện pháp khác nhau và đạt được nhiều hiệu quả tốt, có nhiều phương
pháp tốt để giảm formaldehyde gốc tự do trong keo urea-formaldehyde, chẳng hạn
như: giảm tỷ lệ mol của F:U, thêm chất phụ gia, kiểm soát điều kiện tổng hợp, thêm
chất để giữ formaldehyde trong quá trình tổng hợp và khi sử dụng.
1.2.2.1. Giảm tỷ lệ mol của urea và formaldehyde
Tỷ lệ mol của F:U là thông số quan trọng nhất trong các thông số có ảnh hưởng
đến tính chất của keo urea-formaldehyde, tỷ lệ mol n(F):n(U) càng thấp, thì hàm
7
lượng formaldehyde tự do trong keo cũng càng thấp, tuy nhiên, tỷ lệ mol thấp hơn sẽ
dẫn đến tính chất lưu trữ keo và các tính chất khác kém, tỷ lệ mol thấp cũng sẽ gây
ra gel keo [15, 52], do đó, cần điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ mol theo điều kiện tổng hợp
và thiết bị [61, 73]. Tuy nhiên, một bằng sáng chế của Mỹ công bố, tỷ lệ mol F:U có
thể giảm xuống 0,64 trong khi vẫn đảm bảo các tính chất cơ bản của keo đạt tiêu
chuẩn [19]. Một bằng sáng chế của Nhật Bản cũng công bố hàm lượng formaldehyde
trong keo được giảm đáng kể khi tỷ lệ mol thấp từ 0,4-0,8. Tỷ lệ dimethylol urea và
methylen diurea trong hệ thống keo được kiểm soát trong một phạm vi thích hợp để
thu được chất lượng kết dính tốt và keo có lượng formaldehyde phát tán thấp [22].
He Zhijiang nghiên cứu tổng hợp keo có tỷ lệ mol thấp, tổng hợp một loại keo
có tỷ lệ mol F:U là 1,1, các sản phẩm dán dính được sản xuất bằng keo đạt tiêu chuẩn
ít độc hại, có thể được sử dụng trực tiếp trong nhà. Nghiên cứu của Cao Xiuge và các
cộng sự [84] cho thấy, tỷ lệ mol F:U được kiểm soát ở mức thích hợp 1,4, tính độc
hại của sản phẩm dán dính thấp và có độ bền liên kết cao, Mayer [53] 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 trong khoảng 1,3. Nhưng cũng có những tài liệu
tham khảo chỉ ra tỷ lệ mol giảm xuống 1,05 đã là giới hạn tối đa, nếu tiếp tục giảm
thì tính chất của keo không được đảm bảo, tỷ lệ mol F:U có thể giảm xuống khoảng
0,7 trong điều kiện phòng thí nghiệm, còn trong sản xuất, tỷ lệ mol phù hợp nhất để
kiểm soát được từ 0,9-1,0.
1.2.2.2. Tối ưu hoá quy trình tổng hợp
a) Số lần thêm phụ gia (Thời gian cấp thêm nguyên liệu)
Trong quá trình tổng hợp nếu như bảo đảm được tỷ lệ mol F:U, thì urea có thể
được tiến hành đưa vào nhiều lần để có hiệu quả làm giảm hàm lượng formadehyde
tự do trong keo. Trong giai đoạn phản ứng phụ, tỷ lệ mol cao hơn có lợi cho sự hình
thành dimethylolurea, mà dimethylolurea đóng một vai trò quan trọng trong việc cải
thiện độ bền liên kết và tính ổn định của keo. Sau cùng có thể cho thêm một nhóm
urea để tạo thành urea methylol có tính ổn định tốt với formaldehyde không liên quan
đến phản ứng, từ đó tạo thuận lợi cho việc thu giữ formadehyde tự do của keo. Nghiên
8
cứu cho thấy, lượng urea được thêm nhiều lần tại thời điểm đưa nguyên liệu vào, thì
tính chất liên kết của keo thu được càng tốt hơn. Nhưng trong sản xuất thực tế, quá
nhiều lần cho nguyên liệu vào không dễ vận hành mà còn tạo ra quá nhiều urea tự do,
làm giảm khả năng chịu nước của keo. Do đó, hiện tại phần lớn sử dụng 3-4 lần đưa
nguyên liệu vào [20].
Zhang Changwu và các cộng sự [93] khẳng định bằng cách thông qua các thí
nghiệm, việc bổ sung thêm urea có thể làm giảm hàm lượng formadehyde tự do, cũng
điều chỉnh được chất lượng và sự phân bố phân tử. Zhang Zhenfeng và cộng sự [97]
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 tự do của keo, sự phát tán
formadehyde của các sản phẩm ván nhân tạo có thể đạt được E1 tiêu chuẩn Trung
Quốc. Bằng sáng chế của Chen Weining [78] cũng đã sử dụng phương pháp đưa
nguyên liệu này, thúc đẩy sự hình thành dimethylol urea trong phản ứng bổ sung ban
đầu, làm giảm hàm lượng formaldehyde tự do và rõ ràng có lợi ích kinh tế. Nhiều tác
giả đã nghiên cứu và tiến hành thảo luận theo phương pháp này, chứng minh được sự
cải thiện và tối ưu hóa tính chất của keo đối với việc tiến hành đưa nguyên liệu theo
phân đoạn [42, 64, 67]. Gan Weixing [81] sử dụng cho thêm formaldehyde một lần,
keo formaldehyde tỷ lệ mol thấp có hàm lượng formadehyde tự do dưới 0,12% được
tổng hợp theo quy trình thêm 03 lần urea và đảm bảo tỷ lệ mol không thay đổi, Du
Yuhong [90] và cộng sự tổng hợp keo bằng cách tiến hành cho thêm 04 lần urea trong
điều kiện nhiệt độ trung bình thấp, thu được hàm lượng formaldehyde tự do trong
keo nhỏ hơn 0,2%, còn theo Lu Weiwei [80] hàm lượng formaldehyde tự do trong
keo là thấp hơn 0,1%, cũng đáp ứng các yêu cầu bảo vệ môi trường.
b) Giá trị pH và nhiệt độ
Khi các thông số và điều kiện kỹ thuật tương đồng, tốc độ phản ứng sẽ tăng khi
nhiệt độ phản ứng tăng lên cao và nhanh. Nếu nhiệt độ thấp hơn trong giai đoạn bổ
sung, chu kỳ sản xuất sẽ được kéo dài do tốc độ phản ứng chậm, tăng nhiệt độ phản
ứng trong giai đoạn bổ sung tạo điều kiện cho sự hình thành của urea dimethylol có
9
lợi cho tính chất của keo. Việc kiểm soát nhiệt độ của quá trình ngưng tụ có ảnh
hưởng rất lớn tới tính chất keo, nếu nhiệt độ quá cao, tốc độ phản ứng quá nhanh và
khó có thể khống chế được quá trình ngưng tụ, khối lượng phân tử không đồng đều,
độ nhớt quá lớn và thậm chí phản ứng có thể gây ra sự sôi mạnh hoặc gel hóa (đông
dính) dễ làm cho cấu trúc keo không ổn định. Đồng thời giá trị pH cũng là một trong
những điều kiện kỹ thuật quan trọng trong quá trình tổng hợp, sự thay đổi giá trị pH
trong hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng, mức độ ngưng tụ và cấu trúc
vi mô và các tính chất khác của keo. Các nghiên cứu liên quan còn tìm thấy giá trị
pH thấp hơn trong giai đoạn phản ứng ngưng tụ có thể rút ngắn thời gian phản ứng
một cách thích hợp, nếu giá trị pH cao hơn thì ngược lại là đúng [37].
Có nghiên cứu cho thấy, keo urea-formaldehyde tổng hợp trong điều kiện phản
ứng ở nhiệt độ cao sẽ có cấu trúc đơn giản hơn, hàm lượng liên kết ete ít hơn, có lợi
để giảm lượng phát tán formaldehyde của sản phẩm kết dính [35]. Bằng sáng chế của
Trung Quốc CN-1037348 giới thiệu phương pháp sản xuất keo formaldehyde tổng
hợp ít độc hại ít, đặc trưng bởi phản ứng phụ của nguyên liệu tiến hành trong điều
kiện có tính axit, sau đó nhiều phản ứng ngưng tụ được thực hiện ở các giá trị pH
khác nhau, do đó thu được keo UF có hàm lượng formaldehyde tự do dưới 0,35%
[26]. Cũng có một số tác giả [24] đã thiết lập giá trị pH và thông số quá trình để kiểm
soát các giai đoạn, quá trình phản ứng ở môi trường axit yếu của Li Yantao [87] có
thể tổng hợp keo urea-formaldehyde với tỷ lệ mol là 1,05, trong đó lượng phát tán
formaldehyde của ván dán có thể đạt mức E1, phù hợp tiêu chuẩn ít độc hại, và cường
độ liên kết cũng phù hợp với yêu cầu cường độ ván nhân tạo cấp II Quốc gia.
c) Thời gian phản ứng
Trong các điều kiện nhất định, việc kiểm soát thời gian phản ứng có liên quan
trực tiếp đến mức độ phản ứng và hàm lượng khô của keo, do đó ảnh hưởng đến tính
chất vật lý và hóa học của keo và tính năng dán dính của keo. Thời gian khác nhau,
kiểm soát ở các giai đoạn khác nhau có thể cho tính chất của keo khác nhau, đặc biệt
là kiểm soát thời gian giai đoạn trùng ngưng, thời gian phản ứng ở giai đoạn này có
ảnh hưởng lớn đến các tính chất keo. Thông qua điều chỉnh tỉ lệ thời gian trong giai
10
đoạn phản ứng cộng và giai đoạn trùng ngưng, keo UF có thể thu được các tính chất
khác nhau. Các nghiên cứu liên quan đã chỉ ra, thời gian thích hợp của phản ứng
trùng ngưng kéo dài có thể làm cho tính chất của keo được cải thiện, và giảm hàm
lượng Formaldehyde dư trong keo.
Thời gian phản ứng phải được xác định linh hoạt theo tỷ lệ mol của F và U khi
tổng hợp và các điều kiện phản ứng khác, sản phẩm có độ trùng ngưng thích hợp và
độ bền dán dính tốt. Thời điểm kết thúc của phản ứng thông thường được khống chế
bằng cách đạt đến một giá trị độ nhớt nhất định, làm thế nào để kiểm soát chính xác
sự kết thúc của phản ứng là một trong những điều kiện tiên quyết để tạo ra một sản
phẩm tốt. Tra cứu thông số các quá trình khác nhau của hệ thống, khả năng chất biến
tính và ảnh hưởng của nó trong quá trính tổng hợp keo, xác định thời gian phản ứng
mới có thể điều chế ra một loại keo UF ít độc hại với tính chất tốt.
1.2.2.3. Thêm chất biến tính
Thêm chất khử Formaldehyde sinh ra phản ứng mạnh với Formaldehyde hoặc
hấp thu Formaldehyde hoặc cho thêm và sinh ra phản ứng Formaldehyde trong quá
trình tổng hợp keo UF [63], như: urea, tinh bột, melamine [17, 79], rượu polyvinyl,…,
việc bổ sung thêm chất khử Formaldehyde này không chỉ làm giảm hàm lượng
Formaldehyde tự do và lượng phát tán Formaldehyde của sản phẩm kết dính, hơn nữa
ảnh hưởng biến tính của keo UF còn làm tính chất của keo tổng hợp tốt hơn. Cũng
có một số tác giả cho thêm Borax pentoxide [65] và một số hợp chất thiên nhiên như
Vanillin [77], dùng hạt quả hồi để làm giảm hàm lượng Formaldehyde tự do và giảm
chi phí.
Melamine có cấu trúc mạch vòng và hoạt động với 06 nhóm, có thể cải thiện
hiệu quả khả năng chống nước của keo UF và giảm hàm lượng Formaldehyde tự do
của keo, mà Melamine có tính kiềm, tác dụng đệm có thể trung hòa axit trong lớp
dán dính và trong quá trình ép nhiệt, giảm độ pH xuống thấp, ở mức độ nào đó có thể
ức chế được tốc độ thủy phân và sự thủy phân của keo UF [50]. Từ những năm 1950,
các nhà khoa học nước ngoài bắt đầu nghiên cứu cải thiện khả năng chịu nước của
keo UF .
11
Đầu những năm 60, Liu Chuan và cộng sự là tác giả người Nhật [86] đã phát
hiện thấy biến tính của UF với Melamine, nâng cao cường độ dán dính của ván dán,
nhưng nếu dùng với số lượng quá nhiều thì cường độ sẽ giảm xuống.
Chang Juncheng [43] nghiên cứu đã chỉ ra tính chất tổng hợp keo UF được biến
tính với Melamine là tốt nhất so với một loạt các chất biến tính keo UF. Bằng sáng
chế của Trung Quốc CN13262301, 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, sản phẩm cuối cùng là
keo UF ít độc hại với hàm lượng formaldehyde tự do dưới 0,1%. Thêm một lượng
nhỏ rượu Polyvinyl (Polyvinyl alcohol - PVA) biến tính vào quá trình tổng hợp keo
UF có thể làm tăng tính chất dẻo và độ nhớt của keo UF, gia tăng tính dán dính ban
đầu của keo, cải thiện các tính chất của keo. Nhóm hydroxyl chứa trong rượu
Polyvinyl có thể được tham gia phản ứng với Formaldehyde và liên kết với nhóm
hydroxyl của keo UF, do đó việc bổ sung rượu Polyvinyl có thể làm giảm hàm lượng
Formaldehyde tự do của keo ở một mức độ nhất định, và rượu Polyvinyl là một hợp
chất cao phân tử có tính dẻo hình thoi dài, có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của keo
để có ảnh hưởng nhất định đến khả năng sản xuất. Khả năng tương thích của rượu
polyvinyl và keo UF không tốt, nên hàm lượng thêm vào không nên vượt quá 5%,
nếu không sẽ sản sinh ra gel [83].
Gu Xupeng [85] đã điều chế ra chất thu giữ Formaldehyde được gọi là chất phụ
gia tổng hợp PQ bằng việc sử dụng rượu Polyvinyl, có thể đạt được đồng thời mục
đích làm giảm hàm lượng Formaldehyde tự do của sản phẩm và nâng cáo tính ổn
định lưu trữ của keo.
Cao Xiaoling [82] tổng hợp được keo UF 1,5% và 4% tổng lượng urea phân bố
lượng dùng của PVA và Triamine (tỷ lệ mol là 1,4), tính chất của keo tốt, hàm lượng
formaldehyde tự do thấp, đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường.
Tan Dezhi [25] và cộng sự đã rút ngắn chu kỳ sản xuất keo trong khoảng 2 giờ
bằng cách sử dụng rượu Polyvinyl biến tính keo UF, nâng cao đáng kể hiệu quả sản
xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm dán dính.
12
Zhang Feng [31] sử dụng đồng thời rượu Polyvinyl và chất phụ gia Aldehyde
muối của axit Sunfuric-CMC và Natri Silicat, tách nước nhanh sau phản ứng ngưng
tụ keo, hàm lượng Formaldehyde tự do của keo được tạo ra thấp hơn 0,3%, thời gian
lưu trữ trên 3 tháng.
Yu Hongwei [38] đã dùng 1,6% Melamine và 2,5% rượu Polyvinyl so với tổng
lượng Urea để thêm vào trong quá trình tổng hợp keo UF, tạo ra keo UF biến tính có
hàm lượng Formaldehyde thấp, đáp ứng tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc.
1.2.3. Nghiên cứu khả năng ép sơ bộ ván dùng keo UF cho hàm lượng
Formaldehyde tự do thấp
Việc ép sơ bộ tấm ván tức là sau khi ván mỏng được tráng keo sẽ được ép nguội
trong thời gian ngắn trước khi ép nhiệt, hình thành hợp chất kết dính bước đầu sử
dụng phôi ván, sau đó lại tiếp tục ép nhiệt, quy trình bổ sung việc ép nguội trước thời
gian ngắn gọi là ép trước hoặc ép sơ bộ [75].
Để đáp ứng các yêu cầu Formaldehyde phát thải của sản phẩm keo trong tiêu
chuẩn GB 18580, nhiều nhà máy ván dán đã bắt đầu sản xuất và sử dụng các loại keo
UF có tỷ lệ mol F:U thấp.
Mặc dù keo tổng hợp bằng phương pháp này có hàm lượng Formaldehyde thấp,
nhưng do khả năng đóng rắn dẫn đến tỷ lệ mol thấp có thể làm cho cường độ ép trước
phần lớn không thích ứng với sự thay đổi của quá trình sản xuất ván dán, nên hiện
nay vẫn chưa đưa ra phương pháp thử nghiệm nào tương ứng, từ yêu cầu sản xuất
thực tế, có rất nhiều tác giả bắt đầu tiến hành nghiên cứu theo hướng này.
Trong sản xuất ván dán, hiện nay công nghệ tráng keo 02 lần được sử dụng rộng
rãi, để đáp ứng nhu cầu nâng cao năng suất ứng dụng sản xuất trong và ngoài nước
cần phải thông qua phương pháp không thao tác xếp ván và tăng số lượng các lớp ép
nhiệt, yêu cầu các tấm ván vẫn phải ép nguội trước khi cho vào ép, bước đầu hình
thành sơ bộ sau mới lại tiếp tục ép nhiệt [69].
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả ép trước của phôi ván, Wei Shuangying
[68] và cộng sự thông qua việc tiến hành phân tích các nhân tố như độ ẩm, chất đóng
rắn của ván mỏng thì thấy nhân tố chủ yếu làm ảnh hưởng tới khả năng ép trước là
13
độ ẩm ván mỏng. Trong thí nghiệm, khả năng ép trước của phôi ván sẽ giảm nhanh
khi độ ẩm của ván mỏng tăng dần. Các nhân tố khác như: điều kiện ép trước, các loài
cây và các tính chất khác của keo UF đều ảnh hưởng khác nhau đối với khả năng ép
trước của ván dán. Để đáp ứng yêu cầu ép trước phôi ván, hiện nay, thêm rượu
Polyviyl vào giai đoạn đầu biến tính keo và thêm chất phụ gia trong quá trình pha keo
trước khi tráng là phương pháp thường được sử dụng. Trên dây truyền sản xuất cho
thấy, phương pháp trên về cơ bản có thể đáp ứng các yêu cầu ép trước phôi ván,
nhưng vấn đề đi kèm với nó là tính ổn định của keo kém, thời gian sống của dung
dịch keo sau khi pha ngắn, độ bền dán dính của ván dán không ổn định.
Shen Zhehong và cộng sự [98] đã thêm một lượng rượu Polyvinyl vào trong keo
để tăng độ nhớt của keo, đồng thời phát hiện ra việc gia tăng lượng chất đóng rắn và
bột cũng có thể nâng cao tính kết dính ban đầu của keo, do đó làm cho khả năng ép
trước của sản phẩm được cải thiện ở mức độ nhất định, nhưng hiệu quả không cao.
Han Shuguang và cộng sự [69] đã tiến hành biến tính keo UF bằng cách thêm
rượu Polyvinyl (PVA) và Melamine và đánh giá về sự ảnh hưởng của độ bền ép trước
và tính chất của keo, kết quả cho thấy Melamine có hạn đối với việc nâng cao độ bền
ép trước phôi ván, PVA cho thấy có thể cải thiện đáng kể chất kết dính ban đầu của
keo, nhưng độ bền ép trước không phụ thuộc vào kích thước của tính kết dính ban
đầu, hàm lượng Formaldehyde tự do nhiều hay ít trong keo UF không ảnh hưởng
nhiều đến độ bền ép trước.
Zhang Tiejun và cộng sự [75] đã thêm axit H3NSO3 vào trong hỗn hợp khi tổng
hợp keo UF, độ hòa tan trong nước của keo được tăng lên, thời gian lưu giữ được kéo
dài, chất giữ nước có thể ngăn chặn sự kết dính khô được thêm vào trong khi điều
chỉnh keo, thời gian sống của dung dịch keo được kéo dài, keo có hiệu quả ép trước
tốt hơn, cho nên tính năng liên kết ván dán có chế độ ép phù hợp với tiêu chuẩn ván
dán loại II của Trung Quốc.
Wang Shumin và cộng sự [70] đã tổng hợp keo UF với tỷ lệ F:U là 1,03 và
lượng Formaldehyde phát thải của ván nhỏ hơn 0,5 mg/L bằng cách thêm một loại
14
chất biến tính (axit kim loại), và phân tích sự ảnh hưởng của chất biến tính đối với độ
bền ép trước và khả năng ép trước của phôi ván.
Shen Zhehong và cộng sự [98] đã biến tính keo bằng cách sử dụng chất phụ gia DDS
kết hợp với chất cation RN, rút ngắn thời gian ép trước, khả năng ép trước của keo cải
thiện đáng kể đến việc làm giảm tỷ lệ mol, đáp ứng yêu cầu sản xuất trên thực tế.
Liu Qiming [60] đã thông qua thí nghiệm và cho thấy tỷ lệ mol tổng hợp của
keo UF cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng ép trước, để làm cho chất kết dính keo
UF có khả năng ép trước tốt, sau đó tỷ lệ mol tổng hợp cần được kiểm soát trên 1,8.
Jiao Dexian và cộng sự [23] đã tiến hành biến tính keo UF bằng cách thêm tinh
bột oxi hóa và thêm API khi điều chỉnh keo trong giai đoạn cuối của quá trình tổng
hợp keo, thực nghiệm cho thấy theo số lượng API tăng, khả năng ép trước của ván
dán được nâng lên, mà biến tính tinh bột oxi hóa chỉ có thể cải thiện khả năng ép
trước của ván dán trong một phạm vi nhất định, khả năng ép trước không tăng mà lại
giảm sau khi sử dụng vượt quá lượng cho phép, không đạt được mục tiêu thí nghiệm
dự kiến.
Wang Yongqiu và cộng sự [88] sử dụng bột và protein thực vật thay vì rượu
Polyvinyl để biến tính keo UF, hiệu quả của ép trước đối với keo UF biến tính theo
mô hình đưa ra là tốt, đến giai đoạn ép nhiệt sẽ ít khuyết tật hơn, đồng thời nâng cao
được tính ổn định lưu trữ và khả năng chống đóng rắn keo UF. Hiệu quả đối với việc
chống đóng rắn keo UF khi nhiệt độ môi trường xuống thấp đặc biệt có ý nghĩa ở khu
vực phía bắc khi keo được sản xuất trong mùa đông.
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây đã có một số công trình nghiên cứu về keo UF. Tuy
nhiên, các công trình nghiên cứu về tổng hợp keo UF theo hướng thân thiện môi
trường, cụ thể làm giảm phát thải Formaldehyde còn rất hạn chế.
Năm 2007, tác giả Trần Văn Chứ [2] trong một nghiên cứu tổng hợp keo UF
cũng đưa ra một số kết quả khả quan dùng chủ yếu trong công nghệ sản xuất ván LVL
và hàm lượng phát thải trong ván vẫn chưa đạt đến giá trị an toàn với sức khoẻ con
người mà tổ chức IARC đưa ra.
15
Năm 2012 tác giả Nguyễn Văn Định và Phạm Văn Tiến [5] đã nghiên cứu sản
xuất keo dán gỗ để thay thế cho keo nhập khẩu. Trong đó, kết quả cho thấy keo UF
được tổng hợp có tính chất kỹ thuật hoàn toàn phù hợp để sản xuất ván dăm, hàm
lượng Formaldehyde tự do thấp hơn so với một số loại keo nhập khẩu. Cụ thể chỉ số
này là 0,96% với tỷ lệ U : F = 1/2 và 1,96 với tỷ lệ U : F = 1/1,6. Mặc dù kết quả của
đề tài có hàm lượng Formaldehyde thấp hơn một số loại keo khác nhưng chỉ số này
vẫn còn khá cao so với quy định của tổ chức nghiên cứu về ung thư quốc tế IARC
(0,11ppm).
Năm 2005, Phạm Đức Thắng và Đào Hùng Cường [12] đã nghiên cứu biến tính
keo UF bằng Melamine. Trong nghiên cứu này, tác giả cho biết việc sử dụng
Melamine là tác nhân biến tính đã làm tăng độ bền cơ lý của keo UF. Quá trình biến
tính được thực hiện ở nhiệt độ 80 - 95oC với độ pH từ 7,0 - 7,5.
Có thể nói, hầu hết công trình nghiên cứu về keo UF ở Việt Nam như biến tính
keo hay tổng hợp nên một loại keo mới, ... cũng chỉ làm giảm được phần nào đó sự
phát thải Formaldehyde mà chưa thể đưa được chỉ số này về ngưỡng an toàn theo tiêu
chuẩn môi trường.
1.4. Yêu cầu của keo dùng trong sản xuất ván dán
Hiện nay, trong sản xuất ván dán thường sử dụng 2 loại keo là keo UF (urea
formaldehyde) và keo PF (phenol formaldehyde), trong đó keo UF được sử dụng phổ
biến hơn. Chất lượng keo dán có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ván dán [3], thể
hiện qua các thông số như: độ nhớt, lượng keo tráng, độ pH, hàm lượng khô, thời gian
đóng rắn, thời gian sống, formaldehyde dư, …
Độ nhớt đặc trưng cho nội lực sinh ra trong keo khi các phân tử chuyển động
trượt lên nhau, nó quyết định khả năng thấm ướt của keo lên bề mặt gỗ. Muốn thu
được màng keo mỏng, liên tục và đều thì keo phải có độ nhớt phù hợp. Độ nhớt keo
thấp là do mức độ trùng ngưng của keo thấp, chất lượng dán dính thấp. Độ nhớt cao
thì khả năng dàn trải keo lên bề mặt ván mỏng khó, sẽ không tạo ra được màng keo
liên tục. Độ nhớt phù hợp để sản xuất ván dán đối với keo UF là 400 – 600 mPa.s
16
(Brookfield LVT, sp2 30 vòng/phút, 25 oC), với keo PF là 300 – 450 mPa.s
(Brookfield LVT, sp2 30 vòng/phút, 25 oC).
Hàm lượng khô ảnh hưởng đến chất lượng mối dán vì trong quá trình dán ép
dung môi chủ yếu của keo được gỗ hút thấm. Nếu hàm lượng khô thấp sẽ khiến độ
ẩm của sản phẩm cao. Trong điều kiện ép nhiệt, nếu hàm lượng khô của keo thấp sẽ
dẫn tới độ nhớt của keo giảm đáng kể, chất lượng mối dán giảm. Mặt khác khi hàm
lượng khô thấp thường có hiện tượng keo bị đóng rắn trong dung môi trước khi sử
dụng. Ngược lại nếu hàm lượng khô của keo quá cao, khả năng trải đều giữa keo và
gỗ khó, tạo màng keo không liên tục. Trong sản xuất ván dán hàm lượng khô phù hợp
với keo UF là 52 – 56 % [4].
