Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến một số chỉ tiêu chất lượng gỗ keo tai tượng (acacia mangium willd) bằng phương pháp biến tính nhiệt

---***--- NGUYỄN THỊ THẮM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN XỬ LÝ ĐẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG GỖ KEO TAI TƯỢNG Acacia mangium Willd BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN TÍNH NHIỆT

-*** -

NGUYỄN THỊ THẮM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN

XỬ LÝ ĐẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG GỖ KEO TAI

TƯỢNG (Acacia mangium Willd) BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN

TÍNH NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2013

-*** -

NGUYỄN THỊ THẮM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN

XỬ LÝ ĐẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG GỖ KEO TAI

TƯỢNG (Acacia mangium Willd) BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN

TÍNH NHIỆT

Chuyên ngành: Công nghệ chế biến lâm sản

Mã số: 60540301

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TRẦN VĂN CHỨ

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Nguyễn Thị Thắm

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành luận văn, đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo: PGS.TS Trần Văn Chứ, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Phòng ban, Trung tâm khai thác thông tin thư viện Đại học Lâm nghiệp cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong Khoa Sau đại học đã giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại trường

Xin chân thành cảm ơn các cán bộ của Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm và chuyển giao công nghệ Công nghiệp rừng; Trung tâm thí nghiệm Khoa Chế biến lâm sản, trường Đại học Lâm nghiệp đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, tài liệu khoa học và các thông tin khoa học để tôi hoàn thành nghiên cứu của mình

Qua đây, cũng xin được gửi lời cảm ơn tới toàn thể bạn bè đồng nghiệp

và gia đình Trong quá trình tôi học tập và hoàn thành khóa luận đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất và lời chúc sức khỏe!

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Thị Thắm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng luận về các công trình đã công bố về vấn đề biến tính nhiệt cho gỗ 4

1.1.1 Trên thế giới 4

1.1.2 Tại Việt Nam 7

1.1.3 Định hướng nghiên cứu 8

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 10

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 10

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.4 Nội dung nghiên cứu 12

1.5 Phương pháp nghiên cứu 12

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 12

1.5.2 Phương pháp chuyên gia 12

1.5.3 Phương pháp thực nghiệm 13

Chương 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN 22

2.1 Công nghệ biến tính nhiệt gỗ 22

2.1.1 Khái niệm về biến tính gỗ và biến tính nhiệt gỗ 22

2.1.2 Chủng loại gỗ biến tính nhiệt 23

2.1.3 Đặc điểm gỗ biến tính nhiệt [12], [20] 24

2.1.4 Các loại hình công nghệ biến tính nhiệt điển hình hiện nay 26

2.2 Cơ chế biến đổi tính chất gỗ của biến tính nhiệt [4], [12], [20] 27

2.2.1 Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích của gỗ 27

2.2.2 Cơ chế cải thiện tính ổn định kích thước 28

2.2.3 Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ 31

2.3 Nhận xét chung 35

Chương 3.NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 37

3.1 Lựa chọn nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt gỗ Keo tai tượng 37

3.2 Chuẩn bị nguyên liệu gỗ và thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 39

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu gỗ 39

3.2.2 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 40

3.3 Quy trình thực nghiệm 41

Chương 4.KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 45

4.1 Kết quả nghiên cứu gỗ Keo tai tượng 45

4.2 Kết quả kiểm tra tỷ lệ tổn hao khối lượng gỗ sau khi biến tính nhiệt 47

4.3 Kết quả kiểm tra một số chỉ tiêu chất lượng gỗ biến tính nhiệt 50

4.3.1 Khối lượng thể tích gỗ 50

4.3.2 Tính ổn định kích thước của gỗ 52

4.3.3 Tính chất cơ học của gỗ 58

4.3.4 Tính chất công nghệ của gỗ 64

4.3.5 Ảnh hưởng của các yếu tố khác tới chất lượng gỗ biến tính nhiệt 66

4.4 Tổng hợp kết quả nghiên cứu và đánh giá chất lượng gỗ Keo tai tượng sau khi biến tính nhiệt 67

4.4.1 Tổng hợp kết quả nghiên cứu 67

4.4.2 Đánh giá chất lượng gỗ Keo tai tượng sau khi biến tính nhiệt 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 80

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

10 S bt Tỷ lệ trương nở của gỗ sau khi biến tính %

11 m 0 Khối lượng của mẫu gỗ được sấy khô kiệt g

12 m 1 Khối lượng của mẫu gỗ sau khi ngâm nước g

13 V 0 Thể tích của mẫu gỗ được sấy khô kiệt cm 3

14 V 1 Thể tích của mẫu gỗ sau khi ngâm nước cm 3

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Chế độ xử lý nhiệt cho gỗ Keo tai tượng 13

1.2 Một số thông số kỹ thuật của của thiết bị biến tính

2.1 So sánh các công nghệ xử lý nhiệt hiện nay 27

3.1 Tiêu chuẩn và kích thước mẫu dùng để kiểm tra chất

4.1 Kết quả xử lý số liệu thống kê tỷ lệ tổn hao khối lượng

4.2 Kết quả xử lý số liệu thống kê khối lượng thể tích của

4.3 Kết quả xử lý số liệu thống kê hiệu suất chống hút

nước của gỗ Keo tai tượng sau xử lý nhiệt, % 54

4.4 Kết quả xử lý số liệu thống kê hệ số chống trương nở

của gỗ Keo tai tượng sau xử lý nhiệt, % 55

4.5 Kết quả xử lý số liệu thống kê độ bền nén dọc thớ của

gỗ Keo tai tượng sau xử lý nhiệt, Mpa 58

4.6 Kết quả xử lý số liệu thống kê độ bền uốn tĩnh của gỗ

Keo tai tượng sau xử lý nhiệt, Mpa 60

4.7 Kết quả xử lý số liệu thống kê mô đun đàn hồi uốn

tĩnh của gỗ Keo tai tượng sau xử lý nhiệt, Mpa 61

4.8 Kết quả xử lý số liệu thống kê độ bền kéo trượt màng

keo gỗ Keo tai tượng sau xử lý nhiệt, Mpa 64

4.9 Tổng hợp kết quả nghiên cứu tính chất cơ lý của gỗ

Keo tai tượng sau 9 chế độ xử lý nhiệt 67

4.10 So sánh độ bền uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng sau biến

tính nhiệt với một số loại gỗ khác 71

2.1 Cấu trúc gỗ từ thô đại đến hiển vi và siêu hiển vi và các

hình thức thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính 22 2.2 Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân tử cellulose 30 2.3 Quá trình phân giải do nhiệt của hemicellulose trong gỗ 32 2.4 Quá trình nhiệt giải của cellulose 34 2.5 Cơ chế phản ứng của gỗ trong quá trình xử lý nhiệt 35 3.1 Mẫu gỗ Keo tai tượng dùng để biến tính nhiệt 40 3.2 Quy trình thực nghiệm biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng 41 3.3 Xếp mẫu vào thiết bị biến tính nhiệt 41 3.4 Mẫu xác định các tính chất vật lý và cơ học của gỗ 42 3.5 Kiểm tra độ bền nén dọc thớ của gỗ 43

