Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy nhiệt đến một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ keo lá tràm (acacia auriculiformis)

Theo Hiroshi Jnno 1993, kết quả sự tăng nhiệt độ sấy gỗ làm giảm tính hút nước của các polysacharide, độ ổn định kích thước của gỗ tăng lên, song ở mức độ cao của sự hạ bậc, phân đoạn cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-

TRẦN THỊ HUÊ

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THUỶ - NHIỆT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ, CƠ HỌC

CỦA GỖ KEO LÁ TRÀM (Acacia auriculiformis)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-

TRẦN THỊ HUÊ

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THUỶ - NHIỆT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ, CƠ HỌC

CỦA GỖ KEO LÁ TRÀM (Acacia auriculiformis)

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị và công nghệ gỗ, giấy

Mã số: 60.52.24

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHẠM VĂN CHƯƠNG

Hà Nội, 2011

i

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Lâm nghiệp theo chương trình đào tạo sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật máy, thiết bị và công nghệ gỗ, giấy khoá 2009-2011, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân

Nhân dịp hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật, tôi xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc tới PGS.TS Phạm Văn Chương đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô giáo

và cán bộ của khoa Sau đại học, khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm thực nghiệm và chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng, Trung tâm thí nghiệm khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm thư viện của Trường Đại học Lâm Nghiệp

đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, cán bộ, giáo viên Trường Cao đẳng nghề Công nghệ và Nông Lâm Đông Bắc đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn giành sự động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành tốt bản luận văn này

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Số liệu thu thập

và kết quả tính toán trong bản luận văn là trung thực và được trích dẫn rõ ràng

Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2011

Tác giả

Trần Thị Huê

ii

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình vii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Sơ lược về nghiên cứu ngoài nước 3

1.2 Sơ lược về nghiên cứu trong nước 9

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

2.1 Mục tiêu 12

2.1.1 Mục tiêu tổng quát 12

2.1.2 Mục tiêu cụ thể 12

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 12

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 12

2.3 Nội dung nghiên cứu 13

2.4 Phương pháp nghiên cứu 14

2.4.1 Phương pháp lý thuyết 14

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm 14

2.5 Phương pháp xử lý số liệu 18

2.6 Ý nghĩa của luận văn 20

2.6.1 Ý nghĩa khoa học 20

iii

2.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 20

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

3.1 Khái niệm biến tính gỗ 21

3.2 Khái niệm biến tính thuỷ - nhiệt 22

3.3 Khái lược về cơ sở khoa học của biến tính gỗ 23

3.4 Lý thuyết về biến tính thủy - nhiệt 31

3.5 Cơ chế của biến tính thủy nhiệt 34

3.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ biến tính thuỷ - nhiệt 35

3.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến chất lượng gỗ biến tính thuỷ nhiệt 35

3.6.2 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến chất lượng gỗ biến tính thuỷ nhiệt 36

3.6.3 Ảnh hưởng của một số yếu tố khác đến chất lượng gỗ biến tính thuỷ nhiệt 37

3.7 Một số đặc điểm, tính chất của gỗ liên quan đến tính chất vật lý, cơ học của gỗ 38

3.7.1 Đặc điểm cấu tạo gỗ 38

3.7.2 Một số tính chất của các thành phần trong gỗ 38

3.7.3 Biến đổi cấu trúc và tính chất gỗ dưới tác động của nhiệt độ cao.40 Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 45

4.1 Thực nghiệm 45

4.1.1 Nguyên liệu dùng trong thí nghiệm 45

4.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị 48

4.1.3 Quy trình thí nghiệm 49

4.2 Phương pháp xác định tính chất cơ lý gỗ 51

4.2.1 Xác định tính chất vật lý 51

4.2.2 Xác định tính chất cơ học 52

iv

4.3 Kết quả thực nghiệm ……….52 4.3.1 Một số tính chất cơ lý của gỗ Keo lá tràm chưa xử lý thuỷ - nhiệt 52 4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thuỷ - nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Keo lá tràm 53 4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thuỷ - nhiệt đến tính chất cơ học của gỗ Keo lá tràm 584.4 Đánh giá kết quả nghiên cứu 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

8 T1 Hút nước trung bình của mẫu đối chứng %

9 T2 Hút nước trung bình của mẫu xử lý %

10 a c (v) Trương nở thể tích trung bình của mẫu đối chứng %

11 a t (v) Trương nở thể tích trung bình của mẫu xử lý %

4.5 Kích thước mẫu xác định tính chất vật lý của gỗ 51 4.6 Kích thước mẫu xác định tính chất cơ học 52 4.7 Khối lượng thể tích của gỗ Keo lá tràm (g/cm3) 53 4.8 Hệ số chống trương nở ASE của gỗ Keo lá tràm (%) 55 4.9 Hiệu suất chống hút nước của gỗ Keo lá tràm (%) 57 4.10 Độ bền uốn tĩnh của gỗ Keo lá tràm (MPa) 59 4.11 Độ bền nén dọc thớ của gỗ Keo lá tràm (MPa) 60 4.12 Độ bền nén ngang xuyên tâm của gỗ Keo lá tràm (MPa) 62 4.13 Độ bền nén ngang tiếp tuyến của gỗ Keo lá tràm (MPa) 63

4.14

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến tính chất vật

4.2 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với khối lượng thể tích 54 4.3 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với ASE 55 4.4 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với WRE 57 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với độ bền uốn tĩnh 59 4.6 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với độ bền nén dọc thớ 61

4.7 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với độ bền nén ngang

4.8 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với độ bền nén ngang

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Gỗ là vật liệu quan trọng trong đời sống dân sinh cũng như trong kiến thiết của nhà nước Gỗ sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quốc phòng, giao thông, dệt, xây dựng nhà cửa kiến trúc, đường sắt, hầm mỏ, bến cảng, âm nhạc, đồ mộc bởi hàng loạt các ưu điểm như có hệ số phẩm chất cao, mềm,

dễ gia công, chế biến, có mầu sắc, vân thớ đẹp, dễ trang sức, Bên cạnh đó

gỗ cũng có nhiều nhược điểm như dễ bị sâu nấm, côn trùng phá hoại và có khả năng hút, nhả ẩm dẫn đến bị thay đổi kích thước, hơn nữa gỗ là vật liệu dị hướng nên mức độ thay đổi kích thước theo các chiều không giống nhau, vì thế gỗ dễ bị biến hình, cong vênh, nứt nẻ Có thể nói đây là nhược điểm lớn nhất của gỗ khi sử dụng gỗ là vật liệu Tính co rút, dãn nở của gỗ không chỉ gây khó khăn trong quá trình gia công, chế biến, sử dụng mà còn hạn chế khả năng sử dụng gỗ trong môi trường có sự biến động lớn về độ ẩm Chính vì thế nghiên cứu tìm ra giải pháp công nghệ nâng cao tính chất vật lý, cơ học của

gỗ là vô cùng cần thiết

Biến tính gỗ là một hướng mới để khắc phục một hay nhiều nhược điểm của gỗ bằng cách thay đổi tính chất của gỗ Mục đích của biến gỗ là giảm khả năng hút ẩm của gỗ, cải thiện tính ổn định kích thước, tăng khả năng chống sự phá hoại của sinh vật và vi sinh vật hại gỗ, tăng khả năng chống chịu môi trường mà không gây độc hại [1]