Trong thực tế sản xuất, chi phí keo chiếm khoảng 25% giá thành sản phẩm. Vì
vậy, người ta tìm nhiều cách để giảm chi phí keo. Để giảm chi phí keo, trong sản xuất
ván dán thường dùng tinh bột, bột gỗ, … làm chất độn, lượng chất độn sử dụng sao cho
không làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối dán. Lượng keo tráng thông thường là
140 – 240 g/m2 bề mặt ván mỏng [3] tùy vào chiều dày ván mỏng, với ván mỏng 1,5
mm thì lượng keo tráng là 140 – 165 g/m2 [4]. Ngoại quan keo UF dùng cho ván dán
phải là dung dịch nhớt mà trắng sữa, không có tạp chất, độ pH từ 7 – 8.
Hàm lượng formaldehyde dư trong keo có ảnh hưởng không nhỏ đến hàm
lượng formaldehyde phát tán từ ván thành phẩm. Theo Quy chuẩn Việt Nam về keo
dán gỗ [7] quy định hàm lượng formaldehyde dư trong keo ≤ 1,4 %.
Thời gian đóng rắn của keo là thời gian để cho dung dịch keo chuyển từ pha
lỏng sang dạng đông cứng trong một điều kiện nhiệt độ nhất định, là căn cứ để xác
định thời gian ép ván trong quá trình sản xuất. Để đảm bảo đủ thời gian trong quá
trình thao tác và thuận tiện cho sự kết dính keo – gỗ thì thời gian đóng rắn cần nhỏ
hơn 120 giây.
1.5. Nhận xét đánh giá và định hướng nghiên cứu
Từ các nghiên cứu đề cập ở trên có thể thấy, keo UF sau khi biến tính có các
đặc điểm sau:
17
(1) Hàm lượng Formaldehyde dư trong keo giảm đáng kể, làm cho hàm lượng
Formaldehyde phát thải từ ván nhân tạo cũng giảm theo. Để thu được kết quả này cần
khống chế tỷ lệ mol tổng F:U không nên lớn hơn 1,4.
(2) Số lần bổ sung Urea và tỷ lệ mỗi lần bổ sung cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn
đến hàm lượng Formaldehyde dư. Để tránh phức tạp trong quá trình tổng hợp, số lần
thêm Urea không nên nhiều hơn 3. Tỷ lệ mỗi lần bổ sung cần căn cứ tỷ lệ mol tổng
để đảm bảo giai đoạn phản ứng cộng diễn ra thuận lợi và lần cuối thêm Urea có thể
phản ứng được với Formaldehyde dư
(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. Nghiên cứu chất
biến tính nên theo hướng cải thiện được thêm các nhược điểm khác của keo UF như
khả năng chịu ẩm kém, màng keo sau đóng rắn có tính giòn, …
Một số phương pháp đã được triển khai nhằm làm giảm hàm lượng
formaldehyde. Giảm tỷ lệ mol, thêm chất biến tính để khử Formaldehyde là một trong
những cách tiếp cận hiệu quả và thiết thực nhằm nâng cao tính năng keo.
Gần đây, Essawy et al. [28, 29] và Zhou et al. [99] đã báo cáo các polyme siêu
phân nhánh hoạt động có thể làm giảm hàm lượng formaldehyde tự do của keo UF
Như chúng ta đã biết, PVA là một tác nhân thu gom formaldehyde tuyệt vời, có
thể dùng để điều chế keo UF có hàm lượng formaldehyde thấp với độ nhớt thích hợp.
Mặt khác, PVA là một polymer mà trên chuỗi có chứa nhiều nhóm (-OH), có khả
năng phản ứng với Urea và với Formaldehyde để hình thành nên các đại phân tử
thông qua các cầu nối liên kết, tạo ra mạng lưới hỗn hợp đan xen nhau [48]. Đây là
một trong những cơ sở để tin rằng PVA hoạt động như một chất điều hòa làm ổn định
tính dính kết của keo UF. Bên cạnh đó, khi đun nóng PVA nó trở nên mềm hóa có
thể kéo dài như cao su. Điều này góp phần củng cố về việc kỳ vọng cải thiện được
tính giòn của màng keo UF – vốn là một trong những nhược điểm của loại keo phổ
biến này.
18
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 để 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 tổng hợp 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 quy định của Quy chuẩn Việt Nam (QCVN) và Tiêu
chuẩn Việt Nam (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
19
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%.
- 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 trong quá trình tổng hợp keo: không thay đổi, và được thiết lập
cụ thể trong quy trình tổng hơp keo.
+ Thời gian tổng hợp keo: không thay đổi, và được thiết lập cụ thể trong
quy trình tổng hợp keo.
+ Thời điểm cho PVA vào: PVA được cho vào trong quá trình phản ứng
ở giai đoạn đầu – Giai đoạn xảy ra phản ứng cộng.
+ Chất xúc tác trong quá trình phản ứng: NaOH 20%, Acetic acid
(CH3COOH) 15%
- Các yếu tố cố định để tạo ván dán: ván mỏng gỗ Keo lai, dày 1,5 mm, không
có mắt, lượng keo tráng: 150 g/m2, ván mỏng kích thước 350 x 350 x 1,5 mm có độ
ẩm 13 – 15% được quét keo lên 2 mặt. Ép sơ bộ trong 30 phút với áp lực ép 1,0 MPa.
Ép nhiệt với thời gian 1,5 phút/mm tại nhiệt độ ép: 120 oC và áp lực ép: 1,2 MPa.
- Thiết bị và dụng cụ
+ Thiết bị tổng hợp keo điều khiển tự động tự chế tạo (hình 2.1) (gồm 2
cảm biến xác định chính xác nhiệt độ trong và ngoài dung dịch keo trong quá trình
tổng hợp, giá trị nhiệt độ hiển thị trên máy tính);
+ Bình ba cổ 1000 mL;
+ Cân phân tích TX-4202L, hãng Shimadzu (Nhật);
+ Máy đo pH: H198127, châu Âu;
+ Cốc thủy tinh, đũa thủy tinh;
+ Tủ sấy thí nghiệm: Memmert, UM400 (Đức)
Các thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm Thí nghiệm và Phát triển Công
20
nghệ của Viện Công nghiệp gỗ và Nội thất – Trường Đại học Lâm nghiệp.
Hình 2.1. Thiết bị tổng hợp keo điều khiển tự động
b) Yếu tố thay đổi:
Căn cứ vào tài liệu tham khảo [83], do khả năng tương thích của rượu polyvinyl
và keo UF không tốt, nên hàm lượng thêm vào không nên vượt quá 5%, nếu không
sẽ sản sinh hiện tượng gel hóa. Theo Zhang và cộng sự [96], khi tỷ lệ PVA/U từ
0,0025 đến 0,01 thì trạng thái kết tinh của keo UF sẽ trở nên đồng đều hơn, một số
tính năng keo được cải thiện rõ rệt. Ngoài ra, trong nghiên cứu thăm dò cho thấy, khi
lượng dùng PVA lớn hơn 3,5% thì không tạo thành keo dán, mà sản phẩm tạo ra có
dạng hồ (gel hóa) và đôi khi thành dạng hạt, phân lớp rất nhanh sau khi để ổn định.
Vì vậy, nghiên cứu đã chọn lượng dùng PVA từ 3,5% trở xuống. Đối với tỷ lệ mol
trong giai đoạn phản ứng cộng cần đảm bảo sao cho phản ứng tạo ra lượng lớn
dimethylolurea nên thường lớn hơn 1,6 [4, 56, 57].
Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol F:U1 đến chất
lượng keo, các thông số thí nghiệm được thiết lập như sau:
- Cố định tỉ lệ mol F : U trong hỗn hợp nguyên liệu nguồn là: 1,1.
- Thay đổi tỉ lệ mol giữa F và U1 trong giai đoạn phản ứng cộng theo 5 mức
gồm: 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1.
- Thay đổi lượng dùng PVA so với U tổng: 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%, 2,5%
21
- Trong nghiên cứu ảnh hưởng của đơn yếu tố, khi thay đổi lượng dùng PVA thì
cố định tỷ lệ mol F:U1 là 1,8. Khi thay đổi tỷ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng
thì cố định lượng dùng PVA là 1,5%.
c) Các chỉ tiêu chất lượng của keo 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 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
2.3.1. Nghiên cứu quy hoạch đơn yếu tố
(1) Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol F : U1 đến chất
lượng keo UF;
(2) Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol F : U1 đến chất
lượng ván dán.
2.3.2. Nghiên cứu quy hoạch đa yếu tố
(1) Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol F : U1 đến chất
lượng keo UF;
(2) Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng dùng PVA và tỉ lệ mol F : U1 đến chất
lượng ván dán.
2.3.3. Xây dựng quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA
Phân tích và đề xuất quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA dùng để
sản xuất ván dán.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp lý thuyết
22
Kế thừa các công trình nghiên cứu liên quan để nghiên cứu cơ sở lý thuyết
tổng hợp keo UF.
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm trong Luận án được mô tả theo sơ đồ sau:
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án
Đầu tiên tiến hành tìm hiểu về cơ sở lý thuyết và nguyên liệu để hiểu rõ về
nguyên lý hình thành keo UF và cơ chế tác động của các chất biến tính, trong đó có
PVA, từ đó xác định các bước công nghệ chủ yếu trong quá trình tổng hợp keo. Ở
giai đoạn nghiên cứu này, phương pháp nghiên cứu chủ yếu sử dụng là khảo sát thực
tiễn và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.
23
Từ các kết quả nghiên cứu trên, đề tài tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và
lựa chọn các bước công nghệ tổng hợp keo hợp lý, làm căn cứ để tiến hành thực
nghiệm. Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành để thăm dò sự ảnh hưởng của tỷ lệ
thành phần nguyên liệu đến chất lượng keo UF biến tính và chất lượng ván dán. Tiếp
tục thực nghiệm đa yếu tố với biến số là lượng dùng PVA, tỷ lệ mol trong giai đoạn
phản ứng cộng (F:U1) theo các bước công nghệ đã xác định. Trên cơ sở kiểm tra,
phân tích, đánh giá các kết quả thực nghiệm, đưa ra các bước công nghệ hợp lý cho
quá trình tổng hợp keo UF biến tính thông qua việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp.
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu ở đây là nghiên cứu thực nghiệm và xử lý thống kê
toán học.
2.4.2.1. Bố trí thí nghiệm
Việc xác định các yếu tố nghiên cứu được căn cứ vào lý thuyết công nghệ tổng
hợp keo UF. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng trùng ngưng và tính chất keo
UF gồm: tỷ lệ mol, pH môi trường phản ứng, nhiệt độ và thời gian phản ứng, nguyên
liệu [4]. Trong đó, các thông số như pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng có thể được lựa
chọn từ quy trình đã có. Như vậy, để biến tính keo UF bằng PVA thì việc sử dụng tỷ
lệ mol và lượng dùng PVA làm thông số đầu vào là phù hợp. Biến đầu ra được chọn
căn cứ theo yêu cầu tính chất của keo cũng như mục đích sử dụng của ván.
(1) Kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố
Trong kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố, mục tiêu chính là thực hiện nghiên cứu
thăm dò để kiểm tra sự phù hợp của mối quan hệ giữa các chỉ tiêu chất lượng keo đối
với tỷ lệ thành phần nguyên liệu (lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1). Do đó trong
các thí nghiệm của thực nghiệm đơn yếu tố, khi nghiên cứu ảnh hưởng của lượng
dùng PVA sẽ lựa chọn một tỷ lệ mol F:U1 cố định, và khi nghiên cứu ảnh hưởng của
tỷ lệ mol F:U1 sẽ lựa chọn một lượng dùng PVA cố định.
Đối với lượng dùng PVA, khi lượng dùng PVA lớn hơn 3,5% thì không tạo
thành keo dán, mà sản phẩm tạo ra có dạng hồ và đôi khi thành dạng hạt, phân lớp rất
nhanh sau khi để ổn định. Vì vậy, nghiên cứu đã chọn lượng dùng PVA từ 3,5% trở
24
xuống. Đối với tỷ lệ mol trong giai đoạn phản ứng cộng cần đảm bảo sao cho phản
ứng tạo ra lượng lớn dimethylolurea nên thường lớn hơn 1,6 [4].
Như vậy căn cứ vào nghiên cứu thăm dò và các tài liệu tham khảo [4, 48, 56, 57,
66, 95], đề tài đã thiết lập các thông số thí nghiệm thay đổi gồm lượng dùng PVA và
tỉ lệ mol F:U1, cụ thể như sau:
- Lượng dùng PVA: 0,5%, 1,0%, 1,5%, 2,0%, 2,5%
- Tỷ lệ mol F:U1: 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1.
Sau khi xác định được khoảng thay đổi của các yếu tố đầu vào, luận án đã tiến
hành các thí nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh
hưởng tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến chất lượng của keo biến tính cũng như chất
lượng ván dán.
Việc xác định dạng hàm tương quan cho kế hoạch thực nghiệm được thực hiện
tuần tự từ dạng hàm bậc nhất, nếu kiểm tra thấy không tương thích sẽ chuyển sang
các bậc cao hơn. Tuy nhiên, để tiết kiệm thời gian và chi phí, nếu đã biết rõ đối tượng
nghiên cứu có đặc điểm phi tuyến thì có thể áp dụng ngay mô hình phi tuyến mà
không cần kiểm tra sự tương thích với mô hình tuyến tính (bậc 1) [1, 13].
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến chất lượng keo UF
biến tính và chất lượng ván dán thì quan hệ giữa các hàm mục tiêu Y và các thông số
ảnh hưởng Xi:
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, cường độ 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.
25
Bảng 2.1. Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của lượng dùng PVA đến
tính chất keo UF và tính chất ván dán
Thông số Thông số đầu ra
Thí đầu vào
nghiệm (lượng dùng Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
PVA, %)
0,5 1
1,0 2
1,5 3
2,0 4
2,5 5
Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm đơn yếu tố ảnh hưởng của tỷ lệ mol F:U1 đến
tính chất keo UF và tính chất ván dán
Thông số đầu ra Thông số Thí đầu vào nghiệm Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 (tỷ lệ mol F:U1)
1,7 1
1,8 2
1,9 3
2,0 4
2,1 5
Để xác định các hệ số của các phương trình hồi quy, sử dụng phương pháp bình
phương cực tiểu. 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
Mục đích của kế hoạch đa yếu tố là nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của lượng
dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 đến chất lượng keo UF cũng như chất lượng ván dán.
26
Mô hình bài toán thực nghiệm đa yếu tố có thể mô tả như sau:
Hình 2.3. Mô hình bài toán xác định các thông số mục tiêu khi 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). Các phương pháp thiết kế thí
nghiệm theo hướng bề mặt đáp ứng gồm có: phương pháp thiết kế phối hợp có tâm
(central composite design - CCD), phương pháp thiết kế Box-Behnken, phương pháp
Doehlert.
Trong luận án, phương pháp thiết kế phối hợp có tâm (CCD) được lựa chọn để
thiết kế thí nghiệm. Như vậy, với số yếu tố đầu vào là k = 2 thì:
+ Cánh tay đòn α = 2k/4 = 1,414
+ Số nghiệm thức được tính theo công thức: 2 k + 2k + n và với số lần lặp ở
nghiệm thức tâm là 5 thì số đơn vị thí nghiệm là: N = 2 k + 2k + 5 = 13
Trong đó: k – Số yếu tố khảo sát (k = 2);
2k – Số nghiệm thức kết hợp đa yếu tố;
2k – Số nghiệm thức “sao” (hay còn gọi là nghiệm thức trục).
Nghiệm thức “sao” có (k – 1) yếu tố là giá trị tâm
n – Số lần lặp tại tâm (n = 5), nghiệm thức tâm là nghiệm thức
mà tại đó tất cả các yếu tố đều ở mức tâm.
Phương trình hồi quy có dạng:
2 + b22X2
2
Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b12X1X2 + b11X1
27
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.
Các mức thí nghiệm được trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Mã hóa biến và các mức độ khảo sát
Giá trị Nhân tố (biến) Mã hóa 0 +1 +α -α -1
Lượng dùng PVA (%) X1 0,6 1,0 2,0 3,0 3,4
Tỷ lệ mol F:U1 X2 1,76 1,80 1,90 2,00 2,04
Bảng 2.4. Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến
tính chất keo UF và tính chất ván dán
STT X1 X2 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
1 2,0 (0) 1,90 (0)
2 2,0 (0) 1,90 (0)
3 3,4 (+α) 1,90 (0)
4 2,0 (0) 2,04 (+α)
5 1,0 (-1) 1,80 (-1)
6 3,0 (+1) 2,00 (+1)
7 2,0 (0) 1,90 (0)
8 2,0 (0) 1,90 (0)
9 1,0 (-1) 2,00 (+1)
10 2,0 (0) 1,90 (0)
11 2,0 (0) 1,76 (-α)
12 0,6 (-α) 1,90 (0)
13 3,0 (+1) 1,80 (-1)
2.4.2.2. Kiểm tra, đánh giá số liệu
Sau khi thực hiện các thí nghiệm, thu được kết quả của các đáp ứng đối với keo
gồm: hàm lượng khô, thời gian đóng rắn, độ tan trong nước, hàm lượng formaldehyde
28
tự do và kết quả các đáp ứng đối với ván gồm: cường độ kéo trượt màng keo, độ bền
uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh (kết quả được trình bày tại phần Phụ lục). Sử dụng
phần mềm Design Expert 11 để xử lý số liệu. Đánh giá tính tương thích của mô hình
hồi quy bằng việc phân tích phương sai ANOVA. Dựa vào giá trị P của các số hạng
trong mô hình để xem xét tính có ý nghĩa về mặt thống kê của mô hình. Sự không
phù hợp LOF (Lack of fit) phản ánh độ rời rạc của dữ liệu, mô hình được coi là tốt
khi LOF không có ý nghĩa thống kê (P > 0,05). Để đánh giá mức độ tương thích của
mô hình dự đoán so với thực nghiệm, căn cứ vào giá trị R2, độ tương thích tốt là khi
R2 > 0,8. Độ chính xác phù hợp AP (Adeq precision) được dùng để định hướng cho
không gian thiết kế, với AP > 4 thì mô hình có thể dùng để chuyển hướng sang ranh
giới tối ưu [16].
2.4.2.3. Phân tích và giải bài toán tối ưu
Sau khi thực hiện quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố, luận án đã xác định được
giá trị của các yếu tố đầu vào để thu được giá trị tốt nhất của mỗi mục tiêu Y. Tuy
nhiên, giá trị tốt nhất của các yếu tố khảo sát cho mục tiêu Y1 thì thường không phải
là giá trị tốt nhất cho mục tiêu Y2 khác. Để tìm được giá trị của các yếu tố khảo sát
có thể dung hòa nhiều mục tiêu, luận án sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM.
Phần mềm Design Expert 11 ngoài việc mô hình hóa thí nghiệm và phân tích
các kết quả thực nghiệm, xây dựng phương trình hồi quy thì còn giúp giải bài toán tối
ưu cho đồng thời nhiều đáp ứng. Phần mềm này chạy theo thuật toán bề mặt đáp ứng
(response surface) là một tập hợp các kỹ thuật toán học mô tả mối quan hệ giữa một
số độc lập các biến với một hoặc nhiều câu trả lời (các đáp ứng hay mục tiêu). Phương
pháp RSM được phát triển bởi Box và Wilson (1951) và đã được sử dụng rộng rãi
như một kỹ thuật để thiết kế thí nghiệm kể từ đó đến nay. Phương pháp RSM dựa
trên sự phù hợp của các mô hình toán học cho ra kết quả thử nghiệm thông qua thí
nghiệm được thiết kế và xác minh mô hình bằng các kỹ thuật thống kê [16].
* Kiểm chứng bằng thực nghiệm: tổng hợp keo UF theo giá trị tối ưu và so sánh với
kết quả dự đoán của mô hình.
2.4.2.2. Quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA
29
Keo UF biến tính PVA được tổng hợp theo sơ đồ hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA
Trong đó:
F – Formaldehyde (Formalin)
U – Urea tổng
U1 – Urea cho vào lần 1 thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng
U2 – Urea cho vào lần 2 tương đương 30% lượng U tổng
U3 – Urea cho vào lần 3 thay đổi theo U1
Các bước tiến hành cụ thể như sau:
B1: Cho F vào bình 3 cổ, dùng NaOH 20% điều chỉnh pH lên 8,5-9,0
B2: Cho U1 vào, tăng nhiệt lên 40oC
B3: Cho PVA vào, tăng nhiệt lên 60oC (1oC/min), duy trì 15 phút
B4: Tăng nhiệt lên 90-92oC (2oC/min), duy trì trong 1h
B5: Cho U2 vào, duy trì nhiệt độ 15 phút
30
B6: Điều chỉnh pH xuống 5-5,5, kiểm tra hỗn hợp (xuất hiện vẩn đục trắng)
B7: Điều chỉnh pH lên 7,0-8,0, cho U3 vào, phản ứng tiếp trong 20 phút
B8: Điều chỉnh pH xuống 6-6,5, kiểm tra xác định điểm cuối bằng máy đo độ
nhớt (đạt 190 mPa.s).
B9: Điều chỉnh pH = 8,0, giảm nhiệt, lấy keo ra.
Trong quá trình tổng hợp keo UF, nhiệt độ keo và nhiệt độ nước được kiểm soát
100
90
80
70
) C o ( ộ đ
t ệ
i
60
h N
50
40
30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Thời gian (phút)
Nhiệt độ nước
Cà i đặ t
Nhi ệt độ keo
bằng thiết bị tự động (hình 2.1) và được thể hiện trên đồ thị hình 2.5.
Hình 2.5. Đồ thị kiểm soát nhiệt độ trong quá trình tổng hợp keo
2.4.2.3. 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 formaldehyde (UF), phenol
formaldehyde (PF) và melamine formaldehyde (MF) [11]. Hàm lượng formaldehyde
31
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.
(1) Hàm lượng khô
* Phương pháp sử dụng: cân – sấy – cân
* Số lượng mẫu: 3 mẫu/chế độ thí nghiệm
* Mẫu keo: 2 gam
* Dụng cụ: đĩa thủy tinh, tủ sấy thí nghiệm, cân điện tử độ chính xác 0,001 g
* Quy trình: Cân xác định khối lượng đĩa thủy tinh M (g). Lấy 2 (g) keo cho
vào đĩa. Đặt đĩa keo vào tủ sấy và sấy ở nhiệt độ 120 oC trong 2 giờ. Đặt mẫu trong
bảo ôn để làm nguội xuống nhiệt độ thường. Cân xác định khối lượng keo và đĩa sau
sấy là N (g).
* Công thức xác định:
Trong đó: m1 là lượng keo sau khi sấy, tính bằng gam, m1 = N – M (g);
m0 là lượng keo trước khi sấy, tính bằng gam.
(2) Thời gian đóng rắn (Curing time)
Quy trình xác định: Lấy 10 ml keo cho vào ống thủy tinh thí nghiệm. Đặt ống
thủy tinh vào bình nước sôi và bắt đầu bấm đồng hồ xác định thời gian. Dùng đũa
thủy tinh liên tục khuấy keo. Khi keo đông đặc không thể khuấy được, đọc thời gian
trên đồng hồ.
Số lượng mẫu: 3 mẫu/chế độ thí nghiệm
(3) Độ tan trong nước
* Dụng cụ: ống đong 50 ml; cân phân tích có độ chính xác 0,001 g; bình đun
tam giác 250 ml; nhiệt kế thủy ngân từ (0 – 5) oC, mỗi vạch là 0,2 oC; bình nước định
ôn.
* Số lượng mẫu: 3 mẫu/chế độ thí nghiệm
* Cách tiến hành: cân 5 g mẫu keo (chính xác đến 0,001 g) đổ vào bình đun
tam giác, cắm nhiệt kế vào. Đặt bình tam giác vào bình nước định ôn có nhiệt độ (25
32
± 5) oC làm cho nhiệt độ mẫu đạt 25 oC. Dùng ống đong lấy nước cất đã gia nhiệt đến
25 oC, đổ từ từ vào bình đun tam giác và khuấy đều. Sau khi lắc đều dung dịch, tiếp
tục cho nước đến khi trong dung dịch hoặc trên thành bình xuất hiện những chất
không hòa tan rất nhỏ, đọc lượng nước. Kết quả giữa 2 lần xác định, lấy chính xác
đến 1 chữ số sau dấu phảy, lấy giá trị trung bình.
* Công thức xác định:
Trong đó: L – số lần nước trộn vào;
W – khối lượng nước cho vào, g
G – khối lượng mẫu, g
(4) Hàm lượng Formaldehyde tự do
* Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 11569:2016 [10]
* Phương pháp xác định: phương pháp sulfit
* Số lượng mẫu: 3 mẫu/chế độ thí nghiệm
* Thuốc thử: dung dịch natri sulfit, nồng độ C(Na2SO3) = 1mol/l; acid acetic,
nồng độ C(CH3COOH) = 1 mol/l; dung dịch natri carbonat, nồng độ C(Na2CO3) =
100 g/l; dung dịch đệm; iot; dichrolomethan; tinh bột; nước chứa đá lạnh; đá lạnh.
* Dụng cụ, thiết bị: máy khuấy tốc độ cao, máy khuấy từ, bồn đá lạnh, buret
hoặc micro-buret có dung tích phù hợp, pipet 10 ml và 25 ml, cân điện tử chính xác
đến 0.001g
* Cách tiến hành: ước lượng hàm lượng formaldehyde tự do trong keo để xác
định lượng mẫu thử theo giá trị gần đúng (bảng 3 - TCVN 11569:2016). Cân mẫu thử
chính xác đến 0.001 g và bỏ vào cốc thủy tinh dung tích 600 ml. Duy trì nhiệt độ của
dung dịch trong cốc thủy tinh không lớn hơn 0 oC trong suốt quá trình xác định, nếu
cần có thể cho thêm đá xay mịn vào hỗn hợp.
+ Trong trường hợp các sản phẩm keo tan trong nước, ngay lập tức hòa tan
mẫu thử vào trong hỗn hợp của 150 ml nước chứa đá lạnh, khoảng 10 g đá xay mịn
và 25 ml dung dịch đệm.
33
+ Trong trường hợp các sản phẩm keo không tan trong nước, ngay lập tức hòa
tan mẫu thử vào 50 ml dichloromethan. Sau đó thêm vào một hỗn hợp của 150 ml
nước đá lạnh, 20 g đá xay mịn, 25 ml dung dịch đệm và nhũ hóa dung dịch bằng máy
khuấy tốc độ cao trong 10 giây. Ngừng khuấy và rửa cánh khuấy bằng một lượng nhỏ
nước đá lạnh để loại bỏ dung dịch bám trên máy. Lấy phần dung dịch rửa này cho
vào dung dịch thử.
