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.
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) phủ màng ZnO công nghệ nano, sau xử lý axít stearic để tạo tính siêu kỵ nước Đặc tính bề mặt màng phủ kiểm tra thông qua phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc lượng tia X (EDS), nhiễu xạ tia X (XRD) đo góc tiếp xúc với giọt nước Kết thể hiện, màng phủ gỗ cấu thành từ ZnO kích thước micro/nano mét với cấu trúc tinh thể dạng Wurtzite Góc tiếp xúc với giọt nước bề mặt gỗ sau phủ lớn rõ rệt so với gỗ khơng phủ Ngồi ra, thí nghiệm cịn cho thấy, với điều kiện xử lý axít stearic khác góc tiếp xúc với giọt nước khác nhau, có số chế độ thí nghiệm tạo lớp phủ siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn 150o Đặc tính bề mặt lớp phủ ZnO nghiên cứu làm cho gỗ Bồ đề từ loại vật liệu ưa nước trở thành vật liệu siêu kỵ nước có tính tự làm Từ khóa: Bề mặt siêu kỵ nước, cơng 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 Gỗ nguồn nguyên liệu tái tạo bốn loại nguyên liệu công nhận giới (sắt thép, xi măng, gỗ, nhựa) Với tính chất độc đáo đặc tính mơi trường tốt nên gỗ 530 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 ln người u thích, sử dụng rộng rãi xây dựng, sản xuất đồ gỗ, trang trí nội thất nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, gỗ vật liệu hữu cơ, có cấu trúc xốp, rỗng chứa nhiều nhóm chức ưa nước, nên gỗ có khả hút ẩm nước mạnh Khi để gỗ môi trường có tác dụng oxy, ánh sáng, nước, thời gian dài dễ dàng phát sinh tượng như: biến dạng, nứt, mục, biến màu, Nguyên nhân dẫn đến tượng tính ưa nước gỗ (Chương and Tường, 2013) Để giảm tính ưa nước gỗ, có nhiều giải pháp/cơng nghệ xử lý xử lý nhiệt/biến tính nhiệt, axetyl hóa gỗ, xử lý silan hóa gỗ, polymer hóa gỗ, ngâm tẩm nhựa phân tử lượng thấp,… Những giải pháp mức độ định làm giảm thiểu khả hút nước gỗ ngăn cản cách triệt để nước thấm vào gỗ, đặc biệt nước dạng dung dịch Ngoài ra, giải pháp truyển thống xử lý biến tính gỗ thường phá hủy cấu trúc vốn có gỗ, giảm độ bền học Hơn nữa, hóa chất sử dụng q trình xử lý cịn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sức khoẻ người (Hill, 2006) Để tạo bề mặt siêu kỵ nước cho vật liệu, năm gần có nhiều cơng trình nghiên cứu công bố (Guo et al., 2016) Các công nghệ chủ yếu dựa sở khoa học cơng nghệ nano để tạo bề mặt có cấu trúc phân lớp với kích thước nano mét Các bề mặt thường tạo từ hợp chất vô TiO2 (Gao et al., 2015; Lu and Hu, 2016), SiO2 (Tu et al., 2016), ZnO (He and Wang, 2011),… Mỗi loại hợp chất có đặc tính riêng cơng nghệ chế tạo khác Trong ZnO loại hợp chất chế tạo từ nguồn nguyên liệu phong phú, giá thành rẻ, công nghệ đơn Kỷ yếu khoa học giản hiệu Với mục đích nâng cao chất lượng gỗ từ loại vật liệu ưa nước trở thành vật liệu siêu kỵ nước, nghiên cứu áp dụng công nghệ nano để phủ gỗ Bồ đề màng ZnO, đồng thời phân tích cấu trúc bề mặt lớp phủ đánh giá đặc tính tính bề mặt gỗ sau phủ gồm: cấu trúc hiển vi màng phủ, cấu trúc tinh thể ZnO, góc tiếp xúc giọt nước khả tự làm gỗ sau phủ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu hóa chất nghiên cứu Gỗ bồ đề rừng trồng 7-8 tuổi, khai thác Tuyên Quang, độ ẩm thăng MC = 12% Kích thước mẫu mm x 20 mm x 45 mm Hóa chất nguồn tạo Zn2+: Zinc acetate dehydrate (Zn(CH3COOH)2.2H2O - ZnAc), Zn(NO3)2.6H2O ZnAc pha với Triethenamine (TEA) thành dung dịch đẳng mol, nồng độ 0,5M, dùng làm dung dịch phủ Zn(NO3)2.6H2O pha với C6H12N4 (HMTA) thành dung dịch đẳng mol, nồng độ 0,05M, dùng làm dung dịch thủy nhiệt Dung dịch axít stearic với nồng độ khác dùng để xử lý giảm lượng bề mặt lớp phủ Phương pháp phủ ZnO siêu kỵ nước cho gỗ Bồ đề Bước 1: Áp dụng phương pháp nhúng để tạo màng chứa hợp chất Zn2+ bề mặt gỗ Bồ đề Ngâm mẫu gỗ vào dung dịch phủ 30 phút, sau sấy nhiệt độ 60oC 30 phút (thực thao tác lần để lớp phủ chứa Zn2+ đồng gỗ) Bước 2: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt để xử lý tạo lớp màng chứa ZnO bề mặt gỗ Bồ đề Xử lý thủy nhiệt mẫu dung dịch thu Bước 1, nhiệt độ 80oC, thời gian 5h, sau sấy mẫu nhiệt độ 60oC, 1h 531 