Công nghiệp rừng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 6 2022 79 ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN TÍNH NHIỆT ĐẾN ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA GỖ THÔNG BA LÁ, BẠCH TÙNG VÀ CAO SU Hoàng Văn Hòa1, Đặng Đình Bôi2 1Trường Đạ[.]
Cơng nghiệp rừng ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN TÍNH NHIỆT ĐẾN ĐỘ BỀN CƠ HỌC CỦA GỖ THÔNG BA LÁ, BẠCH TÙNG VÀ CAO SU Hồng Văn Hịa1, Đặng Đình Bơi2 Trường Đại học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh Hội Khoa học Kỹ thuật Lâm nghiệp TP Hồ Chí Minh https://doi.org/10.55250/jo.vnuf.2022.6.079-085 TĨM TẮT Cơng nghệ biến tính nhiệt coi công nghệ xử lý gỗ thân thiện với môi trường không sử dụng hóa chất xử lý Sản phẩm gỗ sau biến tính nhiệt có độ ổn định kích thước cao, độ bền sinh học tăng rõ rệt so với gỗ khơng biến tính Tuy nhiên độ bền học gỗ bị ảnh hưởng biến đổi theo xu hướng giảm xuống Nghiên cứu tiến hành xử lý biến tính cho loại gỗ Thông ba lá, Bạch tùng Cao su nhiệt độ 170oC đến 210oC thời gian từ đến 12 Kết nghiên cứu cho thấy, gỗ Thông ba lá, gỗ Bạch tùng gỗ Cao su sau xử lý biến tính nhiệt có độ bền học giảm xuống rõ rệt Mức độ giảm độ bền uốn tĩnh biến động từ 30% với gỗ Bạch tùng đến 40% với gỗ Thông ba lá, độ bền uốn tĩnh gỗ Cao su giảm Độ bền nén dọc thớ gỗ gỗ Cao su tăng lên, độ bền nén dọc thớ gỗ Thơng gỗ Bạch tùng giảm Ngồi ra, độ bền học loại gỗ nghiên cứu phụ thuộc lớn vào nhiệt độ thời gian xử lý Để áp dụng sản xuất thực tiễn với loại gỗ này, cần vào yêu cầu độ bền học gỗ để xác định điều kiện xử lý biến tính cho phù hợp Từ khóa: Biến tính nhiệt, độ bền học, gỗ Bạch tùng, gỗ Cao su, gỗ Thông ba ĐẶT VẤN ĐỀ Gỗ Thông ba lá, gỗ Bạch tùng gỗ Cao su loại gỗ sử dụng rộng rãi sản xuất đồ mộc xây dựng Tuy nhiên, biết, loại gỗ chưa phù hợp sử dụng điều kiện tiếp xúc trực tiếp với môi trường ngồi trời Vì vậy, việc tìm giải pháp xử lý để tạo sản phẩm dùng điều kiện trời, nâng cao chất lượng để dùng đồ nội thất chất lượng cao cần thiết có ý nghĩa Những năm gần đây, giới Việt Nam có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố cơng nghệ biến tính nhiệt Thậm chí nước phát triển, công nghệ áp dụng để sản xuất gỗ biến tính nhiệt thương mại hóa Cơng nghệ biến tính nhiệt coi công nghệ xử lý gỗ thân thiện với môi trường khơng sử dụng hóa chất xử lý nhiều tài liệu tổng hợp công bố (Sandberg D cộng sự, 2017; Jian L & Weilun S, 2010; Tao L cộng sự, 2009; Lianbai G cộng sự, 2007) Thông tin từ tài liệu cho thấy, nhiều tính chất gỗ bị thay đổi sau xử lý, như: nâng cao tính ổn định kích thước, nâng cao khả chống chịu sinh vật, màu sắc gỗ trở nên sẫm hơn, số tính chất học gỗ bị giảm xuống Với đặc tính này, gỗ biến tính nhiệt thường ứng dụng làm nguyên liệu chất lượng cao cho sản xuất đồ gỗ dùng nhà trời điều kiện yêu cầu độ ổn định kích thước cao Nhiều nghiên cứu rằng, bên cạnh việc nâng