Công nghiệp rừng 84 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1 2015 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ – LÝ CỦA VÁN SÀN TỪ VÁN MỎNG BIẾN TÍNH Lê Xuân Phương1, Nguyễn Hồng Minh2 1TS Trường Đại học Lâm nghiệp 2TS V[.]
Cơng nghiệp rừng MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ – LÝ CỦA VÁN SÀN TỪ VÁN MỎNG BIẾN TÍNH Lê Xuân Phương1, Nguyễn Hồng Minh2 TS Trường Đại học Lâm nghiệp TS Viện nghiên cứu Cơng nghiệp rừng TĨM TẮT Biến tính gỗ để nâng cao chất lượng ván mỏng, từ tạo sản phẩm từ ván mỏng có chất lượng cao nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng hướng nghiên cứu nhằm tạo giá trị gia tăng cho sản phẩm gỗ rừng trồng quan tâm Nghiên cứu đánh giá chất lượng ván sàn từ cốt ván dán lớp biến tính từ loại hóa chất biến tính phổ biến Dimethylol dyhydroxylethylenurea (DMDHEU), N-methylol compound (mDMDHEU), Epoxy functional polysiloxane (ES), Quaternary ammonium polysiloxane (QAS), Dầu vỏ hạt điều (CNSL), phủ mặt ván lạng từ gỗ Bạch đàn Uro biến tính cách loại hóa chất Ván sàn biến tính xác định tính chất học (độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh, độ bền kéo trượt, độ mài mòn (thể khối lượng hao hụt ván sau thử mài mòn), độ cứng bề mặt (thể chiều sâu vết lõm đặt tải tĩnh lên viên bi nén) vật lý (khối lượng thể tích, trương nở chiều dày, độ bong tách màng keo, độ ẩm thăng (EMC) sai số chiều dày ván) theo tiêu chuẩn Châu Âu EN Nhật (JAS) tương ứng Kết cho thấy ván sàn từ DMDHEU mDMDHEU cho hiệu cao với tính chất học vật lý tốt ván đối chứng, đặc biệt tính chất vật lý Tuy nhiên, hóa chất ES, QAS CNSL hiệu khơng cao, chí cịn làm giảm số tính chất học vật lý ván sàn so với ván đối chứng Ván sàn sử dụng keo PRF cho chất lượng tốt so với ván sàn sử dụng keo MUF Từ khóa: Biến tính, học, ván bóc, ván lạng, ván sàn, vật lý I ĐẶT VẤN ĐỀ Gỗ khai thác nước khoảng 31 triệu m3 năm 2012 (chủ yếu rừng trồng) nguyên liệu sản xuất đồ mộc nước ta, đáp ứng khoảng 76% nhu cầu sử dụng gỗ (Tô Xuân Phúc, 2014) Tuy nhiên, chất lượng gỗ rừng trồng không cao Nghiên cứu tạo vật liệu từ gỗ rừng trồng nhằm bước thay gỗ tự nhiên, vừa tiết kiệm gỗ rừng tự nhiên, vừa đem đến cho người dùng sản phẩm có chất lượng tốt Ván dán sản phẩm thay Nghiên cứu sản xuất sử dụng ván dán nghiên cứu từ sớm, có hướng sử dụng làm ván sàn (R.Courtney 2005; Y.S Oh K.H Kim 2011; D.W Pi S.G Kang 2013; J Seo et al 2014) Ván sàn từ ván dán sản phẩm có cốt ván dán phủ mặt ván mỏng (Y.S Oh K.H Kim 2011) Để sản phẩm ván sàn đáp ứng nhu cầu ngày cao, yêu cầu