Đặt cốc thủy tinh vào trong bồn đá lạnh và khuấy liên tục dung dịch bên trong
cốc bằng máy khuấy từ. Trong quá trình khuấy, dùng buret cho thêm vào 2 ml dung
dịch natri sulfit. Tiếp tục khuấy 15 phút, sau đó thêm 10 ml acid acetic cùng với 50
mg tinh bột khô dạng bột hoặc 3 đến 4 giọt dung dịch tinh bột. Chuẩn độ với dung
dịch Iot tới khi đạt được màu xanh xám hoặc tím ổn định trong ít nhất 10 giây. Sau
đó thêm vào 30 ml dung dịch natri carbonat. Chuẩn độ natri sulfit tạo ra bằng dung
dịch iot cho đến khi đạt được màu xanh ổn định trong ít nhất 1 phút. Ghi lại thể tích
V của iot đã được dùng để chuẩn độ natri sulfit tạo ra.
* Công thức xác định: hàm lượng formaldehyde tự do w(CH2O, tự do) được
tính theo công thức:
Trong đó:
w (CH2O, tự do): hàm lượng formaldehyde tự do có trong mẫu thử, %
khối lượng;
V: thể tích dung dịch iot đã sử dụng, ml;
1,5: khối lượng formaldehyde tương ứng với 1,00 ml dung dịch iot,
nồng độ c(I2) = 0,05 mol/l, tính bằng mg;
0,1: hệ số chuyển đổi cần thiết để chuyển mg thành g để biểu thị w theo
1% khối lượng;
m: khối lượng mẫu thử, g;
34
f: hệ số điều chỉnh liên quan đến sự khác biệt trong nồng độ của dung
dịch iot trước chuẩn độ, c1(I2), mol/l và sau chuẩn độ c2(I2), mol/l, tính
theo công thức:
Cân phân tích Tủ sấy thí nghiệm
Máy đo độ nhớt Máy đo pH
Hình 2.6. Một số thiết bị dùng xác định tính chất keo
2.4.2.4. Phương pháp xác định các tính chất của ván
35
* Tạo mẫu ván dán, sử dụng keo UF biến tính PVA đã tổng hợp
- Ván mỏng gỗ Keo lai, dày 1,5 mm
- Kích thước ván mỏng: dài x rộng x dày = 350 mm x 350 mm x 1,5 mm
- Độ ẩm ván mỏng: 13-15%
- Ván mỏng được bóc ở cùng một máy ép, với thông số công nghệ bóc cố định,
được để khô tự nhiên đến độ ẩm thăng bằng trong phòng thí nghiệm.
- Số lớp ván dán: 5 lớp
- Kích thước ván dán: dài x rộng x dày = 300 mm x 300 mm x 7 mm
- Loại keo: Keo UF biến tính bằng PVA quy trình tổng hợp của nghiên cứu
- Lượng keo tráng: 150 g/m2
- Áp suất ép: 1,2 Mpa
- Nhiệt độ ép: 120 oC
- Thời gian ép: 1,5 phút/mm
(1) Độ bền dán dính
Trong thí nghiệm của luận án sẽ xác định độ bền kéo trượt màng keo để đánh
giá khả năng dán dính của keo. Phương pháp lấy và cắt mẫu thử được tiến hành theo
TCVN 8328-1:2010 [9].
* Chuẩn bị mẫu:
Mỗi mẫu thử phải được cắt sao cho chiều thớ của lớp gỗ giữa các lớp keo dán
thử nghiệm vuông góc với chiều dài mẫu thử. Để kiểm tra từng lớp keo dán của tấm
gỗ, các mẫu thử được chuẩn bị và xẻ rãnh (vết cắt bằng cưa). Các vết cắt bằng cưa
phải ăn sâu vào bên trong lớp gỗ.
Ổn định mẫu: mẫu thử được ổn định đến khối lượng không đổi trong môi
trường không khí có độ ẩm (65 ± 5) % và nhiệt độ (20 ± 2) oC. Khối lượng được coi
là không đổi khi chênh lệch kết quả giữa hai lần cân liên tiếp cách nhau 24 giờ không
vượt quá 0,1 % khối lượng mẫu thử.
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
36
điều kiện tổng hợp keo thay đổi, nhằm xác định thông số công nghệ tổng hợp keo UF
biến tính PVA.
* Kích thước mẫu: dày x rộng x dài = 7 mm x 25 mm x 150 mm
* Kích thước diện tích trượt: dài (l) x rộng (b) = 25 mm x 25 mm
* Số lượng mẫu: 15 mẫu/chế độ thí nghiệm
* Loại keo sử dụng: keo UF biến tính bằng PVA – kết quả tổng hợp của đề tài
* Thiết bị thử kéo trượt: máy MTS25N để xác định lực phá huỷ mẫu khi kéo
* Quy trình kiểm tra: Đo chiều dài và chiều rộng của mẫu thử tại bề mặt trượt
chính xác đến 0,1 mm và ghi lại. Mẫu thử được đặt ở tâm bàn kẹp sao cho tải trọng
có thể truyền từ thiết bị thử nghiệm qua các đầu mẫu thử đến diện tích trượt mà không
gây ra bất kỳ tải trọng nào truyền theo phương ngang. Tốc độ cấp tải không đổi sao
cho kéo đứt xảy ra trong vòng (30 ± 10) giây. Xác định và ghi lại tải trọng tại thời
điểm mẫu bị phá hủy, chính xác đến 0,01 Mpa.
* Công thức xác định:
𝜏 =
𝐹 𝑙𝑏
Độ bền dán dính được xác định thông qua độ bền kéo trượt màng keo τ
Trong đó:
F là lực phá huỷ, tính bằng N;
l là chiều dài diện tích phá huỷ, tính bằng mm;
b là bề rộng diện tích phá huỷ, tính bằng mm.
(2) Độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
* Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 7756-6 : 2007 [8]
* Kích thước mẫu: dày x rộng x dài = 7 mm x 50 mm x 190 mm
* Số lượng mẫu: 15 mẫu/chế độ thí nghiệm
* Thiết bị: máy MTS25N để xác định lực phá huỷ mẫu khi uốn
* Quy trình kiểm tra:
- Đo chiều dày của mẫu thử tại điểm giao nhau của hai đường chéo và đo chiều
rộng tại chính giữa chiều dài mẫu thử
37
- Điều chỉnh khoảng cách giữa các tâm của gối đỡ sao cho phù hợp với chiều
dài mẫu thử, chính xác đến 0,5 mm
- Đặt mẫu thử ngay ngắn trên gối đỡ sao cho trục dọc của mẫu thử vuông góc
với trục của gối đỡ và đầu gia tải nằm chính giữa chiều dài mẫu thử (vị trí đã đo kích
thước).
- Truyền tải lên mẫu thử qua đầu gia tải với tốc độ không đổi, sao cho tải trọng
cực đại đạt được trong thời gian (60 ± 30) giây
- Đo biến dạng tại vị trí điểm giữa của mẫu thử (ngay phía dưới đầu gia tải),
chính xác đến 0,1 mm. Vẽ biểu đồ thể hiện quan hệ giữa tải trọng và biến dạng tương
ứng.
𝜎 =
3𝐹𝑙 2𝑏𝑑2
* Tính toán độ bền uốn tĩnh, đơn vị là MPa, theo công thức sau:
Trong đó:
F là lực phá huỷ, tính bằng N;
l là khoảng cách giữa tâm của 2 gối đỡ, tính bằng mm;
b là bề rộng mẫu thử, tính bằng mm;
d là chiều dày mẫu thử, tính bằng mm.
𝐸 =
𝑙3(𝐹2 − 𝐹1) 4𝑏𝑑3(𝑎2 − 𝑎1)
* Tính toán mô đun đàn hồi uốn tĩnh, đơn vị là MPa, theo công thức sau:
Trong đó:
(F2 – F1) là mức tăng tải trọng trên đoạn thẳng của đường cong tải trọng
– biến dạng, tính bằng N;
(a2 – a1) là mức tăng biến dạng tại giữa chiều dài mẫu thử (tương ứng
với (F2 – F1))
l là khoảng cách giữa tâm của 2 gối đỡ, tính bằng mm;
b là bề rộng mẫu thử, tính bằng mm;
d là chiều dày mẫu thử, tính bằng mm.
38
Hình 2.7. Máy thử cơ lý MTS25N
(3) Xác định hàm lượng formaldehyde phát thải
* Tiêu chuẩn kiểm tra: EN 717-1 [27], phương pháp buồng nhỏ (0,225 m3)
* Số lượng mẫu: 2 mẫu, bọc kín mẫu sau khi cắt
* Kích thước mẫu: 0,2 x 0,28 m
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của buồng thử loại 0,225 m3
Chú thích:
39
1 – Buồng thử 0,225 m3
2 – Lối vào không khí
3 – Quạt thông gió với động cơ điện bên ngoài
4 – Lối vào của các cảm biến/thiết bị điều khiển
5 – Lối ra không khí
6 – Các mẫu thử
(4) Xác định phổ hồng ngoại (FTIR)
Để xác định cấu trúc phân tử của keo UF biến tính PVA, đề tài tiến hành lấy
mẫu vào ống nghiệm và đem đến Viện hóa học công nghiệp Việt Nam để phân tích.
Thiết bị: Tensor II
Số sóng: 4000 cm-1 - 400 cm-1
2.5. Những đóng góp mới của luận án
- Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống
công nghệ biến tính keo UF bằng PVA dùng để sản xuất ván dán;
- 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 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.
- Việc 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;
2.6. Ý nghĩa của luận án
2.6.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung và hoàn thiện cơ sở khoa
học về công nghệ nâng cao chất lượng keo UF biến tính bằng PVA dùng cho sản xuất
ván dán. Đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ biến tính keo
dùng trong sản xuất vật liệu gỗ.
40
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.
2.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn các thông số công nghệ, quy
trình, giải pháp phù hợp để biến tính keo UF bằng PVA (polyvinyl alcohol). Công
nghệ này sẽ góp phần nâng cao giá trị sử dụng và mở rộng thị trường tiêu thụ cho sản
phẩm keo dán cũng như sản phẩm ván dán ở Việt Nam.
41
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Khái quát keo Urea Formaldehyde (UF)
Keo urea - formaldehyde (UF) được tổng hợp bởi urea và formaldehyde dưới
tác dụng của chất xúc tác; chúng được hình thành thông qua phản ứng cộng và phản
ứng trùng ngưng (đa tụ), khi sử dụng chúng được pha thêm chất đóng rắn và các loại
phụ gia khác. Sau khi đóng rắn hình thành màng keo vĩnh cửu, không nóng chảy.
Keo UF dùng trong công nghiệp gỗ thuộc loại keo nhiệt rắn, từ góc độ phân loại
có thể thấy đây là loại keo có khả năng chịu nước thấp (keo dùng trong nội thất); có
thể đóng rắn ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thường.
Thành phần chính của keo UF là urea và formaldehyde. Khi tổng hợp, chúng
được phối trộn với tỷ lệ thích hợp, trong môi trường có nhiệt độ và độ pH nhất định,
thông qua phản ứng cộng và phản ứng trùng ngưng.
Keo UF tồn tại ở dạng dung dịch và dạng bột, keo dạng dung dịch là dung dịch
sữa đặc dính, màu trắng hoặc màu vàng nhạt. Ở dạng bột là dạng thu được khi dung
dịch sau tổng hợp được qua công đoạn sấy khô bằng phương pháp phun sương, vì
vậy keo dạng bột thường có phân tử lượng thấp, có khả năng tan trong nước, không
cần dung môi đặc biệt, có thể đóng rắn ở nhiệt độ thường hay điều kiện tăng nhiệt, sử
dụng thuận tiện, thời gian cất giữ lâu, có thể đạt (1 - 2) năm.
Một đặc điểm khác của keo UF là tính năng dán dính rất tốt, sản phẩm có cường
độ dán dính tương đối cao, chịu nhiệt, chống mốc, tính cách điện tốt, dùng nhiều với
keo trong ván nhân tạo nội thất. Tuy có tính chịu nước và chịu nhiệt không bằng keo
PF, nhưng sản phẩm đã thỏa mãn yêu cầu cho vật liệu nội thất. So sánh với sản phẩm
của keo PF thì màu sắc keo UF nhạt hơn, bình thường dung dịch keo đặc dính màu
trắng sữa hoặc màu vàng sữa, màng keo sau khi đóng rắn có màu trong suốt không
màu hoặc là dung dịch nhớt màu trắng sữa, đối với bề mặt ván nhân tạo ít gây ô
nhiễm, có thể nhuộm màu. Nhiệt độ ép khi ép nóng thấp, thời gian đóng rắn ngắn; ép
nguội hay ép nóng đều có thể đóng rắn, sử dụng thuận tiện. Cấu tạo phân tử của keo
UF có nguyên tố ni tơ (N), vì vậy màng keo có khả năng ngăn cản quá trình cháy, keo
42
trùng ngưng thời kỳ đầu có tính tan trong nước nhất định, các thiết bị sau khi sử dụng
dễ rửa sạch, sử dụng thuận tiện. Tuy nhiên chúng có hạn chế nhất định; khuyết điểm
chủ yếu của nó có hai phương diện, thứ nhất là nước và khí ẩm dễ dàng làm tan lớp
keo, phát sinh hư hỏng, tính bền lớp keo dán dính tương đối kém, cường độ dán dính
dễ dàng dịch chuyển theo thời gian mà có xu hướng giảm; thứ hai là trong keo có
formaldehyde tự do, làm ô nhiễm môi trường, có hại đối với con người. Nhưng cùng
với sự cải tiến của công nghệ điều chế keo UF, lượng phát tán formaldehyde tự do
được khống chế tới mức cho phép.
3.2. Cơ chế hình thành keo UF
Quá trình hình thành và quá trình đóng rắn keo UF hoàn toàn là các phản ứng
trùng ngưng. Trong quá trình hình thành keo, phải khống chế phản ứng ở một giai
đoạn cần thiết; quá trình đóng rắn của keo cũng là thúc đẩy quá trình phản ứng này
xảy ra. Quá trình hình thành keo UF cũng gọi là quá trình đa tụ keo. Urea và
formaldehyde qua phản ứng cộng và phản ứng trùng ngưng tạo thành dung dịch keo.
Keo đóng rắn là quá trình dung dịch keo kết hợp với chất đóng rắn và một số chất
độn khác trong điều kiện nhất định tiến hành phản ứng tạo thành polyme dạng mạng
không gian, khi keo đóng rắn không có khả năng trở về trạng thái ban đầu.
3.2.1. Các bước phản ứng
3.2.1.1. 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 [55].
Phản ứng methyl hóa là một phản ứng cộng, được thực 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) [91].
43
Hình 3.1. Sơ đồ phản ứng cộng của Urea với Formaldehyde
3.2.1.2. Phản ứng trùng ngưng
Phản ứng trùng ngưng khi tổng hợp keo UF là phản ứng giữa các methylol urea
làm tăng trọng 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 các cầu nối methylene (-CH2-)
44
Hình 3.2. Sơ đồ phản ứng trùng ngưng của các methylolurea
để tạo cầu nối (-CH2-) và (-CH2-O-CH2-)
Ngoài phản ứng của các methylolurea, giai đoạn này còn xảy ra hàng loạt phản
ứng giữa các nhóm chức khác nhau:
Trong đó:
a) Tạo cầu nối methylene giữa các amide nitrogen bởi phản ứng giữa các nhóm
methylol và amino;
b) Tạo liên kết methylene ether bởi phản ứng của 2 nhóm methylol;
c) Các liên kết methylene được hình thành từ các liên kết methylene ether bằng việc
tách HCHO;
Hình 3.3. Các phản ứng trùng ngưng
d) Hình thành các liên kết methylene bởi phản ứng giữa các nhóm methylol, tách
HCHO và nước.
45
Trong sản xuất, tiến trình phản ứng tổng hợp luôn được theo sát bởi việc đo độ
nhớt, các phản ứng được diễn ra cho đến khi thu được độ nhớt mong muốn. Tại thời
điểm đó, phản ứng dừng lại bằng cách trung hòa và làm lạnh. Hỗn hợp thu được là
một tập hợp của các phân tử với kích thước và mức độ ngưng tụ khác nhau.
3.2.1.3. Phản ứng đóng rắn keo
Trong suốt quá trình tổng hợp keo UF, sự ngưng tụ polyme được dừng lại bởi
việc trung hòa và làm mát. UF với phân tử lượng nhỏ hơn 200, số lượng monome
trong phân tử keo thấp nên chúng không có khả năng phân ly thành những phân tử
có số monome nhỏ hơn, do đó keo có thời gian bảo quản dài. Để kích hoạt lại và hoàn
thành quá trình liên kết ngang, cần phải bổ sung chất xúc tác axit. Dưới tác dụng của
chất xúc tác, keo đóng rắn chuyển từ kết cấu dạng mạch thẳng sang kết cấu mạng
không gian, khi đó keo đóng rắn hoàn toàn và không còn khả năng hòa tan.
Nhìn chung, các điều kiện axit được điều chỉnh bằng việc thêm chất đóng rắn
ngầm như NH4Cl, (NH4)2SO4, NH4NO3. Trong trường hợp sử dụng chất đóng rắn
ngầm là NH4NO3 thì chất này sẽ phản ứng với formaldehyde tự do có trong keo để
tạo ra axit nitric (HNO3), làm giảm độ pH của hỗn hợp.
Hình 3.4. Ví dụ về cấu trúc keo UF đã đóng rắn
Khi sản xuất keo có hàm lượng formaldehyde tự do thấp sẽ làm giảm hiệu suất
của chất đóng rắn ngầm, do lượng formaldehyde tự do không đủ để phản ứng với
chất xúc tác ngầm nhằm tạo ra axit – là môi trường thuận lợi để hoàn thành việc đóng
rắn keo. Vì vậy, ngay từ ban đầu việc lựa chọn loại chất xúc tác ngầm cần xem xét
đến hàm lượng formaldehyde tự do của keo sao cho việc sử dụng đạt hiệu quả nhất.
46
Việc đóng rắn keo UF hoàn toàn có thể được thực hiện bằng cách thêm trực tiếp
một số loại axit như: axit maleic (C₄H₄O₄), axit actic (C₂H₄O₂), axit oxalic
(C₂H₂O₄), axit formic (HCOOH), axit chlohydric (HCl), axit nitric (HNO₃). Tuy
nhiên, các chất đóng rắn này có thể gây ăn mòn thiết bị, phân giải gỗ, giảm đáng kể
thời gian sống của keo.
Một số công trình [24, 26, 35] đã cho biết khả năng phản ứng đóng rắn bằng
nhiệt của keo UF bị ảnh hưởng đáng kể bởi tỷ lệ mol F:U. Việc giảm tỷ lệ mol F:U
làm tăng nhiệt độ và thời gian đóng rắn.
3.3. Một số nhân tố ảnh hưởng đến phản ứng trùng ngưng và tính chất keo
3.3.1. Tỉ lệ mol
3.3.1.1. Ảnh hưởng đến tính chất keo
Hình thành keo UF dạng nhiệt rắn, căn cứ vào điều kiện phản ứng trùng ngưng,
chỉ có độ nhóm chức bình quân của nguyên liệu tham gia phản ứng trùng ngưng lớn
hơn 2 (độ nhóm chức: Số lượng nhóm chức của một phân tử tham gia phản ứng trùng
ngưng), mới có thể trùng ngưng hình thành kết cấu dạng lưới; đó là keo UF dạng
nhiệt rắn.
Với urea là 1 mol và formaldehyde nhỏ hơn 1 mol (N < 1), sản phẩn của phản
ứng chỉ có thể là metylol urea. Trong phân tử metylol urea, có 4 nhóm hoạt tính có
thể tiến hành phản ứng trùng ngưng là ete và 3 nguyên tử hydro của nguyên tử nitơ,
lúc tiến hành phản ứng trùng ngưng, hệ thống không phải là hệ thống “4, 4” chính
thức, bởi vì ete của metylol urea chỉ có thể phản ứng cùng với một nguyên tử hydro
trong 3 nguyên tử hydro hoạt tính của nguyên tử nitơ trong phân tử metylol urea, mà
hydro hoạt tính trên nguyên tử metylol urea, cũng chỉ có thể cùng một ete trong phân
tử metylol urea trùng ngưng. Vì vậy, mỗi một phân tử trong metylol urea chỉ có 2
nhóm hoạt tính tiến hành phản ứng, hệ thống phản ứng tương quan với hệ thống “2,
2”, bình quân nhóm chức của hệ thống phản ứng là 2, chỉ có thể hình thành keo UF
tính nhiệt dẻo, một loại keo trong công nghiệp chế biến gỗ có giá trị sử dụng thấp.
Do đó, trong phản ứng cộng cần bảo đảm hình thành một lượng dimetylolure
nhất định; tỷ lệ mol (N) lớn hơn 1. Nếu 1 mol urea kết hợp với hơn 1 mol
47
formaldehyde để phản ứng với nhau (N > 1), có lợi cho sự hình thành phân tử
dimetylolure, các phân tử này có thể tiến hành phản ứng trùng ngưng hình thành các
liên kết ngang thông qua các cầu nối (-CH2-O-CH2-) và (-CH2-) để làm tăng trọng
lượng phân tử keo, khiến keo hình thành có cơ tính tốt.
3.3.1.2. Ảnh hưởng đến tốc độ trùng ngưng keo
Tốc độ trùng ngưng keo: tốc độ tạo rượu thời kỳ đầu phụ thuộc vào tỷ lệ phối
trộn nguyên liệu. Khi tỷ lệ mol (N) lớn hơn 1, cùng với sự tăng thêm của tỷ lệ mol,
tốc độ trùng ngưng sẽ bị giảm. Khi cho lượng Formaldehyde nhiều, tuy có thể hình
thành lượng rượu dimetylol urea tương đối nhiều, nhưng rượu trimetylolure tương
đối khó hình thành trừ khi tỷ lệ mol quá cao. Tuy nhiên nếu tỷ lệ formaldehyde cao,
do nồng độ của formaldehyde thường là 37%, nên kèm theo nước 63%, làm nồng độ
chất phản ứng giảm, cơ hội cho các phân tử va chạm vào nhau giảm, làm cho tốc độ
trùng ngưng keo giảm. Do vậy có thể thấy, lượng formaldehyde nhiều, phản ứng dễ
khống chế.
Vì vậy trong quá trình tổng hợp keo, người ta thường cho urea thành nhiều lần,
làm cho lượng formaldehyde trong nồi phản ứng nhiều, khi đó quá trình trùng ngưng
và thao tác được an toàn.
3.3.1.3. Ảnh hưởng đến tính năng sử dụng của keo
Khi cho lượng nguyên liệu nhất định, tỷ lệ mol ảnh hưởng đến tính năng sử
dụng keo. Người ta gọi UF có tỷ lệ mol F:U lớn đến 1,7 là keo có tỷ lệ mol cao. Về
ngoại quan, là dung dịch trong suốt, khi cho chất đóng rắn keo có thể đóng rắn ở nhiệt
độ thường. Tỷ lệ mol F:U của keo thấp hơn 1,7 gọi là keo tỷ lệ mol thấp, keo có màu
trắng sữa hoặc vàng nhạt. Khi sử dụng phải cho thêm chất đóng rắn và keo đóng rắn
ở nhiệt độ cao.
Keo có tỷ lệ mol cao, lượng formaldehyde tự do sẽ tăng lên, trimetylol urea khó
hình thành. Tốc độ đóng rắn tương đối nhanh. NH4Cl và formaldehyde tự do phản
ứng tạo thành muối axit tương đối nhiều, làm cho độ pH của dung dịch keo giảm
nhanh, vì vậy làm tốc độ đóng rắn tăng nhanh, cùng lúc làm cho thời gian sống của
48
dung dịch keo giảm. Tuy nhiên, do sự tồn tại của formaldehyde tự do trong keo làm
ngăn cản quá trình tiếp tục trùng ngưng của keo, dẫn đến thời gian cất giữ dài.
Khi tỷ lệ mol nguyên liệu cao, sẽ hình thành nhiều dimetylolure, hàm lượng
nhóm (=CH2) cao, độ đồng đều của các phân tử cao. Vì vậy, cường độ dán dính tốt,
nhưng khi lượng formaldehyde quá lớn (N > 2,4), tính chịu nước của sản phẩm bị
giảm xuống, nguyên nhân là do trong keo còn một lượng lớn nhóm (=CH2) thân nước.
Sau khi keo đóng rắn, nhóm này không ngừng hút nước làm cho chất lượng mối dán
bị giảm. Vì vậy, thông thường tỷ lệ mol F:U không nên vượt quá 2,7 (N ≤ 2,7). Tỷ lệ
mol quá thấp, tuy formaldehyde tự do thấp nhưng khó hình thành các cầu nối giữa
các methylolurea nên khối lượng phân tử keo thấp, cường độ dán dính kém.
Tỷ lệ mol khi định lượng và số lần cho urea trong quá trình trùng ngưng keo
cũng ảnh hưởng đến tính năng của keo. Thông thường, người ta quan tâm đến tỷ lệ
mol tổng giữa urea và formaldehyde. Tuy nhiên lượng urea đưa vào mỗi lần và số lần
đưa vào thực chất là làm thay đổi tỷ lệ mol trong các giai đoạn phản ứng của quá
trình trùng ngưng. Nó là nhân tố quan trọng quyết định đến các tính chất dung dịch
keo như cường độ dán dính, thời gian bảo quản...
Cùng một lượng urea, nếu phân nhiều lần tham gia phản ứng, có thể làm cho
formaldehyde tự do giảm một cách rõ rệt, bởi vì phản ứng cộng là phản ứng thuận
nghịch, mỗi lần thêm urea, đều làm tăng xu thế xảy ra phản ứng thuận, hạn chế phản
ứng nghịch, đồng thời phản ứng cộng được thực hiện trong điều kiện tỷ lệ mol cao
sẽ thuận lợi cho phản ứng tạo ra dimetylol urea, qua đó lượng formaldehyde tự do
thấp và cải thiện chất lượng của keo, như kéo dài thời gian sử dụng và tính ổn định
của keo. Việc xác định lượng urea cho vào và số lần cho ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ
lệ mol, giá trị pH trong các giai đoạn của quá trình trùng ngưng. Tỷ lệ mol tương đối
cao, keo càng trong suốt, tính ổn định càng cao. Thay đổi tỷ lệ mol của giai đoạn tính
axit, có thể thay đổi ngoại quan và tính ổn định của keo; khi tỷ lệ mol bằng 1,2 cũng
có thể tạo ra keo ổn định. Nhưng cần chú ý là thời kỳ sau (lần thứ 3) nếu cho urea
quá nhiều, vượt quá 25% tổng lượng urea, sẽ hình thành metylol urea và urea tự do
49
với lượng lớn, làm cho cường độ dán dính giảm. Vì vậy, tỷ lệ mol giai đoạn tính axit
cần khống chế ở mức 1,6 - 2,0 là tốt nhất.
