Công nghệ xẻ mộc - Chương 7 pps

Đốt cháy gỗ có thể phân thành 4 dạng hình thái: Cháy tự nhiên, cháy có ngọn, cháy có khói và cháy độ cao 1 Cháy tự nhiên: Gỗ trong tình trạng không có tác dụng của nguồn lửa bên ngoài d

Ch ươ ng 7 Vật liệu trang sức gỗ

Gỗ là loại vật liệu cơ bản trong kiến trúc, nó có thể dùng làm cột kèo xà nhà cũng có thể làm cửa, sàn Tuỳ theo trình độ khoa học kỹ thuật ngày một phát triển, mà tài nguyên gỗ ngày càng khan hiếm, người ta đã mở ra nhiều sản phẩm trang sức gỗ kiểu mới nhằm nâng cao tỷ lệ lợi dụng gỗ Như vậy vừa thoả mãn yêu cầu sử dụng gỗ của con người mà lại vừa tiết kiệm được gỗ

Đ1 Gỗ

I Đặc tính và chủng loại gỗ

1 Đặc tính

Gỗ là loại vật liệu hữu cơ cao phân tử tự nhiên, nhẹ, cường độ cao, đàn hồi

và mềm dẻo tốt, có vân thớ và màu sắc đẹp, dễ dàng nhuộm màu và trang sức vecny Gỗ có tính năng nhiệt, dễ gia công, kết cấu đơn giản và hợp lý Nó có thể

lượng khác

Khi đốt cháy g , các ch t vô c s bi n th nh tro H m lỗ ấ ơ ẽ ế à à ượng tro trong

g t 0.3ỗ ừ ÷1%, ph thu c v o v trí trong cây v gi m d n theo tu i cây Troụ ộ à ị à ả ầ ổ

l h p ch t c a các nguyên t K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, , Th nh ph n troà ợ ấ ủ ố à ầcó: ph n tan trong nầ ước 10÷25% (ch y u l cácbonnat natri v kali); ph nủ ế à à ầ không tan trong nước 75÷90% (ch y u l cacbonnat canxi, photphoric silixicủ ế à

v m t s lo i mu i c a các kim lo i khác).à ộ ố ạ ố ủ ạ

1.2 M t s tính ch t c a các th nh ph n trong g ộ ố ấ ủ à ầ ỗ

Các th nh ph n ch y u trong g g m cellulose, hemicellulose v lignin à ầ ủ ế ỗ ồ à

1.2.1 Cellulose

Theo nhi u tác gi cellulose l m t ch t h u c cao phân t thiên nhiênề ả à ộ ấ ữ ơ ử

có công th c (Cứ 6H10O5)n Phân t cellulose l s liên k t c a các phân t D-ử à ự ế ủ ửglucose, chu i cellulose ch a t 200 ỗ ứ ừ ÷ 3000 phân t monome liên k t v i nhauử ế ớ

v trí 1 - 4 t o nên s i c b n C u t o phân t cellulose c mô t nh

hình I.1

m i m t xích c a phân t cellulose có ba nhóm hydroxyl (OH) v

trí 2, 3, 6 (trong ó có m t nhóm b c nh t v hai nhóm b c hai).đ ộ ậ ấ à ậ

Trong quá trình tạo thành các dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai trò quan trọng

0H

H

H

0HH

Hình I.1 Phân t cellulose ử

đứt và ở chỗ của những liên kết ấy, các phân tử của tác nhân bị đẩy, và trong cấu tạo xốp của gỗ các chất tác nhân có thể phân tán tự do và có điều kiện tác động lên nhóm hydroxyl (OH) của phân tử cellulose.

Các kiểu hợp chất cộng của cellulose có thể chia thành bốn nhóm cơ bản là alkali cellulose (cellulose kiềm), cellulose acid, amino cellulose và cellulose muối

Những phản ứng thế tạo ra các este cellulose được trình bày như ở các phần dưới đây:

Acetat cellulose

Acetyl hoá cellulose thường được tạo ra bằng cách xử lý cellulose bằng anhydride acetic với sự có mặt của các acid sunfuric và acetic Quá trình axetyl hoá được mô tả bằng các phương trình dưới đây:

Sự phân giải cellulose

Phản ứng thuỷ phân: Trong quá trình thuỷ phân cellulose, mối liên kết acetal (β - glucosit) bị đứt dưới tác dụng của acid theo hình I.2

Theo một số nhà khoa học thì sự tác động tương hỗ giữa các phần tử cellulose qua mối liên kết cầu hydro xuất hiện thông qua các nhóm hydroxyl

Hình I.2 Quá trình phân giải cellulose

của các phân tử cellulose, mô hình liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose như hình vẽ I.3.

Quá trình trương của cellulose

Cellulose là chất cao phân tử có cực, như vậy dung môi gây trương hay hoà tan cellulose cũng phải là dung môi có cực Thực chất quá trình trương cellulose

là quá trình tác nhân gây trương xâm nhập vào, bứt phá các liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau, khi đó làm cho khoảng cách các cellulose tăng lên, liên kết của chúng (liên kết vandecvan) yếu đi, các phân tử cellulose dễ

bị xê dịch và trở nên lỏng lẻo hơn, đồng thời khi liên kết cầu hydro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của phân tử cellulose trong gỗ

Hiện tượng trương của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hoá học của gỗ thay đổi Quá trình trương cellulose trong nước là trường hợp điển hình, bản chất quá trình trương cellulose trong nước được mô tả như hình I.4

1.2.2 Lignin

Sau Cellulose, Lignin là thành phần thứ hai tạo nên vách tế bào gỗ, vai trò lignin được xem như chất liên kết, bao bọc giữa các tế bào Lignin tập trung vào vùng không gian giữa các tế bào Cấu tạo hoá học của lignin rất phức tạp Cho

OO

H

OHOH

O

O

OH

OH

OHO

Hình I.3 Liên k t c u hydro gi a các phân t cellulose ế ầ ữ ử

đến nay cũng chưa có nhà khoa học nào nghiên cứu nào khẳng định một cách chắc chắn và chính xác về cấu tạo hoá học của lignin.

