(1) Kiểm tra góc tiếp xúc giọt nước lên bề mặt gỗ
+ Kích thước mẫu: 5 х 20 х 50 mm + Dung lượng mẫu: 10 mẫu/chếđộ
+ Dụng cụ: xi lanh mini sao cho có thể tạo ra giọt nước với thể tích 5µL (micro lít)
+ Phần mềm ImageJ với plugin Low Bond Axisymmetric Drop Shape Analysis (LB-ADSA).
+ Phương pháp đo:
Bước 1: Chụp ảnh giọt nước trên bề mặt mẫu sau khi tiếp xúc 60 giây. Bước 2: Sử dụng phần mềm ImageJ để đo góc tiếp xúc trên ảnh chụp được.
(2) Kiểm tra hiệu quả chịu ẩm của gỗ
Kích thước mẫu: 5 х 20 х 50 mm Dung lượng mẫu: 10 mẫu/chếđộ
Hiệu quả cách ẩm được tính dựa trên cơ sở sựthay đổi khối lượng của mẫu đối chứng và mẫu phủ ZnO sau khi đểtrong môi trường ẩm.
Mẫu đối chứng và mẫu đã phủđược sấy khô kiệt ở nhiệt độ 103±2 oC rồi được cân đểxác định khối lượng ban đầu, sau đó mẫu được được đặt trong môi trường nhiệt độ 20 oC, độ ẩm 65 % trong 30 ngày. Hiệu quả cách ẩm được xác định theo công thức:
MEE (%) = [(MA2-MA1)/MA2]x 100
Trong đó: MA1 và MA2 lần lượt là tỉ lệ hút ẩm của mẫu gỗ phủ và mẫu gỗ đối chứng. Tỉ lệ hút ẩm (MA) được xác định theo công thức:
MA (%) = [(W2-W1)/W1]x 100
Trong đó: W2 và W1 lần lượt là khối lượng của mẫu gỗ sau khi thử hút ẩm và mẫu gỗđược sấy khô kiệt ở nhiệt độ 103±2 oC.
(3) Kiểm tra độhút nước của gỗ
+ Kích thước mẫu: 5 х 20 х 50 mm + Dung lượng mẫu: 10 mẫu/chếđộ
+ Phương pháp xác định độ hút nước: Đầu tiên mẫu đối chứng và mẫu phủđược sấy đến khô kiệt, sau đó ngâm trong nước cất ở nhiệt độmôi trường trong thời gian 30 ngày. Trong quá trình ngâm sẽxác định độhút nước của mẫu
sau khi ngâm tại các thời điểm: 2 giờ, 1 ngày, 2 ngày, 4 ngày, 8 ngày, 12 ngày, 20 ngày và 30 ngày. Độ hút nước được xác định theo công thức:
(%) 100 2 2 1 m m m WA Trong đó: WA –độhút nước của gỗ (%);
m1 – khối lượng mẫu sau khi ngâm nước (g); m2 – khối lượng mẫu khô kiệt (g).
(4) Kiểm tra độ bền màu trước và sau khi chiếu UV
+ Kích thước mẫu: dày x rộng x dài = 5 mm x 20 mm x 50 mm
+ Điều kiện chiếu UV: tia UV được chiếu trực tiếp vào bề mặt mẫu trong điều kiện nhiệt độ phòng và môi trường không khí.
+ Cường độ chiếu UV: đèn UV công suất 40W, bước sóng 350 nm; khoảng cách từđèn tới bề mặt mẫu khoảng 50 mm.
+ Thời gian chiếu UV: 900 giờ
+ Độ bền màu của gỗđược đánh giá bằng sự chênh lệch giữa các chỉ số màu sắc bề mặt của mẫu đo ở các thời điểm trong 900 giờ chiếu tia UV. Cụ thể thời gian đo màu sau khi bắt đầu chiếu UV là: 24h, 48h, 72h, 96h, 144h, 192h, 240h, 312h, 384h, 456h, 528h, 600h, 672h, 750h, 850h và 900h.
- Xác định chỉ số màu sắc:
Các chỉ số màu sắc theo CIELab (1976) được tính như sau:
L* = L*ht - L*o a* = a*ht - a*o b* = b*ht - b*o 2 2 2 * * * a b L E Trong đó:
L*o - độ sáng màu của mẫu trước khi chiếu UV; L*ht - độ sáng màu của mẫu sau khi chiếu UV;
a*o - chỉ số a* của mẫu trước khi chiếu UV; a*ht - chỉ số a* của mẫu sau khi chiếu UV; b*o - chỉ số b* của mẫu trước khi chiếu UV; b*ht - chỉ số b* của mẫu sau khi chiếu UV.