3.3.2. Độ pH môi trường phản ứng
Độ pH của chất lỏng là trị số âm logarit thập phân của nồng độ ion H+ trong
dung dịch. Độ pH đặc trưng cho tính axit hoặc bazơ của dung dịch, khi trị số pH bằng
7, dung dịch là trung tính; khi trị số pH lớn hơn 7 dung dịch có tính bazơ.
3.3.2.1. Ảnh hưởng của độ pH đến sự hình thành kết cấu của keo
Chỉ số pH ảnh hưởng đến thời gian phản ứng cũng như kết cấu của keo. Trong
môi trường kiềm, phản ứng cộng chiếm ưu thế, khi đó phản ứng ưu tiên tạo các
methylolurea. Nếu giai đoạn này, phản ứng xảy ra thuận lợi và triệt để thì rất có lợi
cho giai đoạn tiếp theo – khi mà phản ứng trùng ngưng xảy ra, sẽ làm tăng chiều dài
mạch phân tử cũng như tạo các liên kết ngang thông qua các cầu nối (−CH2−) và
(CH2−O−CH2−).
3.3.2.2. Ảnh hưởng của độ pH đến giai đoạn trùng ngưng
Nếu trong môi trường có tính axit mạnh (khi pH < 3), NH2CONH2 có thể
chuyển biến thành (H2N-CO-NH-CH2-NH-CO-NH2), là chất dạng bột màu trắng,
kết tủa, không tan, không có khả năng dán dính. Như thế làm giảm cường độ dán
dính của keo UF và hiệu suất keo thu được; ngoài ra, độ pH quá thấp, làm cho tốc
độ phản ứng trùng ngưng quá nhanh, độ nhớt tăng cao, cũng dễ làm cho số
monome trong một phân tử keo lớn, khi đó thời gian cất giữ ngắn, khả năng dàn
trải kém, lớp keo dày - mỏng không đồng đều từ đó làm cho cường độ dán dính
giảm. Nguy hiểm hơn là với tốc độ phản ứng quá nhanh, không thể khống chế
được, keo rất nhanh đóng rắn ngay trong nồi phản ứng, làm cho cả nồi keo thành
phế phẩm, cần dùng rất nhiều nhân lực và sức lực để lấy keo đóng rắn ra. Vì vậy,
thông thường không sử dụng điều kiện tính axit mạnh để sản xuất keo UF. Mặt
khác, điều kiện bazơ mạnh (pH > 8,5) có thể làm cho tốc độ phản ứng chậm lại và
làm cho phản ứng tách nước của NH2CONH2 tăng nhanh. Ở giai đoạn trùng ngưng
độ pH tương đối cao (pH > 5,5), vẫn có thể tạo thành độ nhớt giả.
50
Do đó có thể thấy, trong quá trình sản xuất keo UF, khống chế giá trị pH của
dung dịch phản ứng là vấn đề có tính then chốt. Thông thường quá trình trùng ngưng
keo nên khống chế giá trị pH từ 4,6 đến 5,5. Để khống chế độ pH, thường dùng các
chất HCOOH hoặc NH4Cl.
3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng
3.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng
Khi các điều kiện phản ứng khác cố định thì nhiệt độ phản ứng và tốc độ phản
ứng có quan hệ tỷ lệ thuận với nhau, nhiệt độ phản ứng càng cao thì phản ứng càng
nhanh, vì các phân tử khi ở nhiệt độ cao, mức độ chuyển động trong dung dịch cao
hơn, do đó cơ hội va chạm và phản ứng với nhau nhiều hơn.
Ở giai đoạn phản ứng cộng nếu nhiệt độ quá cao, cộng với sự tỏa nhiệt khi
formaldehyde và urea phản ứng với nhau, dễ tạo thành keo sôi và trào ra khỏi nồi
phản ứng; ở giai đoạn trùng ngưng, đặc biệt là trùng ngưng dưới điều kiện tính axit,
ảnh hưởng tăng gấp đôi dễ tạo thành các polyme có phân tử lượng quá cao và không
đều, lượng formaldehyde tự do cao, độ nhớt của dung dịch cũng tăng lên rất nhanh.
Khi tốc độ phản ứng đạt đến mức không thể khống chế, thì khả năng keo đóng rắn
ngay trong quá trình trùng ngưng sẽ xảy ra. Đây là sự cố thường gặp khi trùng ngưng
keo ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ trùng ngưng keo quá thấp, khi đó thời gian phản ứng
kéo dài, mức độ trùng ngưng thấp, số monome trong phân tử keo nhỏ, keo có phân
tử lượng nhỏ, làm cho keo có cường độ dán dính thấp. Đặc biệt chú ý, khi nhiệt độ
phản ứng nhỏ hơn 80oC và trong giai đoạn trùng ngưng dùng NH4Cl làm chất xúc
tác, do nhiệt độ thấp, tốc độ phân giải NH4Cl chậm, độ pH khó xác định, đến lúc sau
khi nhiệt độ tăng cao, độ pH giảm nhanh, là cho tốc độ phản ứng quá nhanh, khó có
thể khống chế, dễ tạo thành dung dịch keo có độ nhớt quá lớn hoặc keo đóng rắn ngay
trong nồi phản ứng.
Keo đóng rắn ngay trong nồi phản ứng là hiện tượng chỉ dung dịch phản ứng
trong nồi đóng rắn ngay trong quá trình trùng ngưng. Nhiệt độ không phải là yếu tố
ảnh hưởng duy nhất, mà còn ảnh hưởng của loại, lượng chất xúc tác cũng như giá trị
pH tại các thời điểm phản ứng phối hợp với nhau mà ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
51
và mức độ trùng ngưng keo. Vì vậy, cần tổng hợp xét ảnh hưởng của nhân tố này. Ví
dụ, trong quá trình trùng ngưng, khi hòa tan urea là quá trình thu nhiệt, khi urea và
formaldehyde thực hiện phản ứng cộng là phản ứng tỏa nhiệt, đây là một đặc điểm
quan trọng của quá trình trùng ngưng keo. Khi bắt đầu cho dung dịch phản ứng tăng
nhiệt đến khoảng 50oC thì dừng lại, bởi vì nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng làm
cho dung dịch phản ứng tự tăng nhiệt đến khoảng 90oC, khi phản ứng tỏa nhiệt xong,
lại khống chế nhiệt độ đến nhiệt độ công nghệ yêu cầu để phản ứng trùng ngưng được
thuận lợi.
3.3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Thời gian phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ trùng ngưng và tính năng
sử dụng của keo. Thời gian phản ứng quá ngắn, trùng ngưng không hoàn toàn, hàm
lượng khô thấp, độ nhớt nhỏ, hàm lượng formaldehyde tự do cao, cường độ dán dính
thấp, trong quá trình lưu trữ keo dễ bị phân lớp, xuất hiện hiện tượng độ nhớt giả.
Ngược lại, giai đoạn phản ứng trùng ngưng nếu thời gian phản ứng quá dài, phân tử
lượng và độ nhớt quá cao, tính tan trong nước của keo giảm, thời gian cất giữ trở nên
ngắn. Trong quá trình sản xuất keo UF, khống chế thời gian phản ứng là dựa vào việc
xác định điểm cuối của phản ứng để khống chế, cũng chính là khống chế phân tử
lượng của keo. Xác định điểm cuối của phản ứng có một số phương pháp như sau:
- Phương pháp xác định theo độ nhớt: Trong sản xuất thường dùng bọt khí độ
nhớt kế, thường gọi là phương pháp đổ bong bóng.
- Phương pháp xác định tính tan trong nước: phương pháp điểm vẩn đục,
phương pháp nhiệt độ vẩn đục
Keo UF được dùng phổ biến trong chế biến lâm sản, tuy nhiên với mỗi yêu cầu
về điều kiện dán ép và môi trường sử dụng khác nhau, yêu cầu về hàm lượng khô, độ
nhớt, cường độ dán dính, thời gian sống, thời gian bảo quản... khác nhau, do đó người
ta khống chế điểm cuối của quá trình trùng ngưng để tạo sản phẩm có chất lượng như
mong muốn.
3.3.4. Ảnh hưởng của nguyên liệu
52
+ tự do, muối sulfate, trong đó
Tạp chất trong urea thường có C2H5N3O2, NH4
ảnh hưởng của muối sulfate là lớn nhất. Trong formaldehyde tạp chất chủ yếu là
CH3OH, H3COOH, sắt dạng ion; ảnh hưởng rõ nhất là sắt dạng ion.
+ tự do và hàm
3.3.4.1. Ảnh hưởng của urea: Hàm lượng muối sulfate, hàm lượng NH 4
lượng của C2H5N3O2.
Hàm lượng muối sulfate: Tiêu chuẩn quy định hàm lượng muối sulfate nhỏ hơn
0,01%. Muối sulfate trong urea bình thường do hình thức tồn tại của (NH4)2SO4,
(NH4)2SO4 với Formaldehyde phản ứng với nhau:
2(NH4)2SO4 + 6CH2O → (CH2)6N4 + 2H2SO4 + 6H2O
Do đó, bất luận trong khi tăng nhiệt hay trong quá trình trùng ngưng, hàm lượng
(NH4)2SO4 trong urea càng cao, giá trị giới hạn của độ pH môi trường phản ứng giảm
xuống càng thấp; phản ứng cũng có tỏa nhiệt. Vì vậy, trong giai đoạn phản ứng cộng
làm cho dung dịch phản ứng trong thời kỳ sớm nhất mất đi tính trong suốt rắn có hình
thành lên màu trắng sữa, hình thành lên chất cặn (H2N-CO-NH-CH2-NH-CO-NH2)
không tan trong nước, từ đó không thể tiếp tục tổng hợp, vì nó đã mất đi năng lực
phản ứng.
Hàm lượng muối sulfate trong urea cũng ảnh hưởng đến cường độ dán dính và
thời gian bảo quản, khi hàm lượng muối sulfate lớn hơn 0,02%, sau khi tổng hợp 24
giờ, cường độ dán dính bắt đầu giảm.
Khi sử dụng urea có hàm lượng muối sulfate cao, ban đầu điều chỉnh độ pH của
formaldehyde tăng cao lên (pH > 12) sau khi cho vào urea, trước khi tăng nhiệt, cần
phải xác định độ pH và phải điều chỉnh trong phạm vi quy định, sau đó mới dần dần
tăng nhiệt. Nếu đã hình thành chất cặn (H2N-CO-NH-CH2-NH-CO-NH2) không tan
trong nước có thể dùng phương pháp dưới đây để H2N-CO-NH-CH2-NH-CO-NH2)
tạo thành (NH2-CO-NH2), bởi vì (H2N-CO-NH-CH2-NH-CO-NH2) trong môi trường
axit mạnh và formaldehyde quá nhiều có thể hình thành NH2CONH2, vì vậy dùng
một phần dung dịch (H2N-CO-NH-CH2-NH-CO-NH2) cho 2 - 3 phần formaldehyde,
tăng nhiệt độ đến 40oC, dùng axit mạnh (HCl hoặc H3PO4) điều chỉnh độ pH xuống
2 đến 3, lại tăng nhiệt đến khoảng 80oC; giữ nhiệt, khuấy đều dung dịch trong 1 giờ
53
thì có thể sạch hết, lại dùng dung dịch NaOH điều chỉnh độ pH đến 7 - 8, sau khi làm
lạnh và sử dụng. Lúc chế keo, căn cứ vào urea của công thúc phối chế, lượng
formaldehyde cho vào và thời gian lượng formaldehyde chuyển hóa, căn cứ vào tỷ lệ
mol của công thức phối chế hoặc cao hơn một ít tính toán (bởi vì trong phản ứng một
phần formaldehyde bị mất đi) thêm vào phần urea không đủ, sau đó căn cứ vào công
nghệ sản xuất keo tiến hành thao tác, keo điều chế thông qua các hạng mục tiêu chuẩn
kỹ thuật phân tích hóa học đều phù hợp yêu cầu, dùng với sản xuất ván dán, cường độ
vật lí của ván phù hợp với tiêu chuẩn chất lượng.
Khi công nghệ sử dụng hai lần hoặc 3 lần cho urea, tốt nhất không nên dùng
urea có hàm lượng muối sulfate quá cao, bởi vì cho hai lần urea độ pH bình thường
là 6,0 - 6,5 nhiệt độ khoảng 90oC. Sau khi cho loại urea này, độ pH giảm rất nhanh,
cùng với phản ứng tỏa nhiệt, rất dễ làm cho dung dịch keo bị trào lên, ảnh hưởng đến
chất lượng keo hoặc sự cố con người. Nếu gặp trường hợp này, nên lập tức giảm
nhiệt, điều chỉnh độ pH về trung tính, sau đó xác định độ pH, nếu chưa đến điểm cuối
phản ứng vẫn có thể tiếp tục chế keo, nếu đã vượt qua điểm cuối, nên làm lạnh keo
rồi đổ ra. Công nghệ cho 3 lần urea, cũng không cần sử dụng loại keo urea này, bởi
vì lúc này keo căn bản là kết cấu phân tử dạng sợi, cho loại urea này dễ làm cho độ
pH giảm mà tạo thành đông keo, nếu xuất hiện tình trạng này, nên lập tức cho bazơ
trung hòa, đồng thời cho vào một phần dung dịch Formaldehyde (10% - 20% keo),
bởi vì formaldehyde có khả năng làm chất tan, làm cho đại phân tử bị đứt liên kết,
phòng tránh được keo đóng rắn trong nồi phản ứng.
Hàm lượng NH3 tự do: Tiêu chuẩn quy định hàm lượng NH3 tự do nhỏ hơn
0,03%. Trong khi sản xuất urea, phản ứng không hoàn toàn, hàm lượng NH3 tự do sẽ
cao, với kinh nghiệm, người ta sử dụng khứu giác có thể phán đoán. Hàm lượng NH3
tự do cao, làm cho độ pH thời kỳ đầu tạo rượu tăng cao, đồng thời cũng sẽ làm cho
độ pH của giai đoạn tạo keo bị tăng lên khi cho thêm urea, và cùng với kéo dài thời
gian bảo quản là giảm cường độ dán dính và tính chống oxy hóa.
54
Hàm lượng C2H5N3O2: Tiêu chuẩn quy định hàm lượng C2H5N3O2 nhỏ hơn
0,8%. C2H5N3O2 là trong quá trình chế tạo urea, ở nhiệt độ cao hai phân tử Urea mất
đi một phân tử NH3 mà thành. Phương trình phản ứng như sau:
CO(NH2)2 + CO(NH2)2 → NH(CONH2)2+ NH3↑
Khi hàm lượng C2H5N3O2 nhỏ hơn 0,8%, tính chất căn bản khác là không ảnh
hưởng, nếu vượt quá phạm vi này, hàm lượng ete trong thời gian cất giữ keo giảm rõ
ràng, tính ổn định của keo trong thời gian bảo quản kém.
3.3.4.2. Ảnh hưởng của formaldehyde: gồm hàm lượng sắt, hàm lượng CH 3OH
Hàm lượng sắt: Sắt phân ly trong formaldehyde, chủ yếu là do dụng cụ cất giữ,
nếu cất giữ lâu trong thùng sắt, bởi vì dung dịch formaldehyde có tính axit nhẹ (độ
pH xấp xỉ 4), ăn mòn dụng cụ đựng, làm cho hàm lượng sắt phân ly trong
+, rất ít phần tồn tại Fe3
+, khi trùng
formaldehyde tăng dần, đa số sắt phân ly do Fe2
ngưng keo dùng NaOH để điều chỉnh độ pH của dung dịch phản ứng, phân tử (-OH)
+, Fe3
+ tạo thành Fe(OH)2 và Fe(OH)3. Hàm lượng ion sắt
dễ tác dụng kết hợp với Fe2
trong phạm vi tiêu chuẩn, keo UF sau khi trùng ngưng là dung dịch trong suốt không
màu hoặc màu trắng sữa, tùy theo sự tăng thêm của ion sắt, màu sắc của keo UF từ
vàng nhạt → vàng → nâu → nâu đỏ → có thể đến màu xám đen. Trong quá trình keo
phản ứng, ảnh hưởng thao tác xác định độ pH, giai đoạn tăng nhiệt và tách nước dễ
dẫn đến xuất hiện sủi bọt, làm cho thao tác gặp nhiều khó khăn.
Formaldehyde có ion phân tử sắt, có thể tăng tốc độ tiến hành phản ứng hoàn
nguyên oxy hóa formaldehyde; trong quá trình đóng rắn, thời gian đóng rắn keo kéo
dài, nhưng cường độ dán dính sau khi đóng rắn có ảnh hưởng rất lớn.
+ và Fe3
+: Cho dung dịch NaOH, điều chỉnh
Chú ý: Phương pháp loại trừ đi Fe2
độ pH của dung dịch (đến pH bằng 9), cho nhiệt độ tăng đến 60oC, giữ trong 1 giờ,
để ổn định và lọc bỏ chất kết tủa.
Hàm lượng CH3OH: Trong dung dịch formaldehyde công nghiệp thường có
lượng CH3OH là (6 - 12)%. Sự hình thành của CH3OH là do một phần formaldehyde
khi điều chế tạo phản ứng oxy hóa không hoàn toàn tạo thành CH3OH, một phần khác
do tránh sự trùng ngưng của formaldehyde, CH3OH ngoài tác dụng cản trở quá trình
55
phản ứng tổng hợp của formaldehyde và urea còn ảnh hưởng đến tính ổn định trong
thời gian cất giữ của keo.
3.4. Hợp chất PVA và sự ảnh hưởng đến tính chất keo UF biến tính
Polyvinyl là nhóm hợp chất cao phân tử được hình thành từ phản ứng polymer
hóa các hợp chất vinyl. Có thể kể đến như: polyvinyl acetate, polyvinyl formate,
polyvinyl benzoate, polyvinyl ether, … Tuy nhiên, trong nhóm này có một loại
polymer không thể tổng hợp trực tiếp từ monomer vinyl của nó, đó chính là polyvinyl
alcohol (PVA). Nguyên nhân là do, ngay sau khi được tạo ra, vinyl alcohol sẽ chuyển
hóa về dạng đồng phân bền hơn là acetandehyde, do đó hợp chất vinyl alcohol thực
chất không tồn tại.
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:
Phụ thuộc vào mức độ thủy phân (mức độ thế, DS) và khối lượng phân tử (độ trùng
hợp, DP) mà có thể tổng hợp được một loạt các hợp chất PVA có thành phần khác
nhau. Dựa vào mức độ thủy phân, PVA được chia thành hai loại: PVA thủy phân một
phần và PVA thủy phân hoàn toàn.
Cấu trúc của PVA thủy phân một phần như sau:
Với R = H hoặc COCH3.
Ở nhiệt độ thường, PVA là chất rắn vô định hình, khi đun nóng bị mềm hóa
có thể kéo dài như cao su và khi đó nó sẽ kết tinh. Mặt khác, trong phân tử PVA
không có sự phân bố điều hòa các nhóm (-OH) mà theo sự phân bố thống kê.
Dựa vào sự khác nhau về cấu trúc không gian mà có PVA ở các dạng isotactic,
syndiotactic hay atactic. Tổng hợp PVA bằng cách thủy phân polyvinyl benzoate thì
PVA tạo ra ở dạng isotactic, thủy phân polyvinyl formate tạo PVA ở dạng
56
syndiotactic, thủy phân polyvinyl acetate (PVAc) tạo hỗn hợp 3 loại: isotactic,
syndiotactic, atactic, trong đó atactic chiếm chủ yếu.
Tất cả các PVA được alcol phân một phần hay hoàn toàn đều có tính chất
thông dụng, làm cho polymer có giá trị trong nhiều ngành công nghiệp [6]. Các tính
chất quan trọng nhất là khả năng tan trong nước, dễ tạo màng, chịu dầu mỡ và dung
môi, độ bền kéo cao, chất lượng kết dính tốt và khả năng hoạt động như một tác nhân
phân tán - ổn định. Khả năng tan của PVA trong nước phụ thuộc vào độ thủy phân,
độ trùng hợp và nhiệt độ. PVA thủy phân trên 95 % không tan trong nước lạnh mà
chỉ tan trong nước nóng (65 – 70 oC), khối lượng phân tử càng thấp thì PVA càng dễ
tan, nhiệt độ xử lý PVA càng tăng làm tăng độ tinh thể hóa khiến cho độ hòa tan trong
nước bị giảm đi. Độ bền kéo cao và đặc tính keo dán của PVA khiến chúng có ứng
dụng rộng rãi trong sản xuất keo dán.
Về tính chất hóa học, PVA là một polymer chứa nhiều nhóm (OH), do vậy nó
có tính chất của một rượu đa chức. PVA tham gia phản ứng acetal hóa, đây thực chất
là phản ứng cộng hợp ái nhân giữa một aldehyde và một rượu đa chức. Cứ hai nhóm
hydroxyl gần nhau sẽ tham gia phản ứng acetal hóa với một phân tử aldehyde, kết
quả là lượng nhóm hydroxyl tự do trong PVA giảm đáng kể sau khi thực hiện phản
ứng. Khi dùng các dialdehyde làm tác nhân acetal hóa sẽ thu được PVA có cấu trúc
không gian do dễ hình thành cầu nối acetal giữa các phân tử PVA lớn hơn [6].
Bên cạnh đó, PVA có khả năng tham gia phản ứng ether hóa. PVA hình thành
ether nội phân tử bằng cách loại nước. Trong phản ứng này, xúc tác thường là axit
hoặc kiềm mạnh dẫn tới sản phẩm không hòa tan. Ngoài ra, PVA còn dễ dàng tham
gia phản ứng ester hóa với các acid vô cơ, hữu cơ và với Urea. Khi PVA kết hợp với
Urea sẽ tạo thành cao phân tử cacbamat este:
57
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
O...H. Phản ứng của PVA với formaldehyde [91]: nhóm OH của PVA kết hợp với
formaldehyde 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:
58
Phản ứng trên được thực hiện trong môi trường axit nhẹ với điều kiện dư
formaldehyde.
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. Các nghiên cứu sử dụng hợp chất này để biến tính
keo đã xuất hiện ở nước ngoài, còn tại Việt Nam thì chưa có công trình nào được
công bố cho đến hiện tại.
Liu, Yuan và cộng sự, 2018 [48] đã nghiên cứu phản ứng giữa Urea-
formaldehyde với poly(vinyl alcohol) tạo ra mạng lưới UF/PVA đan xen nhau khiến
keo UF tăng được tính dẻo, đây cũng là nghiên cứu nhằm khắc phục được một trong
số các hạn chế của loại keo thông dụng này.
Zhang và cộng sự, 2014 [96] trong một nghiên cứu đã cho thấy khi sử dụng
PVA với một lượng nhỏ trong keo UF (PVA/U = 0,005) thì vùng kết tinh trở nên
đồng đều hơn, PVA làm cho keo UF dẻo hơn, hàm lượng formaldehyde tự do cũng
giảm đi. Ngoài ra, với một tỷ lệ PVA/U ≤ 0.0025 thì tính chống ẩm của keo UF biến
tính được cải thiện nhưng nếu dùng vượt quá tỷ lệ này thì khả năng chống ẩm của nó
lại có xu hướng giảm đi.
Shen và cộng sự, 2016 [66] nghiên cứu sử dụng PVA làm mềm bọt UF cho
các ứng dụng cách nhiệt. Kết quả chỉ ra, với tỷ lệ PVA/U = 1,5 % thì bọt UF được
tạo ra có ứng suất nén cao hơn, độ dẫn nhiệt thấp tương tự bọt PU và khi cháy sẽ
không sinh ra giọt nóng chảy.
Zhang và Snover, 2016 [95] đã công bố bằng sáng chế cho các phương pháp
điều chế keo UF nhằm cải thiện độ bền cơ học và tính kháng nước của keo bằng cách
bổ sung một lượng PVA thích hợp.
3.5. Sự phát thải formaldehyde đối với ván nhân tạo
3.5.1. Các phương pháp xác định hàm lượng formaldehyde phát thải
Vấn đề phát thải formaldehyde từ ván nhân tạo có liên quan trực tiếp đến việc
sử dụng loại keo làm chất kết dính. Trong ngành công nghiệp sản xuất ván nhân tạo,
keo UF được sử dụng làm chất kết dính đã trở nên rất phổ biến. Chính vì vậy, việc
59
kiểm soát hàm lượng formaldehyde trong keo luôn được quan tâm. Nhiều công trình
nghiên cứu đã tiếp cận theo hướng giảm formaldehyde tự do trong keo nhằm nâng
cao chất lượng ván thành phẩm. Sự phát thải có nguồn gốc từ lượng formaldehyde tự
do dư có trong keo chưa tham gia phản ứng, thành phần formaldehyde có trong vật
liệu gỗ, formaldehyde thoát ra từ sự thoái hóa kết cấu của ván. Trong đó, nguyên nhân
từ lượng formaldehyde dư trong keo hiện tồn tại trong ván được cho là nguồn chính
gây ra sự phát thải này.
Formaldehyde trong ván có thể được chia làm 2 dạng, loại dễ phát thải và loại
khó phát thải khi đã liên kết. Tỷ lệ formaldehyde phát thải được chia làm 2 giai đoạn.
Giai đoạn đầu, sự phát thải chủ yếu là formaldehyde tự do. Tỷ lệ phát thải phụ thuộc
vào tỷ lệ khuếch tán của formaldehyde tự do trong ván. Việc thông gió có thể thúc
đẩy quá trình phát thải diễn ra nhanh hơn. Giai đoạn này thường mất từ vài tuần hoặc
vài tháng tùy thuộc vào lượng formaldehyde tự do trong ván. Ở giai đoạn thứ hai, sự
phát thải từ formaldehyde đã liên kết phụ thuộc vào lực liên kết, việc thông gió lúc
này không có tác dụng thúc đẩy formaldehyde phát thải như ở giai đoạn đầu. Giai
đoạn này có thể mất tới vài năm.
Chun-hui [22] đã phát hiện ra rằng, điều kiện cần và đủ để formaldehyde có thể
phát tán từ ván nhân tạo là khi áp lực không khí bên trong ván cao hơn môi trường
bên ngoài và có sự lưu thông không khí. Xingong [83] đã kết luận, formaldehyde phát
thải chủ yếu từ cạnh ván, sự phát thải từ cạnh nhiều gấp 2 lần từ mặt ván. Vì vậy ván
càng mỏng thì sự phát thải càng nhiều.
Việc xác định sự phát thải formaldehyde có thể được tiến hành bởi một số
phương pháp. Tại Châu Âu, bốn phương pháp được sử dụng, gọi là các tiêu chuẩn
Châu Âu, gồm có: EN 120 (phương pháp đục lỗ), EN 717-1 (phương pháp buồng),
EN 717-2 (phương pháp phân tích khí) và EN 717-3 (phương pháp bình). Ngoài các
phương pháp trên, tại Nhật và Trung Quốc còn sử dụng phương pháp bình hút ẩm
(JIS A 1460).
