LƯỢC SỬ NGHIÊN CỨU
1.1.1 Nguồn gốc, phân bố và đặc điểm sinh thái của luồng
Luồng là cây thuộc phân họ tre, lớp một lá mầm, thường xanh, mọc theo cụm, có nguồn gốc bản địa từ Thái Lan, đặc biệt ở miền Bắc và Đông Bắc, cùng với Burma và Lào Cây này không chỉ được trồng tại nơi bản địa mà còn được giới thiệu đến nhiều vườn thực vật khác.
Tre phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới và á nhiệt đới, với khoảng 75 chi và 1250 loài, tất cả đều là cây thân gỗ sinh trưởng nhanh Từ "tre" là tên thuần Việt, trong khi "trúc" là tên Hán Việt Người Trung Quốc và các nước châu Âu, châu Mỹ thường gọi chung tất cả các loài tre có thân mọc cụm, phân tán và phức hợp là trúc.
… gọi chung các loài tre là Bamboo[26]
Tre luồng là một tài nguyên rừng quý giá, với hơn một phần ba dân số thế giới sử dụng nó cho nhiều mục đích khác nhau Loài cây này được nhiều quốc gia quan tâm và trồng trọt, mang lại nhiều kết quả tích cực trong sản xuất.
Tre luồng là một nguồn tài nguyên rừng quan trọng, có mối liên hệ chặt chẽ với con người ở nhiều quốc gia Loại cây này có khả năng thích nghi cao, phân bố rộng rãi từ vùng xích đạo đến ôn đới và hàn đới, với sự hiện diện từ 51 độ vĩ Bắc đến 47 độ vĩ Nam Tuy nhiên, hầu hết các loại tre luồng đều cần điều kiện nhiệt độ ẩm và độ ẩm cao để phát triển tốt.
Tre luồng chủ yếu phân bố ở các vùng nhiệt đới và á đới, trong khi sự hiện diện của chúng ở các khu vực hàn đới và ôn đới là rất hiếm Loài cây này thường mọc xen kẽ với một số loại cây gỗ khác, trong đó tre luồng mọc theo cụm chiếm 60% và tre mọc tản chiếm 40%.
Trên thế giới, có ba vùng phân bố tre chính: vùng tre châu Á Thái Bình Dương, vùng tre châu Mỹ và vùng tre châu Phi Trong đó, vùng tre châu Á Thái Bình Dương, đặc biệt là khu vực gió mùa Đông Nam Á, được xem là trung tâm phân bố tre toàn cầu, với diện tích và số loài chiếm khoảng 80% tổng diện tích và số loài tre trên thế giới Thông tin về sự phân bố tre luồng ở một số quốc gia được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 1-1 Diện tích trồng và sản lượng tre luồng ở một số nước
Tên nước Số loài Diện tích
Sản lượng thân tre luồng
Tre luồng là nhóm lâm sản ngoài gỗ đa tác dụng, nổi bật với đặc điểm phân bố rộng, nhiều loài và dễ trồng Chúng thích ứng tốt với nhiều điều kiện lập địa, mọc nhanh và cho thu hoạch sớm Tại Việt Nam, tre luồng gắn bó mật thiết với cuộc sống người dân, được trồng rộng rãi trên diện tích 1.489.068 ha, với tổng trữ lượng khoảng 8.400.767.000 cây Đây là nguồn nguyên liệu quý giá cho sản xuất và chế biến lâm sản.
Cây luồng phát triển tốt ở độ cao 500 mét so với mực nước biển, trong điều kiện nhiệt độ trung bình 22°C, độ ẩm không khí trên 80% và lượng mưa hàng năm khoảng 1.500mm Là loài cây ưa sáng, luồng có tốc độ sinh trưởng nhanh và thích hợp với khí hậu nóng ẩm của vùng nhiệt đới, nơi có hai mùa rõ rệt Cây luồng mọc thành cụm với thân ngầm hợp trục, chiều cao từ 10-20 m và đường kính 5-15 cm, có đỉnh uốn cong Loài cây này phân bố rộng rãi, chịu rét tốt và ưa đất tơi xốp, thích nghi với đất đồi núi ven sông và chân núi Khi lựa chọn nơi trồng, cần chọn đất dày và giàu dinh dưỡng, vì luồng dễ trồng, cho ra nhiều măng và có sản lượng cao.
Cây luồng ưa ánh sáng và không thể sống dưới bóng cây khác, phát triển tốt ở những khu vực có đặc tính rừng, đất dày hơn 60 cm, xốp, ẩm và thoát nước tốt Đối với đất bạc màu, cây luồng sinh trưởng kém và không thích hợp với đất ngập úng, phèn hay mặn Rừng luồng có vai trò quan trọng trong việc phòng hộ và duy trì cân bằng sinh thái Tại Việt Nam, cây luồng chủ yếu phân bố ở các tỉnh như Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh và Hoà Bình do điều kiện đất đai thuận lợi.
Thanh Hóa hiện có gần 70.000 ha rừng luồng, tập trung chủ yếu ở 16 huyện miền núi trung du, chiếm 56% tổng diện tích rừng trồng của tỉnh và khoảng 55% diện tích luồng cả nước Cây luồng, với đặc tính dễ trồng và chăm sóc, có thể thu hoạch sau 40-50 năm, trở thành lựa chọn hàng đầu cho các dân tộc miền núi trong việc phát triển kinh tế gia đình và xóa đói giảm nghèo.
Mặc dù luồng có trữ lượng lớn, nhưng việc trồng không tập trung gây khó khăn trong khai thác và vận chuyển Thêm vào đó, do đời sống khó khăn, người dân thường khai thác luồng non (2 năm tuổi), trong khi tuổi này có khả năng sinh măng cao nhất, trái với khuyến cáo chỉ nên khai thác từ 3 năm tuổi trở lên để đạt năng suất và giá trị kinh tế cao Hơn nữa, tỷ lệ lợi dụng của tre thấp dẫn đến thất thoát lớn về nguyên liệu và nhân công.
1.1.2 Sinh trưởng, phát triển và nhân giống của luồng
Luồng là cây thực vật một lá mầm, phát triển qua hai giai đoạn chính: sinh trưởng dinh dưỡng và sinh trưởng sinh sản Giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng bắt đầu từ khi hạt nảy mầm, phát triển thành cây mới và sinh măng, cho đến khi chồi hoa bắt đầu phân hóa Tiếp theo, giai đoạn sinh trưởng sinh sản diễn ra từ khi chồi hoa ra, hoa nở, cho đến khi kết quả và hạt chín.
Luồng có đặc điểm sinh trưởng đa dạng, bao gồm sự phát triển hướng đất của rễ, hướng không khí của thân và sự mọc ngang của thân ngầm Cơ quan dinh dưỡng của luồng bao gồm thân ngầm, măng cành, lá và rễ, tạo thành một thể thống nhất Thân ngầm sinh ra măng, từ đó hình thành cây (thân khí sinh) và thân khí sinh có khả năng nuôi dưỡng thân ngầm hoặc tạo ra thân ngầm mới, cho thấy sự liên kết chặt chẽ trong toàn bộ vùng luồng.
