NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH GỖ ĐIỀU BẰNG LÒ VI SÓNG

Năm 1930, Đức và Liên Xô đã có những nghiên cứu về biến tính gỗ bằng phương pháp nén ép tăng khối lượng thể tích gỗ sau khi đã làm mềm, nhằm làm tăng độ bền tự nhiên của gỗ, sản phẩm biế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn: TS HOÀNG THỊ THANH HƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh

Tháng 6/2012

LỜI CÁM ƠN

Sau khi nghiên cứu và thực hiện đề tài, đến nay luận văn tốt nghiệp của tôi

đã hoàn thành Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới:

 Ban giám hiệu cùng toàn thể quý thầy cô trường đại học Nông Lâm thành

phố Hồ Chí Minh

 Quý thầy cô khoa Lâm Nghiệp, đặc biệt là bộ môn Chế Biến Lâm Sản đã

tận tình giảng dạy, truyền đạt lại những kiến thức giúp tôi thực hiện đề tài này

 TS Hoàng Thị Thanh Hương, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi

trong suốt thời gian thực hiện đề tài

 Quý thầy cô trong Viện công nghệ sinh học và bảo vệ môi trường, trường

đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh

 Công ty Trường Tiền –Thủ Đức thành phố Hồ Chí Minh

 Công ty trách nhiệm hữu hạn Phú An – Bến Cát, Bình Dương

 Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi

trong suốt quá trình làm đề tài

Xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên : Võ Thị Bích Ngọc

TÓM TẮT

Đề tài “ Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ biến tính gỗ Điều bằng lò vi sóng ” đã được tiến hành tại Viện công nghệ sinh học và bảo vệ môi trường, trường đại học Nông Lâm, thành phố Hồ Chí Minh Thời gian từ 10 - 2 đến 10 - 6 năm

2012 Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

- Thời gian ổn định mẫu: 30 phút

 Gỗ Điều sau khi biến tính đạt các chỉ tiêu tính chất cơ lý như sau:

- Khối lượng thể tích: 0,456 g/cm3

- Ứng suất nén theo chiều dọc thớ: 317,57 kG/cm2

- Độ ổn định kích thước được cải thiện

MỤC LỤC

Trang

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

DANH SÁCH CÁC HÌNH xi

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 3

Chương 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu biến tính gỗ 4

2.1.1 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ trên thế giới 4

2.1.2 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ tại Việt Nam 6

2.2 Cơ sở lý thuyết của biến tính gỗ 7

2.2.1 Cơ sở lý thuyết 7

2.2.2 Một số phương pháp biến tính gỗ 11

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ biến tính 13

2.3.1 Ảnh hưởng của loại gỗ 13

2.3.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý 13

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

3.1 Mục tiêu - Mục đích nghiên cứu 15

3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 15

3.1.2 Mục đích nghiên cứu 15

3.2 Nội dung nghiên cứu 15

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu gỗ Điều 15

3.2.2 Tiến hành thí nghiệm thăm dò biến tính gỗ Điều 15

3.2.3 Nghiên cứu xây dựng chế độ công nghệ biến tính phù hợp cho gỗ Điều với qui cách 35 × 35 × 200 mm 15

3.2.4 Xác định một số tính chất cơ, lý của gỗ Điều trước và sau khi biến tính tính ở độ ẩm 12 ± 2 % 15

3.2.5 Đánh giá khả năng kháng nấm mốc của gỗ Điều biến tính và gỗ Điều không biến tính 16

3.2.6 Đề xuất công nghệ biến tính gỗ 16

3.3 Phương pháp nghiên cứu 16

3.3.1 Phương pháp biến tính gỗ 16

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu thăm dò 16

3.3.3 Giới hạn các yếu tố nghiên cứu 17

3.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 17

3.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 20

3.5 Vật liệu nghiên cứu 22

3.5.1 Mô tả cây 23

3.5.2 Phân bố và sinh thái 23

3.5.3 Mô tả gỗ 24

3.5.4 Tính chất vật lý và cơ học 25

3.5.5 Giá trị sử dụng 25

3.6 Thông số kỹ thuật của lò vi sóng (Microwave) thí nghiệm 25

3.6.1 Nguyên lý hoạt động của lò vi sóng tác động tới vật liệu 25

3.6.2 Thông số kỹ thuật của lò vi sóng 27

3.7 Đánh giá gỗ Điều sau khi biến tính 29

3.7.1 Phương pháp xác định tính chất cơ, lý của gỗ 29

3.7.2 Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của gỗ 29

3.7.3 Thí nghiệm xác định ứng suất nén dọc 31

3.7.4 Thí nghiệm xác định độ ổn định kích thước theo chiều tiếp tuyến với RH = 35% và RH = 60% 32

3.7.5 Thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nấm mốc của gỗ Điều 34

Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - THẢO LUẬN 35

4.1 Kết quả nghiên cứu thăm dò 35

4.2 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm gỗ Điều qui cách chiều dày 35 mm 36

4.2.1 Khối lượng thể tích của gỗ Điều không biến tính và biến tính 36

4.2.2 Ứng suất nén dọc của gỗ Điều không biến tính và biến tính 38

4.3 Xây dựng phương trình tương quan 39

4.3.1 Xử lý số liệu và xác định phương trình tương quan 39

4.3.2 Kiểm tra các hệ số hồi quy và tính tương thích của phương trình 40

4.3.3 Chuyển phương trình tương quan dạng mã hoá về dạng thực 41

4.4 Xác định các thông số công nghệ tối ưu 41

4.4.1 Bài toán tối ưu hoá một mục tiêu 41

4.4.2 Bài toán tối ưu hoá hai mục tiêu 42

4.5 Độ ổn định kích thước theo chiều tiếp tuyến ở mức ẩm RH = 35 % và RH = 60 % của gỗ Điều biến tính và không biến tính 42

4.6 Kết quả đánh giá khả năng kháng nấm mốc 44

4.6.1 Kết quả đánh giá khả năng kháng nấm mốc của gỗ Điều biến tính trong 8 tuần 44

4.6.2 Kết quả đánh giá khả năng kháng nấm mốc của gỗ Điều không biến tính trong 8 tuần 46

4.7 Đề xuất công nghệ biến tính gỗ Điều 47

4.7.1 Sơ đồ công nghệ biến tính gỗ Điều 47

4.7.2 Thuyết minh sơ đồ 49

4.8 Tổng hợp thông số kỹ thuật biến tính và các chỉ tiêu cơ lý của gỗ Điều biến

tính và không biến tính 49

4.9 Nhận xét đánh giá kết quả nghiên cứu 50

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 56

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Chữ viết tắt và ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên

ASTM D143: Tiêu chuẩn của Mỹ

Ft Tiêu chuẩn Fisher tính theo công thức

phương trình hồi quy

của thí nghiệm thứ i



i

0

thí nghiệm tại tâm thứ u

0

tại tâm

DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG HÌNH

Bảng 2.1: Phân loại biến tính theo đặc điểm cơ bản trong quá trình xử lý nhiệt 9

Bảng 3.1: Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào 19

Bảng 3.2: Ma trận thí nghiệm dạng mã hóa 20

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của lò vi sóng (Microwave) làm thí nghiệm 27

Bảng 3.4: Bảng chỉ tiêu đánh giá điểm theo tiêu chuẩn châu Âu xác định độ bền của gỗ EN 113 34

Bảng 4.1: Kết quả nghiên cứu thăm dò xử lý biến tính gỗ Điều qui cách chiều dày mm 35, độ ẩm gỗ trước biến tính Wg = 70% 35

Bảng 4.2: Khối lượng thể tích của gỗ Điều biến tính và không biến tính 37

Bảng 4.3: Ứng suất nén dọc của gỗ Điều biến tính và không biến tính 38

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm gỗ Điều biến tính qui cách 35 × 35× 200 mm, số lần lặp lại n = 3 40

Bảng 4.5: Kết quả tính toán tối ưu hàm một mục tiêu của gỗ Điều biến tính 42

Bảng 4.6: Độ giãn nở theo chiều tiếp tuyến của gỗ Điều biến tính và không biến tính ứng với RH = 35% và RH = 60% 43

