Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng đô và thời gian ngâm tẩm poluteylenglycol (PEG) đến một số tính chất cơ học chủ yếu của gỗ keo lá tràm (acacia auriculiformis)

DANH MỤC CÁC HÌNH1.1 Cấu tạo của dao và cách đặt lực để kiểm tra độ bền bám dính 2.2 Các dạng biến đổi cấu trúc trong gỗ khi có tác nhân xử lý 242.3 Mô hình cấu tạo xử lý ổn định kích th

NGUYỄN CHÍ QUANG

NGHIÊN CứU ảNH hưởng của nồng độ và thời gian ngâm polyetylenglycol (peg) đến một số tính chất cơ học CHủ YếU của gỗ keo lá tràm (Acacia auriculiformis)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

HÀ TÂY- 2007

NGUYỄN CHÍ QUANG

NGHIÊN CứU ảNH hưởng của nồng độ và thời gian ngâm polyetylenglycol (peg) đến một số tính chất cơ học CHủ YếU của gỗ keo lá tràm (Acacia auriculiformis)

Chuyờn ngành: Kỹ thuật mỏy, thiết bị và cụng nghệ gỗ, giấy

Mó số: 60-52-24 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Chứ

HÀ TÂY - 2007

Nhân dịp hoàn thành luận văn tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Chứ,

người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện

Cảm ơn Khoa Sau Đại học, Trường Đại học Lâm nghiệp, cùng các thầy cô

giáo, toàn thể cán bộ Trung tâm thực nghiệm và chuyển giao kỹ thuật Công nghiệprừng - Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Hạt Phúc kiểm Lâm sản Tiên Phong,Chi cục Kiểm lâm Bắc Ninh đã đóng góp ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôitrong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Cảm ơn các cán bộ kỹ thuật của Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao côngnghệ công nghiệp rừng, Phòng thí nghiệm Trung tâm – khoa Chế biến Lâm sản -

Trường Đại học Lâm nghiệp đã hướng dẫn kỹ thuật và hỗ trợ các trang thiết bị

nghiên cứu, thử nghiệm tốt nhất giúp tôi thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè cùng gia đình đã quan tâm

động viên khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Một lần nữa, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả mọi người đã

giúp đỡ và ủng hộ tôi!

Hà Tây, Tháng 7-2007

Tác giả

Nguy ễn Chí Quang

Lời cảm ơnMục lục

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Lịch sử nghiên cứu về biến tính gỗ bằng phương pháp ổn

2.3 Một số giải pháp biến tính kích thước ổn định gỗ 28

3.1 Một số chỉ tiêu kỹ thuật của nguyên liệu 40

4.1 KẾT LUẬN 80

Phụ lục

CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PEG Polyetylenglycol

ASE hệ số chống trương nở (Antiswelling efficient)

G Giá trị tiêu chuẩn Kochren

Gtt Giá trị cuar chuẩn Kochren tính toán

Ftt Giá trị của chuẩn Fisher tính toán

F Giá trị chuẩn Fisher tra bảng

G Giá trị tiêu chuẩn Kochren

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Cấu tạo của dao và cách đặt lực để kiểm tra độ bền bám dính

2.2 Các dạng biến đổi cấu trúc trong gỗ khi có tác nhân xử lý 242.3 Mô hình cấu tạo xử lý ổn định kích thước gỗ 262.4 Mặt cong được hình thành khi dung dịch tiếp xúc với thành mao quản 38

3.6 Cấu tạo hiển vi-mặt cắt ngang tiếp tuyến 44

3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ PEG, thời gian tẩm

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Mức, bước thay đổi các thông số thí nghiệm 14

3.1 Hệ số chống trương nở của gỗ Keo lá tràm được xử lý PEG 49

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay xã hội càng phát triển, nhu cầu sử dụng gỗ và sản phẩm từ gỗ

ngày càng gia tăng cả về số lượng và chất lượng Trong khi đó, gỗ rừng tự nhiên

ngày càng khan hiếm Gỗ của nhiều loại cây mọc nhanh như rừng trồng ít đượcdùng vào sản xuất hàng mộc dân dụng, đặc biệt là hàng mộc cao cấp và mỹnghệ vì chất lượng thấp

Để nâng cao chất lượng nguyên liệu gỗ mọc nhanh rừng trồng cây mọc

nhanh là cần thiết và có ý nghĩa chiến lược Hiện nay trên thế giới, có 2 hướngchế biến gỗ đã được khẳng định là nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ và nâng cao

chất lượng gỗ

Từ cuối thế kỷ 20, các công nghệ sản xuất ván nhân tạo, giấy, xẻ hiện đại

đã phát triển mạnh nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ

Việc nghiên cứu theo hướng nâng cao tính năng cơ, vật lý gỗ đã và đang

được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới Theo xu hướng này, hiện có 5phương pháp biến tính gỗ, đó là nhiệt-cơ; nhiệt-hoá-cơ; hoá-cơ; hoá học và bức

xạ-hoá học Mục đích của các phương pháp trên đều nhằm nâng cao khối lượngthể tích và độ bền của gỗ

Ở Việt Nam nhu cầu gỗ gia tăng mạnh mẽ, cả cho tiêu dùng nội địa và

xuất khẩu Năm 2004 kim ngạch xuất khẩu sản phẩm gỗ đạt 1,06 tỷ USD, theo

đó Chính phủ đã xếp sản phẩm gỗ vào nhóm 10 mặt hàng xuất khẩu chiến lược.Khó khăn hiện nay của Việt Nam là vấn đề nguyên liệu gỗ, hàng năm phải nhập

khẩu 80% nguyên liệu cho nhu cầu, trong đó gỗ rừng tự nhiên quý hiếm, chất

lượng cao chiếm tỷ lệ rất lớn Nhưng trong tương lai gần nhập gỗ càng khó khăn

vì nhiều nước ở nhiệt đới sẽ cấm xuất khẩu gỗ Cuối năm 2004 Malaysia và

Indonesia đã thực hiện chủ trương không xuất khẩu gỗ rừng tự nhiên

Trong khi đó, với nỗ lực của các chương trình trồng rừng, chúng ta đã cóđược một sản lượng lớn gỗ rừng trồng Các loài cây rừng trồng, bên cạnh ưu

điểm tăng trưởng nhanh, cú khả năng tỏi sinh, nhưng cũn hạn chế bởi gỗ mềm,

khối lượng thể tớch nhỏ, độ bền thấp

Từ thực tế nhu cầu nguyờn liệu gỗ rất lớn, gỗ rừng tự nhiờn quý hiếmphục vụ chế biến sản phẩm mộc truyền thống, mộc xõy dựng, mộc cao cấp ngàycàng hiếm, trong khi chỳng ta đang sẵn cú lượng lớn gỗ rừng trồng, vỡ vậy việcnghiờn cứu nõng cao chất lượng gỗ rừng trồng là yờu cầu cấp bỏch đặt ra

Với mong muốn gúp phần vào việc đa dạng hoỏ loại hỡnh sản phẩm, gúpphần vào tạo ra cỏc sản phẩm mới để thay thế gỗ rừng tự nhiờn, chỳng tụi thựchiện đề tài:"NGHIÊN CứU ảNH hưởng của nồng độ và thời gian ngâm polyetylenglycol (peg) đến một số tính chất cơ học CHủ YếU của gỗ keo lá tràm(Acacia auriculiformis)".

