Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ biến tính gỗ trám trắng (canarium album raeussch) làm ván sàn bằng phương pháp nén ép

Hiện nay có một số loại hình biến tính gỗ nh-: gỗ ngâm tẩm, gỗ ép lớp, gỗ nén, gỗ tăng tỷ trọng, polyme hoá… Trong lĩnh vực biến tính gỗ bằng ph-ơng pháp nén ép nhằm tạo ra một loại vật

Tr-ờng đại học lâm nghiệp

Tr-ờng đại học lâm nghiệp

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới lãnh đạo cán bộ, giảng viên Khoa sau đại học, Khoa chế biến lâm sản, Trung tâm thí nghiệm, Trung tâm nghiên cứu chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng, Trung tâm khoa học và th- viện, Phòng khoa học và hợp tác quốc tế Tr-ờng Đại học Lâm nghiệp đã tạo

điều kiện giúp đỡ tôi về ph-ơng pháp nghiên cứu, kiến thức chuyên môn, tài liệu tham khảo liên quan đến đề tài, cơ sở vật chất trang thiết bị thí nghiệm trong suốt quá trình học tập và làm tốt nghiệp

Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo h-ớng dẫn khoa học TS Vũ Huy Đại đã tận tình h-ớng dẫn giúp đỡ về kiến thức chuyên môn, tài liệu tham khảo để luận văn đ-ợc hoàn thành

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo cơ quan, bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi về cơ sở vật chất, thời gian, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn tới Bố, Mẹ, anh chị em

và vợ tôi đã động viên khích lệ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tác giả

Trần Ngọc Thành

3.1.1 Xác định tính chất cơ lý của gỗ Trám trắng 39

3.4 ảnh h-ởng của nhiệt độ và tỉ suất nén đến tính chất cơ học của gỗ

biến tính

46

3.4.1 ảnh h-ởng của nhiệt độ và tỉ suất nén đến độ bền uốn tĩnh 46 3.4.2 ảnh h-ởng của nhiệt độ và tỉ suất nén đến độ bền ép dọc 48 3.4.3 ảnh h-ởng của nhiệt độ và tỉ suất nén đến modul đàn hồi uốn tĩnh

49

3.4.4 ảnh h-ởng của nhiệt độ và tỉ suất nén đến độ cứng xung kích 50 3.4.5 ảnh h-ởng của nhiệt độ và tỉ suất nén đến độ bền ép ngang 52 3.5 Đánh giá tính chất gỗ Trám trắng làm ván sàn 53

Đặt vấn đề

Gỗ là vật liệu tự nhiên có nhiều -u điểm đ-ợc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất các sản phẩm mộc phục vụ các mục đích khác nhau Trong những năm gần đây, do nhiều nguyên nhân khác nhau mà những loại gỗ có chất l-ợng tốt nh- tính chất cơ lý cao, vân thớ đẹp, độ bền tự nhiên cao ngày càng

bị cạn kiệt Theo cùng sự phát triển của khoa học công nghệ trong từng giai

đoạn lịch sử đã gắn liền với việc nâng cao chất l-ợng và sử dụng gỗ hợp lý phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau

Vật liệu gỗ có nhiều đặc tính -u việt nh-: nhẹ, hệ số phẩm chất cao, dễ gia công chế biến, chịu đ-ợc tác động của ngoại lực do đó gỗ đ-ợc sử dụng để sản xuất ra các sản phẩm dùng trong nội thất, xây dựng, giao thông và một số lĩnh vực khác Tuy nhiên nhìn trên góc độ chế biến cơ học thì gỗ có một số nh-ợc

điểm nh-: tính dị h-ớng, khả năng co dãn cao dẫn tới gỗ bị cong vênh Tính chất của gỗ phụ thuộc không những vào loài cây, mà còn phụ thuộc vào tuổi của cây Do vậy nâng cao chất l-ợng ( tính chất cơ lý ) của gỗ rừng trồng để nâng cao giá trị sử dụng và có thể thay thế các loại gỗ quý hiếm nhằm đáp ứng đ-ợc nhu cầu của thực tiễn sản xuất là xu h-ớng chiến l-ợc của công nghiệp chế biến gỗ ở n-ớc ta Sản xuất gỗ biến tính bằng ph-ơng pháp nén ép

là một trong những xu h-ớng nâng cao tính chất cơ lý và sử dụng hiệu quả các loại nguyên liệu gỗ rừng trồng

Trong những năm qua, một số cây rừng trồng mọc nhanh đã tỏ ra -u thế của mình về tốc độ sinh tr-ởng nh-ng nó lại có nhiều nh-ợc điểm lớn nh- khối l-ợng thể tích thấp dẫn đến tính chất cơ lý thấp và độ bền tự nhiên không cao Chính vì vậy việc nâng cao khối l-ợng thể tích gỗ rừng trồng có khối l-ợng thể tích thấp có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn

Trên thế giới, công nghệ biến tính gỗ đã đ-ợc nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất khá lâu Công nghệ biến tính gỗ theo nhiều xu h-ớng khác nhau

đã đ-ợc phát triển mạnh mẽ ở nhiều n-ớc trên thế giới và đã tạo ra nhiều loại

vật liệu mới có tính chất cơ lý và tính năng công nghệ cao và đ-ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội nh- trong sản xuất đồ mộc nội thất, xây dựng, giao thông, chế tạo máy…

Trong những năm gần đây, công nghệ biến tính gỗ các loại gỗ rừng trồng ở n-ớc ta đã đ-ợc nghiên cứu và thu đ-ợc những kết quả ban đầu rất khả quan ( trên một số loại gỗ rừng trồng: Keo, Bồ Đề…), đặt nền móng cho các nghiên cứu tiếp theo

Trám trắng ( Canarium album Raeusch) là một trong những loài cây

rừng trồng mọc nhanh có khối l-ợng thể tích thấp đã đ-ợc nghiên cứu theo các xu h-ớng sử dụng trong sản xuất ván dán, bột giấy Nghiên cứu nâng cao chất l-ợng gỗ Trám trắng để sản xuất đồ mộc nội thất, xây dựng hầu nh- ch-a đ-ợc nghiên cứu Xuất phát từ thực tiễn đó và để tiếp tục nghiên cứu biến tính gỗ rừng trồng phục vụ cho các ngành chế biến gỗ xây dựng và dân dụng

tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ biến tính gỗ Trám

trắng (Canarium album Raeusch.) làm ván sàn bằng phương pháp nén ép”

Ch-ơng 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.1.1 Trên thế giới

Gỗ là loại vật liệu tự nhiên vừa có tính dẻo vừa có tính đàn hồi, d-ới điều

kiện công nghệ nhất định gỗ bị nén ép lại làm cho mật độ gỗ tăng lên nh-ng không phá vỡ kết cấu từ đó nâng cao đ-ợc độ bền cơ học của gỗ Gỗ có đặc tính xốp, mao dẫn, dị h-ớng có khả năng trao đổi ẩm với môi tr-ờng xung quanh dẫn tới sự đổi kích th-ớc, hình dạng và tính chất cơ lý của gỗ sẽ ảnh h-ởng đến thời gian sử dụng và độ bền sản phẩm

Công nghệ biến tính gỗ đ-ợc phát triển mạnh mẽ trên thế giới từ những năm 1970 tại Nga, Mỹ, Đức với mục đích nâng cao tính chất của gỗ Biến tính gỗ đã là quá trình thay đổi tính chất của gỗ d-ới tác động của các yếu tố hoá học, vật lý tác động lên gỗ mà chủ yếu là tác động vào cấu trúc vách tế bào Hiện nay có một số loại hình biến tính gỗ nh-: gỗ ngâm tẩm, gỗ ép lớp,

gỗ nén, gỗ tăng tỷ trọng, polyme hoá…

Trong lĩnh vực biến tính gỗ bằng ph-ơng pháp nén ép nhằm tạo ra một loại vật liệu mới là: gỗ biến tính có tính chất cơ lý cao hơn so với gỗ ban đầu theo một số h-ớng sau:

