Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ phân tán nano Titandioxid (TiO₂) đến chất lượng màng trang sức trên sản phẩm gỗ
Công nghiệp rừng
ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ PHÂN TÁN NANO
TITANDIOXID (TiO2) ĐẾN CHẤT LƯỢNG MÀNG TRANG SỨC
TRÊN SẢN PHẨM GỖ
Phạm Thị Ánh Hồng1, Cao Quốc An2
1,2Trường Đại học Lâm nghiệp
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 đến chất
lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ. Vật liệu nano TiO2 được phân tán trong dung môi Butyl acetate có chất
hoạt động bề mặt LAS ở các nồng độ 0,05%; 0,1%; 0,15%; 0,2%; 0,25% trong các mức thời gian 1 giờ, 2 giờ,
3 giờ, 4 giờ, 5 giờ bằng sóng siêu âm và thiết bị khuấy từ, sau đó bổ sung phần sơn bóng PU, chất cứng PU và
khuấy đều với tốc độ 200 - 300 vòng/phút trong 15 phút. Dung dịch chất phủ này được phun lên bề mặt các
mẫu gỗ. Kết quả cho thấy, độ hấp thụ tia cực tím của dung dịch sơn PU có phối trộn nano TiO2 rất mạnh so với
dung dịch sơn PU đối chứng. Chất lượng màng sơn PU-TiO2 đã cải thiện đáng kể hơn so với màng sơn PU đối
chứng: Độ cứng tăng từ 3,29 lên 4,09 H; tỷ lệ tổn thất khối lượng do mài mòn giảm từ 0,1305% xuống
0,1057%; độ bền hoá chất và nước tăng từ mức 4,01 đến mức 5; độ lệch màu ∆E cũng giảm từ 14,85 xuống
9,62, không có hiện tượng nứt hay bong tróc của màng sơn PU-TiO2 trên bề mặt gỗ; đồng thời không có sự
thay đổi đáng kể về cường độ hấp thụ hồng ngoại đặc trưng cho các nhóm chức cấu trúc hóa học trong màng
sơn PU phối trộn với nano TiO2. Như vậy, để đảm bảo chất lượng trang cho sản phẩm gỗ và đem lại hiệu quả
kinh tế nên sử dụng nano TiO2 ở nồng độ 0,158% và phân tán trong 3,651 giờ là thích hợp.
Từ khóa: Dung môi, màng phủ, nano TiO2, phân tán, sản phẩm gỗ.
nấm mốc và tự làm sạch bề mặt (P A
Charpentier và cộng sự, 2012; Yixing Tang,
2013) và chống được tia UV (Thien Vuong
Nguyen et al, 2016; Mirela Vlad, 2009), có khả
năng kháng ẩm, cải thiện độ bền bám dính, độ
bền va đập (Thien Vuong Nguyen et al., 2016),
có tác dụng làm sạch không khí, làm sạch nước
và có giá thành thấp. Xuất phát từ những lý do
trên, tác giả đã tiến hành nghiên cứu ảnh
hưởng của một số yếu tố công nghệ phân tán
nano TiO2 đến chất lượng màng trang sức trên
bề mặt gỗ.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trang sức sản phẩm gỗ là công đoạn quan
trọng trong sản xuất đồ mộc với mục đích làm
tăng tính thẩm mỹ và bảo quản sản phẩm. Nó
có thể tiến hành trước hoặc sau khi lắp ráp
thành sản phẩm. Hiện nay, có rất nhiều loại
chất phủ lỏng được dùng trong ngành gỗ như
Nitrocellulose, Polyurethane (PU), Ankyde...
Trong đó, PU được sử dụng phổ biến nhất để
trang sức sản phẩm gỗ bởi chúng có nhiều ưu
điểm như màng sơn khô nhanh, bám dính tốt,
phẳng mịn, có độ cứng và độ bóng cao, giá
thành phù hợp. Tuy nhiên, loại sơn này có
nhược điểm là chịu ánh sáng tự nhiên kém nên
màng sơn dễ bị biến màu, khả năng kháng ẩm
và hóa chất không cao. Do đó, việc nghiên cứu
giải pháp nâng cao chất lượng màng sơn PU
trên bề mặt gỗ là rất cần thiết và có ý nghĩa.