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Lịch sử nghiên cứu về biến tính gỗ bằng phương pháp ổn định kích thước

1.1.1 Trên th ế giới

Gỗ là vật liệu xốp - mao dẫn, dị hướng có khả năng trao đổi ẩm với môitrường xung quanh dẫn tới sự thay đổi kích thước, hình dạng và các tính chất cơ

lý của gỗ làm ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của sản phẩm Đây là nhược

điểm chính của gỗ Vì thế, một trong những xu hướng chủ yếu trong việc nâng

cao chất lượng gỗ đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm làtìm các giải pháp nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ

Trên thế giới, công nghệ biến tính gỗ không còn là lĩnh vực mới, nó đượcphát triển sớm ở Châu Âu Với mục đích sử dụng gỗ và vật liệu gỗ một cáchhiệu quả, ở các nước phát triển trên thế giớí như Mỹ, Nga, Nhật, EU trongnhững năm qua đã tiến hành nghiên cứu và áp dụng vào sản xuất các biện phápnâng cao tính ổn định của gỗ theo một số xu hướng sau: Biến tính theo hướngchống cháy; biến tính theo hướng chống ẩm; cải thiện các tính chất cơ học của

gỗ mọc nhanh rừng trồng để cho nó ít biến dạng và bền với môi trường (phươngpháp cụ thể là nhiệt cơ, hoá nhiệt cơ, cơ và enzim); xử lý ván mỏng để tạo ra vánLVL có chất lượng tốt; xử lý dăm gỗ để tạo ra ván dăm, ván OSB, MDF và HDF

có chất lượng cao

Năm 1930, ở Liên Xô các nhà khoa học đã nghiên cứu ép gỗ tạo ra thoidệt và tay đập của máy dệt Sau đó, các nhà khoa học đã sử dụng phương phápnày để tạo ra những chi tiết chịu mài mòn, tự bôi trơn, sử dụng trong ô tô, máynông nghiệp Gỗ nén theo phương pháp này tạo ra vật liệu không ổn định hìnhdạng, độ ổn định kích thước kém Để khắc phục các nhà khoa học đã nghiên cứu

đưa vào trong gỗ các hoá chất dưới dạng monome hoặc polyme Năm 1936, một

số nhà khoa học Liên Xô đã đưa vào gỗ dung dịch Bakelit 5-10% Vào năm

1966, G.B.klard đã dùng dung dịch Phuphurol spirt tẩm vào gỗ tạo ra vật liệu cótính cơ học cao.

Năm 1972, phòng thí nghiệm sản phẩm lâm sản của Mỹ (FPL) bắt taynghiên cứu ứng dụng Acetol hoá đối với vật liệu gỗ Năm 1980, xử lý Acetolhoá bắt đầu ứng dụng sản xuất ván nhân tạo Năm 1981 Nhật Bản đã thu đượcthành công tiến hàn xử lý Acetol hoá gỗ với quy mô sản xuất công nghiệp, giớicông nghiệp gỗ Nhật Bản đã mở rộng vật liệu Acetol hoá, mà kích thước của nórất ổn định mặt cho độ ẩm tương đối của môi trường thay đổi lớn, được dùngrộng rãi làm tường vách của buồng tắm, cửa hoặc ván sàn

Đầu những năm 1960, các nhà khoa học Mỹ, Liên Xô đã dùng tia chiếu

xạ gây phản ứng đa tụ ở các đơn thể tẩm vào trong gỗ (một số cao phân tử lượngthấp hoặc cacbua hydro không bão hoà có cầu đôi) làm cho các hoá chất kết hợpvới gỗ và đóng rắn lại tạo nên các sản phẩm chất lượng cao, gọi là gỗ Polymephức hợp, viết tắt là WPC Gỗ được xử lý WPC có tính ổn định kích thước caohơn rõ rệt so với gỗ nguyên Tính kháng ẩm của gỗ được xử lý WPC cũng tăng

Do tính ổn định kích thước của WPC là rất tốt, tính cơ học, chịu mài mòn vàchịu uốn cũng tăng nên nó là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong kiến trúc,trong công nghiệp, đồ mộc mỹ nghệ và dụng cụ văn thể

Tại Hội thảo công nghệ biến tính gỗ ở Châu Âu được tổ chức lần 1 vàotháng 3 năm 2003 tại Bỉ và lần 2 vào tháng 10 năm 2005 tại Đức đã có nhiềucông trình nghiên cứu của các nhà khoa học Châu Âu do GS W.Hotman

(Netherlands) chủ trì đã đề cập đến vấn đề nâng cao tính ổn định kích thước gỗ

sử dụng Anhydric và khẳng định xu hướng này cần phải được nghiên cứu vàhoàn thiện trong tương lai Ở Thuỵ Điển, Nhật Bản đã có các nhà máy xử lý gỗbằng Acetyl hoá kết hợp với công nghệ vi sóng đang được sản xuất với số lượnglớn các sản phẩm gỗ sử dụng Anhydric acetic đã được nghiên cứu từ những năm

1960, đến nay vẫn tiếp tục hoàn thiện công nghệ và triển khai vào sản xuất

Lịch sử nghiên cứu xử lý Acetyl hoá bắt đầu từ năm 1946, học giả người

Mỹ Stamm đầu tiên đăng trên tạp chí nghiên cứu chuyên ngành, vào những năm

từ 1946 - 1961 cố gắng đưa vào sản xuất công nghiệp hoá xử lý Acetyl hoá gỗcủa Mỹ và Nhật Bản nhưng chưa thành công Năm 1972, phòng thí nghiệm sảnphẩm Lâm sản của Mỹ (FPL) lại bắt tay nghiên cứu ứng dụng Acetyl hoá đốivới vật liệu gỗ Năm 1980, xử lý Acetyl hoá bắt đầu ứng dụng sản xuất ván nhântạo; năm 1981 Nhật Bản đã thu được thành công tiến hành xử lý Acetyl hoá gỗvới quy mô sản xuất công nghiệp, giới công nghiệp gỗ Nhật Bản đã mở rộng vậtliệu Acetyl hoá, mà kích thước của nó rất ổn định mặc cho độ ẩm tương đối của

môi trường thay đổi lớn, được dùng rộng rãi làm tường vách của buồng tắm, cửa

hoặc ván sàn Điểm ưu việt hơn của xử lý Acetyl hoá với phương pháp xử lý hoáhọc khác là không làm ô nhiễm môi trường Phương Tây đã xử lý dăm gỗ và bộtbởi TDI tướng khí phát hiện phản ứng xảy ra giữa thành phần của vách tế bàovới Ureathan Xử lý chống trương nở trước Pyridin mà làm cho phản ứng tăngnhanh tuỳ thuộc hàm lượng Nitơ tăng lên trong gỗ được xử lý thì tính hút ẩmcủa nó và tính ổn định kích thước cũng được cải thiện rõ rệt

Nghiên cứu của Rowell chứng tỏ khi xử lý Cyanat sấy gỗ khô có thể thaythế nhóm OH của thành phần gỗ trong vách tế bào từ đó mà thu được tính ổn

định kích thước cao độ, đôi khi độ thay thế quá lớn tức là tốc độ tăng thể tích

quá nhiều, ngược lại sẽ dẫn đến sự phá hoại của vách tế bào ASE của gỗ giảmxuống, phản ứng cần được tiến hành thích đáng Minato xử lý bằng khí Formol

trong điều kiện không có nước với tốc độ phản ứng tối ưu đồng thời dùng Acid

Clohydric và SO2 làm chất xúc tác (chất sau có tính ăn mòn thiết bị xử lý gỗ ít

hơn), dùng Formol thể khí làm nguồn để xử lý ván sợi MDF thì tỷ lệ trương nở

của ván có thể nâng cao 60%, ở trạng thái trương nở trong nước thì MOR vàMOE của ván cũng tăng lên

Biến tính nguyên liệu gỗ rừng trồng để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao

đang là xu thế phát triển của ngành chế biến gỗ trên toàn thế giới

1.1.2 Trong n ước

Hiện nay ngành chế biến lâm sản đang trên đà phát triển; tuy nhiên cũngphải nhìn thấy một thực trạng là nguyên liệu gỗ nhập khẩu từ các nước trongkhu vực, châu Mỹ, châu Phi đã chiếm 80 - 85% trong khi đó nguồn nguyên liệutrong nước đã cạn kiệt hoặc chưa đáp ứng được yêu cầu về sản xuất đồ mộc cóchất lượng cao Do vậy, việc cung cấp đủ nguyên liệu cho nhu cầu phát triển củangành chế biến gỗ và lâm sản đang là một trong những vấn đề cấp thiết hiệnnay Có hai hướng giải quyết vấn đề này, đó là: Phát triển nhanh diện tích rừngnguyên liệu và nhanh chóng nghiên cứu, áp dụng các biện pháp công nghệ nângcao tính chất nguyên liệu gỗ rừng trồng thay thế nguồn nguyên liệu truyềnthống Đáp ứng yêu cầu đó thì công nghệ biến tính gỗ có vai trò và ý nghĩa tolớn Điều này mở ra cho các nhà khoa học những hướng nghiên cứu nhằm nângcao chất lượng sử dụng gỗ, có hiệu quả và bền lâu

Mục tiêu cơ bản của Công nghệ biến tính gỗ ở Việt Nam hiện nay là nângcao khối lượng thể tích của gỗ, nâng cao khả năng ổn định hình dạng, kích thướccủa sản phẩm đồng thời tăng khả năng chịu lực của gỗ biến tính

Ở Việt Nam, công nghệ biến tính gỗ được đưa vào từ những năm 1987

-1988, với mục tiêu nghiên cứu sử dụng gỗ để tạo ra thoi dệt đáp ứng yêu cầu củangành dệt, thay thế các loại thoi nhập ngoại có giá nhập cao

Tại trường Đại học Lâm Nghiệp, đi đầu là các giáo viên và sinh viênKhoa Chế biến lâm sản đã nghiên cứu một số phương pháp biến tính gỗ như:ngâm thường, ngâm tẩm nóng lạnh, tẩm áp lực chân không

Trần Văn Chứ “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị biến tính gỗ có khốilượng thấp thành nguyên liệu chất lượng cao”

Hoàng Tiến Đượng “Nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tính ổn

định kích thước của gỗ Keo tai tượng”

Tạ Thị Phương Hoa “Nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ Keo látràm bằng phương pháp xử lý nhiệt kết hợp với quá trình Axetyl hoá”

Bùi Thị Tuyết Nhung “Tìm hiểu một số giải pháp nâng cao khối lượng,thể tích gỗ và tiến hành nâng cao khối lượng thể tích gỗ bằng nhựa Novolac”.

Nguyễn Thị Yên “Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tẩmamoniac (NH3) đến một số chỉ tiêu chất lượng gỗ biến tính”

1.1.3 Nh ận xét và định hướng nghiên cứu

Qua điều tra về các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới và trong nước chúng tôi thấy:

Trên thế giới, đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về biến tính gỗ vànhiều nhà máy sản xuất ra gỗ biến tính Tuy nhiên, cũng phải khẳng định rằng:

gỗ biến tính vẫn được sử dụng còn hạn chế Cũng có nhiều nguyên nhân, trong

đó một nguyên nhân hết sức quan trọng là khí hậu ở đó ít khắc nghiệt hơn cácnước nhiệt đới Mặt khác, các thông tin về biến tính gỗ chúng ta nhận được còn

hết sức chung chung, không thể ứng dụng ngay vào thực tế sản xuất Vì vậy, cần

có những nghiên cứu tiếp theo là hết sức cần thiết

Ở trong nước, công nghệ này bước đầu được các nhà khoa học trong nướcquan tâm Tuy nhiên, trong các đề tài nghiên cứu về biến tính, các tác giả nghiên

cứu biến tính gỗ theo phương pháp hóa dẻo - nén ép, hóa - nhiệt cơ là dựa trên

cơ sở thực nghiệm để tìm ra sự ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ, lượng hóa

chất, thời gian tẩm đến chất lượng gỗ biến tính chứ chưa tìm ra, thể hiện đượcmối tương quan giữa các yếu tố đó với chất lượng gỗ biến tính một cách đầy đủ,sâu sắc và mang tính khoa học Việc áp dụng các phương pháp biến tính vào cácloại gỗ khác nhau vẫn là những đề tài nghiên cứu, vả lại cơ sở khoa học vẫn

chưa được xây dựng có hệ thống

Vì vậy, công trình này đi theo hướng biến tính gỗ bằng phương pháp dùnghoá chất làm tăng tính chống chịu môi trường (đặc biệt là khả năng chịu ẩm) làhết sức cần thiết và có ý nghĩa

Để tăng cao khả năng ổn định kích thước cho những loại gỗ này, một số

biện pháp kĩ thuật đã được nghiên cứu áp dụng Trong số các biện pháp đó, thìbiện pháp sử dụng Polyetylenglycol (PEG) được các nhà chế biến gỗ dùng phổ

biến và rộng rãi nhất PEG là một polyme của etylenglycol Polyme thích hợpnhất để ổn định kích thước có số lượng phân tử trung bình 1000, và được viếtthành PEG-1000 PEG-1000 ổn định kích thước gỗ bằng cách ngăn cản sự co rútcủa gỗ Khi gỗ ở trạng thái tươi hoặc ướt, được ngâm trong dung dịch PEG-

1000, thì các phân tử PEG-1000 sẽ thay thế các phân tử nước trong vách tế bào.Chúng vẫn nằm lại trong vách tế bào khi gỗ khô và "làm trương" vách tế bào,nhờ đó nó giữ cho kích thước của gỗ luôn ở trạng thái trương nở hoàn toàn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 M ục tiêu về lí luận

- Xác định những yếu tố công nghệ ảnh hưởng chất lượng sản phẩm gỗbiến tính theo phương pháp nâng cao tính ổn định kích thước với gỗ Keo látràm;

- Tạo ra các sản phẩm mới có chất lượng cao từ gỗ mọc nhanh, rừng trồng.Qua đó đưa ra một số cải tiến về mặt kỹ thuật trong ngành Chế biến Lâm sản,khi áp dụng vào sản xuất sẽ là động lực làm hạ giá thành và thúc đẩy ngành Chếbiến Lâm sản phát triển

1.2.2 M ục tiêu kỹ thuật

- Đánh giá được ảnh hưởng của Polyetylenglycol (PEG) đến chất lượng

của gỗ biến tính từ gỗ Keo lá tràm (Acacia auriculiformis);

- Tìm ra quy trình công nghệ biến tính ổn định kích thước gỗ từPolyetylenglycol (PEG) phù hợp với điều kiện Việt Nam;

- Tìm ra nồng độ, thời gian tẩm tối ưu để tạo ra gỗ biến tính có chất lượng

đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn gỗ dùng trong sản xuất đồ mộc

- Phương pháp ngâm ở nhiệt độ thường (300C).