Bảng 4.7: Tỷ lệ nấm mốc gỗ Điều biến tính trong 8 tuần 44

Bảng 4.8: Tỷ lệ nấm mốc gỗ Điều không biến tính trong 8 tuần 46

Bảng 4.9: Các thông số kỹ thuật biến tính gỗ Điều bằng lò vi sóng 49

Bảng 4.10: Các chỉ tiêu cơ lý của gỗ Điều không biến tính 50

DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG

Hình 3.1: Mô hình nghiên cứu công nghệ tạo gỗ biến tính 19

Hình 3.2: Cây Điều 22

Hình 3.3: Mặt cắt ngang gỗ Điều 24

Hình 3.4: Mặt cắt xuyên tâm gỗ Điều 24

Hình 3.5: Mặt cắt tiếp tuyến gỗ Điều 25

Hình 3.6: Lò ví sóng dùng làm thí nghiệm 27

Hình 3.7: Mẫu thử khối lượng thể tích 30

Hình 3.8: Mẫu thử ứng suất nén dọc thớ 31

Hình 3.9: Mẫu đo độ giãn nở 33

Hình 4.1: Gỗ Điều không biến tính và biến tính …36

Hình 4.2: Biểu đồ khối lượng thể tích 37

Hình 4.3: Biểu đồ ứng suất nén dọc 38

Hình 4.4: Mẫu gỗ điều không biến tính và biến tính sau thử ứng suất nén dọc 39

Hình 4.5: Biểu đồ giãn nở theo chiều tiếp tuyến 44

Hình 4.6: Gỗ Điều biến tính trước và sau khi thử nấm mốc 45

Hình 4.7: Biểu đồ tỷ lệ nấm mốc thâm nhập gỗ Điều biến tính 45

Hình 4.8: Gỗ Điều không biến tính trước và sau khi thử nấm mốc 46

Hình 4.9: Biểu đồ tỷ lệ nấm mốc thâm nhập gỗ Điều không biến tính 47

Hình 4.10: Sơ đồ công nghệ biến tính gỗ Điều 48

Hình 4.11: Biểu đồ biến tính gỗ Điều bằng lò vi sóng 48

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Gỗ là nguồn nguyên liệu tự nhiên được con người sử dụng từ lâu đời, có phạm

vi sử dụng rất đa dạng và phong phú Ngày nay với sự phát triển kinh tế xã hội thì nhu cầu của con người về gỗ càng tăng mạnh Đòi hỏi các sản phẩm gỗ phải có chất lượng ngày càng cao hơn Trước nhu cầu sử dụng gỗ tăng thì ngành chế biến gỗ của Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đang phát triển nhanh

Hiện tại, ngành chế biến gỗ Việt Nam là một trong năm ngành đạt kim ngạch xuất khẩu lớn của nước ta và giá trị đó tăng dần qua các năm gần đây Cụ thể là kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ của Việt Nam năm 2006 đạt 1,93 tỷ USD, năm 2007 đạt 2,4

tỷ USD, năm 2008 đạt 2,8 tỷ USD, năm 2009 sắp xỉ 2,6 tỷ USD, năm 2010 đạt 3,4

tỷ USD và đến năm 2011 đạt trên 4,3 tỷ USD Sau khi gia nhập tổ chức thương mại thế giới WTO Việt Nam càng có nhiều cơ hội để mở rộng thị trường để thúc đẩy ngành chế biến gỗ phát triển Hiện nay ngành chế chế biến gỗ của Việt Nam đứng

vị trí số 1 ở khu vực Đông Nam Á và là một trong những nước đứng đầu về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ lớn trên thế giới

Tuy nhiên trước những thuận lợi và thành tựu đạt được thì ngành chế biến gỗ Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều khó khăn Trong đó khó khăn lớn nhất của ngành gỗ Việt Nam là thiếu nguồn nguyên liệu Trước đòi hòi ngày càng cao về chất lượng thì gỗ rừng tự nhiên không còn đủ để đáp ứng Để thay thế gỗ rừng tự nhiên thì gỗ rừng trồng là giải pháp tốt nhất về nguyên liệu

Do gỗ rừng trồng có tốc độ sinh trưởng nhanh, mềm, nhẹ nên thường có tính chất cơ lý thấp, tỷ lệ biến dạng cao, độ ổn định kích thước thấp nên khả năng sử dụng chưa cao trong ngành sản xuất đồ mộc Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu

tìm những giải pháp công nghệ biến tính để nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng và sản phẩm gỗ làm từ gỗ rừng trồng

Biến tính gỗ là công nghệ được nhiều nước trên thế giới áp dụng để tăng khả năng sử dụng gỗ rừng trồng Tại Việt Nam thì công nghệ này còn tương đối mới

mẻ Ở nước ta hiện nay thì cây Điều được trồng với trữ lượng lớn, dễ trồng, tăng trưởng nhanh Điều được trồng với mục đích chính là lấy hạt, khi cây già và ít quả thì được thanh lý và bán cho ngành chế biến gỗ Tuy nhiên, gỗ Điều có cơ tính rất thấp, gỗ tươi dễ bị nấm mốc, cần phải qua xử lý thuốc rồi sấy khô mới đem đi chế biến được Đây thật sự là một rào cản để sản phẩm đồ gỗ Điều gia nhập vào thị trường các nước, nơi mà có sự đòi hỏi khống chế nghiêm ngặt về nồng độ hóa chất, tính độc hại cho người sử dụng và môi trường Trước những vấn đề vừa được nêu trên, được sự cho phép của khoa Lâm Nghiệp và được sự hướng dẫn của TS Hoàng Thị Thanh Hương, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “ Nghiên cứu một số yếu tố

công nghệ biến tính gỗ Điều bằng lò vi sóng”

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Gỗ Điều tươi được lấy từ các tỉnh miền Đông Nam Bộ rồi đưa về công ty Trách nhiệm hữu hạn Phú An, huyện Bến Cát, tỉnh Bình Dương để cưa xẻ Sau đó,

gỗ Điều xẻ được đem đi gia công tại công ty Trường Tiền, Thủ Đức theo đúng kích thước của thí nghiệm yêu cầu rồi được tiến hành xử lý biến tính

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu biến tính gỗ có phạm vi rộng lớn gồm nhiều phương pháp như: sinh học (tác động gen), kỹ thuật lâm sinh, công nghệ: phương pháp vật lý (cơ – nhiệt), hóa học hoặc kết hợp lý hóa (hóa – nhiệt – cơ), enzym hóa, bức xạ hóa học Tuy có nhiều phương pháp biến tính gỗ nhưng để phù hợp với Điều kiện của phòng thí nghiệm, trong phạm vi đề tài chọn phương pháp biến tính bằng microwave để biến tính gỗ Điều Trong phạm vi đề tài chủ yếu xác định các thông

số công nghệ cụ thể như công suất và thời gian, còn các thông số khác xem như

không thay đổi Và sản phẩm gỗ sau khi biến tính sẽ hướng tới sử dụng trong sản xuất đồ mộc, sản xuất ván ghép thanh, ván sàn,

1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn

Gỗ Điều sau khi biến tính có thể đáp ứng được yêu cầu trong sản xuất hàng mộc, sản xuất ván ghép thanh, ván sàn góp phần giải quyết vấn đề nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ của Việt Nam

Đề tài thực hiện thành công góp phần hoàn thiện công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp microwave, góp phần làm phong phú thêm công nghệ biến tính gỗ, có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào trong sản xuất thực tế góp phần giảm thiểu những tác nhân ảnh hưởng môi trường và sức khỏe người sử dụng, đồng thời giải quyết việc làm tăng thu nhập cho người dân

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu biến tính gỗ

2.1.1 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ trên thế giới

Trên thế giới công nghệ biến tính gỗ được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm Biến tính gỗ đã mở ra những khả năng ứng dụng và cạnh tranh mới giữa gỗ với các vật liệu tổng hợp khác Tuy công nghệ biến tính gỗ để cải thiện tính chất của gỗ đã

có từ lâu đời nhưng mãi đến những thập niên gần đây thì công nghệ này mới bắt đầu nghiên cứu và phát triển