cao tính chất độ ổn định kích thước, độ bền sinh học độ bền uốn tĩnh gỗ lại bị thay đổi theo xu giảm xuống so với gỗ chưa biến tính (ThermoWood Association, 2003; Callum A S Hill, 2006a) Trong đó, nghiên cứu rằng, điều kiện xử lý biến tính có ảnh hưởng lớn đến độ bền học gỗ Qua tìm hiểu cơng trình nghiên cứu ngồi nước cho thấy, có nhiều cơng trình cơng bố biến tính nhiệt cho nhiều loại gỗ giới, có gỗ Việt Nam (Trần Văn Chứ Vũ Mạnh Tường, 2015; Lý Tuấn Trường Nguyễn Văn Diễn, 2016; Nguyễn Thị Minh Nguyệt Vũ Mạnh Tường, 2016; Hoàng Việt Vũ Mạnh Tường, 2016), nhiên chưa thấy có cơng trình cơng bố biến tính nhiệt cho gỗ Thông ba lá, Bạch tùng Cao su Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng biến tính nhiệt điều kiện khơng khí thường đến tiêu học gồm độ bền uốn tĩnh độ bền nén dọc thớ loại gỗ Thông ba lá, Bạch tùng Cao su TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 79 Công nghiệp rừng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu thiết bị nghiên cứu a Vật liệu gỗ - Gỗ tròn loại gỗ Thông ba (Pinus insularis), gỗ Bạch tùng – Thông nàng (Dacrycarpus imbricatus) khai thác tỉnh Lâm Đồng gỗ Cao su (Hevea brasiliensis) khai thác tỉnh Bình Dương - Gỗ tươi thu sau chặt hạ vận chuyển xưởng Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Lâm sản, Giấy & Bột giấy – Trường Đại học Nơng Lâm Thành phố Hồ Chí Minh xẻ tạo gỗ hình hộp chữ nhật, độ ẩm gỗ sau xẻ trung bình khoảng 80-85% - Kích thước gỗ đưa vào xử lý: 40 mm x (80 - 120) mm x 500 (mm) b Thiết bị biến tính - Thiết bị: Thiết bị sử dụng để biến tính gỗ lị biến tính gỗ quy mô nhỏ đặt xưởng Trường Đại học Nơng Lâm Thành phố Hồ Chí Minh (hình 1) - Thông số bản: + Nhiệt độ tối đa: 250oC + Chiều dài đặt gỗ tối đa: 2500 mm + Đường kính buồng xử lý: 1000 mm + Hệ thống điều khiển: Tự động đặt nhiệt độ thời gian + Hệ thống gia nhiệt: Trực tiếp mayso có chắn + Cơng suất biến tính tối đa: 1,5 m3 Hình Thiết bị biến tính gỗ thí nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu a Xử lý biến tính nhiệt cho gỗ Q trình biến tính nhiệt chia làm giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Gia tăng nhiệt độ sấy nhiệt độ cao Gia tăng nhiệt độ nhanh từ 35oC đến 100oC, sau tăng từ 100 - 135oC Tổng thời gian trì 135oC để thực giai đoạn sấy nhiệt độ cao Giai đoạn 2: Xử lý biến tính Tiếp tục gia tăng nhiệt độ lên đến nhiệt độ cần xử lý trì thời gian thiết kế (xem mục thơng số thí nghiệm 2.2.c) Giai đoạn 3: Điều hịa làm nguội Gỗ sau xử lý biến tính gia cơng phù hợp với tiêu chuẩn thử tính chất học Sơ đồ biểu diễn trình biến tính gỗ mơ hình Ghi chú: (1)-Gia nhiệt trước sấy; (2)-Sấy; (3)-Gia nhiệt trước biến tính; (4)-Biến tính; (5)-Làm nguội Hình Sơ đồ q trình cơng nghệ biến tính nhiệt thí nghiệm 80 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Công nghiệp rừng b Xác định tính chất học gỗ Độ bền học gỗ biến tính nhiệt nghiên cứu xác định gồm