TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHIỆP GỖ VÀ NỘI THẤT
--------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ KỸ THUẬT KỆ TỦ TIVI THƠNG MINH
CHO KHƠNG GIAN PHỊNG KHÁCH HỘ GIA ĐÌNH
Ngành

: Chế biến Lâm sản

Mã số

: 7549001

Giáo viên hướng dẫn

: PGS.TS. Nguyễn Tất Thắng

Sinh viên thực hiện

: Đỗ Thị Lệ

Lớp

: K61 - CBLS

Khóa học

: 2016 - 2020

Hà Nội - 2020


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Thị
Minh Nguyệt - những người thầy, cơ đã tận tình trực tiếp hướng dẫn em trong
suốt q trình tiến hành thí nghiệm đề tài và viết báo cáo chuyên đề.
Em xin trân trọng gửi đến quý Thầy, Cô giáo trong Viện Công nghiệp
gỗ và nội thất, các Phòng, Ban trực thuộc Trường Đại học Lâm nghiệp, những
người đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hồn thành khóa luận tốt nghiệp,
trong suốt q trình thực hiện.
Em xin cảm ơn các cán bộ, giảng viên làm việc tại Trung tâm Thí
nghiệm và Phát triển công nghệ, Viện Công nghiệp gỗ và nội thất, Trường
Đại học Lâm Nghiệp tin tưởng, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em thực nghiệm,
đo mẫu trong suốt quá trình nghiên cứu. Cùng gia đình, bạn bè đã động viên,
giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Hà Nội, tháng 5 năm 2020
Sinh viên thực hiện

Đỗ Thị Lệ


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................... 3
1.1. Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên ......................................................... 3
1.2. Lý thuyết tính thấm ướt bề mặt .................................................................. 4
1.2.1. Góc tiếp xúc ............................................................................................ 4
1.2.2. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis) ................... 7
1.3. Phương pháp tạo bề mặt kỵ nước cho giấy ............................................... 7
1.4. Đặc điểm của giấy ...................................................................................... 8
CHƯƠNG 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 10
2.1. Đối tượng, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu ............................................... 10
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 10
2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................. 10
2.1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 10
2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 12
2.3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 12
2.3.1 Phương pháp kế thừa tài liệu: ................................................................ 12
2.3.2 Phương pháp tiêu chuẩn: ........................................................................ 12
2.3.2 Phương pháp thực nghiệm ..................................................................... 13
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................... 16
3.1

Thông tin cơ bản của nguyên liệu giấy carton....................................... 16

3.2.Xử lý bề mặt xơ sợi bằng nano ................................................................. 17


3.3. Mức độ ảnh hưởng của nồng độ Stearic acid đến tính chất kỵ nước của
giấy .................................................................................................................. 20
3.4 Bước đầu đánh giá khả năng phân tách pha dầu và nước ......................... 23
3.5 Tính chất cơ lý của mẫu giấy sau khi xử lý nano ZnO và Stearic acid .... 24
KẾT LUẬN - TỒN TẠI - KIẾN NGHỊ .......................................................... 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 28
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 30


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên gọi

Ghi chú

ZnO

Oxit kẽm

Hóa chất

ĐC

Đối chứng

Mẫu gỗ đối chứng

(Zn(CH3COOH)2.2H2O

Zinc acetate dehydrate
Hóa chất

- ZnAc)
HMTA (C6H12N4 )


Hexamethyenen tetramine

Hóa chất

Zn(NO3)2.6H2O

Zinc nitrae hexahydrate

Hóa chất

EDS

Phổ tán sắc năng lượng tia X

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X

SEM

Kính hiển vi điện tử quét


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Chế độ xử lý Stearic Acid cho màng ZnO trên giấy carton ........... 11
Bảng 1.2 Góc tiếp xúc giọt nước và bề mặt mẫu giấy với các chế độ xử lý
khác nhau......................................................................................................... 21
Bảng 1.3 Tính chất cơ lý của giấy sau khi đã xử lý nano ZnO ....................... 25

và Stearic acid ................................................................................................. 25


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Hình ảnh bề mặt kỵ nước của lá Sen (Nelumbo nucifera) và cấu trúc
hiển vi của bề mặt lá Sen [6] ............................................................................. 3
Hình 1.2. Cấu trúc bề mặt chân Nhện nước (Gerris remigis)........................... 4
Hình 1.3. Góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt vật rắn [13] ................... 5
Hình 1.4. Mơ hình tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt rắn theo mơ hình
Wenzel (trái) và Cassie-Baxter (phải) [13] ....................................................... 5
Hình 1.5. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis) ............. 7
Hình 1.6 Hình ảnh cấu trúc bề mặt của giấy đối chứng và giấy phủ mặt nano
ZnO chế độ xử lý 01 ........................................................................................ 18
Hình 1.7 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của bề mặt mẫu giấy phủ nano ZnO ..... 20
Hình 1.8 Góc tiếp xúc mẫu giấy sau xử lý ...................................................... 22
Hình 1.9 Hình ảnh giọt nước trên bề mặt giấy................................................ 23
Hình 1.10 Hình ảnh giấy siêu kỵ nước khi tách dầu và nước ......................... 24