Năm 1930, Đức và Liên Xô đã có những nghiên cứu về biến tính gỗ bằng phương pháp nén ép tăng khối lượng thể tích gỗ sau khi đã làm mềm, nhằm làm tăng độ bền tự nhiên của gỗ, sản phẩm biến tính đạt được trong giai đoạn này là gỗ nén làm thoi dệt, tay nắm công cụ, những chi tiết chịu mài mòn, ống sợi

Năm 1932, Liên Xô đã nghiên cứu biến tính gỗ bằng hai phương pháp ép làm tăng tính chất cơ lý của gỗ đó là ép nén với sự làm sáng gỗ trong môi trường hơi nước bão hòa hoặc được tẩm trước và gỗ được xử lý trong môi trường độ ẩm cao Năm 1936, một số nhà khoa học của Liên Xô đã tìm ra phương pháp đưa vào trong vật liệu gỗ các hóa chất dưới dạng monome hoặc polime, dung dịch Bakelit 5

- 10 %

Năm 1937, Stamm và Hansen đã nghiên cứu về độ co rút và giãn nở trên gỗ đã qua sử lý nhiệt Các dữ liệu cho thấy tính hút ẩm của gỗ khô giảm một cách đáng

kể Đối với gỗ được xử lý trong môi trường không khí thì độ cứng mất đi nhiều hơn

khi được xử lý trong môi trường chất khí Đến năm 1946, Stamm et al lần đầu tiên

có báo cáo thử nghiệm một cách hệ thống về khả năng làm tăng tính kháng nấm mốc cho gỗ khi xử lý trong bồn kim loại nóng Báo cáo cũng xác định về khả năng

cải thiện được độ bền và độ ổn định kích thước Hệ số co rút và giãn nở (ASE) tăng lên 40 %, còn độ uốn tĩnh giảm 20 %

Từ năm 1946 – 1961, phương pháp xử lý gỗ bằng Acetol hóa đã đánh dấu một giai đoạn mới trong công nghệ nghiên cứu biến tính gỗ Năm 1966, G.V.Klard viện nghiên cứu gỗ vùng Xiberi đã sử dụng dung dịch Furforol tẩm vào gỗ tạo vật liệu

gỗ có độ bền cơ học cao

Năm 1972, Burmester đã chứng minh về khả năng cải thiện các tính chất của

gỗ nếu xử lý nhiệt trong điều kiện có áp suất Quá trình này sau đó được Giebeler phát triển vào năm 1983, Ông đã nghiên cứu về độ ổn định kích thước khi xử lý nhiệt gỗ tươi trên các chủng loại gỗ khác nhau trong điều kiện có áp suất Kết quả cho thấy tỷ lệ giãn nở giảm 50 - 80 % trên các loại gỗ như Dê, cây Bu-lô, Thông, Bạch dương và cây Vân sam, nhiệt độ xử lý từ 180 – 200 0C Năm 1984, Hillis phát hiện rằng các ảnh hưởng mạnh xảy ra trên hemicellulose và lignin khi gỗ được xử lý

ở nhiệt độ 100 0C trong 2 giờ đồng hồ

Từ năm 1990 cho đến nay công nghệ biến tính gỗ trên thế giới phát triển khá mạnh Năm 1994, Nhật Bản đã nghiên cứu biến tính gỗ bằng phương pháp xông khói ESD (Ecology Dry Sytem) và biến tính theo phương pháp ép nén keo năm

1995 Hiện nay ở châu Âu đã có mạng lưới liên hiệp các quốc gia chuyên nghiên cứu và phá triển quy trình công nghệ biến tính gỗ Các phương pháp công nghệ biến tính gỗ hiện có ở châu Âu: gỗ “ Retiled” theo phương pháp NOW (New Opton Wood) của Pháp nghiên cứu năm 1999; gỗ “ Plato” được biến tính bằng phương pháp PLATO (Providing Last Advanced Timber Option- Process) của Hà Lan nghiên cứu năm 2001

Nhìn chung công nghệ biến tính gỗ trên thế giới từ lúc ra đời cho đến nay đã

có những bước tiến khá quan trong và gặt hái được nhiều thành công to lớn trong nghiên cứu tạo ra nhiều sản phẩm gỗ biến tính có chất lượng cao sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

2.1.2 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ tại Việt Nam

Ở Việt Nam công nghệ biến tính gỗ còn tương đối mới mẻ Vào những năm gần đây khi nguồn nguyên liệu gỗ bị thiếu hụt thì công nghệ biến tính gỗ mới được quan tâm nhiều hơn

Vào cuối những năm 1969, bộ môn gỗ - ván nhân tạo thuộc viện nghiên cứu Lâm Nghiệp và sau đó Viện công nghiệp rừng đã tiến hành thí nghiệm biến tính các

loại gỗ Vạng rừng (Endoepermum sinensis Benth), gỗ Mỡ (Manglietica album

Raeush), gỗ Trám trắng (Canarium album Raeush) bằng phương pháp nhiệt cơ và

hóa cơ kết hợp Kết quả cho thấy khối lượng thể tích tăng lên khoảng 1,2 lần và cường độ uốn tĩnh tăng lên khoảng 1,3 lần so với gỗ trước lúc chưa biến tính

Năm 1998, Nguyễn Trọng Nhân đã nghiên cứu công nghệ tẩm hóa chất dung dịch P-F 33% và ép nhiệt đệ tạo ra phôi thoi dẹt từ gỗ Vang trứng được áp dụng vào công nghiệp dệt

Năm 2001 nhóm tác giả Trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu Công nghệ biến tính gỗ với công suất 500 – 1000 m3/năm và đã xây dựng được quy trình công nghệ như sau: Nguyên liệu (gỗ tròn) → Tạo phôi → Xẻ phá (cưa vòng 1) → Xẻ lại (cưa đĩa 2) → Cắt ngắn (cưa đĩa 1) → Ngâm tẩm hoá chất (thiết

bị ngâm tẩm áp lực - chân không) → Ép nhiệt (máy ép nhiệt) → Bảo hòa → Sản phẩm gỗ biến tính Đã tiến hành thử nghiệm với một số loại gỗ mọc nhanh rừng trồng (Bồ đề, Điều, Keo tai tượng, Keo lá tràm ) những loại gỗ có độ bền cơ học không cao, phạm vi sử dụng hẹp, giá trị thành phẩm không cao Kết quả là ổn định kích thước cao, cường độ cơ học lớn, phạm vi sử dụng rộng

Năm 2004, Vũ Huy Đại và Nguyễn Minh Hùng Đại học Lâm Nghiệp Hà Nội

đã nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý vi sóng đến tính chất cơ lý chủ yếu của gỗ Tràm trắng Kết luận thông qua các chỉ tiêu về tính chất cơ lý chủ yếu của gỗ được sử lý bằng vi sóng cho thấy tính ổn định về kích thước của gỗ được cải thiện, nhưng tính chất cơ học của gỗ bị giảm

Năm 2005, nhóm tác giả trường Đại học Lâm Nghiệp Hà Nội đã đưa ra quy trình công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp hóa cơ Phương pháp này được áp

dụng cho các loại gỗ rừng trồng mọc nhanh có độ bền cơ học không cao như bồ đề, Điều, keo tai tượng, keo lá tràm Gỗ sau khi ngâm tẩm hóa chất được đưa qua thiết

bị ép nhiệt với các thông số chế độ ép phù hợp gỗ sẽ được nén ép với một tỷ suất xác định, hóa chất thấm trong gỗ đóng rắn, gỗ sẽ có được tính ổn định kích thước cao, cường độ cơ học lớn có thể sử dụng trong sản xuất đồ mộc

Năm 2006, Đào Xuân Thu nghiên cứu công nghệ biến tính gỗ Keo tai tượng bằng amoniac

