Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy nhiệt đến chất lượng gỗ bạch đàn (eucalyptus urophylla s t, blake)

Theo đánh giá kết quả của tác giả thì gỗ x lý nhiệt của cả hai quy trình trên đều có tính chất cơ học giảm, nâng cao được tính ổn định kích thước, đặc biệt là giảm độ ẩm thăng bằng của g

NGUYỄN VĂN DIỄN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT

ĐẾN CHẤT LƯỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T Blake)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN

H Nội – 2016

NGUYỄN VĂN DIỄN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT

ĐẾN CHẤT LƯỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T Blake)

Chuyên ng nh: Kỹ thuật Chế biến Lâm sản

Mã số: 62 54 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN

Người hướng dẫn khoa học: 1 GS.TS Phạm Văn Chương

2 PGS.TS Lê Xuân Phương

H Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ sản xuất và chế biến mang tên “Nghiên cứu

ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng của gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake)”, mã số 62 54 03 01 Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực

và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ về lời cam

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành luận án, đầu tiên cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

tới GS.TS Phạm Văn Chương, PGS.TS Lê Xuân Phương đã tận tình giúp đỡ và

hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và Phát

triển nông thôn đã giúp đỡ tôi về cơ sở pháp lý để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu Trường Đại học Lâm

nghiệp, tập thể cán bộ giáo viên Khoa Chế biến Lâm sản (nay là Viện Công nghiệp gỗ),

Trung tâm Thí nghiệm và Phát triển Công nghệ, Phòng đào tạo Sau đại học, Thư viện,

các Phòng chức năng thuộc Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ tôi về cơ sở vật

chất, trang thiết bị thí nghiệm và công sức để tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ giấy, xenlulo - Viện Kỹ thuật

hóa học của Trường Đại học Bách khoa - Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc

gia vật liệu và linh kiện điện t - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,

Phòng thí nghiệm của Viện vệ sinh dịch t Trung Ương đã tạo mọi điều kiện thuận lợi

giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp của

tôi, những người cùng công tác đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện, môi trường làm

việc tốt nhất để tôi thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin g i lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã

dành cho tôi những lời động viên, khích lệ giúp tôi hoàn thành luận án này./

Hà Nội, ngày 18 tháng 3 năm 2016

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Diễn

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi

Danh mục các hình vẽ vii

Danh mục các bảng x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Khái niệm về biến tính gỗ và x lý thủy - nhiệt 3

1.1.1 Khái niệm biến tính gỗ 3

1.1.2 Khái niệm x lý thuỷ - nhiệt 4

2.2 Tổng quan nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt 6

2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6

2.2.1.1 Các phương pháp x lý nhiệt hiện nay 6

2.2.1.2 Các công trình nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt 11

2.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 16

1.3 Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp biến tính gỗ và phân tích đánh giá công nghệ về x lý nhiệt 20

1.3.1 Ưu nhược điểm của các phương pháp biến tính gỗ 20

1.3.2 Phân tích, đánh giá công nghệ về x lý nhiệt 22

1.4 Định hướng s dụng sản phẩm x lý nhiệt 24

1.5 Nhận xét kết quả và định hướng nghiên cứu của luận án 25

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu tổng quát 28

2.1.2 Đối tượng nghiên cứu cụ thể 28

2.2 Phạm vi nghiên cứu 28

2.2.1 Các yếu tố cố định 28

2.2.2 Các yếu tố thay đổi 29

2.3 Mục tiêu của luận án 29

2.3.1 Mục tiêu lý thuyết 29

2.3.2 Mục tiêu thực ti n 30

2.4 Nội dung nghiên cứu 30

2.5 Phương pháp nghiên cứu 31

2.5.1 Phương pháp kế thừa 31

2.5.2 Phương pháp thực nghiệm 31

2.5.3 Phương pháp đánh giá chất lượng và s dụng tiêu chuẩn kiểm tra 36

2.6 Ý nghĩa của Luận án 46

2.6.1 Ý nghĩa khoa học 46

2.6.2 Ý nghĩa thực ti n 47

2.7 Những đóng góp mới của Luận án 47

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 48

3.1 Cơ sở khoa học của x lý gỗ 48

3.2 Lý thuyết về x lý thủy - nhiệt 51

3.3 Cơ chế biến đổi tính chất gỗ trong x lý thuỷ- nhiệt 53

3.3.1 Quá trình biến đổi của gỗ trong x lý thủy - nhiệt 53

3.3.2 Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích gỗ 54

3.3.3 Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ 55

3.3.4 Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ 56

3.3.5 Tính thấm ướt và khả năng dán dính 60

3.3.6 Màu sắc bề mặt 61

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 61

3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ x lý đến chất lượng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 62

3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian x lý đến chất lượng gỗ x lý thuỷ - nhiệt 63

3.4.3 Ảnh hưởng của một số yếu tố khác đến chất lượng gỗ x lý thuỷ - nhiệt63 3.5 Giới thiệu chung về cây gỗ Bạch đàn 65

3.5.1 Nguồn gốc và phân bố 65

3.5.2 Đặc điểm, cấu tạo của gỗ Bạch đàn 65

3.5.3 Tính chất của gỗ Bạch đàn 66

3.5.4 Công dụng của gỗ Bạch đàn 67

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 68

4.1 Địa điểm, thông số đầu vào nguyên liệu 68

4.2 Quá trình thực nghiệm x lý thủy nhiệt gỗ Bạch đàn 68

4.2.1 Sơ đồ thực nghiệm công nghệ x lý thủy - nhiệt 68

4.2.2 X lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn 68

4.3 Thiết bị x lý thủy nhiệt và dụng cụ thí nghiệm 70

4.4 Quá trình lấy mẫu và kiểm tra 71

4.4.1 Phương pháp lấy mẫu thí nghiệm 71

4.4.2 Kiểm tra mẫu thí nghiệm 72

4.5 Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu 79

4.5.1 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến khối lượng thể tích gỗ Bạch đàn 79

4.5.2 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Hệ số chống trương nở ASE gỗ Bạch đàn 82

4.5.3 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến hiệu suất chống hút nước (WRE) gỗ Bạch đàn 85

4.5.4 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn 88

4.5.5 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền nén dọc thớ gỗ Bạch đàn 91

4.5.6 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm và tiếp tuyến gỗ Bạch đàn 94

4.5.7 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn 99

4.5.8 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền kéo trượt màng keo và Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn 102

4.5.9 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn 110

4.5.9.1 Sự thay đổi màu sắc của gỗ Bạch đàn trước và sau khi x lý thủy -

nhiệt 110

4.5.9.2 Biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy - nhiệt 113

4.5.10 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu tạo gỗ Bạch đàn 115

4.5.11 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến thành phần hoá học cơ bản gỗ Bạch đàn 118

4.5.12 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích bằng FTIR 123

4.5.12.1 Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR)123 4.5.12.2 Cấu trúc hoá học của gỗ Bạch đàn phân tích bằng FTIR 126

4.5.13 Ảnh hưởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn bằng phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) 129

4.5.13.1 Khái niệm về phổ nhi u xạ tia X (XRD) 129

4.5.13.2 Tính toán độ kết tinh của xenlulo 130

4.5.13.3 Kết quả phân tích cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn bằng phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) 131

4.6 Vùng phù hợp của thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn 133 4.6.1 Xác định vùng phù hợp các tính chất cơ học, vật lý và công nghệ của gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt 133

4.6.2 Phân tích đánh giá chỉ tiêu như màu sắc, thành phần hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu trúc gỗ Bạch đàn được x lý thủy - nhiệt 139

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140

5.1 Kết luận 140

5.2 Kiến nghị 142 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

C

9 ac(v) Trương nở thể tích trung bình của mẫu đối chứng %

10 a1(v) Trương nở thể tích trung bình của mẫu x lý %

18 COM R Độ bền nén dọc thớ theo chiều xuyên tâm MPa

19 COM T Độ bền nén dọc thớ theo chiều tiếp tuyến MPa

23 -OH Hydroxyl

24 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

25 X Giá trị trung bình mẫu

26 S Sai số của số trung bình mẫu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Biến tính gỗ tác động đến cấu trúc tế bào gỗ 3

1.4 Ứng dụng gỗ x lý thủy - nhiệt dùng trong nội ngoại thất 25 2.1 Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án 32

2.3 Vị trí đo màu trên bề mặt gỗ Bạch đàn Uro 40 2.4 2.4a Máy tính Lenovo Y410; 2.4b Máy Scaner Epson 1670;

3.2 Hợp chất cao phân t xenlulo dưới dạng 3D 49

3.5 Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân t xenlulo trong quá

3.6 Quá trình nhiệt giải của hemixenlulo trong gỗ 57

3.8 Cơ chế phản ứng của gỗ trong quá trình x lý nhiệt 60

4.3 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với khối lượng thể tích 80 4.4 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với ASE 83 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với WRE 86 4.6 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với độ bền uốn tĩnh 89 4.7 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bền nén dọc thớ (COM//) 92 4.8 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với COM R 95 4.9 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với COM T 97 4.10 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ nhám bề mặt (Rmax) 100 4.11 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bền kéo trượt màng keo 104

4.12 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bong tách màng keo 107 4.13 Biểu đồ quan hệ giữa L*, a* và b* với các chế độ x lý thủy - nhiệt 111 4.14 Biểu đồ quan hệ giữa ΔE* với các chế độ x lý thủy - nhiệt 111 4.15 Độ bền màu tự nhiên (ΔE*) ở các chế độ x lý thủy - nhiệt 114 4.16 Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn chưa x lý thủy-nhiệt 116 4.17 Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy-nhiệt ở nhiệt

4.18 Hình dạng miệng lỗ thông ngang trên vách tế bào sợi gỗ Bạch đàn 117 4.19 Sự thay đổi của thành phần hoá học của chế độ x lý thuỷ - nhiệt 119 4.20 Đường xylose trong môi trường acid tách nhóm acetyl tạo thành acid 120 4.21 Quá trình thủy phân của đường trong gỗ tạo ra furfural và

4.22 Tính ổn định nhiệt của gỗ và các thành phần cơ bản của gỗ 121

4.26 Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn không x lý 126 4.27 Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 1200C và thời gian 3h 127 4.28 Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 2000C và thời gian 3h 127 4.29 Phương pháp đo tính độ kết tinh của xenlulo 130 4.30 Phổ nhi u xạ tia X của mẫu gỗ Bạch đàn trước và sau khi x lý nhiệt 131 4.31 Độ kết tinh của xenlulo gỗ Bạch đàn trước và sau khi x lý thủy-

