Bước đầu nghiên cứu tìm ra giải pháp tạo ván dăm không sử dụng keo từ nguyên liệu rơm

Ván dăm là một loại ván nhân tạo mà sản phẩm có thể được hình thành từ gỗ kém phẩm chất, phế liệu gỗ cũng như các loại phế liệu nông nghiệp như: rơm rạ, bã mía, tre nứa, xơ dừa, bẹ dừa n

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm qua, rừng tự nhiên đã bị khai thác quá mức, nhiều vùng rừng đang có nguy cơ cạn kiệt Rừng trồng đang khôi phục dần nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu nguyên liệu, trong khi đó nhu cầu về sử dụng gỗ của xã hội ngày càng gia tăng cả về số lượng và chất lượng Ván nhân tạo có tất cả các ưu điểm và đặc tính của gỗ tự nhiên, nhưng đặc điểm lớn nhất của

nó là khắc phục được tất cả nhược điểm của gỗ tự nhiên nhằm làm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của xã hội Do vậy công nghệ sản xuất ván nhân tạo đang được đầu tư phát triển mạnh mẽ trong một vài năm trở lại đây

Hiện nay, việc nghiên cứu sản xuất ra các loại hình sản phẩm mới từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền hoặc phế thải nông, lâm nghiệp là vấn đề đang được chú ý không những ở nước ta mà ở cả một số nước khác trên thế giới Ván dăm là một loại ván nhân tạo mà sản phẩm có thể được hình thành từ gỗ kém phẩm chất, phế liệu gỗ cũng như các loại phế liệu nông nghiệp như: rơm rạ,

bã mía, tre nứa, xơ dừa, bẹ dừa nước , nếu được tận dụng sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ sử dụng gỗ và lâm sản

Ván dăm là một loại vật liệu composite gỗ nó được nghiên cứu khá sớm, bắt đầu từ năm 1887, với sản phẩm ván dăm được sản xuất từ mùn cưa và keo máu (albumin máu) Theo đề xuất mới đây của ngành lâm nghiệp đối với ván nhân tạo từ nay đến năm 2015, chỉ nên đầu tư sản xuất ván dăm và ván sợi (MDF) sử dụng nguyên liệu gỗ rừng trồng, với tổng sản lượng ván nhân tạo

dự kiến 800.000 m3

sản phẩm/năm Trong đó, 50 – 60% là ván dăm Như vậy việc tìm ra nguồn nguyên liệu mới để đáp ứng nhu cầu nguyên liệu của ngành công nghiệp sản xuất ván dăm là rất cần thiết

Nhưng vấn đề đặt ra là những nguồn nguyên liệu phi gỗ có khả năng dán dính kém hơn so với gỗ Do bề mặt của những nguồn nguyên liệu như vỏ trấu,

Mặt khác, chất kết dính được sử dụng chủ yếu trong sản xuất ván dăm là keo Ure formaldehyde UF, do đó trong ván luôn tồn tại một lượng formandehyde tự

do Trong quá trình sản xuất cũng như trong khi sử dụng, formandehyde tự do thoát ra ngoài môi trường gây kích thích da, mắt, đường hô hấp, ở liều cao có tác động toàn thân, gây ngủ cho người sử dụng

Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài:

“Bước đầu nghiên cứu tìm ra giải pháp tạo ván dăm không sử dụng keo từ nguyên liệu rơm”

Trên thế giới, việc nghiên cứu ứng dụng rơm, rạ được nhiều nước quan tâm Rơm được nghiên cứu để làm nguyên liệu sản xuất ván nhân tạo, bột giấy, Một số nước như Trung Quốc, Pháp, Nga, đã nghiên cứu sử dụng rơm trong sản xuất nhưng gặp khó khăn trong việc loại bỏ silic khá lớn trong thành phần của rơm

Ngay đầu thập niên của thế kỷ 20, phế liệu nông nghiệp đã được các nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất ván nhân tạo Đầu năm

1948 dây chuyền sản xuất ván nhân tạo từ rơm rạ đầu tiên trên thế giới được xây dựng ở Bỉ, tiếp sau đó là hàng loạt các xưởng sản xuất ván nhân tạo từ nguyên liệu phi gỗ đã được xây dựng ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ.[21]

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, rạ có đặc điểm là phía vỏ bên ngoài có lớp sáp (wax) kỵ nước khiến khiến cho việc sử dụng các loại keo gốc formaldehyde thông dụng trong sản xuất ván dăm trở nên khó khăn, do đó chỉ có thể sử dụng keo MDI (Methylen Diphenyl Isocyanate) là loại keo khá đắt để sản xuất

4

Ván dăm rơm, rạ chỉ thực sự phát triển từ những năm 2000 trở lại đây với giải pháp xử lý rơm rạ trước khi ép bằng giải pháp hóa-cơ-nhiệt tại một số nước như Mỹ, Úc, Philippin với sản phẩm chủ yếu sử dụng trong xây dựng Tuy nhiên chủ yếu nguồn rơm, rạ mới là lúa mì, lúa mạch còn nguyên liệu rơm rạ từ lúa nước rất hạn chế do sản lượng ít và các giải pháp bảo quản rơm sau thu hoạch rất khó khăn

Hình 1.1 Ván dăm rơm

Trong những năm gần đây, một số lượng lớn rơm sau khi thu hoạch đã được sử dụng vào sản xuất vật liệu Composite (ván dăm, ván sợi) một cách có hiệu quả ở Trung Quốc

Tuy nhiên các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tài nguyên rơm có một hàm lượng cao Silic và sáp trên bề mặt làm cho chúng khó có khả năng liên kết được với keo U-F, đây là một trở ngại lớn cho sản xuất ván dăm