ĐẶT VẤN ĐỀ

Giấy là vật liệu được cấu tạo từ các thành phần xơ sợi có nguồn gốc tự
nhiên (Chủ yếu là Cellulose hemicellulose), là một trong những loại sản phẩm
hữu cơ có ý nghĩa trong vấn đề bảo vệ mơi trường. Giấy có tầm quan trọng
đặc biệt trong cuộc sống của con người, được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như: Bao gói, lưu trữ và truyền thơng tin....vv. Do sự cấu tạo đặc biệt
của vật liệu giấy nên với một lượng lớn các nhóm Hydroxyl trên bề mặt đã
làm giảm độ bền của giấy, việc nghiên cứu làm bề mặt giấy có thể thay đổi
tính hút ẩm/nước là một hướng nghiên cứu đã và đang rất được quan tâm.
Nếu giấy có khả năng chống nước, giấy có thể sẽ được sử dụng trong nhiều

lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành cơng nghệ thực phẩm và hóa mỹ phẩm, có
thể tạo ra nhiều sản phẩm hữu ích.
Hiện nay, do lượng sử dụng giấy hàng ngày cho các lĩnh vực bao gồm
sản xuất, vận chuyển rất lớn, dẫn đến lượng giấy đã sử dụng/giấy phế thải đưa
ra môi trường cũng rất lớn. Đây cũng là vấn đền rất bức thiết cần giải quyết,
và đã có nhiều giải pháp sản xuất giấy tái chế cũng như vật liệu từ giấy phế
thải. Tuy nhiên, việc tìm ra giải pháp phù hợp vẫn là đề tài cần có nhiều
nghiên cứu để phát triển sao cho đạt hiệu quả cao nhất.
Giải pháp xử lý phỏng sinh học những năm gần đây đã được thế giới
nghiên cứu và phát triển rất mạnh. Tại Việt Nam giải pháp này cũng được áp
dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu để tạo ra bề mặt có cấu trúc
như một số loại sinh vật, đặc biệt là tạo ra bề mặt kỵ nước. Tuy nhiên, đối với
giấy thì chưa thấy có báo cáo mang tính chính thống kết quả nghiên cứu từ
Việt Nam.
Với mục đích tạo ra loại giấy có tính năng kỵ nước, tơi đã tiến hành thực
hiện đề tài “Nghiên cứu thử nghiệm tạo giấy kỵ nước từ giấy phế liệu”.
1


Nghiên cứu này áp dụng giải pháp phỏng sinh học để xử lý bề mặt sợi
giấy carton sau khi đã được tái phân ly bằng lớp nano ZnO, sau đó tiến hành
xử lý giảm năng lượng bề mặt để tạo ra giấy kỵ nước, có khả năng phân tách
pha dầu và nước.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.


Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên
Sinh vật trong tự nhiên có rất nhiều lồi có bộ phận cơ thể có tính kỵ

nước. Bề mặt lá sen là một bề mặt kỵ nước điển hình. Trong Ca dao Việt Nam
có câu về hiện tượng lá sen “Gần bùn mà chẳng hôi tanh mùi bùn”, hiện nay
đã được giải thích thơng qua nghiên cứu về cấu trúc siêu hiển vi và hiện
tượng kỵ nước của bề mặt lá sen. Các giọt nước dễ dàng lăn trên bề mặt, và
lấy đi bụi bám trên bề mặt, hiện tượng này được gọi là “Hiệu ứng lá sen” hoặc
“Hiệu ứng tự làm sạch” [10]. Nghiên cứu cho thấy, các tính chất đặc biệt như
tự làm sạch, kỵ nước của bề mặt lá sen là do sự tồn tại của cấu trúc nhấp nhô
cấp độ micro/nano cùng với tác động của chất sáp trên bề mặt kết hợp tạo nên
(hình 1.1).