Phương pháp đục lỗ là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất đối với ván
dăm và ván MDF. Quá trình thực hiện, formaldehyde được chiết tách từ mẫu thử bằng
60
cách đun sôi toluene và sau đó được thấp thụ bằng nước. Hàm lượng formaldehyde
trong dung dịch nước này được xác định bằng phát hiện trắc quang hoặc quang phổ
huỳnh quang và được biểu thị bằng trọng lượng (mg) trên mỗi 100 g ván khô. Các
giá trị của phương pháp đục lỗ áp dụng đối với ván có độ ẩm 6,5 %. Trong trường
hợp ván có trị số độ ẩm khác nhau (khoảng từ 3 ≤ H ≤ 10 %) thì giá trị thu được sẽ
nhân thêm với hệ số theo công thức F = - 0,133 H + 1,86. Giá trị của hàm lượng
formaldehyde thu được có thể dùng để ước tính lượng phát thải formaldehyde thực tế
bằng cách sử dụng mối tương quan nhất định. Risholm-Sundman và cộng sự [51] đã
chuyển đổi giá trị thử nghiệm từ EN 120 (mg HCHO / 100 g) sang giá trị (mg HCHO
/ m3). Nhược điểm của phương pháp đục lỗ là sử dụng toluene – một loại hóa chất có
độc tính cao, độ chính xác của phương pháp cũng không cao đối với ván có mức phát
thải formaldehyde rất thấp nhưng ưu điểm của phương pháp này là cho kết quả trong
thời gian ngắn (khoảng 2,5 giờ).
Phương pháp buồng là phương pháp hiện được sử dụng rất rộng rãi ở khắp nơi
trên thế giới, phù hợp với nhiều loại ván. Thể tích buồng là phạm vi không gian được
giới hạn để đặt mẫu thử, trong đó được bố trí sao cho không khí được thổi vào buồng.
Phương pháp này có 3 loại buồng với các thể tích khác nhau: buồng lớn (12 m3),
buồng trung bình (1 m3) và buồng nhỏ (0,225 m3). Lượng khí formaldehyde bay hơi
ra từ mẫu được trộn với không khí trong buồng. Không khí này sẽ được hấp thụ vào
nước thông qua đường ống dẫn khí, sau đó xác định nồng độ formaldehyde trong
nước. Hàm lượng formaldehyde trong buồng thử được tính từ lượng formaldehyde
trong nước và thể tích của mẫu khí lấy (mg/m3). Mẫu được lấy định kỳ cho đến khi
nồng độ formaldehyde trong buồng đạt trạng thái ổn định. Ưu điểm của phương pháp
này là các thông số thử nghiệm tương tự như điều kiện phòng, độ chính xác cao. Tuy
nhiên thời gian để thu được kết quả khá dài (từ 10 – 28 ngày).
Phương pháp phân tích khí được áp dụng tại Mỹ vào năm 2009, phù hợp với
nhiều loại ván. Mẫu thử có diện tích bề mặt đã xác định trước được đặt trong buồng
kín với nhiệt độ, độ ẩm, luồng khí thổi vào kiểm soát đến các giá trị xác định.
Formaldehyde thoát ra từ mẫu thử trộn với không khí trong buồng. Hỗn hợp không
61
khí này liên tục được hút ra khỏi buồng và đi qua các bình sục khí có chứa nước để
hấp thụ khí formaldehyde. Vào cuối của quá trình thử nghiệm, nồng độ formaldehyde
được xác định bằng phương pháp trắc quang. Sự phát thải formaldehyde được tính từ
nồng độ này. Thời gian lấy mẫu và diện tích tiếp xúc của mẫu thử được biểu thị bằng
mg trên mỗi m2 trong mỗi giờ (mg/m2h). Ưu điểm của phương pháp này là cho kết
quả trong thời gian ngắn (khoảng 4 giờ) và quá trình xử lý mẫu đơn giản. Tuy nhiên
chi phí cho thiết bị khá lớn.
Phương pháp bình sử dụng bình có dung tích 1000 ml. Mẫu được kẹp chặt và
gắn vào nắp bình thông qua móc cố định mẫu thử bằng dây thun cao su, thêm nước
cất ở 20 oC vào bình chứa. Mẫu thử được treo cách mặt nước một khoảng 40 mm,
đóng kín nắp bình. Bình được đặt vào tủ sấy có nhiệt độ 40 oC. Hàm lượng
formaldehyde phát thải từ mẫu sẽ hấp thụ vào nước, sau 180 phút lấy mẫu thử ra khỏi
bình và chuyển dung dịch vào bình chứa có dung tích 50 ml, đóng kín nắp và để
nguội. Hàm lượng formaldehyde phát thải từ mẫu được tính toán dựa vào nồng độ
formaldehyde có trong dung dịch này. Nồng độ formaldehyde trong nước hấp thụ
được xác định thông qua việc sử dụng máy phân tích quang phổ UV-VIS ở bước sóng
412 nm. Kết quả được biểu thị bằng mg HCHO trên 100 g ván khô (mg/100g). Ưu
điểm của phương pháp là thời gian thử nghiệm tương đối nhanh (khoảng 3 giờ).
Phương pháp bình hút ẩm cũng là phương pháp phù hợp với hầu hết các loại
ván. Mẫu thử được đặt trong bình hút ẩm, được gắn cố định bằng giá đỡ mẫu, đặt trên
tấm đỡ bằng lưới thép. Phía dưới tấm đỡ là đĩa thủy tinh có chứa nước. Formaldehyde
từ ván phát thải ra sẽ được hấp thụ vào nước này, sau 24 giờ đem nước đi phân tích.
Phép xác định hàm lượng formaldehyde của dung dịch nước dựa trên phản ứng
Hantzsch trong đó formaldehyde phản ứng với các ion amoni và acetylaceton sinh
ra diacetyldihydrolutidin (DDL). DDL có độ thấp thụ lớn nhất tại bước sóng 412 nm.
Hàm lượng formaldehyde từ mẫu thử được tính bằng tổng lượng formaldehyde trong
đĩa thủy tinh, biểu thị bằng miligam trên lít (mg/l). Ưu điểm của phương pháp là thiết
bị đơn giản, tuy thời gian thu được kết quả trong quá trình thử nghiệm là 24 giờ,
62
nhưng phương pháp này bắt buộc phải có thời gian ổn định mẫu thử đến khi đạt khối
lượng không đổi, khoảng 7 ngày trước khi thử.
Trong các phương pháp kể trên, phương pháp buồng được sử dụng phổ biến ở
Mỹ và Đức. Phương pháp bình hút ẩm sử dụng tại Nhật. Tại Trung Quốc, phương
pháp đục lỗ sử dụng chủ yếu cho ván dăm và MDF, trong khi ván dán (plywood) và
ván ghép thanh (block board) dùng phương pháp bình hút ẩm. Mỗi phương pháp thử
đều có ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Mặt khác mỗi phương pháp sử dụng đơn
vị đo cũng khác nhau. Thậm chí, giá trị giới hạn hàm lượng formaldehyde của các
mức (E0, E1, E2, F****) cũng không hoàn toàn giống nhau giữa các phương pháp thử.
Mỗi quốc gia cũng có sự khác nhau về mức độ giới hạn hàm lượng formaldehyde
trong ván. Vì vậy, rất khó để xác định rằng phương pháp thử được áp dụng tại quốc
gia này có tương đương với phương pháp thử được áp dụng tại quốc gia khác hay
không.
Một số học giả đã phân tích và so sánh các phương pháp thử khác nhau để đưa
về một công thức chung bằng việc sử dụng phép quy nạp dữ liệu để chuyển đổi dữ
liệu giữa các phương pháp thử khác nhau [33, 46, 89].
3.5.2. Tiêu chuẩn quy định hàm lượng formaldehyde phát thải
Chính bởi sự nguy hại của formaldehyde đối với sức khỏe con người, nhiều
nước đã thiết lập các quy định và các phương pháp thử đối với formaldehyde từ ván
nhân tạo.
Tudor và cộng sự [76] và Luo [49] đã tiến hành nghiên cứu so sánh các phương
pháp thử formaldehyde phát thải khác nhau đối với ván nhân tạo giữa Trung Quốc,
Châu Âu, Mỹ và Nhật. Tiêu chuẩn Châu Âu liên quan đến formaldehyde phát thải
bao gồm 1 tiêu chuẩn với 2 mức phát thải (E1 và E2), trong đó mức E1 quy định
nghiêm ngặt hơn. Tại Mỹ, trước đây quy định 2 mức phát thải (Carb P1 và Carb P2)
cho ván nhân tạo, trong đó mức Carb P2 quy định nghiêm ngặt hơn. Tuy nhiên từ
năm 2018 trở lại đây, Mỹ quy định cụ thể nồng độ formaldehyde được phép phát thải
cho từng loại ván mà không sử dụng mức độ phân cấp như trước. Tại Nhật có 1 tiêu
chuẩn phát thải, 1 phương pháp thử với 3 mức độ (F**, F***, F****), trong đó mức
63
F**** quy định nghiêm ngặt nhất về sự phát thải formaldehyde. Mức F**** được
cho là rất thấp, có thể coi là không phát thải formaldehyde bởi mức độ cho phép ≤
0.3 mg/L, trong khi sự phát thải formaldehyde từ gỗ tự nhiên nằm trong khoảng 0.1
~ 0.3 mg/L [94]. Tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc về phát thải formaldehyde có
nhiều điểm tương đồng với tiêu chuẩn Châu Âu, tuy nhiên ngoài 2 mức E1 và E2
giống như Châu Âu thì Trung Quốc đưa thêm mức phát thải E0 đối với ván ghép
thanh và veneer phủ mặt ván nhân tạo. Cụ thể được quy định tại bảng 3.1 [94].
64
Bảng 3.1. Các tiêu chuẩn xác định hàm lượng formaldehyde phát thải từ ván
nhân tạo tại Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc
≤ 3.5 mg/(m2.h)
E1
Phân tích khí
Plywood
EN13986:2005
≤ 8 mg/(m2.h)
E2
(Châu Âu)
≤ 8 mg/100 g
E1
MDF
Đục lỗ
≤ 30 mg/100 g
E2
PB
Formaldehyde Emission
≤ 0.05 ppm
Plywood
Standards for Composite
≤ 0.09 ppm
PB
Wood Act (S.1660,
Buồng
≤ 0.11 ppm
MDF
H.R.4805)
≤ 0.13 ppm
≤ 8 mm MDF
(Mỹ)
≤ 0.3/0.4 mg/L
F****
Plywood
JIS A 1460-2001
≤ 0.5/0.7 mg/L
F***
Bình hút ẩm
MDF
(Nhật)
≤ 1.5/2.1 mg/L
F**
PB
GB/T9846.3-2004
≤ 0.5 mg/L
E0
Bình hút ẩm
Plywood
(Trung Quốc)
≤ 1.5 mg/L
E1
Bình hút ẩm
Plywood
≤ 5.0 mg/L
E2
GB18580-2001
(Trung Quốc)
≤ 9 mg/100 g
E1
MDF
Đục lỗ
≤ 30 mg/100 g
E2
PB
dày nhỏ hơn hoặc bằng 8mm).
(Plywood: ván dán, MDF: ván MDF, PB: ván dăm, ≤ 8 mm MDF: ván MDF có chiều
65
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
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)
4.1.1. Ảnh hưởng đến hàm lượng khô
Hàm lượng khô là một trong những chỉ tiêu quan trọng của keo dán. Hàm lượng
khô không chỉ ảnh hưởng đến công nghệ dán ép mà còn ảnh hưởng đến độ bền dán
dính của keo.
Nhằm xác định mức độ ảnh hưởng đến hàm lượng khô, trong thí nghiệm đã lựa
chọn các thông số công nghệ (đã được mô tả trong Phương án thực nghiệm đơn yếu
tố, Chương 3) để tiến hành tổng hợp keo UF và tính toán hàm lượng khô đối với các
mẫu keo sau khi biến tính.
Từ số liệu thực nghiệm, áp dụng lý thuyết thống kê toán học, luận án đã xây
dựng được mối quan hệ giữa lượng dùng PVA (tỉ lệ phần trăm khối lượng PVA so
với urea) và tỷ lệ mol F:U1 với hàm lượng khô của mẫu keo sau khi biến tính. Mối
quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA và hàm lượng khô:
y = 0,5592x2 - 2,4776x + 56,233 R² = 0,9775
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 và hàm lượng khô:
y = -11,327x2 + 47,541x + 4,8563 R² = 0,808
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 với hàm
lượng khô của keo sau biến tính được thể hiện trong hình 4.1 và hình 4.2.
55,4
55,2
55,0
54,8
%
,
54,6
54,4
R² = 0,9775
54,2
ô h k g n ợ ư
l
54,0
m à H
53,8
53,6
53,4
53,2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Lượng dùng PVA
66
55,5
55,0
%
,
54,5
54,0
ô h k g n ợ ư
l
53,5
m à H
R² = 0,808
53,0
52,5
1,6
1,7
1,8
2,1
2,2
1,9 2 Tỷ lệ mol F:U1
Hình 4.1. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và hàm lượng khô của keo
Hình 4.2. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và hàm lượng khô của keo
Nhận xét:
Trong phản ứng tổng hợp keo UF sẽ xảy ra hai giai đoạn phản ứng là giai đoạn
phản ứng cộng và phản ứng trùng ngưng. Trong giai đoạn phản ứng cộng, với môi
trường kiềm và gia nhiệt sẽ xảy ra phản ứng giữa urea và formaldehyde như sau [4]:
67
Hình 4.3. Phản ứng giữa urea và formaldehyde
Trong giai đoạn phản ứng trùng ngưng, với môi trường axit và gia nhiệt sẽ xảy
ra phản ứng sau:
Hình 4.4. Phản ứng trùng ngưng tạo thành dung dịch keo urea formaldehyde
Theo kết quả nghiên cứu của Liu và cộng sự [48], trong quá trình tổng hợp keo
UF với sự có mặt của PVA thì sẽ xảy ra một số phản ứng như hình 4.5. Do phản ứng
giữa U và F tạo ra keo UF và và phản ứng giữa PVA và F tạo ra keo PVF, sản phẩm
thu được khi biến tính sẽ gồm keo UF và keo PVF. Sau khi đóng rắn sẽ tạo ra hỗn
hợp vật chất chứa keo UF và PVF đan xen nhau.
Trong nghiên cứu, lượng dùng PVA thay đổi từ 0,5% đến 2,5% so với lượng
urea trong hỗn hợp keo. Từ biểu đồ hình 4.1 cho thấy, khi lượng sử dụng PVA tăng
lên, hàm lượng khô của keo có xu hướng giảm xuống, và cơ bản ổn định khi lượng
68
dùng trong khoảng 1,5% đến 2,5%. Hàm lượng khô của keo UF biến tính bằng PVA
biến động trong khoảng từ 53% đến 55%, đạt yêu cầu dùng để sản xuất ván dán (từ
52 – 56%). Nguyên nhân có thể do, trong quá trình tổng hợp tuy có thể tạo ra hỗn hợp
giữa UF và PVF, nhưng khi lượng dùng PVA tăng lên đã làm giảm hoạt tính của các
nhóm chức, vì thế làm mức độ phản ứng giữa các hợp chất giảm xuống, dẫn đến hàm
lượng khô của keo giảm. Khi lượng lượng dùng PVA tăng lên quá cao, trong sản
phẩm keo xuất hiện các hạt nhỏ (quan sát trên dung dịch keo của nghiên cứu), cũng
làm ảnh hưởng đến chất lượng của keo.
Hình 4.5. Phản ứng hình thành mạng PVA và UF
Trong biểu đồ hình 4.2, khi tỉ lệ F:U1 tăng lên thì hàm lượng khô của keo thu
được tăng dần và đạt giá trị lớn nhất ở tỉ lệ mol là 2, sau đó tỉ lệ mol tăng lên thì hàm
lượng khô lại giảm xuống. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do, khi tăng tỉ lệ
F:U1 ở giai đoạn phản ứng cộng, thì phản ứng giữa F và U1 xảy ra triệt để ở giai đoạn
đầu, đến giai đoạn sau chỉ xảy ra phản ứng trùng ngưng, với số lượng monome UF ở
giai đoạn đầu lớn, khi tỉ lệ mol tăng cao đã dẫn đến keo thu được có hàm lượng khô
tăng lên. Tuy nhiên, khi tỉ lệ mol tăng vượt mức 2 thì ảnh hưởng đến lượng F còn lại
69
ở giai đoạn trùng ngưng (lượng F ở giai đoạn này bị giảm đi, do tổng lượng F của cả
quá trình không đổi), dẫn đến phản ứng trùng ngưng thu được lượng sản phẩm ít, làm
cho hàm lượng khô của keo giảm xuống.
Qua Hình 4.1 và hình 4.2 có thể thấy, mối quan hệ giữa hàm lượng khô của keo
với lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 theo quy luật hàm bậc 2 với mức độ quan hệ
khá chặt (R2 > 0,8). Như vậy có thể thấy rằng, lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 có
ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi hàm lượng khô của keo.
4.1.2. Ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn
Thời gian đóng rắn của keo là một trong những tính chất quan trọng, là căn cứ
để xác định thời gian ép ván trong quá trình sản xuất.
Nhằm xác định mức độ ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn, trong thí nghiệm đã
lựa chọn các thông số công nghệ (đã được mô tả trong Phương án thực nghiệm đơn
yếu tố, Chương 3) để tiến hành tổng hợp keo UF và tính toán thời gian đống rắn đối
với các mẫu keo sau khi biến tính.
Từ số liệu thực nghiệm, áp dụng lý thuyết thống kê toán học, luận án đã xây
dựng được mối quan hệ giữa lượng dùng PVA (tỉ lệ phần trăm khối lượng PVA so
với urea) và tỷ lệ mol F:U1 với thời gian đóng rắn của mẫu keo sau khi biến tính. Mối
quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA và thời gian đóng rắn:
y = -2,6714x2 + 19,704x + 70,78 R² = 0,9666
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 và thời gian đóng rắn:
y = 315,36x2 - 1218,5x + 1262,8 R² = 0,8751
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 với thời
gian đóng rắn của keo sau biến tính được thể hiện trong hình 4.6 và hình 4.7.
125,0
y â
105,0
i
g ,
85,0
n ắ r
R² = 0,9666
65,0
g n ó đ n a
i
45,0
g
i
25,0
ờ h T
5,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Lượng dùng PVA, %
70
125,0
y â
105,0
i
g ,
85,0
R² = 0,8751
65,0
n ắ r g n ó đ n a
i
45,0
g
i
25,0
ờ h T
5,0
1,6
1,7
2,1
2,2
1,8 2 1,9 Tỷ lệ mol F:U1
Hình 4.6. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và thời gian đóng rắn của keo
Hình 4.7. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và thời gian đóng rắn của keo
Nhận xét:
Kết quả xác định thời gian đóng rắn của keo UF biến tính bằng PVA khi lượng
dùng PVA và tỉ lệ F:U1 thay đổi trong quá trình tổng hợp keo được thể hiện trong
hình 4.6 và hình 4.7. Khi lượng dùng PVA thay đổi sẽ làm thay đổi thời gian đóng
rắn của keo. Cụ thể, thời gian đóng rắn của keo biến động trong khoảng từ 82 giây
đến 102 giây. Các loại keo tạo ra đều đáp ứng yêu cầu thời gian đóng rắn với keo UF
dùng trong sản xuất ván dán (thời gian đóng rắn cần nhỏ hơn 120 giây). Trên hình
4.7 có thể thấy, khi giảm lượng U1 dùng trong giai đoạn phản ứng cộng, hay tỉ lệ
71
F:U1 ở giai đoạn này tăng lên, sản phẩm keo UF thu được có thời gian đóng rắn giảm
xuống, nhưng khi tỉ lệ F:U1 tăng lên quá 1,9 thì thời gian đóng rắn của keo lại tăng
lên.
Nguyên nhân có thể do, trong quá trình phản ứng với cùng một lượng dùng
formaldehyde mà PVA lại có thể phản ứng với formaldehyde để tạo ra keo có gốc
polyvinyl, vì vậy đã làm giảm lượng formaldehyde. Mặt khác, trong quá trình đóng
rắn của keo việc có mặt của formaldehyde sẽ quyết định đến tốc độ đóng rắn. Khi
lượng formaldehyde tự do thấp thì thời gian đóng rắn sẽ kéo dài. Chính vì vậy, khi
lượng PVA tăng lên, làm giảm lượng formaldehyde và làm tăng thời gian đóng rắn.
Nhưng khi lượng dùng PVA tăng lên trên 2% thì thời gian đóng rắn của keo cơ bản
ổn định.
Như vậy qua hình 4.6 và hình 4.7 có thể thấy, thời gian đóng rắn của keo và
lượng dùng PVA cũng như tỷ lệ mol F:U1 có quan hệ theo quy luật hàm bậc 2 với
mức độ quan hệ rất chặt (R2 > 0,8). Từ đó có thể kết luận rằng, lượng dùng PVA và
tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng rõ rệt đến thời gian đóng rắn của keo.
4.1.3. Ảnh hưởng đến độ tan trong nước
Nhằm xác định mức độ ảnh hưởng đến độ tan trong nước, trong thí nghiệm đã
lựa chọn các thông số công nghệ (đã được mô tả trong Phương án thực nghiệm đơn
yếu tố, Chương 3) để tiến hành tổng hợp keo UF và tính toán độ tan trong nước đối
với các mẫu keo sau khi biến tính.
Từ số liệu thực nghiệm, áp dụng lý thuyết thống kê toán học, luận án đã xây
dựng được mối quan hệ giữa lượng dùng PVA (tỉ lệ phần trăm khối lượng PVA so
với urea) và tỷ lệ mol F:U1 với độ tan trong nước của mẫu keo sau khi biến tính. Mối
quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA và độ tan trong nước:
y = -0,7633x2 + 3,3698x - 0,1186 R² = 0,9968
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 và độ tan trong nước:
y = -16,939x2 + 67,567x - 64,113 R² = 0,9927
72
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 với độ tan
4,0
3,5
n ầ
3,0
2,5
l , c ớ ư n
R² = 0,9968
2,0
1,5
1,0
g n o r t n a t ộ Đ
0,5
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Lượng dùng PVA, %
trong nước của keo sau biến tính được thể hiện trong hình 4.8 và hình 4.9.
3,5
3,0
n ầ
2,5
R² = 0,9927
2,0
1,5
1,0
l , c ớ ư n g n o r t n a t ộ Đ
0,5
0,0
1,6
1,7
1,8
2,1
2,2
1,9 2 Tỷ lệ mol F:U1
Hình 4.8. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và độ tan trong nước của keo
Hình 4.9. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và độ tan trong nước của keo
Nhận xét:
Từ hình 4.8 và hình 4.9 cho thấy, độ tan trong nước của keo UF biến tính tăng
lên khi lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 tăng lên. Tuy nhiên, khi lượng dùng lên
2,5% và tỷ lệ mol F:U1 đạt 2,1 thì độ tan trong nước có xu thế giảm xuống. Độ tan
trong nước của keo UF biến tính biến động trong khoảng từ 1,4 đến 3,6 lần.
73
Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này có thể trong PVA tồn tại nhiều nhóm
hydroxyl, trong quá trình phản ứng tạo ra kết cấu với formaldehyde, kết cấu của hợp
chất tạo ra này làm tăng khả năng hút nước của keo UF biến tính khi chưa đóng rắn.
Tương tự, khi lượng formaldehyde trong giai đoạn phản ứng cộng tăng lên, các phản
ứng của formaldehyde với urea và với PVA xảy ra triệt để khiến cho độ tan trong
nước của keo tăng lên.
Qua hình 4.8 và hình 4.9 có thể thấy, độ tan trong nước của keo và lượng dùng
PVA cũng như tỷ lệ mol F:U1 có quan hệ theo quy luật hàm bậc 2 với mức độ quan
hệ rất chặt (R2 > 0,9). Từ đó có thể kết luận rằng, lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
có ảnh hưởng mạnh đến độ tan trong nước của keo.
4.1.4. Ảnh hưởng đến hàm lượng formaldehyde tự do
Hàm lượng formaldehyde dư trong keo có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng
của keo và cũng ảnh hưởng đến hàm lượng formaldehyde phát tán của ván dán sau
khi sản xuất và sử dụng. Nhằm đánh giá hàm lượng formaldehyde tự do của keo sau
khi biến tính, đề tài đã tiến hành thí nghiệm xác định lượng formaldehyde dư theo
phương pháp sulfit.
Trong thí nghiệm của Luận án, mẫu keo được cân xác định khối lượng rồi đặt
vào cốc thủy tinh, đổ các dung dịch đã chuẩn bị vào cốc, hỗn hợp được khuấy liên
tục bằng máy khuấy từ, dựa vào công thức để xác định hàm lượng formaldehyde dư
trong keo.
Từ số liệu thực nghiệm, áp dụng lý thuyết thống kê toán học, luận án đã xây
dựng được mối quan hệ giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 với hàm lượng
formaldehyde tự do của keo sau khi biến tính. Mối quan hệ này được thể hiện thông
qua phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA và hàm lượng formaldehyde
tự do:
y = 0,0302x2 - 0,1626x + 0,7703 R² = 0,9924
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 và hàm lượng formaldehyde tự do:
y = -0,7143x2 + 2,1143x - 0,8303 R² = 0,9016
74
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 với hàm
0,8
%
,
0,7
ư d
0,6
0,5
e d y h e d
l
R² = 0,9924
0,4
0,3
0,2
a m r o f g n ợ ư
l
0,1
m à H
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Lượng dùng PVA, %
lượng formaldehyde tự do của keo được thể hiện trong hình 4.10 và hình 4.11.
0,8
%
,
0,7
0,6
0,5
l
R² = 0,9016
0,4
0,3
0,2
ư d e d y h e d a m r o f g n ợ ư
l
0,1
m à H
0,0
1,6
1,7
1,8
2,1
2,2
1,9 2 Tỷ lệ mol F:U1
Hình 4.10. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và hàm lượng formaldehyde dư
Hình 4.11. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và hàm lượng formaldehyde dư
Nhận xét:
Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng formaldehyde tự do cho thấy, hàm
lượng formaldehyde dư trong keo ở mức độ khá thấp, chỉ dưới 0,8%, đáp ứng yêu
cầu so với Quy chuẩn Việt Nam về hàm lượng formaldehyde trong keo UF (phạm vi
cho phép của QCVN là dưới 1,4%). Ngoài ra, kết quả thí nghiệm còn cho thấy, khi
lượng dùng PVA tăng lên, thì hàm lượng formaldehyde dư giảm xuống. Có hiện
75
tượng này chính là nhờ phản ứng tạo ra keo giữa PVA và formaldehyde trong giai
đoạn phản ứng có môi trường axit yếu và gia nhiệt. Như được giải thích trong phần
trên.
