Nghiên cứu xác định một số tính chất vật lý, hoá học chủ yếu của một số loại rơm điển hình tại khu vực Hà Nội làm cơ sở đánh giá khả năng sản xuất ván dăm từ rơm

Summers 2002 [25] đã khái quát lại các đặc tính cơ bản của rơm tính chất vật lý, hoá học chủ yếu và so sánh với gỗ để đánh giá tiềm năng sử dụng loại nguyên liệu này để sản xuất ván nhâ

và giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do đốt rơm ra ̣ ta ̣i đồng ruô ̣ng gây nên Đây là vấn đề khá nhức nhối của Việt Nam nói chung và thành phố Hà

Nội nói riêng hiê ̣n nay, nhất là trong năm 2009, khiến tình tra ̣ng ô nhiễm môi trường, trong đó ô nhiễm không khí khá trầm tro ̣ng ta ̣i khu vực ngoại thành sau mù a gă ̣t, do nông dân chủ yếu đốt rơm ra ̣ tâ ̣p trung ngay ngoài đồng gây

ra Khói rơm độc vì thành phần của nó Rơm có thành phần chủ yếu là các chất xenlulozơ, hemixenlulozơ, các chất hữu cơ kết dính (nhựa) và các chất khoáng khác Khi rơm cháy, xảy ra nhiều phản ứng phức tạp do sự nhiệt phân (cháy) không hoàn toàn, do vậy hình thành rất nhiều chất Ngoài khí cabonic, hơi nước, trong khói có chất nhựa (dạng khí dung thành những hạt nhỏ lơ lửng trong không gian), hàng trăm loại chất khác như amoniac, các oxit nitơ Các hợp chất chứa clo, lưu huỳnh kể cả các hợp chất của kim loại nặng

do tích luỹ sinh học của cây lúa Thành phần của khói rất phức tạp, vì trong rơm rạ lẫn dư lượng của những loại nông dược chưa phân huỷ hết, các chất tạo thành còn tương tác với nhau khiến thành phần khói càng thêm phức tạp hơn nữa Đáng chú ý là, việc đốt rơm đang dần thành thói quen của người nông dân sau những ngày mùa!

Đố i với mu ̣c tiêu tìm kiếm mô ̣t loa ̣i nguyên liê ̣u mới cho sản xuất ván dăm: Đây là hướng nghiên cứu được tâ ̣p trung ưu tiên cả trên thế giới và trong nước Sở dĩ như vâ ̣y, là do nguồn nguyên liê ̣u sản xuất ván dăm hiê ̣n nay chủ yếu là từ gỗ (chiếm trên 90%) Nếu khai thác nhiều thì sẽ dẫn đến áp lực tàn phá rừng, hủy hoa ̣i môi trường số ng Theo số liê ̣u thống kê sơ bô ̣, để sản xuất

1 m3 ván dăm sẽ cần tới trên 2 m3 nguyên liệu gỗ Trong điều kiê ̣n trồ ng rừng hiện nay ở nước ta, 1 ha rừng trồng chỉ thu được 15 m3 gỗ/năm (chu kỳ trồ ng

7 năm với gỗ rừng trồng), do đó nhu cầu ván dăm của thi ̣ trường trong nước

lên tới trên 300.000 m3 (trong đó sản xuất trong nước là 180.000 m3) và đi ̣nh hướng trong chiến lược phát triển Lâm nghiê ̣p 2006-2020 của Thủ tướng chính phủ (QĐ 18/2007/TTg) là sản xuất 320.000 m3 vào năm 2020, thì sẽ cần khai thác khoảng 600.000 m3 gỗ hàng năm (tương đương 40.000 ha rừng trồ ng) riêng cho sản xuất ván dăm Trong khi đó, gỗ rừng trồng còn phải phu ̣c

vụ nhiều mu ̣c đích khác như sản xuất các loa ̣i ván nhân ta ̣o khác như ván ghép thanh, ván sơ ̣i, đồ gỗ, giấy, củi…Hiê ̣n cả nước có hơn 11 nhà máy ván dăm (công suất 2 triê ̣u m3) dẫn tớ i áp lực phải tìm nguồn nguyên liê ̣u mới thay thế cho gỗ sử du ̣ng trong sản xuất ván dăm là hết sức cấp bách Sử du ̣ng rơm ra ̣ sản xuất ván dăm giải quyết được cả 2 mu ̣c tiêu: có nguồn nguyên liê ̣u

rẻ tiền, dễ kiếm; và chống ô nhiễm môi trường

Theo tổ chứ c Nông lương Liên hiê ̣p quố c (FAO), sản lươ ̣ng ván dăm

hàng năm trên thế giới (từ năm 2005 trở la ̣i đây) là rất lớn, tới trên 100 triê ̣u

m3 mỗi năm, riêng củ a Viê ̣t Nam đã là hàng trăm nghìn m3 Đây là nguồn tiêu thụ nguyên liê ̣u dăm khá lớn Sản phẩm ván dăm giá rẻ đáp ứng được nhu cầu

lớ n và tăng trưởng nhanh về nhu cầu đồ gỗ giá rẻ của người dân có thu nhập trung bình và thấp, vố n chiếm tỷ tro ̣ng rất lớn trong cơ cấu dân số trẻ của Viê ̣t Nam

Đố i với mu ̣c tiêu sử du ̣ng trong lĩnh vực xây dựng và đồ mô ̣c: Ván dăm gỗ hiện nay chủ yếu sử du ̣ng cho xây dựng và đồ mô ̣c nên đề tài ma ̣nh da ̣n nghiên cứu về khả năng sử dụng rơm rạ cho nguyên liệu sản xuất ván dăm

Từ kết quả nghiên cứu và tình hình sử du ̣ng thực tiễn rơm ta ̣i Viê ̣t Nam, chú ng tôi nhâ ̣n thấy, rơm ra ̣ ở Viê ̣t Nam mới chỉ chủ yếu được bỏ la ̣i hoă ̣c đốt

bỏ ngay ngoài đồng hoă ̣c sử du ̣ng trực tiếp làm chất đốt, thức ăn cho gia súc hoặc làm vâ ̣t liê ̣u lót ổ chống va đâ ̣p là chính Ngoài ra có 1 nghiên cứu làm

hộp đựng thực phẩm đòi hỏi yêu cầu về vê ̣ sinh an toàn thực phẩm cao, tiêu hao nhiều năng lượng trong khâu ta ̣o bô ̣t rơm, nguyên liê ̣u và lượng rơm ra ̣ sử

dụng nhỏ Nghiên cứu về sử du ̣ng rơm ra ̣ làm vâ ̣t liê ̣u composite thì hầu như chưa có Tuy nhiên đã có 1 dự án sử du ̣ng rơm ra ̣ để làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng nhà cho người có thu nhâ ̣p thấp ở khu vực đồng băng sông Cửu Long do Development Marketplace tài trơ ̣ nhưng nghiên cứu đi vào ta ̣o vâ ̣t liê ̣u composite từ rơm ra ̣, giúp ta ̣o giá tri ̣ gia tăng cho sản phẩm từ rơm ra ̣ như ta ̣o

vật liê ̣u tiêu âm (hấp thu ̣ âm thanh), cách nhiê ̣t, vâ ̣t liê ̣u nhe ̣ xốp làm trần, vâ ̣t liệu sử du ̣ng để sản xuất đồ mô ̣c thay thế cho ván dăm gỗ Điều này khiến cho phạm vi sử du ̣ng rơm ra ̣ ta ̣i Viê ̣t Nam mới chỉ dừng la ̣i ở sử du ̣ng trực tiếp như nêu ở phần trên