Hình 1.1. Hình ảnh bề mặt kỵ nước của lá Sen (Nelumbo nucifera) và cấu
trúc hiển vi của bề mặt lá Sen [6]

3


Gao và cộng sự [11] cho rằng hiện tượng kỵ nước và lực hỗ trợ cao trên
bề mặt ở chân Nhện nước (Gerris remigis) có nguồn gốc từ cấu trúc thứ bậc
(Hierarchical structure) ở cấp độ nano, như hình 1.2. Bề mặt của chân Nhện
nước được sắp xếp theo hình lơng cứng với kích thước micro, và mỗi một sợi
lơng cứng lại có rãnh nano hình xoắn. Với loại cấu trúc micro/nano này đã
làm cho bề mặt của nó ít bị ướt bởi các giọt nước.

Hình 1.2. Cấu trúc bề mặt chân Nhện nước (Gerris remigis)
Thanh tỉ lệ trong hình b, c có độ dài lần lượt là 20 m và 200 nm


“Hiệu ứng lá sen” như đề cập ở đây đã trở thành tiền đề cho ý tưởng chế
tạo các vật liệu kỵ nước. Hiện tại, việc chế tạo các bề mặt kỵ nước có thể đạt
được bằng hai nhóm giải pháp: (1) Nhóm thứ nhất là sử dụng các vật chất có
khả năng làm giảm năng lượng bề mặt vật liệu, (2) Nhóm thứ hai là sử dụng
các giải pháp xử lý tạo ra độ ráp cho bề mặt vật liệu.
1.2. Lý thuyết tính thấm ướt bề mặt
Thơng thường, tính thấm ướt bề mặt/tính năng kỵ nước được đánh giá
thơng qua việc xác định góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt và góc trượt/lăn
của giọt nước trên bề mặt vật liệu.
1.2.1. Góc tiếp xúc
Mức độ thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt vật rắn được đánh giá thơng
qua góc tiếp xúc. Độ lớn của góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng trên bề mặt vật
rắn chỉ ra khả năng dàn trải của giọt chất lỏng trên bề mặt. Khi sức căng giữa
các bề mặt rắn, lỏng, khí đạt đến trạng thái cân bằng, góc hợp bởi tiếp tuyến
4


tại vị trí tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và bề mặt vật rắn với bề mặt vật rắn
được gọi là góc tiếp xúc θ (hình 1.3).
Mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và sức căng bề mặt có thể được biểu diễn
theo phương trình của Young [16]:
cos θ = (γSL + γLV)/γSV
Young cho rằng các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của góc tiếp xúc giữa
giọt nước và bề mặt rắn là: γSV- lực căng bề mặt giữa giao diện pha rắn và pha
khí, γSL- lực căng bề mặt giữa giao diện lỏng và rắn, γLV- lực căng bề mặt giữa
giao diện khí và lỏng, nhưng phương trình của Young đã giả thiết rằng bề mặt
rắn là bề mặt nhẵn bóng, để lý tưởng hố mơ hình. Tuy nhiên, trong thực tế
thì khơng thể có bề mặt nhẵn bóng hồn tồn, do đó, độ lớn của góc tiếp xúc
phải xem xét đến sự ảnh hưởng của độ nhám/thơ của bề mặt, như hình 1.4.


Hình 1.3. Góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt vật rắn [13]
θ < 90o – bề mặt ưa nước; θ > 90o – bề mặt kỵ nước; θ > 150o – bề mặt siêu kỵ nước

Hình 1.4. Mơ hình tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt rắn theo mơ
hình Wenzel (trái) và Cassie-Baxter (phải) [13]
5


Wenzel [15] căn cứ vào phương trình của Young đã thêm vào độ nhám
r, r biểu thị tỉ lệ diện tích bên ngồi (diện tích mặt phẳng) và diện tích thật của
bề mặt thực tế tại bề mặt tiếp xúc, tại thời điểm này, mối quan hệ giữa góc
tiếp xúc θ của giọt nước với bề mặt rắn và lực căng bề mặt như sau:
cosθr = r(γSL + γLV)/γSV = rcosθ
Từ đó có thể thấy, khi độ nhám tăng đến một mức độ nhất định, sự tiếp
xúc của các giọt nước trên bề mặt nhám là một góc tiếp xúc tổng hợp, các giọt
nước sẽ tiếp xúc với khơng khí bị mắc kẹt trên bề mặt rắn, như phương trình
Cassie [7] [8] (hình 1.4). Gọi f1, f2 lần lượt là phần diện tích chiếm chỗ của
vật rắn và khơng khí, θ1 là góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt nhẵn, θ2 là
góc tiếp xúc giữa giọt nước và khơng khí. Góc tiếp xúc tổng hợp thực tế θ’
được tính theo phương trình sau:
cosθ'= f1cosθ1 + f2cosθ2
Do góc tiếp xúc θ2 giữa giọt nước và khơng khí là 180o, f1 + f2 =1, nên
cơng thức này có thể được chuyển thành:
cosθ'= f1cosθ1 - f2 = f1cosθ1 - f1 - 1
Phương trình Wenzel và Cassie có thể được chuyển đổi với nhau dưới
những điều kiện nhất định. Khi thay đổi cấu trúc hình học bề mặt rắn, tăng độ
nhám của bề mặt rắn, trạng thái của các giọt nước trên bề mặt rắn sẽ được
chuyển đổi từ mơ hình của Wenzel sang phương trình Cassie [12]; sau khi bề
mặt rắn bị mài mòn cơ học như ma sát, cấu tạo thơ hoặc thành phần hố học
của bề mặt rắn sẽ bị phá huỷ, sẽ chuyển đổi từ phương trình Cassie sang

