Công nghệ tạo bề mặt siêu kỵ nước cho gỗ bồ đề bằng phương pháp phủ ZnO

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) đã được phủ màng ZnO bằng công nghệ nano, sau đó xử lý bằng axít stearic để tạo ra tính năng siêu kỵ nước. Đặc tính bề mặt của màng phủ đã được kiểm tra thông qua phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), nhiễu xạ tia X (XRD) và đo góc tiếp xúc với giọt nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ tạo bề mặt siêu kỵ nước cho gỗ bồ đề bằng phương pháp phủ ZnO

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học CÔNG NGHỆ TẠO BỀ MẶT SIÊU KỴ NƯỚC CHO GỖ BỒ ĐỀ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỦ ZnO Phạm Văn Duy*, Lê Thị Hằng Trường Đại học Lâm nghiệp * Tác giả liên lạc: phamdongphong3268@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) đã được phủ màng ZnO bằng công nghệ nano, sau đó xử lý bằng axít stearic để tạo ra tính năng siêu kỵ nước. Đặc tính bề mặt của màng phủ đã được kiểm tra thông qua phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), nhiễu xạ tia X (XRD) và đo góc tiếp xúc với giọt nước. Kết quả thể hiện, màng phủ trên gỗ được cấu thành từ các tấm ZnO kích thước micro/nano mét với cấu trúc tinh thể dạng Wurtzite. Góc tiếp xúc với giọt nước của bề mặt gỗ sau khi phủ lớn hơn rõ rệt so với gỗ không phủ. Ngoài ra, thí nghiệm còn cho thấy, với điều kiện xử lý axít stearic khác nhau thì góc tiếp xúc với giọt nước cũng khác nhau, trong đó có một số chế độ thí nghiệm đã tạo ra lớp phủ siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn hơn 150o. Đặc tính bề mặt lớp phủ ZnO của nghiên cứu đã làm cho gỗ Bồ đề từ loại vật liệu ưa nước trở thành vật liệu siêu kỵ nước và có tính năng tự làm sạch. Từ khóa: Bề mặt siêu kỵ nước, công nghệ nano, góc tiếp xúc, gỗ Bồ đề, ZnO. FABRICATION OF SUPER-HYDROPHOBIC SURFACES FOR STYRAX TONKINENSIS WOOD BY ZnO COATING METHOD Pham Van Duy*, Le Thi Hang Vietnam National University of Forestry * Corresponding Author: phamdongphong3268@gmail.com ABSTRACT In this research, the Styrax tonkiensis wood with superhydrophobic surfaces was obtained by ZnO coating follwed by treating with stearic acid solution. Surface characteristics of the coating were examined by Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), X-ray Diffraction (XRD), and water contact angle (WCA). The results showed that, the wood coating was composed of micro / nano-size ZnO sheets with Wurtzite crystal structure. The water contact angle of the coated-wood was significantly greater than that of uncoated-wood. In addition, experiments showed that, with different stearic acid treatment conditions, the water contact angle was not the same. In particular, some experiments have created super-hydrophobic coatings with contact angles greater than 150 degrees. The surface characteristics of the ZnO coating of this study have made the S. tonkinensis wood from the hydrophilic material become super-hydrophobic and self-cleaning material. Keywords: Nano technology, Styrax tonkinensis wood, superhydrophobic coating, water contact angle, ZnO. ĐẶT VẤN ĐỀ công nhận trên thế giới (sắt thép, xi Gỗ là nguồn nguyên liệu tái tạo duy măng, gỗ, nhựa). Với tính chất độc đáo nhất trong bốn loại nguyên liệu được và đặc tính môi trường rất tốt nên gỗ 530
Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học luôn được con người yêu thích, và giản và hiệu quả. được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, Với mục đích nâng cao chất lượng gỗ sản xuất đồ gỗ, trang trí nội thất và từ loại vật liệu ưa nước trở thành vật nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên, do gỗ liệu siêu kỵ nước, nghiên cứu này đã là vật liệu hữu cơ, có cấu trúc xốp, rỗng áp dụng công nghệ nano để phủ gỗ Bồ và chứa nhiều nhóm chức ưa nước, nên đề bằng màng ZnO, đồng thời phân gỗ có khả năng hút ẩm và nước rất tích cấu trúc bề mặt lớp phủ và đánh mạnh. Khi để gỗ trong môi trường có giá các đặc tính và tính năng của bề mặt tác dụng của oxy, ánh sáng, nước, thời gỗ sau khi phủ gồm: cấu trúc hiển vi gian dài dễ dàng phát sinh những hiện màng phủ, cấu trúc tinh thể của ZnO, tượng như: biến dạng, nứt, mục, biến góc tiếp xúc giọt nước và khả năng tự màu,... Nguyên nhân cơ bản dẫn đến làm sạch của gỗ sau khi phủ. các hiện tượng này là do tính ưa nước của gỗ (Chương and Tường, 2013). VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Để giảm tính ưa nước của gỗ, có rất NGHIÊN CỨU nhiều giải pháp/công nghệ xử lý như Vật liệu và hóa chất nghiên cứu xử lý nhiệt/biến tính nhiệt, axetyl hóa Gỗ bồ đề rừng trồng 7-8 tuổi, khai thác gỗ, xử lý silan hóa gỗ, polymer hóa tại Tuyên Quang, độ ẩm thăng bằng gỗ, ngâm tẩm nhựa phân tử lượng MC = 12%. Kích thước mẫu 5 mm x thấp,… Những giải pháp này ở mức độ 20 mm x 45 mm. Hóa chất nguồn tạo nhất định tuy có thể làm giảm thiểu khả Zn2+: Zinc acetate dehydrate năng hút nước của gỗ nhưng không thể (Zn(CH3COOH)2.2H2O - ZnAc), ngăn cản một cách triệt để nước thấm Zn(NO3)2.6H2O. ZnAc được pha với vào gỗ, đặc biệt là nước dưới dạng Triethenamine (TEA) thành dung dịch dung dịch. Ngoài ra, các giải pháp đẳng mol, nồng độ 0,5M, dùng làm truyển thống xử lý biến tính gỗ thường dung dịch phủ. Zn(NO3)2.6H2O được phá hủy cấu trúc vốn có của gỗ, giảm pha với C6H12N4 (HMTA) thành dung độ bền cơ học. Hơn nữa, hóa chất sử dịch đẳng mol, nồng độ 0,05M, dùng dụng trong quá trình xử lý còn gây ảnh làm dung dịch thủy nhiệt. Dung dịch hưởng xấu đến môi trường và sức khoẻ axít stearic với nồng độ khác nhau con người (Hill, 2006). dùng để xử lý giảm năng lượng bề mặt Để tạo ra bề mặt siêu kỵ nước cho vật lớp phủ. liệu, những năm gần đây đã có nhiều Phương pháp phủ ZnO siêu kỵ nước công trình nghiên cứu công bố (Guo et cho gỗ Bồ đề al., 2016). Các công nghệ chủ yếu dựa Bước 1: Áp dụng phương pháp nhúng trên cơ sở khoa học của công nghệ để tạo màng chứa hợp chất của Zn2+ nano để tạo ra bề mặt có cấu trúc phân trên bề mặt gỗ Bồ đề. Ngâm mẫu gỗ lớp với kích thước nano mét. Các bề vào dung dịch phủ trong 30 phút, sau mặt này thường được tạo ra từ các hợp đó sấy ở nhiệt độ 60oC trong 30 phút chất vô cơ như TiO2 (Gao et al., 2015; (thực hiện thao tác này 5 lần để được Lu and Hu, 2016), SiO2 (Tu et al., lớp phủ chứa Zn2+ đồng đều trên gỗ). 2016), ZnO (He and Wang, 2011),… Bước 2: Áp dụng phương pháp thủy Mỗi loại hợp chất có những đặc tính nhiệt để xử lý tạo ra lớp màng chứa riêng và công nghệ chế tạo khác nhau. ZnO trên bề mặt gỗ Bồ đề. Xử lý thủy Trong đó ZnO là loại hợp chất có thể nhiệt mẫu trong dung dịch thu được ở được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu Bước 1, nhiệt độ 80oC, thời gian 5h, phong phú, giá thành rẻ, công nghệ đơn sau đó sấy mẫu ở nhiệt độ 60oC, 1h. 531
Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học Bước 3: Áp dụng phương pháp xử lý mẫu gỗ phủ ZnO, (2) phun nước vào bề giảm năng lượng bề mặt màng bằng mặt có bột phấn, (3) kiểm tra tình trạng Stearic Acid để xử lý mẫu gỗ Bồ đề đã tàn dư của bột phấn trên bề mặt sau khi phủ màng ZnO. Ngâm mẫu gỗ Bồ đề phun nước. không phủ và đã phủ ZnO vào dung Cấu trúc hiển vi màng phủ: Phân tính dịch stearic acid với nồng độ và thời cấu trúc hiển vi của màng ZnO bằng gian ngâm khác nhau. Mỗi chế độ 05 kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM, S- mẫu. Sau