Năm 2006, tiến sĩ Hoàng Thị Thanh Hương khoa Lâm Nghiệp, Đại học Nông Lâm TP.HCM đã nghiên cứu biến tính gỗ Cao su, Hông, Điều bằng phương pháp hóa, nhiệt, cơ Sử dụng trong xây dựng và sản xuất đồ mộc Đây là những loại gỗ tạp dễ bị hư hại bởi nấm mốc và mối mọt Kết quả nghiên cứu cho thấy với nhiệt độ trong khoảng từ 130 - 160 0C có thể làm mềm hóa và biến tính được gỗ Như công nghệ biến tính đối với gỗ Hông bằng phương pháp cơ - nhiệt là T = 145 0C; P = 25 kG/cm2; t = 16 phút và kết quả là khối lượng thể tích tăng từ 0,224 lên 0,341 g/cm3;

độ bền uốn tĩnh tăng từ 449 lên 720 kG/cm2; độ cứng tăng từ 154 lên 181 kG/cm2

Gỗ Điều bằng phương pháp cơ - nhiệt là T = 149 0C; P = 23 kG/cm2; t = 18 phút và kết quả là khối lượng thể tích tăng từ 0,46 lên 0,55 g/cm3; độ bền uốn tĩnh tăng từ

843 lên 1172,74 kG/cm2 Gỗ Cao su bằng phương pháp hóa – cơ – nhiệt, sử dụng Urê 20 % làm hóa chất, chế độ biến tính xác định được là T = 140 0C; P = 28 kG/cm2; t =18 phút và kết quả là khối lượng thể tích tăng từ 0,57 lên 0,667 g/cm3;

độ bền uốn tĩnh tăng từ 963 lên 1287 kG/cm2

2.2 Cơ sở lý thuyết của biến tính gỗ

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Khái niệm về biến tính gỗ: biến tính gỗ là quá trình tác động hóa học, cơ học, nhiệt học hoặc đồng thời để làm thay đổi cấu trúc gỗ mà chủ yếu tác động vào các nhóm hydroxyl trong mỗi mắc xích của phân tử cellulose Quá trình này làm cho các tính chất của gỗ thay đổi

Gỗ là một loại vật liệu tự nhiên, thành phần chủ yếu của gỗ là các hợp chất hữu cơ: cellulose; lignin; hemicellulose; và các chất chiết xuất trong gỗ Thành phần

hóa học của gỗ gồm bốn nguyên tố chính, đó là: cacbon, hydro, oxy, nitơ Các loại

gỗ khác nhau, độ tuổi của cây khác nhau, ở các vị trí khác nhau trên thân cây có tỷ

lệ các thành phần hợp chất hữu cơ không giống nhau nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố hóa học cacbon, hydro, nitơ lại xấp xỉ nhau Hàm lượng trung bình của các bon là 49,5 %, hydro là 6,4 %, oxy là 42,6 %, nitơ là 1 % và một số nguyên tố

vi lượng khác

Mặt khác, gỗ được cấu tạo từ các tế bào, khi tế bào gỗ trưởng thành, 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 từ môi trường vào gỗ, khi đó xảy ra hiện tượng trương

nở do tác động của nước với các cấu tử trong gỗ như cellulose, hemicellulose và lignin làm cho cấu trúc và tính chất cơ học, vật lý, hóa học của gỗ thay đổi Hiện tượng này có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ biến tính gỗ

Ngoài ra, liên kết hoá học giữa các thành phần trong gỗ là những liên kết yếu Giữa các thành phần tạo nên gỗ luôn có liên kết vật lý, liên kết này cũng là những liên kết yếu Cơ tính, lý tính của gỗ sẽ thay đổi khi liên kết hoặc cấu trúc các thành phần gỗ thay đổi Liên kết giữa lignin và cellulose có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi cellulose trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định Liên kết lignin

và cellulose có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước của gỗ Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử cellulose, hemicellulose, lignin và liên kết giữa các thành phần đó

Do đó, độ ổn định kích thước của gỗ kém và độ bền thấp, thường xảy ra trong điều kiện không khí khác nhau, các nghiên cứu nhằm cải thiện độ bền của gỗ được tiến hành trên cơ sở giới hạn mức độ hút ẩm bằng cách phá hủy hoặc kết hợp các nhóm hydroxyl trong gỗ Quá trình này được xem như một quá trình biến tính trên

gỗ, thay đổi tính chất của gỗ theo hướng có lợi và nâng cao hiệu quả sử dụng

Vào năm 2001, trong một seminar về biến tính nhiệt trên gỗ (COST E22) đã tổng kết hiện tại có 4 nhóm biến tính nhiệt phổ biến trên thị trường:

1 The Finnish Thermonwood;

2 The Dutch Plato wood;

3 The French Retification và

4 The German Oil Heat Treatment

Có thể phân biệt 4 nhóm biến tính nhiệt trên dựa theo một số đặc điểm cơ bản trong quá trình xử lý nhiệt (xem bảng 2.1)

Bảng 2.1: Phân loại biến tính theo các đặc điểm cơ bản trong quá trình xử lý nhiệt

Phương pháp Môi trường

biến tính

Độ ẩm ban đầu của gỗ

Nhiệt độ

xử lý (0C) Các bước thực hiệnOil-treatment

(Germany)

Dầu nóng(hot oil)

Sấy khô,

Thermo Wood

Tăng nhiệt độ sấy khô, xử lý nhiệt, làm nguội và điều hòa

or air)

Gỗ tươi hoặc sấy khô

170 - 190

Khử hydro bằng nhiệt

(hydrothermolysis), sấy khô, xử lý nhiệt và điều hòa

Do tồn tại nhiều định nghĩa về biến tính gỗ được phát biểu trong các công trình nghiên cứu từ xưa đến nay, nên vẫn chưa có sự thống nhất chung về quá trình biến tính

Đến năm 2003, tại Hội thảo về Biến tính gỗ tại Châu Âu lần đầu tiên được tổ chức ở Gent, Bỉ đã tổng hợp được định nghĩa rõ ràng về biến tính gỗ Đồng thời

thành lập Hiệp hội về biến tính gỗ châu Âu, cộng tác với Viện nghiên cứu về gỗ (AHR), chịu trách nhiệm về các vấn đề liên quan đến biến tính gỗ Thông qua hội thảo đã phân biệt được biến tính gỗ với các kỹ thuật khác Biến tính gỗ không chỉ là vấn đề học thuật đơn thuần, mà nó bao gồm các kỹ thuật chính là biến tính hóa và biến tính nhiệt, do có liên quan trực tiếp đến biến đổi hóa học các chất trong gỗ; biến tính sinh học (sử dụng các enzymes); riêng biến tính ngâm tẩm vẫn còn nhiều tranh cãi giữa biến tính và bảo quản

Xét về cơ chế biến tính nhiệt trên gỗ, chính sự biến đổi hóa học xảy ra bên trong vách các tế bào gỗ (gồm cellulose, hemicellulose, lignin và các chất chiết xuất) sẽ tạo ra những thay đổi đặc tính vật lý, hóa học, cơ học cũng như độ bền sinh học của gỗ sau khi xử lý

Từ kết quả các công trình nghiên cứu trước đó, biến tính nhiệt có thể tạo ra những thay đổi như:

- Cải thiện độ ổn định kích thước;

- Cải thiện độ bền: chống lại được sự tấn công của các tác nhân sinh học như côn trùng, nấm mốc…;

- Tính chất cơ học: như độ cứng, các mô đun ứng suất…;

- Yếu tố thẩm mỹ: như màu sắc;

- Giảm khả năng thấm hút và dẫn nước;

- Tính dẫn nhiệt, cách âm, kết hợp chống cháy

Vào đầu những năm 1960, kỹ thuật gia nhiệt và sấy gỗ bằng microwave đã bắt đầu được nghiên cứu Trong những năm gần đây, một số nhà khoa học tại Úc, nổi bật là công trình nghiên cứu của Giáo sư Grigory Torgovniov, Peter Vinden cùng các đồng sự đã cùng nhau nghiên cứu và áp dụng quy trình biến tính bằng microwave trên nhiều loại gỗ Hiện tại, quy trình biến tính đã được triển khai bằng hai nhà máy kiểu mẫu microwave công suất lên đến 60 kW, đồng thời một nhà máy công suất 300 kW đang được thiết kế xây dựng Đây thật sự là một trong những nghiên cứu có tính đột phá và thu được nhiều kết quả đáng chú ý