phương trình Wenzel [9] [14].

6


1.2.2. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis)
Trong nghiên cứu tính thấm ướt của bề mặt vật liệu, nếu chỉ dựa vào độ
lớn góc tiếp xúc tĩnh thì chưa đủ để đánh giá tổng thể mà cần xem xét đến
hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis).

Hình 1.5. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis)
Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc phản ánh khả năng lăn/trượt của giọt
nước trên bề mặt vật rắn. Để đánh giá hiện tượng này có thể thơng qua tính
tốn độ chênh lệch giữa góc tiếp xúc phía trước (θA) và góc tiếp xúc phía sau
(θB) của giọt nước. Độ chênh lệch càng nhỏ thể hiện góc tiếp xúc trễ nhỏ, giọt
nước dễ dàng lăn/trượt trên bề mặt vật rắn. Góc lăn/trượt là góc nghiêng của
bề mặt vật liệu so với mặt đất () khi giọt nước bắt đầu lăn/trượt. Giá trị của
góc này phản ánh độ lớn của góc tiếp xúc trễ, có thể sử dụng góc lăn/trượt để
thay thế cho việc đo góc tiếp xúc trễ. Có thể sử dụng độ lớn góc lăn/trượt để thay
thế mơ hình Wenzel và Cassie trong đánh giá tính thấm ướt của vật liệu. Trong
mơ hình của Wenzel, giọt nước dính vào bề mặt vật rắn, góc lăn/trượt lúc này khá
lớn. Nhưng trong mơ hình Cassie do diện tích tiếp xúc nhỏ, giọt nước dễ lăn/trượt,
góc lăn/trượt nhỏ, bề mặt siêu kỵ nước thường phù hợp với mơ hình của Cassie,
yêu cầu góc tiếp xúc lớn hơn 150o, góc lăn/trượt nhỏ hơn 10o.
1.3. Phương pháp tạo bề mặt kỵ nước cho giấy
Trong những năm gần đây, lấy ý tưởng từ “Hiệu ứng lá sen” (Hiệu ứng
lá sen là chỉ sự không thấm nước của bề mặt một số lá cây, điển hình là lá sen.
Nước bị lăn/trượt trên bề mặt của lá nhờ cấu trúc đặc biệt trên bề mặt), các tác
giả trong và ngoài nước cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu và thảo luận về
7



việc tạo ra giấy kỵ nước [3] [4] [1] [17] [5]. Các phương pháp đang được sử
dụng phổ biến gồm:
- Phương pháp Sol-gel
- Phương pháp thuỷ nhiệt
- Phương pháp tổ hợp từng lớp (Layer-by-layer assembly method)
- Phương pháp kết tủa thể khí (Lhemical vapor deposition)
- Phương pháp kết tủa thể lỏng (Chemical bath deposition)
- Kỹ thuật Plasma
- Phương pháp đồng trùng hợp ghép nhánh bề mặt (Graft copolymerization)
1.4. Đặc điểm của giấy
Giấy là vật liệu mỏng được làm từ chất xơ dày từ vài trăm µm, đến vài
mm thường có nguồn gốc từ thực vật, và được tạo thành các mạng lưới bởi
lục liên kết hidro khơng có chất kết dính. Thơng thường giấy được sử dụng
dưới dạng lớp mỏng nhưng cũng có thể dung để tạo hình các hình các vật lớn.
Loại giấy quan trọng nhất về văn hóa là giấy viết. Bên cạnh đó được sử dụng
làm vật liệu bao bì, trong nội thất như giấy dán tường, giấy về sinh hay trong
thủ cơng trang trí.
Giấy được sản xuất từ bột gỗ hoặc bột giấy như tre, nứa, bông, đay, gỗ
rừng trồng ( thông, bạch đàn, sồi, linh sam,..), giấy phế thải. Đó chính là
nguồn sơ sợi Cellulose trong thực vật, hay tất cả nguyên liệu có chứa
Cellulose. Ngồi bột giấy (Cellulose) trong giấy cịn có các phụ gia nhằm
tăng độ trắng, độ nhẵn, mịn, độ phản quang.
Một số tính chất căn bản của giấy:
Bất kỳ loại giấy, giấy bìa, giấy in, giấy dán tường nào cũng có các tính
chất căn bản là độ ẩm, định lượng, độ dày, mật độ, độ xếp chặt và thành phần
chất độn. Đó là những đặc điểm mơ tả rất quan trọng của giấy. Vì trao đổi
thương mại giấy đều dựa trên khối lượng, nên định lượng là mối quan hệ giữa
cân nặng của vật liệu với bề mặt của nó. Bên cạnh định lượng cịn có độ dày