Titanium dioxide (TiO2).là một vật liệu bán
dẫn vùng cấm rộng, màu trắng, từ lâu đã được
ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như:
sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm... Nó là
vật liệu không độc hại, thân thiện với môi
trường, có tính ổn định hóa học cao (Kim và
cộng sự, 2005), có khả năng kháng khuẩn, diệt
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Gỗ sử dụng cho nghiên cứu là Keo lai (Acacia
auriculiformis x mangium) có = 0,58 g/cm3, độ
tuổi 12 - 14 năm khai thác tại Hòa Bình;
Sơn PU 2 thành phần (sơn lót, sơn bóng) và
chất cứng PU của hãng Oseven; Dung môi
Butyl axetate có độ tinh khiết 99,5%; Chất
hoạt động bề mặt Linear alkyl benzen sunfonic
acid (Las);
Hạt nano Titanium dioxide (TiO2) kích thước
40 nm mua tại Chiết Giang, Trung Quốc, có độ
tinh khiết 98%, màu trắng, dạng bột mịn;
102
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
Công nghiệp rừng
Thiết bị sử dụng: Sử dụng thiết bị sóng siêu
âm Ultrasonic Cleaner model PS-40 của Trung
Quốc, thiết bị khuấy từ Hot & Magnetic Stirrer
model MS-300HS của Hàn Quốc, thiết bị phun
sơn tự động Cefla Mito K 01 gồm 4 súng phun;
Địa điểm thí nghiệm: Viện Công nghiệp gỗ,
Công ty TNHH công nghệ Delta Việt Nam; Công
ty TNHH Xây dựng xuất nhập khẩu Hà Lâm.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
súng phun sơn lót, sơn màu, sơn bóng: 70
m/phút; Tốc độ băng tải: 4,8 m/phút; Khoảng
cách phun: 20 cm; Độ nhớt khi phun của sơn
lót, sơn màu: 40 mPa.s, sơn bóng 37 mPa.s,
hướng súng phun đi 2 chiều.
Yếu tố thay đổi: Nồng độ nano TiO2 ở 5 mức:
0,05%; 0,1%; 0,15%; 0,2%; 0,25%; Thời gian
phân tán nano: 1 giờ; 2 giờ; 3 giờ; 4 giờ; 5 giờ.
Trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực
nghiệm, nhóm tác giả áp dụng kế hoạch trung
tâm hợp thành trực giao với các yếu tố đầ đủ
để xác định ảnh hưởng của 2 yếu tố áp suất và
tốc độ phun đến một số chỉ tiêu chất lượng
màng trang sức. Kế hoạch thực nghiệm bậc 2
được thực hiện ở các mức: Mức trên (+1); mức
dưới (-1); mức trung gian (0); các mức sao mở
rộng (+), (-). Dó đó, ta có bảng thực nghiệm
theo phần mềm xử lý OPT như ở bảng 1.
Trong nghiên cứu nhóm tác giả đã tiến hành
thí nghiệm đa yếu tố.
Yếu tố cố định: Dung môi phân tán
Butylacetate đã có chất hoạt động bề mặt LAS
(tỷ lệ nano TiO2 và chất LAS là 1:2 tính theo
khối lượng), tốc độ phân tán 400 - 600
vòng/phút và phân tán ở nhiệt độ thường 25 ±
2oC. Áp suất phun 0,2 MPa đối với sơn lót, sơn
màu và 0,18 MPa đối với sơn bóng; Tốc độ
Bảng 1. Ma trận quy hoạch thực nghiệm
Dạng thực
Dạng mã
No
X1
-1
+1
-1
+1
-
+
0
X2
-1
-1
+1
+1
0
Nồng độ nano TiO2 (C, %)
Thời gian phân tán (, giờ)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,1
0,2
0,1
2
2
4
4
3
3
1
5
3
0,2
0,05
0,25
0,15
0,15
0,15
0
-
+
0
0
0
độ 200 - 300 vòng/phút trong 15 phút.
Các bước công nghệ trang sức bề mặt gỗ
bằng sơn PU và PU-TiO2:
Các bước tiến hành thực nghiệm tạo
mẫu nghiên cứu:
Gỗ tròn Keo lai được tiến hành xẻ thanh (xẻ
phá, xẻ lại), sấy đến độ ẩm 10 ± 2%, sau đó bào
Bước 1: Xử lý bề mặt sản phẩm gỗ: Chà
nhám bề mặt gỗ bằng loại giấy 120, 180,
240, 320, sau đó làm sạch bụi gỗ và kiểm tra
độ nhẵn, độ ẩm.
bốn mặt và đánh nhẵn đạt 8 (Rmax ≤ 60 µm)
có kích thước: dài x rộng x dày = 350 x 100 x
18 mm, bề mặt phải sạch bụi.
Tiến hành phân tán nano TiO2 vào dung môi
Butyl acetate đã có chất hoạt động bề mặt LAS
bằng thiết bị sóng siêu âm kết hợp với thiết bị
khuấy từ với tốc độ 400 - 600 vòng/phút ở
nhiệt độ thường (theo các chế độ ở bảng 1).
Sau đó, bổ sung phần sơn bóng và chất cứng
PU và khuấy đều bằng máy khuấy từ với tốc
Bước 2: Sơn lót (2 lớp): Tỷ lệ pha sơn:
Sơn lót (2) + Cứng (1) + Dung môi (2,5) (theo
tỷ lệ khối lượng). Sau mỗi lần sơn lót cần sấy
khô và chà nhám màng sơn.