4.32 Biểu đồ tính toán vùng thông số công nghệ hợp lý 138

4.11 Độ bền kéo trượt màng keo (k) của gỗ Bạch đàn 103

4.13 Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ x lý thủy – nhiệt với mẫu đối chứng 110 4.14 Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ x lý thủy – nhiệt sau 60 ngày 114 4.15 Hàm lượng thành phần hóa học cơ bản của gỗ trước và sau x lý 118

MỞ ĐẦU

Gỗ là vật liệu không đồng nhất và không đẳng hướng, vì thế làm cho gỗ có tính chất co rút, dãn nở, cong vênh, nứt nẻ, hút, nhả ẩm,… dẫn đến thay đổi kích thước theo các chiều khác nhau gây khó khăn trong quá trình gia công, chế biến và s dụng gỗ Tính chất cơ học, vật lý và công nghệ là chỉ tiêu quan trọng đánh giá phẩm chất gỗ, thế nên các nhà khoa học luôn luôn hướng đến các nghiên cứu nhằm cải thiện và hạn chế những nhược điểm của bản thân gỗ mang lại Con người đã xác định các tính chất cơ học, vật lý và các tính chất khác của gỗ để ứng dụng hiệu quả từng loại gỗ vào các mục đích phù hợp Gỗ rừng trồng, không những có nhiều yếu điểm về độ bền so với gỗ rừng

tự nhiên, mà còn thường có tính thẩm mỹ không cao, màu sắc, vấn thớ xấu không được

ưa chuộng, sự co rút dãn nở của gỗ ảnh hưởng đến việc s dụng gỗ kém hiệu quả Bên cạnh đó, gỗ rừng trồng có độ nhẵn khi gia công thấp ảnh hưởng đến quá trình trang sức của gỗ Bởi thế, việc nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao phẩm chất gỗ là điều cần thiết đòi hỏi các nhà khoa học cần quan tâm

Theo Quyết định số: 62/2006/QĐ-BNN, ngày 16 tháng 8 năm 2006 của Bộ trưởng Bộ NN&PTNT về việc phê duyệt chiến lược phát triển giống cây lâm nghiệp giai đoạn 2006-2020 đã nêu rõ cây gỗ Bạch đàn là một loại cây ưu tiên rừng trồng Cây Bạch đàn s dụng rộng rãi trên thị trường gỗ Việt Nam, bởi cây có ưu điểm khả năng tăng trưởng nhanh, gỗ có màu sắc đẹp, tính chất cơ học, vật lý khá cao Tuy nhiên, nhược điểm của gỗ Bạch đàn có nội ứng suất ngầm nên khi s dụng gỗ d bị cong vênh, nứt, tách, … Do vậy, gỗ Bạch đàn chủ yếu cung cấp làm nhiên liệu đốt, bột giấy, sản xuất ván mỏng và ván dán, ván dăm, ván sợi cứng, ván sợi - bông Vì thế, các nhà khoa học cần phải có biện pháp kỹ thuật để khắc phục nhược điểm của gỗ Bạch đàn, đặc biệt là áp dụng công nghệ chế biến gỗ để s dụng phù hợp và hiệu quả loại gỗ này

X lý nhiệt cho gỗ nói chung và x lý thủy nhiệt nói riêng là một hướng mới để khắc phục một hay nhiều nhược điểm của gỗ bằng cách thay đổi tính chất của gỗ Mục đích của x lý nhiệt cho gỗ là giảm khả năng hút ẩm của gỗ, cải thiện tính ổn định kích thước, tăng khả năng chống sự phá hoại của sinh vật và vi sinh vật hại gỗ, tăng khả năng chống chịu môi trường mà không gây độc hại Biến tính gỗ có rất nhiều

phương pháp Trong những năm gần đây ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Nga, Phần Lan, Trung Quốc đang s dụng các phương pháp biến tính nhiệt cơ, hoá cơ, hoá học, nhiệt học, bức xạ - hoá học, nano, enzyme Biến tính gỗ theo hai xu hướng chủ yếu: nén chặt và không nén chặt Một số loại hình biến tính: ngâm tẩm, gỗ ép lớp, gỗ nén, gỗ tăng tỷ trọng, polyme hoá Tuy nhiên, nhiều trong số các phương pháp đó có tác động xấu tới môi trường và phương pháp được xem là hữu hiệu nhất là phương pháp x lý nhiệt Theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt trên thế giới đã được công bố cho thấy, gỗ được x lý thuỷ nhiệt có tính ổn định kích thước cao [22],[57], tăng độ nhẵn bề mặt gỗ [31],[32],[67], khả năng chống mối mọt, thay đổi màu sắc gỗ [20] từ nhạt sang đậm giống các loại gỗ quý và độ bền màu

tự nhiên tăng so với gỗ không x lý Đặc điểm hết sức quan trọng của phương pháp này là không dùng hoá chất do đó rất thân thiện với môi trường và con người Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về x lý thuỷ - nhiệt gỗ vẫn chưa có công trình nghiên cứu bài bản, sâu rộng nào, các công trình nghiên cứu về phương pháp x lý nhiệt và thủy - nhiệt cho gỗ vẫn thường s dụng trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, kết hợp với phương pháp thực nghiệm để cho kết quả Cho nên, các kết quả nghiên cứu đó chỉ phù hợp với điều kiện cụ thể, để ứng dụng phương pháp này tại Việt Nam thì cần có nghiên cứu phù hợp với điều kiện hiện tại trong nước, cần có tính

hệ thống và cơ sở khoa học nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu của phương pháp

x lý thủy - nhiệt này

Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi tiến hành luận án: “Nghiên cứu ảnh

hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake)”, nhằm có được những căn cứ khoa học xác đáng, thúc đẩy phát

triển công nghệ biến tính gỗ nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng cho ngành Công nghệ gỗ, mở rộng phạm vi và nâng cao hiệu quả s dụng nguồn nguyên liệu và đa dạng hóa loại hình sản phẩm

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái niệm về biến tính gỗ v xử lý thủy - nhiệt

1.1.1 Khái niệm biến tính gỗ [41],[42]

Callum Hill (2006) trong cuốn ―Wood modification: chemical, thermal and other processes‖ đã định nghĩa: ―biến tính gỗ liên quan đến quá trình tác động của tác nhân hoá học, sinh học hoặc vật lý đến vật liệu gỗ, tạo ra sự cải thiện các tính chất của

gỗ trong quá trình s dụng Bản thân gỗ x lý nhiệt ít gây độc và không tạo ra các chất độc trong qua trình s dụng; hơn thế nữa, các sản phẩm tái chế từ gỗ x lý nhiệt và phế thải của gỗ x lý nhiệt cũng không gây độc hại với con người và môi trường‖

Biến tính gỗ là quá trình tác động đến cấu trúc tế bào gỗ như được mô tả ở hình 1.1

Hình 1.1 Biến tính gỗ tác ộng ến cấu trúc tế b o gỗ (dựa vào minh hoạ của

Norimoto, (2001))A: Cấu trúc gỗ từ thô đại đến hiển vi và siêu hiển vi

Điền đầy vách tế bào

Điền đầy

ruột tế bào

Hóa chất phản ứng với nhóm OH

Hóa chất tạo cầu nối với chuỗi xelulo

Thay đổi cấu trúc vách tế bào

B: Các hình thức thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính, từ trái sang phải: (B1) hóa chất tích tụ ở ruột tế bào, (B2) hóa chất tích tụ ở vách tế bào, (B3) hoá chất có phản ứng với nhóm hydroxyl của xenlulo (liên kết một phía), (B4) hoá chất tạo cầu nối với các chuỗi xenlulo (liên kết hai phía), (B5) thay đổi cấu trúc vách tế bào (dựa vào minh hoạ của Norimoto, (2001))

Tuỳ theo các tác nhân biến tính và đặc điểm quá trình tác động lên cấu trúc tế bào, biến tính gỗ có thể được chia thành: biến tính hoá học, vật lý và hóa cơ

1.1.2 Khái niệm xử lý thuỷ - nhiệt [21],[28],[36],[41],[42],[43]

X lý thủy - nhiệt là quá trình làm thay đổi một số tính chất vật lý, cơ học, sinh học và tính chất công nghệ của gỗ dưới tác dụng của nhiệt độ cao khi x lý gỗ ở trong môi trường nước hoặc hơi nước, sau đó được gia nhiệt bằng phương pháp sấy

Nhiệt độ của môi trường trong x lý thuỷ - nhiệt cho gỗ dao động từ 120°C đến 200°C Ở nhiệt độ thấp hơn 100°C, tính chất vật liệu gỗ thay đổi không đáng kể, nhưng nếu nhiệt độ lớn hơn 200°C, gỗ sẽ bị phá huỷ nghiêm trọng, đặc biệt là cường độ của

gỗ giảm đáng kể Các quá trình x lý thuỷ - nhiệt hiện nay giới hạn nhiệt độ x lý không vượt quá 200°C và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như:

- Thời gian và nhiệt độ của quá trình x lý

1 2

Hình 1.2 Quá tr nh xử lý thủy - nhiệt

Quá trình của x lý thủy - nhiệt là x lý qua 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Gỗ được x lý trong môi trường nước ở nhiệt độ cao làm hòa tan một

số chất chiết xuất, phá hủy hemixenlulo, tiền thân phân hủy lignin và xenlulo (khi nhiệt

độ và độ ẩm cao)

Giai đoạn 2: Gỗ sau khi x lý trong môi trường nước hoặc hơi nước, để ráo rồi tiến

hành sấy Khi đó các chất bị tan trong giai đoạn 1 được đa tụ lại hình thành các chất mới trong gỗ

Thiết bị xử lý nhiệt của quy tr nh

PLATO ® -WOOD [28]

Thiết bị xử lý nhiệt của quy trình OHT in Reulbach - ẢnhMenz Holz, Đức [21] Hình 1.3 Thiết bị xử lý nhiệt v thủy - nhiệt

2.2 Tổng quan nghiên cứu về xử lý nhiệt v thủy - nhiệt

Các công trình nghiên cứu gỗ biến tính đã được thực hiện từ khá lâu Sản phẩm

gỗ biến tính có nhiều tính chất được cải thiện so với gỗ nguyên Từ xa xưa, con người