tiêu Độ bền uốn tĩnh (MOR) độ bền nén dọc thớ gỗ (CS) Độ bền uốn tĩnh mẫu gỗ xác định theo tiêu chuẩn ASTM D 143 Độ bền nén dọc thớ gỗ xác định theo tiêu chuẩn ISO 13061-17:2017 Các tính chất học nghiên cứu thử nghiệm máy thử đa mã hiệu INSTRON 3367 (Mỹ) c Thơng số thí nghiệm Với mục đích xác định ảnh hưởng điều kiện xử lý đến tính chất loại gỗ để làm cho nghiên cứu tiếp theo, nghiên cứu tiến hành thực thí nghiệm đơn yếu tố với hai thông số công nghệ đầu vào nhiệt độ biến tính thời gian biến tính Các điều kiện thí nghiệm khác cố định tồn q trình nghiên cứu seri thí nghiệm Cụ thể sau: Nhiệt độ biến tính: thay đổi từ 170oC đến 210oC Thời gian biến tính: thay đổi từ đến 12 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng biến tính nhiệt đến độ bền uốn tĩnh (MOR - Modulus of Rupture) gỗ Trong trình biến tính nhiệt, gỗ phát sinh phản ứng hóa học phức tạp, có phản ứng phân giải xenlulo Kết cấu hóa học gỗ thay đổi dẫn đến thay đổi tính chất học Khi nhiệt độ biến tính cao, thời gian biến tính dài thay đổi rõ rệt, gỗ trở nên giòn hơn, cường độ chịu uốn giảm xuống (ThermoWood Association, 2003) Những thay đổi có quan hệ mật thiết với q trình biến tính nhiệt Sự suy giảm cường độ chịu lực gỗ phụ thuộc vào điều kiện xử lý, nhược điểm cơng nghệ biến tính nhiệt, làm hạn chế phạm vi sử dụng gỗ biến tính nhiệt Sự suy giảm cường độ gỗ phụ thuộc nhiều vào thay đổi cấu trúc phân tử xenlulo, hemixenlulo lignin Trong nghiên cứu tiến hành xử lý biến tính nhiệt cho ba loại gỗ Thơng ba lá, Bạch tùng Cao su, kết thể bảng Bảng Độ bền uốn tĩnh loại gỗ theo thời gian nhiệt độ xử lý Nhiệt độ (oC) Thời gian (giờ) 170 180 190 200 210 190 190 190 190 190 8 8 8 10 12 ĐC Thông ba Bạch tùng Cao su MOR (MPa) SD MOR (MPa) SD MOR (MPa) SD 87 83 81 73 70 82 80 81 77 77 101 3 6 7 124 121 106 95 90 125 112 105 107 100 155 4 7 88 84 84 68 61 81 78 83 74 76 94 4 Từ bảng cho thấy, độ bền uốn tĩnh gỗ biến tính nhiệt thấp so với gỗ khơng biến tính Khi thời gian nhiệt độ biến tính khác nhau, giá trị độ bền uốn tĩnh gỗ khác nhau, xu thay đổi độ bền uốn tĩnh thống Cụ thể, nhiệt độ thời gian biến tính tăng lên độ bền uốn tĩnh giảm xuống, nhiên, mức độ thay đổi thời gian nhiệt độ thay đổi không giống Kết nghiên cứu thu quy luật biến đổi độ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 81 Công nghiệp rừng bền uốn tĩnh nghiên cứu khơng có khác biệt so với nghiên cứu trước cơng bố (ThermoWood Association, 2003) Để so sánh mức độ giảm độ bền uốn tĩnh loại gỗ, nghiên cứu tiến hành tính tốn mức độ giảm độ bền uốn tĩnh Kết trình bày hình Hình Độ giảm MOR ba loại gỗ với nhiệt độ biến tính khác Hình Độ giảm MOR ba loại gỗ với thời gian biến tính khác Từ kết thí nghiệm cho thấy, mẫu gỗ sau biến tính có độ bền uốn tĩnh nhỏ so với mẫu chưa biến tính, tăng nhiệt độ kéo dài thời gian biến tính nhiệt độ bền uốn tĩnh giảm xuống Tỉ lệ giảm độ bền uốn tĩnh lên tới 