Phương thức trồng cây luồng bao gồm trồng thuần loài ở những vùng có trình độ thâm canh cao và trồng hỗn giao với các loài cây gỗ bản địa như tràm, quế Ở những nơi có rừng cây bụi thứ sinh nghèo, cần xử lý thực bì theo băng, đặc biệt ở khu vực đồi dốc Mùa xuân là thời điểm lý tưởng để trồng, với khoảng 900 gốc mỗi ha Ngoài ra, có thể trồng bằng hạt, ươm cành hoặc vùi cả thân Cây luồng có khả năng sinh trưởng mạnh mẽ, hàng năm đều cho ra măng, tạo thành những cây luồng khác tuổi trong bụi Cây luồng phát triển nhanh chóng, với thân, cành và thân ngầm đều chia đốt và có tổ chức phân sinh, hoàn thành sinh trưởng về đường kính và chiều cao sau 3 tháng.
Luồng là loài lâm sản ngoài gỗ với nhiều công dụng, có khả năng sinh trưởng nhanh và phạm vi sử dụng rộng rãi Nó giúp giữ đất chống lở, điều tiết nước, làm sạch không khí và cải thiện môi trường Với thân dày và cứng, luồng được ưa chuộng trong xây dựng, đặc biệt là làm nhà sàn cho các dân tộc miền núi và được sử dụng phổ biến ở nông thôn.
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu cấu tạo, tính chất cơ lý và thành phần hóa học của cây luồng (Dendrocalamus baratus Hsuch et D.Z.Li) nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nguyên liệu này một cách hiệu quả.
2.2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng: cây Luồng (Dendrocalamus baratus Hsuch et D.Z.Li), 2-4 tuổi, khai thác tại huyện Bá thước, tỉnh Thanh Hoá
- Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo thô đại, cấu tạo hiển vi
- Xác định tính chất cơ, vật lý
- Xác định hàm lượng các thành phần hoá học của cây luồng
Phương pháp kế thừa là việc chọn lọc các tài liệu, kết quả nghiên cứu, đề tài và công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu cả trong và ngoài nước.
Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc lấy mẫu và kiểm tra các tính chất cơ học, vật lý cũng như thành phần hóa học, được mô tả chi tiết trong phần vật liệu và phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp sử dụng tiêu chuẩn trong nước và quốc tế:
Chọn cây tre, lấy mẫu và gia công mẫu theo Tiêu chuẩn GB/T 15780-1995, tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc, nhằm kiểm tra các tính chất vật lý và cơ học của tre.
+ Xác định tính chất cơ học, vật lý theo Tiêu chuẩn GB/T 15780-1995
+ Xác định hàm lượng các thành phần hoá học của luồng theo các tiêu chuẩn TAPPI của Hiệp hội thương mại giấy và bột giấy Mỹ
Phương pháp xử lý số liệu là việc áp dụng các kỹ thuật thống kê toán học để phân tích các số liệu thu thập từ quá trình thực nghiệm về tính chất cơ học và vật lý.
* Trung bình mẫu Được xác định theo công thức: n x X n i
Trong đó: xi – các giá trị ngẫu nhiên của mẫu thí nghiệm; n – số mẫu quan sát;
X - trị số trung bình mẫu
* Sai tiêu chuẩn mẫu Được xác định theo công thức:
Trong đó: S – sai quân phương; xi - giá trị của các phân tử;
X - trung bình cộng của các giá trị x i ; n – số mẫu quan sát
* Sai số trung bình cộng Được xác định theo công thức: n m s (1.3)
Trong đó: m – sai số trung bình cộng; s – sai quân bình phương; n – số mẫu quan sát
* Hệ số biến động Được xác định theo công thức:
Trong đó: S% - hệ số biến động; s – sai quân bình phương;
X - trị số trung bình cộng
* Hệ số chính xác Được xác định theo công thức:
Trong đó: P – hệ số chính xác; m – sai số trung bình cộng;
X - trị số trung bình cộng
* Sai số tuyệt đối của ước lượng Được xác định theo công thức: n x s t
Trong đó: C (95%) – sai số tuyệt đối của ước lượng; t a/2 – mức tin cậy; s - độ lệch tiêu chuẩn; n – dung lượng mẫu
1.2.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu cấu tạo, tính chất cơ vật lý và thành phần hoá học của cây luồng là nền tảng khoa học quan trọng để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nguyên liệu một cách hợp lý và hiệu quả.
Việc trồng và chế biến luồng đã chứng minh hiệu quả trong việc đa dạng hóa sản phẩm chế biến lâm sản, từ đó nâng cao giá trị sử dụng nguồn lâm sản ngoài gỗ.
LÝ THUYẾT VỀ CẤU TẠO VẬT LIỆU CÓ SỢI
2.1.1 Lý thuyết vật liệu có sợi
Gỗ là sản phẩm thực vật với cấu trúc phức tạp, bao gồm các yếu tố giải phẫu và hóa học Cấu tạo gỗ đóng vai trò quan trọng nhất trong việc xác định tính chất của nó, và mối liên hệ giữa cấu tạo và tính chất rất chặt chẽ Cấu tạo gỗ có thể xem như biểu hiện bên ngoài của các tính chất nội tại Hiểu biết về cấu tạo gỗ là nền tảng để giải thích các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công, chế biến và sử dụng gỗ.
Gỗ cây được cấu tạo từ hàng triệu tế bào liên kết với nhau bằng mạng pectic, tương tự như vữa gắn kết các viên gạch Cấu trúc và thành phần của vách tế bào là yếu tố quyết định đến tính chất của gỗ Vách tế bào chủ yếu được hình thành từ cellulose và lignin, trong đó cellulose tạo nên khung vững chắc như cốt sắt, còn lignin giống như xi măng bao quanh khung này Khung cellulose được cấu thành từ nhiều phân tử cellulose (C6H10O5) liên kết thành mixencellulose, và nhiều mixencellulose lại kết hợp tạo thành bó, cùng với lignin tạo nên vách tế bào chắc chắn.
Vách tế bào được chia thành ba phần: màng giữa, vách sơ sinh và vách thứ sinh:
Màng giữa là thành phần quan trọng nằm giữa hai tế bào cạnh nhau, được cấu tạo từ chất pectic với axit tetragalacturonic là thành phần cơ bản Đây là một lớp màng mỏng có độ hoá gỗ cao, góp phần vào cấu trúc và tính chất của tế bào.
Vách sơ sinh là lớp vách mỏng được hình thành cùng với tế bào gỗ, nằm ở phía ngoài và có thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin với mức độ hóa gỗ cao Trong vách sơ sinh, các mixen cellulose được sắp xếp không theo trật tự, do đó không ảnh hưởng quyết định đến tính chất của gỗ.
Vách thứ sinh là lớp vách được hình thành sau cùng trong quá trình phát triển của tế bào, có độ dày lớn nhất so với màng giữa và vách sơ sinh Thành phần chính của vách thứ sinh bao gồm cellulose và lignin, với cấu trúc mixencellulose được sắp xếp có trật tự và chia thành hai lớp.
Lớp ngoài của cây là một lớp mỏng nằm sát vách sơ sinh, trong đó các mixencellulose được sắp xếp vuông góc với chiều dọc thân cây hoặc nghiêng một góc từ 70-90 độ so với trục dọc của thân.