đã dùng nhiều các biện pháp truyền thống mang tính thủ công để bảo quản gỗ và thay đổi màu sắc gỗ… bằng việc ngâm gỗ ở các ao hồ, tiếp theo đó là x lý làm dẻo cho gỗ như hấp, luộc gỗ thông qua quá trình truyền nhiệt vào trong gỗ để ứng dụng chế biến sản xuất gỗ cho các mục đích khác nhau của sản phẩm Ngay nay, công nghệ s dụng nhiệt làm thay đổi, nâng cao chất lượng gỗ được ứng dụng rộng rãi và khác nhau Tuy nhiên, với một xu hướng chung là ―Nâng cao chất lượng gỗ‖, trong luận án nay tập

trung trình bày các phương pháp x lý nhiệt nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng

2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

2.2.1.1 Các phương pháp xử lý nhiệt hiện nay

Từ những năm 1915, báo cáo của Tiemann [69] đã đề cập đến, gỗ sau khi sấy ở nhiệt độ 1500C trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhưng cường độ của gỗ cũng có sự giảm nhẹ Đến năm 1937, trong báo cáo của Stamm và Hansen [65] thể hiện, x lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ

co rút, giãn nở của gỗ đều giảm xuống Sau đó, các phương pháp x lý nhiệt được phát triển mạnh và được cấp bằng sáng chế đó là 5 công nghệ điển hình, cụ thể ở các nước Châu Âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập được 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT-Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký các bằng phát minh sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp Tất cả 5 công nghệ x lý nhiệt này, có điểm chung là gỗ phải chịu nhiệt độ gần hoặc trên 2000

C trong vài giờ trong môi trường không khí với hàm lượng oxy thấp Các loại hình x lý này, có chung một đặc điểm là một số tính chất cơ học giảm, tính ổn định kích thước và độ bền sinh học tăng lên mà không cần thêm các hóa chất bên ngoài và chất bảo quản [21]

Công nghệ x lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan s dụng các công đoạn khác nhau tiến hành x lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nước với sấy

và ổn định hóa Trong quá trình x lý, tác dụng của thủy - nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ Phương pháp x lý này chủ yếu được cấu thành từ hai công đoạn chính, và công đoạn sấy trung gian Giai đoạn thứ nhất, tiến hành x lý gỗ tươi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC với áp suất nhất định, sau đó s dụng phương pháp sấy thông thường làm giảm độ ẩm

gỗ, tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ được đặt trong môi trường có nhiệt độ 170-190oC tiến hành x lý ổn định hóa Thời gian x lý của quá trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[28],[43]

Công nghệ x lý dầu nhiệt (OHT) s dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành x lý gỗ, nhiệt độ thường dùng từ 160oC trở lên [73] Công nghệ này thiết bị phức tạp chí phí tốn kém

Công nghệ x lý nhiệt Retification [72],[77] của Pháp s dụng gỗ phơi khô (độ

ẩm khoảng 12%), tiến hành x lý ở nhiệt độ 210-240oC, trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 2% Với công nghệ này, nhiệt độ x lý cuối cùng trong quá trình

x lý có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và cường độ gỗ Gỗ sau khi x lý, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời gian x lý

Công nghệ x lý nhiệt ThermoWood của Phần Lan s dụng gỗ đã sấy tiến hành x

lý nhiệt trong môi trường hơi nước Sản phẩm của công nghệ này được phân thành hai cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó ―S—Stability‖ thể hiện tính ổn định, ―D—Durability‖ thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mục Loại ThermoD thích hợp s dụng làm công trình kiến trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại công nghệ này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, sản phẩm có thị trường lớn nhất so với các công nghệ còn lại [68]

Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm của các công nghệ x lý nhiệt gỗ hiện nay [28],[61],[68],[74]

Bảng 1.1 Đặc iểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay

Tên công nghệ Chất bảo vệ Độ ẩm ban ầu Nhiệt ộ xử lý

( o C)

Giá thành a (€/m 3 )

ThermoWood Hơi nước Gỗ tươi hoặc gỗ

Retification Khí N2 Gỗ phơi khô 200-240 150-160

PlatoWood Nước, hơi nước

hoặc không khí

Gỗ tươi hoặc gỗ

Ghi chú: a Không bao gồm giá thành nguyên liệu

Theo tổng kết x lý nhiệt cho gỗ của mạng lưới Châu Âu chuyên đề cho gỗ biến tính được tổ chức Hội thảo tại Pháp gồm các quy trình sau:

a) Quy trình ThermoWood của Phần Lan [21]

Tuula Syrjänen, Kestopuu Oy (2001), báo cáo ―sản xuất và phân loại gỗ x lý nhiệt tại Phần Lan‖: Ở Phần Lan x lý nhiệt gỗ bắt đầu vào đầu những năm 1990 khi nhà máy x lý đầu tiên được xây dựng ở Mänttä ThermoWood, đã được phát triển tại Trung tâm nghiên cứu Phần Lan VTT cùng với ngành công nghiệp Phần Lan Hiện nay, các nhà sản xuất liên kết ở các dự án nghiên cứu, đặc biệt là trong đó nhằm mục đích kiểm soát chất lượng và phân loại x lý nhiệt gỗ Theo Hiệp hội quá trình ThermoWood có thể chia thành ba giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1: Nhiệt độ tăng và thiết bị x lý nhiệt độ cao Nhiệt độ thiết bị x lý được nâng lên với tốc độ nhanh chóng bằng cách s dụng nhiệt và hơi nước lên một mức độ khoảng 1000

C Sau đó nhiệt độ tăng dần đến 1300C trong thời gian đó sấy ở nhiệt độ cao di n ra và độ ẩm trong gỗ giảm xuống gần như bằng không

- Giai đoạn 2: X lý nhiệt: Khi các lò sấy nhiệt độ cao đã di n ra các nhiệt độ bên trong lò tăng lên đến một mức độ giữa 1500C và 2400C, duy trì nhiệt độ cần đặt (không đổi) trong 0,5 đến 4 giờ tùy thuộc vào ứng dụng s dụng cuối cùng

- Giai đoạn 3: Làm lạnh và ổn định độ ẩm Giai đoạn cuối cùng là để giảm nhiệt

độ giảm s dụng hệ thống phun nước và sau đó khi nhiệt độ đã đạt đến 80-900C, hấp và làm lạnh, ổn định nhiệt độ giảm lại bình thường trong khoản 24 giờ

b) Quy trình Rectification và Le Bois Perdure của Pháp

Michel Vernois (2001), báo cáo về ―X lý nhiệt cho gỗ tại Pháp‖ Tác giả trình bài hai công nghệ x lý nhiệt cho gỗ đó là x lý nhiệt theo quy trình ―Rectification‖ và

Le Bois Perdure Đối với quy trình Rectification nhiệt độ x lý 210-2400C trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 2%, độ ẩm của gỗ x lý là 12% với thiết bị x lý công nghiệp Đối với quy trình ―Le Bois Perdure‖ với thiết bị x lý được phát bởi công

ty BCI-MBS, gỗ đưa vào thiết bị x lý nhiệt là gỗ tươi, sau đó làm nóng lên đến nhiệt

độ 2300

C, trong môi trường hơi nước (hơi nước được tạo ra từ nước chứa trong gỗ) Theo đánh giá kết quả của tác giả thì gỗ x lý nhiệt của cả hai quy trình trên đều có tính chất cơ học giảm, nâng cao được tính ổn định kích thước, đặc biệt là giảm độ ẩm thăng bằng của gỗ xuống 4 - 5% so với gỗ không x lý là 10-12% đều này có ý nghĩa quan trọng về độ bền sinh học của gỗ x lý, ngoài ra khi ngâm nước gỗ x lý có thể hút nước hơn 20% nhưng có thể đưa lượng nước này ra khá d dàng sản phẩm gỗ này phù hợp cho việc s dụng vào các công trình xây dựng Tuy nhiên, tác giả cũng đã khuyến cáo chất lượng của gỗ x lý nhiệt ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian x lý và loại gỗ khác nhau cho kết quả khác nhau

c) Quy trình OHT-Oil Heat Treatment của Đức

Andreas O Rapp và Michael Sailer (2001), báo cáo về ―X lý nhiệt trong dầu cho gỗ tại Đức‖ X lý nhiệt này (OHT-Oil Heat Treatment), thường di n ra trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 180 - 260 0C (Leithoff và Peek 1998) Các điểm sôi của nhiều loại dầu tự nhiên và nhựa là cao hơn so với nhiệt độ cần thiết để x lý nhiệt gỗ Điều này mở ra các lựa chọn x lý nhiệt cho các loại gỗ khác nhau trong môi trường nóng dầu Cũng trong bài này, tác giả trình bày kết quả nghiên cứu x lý nhiệt cho gỗ Thông với nhiệt độ 1800C, 2000C, 2200C, thời gian 4 giờ, dung lượng mẫu (n=15) và

so sánh giữa hai môi trường x lý dầu và không khí thường, thông qua kết quả cho thấy hệ số chống trương nở (ASE): ở nhiệt độ 1800C x lý bằng dầu thấp hơn x lý bằng không khí thường, ở nhiệt độ 2000C x lý trong môi trường dầu cao hơn x lý

trong môi trường không khí thường và ở nhiệt độ 2200C thì x lý trong môi trường dầu thấp hơn một ít so với x lý trong môi trường không khí thường Mô đun đàn hồi (MOE) và mô đun uốn (MOR): cả hai tính chất này thì x lý bằng dầu đều cao hơn x

lý bằng không khí thường, mô đun đàn hồi (MOE) đạt đến 11.000 N/mm2

trong môi trường dầu ở nhiệt độ là 2000

C

d) Quy trình PLATO ® -WOOD của Hà Lan

Holger Militz và Boke Tjeerdsma (PLATO-PROCESS) [21]; The Plato technology (PLATO®-WOOD: 2006) [28]: Từ năm 1995 một đội ngũ kỹ sư Plato đã phát triển công nghệ lần đầu tiên trong phòng thí nghiệm của Hoàng gia Hà Lan Nhiệt