8


và mật độ cũng là những chỉ tiêu quan trọng về bản chất của cấu trúc giấy.
Xác định độ ẩm của giấy chỉ đơn giản là cân mẫu giấy trước và sau khi sấy ở
nhiệt độ 105 ± 2°C, ISO 287. Cần duy trì thời gian sấy đủ mức cần thiết để
đạt được trọng lượng cố định. Độ ẩm được biểu diễn dưới dạng % của khối
lượng của mẫu ẩm. Định lượng là khối lượng trên một đơn vị diện tích của
giấy và giấy bìa, được biểu diễn thành g/m2. Việc xác định định lượng bao
gồm động tác cân một miếng giấy có diện tích biết trước, ISO 536. Miếng
giấy xét nghiệm có diện tích ít nhất là 500cm2, thường là 200 x250 mm, với
sai số cắt cho phép là ± 0.5 mm. Nói về độ dày của giấy, người ta thường
dùng đơn vị mm. Thiết bị sử dụng là máy đo độ dày của một tờ giấy hay
nhiều tờ giấy được ép với lực nén cho trước tạo bởi hai đĩa đặt song song. Lực
nén thường được ưa dùng là 100 kPa, ISO 534. Do bởi giá trị nhận được cho
một tờ giấy riêng lẻ phụ thuộc vào việc quá trình đo đã sử dụng một hay
nhiều tờ giấy nên cần phân biệt rõ sự khác biệt giữa hai giá trị này. Để đo độ
dày của một tờ riêng lẻ thì rõ rang là phải dùng một tờ riêng biệt, nhưng độ
dày xếp chặt là giá trị độ dày trung bình của một tờ đo được từ một xấp nhiều
tờ. Do có nhiều thay đổi và tính chịu nén của giấy, và tính khơng bất biến của
các tính chất bề mặt của giấy nên giá trị độ dày xếp chặt thường nhỏ hơn giá
trị độ dày của một tờ giấy riêng lẻ. Việc sử dụng giá trị độ dày theo những
trường hợp cụ thể thì phụ thuộc vào mục đích sử dụng kết quả. Độ dày tờ giấy
riêng lẻ thường có liên quan tới một hồn cảnh sử dụng thành phẩm, như công
tác in ấn chẳng hạn. Độ dày xếp chặt là độ dày cuối cùng của quyển sách
được làm từ tờ giấy ta đang xét. Mật độ biểu kiến là khối lượng trên một đơn
vị thể tích của giấy hay giấy bìa được tính theo tỷ số giữa định lượng và độ
dày, đơn vị tính là kg/mP3 P, đôi khi là g/cmP3 P. Theo ISO 534, mật độ còn
được gọi là mật độ xếp chặt biểu kiến dựa trên độ dày xếp chặt, hay là mật độ
biểu kiến dựa trên độ dày của tờ giấy riêng lẻ.


9


CHƯƠNG 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Công nghệ sản xuất giấy kỵ nước.
- Đặc tính kỵ nước của giấy khi xử lý với dung dịch nano ZnO.
2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu tổng quát:
Sử dụng hiệu quả nguồn giấy phế liệu, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi
trường
- Mục tiêu cụ thể:
Đánh giá được khả năng tạo màng ZnO kỵ nước cho giấy từ giấy phế
liệu. nhằm mục đích tạo vật liệu giấy khó thấm nước sử dụng trong bao gói
sản phẩm và vật liệu có khả năng phân tách dầu và nước.
2.1.3. Phạm vi nghiên cứu
(1) Nguyên liệu và vật tư sử dụng
- Ngun liệu: Giấy carton phế thải.
- Hóa chất:
Loại hố chất nguồn tạo dung dịch nano ZnO: Zinc acetate dehydrate
(Zn(CH3COOH)2.2H2O - ZnAc)
- Công thức pha dung dịch nano ZnO: 0,57g ZnO(NO3)2.6H2O ; 0,27g
C6 H12N4 và 40 ml nước tinh khiết khấy trong 30 phút.
(2) Phương pháp phủ ZnO cho giấy carton
10