Điều đáng chú ý là mấy năm gần đây mới phát triển phương pháp gia nhiệt Viba, nhưng tốc độ phát triển rất nhanh, ở Mỹ và Nhật Bản, Úc đã hình thành năng lực sản xuất với qui mô công nghiệp hóa, đó là bởi vì thời gian ngắn, hiệu suất lại cao, có nhiều tính năng ưu việt, hơn nữa toàn bộ quá trình thực hiện có thể thông qua hệ thống máy tính điều khiển từ xa tiến hành khống chế việc mềm hóa thích hợp đối với các loại gỗ khác nhau

Ngoài ra rất nhiều nhà nghiên cứu đang nghiên cứu tính chất vật lý và giải phẫu của gỗ ở trạng thái sau xử lý, do các chủng loại gỗ khác nhau mà dẫn đến sự khác nhau cũng như nguyên nhân sản sinh tính chất vật lý khác nhau

Từ góc độ tiết kiệm năng lượng, năng suất chất lượng khi xử lý biến tính, mềm hóa uốn cong… sử dụng phương pháp microwave, gia nhiệt hấp luộc hoặc kết hợp gia công là hợp lý

2.2.2 Một số phương pháp biến tính gỗ

2.2.2.1 Biến tính nhiệt hóa học

Cơ sở hóa học của phương pháp này là biến tính gỗ bằng các loại keo tổng hợp rồi tiến hành xử lý nhiệt Dưới tác dụng của nhiệt trong thời gian nhất định, các loại keo sẽ chuyển hóa từ trạng thái lỏng đến trạng thái đặc rồi đóng rắn hoàn toàn trong các vách tế bào gỗ

Bằng phương pháp này ta có thể xác định loại hình liên kết có hiệu quả nhất

để ứng dụng trong quá trình biến tính gỗ Phương pháp này cũng tạo ra hàng loạt sản phẩm mới đa dạng với nhiều chức năng khác nhau như cách âm, cách nhiệt, chịu mài mòn, điện hóa, hóa chất, chống lại sự phá hoại của nhiều sinh vật, chịu được các điều kiện khí hậu khắc nghiệt

2.2.2.2 Biến tính hóa cơ

Biến tính gỗ bằng phương pháp hóa cơ tạo ra sản phẩm có chất lượng cao bằng cách nhồi hoặc tẩm vào tế bào gỗ các monome hay polime đồng thời dưới tác dụng của nhiệt độ hay các tác nhân hóa học khác làm cho nó đóng rắn trong các vách tế bào gỗ Đó là các chất kết dính có nguồn gốc khác nhau, các loại nhũ dịch… Ngoài ra người ta còn tiến hành làm mềm gỗ bằng các dung dịch amoniac, các chất

khác Xử lý gỗ bằng amoniac có sự tham gia của nước sẽ làm tăng độ dẻo gỗ nhờ thủy phân các liên kết este phức tạp trong cấu trúc tế bào gỗ Sau khi nén gỗ, nước

và amoniac tác dụng như những chất làm dẻo và chúng được đẩy ra ngoài trong quá trình sấy Kết quả nén gỗ cho ta sản phẩm với kết cấu mới, ổn định và có tính chất vật lý cao

2.2.2.3 Biến tính phóng xạ hóa học

Cơ sở của phương pháp này là là dùng gỗ tự nhiên có độ ẩm ban đầu nhỏ hơn

10 % cho vào thiết bị kín tạo chân không thấp từ 0,005 - 0,013 µpa, trong khoảng thời gian từ 20 - 30 phút rồi tẩm các monome Nhờ độ chân không thấp gỗ sẽ dễ dàng hấp thụ các monome, thời gian thực hiện phương pháp này phụ thuộc cấu tạo từng loại gỗ, độ quánh của các monome

Gỗ sau khi tẩm người ta lấy các monome dư ra ngoài thiết bị và đưa thùng gỗ vào buồng chiếu sáng Dưới tác dụng của ánh sáng đặc biệt các monome sẽ được polime hóa trong các mao quản, trên các vách tế bào gỗ, tạo cho gỗ có tính chất ưu việt hơn nhiều so với các chất ban đầu

2.2.2.4 Biến tính cơ nhiệt

Dưới tác dụng của nhiệt độ trong môi trường ẩm sẽ làm cho nguyên liệu gỗ mềm ra, tính dẻo của nó cũng biến đổi theo Căn cứ vào tính chất này, người ta nghiên cứu xử lý nhiệt dưới nhiều hình thức khác nhau đốt nóng hay hấp nóng gỗ trong các thiết bị kín, sau đó gỗ được nén ép trong các khuôn nóng để ổn định về hình dạng và kích thước Quá trình nén làm giảm thể tích gỗ, tăng khối lượng riêng Điều quan trọng khi nén gỗ phải giữ nguyên cấu trúc, không phá vỡ vách tế bào và làm dập các mao mạch, mà chỉ thu hẹp kích thước nguyên liệu gỗ ban đầu tới giới hạn tùy ý Phương pháp này có thể sản xuất ra các sản phẩm có tính chất có thể dự đoán được, khối lượng riêng, độ nén, độ trương nở, độ hút nước của sản phẩm

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ biến tính bằng phương pháp microwave

2.3.1 Ảnh hưởng của nguyên liệu gỗ

Mỗi loại gỗ khác nhau có đặc điểm, cấu tạo, tính chất khác nhau, gỗ cứng hay

gỗ mềm đều ảnh hưởng đến công nghệ và chất lượng gỗ biến tính Mỗi loại gỗ đặc trưng bởi cấu tạo phức hợp khác nhau nhưng ưu thế của công nghệ biến tính chỉ áp dụng trên các loại gỗ thẳng thớ và ít biến động về các thành phần hóa học cơ sở Ngoài ra, độ ẩm gỗ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng gỗ sau này

Gỗ là vật liệu dị hướng có cấu tạo xốp đặc trưng bởi sự tồn tại của mạch gỗ, tia gỗ, các dải tế bào mô mềm từ đó tính chất, kích thước và cấu tạo, số lượng và các thành phần cấu tạo gỗ phụ thuộc vào loài cây và các điều kiện sinh trưởng của loài cây đó Các thành phần cellulose, hemicellulose, lignin trong gỗ dưới tác dụng của nhiệt độ cao ( > 130 0C) sẽ bị chảy loãng hoặc mềm ra làm cho kết cấu gỗ yếu

đi, thể tích gỗ giảm xuống dẫn đến biến dạng Ngoài ra chiều thớ, mắt gỗ, độ rộng vòng năm, tỉ lệ gỗ sớm, gỗ muộn, chiều dài tế bào cũng ảnh hưởng đến công nghệ biến tính gỗ

2.3.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý

Các yếu tố cơ bản của quá trình biến tính như công suất, thời gian xử lý, độ

ẩm ban đầu của gỗ ảnh hưởng rất lớn đến mức độ biến đổi cấu trúc bên trong các tế bào và tính chất gỗ sau khi biến tính

Bên cạnh đó các nhân tố bên ngoài cũng tác động không ít đến quá trình xử lý này, bao gồm môi trường xảy ra sự biến tính, sự tham gia của oxy, độ ẩm và các chất hóa học vô cơ Hầu hết các hình thức biến tính nhiệt đều được tiến hành trong điều kiện không có mặt oxy, vì sự hiện diện của oxy giống như một chất xúc tác cho những thay đổi thành phần của gỗ trong suốt quá trình xử lý, dẫn đến những biến đổi không mong muốn trong tính chất cơ học và vật lý như ASE – hệ số chống co rút / giãn nở cao hơn, giảm khối lượng… đồng thời đây còn là điều kiện thuận lợi cho côn trùng, nấm mốc tấn công Sự tồn tại của nước trong gỗ suốt quá trình gia

nhiệt giúp đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt bên trong gỗ, làm quá trình phân hủy các thành phần chính trong vách tế bào gỗ diễn ra nhanh hơn Quá trình biến đổi do nhiệt diễn ra trên gỗ ướt nhanh hơn gấp 10 lần trên gỗ khô (Skaar) Các chất vô cơ cũng ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân trong gỗ Ngoài ra, tương ứng với từng môi trường biến tính khác nhau như hơi, khí, chân không, nitơ… sẽ ảnh hưởng đến quá trình biến tính nhiệt trên gỗ