độ và áp suất trong quá trình này là lập trình cẩn thận và phù hợp cho từng loại của các loài gỗ được s dụng Các loài gỗ được x lý đã được kiểm tra để thiết lập phù hợp và điều kiện quá trình tối ưu của nó Điều này đã tạo nên một sản phẩm gỗ ổn định kích thước và bền, phạm vi của các ứng dụng sản phẩm gỗ (hàng rào khu vườn, gỗ ốp tường

và khung, khuôn cưa), tiếp theo từ năm 2000 hàng trăm các công ty sản xuất và các dự

án đã được thực hiện tại Hà Lan, Bỉ và Đức, vì thế khẳng định và phản ánh tiềm năng kinh tế của của công nghệ này [28] Quy trình Plato s dụng các giai đoạn khác nhau, giai đoạn 1 là giai đoạn x lý và kết hợp liên tục bước thủy nhiệt phân và giai đoạn 2 là giai đoạn sấy đa tụ (curing) Mục đích của giai đoạn 1 là Tác động của thủy nhiệt phân, trong kết quả x lý Plato là sự xuất hiện của biến đổi các thành phần hóa học khác nhau, s dụng sự hiện diện của độ ẩm dồi dào trong vách tế bào gỗ để thủy nhiệt phân nhằm hòa tan các chất chiết xuất và tiền thủy phân hemixenlulo và lignin, hạn chế các phản ứng của các chất không muốn, nhiệt độ x lý trong giai đoạn này từ 1500

Wood làm cho sản phẩm gỗ x lý phù hợp cho việc

s dụng vào các công trình đồ mộc nội ngoại thất, đồ gỗ trong vườn và các công trình đòi hỏi tính chịu nước cao của gỗ

2.2.1.2 Các công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt và thủy - nhiệt

a) Các công trình nghiên cứu về ổn định kích thức

Stamm A and L Hansen (1937) đã thành công khi cho thực hiện phản ứng giữa nhóm hydroxyl với anydric axetic và pyridin ở dạng khí Pyridin hoạt động như một chất gây trương nở tế bào và là chất xúc tác cho phản ứng tạo este Hệ số chống dãn nở

có thể đạt đến 80% với độ axetyl hoá khoảng 25% Tarkow (1950) và Goldstein (1961)

đã tiến hành quá trình axetyl hoá ở dạng khí và dung dịch lỏng cho gỗ xẻ từ gỗ Vân sam có kích thước 5 x12 x120 cm trong thời gian từ 8-16 h, mức độ axetyl hoá đạt 20-22% và hệ số chống dãn nở đạt đến 80% [65]

Theo Hiroshi Jinno (1993), kết quả sự tăng nhiệt độ sấy gỗ làm giảm tính hút nước của các polychaccarit, độ ổn định kích thước của gỗ tăng lên, song ở mức độ cao của sự hạ bậc, phân đoạn các cấu t trong gỗ sẽ làm giảm cường độ gỗ, tính chống thấm, chống nước tăng lên, màu gỗ trở nên tối hơn, tuy nhiên, nếu sự hạ bậc, phân đoạn các cấu t gỗ là nhỏ và sự tạo thành cấu trúc liên kết là trội hơn thì cơ tính của gỗ

sẽ tăng lên [11]

Militz H (2002), x lý nhiệt cho gỗ nhằm nâng cao các tính chất khác nhau của

nó, chẳng hạn như chống thấm nước, ổn định kích thước, hệ số chống trương nở (ASE), chống tia UV [54]

Behbood Mohebby và Ibrahim Sanaei (2005), nghiên cứu ảnh hưởng của x lý

thuỷ - nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Sồi (Fagus orientalis) Mẫu gỗ (20x20x20mm)

được đặt trong một khoang thép không gỉ, chứa đầy nước Mẫu được x lý ở nhiệt độ

1600C, 1800C và 2000C trong 4, 5 và 6 giờ Mẫu gỗ đã x lý được ngâm trong nước 24 giờ, sau đó sấy khô, chu kỳ ngâm/sấy được lặp đi lặp lại 7 lần Kết quả cho thấy ASE,

WRE tăng và khối lượng thể tích bị giảm nhẹ [22]

P.Rezayati Charani và cộng sự (2007) ―Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ x lý thuỷ nhiệt đến sự ổn định kích thước của gỗ sồi‖ Mẫu gỗ được x lý ở nhiệt độ khác nhau (1500C, 1600C, 1700C) và thời gian khác nhau (1giờ, 3 giờ, 5 giờ và 7 giờ) trong

lò phản ứng Kết quả hệ số chống trương nở tăng và khối lượng thể tích giảm cùng với tăng nhiệt độ tiếp xúc và thời gian, ASE cao nhất là 47,43% thu được ở nhiệt độ 1700

C thời gian 1 giờ, nhưng x lý ở nhiệt độ 1700C ASE có xu hướng giảm khi thời gian x

lý tăng Hiệu suất chống hút nước (WRE) của mẫu gỗ được x lý ở 1600C, 1700C cao hơn nhiều so với 1500C trong thời gian 1 giờ Trong thời gian 3 giờ, 5 giờ, giá trị WRE lớn hơn ở 1500C hơn 1600

C và 1700C Ở 1500

C, 1600C, 1700C trong thời gian 1 giờ thì giá trị WRE gần bằng nhau WRE lớn nhất là 22,20% thu được khi x lý ở nhiệt

độ 1700C trong thời gian 1 giờ [57]

b) Các công trình nghiên cứu về tính chất cơ học của gỗ

Kết quả nghiên cứu của Hiroshi Jnno (1993), Misatonrimoto và Joeseph Gril cho thấy x lý gỗ ở 1800C từ 3 giờ - 10 giờ với áp suất thường làm cho cường độ, và

đặc biệt là mô đun đàn hồi của gỗ tăng nhẹ [5],[11]

Inga JUODEIKIENĖ (2009), đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của x lý thủy - nhiệt đến cường độ nén và uốn tĩnh của gỗ Thông Các mẫu được x lý ở 60, 80, 100 và

1200C với thời gian 24, 48, 72 và 96 giờ Kết quả cường độ uốn tĩnh của gỗ Thông được x lý nhiệt trong thời gian giảm xuống so với gỗ ban đầu Những kết quả này chỉ

ra rằng nhiều thay đổi đáng kể đạt được trong quá trình làm nóng ở nhiệt độ 600C và

800C với thời gian 96 giờ Sự gia tăng cường độ nén dọc thớ gỗ có thể được liên quan đến việc thay đổi kết cấu gỗ Phá hủy hệ thống hemixenlulo sớm hơn so với xenlulo và lignin Sự xuống cấp của hemixenlulo từ những chuỗi dài chuỗi thành những chuỗi ngắn hơn, có khả năng chịu nén dọc thớ gỗ tốt hơn Song cường độ uốn tĩnh và cường

độ nén vuông góc với thớ gỗ giảm [45]

c) Các công trình nghiên cứu về thay đổi màu sắc gỗ

Andreja KUTNAR , Milan ŠERNEK (2008), nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ

x lý thuỷ - nhiệt làm thay đổi màu sắc gỗ Dưới tác động của nhiệt độ cao và độ ẩm tạo ra sự thay đổi lớn trong cấu trúc gỗ, dẫn đến thay đổi màu sắc gỗ Màu sắc gỗ tối hơn khi x lý ở nhiệt độ cao hơn và thời gian x lý lâu hơn Trong x lý nhiệt với không khí, tỉ lệ giảm độ sáng lên tới 4% khối lượng, gỗ được x lý thủy nhiệt tối hơn 50% so với gỗ ban đầu Màu sắc tối hơn được khẳng định bởi sự hình thành của các loại giảm cấp có màu từ hemixenlulo và những chiết suất tham gia vào quá trình hình thành màu của gỗ được x lý thủy nhiệt Sự thay đổi màu cũng liên quan đến sự hình thành của các sản phẩm oxy hóa như quinines [20]

Bruno Esteves, António Velez Marques, Idalina Domingos and Helena Pereira (2008), ―Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi màu sắc của gỗ Thông (Pinus pinaster) và gỗ Bạch đàn (Eucalyptus globulus)‖ X lý nhiệt trong thời gian 2-24 giờ ở

170 - 200 0C và bằng hơi nước, các thông số màu L*, a* và b* được xác định theo phương pháp CIELAB và sự thay đổi của chúng thông qua xác định giá trị của (ΔL*, Δa* và Δb*) được tính toán theo phần trăm Gỗ Bạch đàn thay đổi ít hơn độ sáng (L*) dao động từ 54,1-63,8% với chỉ số a* từ 7,4-8,5 và chỉ số b* từ 15,7-19,9; gỗ Thông độ sáng L* thay đổi từ 67,3-76,1%, chỉ số a* từ 6.9 -7,6 và chỉ số b* 16,3 -24,1 Màu sắc,

x lý nhiệt cho thấy một tiềm năng tốt để nâng cao chất lượng gỗ cho các sản phẩm gỗ

từ Thông và Bạch đàn [27]

d) Các công trình nghiên cứu về tỉ lệ tổn hao khối lượng gỗ

Esteves và các cộng tác [34] đã nghiên cứu x lý nhiệt cho gỗ Thông trong môi trường không khí thu được kết quả tốc độ giảm khối lượng của gỗ (tỉ lệ giữa tỉ lệ giảm khối lượng và thời gian x lý, %/h) tăng khi nhiệt độ x lý tăng, cụ thể khi nhiệt độ tăng từ 170 oC đến 200 oC, thì tốc độ giảm khối lượng của gỗ thông tăng từ 0,20%/h đến 1,03%/h

Alén và đồng nghiệp [19] đã chỉ ra, khi tỉ lệ giảm khối lượng trong phạm vi 1,5% (điều kiện x lý 180oC, 4h) đến 12,5% (điều kiện x lý 225oC, 6h), thì tỉ lệ giảm khối lượng cũng tăng lên khi nhiệt độ tăng