+ Biến tính nhiệt cơ

Đây là ph-ơng pháp sử dụng đặc tính rỗng xốp của gỗ để dồn nén gỗ làm cho gỗ có mật độ lớn hơn trong một đơn vị thể tích, tức là làm tăng khối l-ợng thể tích của gỗ từ đó sẽ tăng đ-ợc độ cứng của vật liệu Gỗ d-ới tác dụng của ngoại lực bằng các ph-ơng pháp khác nhau sẽ có sự biến dạng nhất

định khi nén gỗ theo chiều ngang thớ ( theo h-ớng xuyên tâm và tiếp tuyến)

Ng-ời Đức đầu tiên đã sản xuất ra gỗ nén vào những năm 30 của thế kỷ này Trên thị tr-ờng đ-ợc tiêu thụ với th-ơng hiệu Lignostone, chủ yếu dùng

để sản xuất suốt thoi dệt và cán công cụ[7] Nguyên lý tạo các sản phẩm gỗ bằng ph-ơng pháp nén ép là gỗ đ-ợc hoá dẻo bằng xử lý nhiệt ẩm sau đó đ-ợc nén ép trong khuôn ép kín ở áp lực và nhiệt độ cao

GS P N Xykhranxki, Tr-ờng Đại học Lâm nghiệp kỹ thuật Varonhez

là ng-ời đi đầu trong lĩnh vực này ở n-ớc Nga Ông đã xây dựng đ-ợc cơ sở lý thuyết, các thông số công nghệ và xác định đ-ợc nhiều tính chất của gỗ biến tính Tùy theo đặc điểm của các loại gỗ và mục đích sử dụng mà nén với các

tỷ suất nén khác nhau từ 20-62% và khối l-ợng thể tích đạt cao nhất là 1,460 g/cm3( ví dụ đối với gỗ Thông nén với tỷ suất nén 62%) Gỗ nguyên đ-ợc hoá dẻo bằng hơi n-ớc với áp suất không lớn hơn 1 at, sau đó đ-ợc nén ép ở nhiệt

độ 110-1300C và sấy gỗ ở chế độ nhiệt độ thấp Quá trình ép và sấy gỗ đ-ợc tiến hành trong khuôn kín Sản phẩm gỗ biến tính ph-ơng pháp Khukhrenxki

đ-ợc sản xuất ở nhiều cơ sở sản xuất và đ-ợc sử dụng trong lĩnh vực chế tạo máy để thay thế các kim loại màu trong một số loại động cơ Tuy nhiên, một trong những nh-ợc điểm lớn của ph-ơng pháp này là tỷ suất đàn hồi trở lại là rất cao, điều này đã hạn chế việc sử dụng sản phẩm chúng trong lĩnh vực các sản phẩm mộc.[28]

Một số nhà khoa học của Học viện Kỹ thuật Lâm nghiệp Leningrat đã tiến hành hoá dẻo gỗ ở nhiệt độ 160-1700C sau đó tiến hành nén ép ở áp lực cao (400-500 kgf/cm2) trong thời gian nhất định tạo ra các sản phẩm gỗ biến tính có chất l-ợng cao.[29]

GS V.G Matveeva, H.M Tretverikova thuộc Viện nghiên cứu công nghệ gỗ SNIMOD, Nga đã xây dựng đ-ợc công nghệ nén ép gỗ bằng ph-ơng làm nóng gỗ tr-ớc Gỗ đ-ợc nén ép xuống 10% đ-ợc làm nóng ở ngay trong máy ép ở nhiệt độ 110-1600C, sau đó sau đó tiến hành gia nhiệt và nén ép ở các mức khác nhau cho đến khi đạt đ-ợc tỷ suất nén cuối cùng Gỗ nén ép có thể đạt đ-ợc khối l-ợng thể tích 1,300 g/cm3 [28;29]

Theo V.G Matveeva khi tăng mức độ nén gỗ, độ bền của gỗ sẽ tăng lên

mà không phụ thuộc vào ph-ơng pháp nén Khi tăng mức độ ép gỗ cực đại thì

độ bền của gỗ sẽ tăng lên rất nhanh [9]

Tại Nga, có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về công nghệ biến tính gỗ theo ph-ơng pháp này Sản phẩm gỗ biến tính đã đ-ợc tiêu chuẩn hoá theo các ph-ơng pháp sản xuất và lĩnh vực ứng dụng

Viện hoá học mỏ Bắc Kinh đã thí nghiệm dùng gỗ nén và thu đ-ợc kết quả thực nghiệm về tính đàn hồi [9]

GS A I Kalisin và T.A Darzihs, Viện công nghệ hoá học gỗ Latvia đã nghiên cứu thành công việc hoá dẻo gỗ bằng dung dịch amonac với các nồng

độ khác nhau và amoniac ở dạng khí, sau đó đ-ợc tiến hành nén ép ở nhiệt độ 140-1600C với áp lực từ 20-80 kgf/cm2 với thời gian nhất định.[9]

Phòng Thí nghiệm Lâm sản, Mỹ cũng đã nghiên cứu thành công việc nén

ép gỗ bằng ph-ơng pháp hoá dẻo gỗ bằng xử lý nhiệt sau đó nén ép ở áp suất

cao Sản phẩm có tên gọi th-ơng mại (Staypak) [15]

Nh-ợc điểm của gỗ nén ép theo ph-ơng pháp này là kích th-ớc gỗ không

ổn định trong điều kiện ẩm -ớt gỗ dễ hút ẩm đàn hồi trở về trạng thái ban đầu

và việc ngăn ngừa sự đàn hồi vì thế cơ chế của quá trình nén ép gỗ nguyên nhân của sự đàn hồi trở về trạng thái ban đầu và việc ngăn ngừa sự trở về trạng thái ban đầu là một vấn đề cần đ-ợc nghiên cứu d-ới nhiều ph-ơng diện khác nhau, nh-ng vấn đề đàn hồi trở về trạng thái ban đầu vẫn không thể khắc phục hoàn toàn

+ Biến tính hóa- nhiệt cơ

Gỗ đ-ợc tẩm hoá chất và nén ép trong một chế độ ép nhất định Sản phẩm gỗ nén có tỷ trọng t-ơng đối cao và tỷ suất đàn hồi trở lại thấp hơn so với gỗ nén ép bằng ph-ơng pháp nhiệt cơ

Tr-ờng ĐH công nghiệp rừng Varonhet đã tạo ra ph-ơng pháp biến tính

gỗ loại hoá cơ bằng hoá dẻo gỗ bởi Ure Gỗ lá rộng có độ ẩm 10-15% tẩm ở

áp suất 0.5 MPa, đ-ợc làm nóng đến 950C, nén ở nhiệt độ cao ở 1700C sau đó làm nguội đến 18-230C Ph-ơng pháp này gọi là ph-ơng pháp Daxtam [9;22;28]

Theo tác giả G L Angendorf (1982) trong thời gian này đã tạo ra hàng loạt ph-ơng pháp biến tính gỗ Ví dụ: dung dịch của U-F có khối l-ợng phân

tử thấp sẽ đ-ợc tẩm vào gỗ d-ới áp lực nhất định Sau đó nó đ-ợc trùng hợp ở nhiệt độ từ 106-1100C trong môi tr-ờng dòng điện cao tần Những loại gỗ biến tính đó đ-ợc ứng dụng trong công nghệ chế tạo tàu thuyền [24]

Các loại gỗ biến tính theo ph-ơng pháp này có tính ổn định kích th-ớc cao hơn so với ph-ơng pháp nhiệt cơ Tuy nhiên, do sử dụng hoá chất để hoá dẻo gỗ hoặc ngâm tẩm trong quá trình nén ép nên đã ảnh h-ởng không nhỏ

đến môi tr-ờng và sức khoẻ con ng-ời trong quá trình sử dụng và giá thành sản phẩm cao