C u t o v tính ch t v t lý c a lignin: ấ ạ à ấ ậ ủ

Lignin l m t t p h p các ch t h u c có s bi n à ộ ậ ợ ấ ữ ơ ự ế động l n v c u t o,ớ ề ấ ạ

th nh ph n hoá h c, do v y phân t là ầ ọ ậ ử ượng có lignin s bi n ự ế động Dưới tác

ng c a nhi t cao, lignin b m m hoá

Lignin cũng có tính chất trương và hoà tan trong những dung môi thích hợp như dung dịch kiềm

Lignin là một cao phân tử gồm các đơn vị phenylpropan Các nhóm chức

cơ bản trong lignin gồm nhóm metoxyl (OCH3), nhóm hydroxyl (OH) Các đơn phân tử trong lignin liên kết với nhau bằng những liên kết ete và liên kết C - C, tạo ra cấu trúc mạng phức tạp

Liên kết C - C rất bền vững đối với xử lý hoá học và là yếu tố cơ bản ngăn cản sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong những xử lý hydro hoá, phân giải bằng etanol

OH

OH

OHO

H

OOH

H

HOH

H

H

Hình I.4 Quá trình tr ươ ng cellulose trong n ướ c

Trong đó: (a) Cellulose với liên kết cầu hydro; (b) - sự trương của cellulose

trong nước

Khả năng phản ứng hoá học của lignin

Sunphit hoá lignin: Dưới tác dụng của bisulphit và acid sunphurơ tự do ở

nhiệt độ 135 - 1400C chuyển hoá thành acid licnosulphuric hoà tan lignin, trong

đó xảy ra hai quá trình: Đưa nhóm sulphua ưa nước và sự đứt mạch do thuỷ phân của các mối liên kết nhạy cảm với acid Cơ chế phản ứng hạ bậc phân tử lignin như hình I.5

Phân giải do Alcol: Lignin trong gỗ không bị tan trong quá trình phân giải

do rượu ở nhiệt độ thấp Nhưng ở nhiệt độ cao, một bộ phận lớn của lignin bị hoà tan, đặc biệt trong điều liện có dung môi thích hợp, khi đó xảy ra sự đứt mạch của các phân tử lignin bởi các ion của dung môi, tiếp sau là phản ứng ôxy hoá rượu xảy ra nhanh, sự đứt mạch làm cho lignin chuyển thành các đơn phân tử

Dưới tác dụng của acid, halogen, kiềm trong điều kiện nhất định thì lignin

bị chuyển hoá trở nên có thể tan được đó là do có sự đứt mạch, phân đoạn các phân tử lignin

Hình 4.5 Ph n ng h b c lignin ả ứ ạ ậ

C ng nh cellulose, hemicellulose l nh ng ch t polysaccharides c u t oũ ư à ữ ấ ấ ạ nên vách t b o, nh ng so v i cellulose thì hemicellulose kém n nh hoáế à ư ớ ổ đị

h c h n, d b phân gi i khi nhi t ọ ơ ễ ị ả ở ệ độ cao

Hemicellulose g m có pentosan (Cồ 5H8O4)n v hexosan (Cà 6H10O5)n Pentosan có th dùng dung d ch xút loãng (n ng ể ị ồ độ 4 ÷ 5%) trích ly t g ra ừ ỗCác acid vô c l m cho pentosan thu phân bi n th nh ơ à ỷ ế à đường theo

phương trình:

(C5H8O4)n + n H2O →n C5H10O5 (đường pentose) Hexosan g n gi ng v i cellulose, ch khác nhau ch y u l d b thuầ ố ớ ỗ ủ ế à ễ ị ỷ phân bi n th nh ế à đường theo phương trình:

(C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6 (đường hexose)

H m là ượng pentosan v hexosan trong các lo i g có khác nhau, cây láà ạ ỗ ở

r ng lộ ượng pentosan nhi u (19ề ÷23%) v hexosan (3à ÷6%), g lá kim t lở ỗ ỷ ệ pentosan v hexosan x p x nhau (10à ấ ỷ ÷12%) Nói chung hemicellulose d bễ ị thu phân dỷ ưới tác d ng c a acid.ụ ủ

Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn acid uronic, đó là acid của các loại đường có công thức CHO(CHOH)COOH Khi thủy phân, các nhóm cacboxyl của acid bị phân giải thành CO2

Hemicellulose chứa các nhóm acetyl và metoxyl, các nhóm này cũng bị phân giải khi thủy phân, như vậy quá trình thủy phân hemicellulose dẫn tới sự phân giải các hợp tử của hemicellulose để tạo ra các sản phẩm trung gian của polysaccharides, các chất này không tan trong nước, làm cho khả năng hút nước

và trương nở của gỗ giảm đi

Khoảng không gian giữa chúng và phía giữa các mạch cellulose tạo thành khoảng mao dẫn lớp thứ hai Đường kính mao dẫn khoảng 5 - 6µm Tổng thể tích khoảng mao dẫn biểu thị qua độ xốp (%) Công thức biểu diễn tính độ xốp như sau:

% 100 ) 1

Trong đó: ρ0 – khối lượng thể tích gỗ khô tuyệt đối (g/cm3);

ρgB – khối lượng thể tích của các chất trong gỗ (g/cm3), ρgB = 1.53g/cm3

Về vấn đề liên kết giữa các thành phần trong gỗ, nhiều nhà khoa học cho rằng:

Liên kết hoá học giữa các thành phần trong gỗ là những liên kết yếu Giữa các thành phần tạo nên gỗ luôn có liên kết vật lý (lực vandecvan), liên kết này cũng là những liên kết yếu Liên kết giữa các sợi gỗ sẽ yếu đi và các sợi gỗ trở nên lỏng lẻo, dễ bị xê dịch lẫn nhau khi liên kết cầu hydro giữa chúng bị cắt đứt hoặc khoảng cách giữa các phân tử tăng lên do tác động nào đó Cơ tính, lý tính của gỗ sẽ thay đổi khi liên kết hoặc cấu trúc các thành phần gỗ thay đổi

Liên kết giữa lignin và cellulose 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 cellulose trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định Liên kết lignin và cellulose 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 nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử cellulose, hemi cellulose, lignin và liên kết giữa các thành phần đó

Để cải thiện tính chất hút nước và giãn nở của gỗ, ta cần có những tác động vào nhóm hydroxyl, để thay đổi tính chất cơ học ta cần tác động làm thay đổi độ polime, khoảng cách giữa các phân tử

Thân cây gỗ lá rộng phần thẳng tương đối ngắn, tỷ lệ thành khí tương đối thấp, chất gỗ rắn chắc, gia công tương đối khó khăn, dung tích trọng của gỗ lá rộng lớn, cường độ cao, biến dạng cong vênh co rút lớn, dễ nứt, vân thớ đẹp, thường dùng làm vật liệu trang trí nội thất và đồ mộc Gỗ cây lá rộng thường thấy là Shuiquliu, Jumu, Yumu.

II Cấu tạo gỗ

Cấu tạo gỗ là nhân tố chủ yếu quyết định tính chất của nó, nghiên cứu cấu tạo thường phân thành: cấu tạo thô đại và cấu tạo hiển vi

Cấu tạo thô đại của gỗ là chỉ những tổ chức của nó bằng mắt thường hoặc kính lúp có thể quan sát được như hình 7.1 đã chỉ Từ 3 mặt cắt (mặt cắt ngang, mặt cắt tiếp tuyền, mặt cắt xuyên tâm) ta thấy: Thân gỗ được tổ thành do vỏ cây,

gỗ và tuỷ Vỏ cây và tuỷ lợi dụng không cao Trong các công trình chủ yếu là lợi dụng phần gỗ, từ mặt cắt ngang ta thấy có những vòng tròn đồng tâm có độ đậm nhạt giống nhau, đó chính là vòng năm, trong cùng một vòng năm gỗ được sinh trưởng trong mùa xuân gọi là gỗ sớm, màu sắc của phần gỗ này nhạt màu, chất

gỗ tương đối mềm, phần gỗ sinh trưởng trong mùa thu và mùa hạ được gọi là gỗ muộn, màu sắc tương đối đậm, chất gỗ tương đối mịn, khi cùng một loại cây tính chất của vòng năm đều đặn, mịn là tương đối tốt Phần gỗ muộn nhiều thì cường độ của gỗ tương đối cao

Từ tuỷ tâm có những đường phóng ra xung quanh gọi là tia tuỷ Tia tuỷ với các phần xung quanh liên kết không chặt chẽ, khi gỗ khô thường bị nứt theo các vết này Từ hình 7.1 ta còn thấy vân thớ của gỗ không chỉ có liên quan tới cấu tạo thô của bản thân nó là còn có quan hệ đối với phương chiều cắt gọt trong khi gia công

Hình 7.1 Cấu tạo thô đại của gỗ

Trong đó: 1- Mặt cắt ngang; 2- mặt cắt xuyên tâm; 3- mặt cắt tiếp tuyến; 4 – vỏ

cây; 5- phần gỗ; 6 – tuỷ tâm; 7 – vòng năm; 8 – tia tuỷ

Cấu tạo hiển vi của gỗ là chỉ tổ chức của gỗ chỉ được quan sát dưới kính hiển vi Gỗ là do vô số các tế bào có dạng ống tổ thành, sự sắp xếp của các tế này đại bộ phận theo chiều dọc, một số ít sắp xếp theo chiều ngang Mỗi một tế bào này lại do vách tế bào và khoang bào tổ thành Vách tế bào càng dày, khoang tế bào càng nhỏ thì kết cấu của nó càng mịn và rắn chắc Cường độ chịu tải lớn, tỷ lệ co rút và giãn nở càng lớn Độ dày vách tế bào gỗ muộn dày vách tế bào gỗ sớm mỏng.