Căn cứ bằng phát minh sáng chế của Viitanienmi [85], nếu muốn thu được gỗ

có tính ổn định kích thước cao cần x lý với tỉ lệ giảm khối lượng khoảng 3%, và khi tỉ

lệ giảm khối lượng là 5% thì có thể nâng cao tính bền của gỗ

e) Các công trình nghiên cứu về tính chất công nghệ của gỗ xử lý nhiệt

Derya Sevim Korkut , Bilgin Guller (2007), đã nghiên cứu ―Ảnh hưởng của x

lý nhiệt trên tính chất vật lý và độ nhám bề mặt gỗ Phong đỏ (Acer trautvetteri

Medw)‖ Nhiệt độ x lý là 1200C, 1500C và 1800C; Thời gian x lý là 2h, 6h và 10h, mẫu gỗ kiểm tra khối lượng thể tích và độ trương nở (20x20x30mm) và mẫu gỗ kiểm tra độ nhẵn bề mặt (50x50x50mm) được thực hiện theo một số tiêu chuẩn Thổ Nhĩ Kỳ

và ISO, được thực hiện trên máy bào cố định dao cắt với tốc độ 1 m/s và độ nhọn lưỡi

dao (p> 0,05), góc cắt của dao là 450 Kết quả cho thấy, khi tăng nhiệt độ và thời gian thì tính chất vật lý như khối lượng thể tích giảm so với mẫu đối chứng (0,64 - 0,585 g/cm3), độ trương nở giảm so với mẫu đối chứng: xuyên tâm (5,168% - 3.956%), tiếp tuyến (9,784 % - 6,394%); độ nhấp nhô bề mặt (Rmax): 107,352 µm – 91,383 m, điều này có nghĩa là khi nhiệt độ và thời gian tăng thì đỗ nhẵn bề mặt tăng Các tác giả đã kết luận khi x lý nhiệt thì gỗ có tăng khả năng chống chịu môi trường và sản phẩm gỗ thích hợp với việc tạo sản phẩm khung và khuôn c a sổ, tấm ốp bên ngoài và làm nội thất ngoài trời [31],[32],[67]

Follrich [38] đã tiến hành nghiên cứu x lý nhiệt gỗ Picea abies Karst và phát

hiện, góc tiếp xúc của giọt dung dịch và bề mặt gỗ tăng từ 50o lên 90o, tính thấm ướt của gỗ giảm xuống rõ rệt, nhưng thời gian x lý khác nhau thì góc tiếp xúc khác nhau không đáng kể; tác giả tiếp tục nghiên cứu tạo ván phức hợp từ gỗ x lý nhiệt và nhựa

PE, sau đó tiến hành thí nghiệm cường độ dán dính và thí nghiệm dầm công xôn đã phát hiện, giá trị cường độ dán dính bề mặt kéo chịu ảnh hưởng rất lớn của công nghệ

x lý nhiệt, hơn nữa sự ảnh hưởng này tăng dần theo sự kéo dài của thời gian x lý nhiệt

Gu Lianbai và cộng sự [77] đã tiến hành nghiên cứu tính năng dán dính của gỗ

Birch, Thông rụng lá và Pinus sylvestris var mongolica Litv sau khi x lý nhiệt và chỉ

ra, cường độ kéo trượt màng keo có quan hệ với loại keo s dụng Gỗ sau khi x lý nhiệt, cường độ kéo trượt màng keo đều giảm xuống với các mức độ khác nhau, cường

độ dán dính gỗ Birch giảm nhiều nhất, cường độ dán dính gỗ Thông rụng lá giảm ít

nhất

Milan Sernek và cộng sự (2007), đã nghiên cứu ―Cường độ dán dính của gỗ Vân sam x lý thủy - nhiệt khi dùng keo PF và UF‖, kết quả nghiên cứu đã chi ra rằng gỗ Vân sam ngâm trong nước hoặc luộc trong nước nóng sẽ có độ bền kéo trượt màng keo khác trượt nhau Đặc biệt, nếu luộc trong nước nóng ở 1500C sẽ cho kết quả độ bền kéo giảm 40 - 45% so với mẫu đối chứng

Waldemar Homan và cộng sự, đã nghiên cứu về ―Cấu trúc và các tính chất khác của gỗ biến tính‖, kết quả đã chỉ ra rằng gỗ sau khi được x lý nhiệt, đặc biệt là x lý bằng phương pháp dùng dòng cao tần thì hầu hết các nhóm hydroxy bị thay thế bởi các nhóm hydrophobic (nhóm kị nước) Từ đó làm cho gỗ x lý nhiệt giảm khả năng dán dính thấp hơn gỗ không x lý

f) Các công trình nghiên cứu về thay đổi cấu trúc, thành phần hóa học gỗ

V.Biziks, L Belkova, E Kapaca, B Andersons (2010), ―Ảnh hưởng của xử lý

thủy nhiệt đến cấu trúc gỗ Bạch Dương” S dụng nhiệt độ 1400

C, 1600C và 1800C trong thời gian 1 giờ với áp suất hơi nước (áp suất trong thiết bị x lý) P = 0,5-0,9 N/mm2 Kết quả cho thấy, thành phân hóa học thay đổi (phân hủy do nhiệt độ) chủ yếu

là các chất chiết xuất, lignin và hemixenlulo có sự thay đổi khi tăng nhiệt độ từ 1600C

- 1800C còn xenlulo chưa thấy sự thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể, độ dày thành

tế bào tăng lên do vách tế bào bị tan và chảy ra, nhiệt độ x lý càng cao vòng năm có

xu hướng rộng lên [70]

Vladimirs Biziks, Bruno Andersons, Lubova Bel¸kova, Elına Kapacˇa và Holger

Militz (2013), ―Sự thay đổi của cấu trúc hiển vi của gỗ Bạch Dương sau khi xử lý thủy

- nhiệt‖ Gỗ Bạch Dương (Betula pendula) mẫu đã được x lý trong một chế độ nhiệt

(1400C, 1600C, 1800C) trong thời gian 1 giờ và quan sát bằng kính hiển vi điện t quét (SEM) SEM quét hình ảnh hiển vi điện t của gỗ Mẫu gỗ được lấy trên mặt cắt ngang khúc gỗ và các mẫu so sánh cùng một vị trí trước và sau khi x lý thủy - nhiệt (độ phóng đại 100-2.000) Kết quả của các phép đo của khu vực và kích thước chiều dài của gỗ Bạch Dương, các tế bào gỗ (libriform (sợi gỗ), tracheid (quản bảo), vessel (mạch gỗ) và ray (tia gỗ)) đã có thay đổi đáng kể, mà phụ thuộc vào các điều kiện x

lý nhiệt, ở nhiệt độ 1800C thì các tia gỗ, lỗ thông ngang, ống dẫn nhựa,… đã có sự thay đổi cấu trúc hình thái và gỗ bắt đầu bị phá vỡ Khoảng trống và vết nứt được hình thành giữa các sợi, dẫn đến một sự suy giảm tính chất cơ học của gỗ [71]

Francisco Burgos, Aldo Rolleri (2012), ―Ảnh hưởng của nước và trong xử lý thủy

- nhiệt đến một số tính chất gỗ Thông (Pinus Radiata) và Pseudotsuga Menziesii‖ X

lý thủy - nhiệt: Dưới sự tác động của nhiệt độ làm thay đổi cấu trúc hóa học của gỗ Tuy nhiên, s dụng các phương pháp x lý có một ý nghĩa riêng với x lý thủy nhiệt

ảnh hưởng đến các tính chất của gỗ Để đánh giá hiệu quả của phương pháp x lý nhiệt trên đến tính chất gỗ đến hai loài gỗ lá kim đã được thông qua nước và hơi và ba cấp

độ của nhiệt độ (1300

C, 1450C và 1600C), thời gian x lý (5 giờ) Nghiên cứu này mô

tả những thay đổi trong thành phần hóa học của gỗ ở nhiệt độ tương đối thấp và tác động của nó đến các tính chất vật lý và cơ học của gỗ, phân tích các kết quả đã chỉ ra rằng chất chiết xuất của gỗ phân hủy trong một thiết bị x lý khép kín là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến kết quả Kết quả cho thấy, x lý thủy - nhiệt cho gỗ Thông (Pinus Radiata) và Pseudotsuga Menziesii ảnh hưởng đến độ co rút xuyên tâm và tiếp tuyến của gỗ, mô đun đàn hồi, hòa tan các chất chiết xuất Ở nhiệt độ 1600C đã có sự suy thoái của holoxenlulo điều này làm cho thành phần hóa học gỗ có sự thay đổi so với gỗ chưa được x lý nhiệt [39]

2.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, công nghệ biến tính gỗ theo các xu hướng khác nhau như nâng cao khối lượng thể tích, tính chất cơ vật lý, ổn định kích thước gỗ đã được nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất quan tâm nghiên cứu Đặc biệt các công trình nghiên cứu của trường Đại học Lâm nghiệp và Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam

Lê Xuân Phương (2007), ―Ảnh hưởng của x lý nhiệt đến độ bền của gỗ Bồ đề‖ Tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của x lý nhiệt (trong điều kiện khí trơ (khí Nitơ)) đến

độ bền tự nhiên của gỗ Bồ đề Kết quả cho thấy khả năng chống nấm mục (mục trắng

và mục nâu) được tăng lên đáng kể (tổn hao khối lượng dưới 5% sau 12 tuần th theo tiêu chuẩn Nhật bản JIS K 1571:2004) khi x lý ở nhiệt độ 2000C trong 8 giờ, hiệu quả kháng mối không tăng nhưng tỷ lệ mối thợ chết khá cao (trên 80%) làm mất cân bằng

tỷ lệ các loại mối trong tổ Ngoài ra, độ kết tinh cellulose tăng (chỉ số kết tinh cao hơn

và độ rộng tinh thể lớn hơn) cùng hàm lượng lignin trong gỗ tăng cũng khiến cho gỗ hút ẩm ít hơn Kết quả phân tích phổ cộng hưởng từ 2H-NMR cho thấy số lượng gốc

OH tự do trong gỗ x lý nhiệt giảm sau khi x lý Bên cạnh đó, x lý nhiệt cũng làm giảm độ bền uốn tĩnh của gỗ tới 40% và làm tăng độ dòn của gỗ lên 4 lần, hạn chế phạm vi s dụng chịu lực của gỗ x lý nhiệt [10]

Vũ Huy Đại (2008): đã nghiên cứu và xây dựng quy trình công nghệ x lý gỗ nhằm làm tăng độ bền tự nhiên của gỗ bằng Dimethylol dihydroxy ethylene

urea/DMDHEU với chất xúc là MgCl2 ở nhiệt độ 1300C cho gỗ Keo lai, Keo lá tràm, Keo tai tượng Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi x lý gỗ bằng DMDHEU: khả năng

ổn định kích thước, độ bền cơ học, độ bền tự nhiên tăng (chóng tia t ngoại, chống mục…) và khả năng hút ẩm, khả năng trương nở chiều dày giảm [4]