Lớp giữa, nằm ngay sau lớp ngoài, là lớp dày nhất của cây Trong lớp này, các mixencellulose được sắp xếp song song với trục dọc của tế bào hoặc nghiêng một góc dưới 30 độ so với trục dọc tế bào.
+ Lớp trong: mỏng, nằm sát ruột tế bào, các mixencellulose sắp xếp giống như lớp ngoài
Cấu trúc vách tế bào, đặc biệt là sự sắp xếp của các mixen trong vách thứ sinh, đóng vai trò quyết định trong việc giải thích mối quan hệ giữa cấu tạo và các tính chất của gỗ, cũng như các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công, chế biến và sử dụng gỗ.
Thân tre là phần hóa gỗ trên mặt đất, bao gồm lóng và đốt, có hình trụ và rỗng bên trong, với mặt cắt ngang giống như vành khăn Trên thân tre, cách một đoạn lại có một mắt tre, nơi có màng ngang Thành tre bao gồm tinh tre, thịt tre (cật, ruột) và màng lụa.
Tinh tre màu xanh có bề mặt nhẵn và lớp sáp bên ngoài, chứa chất diệp lục màu xanh trong các tế bào của lớp ngoài cùng Khi tinh tre già hoặc sau khi khai thác, màu sắc sẽ chuyển dần sang màu vàng Bên trong tinh tre, cật tre chứa các tế bào đá hình viên gạch, trong khi ruột được cấu tạo từ các bó mạch và tế bào mô mềm Màng lụa nằm trong cùng là một lớp mỏng dính liền với thịt tre, được hình thành từ các tế bào vách mỏng.
Tre là loại cây phát triển nhanh, chỉ có sinh trưởng sơ cấp mà không có sinh trưởng thứ cấp Đặc điểm nổi bật của tre là không có tia gỗ và không có tế bào xếp ngang theo hướng xuyên tâm tại phần lóng.
Trên mặt cắt ngang của thành tre, có nhiều chấm nhỏ màu thẫm đậm, đó là các bó mạch phân bố có trật tự Kích thước bó mạch giảm dần từ trong ra ngoài, trong khi mật độ bó mạch lại tăng lên Theo nghiên cứu của I K Penxki (1951), nếu chia chiều dày thành tre thành 4 phần bằng nhau, số bó mạch ở phần 1 chiếm 11%, phần 2 khoảng 14,5%, phần 3 khoảng 21%, và phần 4 lên đến 51%.
Mặc dù nhiều nhà nghiên cứu đã khảo sát cấu tạo của tre, nhưng chỉ một số ít đặc điểm được mô tả, khiến chúng ta hiểu biết còn hạn chế về sự khác biệt giữa các loài tre dựa trên cấu tạo hiển vi Điểm nổi bật trong cấu tạo hiển vi của tre là nó là cây sinh trưởng nhanh, chỉ có sinh trưởng sơ cấp mà không có sinh trưởng thứ cấp Thêm vào đó, tre không có tia gỗ và không có các tế bào xếp ngang theo hướng xuyên tâm ở phần lóng.
Cấu tạo hiển vi của các lóng tre cho phép xác định số lượng, hình dạng, kích thước và trật tự của các bó mạch Thân tre chứa khoảng 50% tế bào mô mềm, 40% sợi, và 10% tế bào dẫn, trong đó tế bào mô mềm và tế bào dẫn tập trung nhiều ở phần ruột tre, còn sợi chiếm ưu thế ở phần cật Đặc biệt, số lượng sợi tăng dần từ gốc lên ngọn, trong khi tế bào mô mềm lại giảm từ gốc tới ngọn.
Bó mạch trong thân tre bao gồm phần gỗ (xylem) với 1-2 mạch nhỏ (protoxylem) và 2 mạch lớn (metaxylem) có đường kính từ 40-120 μm, cùng với phần libe (phloem) chứa các tế bào rây không hóa gỗ và vách mỏng Các mạch lớn (metaxylem vessels) và tổ chức libe được bao quanh bởi các đám sợi (sclerenchyma sheaths) Ở vòng ngoài của thân, số lượng bó mạch nhỏ nhiều hơn, trong khi ở phần trong có ít bó mạch lớn hơn Tổng số bó mạch giảm dần từ phần ngoài vào trong và từ gốc lên ngọn.
TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC
Khối lượng thể tích là yếu tố quan trọng để đánh giá giá trị của gỗ trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó có mối liên hệ chặt chẽ với các tính chất vật lý và cơ học của gỗ, ảnh hưởng đến ứng dụng và hiệu suất sử dụng của vật liệu này.
Khối lượng thể tích của tre tăng từ gốc lên ngọn và từ trong ra ngoài, với phần mắt tre có khối lượng thể tích cao hơn phần lóng Sự gia tăng này là do phần ngọn và phần cật tre có mật độ bó mạch cao hơn Điều kiện sinh trưởng ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và vật lý của tre; ở những nơi có khí hậu nóng ẩm và đất tốt, tre phát triển mạnh, tạo ra thành tre dày nhưng cấu trúc tế bào lỏng lẻo và khối lượng thể tích nhỏ Ngược lại, ở những khu vực có khí hậu khô lạnh và đất kém, tre sinh trưởng kém, dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc tế bào và làm tăng khối lượng thể tích.
Tre chứa một lượng nước lớn, phụ thuộc vào tuổi, loài cây và mùa trong năm Nước trong tre có ba dạng: nước thấm, nước hóa học và nước tự do Nước thấm nằm trong vách tế bào, nước hóa học là một phần của vách tế bào và không thể chuyển hóa thành hơi trong quá trình phơi sấy, trong khi nước tự do nằm trong ruột tế bào.
Tính hút ẩm của tre đến từ nhóm hyđroxyl trong cellulose, chất màu và hemi-cellulose Tỉ lệ co rút và dãn nở của tre không đồng nhất, với chiều dọc có tỉ lệ co dãn nhỏ và chiều ngang có tỉ lệ co dãn lớn Độ ẩm của thân cây tăng từ gốc lên ngọn và giảm ở các thân cây trên 3 năm tuổi, trong khi vào mùa mưa, độ ẩm thân cây cao hơn nhiều so với mùa khô.
Hiện tượng co rút của tre xảy ra khi tre mất ẩm trong quá trình phơi sấy Khác với gỗ, tre bắt đầu co rút ngay sau khi được khai thác, nhưng quá trình này không diễn ra đều đặn Mức độ co rút của tre phụ thuộc vào cả chiều dày và đường kính của thân cây.
Sấy tre tươi ở tuổi trưởng thành đến độ ẩm 20% dẫn đến tỉ lệ co rút đường kính thân từ 3-12% và chiều dày thành tre từ 4-14% Tỉ lệ co rút theo chiều dọc thớ dưới 0,5% Độ ẩm của thân tre, tính bằng phần trăm giữa lượng nước trong thân cây và khối lượng thân khô, ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học Đối với thân cây trưởng thành ở trạng thái tươi, độ ẩm dao động từ 50-99%, trong khi thân cây non có độ ẩm từ 80-150% Các thân cây đã khô có độ ẩm nằm trong khoảng 12-18%.