Trong khn khổ của khóa luận tốt nghiệp, nghiên cứu chỉ dừng lại ở
các bước xử lý xơ sợi với dung dịch nano ZnO như sau:
- Xử lý thuỷ nhiệt để xử lý tạo ra lớp màng chứa ZnO trên bề mặt giấy.
(3) Chế độ xử lý giảm năng lượng bề mặt màng ZnO
Để làm giảm năng lượng bề mặt của màng ZnO và tạo ra tính kỵ nước
cho giấy, chuyên đề đã tiến hành ngâm mẫu giấy sau khi phủ dng dịch nano
ZnO bằng Stearic Acid trong điều kiện mơi trường phịng thí nghiệm Viện
Cơng nghiệp gỗ và Nội thất. Điều kiện xử lý thay đổi theo bảng sau:
Bảng 1.1. Chế độ xử lý Stearic Acid cho màng ZnO trên giấy carton
Chế độ

Nồng độ dung dịch Stearic Acid (%)

Thời gian ngâm (phút)

1

0,5-1,5-2,5

95

2

0,5-1,5-2,5

120

3

0,5-1,5-2,5


180

4

0,5-1,5-2,5

240

5

0,5-1,5-2,5

265

(4) Chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm
Căn cứ phạm vi và thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp cho phép,
tiến hành đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng sản phẩm sau:
- Phân tính cấu trúc hiển vi của màng nano ZnO bằng kính hiển vi điện
tử quét (SEM).
- Phân tích cấu trúc tinh thể của màng nano ZnO trên giấy bằng phổ
nhiễu xạ tia X (XRD).

11


- Tính kỵ nước của giấy: Đo góc tiếp xúc giọt nước và bề mặt phủ sau
khi xử lý.
- Khả năng tách pha dầu và nước
- Sơ bộ đánh giá tính chất cơ lý của giấy sau khi xử lý bề mặt

2.2. Nội dung nghiên cứu
Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu như trên, chuyên đề đã tiến hành
thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
(1) Tìm hiểu một số thông tin cơ bản về nguyên liệu giấy carton
(2) Phân tích cấu trúc hiển vi và cấu trúc tinh thể của màng nano ZnO trên bề
mặt giấy trước và sau khi xử lý bằng dung dịch nano ZnO và Stearic Acid
(3) Đánh giá mức độ ảnh hưởng của nồng độ Stearic Acid đến tính chất
kháng nước của giấy sau xử lý
(4) Sơ bộ đánh giá khả năng phân tách dầu nước của mẫu giấy sau xử lý
với dung dịch nano ZnO và Stearic acid
(5) Đánh giá tính chất cơ lý của giấy sau xử lý
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp kế thừa tài liệu:
Kế thừa các kết quả tài liệu có liên quan để tổng hợp các thơng tin về
nguồn nguyên liệu giấy phế liệu- bìa carton
2.3.2 Phương pháp tiêu chuẩn:
Sử dụng các tiêu chuẩn TCVN để xác định một só tính chất cơ lý của
mẫu giấy thí nghiệm
- Xác định định lượng: TCVN 1270 – 2000 (g/m2)
- Xác định độ bền kéo: TCVN 1862 – 2000 (m)
12


- Xác định độ bền xé: TCVN 3229 – 2000 (mN.m2/g)
- Xác định độ chịu bục TCVN 3228-1 – 2000 ( k.Pa.m2/g)
2.3.2 Phương pháp thực nghiệm
- Cách tiếp cận, phương án bố trí thí nghiệm
Trên cơ sở đặc điểm bề mặt kỵ nước trong tự nhiên và hiệu ứng lá sen
như trình bày trong phần tổng quan đã chỉ ra: Để có được bề mặt kỵ nước với
góc tiếp xúc lớn hơn 150o và góc lăn/trượt nhỏ hơn 10o, bề mặt vật liệu cần có