Trịnh Thị Hiền Mai (2009), ―Biến tính ván mỏng cho sản xuất ván dán ngoại thất‖ Tác giả đã nghiên cứu biến tính cho ván mỏng dùng làm sản xuất ván dán từ gỗ Sồi với 11 loại hóa chất với các nồng độ khác nhau thì một số tính chất như mô đun đàn hồi (MOE), cường độ uốn (MOR) và độ cứng Brinell tăng so với ván chưa được

x lý Ngoài ra, còn nâng cao khả năng ổn định kích thước, khả năng chống thấm nước trong môi trường ẩm ướt và chống nấm mốc biến màu tăng lên so với mẫu ván mỏng đối chứng [8]

Đào Xuân Thu (2010), ―Nghiên cứu nâng cao chất lượng gỗ Mỡ (Manglietia

conifera Dandy) rừng trồng bằng phương pháp biến tính hóa học‖ Tác giả đã nghiên

cứu thay đổi nồng độ PEG với các cấp nồng độ (N (%): 10; 15; 20; 25, 30), nhiệt độ (t (0C): 20; 30; 40; 50; 60) và thời gian ngâm gỗ (τ (giờ): 2; 4; 6; 8; 10) Tác giả đã xác định được mức độ ảnh hưởng của nồng độ, thời gian và nhiệt độ đến một số tính chất

cơ học, vật lý và đặc biệt là cơ chế biến tính cho gỗ Mỡ bằng hóa chất PEG-600 [12]

Vũ Mạnh Tường (2011), ―Nghiên cứu và đánh giá công nghệ x lý nhiệt cho gỗ Keo lai rừng trồng Việt Nam‖ Đề tài đã tiến hành x lý nhiệt cho gỗ Keo lai trong môi trường khí N2 với nhiệt độ x lý thay đổi trong khoảng 210-230 oC và thời gian x lý thay đổi trong 2-6h Kết quả đề tài đã chỉ ra rằng, thời gian và nhiệt độ x lý có ảnh hưởng rất rõ đến tính ổn định kích thước, màu sắc và độ bền uốn tĩnh của gỗ Keo lai Khi thời gian x lý và nhiệt độ tăng lên tính ổn định kích thước gỗ Keo lai tăng lên từ 30-45 %, nhưng độ bền uốn tĩnh lại giảm xuống khoảng 15-35 % Ngoài ra đề tài đã áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại như: FTIR, XPS, XRD, NMR C13 để tiến hành phân tích cấu trúc hoá học của gỗ trước và sau x lý Kết quả phân tích cho thấy, thành phần gỗ sau khi x lý nhiệt có thay đổi rất rõ rệt, đặc biệt là hàm lượng nhóm hydroxyl tự do, hàm lượng tương đối của hemixelulo giảm xuống, nhưng độ kết tinh của xenlulo trong gỗ tăng lên [17]

Phạm Văn Chương (2011), ―Ảnh hưởng của công nghệ x lý thủy nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Keo lá tràm‖ Mẫu gỗ (20 × 20 × 25mm) được x lý theo hai giai đoạn Tại giai đoạn đầu tiên, mẫu được x lý nhiệt trong ba nhiệt độ khác nhau (1300

gỗ giảm xuống nhưng tính ổn định kích thước của gỗ được cải thiện thông qua kết quả phân tích tính hút nước và tính trương nở của gỗ [29]

Phạm Văn Chương, Đỗ Vũ Thắng (2012), ―Ảnh hưởng của x lý Mono Ammonium Phosphate (MAP) đến khả năng chậm cháy và một số tính chất cơ học của

gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla)” Gỗ Bạch đàn Urophylla 7 tuổi, khai thác tại

Hòa Bình, Hóa chất MAP (NH4H2P04- mono ammonium phosphate 98%), Nồng độ MAP (10%, 15% và 20%), Thời gian tẩm MAP (30phút, 60 phút, 90 phút) Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi nồng độ dung dịch MAP tăng từ 10 - 20% và thời gian x lý tăng từ 30 - 90 phút; tổn thất khối lượng gỗ do cháy giảm từ 5,76 - 2,08 %; tuy nhiên

độ bền nén dọc thớ, độ bền uốn tĩnh và khả năng dán dính keo của gỗ giảm [3]

Nguy n Thanh Tùng (2012), ―Nghiên cứu ảnh hưởng của việc x lý chất chậm

cháy MAP (Mono Ammonium Phosphate) đến tính chất cơ học, vật lý và công nghệ

của gỗ Bạch đàn (Eucalytus urophylla) đã x lý ổn định kích thước ‖ Gỗ Bạch đàn đã được x lý thủy – nhiệt sau đó được tẩm hóa chất chậm cháy MAP, kết quả cho thấy

gỗ sau khi x lý chậm cháy với nồng độ MPA tăng (4, 8, 12, 16 và 20%; thời gian chân không là t = 30 phút, thời gian duy trì áp lực tẩm là 60 phút; áp suất: Pchân không = -0.1 MPa ; Páp lực = 0,7 Mpa) thì tăng khả năng chậm cháy Tuy nhiên, các tính chất cơ học, vật lý và độ bền kéo trượt màng keo giảm [18]

Trần Văn Chứ (2013) ― Nâng cao sự ổn định kích thước của gỗ Keo tai tượng bằng phương pháp x lý nhiệt‖, nghiên cứu chỉ ra rằng với nhiệt độ 1700

thời gian x lý nhiệt sẽ nâng cao được tính ổn định kích thước của gỗ Tuy nhiên, tổn thất khối lượng của gỗ x lý tăng [30]

Nguy n Trung Hiếu (2014), ―Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai

tượng (Acacia mangium Willd)‖ Trong luận án tiến sĩ này, tác giả dùng phương pháp

x lý nhiệt trong môi trường không khí thường cho gỗ Keo tai tượng từ 9 đến 10 tuổi, khai thác tại tỉnh Hà Giang, kết quả nghiên cứu đã đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ và thời gian x lý đến tính chất cơ học, vật lý và hóa học của

gỗ X lý với thời gian (2, 4, 6, 8 và 10 giờ), nhiệt độ (1700

C, 1800C, 1900C, 2000C và

2100C) cho thấy tính chất cơ học, vật lý có xu hướng giảm theo sự gia tăng của nhiệt

độ và thời gian: uốn tĩnh (MOR) giảm 20-25%, mô đun đàn hồi (MOE) giảm: 14-16%,

độ bền nén dọc thớ tăng (COM//):20-25%, Nâng cao tính ổn định kích thước: hệ số chống trương nở (ASE) tăng từ 45-50%, hiệu suất chống hút nước (WRE) tăng 20% Giảm khả năng dán dính của gỗ: độ bền kéo trượt màng keo giảm 25% Kết quả quan sát kính hiển vi điện t quét (SEM): thành phần gỗ bị ảnh hưởng, đặc biệt là gỗ thông ngang trên vách tế bào mạch gỗ, phân tích (FTIR và XPS) đã tìm ra được sự thay đổi cấu trúc hóa học gỗ Keo tai tượng và phân tích nhi u xạ tia X (XRD) cho thấy độ kết tinh của xenlulo trong gỗ khi nhiệt độ tăng lên [6]

Nguy n Quang Trung (2005-2008), ―Nghiên cứu s dụng gỗ Bạch đàn đỏ (E.urophylla) để sản xuất gỗ xẻ làm đồ mộc‖ Đề tài đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật trong quá trình sản xuất gỗ xẻ làm nguyên liệu đóng đồ mộc từ gỗ tròn Kết quả nghiên cứu cho thấy để đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ thành khí và hiệu quả s dụng, rừng trồng Bạch đàn urophylla cung cấp nguyên liệu làm gỗ xẻ phải có cấp tuổi tối thiểu trên 11 tuổi, ở tuổi 7 năm có thể s dụng những khúc có đường kính trên 15cm nhưng hiệu quả

s dụng gỗ rất thấp Với các khúc gỗ có đường kính trên 30cm có thể áp dụng sở đồ xẻ xuyên tâm, các khúc có đường kính đầu nhỏ từ 20cm đến 30cm nên áp dụng sở đồ xẻ xoay với 2 mạch xẻ song song đầu tiên tạo hộp gỗ xẻ có chiều dày bằng 2/3 đường kính [16]

Dự án FST 2008/039 (2013), ―Tăng cường sản xuất ván mỏng từ gỗ Keo và Bạch đàn ở Việt Nam và Australia‖ Báo cáo đánh giá tiềm năng gỗ Keo, Bạch đàn ở Việt Nam, trong đặt vấn đề thì hiện nay chúng đang được s dụng chủ yếu để sản xuất bột gỗ làm giấy có giá trị thấp Keo và Bạch đàn từ các khu rừng tự nhiên ở Úc từ lâu

đã được s dụng để sản xuất ván mỏng đặc biệt, tuy nhiên việc trồng Keo và Bạch đàn cho mục đích sản xuất này vẫn còn trong giai đoạn sơ khai Mục đích của dự án là thúc đẩy cao hơn giá trị s dụng của gỗ Keo và Bạch đàn ở Việt Nam bằng cách tối ưu hóa sản xuất ván mỏng từ nguồn tài nguyên này [15]

1 3 Đánh giá ưu nhược iểm của các phương pháp biến tính gỗ v phân tích ánh giá công nghệ về xử lý nhiệt

1.3.1 Ưu nhược điểm của các phương pháp biến tính gỗ

Như đã trình bày ở phần trước các phương pháp biến tính gỗ hiện nay trong nước

và trên thế giới vẫn cơ bản dùng các phương pháp hóa học, vật lý và cơ học Ngoài ra, còn kết hợp giữa hóa học và vật lý, hóa cơ và hóa lý, mỗi một phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và với các mục đích s dụng sản phẩm khác nhau Tuy nhiên, các phương pháp cùng chung mục đích đó là: nâng cao chất lượng gỗ, đa dạng hóa loại hình sản phẩm, nâng cao khả năng s dụng và tận dụng hiệu quả nguyên liệu rừng trồng và phát triển bền vững nguồn nguyên liệu này