III Tính năng vật lý và cơ học của gỗ

1 Độ ẩm

Độ ẩm của gỗ là chỉ tỷ số % của lượng nước ở trong gỗ với lượng gỗ khô Nước trong gỗ có nước tự do, nước hấp phụ và nước kết hợp Nước tự do là chỉ lượng nước chứa trong khoang bào và trong khe giữa các tế bào, nước hấp phụ

là chỉ lượng nước nằm giữa các sợi cellulose của vách tế bào, còn nước kết hợp

là sự kết hợp hoá học trong gỗ Nước tự do và nước hấp phụ trong điều kiện nhiệt độ môi trường là có sự thay đổi, ảnh hưởng đến tính chất của gỗ, nước kết hợp ở điều kiện nhiệt độ thường là không có sự thay đổi, không làm thay đổi tính chất gỗ

Trong gỗ không có nước tự do, mà nước hấp phụ lại bão hoà, lúc này độ

ẩm của nó được gọi là điểm bão hoà thớ gỗ, nó chính là điểm ranh giới phát sinh

sự thay đổi tính chất cơ lý của gỗ, thường từ 25÷35% Nước trong gỗ có sự thay đổi tuỳ theo sự thay đổi của độ ẩm, nhiệt độ môi trường, khi gỗ ở trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ nhất định trong một thời gian, thì độ ẩm gỗ sẽ đạt đến cân bằng với môi trường, lúc này độ ẩm gọi là độ ẩm thăng bằng Nó chính

là căn cứ quan trọng để tiến hành xử lý sấy gỗ

2 Tính giãn nở và co rút của gỗ

Khi độ ẩm gỗ cao hơn điểm bão hoà thớ gỗ, tuy độ ẩm có tăng nhưng thể tích không tăng Khi độ ẩm gỗ dưới điểm bão hoà, nếu độ ẩm tăng thì thể tích

cũng tăng, độ ẩm giảm thì thể tích cũng giảm Do vậy điểm bão hoà thớ gỗ là ranh giới của gỗ phát sinh giãn nở do ẩm và co rút do khô.

Gỗ là vật liệu không đồng tính, các phương chiều khác nhau co rút khác nhau Sự co rút giãn nở còn phụ thuộc vào loại cây Tính co giãn sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến sử dụng và sản xuất Thông thường sử dụng phương pháp sấy khô gỗ trước khi gia công, làm cho gỗ có độ ẩm thăng bằng tương ứng của môi trường

3 Cường độ của gỗ

Cường độ gỗ bao gồm kháng kéo, nén, uốn và kháng cắt, vì gỗ là vật liệu không đồng tính mà phân thành cường độ ngang và dọc Cường độ kéo dọc, nén dọc, uốn dọc tương đối lớn Cường độ chống cắt ngang thớ tương đối cao Khi cường độ kháng nén của gỗ là 1, thì về lý thuyết đã chỉ ra các cường độ khác có quan hệ như bảng 7.1

Bảng 7.1: Quan hệ lý thuyết độ lớn nhỏ các cường độ

1 ∼ 2 ∼ 3

3

1 20

IV Phòng cháy mục gỗ

Gỗ là vật liệu hữu cơ tự nhiên, dễ cháy, trong trang sức gỗ cần phải được

xử lý chống cháy làm cho nó trở thành vật liệu khó cháy đạt được yêu cầu chống cháy quy định

Xử lý chống cháy cho gỗ, có phương pháp bôi quét bề mặt, có phương pháp ngâm tẩm Phương pháp quét là dùng chất phủ chống cháy (như A60-1 biến tính, YZL-858 và A6014-A) bôi quét lên bề mặt gỗ Phương pháp ngâm tẩm đó là làm cho thuốc chống cháy thấm vào trong gỗ ở điều kiện thường áp hay cao áp, mà đạt được mục đích chống cháy.

Gỗ trong điều kiện nhất định, chịu tải động của một số khuẩn và côn trùng phá hoại, đó chính là gỗ bị mục mọt Vì để tránh cho gỗ bị phá hoại côn trùng và nấm mốc, mà thường dùng biện pháp sơn quét lên bề mặt gỗ hoặc đem chất bảo quản xử lý ngâm tẩm nhằm đạt được tác dụng chống mục

Gỗ là vật liệu quan trọng trong đời sống dân sinh cũng như trong kiến thiết của nhà nước Gỗ được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quốc phòng, tàu thuyền, giao thông, dệt, xây dựng nhà cửa kiến trúc, cầu, đường sắt, hầm mỏ, bến cảng,

âm nhạc, đồ mộc,… Gỗ hay gỗ nhân tạo đều là các hợp chất hữu cơ được tổ thành bởi cacbon, hydro, oxy, chúng đều có khả năng cháy Nếu đem mức độ nguy hiểm bắt lửa của các loại vật chất phân thành 5 cấp A, B, D, E, G thì gỗ thuộc cấp D, nó là hợp chất hữu cơ có thể cháy có tính nguy hiểm gây cháy Còn cấp A và B là các chất nguy hiểm có nguy cơ tương đối lớn gây cháy Cấp E và

G là khó cháy và không cháy

Vật liệu dùng trong kiến trúc thông thường chia làm 3 loại: Có thể cháy, khó cháy và không cháy, gỗ thuộc vật liệu có thể cháy

Tính chịu lửa của công trình kiến trúc phân thành 3 cấp, chịu lửa của cấp 1, thời hạn là 1.5giờ, cấp 2 là 1.0giờ, cấp 3 là 0.5giờ Nhà gỗ tường gạch thuộc về cấp 3 của công trình kiến trúc chịu lửa