hai điều kiện cơ bản gồm: (1) Vật liệu trên bề mặt có năng lượng bề mặt thấp
và (2) Bề mặt vật liệu phải có cấu trúc thứ bậc (Hierarchical structure) ở cấp
độ nano/micro.
Với hai yêu cầu trên, như chúng ta đã biết giấy là nguyên liệu được làm
từ vật liệu hữu cơ, được cấu tạo trên cơ sở các tế bào thực vật, trong các thành
phần cấu tạo nên giấy có chứa nhiều nhóm ưa nước (như -OH) vì vậy bản
thân giấy là loại vật liệu ưa nước.
Để làm cho giấy từ vật liệu ưa nước trở thành vật liệu có bề mặt kỵ nước
có thể áp dụng công nghệ nano để đưa lên bề mặt giấy một hoặc nhiều lớp
cấu trúc thức bậc ở cấp độ nano, sau đó kết hợp với xử lý làm giảm năng
lượng bề mặt của lớp có cấu trúc nano này sẽ đạt được tính năng kỵ nước cho
giấy.
Với những luận cứ này, chuyên đề đã tiến hành nghiên cứu tạo bề mặt kỵ
nước cho giấy thông qua hai bước cơ bản sau:
Bước 1: Áp dụng công nghệ nano, tạo ra lớp phủ liên tục hợp chất Zinc
acetate dehydrate (Zn(CH3COOH)2.2H2O - ZnAc) có cấu trúc nano trên bề
mặt sợi giấy.
Bước 2: Sử dụng dung dịch Stearic acid để xử lý lớp phủ nano ZnO để
làm giảm năng lượng bề mặt lớp phủ nano ZnO.
13


Với hai bước xử lý này sẽ tạo ra được giấy có lớp phủ kỵ nước có đặc
tính cấu trúc bề mặt theo nguyên lý kỵ nước của các sinh vật trong tự nhiên.
- Phương pháp tạo mẫu thí nghiệm

(1) Phương pháp tạo lớp phủ nano ZnO trên sợi giấy/giấy
- Bước 1: Chuẩn bị 30g giấy carton: làm nhỏ kích thứơc giấy carton và
ngâm nước.
- Bước 2: Chuẩn bị dung dịch nano ZnO: Công thức pha dung dịch nano

ZnO: 0,57g ZnO(NO3)2.6H2O ; 0,27g C6 H12N4 và 40 ml nước tinh khiết
khuấy trong 30 phút.
- Bước 3: Vắt kiệt nước giấy đã làm nhỏ rồi cho vào dung dịch thủy
nhiệt, khuấy gia nhiệt ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 3h.
- Bước 4: Lọc lấy xơ sợi và dàn trải thành giấy mỏng định lượng khoảng
70g/m2 sau đó làm khơ ở nhiệt độ 600C (sấy trong khoảng 1,5h).
(2) Phương pháp xử lý giảm năng lượng bề mặt lớp phủ ZnO trên giấy
- Bước 1: Chuẩn bị mẫu gồm mẫu giấy không phủ và đã phủ nano ZnO.
- Bước 2: Ngâm mẫu ở Bước 1 vào dung dịch Stearic acid với nồng độ
và thời gian ngâm thay đổi như Bảng 2.2. Mỗi chế độ 5 mẫu.
- Bước 3: Sấy mẫu ở 60oC trong 3h.
- Phương pháp đo góc tiếp xúc
+ Kích thước mẫu: dày х 20 х 20 mm
+ Dung lượng mẫu: 3 mẫu/chế độ
+ Dụng cụ: xi lanh mini sao cho có thể tạo ra giọt nước khoảng 5µl
+ Kính hiển vi soi nổi gắn máy ảnh kỹ thuật số

14


+ 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.
- Phương pháp kiểm tra khả năng phân tách pha dầu và nước
+ Mẫu giấy: dày х 50 х 50 mm
+ Vật tư, dụng cụ: Dầu ăn, phễu lọc, bình tam giác, nước
+ Các bước tiến hành:
* Trộn dầu ăn với nước, cuộn giấy thành hình phễu lọc, đặt vào phễu lọc

* Rót hỗn hợp dầu và nước vào phếu lọc có giấy
* Kiểm tra tình trạng hỗn hợp dầu và nước.
- Phương pháp xác định cấu trúc bề mặt giấy sau khi phủ
+ Hình dạng cấu trúc màng nano ZnO được kiểm tra qua ảnh chụp từ
kính hiển vi điện tử (FE-SEM, S-4800).
+ Dạng tinh thể của màng nano ZnO được kiểm tra bằng máy nhiễu xạ
tia X (SIEMENS D5000 X-ray diffractometer), góc quét 2θ từ 10o đến 70o.
+ Sự tồn tại của nano ZnO trên bề mặt giấy được kiểm tra bằng kính hiển
vi điện tử quét (FE-SEM, S-4800) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).