Qua hình 4.10 và hình 4.11 có thể thấy, hàm lượng formaldehyde dư của keo và
lượng dùng PVA cũng như tỷ lệ mol F:U1 có quan hệ theo quy luật hàm bậc 2 với
mức độ quan hệ rất chặt (R2 > 0,9). Từ đó có thể kết luận rằng, lượng dùng PVA và
tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng mạnh đến hàm lượng formaldehyde dư của keo.
Ngoài ra, trong nghiên cứu cũng đã tiến hành thí nghiệm sản xuất keo với việc
thay đổi tỉ lệ mol F:U1 trong giai đoạn phản ứng cộng để đánh giá hàm lượng
formaldehyde dư trong keo. Kết quả thí nghiệm cũng thu được keo có hàm lượng
formaldehyde dư đáp ứng yêu cầu QCVN. Điều này nói lên rằng, với công nghệ sử
dụng trong đề tài có thể sản xuất ra được keo UF đáp ứng yêu cầu theo QCVN hiện
hành. Ngoài ra, nghiên cứu còn chỉ ra, khi tỉ lệ F:U1 tăng lên trong giai đoạn phản
ứng cộng đã làm cho hàm lượng formaldehyde tự do giảm xuống. Do đó, có thể kiến
nghị, để sản xuất keo có hàm lượng formaldehyde dư trong keo thấp, với tỉ lệ mol
tổng thể F:U không đổi, nên tăng tỉ lệ F:U1 trong giai đoạn phản ứng cộng, nhưng
không nên vượt quá 2,0.
4.2. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến một số tính chất
cơ học của ván dán (thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố)
Một trong những tính chất công nghệ quan trong của ván dán sử dụng sản xuất
các sản phẩm mộc đó là độ bền dán dính. Khả năng dán dính của ván thường được
đánh giá thông qua hai chỉ tiêu chính là độ bền kéo trượt màng keo và độ bong tách
màng keo khi ngâm nước trong điều kiện nhất định. Trong phạm vi nghiên cứu của
luận án, chủ yếu xác định sự ảnh hưởng của keo biến tính đến khả năng dán dính của
ván thông qua độ bền kéo trượt màng keo.
Tương tự như độ bền dán dính của ván, độ bền uốn tĩnh (MOR) và mô đun đàn
hồi uốn tĩnh (MOE) cũng là chỉ tiêu cơ học quan trọng trong sử dụng ván, mà chủ yếu
là các chi tiết chịu uốn.
76
4.2.1. Ảnh hưởng của keo UF với lượng dùng PVA khác nhau
Từ số liệu thực nghiệm, áp dụng lý thuyết thống kê toán học, nghiên cứu đã xây
dựng được mối quan hệ giữa lượng dùng PVA của keo UF với cường độ kéo trượt
màng keo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván dán. Các mối quan hệ
này được thể hiện thông qua các phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA trong keo UF biến tính và
cường độ kéo trượt màng keo của ván dán:
y = -0,4543x2 + 1,9049x + 0,228 R² = 0,9893
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA trong keo UF biến tính và độ
bền uốn tĩnh của ván dán:
y = -7,4286x2 + 27,086x + 38 R² = 0,8623
+ Phương trình tương quan giữa lượng dùng PVA trong keo UF biến tính và mô
đun đàn hồi uốn tĩnh của ván dán:
y = -1,2857x2 + 4,7571x + 4,2 R² = 0,8073
Mối quan hệ giữa cường độ kéo trượt màng keo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn
hồi uốn tĩnh của ván với lượng dùng PVA được thể hiện thông qua mức độ tương
quan R2, với R2 > 0,8 như trên có thể khẳng định lượng dùng PVA có ảnh hưởng rất
lớn đến một số tính chất cơ học của ván dán kể trên.
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng dùng PVA và một số tính chất cơ học
2,5
,
2,0
o e k g n à m
1,5
R² = 0,9893
a P M
t ợ ư r t
1,0
o é k
0,5
n ề b ộ Đ
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Lượng dùng PVA, %
của ván dán được thể hiện trong các hình 4.12, hình 4.13 và hình 4.14.
Hình 4.12. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và độ bền kéo trượt màng keo
70,0
60,0
a P M
50,0
,
R² = 0,8623
40,0
h n ĩ t n ố u
30,0
20,0
n ề b ộ Đ
10,0
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Lượng dùng PVA, %
77
a P G
,
R² = 0,8073
h n ĩ t n ố u
i
ồ h n à đ
n u đ ô M
10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
0,0
1,0
2,0
3,0
Lượng dùng PVA, %
Hình 4.13. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và độ bền uốn tĩnh
Hình 4.14. Quan hệ giữa lượng dùng PVA và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Từ hình 4.12 đến hình 4.14 cho thấy, khi sử dụng keo UF với lượng PVA tăng
dần từ 0,5 đến 2,5% so với lượng U trong keo thì các chỉ tiêu về độ bền cơ học của
ván dán gồm độ bền kéo trượt màng keo, độ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
của ván đều có xu thế tăng lên, nhưng khi lượng PVA đạt đến một giá trị nhất định
thì các tính chất cơ học này có xu thế không thay đổi, hoặc thậm chí giảm xuống.
Điều này có thể thấy PVA có tác động khá rõ đến chất lượng của keo và từ đó dẫn
đến thay đổi các chỉ tiêu cơ học của ván dán sử dụng các loại keo đó.
78
Hình 4.15. Quá trình hình thành keo UF bi ến tính bằng PVA
(Nguồn: Liu và cộng sự [48])
Theo Liu và cộng sự [48], trong quá trình tổng hợp keo UF với sự có mặt của
PVA thì ngoài phản ứng giữa U và F tạo ra keo UF còn có phản ứng giữa PVA và F
tạo ra keo PVF, sản phẩm thu được khi biến tính sẽ gồm keo UF và keo PVF. Sau khi
đóng rắn sẽ tạo ra hỗn hợp vật chất chứa keo UF và PVF đan xen nhau (hình 4.15).
Trong quá trình tổng hợp tuy có thể tạo ra hỗn hợp giữa UF và PVF, nhưng do
lượng dùng PVA tăng lên làm giảm hoạt tính của các nhóm chức, vì thế làm mức độ
phản ứng giữa các hợp chất giảm xuống. Từ đó ảnh hưởng đến chất lượng dán dính
của keo và làm cho độ bền cơ học của ván dán sử dụng các loại keo này cũng thay
đổi theo. Điều này có thể là căn cứ giải thích quy luật biến đổi của độ bền cơ học ván
dán trong nghiên cứu này.
4.2.2. Ảnh hưởng của keo UF với tỉ lệ mol F và U1 khác nhau
Theo lý thuyết hình thành keo UF, phản ứng giữa U và F là phản ứng thuận
nghịch, để hình thành keo UF thì trong quá trình phản ứng số mol F luôn lớn hơn U.
Ngoài ra, để U và F xảy ra phản ứng triệt để, hiện nay công nghệ tổng hợp keo thường
phân chia U ra nhiều lần để cho vào trong quá trình phản ứng, tạo ra keo có chất
lượng cao và giảm lượng F dư [4].
79
Luận án đã tiến hành tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA với tỉ lệ mol tổng F
và U là 1,1, trong đó đã thay đổi tỉ lệ F và U1 lần lượt từ 1,7 đến 2,1. Sau đó sử dụng
keo UF biến tính để sản xuất ván dán nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ mol F và U1
đến chất lượng của keo thông qua một số chỉ tiêu độ bền cơ học của ván dán.
Từ số liệu thực nghiệm, áp dụng lý thuyết thống kê toán học, luận án đã xây
dựng được mối quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 của keo UF với cường độ kéo trượt màng
keo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván dán. Các mối quan hệ này
được thể hiện thông qua các phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 trong keo UF biến tính và cường
độ kéo trượt màng keo của ván dán:
y = -7,7143x2 + 31,894x - 30,82 R² = 0,9771
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 trong keo UF biến tính và độ
bền uốn tĩnh của ván dán:
y = -142,86x2 + 566,86x - 498,66 R² = 0,9286
+ Phương trình tương quan giữa tỷ lệ mol F:U1 trong keo UF biến tính và mô
đun đàn hồi uốn tĩnh của ván dán:
y = -13,571x2 + 56,071x - 49,011 R² = 0,9465
Mối quan hệ giữa cường độ kéo trượt màng keo, độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn
hồi uốn tĩnh của ván với tỷ lệ mol F:U1 được thể hiện thông qua mức độ tương quan
R2, với R2 > 0,9 như trên có thể khẳng định tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng rất lớn đến
một số tính chất cơ học của ván dán kể trên.
Kết quả thí nghiệm xác định độ bền kéo trượt màng keo, độ bền uốn tĩnh và mô
đun đàn hồi uốn tĩnh của ván dùng các loại keo UF biến tính với tỉ lệ mol F và U1
khác nhau được thể hiện trong các hình 4.16, 4.17 và 4.18.
2,5
g n à m
2,0
1,5
R² = 0,9771
,
1,0
a P M o e k
0,5
t ợ ư r t o é k ộ đ g n ờ ư C
0,0
1,6
1,7
2,1
2,2
1,8 2,0 1,9 Tỷ lệ mol F:U1
80
,
R² = 0,9286
a P M h n ĩ t n ố u n ề b ộ Đ
70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0
1,6
1,7
1,8
2,1
2,2
1,9 2 Tỷ lệ mol F:U1
Hình 4.16. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và cường độ kéo trượt màng keo
a P G
,
R² = 0,9465
h n ĩ t n ố u
i
ồ h
n à đ n u đ ô M
10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
1,6
1,7
2,1
2,2
1,8 2,0 1,9 Tỷ lệ mol F:U1
Hình 4.17. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và độ bền uốn tĩnh
Hình 4.18. Quan hệ giữa tỷ lệ mol F:U1 và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
81
Khi tỉ lệ mol F:U1 thay đổi từ 1,7 đến 2,1 thì các tính chất cơ học của ván dán
đều thay đổi. Khi tỉ lệ mol F:U1 tăng lên, các chỉ tiêu đều tăng theo đến một giá trị
nhất định rồi giảm xuống.
Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do: khi tăng tỉ lệ F: U1 ở giai đoạn phản
ứng cộng, thì phản ứng giữa F và U1 xảy ra triệt để ở giai đoạn đầu, đến giai đoạn
sau chỉ xảy ra phản ứng trùng ngưng, với số lượng monome UF ở giai đoạn đầu lớn
khi tỉ lệ mol tăng cao đã dẫn đến keo thu được có hàm lượng khô tăng lên. Tuy nhiên,
khi tỉ lệ mol tăng vượt mức thì ảnh hưởng đến lượng F ở giai đoạn trùng ngưng (lượng
F ở giai đoạn này bị giảm xuống, do tổng lượng F của cả quá trình không đổi), dẫn
đến phản ứng trùng ngưng thu được lượng sản phẩm ít, khiến cho hàm lượng khô của
keo thấp [4]. Mặt khác, trong quá trình sản xuất ván dán, hàm lượng khô của keo có
ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của ván [39]. Nghiên cứu này có các yếu tố đầu
vào gồm loại ván mỏng, thông số công nghệ ép, lượng keo dùng đều được khống chế
như nhau ở tất cả các chế độ thí nghiệm. Trong thí nghiệm chỉ thay đổi loại keo tổng
hợp được với sự thay đổi của tỉ lệ F và U1, vì vậy từ kết quả thí nghiệm có thể thấy
tỉ lệ F và U1 có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng keo và dẫn đến chất lượng ván
dán sử dụng loại keo UF biến tính bằng PVA như trong nghiên cứu cũng bị ảnh
hưởng.
4.3. 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)
4.3.1. Ảnh hưởng đến hàm lượng khô
Căn cứ phương pháp nghiên cứu thực nghiệm của kế hoạch thực nghiệm đa yếu
tố được mô tả trong Chương 3, thí nghiệm được thiết kế theo mô hình CCD, chọn số
lần lặp tại tâm là 5 lần và chạy phần mềm Design - Expert 11 sẽ tìm được số mẫu thí
nghiệm là 13 mẫu với bố trí lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 ngẫu nhiên được
trình bày tại bảng 4.1.
82
Bảng 4.1. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định hàm lượng khô của keo theo tỷ
lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
1
2,0
53,8
1,90
2
2,0
53,9
1,90
3
3,4
53,6
1,90
4
2,0
53,7
2,04
5
1,0
54,6
1,80
6
3,0
53,4
2,00
7
2,0
53,9
1,90
8
2,0
54,2
1,90
9
1,0
54,1
2,00
10
2,0
53,8
1,90
11
2,0
53,8
1,76
12
0,6
55,1
1,90
13
3,0
53,3
1,80
Bảng 4.2. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến hàm lượng khô
0,5225 18,45
0,0007 significant
2,12 74,99 < 0.0001 0,2927 0,1178 0,0361 0,0721
0,4421 not significant
1,29 3,18 6,69 4,48 1,11
2,61 5 2,12 1 0,0366 1 0,0900 1 0,1894 1 0,1268 1 0,1982 7 0,0902 3 0,1080 4 2,81 12
0,0366 0,0900 0,1894 0,1268 0,0283 0,0301 0,0270
83
Giá trị F của mô hình là 18,45 với p = 0,0007 cho thấy mô hình có ý nghĩa, chỉ
có 0,07% khả năng giá trị F lớn như vậy có thể xảy ra do nhiễu. Giá trị p < 0,05 chỉ
ra rằng các số hạng mô hình có ý nghĩa, trong trường hợp này là A và A2 là các số
hạng mô hình quan trọng, có nghĩa là lượng dùng PVA có ảnh hưởng mạnh đến hàm
lượng khô. Giá trị F của Lack of fit phản ánh độ rời rạc của dữ liệu, giá trị này có ý
nghĩa tại p < 0,05 và không có ý nghĩa về mặt thống kê với p > 0,05.
Bảng 4.3. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
0,1683
0,9295
53,94
0,8791
0,3120
0,7118
14,2242
Theo Zabeti et al. (2009) [92], mô hình tương quan tốt cần có sự phù hợp giữa
số liệu thực tế và lý thuyết. Độ chính xác phù hợp AP (adequate precision) được sử
dụng để định hướng cho không gian thiết kế phải lớn hơn 4,0. Ngoài ra, mô hình
tương quan tốt cần có hệ số xác định tương quan R² lớn hơn 0,8 [34]. Như vậy mô
hình được xây dựng từ thí nghiệm đã thỏa mãn các điều kiện với hệ số xác định tương
quan R² = 0,9295, giá trị p của Lack of fit = 0,4421, AP = 14,2242. Do đó, có thể
khẳng định, mô hình có đủ độ chính xác để sử dụng dự đoán mối tương quan của các
nhân tố với hàm lượng khô và mô hình có thể được dùng để chuyển đến không gian
thiết kế.
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của các thông số đầu vào đối với hàm lượng khô
được thể hiện trên hình 4.19.
Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở hình 4.19 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.
84
Hình 4.19. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến
hàm lượng khô của keo
Trên cơ sở số liệu thực nghiệm, sau khi xử lý thống kê (theo phần mềm Design
Expert 11), kết quả cụ thể tham khảo phần phụ lục, trong phần này chỉ trình bày
phương trình tương quan biểu diễn quan hệ giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
với hàm lượng khô của keo và sự sai lệch giữa giá trị thực nghiệm với giá trị hồi quy
của hàm lượng khô thông qua mối tương quan giữa chúng.
Phương trình với các số hạng của các yếu tố thực có thể được dùng để dự đoán
về đáp ứng trong việc xem xét các mức của mỗi yếu tố. Phương trình tương quan
(dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 (FU) với hàm lượng khô SC
(solid content):
SC = 13,86121 - 4,02517PVA + 47,62322FU + 1,5PVA.FU + 0,165PVA2 - 13,5FU2
85
Phương trình dự đoán hàm lượng khô cho thấy, số hạng của lượng dùng PVA
và bình phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng khô. Ngược lại số
hạng của tỷ lệ mol F:U1, tương tác giữa lượng dùng PVA với tỷ lệ mol F:U1 và bình
phương lượng dùng PVA có quan hệ tỷ lệ thuận với hàm lượng khô.
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hàm lượng khô
thể hiện trong hình 4.20.
Hình 4.20. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
của hàm lượng khô
Dữ liệu trong Hình 4.20 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là
phù hợp với quy luật biến đổi hàm lượng khô của keo biến tính.
86
4.3.2. Ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn
Bảng 4.4. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định thời gian đóng rắn của keo theo
tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
1
2,0
1,90
85,3
2
2,0
1,90
85,5
3
3,4
1,90
88,5
4
2,0
2,04
95,3
5
1,0
1,80
82,4
6
3,0
2,00
85,2
7
2,0
1,90
84,6
8
2,0
1,90
86,1
9
1,0
2,00
88,5
10
2,0
1,90
85,3
11
2,0
1,76
101,2
12
0,6
1,90
82,1
13
3,0
1,80
92,1
Bảng 4.5. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng đến thời gian đóng rắn
7,83 0,0087 significant 60,16 3,88 0,0894 29,84 1,36 0,2817 10,45 5,50 0,0515 42,25 10,21 1,33 0,2870 192,74 25,08 0,0016
7,69
300,78 5 29,84 1 10,45 1 42,25 1 10,21 1 192,74 1 53,80 7 52,64 3 1,15 4 354,57 12
17,55 60,93 0,0009 significant 0,2880
87
Giá trị F của mô hình là 7,83 cho thấy mô hình có ý nghĩa. Giá trị p < 0,05 thì
các số hạng của mô hình có ý nghĩa thống kê, tác động đến phương trình hồi quy,
trong trường hợp này thì B2 là số hạng quan trọng của mô hình, có nghĩa là bình
phương tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng mạnh đến thời gian đóng rắn. Giá trị F của Lack
of fit là 60,93 với p = 0,0009 có ý nghĩa thống kê.
Bảng 4.6. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
2,77 87,85 3,16
0,8483 0,7399 -0,0609
9,1847
Độ chính xác phù hợp là 9,1847 cho thấy mô hình có thể được dùng để chuyển
đến vùng thiết kế.
Hình 4.21. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến
thời gian đóng rắn của keo
88
Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở hình 4.21 cho thấy, 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.
Phương trình tương quan (dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
(FU) với thời gian đóng rắn CT (curing time):
CT = 1875,08268 + 68,52637PVA - 1946,65483FU - 32,50000PVA.FU -
1,21125PVA2 + 526,37500FU2
Phương trình dự đoán thời gian đóng rắn cho thấy, số hạng của tỷ lệ F:U1, tương
tác giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ F:U1 và bình phương lượng dùng PVA có quan hệ
tỷ lệ nghịch với thời gian đóng rắn. Ngược lại số hạng của lượng dùng PVA và bình
phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ thuận với thời gian đóng rắn.
Hình 4.22. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
của thời gian đóng rắn
89
Dữ liệu trong Hình 4.22 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ khá chặt chẽ (R2 > 0,8). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là
phù hợp với quy luật biến đổi của thời gian đóng rắn keo.
4.3.3. Ảnh hưởng đến độ tan trong nước
Bảng 4.7. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định độ tan trong nước của keo theo
tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
1
2,0
1,90
3,4
2
2,0
1,90
3,6
3
3,4
1,90
3,5
4
2,0
2,04
3,1
5
1,0
1,80
2,5
6
3,0
2,00
3,8
7
2,0
1,90
3,4
8
2,0
1,90
3,3
9
1,0
2,00
2,4
10
2,0
1,90
3,7
11
2,0
1,76
1,8
12
0,6
1,90
1,4
13
3,0
1,80
3,5
90
Bảng 4.8. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng
đến độ tan trong nước
0,0132 significant 0,0026 0,1258 0,6444 0,0533 0,0533
5,80 5 3,60 1 0,5194 1 0,0400 1 0,9268 1 0,9268 1 1,20 7
1,16 3,60 0,5194 0,0400 0,9268 0,9268 0,1720
6,75 20,95 3,02 0,2325 5,39 5,39
1,10 3
0,3654
13,53
0,0146 significant
0,1080 4 7,01 12
0,0270
Giá trị F của mô hình là 6,75 cho thấy mô hình có ý nghĩa. Giá trị p < 0,05 thì
các số hạng của mô hình có ý nghĩa thống kê, trong trường hợp này thì A là số hạng
quan trọng của mô hình, có nghĩa là lượng dùng PVA có ảnh hưởng mạnh đến độ tan
trong nước. Giá trị F của Lack of fit là 13,53 có ý nghĩa.
Bảng 4.9. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
0,4148
R²
0,8282
3,03
0,7054
Adjusted R²
13,68
Predicted R²
-0,1364
7,0103
Độ chính xác phù hợp là 7,0103 cho thấy mô hình có thể được dùng để chuyển
đến không gian thiết kế.
91
Hình 4.23. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ tan trong
nước của keo
Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở hình 4.23 cho thấy, 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.
Phương trình tương quan (dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
(FU) với độ tan trong nước WM (water miscibility):
WM = -132,12885 + 0,231231PVA + 139,2481FU + 1,0PVA.FU - 0,365PVA2 -
36,5F:U2
Phương trình dự đoán độ tan trong nước cho thấy, số hạng của bình phương
lượng dùng PVA, bình phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ nghịch với độ tan trong
92
nước. Ngược lại số hạng của lượng dùng PVA, tỷ lệ F:U1 và tương tác giữa giữa
lượng dùng PVA với tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ thuận với độ tan trong nước.
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tan trong nước
thể hiện trong hình 4.24.
Hình 4.24. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ
tan trong nước
Dữ liệu trong Hình 4.24 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ khá chặt (R2 > 0,8). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là phù
hợp với quy luật biến đổi của độ tan trong nước.
93
4.3.4. Ảnh hưởng đến hàm lượng formaldehyde dư
Bảng 4.10. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định hàm lượng formaldehyde dư
của keo theo tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
1
2,0
1,90
0,61
2
2,0
1,90
3
3,4
1,90
0,59
0,55
4
2,0
2,04
0,48
5
1,0
1,80
6
3,0
2,00
0,75
0,49
7
2,0
1,90
0,59
8
2,0
1,90
9
1,0
2,00
0,61
0,51
10
2,0
1,90
0,62
11
2,0
1,76
12
0,6
1,90
0,68
0,70
13
3,0
1,80
0,65
94
Bảng 4.11. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng
đến hàm lượng formaldehyde dư
0,0151
30,21
0,0001 significant
0,0757
5
A-PVA
0,0138
1
0,0138
27,51
0,0012
B-F:U
0,0583
1
0,0583
116,26 < 0.0001
AB
0,0016
1
0,0016
3,19
0,1172
A²
0,0007
1
0,0007
1,35
0,2828
B²
0,0011
1
0,0011
2,21
0,1806
0,0035
7
0,0005
Lack of Fit
0,0028
3
0,0009
5,17
0,0733 not significant
Pure Error
0,0007
4
0,0002
0,0792 12
Giá trị F của mô hình là 30,21 cho thấy mô hình có ý nghĩa. Giá trị p < 0,05 thì
các số hạng của mô hình quan trọng, trong trường hợp này thì cả A và B là các số
hạng quan trọng của mô hình, có nghĩa là cả lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 đều
với p > 0,05 không có ý nghĩa thống kê.
có ảnh hưởng mạnh đến hàm lượng formaldehyde dư. Giá trị F của Lack of fit là 5,17
Bảng 4.12. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
0,0224 0,6023 3,72
0,9557 0,9241 0,7355 19,0703
Độ chính xác phù hợp 19,070 cho thấy một tín hiệu phù hợp, mô hình có thể
được dùng để chuyển đến vùng thiết kế.
95
Hình 4.25. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến
hàm lượng formaldehyde dư của keo
Đồ thị bề mặt đáp ứng và contour ở hình 4.25 cho thấy, 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.
Phương trình tương quan (dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
(FU) với hàm lượng formaldehyde dư FC (formaldehyde content):
FC = -1,44934 - 0,461017PVA + 3,54395FU + 0,20PVA.FU + 0,009875PVA2
- 1,2625FU2
Phương trình dự đoán hàm lượng formaldehyde dư cho thấy, số hạng của lượng
dùng PVA và bình phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng
formaldehyde dư. Ngược lại số hạng của tỷ lệ F:U1, tương tác giữa giữa lượng dùng
96
PVA với tỷ lệ F:U1 và bình phương lượng dùng PVA có quan hệ tỷ lệ thuận với hàm
lượng formaldehyde dư.
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hàm lượng
formaldehyde dư thể hiện trong hình 4.26.
Hình 4.26. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của
hàm lượng formaldehyde tự do
Dữ liệu trong Hình 4.26 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ rất chặt (R2 > 0,9). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là phù
hợp với quy luật biến đổi của hàm lượng formaldehyde dư.
97
4.4. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến một số tính chất
cơ học của ván dán (thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố)
4.4.1. Ảnh hưởng đến độ bền kéo trượt màng keo
Bảng 4.13. Bố trí thí nghiệm và kết quả xác định độ bền kéo trượt màng keo
của ván theo tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
1
2,0
1,90
2,20
2
2,0
1,90
2,40
3
3,4
1,90
2,16
4
2,0
2,04
2,11
5
1,0
1,80
1,34
6
3,0
2,00
2,35
7
2,0
1,90
2,20
8
2,0
1,90
2,10
9
1,0
2,00
1,56
10
2,0
1,90
2,50
11
2,0
1,76
0,94
12
0,6
1,90
0,92
13
3,0
1,80
2,11
Độ bền kéo trượt màng keo, MPa
98
Bảng 4.14. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng
đến độ bền kéo trượt màng keo
0,0063 significant 0,0029 0,0245 0,9706 0,0214 0,0192
0,0874 not significant
3,02 5 1,37 1 0,5590 1 0,0001 1 0,5977 1 0,6287 1 0,4802 7 0,3722 3 0,1080 4 3,50 12
8,79 0,6033 20,01 1,37 0,5590 8,15 0,0001 0,0015 8,71 0,5977 9,16 0,6287 0,0686 4,59 0,1241 0,0270
Giá trị F của mô hình là 8,79 với p = 0,0063 cho thấy mô hình có ý nghĩa. Giá
trị p < 0,05 chỉ ra rằng các số hạng mô hình có ý nghĩa, trong trường hợp này là A,
B, A2 và B2 là các số hạng mô hình quan trọng, có nghĩa là lượng dùng PVA và tỷ lệ
mol F:U1 đều có ảnh hưởng mạnh đến độ bền kéo trượt màng keo. Giá trị F của Lack
of fit không có ý nghĩa.
Bảng 4.15. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
0,2619
R²
0,8627
1,91
Adjusted R²
0,7646
13,68
Predicted R²
0,1948
7,6267
Độ chính xác phù hợp là 7,6267, mô hình có thể được dùng để chuyển đến
vùng thiết kế.