Bước 3: Sấy khô và chà nhám màng sơn lót:
Các mẫu gỗ sau khi sơn lót xong để hong phơi
tự nhiên trên các giá ở nhiệt độ thường T = 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
103
Công nghiệp rừng
2oC, độ ẩm không khí 65 5%. Sau khi khô
hoàn toàn, tiến hành chà nhám bằng loại giấy
nhám 400, sau đó làm sạch bụi và kiểm tra
chất lượng.
Bước 4: Sơn màu: Tỷ lệ pha sơn: Sơn lót (2)
+ Cứng (1) + Dung môi (2,5) + tinh màu (theo
tỷ lệ khối lượng); Độ nhớt phun: 40 mPa.s; Áp
suất phun: 0,2 MPa;
Bước 5: Sấy khô: Các mẫu gỗ sau khi sơn
màu cũng để hong phơi tự nhiên trên giá ở
nhiệt độ thường T = 25 2oC, độ ẩm không
khí 65 5%.
Bước 6: Sơn bóng: Sơn PU bóng đã phối trộn
với nano TiO2. Tỷ lệ pha: Sơn bóng (2) + Cứng
(1) + Dung môi (3) (theo tỷ lệ khối lượng);
Bước 7: Sấy khô và kiểm tra chất lượng sản
phẩm: Sấy màng sơn khô hoàn toàn, sau đó ổn
định mẫu và cắt mẫu theo các tiêu chuẩn để
kiểm tra chất lượng sản phẩm.
sóng 350 nm; khoảng cách từ đèn tới bề mặt
mẫu: 50 mm, thời gian chiếu tia UV: 960 giờ.
Khả năng chống biến màu của mẫu gỗ đã sơn
phủ được đánh giá bằng sự chênh lệch giữa các
chỉ số màu sắc bề mặt của mẫu trước và sau
khi chiếu tia UV ở các thời điểm 6 giờ, 12 giờ,
24 giờ, 48 giờ, 72 giờ, 96 giờ, 144 giờ, 192
giờ, 240 giờ, 312 giờ, 384 giờ, 456 giờ, 528
giờ, 600 giờ, 672 giờ, 750 giờ, 816 giờ, 888
giờ, 960 giờ. Các chỉ số L*, a*, b* được đo
bằng máy đo màu sắc BYK của hãng sản xuất
BYK-Gardner tại Đức, đo 3 điểm trên 1 mẫu
để xác định giá trị trung bình, sau đó tính các
chỉ số màu theo công thức:
L* = L*UV - L*o
a* = a*UV - a*o
b* = b*UV- b*o
(1)
(2)
(3)
E L *2 a *2 b *2
(4)
Trong đó: L*o - Độ sáng màu của mẫu trước
khi chiếu UV, L*UV - Độ sáng màu của mẫu sau
khi chiếu UV, a*o - Chỉ số a* của mẫu trước khi
chiếu UV, a*UV - Chỉ số a* của mẫu sau khi
chiếu UV, b*o - Chỉ số b* của mẫu trước khi
chiếu UV, b*UV - Chỉ số b* của mẫu sau khi
chiếu UV. Số liệu trong nghiên cứu được xử lý
bằng phần mềm excel và phần mềm OPT.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả phổ UV-Vis của dung dịch sơn
PU đối chứng và PU kết hợp với nano TiO2
Kết quả phổ UV-Vis của dung dịch sơn PU
đối chứng và PU phối hợp nano TiO2 được
trình bày ở hình 1, 2.
Tiêu chuẩn và phương pháp kiểm tra
chất lượng màng trang sức trên sản phẩm gỗ:
Đo độ hấp phụ tia UV của dung dịch sơn
PU và PU phối trộn nano TiO2 được kiểm tra
bằng máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis,
Model UVS-2800, hãng Labomed-Mỹ, dải
quét bước sóng từ 190 nm đến 900 nm và sử
dụng Cuvet thạch anh để đo mẫu. Độ cứng của
màng sơn được kiểm tra theo ASTMD 3363;
Độ mài mòn của màng sơn theo EN
1339:2000; độ bền hóa chất của màng sơn theo
DIN 68861-1 (nhóm 1A).
Khả năng chống biến màu của màng sơn
kiểm tra bằng đèn UV công suất 40 W, bước
Bước sóng (nm)
Hình 1. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch sơn PU đối chứng
104
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
Công nghiệp rừng
Bước sóng (nm)
Hình 2. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch sơn PU phối trộn nano TiO2 ở nồng độ 0,15%
Qua kết quả ở hình 1, 2 cho thấy, độ hấp thụ
tia cực tím của dung dịch sơn PU kết hợp với
nano TiO2 ở nồng độ 0,15% rất mạnh so với
dung dịch sơn PU đối chứng. Các hạt nano
TiO2 khi hấp thụ tia cực tím đã tạo ra hiệu ứng
che chắn tia UV cho lớp phủ polyme, do đó
lớp phủ PU có nano có khả năng chống lại tác
nhân gây lão hóa (tia UV) tốt hơn so với lớp
phủ PU đối cứng (Thien Vuong Nguyen et al.,
2016).