Trong quá trình gia công và sử dụng, gỗ phải chịu tác động của lực bên ngoài, và khả năng chống lại những tác động này được gọi là tính chất cơ học hay cường độ của gỗ Nghiên cứu về tính chất cơ học không chỉ cung cấp số liệu cần thiết cho thiết kế và tính toán, mà còn giúp giải quyết mâu thuẫn giữa an toàn và tiết kiệm vật liệu Hơn nữa, nghiên cứu này còn hỗ trợ ngành chế biến lâm sản tìm ra các phương pháp gia công và sử dụng gỗ hiệu quả hơn.
Khi gỗ chịu nén dọc thớ, nội lực được sinh ra để chống lại lực tác động theo chiều dọc Các tế bào trong gỗ thường sắp xếp song song với trục dọc thân cây, giúp các bó mixencellulose tạo ra nội lực để kháng lại lực nén Khả năng liên kết giữa các mixencellulose giúp ổn định vị trí chịu lực, trong khi sức hút tương hỗ giữa các phần tử cấu tạo nên gỗ tạo ra một khối vững chắc và ứng lực cho gỗ.
Tre có tính chất cơ học cao, đặc biệt là sức chịu kéo, phụ thuộc vào loài, tuổi, điều kiện sinh trưởng và vị trí trên thân Tính chất cơ học của tre tăng từ tuổi 2,5 đến 4 và đạt cường độ lớn nhất ở tuổi thành thục, đây là thời điểm khai thác hợp lý Cường độ ép dọc tăng từ gốc đến ngọn, trong khi cường độ uốn tĩnh lại giảm theo chiều cao, và cường độ ép dọc cũng tăng từ trong ra ngoài theo chiều ngang.
Các tính chất cơ học của tre tương tự như gỗ và được xác định ở độ ẩm cụ thể Cường độ ép dọc thớ của tre dao động từ 21,6-38,8 N/mm² ở phần gốc, 26,6-41,4 N/mm² ở phần giữa, và từ 17,4-31-49,9 N/mm² ở phần ngọn Mắt tre có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của tre, với cường độ kéo dọc của phần mắt thấp hơn khoảng 25% so với phần lóng, trong khi các tính chất cơ học khác của phần mắt lại cao hơn phần lóng.
Cường độ uốn tĩnh, được đo bằng N/mm², là chỉ số thể hiện ứng suất cần thiết để gây ra sự phá hoại vật liệu khi chịu uốn Giá trị cường độ uốn tĩnh thường dao động từ 72 đến 94 N/mm² trong trường hợp không có mấu, và từ 84 đến 120 N/mm² khi có mấu.
Mô-đun đàn hồi uốn tĩnh, tính bằng N/mm², thể hiện tỉ lệ giữa ứng suất uốn tĩnh và biến dạng tương đối, từ đó xác định độ cứng của vật liệu; trị số càng lớn cho thấy vật liệu càng cứng Mô-đun này có mối liên hệ trực tiếp với số lượng sợi, vì vậy trong thân cây, trị số này giảm từ phía cật vào trong ruột Thông thường, mô-đun đàn hồi của các thân cây đã sấy khô dao động từ 17.000 đến 20.000 N/mm², trong khi các thân cây còn tươi có trị số từ 9.000 đến 10.100 N/mm².
THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA THỰC VẬT CÓ SỢI
Tre luồng là sản phẩm thực vật có cấu trúc giải phẫu và hóa học đa dạng Chất gỗ, được định nghĩa là tập hợp các chất tạo nên vách tế bào, có thành phần hóa học phụ thuộc vào nguồn gốc sinh học của nó.
Gỗ chủ yếu được cấu tạo từ các chất hữu cơ, với 99-99,7% thành phần là cacbon (C), hydro (H), oxy (O) và nitơ (N), trong khi các chất khoáng chỉ chiếm dưới 1% Tỷ lệ thành phần các chất hữu cơ trong các loại gỗ và các bộ phận khác nhau của cùng một cây có sự khác biệt, nhưng tỷ lệ nguyên tố lại tương đối đồng nhất Thành phần hóa học chủ yếu của thân tre bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, trong khi các thành phần thứ yếu như nhựa, tannin, sáp và muối vô cơ cũng hiện diện Cellulose và hemicellulose, được gọi là cellulose tổng (holocellulose), là phần chất rắn còn lại sau khi loại bỏ lignin và các thành phần thứ yếu, với hemicellulose chiếm 80-90% là pentozan Nước lạnh có thể hòa tan một số chất nhuộm và tannin, trong khi nước nóng chiết tách nhiều chất hơn như tinh bột và độc tố Hỗn hợp cồn-benzen có khả năng chiết tách hầu hết các chất không thuộc nhóm cellulose và lignin, trong khi ete được sử dụng để chiết tách các alkaloids không tan trong nước Hàm lượng các thành phần hóa học trong các loài tre khác nhau có sự biến đổi tùy thuộc vào điều kiện sinh trưởng và vị trí trên thân cây.
2.3.1 Thành phần hoá học các chất vô cơ trong thực vật có sợi
Thành phần vô cơ trong thực vật chứa sợi, khi được đốt cháy hoàn toàn sẽ chuyển thành tro Nếu trong thành phần này có các chất đặc biệt không tan trong nước, chúng có thể cản trở quá trình gia công cơ giới Do đó, trong sản xuất giấy và bột giấy, hàm lượng tro cần được giữ ở mức thấp nhất có thể.
Tro là hợp chất của các nguyên tố: K, Na, Mg, Mn, Fe, Si… và được chia làm
- Phần tan trong nước chiếm từ: 10-25%, trong đó chủ yếu là các muối Cacbonat của Natri và Kali chiếm 60-70%
Phần không tan trong nước chiếm từ 75-90%, với gần một nửa là muối Carbonat Canxi Phần còn lại bao gồm muối Photphorit Silic và các loại muối khác không tan trong nước.
2.3.2 Thành phần hoá học các chất hữu cơ trong thực vật có sợi
2.3.2.1 Thành phần cấu trúc tế bào
Cellulose và lignin là hai thành phần cơ bản nhất cấu tạo nên vách tế bào Hàm lượng của nó có sự biến động tuỳ theo loài cây
Cellulose nguyên chất là một chất có màu trắng, không mùi và không vị, với cấu trúc dạng sợi và khối lượng riêng 1.55 g/cm³ Nó có khả năng hút ẩm mạnh mẽ và tính ổn định cao, không tan trong nước, rượu, axeton, ete và các dung môi thông thường khác Cellulose chỉ hòa tan trong các dung môi đặc biệt như nước xanh Cu(OH)2(NH3)4, dung dịch ZnCl2 đậm và nóng, cũng như trong các muối clorua như BiCl2, PbCl2 và các muối trung tính đậm đặc như KI, BaI, Ca(CNS)2, LiCNS, cùng với hai axit mạnh HCl và H2SO4 đậm đặc.