99
Hình 4.27. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ bền kéo
trượt màng keo
Lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng mạnh đến độ bền kéo trượt
màng keo của ván dán, 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. Độ bền kéo trượt màng keo 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.
Phương trình tương quan (dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
(FU) với độ bền kéo trượt TS (tensile shear strength):
TS = -113,07878 + 1,49170PVA + 116,78079FU + 0,050000PVA.FU -
0,293125PVA2 - 30,06250FU2
Phương trình dự đoán độ bền kéo trượt màng keo cho thấy, số hạng của bình
phương lượng dùng PVA và bình phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ nghịch với độ
100
bền kéo trượt. Ngược lại số hạng của lượng dùng PVA, tỷ lệ F:U1 và tương tác giữa
lượng dùng PVA với tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ thuận với độ bền kéo trượt màng
keo.
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ bền kéo trượt
màng keo thể hiện trong hình 4.28.
Dữ liệu trong Hình 4.28 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ chặt (R2 > 0,8). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là phù hợp
với quy luật biến đổi của độ bền kéo trượt màng keo.
Hình 4.28. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
của độ bền kéo trượt màng keo
101
4.4.2. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Bảng 4.16. Độ bền uốn tĩnh ván với các tỷ lệ thành phần nguyên liệu khác nhau
1
2,0
1,90
56,80
2
2,0
1,90
55,00
3
3,4
1,90
55,00
4
2,0
2,04
54,00
5
1,0
1,80
54,65
6
3,0
2,00
56,00
7
2,0
1,90
56,00
8
2,0
1,90
57,00
9
1,0
2,00
53,50
10
2,0
1,90
56,90
11
2,0
1,76
55,94
12
0,6
1,90
52,00
13
3,0
1,80
57,00
Bảng 4.17. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng
đến độ bền uốn
0,0161 significant
23,16
5
6,26
4,63
A-PVA
10,33
1
13,97
0,0073
10,33
B-F:U
2,99
1
4,05
0,0842
2,99
AB
0,0056
1
0,0056
0,0076
0,9330
A²
9,31
1
12,59
0,0094
9,31
B²
1,24
1
1,67
0,2368
1,24
5,18
7
0,7397
2,31
3
0,7686
1,07
0,4556
Lack of Fit
not significant
Pure Error
2,87
4
0,7180
28,34
12
102
Giá trị F của mô hình là 6,26 với p = 0,0161 cho thấy mô hình có ý nghĩa. Giá
trị p < 0,05 chỉ ra rằng các số hạng mô hình có ý nghĩa, trong trường hợp này là A, A2
là các số hạng mô hình quan trọng, có nghĩa là lượng dùng PVA có ảnh hưởng mạnh
đến độ bền uốn. Giá trị F của Lack of Fit 1,07 không có ý nghĩa thống kê.
Bảng 4.18. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
0,8600
R²
0,8173
55,37
Adjusted R²
0,6868
1,55
Predicted R²
0,2631
6,9370
Độ chính xác phù hợp 6,9370, mô hình có thể được dùng để chuyển đến vùng
thiết kế.
Kết quả phân tích thống kê độ bền uốn được thể hiện trong hình 4.29
Hình 4.29. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến độ bền uốn
103
Lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng khá rõ đến độ bền uốn tĩnh
của ván, 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.
Phương trình tương quan (dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
(FU) với độ bền uốn tĩnh MOR:
42,1875FU2
MOR = -89,8103 + 5,05158PVA + 153,44553FU + 0,375PVA.FU - 1,15688PVA2 -
Phương trình dự đoán độ bền uốn tĩnh cho thấy, số hạng của bình phương lượng
dùng PVA và bình phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ nghịch với độ bền uốn tĩnh.
Ngược lại số hạng của lượng dùng PVA, tỷ lệ F:U1 và tương tác giữa lượng dùng
PVA với tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ thuận với độ bền uốn tĩnh.
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ bền uốn thể
hiện trong hình 4.30.
Dữ liệu trong Hình 4.30 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ chặt (R2 > 0,8). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là phù hợp
với quy luật biến đổi của độ bền uốn tĩnh.
104
Hình 4.30. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
của độ bền uốn tĩnh
105
4.4.3. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Bảng 4.19. Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván với các tỷ lệ thành phần nguyên
liệu khác nhau
9,7
1
2,0
1,90
9,9
2
2,0
1,90
8,5
3
3,4
1,90
9,3
4
2,0
2,04
7,15
5
1,0
1,80
10,5
6
3,0
2,00
9,7
7
2,0
1,90
9,6
8
2,0
1,90
7,5
9
1,0
2,00
10
10
2,0
1,90
7,2
11
2,0
1,76
4,5
12
0,6
1,90
8,8
13
3,0
1,80
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa
Bảng 4.20. Kết quả phân tích ANOVA tỷ lệ thành phần nguyên liệu ảnh hưởng
đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh
6,09 15,15 0,0012 significant
13,28 33,01 0,0007 3,15 7,83 0,0266 1,13 0,3225 0,4556 12,90 32,07 0,0008 4,10 0,0826
30,46 5 13,28 1 3,15 1 0,4556 1 12,90 1 1,65 1 2,82 7 2,71 3 0,1080 4 33,28 12
1,65 0,4023 0,9026 33,43 0,0027 significant 0,0270
106
Giá trị F của mô hình là 15,15 với p = 0,0012 cho thấy mô hình có ý nghĩa. Giá
trị p < 0,05 thì các số hạng của mô hình quan trọng, trong trường hợp này thì PVA,
F:U và PVA2 là số hạng quan trọng của mô hình, có nghĩa là lượng dùng PVA và tỷ
lệ mol F:U1 có ảnh hưởng mạnh đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh. Giá trị F của Lack of
fit là 33,43 có ý nghĩa.
Bảng 4.21. Kết quả phân tích sự phù hợp của mô hình với thực nghiệm
0,6342 8,64
R² Adjusted R²
0,9154 0,8550
7,34
Predicted R²
0,4163
11,4889
Độ chính xác phù hợp 11,4889, mô hình có thể được dùng để chuyển đến vùng
thiết kế.
Hình 4.31. Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần nguyên liệu đến mô đun đàn
hồi uốn tĩnh
107
Lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 có ảnh hưởng khá rõ đến mô đun đàn hồi
uốn tĩnh của ván, 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 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.
Phương trình tương quan (dạng thực) giữa lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1
(FU) với mô đun đàn hồi uốn tĩnh MOE:
MOE = -173,10323 + 0,323357PVA + 184,53731FU + 3,375PVA.FU -
1,36188PVA2 - 48,6875FU2
Phương trình dự đoán mô đun đàn hồi uốn tĩnh cho thấy, số hạng của bình
phương lượng dùng PVA và bình phương tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ nghịch với mô
đun đàn hồi uốn tĩnh. Ngược lại số hạng của lượng dùng PVA, tỷ lệ F:U1 và tương
tác giữa lượng dùng PVA với tỷ lệ F:U1 có quan hệ tỷ lệ thuận với mô đun đàn hồi
uốn tĩnh.
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của mô đun đàn hồi
uốn tĩnh thể hiện trong hình 4.32.
Dữ liệu trong Hình 4.32 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan
hệ rất chặt (R2 > 0,9). Điều này có nghĩa, phương trình tương quan lập ở trên là phù
hợp với quy luật biến đổi của mô đun đàn hồi uốn tĩnh.
108
Hình 4.32. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của
mô đun đàn hồi uốn tĩnh
4.5. 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
Các biến phụ thuộc bao gồm: 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 và
mô đun đàn hồi uốn tĩnh sau khi được tối ưu hóa riêng lẻ từng đáp ứng, chúng có các
thông số lượng dùng PVA và tỷ lệ mol F:U1 như sau:
109
Bảng 4.22. Kết quả tối ưu hóa của từng hàm mục tiêu riêng lẻ
Giá trị tối Lượng dùng Tỷ lệ mol STT Hàm mục tiêu ưu tìm được PVA, % F:U1
1 Hàm lượng khô, % 55,1 0,6 1,80
2 Thời gian đóng rắn, giây 79,7 0,6 1,87
3 Độ tan trong nước, lần 3,8 2,5 1,94
4 Hàm lượng formaldehyde tự do, % 0,49 2,5 2,00
5 Cường độ kéo trượt màng keo, MPa 2,47 2,5 1,94
6 Độ bền uốn tĩnh, Mpa 56,83 2,5 1,83
7 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa 10,4 2,5 1,98
Để xác định các thông số ảnh hưởng đến các 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 đáp ứng.
4.5.1. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư và độ bền dán dính
Để giải bài toán tối ưu cho 2 hàm mục tiêu: hàm lượng formaldehyde dư và
độ bền dán dính, sử dụng phần mềm Design Expert 11.
Điều kiện cho các đáp ứng: hàm lượng formaldehyde tự do với hàm mong đợi
(desirability) nhỏ nhất và độ bền kéo trượt màng keo với hàm mong đợi lớn nhất bằng
cách chập mục tiêu theo thuật toán “hàm mong đợi”.
Sau khi chập mục tiêu theo thuật toán “hàm mong đợi” đã tìm được 1 giải
pháp tối ưu với 2 biến xác định như bảng 4.24. Như vậy, thông số tối ưu chung cho
2 hàm mục tiêu trên là: lượng dùng PVA = 2,5 %, tỷ lệ mol F:U1 = 2,0.
110
Bảng 4.23. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư và độ bền
dán dính
is in range
0,6
2,5
A:PVA
3
is in range
1,76
B:F:U
2
1
1
3
Hàm lượng khô
none
53,3
60
1
1
3
Thời gian đóng rắn
none
75
90
1
1
3
none
2,5
5
1
1
3
minimize
0,4
0,75
1
1
3
Độ tan trong nước Hàm lượng formaldehyde dư Độ bền kéo trượt màng keo maximize
1,5
3
1
1
3
Độ bền uốn tĩnh
none
54
60
1
1
3
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
none
6
11
1
1
3
lượng formaldehyde dư và độ bền dán dính
111
Bảng 4.24. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư và độ bền dán dính
1
Hàm lượng formaldehyde dư, %
0,50
2,5
2,00
2
Độ bền kéo trượt màng keo, MPa
2,38
4.5.2. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô
Điều kiện cho các đáp ứng (bảng 4.25): hàm lượng khô với hàm mong đợi
(desirability) lớn nhất, hàm lượng formaldehyde tự do với hàm mong đợi nhỏ nhất và
độ bền kéo trượt màng keo với hàm mong đợi lớn nhất bằng cách chập mục tiêu theo
thuật toán “hàm mong đợi” đã tìm được 1 giải pháp tối ưu với 2 biến xác định như
bảng 4.26.
Như vậy, thông số tối ưu chung cho 3 hàm mục tiêu hàm lượng formaldehyde
dư, độ bền dán dính và hàm lượng khô đạt được là: lượng dùng PVA = 2,2 %, tỷ lệ
mol F:U1 = 1,97.
Bảng 4.25. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền
dán dính và hàm lượng khô
A:Lượng dùng PVA
is in range
0,6
2,5
3
B:Tỷ lệ mol F:U1
is in range
1,76
2
1
1
3
Hàm lượng khô
maximize
60
1
1
3
53
Thời gian đóng rắn
none
90
1
1
3
75
none
5
1
1
3
2,5
minimize
0,75
1
1
3
0,4
Độ tan trong nước Hàm lượng formaldehyde dư Độ bền kéo trượt màng keo maximize
3
1
1
3
1,5
Độ bền uốn tĩnh
none
60
1
1
3
54
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
none
11
1
1
3
6
112
Bảng 4.26. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính và
hàm lượng khô
Hàm lượng formaldehyde dư, %
0,54
1
2,2
1,97
Độ bền kéo trượt màng keo, MPa
2,38
2
Hàm lượng khô, %
53,7
3
Hình 4.34. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu
hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính và hàm lượng khô
113
4.5.3. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô,
thời gian đóng rắn
Bảng 4.27. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền
dán dính, hàm lượng khô và thời gian đóng rắn
A:Lượng dùng PVA
is in range
0,6
2,5
3
B:Tỷ lệ mol F:U1
is in range
1,76
2
1
1
3
Hàm lượng khô
maximize
53
60
1
1
3
Thời gian đóng rắn
minimize
75
120
1
1
3
none
2,5
5
1
1
3
minimize
0,4
0,75
1
1
3
Độ tan trong nước Hàm lượng formaldehyde dư Độ bền kéo trượt màng keo maximize
1,5
3
1
1
3
Độ bền uốn tĩnh
none
54
60
1
1
3
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
none
6
11
1
1
3
Điều kiện cho các đáp ứng: hàm lượng khô với hàm mong đợi (desirability)
lớn nhất, thời gian đóng rắn với hàm mong đợi nhỏ nhất, hàm lượng formaldehyde tự
do với hàm mong đợi nhỏ nhất và độ bền kéo trượt màng keo với hàm mong đợi lớn
nhất bằng cách chập mục tiêu theo thuật toán “hàm mong đợi” đã tìm được 1 giải
pháp tối ưu với 2 biến xác định như bảng 4.28.
Bảng 4.28. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính,
hàm lượng khô và thời gian đóng rắn
1
Hàm lượng formaldehyde dư, %
0,55
2
Độ bền kéo trượt màng keo, MPa
2,40
2,2
1,96
3
Hàm lượng khô, %
53,8
4
Thời gian đóng rắn, giây
86,4
114
Hình 4.35. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu hàm
lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn
Như vậy, thông số tối ưu chung cho 4 hàm mục tiêu hàm lượng formaldehyde
dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô và thời gian đóng rắn đạt được là: lượng dùng
PVA = 2,2 %, tỷ lệ mol F:U1 = 1,96.
115
4.5.4. Tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô,
thời gian đóng rắn, mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Bảng 4.29. Thông số lựa chọn tối ưu hóa hàm lượng formaldehyde dư, độ bền
dán dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
A:Lượng dùng PVA
is in range
0,6
2,5
3
B:Tỷ lệ mol F:U1
is in range
1,76
2
1
1
3
Hàm lượng khô
maximize
53
60
1
1
3
Thời gian đóng rắn
minimize
75
120
1
1
3
none
2,5
5
1
1
3
minimize
0,4
0,75
1
1
3
Độ tan trong nước Hàm lượng formaldehyde dư Độ bền kéo trượt màng keo maximize
1,5
3
1
1
3
Độ bền uốn tĩnh
none
54
60
1
1
3
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
maximize
6
11
1
1
3
Điều kiện cho các đáp ứng: hàm lượng khô với hàm mong đợi (desirability)
lớn nhất, thời gian đóng rắn với hàm mong đợi nhỏ nhất, hàm lượng formaldehyde tự
do với hàm mong đợi nhỏ nhất, độ bền kéo trượt màng keo với hàm mong đợi lớn
nhất và mô đun đàn hồi uốn tĩnh với hàm mong đợi lớn nhất bằng cách chập mục tiêu
theo thuật toán “hàm mong đợi” đã tìm được 1 giải pháp tối ưu với 2 biến xác định như bảng 4.30.
Bảng 4.30. Giá trị tối ưu của hàm lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính,
hàm lượng khô, thời gian đóng rắn và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
1
Hàm lượng formaldehyde dư, %
0,54
2
Độ bền kéo trượt màng keo, Mpa
2,45
2,4
1,96
3
Hàm lượng khô, %
53,7
4
Thời gian đóng rắn, giây
86,4
5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa
10,4
116
Hình 4.36. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung cho hàm mục tiêu hàm
lượng formaldehyde dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn
và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Như vậy, thông số tối ưu chung cho 5 hàm mục tiêu hàm lượng formaldehyde
dư, độ bền dán dính, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn và mô đun đàn hồi uốn tĩnh
đạt được là: lượng dùng PVA = 2,4 %, tỷ lệ mol F:U1 = 1,96.
117
4.5.5. Tối ưu hóa đồng thời tất cả bề mặt đáp ứng của các hàm mục tiêu trong quá
trình tổng hợp keo
Bảng 4.31. Thông số lựa chọn tối ưu hóa tất cả các hàm mục tiêu
A:Lượng dùng PVA
is in range
0,6
2,5
3
B:Tỷ lệ mol F:U1
is in range
1,76
2
1
1
3
Hàm lượng khô
maximize
54
60
1
1
3
Thời gian đóng rắn
minimize
75
120
1
1
3
maximize
2,5
5
1
1
3
minimize
0,4
0,75
1
1
3
Độ tan trong nước Hàm lượng formaldehyde dư Độ bền kéo trượt màng keo maximize
1,5
3
1
1
3
Độ bền uốn tĩnh
maximize
54
60
1
1
3
maximize
6
11
1
1
3
Bảng 4.32. Giá trị tối ưu các hàm mục tiêu theo tỷ lệ thành phần nguyên liệu
Hàm lượng formaldehyde dư, %
1
0,62
Độ bền kéo trượt màng keo, Mpa
2
2,09
Hàm lượng khô, %
3
54,1
1,6
1,91
Thời gian đóng rắn, giây
4
84
5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa
9,1
Độ tan trong nước, lần
6
3,2
7
Độ bền uốn tĩnh, MPa
55,70
118
Hình 4.37. Đồ thị contour thể hiện điểm tối ưu chung của lượng dùng PVA và
tỷ lệ mol F:U1 cho các hàm mục tiêu
Bằng việc đặt điều kiện cho các đáp ứng: hàm lượng khô với hàm mong đợi
(desirability) lớn nhất, thời gian đóng rắn với hàm mong đợi nhỏ nhất, độ tan trong
nước với hàm mong đợi lớn nhất, hàm lượng formaldehyde tự do với hàm mong đợi
nhỏ nhất, độ bền kéo trượt màng keo với hàm mong đợi lớn nhất, độ bền uốn với hàm
mong đợi lớn nhất và mô đun đàn hồi uốn tĩnh với hàm mong đợi lớn nhất bằng cách
chập mục tiêu theo thuật toán “hàm mong đợi” đã tìm được 1 giải pháp tối ưu với
hàm lượng 2 biến xác định là: lượng dùng PVA = 1,6 %, tỷ lệ mol F:U1 = 1,91.
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.
119
4.6. Thực hiện khảo nghiệm từ thông số tối ưu đã xác định
Từ bảng 4.32 và hình 4.37 cho thấy mô hình đã dự đoán: hàm lượng
formaldehyde dư nhỏ nhất đạt được là 0,62%, độ bền kéo trượt màng keo lớn nhất
đạt 2,09 MPa, hàm lượng khô lớn nhất thu được 54,1%, thời gian đóng rắn nhỏ nhất
đạt 84,5 giây, mô đun đàn hồi uốn tĩnh lớn nhất đạt 9,1 GPa, độ tan trong nước lớn
nhất đạt 3,2 lần và độ bền uốn tĩnh lớn nhất đạt được 55,70 MPa khi tỷ lệ nguyên
liệu đầu vào là lượng dùng PVA = 1,6% và tỷ lệ mol F:U1 = 1,91. Để kiểm tra kết
quả của mô hình, đề tài tiến hành thí nghiệm với các giá trị dự đoán để thu được các
kết quả cực trị.
(1) Tổng hợp keo UF
Lắp đặt thiết bị tổng hợp keo. Chọn lượng U tổng để xác định được lượng F
cần dùng theo tỷ lệ mol tổng F:U = 1,1. Cân xác định lượng U1, U2, U3 dựa vào tỷ
lệ mol F:U1 = 1,91. Cân xác định lượng PVA = 1,6%U, hòa tan PVA bằng nước cất
để được dung dịch PVA 10%. Cho Formalin vào bình 3 cổ, dùng NaOH 20% điều
chỉnh pH lên 8,5-9,0; cho U1 vào, tăng nhiệt lên 40oC. Tiếp đến cho PVA vào, tăng
nhiệt lên 60oC (1oC/min), duy trì 15 phút; tăng nhiệt lên 90-92oC (2oC/min), duy trì
trong 1h. Cho U2 vào, duy trì nhiệt độ 15 phút. Điều chỉnh pH xuống 5-5,5, kiểm
tra hỗn hợp (xuất hiện vẩn đục trắng), điều chỉnh pH lên 7,0-8,0 và cho U3 vào,
phản ứng tiếp trong 20 phút. Sau đó điều chỉnh pH xuống 6-6,5 rồi kiểm tra xác định
điểm cuối (sử dụng máy đo độ nhớt) khi độ nhớt đạt 190 mPa.s. Điều chỉnh pH =
8,0 và giảm nhiệt, lấy keo ra. Để keo ổn định ở nhiệt độ phòng (sau 60 phút), sau đó
lấy mẫu để xác định các tính chất: hàm lượng khô, thời gian đóng rắn, độ tan trong
nước, hàm lượng formaldehyde tự do. Phương pháp xác định đã được nêu cụ thể tại
mục 2.4.2.3 (Phương pháp xác định các tính chất của keo)
(2) Ép ván dán
Trước khi ép ván cần pha chế keo theo tỷ lệ:
+ Keo UF biến tính PVA: 100 phần trọng lượng;
+ Nước 7 phần trọng lượng;
+ Chất đóng rắn (NH4Cl): 6 phần trọng lượng
120
Lượng keo tráng: 150 g/m2, ván mỏng kích thước 350 x 350 x 1,5 mm có độ
ẩm 13 – 15% được quét keo lên 2 mặt. Xếp các lớp ván dán sao cho 2 lớp liền kề có
chiều thớ gỗ vuông góc nhau. Chồng các lớp ván mỏng và đặt chúng lên tấm lót kim
loại. Ép sơ bộ trong 30 phút với áp lực ép 1,0 Mpa. Ép nhiệt với thời gian 1,5
phút/mm tại nhiệt độ ép: 120 oC và áp lực ép: 1,2 Mpa. Ván sau khi ép được để ổn
định trong 10 giờ, sau đó đem cắt mẫu để xác định các tính chất: độ bền dán dính,
độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh. Phương pháp xác định được nêu cụ thể
tại mục 2.4.2.4. (Phương pháp xác định các tính chất của ván).
Sau khi xác định các tính chất của keo và ván, đối chiếu với giá trị tối ưu mà
mô hình đã xác lập, kết quả trình bày trong bảng 4.33.
Bảng 4.33. Kết quả các tính chất keo UF biến tính PVA và ván dán sử dụng các
điều kiện tối ưu
Chế độ Chế độ Stt Chỉ tiêu khảo Sai lệch tối ưu nghiệm
1 Hàm lượng formaldehyde dư, % 0,62 0,65 0,03
2 Độ bền kéo trượt màng keo, Mpa 2,09 2,01 0,08
3 Hàm lượng khô, % 54,1 53,5 0,4
4 Thời gian đóng rắn, giây 84 85 1
5 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, GPa 9,1 8,8 0,3
6 Độ tan trong nước, lần 3,2 3,1 0,1
7 Độ bền uốn tĩnh, MPa 55,70 54,26 1,44
Sự sai lệch giữa giá trị lý thuyết và giá trị khảo nghiệm của các chỉ tiêu đều
khá nhỏ (F dư 4,84%; độ bền kéo trượt 3,83%; hàm lượng khô 1,11%; thời gian
đóng rắn 1,19%; mô đun đàn hồi 3,3%; độ tan trong nước 3,13%, độ bền uốn tĩnh
2,59%) 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.
121
Kết luận:
Như vậy, để thu được keo UF biến tính PVA có các tính năng tốt về hàm
lượng dư formaldehyde, hàm lượng khô, thời gian đóng rắn, độ tan trong nước đồng
thời để thu được ván dán có tính chất tốt về độ bền dán dính, độ bền uốn tĩnh và mô
đun đàn hồi uốn tĩnh thì tỷ lệ nguyên liệu đầu vào để tổng hợp keo UF được chọn là:
lượng dùng PVA = 1,6 % và tỷ lệ mol trong giai đoạn đầu phản ứng (F:U1) = 1,91.
Ngoài các chỉ tiêu được kiểm tra tại bảng 4.33, 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;
- Cấu trúc hóa học của keo qua phân tích phổ hồng ngoại FTIR;
- Hàm lượng formaldehyde phát thải từ ván dán.
4.7. Xác định độ nhớt của keo
Độ nhớt của keo được xác định bằng phương pháp đo mô men (Brookfield
Viscometer)
* Các bước tiến hành:
B1: Điều chỉnh máy trên mặt phẳng chuẩn
B2: Lựa chọn đường kính đũa khuấy tương thích với độ nhớt của keo
B3: Cho keo vào cốc đựng chuyên dụng
B4: Lắp đũa khuấy vào máy
B5: Cho đũa khuấy quay trong 30 phút
B6: Dừng máy, đọc kết quả trên đồng hồ
* Kết quả độ nhớt của keo UF biến tính PVA là 448,5 mPa.s (Brookfield LVT,
sp2, 60 rpm, 30 oC)
4.8. Cấu trúc hóa học của keo UF phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR)
Để khẳng định sự thay đổi cấu trúc phân tử của keo UF với chất biến tính được
sử dụng là PVA, luận án đã tiến hành phân tích phổ FTIR đối với mẫu keo UF đối
chứng (mẫu keo UF không có PVA) và mẫu keo UF có PVA ở giai đoạn tạo ra sản
122
phẩm. Mẫu được lấy vào ống nghiệm và đem đến Viện hóa học công nghiệp Việt
Nam để phân tích.
Phổ FTIR của keo được thể hiện trong các hình sau:
Hình 4.38. Phổ FTIR của keo UF đối chứng
Hình 4.39. Phổ FTIR của dung dịch keo UF
123
Nhận xét:
Theo Kandelbauer [45] và Zorba [100], tất cả các phổ FTIR thể hiện các đỉnh
dao động (peak) đặc trưng của O-H và N-H từ 3700 - 3050 cm-1, các đỉnh của C-H
trong khoảng 2892 - 2951 cm-1, đỉnh của C=O tại 1660 cm-1, đỉnh của C-N tại 1248
cm-1 và của C-O tại 1005 cm-1. Trên hình 4.38 và hình 4.39 có thể thấy các đỉnh dao động (peak) của O-H là 3426 cm-1 với mẫu đối chứng và 3446 cm-1 với mẫu có biến tính PVA, đỉnh của C=O là 1653 cm-1 (đối chứng) và 1654 cm-1 (biến tính), đỉnh của C-N là 1257 cm-1 (đối chứng) và 1256 cm-1 (biến tính), của C-O là 1021 cm-1 (đối chứng) và 1017 cm-1 (biến tính). Tuy nhiên, 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 (xung quanh
số sóng 1000 cm-1 và 890 cm-1).
4.9. Xác định hàm lượng F phát thải từ ván dán
* Tiêu chuẩn kiểm tra: EN 717-1, xác định hàm lượng phát thải formaldehyde
bằng phương pháp buồng
* Số lượng mẫu: 2 mẫu, bọc kín mẫu sau khi cắt
* Kích thước mẫu: 0,2 x 0,28 m
Mẫu ván dán sau khi cắt và bọc kín được đem đi thử tại Công ty SGS Việt
Nam, 198 Nguyễn Thị Minh Khai, Phường 6, Quận 3, Tp. HCM.