Từ những phân tích trên, được sự nhất trí của Nhà trường, khoa Đào

tạo sau đa ̣i ho ̣c – Trường Đa ̣i ho ̣c Lâm nghiê ̣p, tôi thực hiê ̣n đề tài “Nghiên cứu xác định một số tính chất vật lý, hóa học chủ yếu của một số loại rơm điển hình tại khu vực Hà Nội làm cơ sở đánh giá khả năng sản xuất ván dăm từ rơm.” nhằm góp phần sử du ̣ng có hiê ̣u quả nguồn phế liê ̣u Nông

nghiệp này, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rơm ra ̣ gây ra, đồng thời ta ̣o ra

một lựa cho ̣n mới cho nguyên liê ̣u dùng trong xây dựng và đồ mô ̣c, giảm bớt

sứ c ép về sử du ̣ng gỗ hiê ̣n nay

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Li ̣ch sử nghiên cứu

1.1.1 Ti ̀nh hình nghiên cứu, sử dụng rơm rạ

1.1.1.1 Trên thế giơ ́ i

Lú a có vai trò đă ̣c biê ̣t quan tro ̣ng đố i với an ninh lương thực toàn cầu,

vì thế mà sản lươ ̣ng ga ̣o trên thế giới ngày càng tăng, lên tới 500 triê ̣u tấn mỗi năm Chính vì vậy, lượng rơm ra ̣ ta ̣o ra (mô ̣t phế phẩm Nông nghiê ̣p), cũng khá lớn Theo điều tra sơ bô ̣ thì để ta ̣o ra 1 tấn gạo thì sẽ thải ra tới 1,3 tấn rơm ra ̣ khô Như vâ ̣y, hàng năm, trên thế giới sẽ ta ̣o ra khoảng 650 triê ̣u tấn rơm ra ̣ Viê ̣c nghiên cứu sử du ̣ng rơm ra ̣ vì thế cũng được nhiều nước quan tâm, đă ̣c biê ̣t là các nước có sản lượng lúa cao tâ ̣p trung ở ở vùng Đông Nam Á như Thái Lan, Indonesia Ta ̣i các nước này, rơm ra ̣ hiê ̣n được dùng để sản xuất điện năng và tro của rơm (thường có hàm lượng SiO2 tơi 75% hàm lượng tro) có thể dùng để làm phu ̣ gia bê tông ta ̣i tỉnh Pichit, Thái Lan và đảo Bali, Indonesia

Tại California, Mỹ, theo nghiên cứu của Kiran L.Kadam và các công sự (2000) [19] rơm rạ có thể được sử du ̣ng làm thức ăn gia súc, chất đốt hoă ̣c sử

dụng ta ̣o sơ ̣i để sản xuất giấy Theo Alex Wilson (1995) [15] nguyên liê ̣u rơm

rạ (từ lúa mì, lúa ga ̣o, lúa ma ̣ch, yến ma ̣ch, lúa ma ̣ch đen) có thể là mô ̣t loa ̣i nguyên liê ̣u mới cho ngành xây dựng như ta ̣o các vách tường trong các ngôi nhà từ rơm ra ̣ đóng kiê ̣n (straw bale), sản xuất ván nhân ta ̣o (vâ ̣t liê ̣u da ̣ng tấm) cả loa ̣i ván dày và ván mỏng để làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng chi ̣u lực, cách âm, chác nhiê ̣t Từ những năm 90, trên thế giới đã bắt đầu hình thành ngành công nghiệp sản xuất ván dăm từ rơm Tuy nhiên, do rơm ra ̣ có đă ̣c điểm là phía vỏ bên ngoài có lớp sáp (wax) ky ̣ nước khiến cho viê ̣c sử du ̣ng các loa ̣i keo gốc formaldehyde thông du ̣ng trong sản xuất ván dăm trở nên khó khăn do chỉ có

thể sử du ̣ng keo MDI (Methylen Diphenyl Isocyanate) – là loa ̣i keo khá đắt, để sản xuất Ván dăm từ rơm ra ̣ chỉ thực sự phát triển từ những năm 2000 trở

lại đây với giải pháp xử lý rơm ra ̣ trước khi ép bằng phương pháp nhiệt ta ̣i mô ̣t số nước như Mỹ, Úc, Philippin với sản phẩm chủ yếu sử du ̣ng trong xây dựng Tuy nhiên, chủ yếu nguồn rơm ra ̣ mới là lúa mì, lúa ma ̣ch,

hóa-cơ-còn nguyên liê ̣u rơm ra ̣ từ lúa ga ̣o rất ha ̣n chế do sản lươ ̣ng ít

Tại Hàn Quốc, Han Seung Yang và các cô ̣ng sự (2003) [22] đã tiến

hành sản xuất ván dăm từ hỗn hơ ̣p rơm ra ̣ và gỗ sử du ̣ng keo UF để tạo vâ ̣t liệu cách âm dùng trong xây dựng Sản phẩm ván ta ̣o ra có cường đô ̣ uốn tĩnh

là 4,83-6,21 Mpa (với ván có khố i lươ ̣ng thể tích 0,6 g/cm3) và là 9,65-20 Mpa (vớ i ván có khố i lươ ̣ng thể tích 0,8 g/cm3) Đă ̣c biê ̣t, sản phẩm ván ta ̣o ra

có khả năng hấp thu ̣ âm thanh (hê ̣ số hấp thu ̣ âm thanh tới trên 0,3 – kiểm tra theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM C384) tốt hơn nhiều so với các loa ̣i ván nhân tạo khác

Tại Ấn Đô ̣, Ibrahim Mutlu (2009) [23] đã nghiên cứu sử du ̣ng tro từ rơm để thay thế amiăng trong chế tạo má phanh

Ngoài ra, rơm cũng đươ ̣c sử du ̣ng để sản xuất ván sơ ̣i từ xi măng cho kết quả khả quan (theo Elvira C.Fernandez, 2000) [18]

Youngquist (1993) đã đánh giá tổng quan về nguyên liệu sợi thực vật

và khả năng sử dụng nó để sản xuất ván nhân tạo [27]

Kadam và các cộng sự (2000) [19], đã nghiên cứu về các thành phần hóa học chính trong rơm rạ

Summers (2002) [25] đã khái quát lại các đặc tính cơ bản của rơm (tính chất vật lý, hoá học chủ yếu) và so sánh với gỗ để đánh giá tiềm năng sử dụng loại nguyên liệu này để sản xuất ván nhân tạo, theo bảng 1.1

Bảng 1.1: Hàm lượng các nguyên tố chính trong rơm rạ và ước tính KLTT

thực của rơm dựa trên hàm lượng của các nguyên tố này

Các nguyên tố chủ yếu

KLTT thực ước tính (kg/m3)

1.1.1.2 Ở Viê ̣t Nam

Ở Viê ̣t Nam, rơm ra ̣ vẫn chưa thực sự đươ ̣c sử du ̣ng có hiê ̣u quả do đă ̣c điểm thu gom không tâ ̣p trung và thói quen của người dân các vùng miền khác nhau

Ở miền Bắc, nông dân thường phơi rơm ra ̣ sau mùa gă ̣t trên đường quố c lộ l là hiê ̣n tra ̣ng khá phổ biến, gây nguy cơ tai na ̣n giao thông cao, ngoài

ra cò n là vâ ̣t dễ cháy gây nguy hiểm cho người đi đường Chủ yếu rơm ra ̣ vẫn đươ ̣c sử dụng làm chất đốt và ta ̣o các vâ ̣t du ̣ng trong sinh hoa ̣t hàng ngày như ổ rơm cho gà đẻ trứng, hun khói thi ̣t …

Ở các tỉnh phía Nam, do đă ̣c điểm trồng lúa tâ ̣p trung nên rơm ra ̣ đã bước đầu được sử du ̣ng khá hiê ̣u quả như làm vâ ̣t liê ̣u lót thùng để vâ ̣n chuyển trái cây, dư hấu, đồ sành sứ với giá bán mỗi xe tải từ 300.000 đến 600.000 đồng, làm thức ăn nuôi bò sữa ở Long An, Bình Dương, Tây Ninh…với giá 2.500 đến 3.000 đồng/5 kg rơm; xuất khẩu rơm (công ty bao bì Long An) với giá 1.000 đồng/kg Rơm ra ̣ chủ yếu mới đươ ̣c sử du ̣ng ở da ̣ng thô, chưa qua gia công chế biến Ngoài ra, công ty du li ̣ch Vinh Sang (du li ̣ch Bến Thành, thành phố Hồ Chí Minh) thực hiê ̣n dự án ta ̣o tấm vách từ rơm ra ̣ để xây dựng nhà ở cho người có thu nhâ ̣p thấp ta ̣i khu vực đồng bằng Sông Cửu Long do tổ chứ c Development Marketplace tài trơ ̣ bắt đầu từ năm 2008