3.7 Kiểm tra độ bền kéo trượt màng keo của gỗ 44

4.1

Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với tỷ lệ tổn hao khối lượng gỗ Keo tai tượng sau biến

tính

48

4.2 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với khối lượng thể tích của gỗ Keo tai tượng 51

4.3 Độ hút nước của gỗ Keo tai tượng trước và sau xử lý

4.4 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với hiệu suất chống hút nước của gỗ Keo tai tượng 54

4.5 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với hệ số chống trương nở của gỗ Keo tai tượng 56

4.6 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với độ bền nén dọc thớ của gỗ Keo tai tượng 59

4.7 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với độ bền uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng 61

4.8 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với mô đun đàn hồi uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng 62

4.9 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

với độ bền kéo trượt màng keo của gỗ Keo tai tượng 65 4.10 Màu sắc của gỗ sau khi biến tính nhiệt 69

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, gỗ rừng trồng đã và đang được đưa vào thực tế sản xuất, thay thế một phần gỗ rừng tự nhiên để đáp ứng yêu cầu về nguồn nguyên liệu phục vụ sản xuất Tuy nhiên, khi sử dụng làm nguyên liệu sản xuất đồ gỗ, gỗ rừng trồng đã xuất hiện một số nhược điểm như: sự không đồng đều về màu sắc của gỗ, gỗ bị giòn khiến quá trình gia công gặp nhiều khó khăn, trong gỗ tồn tại nhựa và túi nhựa hay gỗ bị nứt vỡ và biến dạng trong quá trình sấy.v.v

Kết quả nghiên cứu của PGS.TS Trần Văn Chứ (2006) [3], cho biết những nhược điểm của gỗ rừng trồng về tính chất cơ, vật lý thấp, màu sắc xấu, dễ bị cong vênh, nứt vỡ, khả năng bám dính hạn chế làm cho quá trình gia công chế biến các sản phẩm gặp rất nhiều khó khăn, chất lượng gỗ bị giảm sút, kéo theo chất lượng sản phẩm bị hạn chế, độ thẩm mỹ không cao, khó thuyết phục người tiêu dùng

Trong nhiều loại cây gỗ rừng trồng ở nước ta, Keo tai tượng là loài cây

có trữ lượng lớn và được triển khai trồng tại các tỉnh, đặc biệt là các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam Đây là dạng cây gỗ lớn, chiều cao có thể đạt tới 30 m Đường kính có thể đạt được đến 120–150 cm Keo tai tượng có khả năng cải tạo đất rất tốt, đồng thời sinh trưởng, phát triển nhanh, dễ chăm sóc, chu kỳ kinh doanh ngắn (chu kỳ 15 năm, 7 năm sau khi trồng có thể thu hoạch) [10] Một ưu điểm nữa rất đáng chú ý, rừng Keo tai tượng khó bị cháy hơn các loại rừng cây khác, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ rừng Tuy nhiên, gỗ Keo tai tượng cũng tồn tại nhiều khuyết tật như các loài cây mọc nhanh rừng trồng khác nên đã làm ảnh hưởng không nhỏ tới pha ̣m vi sử du ̣ng của gỗ Keo tai tượng Ở Việt Nam, Keo tai tượng được trồng rừng với mục đích chủ yếu là cải tạo môi trường sinh thái, làm gỗ nguyên liệu cho ngành

công nghiệp chế biến bột giấy, gỗ ván dăm, những cây gỗ lớn dùng để sản xuất đồ gỗ Nhưng gỗ Keo tai tươ ̣ng ít được sử du ̣ng để đóng đồ ngoại thất, đồ gỗ sử du ̣ng nơi đô ̣ ẩm cao và các chi tiết đồ gỗ mang tính thẩm mỹ…

Để sử dụng hiệu quả nguyên liệu gỗ rừng trồng nói chung và gỗ Keo tai tượng nói riêng cho sản xuất đồ gỗ, cần tập trung nghiên cứu xác định giải pháp biến tính phù hợp để khắc phục một số hạn chế thường xuất hiện ở gỗ và tăng cường chất lượng theo yêu cầu của sản phẩm

Trong các phương pháp biến tính gỗ hiện nay, phương pháp biến tính nhiệt là phương pháp đang ngày càng được các nhà khoa học đầu tư nghiên cứu Do trong quá trình xử lý không sử dụng bất cứ loại hóa chất nào mà chỉ thông qua tác dụng của nhiệt độ làm thay đổi tính chất gỗ, khắc phu ̣c mô ̣t số khuyết tật gỗ như ổn đi ̣nh kích thước, giảm khả năng hút, nhả ẩm, giảm khả năng cong, vênh, nứt nẻ, đồng đều màu sắc gỗ,… tạo ra sản phẩm mới có tính năng tốt, đáp ứng yêu cầu sử dụng, từ đó mở rộng được phạm vi sử dụng gỗ rừng trồng

Từ những luận điểm khoa học và yêu cầu thực tiễn nêu trên, được sự đồng ý của Hội đồng khoa học - công nghệ, trường Đại học Lâm nghiệp, tôi

tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài:“Nghiên cứu ảnh hưởng

của nhiệt độ và thời gian xử lý đến một số chỉ tiêu chất lượng gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd) bằng phương pháp biến tính nhiệt”

2 Ý nghĩa của vấn đề nghiên cứu

* Ý nghĩa khoa học

Qua quá trình kế thừa, nghiên cứu lý thuyết - là những luận cứu có tính khoa học kết hợp với thực nghiệm, đề tài đã đánh giá được những tác động, ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt đến chất lượng gỗ biến tính nhiệt, cụ thể là gỗ Keo tai tượng Từ đó, đánh giá được chất lượng và đưa ra những định hướng sử dụng gỗ Keo tai tượng sau quá trình biến tính Việc

nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt có thể coi là tiền đề để nghiên cứu về công nghệ biến tính cho gỗ bằng cách sử dụng nhiệt độ cao

Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt cho gỗ tuy đã có từ khá lâu trên thế giới, nhưng tại Việt Nam đây lại là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới Đặc biệt, đề tài áp dụng phương pháp biến tính sử dụng nhiệt độ cao trong môi trường không khí với áp suất thường và không sử dụng chất xúc tác nào Như vậy, kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo có giá trị khoa học trong định hướng nghiên cứu ban đầu của lĩnh vực này và từ đó có những hướng nghiên cứu mới áp dụng hiệu quả hơn công nghệ biến tính nhiệt gỗ tạo ra những vật liệu mới đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tiễn sử dụng

* Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp biến tính nhiệt với môi trường

xử lý là không khí áp suất thường và không sử dụng chất xúc tác Đây là một phương pháp biến tính không phức tạp và có thể đễ dàng thực hiện đối với điều kiện thực tế sản xuất ở nước ta Như vậy, có thể thấy việc chuyển giao công nghệ, áp dụng vào thực tế sản xuất tại các cơ sở chế biến gỗ trong nước

là hoàn toàn có thể thực hiện được

Mặt khác, giá thành khi biến tính nhiệt bằng không khí thường không cao, do đó phù hợp với việc áp dụng vào sản xuất thực tiễn Đây được coi là một kỹ thuật mới giúp cải thiện tính chất của gỗ, đặc biệt là các loại gỗ mọc nhanh rừng trồng, từ đó phần nào giúp giải quyết được vấn đề cấp bách hiện nay của ngành công nghiệp chế biến gỗ - vấn đề thiếu hụt nguyên liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng luận về các công trình đã công bố về vấn đề biến tính nhiệt cho gỗ

1.1.1 Trên thế giới

Biến tính nhiệt là một loại phương pháp biến tính vật lý đối với gỗ đã

và đang được nghiên cứu và ứng dụng một cách sâu rộng

Nền tảng khoa học của xử lý nhiệt gỗ đã được bắt đầu nghiên cứu vào những thập niên 20~30 của thế kỷ trước Năm 1915, trong báo cáo của Tiemann [7] đã chỉ ra, gỗ sau khi sấy ở nhiệt độ 150oC trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhưng cường độ của gỗ cũng có sự giảm sút Năm

1937, trong báo cáo của Stamm và Hansen [21] thể hiện, xử lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ co rút, dãn

nở của gỗ đều giảm xuống Tiếp sau nghiên cứu đó, Stamm còn tiến hành phân tích nhân tố làm giảm khối lượng gỗ và ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt đến tỷ lệ giảm khối lượng gỗ [22]

Thế nhưng trong giai đoạn này, gỗ xử lý nhiệt vẫn chưa được ứng dụng trong thương nghiệp, nguyên nhân chủ yếu là thiết bị xử lý nhiệt gỗ có yêu cầu tương đối cao: Lò xử lý cần có nhiệt độ xử lý khoảng trên dưới 200oC; cần phải giữ cho môi trường bên trong lò cách biệt được với ô-xy, để tránh gỗ

bị cháy ở nhiệt độ cao; cần phải đảm bảo sự điều hòa đều đặn trong quá trình gia nhiệt cho gỗ; vỏ lò cần có tính chịu nhiệt, độ bền tốt… Ngoài ra, tính chất

cơ học của gỗ có thể bị giảm sau khi xử lý nhiệt, làm cho sự mở rộng ứng dụng gỗ xử lý nhiệt càng hạn chế hơn

Mặc dù vậy, những nghiên cứu và tổng kết về xử lý nhiệt gỗ và các chủ

đề liên quan, như kỹ thuật sấy gỗ ở nhiệt độ cao vẫn không hề gián đoạn F Kollmann đã tiến hành nghiên cứu về tính hút ẩm gỗ và sự biết đổi tỷ lệ các thành phần hóa học của gỗ trong quá trình xử lý nhiệt[28-29], W E Hillis đã

tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống về tính ổn định kích thước và sự biến đổi thành phần hóa học tương ứng trong xử lý nhiệt gỗ ở nhiệt độ cao[36]

Đến thập niên 90 của thế kỷ 20, cùng với sự thiếu hụt về nguyên liệu

gỗ và vấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng, con người cấp thiết tìm kiếm phương pháp biến tính gỗ thân thiện với môi trường, từ lúc đó nhiều nghiên cứu đã được tiến hành, nghiên cứ về công nghệ, thiết bị và vật liệu để

xử lý nhiệt gỗ đều đã thu được những cải tiến đáng kể, điều kiện để ứng dụng thương mại hóa đã được hội đủ Trong giai đoạn này, nghiên cứu kỹ thuật xử

lý nhiệt gỗ ở Châu Âu, Nhật Bản đã rất sôi động, nhiều học giả đã tiến hành nghiên cứu rộng hơn và toàn diện hơn về công nghệ xử lý nhiệt và sự biến đổi tính chất của vật liệu, ngoài tính hút ẩm và tính chất cơ học của gỗ xử lý nhiệt

ra, sự biến màu và các thuộc tính về môi trường của nó cũng được tiến hành nghiên cứu phân tích M Hakkou đã tìm tòi nghiên cứu cơ chế biến đổi tính hút ẩm của gỗ xử lý nghiệt [33]

Ngoài ra, Hiroshi Jnno (1993) cũng đã kết luận rằng: 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 [7]

Nghiên cứu cơ chế biến đổi bên trong vật liệu hiện nay đang rất được coi trọng và cũng đã thu được những tiến triển rõ ràng B F Tjeerdsma đã ứng dụng kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và quang phổ hồng ngoại (FTIR) để tiến hành phân tích các lớp phân tử để nghiên cứu cơ chế biến tính nhiệt [24], [25], D P.Kamdem đã nghiên cứu so sánh tính hút nước và cường

độ chịu uốn của gỗ xử lý nhiệt, trên cơ sở đó, thông qua phân tích hóa học,

phân tích sắc phổ và phân tích bằng kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân đã phân tích sự ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến các thành phần hóa học của gỗ [26], [27]

Nghiên cứu về mô hình toán học của xử lý nhiệt đã có từ năm 1974, A

V Lykov đã kiến lập phương trình vi phân về sự trao đổi nhiệt trong mao mạch nhiều lỗ [12] Năm 1991, Jen Y Liu đã đưa ra phương pháp giải phương trình Lykov D Kocaefe đã thông qua thực nghiệm so sánh phương trình Lykov, mô phỏng chính xác mô hình khuếch tán và mô hình nhiều pha của quá trình xử lý nhiệt[12]

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã trực tiếp thúc đẩy sự phát triển của nghề xử lý nhiệt gỗ Gỗ xử lý nhiệt từ năm 1990 đã bắt đầu được ứng dụng trong thương nghiệp Hiện nay, Châu Âu đã tiến tới giai đoạn sản xuất với 5 loại phương pháp công nghệ xử lý nhiệt gỗ chủ yếu là: phương pháp xử

lý Thermowood của Phần Lan, phương pháp xử lý PLATO của Hà Lan, phương pháp xử lý Ratification và Le Bois Perdure của Pháp và phương pháp

xử lý dầu nhiệt (Hot Oil Treatment) của Đức [12] Mặc dù phương pháp của 5 loại này về công nghệ có sự khác nhau khá lớn, nhưng chúng đều có những điểm cơ bản giống nhau là: Nhiệt độ xử lý gỗ trên dưới 200oC, gỗ được xử lý trong môi trường không có ô-xy hoặc ít ô-xy, thời gian xử lý nhiệt hiệu quả được tính bằng giờ Những điểm giống nhau này đã cấu thành định nghĩa về

gỗ xử lý nhiệt hay còn gọi là gỗ biến tính nhiệt (Heat-treated wood, modified wood)

Thermal-Với những nghiên cứu một cách khoa học, bài bản như vậy, công nghệ biến tính nhiệt gỗ trên thế giới, đặc biệt là tại các nước phát triển rất mạnh Có một số tập đoàn, nhà máy có quy mô sản xuất lớn đã có cả những phòng thí nghiệm riêng, chuyên nghiên cứu để phát triển, hoàn thiện công nghệ của mình