 Nhận xét chung:

Biến tính microwave thực chất như sau: do một số thành phần cấu trúc của gỗ bao gồm quản bào, sợi gỗ, mạch gỗ và các tia gỗ có độ dày vách tế bào không đồng đều Tia gỗ với mật độ hiện diện khá lớn, từ 5 đến 35 % trong tổng các thành phần cấu tạo nên gỗ, có vách mỏng hơn các vách tế bào khác như sợi gỗ, và phân bố theo hướng xuyên tâm từ tủy ra vỏ Khi xử lý microwave, bên trong gỗ năng lượng

từ microwave sẽ được chuyển đổi thành nhiệt, tạo ra áp lực hơi lên các tế bào gỗ Vì tia gỗ là loại tế bào có vách yếu nhất trong gỗ, dưới áp lực bên trong lớn có thể dễ

bị phá vỡ hơn, tạo ra các khoảng trống cực nhỏ theo hướng xuyên tâm, phân bố dọc theo thân cây Chính những khoảng trống cực nhỏ này sẽ giúp quá trình dịch chuyển chất lỏng và hơi thoát ra nhanh hơn Quá trình xử lý biến tính bằng microwave sẽ tạo ra hàng ngàn các khe hở có tính thẩm thấu được theo chiều dọc và chiều xuyên tâm trong gỗ

Gỗ tươi có hàm lượng ẩm dao động từ 35 đến 150 %, do đó sẽ không khó khăn trong việc hấp thụ năng lượng vi sóng Dưới tác dụng của microwave, quá trình thoát dẫn ẩm diễn ra dễ dàng hơn Đồng thời, chính những biến đổi diễn ra bên trong cấu trúc gỗ sẽ giúp cải thiện những đặc tính cơ học (giảm nội lực, ứng suất…) cũng như vật lý (cải thiện độ ổn định kích thước, khối lượng, giảm tính dẫn nhiệt tốt hơn cả vật liệu cách nhiệt, giảm co rút và giãn nở, cải thiện tính truyền âm tốt hơn

cả vật liệu cách âm,…) Ngoài ra, biến tính microwave còn mang lại nhiều ý nghĩa trong xử lý và bảo quản gỗ, chống lại sự tấn công của các tác nhân sinh học như côn

trùng, nấm mốc

Chương 3

MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu - Mục đích nghiên cứu

3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng các thông số công nghệ của quá trình biến tính gỗ Điều bằng phương pháp microwawe như: công suất (W), thời gian (phút) Từ đó đánh giá một

số chỉ tiêu trên gỗ Điều sau khi biến tính như: độ ẩm, khối lượng thể tích; ứng suất nén dọc thớ, độ ổn định kích thước, khả năng kháng nấm mốc

3.1.2 Mục đích nghiên cứu

Gỗ Điều sau khi biến tính có độ ổn định kích thước cao hơn, tính chất cơ lý và khả năng kháng nấm mốc được cải thiện đồng thời có độ ẩm đạt yêu cầu trong sản xuất Nhằm nâng cao chất lượng gỗ Điều, rút ngắn thời gian, tiết kiệm năng lượng

và đạt hiệu quả kinh tế trong sản xuất kinh doanh

3.2 Nội dung nghiên cứu

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu gỗ Điều

3.2.2 Tiến hành thí nghiệm thăm dò biến tính gỗ Điều

3.2.3 Nghiên cứu xây dựng chế độ công nghệ biến tính phù hợp cho gỗ Điều với qui cách 35 × 35 × 200 mm

3.2.4 Xác định một số tính chất cơ, lý của gỗ Điều trước và sau khi biến tính tính ở

độ ẩm 12 ± 2 %

Áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 355 - 70 ÷ TCVN 370 - 70 của Việt Nam và tiêu chuẩn ASTMD143 của Mỹ, bao gồm các tính chất cơ lý sau:

- Khối lượng thể tích

- Tính chất của loại gỗ cần biến tính

- Yêu cầu chất lượng gỗ biến tính

- Hạn chế gây ô nhiễm môi trường

- Điều kiện máy móc thiết bị của phòng thí nghiệm

Trong đề tài chọn phương pháp biến tính bằng microwave, cụ thể là dùng lò vi sóng để biến tính gỗ Điều Phương pháp này không gây ô nhiễm môi trường, thời gian thực hiện nhanh, đồng thời chất lượng gỗ được đảm bảo

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu thăm dò

Trước khi tiến hành thí nghiệm chính thức, làm thí nghiệm thăm dò với 3 mức công suất và thời gian khác nhau: 500 W - 20 phút và 600 W - 15 phút, 700 W – 10 phút Mỗi đợt thí nghiệm bao gồm 1 mẫu gỗ có quy cách kích thước là: 35 × 35 ×

200, lặp lại 3 lần Như vậy tổng số mẫu dùng trong thí nghiệm thăm dò là 21 mẫu

Để tiến hành thí nghiệm thăm dò các mẫu gỗ phải được gia công theo đúng kích thước yêu cầu Sau khi chuẩn bị kiểm tra xong mẫu, lần lượt đưa từng mẫu gỗ vào trong lò, điều chỉnh công suất và thời gian để lò hoạt động Hết thời gian biến tính lấy mẫu ra khỏi lò và ổn định ẩm Sau khi mẫu đã đạt độ ổn định tiến hành kiểm tra độ ẩm để đưa độ ẩm của mẫu gỗ về 12 %, sau đó tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý và so sánh với các mẫu đối chứng Đây là căn cứ để lựa chọn công suất và thời gian cho thí nghiệm chính thức tiếp theo

3.3.3 Giới hạn các yếu tố nghiên cứu

3.3.3.1 Các yếu tố đầu vào

Các yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến công nghệ và chất lượng gỗ biến tính gồm

có các nhóm sau:

- Các yếu tố thuộc nhóm nguyên liệu: độ ẩm, gỗ cứng hay mềm, chiều dày của mẫu

- Các yếu tố thuộc nhóm chế độ xử lý: công suất, thời gian

Các yếu tố đầu vào phải có ý nghĩa và là đại lượng có thể đo đếm được và có thể điều khiển được

Dựa vào kết quả biến tính thăm dò, dựa vào các tài liệu tham khảo về công nghệ biến tính gỗ và kế thừa các công trình nghiên cứu về các phương pháp biến tính gỗ Trong đề tài này dùng lò vi sóng để biến tính gỗ với hai yếu tố đầu vào là công suất (W) và thời gian (phút) Các yếu tố khác xem như cố định

3.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu khi ta không có đầy đủ thông tin về đối tượng và phải thực nghiệm để xây dựng mô hình Theo nghĩa rộng thì quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm

thực nghiệm từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng

Cơ sở toán học nền tảng của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi quy Đối tượng nghiên cứu của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành kỹ thuật là một quá trình, một cơ cấu hoặc một hiện tượng có những tính chất, đặc điểm chưa biết cần nghiên cứu

Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào, phức tạp dần mô hình toán học, đối chứng nhiễu, ngẫu nhiên hóa, tối ưu

Ưu điểm của phương pháp này là các thí nghiệm dễ dàng tiến hành, đối tượng nghiên cứu đa dạng Chúng ta chỉ quan tâm đến các yếu tố đầu vào và các yếu tố đầu ra Ngoài ra ta có thể khống chế các yếu tố đầu vào hoặc làm giảm sự ảnh hưởng của các yếu tố tác khác động tới, số lần thí nghiệm ít, tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí, phương pháp này có thể xây dựng phương pháp hồi quy rất thuận tiện cho việc khảo sát kết quả tìm phương pháp tối ưu

Nhược điểm của phương pháp quy hoạch thực nghiệm là tính toán và xử lý số liệu khá phức tạp Tuy nhiên, vấn đề này có thể nhờ sự hỗ trợ của các phần mềm máy tính để giải quyết một cách nhanh chóng và dễ dàng

Do đặc điểm của quá trình nghiên cứu thực nghiệm và hạn chế của thiết bị nên

mô hình được biểu diễn dưới dạng mô hình bậc nhất trong công thức (3.1):