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Bước 3: Áp dụng phương pháp xử lý giảm lượng bề mặt màng Stearic Acid để xử lý mẫu gỗ Bồ đề phủ màng ZnO Ngâm mẫu gỗ Bồ đề không phủ phủ ZnO vào dung dịch stearic acid với nồng độ thời gian ngâm khác Mỗi chế độ 05 mẫu Sau sấy mẫu nhiệt độ 60oC thời gian thu mẫu gỗ có bề mặt kỵ nước/siêu kỵ nước Phương pháp kiểm tra đặc tính bề mặt màng phủ Kiểm tra tính kỵ nước gỗ: Đo góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt phủ sau xử lý theo phương pháp chụp ảnh giọt nước tiếp xúc đo góc tiếp xúc phần mềm imageJ (Chu et al., 2014) Kiểm tra tuổi thọ tính kỵ nước gỗ: Đo góc tiếp xúc giọt nước bề mặt phủ sau luộc nước sôi Kiểm tra khả tự làm gỗ phủ ZnO: (1) Rắc bột phấn viết bảng phủ kín bề mặt mẫu gỗ đối chứng Kỷ yếu khoa học mẫu gỗ phủ ZnO, (2) phun nước vào bề mặt có bột phấn, (3) kiểm tra tình trạng tàn dư bột phấn bề mặt sau phun nước Cấu trúc hiển vi màng phủ: Phân tính cấu trúc hiển vi màng ZnO kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM, S4800) Cấu trúc tinh thể màng phủ: Phân tích cấu trúc tinh thể màng ZnO gỗ phổ nhiễu xạ tia X (SIEMENS D5000 X-ray diffractometer), góc quét 2θ từ 10o đến 70o KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cấu trúc hiển vi lớp phủ Để giải thích tượng kỵ nước/siêu kỵ nước cho mẫu gỗ Bồ đề sau phủ ZnO xử lý Stearic acid, nghiên cứu tiến hành phân tích cấu trúc hiển vi lớp phủ kính hiển vi điện tử quét, kết thể Hình sau Mẫu khơng phủ Mẫu phủ ZnO Hình Cấu trúc bề mặt gỗ Bồ đề không phủ gỗ bồ đề phủ mặt ZnO Từ hình ảnh SEM gỗ không phủ cấp độ micro Với đặc điểm chưa gỗ phủ ZnO cho thấy đặc điểm sau: đủ điều kiện để tạo bề mặt kỵ nước Với gỗ không phủ, bề mặt xuất siêu kỵ nước theo mơ hình cấu trúc vốn có gỗ ruột Wenzel Với gỗ sau phủ ZnO, tế bào mạch gỗ, sợi gỗ, tế bào mô mềm bề mặt xuất lớp phủ liên tục cấu tạo nên tia gỗ tạo Cấu trúc cấu tạo phần tử dạng dạng cấu trúc phân tầng mảnh phủ lên cấu trúc vốn có gỗ nhiên kích thước phần tử tạo cấu trúc thứ bậc cấu trúc cấp 532 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 độ micro mét (cấu trúc bề mặt gỗ) cấu trúc lớp phủ ZnO cấp độ nano mét tạo nên Từ đặc điểm thấy, cấu trúc bề mặt gỗ sau phủ hồn tồn đáp ứng u cầu bề mặt kỵ nước siêu kỵ nước Wenzel Cassie Kỷ yếu khoa học Thành phần nguyên tố lớp phủ Thành phần nguyên tố bề mặt gỗ phủ ZnO kiểm tra Phổ tán sắc lượng tia X tích hợp kính hiển vi điện tử quét, kết thể Hình Hình Phổ tán sắc lượng tia X bề mặt gỗ phủ ZnO KẾT LUẬN Gỗ Bồ đề sau phủ màng ZnO kết hợp xử lý stearic acid trở thành vật liệu có tính kỵ nước/siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn 150o Tính kỵ nước/siêu kỵ nước gỗ phụ thuộc vào điều kiện xử lý stearic acid Trong đó, xử lý với chế độ: stearic acid 0,8%, 180 phút; stearic acid 1,0%, 240 phút; stearic acid 2,5%, 240 phút thu hiệu siêu kỵ nước tốt Các chế độ lại tạo khả kỵ nước với góc tiếp xúc lớn 120o nhỏ 150o Màng ZnO bề mặt gỗ Bồ đề tạo thành miếng/mảnh (nano sheet) nhỏ kích thước micro/nano mét có tinh thể dạng Wurtzite 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 (2): pp 2396-2404 CHƯƠNG, P.V., TƯỜNG, V.M., 2013 Khoa học gỗ ứng dụng Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội GAO, L., LU, Y., ZHAN, X., LI, J., SUN, Q., 2015 A robust, anti-acid, and hightemperature-humidity-resistant superhydrophobic surface of wood based on a modified TiO2 film by fluoroalkyl silane Surface and Coatings Technology 262 pp 33-39 533 ... giảm lượng bề mặt lớp phủ Phương pháp phủ ZnO siêu kỵ nước cho gỗ Bồ đề Bước 1: Áp dụng phương pháp nhúng để tạo màng chứa hợp chất Zn2+ bề mặt gỗ Bồ đề Ngâm mẫu gỗ vào dung dịch phủ 30 phút,... phủ ZnO Hình Cấu trúc bề mặt gỗ Bồ đề không phủ gỗ bồ đề phủ mặt ZnO Từ hình ảnh SEM gỗ khơng phủ cấp độ micro Với đặc điểm chưa gỗ phủ ZnO cho thấy đặc điểm sau: đủ điều kiện để tạo bề mặt kỵ nước. .. mẫu gỗ có bề mặt kỵ nước /siêu kỵ nước Phương pháp kiểm tra đặc tính bề mặt màng phủ Kiểm tra tính kỵ nước gỗ: Đo góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt phủ sau xử lý theo phương pháp chụp ảnh giọt nước