Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangiumWilld)

Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangiumWilld). Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng công nghệ biến tính nhiệt trong môi trường không khí để xử lý nâng cao tính ổn định kích thước gỗ Keo tai tượng.

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng đồ gỗ càng cao, trong khi nguồn tài nguyên gỗ ngày một cạn kiệt Gỗ mọc nhanh rừng trồng đang được trồng rất nhiều ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam Tuy nhiên, chất lượng gỗ thấp, nhiều khuyết tật làm hạn chế phạm vi sử dụng Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng dùng làm nguyên liệu sản xuất sản phẩm mộc có giá trị cao là cấp thiết đặt ra Biến tính gỗ nói chung hay biến tính nhiệt nói riêng là một trong những hướng chủ đạo hiện

nay Vì vậy, chúng tôi thực hiện luận án: “Nghiên cứu công nghệ biến tính

nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)”

và hoàn toàn có thể đáp ứng được mục tiêu bảo vệ môi trường

Những đóng góp mới của luận án

(1) Về công nghệ: Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống về ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt độ cao trong môi trường không khí áp suất thường đối với gỗ Keo tai tượng

(2) Về cơ sở lý luận: Đã áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để nghiên cứu sự thay đổi về kết cấu hóa học của gỗ nhằm giải thích hiện tượng biến đổi tính chất của gỗ do quá trình xử lý nhiệt độ cao gây nên

PHẦN I

MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu về khoa học: Góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong công

nghệ xử lý gỗ bằng nhiệt độ cao, làm cơ sở cho việc xác định thông số công nghệ xử lý nhiệt độ cao cho gỗ Keo tai tượng

- Mục tiêu cụ thể: Xác định được thông số công nghệ hợp lý để xử

lý gỗ Keo tai tượng bằng nhiệt độ cao trong môi trường không khí áp suất

2thường; Xác định ảnh hưởng của xử lý nhiệt độ cao đến cấu trúc hóa học của

gỗ Keo tai tượng

1.2 Đối tượng nghiên cứu

- Tổng quát: Công nghệ xử lý gỗ gỗ Keo tai tượng bằng nhiệt độ cao

- Đối tượng nghiên cứu cụ thể:

+ Cấu tạo, cấu trúc hóa học và tính chất gỗ keo tai tượng

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về cấu tạo và cấu trúc hóa học của gỗ Keo tai tượng

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về tính chất của gỗ Keo tai tượng + Cơ chế biến tính nhiệt độ cao đối với gỗ Keo tai tượng

+ Thông số công nghệ chủ yếu khi xử lí gỗ Keo tai tượng ở nhiệt độ cao

+ Các yếu tố thay đổi: Hai yếu tố thay đổi là nhiệt độ và thời gian

và được tiến hành nghiên cứu với kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố và kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố với các cấp nhiệt độ và thời gian khác nhau

1.3 Nội dung nghiên cứu

1.3.1 Xác định cấu tạo, cấu trúc hóa học và tính chất gỗ Keo tai tượng 1.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về cấu tạo

và cấu trúc hóa học của gỗ Keo tai tượng

1.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về tính chất của gỗ Keo tai tượng

1.3.4 Nghiên cứu xác định cơ chế biến tính gỗ Keo tai tượng bằng phương pháp biến tính nhiệt độ cao;

1.3.5 Nghiên cứu xác định một số thông số công nghệ chủ yếu khi

xử lí gỗ Keo tai tượng ở nhiệt độ cao

1.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Luận án chỉ nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian biến tính đến các chỉ tiêu chất lượng (vật lý, cơ học) gỗ keo tai tượng

1.5 Địa điểm nghiên cứu: Tại Tỉnh Hà Giang, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam

1.6 Phương pháp nghiên cứu

1.6.2.1 Nghiên cứu tính chất vật lý, hoá học, tính chất cơ học

Chọn rừng, chọn cây, cắt khúc, lấy mẫu và xác định tính chất cơ, vật

lý của gỗ theo các tiêu chuẩn từ TCVN 355-70 đến TCVN 370-70)

1.6.2.2 Nghiên cứu biến tính gỗ Keo tai tượng

Phương pháp thực nghiệm gồm: kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố

và kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố

* Thực nghiệm đơn yếu tố:

+ Nghiên cứu quy luật biến đổi tính chất theo nhiệt độ xử lý sẽ chọn thời gian xử lý là 6 giờ, và nhiệt độ thay đổi theo các cấp T (oC): 170; 180; 190; 200; 210

+ Nghiên cứu quy luật biến đổi tính chất theo thời gian xử lý sẽ chọn thời nhiệt độ xử lý là 190 oC, và thời gian xử lý thay đổi theo các cấp t (giờ): 2; 4; 6; 8; 10

* Kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố

Mục đích là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến chất lượng gỗ Keo tai tượng Các mức thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các mức và bước thay đổi các thông số thí nghiệm

Các mức thí nghiệm Yếu tố ảnh

Khoảng biến thiên

Thời gian duy trì

PHẦN II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

2.1 Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích gỗ

Ba thành phần chính tạo nên vách tế bào là Cellulose, Hemicellulose

và Lignin xảy ra phản ứng nhiệt giải, tạo ra các phân tử có kích thước nhỏ

4hơn có khả năng bay hơi như: nước, acetic acid, methanol, fucfuranđehyt… những chất này bị bay hơi trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến khối lượng vật chất trong vách tế bào gỗ suy giảm nghiêm trọng, từ đó làm thay đổi trọng lượng gỗ, và làm giảm khối lượng thể tích gỗ

2.2 Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ

Trong cấu trúc vách tế bào, một bộ phận nhóm –OH trong phân tử Cellulose ở vùng vô định hình hình thành liên kết hydro và bộ phận còn lại tồn tại trong trạng thái tự do Nhóm –OH tự do là nhóm chức cực tính, dễ kết hợp với phân tử nước tạo ra liên kết hydro, đây là nguyên nhân chính tạo ra tính hút

ẩm của phân tử Cellulose Hiện tượng co rút, dãn nở phát sinh khi gỗ trong trạng thái chưa bão hòa, nguyên nhân chính là do nhóm –OH tự do của cellulose trong vùng vô định hình hút ẩm và tạo ra liên kết hydro Sau khi phân tử nước vào trong vách tế bào sẽ làm cho khoảng cách giữa các mixel cellulose tăng lên, lúc này gỗ ở trong trạng thái dãn nở, làm cho kích thước của gỗ không ổn định Theo nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng hút ẩm của Hemicellulose là lớn nhất, sau đó đến Lignin và cuối cùng là Cellulose

2.3 Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ

Trong gỗ, Hemicellulose có tác dụng kết dính, tạo ra khả năng chịu cắt của gỗ, sự phá hoại của gỗ do ngoại lực tác dụng chủ yếu do mixel cellulose

và các chất điền đầy (Hemicellulose và Lignin) bị cắt đứt hoặc bẻ gãy tạo ra Sau khi xử lý nhiệt polisaccarit bị tổn thất, nhưng chủ yếu là Hemicellulose, vì Hemicellulose có tính nhạy cảm với nhiệt cao hơn cellulose nhưng tính bền nhiệt lại kém Sự thay đổi và tổn thất của Hemicellulose không những làm giảm tính dẻo dai của gỗ mà còn làm cho khả năng chịu uốn, độ cứng và tính chịu mài mòn của gỗ giảm xuống Theo nghiên cứu, sự phân giải của Hemicellulose khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao

Khi gỗ chịu tác dụng của nhiệt độ, đầu tiên Hemicelluloses phát sinh phản ứng nhiệt giải và phản ứng tách nhóm acetyl, tạo thành acetic acid, methanol và các chất bay hơi khác, khi nhiệt độ tăng lên, phản ứng nhiệt giải Hemicelluloses càng trở nên kịch liệt tiếp tục tạo thành các đường đơn, do phản ứng nhiệt giải đã làm giảm hàm lượng Hemicelluloses trong gỗ

Nhiệt độ cao làm giảm lượng nước trong vùng vô định hình gây ra sự phân giải của cellulose trong vùng vô định hình và phản ứng tái tổ hợp, từ đó làm tăng độ kết tinh của gỗ Nhiệt độ cao làm Hemicelluloses phân giải thành các vật chất đều có tính hút nước kém hơn so với Hemicelluloses gốc, ngoài ra cùng với hàm lượng nhóm –OH giảm xuống đã làm cho tính hút ẩm

và hút nước của gỗ giảm rõ rệt, kết quả đã làm giảm độ ẩm thăng bằng của

gỗ, làm tăng tính ổn định kích thước gỗ nhưng đồng thời đã làm cho cường

độ chịu lực của gỗ cũng giảm xuống

Trong vách tế bào cellulose là vật chất tương đối ổn định, cellulose xảy ra phản ứng nhiệt giải ở nhiệt độ trong khoảng 300-375oC Khi phản ứng nhiệt giải xảy ra, bộ phận liên kết C-O trong phân tử đường của cellulose bị cắt đứt, đặc biệt là trong môi trường nước và môi trường acid, sản phẩm đặc trưng là levoglucosan xuất hiện ở 300oC, khi ở nhiệt độ khoảng 250oC chỉ xuất hiện một lượng nhỏ Quá trình nhiệt giải của cellulose như Hình 2.6