 Mô hình thí nghiêm bậc nhất

Số mức thí nghiệm là 3 bao gồm mức cơ sở (mức điểm 0 - mức trung tâm) ,mức trên (+1), mức dưới (-1) )

Số thí nghiệm cần phải tiến hành là:

N = N1 + N0 = 2k + N0 = 22 + 3 = 7 Trong đó: k: số thông số đầu vào k = 2

22 : số thí nghiệm ở mức trên và mức dưới 3: số thí nghiệm lặp lại ở mức trung tâm

Mô hình nghiên cứu công nghệ biến tính gỗ được trình bày ở hình 3.1

X1: công suất (W) Y1: khối lượng thể tích

X2: thời gian (phút) Y2: ứng suất nén dọc

Hình 3.1: Mô hình nghiên cứu công nghệ tạo gỗ biến tính

Căn cứ vào biên miền giới hạn của thời gian và công suất, chúng tôi giới hạn miền biến thiên các yếu tố công nghệ x1, x2 gồm 3 mức thí nghiệm (-1, 0, +1,) ở bảng 3.1 và bảng 3.2

Bảng 3.1: Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào

Phương pháp thực nghiệm tiến hành theo mô hình bậc nhất với hai yếu tố đầu vào Số thí nghiệm cần tiến hành là 7 thí nghiệm và mỗi thí nghiệm được lặp lại 3

Mức và khoảng biến

Giá trị thực của các thông số

x1 (P) công suất (W)

x2 (t) thời gian (phút)

gỗ biến tính

lần Chúng tôi tiến hành thí nghiệm theo bảng 3.2 và các thí nghiệm được thực hiện một cách ngẫu nhiên

đi biến tính Như vậy, có tất cả 21 mẫu biến tính và 21 mẫu đối chứng

3.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm

Áp dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số nghiên cứu đến quá trình nghiên cứu chỉ là ngẫu nhiên hay thực sự có ảnh hưởng Phương pháp này giúp loại bỏ các yếu tố ít làm ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu cũng như mức độ tương quan Ngoài ra, còn giúp kiểm tra các giả thiết đồng nhất phương sai, độ tin cậy các hệ số hồi quy và mức độ phù hợp của mô hình lựa chọn theo tiêu chuẩn Fisher khi thực nghiệm

Nội dung xử lý số liệu bao gồm các bước sau:

- Bước 1: Xây dựng phương trình hồi quy

- Bước 2: Phân tích phương sai để loại bỏ các hệ số hồi quy không đảm bảo

đủ độ tin cậy ở mức ý nghĩa  = 0,05

- Bước 3: Xác định các hệ số hồi quy theo hàm toán mới, sau khi đã loại bỏ các hệ số hồi quy không đảm bảo độ tin cậy

- Bước 4: Kiểm tra sự phù hợp của mô hình theo tiêu chuẩn Fisher

Kiểm tra tính tương thích mô hình: Ft  Fb = F (0,05; k1; k2)

Để kiểm tra tính tương thích mô hình theo tiêu chuẩn Fisher trước tiên ta cần tính các giá trị sau:

+ Tính Sdu - Tổng bình phương độ lệch các giá trị hàm mục tiêu được tính theo phương trình hồi quy và thực nghiệm, có công thức (3.2)

       3.2 Trong đó: yi là giá trị thực nghiệm trung bình của thí nghiệm thứ i

Trong đó: y là giá trị thực nghiệm trung bình của thí nghiệm tại tâm thứ u u0

y0 là giá trị trung bình của no thí nghiệm tại tâm

n0 là số thí nghiệm tại tâm

1        3.4 + Tính phương sai tương thích 2

+ Tiêu chuẩn Fisher kiểm tra theo công thức (3.7)

Ft = Stt2 / Sth2 (3.7) Nếu kết quả tính toán được Ft < Fb thì mô hình đảm bảo tính tương tích Ngược lại, nếu kết quả tính toán được Ft > Fb thì mô hình không đảm bảo tính

tương tích, lúc này cần loại bỏ các hệ số không đảm bảo tính tương thích khỏi mô

hình và tiến hành chạy lại phương trình tương quan

Bước 5: Chuyển mô hình về dạng thực theo công thức (3.8)

∆ ; 1,2        3.8 Trong đó: Zj là các giá trị thay thế

xj0 lần lượt là các giá trị tại mức cơ sở (điểm 0)

l là cánh tay đòn của các yếu tố công nghệ tính toán (khoảng biến

thiên) Sau khi lập được phương trình hồi qui Y = f(xj), tiến hành tính toán các cực trị

của hàm Y để xác định các giá trị tối ưu của thông số mục tiêu bằng phần mềm

Excel

3.5 Vật liệu nghiên cứu

+ Tên Việt Nam: Cây Điều

+ Tên địa phương: Đào Lộn Hột

+ Tên khoa học: Anacardium occidentable

+ Họ thực vật: Anacardiaceae

Hình 3.2: Cây Điều 3.5.1 Mô tả cây

Thân cây Điều mọc không thẳng mà gãy khúc, chiều cao thường (từ 5 - 6 m) thấp hơn đường kính tán (10 - 12 m), tán cây có dạng hình dù Cây có nhiều cành lá mọc sát đất Lá Điều tập trung ở đầu cành, loại lá đơn, nguyên, mọc so le Lá có hình trứng ngược, đuôi lá hơi tròn hoặc lõm Lá non có màu xanh nhạt hoặc đỏ, khi già lá có màu xanh đậm Lá Điều dài 6 - 24 cm, rộng từ 4 - 15 cm, cuống lá dài 1 - 2

cm Hoa Điều nhỏ, đài hợp và có 5 cánh rời Lúc mới nở cánh hoa màu trắng hoặc vàng nhạt có sọc, sau đó chuyển sang màu hồng sẩm Hoa Điều có 2 loại: hoa đực

và hoa lưỡng tính Hoa Điều thường mọc thành chùm từ vài chục đến hàng trăm hoa Hoa Điều ra ở đầu cành, muốn thụ phấn tốt cần nhiều ánh sáng và không khí lưu thông Hoa thụ phấn nhờ côn trùng

3.5.2 Phân bố và sinh thái

Điều là một cây công nghiệp có giá trị, nguồn gốc từ Nam Mỹ, du nhập vào khu vực Đông Nam Á thế kỷ 16 Cây Điều được trồng ở nước ta chủ yếu tập trung ở khu vực miền Trung và phía Nam Việt Nam, phân bố ở 4 vùng: Đông Nam Bộ, duyên hải Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và đồng bằng sông Cửu Long Vùng Đông Nam Bộ là nơi cây Điều được chú trọng phát triển sớm và có diện tích Điều lớn nhất, chiếm 60 % diện tích trồng Điều ở Việt Nam, kế đến là duyên hải Nam Trung

Bộ chiếm 24 %, Tây Nguyên chiếm 11 % và đồng bằng sông Cửu Long chiếm 5 % Cây Điều chịu được những điều kiện khí hậu đa dạng và khắc nghiệt Khí hậu nhiệt đới với một lượng mưa từ 1000 - 2000 mm/năm là thích hợp nhất và có một mùa khô rõ rệt là những điều kiện tối thích để cây Điều phát triển tốt Nhìn chung

độ cao nơi trồng Điều so với mặt biển càng lớn thì cây sinh trưởng càng chậm, năng

suất càng giảm Điều có khả năng sinh trưởng trong phạm vi giới hạn nhiệt độ khá

rộng nhưng chỉ sinh trưởng và và phát triển tốt trong điều kiện nhiệt độ từ 24 - 28

0C Điều là cây ưa sáng hoàn toàn và ra quả ở đầu cành nên các cây trồng đơn độc hoặc trồng với mật độ thích hợp, bảo đảm chế độ ánh sáng đầy đủ cây cho năng suất

khá cao, trung bình cây Điều cần khoảng 2000 giờ nắng/năm Cây Điều có thể mọc được trên nhiều loại đất khác nhau Tuy nhiên, cây Điều chỉ sinh trưởng và cho

năng suất cao ở những vùng có tầng đất sâu, thành phần cơ giới nhẹ, thoát nước tốt 3.5.3 Mô tả gỗ