Các chỉ số L*, a*, b* được đo bằng máy đo màu sắc đo trên ít nhất 3 điểm của mẫu gỗđểxác định giá trịtrung bình, sau đó tính các chỉ số màu theo công thức trên.
(5) Kiểm tra khảnăng chống bám bẩn bề mặt
- Mẫu gỗ: 5 х 20 х 50 mm
- Vật tư, dụng cụ: Bột phấn trắng viết bảng, Xi lanh bơm nước - Các bước tiến hành:
+ Rắc bột phấn viết bảng phủ kín bề mặt mẫu gỗ đối chứng và mẫu gỗ phủ ZnO
+ Phun nước lên bề mặt có bột phấn
+ Kiểm tra tình trạng tàn dư của bột phấn trên bề mặt sau khi phun nước.
(6) Phương pháp kiểm tra độ bền lớp phủ với thí nghiệm mô phỏng mưa
- Mẫu gỗ và vật liệu gỗ: 5 х 30 х 50 mm
- Vật tư, dụng cụ: Giá đỡ, ống dẫn nước, ống nhựa kiểm soát nước ra. - Các bước tiến hành:
+ Nước được đưa qua ống dẫn đến đầu nhựa kiểm soát nước ra được đặt cách mẫu thí nghiêm 16,5 cm (đường kính đầu ống nhựa là 2mm)
+ Mẫu gỗ và vật liệu gỗđược để cho dòng nước chảy trong vòng 5 phút, sau đó tiến hành sấy gỗ, cuối cùng đo góc tiếp xúc của bề mặt gỗ và giọt nước (lặp lại quá trình này đến khi mẫu bị mất đi tính năng siêu kỵ nước). Đo góc tiếp xúc WCA sau mỗi chu kỳphun nước.
Hình dạng cấu trúc màng ZnO được kiểm tra qua ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử (FE-SEM, S-4800).
Sự tồn tại của Zn trên bề mặt gỗđược kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM, S-4800) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).
(8) Phân tích cấu trúc tinh thể lớp phủ
Dạng tinh thể của màng ZnO được kiểm tra bằng máy nhiễu xạ tia X (SIEMENS D5000 X-ray diffractometer), góc quét 2θ từ 10ođến 70o.
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1. Thành phần hóa học của gỗ
Gỗ được tổ thành từ các nguyên tố cơ bản như: C, H, O, N, ngoài ra gỗ còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khoáng chất. Chi tiết có thể thấy trong hình 3.1 [3].
Hình 3.1. Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ
2.1.1. Xenlulo
Xenlulo là polsacarit phổ biến nhất trong thiên nhiên. Ngoài gỗ, xenlulo còn chứa trong quả cây bông với hàm lượng lớn (khoảng 96-99 %), trong các mầm, hoa và quả một số loài cây lấy sợi dệt vải như cây lanh, loài cây thân thảo, … Lý tính, hóa lý tính và hóa tính của xenlulo phụ thuộc vào cấu tạo hóa học cũng như cấu trúc vật lý của nó. Là thành phần cơ bản cấu tạo nên vách tế bào gỗ, xenlulo ảnh hưởng trực tiếp tới cấu tạo và tính chất của gỗ [3].
3.1.1.1. Cấu trúc hóa học của xenlulo
Xenlulo là một polysacarit đồng thể mạch thẳng, phân tử xenlulo được cấu tạo bởi các gốc β-D-glucoza, liên kết với nhau bằng các liên kết glycozit 1-4. Xenlulo là polyme cấu tạo mạng không gian: Chuỗi phân tử của nó có cấu tạo
điều hòa và tất cả các nguyên tử carbon không đối xứng nhau theo một cấu hình chặt chẽ nhất định.
Đơn vị lập thể lặp lại trong chuỗi xenlulo là gốc xelobyoza (4-O-[β-D- glucopyranozil]-β-D-glucopyranoza) (Hình 3.2a).