3.2. Xác định sự tồn tại hạt nano TiO2 trong
màng sơn PU trên bề mặt gỗ
Kết quả phân tích cấu tạo hiển vi của màng
sơn PU trước và sau khi phối trộn với vật liệu
nano TiO2 được thể hiện từ hình 3 đến hình 12.
Na no
TiO2
Hình 3. Ảnh SEM của màng sơn PU
đối chứng (x4000)
Hình 4. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,05% phân tán trong 3 giờ (x500)
Na no
TiO2
Na no
TiO2
Hình 5. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở Hình 6. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,1% phân tán trong 3 giờ (x1000) nồng độ 0,15% phân tán trong 3 giờ (x500)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
105
Công nghiệp rừng
Na no
TiO2
Na no
TiO2
Hình 7. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,15% phân tán trong 4 giờ (x1000)
Hình 8. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,15% phân tán trong 5 giờ (x5.000)
Na no
TiO2
Na no
TiO2
Hình 9. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,2% phân tán trong 3 giờ (x10.000)
Hình 10. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,25% phân tán trong 3 giờ (x5000)
Na no
TiO2
Na no
TiO2
Hình 11. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,15% phân tán trong 1 giờ (x500)
Hình 12. Ảnh SEM của màng sơn PU-TiO2 ở
nồng độ 0,15% phân tán trong 2 giờ (x30.000)
Kích thước của các hạt nano rất nhỏ cho
phép chúng xâm nhập vào những lỗ siêu nhỏ,
các vùng mao dẫn trong mạng polyme (Thien
Vuong Nguyen et al., 2016). Qua các hình ảnh
SEM cho thấy, trang thái bề mặt của màng sơn
PU đối chứng và màng PU-TiO2 trên bề mặt gỗ
đều không có hiện tượng nứt, bong tróc. Điều
này cho thấy, khi bổ sung vật liệu nano TiO2 ở
các nồng độ và thời gian nghiên cứu vào trong
sơn PU chưa ảnh hưởng rõ rệt đến mối liên kết
tạo mạng của hệ polyme giữa các nhóm chức
NCO (isocyanate) với OH (hydroxyl) của
màng sơn. Mặt khác, màng sơn PU đối chứng
(hình 3) trơn mịn, đồng nhất một màu đen, còn
màng sơn PU-TiO2 ở các nồng độ 0,05%; 0,1%
và 0,15% phân tán ở thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5
giờ cũng trơn mịn và có các hạt nano TiO2 màu
trắng phân tán đều, không có sự kết tụ của hạt
nano trong màng sơn PU (từ hình 4 đến hình
8). Tuy nhiên, màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ
0,2% và 0,25% phân tán trong 3 giờ hoặc ở
nồng độ 0,15% phân tán trong 1 giờ, 2 giờ vẫn
còn có sự khác biệt lớn về màu sắc, cụ thể
trong màng sơn vẫn xuất hiện các vệt màu
106
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
Công nghiệp rừng
cứng màng trang sức (công thức 5a và 5b).
Phương trình dạng mã:
trắng của vật liệu TiO2, điều này cho thấy các
hạt nano TiO2 phân tán không đều, vẫn còn
hiện tượng kết tụ thành từng đám trong màng
sơn PU (từ hình 9 đến hình 12). Nguyên nhân
dẫn đến hượng tượng này có thể là do thời gian
phân tán chưa phù hợp.
3.3. Ảnh hưởng đến độ cứng của màng
trang sức
Thông qua xử lý hồi quy bằng phần mềm OPT
xây dựng được phương trình tương quan giữa
nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ
2
Y = 2,575 + 5,011X1 – 0,083X1 + 0,075X2
2
– 0,250X2X1 + 0,003X2
Phương trình dạng thực:
(5a)
Y = -23,417 + 167,899C – 33,320C2 +
0,733 - 1,000C + 0,00012
(5b)
Đồ thị quan hệ giữa nồng độ và thời gian
phân tán nano TiO2 với độ cứng của màng
trang sức được thể hiện ở hình 13.
Hình 13. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ cứng
của màng trang sức
Kết quả phân tích phương sai (Anova) độ
cứng của màng trang sức ở các nồng độ và thời
gian phân tán nano TiO2: F = 13,868; Fcrit =
1,947348 (F > Fcrit), điều này chứng minh rằng
độ cứng của màng trang sức giữa các nồng độ
và thời gian phân tán nano TiO2 đã có sự sai
khác và hệ số của phương trình đều có ý nghĩa.