chất lượng ngày khắt khe thị trường, đặc biệt thị 84 trường xuất việc nghiên cứu biến tính ván mỏng hóa chất để nâng cao chất lượng ván trang sức bề mặt sơn khâu quan trọng định đến chất lượng, giá trị sử dụng thẩm mỹ sản phẩm Bạch đàn Uro (Eucalyptus urophylla S.T Blake) loại gỗ lớn, thân thẳng, sinh trưởng nhanh tới 25 m3/ha/năm dùng xây dựng đóng đồ mộc làm nguyên liệu giấy, dăm, ván sợi ép, trụ mỏ (Tổng cục lâm nghiệp) Nghiên cứu sản xuất ván mỏng nhằm tạo sản phẩm có giá trị gia tăng cho loại gỗ Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc tế Úc (ACIAR) quan tâm nghiên cứu (Dự án ACIAR FST/2008/039) Biến tính gỗ bao gồm tác động hóa học, sinh học vật lý vào gỗ, nhằm nâng cao tính chất gỗ nhằm đáp ứng mục tiêu sử dụng sản phẩm (Hill C.A.S 2006) Phần lớn biến tính hóa học gỗ quan tâm đến TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 Cơng nghiệp rừng cải thiện ổn định kích thước độ bền sinh học Gỗ tạo nên chủ yếu từ xenlulo, hemixenlulo, lignin Biến tính hóa học gỗ q trình tác động vào gỗ xảy phản ứng hóa học số phần chất tạo vách tế bào gỗ tác nhân hóa học tạo thành liên kết hóa học gỗ tác nhân hóa học Các nhóm hydroxyl thành phần vách tế bào vị trí dễ phản ứng Điền đầy ruột tế bào Điền đầy vách tế bào gỗ Với cơng nghệ biến tính hóa nhiệt, gỗ sau ngâm tẩm hóa chất gia nhiệt nhiệt độ thích hợp để tạo điều kiện cho phản ứng hóa chất với thành phần hóa học gỗ xảy ra, tạo thành liên kết hóa học gỗ tác nhân hóa học Trong q trình biến tính hóa nhiệt, phản ứng nhóm hydroxy ln đóng vai trị chủ đạo Phản ứng với thành phần polyme gỗ Liên kết ngang Phân đoạn vách tế bào Hình Nguyên lý biến tính gỗ (Sandermann W Augustin H., 1963) Trên sở xử lý biến tính ván mỏng từ gỗ Bạch đàn loại hóa chất điển hình khác (Hill C.A.S 2006; A Dieste et al 2008; C Mai et al., 2006; Bùi Văn Ái 2008) Dimethylol dyhydroxylethylenurea (DMDHEU), N-methylol compound (mDMDHEU), Epoxy functional polysiloxane (ES), Quaternary ammonium polysiloxane (QAS), Dầu vỏ hạt điều (CNSL), nghiên cứu này, tiến hành đánh giá ảnh hưởng loại hóa chất tới số tính chất học vật lý điển hình ván sàn nhằm đánh giá khả áp dụng ván sàn cho mục đích sử dụng ngồi trời (sử dụng keo PRF) nhà (sử dụng keo MUF) theo yêu cầu tiêu chuẩn ván sàn xuất II NGUYÊNLIỆU, PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU 2.1 Nguyên liệu 2.1.1 Nguyên liệu gỗ Gỗ Bạch đàn Uro tuổi khai thác Ba Vì, Hà Nội với chất lượng gỗ trịn sau: khối lượng thể tích 12% 0,65 g/cm3; độ bền uốn tĩnh xuyên tâm 99,97 MPa, tiếp tuyến 92,27 