I. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng một số vật liệu nano nâng cao tính chất cơ học, vật lý và độ bền tự nhiên gỗ.
Mã số: KC.07.07/11-15
2. Chủ nhiệm đề tài, cơ quan chủ trì
– Chủ nhiệm đề tài: TS. Bùi Văn Ái
3. Cơ quan phối hợp chính Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam
4. Mục tiêu chính:
Xây dựng được quy trình công nghệ xử lý gỗ bằng vật liệu kích thước nanomet, nhằm nâng cao tính chất cơ học, vật lý và độ bền tự nhiên gỗ.
5. Kết quả nghiệm thu: Khá
II. CÁC NỘI DUNG CHÍNH ĐÃ THỰC HIỆN
1. Nội dung1: Nghiên cứu tổng hợp dung dịch lỏng, keo Phenol Formaldehyde và chất phủ Polyurethane phân tán vật liệu nano T1O2 CuO, S1O2 ZnO, để nâng cao tính chất cơ học, vật lý và độ bền tự nhiên của g
2. Nội dung 2: Nghiên cứu đánh giá độ bền gỗ sau xử lý bằng dung dịch lỏng, keo Phenol Formaldehyde và Polyurethane phân tán vật liệu nano T1O2 CuO, S1O2 ZnO, nanọclay kích thước nanomét với nấm và côn trùng hại gỗ.
3. Nội dung 3: Nghiên cứu xác định tính chất vật lý, cơ học của gỗ sau xừ lý bằng dung dịch lỏng, keo Phenol Formaldehyde và Polyurethane phân tán vật liệu nano T1O2 CuO, S1O2, ZnO, nanoclay.
4. Nội dung 4: Nghiên cứu xác định thông số công nghệ xử lý gỗ bằng bằng dung dịch lỏng, keo Phenol Formaldehyde và Polyurethane phân tán vật liệu nano T1O2 CuO, S1O2, ZnO, nanoclay.
5. Nội dung 5: Đề xuất các quy trình công nghệ xử lý gỗ bằng vật liệu nano.
6. Nội dung 6: Đánh giá tác động môi trường và hiệu quả kinh tế khi áp dụng quy trình xử lý gỗ băng vật liệu nano.
III. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
1. Sản phẩm đã đạt được
1.1. Sản phẩm dạng 1
– Sản phẩm 1: Nhựa Phenol Formaldehyde phân tán vật liệu nano
Là sản phẩm thu được khi phân tán ổn định vật liệu nano (T1O2, nanoclay) vào nhựa Phenol Formaldehyde phân tử lượng thấp (low molecular weight).
So với các loại thuốc bảo quản gỗ thông dụng hiện đang có mặt trên thị trường Việt Nam, sản phẩm này bên cạnh những tính năng tương tự là chống côn trùng, nấm mục phá hoại, còn có ưu thế hơn trong việc nâng cao ổn định kích thước gỗ và không chịu những tác động tiêu cực như bị rửa trôi trong trường hợp xử lý thuốc bảo quản khi sử dụng ngoài trời hoặc có kết nối đất hoặc nước, và do đó phạm vi sử dụng của gỗ sau xử lý rộng lớn hơn.
Hướng ứng dụng chính của sản phẩm này là xừ lý gỗ rừng trồng của các loài cây Keo lai và Bạch đàn sử dụng làm ván sàn hoặc cột sử đụng ngoài trời. Một hướng ứng dụng dự kiến của sản phẩm này là xử lý ván bóc gỗ rừng trồng (xử lý ván, làm chất kết dính) trong chế biến ván dán sử dụng ở ngoài trời.
– Sản phẩm 2: Sơn Polyurethane phân tán vật liệu nano
Là sản phẩm thu được khi phân tán ổn định hoặc bền vững vật liệu nano (T1O2, ZnO và nanoclay) vào chất phủ polyurethane.
So với sản phẩm sơn gốc ban đầu không có vật liệu nano phân tán, nhập ngoại của một trong những hãng sơn lớn nhất trên thế giới, sơn phân tán vật liệu nano có khả năng giữ được mầu sắc của gỗ và chống mốc tốt hơn rất nhiều khi sản phẩm gỗ dùng ngoài trời. Gỗ được phủ sản phẩm này khi dùng ngoài trời cũng giảm thiều những biến dạng có thể dẫn đến những khuyết tật lớn (nứt vỡ, cong vênh).