Qua biểu đồ ở hình 13 nhận thấy, độ cứng
màng sơn PU-TiO2 cao hơn màng sơn PU đối
chứng vì bản thân nano TiO2 là một ô xít kim
loại nên có độ cứng cao. Khi thay đổi nồng độ
và thời gian phân tán nano TiO2, độ cứng của
màng sơn PU-TiO2 cũng được cải thiện, tăng
từ 3,29 lên 4,09 H (tăng 11,55% đến 28,85%
so với màng sơn PU đối chứng). Cụ thể là khi
nồng độ và thời gian phân tán nano tăng thì độ
cứng của màng trang sức tăng. Ngược lại, khi
nồng độ và thời gian phân tán nano giảm, độ
cứng của màng trang sức giảm. Tuy nhiên, độ
cứng của màng sơn PU-TiO2 ở các chế độ
(nồng độ 0,2% phân tán trong 2 giờ; nồng độ
0,25% phân tán 3 giờ; nồng độ 0,15% phân tán
1 giờ) không đều bởi khi nồng độ nano TiO2
tăng lên, thời gian phân tán ngắn thì các hạt
nano phân tán không đều trong màng sơn PU
(theo kết quả chụp SEM từ hình 9 đến hình 12).
3.4. Ảnh hưởng đến khả năng chịu mài mòn
của màng trang sức
Thông qua xử lý hồi quy bằng phần mềm
OPT xây dựng được phương trình tương quan
giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2
với tỷ lệ khối lượng tổn thất do mài mòn của
màng trang sức (công thức 6a và 6b).
Phương trình dạng mã:
Y = 0,217 – 1,003X1 + 1,972X1 – 0,012X2
2
2
+ 0,117X2X1 – 0,001X2
Phương trình dạng thực:
(6a)
Y = 26,168 - 288,915C + 788,879C2 -
0,391 + 2,334C - 0,0012
(6b)
Đồ thị quan hệ giữa nồng độ và thời gian
phân tán nano TiO2 với tỷ lệ khối lượng tổn
thất do mài mòn của màng trang sức được thể
hiện ở hình 14.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
107
Công nghiệp rừng
Hình 14. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với tỷ lệ khối lượng tổn thất
do mài mòn của màng trang sức
Kết quả phân tích phương sai (Anova) tỷ lệ
khối lượng tổn thất do mài mòn của màng
trang sức ở các nồng độ và thời gian phân tán
nano TiO2: F = 46,599; Fcrit = 1,947348 (F >
Fcrit), điều này chứng minh rằng tỷ lệ khối
lượng tổn thất do mài mòn của màng trang sức
giữa các nồng độ và thời gian phân tán nano
TiO2 đã có sự sai khác và hệ số của phương
trình đều có ý nghĩa.
Từ kết quả cho thấy, tỷ lệ tổn thất khối
lượng do mài mòn của màng sơn PU-TiO2 thấp
hơn so với màng sơn PU đối chứng (hình 14).
Nguyên nhân do nano TiO2 là một ô xít kim
loại có độ cứng tương đối cao nên khi cho
nano TiO2 vào trong sơn đã cải thiện được độ
mài mòn của màng sơn. Khi nồng độ và thời
gian phân tán nano TiO2 thay đổi thì tỷ lệ tổn
thất do mài mòn của màng sơn PU-TiO2 cũng
giảm từ 0,1305% xuống 0,1057% (giảm
23,90% xuống 6,05% so với màng sơn PU đối
chứng). Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất khối lượng do
mài mòn của màng sơn PU-TiO2 ở các chế độ
(nồng độ 0,2% phân tán 2 giờ; nồng độ 0,25%
phân tán 3 giờ; nồng độ 0,15% phân tán 1 giờ)
không đều bởi khi nồng độ nano TiO2 tăng,
thời gian phân tán ngắn thì các hạt nano phân
tán không đều trong màng sơn PU (kết quả
chụp SEM từ hình 9 đến hình 12).
3.5. Ảnh hưởng đến độ bền hóa chất và nước
Mối quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân
tán nano TiO2 với độ bền hóa chất và nước của
màng trang sức được thể hiện ở hình 15.
Hình 15. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ bền hóa chất và nước
108 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
Công nghiệp rừng
Qua biểu đồ ở hình 15 cho thấy, màng sơn
PU-TiO2 có khả năng kháng hoá chất và nước
tốt hơn so với màng sơn PU đối chứng, thể
hiện rõ nhất ở các nồng độ 0,15%; 0,2%;
0,25% phân tán trong thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5
giờ đều đạt mức 5 tương ứng với màng sơn
không bị thay đổi về màu sắc, độ bóng và cấu
trúc bề mặt. Khi thay đổi nồng độ và thời gian
phân tán nano TiO2, độ bền hoá chất và nước
của màng sơn PU-TiO2 cũng được thay đổi
đáng kể so với màng sơn đối chứng. Cụ thể là
khả năng kháng dung dịch axít của màng sơn
PU-TiO2 tăng từ mức 4,24 lên mức 5; Khả
năng kháng dung dịch Natri clorua của màng
sơn PU-TiO2 tăng từ mức 4,18 lên mức 5; Khả
năng kháng dung dịch Amoniac của màng sơn
PU-TiO2 tăng từ mức 4,26 lên mức 5; Khả
năng kháng dung dịch Rượu etylic của màng
sơn PU-TiO2 tăng từ mức 4,01 lên mức 5; Khả
năng kháng dung dịch cà phê của màng sơn
PU-TiO2 tăng từ mức 4,31 lên mức 5; Khả
năng kháng dung dịch nước chè của màng sơn
PU-TiO2 tăng từ mức 4,36 lên mức 5; Khả
năng kháng dung dịch nước của màng sơn PU-
TiO2 tăng từ mức 4,44 lên mức 5. Nguyên là
do nano TiO2 là một chất trơ về mặt hóa học,
không tan trong axít, bazơ, kỵ nước, có khả
năng diệt khuẩn và tự làm sạch bề mặt. Điều
này cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu
của Yixing Tang (2013), P A Charpentier và
cộng sự (2012), Kim và cộng sự (2005).