MPa; môđun đàn hồi uốn tĩnh xuyên tâm 10908 Mpa tiếp tuyến 10188 MPa; độ cứng tĩnh dọc thớ 5969 MPa, xuyên tâm 5498 MPa tiếp tuyến 4423 MPa 2.1.2 Hóa chất biến tính Trong nghiên cứu chúng tơi lựa chọn sử dụng 05 loại hóa chất gồm DMDHEU, mDMDHEU, ES, QAS, CNSL, với thông số kỹ thuật sau TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 85 Công nghiệp rừng Bảng Thông số kỹ thuật chủ yếu loại hóa chất biến tính TT Tên hóa chất Dimethylol dyhydroxylethylenurea N-methylol compound Epoxy functional polysiloxane Quaternary ammonium polysiloxane Dầu vỏ hạt điều Mơ tả đặc tính kỹ thuật -Thành phần hóa học: Dimethyloldyhydroxyethyleurea - Dạng/ Màu: Dung dịch suốt, màu vàng, dạng lỏng - Độ pH : 4,0-5,5 - Thành phần hóa học: Modified dimethyloldyhydroxyethyleurea - Dạng/ Màu: Dung dịch suốt dạng lỏng - Độ pH : 4,0-5,5 -Thành phần hóa học: Epoxy functional polysiloxane - Dạng/mầu: Dạng nhũ tương trắng - Hàm lượng khô: 50% - Độ pH (tại 20oC): 5-6 -Thành phần hóa học: Vi nhũ tương thể hữu biến đổi chuỗi siloxane - Dạng/mầu: Dạng nhũ tương trắng - Độ pH (dung dịch 10%): 4-6 Sản phẩm dầu ép từ vỏ Hạt điều, qua tinh lọc để tăng hàm lượng thành phần hóa học: Cardanol 2.1.3 Keo dán Chúng lựa chọn sử dụng hai loại keo dán là: Melamine Urea Formaldehyde (MUF) Phenol Resorcinol formaldehyde (PRF) Ký hiệu DMDHEU mDMDHEU ES QAS CNSL hãng keo Casco Akzo Nobel cung cấp với thông số kỹ thuật keo nhà sản xuất đưa bảng sau: Bảng Thông số kỹ thuật keo dán MUF Chỉ tiêu kỹ thuật Mã hiệu Loại sản phẩm Trạng thái Mầu sắc Độ nhớt pH KLTT Formaldehyde tự Thời gian bảo quản Điều kiện bảo quản Lượng keo tráng Tỷ lệ pha trộn Độ ẩm ván Keo MUF 1380 Melamine Urea Formaldehyde Dạng bột Trắng 2.000 - 4.000 mPas 8,5 - 9,6 600 kg/m3 < 1% (10C) tháng (300C) Chất đóng rắn 5531 Chất đóng rắn Dạng bột Trắng 2.800 - 9.000 mPas 3,0 - 4,0 1100 kg/cm3 tháng (200C) Bảo quản nơi khô dáo, tốt nhiệt độ 15-250C Ván sàn: 90-175g/m2 Keo: nước = 100:50 5-10% tháng (300C) Tỷ lệ keo bột : Nước = 60 : 40 với tỷ lệ chất đóng rắn: 12% (so với tổng khối lượng dung dịch keo) 86 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 Cơng nghiệp rừng Bảng Thông số kỹ thuật keo dán PRF Chỉ tiêu kỹ thuật Mã hiệu Loại sản phẩm Trạng thái Mầu sắc Độ nhớt pH Hàm lượng khô KLTT Thời gian bảo quản Điều kiện bảo quản Lượng keo tráng Độ ẩm ván Keo PRF Chất đóng rắn 1734 2734 Phenol Resorcinol Formaldehyde Chất đóng rắn PRF Dung dịch Bột Nâu Nâu 350 - 1.000 mPas 7,5 - 8,5 55-59% 115kg/m3 850 - 900kg/cm3 12 tháng tháng 12 tháng tháng 0 (20 C) (30 