Theo hình thức phân bố các chất hữu cơ trong thiên nhiên, cellulose chiếm tỷ lệ cao nhất
Sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp là đường gluco:
Cellulose được hình thành từ đường gluco thông qua nhiều biến đổi trung gian, với công thức hóa học là (C6H10O5)n + nH2O Các phân tử gluco liên kết với nhau bằng liên kết B-D-glucozit, tạo thành chuỗi phân tử cellulose Mạch phân tử cellulose bao gồm hai vùng: vùng tinh thể và vùng vô định hình Vùng tinh thể có cấu trúc bền vững, nơi các phân tử cellulose sắp xếp theo trật tự, làm cho dung môi và hóa chất khó xâm nhập Ngược lại, vùng vô định hình có cấu trúc kém bền, với các phân tử cellulose không sắp xếp theo trật tự, cho phép dung môi và hóa chất dễ dàng xâm nhập, dẫn đến phản ứng làm đứt mạnh và giải phóng cellulose.
Cellulose có công thức phân tử là (C6H10O5)n, với “n” là độ trùng hợp Trị số
Mức độ trùng hợp của cellulose, thường dao động từ 600-1500, ảnh hưởng lớn đến tính chất của giấy và bột giấy Khi độ trùng hợp giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, sợi cellulose sẽ trở nên không bền và không thể sử dụng để sản xuất giấy Do đó, nguồn gốc cellulose và phương pháp xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng của sản phẩm giấy.
Trong sản xuất bột giấy và ván sợi, hiệu suất bột thu được tỉ lệ thuận với hàm lượng cellulose, với yêu cầu tối thiểu là 35%.
Lignin, cùng với cellulose, là thành phần chính cấu tạo nên vách tế bào Đây là một polyme không định hình dạng lưới, có cấu trúc phân tử với vòng thơm và màu nâu xẫm So với cellulose, lignin có độ ổn định kém hơn nhiều.
Lignin trong tế bào thực vật nằm ở giữa các tế bào và chủ yếu được tích tụ trong suốt quá trình mộc hoá của mô thực vật [10]
Trong quá trình nhiệt phân gỗ, sản phẩm dầu gỗ không tan chủ yếu do lignin tạo thành, trong khi dầu gỗ tan lại được hình thành từ cellulose và hemicellulose Lignin chiếm từ 17-30% trong thành phần gỗ, với tỷ lệ cao hơn ở gỗ lá kim so với gỗ lá rộng Đặc điểm nổi bật của lignin là khả năng hấp thụ màu sắc từ phenol và các chất khác, vì vậy trong công nghệ chế tạo giấy, người ta thường sử dụng tính chất này để kiểm tra hàm lượng lignin còn lại trong gỗ.
+ Với Phenol (C6H5OH) nhuộm lignin thành màu xanh;
+ Octodihydroxibenzin [C6H4(OH)2] nhuộm lignin thành tím;
+ Phenyllamin (C6H5NH2) nhuộm lignin thành vàng
Công nghệ sản xuất giấy hiện đại đã cải tiến quy trình tẩy lignin để đồng nhất màu sắc với cellulose, giúp nâng cao tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu lên gần 80% và thay đổi cách thức sản xuất giấy.
Lignin không tan trong dung môi thông thường và không bị phân huỷ như các polisacarit Dưới những điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, lignin có khả năng tái tạo về trạng thái ban đầu và trùng ngưng, tạo keo Tính chất này của lignin được tận dụng trong sản xuất ván sợi.
Trong sản xuất bột giấy và giấy, việc loại bỏ lignin khỏi nguyên liệu là rất quan trọng, vì hàm lượng lignin càng thấp thì chất lượng giấy càng cao Khả năng tách lignin ra khỏi nguyên liệu được thể hiện qua trị số Kappa; trị số này càng thấp cho thấy lượng lignin được loại bỏ nhiều hơn, dẫn đến độ trắng của giấy tăng lên.
Hemicellulose, giống như cellulose, là polysaccharid cấu tạo nên vách tế bào và đóng vai trò cơ học, đồng thời cũng giống như tinh bột, là nguồn thức ăn dự trữ trong cây Khác với cellulose, hemicellulose có tính chất kém bền vững khi tiếp xúc với axit và kiềm loãng Hemicellulose bao gồm pentozan (C5H8O4)n và hexozan (C6H10O5)n, trong đó chủ yếu là pentozan Sự hiện diện của hemicellulose trong vách tế bào giúp tăng tốc độ trương nở và xơ hoá sợi, từ đó giảm thời gian và năng lượng cần thiết trong quá trình nghiền.
Thành phần hóa học của tre luồng đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp bột giấy và giấy Hemicellulose cung cấp cường độ cho bột giấy, trong khi hàm lượng lignin cao yêu cầu sử dụng nhiều hóa chất hơn trong quá trình sản xuất để loại bỏ một phần lignin.
PHƯƠNG PHÁP CHỌN CÂY LẤY MẪU
3.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm sinh thái rừng cây lấy mẫu
Huyện Bá Thước, thuộc tỉnh Thanh Hoá, nằm cách thành phố Thanh Hoá 150 km về phía tây nam Huyện này có ranh giới phía đông giáp huyện Thạch Thành và Cẩm Thuỷ, phía nam giáp huyện Ngọc Lạc và Lang Chánh, phía tây giáp huyện Quan Sơn và Quan Hoá, và phía bắc giáp huyện Mai Châu, Tân Lạc và Lạc Sơn của tỉnh Hoà Bình.
- Đặc điểm sinh thái rừng cây lấy mẫu
Khí hậu nhiệt đới gió mùa với nhiệt độ trung bình năm từ 26-28°C và lượng mưa hàng năm khoảng 1730-1980 mm, chủ yếu tập trung vào tháng 5 đến tháng 7 âm lịch Từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa chỉ chiếm dưới 15% Độ ẩm không khí trung bình đạt 80-85%, tạo điều kiện lý tưởng cho sự sinh trưởng và phát triển của cây luồng.
Bá thước nằm trong vùng núi của tỉnh Thanh Hoá, có độ cao trung bình 600
700 m so với mực nước biển, độ dốc trung bình 25 0 đất chủ yếu là bazan màu vàng, hàm lượng mùn trung bình 4%, độ pH =5
+ Tình hình rừng: khu vực nghiên cứu là khu rừng trồng chủ yếu là cây luồng (Dedro calamus baratus Hsuch et D.Z.Li)
3.1.2 Phương pháp chọn ô lấy mẫu
Để nghiên cứu cây luồng, cần lựa chọn khu vực đại diện dựa trên điều kiện tự nhiên như thời tiết, vị trí địa lý và thổ nhưỡng Huyện Bá Thước, thuộc tỉnh Thanh Hoá, là một ví dụ điển hình với điều kiện khí hậu phù hợp Khu rừng luồng được chọn phải có ít nhất 100 cây luồng cùng độ tuổi, với đường kính thân cây ở độ cao 1.3 m không nhỏ hơn 50 mm.
Tại nơi lấy mẫu chọn 5 cây luồng có tính đại diện, thành thục, không có khuyết tật trong số 100 cây
Bảng 3-1 Kích thước của cây thí nghiệm
D1.3 (cm) Đường kính thân tb (cm)
Trước khi tiến hành chặt hạ cây luồng, cần đánh dấu vị trí Bắc – Nam ở chiều cao ngang ngực Sau khi chặt, hãy ghi lại đường kính, chiều cao dưới cành và tổng chiều cao của cây Đối với mỗi cây, từ vị trí cách mặt đất khoảng 1.5 m theo hướng lên ngọn, cắt lấy đoạn dài 0.5 m mỗi 1 m Nếu cây có chiều cao dưới cành thấp và đường kính ngang ngực nhỏ, có thể lấy mẫu từ vị trí cách mặt đất 1.0 m.