Biến tính gỗ có rất nhiều phương pháp Trong những năm gần đây ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Nga, Phần Lan, Trung Quốc đang sử dụng các phương pháp biến tính nhiệt cơ, hoá cơ, hoá học, nhiệt học, bức xạ - hoá học, nano, enzyme Biến tính gỗ theo hai xu hướng chủ yếu: nén chặt và không nén chặt Một số loại hình biến tính: ngâm tẩm, gỗ ép lớp, gỗ nén, gỗ tăng tỷ trọng, polyme hoá Tuy nhiên, nhiều trong số các phương pháp đó có tác động xấu tới môi trường và phương pháp được xem là hữu hiệu nhất là

2

phương pháp xử lý thuỷ - nhiệt Theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu ngoài nước gỗ được xử lý thuỷ nhiệt có tính ổn định kích thước cao, khả năng chống mối mọt và độ bền cơ học tăng so với gỗ không xử lý Đặc điểm hết sức quan trọng của phương pháp này là không dùng hoá chất do đó rất thân thiện với môi trường và con người Trên thế giới phương pháp biến tính nói chung và phương pháp xử lý thuỷ - nhiệt nói riêng đã phát triển mạnh nhưng

ở Việt Nam vấn đề thuỷ - nhiệt gỗ vẫn chưa được nghiên cứu Vì thế để nâng cao chất lượng và sử dụng hợp lý gỗ nhưng không gây ô nhiễm môi trường, luận văn đã lựa chọn gỗ Keo lá tràm một loại gỗ rừng trồng đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta với nhiều ưu điểm về tốc độ sinh trưởng, màu sắc, trữ lượng để xử lý bằng phương pháp thuỷ - nhiệt

Được sự đồng ý của khoa Sau đại học Trường Đại học Lâm nghiệp, dưới

sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Văn Chương tôi tiến hành làm luận văn:

“Ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt đến một số tính chất vật lý,

cơ học của gỗ Keo lá tràm (Acacia auriculiformis)”

3

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược về nghiên cứu ngoài nước

Gỗ là vật liệu xốp, rỗng, mao dẫn, dị hướng có khả năng trao đổi ẩm với môi trường 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 là biến tính gỗ

Các công trình nghiên cứu gỗ biến tính đã được thực hiện từ khá lâu Sản phẩm gỗ biến tính có nhiều tính chất được cải thiện so với gỗ nguyên

Biến tính gỗ với melamine formaldehyde nâng cao khả năng chịu nước, chịu ẩm và tính ổn định kích thước, cường độ cơ học của gỗ cũng được cải thiện đáng kể Gỗ Sugi biến tính với dung dịch melamine formaldehyde có trọng lượng phân tử thấp, với hàm lượng rắn 25% đã đạt đến độ trương nở vách tế bào (BE) 5% và độ ổn định kích thước (ASE) 42%, những trị số này không bị giảm đáng kể qua các chu kỳ sấy khô, ngâm nước của mẫu gỗ biến tính; đồng thời cường độ uốn MOR và MOE của gỗ biến tính cũng tăng lần lượt 18% và 10% so với gỗ đối chứng [27]

Ngoài ra, gỗ biến tính với melamine formaldehyde có khả năng làm giảm

sự phá huỷ của các loại nấm mục và nấm biến màu, cũng như tăng khả năng chống chịu các điều kiện môi trường [28] Gỗ European larch được ngâm tẩm với dung dịch melamine formaldehyde ở hàm lượng rắn thấp (7.5%) cũng đem đến hiệu quả chống nấm mục nâu và nấm mục trắng đáng kể [31]

Biến tính gỗ bằng phương pháp axetyl hoá, axetyl hoá là quá trình gỗ chịu tác động của dung dịch anhydrit axetic, khi đó phần lớn các nhóm hydroxyl OH của các thành phần tạo nên vách tế bào (cellulose,

Stamm, Seborg (1955) và Stamm (1964) đã thành công khi cho thực hiện phản ứng giữa nhóm hydroxyl với anydric axetic và pyridin ở dạng khí Pyridin hoạt động như một chất gây trương nở tế bào và là chất xúc tác cho phản ứng tạo este Hệ số chống dãn nở có thể đạt đến 80% với độ axetyl hoá khoảng 25% Tarkow (1950) và Goldstein (1961) đã tiến hành quá trình axetyl hoá ở dạng khí và dung dịch lỏng cho gỗ xẻ từ gỗ Vân sam có kích thước 5 x12 x120 cm trong thời gian từ 8-16 h, mức độ axetyl hoá đạt 20-22%

và hệ số chống dãn nở đạt đến 80%

M V Grinberg, D V Okonov (Látvia) đã nghiên cứu ổn định kích thước gỗ Bạch dương bằng anhyđrit axetic kết hợp với xử lý nhiệt Kết quả cho thấy độ dãn dài của gỗ Bạch dương sau khi được xử lý ở nhiệt độ 1700C trong 6 giờ và axetyl hoá trong 6 giờ giảm 3,3 lần so với gỗ không xử lý Biến tính gỗ bằng phương pháp xử lý nhiệt, ở nhiệt độ cao có thể làm giảm đáng kể tính hút ẩm của gỗ, nguyên nhân chính là có sự thuỷ phân phần

ưa nước nhất của gỗ- hemicellulose làm giảm số lượng nhóm OH có trong gỗ dẫn đến tính hút ẩm của gỗ nói chung giảm Theo F Kolmal và A Sneider tính hút ẩm của gỗ giảm đi khi nhiệt độ làm nóng gỗ 700C và lớn hơn Hiệu quả ổn định lớn nhất khi làm nóng gỗ ở 1800C và cao hơn trong 24 giờ Tính