15


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Thông tin cơ bản của nguyên liệu giấy carton
Giấy carton hay còn gọi là giấy bao bì hịm hộp đã qua sử dụng (OCCOld Corrugated containers) là một trong những nguồn cung cấp sơ xợi tái sinh
quan trọng. Loại nguyên liệu này có thể được thu mua trong nước hoặc nhập
khẩu từ nước ngoài.
Phương pháp chủ yếu sản xuất giấy carton là phương pháp cơ học
nghiền hóa nhiệt cơ hoặc phương pháp kiềm nóng (tùy thuộc vào nguyên liệu
đầu vào) vì vậy giấy carton có độ trắng thấp hơn các loại giấy in , giấy viết do
thành phần lignin hầu như không bị loại bỏ, tính chất cơ lý cũng có sự khác
biệt đáng kể so với các loại giấy khác
Giấy carton thường có cấu tạo ít nhất là 2 lớp, lớp đế và lớp mặt, nguyên liệu
và phương pháp sản xuất 2 lớp này cũng khác nhau tùy theo mục đích sử dụng.
Nghành công nghiệp giấy Việt Nam bao gồm nhiều doanh nghiệp sản
xuất, gia công và chế biến sản phẩm bột giấy và giấy, nhưng cơng suất nhỏ.
Các doanh nghiệp có cơng suất dưới 10.000 tấn/năm chiếm 81,73% số lượng
doanh nghiệp nhưng tổng cơng suất chỉ chiếm 21,26% tổng cơng suất tồn

nghành.Các doanh nghiệp có mơ hình cơng suất này đa phần thuộc nhóm sản
phẩm giấy làm bao bì (1). Số lượng các doanh nghiệp sản xuất nhóm sản xuất
nhóm giấy làm bao bì chiếm tỉ lệ lớn nhất 76,09% với tổng công suất chiếm tỉ lệ
62,54%, sản lượng 1.298.000 tấn/năm, số lượng daonh nghiệp là 226. Tỷ lệ các
dây chuyền thiết bị tương đối hiện đại chiếm 47,29% công suất giấy bao bì

16


Sự phát triển ngành cơng nghiệp giấy bao bì Việt Nam
2005
Dự báo nhu cầu và quy hoạch giấy ở
Việt Năm 2020
Mục tiêu của toàn ngành đến 2020

2010

2020

700.000 1.150.000

2.980.000

400.000

1.600.000

650.000

Theo mục tiêu quy hoạch này, sản lượng năm 2020 sẽ gấp 3,76 lần năm

2006, mỗi năm trung bình gia tăng khoảng 180.000 tấn, đáp ứng được 70%
nhu cầu tiêu dùng ( cao hơn so với 60÷65% hiện nay ). Sản lượng carton và
giấy bao bì cho đến năm 2020 sẽ đạt 1.600.000 tấn/ năm, chỉ chiếm khoảng
45÷47% tổng sản lượng giấy tồn ngành, nghĩa là chiếm một tỉ lệ thấp hơn
nhu cầu tiêu dùng ( nhu cầu này là 57- 58% với tổng khối lượng giấy tiêu
dùng). Mặt khác sản lượng này cũng chỉ đáp ứng được 54-58% nhu cầu tiêu
dùng giấy và carton, cao hơn không đáng kể so với hiện nay (53%) và thấp
hơn khả năng đáp ứng nhu cầu tiêu dùng chung (2).
(1)Báo cáo Quy hoạch phát triển ngành cơng nghiệp giấy Việt Nam đến
năm 2020, có xét đến năm 2025
(2)Quy hoạch điều chỉnh phát trển ngành giấy Việt Nam đến 2010 –
tầm nhìn 2020
3.2.Xử lý bề mặt xơ sợi bằng nano
Xơ sợi sau khi phân ly từ giấy carton, được xử lý với: Dung dịch nano
ZnO và Stearic Acid
- Cấu trúc hiển vi và thành phần nguyên tố của lớp phủ
Để giải thích hiện tượng kỵ nước cho mẫu giấy sau khi phủ nano ZnO và
xử lý bằng Stearic acid, nghiên cứu đã tiến hành phân tích cấu trúc hiển vi của
17


lớp phủ nano bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả được thể hiện
trong hình 1.6 :

(a) Mẫu chưa xử lý

(b) Mẫu đã xử lý với độ phóng đại ( x
1.00k)

(c) Mẫu đã xử lý với độ phóng đại ( x5.00k)


Hình 1.6 Hình ảnh cấu trúc bề mặt của giấy đối chứng và giấy phủ mặt
nano ZnO chế độ xử lý 01

Từ hình ảnh SEM của giấy khơng phủ và giấy phủ nano ZnO cho thấy
các đặc điểm sau:
Đối với giấy không phủ, trên bề mặt sợi không có nhiều vật chất tạo ra
độ nhám cho sợi. Tuy khi tạo ra giấy, các sợi này cũng tạo ra một dạng cấu
trúc phân tầng tuy nhiên kích thước của các phần tử ở cấp độ micro. Với đặc
18