C) (20 C) (300C) nhiệt độ 10-200C nhiệt độ 10-300C Gỗ rộng:120-170g/m2 10-15% Áp suất ép 1,0 – 1,4 MPa 15 0C 20 0C 25 0C 30 0C Thời gian ghép (Assembly time) 2.1.4 Sơn UV (UV Adhesive Primer) Là loại sơn lót có độ bám dính với bề mặt cao Dùng để tăng mức độ bám dính lên 60 phút 45 phút 30 phút 15 phút loại khó bám dùng cho loại sản phẩm cần độ chịu lực (ván sàn) Bảng Thông số kỹ thuật sơn UV Tên tiêu Độ nhớt Điểm sơi Đơn vị tính mPa.s Mức tiêu 150-450 C 100 Áp suất 20oC mbar 23 Khối lượng thể tích 20oC g/cm3 1,06 o Độ pH Tỷ trọng 25oC Độ bóng Độ bền uốn màng sơn Độ bền va đập màng sơn 2.2 Quy trình cơng nghệ tạo ván sàn biến tính Sản phẩm ván sàn biến tính tạo từ ván dán biến tính ván mỏng, soi rãnh tạo 6,5-8,0 gm/l 1,00 0,03 % 10-95 mm KG.cm 55 sản phẩm ván sàn theo kích thước ván sàn chuẩn sơn phủ sơn UV Các bước tạo ván sàn biến tính sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 87 Cơng nghiệp rừng Bóc vỏ, làm Gỗ trịn (MC>100% ) Tráng keo Xử lý nhiệt Ván sàn biến tính Sơn UV Sấy ván Ngâm tẩm hóa chất Dỡ ván, ổn định ván Ép ván Xếp phơi Bóc ván Phân loại ván mỏng Gia công phôi (xẻ phôi, đánh nhẵn) Gia công soi rãnh tạo ván sàn Dán ván lạng biến tính Hình Sơ đồ cơng nghệ sản xuất ván sàn biến tính Sản xuất ván mỏng biến tính: Gỗ bóc máy bóc Xưởng thực nghiệm Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp với cấp kích thước ván mỏng 1,7mm 2,5mm Ván lạng lạng mỏng 0,8 mm Ván mỏng biến tính phương pháp Hóa-Nhiệt thiết bị tẩm chân không áp lực, với thông số chế độ ngâm tẩm chân không-áp lực: giai đoạn chân không 0,3kg/cm2 trì 2h, giai đoạn áp lực 7kg/cm2 trì 2h với nồng độ hóa chất 10% Ván mỏng sau ngâm tẩm sấy khô xử lý nhiệt theo chế độ thể bảng Bảng Chế độ xử lý nhiệt sau ngâm tẩm ván mỏng (ván bóc ván lạng) Giai đoạn Nhiệt độ (°C) Thời gian sấy/xử lý nhiệt (h) DMDHEU, mDMDHEU ES QAS 55 24 24 24 24 65 24 24 24 24 90 24 24 24 24 103 12 24 12 12 120 Sau xử lý nhiệt, ván mỏng để ổn định mơi trường có nhiệt độ 20°C, độ ẩm tương đối 65% khối lượng mẫu khơng thay đổi (4 tuần) Sau biến tính ván bóc, tiến hành tạo ván dán lớp với kết cấu 1,7-1,7-2,5-2,5-2,5-1,71,7 với lượng keo tráng 170 g/m2 (quét thủ cơng) ép máy ép ván thí nghiệm 88 CNSL LPS80 – Labtech Viện Nghiên cứu Cơng nghiệp rừng (kích thước bàn ép 40 x 40 cm) áp suất ép max 1,2 MPa với giai đoạn: tăng áp (110 0C - 30 giây), ổn định áp (1100C - phút), trì áp (1100C - 15 phút), tăng nhiệt (1150C - 10 phút) hạ áp (115 0C - 30 giây) Chế độ dán ván lạng lên ván dán biến tính thực với loại keo lượng