Burmester và một số tác giả phát hiện: nguyên nhân chủ yếu nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ You là sau khi gia nhiệt hàm lượng hemicellulose thuỷ phân giảm xuống Với các loại gỗ khác qua gia nhiệt xử lý thì hàm lượng hemicellulose của nó giảm xuống, tính hút ẩm và trương nở so với gỗ You càng thấp [13]

Chow người Trung Quốc đã đem xử lý nhiệt ván mỏng gỗ Bạch vân sam trong môi trường không khí, khi bề mặt có sự thay đổi màu sắc đồng thời phát hiện số lượng gốc OH giảm đi, cellulose phát sinh phân giải, độ kết tinh giảm Theo Hiroshi Jnno (1993), kết quả sự tăng nhiệt độ sấy gỗ làm giảm tính hút nước của các polysacharide, độ ổn định kích thước của gỗ tăng lên, song ở mức độ cao của sự hạ bậc, phân đoạn các cấu tử trong gỗ sẽ làm giảm cường

độ gỗ, tính chống thấm, chống nước tăng lên, màu gỗ trở nên tối hơn, tuy nhiên, nếu sự hạ bậc, phân đoạn các cấu tử gỗ là nhỏ và sự tạo thành cấu trúc liên kết là trội hơn thì cơ tính của gỗ sẽ tăng lên [13]

Kết quả nghiên cứu của Hiroshi Jnno (1993), Misatonrimoto và Joeseph Gril cho thấy xử lý gỗ ở 1800C từ 3 giờ - 10 giờ với áp suất thường làm cho cường độ, và đặc biệt là mô đun đàn hồi của gỗ tăng nhẹ

Theo kết quả nghiên cứu của Sergeeva và Miliutina (1960) cho thấy: Khi

xử lý nhiệt 200 – 2600C cho sợi cellulose - lignin thì độ trương nở và hút nước của sợi giảm đi nhiều do sự biến đổi của lignin và mối liên kết lignin - cellulose (các phân tử lignin sẽ bị kết tụ lại dưới tác động của nhiệt độ), đồng

của xử lý thuỷ - nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Sồi (Fagus orientalis)

Mẫu gỗ (20x20x20mm) được đặt trong một khoang thép không gỉ, chứa đầy nước Mẫu được xử lý ở nhiệt độ 1600C, 1800C và 2000C trong 4, 5 và 6 giờ Mẫu gỗ đã xử lý được ngâm trong nước 24 giờ, sau đó sấy khô, chu kỳ ngâm/sấy được lặp đi lặp lại 7 lần Kết quả cho thấy ASE, WRE tăng và khối lượng thể tích bị giảm nhẹ [23]

Inga JUODEIKIENĖ (2009), đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của xử lý thủy

- nhiệt đến cường độ nén và uốn tĩnh của gỗ Thông Các mẫu được xử lý ở 60,

80, 100 và 1200C với thời gian 24, 48, 72 và 96 giờ Kết quả cường độ uốn tĩnh của gỗ Thông được xử lý nhiệt giảm xuống so với gỗ ban đầu Sau khi làm nóng ở nhiệt độ 600C cường độ uốn tĩnh giảm từ 5,13% - 9,0% so với gỗ chưa được xử lý Đối với các mẫu xử lý ở nhiệt độ 800C với thời gian khác nhau làm cho cường độ uốn giảm từ 5,88% - 10,03% Sau khi làm nóng ở nhiệt độ 1000C cường độ uốn giảm từ 5,73% - 12,52% và ở nhiệt độ 1200C cường độ uốn giảm từ 11,46% đến 13,73% Cường độ nén vuông góc với thớ

gỗ sau khi làm nóng ở 600C giảm khoảng 2,2% - 4,7%; ở 800C là 4,6% - 12,7

%; ở 1000C là 6,5% - 8,0% và tại 1200C giảm từ 2,5% - 10% Sau khi làm nóng ở 600C, 800C, 1000C và 1200C làm tăng cường độ nén dọc thớ gỗ tương ứng 6% -14,5%; 8% - 18,3%; 0,1% - 11,7% và 2% - 7,4% Những kết quả

Kamdem và cộng sự (2002), xử lý nhiệt tăng sức đề kháng sinh học của

gỗ chống nấm thối Kamdem et al cho rằng, việc xử lý nhiệt của gỗ giảm môđun đàn hồi (MOR) khoảng 10 - 50% Nghiên cứu chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng và thời gian xử lý dài thì môđun đàn hồi trong gỗ Sồi giảm xuống

Militz (2002), xử lý nhiệt cho gỗ nhằm nâng cao các tính chất khác nhau của nó, chẳng hạn như chống thấm nước, ổn định kích thước, hệ số chống trương nở (ASE), chống tia UV

Yildiz et al (2002), nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số chống trương nở (ASE) của gỗ Sồi Chế độ xử lý ở nhiệt độ 1800C với các mức thời gian là 2, 4 và 10 giờ sau đó thực hiện chu kỳ ngâm sấy Kết quả thu được hệ

số ASE đặt khoảng 47,64%

P.Rezayati Charani và cộng sự (2007) “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế

độ xử lý thuỷ nhiệt đến sự ổn định kích thước của gỗ sồi” Mẫu gỗ được xử lý

ở nhiệt độ khác nhau (1500C, 1600C, 1700C) và thời gian khác nhau (1giờ, 3 giờ, 5 giờ và 7 giờ) trong lò phản ứng Sau đó thực hiện chu kỳ ngâm/ sấy mẫu 8 lần Kết quả hệ số chống trương nở tăng và khối lượng thể tích giảm cùng với tăng nhiệt độ tiếp xúc và thời gian, ASE cao nhất là 47,43% thu được ở nhiệt độ 1700C thời gian 1 giờ, nhưng xử lý ở nhiệt độ 1700C ASE có

xu hướng giảm khi thời gian xử lý tăng Hiệu suất chống hút nước (WRE) của mẫu gỗ được xử lý ở 1600C, 1700C cao hơn nhiều so với 1500C trong thời

8

gian 1 giờ Trong thời gian 3 giờ, 5 giờ, giá trị WRE ở 1500C lớn hơn 1600C

và 1700C Ở 1500C, 1600C, 1700C trong thời gian 1 giờ thì giá trị WRE gần bằng nhau WRE lớn nhất là 22,20% thu được khi xử lý ở nhiệt độ 1700C trong thời gian 1 giờ [30]