3.6. Ảnh hưởng đến khả năng chống tia UV
của màng trang sức
Thông qua xử lý hồi quy bằng phần mềm
OPT xây dựng được phương trình tương quan
giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2
với khả năng chống tia UV của màng trang sức
(công thức 7a và 7b).
Phương trình dạng mã:
Y = 17,161 – 44,428X1 + 65,833X1 -
0,226X2 + 0,100X2X1 + 0,017X2 (7a)
2
2
Phương trình dạng thực:
Y = 34,342 – 184,288C + 263,332C2 -
0,186 + 0,400C - 0,00072
(7b)
Đồ thị quan hệ giữa nồng độ và thời gian
phân tán nano TiO2 với độ lệch màu ∆E của
màng trang sức được thể hiện ở hình 16.
Hình 16. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2 với độ lệch màu
Kết quả phân tích phương sai (Anova) độ
lệch màu ∆E của màng trang sức ở các nồng độ
và thời gian phân tán nano TiO2: F = 21,488;
Fcrit = 1,947348 (F > Fcrit), điều này chứng
minh rằng độ lệch màu của màng trang sức
giữa các nồng độ và thời gian phân tán nano
TiO2 đã có sự sai khác và hệ số của phương
trình đều có ý nghĩa.
PU-TiO2 có khả năng chống tia UV tốt hơn so
với màng sơn PU đối chứng. Khi thay đổi nồng
độ và thời gian phân tán nano TiO2, độ lệch
màu của màng sơn PU-TiO2 cũng giảm từ
14,85 xuống 9,62 (giảm 50,06% xuống 22,90%
so với màng sơn PU đối chứng). Nguyên nhân
dẫn đến màng sơn PU-TiO2 có khả năng chống
tia UV tốt hơn so với màng sơn PU đối chứng
vì bản thân hạt nano TiO2 có khả năng hấp thụ
Qua biểu đồ ở hình 16 nhận thấy, màng sơn
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
109
Công nghiệp rừng
được tia cực tím. Sự hiện diện của các hạt nano
TiO2 đã làm chậm sự hình thành các sản phẩm
oxy hóa (OH, COOH) trong quá trình lão hóa.
Do đó, các hạt nano TiO2 làm giảm sự xuống
cấp của lớp phủ (Thien Vuong Nguyen et al.,
2016).
Yêu cầu đối với các hàm mục tiêu: Độ cứng
của màng trang sức (Y1) lớn nhất; Khả năng
chịu mài mòn của màng trang sức (Y2) lớn
nhất (Tỷ lệ tổn thất khối lượng do mài mòn
nhỏ nhất); Khả năng chống tia UV của màng
trang sức (Y3) tốt nhất (Độ lệch màu nhỏ nhất).
Từ điều kiện của các hàm mục tiêu ở trên ta
có mô hình bài toán tối ưu như sau:
3.7. Xác định giá trị phù hợp của nồng độ và
thời gian phân tán nano TiO2
Y1 = -23,417 + 167,899C – 33,320C2 + 0,733 - 1,000C + 0,00012 Max
Y2 = 26,166 - 288,915C + 788,879C2 - 0,391 + 2,334C - 0,0012 Min
Y3 = 34,342 – 184,288C + 263,332C2 - 0,186 + 0,400C - 0,00072 Min
0,05 C 0,25; 1 5
Sau khi giải hệ phương trình trên, ta thu
được kết quả là: C = 0,158; = 3,651. Vậy giá
trị nồng độ và thời gian phân tán nano TiO2
phù hợp với điều kiện thí nghiệm: C = 0,158%;
= 3,651 giờ.
Một số chỉ tiêu chất lượng màng trang sức
trên bề mặt gỗ đạt được như sau: Độ cứng của
màng trang sức là: Y1 = 3,6 H; Tỷ lệ tổn thất
khối lượng do mài mòn là: Y2 = 0,1157%; Độ
lệch màu của màng trang sức là: Y3 = 11,42.