Do cellulose và Hemixcelluloses đan xen nhau, khi Hemicelluloses phân giải tạo ra môi trường acid đã làm ảnh hưởng nhất định đến tính ổn định của cellulose Ngoài ra, khi gỗ chịu tác động của nhiệt độ đã sản sinh ra rất nhiều vật chất có tính acid như: acetic acid và formic acid đã làm cho sự phân giải của gỗ càng mãnh liệt hơn

Lignin và polysacarit kết hợp với nhau tạo thành vách tế bào gỗ, Lignin có tác dụng như chất điền đầy và tạo độ cứng trong gỗ Giữa các tế bào trong gỗ hay giữa các sợi gỗ liên kết với nhau dưới hình thức liên kết tầng Tầng gian bào trong

gỗ chủ yếu do Lignin hình thành Từ các phân tích ở trên có thể thấy, xử lý gỗ trong phạm vi nhiệt độ 120-230oC, do sự thay đổi các thành phần cấu tạo gỗ đã dẫn đến tính chất vật lý, cơ học, khả năng chống vi sinh vật cũng như độ bền và tính chất công nghệ của gỗ có sự thay đổi đáng kể

PHẦN III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Kết quả thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố

3.1.1 Ảnh hưởngđến biến đổi độ tổn hao kích thước

+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tổn hao kích thước: y

3.1.2 Ảnh hưởng đến độ tổn hao khối lượng

Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

6+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tổn hao khối lượng: y

3.1.3 Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước

Hệ số chống trương nở là tỉ lệ giảm của tỉ lệ trương nở thể tích gỗ sau

xử lý so với gỗ trước khi xử lý [58] Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

+ Phương trình tương quan giữa thời gian và hệ số chống trương nở: y

= -0,23x2 + 4,70x + 9,61 R² = 0,98

+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và hệ số chống trương nở: y

= 0,0145x2 - 4,81x + 418,58 R² = 0,97

Qua kết quả có thể thấy, hệ số chống trương nở của gỗ Keo tai tượng

đã qua xử lý nhiệt tăng lên khi tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý

3.1.4 Ảnh hướng đến hiệu suất chống hút nước

Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau: + Phương trình tương quan giữa thời gian và hiệu suất chống hút nước: y = 0,008x2 + 0,21x + 11,95 R² = 0,97

+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và hiệu suất chống hút nước:

y = -0,003x2 + 1,43x - 147,99 R² = 0,97

Mẫu xử lý với nhiệt độ cao và thời gian dài thì khả năng hút nước của

gỗ giảm xuống rõ rệt Nguyên nhân là do khả năng hút nước của gỗ phụ thuộc vào cấu tạo và các thành phần trong gỗ Gỗ có thể bị loại bỏ một số chất chiết suất, hoặc Hemicellulose trong gỗ bị phân giải dưới tác dụng nhiệt độ cao, thời gian xử lý dài, dẫn đến làm giảm số lượng nhóm hydroxyl (-OH) có trong gỗ, làm giảm khả năng hút nước vào gỗ

3.1.5 Ảnh hưởng đến cường độ nén dọc thớ

Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

7+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tăng cường độ nén dọc thớ: y = 0,017x2 + 0,77x + 8,39 R² = 0,95

+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ tăng cường độ nén dọc thớ: y = 0,0044x2 - 1,29x + 102,2R² = 0,99

Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ nén dọc của gỗ đã qua xử lý nhiệt cao hơn so với gỗ đối chứng

3.1.6 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh

Độ bền uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng sau khi xử lý nhiệt giảm đi so với gỗ đối chứng Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm độ bền uốn tĩnh:

y = -0,09x2 + 2,02x + 2,70 R² = 0,96

+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền uốn tĩnh:

y = 0,009x2 - 2,89x + 236,01 R² = 0,97

Mẫu gỗ sau khi xử lý có độ bền uốn tĩnh nhỏ hơn so với mẫu chưa xử

lý, hơn nữa khi tăng nhiệt độ và kéo dài thời gian xử lý nhiệt thì độ bền uốn tĩnh giảm xuống Độ giảm độ bền uốn tĩnh có thể lên tới trên 20%

3.1.7 Quy luật biến độ mô đun đàn hồi

+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh: y = -0,06x2 + 1,04x + 4,07 R² = 0,89

+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh: y = 0,0035x2 - 1,06x + 82,93 R² = 0,95

3.1.8 Quy luật biến đổi khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt

Gỗ sau khi xử lý nhiệt có độ bền kéo trượt màng keo thấp hơn so với mẫu gỗ đối chứng, và cường độ này giảm xuống khi kéo dài thời gian và tăng nhiệt độ xử lý Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm độ bền kéo trượt màng keo: y = -0,09x2 + 1,69x + 9,96R² = 0,96