Andreja KUTNAR , Milan ŠERNEK (2008), nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt làm thay đổi màu sắc gỗ Dưới tác động của nhiệt độ cao và độ ẩm tạo ra sự thay đổi lớn trong cấu trúc gỗ, dẫn đến thay đổi màu sắc gỗ Màu sắc gỗ tối hơn khi xử lý ở nhiệt độ cao hơn và thời gian xử lý lâu hơn Trong cây gỗ, ánh sáng được hấp thụ chủ yếu bởi lignin ở dưới 50nm và các chiết xuất phenolic (tannins, flavanoids, stilbenes, quinines) trong khi cellulose và hemicellulose không hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy Trong trường hợp xử lý thủy nhiệt , màu của gỗ trở nên tối hơn Chắc chắn rằng những thay đổi màu sắc là do sự mất mát nhỏ 2-4% khối lượng, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào thời gian xử lý và nhiệt độ Trong xử lý nhiệt với không khí, tỉ lệ giảm độ sáng lên tới 4% khối lượng, gỗ được xử lý thủy nhiệt tối hơn 50% so với gỗ ban đầu Màu sắc tối hơn được khẳng định bởi sự hình thành của các loại giảm cấp có màu từ hemicellulose và những chiết suất tham gia vào quá trình hình thành màu của gỗ được xử lý thủy nhiệt Sự thay đổi màu cũng liên quan đến sự hình thành của các sản phẩm oxy hóa như

cấu trúc lignin ảnh hưởng đến màu sắc gỗ và có thể thấy được trong quá trình

xử lý nước nóng ở nhiệt độ cao hơn 80°C Hơi nước có thể bắt đầu phân cắt của khu phức hợp lignin-polysaccharide bằng việc giải phóng ra các axit hữu

cơ từ các hemicellulose Mặt khác, giả định rằng một số các tương tác của các thành phần gỗ trong tế bào dẫn đến sự hình thành của một liên kết lignin-carbohydrate thứ mà cuối cùng gây ra sự bạc màu Do có sự tách biệt của các nhóm hydroxyl, liên hợp liên kết đôi ở C3 của phân tử lignin có thể được hình

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng xử lý thuỷ nhiệt dẫn đến thay đổi trong thành phần cấu trúc vách tế bào của gỗ Thành phần hoá học của gỗ bị thay đổi nhiều nhất dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao là hemicellulo Sự phá huỷ của thành phần hemicellulose gia tăng với sự tăng nhiệt độ và thời gian của quá trình xử lý nhiệt Chỉ một tỷ lệ nhỏ cellulose và lignin bị phá huỷ ở nhiệt

độ thấp Sự thay đổi thành phần hoá học của cấu trúc vách tế bào đem đến một loạt thay đổi các tính chất của gỗ như: nâng cao khả năng chịu nước, ổn định kích thước và cải thiện độ bền sinh học, màu sắc của gỗ bị sẫm lại

1.2 Sơ lược về nghiên cứu trong nước

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

Vũ Huy Đại (2008), “Nghiên cứu quy trình công nghệ xử lý ván phủ mặt

từ gỗ Keo lai bằng DMDHEU (akrofix)” Kết quả nghiên cứu đã cho thấy sau khi được xử lý bằng DMDHEU với chất xúc là MgCl2 ở nhiệt độ 1300C các tính chất vật lý và hầu hết các tính chất cơ học của ván mỏng gỗ Keo lai xử lý đều được cải thiện

10

Nguyễn Thị Thu Hà (2004), “Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tẩm nhựa Polyurethane (P – U) đến chất lượng gỗ biến tính” Sau khi tiến hành xử lý gỗ Keo lá tràm bằng P – U với các cấp nồng độ 3 – 5 – 7 – 9 – 11% và thời gian từ 1 – 5 ngày thì làm tăng khối lượng thể tích, chống được

sự xâm nhập nắm mốc, hạn chế co rút dãn nở…

Nguyễn Thị Thanh Hải (2005), “Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, thời gian tẩm Urea đến một số chỉ tiêu chất lượng của gỗ biến tính” Kết quả thu được tỷ lệ co rút và dãn nở của gỗ xử lý bằng Urea sau khi qua nén ép giảm, tính chất cơ học tăng, khối lượng thể tích tăng, độ bám dính màng phủ

P – U lên bề mặt tốt hơn…

Tạ Thị Phương Hoa (2004), “Nâng cao tính ổn định kích thước gỗ Keo lá tràm bằng phương pháp axetyl hóa” Hầu hết các tính chất cơ học được nâng lên cụ thể là: độ bền ép dọc tăng từ 4,94% đến 16,22%; độ bền ép ngang thớ tiếp tuyến tăng từ 2,55% đến 26,77%, độ cứng tĩnh tăng 7% đến 22,05%

Lê Ngọc Phước (2010), “Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm hóa chất đến tính chất của gỗ biến tính bằng DMDHEU dùng để phủ mặt ván sàn gỗ công nghiệp” Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian ngâm tẩm hóa chất ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của ván sàn Độ mài mòn, độ bong tách màng keo và độ võng do uốn của ván xử lý đều giảm so với ván không

xử lý Khối lượng thể tích của ván sàn thay đổi không đáng kể qua các chế độ

Bồ đề sau khi xử lý có hướng tăng còn khả năng co rút và khả năng dẫn nở giảm khi tăng nồng độ và kéo dài thời gian xử lý

Vũ Văn Toản (2005), “Nghiên cứu khả năng biến tính tăng cường độ cứng cho gỗ Cao su làm nguyên liệu sản xuất ván sàn” Sau khi tiến hành xử

lý gỗ Cao su bằng dung dịch nhựa styrene thì màu sắc gỗ không bị thay đổi, hạn chế được co rút dãn nở, làm tăng cường tính chất cơ lý của gỗ

Biến tính gỗ trên thế giới và trong nước đã được nghiên cứu nhiều Song biến tính thủy – nhiệt cho gỗ Keo lá tràm chưa được nghiên cứu Chính vì thế nghiên cứu biến tính thuỷ - nhiệt gỗ Keo lá tràm là hết sức cần thiết

12

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

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu

2.1.1 Mục tiêu tổng quát

Nâng cao chất lượng gỗ Keo lá tràm (Acacia auriculiformis) bằng

phương pháp xử lý thuỷ nhiệt

2.1.2 Mục tiêu cụ thể

Xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thuỷ nhiệt đến một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ Keo lá tràm

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Gỗ Keo lá tràm 9-10 tuổi

- Nhiệt độ và thời gian xử lý thuỷ - nhiệt ảnh hưởng đến một số tính chất

vật lý, cơ học của gỗ Keo lá tràm (Acacia auriculiformis)