1.3.2 Các y ếu tố thay đổi

Căn cứ vào sự hợp lý giữa loại gỗ và hoá chất, luận văn áp dụng phươngpháp ngâm thường để đưa hoá chất vào trong gỗ với các cấp nồng độ và thờigian tẩm thay đổi như sau:

- Nồng độ tẩm: 10%; 20% và 30%

- Thời gian tẩm: 3 ngày; 7 ngày và 11 ngày

1.4 Nội dung nghiên cứu

Căn cứ vào mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn, chúng tôi xác

định các nội dung chính sau:

- Tìm hiểu về một số giải pháp ổn định kích thước gỗ;

- Thực nghiệm ổn định kích thước gỗ bằng hoá chất PEG glycol);

(Polyetylen Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ PEG, thời gian tẩm đến chất lượng

gỗ biến tính

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được nội dung nghiên cứu trên, luận văn sử dụng một số phương

pháp nghiên cứu sau:

1.5.2.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Ngày nay, để giải quyết các bài toán trong kỹ thuật, người ta thường sử

dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà ít sử dụng phương pháp lý thuyếtthuần tuý Tuy nhiên, trong nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp nghiên cứu cổ

điển chỉ cho phép tìm kiếm các mối phụ thuộc đơn định giữa chỉ tiêu đánh giá và

yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt nên không cho kết quả chặt chẽ về mức độ

ảnh hưởng của từng yếu tố và sự tác động qua lại giữa chúng với nhau

Nội dung của phương pháp quy hoạch thực nghiệm này là xác định ảnh

hưởng tới tham số đầu ra của quá trình nghiên cứu bởi một loạt các biến số.Trong đó, tham số đầu ra ký hiệu là Yi, các yếu tố ảnh hưởng ký hiệu là Xi Đây

là những yếu tố có thể lượng hoá, đo đếm và điều khiển được Đối với tham số

đầu ra, khi không biết trước dạng của nó thì nên thực hiện từ quy hoạch thực

nghiệm bậc nhất, sau đó kiểm tra mô hình thu được bằng các tiêu chuẩn thống

kê, nếu không phù hợp thì chuyển sang mô hình quy hoạch thực nghiệm bậc hai

Quy hoạch thực nghiệm bậc nhất.

- Các dạng kế hoạch thực nghiệm bậc nhất:

+ Quy hoạch thực nghiệm các yếu tố toàn phần (đầy đủ):

Mô hình thực nghiệm bậc nhất với các yếu tố toàn phần có dạng:

Y = b0+ b1X1+ b2X2+ bnXn (1.1)

Trong đó: b0- Số hạng tự do

b1, b2, bn- Hệ số hồi quy tuyến tính

Xi, Xn- Các yếu tố ảnh hưởng ( Số biến )

Y - Tham số đầu ra

i - Các yếu tố, i = 1 ; 2 ; nCác thí nghiệm được thực hiện với toàn bộ các mức của các yếu tố Số thínghiệm (N) phụ thuộc vào số lượng các yếu tố theo hai mức và được tính bằngcông thức: N = 2n

+ Quy hoạch thực nghiệm tuyến tính rút gọn:

Kế hoạch thực nghiệm toàn phần có nhược điểm là khi thông số đầu vào

tăng, thì số điểm thí nghiệm tăng lên rất lớn, kế hoạch trở nên cồng kềnh, tốn

kém Vì vậy, người ta đưa ra các loại thực nghiệm rút gọn trong đó số lượng thínghiệm N được tính như sau: N = 2n-p;(p là bậc rút gọn)

- Các yếu tố ảnh hưởng và khoảng xác định của chúng:

Trong nghiên cứu thực nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng được chọn phải lànhững yếu tố ảnh hưởng rõ nét tới mục tiêu nghiên cứu và có thể điều khiển, đo

đếm được Khoảng xác định tổng quát của các yếu tố ảnh hưởng được xác địnhnhư sau:

Ximin< Xi< Ximax

Trong đó: Ximin - mức dưới; Ximax - mức trên

Giữa hai mức trên và dưới, ta lấy mức trung gian (Mức cơ sở: Xi0) Giá trịmức này được tính như sau:

Xi0 = ( Ximin+ Ximax)/ 2 (1.2)Khoảng biến động của các yếu tố: Li = Ximax - Xio = Xi0- Ximin (1.3)

Để thuận tiện, các giá trị của yếu tố tự nhiên (Xi) có thể viết dưới dạng toạ

độ (xi) Khả năng này, cho phép viết quy hoạch thực nghiệm dưới dạng tổng

quát mà không phụ thuộc vào giá trị vật lý của quá trình nghiên cứu

Để chuyển từ dạng tự nhiên sang dạng toạ độ, ta sử dụng công thức:

xi = ( Xi - Xi0)/ Li (1.4)

Khi đó các mức của yếu tố ảnh hưởng dưới dạng toạ độ sẽ là các giá trị:

+1 (mức trên); 0 (mức cơ sở); -1 (mức dưới)

- Lập ma trận thực nghiệm:

Ma trận thực nghiệm bậc nhất là một bảng có số cột bằng số biến và tổhợp chập đôi của chúng, số hàng bằng số thí nghiệm N Trong đó, các biến đượcghi ở dạng mã hoá( +1; -1 )



Trong đó: i = 0,1,2, n ( số biến)

+ Kiểm tra tính đồng nhất của các phương sai:

Tính đồng nhất của các phương sai kiếm tra theo tiêu chuẩn Kohren:

Gp - Giá trị tính toán; Gb - Giá trị tra bảng theo mức có nghĩa , bậc tự do 

và k

+ Kiểm tra tính có ý nghĩa của các hệ số hồi quy:

Các hệ số hồi quy b0, bi, bii, bij kiểm tra theo tiêu chuẩn Student

bi

Trong đó: bi - Các hệ số của phương trình hồi quy; tb - Tiêu chuẩn

Student tra bảng với  = 0.05 và bậc tự do  = N(m 1); N Số thí nghiệm; m

-số lần lặp lại; T - Trị -số tiêu chuẩn Student tính toán; Sbi - Phương sai của hệ -sốthứ i

- Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán học:

Tính tương thích của mô hình toán học, được kiểm tra theo tiêu chuẩn

Fisher: Fp Fb Trong đó: Fb - Giá trị tiêu chuẩn Fisher tra bảng;

Fp - Giá trị của biểu thức Fisher theo tính toán

Sau khi kiểm tra số liệu thí nghiệm và mô hình thực nghiệm bằng các tiêuchuẩn trên, nếu kết quả quy hoạch thực nghiệm tuyến tính chứng tỏ mô hình bậcnhất không tương thích thì ta phải tiến hành thực nghiệm bậc hai

Quy hoạch thực nghiệm bậc hai.

Phương trình tương quan bậc hai có dạng:

j i

ij i

n

b b

- Các dạng kế hoạch thực nghiệm bậc hai: Hiện nay, có nhiều dạng kếhoạch thực nghiệm bậc hai như: kế hoạch Keeferi J, kế hoạch trực giao, Boxwilson, kế hoạch H.O Hartley Tuỳ theo yêu cầu của thí nghiệm và số lượngyếu tố ảnh hưởng mà lựa chọn kế hoạch thực nghiệm phù hợp.

+ Số lượng thí nghiệm được tính toán theo công thức:

+ Tay đòn điểm sao : là khoảng cách từ tâm thí nghiệm tới các điểm

2 ) 1 2 2 (

2np np    np

Trong đó: p - Số yếu tố rút gọn; n - Là số yếu tố ảnh hưởng

- Lập ma trận thực nghiệm: Ma trận thực nghiệm với quy hoạch thựcnghiệm bậc hai là một bảng bao gồm các giá trị yếu tố ảnh hưởng được mã hoá

dưới dạng tọa độ: +1, -1, 0, +, - với số hàng bằng số thí nghiệm N, số cột

bằng số yếu tố ảnh hưởng và tổ hợp chập đôi của chúng

- Xử lý kết quả thí nghiệm: Tương tự như quy hoạch thực nghiệm bậcnhất, số liệu thực nghiệm và các hệ số của phương trình hồi quy thu được phải

được kiểm tra theo những tiêu chuẩn thống kê

- Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán học:

Tính tương thích của mô hình toán học kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher:

Trong đó: Fb - Giá trị Fisher tra bảng; Fp - Giá trị biểu thức Fisher tính toán

Đề tài sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc hai;