30% với gỗ Bạch tùng, 40% với gỗ Thông ba lá, cịn độ bền uốn tính gỗ Cao su biến tính giảm loại gỗ Nguyên nhân dẫn đến tượng q trình biến tính nhiệt cho gỗ làm cấu trúc thành phần hóa học gỗ bị thay đổi làm ảnh hưởng đến số tính chất vật lý, học, sinh học công nghệ gỗ Sự phân giải tác động nhiệt độ polyme vách tế bào, đặc biệt 82 hemixenlulo từ chuỗi dài thành chuỗi ngắn hơn, dẫn đến khả chịu uốn giảm xuống (ThermoWood Association, 2003) Ảnh hưởng biến tính nhiệt đến độ bền nén dọc (CS – Compressive Strength) gỗ Bên cạnh độ bền uốn tĩnh, độ bền nén dọc gỗ tiêu quan trọng để đánh giá độ bền học gỗ ứng dụng làm đồ nội thất xây dựng Để xác định thay đổi độ bền nén dọc gỗ sau biến tính, nghiên cứu tiến hành thử nghiệm độ bền nén dọc mẫu gỗ chế độ biến tính khác Kết trình bày bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Công nghiệp rừng Bảng Độ bền uốn tĩnh loại gỗ theo thời gian nhiệt độ xử lý Nhiệt độ (oC) Thời gian (giờ) 170 180 190 200 210 190 190 190 190 190 8 8 8 10 12 ĐC Thông CS (MPa) 59 58 56 54 53 57 56 56 55 55 60 Bạch tùng SD 4 4 Kết hình cho thấy, gỗ Thơng ba gỗ Bạch tùng sau biến tính có độ bền nén dọc thớ gỗ giảm xuống đến 15%, độ bền nén dọc thớ gỗ Cao su biến tính lại tăng lên Kết nghiên cứu có khác biệt so với số nghiên cứu trước đó, nhiên thời điểm tại, công bố độ bền nén dọc thớ gỗ biến tính nhiệt chưa có quy luật định, nhiều nhà nghiên cứu lĩnh vực biến tính gỗ nhiệt độ cao công bố kết không giống Do đó, kết xác định độ bền nén dọc gỗ Cao su sau biến tính nhiệt liệu tham khảo để xây dựng quy luật biến đổi tính chất gỗ sau biến tính nhiệt Kết cịn cho thấy, nhiệt độ biến tính tăng lên, thời gian biến tính kéo dài độ bền nén dọc thớ gỗ Cao su có xu hướng CS (MPa) 67 66 63 61 60 68 64 63 63 62 70 Cao su SD 3 CS (MPa) 65 66 69 72 74 68 68 69 70 69 61 SD 2 1 2 tăng theo, tỉ lệ tăng độ bền nén dọc lên tới 25% Độ bền nén dọc gỗ tăng lên sau biến tính nhiệt số loại gỗ khơng phải tượng đặc biệt, có công bố thể kết tương tự (Juodeikiene I 2009), gỗ Cao su nghiên cứu tượng bình thường Độ bền nén dọc thớ tăng lên sau biến tính nhiệt liên quan đến thay đổi cấu trúc gỗ Ngay sau gia nhiệt hemixenluloza bị phân giải sớm so với xenluloza lignin Sự phân giải chuỗi hemicelluloza dài thành chuỗi ngắn tạo cấu trúc đặc biệt, tạo khả chống lại tác dụng nén dọc thớ gỗ (ThermoWood Association, 2003; Juodeikiene I 2009) Hình thể khác biệt độ giảm độ bền nén dọc loại gỗ điều kiện biến tính nhiệt khác Hình Độ giảm CS ba loại gỗ với nhiệt độ biến tính khác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 83 Cơng nghiệp rừng Hình Độ giảm CS ba loại gỗ với thời gian biến tính khác Với thời gian nhiệt độ biến tính khác nhau, mức độ thay đổi độ bền nén dọc khác loại gỗ Thông ba lá, Bạch tùng Cao su Quy luật thay đổi tương tự với quy luật độ giảm độ bền uốn tĩnh Tuy nhiên, với gỗ Cao su nhiệt độ thời gian biến tính