keo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 Cơng nghiệp rừng tráng tạo ván dán với chế độ ép nhiệt: áp suất ép max MPa, nhiệt độ 110 0C thời gian phút Quy trình sơn UV gồm bước sau: Chà nhám → Sơn lót → Sấy → Chà nhám tinh → Sơn lót lần → Sấy → Sơn lớp màu → sấy → Sơn lớp cứng → Sấy → Sơn lớp bóng → Sấy → Sản phẩm 2.3 Kiểm tra chất lượng ván sàn biến tính Các tính chất học (độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh, độ bền kéo trượt, độ mài mòn (thể khối lượng hao hụt ván sau thử mài mòn), độ cứng bề mặt (thể chiều sâu vết lõm lớn đặt tải tĩnh lên viên bi nén) vật lý (khối lượng thể tích, trương nở chiều dày, độ bong tách màng keo, độ ẩm thăng (EMC) sai số chiều dày ván) ván sàn xác định theo tiêu chuẩn Châu Âu EN Nhật (JAS) thể Bảng Số lượng mẫu 10 mẫu/ tính chất kết giá trị trung bình 10 mẫu III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết kiểm tra tính chất học ván sàn biến tính Bảng Tính chất học ván sàn biến tính từ gỗ Bạch đàn Stt Hóa chất biến tính Loại keo Đối chứng MUF DMDHEU MUF mDMDHEU MUF ES MUF QAS MUF CNSL MUF Đối chứng PRF DMDHEU PRF mDMDHEU PRF 10 ES PRF 11 QAS PRF 12 CNSL PRF 13 Tiêu chuẩn xác định Độ bền uốn (MPa) Mô đun đàn hồi (MPa) 89,42 (4,02) 91,63 (4,13) 92,04 (4,14) 39,43 (1,94) 41,97 (1,98) 34,63 (1,54) 89,42 (4,02) 98,33 (4,38) 99,95 (4,39) 47,16 (2,15) 35,72 (1,56) 33,72 (1,48) 10114,26 (435,15) 10329,71 (445,12) 10306,02 (441,76) 5376,65 (221,15) 5382,72 (223,16) 4297,67 (185,13) 11205,21 (495,13) 11941,59 (498,14) 11883,50 (497,15) 5612,30 (235,17) 5287,40 (215,30) 4285,20 (181,17) EN 310 EN 310 Độ bền kéo trượt (MPa) 1,42 (0,04) 1,44 (0,04) 1,49 (0,05) Bong tách 100% Bong tách 100% Bong tách 100% 1,56 (0,05) 1,58 (0,05) 1,57 (0,05) Bong tách 100% Bong tách 100% Bong tách 100% EN 314-1; EN 314-2 Độ mài mòn (%) Cứng bề mặt (mm) 0,27 (0,01) 0,20 (0,01) 0,19 (0) 0,25 (0,01) 0,24 (0,01) 0,26 (0,01) 0,26 (0,01) 0,19 (0) 0,19 (0) 0,25 (0,01) 0,24 (0,01) 0,25 (0,01) 0,016 JAS 233 0,010 0,010 0,012 0,014 0,014 0,015 0,009 0,010 0,013 0,012 0,012 EN 13329 Ghi chú: Giá trị ngoặc đơn trị số độ lệch chuẩn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 89 Công nghiệp rừng Kết kiểm tra tính chất học ván sàn biến tính từ gỗ Bạch đàn Uro cho bảng Tất sản phẩm đạt tiêu chuẩn JAS 233 – type II (mẫu thử ngâm nước sôi 2h 70 0C sấy khô 600C 3h, vết bong nhỏ 1/3 chiều dài đường keo cạnh) Kết kiểm tra cho thấy tính chất học ván đối chứng ván xử lý hóa chất DMDHEU mDMDHEU có cường độ cao hẳn so với hóa chất ES, QAS CNSL Đối với