Công thức chung của xenlulo có thể viết dưới dạng (C6H10O5)n hoặc [C6H7O2(OH)3]n. Độ trùng hợp n của xenlulo trong gỗ khoảng 5.000 đến 10.000. Mức phân tán của xenlulo tự nhiên không lớn. Các kết quả nghiên cứu cho rằng, xenlulo ở vách tế bào sơ cấp có dạng phân tán, còn ở vách tế bào thứ cấp chúng tồn tại dưới dạng gần với trạng thái đơn tán. Trong quá trình tách từ mô tế bào, xenlulo bị biến đổi ở một mức độ nào đó và tính không đồng nhất về phân tử lượng cũng tăng theo.
Xenlulo là một polyme phân cực. Mỗi mắt xích của chuỗi phân tử xenlulo chứa ba nhóm rượu (-OH): Một nhóm rượu bậc nhất và hai nhóm bậc hai, chúng khác nhau về khả năng phản ứng hóa học. Các mắt đầu của cao phân tử xenlulo khác biệt rõ rệt so với các mắt khác trong phân tử. Ở một đầu mạch của cao phân tử có thêm một nhóm rượu bậc hai ở nguyên tố carbon thứ tư, còn ở đầu kia có nhóm hydroxyl tự do, do mắt xích đầu này của chuỗi phân tử có chứa nhóm anđehit không bền vững và tạo cho xenlulo khả năng khử (Hình 3.2c).
Hình 3.2. Cấu tạo hóa học của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã qua metyl hóa
3.1.1.2. Các tương tác và liên kết giữa các phân tử xenlulo
Giữa các phân tử xenlulo có hai dạng tương tác, đó là lực Van-der-Vaals và các liên kết hydro. Khác với các lực hóa trị, lực Van-der-Vaals thuộc nhóm các lực có độ ảnh hưởng rộng. Phần lớn các nhóm hydroxyl (-OH) trong phân tử xenlulo tạo ra năng lượng lớn thông qua các liên kết hydro. Các liên kết hydro giữa các nhóm (-OH) được tạo ra khi khoảng cách giữa các nguyên tử oxy của chúng xích lại gần nhau, ở khoảng cách 0,25-0,28 nm. Sự tồn tại các liên kết hydro khác nhau về độ bền giữa các phân tử là do các đặc điểm về sự trương nở và độ tan của xenlulo (ít trương nở trong nước, trương nở nhiều hơn trong kiềm và trương (tan) vô hạn trong các bazơ phức và một số dung môi của đặc trưng của xenlulo).
Các nhóm hydroxyl của xenlulo tạo ra các liên kết hydro trong phân tử và liên kết giữa các phân tử. Các liên kết hydro trong phân tử được tạo thành trong một chuỗi giữa các mắt glucopyranoza kề nhau. Các liên kết này tạo ra độ cứng cần thiết cho chuỗi xenlulo. Các liên kết hydro giữa các phân tử được tạo thành giữa các chuỗi và sản sinh ra các lực tương tác giữa các phân tử.
Hình 3.3. Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ
(a) Liên kết hydro nội phân tử xenlulo (b) Liên kết hydro giữa các phân tử xenlulo
Liên kết hydro được nghiên cứu bằng phương pháp quang phổ hồng ngọai. Trong quang phổ của xenlulo, trong phạm vi các dao động hóa trị của các nhóm hydroxyl có một vạch rộng và rõ với ở vùng 3.400 cm-1, tương ứng với các dao động của các nhóm (-OH) tham gia vào các liên kết hydro.
Các liên kết hydro trong phân tử xenlulo đóng vai trò rất quan trọng. Chúng quy định cấu trúc lý học của xenlulo (hình dạng phân tử, trạng thái hỗn hợp và cấu trúc phân tử) những trạng thái này ảnh hưởng tới tất cả các tính chất của xenlulo - lý tính, lý hóa tính và hóa tính.
Sự tạo thành các liên kết hydro giữa các chuỗi xenlulo và các phân tử nước có một ý nghĩa quan trọng trong khả năng hút ẩm của xenlulo và gỗ. Năng lượng của các liên kết hydro, đặc biệt là trong các phần có cấu tạo mạng tinh thể, làm giảm khả năng tham gia phản ứng hóa học của xenlulo, quyết định
cường độ khuếch tán của hóa chất vào sợi xenlulo. Tính chất cơ học của xenlulo kỹ thuật và giấy được xác định bởi các liên kết giữa các sợi, mà một phần được hình thành qua các liên kết hydro giữa các phân tử xenlulo trên bề mặt sợi.