tăng lên độ bền nén dọc tăng lên, lớn so với gỗ khơng biến tính Trong q trình biến tính nhiệt, gỗ phát sinh phản ứng hóa học phức tạp, có phản ứng nhiệt phân giải xenlulo Kết cấu hóa học gỗ thay đổi dẫn đến thay đổi tính chất học Khi nhiệt độ cao, thời gian dài thay đổi rõ rệt, gỗ trở nên giòn hơn, độ bền chịu uốn giảm xuống Những thay đổi có quan hệ mật thiết với q trình biến tính nhiệt Sự giảm sút độ bền học gỗ phụ thuộc vào điều kiện biến tính, nhược điểm cơng nghệ biến tính nhiệt, làm hạn chế phạm vi sử dụng gỗ biến tính nhiệt Sự suy giảm độ bền học gỗ phụ thuộc nhiều vào thay đổi cấu trúc phân tử xenlulo, hemixenlulo lignin (Esteves B & Pereira H., 2009; Callum A S Hill, 2006a) Trong gỗ, hemixenlulo có tác dụng chất kết dính, tạo khả chịu cắt gỗ, phá hoại gỗ ngoại lực tác dụng chủ yếu mixel xenlulo chất điền đầy matric (hemixenlulo lignin) bị cắt đứt bẻ gãy tạo Sau biến tính nhiệt polisaccarit bị tổn thất, chủ yếu hemixenlulo, hemixenlulo có tính nhạy với 84 nhiệt cao xenlulo tính bền nhiệt lại Đây nguyên dẫn đến độ bền học gỗ sau xử lý biến tính nhiệt đa số bị giảm sút KẾT LUẬN Gỗ Thông ba lá, gỗ Bạch tùng gỗ Cao su sau xử lý biến tính nhiệt nhiệt độ 170oC đến 210oC thời gian từ đến 12 có độ bền học giảm xuống Mức độ giảm độ bền uốn tĩnh biến động từ 30% với gỗ Bạch tùng đến 40% với gỗ Thông ba lá, độ bền uốn tĩnh gỗ Cao su giảm Độ bền nén dọc thớ gỗ gỗ Cao su tăng lên, độ bền nén dọc thớ gỗ Thông gỗ Bạch tùng giảm Ngoài ra, độ bền học loại gỗ nghiên cứu phụ thuộc lớn vào nhiệt độ thời gian xử lý Để áp dụng sản xuất thực tiễn, cần vào yêu cầu độ bền học gỗ để xác định điều kiện xử lý biến tính cho phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Văn Chứ Vũ Mạnh Tường (2015), Ảnh hưởng xử lý nhiệt đến khả chịu ẩm gỗ Keo lai, Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển Nông thôn, số 7, tr 128-32 Lý Tuấn Trường Nguyễn Văn Diễn (2016), Ảnh hưởng chế độ xử lý Thủy - Nhiệt đến thay đổi màu sắc ổn định màu gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake), Tạp chí Khoa học Công nghệ Lâm nghiệp, số 2, tr 118-125 Nguyễn Thị Minh Nguyệt Vũ Mạnh Tường (2016), Ảnh hưởng xử lý nhiệt đến số tính chất TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Công nghiệp rừng học gỗ Keo lai, Tạp chí Khoa học Lâm nghiệp, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, số 1, tr 4285-4291 Hoàng Việt Vũ Mạnh Tường (2016), Độ bền màu gỗ Keo lai sau xử lý nhiệt, Tạp chí Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, (10), tr 137-41 ThemoWood Association (2003) ThermoWood Handbook: [Available from: http://www.thermowood.fi/data.php/200312/79546020 0312311156_tw_handbook.pdf.] Esteves B & Pereira H (2009) Wood modification by heat treatment: A review, Bioresources, 4, (1), 370404 Dick Sandberg, Andreja Kutnar, George Mantanis (2017) Wood modification technologies - a review iForest - Biogeosciences and Forestry, vol 10, (6), 895-908 Callum A S Hill (2006a) Thermal Modification of Wood In: Wood Modification Hill, C a S (ed.) John Wiley & Sons Chichester: 99-127 Juodeikiene I (2009) Influence of Thermal Treatment on the Mechanical Properties of Pinewood, Mater Sci-Medzg, 15, (2), 148-52 10 Li Tao, Gu Lian-Bai, Jiang Yu (2009) Effect of HighTemperature Heat Treatment on Ash Wood Color, Scientia silvae sinicae, 45, (12), 149-53 11 Jian L & Weilun S (2010) Thermal modified wood, a new furniture material, Furniture, (04), 82-85 12 Gu Lianbai, Xu Douyun, Yu Xueli (2007) Characteristic and application of thermowood, China Wood-based Panels, (05), 30-32 EFFECT OF THERMAL MODIFICATION ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF BENGUET PINE, PODOCARP AND RUBBER WOOD Hoang Van Hoa1, Dang Dinh Boi2 Nong Lam University Ho Chi Minh City Ho Chi Minh City Forestry Association SUMMARY Thermal modification technology is considered one of the environmentally friendly wood processing technologies because it does not use chemicals during processing Thermal-modified wood has high dimensional stability, and significantly increased biological durability compared to unmodified wood However, the mechanical properties of wood are also affected and changed with a decreasing trend This study conducted denaturation treatment for types of Benguet pine (Pinus insularis), Podocarp (Dacrycarpus imbricatus) and Rubber (Hevea brasiliensis) at the temperature of 170oC to 210oC in the period from hours to 12 hours The results showed that the mechanical properties were significantly reduced The degree of reduction in modulus of rupture (MOR) ranged from 30% for cedar to 40% for pine, in which the MOR of rubber wood decreased the least The compressive strength of Rubber wood was increased, while the compressive strength of Benguet pine and Podocarp decreased In addition, the mechanical properties of the three wood species in this study depend greatly on the temperature and the processing time Keywords: Benguet pine wood, mechanical properties, Podocarp wood, Rubber wood, Thermal modification Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng : 15/8/2022 : 16/9/2022 : 28/9/2022 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 85 ... LUẬN Gỗ Thông ba lá, gỗ Bạch tùng gỗ Cao su sau xử lý biến tính nhiệt nhiệt độ 170oC đến 210oC thời gian từ đến 12 có độ bền học giảm xuống Mức độ giảm độ bền uốn tĩnh biến động từ 30% với gỗ Bạch. .. gỗ Bạch tùng đến 40% với gỗ Thông ba lá, độ bền uốn tĩnh gỗ Cao su giảm Độ bền nén dọc thớ gỗ gỗ Cao su tăng lên, độ bền nén dọc thớ gỗ Thơng gỗ Bạch tùng giảm Ngồi ra, độ bền học loại gỗ nghiên... với gỗ Thơng ba lá, cịn độ bền uốn tính gỗ Cao su biến tính giảm loại gỗ Nguyên nhân dẫn đến tượng q trình biến tính nhiệt cho gỗ làm cấu trúc thành phần hóa học gỗ bị thay đổi làm ảnh hưởng đến