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Gỗ Keo lá tràm 9-10 tuổi, vùng sinh thái Xuân Mai – Hà Nội

- Nhiệt độ và thời gian xử lý thuỷ nhiệt:

+ Nhiệt độ xử lý ở 3 cấp: 1300C; 1500C; 1700C

+ Thời gian ở 3 cấp tương ứng với: 2h; 4h; 6h

Chế độ xử lý thuỷ nhiệt được thực hiện như bảng 2.1

- Kiểm tra một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ Keo lá tràm đã qua xử

13

+ Độ bền nén dọc thớ

+ Độ bền nén ngang thớ: Xuyên tâm và tiếp tuyến

- Độ ẩm của gỗ trước khi xử lý MC = 12 %

Bảng 2.1 Chế độ xử lý thuỷ nhiệt cho gỗ Keo lá tràm

2.3 Nô ̣i dung nghiên cứu

- Xác đi ̣nh một số tính chất vâ ̣t lý, cơ ho ̣c của gỗ Keo lá tràm chưa xử lý

- Xác định ảnh hưởng của nhiê ̣t đô ̣ và thời gian xử lý thủy nhiê ̣t đến mô ̣t số tính chất vâ ̣t lý của gỗ Keo lá tràm:

+ Khối lượng thể tích

+ Hệ số chống dãn nở (ASE)

+ Hiệu suất chống hút nước (WRE)

- Xác định ảnh hưởng của nhiê ̣t đô ̣ và thời gian xử lý thủy nhiê ̣t đến mô ̣t số tính chất cơ học của gỗ Keo lá tràm:

+ Độ bền uốn tĩnh

+ Độ bền nén dọc thớ

14

+ Độ bền nén ngang thớ: Xuyên tâm và tiếp tuyến

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp lý thuyết

Kế thừa các công trình nghiên cứu liên quan để thực hiện

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm

Tiến hành làm thí nghiệm để xác định được sự ảnh hưởng của thời gian

và nhiê ̣t đô ̣ xử lý thủy nhiệt đến một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ Keo lá

Dung lượng mẫu: 10mẫu/chế độ

Dụng cụ kiểm tra: Cân điện tử độ chính xác ± 0,01g, thước kẹp độ chính xác 0,01mm, tủ sấy nhiệt độ tối đa 3000C có độ chính xác ± 0,10C

Quy trình kiểm tra: Mẫu được đặt vào tủ sấy và tăng dần nhiệt độ Nhiệt

độ cuối cùng là 100 ± 50C cho đến khô hoàn toàn Để xác định trạng thái khô hoàn toàn, ta cân mẫu để kiểm tra, nếu khối lượng giữa 2 lần cân liên tiếp cách nhau 2 giờ lệch nhau không quá 0,01g thì dừng sấy, tại thời điểm đó mẫu được coi là khô kiệt Mẫu khô kiệt được đưa vào bình hút ẩm làm nguội, sau

đó cân được khối lượng m0, g Sau đó, dùng thước kẹp đo kích thước 3 chiều của mẫu, từ đó tính được thể tích V0, cm3

Công thức xác định:

0

0 0

Dung lượng mẫu: 10mẫu/chế độ

Dụng cụ kiểm tra: Thước kẹp độ chính xác 0,01mm, tủ sấy nhiệt độ tối

đa 3000C có độ chính xác ± 0,10C

Quy trình kiểm tra: Mẫu ngâm trong nước 24 giờ, sau đó đo kích thước Tiếp theo, đưa mẫu vào sấy khô kiệt rồi đo kích thước Quá trình ngâm sấy thực hiện chu kỳ 7 lần

Công thức xác định:

% 100 )

(

) ( ) ( )

v a

v a v a v ASE

Trong đó: V s - thể tích mẫu sau khi ngâm, cm3

0

V - thể tích mẫu sau khi sấy, cm3

* Hiệu suất chống hút nước WRE

Tiêu chuẩn kiểm tra: ASTM D4446-08

Kích thước mẫu: 20 х 20 х 25 mm

Dung lượng mẫu: 10mẫu/chế độ

Công thức xác định:

% 100 1

% 100

Dung lượng mẫu: 10mẫu/chế độ

Dụng cụ kiểm tra: Thước kẹp độ chính xác 0,01mm, máy thử tính chất

cơ lý AMSLE

Quy trình kiểm tra: Trước khi phá hủy mẫu, đo kích thước chiều rộng, chiều cao của mẫu Trên máy thử tính chất cơ lý AMSLE, tiến hành tăng lực cho đến khi mẫu bị phá hủy Dừng lại và đọc giá trị của lực phá hủy trên đồng hồ Công thức xác định:

2 max 2

3 R

h b

l P MO

17

l – khoảng cách giữa 2 gối ,mm

b, h – chiều rộng, chiều cao mẫu, mm

* Độ bền nén dọc thớ

Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 8048-5:2009

Kích thước mẫu: 20 х 20 х 25 mm

Dung lượng mẫu: 10mẫu/chế độ

Dụng cụ kiểm tra: Thước kẹp có độ chính xác 0,01 mm và máy thử TEST

Q-Quy trình kiểm tra: Sau khi mẫu được xử lý thủy nhiệt xong đưa độ ẩm mẫu về 10 – 12% rồi tiến hành xác định độ bền nén dọc thớ Đưa mẫu lên bộ

gá của máy thử Q-TEST, tăng lực với tốc độ chậm dần đều đến khi phá hủy mẫu gỗ Dừng lại và đọc giá trị của lực phá hủy trên đồng hồ

Công thức xác định:

t b

P

Trong đó: Pmax – lực phá hủy, N

b, t – kích thước tiết diện ngang của mẫu, mm

* Đô ̣ bền nén ngang thớ

Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 8048-5:2009

Kích thước mẫu: 20 х 20 х 25 mm

Dung lượng mẫu: 10mẫu/chế độ

Dụng cụ kiểm tra: Thước kẹp có độ chính xác 0,01 mm và máy thử TEST

Q-Quy trình kiểm tra: Sau khi mẫu được xử lý thủy nhiệt xong đưa độ ẩm mẫu về 10 – 12% rồi tiến hành xác định độ bền nén dọc thớ Trước khi phá huỷ mẫu cần đo kích thước mặt chịu lực, sau đó đưa mẫu lên bộ gá của máy

en 

Trong đó: P – tải tro ̣ng ứng với giới ha ̣n bền quy ước, N

a- chiều rộng của mẫu, mm l- chiều dài mẫu, mm

n

i i

b Sai tiêu chuẩn mẫu

Được xác định theo công thức:

1 1

n i i

s – sai quân bình phương

n - số mẫu quan sát

f Sai số tuyệt đối của ước lượng

Được xác định theo công thức:

n

s t

2

%) 95

Trong đó: C(95%) - sai số tuyệt đối của ước lượng

n - dung lượng mẫu

2.6 Ý nghĩa của luận văn

2.6.1 Ý nghĩa khoa học

Bước đầu nghiên cứu và xác lập cơ sở khoa học của quá trình biến tính

gỗ bằng phương pháp thủy nhiệt, sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử

lý đến một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ biến tính

2.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả luận văn là cơ sở cho việc lựa chọn chế độ xử lý thủy nhiệt hợp

lý để nâng cao một số tính chất vật lý, cơ học của các loại gỗ nói chung và đối với gỗ Keo lá tràm

Xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thuỷ nhiệt đến một số tính chất của gỗ Keo lá tràm

21

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Khái niệm biến tính gỗ

Callum Hill (2006) trong cuốn “Wood modification: chemical, thermal and other processes” đã định nghĩa: “biến tính gỗ liên quan đến quá trình tác

động của tác nhân hoá học, sinh học hoặc vật lý đến vật liệu gỗ, tạo ra sự cải thiện các tính chất của gỗ trong quá trình sử dụng Bản thân gỗ biến tính không tạo ra các chất độc trong qua trình sử dụng, hơn thế nữa các sản phẩm tái chế từ gỗ biến tính và phế thải của gỗ biến tính cũng không gây độc hại với con người và môi trường” [25]

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

ở hình 3.1

Hình 3.1 Sự thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính

A: Cấu trúc gỗ từ thô đại đến hiển vi và siêu hiển vi

B: Các hình thức thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính, từ trái sang phải: (B1) hóa chất tích tụ ở ruột tế bào, (B2) hóa chất tích tụ ở vách tế bào, (B3)

22

hoá chất có phản ứng với nhóm hydroxyl của cellulose (liên kết một phía), (B4) hoá chất tạo cầu nối với các chuỗi cellulose (liên kết hai phía), (B5) thay đổi cấu trúc vách tế bào (dựa vào minh hoạ của Norimoto, (2001))

Tuỳ theo các tác nhân biến tính và đặc điểm quá trình tác động lên cấu trúc tế bào, biến tính gỗ có thể được chia thành: biến tính hoá học (chemical modification), biến tính bằng ngâm tẩm (impregnation modification) và biến tính ở nhiệt độ cao (heat treatment hoặc hydrothermal treatment)

3.2 Khái niệm biến tính thuỷ - nhiệt [23],[24],[26]

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

Nhiệt độ của môi trường trong biến tính thuỷ - nhiệt cho gỗ dao động từ 100°C đến 200°C Ở nhiệt độ thấp hơn 100°C, tính chất vật liệu gỗ thay đổi không đáng kể, nhưng nếu nhiệt độ lớn hơn 200°C, gỗ sẽ bị phá huỷ nghiêm trọng, đặc biệt là cường độ của gỗ Các quá trình biến tính thuỷ - nhiệt hiện nay giới hạn nhiệt độ biến tính không vượt quá 200°C và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như:

- Thời gian và nhiệt độ của quá trình xử lý

- Loại gỗ

- Độ ẩm của gỗ trước khi xử lý

- Kích thước của mẫu gỗ được xử lý

Xử lý thuỷ - nhiệt dẫn đến thay đổi trong thành phần cấu trúc vách tế bào của gỗ Thành phần hoá học của gỗ bị thay đổi nhiều nhất dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao là hemicellulose, các chất chiết xuất bị hoà tan trong dung môi, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm như methanol, acetic acid, Sự phá huỷ của thành phần hemicellulose gia tăng với sự tăng của nhiệt độ và thời gian của quá trình biến tính thuỷ - nhiệt Nhìn chung, sự phá huỷ của cellulose xảy

23

ra ở nhiệt độ cao hơn so với hemicellulose, chỉ một tỷ lệ nhỏ của cellulose bị phá huỷ ở nhiệt độ thấp như hemicellulose Những vùng không định hình của cellulose dễ bị phá huỷ vì nhiệt hơn (những vùng định hình) và bộc lộ tính chất tương tự như thành phần hexose của hemicellulose Do sự mất mát của các thành phần polysaccharide (cellulose và hemicellulose) dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao, hàm lượng lignin trong gỗ tăng lên Lignin được xác định là thành phần ổn định vì nhiệt nhất của vách tế bào, tuy nhiên một phần nhỏ của lignin cũng bị phá huỷ ở nhiệt độ tương đối thấp tạo ra các sản phẩm phenolic

Quá trình biến tính thuỷ - nhiệt làm thay đổi thành phần hoá học của cấu trúc vách tế bào, đem đến một loạt thay đổi các tính chất của gỗ:

- Tăng tính ổn định kích thước, giảm khả năng hút ẩm và hút nước

- Độ cứng tăng

- Cải thiện độ bền sinh học

- Giảm cường độ và modul uốn tĩnh,

- Màu sắc của gỗ bị sẫm lại

- Công nghệ sạch, thân thiện với môi trường

3.3 Khái lược về cơ sở khoa học của biến tính gỗ

Gỗ là vật liệu tự nhiên có tính dị hướng cao, được cấu tạo bởi các tế bào xếp dọc thân cây (chiếm tới 90-95%) thể tích và tế bào xếp ngang thân cây (chiếm 5-10%) Các tế bào gỗ có dạng hình ống bao gồm vách và ruột

Vách tế bào được cấu tạo bởi ba thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose, lignin tất cả các thành phần này đều là các polyme, chúng hợp thành mạng lưới đan xen trong vách tế bào Trong đó cellulose (50-55%) là thành phần chính tạo nên vách tế bào, lignin (20-30%) và hemicellulose (15-25%), còn gọi là các chất nền (matrix) Các phân tử cellulose [C6H7O2(OH)3]n với n = 5000-14000 có cấu tạo mạch thẳng liên kết với nhau tại các vị trí 1, 4

24

nhờ cầu nối ôxy hình thành lên chuỗi cellulose Nhiều chuỗi cellulose liên kết với nhau nhờ cầu nối hydro tạo nên mixencellulose Khoảng 40-50 mixencellulose sắp xếp thành một khối có kích thước mặt cắt ngang 3x5 nm được gọi là bó mixencellulose Từng bó mixen cellulose được bao bọc xung quanh bởi một lớp hemicellulose kết hợp với một lượng nhỏ lignin, và ngoài cùng bao bọc bởi một lớp lignin tạo thành khối vững chắc có kích thước mặt cắt ngang khoảng 5-10 nm Các khối vững chắc này sắp xếp tạo nên vách tế bào