Để tiến hành ngâm tẩm gỗ trong dung dịch hoá chất PEG Các thí nghiệmđược bố trí độc lập với nhau theo từng cấp nồng độ và thời gian

Ma trận quy hoạch thực nghiệm, mức và bước thay đổi các thông số thínghiệm được trình bày ở bảng 1.1 và 1.2

Bảng 1.1: Mức, bước thay đổi các thông số thí nghiệm

Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Cắt mẫu theo tiêu chuẩn

Bước 2: Ngâm mẫu trong dung dịch PEG theo nội dung thí nghiệm

Bước 3: Sấy mẫu ở nhiệt độ 600C trong 3 giờ để gỗ ổn định, sau đó tăngnhiệt độ lên 1030C và sấy đến khi mẫu khô kiệt

Bước 4: Tiến hành thử mẫu theo tiêu chuẩn

1.5.3 Gi ải bài toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ

Phương pháp trao đổi giá trị phụ do Haimes đề xướng và được sử dụng để

giải bài toán tối ưu đa mục tiêu Theo Haimes bài toán tối ưu đa mục tiêu được

đưa về bài toán một mục tiêu như sau:

Y1 min (với Yj(xi) <j, j1 ; i=1, 2,….,m)

Hàm mục tiêu được biểu diễn qua phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:

x Y x

F

1

1 ( ) ( ) ; 1 )

đối với các ẩn xi và ji sẽ tìm được các giá trị: x*1, x*2, , x*n xác định cực trị

của hàm mục tiêu F Căn cứ vào giá trị của ji

*người xử lý số liệu chọn các giá

trịj để tìm lời giải phù hợp

1.5.4 Ph ương pháp kiểm tra các tính chất của gỗ biến tính

a) Kiểm tra các chỉ tiêu đánh giá ổn định kích thước

(1) Hệ số chống trương nở - ASE (Antiswelling efficient)

Hệ số chống trương nở nghĩa là tỷ lệ giảm, tỷ lệ giãn nở của mẫu đã xử lý

so với mẫu đối chứng Hệ số chống trương nở - ASE được xác định theo công

.

V SE

Trong đó: V0: Tỷ lệ trương nở thể tích của gỗ chưa được xử lý PEG

VPEG: Tỷ lệ trương nở thể tích của gỗ đã qua xử lý PEG

ASE > 0: Quá trình xử lý đạt hiệu quả

ASE = 100%: Vật liệu hoàn toàn ổn định

ASE = 0%: Quá trình xử lý không có hiệu quả gì đối với sự ổn định kíchthước

ASE < 0: Quá trình xử lý có kết quả ngược lại đối với sự ổn định kíchthước.

(2): Tỷ lệ co rút, dãn nở của gỗ sau biến tính:

- Tỷ lệ co rút theo phương xuyên tâm;

- Tỷ lệ co rút theo phương tiếp tuyến;

- Tỷ lệ co rút theo phương dọc thớ

b) Kiểm tra các tính chất cơ lý của gỗ

(3) Kiểm tra tỷ lệ PEG trong gỗ

(4) Kiểm tra ứng suất nén dọc thớ

Ứng suất nén dọc thớ được xác định theo công thức:

) / (

2

cm KG b a

P

m

ND 

Trong đó: Pmax: Giá trị lực phá huỷ (KG)

a.b: Kích thước tiết diện ngang (cm2)(5) Kiểm tra ứng suất uốn tĩnh:

Ứng suất uốn tính được tính theo công thức:

) / ( 2

.

2 KG cm h

c) Kiểm tra độ bền bám dính của màng trang sức (sơn PU)

Phương pháp kiểm tra: Để kiểm tra và đánh giá khả năng bám dính của

màng phủ P – U chúng tôi sử dụng tiêu chuẩn GB/T 15102 – 94 Phương phápkiểm tra bằng cách kẻ ô vuông

Các thông số của dao: Góc mài của dao từ (20  40)0

; Độ mỏng của lưỡi

dao: 0.43 mm; Lực kẻ: (1.5 3.0) N

Tiến hành kẻ 100 ô vuông: 1 x 1 mm, mỗi đường kẻ dài 35 mm

Sau khi kẻ xong tiến hành kiểm tra số ô bong và rách mép, sau đó quy raphần trăm số ô bong trên tổng số ô chia và so sánh với tiêu chuẩn.

Cấp1: Vết cắt nhẵn bóng không có ô bong

Cấp 2: Góc giữa hai đường giao nhau của vết cắt có bong, dọc theo vết cắt

có ô bong rất ít

Cấp 3: Dọc vết cắt có ô bong dán đoạn hoặc liên tục

Cấp 4: Có số ô bong nhỏ hơn 50% trên tổng số ô chia, bong màng lớn.Cấp 5: Các ô bong lớn hơn 50% trên tổng số ô chia, bong toàn bộ

d) Kiểm tra khả năng chống nứt của gỗ được ngâm tẩm PEG

Thiết bị ngâm tẩm

Thiết bị ngâm tẩm khá đơn giản Mục tiêu là tìm được một cái thùng có

kích thước phù hợp với kích thước của mẫu cần xử lí Vật liệu làm thùng tẩm có

thể là nhựa, sứ hoặc thép không gỉ Nếu là thùng tẩm làm bằng kim loại cần phải

được bọc kín bằng một tấm cao su nhằm tránh hiện tượng biến màu gỗ trong quá

trình ngâm gỗ trong dung dịch PEG Thùng tẩm có thiết kế một thiết bị gianhiệt, và lớp áo cách nhiệt bằng bông thuỷ tinh Trong đề tài này chúng tôi dùngthùng tẩm nóng lạnh loại RW-3025G

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về mặt khoa học: Luận văn nêu ra các vấn đề cốt yếu về lý thuyết biến tính gỗ.

Tạo lập cơ sở, căn cứ lý thuyết để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao đáp ứng tốt

đối với những sản phẩm nội thất và kiến trúc từ các loại gỗ có giá trị sử dụng

thấp bằng phương pháp biến tính ổn định kích thước

V ề mặt thực tiễn: Biến tính gỗ nói chung và biến tính theo phương pháp

ổn định kích thước gỗ nói riêng là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn lớn Những kết

quả nghiên cứu của luận văn góp phần nâng cao khả năng sử dụng gỗ rừngtrồng, những loại gỗ nếu không được xử lý sẽ rất hạn chế trong việc sử dụng.Sản phẩm sau khi được xử lý có thể sẽ đáp ứng tốt cho những sản phẩm có yêucầu cao về mặt chất lượng: khối lượng thể tích, độ cứng, độ chịu mài mòn, độuốn tĩnh, độ va đập, ổn định kích thước tạo ra nguồn nguyên liệu vô cùngphong phú và ổn định, thay thế những loại gỗ có khối lượng thể tích lớn đangngày càng khan hiếm và khắc phục được nhược điểm của gỗ rừng trồng Điềunày chẳng những giúp cho gỗ rừng trồng Việt Nam nâng cao chất lượng, tăngkhả năng cạnh tranh, mà còn tăng giá trị thương phẩm của rừng trồng

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Một số đặc điểm chung về gỗ

Gỗ được cấu tạo từ các tế bào, khi tế bào gỗ trưởng thành sẽ có dạng hình

ống, như vậy tạo nên cấu trúc xốp trong gỗ, các ống mạch tạo thành hệ mao dẫn

có tính thẩm thấu nước, ẩm từ môi trường có gỗ, khi đó xảy ra hiện tượngtrương do tác động của nước với các cấu tử trong gỗ đặt biệt là thành phầnCellulose làm cho khoảng cách giữa các phần tử tăng lên, tính chất các phần tửtrong gỗ thay đổi