Hướng ứng dụng chủ yếu của sản phẩm này là sơn phủ cho gỗ dùng ngoài trời như ván ốp tường, hàng rào, cổng ra vào, biển quảng cáo,…
– Sản phẩm 3: Gỗ được xử lý bằng vật liệu nano
Là sản phẩm có được khi tẩm gỗ bằng chất lỏng phân tán vật liệu nano (T1O2, ZnO và CuO).
Sản phẩm gỗ sau xử lý tẩm có khả năng hạn chế tác động gây hại của côn trùng hại gỗ, nấm mốc. ứng dụng chủ yếu của sản phẩm là làm chi tiết gỗ cho các sản phẩm nội thất.
1.2. Sản phẩm dạng 2
a) Đối với sản phẩm dạng quy trình công nghệ:
* Quy trình công nghệ I – Xử lý gỗ bằng vật liệu nano TiO2 và CuO:
Là quy trình được sử dụng để xử lý gỗ rừng trồng (Bồ đề và Keo lai) bằng chất lỏng phân tán bền vững vật liệu nano TiO2 và CuO, để nâng cao độ bền tự nhiên chống côn trùng và nấm mục, nấm mốc. Quy trình cần có thiết bị tẩm và kỹ thuật viên vận hành được đào tạo.
Quy trình sơ bộ gồm các bước: xếp gỗ vào bổn tẩm gỗ, hút chân không, bơm chẩt lỏng nano (được tạo bảng phân tán vật liệu nano vào nước nhờ thiết bị phân tán và ổn định nhờ vai trò của các tác nhân hoạt động bề mặt), gia áp lực, tháo dịch tẩm và đưa ra gỗ đi hong phơi hoặc sấy.
Đánh giá sản phẩm: Lượng vật liệu nano thấm vào gỗ đảm bảo hiệu quả bảo quản chống lại sinh vật gây hại với nano T1O2 đạt 1,0 kg/m3 và với nano CuO cần đạt 0,5 kg/m3
Hướng ứng dụng của quy trình này là tẩm gồ rừng trồng phục vụ chế biến các sản phẩm gỗ nội thất.
* Quy trình công nghệ II – Xứ lý gỗ bằng nhựa Phenol Formaldehyde phân tán vật liệu nano TiO2 và nanocl
Là quy trình được áp dụng để xử lý gỗ xẻ gỗ rừng trồng (Keo lai, Bổ đề) bằng dung dịch keo Phenol Formaldehyde (PF) phân tán ổn định các vật liệu rtano- nanoclay, TiOa để nâng cao độ bền tự nhiên chống côn trùng và nấm mục, ổn định kích thước. Quy trình cần có thiết bị tẩm và kỹ thuật viên vận hành được đào tạo.
Quy trình sa bộ gồm các bước: xếp gỗ vào bồn tẩm gỗ, húỉ chân không, bơm chất lỏng nano (được tạo bằng phân tán vật liệu nano vào keo PF phản từ lượng thấp nhờ thiết bị khuấy trộn cắt nhanh và ổn định nhờ vai trò của các tác nhân hoạt động bề mặt, và tác nhân ổn định phân tán), gia áp lực, tháo dịch tẩm, đưa gỗ đi hong phơi hoặc sấy nhẹ, gia nhiệt đóng rắn.
Đánh giá sản phẩm: Lượng keo PF-nano quy đổi ra lượng khô thấm vào gỗ đảm bảo hiệu quả bảo quản chống lại sinh vật gây hại với PF- nano T1O2 đạt 23,5 kg/m3 và với PF-nanoclay cần đật 24,0 kg/m3.
Hướng ứng dụng của quy trình này là tẩm gỗ rừng trồng phục vụ chế biến các sản phẩm gỗ nội thất và ngoại thất.
* Quy trình công nghệ III – Phủ gỗ bằng sơn Polyurethane (PU) phân tán vật liệu nano:
Là quy trình áp dụng súng phun để sơn phủ cho gỗ và các sản phẩm gỗ sử dụng ngoài trời để bảo vệ bề mặt gỗ, hạn chế biến màu và khuyết tật gỗ do tác động của ánh sáng và thời tiết, nâng cao độ bền tự nhiên chống côn trùng và nấm mốc. Quy trình cần có buồng phun sơn và kỹ thuật viên vận hành được đào tạo.