Nói gỗ có thể cháy, cũng chính là nó có thể dẫn đến hoả hoạn hoặc làm cho ngọn lửa bùng phát mở rộng Theo báo cáo tại Mỹ có 21% vụ hoả hoạn là do dẫn đến từ nguồn celluloze, giấy, gỗ, đại bộ phận hoả hoạn là nhà ở, trong đó 70% là nhà kết cấu gỗ Theo báo cáo của sở phòng hoả Đông Kinh, Nhật Bản thì

trong các vụ cháy cửa hàng ăn năm 1982 thì số lượng người chết và bị thương

có quan hệ trực tiếp đến sự cháy của đồ mộc và gỗ

(a) Đốt cháy gỗ: Cháy là phản ứng hoá học chỉ vật bị oxy hoá giải phóng

nhiệt năng đồng thời có khói hoặc ngọn lửa, cuối cùng biến thành vật chất khác Đồng thời với quá trình này kéo theo sự biến đổi về vật chất và sự biến đổi về vật chất và sự chuyển hoá năng lượng

Đốt cháy gỗ có thể phân thành 4 dạng hình thái: Cháy tự nhiên, cháy có ngọn, cháy có khói và cháy độ cao

(1) Cháy tự nhiên: Gỗ trong tình trạng không có tác dụng của nguồn lửa

bên ngoài do chịu nhiệt hoặc do phản ứng phát nhiệt của bản thân đồng thời tích trữ mà dẫn đến sự cháy

Phản ứng phát nhiệt tự nhiên của gỗ chủ yếu là các chất chích của rượu dưới tác dụng oxy hoá, sự gia nhiệt lâu dài ở nhiệt độ thấp, lignin đóng vai trò rất lớn trong tác dụng này

(2) Cháy có ngọn lửa: Tiến hành phát quang của gỗ là một bước quan

trọng trong quá trình nhiệt phân gỗ Khi vật chất nhiệt giải thứ cấp hỗn hợp với không khí để hình thành hỗn hợp khí dễ cháy nếu bị dẫn lửa và cháy giải phóng một lượng nhiệt lớn đồng thời phát ra ánh sáng, nhiệt lượng phát ra với sự cháy

có ngọn đều lớn hơn so với cháy có khói và cháy đổ, chiếm khoảng trên 2/3 tổng nhiệt lượng của gỗ giá trị vào khoảng 12.5 MJ/kg

Bốn yếu tố để duy trì sự cháy có ngọn là: Vật dễ cháy, nhiệt độ nhiệt giải,

O2 và phản ứng chuỗi của quá trình cháy

Vật chất để du trì quá trình cháy này là cellulose đặc biệt là chất hữu cơ thu được của quá trình nhiệt giải chiếm đến 70 - 90% và dầu gỗ

(3) Cháy có khói: Khi gỗ cháy trong tình trạng không phát ra ánh sáng

mà thông thường lại có khói do sự cháy thoát ra

(4) Cháy nhiệt độ cao: Gỗ ở trạng thái thể rắn mà có sự cháy lại không

có lửa, khói, do đó còn được gọi là sự cháy không có lửa khói Sự cháy này phát

sinh sau khi có sự cháy có ngọn, có ánh sáng, nhưng thông thường không có không có khói và không có ngọn (khi O2 cháy thì có khói màu trắng) Vật chất

để duy trì sự cháy này chủ yếu là lignin, còn có tàn dư than của cellulose Sự cháy này cần phải có 3 yếu tố: Vật có thể cháy, nhiệt độ nhiệt giải và O2

Tốc độ cháy của loại cháy này chậm chạp, sự giải phóng nhiệt của nó cũng ít hơn so với cháy có ngọn

Gỗ là loại dễ cháy cho than hoa, dựa vào sự cháy có ngọn có thể làm than hoá bề mặt của vật liệu tại đây đã sinh ra hiện tượng cháy, do đó gọi là cháy đốt

bề mặt

Sự khác nhau giữa cháy độ cao và cháy có khói là: Loại trước là phản ứng oxy hoá của lượng than tàn dư trong điều kiện có đủ oxy cung cấp, nó không thành ngọn lửa và khói, còn loại sau là tất cả các thành phần của gỗ đều sinh ra khói mà chưa kịp cháy Sự đốt cháy của than gỗ chính là sự cháy độ cao

(b) Thuật ngữ chuyên môn của sự cháy gỗ

(1) Cháy om: Trong điều kiện thí nghiệm, quy định sau khi chấm dứt cháy

có ngọn hoặc nguồn cháy có ngọn được cách ly thì vật liệu vẫn duy trì sự cháy không có ngọn

(2) Thời gian cháy om: Trong điều kiên thí nghiệm quy định khi cháy có

ngọn kết thúc hoặc nguồn cháy có ngọn được cách ly thời gian của sự cháy tiếp tục được duy trì của vật liệu, còn được gọi là kỳ cháy om

(3) Ngọn lửa: Là khu vực cháy tưởng khí phát quang

(4) Lửa sáng: Ngọn lửa trong quá trình duy trì từ sau khi xuất hiện.

(5) Bắt lửa: Dùng hoặc không dùng nguồn nhiệt bên ngoài mà làm cho gỗ

bị cháy

(6) Đốt lửa: Làm cho tác dụng cháy bắt đầu cũng gọi là đốt hoặc châm

ngòi cho quá trình cháy

(7) Nhiệt độ dẫn cháy: Trong điều kiện thí nghiệm quy định nhiệt độ làm

cho gỗ bắt đầu duy trì sự cháy cũng còn gọi là nhiệt độ bắt lửa

(8) Chỉ số O 2 giới hạn: Trong điều khí thí nghiệm quy định là lượng nồng

độ oxy thấp nhất trong hỗn hợp O2, N2 vừa đủ để duy trì trạng thái cháy, biểu diễn bằng số % cũng được gọi là chỉ số O2