1.1.2 Tại Việt Nam

Công nghệ biến tính nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm với những thành công đáng khích lệ Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về biến tính cho gỗ bằng hóa chất đã được công

bố trong và ngoài nước

Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về biến tính gỗ bằng nhiệt độ cao còn rất hạn chế Cho đến thời điểm hiện tại mới chỉ có một vài công trình nghiên cứu liên quan đến công nghệ biến tính nhiệt Nổi bật là:

Lê Xuân Phương (2007) nghiên cứu xử lý nhiệt độ cao cho gỗ Bồ đề và cho kết quả khả quan: Sau khi áp dụng chế độ xử lý nhiệt độ cao (<200oC) trong môi trường khí N2 và chân không, thì tính ổn định kích thước của gỗ tăng rõ rệt, khả năng thấm ướt giảm, khả năng kháng nấm mốc tăng, màu sắc

gỗ sẫm và đồng đều hơn [30], [31]

Vũ Mạnh Tường (2011) đã áp dụng công nghệ xử lý biến tính nhiệt tiến hành xử lý gỗ Keo lai (Acacia hybrid) rừng trồng của Việt Nam trong môi trường khí N2, ở nhiệt độ 210-230 (oC), thời gian xử lý 2-6 (h) Thông qua lợi dụng các phương pháp cơ học, vật lý, hóa học, chiếu xạ bằng tia tử ngoại và phân tích quang phổ (FTIR, XPS, CP MAS 13C NMR, XRD) tiến hành nghiên cứu tính chất và cơ chế biến tính của gỗ Keo lai Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, Luận án đã xác định được cơ chế biến đổi tính chất gỗ trong quá trình xử

lý biến tính nhiệt và đã xây dựng được thông số công nghệ biến tính nhiệt cho

gỗ Keo lai rừng trồng của Việt Nam [34], [35]

Trần Thị Huê (2011), thực hiện luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: “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)” Kết quả cho thấy nhiệt độ và thời gian xử lý

ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý của gỗ Hệ số chống trương nở ASE tăng dần từ 28,37% đến 45,74%; Hiệu suất chống hút nước WRE tăng dần từ

13,14% đến 22,04% khi nhiệt độ tăng và thời gian xử lý tăng Độ bền uốn tĩnh giảm mạnh từ 5,19% đến 42% so với mẫu đối chứng; Độ bền nén dọc thớ giảm dần từ 1,96% đến 22,82% so với mẫu đối chứng Ở nhiệt độ 1300C độ bền nén dọc thớ giảm không đáng kể, ở nhiệt độ 1700C độ bền nén dọc thớ của mẫu giảm rõ nét [8]

Nguyễn Trung Hiếu (2012) đã nghiên cứu: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa việc xử lý ổn định kích thước đến tính chất cơ học, vật lý và công nghệ

của gỗ Keo lá tràm (Acacia auriculiformis) đã xử lý chậm cháy” Qua các thí

nghiệm xử lý chậm cháy bằng MAP và xử lý nhiệt (nhiệt độ xử lý 180oC và thời gian xử lý là 2h, 4h, 6h) đối với gỗ Keo lá tràm, đề tài cho thấy: tính ổn định kích thước của gỗ Keo lá tràm tăng lên nhưng cường độ uốn tĩnh, cường

độ nén dọc thớ, khả năng dán dính của gỗ Keo lá tràm đã xử lý bằng MAP sau khi xử lý nhiệt thấp hơn so với gỗ không xử lý bằng MAP, và các giá trị này giảm dần khi kéo dài thời gian xử lý nhiệt Ngoài ra, khả năng chậm cháy của

gỗ Keo lá tràm đã qua xử lý bằng MAP và xử lý nhiệt tốt hơn so với mẫu đối chứng và mẫu gỗ không xử lý bằng MAP [7]

Tiếp đó là một số đề tài nghiên cứu tốt nghiệp, nghiên cứu khoa học của sinh viên trường Đại học Lâm nghiệp cũng được thực hiện theo hướng này Tuy nhiên, điều kiện và phương pháp nghiên cứu, kiểm tra, đánh giá còn hạn chế, bởi vậy, kết quả thu được mới chỉ dừng lại ở mức tham khảo mà chưa thể ứng dụng thực tiễn Riêng về biến tính nhiệt độ cao cho gỗ Keo tai tượng trong môi trường không khí, đến nay chưa có đề tài nghiên cứu nào trong nước được thực hiện

1.1.3 Định hướng nghiên cứu

Qua tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước như trên cho thấy:

Trên thế giới, các nghiên cứu về biến tính nhiệt gỗ, nâng cao chất lượng

gỗ rất được quan tâm, coi trọng Công nghệ biến tính nhiệt và ứng dụng của

nó đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh và hoàn thiện không ngừng Nhờ có các nghiên cứu này, nhiều công nghệ mới, cải tạo chất lượng gỗ đã được áp dụng một cách hiệu quả Đó là những cơ sở và luận chứng khoa học nền tảng cho các nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào điều kiện ở Việt Nam

Bởi vì, tại Việt Nam, những nghiên cứu về lĩnh vực này còn quá ít Trước tình hình gỗ tự nhiên ngày càng cạn kiệt, nguồn nguyên liệu truyền thống cho sản xuất đồ gỗ sẽ không còn, vấn đề sử dụng gỗ rừng trồng làm nguyên liệu thay thế sẽ là tất yếu

Thực tế, hướng sử dụng biến tính gỗ rừng trồng, nâng cao chất lượng

gỗ bằng phương pháp hóa học để làm nguyên liệu sản xuất đồ gỗ đã là giải pháp tiết kiệm gỗ Song, nếu như gỗ biến tính này cũng được sản xuất từ những loại gỗ rừng trồng, nhưng sử dụng công nghệ biến tính nhiệt tác động

và không sử dụng bất kỳ loại hóa chất nào để nâng cao chất lượng gỗ thì điều

đó còn có ý nghĩa hơn rất nhiều lần Để làm được điều này, cần phải xác định

rõ một số định hướng nghiên cứu như sau:

- Tiến hành nghiên cứu, tìm ra những loại phương pháp biến tính nhiệt phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước và đặc biệt là phù hợp với những loại gỗ rừng trồng trong nước

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới chất lượng gỗ sau khi biến tính để có thể tiến tới, đưa ra được những quy trình công nghệ với những thông số phù hợp nhất, tạo ra gỗ có màu sắc đẹp, chất lượng cao mà không ảnh hưởng tới khả năng sử dụng chúng trong các công đoạn gia công, chế biến tiếp sau

- Nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng của gỗ biến tính nhiệt trong nhiều lĩnh vực như: sản xuất đồ gỗ ngoài trời, những nơi ẩm ướt, thiết bị phòng tắm hơi,

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng mà luận văn tập trung nghiên cứu là: Ảnh hưởng của nhiệt

độ và thời gian xử lý nhiệt đến một số chỉ tiêu chất lượng gỗ Keo tai tượng bằng phương pháp biến tính nhiệt