Một số kết quả nghiên cứu điển hình trên thế giới về sử dụng rơm rạ để sản xất ván nhân tạo:

Năm 2000, Frank Beall một giáo sư khoa học gỗ của California trên bài báo “Fundamental Properties of rice straw in comparison with softwood” đã

khi nghiên cứu và so sánh các thuộc tính của rơm lúa với gỗ lá kim cho thấy rơm lúa là một loại nguyên liệu đạt tiêu chuẩn cho sản xuất ván dăm thông thường, MDF, OSB và ván dăm có khối lượng thể tích thấp, đây là hướng

5

nghiên cứu để tìm nguồn nguyên liệu thay thế gỗ dần dần trong sản xuất ván nhân tạo

Năm 2000, Zhang-Yu-Kun và các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu thấy

rằng trên lớp bề mặt của rơm có một lớp sáp, lớp này làm giảm khả năng dán dính của rơm khi sử dụng làm ván dăm và ông đã sử dụng keo pMDI (polymeric isocyanate) làm chất kết dính, tuy nhiên do giá cả thị trường loại keo này quá đắt nên khả năng áp dụng của chúng còn hạn chế

“Nghiên cứu ảnh hưởng của loại keo tới tính chất của ván dăm từ rơm lúa mì có KLTT trung bình” của Xiaoqun Mo và các cộng sự tại Đại học bang

Kansas, Mỹ thực hiện năm 2003 Nghiên cứu sử dụng 4 loại keo là MDI, U-F, keo từ protein tách từ đậu nành SPI và bột đậu nành SF đối với rơm đã qua xử

lý hoá chất tẩy là hỗn hợp kiềm và hợp chất oxi hóa Kết quả cho thấy, ván rơm từ rơm xử lý có chất lượng cao hơn ván không xử lý Keo MDI cho chất lượng cao nhất, với lượng keo dùng khoảng 4% Ván từ keo SPI và SF có chất lượng tương tự ván từ keo U-F Riêng đối với keo U-F, MOR của ván từ rơm không xử lý là 6,36 MPa và rơm xử lý là 9,34 MPa Còn IB tương ứng là 0,11 MPa đối với rơm không xử lý và là 0,19 MPa đối với ván rơm xử lý hoá chất.[14]

Năm 2003, Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu nâng cao tính chất cơ học

của ván rơm lúa mỳ bằng xử lý enzyme Trong nghiên cứu có sử dụng ba loại

enzyme là Lypises from Candida rugosa, Celluloses from Trichoderma và Celluloses from Aspergillus niger Kết quả cho thấy loại enzyme Celluloses from Aspergillus niger cho tính chất cơ vật lý của sản phẩm là tốt nhất, MOR

đạt 16,3 MPa, IB đạt 0,42 MPa và trương nở chiều dày là 8,6% trong khi đó ván rơm không được xử lý thì MOR chỉ đạt 13,2 MP, IB là 0,28 MPa, trương

nở chiều dày là 11,6% Phương pháp này có nhiều triển vọng vì thân thiện với môi trường tuy nhiên việc lựa chọn enzyme nào cho phù hợp với nguyên liệu, rất khó tìm được loại enzyme chỉ phân giải lingin mà không phân giải

b Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay cả nước có 2000 doanh nghiệp chế biến, kinh doanh gỗ Theo

số liệu thống kê từ Tổng cục Hải quan Việt Nam, kim ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ 2 tháng đầu năm 2012 đạt 606,1 triệu USD, tăng 22,32% so với cùng kỳ năm 2011 Tính riêng trong tháng 2, xuất khẩu mặt hàng này đạt kim ngạch 317,5 triệu USD, tăng 10,02% so với tháng liền kề trước đó Trong đó ván gỗ nhân tạo sẽ vai trò chủ lực Sản phẩm đồ mộc: bàn, ghế, giường, tủ, tủ bếp, vách ngăn, sàn nhà, ốp tường, ốp trần làm từ ván gỗ nhân tạo rất thích hợp cho nội thất gia đình, công sở, trường học, khách sạn, nhà hàng, nhà văn hoá, cung thể thao (baomoi.com)

Công nghiệp sản xuất ván dăm ở Việt Nam ra đời muộn hơn nhiều so với các nước trên thế giới Hầu hết công nghệ sản xuất ván dăm ở Việt Nam là nhập từ nước ngoài

Năm 1967, nhà máy ván dăm Việt Trì là nhà máy ván dăm đầu tiên ở nước ta, với thiết bị của Nam Tư, sản xuất ván dăm 3 lớp từ gỗ bồ đề với phương pháp ép phẳng, công suất thiết kế là 6.000 m3

sản phẩm/năm

Năm 1970, nhà máy ván dăm Đồng Nai được xây dựng với công suất thiết kế là 2.000 m3 sản phẩm/năm, thiết bị của Đức sản xuất ván Okal theo phương pháp ép đùn từ nguồn nguyên liệu lấy từ dây chuyền công nghệ sản xuất ván dán

Năm 2002, nhà máy ván dăm Thái Nguyên được xây dựng với công suất 16.500m3 sản phẩm/năm Nhìn chung năng lực của các nhà máy còn hạn chế Do nhiều nguyên nhân nên sản phẩm sản xuất vẫn chưa đáp ứng được về

7

chất lượng và giá thành Vì vậy ngay trong nước, sản phẩm ván dăm của ta vẫn chưa có sức cạnh tranh so với các sản phẩm nhập từ Malaysia, Indonesia,