1.1.2 Trong n-ớc

Vào những năm 1980 khi ngành dệt n-ớc ta còn dùng các ngành dệt có thoi Do thoi dệt nhập khẩu rất đắt dần dần chúng ta đã nghiên cứu và tạo ra các loại thoi dệt từ gỗ ép và keo phênol Từ năm 2002 đến nay, Viện KH Lâm nghiệp Việt nam, Tr-ờng Đại học Lâm nghiệp, đã đẩy mạnh việc nghiên cứu biến tính gỗ, đặc biệt là gỗ rừng trồng

TS Nguyễn Trọng Nhân (1990), đã đ-a ra công nghệ tẩm hoá chất và ép nhiệt để tạo ra phôi thoi dệt từ gỗ Vạng trứng: Tỉ trọng của gỗ 0.9g/cm3 ; Nồng độ dung dịch tẩm 33%,độ nhớt của dung dịch tẩm BZ4:28s; Kích th-ớc sản phẩm 36x5.5x7.6 cm, độ ẩm 12% [4]

TS Trần Văn Chứ (2004) đã biến tính một số loại gỗ rừng trồng Bồ đề, Keo lá tràm, Keo lai làm đồ mộc bằng ph-ơng pháp hoá dẻo gỗ bằng dung

dịch Ure và tiến hành nén ép ở nhiệt độ và áp suất cao Sản phẩm gỗ biến tính

có khối l-ợng thể tích tăng hơn so với ban đầu [1]

TS Vũ Huy Đại (2004) đã biến tính gỗ Keo tai t-ợng bằng ph-ơng pháp hoá dẻo gỗ bởi dung dịch amoniac nồng độ 25% và tiến hành nén ép ở các tỷ suất nén khác nhau 30%, 40%, 50% Sản phẩm gỗ biến tính có khối l-ợng thể tích, tính chất cơ lý cao hơn so với gỗ ban đầu [2]

Tiếp sau đó nhiều đề tài khoá luận của sinh viên Tr-ờng đại học Lâm nghiệp đã nghiên cứu về lĩnh vực này Các nghiên cứu chủ yếu tập theo h-ớng

ảnh h-ởng của chế độ hoá dẻo, chế độ ép đến tính chất cơ lý và tính đàn hồi trở lại của gỗ biến tính

Hiện tại và trong t-ơng lai ở n-ớc ta cần có nhiều nghiên cứu về nâng cao tính chất cơ lý của các loài gỗ mềm lá rộng nhằm hoàn thiện công nghệ biến tính gỗ bằng ph-ơng pháp nén ép để có thể tạo nguồn nguyên liệu mới thay thế nguồn nguyên liệu gỗ rừng tự nhiên hiện đang bị cạn kiệt

Trám trắng là loài cây gỗ mềm lá rộng thuộc ch-ơng trình trồng rừng trọng

điểm của n-ớc ta có tốc độ sinh tr-ởng nhanh, đ-ợc gây trồng trên diện rộng trong cả n-ớc Tuy nhiên, cho đến nay vẫn ch-a có công trình nào nghiên cứu

về biến tính gỗ Trám trắng làm đồ mộc, ván sàn

1.2 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Ngành chế biến gỗ trong những năm qua đã có những đóng góp rất lớn cho nền kinh tế quốc dân: đồ gỗ xuất khẩu của n-ớc ta liên tục tăng mạnh Năm 2000, kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ cả n-ớc là 219 triệu USD, năm 2002, con số này tăng rất nhanh đạt gần 500 triệu USD, năm 2005, kim ngạch xuất khẩu sản phẩm gỗ tăng mạnh đạt 1,5 tỷ USD Theo đánh giá của Bộ Th-ơng mại, Hiệp hội gỗ và lâm sản, năm 2006 kim ngạch xuất khẩu sản phẩm gỗ có thể đạt ng-ỡng 2 tỷ USD

Hiện nay, Việt Nam đ-ợc coi là quốc gia xuất khẩu sản phẩm gỗ đứng thứ

ba thế giới, sau Trung Quốc và Thái Lan Gỗ Việt Nam đã xây dựng đ-ợc

những thị tr-ờng quen thuộc nh-: Châu Âu, Nhật, Mỹ và một số n-ớc Châu á khác - đó là những khu vực tiêu thụ gỗ mạnh trên thế giới

Tuy nhiên, cũng phải thấy một thực trạng là nguyên liêu gỗ nhập khẩu

từ các n-ớc trong khu vực, Châu Mỹ, Châu Phi đã chiếm 85 - 85% Trong khi

đó, nguồn nguyên liệu n-ớc ta đã cạn kiệt hoặc ch-a đáp ứng đ-ợc yêu cầu về sản xuất đồ mộc Chính vì vậy, việc cung cấp đủ nguyên liệu cho nhu cầu phát triển của ngành chế biến gỗ và lâm sản đang là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay

Tr-ớc tình hình đó Thủ t-ớng Chính phủ đã ra chỉ thị số 19/2004/ CT- TTg ngày 01/06/2004 về một số giải pháp phát triển nghành chế biến gỗ và xuất khẩu sản phẩm gỗ Nâng cao chất l-ợng gỗ rừng trồng để thay thế nguồn nguyên liệu từ gỗ tự nhiên cho sản xuất đồ mộc trong n-ớc và xuất khẩu đã

đ-ợc nhà n-ớc ta khẳng định là nhiệm vụ chiến l-ợc của ngành chế biến lâm sản ở n-ớc ta trong những năm tới

Để giải quyết vấn đề này có hai h-ớng, đó là: Phát triển nhanh diện tích rừng nguyên liệu và nhanh chóng nghiên cứu, áp dụng các giải pháp công nghệ nâng cao tính chất gỗ rừng trồng thay thế nguồn nguyên liệu truyền thống

Trám trắng (Canarium album Raeuch) thuộc loài cây mọc nhanh, có

khả năng thích ứng rộng với điều kiện đất và khí hậu Việt Nam Hiện nay, gỗ Trám trắng th-ờng chỉ sử dụng để bóc ván mỏng hoặc sử dụng trong sản xuất

đồ mộc thông th-ờng với giá trị kinh tế thấp, các chi tiết đồ mộc phụ, việc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất đồ mộc chất l-ợng cao còn bị hạn chế Một trong những nguyên nhân đó là gỗ có khối l-ợng thể tích thấp, mềm, dễ bị nấm mốc mối mọt Do vậy, nâng cao khối l-ợng thể tích, tính chất cơ lý của

gỗ Trám trắng nói riêng và gỗ rừng trồng nói chung có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Để tăng giá trị sử dụng của loại gỗ này ta cần phải biến tính để dùng làm nguyên liệu sản xuất các loại sản phẩm khác có giá trị kinh tế cao hơn nh- : ván sàn, đồ gỗ dân dụng và xây dựng

Xuất phát từ thực tế đó, trong điều kiện ở n-ớc ta có thể tiến hành b-ớc đầu thử nghiệm biến tính gỗ Trám trắng nâng cao tính chất cơ lý của gỗ để làm ván sàn

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định ảnh h-ởng của nhiệt độ ép, tỷ suất nén đến tính chất cơ lý chủ yếu của gỗ biến tính

- Đánh giá tính chất gỗ biến tính Trám trắng làm ván sàn

1.4 Đối t-ợng nghiên cứu

- Gỗ Trám trắng 10 tuổi đ-ợc khai thác tại vùng sinh thái Đình Lập - Lạng Sơn

- Yếu tố công nghệ đ-ợc nghiên cứu trong đề tài: Tỷ suất nén, nhiệt độ ép

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh h-ởng của tỷ suất nén, nhiệt độ ép đến tính chất vật lý của

gỗ

- Nghiên cứu ảnh h-ởng của tỷ suất nén, nhiệt độ ép đến đến tính chất cơ học chủ yếu của gỗ: độ bền uốn tĩnh, độ bền ép dọc, độ bền ép ngang, độ cứng xung kích, modul đàn hồi uốn tĩnh

- Nghiên cứu xác định tính chất của gỗ Trám trắng biến tính cho mục đích sử dụng làm ván sàn