Rơm ra ̣ cũng đã được nghiên cứu để sản xuất nhiên liê ̣u sinh học (cồn sinh học), nằm trong đề tài “nghiên cứu công nghê ̣ xử lý mô ̣t số loa ̣i phu ̣ phẩm nông nghiệp bằng nước áp suất cao để thu dung di ̣ch đường có khả năng lên men to ̣a thành Ethanol” của Sở KHCN TP.HCM do TS Nguyễn Hoàng Dũng (ĐHBK, TP.HCM) [4] thực hiê ̣n và đã đươ ̣c nghiê ̣m thu 12/2008 (hợp tác với Đa ̣i ho ̣c Tokyo, Nhâ ̣t Bản) Cồn ta ̣o ra mới chỉ đạt được

đô ̣ cồn 90%

Sản xuất hô ̣p đựng thực phẩm từ vỏ trấu và rơm: Giải pháp nhằm khắc phục vấn đề của các hô ̣p đựng không thích nghi được với các thực phẩm nóng ở nhiê ̣t đô ̣ tương đối cao và thực phẩm chứa nhiều nước Hô ̣p đựng thực phẩm này đươ ̣c làm bằng vâ ̣t liê ̣u hỗn hơ ̣p từ: Bô ̣t trấu hoă ̣c bô ̣t rơm với tỷ lệ

800 – 1.200 phần khố i lượng; tinh bô ̣t thực phẩm: 150 – 250 phần khố i lươ ̣ng; Natri polyacrylic: 15 – 25 phần khố i lượng; bô ̣t Titan 0 – 25 phần khố i lươ ̣ng; Nước: 400 – 600 phần khối lượng

Tổng quan ở Việt nam, chưa có công trình nào công bố về đặc điểm của rơm nói chung, thành phần hoá học chủ yếu của rơm nói riêng để làm cơ

sở cho việc đánh giá khả năng sản xuất ván dăm từ loại hình nguyên liệu này

1.1.2 Ti ̀nh hình nghiên cứu việc sử dụng rơm làm ván dăm

Ván dăm là mô ̣t loa ̣i vâ ̣t liê ̣u composite gỗ đã đươ ̣c nghiên cứu khá

sớ m, bắt đầu từ năm 1887, với sản phẩm ván dăm đươ ̣c sản xuất từ mùn cưa

và keo máu (albumin máu) Tuy nhiên, ván dăm chỉ được sản xuất với quy

mô công nghiê ̣p từ những năm 40 của thế kỷ 20 với nhà máy ván dăm đầu tiên đươ ̣c xây dựng ta ̣i Bremen (Đức) năm 1941 và có mă ̣t trên thi ̣ trường sau khi chiến tranh thế giớ i lần thứ hai kết thúc (1946 – Nhà máy ván dăm công suất 60 m3/ngày đă ̣t ta ̣i Thu ̣y Sỹ)

Ngành công nghiê ̣p ván dăm chỉ thực sự phát triển ma ̣nh từ những năm

70 trở la ̣i đây, cùng với sự phát triển của ngành công nghiê ̣p hóa dầu đã tạo ra nguồ n nguyên liệu phong phú, giá rẻ để sản xuất keo dán (nhựa tổng hợp) Nghiên cứu về ván dăm vì thế mà cũng đã có những thành công lớn, đặc biê ̣t

là công nghê ̣ sản xuất ván dăm từ gỗ đã khá hoàn thiê ̣n

Hiện nay trên thế giới cũng như Viê ̣t Nam, hướng nghiên cứu về ván dăm tâ ̣p trung vào 3 hướng chính sau:

- Tạo sản phẩm mới: ván dăm da ̣ng xốp, ván dăm không sử du ̣ng keo, ván dăm sử du ̣ng keo ít gây ô nhiễm

- Tìm loa ̣i nguồn nguyên liê ̣u mới thay thế gỗ:

+ Tìm các loa ̣i vâ ̣t liê ̣u sơ ̣i cellulose mới ngoài gỗ

+ Kết hợp vâ ̣t liê ̣u cellulose với vâ ̣t liê ̣u khác

+ Sử du ̣ng thứ phế liê ̣u Nông, lâm nghiê ̣p

- Nâng cao chất lượng sản phẩm hiê ̣n có: Nhược điểm ván dăm hiê ̣n có là khả năng chố ng chi ̣u ẩm kém, đă ̣c biê ̣t là trong điều kiê ̣n khí hâ ̣u nhiê ̣t đới nóng ẩm mưa nhiều như ở Viê ̣t Nam, đô ̣ bền uốn tĩnh và mô đun đàn hồi khi uốn

tĩnh còn chưa cao; đô ̣ bền kéo vuông góc mă ̣t ván thấp

1.2 Định hướng nghiên cứu

Qua tìm hiểu cho thấy, tại Việt Nam, những nghiên cứu về lĩnh vực này còn ít, chủ yếu phân tích chung về tính chất hóa học của các loại lâm sản ngoài gỗ nhằm tìm kiếm nguyên liệu phục vụ sản xuất ván sợi

Đề tài cho ̣n hướng nghiên cứu là sử du ̣ng nguồn nguyên liê ̣u mới thay thế gỗ (rơm rạ – thứ phế liê ̣u Nông nghiê ̣p) để sản xuất ván dăm Để làm được việc này trước hết cần phải xác định rõ một số định hướng nghiên cứu sau:

- Làm rõ một số tính chất vật lý, hóa học của một số loại rơm để sản xuất ván dăm từ rơm ra ̣

- Đánh giá khả năng sử dụng rơm rạ làm nguyên liệu trong công nghệ sản xuất ván dăm

1.3 Mục tiêu, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát

Xác định một số tính chất vật lý, hóa học chủ yếu của rơm từ đó định hướng cho công nghệ sản xuất ván dăm

Mục tiêu cụ thể

- Xác định được một số tính chất vật lý chủ yếu của rơm

- Xác định được một số thành phần hóa học chủ yếu của rơm

- Đánh giá khả năng khả năng sử dụng rơm làm nguyên liệu để sản xuất ván dăm:

 Ván dăm với nguyên liệu từ rơm

 Ván dăm với nguyên liệu từ hỗn hợp rơm – gỗ

 Ván dăm với nguyên liệu từ hỗn hợp rơm – các loại vật liệu khác

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Xác định một số tính chất vật lý của 3 loại rơm (Khang Dân, Q5, Hai dòng): Khối lượng thể tích, đặc tính hút ẩm, độ ẩm của rơm sau khi gặt và sau khi hong phơi

- Xác định một số thành phần hóa học của 3 loại rơm (Khang Dân, Q5, Hai dòng): Hàm lượng cellulose, hàm lượng lignin, hàm lượng chất tan trong NaOH 1%, hàm lượng chất tan trong nước nóng, hàm tro, độ pH

- Đánh giá khả năng khả năng sử dụng rơm làm nguyên liệu để sản xuất ván dăm

cm, chủ yếu gồm thân, bẹ và lá lúa, cọng lúa

- Xác định được một số tính chất vật lý chủ yếu của rơm: Khối lượng thể tích, đặc tính hút ẩm, độ ẩm của rơm sau khi gặt và sau khi hong phơi

- Xác định được một số thành phần hóa học chủ yếu của rơm: Hàm lượng cellulose, hàm lượng lignin, hàm lượng chất tan trong NaOH 1%, hàm lượng chất tan trong nước nóng, hàm tro, độ pH

- Máy và thiết bị: Sử dụng các máy và thiết bị của trung tâm nghiên cứu thực nghiệm và chuyển giao công nghiệp rừng và phòng thí nghiệm khoa Chế Biến Lâm Sản - ĐH Lâm Nghiệp

1.3.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp xác định các tính chất vật lý theo các tiêu chuẩn hoặc phương pháp đánh giá có sẵn đã được công nhận, cụ thể như sau:

 Khối lượng thể tích: tính theo phương pháp xác định khối lượng

thể tích khi xếp đống (bulk density) được Summers và các cộng sự (2000) [25] cũng như Mishra và các công sự thực hiện (1986) [28] mô tả trong nghiên cứu của mình

 Độ ẩm của rơm: được xác định theo tiêu chuẩn EN 322.