Đối với phương pháp s dụng hóa học, các nhà khoa học dùng các thiết bị để đưa hóa chất vào trong ruột và vách tế bào gỗ làm giảm các nhóm -OH và điền đầy khoảng trống trong ruột và vách tế bào gỗ làm cho gỗ giảm khả năng hút nhả ẩm, tăng khả năng ổn định kích thước, kết cấu trong gỗ vững chắc hơn thế nên gỗ có thể tăng tính chất cơ học Ngoài ra, các chất s dụng có thể phản ứng với các thành phần trong

gỗ tạo thành chất mới nâng cao được chất lượng gỗ, đó là những ưu điểm lớn của phương pháp biến tính hóa học Nhưng nhược điểm của phương pháp này là hóa chất làm cho giá thành sản phẩm biến tính cao, sau khi biến tính sẽ thải ra môi trường làm ô nhi m nên cần có thiết bị x lý môi trường

Đối với phương pháp hóa lý, hóa cơ ưu điểm lớn là làm cho hóa chất đi vào trong gỗ tốt hơn, chất lượng gỗ được cải thiện như ổn định kích thước, tăng khối lượng thể tích và tính chất cơ học vật lý ở các tính chất khác nhau Còn nhược điểm cũng giống như đối với phương pháp hóa học

Đối với phương pháp s dụng vật lý như x lý nhiệt và thủy – nhiệt thì nhược điểm lớn là tính chất cơ học vật lý giảm, chính nhược điểm này mà các nhà chế biến gỗ lại ứng dụng sản phẩm x lý để tạo các sản phẩm mộc như khung khuôn c a, vách

ngăn và các sản phẩm ngoài trời như hàng rào, ốp tường, nói chung là những sản phẩm không yêu câu tính chịu lực cao Ưu điểm lớn của sản phẩm này là tăng tính ổn định kích thước, tăng khả năng chống vi sinh vật, có thể thay đổi màu sắc đậm nhạt so với

gỗ chưa x lý, giảm độ ẩm thăng bằng thớ gỗ và giảm khả năng hút ẩm và hút nước, công nghệ và thiết bị không quá phức tạp Đặc biệt, phương pháp này không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường góp phần bảo vệ môi trường và biến đổi khí hậu ngày nay

Từ một số kết quả nghiên cứu, x lý nhiệt và thủy - nhiệt cho gỗ trong khoảng 160-260oC, trong môi trường có vật chất như hơi nước, khí trơ, không khí ít ô xy…[42], thông qua giảm thiểu số lượng nhóm –OH trong thành phần của gỗ, đã giảm khả năng hút ẩm và nội ứng lực của gỗ, từ đó nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ [33],[50],[59],[62],[63]; đồng thời trong quá trình x lý nhiệt, thành phần của gỗ phát sinh hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp, làm biến đổi một số thành phần của gỗ, giảm chất dinh dưỡng cho sự sinh tồn của nấm và côn trùng hại gỗ, ngăn cản sự sinh trưởng và phát triển của nấm và côn trùng hại gỗ qua việc cắt đứt chuỗi thức ăn, vì vậy

có thể nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại [26],[50],[58] Phương pháp này chỉ s dụng tác nhân vật lý, so với các phương pháp dùng tác nhân hóa học khác, vấn

đề ô nhi m trong quá trình sản xuất bằng công nghệ x lý thủy - nhiệt ít, công nghệ x

lý đơn giản, hơn nữa trong quá trình s dụng hiệu quả bảo quản của gỗ x lý thủy - nhiệt không bị suy giảm do hóa chất bị r a trôi hay bay hơi, cũng không làm hại đến sức khỏe của con người

Qua quá trình tìm hiểu, phân tích và đánh giá kết của các phương pháp x lý nhiệt cho gỗ nói chung và phương pháp x lý thủy - nhiệt nói riêng, chúng tôi rút ra một số ưu nhược điểm của phương pháp x lý thủy - nhiệt cho gỗ như sau:

Ưu điểm: Tăng khả năng tính ổn định kích thước cho gỗ x lý; Giảm khả năng

hút ẩm và hút nước của gỗ dưới độ ẩm thăng bằng so với gỗ chưa x lý; Màu sắc gỗ có màu nâu nhạt đến nâu, gần giống với màu sắc của một số loại gỗ quý Ngoài ra còn có thể điều khiển được màu sắc gỗ (đậm, nhạt màu) thông qua chế độ x lý; An toàn và thân thiện với môi trường; Cải thiện độ bền sinh học cho gỗ; Công nghệ x lý thủy - nhiệt đơn giản; Thiết bị x lý không quá phức tạp

Nhược điểm: Trong quá trình x lý và kết thúc quá trình thì gỗ x lý d bị nứt,

tách; Khối lượng thể tích gỗ x lý giảm so với gỗ chưa qua x lý; Một số tính chất cơ học bị giảm so với gỗ chưa x lý

1.3.2 Phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu về công nghệ về xử lý nhiệt

Thông qua các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho ta thấy, các kết quả nghiên cứu x lý nhiệt cho gỗ nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng đã nghiên cứu được một số tính chất vật lý, cơ học cơ bản và một số thành phần hóa học cơ bản, S dụng Quy trình ThermoWood của Phần Lan các tác giả như Saila Jämsä và Pertti Viitaniemi đã s dụng công nghệ này để x lý nhiệt cho gỗ, s dụng hơi nước trong môi trường không khí; Quy trình Rectification và Le Bois Perdure của Pháp tác giả Michel Vernois trình bày phương pháp x lý nhiệt cho gỗ trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 2%; Quy trình OHT-Oil Heat Treatment của Đức [21]; Quy trình PLATO®-WOOD của Hà Lan công nghệ x lý nhiệt này s dụng môi trường hơi nước

và nước (thủy – nhiệt) [28] Tất cả bốn quy trình trên các tác giả trình bày s dụng môi trường khác nhau, biến số khác nhau cho các kết quả khác nhau Kết quả cho thấy, s dụng các môi trường x lý này làm cho gỗ có tính chất cơ học giảm, tăng tính ổn định kích thước, cải thiện độ bền sinh học, màu sắc gỗ thay đổi, thành phần hóa học thay đổi,… s dụng ba môi trường như quy trình của Phần Lan (không khí thường), Pháp (khí N2) và Đức (dầu) cho chất lượng gỗ x lý tốt nhưng giá thành sản phẩm x lý và yêu cầu công nghệ và thiết bị cao Do vậy, hướng chúng tôi nghiên cứu nhằm phù hợp với công nghệ và điều kiện tại Việt Nam là quy trình Quy trình PLATO®

-WOOD của

Hà Lan (nước và hơi nước hoặc không khí), với công nghệ này cho chất lượng gỗ x lý cũng tương tự ba quy trình trên mà giá thành gỗ x lý lại giảm, bởi công nghệ và thiết bị đơn giản, chính vì thế chúng tôi hướng nghiên cứu x lý nhiệt cho gỗ theo hướng thủy – nhiệt dùng môi trường nước và hơi nước là dẫn truyền nhiệt vào trong gỗ nhằm thay đổi một số tính chất của gỗ Ngoài ra, các tác giả trình bày các nghiên cứu chủ yếu đối với các loại gỗ rừng trồng ở Châu Âu chủ yếu là gỗ lá kim, nên chưa đại diện hết cho các

loại gỗ nói chung Gỗ lá kim có cấu tạo và sự phân bố thành phần hóa học khác với gỗ lá rộng, gỗ lá kim có sự phân bố thành phần hóa học đồng đều hơn so với gỗ lá rộng Vì vậy, hướng nghiên cứu cho gỗ rừng trồng ở Việt Nam cụ thể đối tượng là gỗ Bạch đàn đây là hướng nghiên cứu mới cần phải có nghiên cứu cho gỗ rừng trồng ở Việt Nam để phát triển và ứng dụng loại hình công nghệ này Bên cạnh đó, với các thông số công nghệ như nhiệt độ và thời gian của các công trình nghiên cứu đã công bố của nước ngoài thì với thông số nhiệt độ và thời gian mà tác giả nghiên cứu có sự khác biệt, chi tiết hơn nhằm tìm ra thông số phù hợp của nguyên liệu và thiết bị tại Việt Nam

Ở Việt Nam, một số tác giả đã nghiên cứu phương pháp x lý nhiệt và thủy nhiệt cho gỗ cơ bản mới chỉ nêu được sự thay đổi của tính chất cơ học và vật lý nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu hóa học và phân tích sâu, làm rõ về bản chất cũng như cơ sở khoa học của sự thay đổi của tính chất vật lý, cơ học và hóa học của gỗ được

x lý nhiệt và thủy - nhiệt, các nghiên cứu mới chỉ công bố ở dạng báo cáo kết quả Trong luận án này, kết quả nghiên cứu và phân tích sẽ làm rõ các phương pháp x lý nhiệt trên thế giới cũng như trong nước, nêu các tính chất thay đổi so với gỗ chưa x

lý Trong các nội dung nghiên cứu sẽ làm rõ bản chất của sự thay đổi tính chất vật lý,

cơ học, công nghệ, cấu tạo, sự biến đổi thành phần hóa học cơ bản và cấu trúc trong gỗ Bạch đàn (Eucalytus urophylla) trong công nghệ x lý thủy - nhiệt sẽ là nguyên nhân của các tác động ảnh hưởng đến tính chất cũng như chất lượng gỗ Bạch đàn thông qua

x lý thủy - nhiệt Kết quả dự kiến đạt được, làm rõ bản chất của x lý thủy - nhiệt cho

gỗ Bạch đàn thông qua các biến ảnh hưởng như nhiệt độ và thời gian Mặt khác, góp phần bổ sung thêm phần cơ sở lý thuyết và thực ti n về x lý thủy - nhiệt cho gỗ mọc nhanh rừng trồng nói chung và gỗ Bạch đàn nói riêng nhằm nâng cao hiệu quả s dụng

gỗ, đa dạng hóa loại hình công nghệ, nguyên liệu gỗ trong công nghệ chế biến gỗ và là tiền đề cho các định hướng nghiên cứu tiếp theo tại Việt Nam

1.4 Định hướng sử dụng sản phẩm xử lý nhiệt

Hiện nay, sản phẩm x lý chưa được đưa ra nhiều ở thị trường Việt Nam nên việc chọn quy mô để sản xuất sản phẩm này chúng tôi căn cứ vào nhu cầu, ứng dụng sản phẩm để làm nguyên liệu cho sản xuất đồ mộc không chịu lực lớn Chúng tôi chọn quy mô sản xuất cho công nghệ x lý với quy mô nhỏ