3.8. Khảo nghiệm với các giá trị tối ưu C và
tìm được
Tiến hành phân tán nano TiO2 vào sơn PU
bóng và sơn phủ lên bề mặt gỗ theo các thông
số sau: Nồng độ nano TiO2: C = 0,158%; Thời
gian phân tán: = 3,651 giờ; Áp suất phun: P =
0,18 Mpa; Tốc độ phun: T = 70 m/phút. Sau khi
sơn phủ cho các mẫu gỗ, tiến hành kiểm tra các
chỉ tiêu chất lượng trang sức cho các mẫu gỗ.
Kết quả kiểm tra được trình bày ở bảng 5, 6.
Bảng 5. Kết quả chất lượng màng trang sức trên bề mặt gỗ với thông số C và thích hợp
Chỉ tiêu chất lượng
Mẫu
Tỷ lệ tổn thất do mài Độ lệch màu sau khi
Độ cứng, H
mòn, %
0,1401
0,1158
17,34%
chiếu tia UV
19,27
Màng sơn PU đối chứng
Màng sơn PU kết hợp với nano TiO2
Mức độ cải thiện
2,80
3,53
20,68%
11,54
40,11%
Bảng 6. So sánh giữa giá trị tính toán được và giá trị thực nghiệm của chất lượng màng trang sức
Chỉ tiêu chất lượng
Tỷ lệ tổn thất do mài mòn, % Độ lệch màu sau khi chiếu tia UV
Giá trị
Độ cứng, H
3,60
Lý thuyết
Thực nhiệm
0,1157
0,1158
11,42
11,54
3,53
Qua kết quả ở bảng 5 cho thấy, khi thực
nghiệm với các thông số thích hợp đã tìm được
thì các chỉ tiêu chất lượng màng sơn PU phối
hợp nano TiO2 có sự thay đổi rõ rệt so với
màng sơn PU đối chứng. Mặt khác, khi so sánh
giá trị tính toán được và giá trị thực nghiệm
của các chỉ tiêu chất lượng: độ cứng, tỷ lệ tổn
thất khối lượng do mài mòn và độ lệch màu
sau khi chiếu tia UV có sự sai lệch không đáng
kể (Bảng 6). Như vậy, giá trị tối ưu có thể chấp
nhận được.
3.9. Cấu trúc hoá học của màng trang sức
phân tích bằng phổ hồng ngoại
Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của
màng sơn PU đối chứng và màng sơn PU-TiO2
ở điều kiện (C = 0,158%; τ = 3,651 giờ) được
thể hiện ở hình 18, 19. Căn cứ vào dữ liệu thu
được từ máy phân tích quang phổ hồng ngoại
và các tài liệu tham khảo (Kim và cộng sự,
2005) để phân tích xác định thuộc tính các
đỉnh (peak) trên phổ của các mẫu màng sơn đối
chứng và màng sơn có nano.
110
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
Công nghiệp rừng
Bảng 7. Thuộc tính phổ IR của màng sơn PU và PU kết hợp với nano TiO2
Số sóng (cm-1)
Sơn đối chứng
Nhóm chức tương ứng
Sơn có nano
3325,61
2926,51
1733,22
1537,61
1121,08
741,22
3342,52
2926,60
1735,81
1537,64
1120,75
741,13
OH
CH2
C=O
C=NH
C-O-
C6H5
Qua kết quả phân tích phổ hồng ngoại ở
bảng 7 và hình 17, 18 cho thấy, cường độ hấp
thụ hồng ngoại đặc trưng cho các nhóm chức
cấu trúc hóa học trong màng sơn PU phối trộn
nano TiO2 chưa có sự thay đổi đáng kể so với
màng sơn PU đối chứng. Như vậy, khi cho vật
liệu nano TiO2 vào sơn PU ở nồng độ nghiên
cứu chưa ảnh hưởng rõ nét đến các thành phần
của sơn PU, hay nói cách khác, giữa vật liệu
nano TiO2 ở nồng độ nghiên cứu và các thành
phần của sơn PU chưa xảy ra phản ứng hoá học.
Hình 17. Phổ hồng ngoại của màng sơn PU đối chứng
Hình 18. Phổ hồng ngoại của màng sơn PU - TiO2 ở điều kiện (C = 0,158%; τ = 3,651 giờ)
rất mạnh so với dung dịch sơn PU đối chứng.
Trang thái bề mặt của màng sơn PU đối
chứng và màng PU-TiO2 trên bề mặt gỗ đều
4. KẾT LUẬN
Độ hấp thụ tia cực tím của dung dịch sơn
PU có phối trộn nano TiO2 ở nồng độ 0,15%
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
111
Công nghiệp rừng
property, thermal stability, weathering resistance and
antibacterial property of styrene acrylic polyurethane
coating. Institute for Tropical Technology, Vietnam
Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam.
Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 7 045015;
không có hiện tượng nứt, bong tróc. Tuy nhiên,
màng sơn PU-TiO2 ở nồng độ 0,2% và 0,25%
phân tán trong 3 giờ hoặc ở nồng độ 0,15%
phân tán trong 1 giờ, 2 giờ vẫn có sự khác biệt
lớn về màu sắc.
2. Kim, T. K., Lee, M. N., Lee, S. H., Park, Y. C.,
Development of
Jung, C. K., and Boo, J. H. (2005).
surface coating technology of TiO2 powder and
improvement of
Khi phân tán nano TiO2 vào trong sơn PU ở
các nồng độ và thời gian nghiên cứu thì chất
lượng màng sơn PU-TiO2 trên bề mặt gỗ đã
được cải thiện đáng kể so với màng sơn PU đối
chứng: độ cứng của màng sơn PU-TiO2 tăng từ
3,29 lên 4,09 H; tỷ lệ tổn thất do mài mòn của
màng sơn PU-TiO2 giảm từ 0,1305% xuống
0,1057%; độ bền hoá chất và nước của màng
sơn PU-TiO2 tăng từ mức 4,01 đến mức 5; độ
lệch màu ∆E giảm từ 14,85 xuống 9,62.
photocatalytic activity by surface
modification. Thin Solid Films 475(1-2), 171-177.
3. P A Charpentier, K Burgess, L Wang, R R
Chowdhury, A F Lotus and G Moula (2012). Nano-
TiO2/polyurethane composites for antibacterial and self-
cleaning coatings, Department of Chemical and
Biochemical Engineering, University of Western
Ontario, London, ON, N6A 5B9, Canada, pp: 1-9.
4. Mirela Vlad, Bernard Riedl, Ing. Pierre Blanchet,
Anti-UV
waterborne
nanocomposite
Anti-UV
waterborne nanocomposite coatings for exterior wood
(2009). International Conference on Nanotechnology for
the Forest Products Industry June 23-26, Edmonton,
Alberta, pp: 1-21.
5. Yixing Tang (2013). Self-cleaning Polyurethane
and Polyester Coatings, The School of Graduate and
Postdoctoral Studies, The University of Western Ontario
London, Ontario, Canada, pp: 1-69.
Bài báo đã xác định được giá trị nồng độ và
thời gian phân tán nano TiO2 phù hợp với điều
kiện thí nghiệm là: C = 0,158%; = 3,651 giờ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Thien Vuong Nguyen, Tuan Anh Nguyen, Phi
Hung Dao, Van Phuc Mac, Anh Hiep Nguyen, Minh
Thanh Do and The Huu Nguyen (2016). Effect of rutile
titania dioxide nanoparticles on the mechanical
EFFECT OF SOME TECHNOLOGICAL FACTORS DISPERSION
TITANDIOXID (TiO2) NANO TO THE QUALITY OF THE COATING FILM
ON WOOD PRODUCTS
Pham Thi Anh Hong1, Cao Quoc An2
1,2Vietnam National University of Forestry
SUMMARY
The article presents results of studies on the effect of concentration and dispersion time of TiO2 nano to the
quality of the coating film on wood surface. TiO2 nano particles were dispersed in Butyl acetate solvent which
has LAS surfactant at the concentrations of 0.05%; 0.1%; 0.15%; 0.2%; 0.25% in 1 hour, 2 hours, 3 hours, 4
hours, 5 hours respectively by ultrasound waves and magnetic stirrers, these solvent was then added gloss PU
coating, PU hardness and stirred with 200 - 300 rpm for 15 minutes. This coating solution was sprayed on the
wood surface samples. The results show that, the ultraviolet absorption of PU coating solution mixed with TiO2
nano was very strong compared to the controlled PU solution. The quality of the PU-TiO2 coating film has been
improved more significantly than the controlled PU coating film: The surface hardness increased from 3.29 to
4.09 H; mass loss rate due to abrasion decreased from 0.1305% to 0.1057%; chemical and water resistance
increased from 4.01 to 5; the color deviation ΔE also decreased from 14.85 to 9.62. No cracking or peeling of
PU-TiO2 coating film on wood surface; simultaneously there is not significantly changed about characteristic
infrared absorption intensity for chemical structure groups in PU coating film mixed with nano TiO2. So, to
ensure the quality of the surface finishing of wood products and bring about economic efficiency, TiO2 nano
particles should be appropriately used at the concentration of 0.158% and in 3.651 hours of dispersion.
Keywords: Coating film, dispersion, solvent, TiO2 nano, wood products.
Ngày nhận bài
: 14/8/2018
: 23/01/2019
: 31/01/2019
Ngày phản biện
Ngày quyết định đăng
112
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 - 2019
11 trang
248700
Free
Bạn đang xem tài liệu "Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ phân tán nano Titandioxid (TiO₂) đến chất lượng màng trang sức trên sản phẩm gỗ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- anh_huong_cua_mot_so_yeu_to_cong_nghe_phan_tan_nano_titandio.pdf