 Đặc tính hút ẩm của rơm: tiến hành đánh giá khả năng hút ẩm

của mùn cưa ở tại các môi trường có cùng nhiệt độ nhưng có độ ẩm tương đối khác nhau bằng cách sử dụng các muối bão hòa (saturated salt) để tạo môi trường có độ ẩm tương đối nhất định

- Phương pháp xác định các thành phần hoá học chủ yếu của rơm trên

cơ sở sử dụng các tiêu chuẩn kiểm tra của TAPPI (210 os – 70; 13 os – 54; 15

os – 58; 4 os – 59); tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T2677.3 – 1993; tiêu chuẩn D

1110 – 56 (1968). Số lượng mẫu là 5 mẫu cho mỗi loại rơm

- Phương pháp kế thừa: Kế thừa các tài liệu nghiên cứu ở trong và ngoài nước nghiên cứu về rơm, gỗ

- Phương pháp chuyên gia: lấy ý kiến chuyên gia nhằm đánh giá chất lượng rơm thông qua kiểm tra các tính chất vật lý và hóa học chủ yếu của rơm

- Xử lý số liệu bằng phương pháp thống kê toán học

Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Đặc điểm của rơm

2.1.1 Đặc điểm cấu tạo và tính chất của cây lúa

Cây lúa là cây thuộc họ hoà tảo (Gramincae) có tên khoa học là Oia Sativa, thời gian sinh trưởng ngắn (90 ÷ 100 ngày), nơi sinh trưởng chủ yếu là các vùng đất ngập nước, chiều cao đạt được tại thời điểm làm đòng từ 0,6 ÷ 2m Có rất nhiều giống lúa khác nhau như: giống ngắn ngày, giống dài ngày, giống cao cây, giống thấp cây,… Nhưng về đặc điểm cấu tạo chung và thành phần hoá học cửa thân cây lúa khác nhau không đáng kể

Cấu tạo chung của cây lúa: Cây lúa được chia làm 3 phần chính là rễ lúa, thân lúa và lá lúa

- Rễ lúa:

Hình 2.1: Cấu tạo cây lúa

Rễ lúa thuộc loại redx chùm, phân bố ở những vùng nông sát mặt đất không có khả năng ăn sâu vào đất

- Thân lúa:

Thân lúa thuộc loại thân thảo, rỗng ruột, trên thân chia ra nhiều lóng, ngăn cách các lóng gọi là mắt Độ dài các lóng không bằng nhau, lóng ở phần gốc thường ngắn hơn lóng ở phần ngọn nhưng đường kính lại lớn hơn Chiều dài các lóng biến động trong khoảng rừ 1,62cm ÷ 2,63cm, đường kính từ 0,19cm ÷ 0,58cm, độ dày thành lóng từ 1mm ÷ 2mm Vào thời kỳ thu hoạch

số lóng trên cây lúa dao động trong khoảng từ 4 ÷ 8 lóng tuỳ theo giống lúa

- Lá lúa:

Lá lúa được chia làm 2 phần là bẹ lá và phiến lá

Bẹ lá là phần bao bọc và làm tăng thêm độ cứng vững cho thân cây lúa Phiến lá là phần xoè ra để quang hợp và mất bớt một phần khi thu hoạch

Lúa là một loại cây lương thực được hơn 100 nước trên thế giới trồng làm cây lương thực chính Diện tích trồng lúa hàng năm trên thế giới vào khoảng 177.168.000 ha, châu Á khoảng 130.974.000 ha (số liệu năm 1994) Ở Việt Nam cây lúa cũng là cây lương thực chính được trồng ở khắp mọi nơi Diện tích trồng lúa hàng năm ở nước ta vào khoảng 6.599.000 ha (số liệu năm 1994) Theo số liệu của trường Đại học Nông nghiệp 1 thì 1 ha có thể thu được từ 7 tấn ÷ 10 tấn thân cây lúa (còn gọi là rơm rạ) đây cũng là một trong nguồn nguyên liệu chính của đề tài

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo của rơm rạ

Rơm là phần trên của thân cây lúa sau khi thu hoạch hết các hạt lúa, nó chính là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất lúa (hay còn gọi là thứ liệu nông nghiệp) Sự khác biệt giữa rơm và rạ chỉ là tương đối, các tên gọi này dùng để phân biệt phần dưới (rạ) và phần trên (rơm) của thân cây lúa tính từ gốc Tuỳ

theo phương pháp thu hoạch mà tỷ lệ giữa rơm và rạ là khác nhau Xét về mặt nguyên liệu, để sản xuất ván dăm hỗn hợp rơm - gỗ thì ta có thể hiểu đó là phần thân của cây lúa

Thân cây lúa có thành phần chính là cellulose, Hemincellulos, Lignin bởi vì nó là loại thực vật sinh trưởng tự nhiên Từ đó cho thấy rơm là loại vật liệu không đồng chất, không đẳng hướng Ngoài ra trong rơm có chứa một lượng khá lớn các chất vô cơ như: SI, Ca, Na, Mn, Mg… đặc biệt là Silic chiếm một tỷ lệ khá lớn (17,72%), [18]

Tỷ lệ thành phần các chất trong rơm (tính theo khối lượng rơm khô)

- Xenlulô, Heminxenlulô, Ligin: 75%

tìm kiếm nguyên liệu tập trung cho sản xuất không còn là vấn đề khó khăn 2.2 Nguyên lý hình thành ván dăm

Ván dăm là loại ván nhân tạo, được sản xuất bằng phương pháp ép các dăm với nhau, có sự tham gia của chất kết dính trong một điều kiện về nhiệt

độ áp suất nhất định

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại ván dăm, sự khác nhau cơ bản giữa chúng là nguyên liệu tạo dăm, kích thước, hình dạng, sự phân bố của dăm trong ván, lượng keo dùng, khối lượng thể tích của ván… tuy nhiên bất kỳ một loại ván dăm nào được sản xuất ra đều qua các bước sau:

Nguyên liệu  Băm dăm  Sấy dăm  Trộn keo  Trải thảm  Ép sơ bộ

 Ép nhiệt  Xử lý sản phẩm

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ván dăm

2.3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố thuộc về nguyên liệu

- Về nguyên liệu tạo dăm:

Nguyên liệu để tạo dăm phục vụ sản xuất ván dăm đã được nghiên cứu

và áp dụng từ lâu và rất đa dạng Trong đó nguyên liệu từ gỗ đang làm chủ lực, nguyên liệu ngoài gỗ đang được quan tâm và dần thay thế hiệu quả Mỗi một nguyên liệu đều mang tính chất riêng từ vật lý đến hóa học ảnh trực tiếp đến từng công đoạn sản xuất ván đến chất lượng ván Nguyên liệu có hàm lượng cellulose cao thì khả năng tạo ra dăm có chất lượng tốt, nguyên liệu có hàm lượng lignin cao thì xu hướng tạo ván không keo khả thi Nguyên liệu có thành phần các chất chiết suất cao thường gây khó khăn trong quá trình tạo ván, cản trở khả năng hoạt động của keo và có thể làm giảm khả năng chống nấm mốc khi hình thành ván

Bảng 2.1: Cấu thành tế bào của các loại nguyên liệu

Tế bào sợi

Tế bào vách mỏng

Ống mạch

TB biểu

bì

Dạng que

Dạng ngoài que

Lúa là các loài thực vật sống một năm, có thể cao tới 1-1,8 m, đôi khi cao hơn, với các lá mỏng, hẹp bản (2-2,5 cm) và dài 50-100 cm Thân cây lúa gồm có lóng và đốt phân biệt, 1 thân có khoảng 4-5 lóng, lóng sau dài hơn lóng trước Theo Uông Hoa Phúc, hình thái sợi của rơm được biểu diễn qua bảng 2.1

Tế bào và hàm

lượng của nó,%

Nguyên liệu

Nếu so sánh với gỗ cây lá rộng, tỷ lệ tế bào sợi của rơm xấp xỉ tỷ lệ tế bào sợi của gỗ lá rộng, đó là điều kiện tiên quyết để rơm trở thành nguyên liệu trong sản xuất ván dăm

- Về hình dạng dăm:

Với dăm dạng mỏng, hẹp, dài, ngắn, thô, cùng lượng keo như nhau thì loại dăm này lượng keo trên bề mặt lớn hơn, cường độ dán dính cao hơn nhưng khả năng tiếp xúc dăm – dăm kém, dễ bị các ứng lực làm mất cường

độ dán dính trong quá trình ép làm cho cường độ dán dính của ván sẽ thấp

Kết cấu ván 3 lớp, ván 1 lớp chất lượng lớp lõi thấp

Ván dăm ép đùn (dăm mịn)