Liên kết hydro giữa các nhóm -OH ở các vị trí khác nhau trên phân tử xenlulo ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hút và nhả ẩm của vật liệu gỗ, có quan hệ mật thiết với tính chất và công nghệ gia công vật liệu gỗ.
3.1.1.3. Ảnh hưởng của xenlulo đến tính hút và nhảẩm của gỗ
Xenlulo có tính hút ẩm và nhả ẩm. Nhóm hydroxyl (-OH) trên phân tử cellulo trong vùng vô định hình có một phần nhất định ở trạng thái tự do. Các nhóm –OH tự do rất dễ hấp phụ các phân tử nước và hình thành liên kết hydro. Khả năng hút ẩm phụ thuộc vào độ lớn vùng vô định hình và số lượng nhóm – OH tự do.
Khi nhiệt độ môi trường thấp, hàm lượng nước hút vào và thoát ra lúc đầu tăng lên khi độ ẩm môi trường tăng lên, đến khi độ ẩm tương đối đạt khoảng 60-70 % lượng nước hấp phụ sẽ giảm xuống. Khi gần đến điểm bão hòa sợi sự tăng lên của nước hấp phụ nhanh hơn nhiều so với sự tăng lên của độ ẩm tương đối, đường đẳng nhiệt gần như song song với trục hoành như Hình 3.3.
Khi độ ẩm tương đối của môi trường thấp, nhóm -OH tự do trong vùng vô định hình hấp phụ phân tử nước; độ ẩm tương đối môi trường tăng lên, một bộ phận liên kết hydro bị phá vỡ hình thành nhóm -OH tự do mới, tiếp tục hấp phụ phân tử nước. Khi độ ẩm tương đối môi trường thấp hơn 70 %, phân tử nước sẽ bị hấp phụ bởi nhóm -OH vốn có và nhóm -OH mới; độ ẩm tương đối môi trường tăng lên trên 70 %, lúc này sẽ hình thành các trung tâm hấp thụ, đồng thời rất nhiều lớp nước hấp phụ sẽ được tạo ra.
3.1.2. Hemixenlulo
Cũng như xenlulo, hemixenlulo là những polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulo thì hemixenlulo kém ổn định hoá học hơn,
dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemixenlulo phân giải trong khoảng nhiệt độ từ 200 - 260 oC. Độ bền vững của hemixenlulo so với xenlulo là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường trong gỗ của hemixenlulo rất thấp, nó rất dễ phát sinh phản ứng thoát nước. Hemixenlulo ở nhiệt độ tương đối thấp phát sinh phân giải sinh ra khối lượng lớn axít acetic và chất khí không cháy, đồng thời có ít dầu gỗ. Hemixenlulo dễbị thuỷ phân dưới tác dụng của acid.
Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n <200. Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị chiết xuất khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền.
Hemixenlulo là một trong những chất cao phân tử chủ yếu của gỗ nhạy cảm nhất với điều kiện môi trường. Sự biến đổi, tính chất và đặc điểm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất gia công sử dụng gỗ. Hemixenlulo là vật chất vô định hình, phân nhánh, trên mạch chính và mạch nhánh hàm chứa rất nhiều nhóm thân nước như: -OH, -COOH, đây là các thành phần có tính hút nước rất mạnh, là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ trương nở, biến dạng, nứt, nẻ.
Sự có mặt của hemixenlulo là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ có tính axit yếu. Hemixenlulo có nhiều nhóm chức có tính hoàn nguyên, dễ bị ô xy hoá thành gốc -COOH, trong môi trường ẩm ướt, nhóm acetyl (-C=O) trên phân tử hemixenlulo dễ bị thủy phân tạo thành axit axetic, làm cho tính axit của gỗ tăng lên, khi sử dụng gỗ có tính axit mạnh để sản xuất thùng đừng linh kiện kim loại có thể làm ăn mòn kim loại. Trong quá trình sấy, do phun ẩm và gia nhiệt, có thể gia tăng tốc độ thủy phân của hemixenlulo tạo thành các axit tự
do, vì thế làm cho tường và các thiết bị trong lò sấy sau một thời gian sử dụng xuất hiện hiện tượng ăn mòn.
3.1.3. Lignin
Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử từ 4000-10000, độ trùng hợp cao n = 25 - 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp. Bản chất của các liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng với halogen, axit nitric, phản ứng metyl hóa.
Liên kết giữa lignin và xenlulo có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ. Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi xenlulo trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định. Liên kết lignin và xenlulo có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước cuả gỗ. Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của