Trong việc nghiên cứu về đa dạng hoá nguyên liệu trong sản xuất ván dăm, các nhà khoa học đã tiếp thu và ứng dụng những thành quả khoa học trên thế giới vào điều kiện Việt Nam Các nghiên cứu cũng đã tập trung vào nguồn nguyên liệu phi gỗ như Tre, sơ dừa, bã mía, thân cây cọ, thân cây đay,

vỏ trấu, rơm rạ

Một đề án biến rơm rạ thành nhà ở được ngân hàng Thế giới tài trợ của

ông Nguyễn Minh Quyền, Phó giám đốc công ty Bến Thành tourist Sản xuất

vật liệu xây nhà từ rơm rạ là một trong 22 dự án đã được Ngân hàng Thế giới chọn tài trợ 200.000 USD/dự án tại Hội chợ Phát triển toàn cầu do Ngân hàng Thế giới tổ chức cuối tháng 9/2009 vừa qua, triển khai thí điểm ở vùng đồng bằng sông Cửu Long Theo đánh giá của các cơ quan chức năng, sản phẩm làm từ rơm rạ có đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn liên quan như khả năng chịu lực, chống cháy, xử lý nhiệt Nếu diễn ra suôn sẻ, đề án này không những giúp người nông dân có cơ hội mua nhà giá rẻ mà còn góp phần hạn chế việc đốt rơm, thải khí độc vào môi trường

Tại trường Đại Học Lâm nghiệp cũng có một số đề tài đã nghiên cứu tạo ván dăm từ rơm:

Lê Thị Hưng (2010), Nghiên cứu một số yếu tố của công nghệ xử lý rơm để tăng khả năng dán dính bằng hóa chất Luận văn thạc sĩ, Đại Học Lâm Nghệp, Hà Nội Tác giả đã xử lý nguyên liệu rơm bằng hoá chất NaOH

và H2O2 và khảo sát ở 2 chế độ với bốn cấp nồng độ khác nhau: Cấp 1: 0,7% NaOH; Cấp 2: 0,7% NaOH + 0,07% H2O2; Cấp 3: 1,5% NaOH; Cấp 4: 1,5% NaOH + 0,15% H2O2 Tác giả lựa chọn được giải pháp tối ưu nhất là chế độ

xử lý 2 với cấp nồng độ 0,7% NaOH + 0,07% H2O2 Đề tài đã chỉ rõ với chế

độ xử lý như trên thì tính chất cơ học, vật lý của ván đều được cải thiện,

8

cường độ dán dính là cao nhất đánh giá thông qua các chỉ tiêu như MOR, MOE, IB, t Cụ thể: MOR đạt 14,08 MPa tăng 51,19% so với ván đối chứng (8,92 MPa), MOE đạt 2285,94 MPa tăng 8,21% so với ván đối chứng (1864,72 MPa), IB đạt 0,25 MPa tăng 150% so với ván đối chứng, trương nở chiều dày là 15,55% giảm 26,89% so với ván đối chứng Kết quả nghiên cứu cho thấy nguồn phế liệu nông nghiệp là rơm, rạ có thể sử dụng làm nguyên liệu thay thế một phần gỗ trong sản xuất ván dăm.[8]

Năm 2010, Chu Công Nghị, “ Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng dán dính của rơm trong sản xuất ván dăm”, Luận văn tốt nghiệp - Đại học

Lâm nghiệp Tác giả đã nghiên cứu giải pháp xử lý rơm để tăng khả năng dán dính của nguyên liệu bằng phương pháp cơ học, rơm được nghiền ở 3 cấp kích thước khác nhau: 5-10 cm, 10-20 cm và rơm nguyên Nghiền là một quá trình trà sát, xé nát rơm để loại bỏ phần silic, tạp chất và làm lộ ra phần celluose tạo liên kết dăm – keo và dăm – dăm Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước nguyên liệu đầu vào có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ván, rơm

có kích thước đầu vào càng nhỏ thì chất lượng ván càng tốt Ở cấp 5- 10 cm, nguyên liệu đầu vào là tốt nhất cho tính chất cơ lý của sản phẩm, ván 100% rơm có chiều dày 12mm, KLTT 0,7g/cm3

, cường độ uốn tĩnh tăng 19,66%, modul đàn hồi tăng 11,79% so với ván rơm để nguyên Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước nguyên liệu trước khi nghiền tốt nhất là 5 – 10 cm.[11]

Năm 2011, Nguyễn Thị Hiên, “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý hoá mềm đến chất lượng ván dăm rơm” Luận văn thạc sĩ kĩ thuật, Đại học

Lâm nghiệp Tác giả tiến hành xử lý hóa mềm rơm bằng hơi nước nóng (hấp dăm), tiến hành làm thí nghiệm thăm dò ở các khoảng thời gian 15, 30, 45, 60,75 phút, nhiệt độ 100oC Sử dụng chất kết dính là keo Urea- Formandehyde U-F) và keo Este isocyanate (MDI), tỉ lệ U-F/MDI là 5/1, lượng keo dùng là 12% Kết quả nghiên cứu cho thấy chế độ xử lý hóa dẻo

có nhiều công trình nghiên cứu về ván dăm tạo từ nguyên liệu rơm nhiều hơn

để có thể khẳng định được tính chất của ván có thể đáp ứng đủ tiêu chuẩn kĩ thuật của ván dăm thông dụng Việc nghiên cứu sử dụng rơm làm nguyên liệu trong sản xuất ván nhân tạo là một việc làm mang lại lợi nhuận cao và có ý nghĩa, giảm thiểu nguồn ô nhiễm môi trường do việc đốt rơm sau thu hoạch gây ra, tạo việc làm và tăng thu nhập cho người dân