(9) Dung dịch chống cháy: Dung dịch chống cháy là dung dịch hoá chất

dùng để cải thiện sự chống cháy của vật liệu

(10) Xử lý chống cháy: Xử lý chống cháy là quá trình hoá học nhằm cải

thiện sự chống cháy của vật liệu

Phương pháp xử lý chống cháy gỗ thông thường phân thành 2 loại:

1 Phương pháp xử lý bề mặt

Phương pháp xử lý bề mặt là dùng dung dịch chậm cháy hoặc các vật liệu chậm cháy được bôi quét lên bề mặt gỗ, hoặc lấy các vật liệu chống cháy liên kết dán dính lên bề mặt gỗ Phương pháp xử lý bề mặt chủ yếu dùng để xử lý thành phẩm của gỗ Chất phủ chậm cháy là bản thân nó không cháy, dưới tác dụng lâu dài của ngọn lửa không bị phá hoại dẫn nhiệt kém, đó là một số hoá chất phối hợp để chế tạo thành Gỗ hoặc các sản phẩm gỗ sau khi được xoa quét lên bề mặt một lớp chống cháy làm cho cách ly khỏi nguồn nhiệt phòng ngừa sự tiếp xúc với oxy và sự phân giải của gỗ thành chất khí nhằm giàm bớt tính cháy của gỗ

Phương pháp xử lý bề mặt đơn giản, kinh tế và cũng có thể xử lý một mặt,

đó là những ưu điểm của nó, nhưng còn phải khống chế lượng hoá chất chống cháy nghiêm khắc Có như vậy mới đạt được hiệu quả chống cháy đã định Mặt khác gỗ được xử lý bằng phương pháp này lớp mặt dễ bị mài mòn ảnh hưởng đến hiệu quả chống cháy

2 Phương pháp ngâm tẩm hoá học

Phương pháp ngâm tẩm hoá học là đem chất chống cháy bơm thấm vào bên trong gỗ hoặc tác dụng phản ứng với thành phần gỗ Phương pháp này chủ yếu để xử lý gỗ xẻ, gỗ hộp và gỗ ván Mà tác dụng chống cháy chủ yếu được thể hiện ở việc làm chậm nâng cao nhiệt độ của gỗ khi bắt lửa giảm bớt tốc độ lây

lan của ngọn lửa Phương pháp ngâm tẩm hoá học được phân thành: Phương pháp áp lực và thường áp

a) Phương pháp ngâm thường

Phương pháp ngâm thường áp lực được phân thành phương pháp ngâm và phương pháp nóng lạnh

(1) Phương pháp ngâm

Phương pháp ngâm là dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ trong phòng, hoặc

có gia nhiệt Đem gỗ ngâm vào dung dịch chống cháy có nồng độ thấp làm cho

gỗ làm cho gỗ thấm hút chất chống cháy Thời gian quyết định bởi lượng chất chống cháy cần phải thấm vào và tính chất của gỗ để quyết định

Phương pháp ngâm để chống cháy cho gỗ đơn giản, giá thành hạ, thích hợp với ván mỏng hoặc các loại gỗ có tính thấm tốt, phương pháp ngâm tẩm thường

áp cũng có thể tiến hành làm đi làm lại nhiều lần hoặc phun quét để thay thế

(2) Phương pháp ngâm tẩm nóng lạnh

Phương pháp ngâm tẩm nóng lạnh được phát minh năm 1967 do Seeleif C.A người Mỹ Do hiệu quả của nó tương đối tốt nên đến nay vẫn còn được sử dụng Phương pháp này là phương pháp xử lý có hiệu quả nhất trong phương pháp xử lý thường áp

Nguyên lý của phương pháp này là đem gỗ đặt vào dung dịch chống cháy được gia nhiệt ở điều kiện thường áp trong nhiều giờ tuỳ thuộc sự tăng cao nhiệt

độ bên trong gỗ mà lượng không khí bên trong gỗ giãn nở, từ đó mà áp lực khí trong lòng gỗ cao hơn áp lực bên ngoài, lúc này nhanh chóng đem gỗ xử lý nhúng vào dung dịch chất chống cháy nguội, do sự lạnh đột ngột không khí trong gỗ bị co lại, trong lòng gỗ xuất hiện chân không cục bộ, dựa vào sự chênh lệch áp suất giữa bên trong gỗ và dung dịch chống cháy mà dung dịch chống cháy bị thấm hút vào bên trong

3 Chất chống cháy gỗ

a Điều kiện cơ bản của dung dịch chống cháy gỗ

Dung dịch chống cháy lý tưởng cần có những điều kiện dưới đây.

[1] Vừa có khả năng ngăn ngừa cháy lại có thể ức chế cháy có ngọn

[2] Bản thân chất chống cháy không độc, không ô nhiễm mà nhiệt phân trong quá trình cháy sinh ít khói, độ độc thấp, không có tính kích thích

[3] Nó phải không ăn mòn đối với gỗ cũng như các chi tiết liên kết gỗ, không có ảnh hưởng xấu khi tái gia công đối với gỗ đã xử lý

[4] Không làm giảm bớt tính cơ lý của gỗ được xử lý, đặc biệt là tính hút nước và cường độ của nó

[5] Chất chống cháy tan trong nước phải có độ hoà tan cao Nếu dung dịch thuốc không thể trựch tiếp được ứng dụng thì có thể pha chế dễ dàng