kiểm tra chất lượng dán dính theo tiêu chuẩn thử bong tách màng keo (JAS 233 type II) hóa chất đạt u cầu, có ván đối chứng xử lý hóa chất DMDHEU, mDMDHEU đạt yêu cầu loại (Class - Ngồi trời, khơng có mái che), với kết độ bền kéo trượt MPa So sánh xử lý hóa chất DMDHEU mDMDHEU tính chất học nhỉnh chút so với ván đối chứng Các hóa chất ES, QAS CNSL làm cho tính chất học ván giảm đáng kể Riêng độ mài mòn độ cứng bề mặt, ván biến tính hóa chất có chất lượng cao so với ván đối chứng Sở dĩ lượng hóa chất tẩm vào sấy khơ nên ván lạng cứng hơn, sau sơn phủ UV chất lượng bề mặt (độ cứng) nhìn chung tăng lên, thể độ mài mòn (tổn thất khối lượng sau mài giảm) độ cứng bề mặt tăng lên (chiều sâu vết lõm giảm so với ván đối chứng) 3.2 Kết kiểm tra tính chất vật lý ván sàn biến tính Bảng Tính chất vật lý ván sàn biến tính từ gỗ Bạch đàn Stt Hóa chất biến tính Loại keo Khối lượng thể tích (g/cm3) 0,71 (0,02) Đối chứng MUF DMDHEU MUF mDMDHEU MUF ES MUF QAS MUF CNSL MUF Đối chứng PRF DMDHEU PRF mDMDHEU PRF 10 ES PRF 11 QAS PRF 12 CNSL PRF 13 Tiêu chuẩn xác định Trương nở Bong tách chiều dày màng keo (%) Đạt Đạt 9,7 (0,4) 0,34/ 0,27 Đạt 8,5 (0,3) 12,5 (0,5) 10,3 (0,4) 10,2 (0,4) 10,3 (0,4) 0,35/ 0,26 9,5 (0,3) 8,0 (0,2) 0,35/ 0,27 0,34/ 0,26 EN322 EN 13329 Đạt 0,76 (0,03) 5,03 (0,09) Đạt 0,75 (0,03) Đạt 0,96 (0,04) 4,32 (0,08) 12,59 (0,52) 12,56 (0,51) 10,50 (0,48) 0,72 (0,02) 7,40 (0,36) Đạt 0,75 (0,03) 4,29 (0,07) Đạt 0,76 (0,03) Đạt 0,76 (0,03) 0,95 (0,04) 3,70 (0,09) 12,41 (0,53) 12,46 (0,53) 9,80 (0,41) EN 323 EN 317 0,76 (0,03) 0,76 (0,03) Sai số chiều dày: ∆t/ tmax - tmin 12,5 (0,5) 10,5 (0,4) 10,5 (0,4) 11,0 (0,5) 8,20 (0,35) 0,76 (0,03) EMC (%) Đạt Đạt Đạt JAS 233 type II 0,28/ 0,19 0,29/ 0,21 0,29/ 0,20 0,33/ 0,24 0,28/ 0,21 0,30/ 0,22 0,31/ 0,23 0,34/ 0,26 Ghi chú: Giá trị ngoặc đơn trị số độ lệch chuẩn 90 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 1-2015 ... (chiều sâu vết lõm giảm so với ván đối chứng) 3.2 Kết kiểm tra tính chất vật lý ván sàn biến tính Bảng Tính chất vật lý ván sàn biến tính từ gỗ Bạch đàn Stt Hóa chất biến tính Loại keo Khối lượng thể... mẫu/ tính chất kết giá trị trung bình 10 mẫu III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết kiểm tra tính chất học ván sàn biến tính Bảng Tính chất học ván sàn biến tính từ gỗ Bạch đàn Stt Hóa chất biến tính. .. trình cơng nghệ tạo ván sàn biến tính Sản phẩm ván sàn biến tính tạo từ ván dán biến tính ván mỏng, soi rãnh tạo 6,5-8,0 gm/l 1,00 0,03 % 10-95 mm KG.cm 55 sản phẩm ván sàn theo kích thước ván