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ván dăm rơm không sử dụng keo

Trên thế giới, việc nghiên cứu tạo ván dăm từ nguyên liệu rơm rạ, lúa mỳ đã

và đang được nghiên cứu rất nhiều Hầu hết các nghiên cứu cùng chung mục đích đó là cải thiện khả năng dán dính của rơm rạ, lúa mỳ nâng cao chất lượng ván dăm, bằng nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp xử lý nguyên liệu bằng hóa chất để cải thiện cường độ ván cũng được nghiên cứu tương đối nhiều

Năm 2001, Xiaoqu Mo đã sử dụng dung dịch NaOH (1M) và NaOH (1M) +

H2O2 (0,2%) với tỷ lệ 1:10 để xử lý rơm lúa mỳ cho sản xuất ván dăm Rơm được ngâm trong dung dịch hóa chất ở nhiệt độ 500C sau đó được làm sạch và sấy khô, với chiều dày sản phẩm là 5mm, khối lượng thể tích 0,3g/cm3 và sử dụng keo SPI và SPI biến tính bằng NaOH Kêt quả cho thấy đối với các dạng hóa chất khác nhau, chất lượng ván thay đổi khác nhau Cụ thể, với ván đối chứng cường độ chịu kéo đứt là 0,256 MPa và chịu nén là 0,235 MPa Với ván xử lý bằng hỗn hợp NaOH + H2O2 thì cường độ chịu kéo đứt tăng 2,648 MPa và chịu nén là 0,446 MPa Như vậy khi xử lý rơm với hỗn hợp NaOH + H2O2 thì cho kết quả chất lượng ván là tốt hơn

và chịu nén là 235 kPa Tuy nhiên, khi xử lý hỗn hợp NaOH và H2O2 thì cường độ chịu kéo đứt tăng lên tới 2648 kPa và chịu nén là 446 kPa.[16]

Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi xử lý nguyên liệu bằng hóa chất, cường

độ ván được cải thiện đáng kể Tuy nhiên, trong quá trình ép vẫn sử dụng chất kết dính là keo dán tổng hợp

Ngày nay, nghiên cứu tạo ván nhân tạo đảm bảo yêu cầu chất lượng mà không

sử dụng keo dán đang là một thách thức lớn Một số nghiên cứu về tạo ván nhân tạo không sử dụng keo:

Năm 2008, Sören Halvarsson và các cộng sự đã nghiên cứu tạo ra ván sợi khối lượng thể tích 0,8 g/cm3 từ nguyên liệu rơm lúa mỳ mà không sử dụng keo Tác giả đã xử lý nguyên liệu bằng chất hỗn hợp Fenton (ion sắt 2+ và hydro peoxit ), với 2 mức xử lý hydropeoxit là 2,5% và 4% Kết quả nghiên cứu cho thấy không sử dụng keo dán vẫn có thể tạo ra được sản phẩm ván sợi, đồng thời khi sử dụng H2O2 ở nồng độ càng cao thì các tính chất cơ lý của ván

có xu hướng tăng lên [14]

Mặc dù tính chất cơ lý của ván còn thấp nhưng nghiên cứu đã tạo ra một hướng đi mới, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sau này để nghiên cứu tạo sản phẩm ván thân thiện với môi trường

Ở Việt Nam, hiện nay chưa có nghiên cứu nào liên quan đến việc nghiên cứu tạo ván nhân tạo không sử dụng keo

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu sử dụng gỗ ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, trong khi đó rừng tự nhiên ngày càng

11

cạn kiệt lượng gỗ không đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường Một trong những yêu cầu cấp bách cho ngành chế biến Lâm sản của nước ta hiện nay là tìm kiếm nguồn nguyên liệu và đa dạng loại hình sản phẩm Việc nghiên cứu sản xuất ra các loại hình sản phẩm mới từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền của phế thải Nông Lâm Nghiệp là vấn đề đang được chú ý hiện nay Do vậy công nghệ sản xuất ván nhân tạo đang được đầu tư phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Đặc biệt là ván dăm một loại ván nhân tạo mà sản phẩm có thể được hình thành từ gỗ kém chất lượng cành nhánh cây mà xưa nay trong khi khai thác thường bỏ lại trong rừng các phế liệu gỗ như dăm gỗ, bìa bắp, gỗ vụn trong công nghiệp sản xuất gỗ xẻ đồ mộc hoặc từ các nguồn nguyên liệu như rơm

rạ, bã mía, tre nứa…

Nội dung mà đề tài nghiên cứu là sản xuất ván dăm từ nguyên liệu rơm Do vậy ta có thể tận dụng được một lượng lớn phế liệu nông nghiệp là rơm

Nước ta là một nước đang phát triển, trên 70% dân số sống bằng nghề trồng lúa nước Trong đó, mỗi tấn thóc thu được sẽ cho tương ứng là 1,35 tấn rơm rạ trên một cánh đồng Sản lượng lúa năm 2009 đạt 38,9 triệu tấn và sáu tháng đầu năm 2010 là 19,2 triệu tấn (Theo thống kê niên giám sản lượng lúa gạo Việt Nam giai đoạn 2005-2009 của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn), có nghĩa

là khoảng hơn 48 triệu tấn rơm rạ được tạo ra hằng năm, đây là một nguồn nguyên liệu ổn định và tiềm năng