Kết quả thu được hàm lượng phát tán formaldehyde của ván dán sử dụng keo
UF biến tính PVA là: 0,11 mg/m3 tương đương 0,09 ppm < 0,11 ppm. Như vậy ván
dán đạt tiêu chuẩn chất lượng E1 về mức độ phát thải formaldehyde.
4.10. Đề xuất quy trình tổng hợp keo UF biến tính PVA (quy mô phòng thí
nghiệm)
4.10.1. Xác định lượng nguyên liệu và lựa chọn thông số công nghệ
a) Xác định lượng formaldehyde và urea
124
Từ các yếu tố cố định của đề tài (mục 3.2.2.a), tỷ lệ mol tổng F:U = 1,1, tính
được lượng F cần dùng.
Khối lượng F cần tính theo khối lượng U (g):
30NP200 𝑚𝐹 = 60Q
Trong đó: 30- Phân tử lượng của F;
N- Tỉ lệ mol F:U, N = 1,1
60- Phân tử lượng U;
P- Độ tinh khiết U (%), P = 98%
200 – khối lượng U (g);
Q- Nồng độ dung dịch F (%), Q = 37%
Từ công thức trên, tính được mF = 291,4 (g)
Số mol của F được tính như sau:
𝑚𝐹 𝑀𝐹
𝑄= 3,59 (mol) 𝑁𝐹 =
Với chế độ tối ưu, F:U1 = 1,91 thì:
ℎ𝑎𝑦 𝑃 = 𝑁𝑈1 = 𝑁𝐹 1,91 𝑁𝐹 1,91 𝑚𝑈1 𝑀𝑈
Với P = 98%, MU = 60, NF = 3,59, tính được mU1 = U1 = 115 (g)
Khối lượng U2 = 30%U, vậy U2 = 0,3*200 = 60 (g)
Khối lượng U3 = 200 – (U1+U2) = 25 (g)
b) Xác định lượng dùng PVA
Lượng dùng PVA được tính theo khối lượng Urea.
Với chế độ tối ưu PVA = 1,6%U nên khối lượng PVA là:
1,6 𝑚𝑃𝑉𝐴 = 𝑚𝑈 𝑃 100
Với U = 200 (g), P = 98%, tính được mPVA = 3,14 (g)
125
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
- Lắp đặt dụng cụ nấu keo, kết nối thiết bị nấu keo tự động với máy tính. Thiết lập các chu trình như sau: CT1 = 40 oC, CT2 = 60 oC, CT3 = 90 oC - Xác định lượng F, đổ vào bình 3 cổ - Dùng NaOH 20% điều chỉnh pH = 8,5–9 - Cân xác định U1 theo tỷ lệ F:U1 = 1,91, U1 = 115 (g) rồi đổ vào hỗn hợp
4.10.2. Lưu đồ quy trình công nghệ
Tăng nhiệt lên 40 oC, duy trì trong 10 phút
Bước 2: Tổng hợp keo UF
Bước 3: Tổng hợp keo UF
- Lấy 28 ml nước cất hòa tan 3,14 (g) PVA bằng máy khuấy từ ở 80 oC để thu được dung dịch PVA. - Cho dung dịch PVA vào hỗn hợp - Tăng nhiệt lên 60 oC (1 oC/phút), duy trì trong 15 phút
- Tăng nhiệt lên 90 - 92 oC (2 oC/phút), duy trì trong 60 phút - Cho U2 = 60 (g) vào, duy trì trong 15 phút - Điều chỉnh pH = 5 – 5,5 - Kiểm tra hỗn hợp (xuất hiện vẩn đục trắng) - Điều chỉnh pH = 7 – 8 bằng NaOH 20% - Cho U3 = 25 (g) vào - Duy trì phản ứng tiếp trong 20 phút
Bước 4: Tổng hợp keo UF
- Điều chỉnh pH = 6 – 6,5 bằng CH3COOH 15% - Lấy keo ra đo độ nhớt bằng máy, khi đạt 190 mPa.s thì dừng gia nhiệt - Điều chỉnh pH = 8, giảm nhiệt lấy keo ra
Bước 5: Kết thúc quá trình tổng hợp
Hình 4.40. Lưu đồ quy trình công nghệ tổng hợp keo UF biến tính bằng PVA
126
4.10.3. Mô tả quy trình
Bước 1: chuẩn bị nguyên liệu
- Nguyên liệu:
+ Formalin (F): 37%;
+ Urea (U): 98%;
+ Polyvinyl alcohol (PVA): độ tinh khiết 99%, độ polyme: 1700
+ Chất xúc tác: NaOH 20%; CH3COOH 15%.
- Thiết bị, dụng cụ: thiết bị nấu keo điều khiển tự động tự chế được kết nối với máy
tính, cân phân tích, máy đo pH, máy khuấy từ, bình ba cổ 1000 ml, cốc thủy tinh, đũa
thủy tinh, pipet, kẹp gỗ, giấy bạc, bình nhựa 500 ml để chứa keo sau khi nấu.
- Mô tả: Lắp đặt dụng cụ nấu keo, một đầu dò kim loại được đặt trong bình ba cổ để
đo nhiệt độ keo, một đầu dò khác được đặt trong nồi nước bên ngoài bình ba cổ để
đo nhiệt độ nước. Kết nối thiết bị nấu keo tự động với máy tính. Thiết lập các chu
trình như sau:
+ Chu trình 1: nhiệt độ: 40 oC, thời gian: 10 phút
+ Chu trình 2: nhiệt độ: 60 oC, thời gian: 15 phút
+ Chu trình 3: nhiệt độ: 90 oC, thời gian: 115 phút
Lấy lượng F = 291,4 (g) đổ vào bình ba cổ đã được lắp vào thiết bị nấu keo.
Dùng NaOH 20% điều chỉnh đến pH = 8,5 – 9. Cân lượng urea của 3 lần bổ sung với
tỷ lệ mol tổng là F:U = 1,1 và F:U1 = 1,91, U2 = 30%U, xác định được U1, U2, U3
(theo 4.10.1.a).
Hòa tan với nước cất bằng máy khuấy từ để thu được dung dịch PVA 10%
(tức mdd = 31,4 g). Lượng nước cất cần lấy là: mH2O = 31,4 – 3,14 = 28,26 (g) (lấy 28
ml). Vậy lấy 28 ml nước cất hòa tan 3,14g PVA bằng máy khuấy từ ở 80 oC để thu
được dung dịch PVA.
Bước 2: tiến hành tổng hợp keo, chu trình 1
Khởi động dụng cụ nấu keo để cánh khuấy hoạt động. Đổ U1 vào bình ba cổ
chứa F, chạy chương trình đã thiết lập, sau khi nhiệt độ keo đạt 40 oC thì duy trì trong
10 phút.
127
Bước 3: tiến hành tổng hợp keo, chu trình 2
Sau khi kết thúc chu trình 1, đổ dung dịch PVA đã tan vào hỗn hợp. Thiết bị
tự động chuyển sang chu trình 2, nhiệt độ tự động tăng lên khoảng 1 oC/phút cho đến
khi đạt 60 oC. Duy trì nhiệt độ này trong 15 phút.
Bước 4: tiến hành tổng hợp keo, chu trình 3
Sau khi kết thúc chu trình 2, thiết bị tự động tăng nhiệt từ 60 oC lên 90 oC, bắt
đầu của chu trình 3, duy trì trong 60 phút. Đổ U2 vào hỗn hợp, duy trì 15 phút . Dùng
CH3COOH 15% điều chỉnh pH của hỗn hợp đến 5 – 5,5. Tiến hành kiểm tra hỗn hợp
bằng cách lấy dung dịch keo nhỏ vào nước 50 oC, nếu thấy xuất hiện vẩn đục trắng
“đám mây” thì khi đó hỗn hợp đạt yêu cầu. Dùng NaOH 20% để điều chỉnh pH đạt 7
- 8 rồi đổ U3 vào hỗn hợp, duy trì trong 20 phút, điều chỉnh pH về 6 – 6,5.
Bước 5: kết thúc quá trình tổng hợp keo
Đo độ nhớt của keo bằng máy đo độ nhớt, khi đạt 190 mPa.s thì dừng gia nhiệt
bằng cách dùng dụng cụ bơm hút bỏ nước nóng để hạ nhiệt cho keo. Trong quá trình
nhiệt độ keo giảm dần thì điều chỉnh pH = 8, khi nhiệt keo giảm đến 40 oC thì lấy keo
ra, đổ vào bình nhựa chứa keo, để keo ổn định tại nhiệt độ phòng.
4.10.4. Hướng dẫn sử dụng keo UF biến tính trong sản xuất ván dán
Pha chế và sử dụng keo dán hợp lý trong quá trình sản xuất sẽ nâng cao hiệu
quả sử dụng của keo, đảm bảo chất lượng mối dán theo yêu cầu công nghệ của sản
phẩm và công nghệ dán ép. Việc lựa chọn và sử dụng keo dán cần căn cứ vào một số
yếu tố sau [4]:
- Nguyên liệu: loại gỗ, chất lượng gia công, khối lượng thể tích, độ ẩm, nhiệt
độ, …
- Keo dán: loại keo, phương pháp pha chế, loại và lượng chất đóng rắn
- Phương pháp bôi tráng
- Phương pháp dán ép: nhiệt độ, áp suất, thời gian
Đối với keo UF biến tính được sử dụng trong sản xuất ván dán cần lưu ý một
số vấn đề sau:
128
Pha chế keo, sử dụng keo UF biến tính dạng dung dịch:
Thành phần Phần trọng lượng
Keo UF biến tính PVA 100
Nước 7
Chất đóng rắn 6
Lượng keo tráng:
Tùy thuộc vào chiều dày ván mỏng để dùng lượng keo tráng phù hợp [4]:
Chiều dày ván mỏng, mm Lượng keo tráng (dạng dung dịch), g/m2
1,5 140 - 165
2,5 185 - 195
3,2 205 – 214
4,2 224 - 234
129
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.
130
- 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.
131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
1. Nguyễn Thị Thuận, Vũ Mạnh Tường, Trần Văn Chứ. Ảnh hưởng của tỉ lệ
thành phần nguyên liệu đến một số tính chất keo UF biến tính bằng PVA. Tạp
chí Khoa học & Công nghệ Lâm nghiệp, số 3-2020, trang 114-122.
2. Nguyễn Thị Thuận, Vũ Mạnh Tường, Trần Văn Chứ. 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, trang 52-57.
132
TÀI LIỆU THAM KHẢO
nghiệp, Hà Nội.
[2]. Trần Văn Chứ (2007), Nghiên cứu tạo keo ure formaldehyde đặc biệt dùng trong công nghệ sản xuất ván Laminated veneer lumber, Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn, (15).
[3]. Phạm Văn Chương và Nguyễn Hữu Quang (2004), Công nghệ sản xuất ván nhân tạo,
Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.
[4]. Phạm Văn Chương và Nguyễn Trọng Kiên (2013), Giáo trình Keo dán gỗ, Nhà xuất
bản Nông nghiệp,
[5]. Nguyễn Văn Định và Phạm Văn Tiến (2012), Nghiên cứu sản xuất keo dán gỗ thay thế keo nhập khẩu phục vụ công nghiệp chế biến lâm sản, Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ Công nghiệp rừng.
[6]. Nguyễn Văn Khôi (2007), Polyme Ưa Nước - Hóa Học Và Ứng Dụng, NXB Hà Nội, [7]. QCVN (2018). Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về keo dán gỗ. QCVN 03-01:
2018/BNNPTNT
[8]. TCVN 7756-6 (2007). Ván gỗ nhân tạo - Phương pháp thử. Bộ Khoa học và Công
nghệ
[9]. TCVN 8328-1 (2010). Ván gỗ dán - chất lượng dán dính. Bộ Khoa học và Công nghệ [10]. TCVN 11569 (2016). Keo dán gỗ - xác định hàm lượng formaldehyde tự do. Bộ Khoa
học và Công nghệ
[11]. Tiêu chuẩn Trung Quốc GB∕T 14732 (2017). Keo dán gỗ: Keo urea formaldehyde
(UF), phenol formaldehyde (PF) và melamine formaldehyde (MF).
[12]. Phạm Đức Thắng và Đào Hùng Cường (2005), Nghiên cứu biến tính keo ure formaldehyde bằng melamin, Tạp chí điện tử Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, (3), 43-8.
[13]. Bùi Minh Trí (2005), Giáo trình Xác suất thống kê và Quy hoạch thực nghiệm, Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[1]. Nguyễn Văn Bỉ (1999), Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, Trường Đại học Lâm
[14]. Aiping KL et al. (2006), Study on the Evolvement of Structure in Synthesis of Urea-
Formaldehyde Resins by FTIR, Chemical Industry Press, 22, (7), 873-7.
[15]. Alaattin A (2005), Bear strength of carbon epoxy laminatea under static and dynamic
loading, Composite structures, 67, (4), 495.
[16]. Anna WK et al. (2014), Application of response surface methodology and artificial neural network methods in modelling and optimization of biosorption process, Bioresource technology, 160, 150-60.
[17]. Aydin I et al. (2006), Effects of moisture content on formaldehyde emission and mechanical properties of plywood, Building Environment, 41, (10), 1311-6. [18]. Becher HJ (1956), Infrared spectroscopic investigation of the reaction products from urea and formaldehyde, II. Methylol and methylolmethylene ureas, Chemistry Europe, 89, (8), 1951-9.
[19]. Breyer RA et al. (1997). Low mole ratio melamine-urea-formaldehyde resin.
[20]. Changtong ZM and Duan S (1998), Formaldehyde release from several types of
wood: Determination of formaldehyde, Forest Products Industry, 25, (2), 34-5.
[21]. Chiavarini M et al. (1975), Compositive characterization of urea ‐ formaldehyde adhesives by NMR spectroscopy, Die Angewandte Makromolekulare Chemie: Applied Macromolecular Chemistry Physics 46, (1), 151-62.
[22]. Chun-hui L (2009), Research progress in Urea-formaldehyde resin with low Inner Mongolia Forestry
urea-formaldehyde
release
resin,
formaldehyde Investigation and Design, 1.
[23]. De-xian J et al. (2005), Research on improving prepressing performance of UF resin
used in E_1 plywood, Forestry Science Technology, 5.
[24]. Dechen LL (2000), Industrial production method of low-toxic urea-formaldehyde
resin adhesive, China Adhesives, 9, (1), 20-3.
[25]. Dezhi T, inventor; 1995-07-26., assignee. Wood Adhesive1995. [26]. Dingzhi L, inventorManufacturing of low-toxic compound urea-formaldehyde resin.
Chinese Patent.
[27]. EN 717-1 (2004). Wood-based panels: Determination of formaldehyde release.
European Committee for Standardization (CEN)
[28]. Essawy HA and Mohamed HA (2011), Poly (amidoamine) dendritic structures, bearing different end groups, as adhesion promoters for urea–formaldehyde wood adhesive system, Journal of Applied Polymer Science, 119, (2), 760-7.
[29]. Essawy HA et al. (2010), Enhancing the properties of urea formaldehyde wood adhesive system using different generations of core ‐ shell modifiers based on hydroxyl‐ terminated dendritic poly (amidoamine) s, Journal of applied polymer science, 115, (1), 370-5.
[30]. Fan D et al. (2009), 13C ‐ NMR study on the structure of phenol‐ urea ‐ formaldehyde resins prepared by methylolureas and phenol, Journal of applied polymer science, 112, (4), 2195-202.
[31]. Feng Z, inventor; 1997-06-25, assignee. A modified urea-formaldehyde glue and its
production process1997.
[32]. Ferra JMM (2010), Optimization of Urea-Formaldehyde resins for the manufacture of wood-based panels, Chemical Engineering Department, University of Porto, Faculty of Engineering
[33]. GU H et al. (2013), Correlation between domestic and foreign formaldehyde emission test methods for wood-based panels, China Wood Industry, 27, (2), 33-7.
[34]. Guan X and Huiyuan Y (2008), Optimization of Viscozyme L-assisted extraction of oat bran protein using response surface methodology, Food chemistry, 106, (1), 345- 51.
[35]. Guanben D (2000). The influence of polycondensation conditions on the structure of
urea-formaldehyde resin.
[36]. Hatjiissaak A and Papadopoulou E (2012). Aminoplast resin of high performance for
lignocellulosic materials.
[37]. He M et al. (2000). Polymer Physics. [38]. Hong-wei Y et al. (2002), Synthesis of low toxic urea formaldehyde resin, Journal
of Zhejiang A&F University, 19, (2), 122-6.
[39]. Hua Yukun (2002), Wood - based panel technology, China Forestry Publishing
House.
133
[40]. IARC (2004), Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, World Health Organization, International Agency for Research on Cancer. [41]. Jada SS (1988), The structure of urea—formaldehyde resins, Journal of applied
polymer science, 35, (6), 1573-92.
[42]. Jingwu L (1991), Discussion on the influence of secondary formaldehyde feeding on the performance of urea-formaldehyde resin, China Adhesives, 1, (1), 33-4. [43]. Juncheng C (1992), Development of modified urea-formaldehyde resin adhesive,
Bonding, 13, (1), 1-2.
[44]. Kamke A MSF (2007), Application of dielectric analysis for monitoring the cure process of phenol formaldehyde adhesive, International Journal of Adhesion & Adhesives, 27, (7), 6.
[45]. Kandelbauer A et al. (2007), Testing by fourier transform infrared species variation during melamine–urea–formaldehyde resin preparation, Journal of Applied Polymer Science, 106, (4), 2192-7.
[46]. Li S and Wang B (2011), Application of linear regression in formaldehyde emission
determination in wood-Based panels, China Wood-Based Panel, 5, 23-5.
[47]. Liu Y-q et al. (2008), Synthesis of urea-formaldehyde resin by melt condensation
polymerization, Journal of Polymer Research, 15, (6), 501.
[48]. Liu Y et al. (2018), Reactive toughening of urea–formaldehyde resin with poly (vinyl alcohol) by formation of interpenetrating networks, Polymer Engineering Science, 58, (11), 2031-8.
[49]. Luo J (2016), Comparative analysis of the limitation requirement and test methods of formaldehyde emission in furniture and wood-based panel, Furniture, 37, (2), 101- 6.
[50]. Luo YZ et al. (2006), Research on low free aldehyde containing M: urea-
formaldehyde resin adhesive, China Adhesives, 5, (7), 8-12.
[51]. Maria R-S et al. (2007), Formaldehyde emission—comparison of different standard
methods, Atmospheric Environment, 41, (15), 3193-202.
[52]. Maslosh V et al. (2005), Decreasing the content of free formaldehyde in urea- formaldehyde resins, Russian journal of applied chemistry, 78, (4), 685-7. [53]. Mayer J (1979), Chemical aspects of the development of adhesives with low concentrations of formaldehyde to be used in the wood-based materials industry, Spanplatten-Heute Morgen Int Spanplatten Symp, (102-111).
[54]. Myers GE and Nagaoka M (1981), Emission of formaldehyde by particleboard: effect of ventilation rate and loading on air-contamination levels, Forest products journal, 31, (7), 39-41.
[55]. Nair BR and JosephFrancis D (1983), Kinetics and mechanism of urea-formaldehyde
reaction, Polymer, 24, (5), 626-30.
[56]. Nuryawan A et al. (2014), Penetration of urea–formaldehyde resins with different formaldehyde/urea mole ratios into softwood tissues, Wood science technology, 48, (5), 889-902.
[57]. Park B-D and Jeong H-W (2011), Hydrolytic stability and crystallinity of cured urea– ratios,
formaldehyde/urea mole
formaldehyde resin adhesives with different International Journal of Adhesion and Adhesives, 31, (6), 524-9.
[58]. Park BD et al. (2006), Effects of formaldehyde to urea mole ratio on thermal curing behavior of urea–formaldehyde resin and properties of particleboard, Journal of Applied Polymer Science, 101, (3), 1787-92.
134
[59]. Pizzi A and Mittal KL (2011), Wood adhesives, CRC Press, Amazon Business. [60]. Qiming L (1996), Research on the pre-compression properties of UF resin glue,
Adhesion, 17, (1), 17-8.
[61]. Que Z et al. (2007), Effects of urea–formaldehyde resin mole ratio on the properties
of particleboard, Building Environment 42, (3), 1257-63.
[62]. Ringena O et al. (2006), Estimating the hydrolytic durability of cured wood adhesives by measuring formaldehyde liberation and structural stability, Holz als Roh-und werkstoff, 64, (4), 321.
[63]. Roffae l (2008). Formaldehyde scavengers in wood-based panels. [64]. Root A and Soriano P (2000), The curing of UF resins studied by low‐resolution
1H‐NMR, Journal of applied polymer science, 75, (6), 754-65.
[65]. Sensogut C et al. (2009), The effect of borax pentahydrate addition to urea formaldehyde on the mechanical characteristics and free formaldehyde content of plywood, International Journal of Adhesion & Adhesives, 29, (5), 589-92. [66]. Shen Y et al. (2016), Preparation and properties of a polyvinyl alcohol toughened urea-formaldehyde foam for thermal insulation applications, Construction Building Materials, 120, 104-11.
[67]. Shengxian X (1997), Research on reducing free formaldehyde in urea-formaldehyde
resin, Zhejiang Chemical Industry, (23), 12.
[68]. Shuangying GW (2004), Research on the Main Factors Affecting the Precompression
Performance of Plywood Slabs, Wood-based Panel Communications, (9), 8-10.
[69]. Shuguang LH and Yicheng D (2002), Research on the Precompression Strength of
Modified Urea Formaldehyde Resin for Plywood, Wood Industry, 16, (3), 12-4.
[70]. Shumin W et al. (2010), Study on Curing Characteristics of Low-Toxicity Urea-
Formaldehyde Resin, Huayi - airiti Library, (12), 282-5.
[71]. Soulard C et al. (1999), Uron and uron–urea‐formaldehyde resins, Journal of
Applied Polymer Science, 72, (2), 277-89.
[72]. SRI consulting. Urea formaldehyde (UF) resins 2009 [ [73]. Steiner P (1973), Durability of urea formaldehyde adhesives. Effects of molar ratio,
second urea and filler, Forest Prod J, 23, (12), 32-8.
[74]. Suzana S-J et al. (2011), Thermal behavior of modified urea–formaldehyde resins,
Journal of thermal analysis calorimetry, 104, (3), 1159-66.
[75]. Tiejun ZZ and Hong C (1999), Research on improving the effect of slab pre-
compression, Journal of Jilin Forestry College, 15, (2), 98-101.
[76]. Tudor EM et al. (2020), Analysis of Larch-Bark Capacity for Formaldehyde Removal in Wood Adhesives, International Journal of Environmental Research and Public Health, 17, (3), 764.
[77]. Uchiyama S et al. (2007), Effect of natural compounds on reducing formaldehyde
emission from plywood, Atmospheric Environment, 41, (38), 8825-30.
[78]. Weining C, inventor; 07-28-1993, assignee. Urea-formaldehyde resin for medium
density fiberboard and its preparation method1993.
[79]. Weinstabl A et al. (2001), Melamine salts as hardeners for urea formaldehyde resins,
Journal of applied polymer science, 81, (7), 1654-61.
[80]. Weiwei LL and Rugang L (2004), Research on environmental protection urea-
formaldehyde resin binder, Shandong Science, 17, (2), 47-9.
[81]. Weixing G and Yifu Z (2005), Preparation of environmentally friendly urea-
formaldehyde resin adhesive, Bonding, 26, (4), 36-7.
135
[82]. Xiaoling C and Wenan L (2008), Study on synthesis of environmentally friendly urea formaldehyde resin adhesive melamine and PVA modified UF resin adhesive, Applied Chemical Industry, 5.
[83]. Xingong L (2004), Study on the storage period of low-toxic urea-formaldehyde resin,
Wood Processing Machinery, (4), 24-5.
[84]. Xiuge C et al. (1998), The Development of UF Resin Adhesive with Low Toxicity
[J], Chemistry adhesion, 1.
[85]. Xupeng V (2000), Preparation and dismantling of low-ge stable-moving urea tyre
adhesive, Joining, 21, (1), 32-4.
[86]. Yanagawa (1962), Research on the reaction between dimethylolurea and melamine
or hydroxymelamine, The Wood Society, (8), 234-8.
[87]. Yantao LL and Shulan Y (2004), Research on the synthesis process of urea- formaldehyde resin with low formaldehyde emission, Forest Products Industry, 31, (6), 22-4.
[88]. Yongqiu WW et al. (1999), Research on modified pre-compressed UF adhesive,
China Adhesives, 9, (4), 15-7.
[89]. Yu MH and Fang C (2012), Comparison and relativity between perforator method and gas analysis method for determining of formaldehyde emission from wood- based panel, China Forest Products Industry, 39, (5), 45-7.
[90]. Yuhong D and Guangshan D (2002), Research on the production process of low- toxic urea-formaldehyde resin, Journal of Fuzhou University, 30, (1), 115-8. [91]. Yundt AP and Bradway KE (1959). Polyvinyl alcohol containing ureaformaldehyde
adehsive and method of preparing same.
[92]. Zabeti M et al. (2009), Optimization of the activity of CaO/Al2O3 catalyst for biodiesel production using response surface methodology, Applied Catalysis, 366, (1), 154-9.
[93]. Zhang C et al. (1998), Upgrading of urea formaldehyde-bonded reed and wheat straw
particleboards using silane coupling agents Wood Science, (44), 282-6.
[94]. Zhang J et al. (2018), Research progress on formaldehyde emission of wood-based
panel, International Journal of Polymer Science, 2018.
[95]. Zhang Y and Snover DA (2016). Methods for preparing stable urea formaldehyde
polyvinyl alcohol colloids.
[96]. Zhang Y et al. (2014), Crystallization behavior of stable urea formaldehyde resin
dispersed by polyvinyl alcohol, Iranian Polymer Journal, 24, (1), 13-20.
[97]. Zhen-feng Z et al. (2004), Study on mechanism and preparation of green urea-
formaldehyde resin, China Adhesives, 13, (3), 37-9.
[98]. Zhe-hong S et al. (2005), Effects of production factors on formaldehyde emission of E 1 humid resistant medium density fiberboard, Journal of Zhejiang A&F University, 22, (2), 203-6.
(MUF) adhesives used
formaldehyde
[99]. Zhou X et al. (2013), Poly (amidoamine) s dendrimers of different generations as components of melamine urea for particleboards production: What are the positive implications?, Journal of Polymer Research, 20, (10), 267.
[100]. Zorba T et al. (2008), Urea-formaldehyde resins characterized by thermal analysis and FTIR method, Journal of thermal analysis calorimetry, 92, (1), 29-33.
136