Quy quá trình tìm hiểu về công nghệ cũng như kết quả nghiên cứu với chất lượng gỗ được x lý nhiệt và thủy - nhiệt, chúng tôi định hướng sản phẩm để làm nguyên liệu cho công nghệ sản xuất đồ mộc nói chúng Cụ thể là làm nguyên liệu cho sản xuất khung, khuôn c a, tấm bậc cầu thang,

Trên thế giới, công nghệ x lý nhiệt nói chung và x lý thủy nhiệt nói riêng cơ bản trên 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT-Oil Heat Treatment của Đức, các nhân tố tác động đến gỗ là nhiệt độ, thời gian, áp suất và x lý trong môi trường như: không khí thường, hơi nước, dầu thực vật, khí trơ và chân không,… đều không s dụng các loại hóa chất Do đó, sản phẩm gỗ ít gây độc hại đến môi trường sản xuất và s dụng X lý thủy - nhiệt ưu điểm rất lớn là nâng cao tính ổn định kích thước, màu sắc gần giống một số loại gỗ quý, chống vi sinh vật, nên sản phẩm thường được dùng vào các công trình nội thất ngoại thất như bàn, tủ, c a, vách ngăn phòng và bậc cầu thang…, ngoại thất như các công trình lâm viên, lát sàn cho các công trình công cộng… Tuy nhiên, gỗ x lý thủy nhiệt lại giảm tính chất cơ học nên ứng dụng vào các công trình có tính chịu lực không cao, tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm mà người

ta ứng dụng loại gỗ x lý này vào từng công việc cụ thể Phạm vi ứng dụng của gỗ x lý

nhiệt theo công nghệ của Phần Lan (ThermoWood) thể hiện trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân loại và ứng dụng gỗ xử lý nhiệt theo công nghệ ThermoWood

c a đi, c a sổ, bể bơi, phòng tắm,…

Hình 1.4 Ứng dụng gỗ xử lý thủy - nhiệt dùng trong nội ngoại thất (ảnh minh họa)

1.5 Nhận xét kết quả v ịnh hướng nghiên cứu của luận án

Thông qua tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước như đã giới thiệu ở phần tổng quan về kết quả các nghiên cứu cho thấy:

* Nhận xét kết quả các công trình nghiên cứu

- Khi nhiệt độ và thời gian tăng, làm cho gỗ tăng tính ổn định kích thước (ASE , WRE), khả năng chống chịu vi sinh vật, màu sắc đậm hơn và tăng độ bền màu tự nhiên, giảm khả năng hút nhả ẩm và độ ẩm thăng bằng của gỗ x lý, tăng độ nhẵn bề mặt gỗ x lý Tuy nhiên, gỗ x lý nhiệt và thủy - nhiệt giảm khối lượng thể tích, giảm tính chất cơ học Ngoài ra có một vài trường hợp đặc biệt đã phát hiện gỗ x lý nhiệt

độ bền uốn tĩnh tăng, đây là ý kiến trái chiều cần được nghiên cứu và thảo luận

- Tính ổn định kích thước của gỗ ảnh hưởng bởi độ ẩm đầu vào trước khi x lý

Gỗ tươi sau khi x lý nhiệt và thủy – nhiệt có ổn định kém hơn so với gỗ khô, gỗ có độ

ẩm dưới độ ẩm bão hòa của gỗ

- Môi trường x lý ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, gỗ ở môi trường có nhiều ô xy như x lý nhiệt môi trường không khí thường và môi trường ẩm nhiệt, làm cho gỗ x lý có tính chất cơ học thấp hơn so với gỗ x lý trong môi trường ít

ô xy như: môi trường dầu và khí trơ bảo vệ

- Kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước chủ yếu là khảo sát, đánh giá, quy mô ở phòng thí nghiệm và trang thiết bị phức tạp

* Định hướng nghiên cứu của luận án

Trên thế giới, các nghiên cứu về x lý nhiệt nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng cho gỗ, từ các sản phẩm từ gỗ mục đích là nâng cao sự ổn định kích thước, độ bền sinh học, môi trường và thẩm mỹ của gỗ đang rất được quan tâm, coi trọng Nhờ

có các nghiên cứu này, nhiều công nghệ mới, cải tạo chất lượng gỗ, đặc biệt là ổn định kích thước, khả năng chống vi sinh vật, màu sắc, thẩm mỹ,… của gỗ đã được áp dụng một cách hiệu quả nâng cao giá trị s dụng gỗ nói chung và gỗ mọc nhanh rừng trồng nói riêng cho ngành chế biến gỗ

Trong phương pháp x lý nhiệt hiện nay, người ta chú trọng đến vấn đề bảo vệ môi trường không gây ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể làm cho sản phẩm tạo ra theo hướng pháp triển bền vững mà nhân loại hướng tới

Tại Việt Nam, những nghiên cứu về lĩnh vực x lý nhiệt tạo sản phẩm gỗ có tính mới của nguyên liệu còn quá ít Trước tình hình gỗ tự nhiên ngày càng cạn kiệt, nguồn nguyên liệu truyền thống cho sản xuất các loại hình sản phẩm gỗ từ gỗ tự nhiên

và các sản phẩm đồ mộc sẽ không còn, vấn đề s dụng gỗ rừng trồng làm nguyên liệu thay thế sẽ là tất yếu Thực tế, hướng s dụng x lý nhiệt cho gỗ là một hướng đi mới phù hợp với điều kiện của Việt Nam và xu hướng phát triển công nghệ gỗ trên thế giới Hướng nghiên cứu x lý thủy nhiệt có thể nâng cao chất lượng gỗ, mặt khác còn tìm ra được cơ chế biến đổi thành phần cấu tạo của gỗ sẽ làm cho tường minh vấn đề nghiên cứu và bổ sung cơ sở lý luận về x lý nhiệt nói chung và x lý thủy nhiệt nói riêng đối

với nghiên cứu và s dụng gỗ rừng trồng tại Việt Nam Để làm được điều này, cần phải xác định rõ một số định hướng nghiên cứu như sau:

(1) Tính mới về khoa học

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (nhiệt độ và thời gian) tới chất lượng gỗ x lý thủy - nhiệt đến tính ổn định kích thước, độ bền cơ học, vật lý và tính chất công nghệ của loài gỗ rừng trồng tại Việt Nam

- Nghiên cứu sự thay đổi của cấu tạo, cấu trúc và thành phần hóa học cơ bản của

gỗ trước và sau khi x lý thủy - nhiệt để có nhận định về tính chất của gỗ Góp phần làm rõ hơn cơ chế biến tính gỗ bằng công nghệ x lý thủy - nhiệt

- Nghiên cứu sự thay đổi màu sắc và cải thiện độ bền màu tự nhiên của gỗ x lý nhằm nâng cao chất lượng thẩm mỹ của gỗ rừng trồng, không những khắc phục yếu điểm về màu sắc mà tiến tới khắc phục những nhược điểm về cấu tạo của gỗ như vân thớ, giác lõi, của chúng, thông qua công nghệ x lý thủy - nhiệt từ nguyên liệu gỗ mọc nhanh rừng trồng

(2) Tính mới về thực tiễn

- Nghiên cứu các biến số nhiệt độ, thời gian x lý từ đó tìm ra quy luật biến đổi của các biến số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, từ đó tìm ra thông số phù hợp cho công nghệ, thiết bị và loại gỗ Bạch đàn để tạo sản phẩm (nguyên liệu) theo mục đích s dụng gỗ trong điều kiện Việt Nam

- Kế thừa và ứng dụng các loại hình công nghệ của x lý nhiệt và thủy nhiệt đang được áp dụng trên thế giới, làm tiền đề cho việc tiến hành nghiên cứu công nghệ

x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn nhằm đưa ra thông số công nghệ x lý phù hợp với loại gỗ và điều kiện trang thiết bị của nước ta trong điều kiện hiện tại và hướng phát triển cho tương lai của ngành công nghệ gỗ

- Cải thiện một số nhược điểm của gỗ Bạch đàn như tăng tính ổn định kích thước, giảm khả năng hút nhả ẩm và độ ẩm thăng bằng, màu sắc, độ bền màu, nhằm đáp ứng yêu cầu nguyên liệu gỗ dùng trong sản xuất đồ mộc dân dụng và xuất khẩu

- Nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ x lý nhiệt nói chung

và x lý thủy - nhiệt riêng và đa dạng hóa sản phẩm mộc trên thị trường

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Công nghệ x lý thủy - nhiệt gỗ Bạch đàn

(Eucalyptus urophylla S.T Blake) bằng thiết bị (Sumpot ) của Trung tâm Thí nghiệm

và Phát triển công nghệ - Viện Công nghiệp gỗ - Trường Đại học Lâm nghiệp

2.1.2 Đối tượng nghiên cứu cụ thể:

Thông qua hai biến số công nghệ là nhiệt độ và thời gian x lý được bố trí theo quy hoạch thực nghiệm, gỗ Bạch đàn có độ tuổi 10 đến 15 năm được khai thác tại Ba Trại, Ba Vì, Hà Nội, trong luận án cụ thể các đối tượng nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ x lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) đến chất lượng gỗ Bạch đàn: tính chất cơ học, vật lý và tính chất công nghệ

- Nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ x lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc

và biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn trước và sau khi x lý

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt đến cấu tạo, thành phần hóa học cơ bản của gỗ Bạch đàn

- Nghiên cứu ảnh hưởng của x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thuỷ - nhiệt

2.2 Phạm vi nghiên cứu

2.2.1 Các yếu tố cố định

- Nguyên vật liệu nghiên cứu:

+ Gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake), tuổi từ 10 - 15 năm

+ Gỗ xẻ có kích thước mẫu x lý thủy - nhiệt: 25 x (40 đến 100) x 600, mm + Độ ẩm của gỗ trước khi x lý: MC = 25 đến 30 %

+ Độ ẩm của gỗ sau khi x lý (sấy hoặc hong phơi tự nhiên): MC = 12%

- Phương pháp x lý: X lý thủy - nhiệt

- Quá trình x lý thủy - nhiệt: Trong luận án chúng tôi lựa chọn s dụng thiết bị quy mô phòng thí nghiệm với quy trình x lý thủy - nhiệt gồm 2 giai đoạn: giai đoạn 1

x lý thủy - nhiệt và giai đoạn 2 sấy gỗ (đa tụ) Kết thúc quá trình x lý, mẫu gỗ x lý được làm nguội tự nhiên trong điều kiện nhiệt độ môi trường