Gỗ là vật liệu Polyme được tạo nên bởi các tế bào gồm các thành phầnhoá học: 50 - 55% Cellulose, 15 - 25% Hemicellulose và 20 - 30% Lignin Tínhchất, đặc điểm của các thành phần này liên quan trực tiếp đến các tính chất của

gỗ Chính những tính chất của những thành phần cấu tạo của gỗ là căn cứ và cơ

sở khoa học cho công nghệ biến tính và nâng cao chất lượng của gỗ Tất cả cácthành phần hoá học này đều có chứa nhóm Hydroxyl (OH), các nhóm chức này

đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác giữa gỗ và nước Sự co giãn của gỗ

là do thay đổi độ ẩm của gỗ gây nên, nó phát sinh ở dưới điểm bão hoà thớ gỗ

mà nguyên nhân là những ion tự do OH trong khu vực phi kết dính củaCellulose hấp thụ thành phần nước trong không khí đồng thời hình thành cầu nốivới phân tử nước Phân tử nước làm cho khoảng cách giữa các phân tử trongthành phần gỗ tăng lên, gỗ thể hiện trạng thái giãn nở dẫn đến kích thước không

ổn định, ngoài ra Hemicellulose, Lignin và các thành phần khác cũng có thể hút

nước Hemicellulose hút nước rất mạnh, tiếp đó là Lignin cuối cùng làCellulose

Khi gỗ được xử lý hoá học, các tác nhân sẽ xâm nhập vào tế bào gỗ, nó sẽtương tác với các thành phần hoá học của gỗ làm cho có sự thay đổi về liên kết,cấu trúc của gỗ có sự thay đổi Sự tác động của các tác nhân chủ yếu vào các

liên kết ngang (cầu nối hydro) giữa các phân tử, phần lớn là liên kết Hydro giữacác phân tử Cellulose.

Do đó xử lý ổn định hoá kích thước gỗ bằng phương pháp hoá học có thểthay thế bằng các nhóm OH trong gỗ bằng các nhóm chức khác có tính kỵ nước,hoặc làm giảm các nhóm OH dưới tác động bên ngoài như nhiệt độ Khi có tác

động của các nhân xử lý và các phần tử gỗ, giữa các phần tử gỗ có sự thay đổi

như: Sự thay thế một số nhóm chức, khoảng cách giữa các phân tử trong gỗ sẽlàm cho tính chất cơ lý gỗ thay đổi theo Sự biến đổi nhóm chức sẽ làm cho tínhhút nước, hút ẩm thay đổi Sự thay đổi khoảng cách giữa các phân tử dẫn đếnnội lực thay đổi làm cho cường độ của gỗ thay đổi theo

2.1.1 Cellulose

Cellulose là một chất hữu cơ cao phân tử có công thức phân tử là:(C6H10O5)n. Phân tử Cellulose là sự liên kết của các phân tử D-glucose, mỗichuỗi Cellulose có chứa từ 200 - 300 phân tử monome liên kết với nhau ở vị trí1-4 tạo nên sợi cơ bản Cấu tạo của Cellulose được mô tả như hình 2.1

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 trìnhtạo thành các dẫn xuất của Cellulose thì khả năng tạo nên liên kết và phản ứngcủa nhóm chức Hydroxyl (OH) đóng vai trò quan trọng làm cơ sở cho các giảipháp tác động làm thay đổi tính chất của gỗ

0H H

H 0H

H 0H

H

Hình 2.1 Cấu tạo phân tử Cellulose

Hemicellulose là những Polysacharide tạo nên vách tế bào, Hemicellulosegồm các Pentosan (C5H8O4)n và Hexsan (C6H10H5)n, hàm lượng Pentosan vàHexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở loại gỗ lá rộng lượng Pentosan nhiều 19-23% và Hexosan 3-6 %, ở gỗ lá Kim tỷ lệ Pentosan và Hyxosan xấp xỉ bằng nhau10-12%.

Hemicellulose dễ bị phân huỷ dưới tác dụng của Acid và nhiệt độ cao.Trong Hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn của Acide uronic Khi phân huỷ nhómCacboxyl phân giải thành CO2

2.1.3 Lignin

Sau Cellulose, Lignin là thành phần thứ 2 cấu tạo nên vách tế bào, vai tròcủa Lignin được xem là chất liên kết bao bọc giữa các tế bào Lignin tập trungvào phần giữa các tế bào

Thực chất Lignin là một tập hợp các chất hữu cơ dưới tác dụng của nhiệtLignin bị hoá mềm Mặt khác Lignin là một cao phần tử gồm các đơn vịPhenypropan, các nhóm chức cơ bản gồm Metoxy (OCH), nhóm Hydroxy(OH)2 các đơn phân tử trong Lignin liên kết với nhau bằng các liên kết Ete vàliên lết 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 Lignintrong những xử lý Hydro hoá, phân giải bằng Etanol

Liên kết hoá học giữa các thành phần trong gỗ là những liên kết yếu Giữacác thành phần tạo nên gỗ luôn có liên kết vật lý (lực Vandecvan), liên kết nàycũng là những liên kết yếu Liên kết giữa các sợi gỗ sẽ yếu đi và các sợi gỗ trởnên lỏng lẻo, dễ bị xê dịch so với nhau khi liên kết cầu Hydro giữa chúng bị cắt

đứt hoặc khoảng cách giữa các phân tử tăng lên do tác động nào đó Tính chất

cơ lý của gỗ sẽ thay đổi khi liên kết hoặc cấu trúc các thành phần gỗ thay đổi

Liên kết giữa Lignin và Cellulose có ý nghĩa quyết định đến tính chất của

gỗ Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi Cellulose trong vách tế bào

làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định Liên kết Lignin và Cellulose có

ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước của gỗ

Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liênkết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đếnvai trò của nhóm Hydroxyl, chiều dài các phân tử Cellulose, Hemicellulose,Lignin và liên kết giữa các thành phần đó

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

2.2 Cơ sở khoa học của việc ổn định kích thước gỗ

Gỗ được làm một loại vật liệu dùng trong kiến trúc và công nghiệp, nóvừa có ưu điểm lại cũng có nhược điểm, khô thì co rút, ướt thì giãn nở Đây lànhược điểm chính của gỗ Gỗ khô thì co rút, ướt thì giãn nở là do tồn tại sự hútnước ở trong vách tế bào tăng hay giảm Do sự khác biệt rất lớn về tính dịhướng, dị tính của gỗ mà làm cho quá trình co giãn của gỗ ở các phương chiềukhác nhau thì không giống nhau, dẫn đến cong vênh biến dạng, thậm chí nứt vỡ.Ngoài ra gỗ là một loại vật liệu có tính hút ẩm rất mạnh tuỳ thuộc vào sự tănglên của thành phần nước thì cường độ của gỗ lại giảm xuống, mà rất dễ bị phátsinh sâu, nấm mục phá hoại Do đó sử dụng các phương pháp xử lý vật lý, hoáhọc hay hoá lý gỗ nhằm nâng cao tính ổn định kích thước của nó Đây chính làkhâu quan trọng trong việc sử dụng hợp lý gỗ

2.2.1 Nguyên t ắc xử lý

Nguyên tắc xử lý ổn định hoá kích thước của gỗ là dưới tiền đề duy trìnhững tính chất ưu việt vốn có của gỗ mà làm thay đổi sự hút ẩm và những tínhnăng co dãn của nó Sự co giãn của gỗ là do sự thay đổi độ ẩm của gỗ mà gâynên, nó phát sinh ở dưới điểm bão hoà thớ gỗ mà căn nguyên của nó là nhữngion tự do OH trong khu vực phi kết dính của Cellulose hấp phụ thành phần nước

trong không khí đồng thời hình thành cầu nối với phân tử nước Phân tử nướcthấm 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 thước không ổn định, ngoài raHemicellulose, Lignin và các thành phần khác cũng có thể hút nước Tương đối

mà nói Hemicellulose hút nước rất mạnh, tiếp đó là Lignin cuối cùng làCellulose Do đó xử lý ổn định hoá kích thước gỗ là dưới tiền đề không làm pháhoại cấu tạo hoàn chỉnh vách tế bào gỗ, nhằm nghiên cứu một loại phương thức

xử lý thay đổi những tính chất hạn chế của nó Nó có thể được phân thành haiphương thức xử lý:

(1) Xử lý chỉ nằm gọn trong khu vực phi kết tinh của Cellulose trong vách

Căn cứ vào hình 2.2 giải thích mô hình về cấu tạo như sau:

A: Mặt cắt ngang của tế bào gỗ

A-1: Tế bào gỗ chưa qua xử lý

A-2: Vách tế bào gỗ chưa qua xử lý nhưng khoang bào đã chứa các chất

A-5: Không chỉ vách tế bào bị xử lý mà khoang bào cũng bị chất xử lý baovây.