đó sấy mẫu ở nhiệt độ 60oC 4800). trong thời gian 2 giờ thu được mẫu gỗ Cấu trúc tinh thể màng phủ: Phân tích có bề mặt kỵ nước/siêu kỵ nước. cấu trúc tinh thể của màng ZnO trên gỗ Phương pháp kiểm tra đặc tính bề bằng phổ nhiễu xạ tia X (SIEMENS mặt màng phủ D5000 X-ray diffractometer), góc quét Kiểm tra tính kỵ nước của gỗ: Đo góc 2θ từ 10o đến 70o. tiếp xúc giọt nước với bề mặt phủ sau khi xử lý theo phương pháp chụp ảnh KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN giọt nước khi tiếp xúc và đo góc tiếp Cấu trúc hiển vi của lớp phủ xúc bằng phần mềm imageJ (Chu et Để giải thích hiện tượng kỵ nước/siêu al., 2014). kỵ nước cho mẫu gỗ Bồ đề sau khi phủ Kiểm tra tuổi thọ tính kỵ nước của gỗ: ZnO và xử lý bằng Stearic acid, nghiên Đo góc tiếp xúc giọt nước và bề mặt cứu đã tiến hành phân tích cấu trúc phủ sau khi luộc bằng nước sôi. hiển vi của lớp phủ bằng kính hiển vi Kiểm tra khả năng tự làm sạch của gỗ điện tử quét, kết quả được thể hiện như phủ ZnO: (1) Rắc bột phấn viết bảng Hình 1 sau. phủ kín bề mặt mẫu gỗ đối chứng và Mẫu không phủ Mẫu phủ ZnO Hình 1. Cấu trúc bề mặt của gỗ Bồ đề không phủ và gỗ bồ đề phủ mặt bằng ZnO Từ hình ảnh SEM của gỗ không phủ và cấp độ micro. Với đặc điểm này chưa gỗ phủ ZnO cho thấy các đặc điểm sau: đủ điều kiện để tạo ra bề mặt kỵ nước Với gỗ không phủ, trên bề mặt chỉ xuất hoặc siêu kỵ nước theo các mô hình hiện cấu trúc vốn có của gỗ do ruột các của Wenzel. Với gỗ sau khi phủ ZnO, tế bào mạch gỗ, sợi gỗ, tế bào mô mềm trên bề mặt xuất hiện lớp phủ liên tục cấu tạo nên tia gỗ tạo ra. Cấu trúc này được cấu tạo bởi các phần tử dạng cũng là một dạng cấu trúc phân tầng mảnh phủ lên cấu trúc vốn có của gỗ tuy nhiên kích thước của các phần tử ở tạo ra cấu trúc thứ bậc do cấu trúc ở cấp 532
Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học độ micro mét (cấu trúc bề mặt gỗ) và Thành phần nguyên tố của lớp phủ cấu trúc của lớp phủ ZnO ở cấp độ Thành phần nguyên tố trên bề mặt gỗ nano mét tạo nên. Từ đặc điểm này có đã phủ ZnO được kiểm tra bằng Phổ thể thấy, cấu trúc bề mặt gỗ sau khi phủ tán sắc năng lượng tia X tích hợp trên hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu bề kính hiển vi điện tử quét, kết quả thể mặt kỵ nước hoặc siêu kỵ nước của hiện trên Hình 2. Wenzel hoặc Cassie. Hình 2. Phổ tán sắc năng lượng tia X bề mặt gỗ phủ ZnO KẾT LUẬN phút; stearic acid 2,5%, trong 240 phút Gỗ Bồ đề sau khi phủ bằng màng ZnO thì thu được hiệu quả siêu kỵ nước tốt kết hợp xử lý bằng stearic acid đã trở nhất. Các chế độ còn lại chỉ tạo ra khả thành vật liệu có tính năng kỵ năng kỵ nước với góc tiếp xúc lớn hơn nước/siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn 120o nhưng nhỏ hơn 150o. Màng ZnO hơn 150o. Tính năng kỵ nước/siêu kỵ trên bề mặt gỗ Bồ đề được tạo thành nước của gỗ phụ thuộc vào điều kiện bởi các miếng/mảnh (nano sheet) nhỏ xử lý stearic acid. Trong đó, khi xử lý kích thước micro/nano mét có tinh thể với các chế độ: stearic acid 0,8%, trong dạng Wurtzite. 180 phút; stearic acid 1,0%, trong 240 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHU, T.V., CHUONG, P.V., TUONG, V.M., 2014. Wettability of wood pressure-treated with TiO2 gel under hydrothermal conditions. BioResources 9 (2): pp. 2396-2404. CHƯƠNG, P.V., TƯỜNG, V.M., 2013. Khoa học gỗ ứng dụng. Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội. GAO, L., LU, Y., ZHAN, X., LI, J., SUN, Q., 2015. A robust, anti-acid, and high- temperature-humidity-resistant superhydrophobic surface of wood based on a modified TiO2 film by fluoroalkyl silane. Surface and Coatings Technology 262 pp. 33-39. 533