Hình 3-1 Sơ đồ cắt mẫu thí nghiệm trên các cây lấy mẫu
Mẫu sau khi chặt hạ kịp thời bảo quản để tránh biến màu, nứt tách, mục mọt và côn trùng phá hoại.
PHƯƠNG PHÁP LÀM TIÊU BẢN HIỂN VI VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC SỢI
3.2.1 Phương pháp làm tiêu bản hiển vi
Mẫu dùng để cắt làm tiêu bản hiển vi với kích thước thích hợp chiều dài là
Mẫu phải có kích thước chiều dài từ 15 – 20 mm và chiều rộng bằng chiều dày của thành tre, đồng thời đảm bảo có đủ ba mặt cắt: mặt cắt ngang, mặt cắt xuyên tâm và mặt cắt tiếp tuyến Khi thực hiện nhiều mẫu cùng một lúc, cần phải đánh dấu hoặc gán số cho từng mẫu để tránh nhầm lẫn.
Xử lý làm mềm mẫu:
Sau khi cắt, mẫu vẫn rất cứng và không thể làm tiêu bản ngay lập tức Để cắt dễ dàng hơn, cần xử lý mẫu để làm mềm Phương pháp đơn giản nhất là luộc mẫu trong nước sôi cho đến khi mẫu thấm nước hoàn toàn Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Khi mẫu đã thấm nước, tiếp theo, ngâm mẫu vào dung dịch glyxerin và cồn (tốt nhất là rượu metylic) theo tỷ lệ 1:1 trong một thời gian để làm mềm mẫu.
Để có được các lát cắt tiêu bản chất lượng cao, cần sử dụng lưỡi cắt sắc và chuẩn, với dao lam loại tốt nhất Mẫu phải được giữ chắc chắn trong tay, cắt thành các lát mỏng với cánh tay di chuyển liên tục và ổn định Tay trái sử dụng chổi lông mềm để ép nhẹ lát cắt lên mặt dao, giúp tránh uốn cong và rách Sau khi cắt, dùng chổi lông chuyển các lát cắt vào ngâm trong cồn, với độ dày lý tưởng là 0,01 mm cho mỗi lát cắt.
Cách thức chung để nhuộm màu cho tiêu bản được ghi theo các bước dưới đây:
1 Ngâm các lát cắt bằng dung dịch Safranine trong 12h
2 Gạn hết Safranine rồi rửa các lát cắt bằng cồn nhiều lần ở các nồng độ khác nhau từ 25°, 50°, 75°, 80°, 90° cho đến 100° thì dừng lại
3 Ngâm các lát cắt trong dung dịch Xylen
Dán tiêu bản (dán các lát cắt trên lam kính):
Để cố định các lát cắt, bạn cần sử dụng Bôm Canada theo các bước sau: Sau khi ngâm các lát cắt trong Xylen, hãy sắp xếp chúng có trật tự trên lam kính trong suốt (75 x 25 mm) Tiếp theo, hòa tan 2 hoặc 3 giọt bột Bôm Canada trong Xylen để tạo ra một chất keo lỏng giống như đường – mật ở trạng thái nóng chảy, sau đó sử dụng chất keo này để gắn các lát cắt Cuối cùng, phủ lên trên bằng một phiến kính có kích thước thích hợp (40 x 20 mm).
Xylen là một hóa chất độc hại, do đó cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa phù hợp khi sử dụng Để chuẩn bị mẫu, làm nóng nhẹ lam kính cho đến khi xuất hiện bọt khí, sau đó ép hết phần keo thừa Để chụp ảnh tiêu bản, hãy lau sạch phần Bôm Canada tràn ra ngoài lam kính bằng giẻ thấm xylen.
3.2.2 Phương pháp xác định kích thước sợi
Phương pháp tách sợi được thực hiện bằng cách đo ngẫu nhiên chiều dài sợi sau khi các tế bào đã được phân tách Chúng tôi áp dụng kỹ thuật tách sợi của Madison, sử dụng các mảnh có kích thước và hình dạng tương tự như que diêm (1,5 x 1,5 x 30 mm).
Các mảnh có kích thước giống que diêm (1,5 x 1,5 x 30 mm) được ngâm trong hỗn hợp axít axetic 97% và hyđro peroxit 27% theo tỉ lệ 1:1, và quá trình tách sợi diễn ra trong 12 giờ ở nhiệt độ 60°C Sau khi tách, các sợi được rửa sạch hóa chất và khuấy bằng đũa thủy tinh Tiếp theo, sử dụng rây tiêu chuẩn số 100 (đường kính lỗ 149 µm) để lọc lấy các sợi và nhuộm màu bằng Safranin Quy trình nhuộm bao gồm: ngâm sợi trong dung dịch Safranin 1% trong 5 phút, gạn bỏ dung dịch và rửa sợi bằng nước cất ít nhất 3 lần, sau đó rửa tiếp bằng cồn 97%.
Ngâm các sợi trong dung dịch Fast Green 1% trong 2 phút, sau đó gạn sạch dung dịch này và rửa lại bằng cồn tuyệt đối từ 1 đến 2 lần.
Lấy ngẫu nhiên 30 sợi đã được nhuộm màu đưa lên hai lam kính trong suốt
Kích thước mẫu là 75 x 25 mm Để cố định các sợi lên lam kính, sử dụng 2 hoặc 3 giọt Bôm Canada hòa tan trong xylen Sử dụng kính hiển vi quang học có trắc vi thị kính để đo chiều dài của từng sợi.
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ, VẬT LÝ
(áp dụng theo Tiêu chuẩn GB/T 15780-1995 )
Từ đoạn luồng được cắt tại các vị trí trên thân, chọn vị trí không có khuyết tật và có chiều dài lớn hơn 200 mm Tiến hành chẻ thành các thanh tre có bề rộng 15 mm và 30 mm, mỗi vị trí lấy một thanh Thanh 15 mm dùng làm mẫu thử tính chất co rút, khối lượng thể tích, cường độ uốn tĩnh và mô đun đàn hồi, trong khi thanh 30 mm dùng cho mẫu thử cường độ nén dọc Đoạn luồng dùng cho thí nghiệm co rút được ngâm trong nước đến khi kích thước ổn định, sau đó chế tạo mẫu Các thanh khác để khô tự nhiên, xếp sao cho ruột tre hướng xuống và dùng vật nặng đè lên để tránh biến hình Sau khi khô, thanh luồng được đặt trong môi trường 20±2°C và độ ẩm 65%±5% để điều chỉnh độ ẩm, khi khối lượng ổn định thì tiến hành chế tạo mẫu thí nghiệm.
Mẫu thí nghiệm yêu cầu không có khuyết tật, với hai mặt chiều xuyên tâm phải phẳng và song song, trong khi hai mặt chiều tiếp tuyến cần giữ nguyên hình dạng của cật và ruột Mặt tiếp tuyến và mặt xuyên tâm phải vuông góc với nhau, và mỗi mẫu phải được ký hiệu rõ ràng Độ chính xác gia công mẫu yêu cầu sai số chiều dài cho phép là ±1.0mm, sai số chiều rộng cho phép là ±0.5mm, và sai số tương đối giữa các điểm trên chiều dài mẫu không được vượt quá 0.2mm.