1.6 Ph-ơng pháp nghiên cứu

 Ph-ơng pháp kế thừa:

Công nghệ nén ép gỗ là loại hình công nghệ đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều n-ớc trên thế giới, tuy nhiên ở n-ớc ta vấn còn khá mới mẻ nh-ng đã có những kết quả ban đầu nghiên cứu về lĩnh vực này Do vậy luận văn đã kế thừa tài liệu nghiên cứu ở trong và ngoài n-ớc có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu

 Ph-ơng pháp thực nghiệm

- Ph-ơng pháp nén ép gỗ: Nguyên lý chung để tạo gỗ nén ép là gỗ phải đ-ợc

hoá dẻo và tiến hành nén ép ở điều kiện nhiệt độ, thời gian, áp suất nhất định

Qua tham khảo tài liệu nghiên cứu ở ngoài n-ớc đề tài lựa chọn ph-ơng pháp nén ép gỗ bằng gia nhiệt trực tiếp gỗ để hoá dẻo và nén ép gỗ theo nhiều cấp

- Bố trí thực nghiệm

+ Lựa chọn yếu tố công nghệ đầu vào

Trong công nghệ nén ép gỗ bằng ph-ơng pháp nhiệt cơ có nhiều yếu

tố ảnh h-ởng đến chất l-ợng gỗ nén: loại gỗ, tỷ suất nén, độ ẩm gỗ, nhiệt độ

và thời gian xử lý hoá dẻo, áp lực ép, chiều h-ớng nén ép gỗ

Với mục đích tạo thử nghiệm gỗ biến tính làm ván sàn bằng ph-ơng pháp nén ép, trong điều kiện của luận văn tốt nghiệp hạn chế về thời gian và thiết bị, qua tham khảo tài liệu nghiên cứu ngoài n-ớc 9;22;28 và kết quả nghiên cứu [1;2;4] đề tài lựa chọn hai yếu tố công nghệ có tác động lớn đến tính chất cơ lý của gỗ biến tính và sự ổn định kích th-ớc đó là: Tỷ suất nén và nhiệt độ ép

Đề tài lựa chọn ph-ơng pháp bố trí thực nghiệm theo kiểu l-ới kiểu đầy

đủ cho hai nhân tố Số lần lặp mỗi thí nghiệm là K=3.[10]

Yếu tố đầu vào: Nhiệt độ ép và tỷ suất nén ở 3 mức cao, giữa, thấp và

Nhiệt

độ

Tỷ suất nén

%

Khối l-ợng thể tích

,g/cm 3

Độ đàn hồi trở lại,

%

Độ bền ép Dọc, MPa

Độ bền ép ngang, MPa

MOR MPa

MOE MPa

Độ cứng Xung kích, g.mm/

mm 2

- - - -

-3 160

Do điều kiện của đề tài nên các thông số sau đ-ợc cố định: độ ẩm gỗ, thời

gian nén ép, h-ớng ép, chiều dày của gỗ tr-ớc khi nén ép

- Gỗ sau khi nén ép có xu h-ớng đàn hồi trở lại kích th-ớc và hình dạng

ban đầu, để hạn chế hiện t-ợng này, đề tài lựa chọn giải pháp xử lý gỗ ở nhiệt

độ T=1700C với thời gian là 120 ph

- Mẫu thực nghiệm

Đề đánh giá ảnh h-ởng của tỷ xuất nén đến tính chất của gỗ biến tính làm ván

sàn, luận văn đã lựa chọn các mẫu thí nghiệm có kích th-ớc ban đầu:

( Chiều dài x chiều rộng x chiều dày ) 300 x90 x 30 mm

 Ph-ơng pháp sử dụng tiêu chuẩn:

Sử dụng các tiêu chuẩn về xác định kích th-ớc và số l-ợng mẫu thí nghiệm

dựa trên các tiêu chuẩn của Việt Nam và Nga về thử cơ lý gỗ

- Xác định tính chất cơ lý của gỗ Trám trắng không nén ép theo TCVN 355-70

Do gỗ sau khi nén ép đã mang tính chất của vật liệu ép lớp, xác định tính chất

của gỗ biến tính đ-ợc tiến hành theo Tiêu chuẩn của gỗ biến tính của Liên xô

cũ Nguyên lý xác định tính chất cơ lý đ-ợc thực hiện nh- ph-ơng pháp thử cơ

lý thông th-ờng, tuy nhiên có sự khác nhau về kích th-ớc mẫu thử:

- Tính chất vật lý:

Khối l-ợng thể tích gỗ khô kiệt: OCT 9629-66

Độ đàn hồi trở lại của gỗ: OCT 11488- 61 Độ đàn hồi trở lại của

gỗ biến tính đ-ợc xác định theo công thức :

K= 100 ,%

01

01 03

a

a

a 

a01- chiều dày mẫu gỗ sau khi nén ở trạng thái khô kiệt

a02 - chiều dày mẫu gỗ sau khi nén ở trạng thái khô kiệt đ-ợc ngâm trong n-ớc trong thời gian 30 ngày

a03- chiều dày mẫu gỗ sau khi nén ở trạng thái khô kiệt đ-ợc ngâm trong n-ớc trong thời gian 30 ngày và đ-ợc sấy khô đến trạng thái khô kiệt

K- tỷ suất đàn hồi trở lại, %

T - Độ tr-ơng nở sau 30 ngày, %

01

01 02

1.7 ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể mở ra xu h-ớng mới trong việc sử

dụng và nâng cao chất l-ợng gỗ Trám trắng (canarium album) và các loại gỗ

khác theo xu h-ớng biến tính gỗ bằng ph-ơng pháp nhiệt cơ

Ch-¬ng 2 C¬ së lý luËn 2.1 §Æc ®iÓm chung vÒ gç

Gç lµ vËt liÖu rçng, xèp, mao dÉn ®-îc cÊu t¹o tõ c¸c tÕ bµo xÕp däc (m¹ch

gç, sîi gç, tÕ bµo m« mÒm, qu¶n bµo, èng dÉn nhùa) vµ xÕp ngang th©n c©y (tia gç, èng dÉn nhùa) Trong mçi vßng n¨m, ë phÇn gç muén cã tÕ bµo v¸ch dµy, ë phÇn gç sím cã c¸c tÕ bµo v¸ch máng

V¸ch tÕ bµo ®-îc t¹o nªn bëi thµnh phÇn chÝnh lµ cellulose vµ c¸c chÊt nÒn - matrix (lignin vµ hemicellulose) [13;18]

H×nh 2.1 cÊu tróc v¸ch tÕ bµo

V¸ch tÕ bµo ®-îc cÊu t¹o bëi 3 chÊt c¬ b¶n :

- ChÊt cèt lâi ( Framwork substance)

- ChÊt nÒn ( Matrix substance)

- ChÊt t¹o vá ( Encrating substance)

Trong vách tế bào các phần tử cellulose xếp theo chiều dọc thân cây, gọi là các mixen (microfibril) Giữa các mixel đ-ợc lấp đầy, phân cách bởi các chất nền đ-ợc tạo thành từ hemicellulose và lignin N-ớc và nhiệt độ tạo nên những tác dụng khác nhau đối với chất nền và các mixen Tuy nhiên, phần tử n-ớc không thể vào đ-ợc các vùng kết tinh của mixen, vì vậy n-ớc kết hợp tồn tại ở giữa các chất nền và ở các khe hở giữa các chất nền và mixen, nó tạo thành các chất tr-ơng nở và dẻo hoá

Vách tế bào gỗ chủ yếu do cellulose và lignin tạo nên, cellulose làm thành s-ờn vững chắc nh- cốt sắt, lignin tựa nh- xi măng bám quanh s-ờn sắt

ấy Vách tế bào chia làm ba phần: màng giữa, vách sơ sinh và vách thứ sinh

Ba thành phần này khác nhau chủ yếu là do hàm l-ợng lignin nhiều hay ít

Gỗ là vật liệu polyme đ-ợc tạo nên bởi các tế bào gồm các thành phần hoá học 40 - 50% cellulose, 20 - 30% hemicellulose và 20 - 30% lignin [9]