A-6: Không chỉ vách tế bào đã qua xử lý mà khoang bào đã bị chất xử lý

điền đầy

B: Mô hình chuỗi của phân tử Cellulose của vùng phi kết tinh tế bào gỗ

B-1: Chưa xử lý

a Là chuỗi Cellulose kế cận

b Biểu thị điểm hấp thụ trên chuỗi của phân tử

c Biểu thị phân tử nước đã thấm vào và bị hút vào tại điểm b thành cầunối làm cho cầu OH vốn có bị phá hoại

Hiệu quả vĩ mô là: Ban đầu do nước ngấm vào mà phát sinh trương nởtheo hướng d, theo đó dẫn đến sự hút dẫn cơ giới theo hướng e, hai hiện tượng

cơ bản này phát sinh tại các phương hướng khác nhau, không có liên quan vớinhau, mô hình nói ở trên là sự biến 2 chiều của sự hút nước của đại phân tửCellulose trong khu vực không kết tinh dẫn đến được biểu diễn qua không gian

2 chiều, trong thực tế thì nó phức tạp rất nhiều giữa hấp phụ và ứng suất cục bộ

có quan hệ không gian 3 chiều

O biểu thị vị trí thay thế gốc OH.Biểu diễn chuỗi phân tử a, do saukhi gốc OH thay thế dưới trạng thái sấy khô hình thành sự giao chéo liên kết.

B-3: Biểu thị giữa chuỗi phân tử a do gốc OH bị thay thế vị trí, dưới trạngthái trương giãn hình thành sự giao chéo liên kết, vì đó mà khô đi

B-4: Biểu thị tính thấm của nước của gốc hữu cơ dung tích lớn (chấm đenlớn) thay thế nhóm OH, khoảng cách giữa các phân tử trong chuỗi a tăng lên

đồng thời hình thành sự liên kết giao nhau

B-5: Biểu thị tính thân nước của gốc hữu cơ dung tích lớn (chấm đen lớnkèm theo nhóm OH) thay thế nhóm OH, khoảng cách giữa phân tử trong chuỗi atăng lên; phân tử nước dễ dàng thấm chung vào

B-6: Biểu thị tính thấm nước có gốc hữu cơ có dung tích lớn (chấm đenlớn) thay thế nhóm OH, khoảng cách giữa các phân tử trong chuỗi a tăng lên

B-7: Biểu thị tính thân nước của gốc hữu cơ dung tích lớn (chấm đen lớnkèm theo nhóm OH) thay thế nhóm OH, khoảng cách giữa các phân tử trongchuỗi a tăng lên Phân tử nước dễ dàng chui thấm vào

B-8: Biểu thị tính thân nước của gốc hữu cơ dung tích lớn (chấm đen lớnkèm thêm 2 nhóm OH) thâm nhập vào giữa chuỗi phân tử nhưng không thay thếnhóm OH, nhưng làm tăng thêm khoảng cách giữa các phân tử; Phân tử nước dễdàng chui thấm vào

B-9: Biểu thị tính thân nước của gốc hữu cơ dung tích lớn (chấm đen lớn)dẫn đến chuỗi phân tử tuy không có sự thay thế nhóm OH nhưng làm tăng lênkhoảng cách giữa các phân tử trong chuỗi phân tử

Các phương pháp xử lý ổn định hoá kích thước, về cơ bản có thể dùng tổhợp mô hình A và B trên và để thuyết phục (Hình 2.2.)

2.2.3 C ơ chế ổn định kích thước gỗ

Cơ chế xử lý để cải thiện tính ổn định kích thước của gỗ, giảm bớt điểm hấp phụ

- cầu OH tồn tại năng lực hút nước hoặc làm cho mất khả năng hấp phụ, nhưdùng những phân tử nước bao vây khu vực để hấp phụ, hoặc làm cho một bộ

phận cục bộ phân tử cố định liên kết giao nhau nên làm cho tế bào hình thànhcấu tạo như: B - 2; 3; 4; 5; 6; 9 của hình 2.2 là tốt nhất.

Ngoài ra một số trường hợp sử dụng nào đó có yêu cầu đối với gỗ được

xử lý phải có tính năng hút ẩm nhất định nên làm cho tế bào hình thành cấu tạo

B - 8 như hình 2.2 Ví dụ thực tế điển hình là xử lý PEG B-8

2.3 Một số giải pháp biến tính kích thước ổn định gỗ

2.3.1 X ử lý ổn định kích thước bằng phương pháp vật lý

2.3.1.1 Xử lý Polyetylenglycol (PEG)

Gỗ được xử lý ngâm tẩm Polyetylenglycol rất có hiệu quả làm giảm sựtrương nở, co rút của gỗ, phòng ngừa sự biến dạng, cong, vênh, nứt vỡ donguyên nhân trên gây ra

Polyetylenglycol được xử lý rộng rãi trong việc bảo quản gỗ cổ xưa Vínhư, gỗ cổ xưa đã bị chôn vùi dưới sông băng hơn 3 vạn năm tại Mỹ - Gỗ tàuthuyền của chiến hạm Wasa bị chìm đắm tại cảng Thuỵ Điển, quần thể kiến trúctại các đền cổ ở Nhật Bản, tất cả đều được xử lý, bảo quản bằng PEG mà hiệuquả thu được mĩ mãn như mới Mấy năm gần đây trung tâm kỹ thuật bảo hộ vănvật của tỉnh Thiểm Tây - Trung Quốc cũng đã triển khai công tác nghiên cứu vềphương diện đó

a) Tính chất của PEG

PEG là một chất tan trong nước không màu, không mùi, khi phân tửlượng cao ở trạng thái nhiệt độ không khí (200C) nó ở thể rắn, khi phân tử lượngnhỏ nó ở trạng thái lỏng Đối với kim loại nó không có tính chất ăn mòn, không

có tính độc đối với người và gia súc, nguy cơ cháy thấp

PEG là một cao phân tử thu được sau phản ứng giữa oxi mạch mỏng vớinước hoặc Etylenglycol mà tổng số đơn phân tử được liên kết là n được gọi là