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

* Yếu tố cố định

- Nguyên liệu: Gỗ Keo tai tượng

+ Độ tuổi: 9-10 năm Đây là độ tuổi phổ biến cho kinh doanh gỗ rừng trồng một số loài cây Keo làm gỗ xẻ đóng đồ gỗ hiện nay ở Việt Nam

+ Địa điểm khai thác: Ba Vì – Hà Nội

+ Kích thước mẫu dùng cho nghiên cứu thực nghiệm: Mẫu gỗ có kích thước dày x rộng x dài = 23 x 150 x 350 (mm)

+ Đô ̣ ẩm của gỗ trước khi xử lý: MC = 12-15%

- Công nghệ: Nghiên cứu giai đoạn xử lý nhiệt của quá trình biến tính nhiệt

+ Môi trường xử lý: Không khí; Không sử dụng chất xúc tác

+ Áp suất môi trường xử lý: Áp suất thường

- Quy mô thực hiện: Trong phòng thí nghiệm

- Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm: Các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm được sử

dụng đảm bảo độ tin cậy, chất lượng cao, hiện có tại TT.TN-TH Khoa CBLS - Trường ĐHLN

* Yếu tố thay đổi

Mục đích chính của luận văn là xác định ảnh hưởng của thông số công

nghệ (nhiệt độ và thời gian) xử lý nhiệt đến chất lượng gỗ nên đề tài chọn 2 yếu tố thay đổi là nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt

- Tính chất công nghệ: Độ bền kéo trượt màng keo

* Ứng dụng của gỗ sau biến tính nhiệt: Dùng làm nguyên liệu trong sản xuất

đồ gỗ thông dụng Đặc biệt là đồ ngoại thất và đồ gỗ ở những nơi có độ ẩm cao như bàn, ghế, tủ bếp, ván ốp trần, tường và đồ dùng trong phòng tắm hơi,

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá được chất lượng và khả năng sử dụng gỗ biến tính nhiệt đã tạo ra từ quy trình thực nghiệm

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Được sử dụng trong nghiên cứu các công trình khoa học, tổng hợp cơ sở

lý luận để giải quyết các nội dung: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu; Tạo lập cơ

sở lý luận của đề tài; Thu thập thông tin về: Phân bố, trữ lượng, đặc điểm cấu tạo thô đại và hiển vi, tính chất và hiệu quả sử dụng gỗ Keo tai tượng để xây dựng tổng quan về gỗ Keo tai tượng

Ngoài ra phương pháp này còn tìm hiểu và lựa chọn để kế thừa những yếu tố công nghệ thích hợp, phù hợp với mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm rút ngắn được thời gian và kinh phí nghiên cứu

1.5.2 Phương pháp chuyên gia

Phương pháp chuyên gia được ứng dụng để giải quyết các vấn đề: Xác

định các thông số cố định cho quá trình xử lý; Lựa chọn thông số nhiệt độ và thời gian xử lý thích hợp

1.5.3.1 Phương pháp biến tính nhiệt

Đề tài áp dụng phương pháp biến tính nhiệt độ cao trong môi trường

không khí áp suất thường và không sử dụng chất xúc tác để xử lý gỗ Keo tai tượng Trong đó, giai đoạn xử lý nhiệt được thực hiện ở 9 chế độ như sau:

Bảng 1.1: Chế độ xử lý nhiệt cho gỗ Keo tai tượng

a) b)

Hình 1.1: Thiết bị biến tính nhiệt

Bảng 1.2: Một số thông số kỹ thuật của của thiết bị biến tính nhiệt thí nghiệm

Thiết bị biến tính

nhiệt thí nghiệm

(Model: Sumpot)

Bộ phận gia nhiệt bằng điện 3 chiếc Đường kính trong khoang chứa 600 mm

1.5.3.2 Phương pháp kiểm tra đánh giá kết quả thực nghiệm

a Phương pháp kiểm tra khối lượng thể tích của gỗ [16]

- Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 8048-2:2009

- Kích thước mẫu: 20 х 20 х 30 (mm)

Hình 1.2: Mẫu xác định các tính chất vật lý của gỗ

- Dung lượng mẫu: 30 mẫu/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

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Sấy mẫu: 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

+ Cân mẫu: Mẫu khô kiệt được đưa vào bình hút ẩm làm nguội, sau đó

sử dụng cân điện tử để tiến hành cân mẫu cân được khối lượng m0, g

+ Sau khi cân xong các mẫu gỗ, Sau đó, dùng thước kẹp đo kích thước

3 chiều của mẫu, từ đó tính được thể tích V0, cm3

Công thức xác định tỷ lệ tổn hao khối lượng gỗ sau khi xử lý Mass loss) [34]:

(ML-,%

100

x m

m m ML

ot

os

 (1.1)

Trong đó: ML – Tỷ lệ giảm khối lượng gỗ sau khi xử lý, %

m0t - Khối lượng gỗ khô kiệt trước xử lý, g

m0s - Khối lượng gỗ khô kiệt sau khi xử lý, g Công thức xác định thể tích gỗ:

0

0 0

V

m



 , g/cm3 (1.2) Trong đó: 0 - Khối lượng thể tích gỗ khô kiệt, g/cm3

m0 - Khối lượng gỗ khô kiệt, g

V0 - Thể tích gỗ khô kiệt, cm3

b Phương pháp kiểm tra hiệu suất chống hút nước (WRE) và hệ số chống

- Phương pháp kiểm tra: Theo tài liệu [35]

- Kích thước mẫu: 20 х 20 х 30 (mm) (Hình 1.2)

- Dung lượng mẫu: 30 mẫu/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 ± 0,1oC

đó sẽ xác định được hiệu suất chống hút nước và hệ số chống trương nở của

(1.4)

Với: m1 - Khối lượng của mẫu gỗ sau khi ngâm nước (g)

m0 - Khối lượng của mẫu gỗ được sấy khô kiệt (g)

* Hệ số chống trương nở (ASE) được xác định theo công thức [35]:

x 100 ,%

S

S S ASE

đc

bt đc i



 (1.5)

khi biến tính nhiệt (%) Tỷ lệ trương nở (S) của mẫu gỗ sau khi ngâm nước được tính theo công thức:

1 x 100 ,%

V

V V S

o o



 (1.6)

Với: V1 – Thể tích của mẫu gỗ sau khi ngâm nước (cm3)

V0 – Thể tích của mẫu gỗ được sấy khô kiệt (cm3)

c Phương pháp kiểm tra độ bền nén dọc thớ [16]

- Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 8048-5:2009

- Kích thước mẫu: 20 х 20 х 30 (mm)

Hình 1.3: Mẫu xác định cường độ nén dọc thớ

- Dung lượng mẫu: 30 mẫu/chế độ

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

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Sau khi mẫu được biến tính nhiệt xong đưa độ ẩm mẫu về 10 -12% + Đo mẫu: Mẫu gỗ chỉ cần đo chiều ngang (b và t) được đo bằng thước kẹp với độ chính xác 0,01 mm

+ Đưa mẫu lên bộ gá của máy thử MTS, 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 Khi thực hiện, tốc độ tăng lực của máy cần đạt là 5000 ± 1000N/ph