Ván dăm ép đùn (dăm thô)

Chỉ tiêu đánh giá kích thước dăm bằng hệ số hình học xác định theo công thức:

S=

d l

Các kết quả nghiên cứu cho thấy:

S < 150 thì cường độ uốn tĩnh của ván dăm tăng theo sự tăng của S

S > 150 thì cường độ uốn tĩnh của ván dăm thay đổi không rõ rệt

Đối với ván dăm ba lớp thì:

- Ảnh hưởng của độ ẩm dăm:

Độ ẩm của dăm trước khi trộn keo ảnh hưởng rất đáng kể tới chất lượng ván dăm Nếu độ ẩm của dăm quá thấp thì khi phun keo sẽ làm độ nhớt của keo tăng lên, vì vậy khả năng dàn trải của màng keo kém, đồng thời làm

giảm tính dẻo của dăm, ảnh hưởng tới khả năng kết dính do đó chất lượng của dăm sẽ giảm Nếu độ ẩm của dăm cao sẽ làm tăng tính dẻo của dăm, độ nhớt của keo giảm, khi ép nhiệt thường tạo nên hiện tượng tách lớp (nổ ván) do hơi nước thoát ra tạo bọt khí Chính vì vậy độ ẩm của dăm trước khi trộn keo phải phù hợp để tránh hiện tượng trên Theo các công trình nghiên cứu cho thấy độ ẩm hợp lý của dăm là

Dăm lớp mặt: MC = 7 ÷ 9%

Dăm lớp giữa: MC = 3 ÷ 5%

- Ảnh hưởng của các thành phần hóa học và các chất chiết suất:

+ Độ pH: Độ pH ảnh hưởng lớn đến quá trình đóng rắn của màng keo

và độ bền màng keo Do đó cần ảnh phải xác định được độ pH của nguyên liệu để điều chỉnh pH của keo

+ Thành phần hóa học và các chất chiết suất: cellulose và hemicellulose trong đó có các nhóm -OH của chúng tham gia liên kết với các nhóm chức của keo qua các cầu nối cơ bản - CH2 - Vì vậy hàm lượng cellulose trong nguyên liệu càng lớn càng tốt Trong điều kiện ván ép thuận lợi lignin có tác dụng như chất kết dính, tuy nhiên nếu nhiều sẽ làm cho độ cứng của nguyên liệu cao, ảnh hưởng xấu tới lực ép ván Các chất chiết suất đều ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng ván, nó cản trở sự thẩm thấu của keo vào dăm, cản trở sự đóng rắn của màng keo Đặc biệt một số chất chiết suất trong nguyên liệu khi

ép ở nhiệt độ, áp suất cao chúng có thể hóa hơi làm cho ván phồng rộp, ở một mức độ nhất định một số chất chiết suất có thể nâng cao một vài tính chất của ván như: Chất lượng bề mặt, khả năng chống ẩm việc phân tích đánh giá những mặt có lợi, có hại của các chất chiết suất rất khó khăn và phức tạp Ngoài ra rơm có tồn tại lượng sáp (wax) khá lớn ở thân, vỏ do đó khả năng thấm ướt bề mặt kém, khiến cho các loại keo nhựa nhiệt rắn gốc formaldehyde khó thấm đều và hình thành liên kết

2.3.2 Ảnh hưởng của keo và chất phụ gia

- Lượng keo dùng:

Chất lượng của ván dăm tỷ lệ thuận với lượng keo dùng Nếu lượng keo dùng quá lớn sẽ liên quan đến vấn đề giá thành của ván bởi vì khi sản xuất ra được 1m3 ván dăm giá thành của keo chiếm tỷ lệ 30 ÷ 35% tổng giá thành sản phẩm

- Loại keo dùng:

Keo là các hợp chất hoá học có khả năng kết dính các phần tử dăm gỗ lại với nhau dưới điều kiện tác động của nhiệt và áp lực Keo thông thường sử dụng là: keo Urea - formaldehyde, keo Phenol - formaldehyde, keo Urea - Melamine Đây là 3 loại keo chủ yếu, các loại keo này có các ưu nhược điểm riêng như:

+ Keo Urea - formaldehyde (UF) có cường độ dán dính cao, có mầu sáng, khả năng chịu nước tốt, giá thành hạ, sản xuất đơn giản, nhược điểm dễ lão hóa

+ Keo Phenol - formaldehyde (PF) có cường độ dán dính cao, khả năng chịu nước rất tốt, chịu nhiệt, sản xuất đơn giản, nhược điểm có mầu sẫm, độc hại

+ Keo Urea - Melamine (MF) có cường độ dán dính cao, có mầu sáng, khả năng chịu nước tốt, có khả năng đóng rắn ở nhiệt độ thấp, chịu được mài mòn, nhược điểm có tính ròn giá thành cao Ngày nay trong công nghệ sản xuất ván dăm, người ta hầu như chỉ sử dụng keo U-F (kể cả các loại keo biến tính có nguồn gốc từ loại keo này) và keo P-F Trong hai loại keo này thì keo U-F được sử dụng rộng rãi hơn với lý do kinh tế, giá thành giảm, ít độc hại Keo P-F chỉ sử dụng trong những trường hợp đặc biệt yêu cầu ván có cường

độ cao, sử dụng loại keo này ván có màu tối Khi sử dụng keo cần chú ý tới các tính chất kỹ thuật cơ bản của keo như:

+ Độ pH của keo: tính chất này liên quan đến khả năng đóng rắn và ảnh hưởng tới thời gian ép ván Độ pH của keo phải được điều chỉnh để phù hợp với pH của nguyên liệu và quá trình ép nhiệt

+ Hàm lượng khô và độ nhớt của keo: Thể hiện nồng độ của dung dịch keo và độ linh động (tính dàn trải) của màng keo Nồng độ keo phản ánh mức

độ trùng ngưng hay cấu trúc phân tử keo Nó liên quan đến phương pháp bôi tráng keo lên bề mặt dăm Trong công nghệ sản xuất ván dăm thường dùng phương pháp phun keo do đó nồng độ và độ nhớt của dung dịch keo phải phù hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phun keo Độ nhớt của keo phải phù hợp, đảm bảo cho keo dàn trải tốt, góp phần nâng cao chất lượng ván dăm Độ nhớt quá cao keo dàn trải kém, độ nhớt quá thấp keo thấm sâu vào gỗ gây ra hiện tượng thiếu keo trên bề mặt dăm và làm tăng độ ẩm dăm dễ gây nổ ván khi ép

Nồng độ của dung dịch keo phun vào dăm được quyết định bởi mật độ của thảm dăm và khả năng thực thi trong quá trình phun keo Thông thường yêu cầu keo có các thông số sau

Hàm lượng khô: 50 ÷ 60%

Độ nhớt: η= 20 ÷ 25s theo BZ4

- Các chất phụ gia dùng trong sản xuất ván dăm:

Để cải thiện một số tính chất cho ván dăm, trong sản xuất thường sử dụng các chất phụ gia:

+ Phụ gia chống trương nở: Nguyên nhân của trương nở là do ván hút ẩm, nước xâm nhập vào các phần tử dăm, vào giữa mối liên kết dăm và keo, làm cho ván bị trương nở, làm giảm tính chất cơ lý Để hạn chế khả năng hút ẩm và hút nước của ván dăm trong quá trình trộn keo với dăm cho thêm chất chống nước Chất chống nước thường dùng là faraffine lỏng (nhũ tương và faraffine nóng chảy) Tỷ lệ faraffine dùng ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng

ván, theo kết quả thực nghiệm trong phạm vi nhất định khả năng chống nước của ván tăng lên theo tỷ lệ faraffine sử dụng, cường độ của ván giảm theo chiều tăng của tỷ lệ faraffine dùng Sử dụng chất phụ gia Praffin sẽ làm giảm tính chất cơ lý của ván, vì vậy cần phải tính tỷ lệ chất phụ gia cho thích hợp Theo Hoàng Thúc Đệ (1993) thì lượng Praffin chiếm: 0,4  1,5% lượng dăm khô