-Cellulose: Cellulose có độ dẻo và là thành phần chịu lực chính của vách

tế bào, lignin có tính cứng và có sức chịu nén lớn khi ép ngang thớ Theo nhiều tác giả cellulose là một chất hữu cơ cao phân tử thiên nhiên có công thức (C6H10O5)n Phân tử cellulose là sự liên kết của các phân tử D - glucose, chuỗi cellulose chứa từ 200 - 3000 phân tử monome liên kết với nhau ở vị trí 1- 4 tạo nên sợi cơ bản Cấu tạo phân tử cellulose đ-ợc mô tả nh- hình 2.2

ở mỗi mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl (- OH) ở vị trí 2, 3, 6 (trong đó có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai).Trong quá trình tạo thành các dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai trò quan trọng

+ Sự tạo thành các hợp chất cộng

Nguyên nhân của các phản ứng tạo thành các hợp chất cộng là: trong thời gian gỗ tr-ơng nở, các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose ở cạnh nhau bị đứt và tại những liên kết đó, các phân tử của tác nhân bị đẩy, gỗ có cấu tạo xốp nên 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

+ Quá trình tr-ơng nở của cellulose

Cellulose là chất cao phân tử có cực, nh- vậy dung môi gây tr-ơng nở hay hoà tan cellulose cũng phải là dung môi có cực Thực chất quá trình tr-ơng cellulose là quá trình tác nhân gây tr-ơng 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, dẫn đến 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 t-ợng tr-ơng nở của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, do nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hoá học của gỗ thay đổi

Quá trình tr-ơng nở cellulose trong n-ớc là tr-ờng hợp điển hình, bản chất quá trình tr-ơng nở cellulose trong n-ớc đ-ợc mô tả nh- hình 2.3

- Lignin: Lignin là một tập hợp các chất hữu cơ có sự biến động lớn về cấu

tạo, thành phần hoá học D-ới tác động của nhiệt độ cao, lignin bị mềm hoá

Lignin cũng có tính chất tr-ơng nở và hoà tan trong những dung môi thích hợp nh- 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

- Hemicellulose: Cũng nh- cellulose, hemicellulose là những chất

polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào, nh-ng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao

Hemicellulose gồm có pentozan (C5H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n

Hình 2.3 Quá trình tr-ơng cellulose trong n-ớc

a - Cellulose với liên kết cầu hydro; b - sự tr-ơng của cellulose trong n-ớc

Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn acid uronic, đó là acid của các loại đ-ờng 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 Nh- 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 n-ớc, làm cho khả năng hút n-ớc và tr-ơng nở của gỗ giảm đi

Ta thấy, tất cả các thành phần hoá học này đều có nhóm hydroxyl (-OH) Nhóm chức này đóng vai trò quan trọng trong việc t-ơng tác giữa gỗ

và n-ớc Sự co dãn của gỗ là do sự thay đổi ẩm của gỗ mà gây nên, nó phát sinh ở d-ới điểm bão hoà thớ gỗ mà nguyên nhân của nó là những ion tự do

OH- trong khu vực phi kết tinh của cellulose hấp phụ thành phần n-ớc trong không khí đồng thời hình thành cầu nối với phân tử n-ớc Phân tử n-ớc thấm vào làm cho khoảng cách giữa các phân tử trong thành phần gỗ tăng lên; gỗ thể hiện trạng thái giãn, nở dẫn đến kích th-ớc không ổn định Ngoài ra hemicelulose, lignin và các thành phần khác cũng có thể hút n-ớc Hemicellulose hút n-ớc rất mạnh, tiếp đó là lignin, cuối cùng là cellulose

Độ bền của các thành phần cấu tạo nên gỗ không giống nhau Vách tế bào dày có độ bền cao hơn các loại tế bào vách mỏng Ví dụ độ bền của quản bào gỗ muộn có thể lớn hơn quản bào gỗ sớm từ 3 - 4 lần, điều này có thể giải thích bằng sự khác nhau về chiều dày của vách tế bào

Sự khác nhau về mật độ của các thành phần cấu tạo nên gỗ xác định bằng sự khác nhau về độ bền của phần gỗ sớm và gỗ muộn Giữa khối l-ợng thể tích và độ bền tồn tại mối liên quan chặt chẽ:

= a +b

 - Độ bền của gỗ; a, b hệ số không đổi;  - KLTT của gỗ

Theo mối quan hệ này thì để tăng độ bền của gỗ ta cần phải tăng khối l-ợng thể tích của gỗ Do gỗ là vật liệu xốp, rỗng nên ta có thể đi đến kết luận

là độ bền của gỗ có thể đ-ợc nâng cao bởi quá trình nén gỗ, có nghĩa là tăng các chất gỗ trong đơn vị thể tích, nếu quá trình nén đó không phá hoại tế bào

gỗ và sự đàn hồi trở lại của gỗ sau khi nén không đáng kể

2.2 Đặc điểm của gỗ Trám trắng

Trám trắng là cây gỗ lớn có thể cao 25 m, đ-ờng kính có thể đến 120

cm, thân tròn thẳng Trám trắng là cây bản địa đa tác dụng, mọc nhanh, -a sáng, tái sinh bằng hạt và chồi tốt thích hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam phân bố rộng khắp từ Bắc đến Nam Gỗ Trám trắng màu xám trắng, mềm nhẹ, vân thớ đồng đều và mịn Gỗ dễ bị mối mọt nấm mốc th-ờng chỉ sử dụng làm ván mỏng, bao bì và đồ mộc thông th-ờng Hệ số tròn đều Kr > 0,7; độ cong nhỏ hơn 2% và độ thót ngọn nhỏ hơn 2cm/m; không có u b-ớu bạnh vè; rất ít mắt và mắt rất nhỏ, mắt chìm, chủ yếu tập trung ở phần ngọn Vỏ cây không dày và dễ bóc; có tuỷ rỗng nh-ng nhỏ (đ-ờng kính khoảng 1cm); không nứt đầu (không nứt theo tia gỗ, không nứt theo vòng năm và không nứt bên), nh-ng gỗ th-ờng có lỗ mọt ở phần gỗ giác (lỗ mọt nhỏ hoặc lỗ mọt trung bình) phân tán, độ sâu khoảng 10 - 20mm Đây là một trong những khuyết tật lớn và điển hình của gỗ Trám trắng Gỗ có màu trắng sáng, gỗ giác

và gỗ lõi không phân biệt, vòng năm không rõ, gỗ sớm và gỗ muộn không phân biệt, mạch gỗ phân tán, tụ hợp kép - đơn Số l-ợng lỗ mạch 5 - 10 lỗ/mm2, đ-ờng kính lỗ mạch theo ph-ơng tiếp tuyến từ 160 - 200m Tế bào mô mềm xếp dọc thân cây không rõ, khó quan sát Tia gỗ nhỏ (hẹp), khó quan sát, độ rộng tia gỗ từ 25 - 38m, số l-ợng tia gỗ ít, nhỏ hơn 5 - 6 tia/mm, thớ

gỗ thẳng Có ống dẫn nhựa ở vỏ cây, không có chất tích tụ, pH = 6,7 Gỗ Trám trắng rất dễ bị mốc nếu bảo quản không phù hợp thì gỗ Trám trắng bị mốc rất nhanh.[3;6]

Tính chất vật lý và hoá học chủ yếu của gỗ không hoàn toàn đ-ợc quyết

định bởi loài cây Ví dụ nh- mật độ của gỗ vào khoảng 1.46 g/cm3, dù cho mức độ phức tạp cấu tạo giải phẫu của gỗ nh- thế nào mật độ của gỗ với độ bền cơ học của nó tồn tại một t-ơng quan nhất định Newlin, Ja và Wilfel đã chỉ ra quan hệ d-ới đây [9;28]

b r

Do đó khi l-ợng thể tích của gỗ đ-ợc tăng lên thì độ bền của gỗ tăng lên r.n

lần

2- H-ớng nén ép phải đ-ợc tiến hành vuông góc với chiều thớ gỗ, với

tất cả các loại gỗ lá kim cũng nh- lá rộng đều phải nén ép theo h-ớng xuyên tâm, duy chỉ với gỗ cây lá rộng mà mạch phân tán thì vừa có thể nén ép theo chiều xuyên tâm cũng nh- chiều tiếp tuyến