Quy trình sơ bộ gồm các bước: chuẩn bị gỗ theo kích thước cần sử dụng và được chà nhám hoặc chà các vết nứt mặt, tính toán lượng sơn lót và sơn phủ mặt cần sử dụng theo định mức, sơn lớp sơn lót, để khô và chà nhám bằng giáp theo quy định, phun lớp sơn bổng.
Đánh giá sản phẩm: Lớp sơn được phủ đều, không có bọt khí trên bề mặt sản phẩm. Không bị co hoặc nứt do tác động của các yếu tố môi trường.
Hướng ứng dụng của quy trình này là phủ mặt gỗ bằng sơn nano để là chi tiết hoặc sản phẩm gỗ sử dụng trong điều kiện ngoài trời không có mái che.
b) Đối với sản phẩm bài báo, sách: Đã đăng 03 bài báo trên tạp chí khoa học Lâm nghiệp.
c) Đối với sản phẩm đăng ký bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ: Các sản phẩm chưa được đăng ký bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ.
2. Kết quả đào tạo, nâng cao tiềm lực khoa học, nhân lực
– Kết quả đào tạo:
Tham gia đào tạo 01 thạc sĩ chuyên ngành công nghệ chế biến gỗ cho trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, với nội dung đề tài về nâng cao độ bền tự nhiên chống sinh vật hại gỗ bằng chất lỏng phân tán vật liệu nano.
– Kết quả nâng cao tiềm lực:
Nhờ có nguồn lực được cấp cho việc thực hiện đề tài mà tiềm lực nghiên cứu vê xử lý bảo quản và nâng cao các tính chất gỗ của viện Nghiên cứu Công nghiệp Rừng đã được nâng cao rõ rệt đặc biệt là về mặt kết quả thu được và năng lực thực hiện một nghiên cứu theo định hướng tiếp cận về công nghệ nano. Cụ thể, lần đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu xử lý gỗ bằng các loại vật liệu nano đã được nghiên cứu một cách hệ thống theo các hướng tiếp cận chính của nó là tẩm gỗ bằng chất lỏng nano (nanofluid); nhựa phân tán vật liệu nano; và sơn phân tán vật liệu nano. Các kết quả thu được từ việc thực hiện các nội dung của dự án bao gồm kết quả về độ bền tự nhiên chống sinh vật hại gỗ, các tính chất cơ – vật lý, sự tác động của thời tiết lên chất lượng sản phẩm gỗ sau xử lý khi sử dụng ngoài trời là cơ sở dữ liệu ban đầu cung cấp nền tảng quan trọng cho việc thiết lập các sản phẩm. Các sản phẩm này cần được nghiên cứu bổ sung đề hoàn thiện quy trình sản xuất mới có thể cho sản phẩm dạng thành phẩm thương mại.
Bên cạnh kết quả nghiên cứu, năng lực và kinh nghiệm tổ chức và thực hiện nghiên cứu của các cán bộ tham gia cũng được gia tăng đáng kể. Qua thực tế tổ chức và thực hiện các nhiệm vụ được phân công, những cán bộ tham gia đã hình thành được thực tiễn nghiên cứu về tạo các loại vật liệu nano, xử lý gỗ bằng vật liệu nano, ảnh hưởng của việc xử lý vật liệu nano lên độ bền tự nhiên chống sinh vật, các tính chất cơ – vật lý,… Đặc biệt, lần đầu tiên cán bộ được tiếp cận đánh giá thực tế sự ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trưởng tự nhiên ngoài trời (sinh vật, ánh sáng, nhiệt độ,…) lên chất lượng gỗ và sản phẩm gỗ; và các tính chất liên quan đến chất lượng sản phẩm sơn phủ.
Tất cả các gia tăng về tiềm lực nghiên cứu qua việc thực hiện dự án này là một bước tiến rất lớn về chất, tạo tiền đề cho việc tiếp tục triển khai các nghiên cứu áp dụng công nghệ nano trong lĩnh vực công nghiệp rừng trong thời gian tới.
– Kết quả hợp tác quốc tế: đã có 01 đoàn ra, sang làm việc với Viện Nghiên cứu Lâm nghiệp Thụy Điển; Viện Nghiên cứu Kỹ thuật SP thuộc trường đại học Uppsala – Thụy Điển. Kết quả thu được của đoàn là tình hình nghiên cứu xử lý gỗ, các hướng nghiên cứu chính mà giới nghiên cứu Thụy Điển quan tâm, các thành tựu đã được triển khai vào sản xuất gỗ và các sản phẩm gỗ thông qua việc đi thăm hiện trường sản xuất một số công ty tại Thụy Điển. Tại các nơi đến làm việc, đặc biệt là viện các sản phẩm gỗ, thì nghiên cứu chính tập trung vào vật liệu composite gỗ hoặc gỗ nhựa, sơn phủ nano cho gỗ cũng được nghiên cứu nhưng mới ở giai đoạn đầu và vật liệu quan tâm là CeO2 và Fe-CeO2. Ngoài ra, viện cũng quan tâm đến các vật liệu nano cellulose.