+ Phụ gia chống cháy: Ván dăm được sản xuất từ gỗ nên dễ cháy, để hạn chế khả năng cháy của ván dăm, người ta cho các chất phụ gia chống cháy vào trong ván Yêu cầu của chất phụ gia là: có khả năng chống cháy, ổn định hoá học, không độc, không ảnh hưởng đến cường độ ván

+ Phụ gia chống nấm và sinh vật hại gỗ: Ván dăm thường hay bị các loài nấm, sâu, mọt phá hoại, vì vậy cần thiết phải cho thuốc bảo quản vào trong ván Thuốc bảo quản phải độc với sinh vật nhưng không độc với người

và gia súc, có tính ổn định cao, không ảnh hưởng đến khả năng dán dính, không ảnh hưởng đến cường độ của ván

2.3.3 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ

2.3.3.1 Trộn keo

Muốn cho dăm kết dính tốt phải triệt để sử dụng keo rất hạn chế làm cho keo phân bố đều trên bề mặt của dăm Đối với vấn đề làm thế nào để keo phân bố đều trên bề mặt của dăm hiện nay có hai quan điểm Quan điểm thứ nhất chủ trương làm cho keo phân bố đều thành màng mỏng liên tục Quan điểm thứ hai chủ trương đính những hạt keo nhỏ trên bề mặt của dăm Qua thực tiễn và nghiên cứu chứng minh rằng có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tính phân bố đồng đều của keo như: phương pháp trộn keo, hình dạng của dăm, công nghệ trộn keo… có ba phương pháp trộn keo, đó là: Ma sát, phun keo và bôi keo Trong đó phương pháp phun keo có cường độ dán dính tốt hơn cả ngoài ra trong quá trình phun keo mức độ tạo sương ảnh hưởng trực

tiếp đến chất lượng phun keo Lý luận cho rằng đường kính bình quân của hạt keo từ 8 ÷ 25 μm thì tương đối lý tưởng Do các nguyên nhân trình bày ở trên

có khoảng 10 ÷ 15% số dăm không có keo, ảnh hưởng đến cường độ ván dăm

2.3.3.2 Trải thảm

Trải thảm là khâu công nghệ quan trọng trong sản xuất ván dăm, chất lượng trải thảm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng ván Công nghệ trải thảm yêu cầu dăm sau khi trộn keo phải trải thành thảm đều Nếu trải không đều, tính chất vật lý ở các điểm trong cùng một miếng có thể khác nhau, khối lượng thể tích cũng có thể rất khác nhau Ván dăm được tạo từ trải thảm đều

có khối lượng thể tích tương đương nhau, trương nở và co rút của các bộ phận khác cũng tương đối đồng đều (nhiều phía trong một lớp) nên ván rất ít bị cong vênh Nếu dăm sau khi trộn keo có kích thước to, nhỏ, dày, mỏng khác nhau khi trải thảm kích thước của dăm ở lớp đối xứng theo chiều dày thảm phải giống nhau Cân bằng kết cấu của ván là mấu chốt quan trọng để tránh cho ván bị cong vênh Dù dùng phương pháp trải thảm nào cũng phải thỏa mãn yêu cầu trên

2.3.3.3 Nhiệt độ ép

Trong ép nhiệt, nhiệt độ có tác dụng làm dẻo dăm, làm nước bay hơi và làm keo đóng rắn tạo ra một thảm dăm ổn định về hình dạng, kích thước Trong công nghệ sản xuất ván dăm hiện đại, xu hướng tăng nhiệt độ ép nhằm giảm thời gian ép đang được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên khi cần chú ý khi ở nhiệt độ ép quá cao dăm có thể chuyển sang dạng các-bon hóa, màng keo lớp ngoài bị dòn Nguyên liệu có khối lượng thể tích nhỏ, dăm xốp dẫn nhiệt kém, khi ép có sự chênh lệch về mức độ, tốc độ đóng rắn của màng keo ở các lớp ván dẫn đến cản trở sự thoát hơi nước, cường độ của ván sẽ giảm Khi chọn nhiệt độ ép cần quan tâm một số yếu tố sau:

- Nguyên liệu (chủng loại, chất lượng…)

- Độ ẩm của thảm dăm

- Tính năng của keo

- Chiều dày của thảm dăm

- Phương pháp gia nhiệt

- Thời gian gia nhiệt

τi

trong đó:

τ1: Thời gian nạp thảm dăm;

τ 2: Thời gian đóng bàn ép;

τ 3: Thời gian tạo áp suất ép;

τ 4: Thời gian duy trì áp suất ép;

τ 5: Thời gian giảm áp;

τ 6: Thời gian mở khoang máy ép;

τ 7: Thời gian tháo ván

Khoảng thời gian có ý nghĩa quan trọng nhất đó là τ3, τ4 và τ5

τ 3: ảnh hưởng tới sự phân bố khối lượng thể tích (γ) theo chiều dày ván, τ 3 nhỏ chênh lệch γ lớp ngoài và lớp trong lớn cường độ uốn tĩnh của ván tăng nhưng cường độ kéo vuông góc của ván giảm và ngược lại

τ 4: Chính là khoảng thời gian để truyền nhiệt độ, áp suất làm keo đóng rắn

τ 5: Là khoảng thời gian để hơi nước trong ván thoát ra ngoài cân bằng

áp suất trong và ngoài ván, tránh hiện tượng nổ ván

Trong sản xuất khi chọn thời gian ép thường căn cứ vào các yếu tố sau:

- Tính năng của keo

- Chất lượng dăm

- Độ ẩm, phân bố độ ẩm của thảm dăm

- Nhiệt độ, áp suất ép

- Chiều dày thảm dăm

- Phương thức gia nhiệt

Nếu nhiệt độ của thảm dăm quá lớn thì phải hạ nhiệt độ ép và kéo dài thời gian ép để tránh hiện tượng tách lớp, nổ ván làm cường độ ván giảm đi Nếu độ ẩm của thảm dăm thấp thì có cường độ tương đối cao, thời gian ép nhiệt ngắn, khó dính tấm lót, phân bố đều trên mặt cắt ngang nhưng nảy sinh vấn đề như: tính hút nước của ván tăng lên, tính dẻo của ván giảm, bề mặt thô, quá trình truyền nhiệt vào lớp giữa của thảm chậm Chính vì vậy có thể xung kích ẩm làm độ ẩm của lớp mặt cao hơn, khi ép nhiệt ở nhiệt độ cao nước nhanh chóng thoát hơi và xung vào lớp giữa Thông thường thời gian duy trì

áp suất lớn nhất biến động trong khoảng 0.5 – 1.0 phút/mm chiều dày

2.3.3.5 Áp suất ép

Ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ván Trong quá trình ép ván, bàn ép tạo ra lực chống lại sự đàn hồi của thảm, đối với nguyên liệu cứng hoặc rất mềm thì điều này càng có ý nghĩa Khi ép thảm dăm, không khí trong thảm được loại bỏ ra ngoài nhờ áp suất ép, không khí tồn tại trong ván là một trong các nguyên nhân gây nổ ván Mặt khác áp suất ép tạo khả năng tiếp xúc giữa các dăm tốt hơn, tạo điều kiện cho keo dàn trải, đóng rắn và do đó áp suất ép giúp thảm dăm đạt đến chiều dày và khối lượng thể tích theo yêu cầu Khả năng tiếp xúc giữa các dăm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ván, áp suất nhỏ

khả năng tiếp xúc giữa các dăm kém làm cường độ của ván thấp Ngược lại nếu áp suất ép quá cao, nó có thể phá vỡ các kết cấu của thảm dăm, khó khăn trong việc tăng áp và giảm áp

2.4 Đặc điểm chung của nguyên liệu rơm, gỗ trong sản xuất ván dăm

2.4.1 Cellulose cấu tạo và tính chất

Hình 2.3 Nguồn gốc và hình dạng các vi sợi cellulose

Hình 2.4 Sơ đồ khu kết tinh và không kết tinh của phân tử lớn cellulose

- Cấu tạo vật lý: khung xương của vách tế bào thực vật do các microfibril cuốn quanh với các góc độ khác nhau mà thành, microfibril lại do rất nhiều các chuỗi phân tử lớn có

chiều dài khác nhau tổ thành Đối

với kết cấu cụ thể mà kích thước của

microfibril còn có một số ý kiến

khác nhau, căn cứ lý thuyết kết cấu

hai pha được công nhận cho rằng,

chuỗi phân tử lớn cellulose trong

microfibril không cuốn quanh hỗn

loạn thành một cục, ma sắp xếp có mức độ khác nhau, có quy luật Đoạn sắp xếp chặt chẽ thể hiện đặc trưng tinh thể, gọi là khu kết tinh; đoạn mức độ sắp xếp tương đối kém gọi là khu không kết tinh (Hình 2.4) Có người đo được đường kính của microfibril cơ bản nhất cấu thành gỗ là kim khoảng 35A0, phần kết tính trong microfibril chiến khoảng 70% toàn bộ thể tích