Độ dày vách tế bào không giống nhau, do đó mà độ bền của nó cũng có

sự sai lệch Thông th-ờng phân tử của vách tế bào dày (ví nh- quản bào trong lớp gỗ muộn của cây lá kim) có độ bền cao hơn của phân tử trong vách tế bào mỏng (ví nh- quản bào trong gỗ sớm cây lá kim) Căn cứ vào giải phẫu phân

tử gỗ thì đặc tr-ng phân bố trên mặt cắt ngang có thể khái quát phân tất cả các loại gỗ thành 2 loại:

- Gỗ cây lá kim và gỗ cây lá rộng mạch vòng thuộc về loại thứ nhất Phân tử vách mỏng của nó đều đ-ợc phân bố trên phần gỗ sớm của vòng năm, hình thành một vòng xốp mềm, phân tử vách dày hàng năm cũng hình thành vòng

tổ chức t-ơng tự - gỗ muộn

- Gỗ cây lá rộng mạch phân tán thuộc về loại thứ hai, phân tử vách mỏng cũng nh- trong vách dày trên mặt cắt ngang đ-ợc phân bổ t-ơng đối đều đặn

3- Gỗ nén ép nhất thiết phải qua xử lý hoá dẻo có thể bằng các ph-ơng

pháp vật lý nh- hấp luộc, xử lý nhiệt; ph-ơng pháp hoá học sử dụng các hoá chất để làm dẻo gỗ Độ ẩm của gỗ và nhiệt độ có thể xem là tính dẻo trong quá trình nén ép gỗ, tính dẻo tuỳ thuộc vào nhiệt độ tăng cao mà tăng theo, còn trong vách tế bào gỗ l-ợng n-ớc nhất định trong đó ( không nên nhỏ hơn 6%) có thể làm giảm bớt hệ số nội ma sát trong quá trình biến dạng nén ép gỗ

Do đó d-ới trạng thái nhiệt ẩm tính dẻo của gỗ có thể đ-ợc nâng lên, công suất nén ép cũng không yêu cầu lớn, làm giảm đi rất nhiều khả năng phá hoại

tế bào của gỗ Sau khi nén ép qua sấy khô và làm nguội gỗ mới trở thành vật liệu mới

2.4 Xử lý hoá dẻo gỗ

Biến tính gỗ, xử lý hoá dẻo gỗ có vai trò rất quan trọng trong chế biến lâm sản, công đoạn này phục vụ cho rất nhiều mục đích Trên thực tế, nó tập trung vào các mục đích sau: tạo hình các sản phẩm mộc; trong việc nén ép gỗ tạo nên các sản phẩm có độ bền cao, siêu bền, ép thành sản phẩm có hình dạng nhất định, gỗ dẻo hoá vĩnh cửu; hoá dẻo gỗ tạo nên những vật liệu có dạng plastic

2.4.1 Các ph-ơng pháp hoá dẻo

Trong xử lý hoá dẻo gỗ ng-ời ta th-ờng dùng hai ph-ơng pháp cơ bản sau:

+ Ph-ơng pháp vật lý: gia nhiệt bằng cách hơ lửa; luộc, hấp hỗ, gia nhiệt bằng cao tần, gia nhiệt bằng vi sóng, gia nhiệt bằng ph-ơng pháp tích nhiệt (tiếp xúc)

+Ph-ơng pháp hoá học: là ph-ơng pháp hoá dẻo gỗ trên cơ sở sử dụng hoá chất: sử dụng dung dịch, hơi NH3 dung dịch bazơ (NaOH, KOH), Ure

2.4.2 Cơ chế hoá dẻo gỗ

 Đặc điểm của vật liệu gỗ khi hoá dẻo

Gỗ có khả năng dẻo hoá: Sử dụng những tác nhân thích hợp làm cho gỗ có tính dẻo đ-ợc gọi là gỗ có khả năng dẻo hoá.:

- Mô đun đàn hồi giảm xuống thì vật liệu sẽ trở nên mềm dẻo

- Khu vực đàn hồi thu nhỏ hoặc tiêu biến sẽ làm cho sau khi biến dạng khó hồi phục lại trạng thái ban đầu

- ứng suất phá hoại tăng lên thì biến dạng của vật liệu cũng tăng lên

- Năng lượng phá huỷ tăng lên, với vật liệu giòn trở nên “dính” hơn, mà nâng cao nhiệt độ lên, rất dễ làm cho gỗ bị biến dạng Gỗ do tr-ơng nở mà làm cho Môđun đàn hồi giảm xuống Mức độ biến dạng tuỳ thuộc vào loại dung dịch tr-ơng nở khác nhau, tỷ lệ giãn nở khác nhau mà khác nhau

 Đàn hồi và Mô đun đàn hồi

Đàn hồi: Chất rắn chịu tác động ngoại lực mà sinh ra biến dạng, sau khi ngoại

lực bị huỷ bỏ biến dạng trở ngay về trạng thái ban đầu về hình dạng cũng nh- kích th-ớc Tính chất đó đ-ợc gọi là đàn hồi

Mô đun đàn hồi: D-ới một tỷ lệ giới hạn nhất định, quan hệ giữa biến dạng

và ứng suất tuân theo định luật Hooke, tức ứng suất và biến dạng theo tỷ lệ thuận, hằng số tỷ lệ này đ-ợc gọi là Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi = ứng suất/ Biến dạng Mô đun đàn hồi là ứng suất của một đơn vị biến dạng của vật liệu, nó biểu tr-ng độ lớn nhỏ chống lại khả năng biến dạng của vật liệu Mô đun càng lớn biến dạng càng khó khăn, biểu thị độ cứng của vật liệu càng lớn Gỗ là vật liệu

dị h-ớng, ở các ph-ơng chiều khác nhau thì tính chất cơ học cũng khác nhau, tất nhiên Mô đun đàn hồi cũng sẽ khác nhau Thông th-ờng theo h-ớng dọc thớ t-ơng đối lớn, còn theo h-ớng xuyên tâm và tiếp tuyến t-ơng đối nhỏ Thứ

tự đ-ợc biểu diễn nh- sau:

El >> Er >> Et

Giá trị của tỷ số El/Er (Đối với gỗ Mao sơn 12: 1), (Đối với gỗ nhẹ là 58:1) Từ

đó nói lên rằng gỗ là loại vật liệu có tính dị h-ớng dị tính rất cao Mô đun đàn hồi của gỗ tuỳ thuộc vào mật độ gỗ càng lớn thì sẽ càng lớn

Gỗ là loại vật liệu vừa có tính đàn hồi vừa có tính dẻo mà đ-ờng thẳng biểu diễn mối t-ơng quan giữa biến dạng với ứng suất so với vật liệu đàn hồi

lý t-ởng có sự khác biệt, trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm bình th-ờng, gỗ chịu tác động của ngoại lực, thì giới hạn điểm chảy thể hiện không rõ ràng Ngoài ra, điểm hoá mềm gỗ cao hơn nhiệt độ nhiệt phân gỗ, gỗ là vật liệu thiếu tính dẻo

Ngoài tác dụng của tr-ơng nở đối với tính năng biến dạng ra, khi có tác dụng ngoại lực lên gỗ -ớt đồng thời vừa sấy khô vừa nâng cao nhiệt độ, tính năng biến dạng sẽ tốt hơn khi giữ ở nhiệt độ cố định và độ ẩm cố định L-ợng biến dạng tối đa có thể gấp 3 lần l-ợng biến dạng thời kỳ đầu, còn loại biến dạng này sau khi loại bỏ ngoại lực có thể trở thành tàn d- biến dạng vĩnh cửu