độ tụ hợp Thông thường tồn tại phân tử hỗn hợp của các loại độ tụ hợp, ví như

PEG – 1000, điều đó nói rằng số đơn phân tử của PEG là 1000

Thực chất của xử lý là sự thay thế thành phần nước trong gỗ hoàn toànbởi Polyetylenglycol đồng thời làm cho gỗ duy trì trạng thái trương nở, từ đólàm cho kích thước của gỗ ổn định Qua nghiên cứu chứng minh phân tử lượngtrung bình của PEG từ 1000 - 1500 là thích hợp để làm dung dịch bảo quản Cơchế xử lý của nó tương tự như hình 2.2 với A - 5, B - 8 trong mô hình cấu tạo

gỗ Phân tử lượng trung bình lớn hơn 3500, do thể tích của phân tử và kíchthước của nó tương đối lớn mà khó có thể chui thấm vào vách tế bào, cơ chế xử

lý tương tự như hình 2.2 với A - 2; 3 của mô hình cấu tạo gỗ

b) Xử lý PEG của gỗ

PEG thích hợp cho việc xử lý gỗ tươi và ướt, điều kiện xử lý là phân tửlượng trung bình của PEG từ 1000 - 1500 nồng độ dung dịch xử lý từ 25 - 30%(dung môi là nước) Nhiệt độ xử lý là nhiệt độ phòng, thời gian và nhiệt độ xử lýcăn cứ vào độ dày, loại gỗ và lượng ngấm cần xử lý mà quyết định Khi xử lý độ

ẩm của gỗ lớn thì tỷ lệ tồn đọng của PEG trong gỗ cũng lớn, tỷ lệ chống trương

nở ASE của gỗ được xử lý cũng cao Do đó với gỗ tươi hiệu quả xử lý tốt hơn

gỗ khô Khi pha chế dung dịch PEG đầu tiên nên làm nóng chảy PEG sau đómới hoà vào nước để được dung dịch PEG cần thiết Không nên hoà trực tiếpPEG dạng rắn ngay với nước nếu không PEG dạng sáp rất khó hoà tan Phươngpháp xử lý có mấy loại sau: quét phủ, phun sương, khuếch tán, ngâm tẩm và áplực trong đó phương pháp ngâm tẩm là thực dụng và đơn giản

2.3.1.2 Xử lý chống nước

Xử lý chống nước bao gồm 2 mặt sau

(1) chống hút ẩm, xử lý tính năng chống hút nước

(2) chỉ xử lý kỵ nước qua tính năng chống hút ẩm

Gỗ có tính ẩm, mà đặc tính thích nước của nó thể hiện sự hút nước trên bềmặt của nó, sử dụng dung dịch xử lý kỵ nước vừa phải có gốc thích nước (có thểtiếp xúc chặt chẽ với bề mặt gỗ) lại vừa phải có gốc kỵ nước (bảo vệ bề mặt của

gỗ không bị ẩm) Hiệu quả xử lý tốt xấu có liên quan đến tính chất bề mặt của

chất rắn, độ nhẵn bề mặt và tỷ lệ khai rỗng Gỗ do xử lý các loại dung dịch kỵnước qua một năm thí nghiệm ngoài trời kết quả chỉ rõ: Thuốc kỵ nước có thànhphần Paraffin có tính bền lâu tốt nhất Còn đối với những loại khác như nhựa

đường và nhựa Silic thì hiệu quả kỵ nước giảm dần theo thời gian thí nghiệm

Ngoài ra chất kỵ nước còn có hiệu quả hút vật ô nhiễm trong không khí, do đólàm gỗ được xử lý bị giảm hiệu quả đi rõ rệt

Gỗ được xử lý kỵ nước bởi Paraffin và một số chất khác tỷ lệ chống nướccủa nó có thể đạt từ 75-90%, tỷ lệ chống trương nở (ASE) là 70-85%

Điểm quan trọng xử lý kỵ nước là:

(1) Trong dung dịch kỵ nước hàm chứa Paraffin càng nhiều thì khả năngchống nước càng cao

(2) Khi sử dụng ở ngoài trời bằng gỗ xử lý kỵ nước, thì đô ẩm của nó ảnhhưởng không lớn mặc cho hoàn cảnh thay đổi, do đó mà có tính ổn định kíchthước tốt

2.3.1.3 Xử lý chống thấm

Phương pháp xử lý chống ẩm thường dùng nhất là phủ lên bề mặt một loạichất phủ hoặc dán một lớp vật liệu lên mặt Gỗ khi đã được xử lý phủ bề mặt,cũng như khoác lên một màng bảo vệ, ngăn cách gỗ với không khí, nước, ánhsáng và các loại dung dịch khác hay côn trùng, nấm mốc và vật bẩn không chotrực tiếp tiếp xúc, nhưng điều quan trọng hơn là làm chậm tốc độ khuyết tán củakhông khí ẩm xâm nhập vào gỗ, ức chế sự hút hơi nóng, từ đó mà giảm bớt sựtổn thất đến mức độ thấp nhất do trương nở hay co rút gây nên, loại phươngpháp này gọi là che phủ bề mặt Vật liệu che phủ thường dùng là sơn Phenol -

formaldehyde, Nitro cellulose … độ dày của màng sơn tỷ lệ thuận với hiệu quả

chống ẩm Hạn chế của phương pháp này ở chỗ tính thấm của gỗ được xử lý vàtính thân nước không có sự thay đổi về bản chất Do đó, một khi màng sơn chấtphủ bị lão hoá, bong rơi, gỗ bị xử lý sẽ mất đi hiệu quả chống ẩm Ngoài ra, còn

có thể đem hoà tan chất kỵ nước như (Tùng hương, Paraffin …) vào dung môi

dễ bay hơi như (Benzen, Metan …) tạo thành hỗn hợp có tính lưu động cao độnhớt thấp có thể thấm vào trong gỗ, sau khi dung môi bay hơi có tính lưu độngcao, độ nhớt thấp có thể thấm vào trong gỗ, sau khi dung môi bay hơi chất kỵnước sẽ lưu lại trên bề mặt và bên trong gỗ, phương pháp này gọi là ngâm phủ

bề mặt

2.3.1.4 Xử lý Paraffin

Đem Paraffin có phân tử lượng thấp thấm vào gỗ, gia nhiệt làm cho phảnứng tiếp diễn, cứng hoá mà hình thành nhựa nhiệt rắn, kích thước gỗ được xử lý

ổn định, các tính chất khác cũng được cải thiện

Những nghiên cứu của Goldstein đã chỉ rõ tính ổn định kích thước của gỗkhi xử lý có quan hệ mật thiết với nhóm OH trong nhân Benzen của nhựaPhenol - formaldehyde; mà hàm lượng của nhóm OH thuộc nhóm Paraffin lại tỷ

lệ nghịch với mức độ đa tụ của nhựa Do đó, nhựa Phenol - formaldehyde phân

tử lượng thấp sẽ có hàm lượng OH cao, khi cứng hoá ở nhiệt độ cao nó có thểkết hợp với gốc OH của gỗ, mà hiệu quả tăng dung tích của nó được thể hiện rõnét, tỷ lệ chống trương nở (ASE) cũng cao Mô hình xử lý như mô hình cấu tạotrong hình 2.2 với A - 5, B - 4; 6

Nhựa Phenol - formaldehyde phân tử lượng cao đa phần lắng đọng tronggian bào, cũng giống như tác động thấm phủ bề mặt trong, mô hình xử lý như

mô hình cấu tạo hình 2.2 với A - 2; n3, B - 9 Tính ổn định kích thước của gỗ

xử lý nhỏ hơn bởi nhựa lượng phân tử thấp

Tính năng phòng chống mục và sâu mọt của gỗ xử lý cũng được tăng lên

rõ rệt so với gỗ nguyên

Nhựa Phenol - formaldehyde cũng thích hợp để xử lý ván mỏng, có thể

đem ván mỏng đã xử lý để chế tạo ván ép lớp và ván ép lớp cường độ cao

2.3.2 X ử lý ổn định kích thước bằng phương pháp hoá học

Được coi là phương pháp hoá học là chỉ phương pháp có thể làm phát

sinh phản ứng hoá học trong thành phần của gỗ Thông qua xử lý, sự tiêu hao