3. Kết quả chuyển giao công nghệ
Chưa có sản phẩm nào của đề tài được chuyển giao do sản phẩm mới đang trong giai đoạn thử nghiệm.
4. Những vấn đề chưa đạt được so vói yêu cầu
Số lượng học viên làm luận văn thạc sĩ chưa đạt so với yêu cầu (đăng ký đào tạo 02 người, chỉ đào tạo được 01). Nguyên nhân do số lượng học viên theo học bậc cao học ngành chế biến, bảo quản gỗ từ năm 2012 quá ít, phải gộp số học viên trúng tuyển của một số đợt mới đủ yêu cầu mở lớp.
Tuy nhiên, kết quả thu được của đề tài đã tạo tiền đề cho việc đào tạo một nghiên cứu sinh (đã đăng ký và trúng tuyển chương trình đào tạo tiến sĩ của Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam năm 2015) tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu xử lý gỗ bằng nhựa PF- nano.
5. Kết quả nổi bật
– Kết quả 1: Độ bền tự nhiên chống sinh vật hại gỗ, độ ổn định kích thước của gỗ xử lý nhựa Phenol formaldehyde phân tán vật liệu nano (PF-nano).
Là kết quả đánh giá độ bền tự nhiên phòng chống mối Coptotermes gestroy, nấm mục Pleurotus ostreatus, và độ ổn định kích thước của gỗ sau xử lý nhựa PF-nano.
Gỗ rừng trồng của 02 loại Bồ đề và Keo lai được tẩm nhựa PF-nano bằng kỹ thuật tẩm chân không áp lực trước khi đưa vào môi trường tổ mối có mối đang hoạt động khỏe mạnh, và nấm mục được nuôi cấy trên môi trường. Ổn định kích thước được đánh giá thông qua khả năng chống sự co giãn của gỗ. Kết quả thu được cho thấy gỗ Bồ đề và Keo lai tẩm nhựa PF có TiO2 (kích thước < 100nm), nanoclay phân tán không có bất cứ dấu hiệu nào có sự tấn công của mối, trong khi gỗ tẩm nhựa PF thuần túy vẫn bị mối tấn công sử dụng làm thức ăn. Hiệu lực chống nấm mục của gỗ sau tẩm ở dưới mức tốt, gỗ gần như không bị hao hụt khối lượng sau thử nghiệm. Nhựa tẩm vào gỗ cũng làm cho gỗ ổn định kích thước, khả năng chống giãn nở gỗ tăng lên hơn 2 lần.
Kết quả đo đạc thu được cho thấy có vai trò của vật liệu nano đưa vào nhựa PF trong việc làm gia tăng độ bền tự nhiên chống sinh vật và ổn định kích thước. Hiệu quả gia tăng này có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn. Nó cho thấy có thể triển khai xử lý gỗ rừng trồng để sử dụng trong môi trường có nhiều yếu tố tác động mạnh (côn trùng, nấm mục, ẩm độ cao…). Hiện nay dùng gỗ rừng trồng phải tẩm các loại thuốc bảo quản, thông dụng nhất là muốỉ của một số hợp chất vô cơ. Nhưng trong môi trường có độ ẩm cao, đặc biệt khi gỗ kết nối với đất hoặc dùng ngoài trời, thuốc bảo quản thường bị rửa trôi sẽ làm giảm tuổi thọ sử dụng gỗ, ngoài ra thuốc bảo quản không giúp gia tăng ổn định, kích thước cho gỗ dẫn đến những khuyết tật lớn gây ảnh hưởng đến sản phẩm được sử dụng. Triển vọng trong việc phát triển sản phẩm không chỉ dừng lại trong việc xử lý gỗ xẻ, mà còn có thề xử lý cho các sản phẩm ván gỗ nhân tạo từ nguồn gỗ rừng trồng, về mặt kinh tế, những tính toán ban đầu khi tính toán cho quá trình xử lý gỗ xẻ ở quy mô nhỏ cho thấy chi phí xử lý gỗ bằng nhựa PF-nano tương đương với chi phí xử lý thuộc bảo quản. Và với ưu thế đã trình bày, tiềm năng phát triển một số sản phẩm gỗ với nhựa PF-nano là rất lớn.