Giữa các chuỗi phân tử lớn cellulose có thể sắp xếp có thứ tự, là vì khi khoảng cách giữa các gốc hydroxyl tự do trên đó từ 2.5-3A0, có thể hình thành liên kết hydro Tồn tại của liên kết hydro giữa các chuỗi phân tử có ảnh hưởng rất lớn đến tính hút ẩm, tính hoà tan, năng lực phản ứng… của cellulose

 Tính chất

-Tính chất của sợi Cellulose là chất cao phân tử màu trắng, không mùi, không vi, tính chất các hướng khác nhau, khối lượng thể tích khoảng 1.52-1.56 g/cm3, tỷ nhiệt 0.32-0.33

- Tính chất hoá học: căn cứ cấu tạo hoá học của cellulose gặp phải nhiều nhất là phản ứng thoái biến

Hiện tượng dùng phương pháp hoá học vật lý hoặc vật lý – hoá học làm cho kích thước phân tử của hợp chất cao phân tử giảm đi độ đa tụ giảm gọi là thoái biến của cellulose rất nhiều, chủ yếu có thuỷ phân thoái biến (chia thành tính axít và tính bazơ), ôxy hoá thoái biến, nhiệt phân thoái biến

Thuỷ phân tính axit là chỉ cellulose dưới tác dụng của axit liên kết - glicosidic đứt Sau khi phản ứng thuỷ phân xẩy ra độ đa tụ của cellulose giảm xuống, năng lực hoàn nguyên tăng lên, tính hút ẩm tăng lên, độ hoà tan trong dung dịch bazơ tăng lên, tính năng cơ học giảm xuống,… khi nguyên liệu sợi thực vật luộc hấp ở nhiệt độ cao, sẽ xẩy ra phản ứng thuỷ phân tính axit vì axit hữu cơ (như axit formic, axitaxtic) do bản thân nó phân giải ra gây ra tác dụng xúc tác

Vật chất cao phân tử do nhiệt mà gây ra quá trình giảm độ đa tụ gọi là thoái biến nhiệt Mức độ thoái biến nhiệt cellulose đều có liên quan mật thiết với nhiệt độ, thời gian tác dụng, hàm lượng nước và oxy trong chất môi giới Thời gian chịu nhiệt càng dài, thoái biến càng nghiêm trọng oxy ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ nhiệt phân, ví dụ, trong không khí gia nhiệt đến trên 1400C

độ đa tụ của cellulose giảm rõ dệt nhưng gia nhiệt trong khí trơ cùng nhiệt độ, thì tốc độ giảm độ đa tụ chậm chạp Từ đó có thể thấy, thay đổi của cellulose xẩy ra khi gia nhiệt trong không khí, trước tiên là oxy hoá sau đó mới là phân giảm Nước có thể giảm tác dụng phá huỷ của nhiệt đối với cellulose Ví du, khi nhiệt và nước cùng tác dụng dù đến 1500C thay đổi cũng không lớn, phải đến trên 1500C mới bắt đầu tách nước

Không khí ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nhiệt phân, như ở áp suất cao liên hợp tác dụng của không khí và hơi nước có thể làm cho cellulose phân giải nhanh chóng Nếu hơi nước tác dụng đơn độc, thì không có tác dụng phá huỷ lớn như thế Vì thế, trong quá trình nghiền nhiệt hơi nước bão hoà không chỉ là chất tải nhiệt mà còn có tác dụng bảo vệ cellulose

Để xác định hàm lượng cellulose trong gỗ và các nguyên liệu thực vật khác người ta dựa trên tính chất của holocellulo nói chung và cellulose nói riêng Có rất nhiều phương pháp xác định hàm lượng cellulose, trong đó phương pháp đơn giản và chính xác hơn cả là bằng hỗn hợp dung dịch axít HNO3 và etanol (phương pháp Kiusher Hofft) Bản chất của phương pháp là hòa tan (bẻ gẫy) triệt để các thành phần ngoài cellulose, sau đó xác định hàm lượng cellulose còn lại qua màng lọc

 Nhiệt phân cellulose

Hình 2.5 Cơ chế của quá trình nhiệt phân

Các sản phẩm:

- Các khí không ngưng tụ: CO, CO2, SO2, oxit nitơ, …

- Các chất lỏng bay hơi: HCOOH, CH3COOH, axeton, …

- Than

Ở t>650C bắt đầu giảm độ bền cơ học

Các liên kết hóa học bắt đầu bị phá vỡ ở t>100OC

Holoxenluloza

T o thấp

Nhiệt độ cao Khử trùng hợp

Tàn cháy, H 2 O,

CO, CO 2

Tách mạch, khử cacbon, khử nước

Chuyển liên kết glucozit

Axit, axeton, furfural, lacton, hydroxyaxetaldehit

Levoglucozan, đường

Phân hủy cấp hai

Các hợp chất cacbonyl, furan, phenol, CO, CO 2

Phân hủy cấp hai

Nhiệt phân hủy diễn ra ở trên 1000C và bao gồm 04 giai đoạn:

 Trong khoảng 100-2000C: gỗ bắt đầu mất nước, tạo thành hỗn hợp khí không ngưng tụ (CO2, HCOOH, CH3COOH và H2O

Là các phản ứng oxi hóa tỏa nhiệt!

 Trong khoảng 200-3000C: một số thành phần gỗ bắt đầu phân hủy mạch

- Hemixenluloza: phân hủy ở 200-3000C;

- Lignin: ở 225-4500C

- Xenluloza khó bị nhiệt phân nhất

 Ở 300-4500C

- Các radical tự do được tạo thành;

- Hình thành các nhóm cacbonyl, cacboxyl, hydroperoxit

 Ở nhiệt độ 400-450OC: tạo thành các sản phẩm lỏng Ở nhiệt độ cao hơn nữa: than biến thành dạng grafit

Cơ chế nhiệt phân xenluloza

Xenluloza chịu nhiệt tốt hơn hemixenluloza, do:

- Cấu trúc tinh thể;

- Cấu tạo mạch thẳng đều;

- Các liên kết hydro

Giai đoạn đầu tiên của nhiệt phân xenluloza:

Phân hủy chuỗi đại phân tử (ở gần 1200C): tách đoạn

- Khi nhiệt độ gần 2000C: bậc trùng hợp giảm mạnh

- Nhiệt phân kèm theo thủy phân khi có nước; oxi hóa khi có oxi

- Khi nhiệt độ đạt tới 270-2800C: phần tinh thể bắt đầu phân hủy; 3400C:

vô định hình hóa toàn phần.Ở nhiệt độ 400-4500C:tạo thành các sản phẩm lỏng; Ở nhiệt độ cao hơn nữa: than biến thành dạng grafit

2.4.2 Lignin cấu tạo và tính chất

 Cấu tạo

Lignin trong sợi thực vật cùng với hemicellulose tạo thành chất kết tinh (Encrusting Substance), tồn tại lớp giữa các tế bào và giữa các micrfibril (trên vách tế bào) Một bộ phận của lignin có liên kết hoá học với hemicellulose Lignin là tên gọi chung của một loạt vật chất, cấu tạo hoá học của lignin của các loại gỗ và ngoài gỗ, đều có điểm khác nhau Không chỉ có vậy, cấu tạo hoá học của lignin trong các loại tế bào trong cùng một cây cũng khác nhau