Nguồn rơm rạ sẵn có và rẻ tiền chiếm khoảng 66% trên tổng lượng phế thải nông nghiệp hầu như chưa được sử dụng hiệu quả Trước đây rơm còn được dùng làm chất đốt trong chuẩn bị bữa ăn và làm thức ăn cho gia súc (trâu, bò, ) Tuy nhiên, hiện nay lượng rơm được dùng vào các công việc này đã giảm đi nhiều Hơn nữa, vào mùa thu hoạch nông dân có hai nỗi lo là “thu hoạch lúa và đốt rơm rạ”, thóc thì có thể ăn và bán, nhưng rơm thì phải lo đốt đi Việc đốt rơm, rạ chẳng những lãng phí nguồn nhiên nguyên liệu mà còn gây ô nhiễm môi trường, mất an toàn giao thông Theo các nhà y học, khói bụi khi đốt rơm, rạ

12

làm ô nhiễm không khí, gây tác hại lớn đối với sức khỏe con người Trẻ em, người già, và người có bệnh hô hấp, bệnh mãn tính, dễ bị ảnh hưởng nhất Các nhà khoa học cho biết thành phần các chất gây ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ, tác động đến sức khỏe con người là Hydrocacbon thơm đa vòng (viết tắt là PAH); Dibenzo-p-dioxin clo hóa (PCDDs) và Dibenzofuran clo hóa (PCDFs), là các dẫn xuất của Dioxin rất độc hại Theo nghiên cứu cho thấy khí gas thải ra từ việc đốt rơm rạ có chứa 70% khí CO2 và 7% khí CO, ngoài ra còn khí metan CH4; các oxit nitơ NOx; và một ít dioxit sunfua SO2, nên rất có hại cho môi trường, góp phần vào việc gây ra hiệu ứng nhà kính

Hình 1.2 Rơm sau thu hoạch được đốt trực tiếp trên cánh đồng

Nếu rơm được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất ván dăm thì ngoài việc giúp tận dụng nguồn phế thải ở nông thôn còn bảo vệ môi trường, không những thế còn tăng thêm nguồn thu nhập và tạo việc làm cho người dân Đây là một ứng dụng tốt cần được nghiên cứu kĩ để đưa vào thực tiễn Bề mặt ngoài của rơm có chất sáp và SiO2 làm giảm khả năng dán dính của keo, giảm liên kết dăm-keo, dăm-dăm làm chất lượng ván thấp Hiện nay, có một số phương pháp được sử dụng để tạo ra ván dăm rơm có chất lượng cao như: Sử dụng keo có tính năng dán dính tốt hơn

Việc nghiên cứu sản xuất ván dăm không sử dụng keo dán tổng hợp đang là một thách thức lớn hiện nay Không sử dụng chất kết dính thì khả năng kết dính giữa các dăm sẽ giảm Tuy nhiên, có thể cải thiện độ bám dính bằng cách sử dụng hóa chất kích hoạt bề mặt các dăm bởi quá trình oxy hóa Liên kết tự nhiên giữa các dăm sẽ được hình thành trong quá trình ép nóng Phương pháp xử lý bằng hóa chất là phương pháp đơn giản, hóa chất phổ biến dễ kiếm, giá thành hợp lý Chính vì vậy tôi đã tìm hiểu và nghiên cứu về sản xuất ván dăm không sử dụng keo từ nguyên liệu dăm rơm được xử lý bằng hóa chất

1.3 Mục tiêu

- Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu tạo ván dăm với nguyên liệu là rơm đáp ứng yêu cầu kĩ thuật của ván dăm trong xây dựng, đồ mộc, trong điều kiện công nghệ sản xuất của Việt Nam, góp phần đa dạng hoá nguồn nguyên liệu trong sản xuất ván dăm, tăng thu nhập cho người dân, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt rơm rạ tập trung ngoài đồng sau vụ gặt

- Mục tiêu cụ thể:

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Giải pháp hợp lý tạo ván dăm không keo từ nguyên liệu từ rơm

- Nguyên liệu rơm từ lúa Khang Dân được lấy tại huyện Chương Mỹ -

Hà Nội

-Sản phẩm: ván có kích thước 320 x 320 x 8 mm Khối lượng thể tích 0,8g/cm3

- Các thông số đánh giá: Độ trương nở chiều dày; độ hút nước; ứng suất uốn tĩnh; mô đun đàn hồi của ván, độ bền kéo vuông góc bề mặt;

- Máy và thiết bị: sử dụng các máy và thiết bị tại Trung tâm nghiên cứu thực nghiệm và chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng - Trường Đại học Lâm nghiệp Mẫu thí nghiệm được tiến hành kiểm tra các tính chất tại Trung tâm thực nghiệm - Khoa chế biến lâm sản - Trường Đại học lâm nghiệp

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Chủ yếu dùng trong nghiên cứu tài liệu, các công trình nghiên cứu trong

nước và ngoài nước, kế thừa các thông số đã có

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Sử dụng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Tiến hành ép ván làm thực nghiệm ở các cấp xử lý hóa chất

H2O2 4%, 5,5% và 7%

Sau khi ép ván xong, tiến hành xác định ảnh hưởng của quá trình xử lý hóa chất tới chất lượng ván qua các chỉ tiêu: Độ trương nở chiều dày, độ hút nước, độ bền uốn tĩnh, modul đàn hồi, độ bền kéo vuông góc của ván dăm

15

+ Đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm,

để chứng tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cần xét là không và hoặc không đáng kể

1.5.3 Kiểm tra tính chất ván mẫu

Sử dụng tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7756-2007 để kiểm tra chất lượng sản phẩm

a Khối lượng thể tích

Phương pháp kiểm tra khối lượng thể tích của sản phẩm mẫu được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 7756-4 : 2007