Sử dụng mẫu thí nghiệm khô, đặt trong tủ điều chỉnh độ ẩm với nhiệt độ 20±2 °C và độ ẩm tương đối 65%±5% để đạt độ ẩm 12% Nếu nhiệt độ môi trường thấp hơn 20±2 °C, cần điều chỉnh nhiệt độ tương ứng để duy trì độ ẩm mẫu ở mức 12%.
3.3.1 Phương pháp xác định tỷ lệ co rút
Tỷ lệ biến đổi kích thước và thể tích của tre khi chuyển từ trạng thái tươi sang khô hoặc khô kiệt phản ánh tính co rút theo chiều dài và thể tích của tre trong các trạng thái này.
Sử dụng mẫu có kích thước 10mm x 10mm x t mm để đo kích thước chiều xuyên tâm, tiếp tuyến và chiều dọc thớ mẫu ướt với độ chính xác tới 0.01 mm, cho l 1, a 1 và b 1 là V 1 Đặt mẫu vào tủ sấy ở nhiệt độ (103 ±).
5) 0 C đến khô kiệt sau đó đo kích thước được l 2 , a 2 và b 2 được V 2
Tính tỷ lệ co rút theo công thức:
Tỷ lệ co rút thể tích: Yv(%) = ( ) 100 (%)
Trong đó: l: kích thước chiều dọc thớ, mm a, b: kích thước xuyên tâm và tiếp tuyến, mm
V 1: thể tích mẫu tươi, ướt, mm
V 2: thể tích mẫu khô, mm
Y l :tỷ lệ co rút theo chiều dọc thớ, %
Y x , Y t : tỷ lệ co rút theo xuyên tâm và tiếp tuyến, %
Y v : tỷ lệ co rút thể tích, %
3.3.2 Phương pháp xác định khối lượng thể tích
Sử dụng mẫu có kích thước: Dài x Rộng x Dày mm x 10 mm x t (chiều dày thành luồng) Đặt mẫu thí nghiệm trong tủ điều chỉnh độ ẩm với nhiệt độ 20±2°C và độ ẩm tương đối 65%±5% để đạt độ ẩm 12% Nếu nhiệt độ môi trường thấp hơn 20±2°C, cần điều chỉnh nhiệt độ phù hợp để duy trì độ ẩm mẫu ở mức 12% Sử dụng thước kẹp để đo kích thước các chiều dọc thớ, xuyên tâm và tiếp tuyến của từng mẫu với độ chính xác 0,01 mm Tiến hành cân các mẫu gỗ với độ chính xác 0,01g.
Các mẫu thí nghiệm được sấy khô ở nhiệt độ 105 ± 2 °C và làm nguội đến nhiệt độ phòng trong bình hút ẩm Kích thước các chiều của từng mẫu được đo chính xác đến 0,01mm bằng thước kẹp, và trọng lượng các mẫu gỗ được cân chính xác đến 0,01g.
Khối lượng thể tích ở các độ ẩm được tính theo công thức:
Trong đó: m – khối lượng của mẫu gỗ, g
V – thể tích của mẫu gỗ, cm 3
3.3.3 Phương pháp xác định cường độ nén dọc
Dùng mẫu có kích thước: Dài x Rộng x Dày = 20mm x 20 mm x t (chiều dày thành luồng)
Tác dụng lực theo chiều dọc thớ với tốc độ không đổi cho đến khi mẫu bị phá hoại giúp xác định cường độ nén dọc thớ Kích thước chiều xuyên tâm (chiều dày mẫu) và chiều tiếp tuyến (chiều rộng mẫu) cần được đo chính xác đến 0.1mm.
Xác định cường độ nén dọc theo công thức:
Pmax: lực phá huỷ mẫu, N a, b: kích thước mặt cắt ngang của mẫu, mm
3.3.4 Phương pháp xác định cường độ uốn tĩnh, mô đun đàn hồi
Sử dụng phương dầm đơn tại vị trí trung tâm của mẫu, tải trọng tập trung tăng dần với tốc độ đều dẫn đến sự phá hoại của mẫu, từ đó cho phép tính toán cường độ uốn tĩnh.
Dùng mẫu có kích thước: 160mm x 10mm x t mm (bề dày thành luồng)
Thí nghiệm cường độ uốn tĩnh được thực hiện theo phương tiếp tuyến, trong đó tại vị trí trung tâm của mẫu, kích thước chiều dày thành luồng (chiều rộng mẫu) và chiều tiếp tuyến (chiều cao mẫu) được đo chính xác đến 0.1mm.
Sử dụng phương pháp tác dụng lực điểm trung tâm, đặt mẫu thí nghiệm trên hai gối đỡ cách nhau 120mm Tác dụng lực theo hướng tiếp tuyến với tốc độ tăng lực hợp lý, đảm bảo mẫu bị phá hoại trong khoảng thời gian 1±0.5 phút.
Xác định cường độ uốn tĩnh theo công thức:
Xác định mô đun đàn hồi uốn tĩnh theo công thức:
Pmax: lực phá huỷ mẫu, N h: chiều cao mẫu, mm b: bề rộng mẫu chiều dày thành tre, mm l: khoảng cách giữa 2 gối đỡ, mm f: độ võng của mẫu, mm
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HOÁ HỌC
Từ các đoạn luồng cắt trên thân cây, những thanh không khuyết tật, bao gồm cả phần lóng và mắt, được chọn để thử nghiệm cơ lý Mẫu vật được băm nhỏ, sau đó trộn đều khoảng 2 kg dăm, sử dụng phương pháp tứ phân liên tục để đảm bảo tính đại diện trước khi nghiền thành sợi Mẫu sau khi nghiền được sàng với khối lượng 30 – 40 g trong 5 phút, lấy phần đi qua lưới sàng 0,4 mm và giữ lại trên lưới sàng 0,25 mm Để loại bỏ sắt, mẫu được rà bằng nam châm, sau đó sấy khô ở nhiệt độ 35 – 40 độ C trong 3 giờ và bảo quản trong bình thủy tinh miệng rộng có nắp nhám.
3.4.1 Phương pháp xác định hàm lượng ẩm nguyên liệu sợi thực vật
Việc xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu là rất cần thiết, vì độ ẩm biểu thị lượng nước có trong sợi thực vật Độ ẩm tuyệt đối được tính bằng phần trăm so với khối lượng mẫu khô kiệt, trong khi độ ẩm tương đối tính bằng phần trăm so với mẫu có nước như gỗ tươi Trong thực tế, độ ẩm tuyệt đối thường được sử dụng.
Trong quá trình sử dụng nguyên liệu, độ ẩm của chúng, bao gồm nước liên kết và nước tự do, có ảnh hưởng lớn đến khả năng thẩm thấu dịch và đường cong nấu bột trong công nghệ bột giấy Do đó, việc xác định độ ẩm nguyên liệu là cần thiết để tính toán và kiểm soát quy trình sản xuất Ngoài ra, khi phân tích thành phần nguyên liệu, khối lượng khô kiệt được sử dụng làm chuẩn gốc để tính toán tỷ lệ các chất có trong nguyên liệu Độ chính xác của các phép phân tích hóa học phụ thuộc nhiều vào việc xác định đúng độ ẩm của nguyên liệu.