Lignin là một loại nhóm chất thơm phức tạp, thuộc hợp chất cao phân

tử tự nhiên, phân tử lượng của nó rất lớn, khoảng 500-1000 Đơn nguyên cơ bản thành lignin là benzenpropan, những đơn nguyên cơ bản này thông qua liên kết ether và liên kết carbon–carbon tương đối ổn định liên kết lại với nhau Trong cấu tạo cơ bản của lignin

tồn tại một số nhóm chức:gỗ Methoxyl,

phenotic, hyđroxyl, Benzyalcohol,

carbonyl,…

 Tính chất

- Màu sắc và phản ứng màu:

lignin có màu trắng hoặc màu vàng

nhạt, còn lignin phân ly đều có màu

tương đối đậm Lignin và chất thử

tương ứng tạo ra màu sắc đặc định, có thể dùng làm phản ứng đặc trưng phân biệt lignin có tồn tại hay không

- Điểm nóng chảy: lignin là chất tính nhiệt dẻo, nhưng lignin phân ly có hai loại hình nhiệt dẻo và không nóng chảy Lignin là chất không định hình, không có điểm nóng chảy cố định Lignin phân ly do chủng loại khác nhau, nhiệt độ mềm dẻo và nóng chảy của nó cũng không giống nhau nhiệt độ nóng

Hình 2.6 Quan hệ giữa nhiệt độ mềm hoá của lignin và độ ẩm

chảy thấp nhất là 140-1500C cao nhất 170-1800C nhiệt độ mềm hoá của lignin có quan hệ chặt chẽ với độ ẩm (hình 2.6) Tính dẻo của lignin là một trong những tiêu đề để sợi phân ly và kết hợp lại

- Thoái biến; Năng lực phản ứng của lignin rất mạnh, có thể gây ra các phản ứng hoá học, như nitro hoá, halogen hoá, hydro hóa, oxy hoá, este hoá, metyl hoá,… còn có thể tác dụng với aleohol, phenol, HCL, HI, NaOH, Na2SO3,… Những phản ứng này vô cùng quan trọng đối vơi công nghệ giấy, nghiên cứu và sử dụng lignin Lignin trong quá trình gia công sợi chủ yếu chịu tác dụng của nhiệt mà gây ra phản ứng thoái biến thuỷ phân

Nước tinh khiết không có tác dụng thuỷ phân đối với lignin Sau khi nhiệt độ tăng lên, một lượng nhỏ axít hữu cơ phân giải ra từ trong lignin hoặc hemicellulose, làm cho giá trị pH của môi chất giảm xuống, từ đó dẫn đến các thành phần của gỗ xẩy ra quá trình thuỷ phân tính axit nhẹ nhàng Thí nghiệm cho thấy; nhiệt độ xử lý cao, thời gian dài, các thành phần của gỗ bị thuỷ phân nghiêm trọng, phần hoà tan chiếm tỷ lệ cũng lớn Trong 3 thành phần chủ yếu của gỗ, năng lực chống thoái biến thuỷ phân của lignin mạnh nhất, rồi đến cellulose, hemicellulose yếu nhất

- Đa tụ: lignin chịu tác dụng của nhiệt mà thoái biến và hoạt hoá, nhưng khi đến ép nhiệt, lignin thoái biến bị hoạt hoá lại có thể đa tụ

Nước có tác dụng rất lớn đến tốc độ đa tụ của lignin Khi có nước tồn tại, hợp chất carbohydrates thoái biến ở nhiệt độ cao có thể hoà tan trong nước, làm cho lignin thoái biến bị hoạt hoá lộ ra ở mặt ngoài và làm cho chúng tiếp xúc với nhau mà đa tu Ở trạng thái không có nước, hợp chất carbohydrates thoái biến bao phủ trên bề mặt lignin tạo ra tác dụng ngăn cách, gây khó khăn cho phản ứng đa tụ tiến hành, cho nên tốc độ thoái biến lignin lớn hơn khi có nước Đây là tác dụng bảo vệ của nước đối lignin ở nhiệt độ cao

2.4.3 Khối lượng thể tích

Theo Summers (2000) [25], rơm rạ khô khá nhẹ nên chiếm khá nhiều thể tích Tuỳ thuộc vào dạng đóng gói (hình thức những cọng rơm được xếp khít vào nhau) mà khối lượng thể tích của rơm khá khác nhau Việc nắm bắt khối lượng thể tích quyết định phần nào đến tính chất cơ lý của rơm và phần nào nhận biết được tính chất cơ lý của ván Khối lượng thể tích (mật độ xếp đống) của các dạng đóng gói rơm như bảng 2.3

Bảng 2.3: Khối lượng thể tích của các dạng rơm khác nhau

Dạng tồn tại Khối lượng thể tích (kg/m

3 ở điều kiện khô)

Rơm được đập nhỏ (Hammer milled) 40-100

Kết quả này khẳng định rơm rạ là loại nguyên liệu khá nhẹ, cồng kềnh khi đóng gói, khiến cho chi phí vận chuyển tăng cao khi xem xét tới yếu tố quy hoạch vùng nguyên liệu và tính toán hiệu quả kinh tế khi sử dụng rơm rạ

để sản xuất quy mô công nghiệp Khối lượng thể tích của rơm khi chặt ngắn tănng lên đáng kể (gấp 2 lần rơm rời), có thể nói thể tích xếp đống giảm xuống còn một nửa, đây là một đặc điểm quan trọng trong dây chuyền sản xuất ván dăm Nhưng cần chú ý việc chặt ngắn hay nghiền rơm sẽ sinh ra lượng bui lớn hơn nguyên liệu gỗ rất nhiều, tỷ suất dăm công nghệ giảm đi đáng kể, đây là một nhược điểm khó có thể khắc phục từ nguyên liệu rơm làm ván dăm

Kaup và Goss (1981) đã ước tính tỷ số KLTT của rơm so với gỗ dựa trên tỷ lệ các thành phần nguyên tố tạo nên rơm và tỷ trong riêng (KLTT riêng) của chúng Trong đó, xem KLTT của H và O tương tự nước, có nghĩa

là bằng 1000 kg/m3 KLTT của C ở trạng thái vô định hình là 1800 đến 2100 kg/m3 KLTT của các nguyên tố khác có thể tra từ sổ tay hoá học Phương pháp tính toán này có nhược điểm là không tính đến ảnh hưởng của liên kết hoá học giữa các nguyên tố, nhưng có giá trị ước lượng khá chính xác và có ý nghĩa khi so sánh các loại vật liệu khác nhau Sử dụng phương pháp này và tính cho các nguyên tố chủ yếu (có khối lượng chiếm từ 1% tổng khối lượng trở lên) cho gỗ lá kim và rơm rạ được cho trong bảng 2.3 Theo đó, KLTT thực của rơm ước tính là khoảng 1600 kg/m3 so với khoảng 1490 kg/m3 của gỗ lá kim Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, khi hàm lượng Si trong rơm rạ tăng lên hoặc hàm lượng các nguyên tố C, H, O giảm thì đều khiến cho KLTT thực của rơm tăng lên Sở dĩ KLTT thực của rơm có nhỉnh hơn của gỗ lá kim như vậy có thể là do các tinh thể Si trong cấu trúc cell rỗng, nên KLTT thực của rơm nói chung sẽ nằm trong khoảng 1600-1650 kg/m3

2.4.4 Độ ẩm và đặc tính hút ẩm

Ngay khi gặt lúa, độ ẩm của rơm rạ khá cao, đạt khoảng 150 đến 250% theo Summers 2000 [24], nhưng thường rơm rạ sẽ được phơi ngoài đồng cho tới độ ẩm khoảng dưới 17% trước khi được đóng kiện (thành kiện rơm) nhằm hạn chế sự phát triển của nấm mốc trong quá trình bảo quản

Quá trình hút ẩm (Absorption) và nhả ẩm (Desorption) của gỗ lá kim - softwood (theo Beall 2000) và của rơm rạ từ lúa gạo (theo Thompson 1974) được cho trong hình 2.7 dưới đây Từ kết quả này cho thấy, so với gỗ, thì EMC của rơm có phần nhỉnh hơn 1 chút Thompson ước tính, độ ẩm bão hoà thớ gỗ (EMC ở độ ẩm tương đối môi trường 100%) của rơm rạ khoảng 42% trong khi với gỗ lá kim thì chỉ khoảng 26-30%

Hình 2.7 So sánh đường cong hút-nhả ẩm của rơm rạ (Thompson 1974) và gỗ

lá kim (Beall 2000) ở điều kiện môi trường 25 0 C

Gỗ lá kim Hút ẩm

- Gỗ lá kim Nhả ẩm Rơm lúa gạo Hút ẩm

- Rơm lúa gạo Nhả ẩm