- Công thức xác định:

t b

P

nd  max

Trong đó: Pmax – Lực phá hủy mẫu, N

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

d Phương pháp kiểm tra độ bền uốn tĩnh uốn tĩnh và mô đun đàn hồi uốn tĩnh [16]

- Tiêu chuẩn kiểm tra: TCVN 8048-3÷4:2009

- Kích thước mẫu: 20 х 20 х 300 (mm)

Hình 1.4: Mẫu xác định cường độ uốn tĩnh uốn tĩnh và mô đun đàn hồi

uốn tĩnh

- Dung lượng mẫu: 30 mẫu/chế độ

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

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Đo mẫu: Sau khi gia công mẫu, dùng thước kẹp đo kích thước chiều cao (h) và chiều rộng (b), chiều cao và chiều rộng cần đo ở vị trí chính giữa của mẫu gỗ

+ Sau khi đo chiều cao, chiều rộng của mẫu ta có thể làm thí nghiệm

xác định sức chịu uốn và mô đun đàn hồi trên máy thử cơ học Điều chỉnh khoảng cách giữa hai gối đỡ, khoảng cách này theo tiêu chuẩn thí nghiệm của Việt Nam là 240 mm Điều chỉnh tốc độ tăng lực là 7000 ± 1500N/ph Khi mẫu gỗ bị phá hủy, máy thử sẽ ghi lại độ lớn của lực tại thời điểm đó Dừng lại và đọc giá trị của lực phá hủy trên đồng hồ

- Công thức xác định:

+ Độ bền uốn tĩnh:

2 max

2

3 R

h b

l P

+ Mô đun đàn hồi uốn tĩnh:

f h b

l P MOE

4

1

3

3

m ax

 , Mpa (1.9)

Trong đó: MOR – Độ bền uốn tĩnh, MPa;

MOE – Mô đun đàn hồi uốn tĩnh, MPa;

Pmax – lực phá hủy mẫu, N

l – khoảng cách giữa 2 gối ,mm

b, h – chiều rộng, chiều cao mẫu gỗ, mm

f – e độ võng của mẫu gỗ, mm

e Phương pháp kiểm tra độ bền kéo trượt màng keo [7]

- Tiêu chuẩn kiểm tra: ISO 12579-2007

- Kích thước mẫu: 20 х 40 х 50 (mm)

- Dung lượng mẫu: 30 mẫu/chế độ

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

- Loại keo sử dụng: EPI

Trong đó: Fu – Lực phá hủy, tính bằng N

S – Diện tích trượt, tính bằng mm2

d) Máy thử tính chất cơ học MTS Qtest

Hình 1.5: Một số thiết bị, dụng cụ thí nghiệm dùng kiểm tra tính chất vật

lý, cơ học của gỗ

1.5.3.3 Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu sau khi kiểm tra được tiến hành xử lý theo lý thuyết thống

kê toán học [1], [2], [10], [11]

Công cụ tính toán để xử lý số liệu là phần mềm MicrosoftExcel

- Ngoài ra, nhằm xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới các chỉ tiêu đặc trưng cho chất lượng gỗ xử lý nhiệt, tôi tiến hành phân tích

phương sai dựa trên phần mềm xử lý số liệu MicrosoftExcel (Anova) và kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher[10], [11]

Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Công nghệ biến tính nhiệt gỗ

2.1.1 Khái niệm về biến tính gỗ và biến tính nhiệt gỗ

* 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 nên không độc và 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”[22]

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

tả ở hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc gỗ từ thô đại đến hiển vi và siêu hiển vi; các hình thức

thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính

Hoá chất có phản ứng với nhóm hydroxyl của cellulo (liên kết một phía)

Hoá chất tạo cầu nối với các chuỗi cellulo (liên kết hai phía)

Thay đổi cấu trúc vách tế bào

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, biến tính bằng ngâm tẩm; biến tính ở nhiệt độ cao

* Khái niệm biến tính nhiệt gỗ

Biến tính nhiệt là công nghệ xử lý gỗ ở nhiệt độ trong khoảng

160-260oC, trong môi trường có vật chất bảo vệ như: Hơi nước, khí trơ, hoặc chân không hoặc không khí ít oxy mà không sử dụng bất kỳ loại hóa chất nào [4], [13] Do đó, gỗ sau khi biến tính nhiệt là loại sản phẩm thân thiện với môi trường hay loại sản phẩm ít gây tác hại đến môi trường cả trong quá trình sản xuất và quá trình sử dụng

Đặc biệt, biến tính nhiệt nâng cao được tính ổn định kích thước và khả năng chống vi sinh vật của gỗ, làm cho gỗ có màu sắc gần giống với một số loài gỗ quý hiếm Đối với các lĩnh vực sử dụng cụ thể thường áp dụng các công nghệ xử lý khác nhau để có thể thu được sản phẩm gỗ biến tính nhiệt phù hợp với yêu cầu của từng lĩnh vực

2.1.2 Chủng loại gỗ biến tính nhiệt

Gỗ biến tính nhiệt chủ yếu là gỗ lá kim Gỗ lá kim chủ yếu dùng làm vật liệu cho ngoại thất kiến trúc, vì vậy mà yêu cầu đối với tính ổn định kích thước và độ bền là tương đối cao Biến tính nhiệt có thể cải thiện một cách rõ rệt các tính chất này của vật liệu, kéo dài tuổi thọ sử dụng gỗ

Đối với gỗ lá rộng có khối lượng thể tích thấp, xử lý nhiệt có thể điều tiết màu sắc gỗ, làm xuất hiện màu sắc của gỗ nhiệt đới, đồng thời cũng làm tăng tính ổn định kích thước của vật liệu Trong nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, các học giả ở các khu vực khác nhau đã tiến hành thí nghiệm và đo đạc đối với các loại gỗ đặc thù của vùng bản địa, như Tuyết tùng Nhật Bản,

gỗ Phỉ, Sồi lông, Bạch đàn Thổ Nhĩ Kỳ…

Tóm lại, loại gỗ thích hợp với xử lý nhiệt là những loại cây có thể cung

cấp với trữ lượng lớn hoặc thời gian sinh trưởng ngắn Trong thương mại, xử

lý nhiệt đối với những loại gỗ lá rộng quý hiếm, độ cứng cao là rất ít gặp, vì bản thân những loại gỗ này đã có vân thớ đẹp và nhiều tính năng tốt, ngoài ra lại có khối lượng thể tích tương đối cao, tính thẩm thấu kém, giá thành đắt đỏ, đây đều là những nhân tố bất lợi cho xử lý nhiệt Mặc dù vậy, trong một số trường hợp, như đối với những loại ván sàn yêu cầu độ ổn định kích thước tương đối cao, xử lý nhiệt phù hợp rõ ràng sẽ có những giá trị thực dụng rất cao, đồng thời lại có thể mở rộng được phạm vi ứng dụng của vật liệu, như làm ván sàn địa nhiệt

2.1.3 Đặc điểm gỗ biến tính nhiệt [12], [20]

Gỗ sau khi xử lý biến tính bằng nhiệt độ cao có các đặc điểm sau:

• Màu sắc ổn định ôn hòa: Sau khi xử lý nhiệt, màu sắc gỗ trở nên đậm

hơn, thông thường có màu nâu nhạt đến nâu, gần giống với màu sắc của một

số loại gỗ nhiệt đới quí hiếm, trong quá trình sử dụng màu sắc tương đối ổn định Màu sắc gỗ xử lý nhiệt tạo ra sự thoải mái đối với thị giác, tạo cảm giác

ấm cúng và sang trọng, thân thiện với môi trường và được con người ưa thích

Vì thế sau khi xử lý biến tính nhiệt có thể nâng cao giá trị sử dụng của các loại gỗ rừng trồng chất lượng thấp

• Nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại: Khả năng chống vi sinh vật phá hoại của gỗ xử lý nhiệt được cải thiện rất rõ rệt, gỗ sau khi xử lý nhiệt (210oC hoặc cao hơn), nhiệt độ làm cho kết cấu sinh học và tổ thành hóa học của gỗ thay đổi, loại trừ hoặc phá hoại điều kiện cần thiết để tồn tại của côn trùng, nấm và các loại vi sinh vật tự nhiên khác Gỗ trong quá trình xử lý nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, hemicellulose bị nhiệt giải tạo ra axit formic, axit acetic, đồng thời các chất dinh dưỡng phân tử lượng thấp thoát ra hoặc bị phá hủy, độ ẩm thăng bằng của gỗ xử lý nhiệt giảm 50% so với gỗ

chưa xử lý, tóm lại do độ axit, bazơ, chất dinh dưỡng và độ ẩm của gỗ thay đổi, đã phá hoại môi trường sinh tồn của vi sinh vật và nấm mốc, làm cho khả năng chống vi sinh vật được nâng lên

• Tính ổn định kích thước tốt: Tính hút nước, hút ẩm của gỗ xử lý nhiệt

giảm xuống, tỉ lệ co rút và dãn nở của gỗ giảm rõ rệt, giảm thiểu sự chênh lệch giữa co rút chiều xuyên tâm và tiếp tuyến, từ đó đã cải thiện được tính ổn định của gỗ, tức hệ số chống co rút, dãn nở tăng lên

• An toàn, thân thiện với môi trường: Biến tính nhiệt là công nghệ chỉ

sử dụng tác nhân vật lý, trong quá trình xử lý chỉ sử dụng nhiệt độ và hơi nước hoặc khí trơ, không cho thêm bất cứ hóa chất nào, do đó gỗ xử lý nhiệt rất an toàn với môi trường, là loại vật liệu thân thiện với môi trường Ngoài

ra, xử lý nhiệt có thể làm cho các loại gỗ rừng trồng mọc nhanh trở nên có màu sắc đẹp gần giống với các loại gỗ quí hiếm, mà lại nâng cao được tính bền của gỗ, từ đó với một yêu cầu nhất định có thể thay thế được các loại gỗ quí hiếm, vì vậy biến tính nhiệt rất có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường

• Tính chất cơ học của gỗ thay đổi: Gỗ sau khi xử lý nhiệt, một lượng

lớn hemicellulose bị phân giải và một bộ phận lignin bị thay đổi về cấu trúc, làm cho một số chỉ tiêu về tính chất cơ học của gỗ có xu hướng giảm sút Nhưng do độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm, do đó với nhiệt độ xử lý thích hợp

có thể làm cho mô đun đàn hồi khi chịu uốn và cường độ chịu nén của gỗ tăng lên, nhưng cường độ chịu uốn, khả năng chống va đập và lực bám đinh giảm sút rõ rệt, hơn nữa nhiệt độ càng cao, cường độ chịu uốn, khả năng chống va

đập và lực bám đinh càng thấp

• Khả năng thấm ướt giảm: Gỗ sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng nhóm –

OH giảm, góc tiếp xúc của chất lỏng và gỗ tăng lên, làm giảm khả năng thấm ướt, thậm chí có loại gỗ không thấm ướt, vì vậy, gỗ xử lý nhiệt thích hợp với

sử dụng ở nơi có độ ẩm cao

• Dễ lưu trữ: Gỗ xử lý nhiệt không cần kho lưu trữ đặc biệt, cũng không

khống chế nhiệt độ và độ ẩm của kho, nhưng cần chú ý không được để nước hoặc mưa làm ướt gỗ trong khi lưu trữ

2.1.4 Các loại hình công nghệ biến tính nhiệt điển hình hiện nay

Hiện tại, ở các nước Châu âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập được 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT - Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký các bằng phát minh sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp [12], [20]

Công nghệ xử lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan

sử dụng các công đoạn khác nhau tiến hành xử lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nước với sấy và ổn định hóa Trong quá trình xử lý, tác dụng của thủy nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ Phương pháp xử lý này chủ yếu được cấu thành từ hai công đoạn chính, và công đoạn sấy trung gian Giai đoạn thứ nhất, tiến hành xử lý gỗ tươi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC với áp suất nhất định, sau đó sử dụng phương pháp sấy thông thường làm giảm độ ẩm gỗ, tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ được đặt trong môi trường có nhiệt độ 170-190oC tiến hành xử lý ổn định hóa Thời gian xử lý của quá trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[32]

Công nghệ xử lý dầu nhiệt (OHT) sử dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành xử lý gỗ, nhiệt độ thường dung

từ 160oC trở lên[13]

Công nghệ xử lý nhiệt Retificationơ [12] của Pháp sử dụng gỗ phơi khô (độ ẩm khoảng 12%), tiến hành xử lý ở nhiệt độ 200-240oC, trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 5% Với công nghệ này, nhiệt độ xử lý cuối

cùng trong quá trình xử lý có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và cường

độ gỗ Gỗ sau khi xử lý, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời gian xử lý

Công nghệ xử lý nhiệt ThermoWood của Phần Lan sử dụng gỗ đã sấy tiến hành xử lý nhiệt trong môi trường hơi nước Sản phẩm của công nghệ này được phân thành hai cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó “S—Stability” thể hiện tính ổn định, “D—Durability” thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mục Loại ThermoD thích hợp sử dụng làm công trình kiến trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại công nghệ này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, sản phẩm có thị trường lớn nhất so với các công nghệ còn lại [37]

Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm của các công nghệ xử lý nhiệt gỗ hiện nay[12],[20],[32],[37]

Bảng 2.1: So sánh các công nghệ xử lý nhiệt hiện nay

Tên công

nghệ Chất bảo vệ Độ ẩm ban đầu Nhiệt độ xử lý ( o C)