3.5.3.1 Cấu tạo thô đại

Gỗ màu trắng ngà, giác lõi không phân biệt, gỗ thẳng thớ, thớ gỗ thô, vòng năm dễ nhận biết, gỗ sớm và gỗ muộn phân biệt

3.5.3.2 Cấu tạo hiển vi

Mạch gỗ: Mạch gỗ có đường kính khá lớn, mật độ 2 lỗ/mm2, theo phương tiếp tuyến, mạch phân tán, tỷ lệ lỗ kép xuyên tâm khoảng 20 %

Mô mềm: Mô mềm chiếm tỷ lệ lớn, vách mỏng, phân bố theo hình thức vây quanh mạch

Sợi gỗ: Vách không dày, đường kính tương đối lớn

Tia gỗ: Trên mặt cắt ngang mật độ tia gỗ quá dày, bề rộng từ 2 – 4 hàng bào, trên mặt tiếp tuyến tia gỗ là những hình con thoi chiều cao trung hình 8 – 12 hàng bào Ống dẫn nhựa: Ống dẫn nhựa dài và hẹp, do tế bào mô mềm vây quanh mạch tạo thành

Hình 3.3: Mặt cắt ngang gỗ Điều Hình 3.4: Mặt cắt xuyên tâm gỗ Điều

Hình 3.5: Mặt cắt tiếp tuyến gỗ Điều 3.5.4 Tính chất vật lý và cơ học

Khối lượng thể tích cơ bản của gỗ Điều 0,476 g/cm3, tỉ lệ co rút tiếp tuyến xuyên tâm là 1,85 Khả năng hút ẩm của gỗ Điều khá lớn, tỷ lệ co rút theo chiều dọc thớ < 1 Do vậy, gỗ Điều hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của nguyên liệu sản xuất hàng mộc Gỗ Điều có sợi vách mỏng, dẫn đến hàm lượng mixen cellulose không nhiều, hàm lượng nước liên kết bão hòa trong vách tế bào không lớn Đây là một điểm thuận lợi trong sấy gỗ

Khả năng chịu nén của gỗ Điều thuộc loại khá thấp Sức chịu trượt của gỗ Điều khá thấp (33,42 - 65,31 %), ứng suất kéo theo chiều dọc thớ gỗ khá lớn, ứng suất uốn tĩnh của gỗ Điều khá thấp Như vậy, không nên sử dụng gỗ Điều vào các kết cấu chịu uốn lớn

3.5.5 Giá trị sử dụng

Gỗ Điều được sử dụng để sản xuất đồ mộc trang trí nội thất, thủ công mỹ nghệ, nhạc cụ và ván nhân tạo

3.6 Thông số kỹ thuật của lò vi sóng (Microwave) thí nghiệm

3.6.1 Nguyên lý hoạt động của lò vi sóng tác động tới vật liệu

Vi sóng là sóng điện từ đơn sắc, nó tồn tại ở giữa sóng hồng ngoại và sóng radio trong hệ phổ điện từ Vi sóng có tốc độ truyền đi với vận tốc xấp xỉ bằng vận tốc của ánh sáng truyền đi trong chân không (3×108 m/s), nhưng chúng lại khác nhau về chiều dài bước sóng và tần số ánh sáng lò vi sóng có bộ phận phát ra sóng

điện từ tần số cỡ 2500 MHz tức là bước sóng cỡ trên 10 cm Sóng điện từ tần số này

là vào cỡ sóng vi ba dùng trong vô tuyến điện Sóng mạnh cỡ 500 W, tương đối tập trung vào khoảng giữa lò

Trong sóng điện từ có sự lan truyền dao động của vectơ điện trường Gỗ có chứa những phân tử bị phân cực thí dụ nước gồm có hyđrô và ôxy trong phân tử nước hyđrô mang điện dương còn ôxy mang điện âm, cả phân tử là một lưỡng cực điện Dưới tác dụng điện trường, lưỡng cực điện có xu hướng quay dọc theo vectơ điện trường Khi điện trường thay đổi chiều, các lưỡng cực điện cũng thay đổi chiều theo, quá trình này luôn luôn bị trễ, bị tổn hao vì ma sát, tỏa nhiệt Sự tổn hao, tỏa nhiệt này rất phụ thuộc vào phân tử gì, lưỡng cực điện lớn hay nhỏ chung quanh lưỡng cực có những phân tử gì v.v

Sóng điện từ có tần số như ở vi sóng rất dễ dàng xuyên qua không khí, gỗ, giấy, nhiều loại chất dẻo Khi gặp nước, và các chất khác điện từ bị hấp thụ mạnh (nóng lên)

Trong nhiều loại vật liệu sóng điện từ của lò vi sóng (bước sóng trên 10 cm) đi sâu được 2 - 3 cm, do đó làm nóng một lớp chiều dày đó ở bên ngoài còn bên trong nóng lên là do dẫn nhiệt

Lò vi sóng có kích thước các chiều khoảng 50 – 60 cm, vỏ bằng kim loại nên sóng điện từ phản xạ qua lại dễ tạo thành sóng đứng Vì vậy ở lò vi sóng có đĩa thủy tinh quay tròn, vật liệu để trên đó luôn chuyển động vị trí tránh chỗ thì nóng, chỗ thì nguội

3.6.2 Thông số kỹ thuật của lò vi sóng

Quá trình biến tính sử dụng lò vi sóng microwave thí nghiệm với các thông số

kỹ thuật thể hiện bảng 3.3

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của lò vi sóng (Microwave) làm thí nghiệm

7 Chức năng các bộ phận Hẹn giờ, Đèn báo

Điều chỉnh công suất nhiều cấp

 Mô tả thí nghiệm

Quá trình biến tính chia làm 3 giai đoạn chính

 Chuẩn bị mẫu biến tính

Mẫu thí nghiệm được dùng trong nghiên cứu biến màu bởi tác nhân thời tiết, nấm mốc, vi sinh vật tấn công, đảm bảo có nguồn gốc rõ ràng không bị những khuyết tật, mẫu gỗ được gia công theo yêu cầu tiêu chuẩn khảo sát

Mẫu gỗ được lấy trên cùng một khúc gỗ tròn ở phần giác và gỗ lõi theo hai hướng chính xuyên tâm và cả tiếp tuyến, dọc thớ

Do gỗ là một vật liệu không đồng nhất trên toàn bộ thân cây, các tính chất vật

lý và cơ học đều biến động rất lớn theo chiều ngang và chiều dọc của thân cây, vì thế việc lấy mẫu và phân bố cần đảm bảo sự khác biệt và sự sai lệch chuẩn về tính chất khảo sát giữa các lô thí nghiệm là như nhau và nhỏ nhất có thể giảm được sai

số chủ quan trong khâu lấy mẫu và phân bố mẫu Tương ứng cho từng chỉ tiêu khảo sát, các mẫu được lấy trên cùng một khúc gỗ tròn (với chỉ tiêu là tính chất cơ học thì

số khúc gỗ là 3 vì kích thước mẫu lớn) và các mẫu trong cùng một lô thí nghiệm được lấy so le giữa các thanh của khúc gỗ tròn đó

Quá trình biến tính được thực hiện ở điều kiện gỗ tươi, do cơ chế tác động của sóng điện từ có hiệu quả nhất trong điều kiện gỗ vẫn còn nước bên trong nguyên liệu Yêu cầu việc tiến hành thí nghiệm phải được thực hiện nhanh chóng ngay sau khi gỗ Điều được chặt hạ Ở đây các mẫu được tiến hành thí nghiệm với quy cách

35 × 35 × 200 mm, mức độ ẩm nằm trong khoảng 65 – 70 %

 Xử lý Microwave

Làm nóng lò khoảng 10 phút sau đó lần lượt cho các mẫu thử vào lò Xử lý nhiệt bằng sóng microwave giai đoạn này cho cố định công suất và biến thiên thời gian tương ứng

Làm nguội và điều hòa: sau thời gian biến tính mẫu để trong lò khoảng 30 phút và đưa vào buồng cân bằng ẩm thời gian 24H