– Kết quả 2: Chất lượng màng phủ Polyurethane phân tán vật liệu nano (PU-nano) phủ cho gỗ dưới tác động của môi trường ngoài trời.
Là kết quả đánh giá chất lượng màng phủ trong vai trò bảo vệ gỗ chống lại những tác động tiêu cực của các yếu tố trong môi trường sử dụng ngoài trời bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, sinh vật hại đặc biệt là nấm mốc và côn trùng.
Gỗ rừng trồng của 02 loài Bồ đề và Keo lai được phủ mặt bằng sơn PU-nano theo đúng định mức sơn và quy trình phun được hướng dẫn bởi nhà sản xuất ra sơn nền (sơn chưa phân tán vật liệu nano). Gỗ được đưa ra phơi trên giá ngoài hiện trường theo tiêu chuẩn quốc tế (…), định kỳ lấy mẫu đo sự thay đổi màu, biến dạng và khuyết tật gỗ, khuyết tật màng sơn, và sự xâm nhiễm của nấm mốc hoặc gây hại của côn trùng.
Các kết quả đo đạc thu được cho thấy có sự gia tăng hiệu quả bảo vệ gỗ khi phân tán vật liệu nano TiO2, ZnO, và nanoclay vào trong sơn được sử dụng để phủ gỗ. Độ lệch mầu cùa gỗ sau 1 năm phơi ngoài trời với sơn PU-nano cho gỗ Bồ đề dưới 10 đơn vị mầu (AEh < 10), trong khi sản phẩm không phân tán vật liệu nano khi phủ cho độ lệch mầu sàn phẩm xấp xỉ 20 đơn vị (ɅEh ~ 20), và gỗ không phủ mặt thì xấp xỉ 40 đơn vị (ɅEh ~ 40). Màng phù sơn PU-nano tuy có bị nứt nhưng vết nứt nhỏ và ngắn không làm giảm đi đáng kể chất lượng màng. Ngoài bảo vệ mầu, sơn PU-nano chống gần như tuyệt đối sự xâm nhiễm của nấm mốc trong khi sơn-PU thuần túy vẫn bị một phần nhỏ. Các kết quả thử trong phòng thí nghiệm cũng cho thấy màng phủ PU-nano có khả năng giảm thiểu sự gây hại cùa côn trùng và nấm mục so với PU thuần túy.
Ý nghĩa của kết quả thu được cho thấy vai trò gia tăng hiệu quả và chất lượng của vật liệu nano cho sơn PU trong việc bảo vệ gỗ trước các tác hại tiêu cực của các tác nhân trong điều kiện sử dụng ngoài trời. Giá trị thực tiễn của kết quả thu được là nó cung cấp cơ sở cho việc nghiên cứu hoàn thiện bổ sung quy trình để tạo thành phẩm sơn. Và với sự có mặt của sản phẩm sơn mới, việc sự dụng gỗ ngoài trời chắc chắn sẽ gia tăng vì thực tế hiện tại ở nước ta, việc sử dụng các sản phẩm gỗ ngoài trời đang ngày càng tăng như các sản phẩm gỗ làm hàng rào, biển quảng cáo, ván ốp tường,… nhưng dễ thấy sơn phủ hiện nay cho nhóm sản phẩm gỗ này nhanh chóng bị lão hóa (thể hiện ở sự bong màng sơn sau một thời gian ngắn sử dụng) đã làm giảm công năng và hiệu quả sử dụng đặc biệt là giảm giá trị thẩm mỹ (do bong vỡ màng sơn và sự xâm nhiễm của nấm mốc) của sản phẩm.
Với việc thực hiện dự án này, đội nghiên cứu đã làm chủ được việc chế tạo sơn PU-nano, và nếu sản phẩm được nghiên cứu hoàn thiện để chuyển giao vào thực tế sản xuất trong công nghiệp chế biến các sản phẩm gỗ, sản phẩm sơn chắc chắn sỗ góp phần gia tăng hiệu quả kinh tế xã hội vì sẽ có thêm các sản phẩm gỗ mới cùng với nhu cầu mới.
Một số hình ảnh liên quan đến đề tài