+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền kéo trượt màng keo: y = 0,0041x2- 1,06x + 69,83R² = 0,97

3.2 Kết quả thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố

3.2.1 Ảnh hưởng đến tổn hao khối lượng

Áp dụng phương pháp thống kê mô tả tính được các trị số trung bình giữa các lần thí nghiệm và dung lượng mẫu đã chọn (10 mẫu/thí nghiệm với 3 lần lặp, tổng cộng 30 mẫu cho một chỉ tiêu) thu được kết quả như biểu đồ hình 3.17

180, 4h

180, 8h

190, 2h

190, 6h

190, 10h

200, 4h

200, 8h

210, 6h

Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với

độ tổn hao khối lượng (ML – mass loss):

ML =126,06–1,47T + 0,0044T2 – 0,85t + 0,0065Tt – 0,0035t2

Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tổn hao khối lượng thể hiện trong hình 3.18

R² = 0.948

4 6 8 10 12 14

Hình 3.18 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị

hồi quy của độ tổn hao khối lượng

Dữ liệu trong Hình 3.18 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy

có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x

3.2.2 Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước

Kết quả phân tích thống kê độ tổn hao kích thước của mẫu gỗ sau khi

xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.19

180, 4h

180, 8h

190, 2h

190, 6h

190, 10h

200, 4h

200, 8h

210, 6h

Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với

độ tổn hao kích thước (DL – dimension loss):

DL =30,81– 0,349T + 0,001T2 – 0,436t + 0,0027Tt + 0,0049t2

Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tổn hao kích thước thể hiện trong hình 3.20

R² = 0.9641

0.5 1 1.5 2 2.5 3

Hình 3.20 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị

hồi quy của độ tổn hao kích thước

Dữ liệu trong Hình 3.20 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy

có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x

3.2.3 Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước

Kết quả phân tích thống kê hệ số chống trương nở của mẫu gỗ sau khi

xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.21

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

170, 6h 180,4h 180,8h 190,2h 190,6h 190,10h 200,4h 200,8h 210,6h

11Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hệ số chống trương nở thể hiện trong hình 3.22

R² = 0.9808

10 15 20 25 30 35 40 45

Hình 3.22 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị

hồi quy của hệ số chống trương nở

Dữ liệu trong Hình 3.22 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy

có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x

3.2.4 Quy luật biến đổi hiệu suất chống hút nước

Kết quả quá trình hút nước của gỗ Keo tai tượng đối chứng và mẫu gỗ

xử lý nhiệt được thể hiện trên Hình 3.23

0 20 40 60 80 100

Hình 3.23 Độ hút nước của gỗ Keo tai tượng trước và sau xử lý

theo thời gian ngâm nước

Qua kết quả có thể thấy thấy, độ hút nước của gỗ Keo tai tượng chưa

xử lý và mẫu gỗ đã xử lý có sự khác biệt rõ rệt Kết quả thí nghiệm xác định

12tính hút nước của gỗ Keo tai tượng cho thấy, mẫu xử lý với nhiệt độ cao và thời gian dài thì khả năng hút nước của gỗ giảm xuống rõ rệt

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

Hình 3.25 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị

hồi quy của hiệu suất chống hút nước

Dữ liệu trong Hình 4.25 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy

có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x

3.2.5 Quy luật biến đổi độ bền nén dọc thớ

Kết quả phân tích thống kê độ tăng cường độ nén dọc thớ của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.26

0 5 10 15 20 25

170, 6h 180,4h 180,8h 190,2h 190,6h 190,10h 200,4h 200,8h 210,6h

Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với

độ tăng cường độ nén dọc thớ (ICS – increase of compressive strength): ICS = 86,959 – 1,098T + 0,0035T2 - 4,66t + 0,032Tt – 0,028t2

Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tăng cường độ nén dọc thớ gỗ thể hiện trong hình 3.27

R² = 0.9568

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Hình 3.27 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị

hồi quy của tỉ lệ tăng cường độ nén dọc

170, 6h

180, 4h

180, 8h

190, 2h

190, 6h

190, 10h

200, 4h

200, 8h

210, 6h

R² = 0.9984

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

3.2.7 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MOE)

Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.30

0 2 4 6 8 10

12

14

16

170, 6h

180, 4h

180, 8h

190, 2h

190, 6h

190, 10h

200, 4h

200, 8h

210, 6h

Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với

độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh (DMOE – decrease of MOE):

DMOE =291,18–3,35T+0,0097T2+0,105t- 0,0025Tt + 0,057t2

Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh thể hiện trong hình 3.31