[6] Không độc hại với người, sử dụng tiện lợi, giá rẻ

[7] Chất chống cháy không được là nguồn trợ giúp cho sự phá hoại của nấm mốc

Riêng một loại chất chống cháy nào đó khó mà đạt được tất cả các yêu cầu nói trên, cho nên dung dịch chống cháy thông thường do một chất làm chủ, chất trợ giúp chất điều chỉnh độ nhớt, chất làm ẩm, phòng mục, phòng mối, thông qua những chất này mà phối hợp thành, từ đó phát huy được hiệu quả của các loại kể trên

b Thành phần dung dịch chống cháy gỗ

+ Dung dịch chống cháy chủ đạo

Nó là thành phần chủ yếu có tác dụng chống cháy trong đơn, nó phải

chiếm 20-30% tổng lượng Trước mắt trong nước và nước ngoài vẫn lấy chất vô

cơ làm chính

(1) Dung dịch chống cháy lấy gốc photpho-nitơ (P-N)

Chất chống cháy photpho-nitơ còn gọi là họ chống cháy P-N Nó bao gồm các loại muối photpho trùng hợp và muối amonium Họ nhà chất chống cháy này gồm 3 loại nguyên tố là photpho, Nitơ và oxy Trong đó photpho, nitơ có tác dụng chống cháy, do 2 loại nguyên tố photpho và nitơ trong dung dịch chống

cháy gỗ đóng vai trò tích cực làm cho tính chất cơ bản chống cháy được nâng cao, do đó mà nó là họ chống cháy có hiệu quả tốt nhất Trong muối photpho thì hiệu quả chống cháy tốt nhất là (NH)2HPO4 Họ P-N trong quá trình nhiệt phân phân giải thành một lượng lớn thể tích không khí như Amoniac và hơi nước, từ

đó mà làm giảm nồng độ của các chất khí dễ cháy do gỗ phân giải ra, vì vậy nó

có tác dụng kéo dài sự bắt lửa, làm chậm quá trình cháy, bản thân nó còn có tác dụng tụ hợp để sinh thành acid Acid photpho là một loại xúc tác phân giải nước rất mạnh mà giưới điều kiện nhiệt độ cao rất ổn định, khó bay hơi, ở trong nhiệt

độ cao đến 8600C nó vẫn ở trạng thái lỏng, nó có đặc tính của một acid mạnh, tính phản ứng cao Acid photpho tụ hợp có thể làm cho các chất khác (chủ yếu là cellulose và hemycellulose trong gỗ) bị mất nước mà than hoá, từ đó làm thay đổi nhiệt phân gỗ dễ trở thành các chất khí dễ bay hơi và dễ cháy mà kết quả là nhanh chóng bị than hoá bề mặt gỗ Mà hệ số dẫn nhuệt của lớp than hoá chỉ vào khoảng 1/3-1/4 của gỗ, tốc độ truyền nhiệt cũng được giảm đi rõ rệt, sự sản sinh các chất khí dễ cháy bị chậm lại hay ngừng hẳn, như vậy nó đã ức chế được sự phân giải nhiệt ở lớp trong Ngoài ra các chất tụ hợp còn có thể hình thành một lớp chất lỏng như thuỷ tinh chịu nhiệt độ cao bao bọc lên bề mặt, đóng vai trò cách ly nguồn nhiệt và cách ly nguồn không khí của môi trường xung quanh Dưới đây đưa ra một số phản ứng cụ thể như sau:

(HPO3)x + nhiệtTrong đó: (HPO3)x chính là axit photphoric tụ hợp

+

Cell - OH

Cell - O

H

H Cellulose

Cell+ + H+

H

+

Sắp xếp lại

Hemicell

+

+ H2O

(ion)

Phân tử

(ion) + than

Trong đó H+ lấy từ acid photpho tụ hợp

Ion cacbon dương mất đi H+ để trở về trạng thái bình thường Tiếp tục tác dụng, cuối cùng làm cho celllulo, Hemicelllulo nhiệt phân phân giải thành than.P-N Hệ dung dịch chống cháy cho gỗ này mà phản ứng của nó là phản ứng toả nhiệt Do đó không có lợi cho việc chống cháy Ngoài ra muối của acid photphoric và hỗn hợp của nó có tính tan trong nước cao khi sử dụng ngoài trời

dễ bị rửa trôi, khi sử dụng ở trong nhà lại dễ hút ẩm sinh ra ẩm ướt, nhớp nháp

Từ những năm 70 đã phát triển một loại hệ P-N tụ hợp mới, dung dịch chống cháy tụ hợp Amoni photphat gọi tát là APP, công thức phân tử là (NH4)n+2PnO3n+1 là loại bột màu trắng, thành phần hữu hiệu P2O5 chiếm trên 65%, hàm lượng N trên 12% Độ tụ hợp của APP thông thường thấp hơn 60, độ tan trong nước chỉ có 0.1%-6%, nhưng trong hợp chất ure(như ure) độ tan trong nước của nó tăng lên rất nhiều Cơ chế chống cháy của APP cũng tương tự như P-N, nhưng do tính tan trong nước nhỏ nên nó có tính chống rửa trôi, làm cho bề mặt xử lý sạch sẽ, không có hiện nhớp nháp Ngoài ra trong một phạm vi nhiệt

độ nào đó phản ứng của APP là phản ứng thu nhiệt độ của gỗ, giảm bớt tác dụng phân giải nhiệt