 Các chuyển hoá trong gỗ

Chuyển hoá tinh thể của lignin: chuyển biến là hiện t-ợng phổ biến của các vật liệu cao phân tử không định hình, vì không có khả năng tạo thành toàn bộ các hợp chất cao phân tử kết tinh nên không thể hình thành đ-ợc kết tinh 100%, do đó luôn luôn tồn tại vùng không kết tinh Khi các chất liệu cao phân tử phát sinh chuyển hoá thuỷ tinh các tính chất vật lý, cơ học đặc biệt là tính chất cơ học có sự thay đổi mạnh mẽ, trong khu vực nhiệt độ chuyển hoá

Lúc này, gỗ từ vật rắn có độ cứng t-ơng đối cao đột nhiên trở thành vật liệu đàn hồi dẻo, hoàn toàn thay đổi tính năng vốn có của vật liệu Vì thế, chuyển biến thuỷ tinh là một tính chất vô cùng quan trọng của chất cao phân tử Trong hình 2.4 biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ chuyển hoá và biến dạng gỗ

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa nhiệt độ chuyển hoá và biến dạng của gỗ

Chuyển hoá thuỷ tinh của vật liệu cao phân tử là sự chuyển biến giữa trạng thái thuỷ tinh và trạng thái đàn hồi cao Nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh (Tg) là một chỉ tiêu quan trọng để biểu thị chuyển hoá thuỷ tinh, khi nhiệt độ gỗ (T) nhỏ hơn nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh Tg, lúc này gỗ đang ở trạng thái thuỷ tinh, khi nhiệt độ gỗ (T) nằm trong khoảng nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh va nhiệt độ lỏng dính (Tf) (T  (Tg & Tf)) thì gỗ đang ở trạng thái đàn hồi cao, khi nhiệt độ gỗ T lớn hơn nhiệt độ chuyển hoá lỏng dính Tf thì gỗ ở trạng lỏng dính

Khi nhiệt độ gỗ nhỏ hơn nhiệt độ thuỷ tinh hoá thì năng l-ợng của phân

tử rất thấp những chuyển động của các mắt xích bị đông cứng và ta không đo

đ-ợc chuyển động của các đoạn mạch biểu thị biến dạng Vì thế, trên quan

điểm vi mô biến dạng của chất cao phân tử trạng thái thuỷ tinh là rất nhỏ Khi

nhiệt độ tăng cao thì năng l-ợng chuyển động nhiệt và thể tích tự do của phân

tử của các chất cao phân tử tăng dần, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ thuỷ tinh hoá thì chuyển động của các mắt xích phân tử bắt đầu bị kích phát, lúc này hình thành khu vực chuyển hoá thuỷ tinh của trạng thái động lực học chất cao phân tử vô định hình (lignin), khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Tf thì gỗ chuyển hoá thành dạng lỏng dính làm cho chất cao phân tử giống nh- chất lỏng dính sản sinh chuyển động của chất lỏng dính

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, lignin có đặc tính chuyển hoá thuỷ tinh của chất cao phân tử vô định hình Khi gia nhiệt cho lignin đạt đến nhiệt

độ chuyển hoá thuỷ tinh thể Tg, lignin nhanh chóng dẻo hoá Các yếu tố làm

ảnh h-ởng đến nhiệt độ dẻo hoá của lignin là nguồn gốc, ph-ơng pháp phân ly phân tử l-ợng, độ ẩm của lignin Nếu độ ẩm của lignin thấp thì nhiệt độ chuyển hoá cao, ng-ợc lại nếu độ ẩm của lignin cao thì nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh của nó giảm xuống

Cơ chế cũng nh- quá trình chuyển hoá thuỷ tinh thể của lignin rất quan trọng trong công nghệ biến tính gỗ bằng ph-ơng pháp nén ép, gia nhiệt trực tiếp Trong quá trình ép tạo chiều dày ván, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh thể nhờ vào tác dụng dẻo nhiệt của lignin có thể nhanh chóng tạo đ-ợc chiều dày ván với áp lực nhỏ

Thuỷ tinh hoá biến đổi: Thuỷ tinh hoá biến đổi là hiện t-ợng rất phổ biến của dạng cao phân tử vô định hình, bởi vì cho dù là cao phân tử kết tinh cũng khó có thể đạt đ-ợc kết tinh 100%, mà luôn luôn tồn tại khu vực phi kết tinh Khi cao phân tử kết tinh thuỷ tinh hoá biến đổi rất nhiều tính chất vật lý, cơ học biến đổi mạnh mẽ, đặc biệt là tính cơ học, nhiệt độ chỉ thay đổi vài độ trong khu vực biến đổi mà Mô đun đàn hồi đã thay đổi 3 - 4 cấp ( Hình 2.5)

Vật liệu từ trạng thái cứng hoá đột nhiên biến đổi trở thành vật liệu đàn hồi mềm dẻo, vật liệu đã hoàn toàn biến đổi tính năng vốn có của nó Chất dẻo

Hình 2.5 Đ-ờng cong nhiệt độ - Mô đun của phi kết tinh cao phân tử

Hình 2.6 Diễn biến động thái điển hình cao phân tử phi kết tinh

sử dụng cao phân tử khi nhiệt độ nâng đến xuất hiện hiện t-ợng thuỷ tinh hoá biến đổi thì sẽ mất đi tính dẻo trở thành cao su hoá Do đó, thuỷ tinh hoá biến

đổi là một tính chất quan trọng của cao phân tử Nghiên cứu hiện t-ợng thuỷ tinh hoá biến đổi có một ý nghĩa thực tiễn và lý luận rất quan trọng

Từ đ-ờng cong động thái ta biết tính dẻo và đàn hồi của cao phân tử

điển hình có thể căn cứ vào nhiệt độ khác nhau mà chia thành 5 khu vực

Đ-ờng cong động thái cơ học điển hình của vật liệu cao phân tử phi trạng thái tinh thể nh- hình 2.6 chỉ rõ D-ới nhiệt độ thuỷ tinh hoá, Mô đun của cao phân tử khoảng chừng 1 Gpa, đồng thời tuỳ theo nhiệt độ nâng cao thì Mô

đun lại giảm xuống rất chậm Lấy nhiệt độ t-ơng ứng của điểm uốn đ-ờng cong biểu diễn Mô đun hay giá trị cực đại của đ-ờng cong tiêu hao bên trong làm nhiệt độ thuỷ tinh hoá biến đổi Tg của cao phân tử Trong khu vực thuỷ

tinh hoá biến đổi, Mô đun giảm xuống khoảng 1.000 lần Nhiệt độ lại nâng lên, cao phân tử nằm trong khu vực trạng thái cao su, Mô đun khoảng 1 MPa,

đồng thời không phụ thuộc vào nhiệt độ Qua khu vực biến đổi thứ 2 cuối cùng là khu vực chất lỏng l-u động, cao phân tử ở trạng thái chảy dính, Mô

đun lại tiếp tục giảm

ở trạng thái thuỷ tinh và trạng thái cao su, sự tiêu hao bên trong của cao phân tử nhỏ là hoàn toàn có thể giải thích đ-ợc ở trạng thái thuỷ tinh, cao phân tử cơ bản chỉ phát sinh biến hình dạng thông th-ờng, biến dạng đàn hồi thông th-ờng không hao tổn bất kỳ năng l-ợng nào ở trạng thái đàn hồi cao, chuỗi phân tử có thể vận động tự do, cao phân tử phát sinh biến dạng thuận nghịch cao, góc lệch giữa đ-ờng ứng suất và đ-ờng biến dạng δ rất bé, cũng

có thể xem nh- không hề tiêu hao năng l-ợng Trong khu vực biến đổi, nguyên nhân làm tiêu hao bên trong và một số chuỗi phân tử nào đó có thể tự

do vận động trong khu vực biến đổi của cao phân tử; có một số lại không có thể vận động trong một giai đoạn biến dạng nào đó, cái tr-ớc tích luỹ ít năng l-ợng hơn cái sau Khi một số chuỗi phân tử vận động tự do trong trạng thái thuỷ tinh, những năng l-ợng thừa đ-ợc thoát ra d-ới dạng nhiệt Có một năng l-ợng tiêu hao bên trong rất lớn xuất hiện trong khi thuỷ tinh hoá biến đổi là bởi vì trong nhiệt độ của khu vực này là nh- vậy; rất nhiều phân tử đông kết của cao phân tử bắt đầu nóng chảy, khi nó phát sinh biến dạng đàn hồi cao sẽ làm cho năng l-ợng thừa biến thành nhiệt năng