Giá thành a（€/m 3） ThermoWood

Retification Khí N 2 Gỗ phơi khô 200-240 150-160

PlatoWood

Nước, hơi nước hoặc không khí

Gỗ tươi hoặc

gỗ phơi khô 170-190 100

Ghi chú: a Không bao gồm giá thành nguyên liệu

2.2 Cơ chế biến đổi tính chất gỗ của biến tính nhiệt [4], [12], [20]

2.2.1 Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích của gỗ

Trong quá trình xử lý nhiệt, các chất chứa trong gỗ như: nhựa cây, tannin, tinh bột, đường, dầu, sắc tố… do tác động của nhiệt độ làm cho chúng

di chuyển ra phía ngoài bề mặt gỗ và bay hơi Một bộ phận chất chứa khi chịu tác động của nhiệt độ sẽ xảy ra hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp, các

chất chiết suất thoát ra trong quá trình xử lý cũng góp phần làm giảm lượng vật chất có trong vách tế bào, từ đó đã làm giảm khối lượng của gỗ, làm cho khối lượng thể tích gỗ thay đổi Ngoài ra, trong quá trình xử lý nhiệt, 3 thành phần chính tạo nên vách tế bào là cellulose, hemicellulose và lignin xảy ra phản ứng nhiệt giải, tạo ra các phân tử có kích thước nhỏ hơn có khả năng bay hơi như: nước, acetic acid, methanol, fucfuranđehyt… những chất này bị bay hơi trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến khối lượng vật chất trong vách tế bào

gỗ suy giảm nghiêm trọng, từ đó làm thay đổi trọng lượng gỗ, và cuối cùng làm giảm khối lượng thể tích gỗ

Tuy nhiên, đối với một số trường hợp, trong quá trình xử lý nhiệt, bên cạnh việc khối lượng vật chất trong gỗ bị suy giảm, kích thước gỗ cũng có sự suy giảm rất rõ rệt Sau khi quá trình xử lý nhiệt kết thúc, để gỗ trở lại trạng thái thăng bằng, kích thước gỗ tuy có phục hồi nhưng vật tạo ra hiện tượng khối lượng thể tích gỗ tăng lên Nguyên nhân ở đây là do khối lượng gỗ giảm không nhiều, nhưng kích thước gỗ giảm quá lớn gây ra

2.2.2 Cơ chế cải thiện tính ổn định kích thước

Co rút, dãn nở là một trong những nhược điểm chủ yếu của gỗ, nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do sự thay đổi lượng nước trong vách tế bào Trong cấu trúc vách tế bào, một bộ phận nhóm –OH trong phân tử cellulose ở vùng vô định hình hình thành liên kết hydro và bộ phận còn lại tồn tại trong trạng thái tự do Nhóm –OH tự do là nhóm chức cực tính, dễ kết hợp với phân

tử nước tạo ra liên kết hydro, đây là nguyên nhân chính tạo ra tính hút ẩm của phân tử cellulose Hiện tượng co rút, dãn nở phát sinh khi gỗ trong trạng thái chưa bão hòa, nguyên nhân chính là do nhóm –OH tự do của celulose trong vùng vô định hình hút ẩm và tạo ra liên kết hydro Sau khi phân tử nước vào trong vách tế bào sẽ làm cho khoảng cách giữa các mixel cellulose tăng lên,

lúc này gỗ ở trong trạng thái dãn nở, làm cho kích thước của gỗ không ổn định

Lượng ẩm hút vào nhiều ít phụ thuộc vào kích thước của vùng vô định hình trong vách tế bào và lượng nhóm –OH tự do trong gỗ, tính hút ẩm của gỗ tăng lên khi độ kết tinh của vùng vô định hình giảm xuống Hemicellulose, lignin và các vật chất khác cấu tạo nên gỗ cũng có khả năng hút ẩm Theo nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng hút ẩm của hemicellulose là lớn nhất, sau

đó đến lignin và cuối cùng là cellulose

Hemicellulose là vật chất vô định hình, trong cấu trúc tồn tại rất nhiều gốc đường, kích thước phân tử ngắn, và phân nhánh Mạch chính của hemicellulose do một loại đường tạo thành và cũng có thể do hai hoặc nhiều gốc đường tạo thành Trên mạch chính của phân tử hemicellulose thường có mạch nhánh, trên các nhánh này thường tồn tại nhóm thân nước, vì thế đây là

tổ phần có tính hút nước cao nhất, đây là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng hút và nhả ẩm trong gỗ, và làm cho gỗ bị biến dạng Trong quá trình xử lý nhiệt, hemicellulose chịu tác dụng của nhiệt độ cao dẫn đến phân

tử bị phân giải tạo ra fucfuranđehyt và các đường đơn Các vật chất này sau khi chịu tác dụng của nhiệt độ sẽ tiếp tục kết hợp với nhau tạo ra chất cao phân tử không hòa tan trong nước, không có khả năng hút ẩm, từ đó làm giảm khả năng hút ẩm của gỗ, kết quả là nâng cao được tính ổn định kích thước của

gỗ

Sau khi xử lý nhiệt, tính hút nước của gỗ giảm xuống, nguyên nhân chủ yếu là do sự thay đổi của các thành phần trong gỗ ảnh hưởng đến tính hút nước của chúng, ngoài ra xử lý nhiệt đã làm giảm hàm lượng các nhóm –OH trong gỗ Có nghiên cứu cho rằng, trong quá trình xử lý nhiệt, các phân tử cấu trúc nên gỗ đã hình thành các liên kết ngang dẫn đến tính đàn hồi và khả năng dãn nở của các mixel cellulose giảm xuống, dẫn đến khả năng hút nước của chúng cũng giảm xuống

Trong quá trình xử lý nhiệt, cellulose, đặc biệt là polyuronic acid phát sinh phản ứng hóa học tạo ra hợp chất cao phân tử có tính hút ẩm kém; đồng thời nước liên kết trong vách tế bào chịu nhiệt độ cao đã thoát ra, làm cho khoảng cách giữa các phân tử cellulose trong vùng vô định hình nhỏ lại tạo thành liên kết hydro mới Khi khoảng cách các phân tử cellulose trong vùng

vô định hình thu nhỏ lại, lực van der Waals’ giữa các nhóm –Oh tăng lên, làm cho số lượng các điểm liên kết hydro trong phân tử cellulose tăng lên, từ đó làm cho tính định hướng của các phân tử cellulose được tăng cường, và nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ Đồng thời, trong quá trình xử lý nhiệt, nhóm thân nước –OH giảm xuống, làm cho độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm theo cũng làm tăng tính ổn định kích thước của gỗ (Hình 2.2)

Hình 2.2: Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân tử cellulose [20]

Theo báo cáo của Fahlén cùng các cộng tác viên và Hakkou cùng các cộng tác viên cho thấy, xử lý nhiệt làm tăng tính lưu động của các phân tử trong cấu trúc vách tế bào gỗ, làm cho kết cấu gỗ được sắp xếp lại Do chịu tác động của nhiệt độ cao, liên kết hydro giữa các phân tử cellulose thay đổi Đầu tiên là bẻ gãy liên kết hydro giữa các phân tử, do năng lượng liên kết giữa các tầng phân tử nước nhỏ, khi một bộ phận phân tử nước thoát ra làm cho bề mặt các phân tử cellulose tiến gần lại với nhau, quá trình này diễn ra cho đến khi giữa hai phân tử cellulose chỉ tồn tại một lớp phân tử nước, sau

đó làm gãy liên kết hydro giữa phân tử nước và phân tử cellulose và sẽ tạo ra