Lưu yến Cát và cộng sự đã lấy acid photphoric và Amoniac làm thành phần chính để tụ hợp nhiệt chế thành 3 loại dung dịch chống cháy: Ngâm tẩm gỗ thông với điều kiện áp suất không khí, lượng thấm thuốc phân biệt là 32,30,25

kg muối khô/m3gỗ, gỗ được xử lý chống cháy có thể đạt khó cháy cấp I JISD

1201-77 và chống cháy cấp I JISD1322-75 Chống uốn của gỗ xử lý theo chiều dọc thớ đã giảm đi 6,25%-8,25%, việc làm rỉ sắt đối với tính tương tự như các gỗ khác, gỗ

xử lý có thể được dùng trong nội thất

(2) Dung dịch chống cháy cho Bo

Dung dịch chống cháy cho Bo là loại hình chống cháy giãn nở khi, khi gặp nhiệt sinh ra hơi nước, bản thân trương nở hình thành lớp bao bọc có tác dụng cách nhiệt và ngăn cách với không khí, từ đó đạt được mục đích chống cháy Dung dịch trong họ chống cháy Brom bao gồm H3BO3, Na2B4O7.10H2O v…v.Lấy H3BO3 làm ví dụ, acid Boric là hợp chất có điểm sôi thấp khi chịu nhiệt trên 700C sẽ bị mất nước, khi nhiệt độ đến 140-1600C sinh thành một dạng acid mới, nhiệt độ tiếp tục tăng thì chính acid này bị mất nước để trở thành B2O3,

B2O3 sẽ bị mềm hoá tạo thành màng như thuỷ tinh phủ kín bề mặt gỗ đang cháy,

nó có tác dụng tách nhiệt Các phương trình phản ứng như sau:

H3BO3 → HBO2 + H2O4HBO2 → H2B4O7 + H2O

H2B4O7 → 2B2O3 + H2O

H3BO3 có thể làm giảm bớt cháy không ngọn và cháy có khói, nhưng có tác dụng thúc đẩy ngọn lửa, mà Na2B4O7 lại có thể ức chế sự lan truyền cháy trên bề mặt, do đó 2 loại này thường được kết hợp sử dụng, tỷ lệ sử dụng Na2B4O7 :

H3BO3 = 1:1 Đặc điểm của nó là tan rất mạnh trong nước, đồng thời có thể điều chỉnh độ pH dẫn đến trung tính, từ đó làm giảm tính ăn mòn kim loại

Chất chống cháy gỗ hàn the - acid Boric có ưu điểm là rẻ, có tính chống mục, sát trùng, độ độc ít, ảnh hưởng ít đến cường độ gỗ

(3) Chất chống cháy họ Halogen: Trong họ Halogen có Clo, Flo, Brom,

Iot Flo hoạt động mạnh, hình thành hợp chất Flo hoá ổn định, chống cháy kém, nguyên tố Iot hình thành các hợp chất kém ổn định, ở nhiệt độ thường khó phân giải mà giá thành lại đắt Do đó nhóm chống cháy Halogen chủ yếu là hợp chất

vô cơ Clo và Brom và hợp chất hữu cơ cũng của 2 nguyên tố này

Nhóm chống chấy Halogen là loại chống cháy tự tắt mà cơ chế chống cháy

có thể được phân thành:

[1] Cơ chế che phủ vật lý

Nhóm chống cháy Halogen khi gặp nhiệt sẽ bị phân giải giải phóng ra khí

"Hydro Halogen" (HX), HX là chất khí khó cháy nó không chỉ lấy oxy trong không khí mà quan trọng hơn là tỷ trọng của nó lớn hơn không khí, trong khu vực có đám cháy gỗ nó thay thế không khí để hình thành một lớp che đậy bảo vệ làm cho tốc độ cháy của gỗ chậm lại hay bị dập tắt HBr và HCl, có tỷ trọng là 1:2.2 nếu theo cơ chế này giải thích thì khả năng chống cháy của Brom sẽ lớn gấp 2.2 lần đối với Clo, điều này đã được thực tiễn chứng minh

[2] Nhóm dung d ch ch ng cháy h Halogen có th có ph n ng gi a cácị ố ọ ể ả ứ ữ

g c ion trong quá trình ang cháy g ố đ ỗ

(4) Chất chống cháy cao phân tử có Amoniac

Dung dịch chống cháy cao phân tử gốc Amoniac gồm có nhựa melamin, nhựa cianit, ure - formaldehyde, phenol formaldehyde, nhựa gốc Amoniac có rất nhiều chủng loại, căn cứ vào thành phần tổ thành, tỷ lệ pha chế, các điều kiện phản ứng mà chế thành dùng để xử lý gỗ khi ngâm tẩm và ván nhân tạo khi polyme hoá

Cơ chế chống cháy của nó là: ở điều kiện 150-1800C phát sinh bong bóng đóng vai trò cách ly nguồn nhiệt, đồng thời ở nhiệt độ cao giải phóng nitơ thu hút oxy ở vùng lân cận

Thường dùng chất chống cháy gồm có: Ure - Cianua, Amoniac – formol - Acid photphoric(UDFP) và melamine - Cianua amoniac – Formol - Acid photphoric(MDFP) đều là dưới dạng nhựa

+ Chất trợ giúp chống cháy

(1) Tác dụng trợ giúp chất chống cháy gỗ

Hiện nay các chất chống cháy cho gỗ đa số đều hàm chứa photpho, Nitơ,

Bo, Nhôm và Halogen Khi gỗ cháy nitơ hay Amoniac có thể thu hút các chất dễ cháy làm ngăn cản sự lan toả của ngọn lửa photpho thì hình thành acid photphoric thúc đẩy sự thoát nước của gỗ đồng thời hình thành lớp than cách nhiệt, Bo thu nhiệt nóng chảy để hình thành B2O3 dạng thuỷ tinh tạo màng mỏng