Cellulose

Cellulose là thành phần chủ yếu tạo nên vách tế bào Nó là hợp chất cao phân tử đựợc tạo nên từ các mắt xích D - glucose nhờ các mối liên kết glucozit 1, 4, có công thức phân tử [C6H7O2(OH)3]n, n = 5000 - 14000 Trị số

n thay đổi tuỳ thuộc vào nguồn gốc cellulose, phương pháp xử lý Độ trùng hợp có ảnh hưởng lớn đến tính chất của cellulose Chuỗi cellulose chứa từ

200 - 3000 phân tử cellulose Cấu tạo phân tử cellulose được mô tả ở hình 3.2 Trong mỗi mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl (- OH) ở các

vị trí 2, 3, 6 (trong đó có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai) nên có thể xem cellulose là một rượu đa chức, bậc cao

H

H 0H

H

H 0H

H

25

Hình 3.3 Hợp chất cao phân tử cellulose dưới dạng 3D

Màu nâu-cacbon, màu đỏ-oxy, màu trắng-hydro

Trong mixen cellulose có vùng tinh thể và vùng vô định hình Vùng tinh thể là vùng mà các phân tử cellulose sắp xếp có trật tự, có cấu trúc bền vững nên dung môi và hoá chất khó xâm nhập Độ dài vùng kết tinh thường từ 30 -

60 nm Vùng vô định hình là vùng mà các phân tử cellulose sắp xếp không trật tự, cấu trúc lỏng lẻo nên dung môi và hoá chất dễ xâm nhập Trong quá trình tạo thành các dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai trò quan trọng

Trong cellulose thiên nhiên tồn tại các liên kết hydro nội phân tử và các liên kết hydro giữa các phân tử Các liên kết hyđrô nội phân tử được tạo ra: giữa H của nhóm hydroxyl ở C2 của một mắt xích và O thuộc nhóm hydroxyl

ở C6 của mắt xích liền kề; giữa H của nhóm hydroxyl ở C3 một đơn vị mắt xích và O nằm trong vòng của đơn vị mắt xích liền kề Liên kết hydro giữa các phân tử tạo ra giữa hydro của hydroxyl ở C6 của đơn vị mắt xích trong

26

một đoạn mạch và O của nhóm hydroxyl ở C2 trong đoạn mạch khác Các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose ảnh hưởng nhiều đến tính chất của sợi cellulose như dãn nở, hoà tan, hút ẩm, …

Trong phân tử cellulose có các liên kết C- C- và C- O-, cũng như các liên kết hóa trị khác chúng rất bền vững và có lực liên kết rất lớn (lực liên kết của C- C- bằng 62,77 Kcal/mol), trong khi đó của liên kết hyđro là 5 – 6 Kcal/mol còn lực Van der Vaals – 2 – 3 Kcal/mol Do trong phân tử cellulose chứa rất nhiều nhóm hydroxyl nên giữa các phân tử tồn tại rất nhiều liên kết hydro, vì thế lực liên kết giữa các phân tử rất lớn và lớn hơn rất nhiều lực hóa học liên kết các mắt xích trong phân tử Liên kết hydro giữa các phân tử cellulose có thể biểu diễn như hình 3.3

Hình 3.4 Liên kết hydro giữa các phân tử cellulose

Nếu nước được hút vào nghĩa là phân tử nước vào giữa các phân tử cellulose xuất hiện các liên kết hyđro qua các phân tử nước, theo sơ đồ ở hình 3.4

Hình 3.5 Liên kết hydro giữa các phân tử khi cellulose

trương nở trong nước

27

Đó là quá trình trương nở của cellulose trong nước Lượng nước được hút vào càng nhiều số lượng liên kết hydro tạo thành giữa các phân tử càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng lớn nói cách khác sợi cellulose trương nở Điều này giúp ta giải thích tính co rút và dãn nở của gỗ

Cellulose là chất cao phân tử có cực, như vậy dung môi gây trương hay hoà tan cellulose cũng phải là dung môi có cực Thực chất quá trình trương cellulose là quá trình tác nhân gây trương xâm nhập vào, bứt phá các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau, khi đó làm cho khoảng cách giữa các phân tử cellulose tăng lên, dẫn đến liên kết của chúng (liên kết Van der Vaals) yếu đi, các phân tử cellulose dễ bị xê dịch và trở nên lỏng lẻo hơn, đồng thời khi liên kết hydro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của phân tử cellulose trong gỗ [14]

Hiện tượng trương nở của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, do nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hoá học của gỗ thay đổi

Hemicellulose

Cũng như cellulose, hemicellulose là các polysaccharide, cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá học hơn, dễ bị phân giải ở nhiệt độ cao Hemicellulose gồm có pentosan (C5H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n, n = 50 - 200

Hàm lượng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở gỗ lá rộng lượng pentosan nhiều chiếm từ 19 - 23% còn hexosan là 3 - 6%, ở gỗ lá kim tỷ lệ pentosan và hexosan xấp xỷ nhau chiếm từ 10 - 12% Nói chung hemicellulose dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của axit

Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn axit uronic, đó là axit của các loại đường có công thức CHO(CHOH)COOH Khi thủy phân, các nhóm cacboxyl của axit bị phân giải thành CO2

Hình 3.7 Vị trí của lignin trong vách tế bào gỗ

Lignin

29

Cấu tạo và tính chất vật lý của lignin: Thực chất lignin là một tập hợp

các chất hữu cơ, dưới tác dụng của nhiệt độ cao lignin bị mềm hóa Lignin có thể bị trương và hòa tan được trong những dung môi thích hợp

Cấu tạo hóa học của lignin: Lignin là một cao phân tử gồm các đơn vị

phenylpropan, các nhóm chức cơ bản của lignin gồm nhóm metoxyl (OCH), nhóm hydroxyl (-OH) Các đơn phân tử trong lignin liên kết với nhau bằng những liên kết ete và liên kết C – C tạo ra cấu trúc mạng phức tạp

Liên kết C - C rất bền vững đối với xử lý hoá học và là yếu tố cơ bản ngăn cản sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong những xử lý hydro hoá, phân giải bằng etanol Lignin tham gia liên kết hydro với cellulose và hemicellulose với năng lượng liên kết khá lớn Do có nhiều nhóm chức trong một phân tử và do lignin tiếp cận tốt với polysaccharide, lực tương tác giữa lignin với cấu tử khác của vách tế bào trở nên rất lớn Bên cạnh liên kết hydro, giữa các chất cao phân tử của vách tế bào còn có tương tác Van der Vaals Loại tương tác vật lý này cũng góp phần cản trở quá trình hoà tan lignin dưới tác dụng của dung môi