Phương pháp xác định độ ẩm bao gồm cân sấy, chưng cất, sử dụng máy điện tự động và ván kiểm tra Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào phương pháp cân sấy để xác định độ ẩm của nguyên liệu.
- Tủ sấy (có thể điều chỉnh nhiệt độ)
- Bình hút ẩm, cân phân tích có độ chính xác đến 0,1 mg
Cân khoảng 1g mẫu chính xác đến 10-4 g và cho vào cốc thí nghiệm đã được sấy khô Đặt cốc vào tủ sấy, mở nắp và sấy ở nhiệt độ 103 ± 2 °C trong 3 giờ Sau đó, lấy cốc ra, để vào bình hút ẩm cho nguội trong khoảng 30 phút, rồi cân lại khối lượng Tiếp tục sấy thêm 1 giờ và lặp lại quá trình này cho đến khi khối lượng mẫu không thay đổi, với điều kiện khối lượng hai lần cân liên tiếp chênh lệch không quá 0,5%.
Gọi hàm lượng ẩm của mẫu là W (%) thì W được xác định như sau:
Trong đó: m 1: khối lượng mẫu và cốc trước khi sấy m 2: khối lượng mẫu và cốc sau khi sấy m: khối lượng khô tuyệt đối của cốc chịu nhiệt
Hệ số khô của mẫu được tính theo công thức:
Trong các phương pháp phân tích hóa học tiếp theo, các giá trị phân tích dựa trên lượng mẫu khô tuyệt đối sẽ được nhân với hệ số K k.
3.4.2 Độ pH của gỗ Độ pH của gỗ là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong việc sử dụng hợp lí gỗ, nó có quan hệ đến khả năng biến màu, tính năng dán dính, tính năng trang sức và tính ăn mòn
- Máy đo pH: có vạch chia 0,02
- Cân phân tích có độ chính xác đến 0,1 mg
Cốc miệng rộng: loại 50 ml và 500 ml
Lấy 3 g mẫu (cân chính xác đến 0,01g) cho vào cốc miệng rộng dung tích 50 ml, cho 30 ml nước cất mới đã được làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi khuấy đều trong 5 phút, để yên 15 phút lại khuấy đều 5 phút, dùng máy đo pH để xác định trị số pH chính xác đến 0,02
Mẫu thí nghiệm được thực hiện hai lần, với sai số giữa hai lần không vượt quá 5% Giá trị trung bình của hai lần thí nghiệm được lấy chính xác đến 0,01.
3.4.3 Phương pháp xác định hàm lượng tro (Theo tiêu chuẩn T - 15 - OS – 58)
- Cốc nung bằng sứ có nắp đậy
- Cân phân tích có độ chính xác đến 0,1 mg
- Tủ nung có khả năng duy trì nhiệt độ 550 – 600 0 C (575 ± 25 0 C) Để cho kết quả có độ chính xác cao thì ta thường xuyên kiểm tra nhiệt độ
Cân khoảng 2 – 3g mẫu với độ chính xác tới 0.0001g, và thực hiện cân 2 mẫu song song Cốc sứ và nắp cần được nung ở nhiệt độ 575 ± 25 0 C cho đến khi đạt khối lượng không đổi Đặt mẫu thử vào cốc nung, mở nắp và cho vào tủ nung, bắt đầu bằng cách đặt cốc trên mép ngoài hoặc trên bếp điện để tránh cháy Tăng dần nhiệt độ lên 575 ± 25 0 C và nung trong 3 - 4 giờ hoặc lâu hơn cho đến khi loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ, đảm bảo không còn màu đen trong mẫu Sau khi nung, cẩn thận lấy mẫu ra, đậy nắp lại và làm nguội trong bình hút ẩm từ 30 – 40 phút trước khi cân lại Quá trình này được lặp lại cho đến khi khối lượng chênh lệch giữa hai lần cân không vượt quá 0,5%.
Hàm lượng tro được xác định theo công thức :
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các yếu tố liên quan đến khối lượng cốc nung và tro sau khi sấy đến khối lượng không đổi Cụ thể, ký hiệu m1 đại diện cho khối lượng của cốc nung và tro đã được sấy khô, trong khi m là khối lượng cốc nung đã sấy đến khối lượng không đổi Ngoài ra, g là khối lượng mẫu thử trước khi tiến hành quá trình sấy.
3.4.4 Xác định hàm lượng cellulose (Tiêu chuẩn T-210-OS-70)
Phương pháp xác định hàm lượng cellulose hiệu quả nhất là sử dụng hỗn hợp dung dịch acid HNO3 và etanol, được gọi là phương pháp Kiursher - Hofft, nổi bật với tính đơn giản và độ chính xác cao.
Dụng cụ thí nghiệm Hóa chất
- Bình tam giác - Acid HNO3
- Bếp đun cách thuỷ - Etanol tinh khiết
- Phễu lọc màng xốp (G3 hoặc nop 100) - Dung dịch phloroglucinol trong axit
Cân 1g mẫu thử khô cho vào bình cầu đáy tròn hoặc bình tam giác 250ml, thêm 25ml hỗn hợp HNO3 và etanol (tỉ lệ 1:4), đun sôi trong 1 giờ, thường xuyên lắc mẫu Sau 1 giờ, loại bỏ dung dịch qua phễu lọc màng xốp IG3 và por – 16 Hạn chế mẫu rơi vào phễu lọc, dùng bơm chân để làm sạch Tiếp theo, cho 25ml dung dịch tinh khiết vào bình, lắp vào hệ thống làm lạnh và đun trong 1 giờ, sau đó lọc lại như trên Lặp lại quy trình khoảng 3 - 4 lần cho đến khi có phản ứng trắng với dung dịch phloroglucinol Cuối cùng, lọc mẫu, rửa bằng 10ml dung dịch mẫu tinh khiết và nước nóng đến khi phản ứng trung tính, sau đó sấy mẫu và phễu lọc ở 103 ± 2 °C đến khi khối lượng không đổi.
Hàm lượng cellulose được xác định theo công thức:
Để tính toán chính xác hàm lượng cellulose tinh khiết, cần xem xét khối lượng phễu lọc và mẫu đã sấy khô đến khối lượng không đổi (m1), cũng như khối lượng mẫu khô tuyệt đối (g) Đặc biệt, lượng pentozan còn sót lại trong cellulose cũng cần được tính đến Do đó, hàm lượng cellulose thường được nhân với hệ số chuyển đổi để có kết quả chính xác hơn.
P: là hàm lượng pentozan còn sót lại trong cellulose
3.4.5 Xác định hàm lượng lignin (Tiêu chuẩn T – 13 OS – 54)
Hàm lượng lignin thường được xác định thông qua phương pháp trực tiếp, sau khi đã loại bỏ các chất chiết xuất và polysaccarit bằng thủy phân axit Có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng lignin, trong đó phương pháp sử dụng axit là một trong những cách thông dụng và đơn giản nhất.
Dụng cụ thí nghiệm Hóa chất
- Bình tam giác - Dung dịch H 2 SO 4
- Nồi đun cách thủy - Nước cất
- Phễu lọc màng xốp (G4 hoặc nop 16)