- Kích thước mẫu: 100x100x t mm

- Dung lượng mẫu: 06 mẫu

- Phương pháp xác định: cân – đo

m - Khối lượng mẫu, g

v - Thể tích mẫu, cm3

16

Hình 3.7 Cân diện tử dùng kiểm tra khối lượng thể tích

b Tỉ lệ trương nở chiều dày ván

- Phương pháp xác định độ trương nở chiều dày của mẫu sản phẩm được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 7756-5: 2007

+ Ngâm trong khoảng 24h±5 phút, lấy ra lau sạch nước, đo chiều dày mẫu ở điểm trung tâm (S1)

S1: Chiều dày ván sau khi ngâm, mm

So: Chiều dày ván trước khi ngâm, mm

17

c Giới hạn bền uốn tĩnh và modul đàn hồi khi uốn tĩnh

- Phương pháp kiểm tra giới hạn bền uốn tĩnh được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 7756-6: 2007

- Kích thước mẫu: 240x50xt mm

- Dung lượng mẫu: 6 mẫu

- Dụng cụ: Thước kẹp panme (độ chính xác 0,05mm), thước thẳng có độ chính xác 0,1mm, - Máy thử cơ, lý MTS-Qtest/25 của phòng thí nghiệm khoa Chế biến lâm sản

- Phương pháp kiểm tra: Đo chiều dày của mẫu thử tại điểm giao nhau của hai đường chéo và đo chiều rộng tại chính giữa chiều dài mẫu thử, theo TCVN 7756-2: 2007 Đặt mẫu thử ngay ngắn trên gối tựa và điều chỉnh khoảng cách giữa các tâm của gối tựa sao cho phù hợp với chiều dài mẫu thử, (như trên hình vẽ) Truyền tải lên mẫu thử qua đầu gia tải hình trụ với tốc độ không đổi sao cho tải trọng cực đại đạt được trong thời gian (60 ± 30) giây

Đo biến dạng tại vị trí điểm giữa của mẫu thử (ngay phía dưới đầu gia tải), chính xác đến 0,1 mm Vẽ biểu đồ thể hiện quan hệ giữa tải trọng và biến dạng tương ứng với tối thiểu 6 cặp giá trị Ghi tải trọng cực đại, chính xác đến 1%

- Công thức tính giới hạn bền uốn tĩnh:

t: chiều dày mẫu thử, mm

Mô đun đàn hồi (MOE) khi uốn tĩnh đƣợc tính theo công thức sau:

) (

4

) (

1 2 3

1 2 3 1

a a bt

F F l

t - Chiều dày mẫu thử, mm;

Hình 3.9 Thiết bị đo cường độ uốn tĩnh và mô đun đàn hồi

8 mm

20

+ Lắp tai kéo lên bộ gá và đặt tải trọng tăng dần với tốc độ không đổi cho đến khi mẫu bị đứt Tốc độ tăng tải được điều chỉnh sao cho đạt mức cực đại trong thời gian (60 ± 30) giây

+ Đo tải trọng phá hủy: Ghi tải trọng cực đại, chính xác đến 1% Loại bỏ các kết quả từ bất kỳ mẫu thử nào có biểu hiện hư hỏng trên toàn bộ hay một phần mối dán với tai kéo hoặc hư hỏng ở tai kéo Trong trường hợp này phép thử phải được làm lại với mẫu thử mới và ghi vào báo cáo thử nghiệm

+ Đo khối lượng mẫu trước khi ngâm (m1), chính xác đến 0,01mm

+ Ngâm mẫu trong nước 27 ±2oC, pH = 71, mặt nước cao hơn mẫu thử khoảng 25±5mm

+ Ngâm trong khoảng 24h±5 phút, lấy ra lau sạch nước, đo khối lượng mẫu (m0)

- Công thức tính:

∆m=

1

1 0

21

m0 : Khối lượng ván sau khi ngâm, g

m1 : Khối lượng ván trước khi ngâm, g

(với độ tin cậy 95%)

1.6 Nội dung nghiên cứu

Rơm là loại nguyên liệu quen thuộc trong nông nghiệp, là một nguồn nguyên liệu ổn định và tiềm năng Nhưng trong sản xuất ván dăm thì đây là loại nguyên liệu mới đang được quan tâm nghiên cứu Nội dung nghiên cứu

cơ bản của đề tài là:

- Tìm hiểu cơ sở lý luận tạo ván dăm không keo từ rơm

- Đề xuất, lựa chọn giải pháp phù hợp

- Thực nghiệm tạo ván

- Kiểm tra, đánh giá chất lượng của ván thành phẩm qua các chỉ tiêu: KLTT, độ trương nở chiều dày; cường độ uốn tĩnh; độ bền kéo vuông góc bề mặt, sai số chiều dày

- Phân tích đánh giá kết quả

- Đề xuất hướng sử dụng ván dăm và các hướng nghiên cứu tiếp theo

1.7 Ý nghĩa của đề tài

Tạo ra ván dăm từ nguồn nguyên liệu nông nghiệp là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn lớn Nội dung của đề tài nghiên cứu tạo ván dăm từ nguyên liệu rơm mà không

sử dụng keo Đây là hướng nghiên cứu mới đối với ván dăm rơm, đặc biệt không

sử dụng keo nên không phát tán formandehyde tự do ra ngoài môi trường Điều này góp phần giảm ô nhiễm môi trường, tạo sản phẩm thân thiện với môi trường

và không độc hại với con người

23

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Điều tra cơ bản tìm hiểu về nguyên liệu

Nguyên liệu bao giờ cũng là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong quá trình sản xuất Nó là yếu tố cơ bản quyết định đến công nghệ sản xuất, chất lượng và giá thành sản phẩm Do vậy, tìm hiểu về nguyên liệu luôn là vấn đề được quan tâm đầu tiên của bất kì đề tài nghiên cứu nào