- Sự biến đổi thuỷ tinh hoá trong thành phần vách tế bào do Hemi Celluloze và Lignin là sản phẩm cao phân tử ở trạng thái phi tinh thể điển hình, thuỷ tinh hoá biến đổi thể hiện rất rõ ràng Stone và đồng nghiệp nghiên cứu phát hiện khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ thuỷ tinh hoá Tg, Lignin sẽ mềm hoá và trở nên dính, đồng thời phát hiện thấy khi Lignin hấp thụ một l-ợng

Hemi Celluloze cũng có tính năng t-ơng tự Celluloze bởi vì có tính kết tinh nhiệt độ mềm hoá của nó hầu nh- không phụ thuộc vào thành phần n-ớc

Thành phần gỗ Nhiệt độ thuỷ tinh hoá Tg (

Hoá dẻo gỗ bằng các ph-ơng pháp hấp luộc, tích nhiệt, cao tần, viba chính là dựa vào nguyên lý trên

Trong điều kiện ch-a đầy đủ về thiết bị để tiến hành hoá dẻo gỗ dựa trên nguyên lý xử lý nhiệt ẩm bằng các ph-ơng pháp nh- sử dụng năng l-ợng sóng cao tần, năng l-ợng vi sóng thì lựa chọn giải pháp hoá dẻo gỗ bằng ph-ơng pháp truyền nhiệt tiếp xúc đ-ợc thực hiện đồng thời trong quá trình nén ép đ-ợc coi là hợp lý

Quá trình truyền nhiệt đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp tiếp xúc giữa vật đ-ợc làm nóng (gỗ) và hệ thống gia nhiệt (bàn ép) Nh- ta đã biết, gỗ đ-ợc cấu tạo bởi vách tế bào mà thành phần chính của vách tế bào là cellulose, hemicellulose, lignin

Cellulose có độ dài khác nhau tổ thành microfibril (mixel), các chuỗi phân tử lơn cellulose trong microfibril không phải hỗn loạn quấn vào nhau thành một cục, mà ở mức độ khác nhau, sắp xếp có quy luật ở đoạn sắp xếp

chặt thể hiện đặc tr-ng của tinh thể, gọi là vùng kết tinh; đoạn sắp xếp ở mức

độ lỏng lẻo gọi là vùng không định hình Vùng không định hình của cellulose

có rất nhiều gốc (-OH) tự do tồn tại, gốc (-OH) có cực tính, có thể hút phân tử n-ớc có cực tính, hình thành liên kết hydro Vì thế, vùng không định hình của cellulose có tính hút ẩm Khi cellulose đang ở trạng thái ẩm, d-ới tác dụng của nhiệt độ cellulose chuyển từ trạng thái dòn sang trạng thái có khả năng

đàn hồi cao

Khi gỗ đã đủ nóng có nghĩa là đã đạt đến nhiệt độ nhất định nào đó sẽ xảy ra hiện t-ợng chuyển hoá thuỷ tinh thể của lignin Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, lignin có đặc tính chuyển hoá thuỷ tinh của chất cao phân tử vô

định hình Khi gia nhiệt cho lignin đạt đến độ chuyển hoá thuỷ tinh thể Tg, lignin nhanh chóng hoá dẻo Nhiệt độ dẻo hoá của lignin phụ thuộc vào nguồn gốc, ph-ơng pháp phân ly phân tử l-ợng, và đặc biệt là độ ẩm của lignin - nếu

độ ẩm của lignin thấp thì nhiệt độ chuyển hoá cao, ng-ợc lại nếu độ ẩm của lignin cao thì nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh thể của nó giảm xuống; Hemicellulose cũng có tính năng t-ơng tự nh- vậy Khi gỗ từ vật rắn có độ cứng t-ơng đối cao đột nhiên trở thành vật liệu đàn hồi dẻo, hoàn toàn thay

đổi tính năng vốn có của vật liệu Vì thế, chuyển biến thuỷ tinh là một tính chất vô cùng quan trọng của chất cao phân tử

Nh- vậy, thời gian gia nhiệt ảnh h-ởng rõ rệt đến sự dẻo hoá của vách

tế bào mà cụ thể là để cho lignin và hemixenlullô chuỷen trạng thái tử thuỷ tính sang trạng thái lỏng dính làm cho vách tế bào trở nên lỏng lẻo tạo điều kiện thuạn lợi cho quá trình nén ép

Trong quá trình xử lý nhiệt ẩm, một số tác giả nghiên cứu gỗ nhận thấy các chỉ tiêu độ bền cơ học (môdul E, độ bền phá hoại, biến dạng phá hoại ) với các thành phần cấu tạo của vách tế bào (độ kết tinh của cellulose, hàm l-ợng lignin, độ định h-ớng phân tử trong khu vực vô định hình) giữa chúng

có quan hệ t-ơng quan nh- sau:

 Gỗ có hàm l-ợng lignin thấp thì modul đàn hồi lớn và độ bền phá hoại giảm đi rất nhanh chóng mà biến dạng phá hoại () lại tăng lên rất nhanh

 Độ kết tinh và hàm l-ợng lignin, độ định h-ớng phân tử với hàm l-ợng lignin giữa chúng với nhau có quan hệ tỷ lệ thuận Độ kết tinh cao thì hàm l-ợng lignin cũng cao, quan hệ này phù hợp với những loại gỗ ở vùng nhiệt

đới và gỗ lá kim, độ kết tinh thấp hàm l-ợng lignin cũng thấp

Trong công nghệ ép gỗ bằng ph-ơng pháp nhiệt cơ cần phải làm tăng

độ biến dạng dẻo, có nghĩa là phải làm cho lignin đạt nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh thể sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nén ép

 Các biến dạng trong gỗ

Gỗ là một loại vật liệu mang đồng thời hai tính chất rắn đàn hồi và lỏng dính, gỗ thuộc loại vật liệu cao phân tử khi chịu ngoại lực tác dụng thì sản

sinh 3 loại biến dạng:

- Biến dạng đàn hồi tức thời;

- Biến dạng sau đàn hồi;

- Biến dạng dẻo

Nh- chúng ta đã biết, gỗ đ-ợc cấu tạo nên bởi vô số tế bào, vách tế bào

đ-ợc cấu tạo nên bởi hai thành phần chính là cellulose và lignin

Cellulose có cấu trúc định hình (microfibril) ng-ời ta ví nh- s-ờn sắt Đây chính là thành phần chính sản sinh ra nội lực của gỗ

Lignin là một chất keo có cấu trúc vô định hình, ng-ời ta ví nh- ximăng bám trên s-ờn sắt để tạo ra khối bêtông - chính là vách tế bào Do cấu trúc nh- vậy lignin chỉ là thành phần thứ yếu sản sinh ra nội lực

Biến dạng đàn hồi là do cellulose đã sản sinh ra nội lực tạo ra biến dạng đàn hồi; lignin và cellulose và hemicellulose sinh ra biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh cửu) Biến dạng vĩnh cửu biểu thị độ dẻo của gỗ

+ Biến dạng đàn hồi tức thời:

Khi chịu tác động của ngoại lực, biến dạng sản sinh t-ơng ứng với tốc độ tăng tải trọng gọi là biến dạng đàn hồi tức thời, biến dạng này tuân theo định