Tính hút ẩm của gỗ được xác định bởi thành phần hoá học của nó cũng như cấu trúc vách tế bào Trên quan điểm của hoá keo, tính chất hút ẩm của

gỗ được xác định bởi sự có mặt trong nó số lượng lớn nhóm hydroxyl Giữa các chất tạo nên vách các mao dẫn và các phân tử nước trong chúng ngoài lực tác động giữa các phân tử Van Der Vaals với lực liên kết 8 Kcal/mol, còn có các liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl trên bề mặt các mao dẫn và nước, năng lượng của chúng khoảng 15 - 18Kcal/mol Vì vậy đặc tính hút ẩm được xác định bởi bản chất hoá học gỗ: khi gỗ hút các lớp nước đơn phân tử không chỉ xảy ra hấp phụ vật lý mà cả hoá học

Độ rỗng của gỗ không chỉ là ruột các tế bào như ta thường hiểu mà còn

là hệ thống các mao dẫn và vi mao dẫn trong vách tế bào Người ta phân

30

thành độ rỗng hở - ở dạng các mao dẫn nối với nhau và độ rỗng kín - ở dạng các lỗ không nối với nhau Trong gỗ - độ rỗng hở vì mặc dù có cấu trúc tế bào nhưng vách tế bào gỗ liên hệ với nhau nhờ hệ thống vi mao dẫn, chúng đảm bảo sự liên hệ giữa các tế bào riêng biệt

Có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình hút ẩm của gỗ là các vi mao dẫn có đường kính bằng hoặc lớn hơn đường kính phân tử nước

Bằng chứng về sự có mặt của các vi mao dẫn trong gỗ là dải quan sát được khi phóng đại nhiều lần các lớp riêng rẽ của vách tế bào, cũng như qua thí nghiệm của Uorgrop, ông đã nghiên cứu sợi gỗ được xử lý clorid vàng dưới kính hiển vi điện tử, ông đã kết luận rằng giữa các mixen cellulose của

gỗ tồn tại các vi mao dẫn (các khoảng cách) có chiều rộng 70- 100 A0 Trong khoảng cách đó có thể có 20- 30 phân tử nước

Sự thay đổi lượng nước thấm trong vách tế bào chính là sự thay đổi số lượng phân tử nước giữa các mixen cellulose cũng chính là sự thay đổi số lượng liên kết hydro giữa các mixen dẫn đến khoảng cách giữa các mixen thay đổi, bề dày vách tế bào thay đổi và kích thước gỗ thay đổi, nói cách khác

gỗ bị co rút hoặc dãn nở

Tóm lại, sự tồn tại các nhóm hydroxyl trong các thành phần tạo nên vách

tế bào, sự tạo thành vô số các liên kết hydro giữa vách mao dẫn và nước là nguyên nhân làm cho gỗ bị co rút hoặc dãn nở Gỗ chỉ co rút hoặc dãn nở khi lượng ẩm liên kết trong gỗ giảm hoặc tăng

Khi gỗ được xử lý thuỷ nhiệt, các tác nhân xử lý xâm nhập vào tế bào

gỗ, nó sẽ có những tương tác với các cấu tử gỗ ở dạng này hay dạng khác làm cho cấu trúc, liên kết, tính chất gỗ có sự thay đổi Sự tác động của các tác nhân chủ yếu vào các liên kết ngang (cầu nối hydro) giữa các cấu tử, đặc biệt

và chủ yếu là liên kết hydro giữa các phân tử cellulose

Khi có tác động của tác nhân xử lý vào các cấu tử gỗ, giữa các cấu tử có

sự thay đổi, khoảng cách giữa các cấu tử trong gỗ thay đổi sẽ làm cho tính

31

chất cơ lý thay đổi theo Sự biến đổi nhóm chức (chủ yếu là nhóm OH) sẽ làm cho tính hút nước, hút ẩm thay đổi Vì thế, nếu có tác động hoặc dùng tác nhân hoá học nào đó xử lý gỗ sao cho có thể biến đổi cấu trúc hoặc thay thế nhóm hydroxyl trong gỗ thành nhóm kỵ nước có kích thước lớn thì nguyên liệu sẽ ít hút nước, ít trương nở

34 Lý thuyết về biến tính thủy - nhiệt

Biến tính thủy nhiệt là quá trình làm thay đổi một số chất có trong gỗ dưới tác dụng của nhiệt độ cao ở trong môi trường nước, sau đó được gia nhiệt bằng phương pháp sấy Khi gỗ ở trong nước rồi tiến hành gia nhiệt đến nhiệt độ cao làm cho các chất chiết suất và một số các cấu tử tạo nên vách tế bào bị phân huỷ làm thay đổi một số tính chất ban đầu của gỗ

Các thành phần chính cấu trúc nên gỗ như cellulose, hemicenllulose và lignin dưới tác dụng của nhiệt độ cao sẽ bị phá hủy Quá trình tiêu hủy lignin

và cellulose là chậm hơn và cần nhiệt độ cao hơn so với hemicenllulose Sự phá hủy các chất chiết suất dễ dàng hơn do bay hơi trong quá trình làm nóng

Sự phá huỷ của thành phần hemicellulose gia tăng với sự tăng của nhiệt

độ và thời gian của quá trình biến tính thuỷ - nhiệt Những vùng không định hình của cellulose dễ bị phá huỷ vì nhiệt hơn (những vùng định hình) và bộc

lộ tính chất tương tự như thành phần hexose của hemicellulose Do sự mất mát của các thành phần polysaccharide (cellulose và hemicellulose) dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao, hàm lượng lignin trong gỗ tăng lên Lignin được xác định là thành phần ổn định vì nhiệt nhất của vách tế bào, tuy nhiên một phần nhỏ của lignin cũng bị phá huỷ ở nhiệt độ tương đối thấp tạo ra các sản phẩm phenolic [23]

Xử lý thuỷ nhiệt gỗ ở nhiệt độ 1000C được coi là nhiệt độ biến dạng dẻo của gỗ, liên quan đến thay đổi trong cấu trúc lignin Phá vỡ liên kết β-aryl và

sự hình thành của các sản phẩm ngưng tụ lignin tại 100-1200C đã được tìm thấy trong cây phong (SUNDQVIST (2004)) Sự phá huỷ lignin tạo ra sản