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 của thân cây lúa khác nhau không nhiều

Các giống lúa Việt Nam có những đặc điểm như chiều cao, thời gian sinh trưởng (dài hay ngắn), chịu thâm canh, chịu chua mặn, chống chịu sâu bệnh khác nhau Song cây lúa Việt Nam đều có những đặc tính chung về hình thái, giải phẫu và đều có chung các bộ phận: rễ, thân, lá bông và hạt

- Rễ lúa:

Rễ lúa thuộc loại rễ chùm, phân bố ở những vùng nông sát mặt đất không

có khả năng ăn sâu vào đất Những rễ non có màu trắng sữa, rễ trưởng thành

có màu vàng nâu và nâu đậm, rễ đã già có màu đen

- 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

24

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

- Lá lúa:

Lá lúa điển hình gồm: bẹ lá, phiến lá, lá thìa và tai lá Bẹ lá: là phần đáy

lá kéo dài cuộn thành hình trụ và bao phần non của thân, bẹ lá là phần bao bọc

và làm tăng thêm độ cứng vững cho thân cây lúa Phiến lá: hẹp, phẳng và dài hơn bẹ lá (trừ lá thứ hai) Lá thìa: là vảy nhỏ và trắng hình tam giác Tai lá: Một cặp tai lá hình lưỡi liềm

- Bông và hạt lúa:

Hạt lúa gồm: Gạo lức và vỏ trấu Gạo lức gồm: phôi và phôi nhũ Vỏ trấu gồm: Trấu trên và trấu dưới Trấu dưới lớn hơn trấu trên và bao khoảng hai phần ba bề mặt gạo lức trưởng thành

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo và tính chất của rơm rạ

- Kết cấu và đặc điểm: Rơm từ lúa có đặc điểm là có thành phần sáp (kị

nước) ở thân vỏ, do đó khả năng thấm ướt bề mặt kém, khiến cho các loại keo nhựa nhiệt rắn gốc Formaldehyde (là loại keo phổ biến được sử dụng trong công nghiệp chế biến gỗ nói chung, sản xuất ván nhân tạo nói riêng) khó thấm đều và hình thành liên kết Điều này khiến cho khả năng dán dính của rơm gặp khó khăn, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả

sử dụng rơm làm vật liệu cho sản xuất ván dăm nói riêng, ván nhân tạo nói chung Một điểm nữa là trong rơm, hàm lượng tro khá cao, chiếm tới trên 12%, thậm chí tới 18%, gấp hàng chục lần (trên 50 lần) so với gỗ Đây cũng

là một điểm bất lợi nữa cho việc sử dụng rơm, rạ làm nguyên liệu sản xuất ván dăm, ván nhân tạo do sự cản trở của thành phần Silic (chiếm chủ yếu trong tro rơm)

- Tổ thành hoá học của rơm: Cũng như gỗ, rơm được tạo bởi vô số tế

bào, thành phần hóa học chủ yếu của rơm là Cellulose, Hemicellulo, Lignin

và chất chiết suất, tuy nhiên tỷ lệ thành phần các chất là khác nhau Như vậy, rơm là loại vật liệu không đồng nhất, không đẳng hướng Ngoài ra trong rơm

25

có chứa một lƣợng khá lớn các chất vô cơ nhƣ: Si, Ca, Na, Mn, Mg… đặc biệt

là Silic chiếm một tỷ lệ khá lớn (17,72%).[23]

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

- Xenlulô, Heminxenlulô, Lignin: 75%

31, đã đƣa ra bảng kết quả so sánh về thành phần hóa học giữa rơm, rạ từ lúa gạo và gỗ vân sam (Spruce) đƣợc trình bày ở bảng 2.1[17]

Bảng 2.1 So sánh các thành phần hoá học chính giữa gỗ và rơm rạ

Rơm có lƣợng chất sáp cũng nhƣ hàm lƣợng Si khá cao nên khả năng dán dính khi sử dụng các loại keo nhiệt rắn phổ biến cho sản xuất ván nhân

26

tạo gặp khó khăn Tuy nhiên với sản lượng phong phú và thu hoạch hằng năm, rơm rạ là một nguồn nguyên liệu cần được quan tâm thích đáng trong thời gian tới như là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất ván nhân tạo khi chú trọng thích đáng tới các giải pháp công nghệ nhằm khắc phục các nhược điểm của loại vật liệu này

2.2 Bản chất của quá trình xử lý hóa chất

2.2.1 Axít sulfuric H 2SO4

H2SO4 là một axits vô cơ mạnh, nó có các tính chất cơ bản sau:

- Là chất lỏng, không màu không mùi Nó hòa tan trong nước theo bất kỳ

tỷ lệ nào Phản ứng ngậm nước (hyđrat hóa) của axít sulfuric là một phản ứng tỏa nhiệt cao Nếu nước được thêm vào axít sulfuric đậm đặc thì nó bị sôi và bắn ra rất nguy hiểm Do vậy, khi pha loãng axít phải thêm axít vào nước chứ không phải thêm nước vào axít

- Là chất ăn mòn mạnh cần chú ý khi sử dụng

Các thông số kĩ thuật của H2SO4:

- Phân tử gam 98,078 g/mol

27

Hiđrô perôxít có thể phân hủy tự nhiên thành nước và ôxy Thông thường nó phản ứng như là một chất ôxi hóa, nhưng có nhiều phản ứng trong đó nó phản ứng như là chất khử, giải phóng ra ôxy như là phụ phẩm Nó cũng rất nhanh chóng tạo ra các perôxít vô cơ và hữu cơ

Hiđrô perôxít thông thường phân hủy theo phản ứng tỏa nhiệt thành nước và khí ôxy một cách tự nhiên:

2 H2O2 → 2 H2O + O2 + Nhiệt lượng

Khi có mặt một chất xúc tác nào đó, như Fe2+ hay Ti3+, sự phân hủy có thể diễn ra theo cách khác, với các gốc tự do như HO· (hydroxyl) và HOO· được tạo ra Tổ hợp của H2O2 và Fe2+ được biết đến như là thuốc thử Fenton

Các thông số kỹ thuật của Hydro peoxit H2O2:

- Phân tử gam: 34,01 g/mol

2.2.4 Cơ chế phản ứng của hóa chất với các thành phần trong rơm

Thay vì dùng chất kết dính, các hóa chất được sủ dụng để tạo các nhóm phản ứng trong nguyên liệu rơm để cải thiện độ bám dính của chất xơ và tạo liên kết ngang trong quá trình ép Nguyên tắc chính của việc dùng hóa chất là để kích hoạt các lớp bề ngoài của dăm trước khi ép và tạo liên kết hóa học giữa các dăm trong quá trình ép Sự liên kết dăm-dăm trong ván dăm rơm được tạo bởi sự kích hoạt của các bề mặt dăm bằng cách oxy hóa rơm Sự oxy hóa bề mặt dăm và sự phân hủy các thành phần cao phân tử là để tạo ra các liên kết hóa học giữa các dăm, tạo liên kết dăm-dăm trong quá trình ép

28

a.Vai trò của Axít sulfuric H 2 SO 4 trong quá trình xử lý

Axít sulfuric H2SO4 là một chất oxy hóa mạnh Mục đích của xử lý

H2SO4 là tạo ra các sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân bằng axit Dưới tác dụng của H2SO4 (lượng dùng nhỏ) hemicelluloses sẽ bị thủy phân Sản phẩm của quá trình thủy phân hemicelluloses là hemicellulosic hydrolysate Các sản phẩm này sẽ dễ dàng tạo ra các gốc tự do R* để tạo liên

kết mới trong rơm trong quá trình ép nhiệt

b.Tác dụng của hydro peoxit H 2 O 2 và Sắt sunfat FeSO 4 7H 2 O

Dưới tác dụng xúc tác của ion kim loại Fe2+

, H2O2 sẽ tác dụng với Fe2+sinh ra gốc tự do *OH còn Fe2+ bị oxi hóa thành Fe3+ theo phản ứng:

cơ có khối lượng phân tử thấp:

-Các gốc *OH tiếp tục phản ứng và tấn công lignin và thành phần cacbon hydrat RH, dẫn đến kích hoạt lignincellulose tạo thành gốc hữu cơ R*, như:

*OH + RH  *

R + H2O Thuốc thử Fenton không chỉ oxy hóa chất xơ lignocelluloses ở bền mặt mà còn có thể khuếch tán vào ruột tế bào, xâm nhập vào các lỗ chân lông của

29

thành tế bào và xảy ra phản ứng oxy hóa trong vách tế bào Tuy nhiên do sự hạn chế của kích thước lỗ chân lông nên việc xâm nhập vào vách tế bào sẽ gặp khó khăn Sự phân hóa đại phân tử lignocelluloses thành hợp chất phân tử thấp chủ yếu diễn ra trên bề mặt dăm, sẽ đóng góp vào sự hình thành các liên kết hóa học giữa các dăm, tạo liên kết dăm-dăm trong quá trình ép

2.2.5 Cơ sở lựa chọn loại và tỷ lệ hóa chất xử lý

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về xử lý rơm rạ bằng hóa chất, tuy nhiên vẫn sử dụng keo dán làm chất kết dính Việc nghiên cứu tạo ván dăm không sử dụng keo đang là hướng đi mới hiện nay ,ở Việt Nam hiện chưa có nghiên cứu nào

- Kế thừa kết quả nghiên cứu trên thế giới, bằng phương pháp xử lý hóa chất, Sören Halvarsson và các cộng sự (2008) đã nghiên cứu tạo ra ván sợi khối lượng thể tích 0,8 g/cm3

từ nguyên liệu rơm lúa mỳ mà không sử dụng keo Tác giả đã xử lý nguyên liệu bằng chất hỗn hợp Fenton (ion sắt 2+ và hydro peoxit), với 2 mức xử lý hydropeoxit là 2,5% và 4% Kết quả nghiên cứu cho thấy, không sử dụng keo dán vẫn có thể tạo ra được sản phẩmván sợi, đồng thời khi sử dụng H2O2 ở nồng độ càng cao thì các tính chất cơ lý của ván có

xu hướng tăng lên [14] Mặc dù tính chất cơ lý của ván còn thấp nhưng nghiên cứu đã tạo ra một hướng đi mới, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sau này để nghiên cứu tạo sản phẩm ván thân thiện với môi trường

- Căn cứ vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm thăm dò trước đó: tại Trung tâm nghiên cứu chuyển giao công nghệ, Công nghiệp rừng, Trường Đại học Lâm Nghiệp

- Dựa vào đặc điểm, thành phần hóa học, tính chất của nguyên liệu là rơm rạ

để sản xuất ván dăm rơm, với mục đích của quá trình xử lý nguyên liệu bằng hóa chất trước khi ép nhằm tạo ván dăm không sử dụng keo dán

- Dựa vào đặc điểm, tính chất lý hóa và cơ chế tác dụng của từng loại hóa chất

cụ thể