Công nghiệp rừng 92 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4 2015 ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ THỦY – NHIỆT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CÔNG NGHỆ CỦA GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S T Blake) Nguyễn Văn Diễn1[.]
Công nghiệp rừng ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ THỦY – NHIỆT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠNG NGHỆ CỦA GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T Blake) Nguyễn Văn Diễn1, Lê Xuân Phương2 ThS Trường Đại học Lâm nghiệp PGS.TS Trường Đại học Lâm nghiệp TĨM TẮT Trong cơng nghệ xử lý nhiệt cho gỗ nói chung xử lý thủy - nhiệt nói riêng, cơng trình nghiên cứu ngồi nước nghiên cứu xử lý nhiệt cho gỗ thường đề cập đến tính ổn định kích thước gỗ sau xử lý Trong viết tác giả trình bày kết xử lý gỗ phương pháp thủy - nhiệt ảnh hưởng đến số tính chất cơng nghệ gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake), gỗ xử lý thủy - nhiệt nhiệt độ (120oC; 140oC; 160oC; 180oC 200oC) thời gian (1 giờ; giờ; giờ; giờ) Kết nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ thời gian xử lý thủy - nhiệt tăng làm giảm độ nhám bề mặt gỗ (Rmax) từ 116,16 µm xuống cịn 71,12 µm (giảm 38,24 % so với mẫu chưa xử lý), độ bền kéo trượt màng keo (τk) giảm từ 6,69 MPa 1,68 MPa (giảm 74,12% so với mẫu chưa xử lý), độ bong tách màng keo tăng từ 16,81% đến 39,39% (tăng 57,31% so với mẫu chưa xử lý) Sự thay đổi chế độ xử lý làm cho tính chất cơng nghệ thay đổi rõ rệt, điều có ý nghĩa quan trọng việc lựa chọn thơng số công nghệ phù hợp xử lý thủy - nhiệt Từ khóa: Bạch đàn, độ nhám bề mặt, độ bền kéo trượt màng keo, độ bong tách màng keo, xử lý thủy - nhiệt I ĐẶT VẤN ĐỀ Gỗ rừng trồng, khơng có nhiều yếu điểm độ bền so với gỗ rừng tự nhiên, mà thường có tính thẩm mỹ khơng cao, màu sắc, vân thớ xấu khơng ưa chuộng, khả dán dính kém, co rút dãn nở gỗ ảnh hưởng đến việc sử dụng gỗ hiệu Bên cạnh đó, gỗ rừng trồng có độ nhẵn gia cơng thấp ảnh hưởng đến trình trang sức gỗ Gỗ Bạch đàn loại ưu tiên rừng trồng, ưu điểm Bạch đàn có khả tăng trưởng nhanh, gỗ có màu sắc đẹp, cường độ lý cao, nhược điểm gỗ Bạch đàn có nhiều nội ứng suất ngầm nên sử dụng gỗ dễ bị cong vênh, nứt, tách,… Bởi thế, việc nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao phẩm chất gỗ điều cần thiết đòi hỏi nhà khoa học cần quan tâm Xử lý nhiệt cho gỗ nói chung xử lý thủy nhiệt nói riêng hướng để khắc phục hay nhiều nhược điểm gỗ cách thay đổi tính chất gỗ Mục đích xử lý nhiệt cho gỗ giảm khả hút ẩm gỗ, cải thiện tính ổn định kích thước, tăng khả chống phá hoại sinh vật vi sinh vật hại gỗ, tăng khả chống chịu môi trường mà không gây độc hại Ở nước Châu Âu 92 Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan thiết lập công nghệ xử lý nhiệt điển hình như: Cơng nghệ sử dụng nước, nước khơng khí (PlatoWood) Hà Lan, cơng nghệ sử dụng nước, khí N2 (Le Bois Perdure Rectification) Pháp, xử lý nước (ThermoWood) Phần Lan, công nghệ sử dụng dầu thực vật (OHT - Oil Heat Treatment) Đức Xử lý nhiệt sử dụng nước (xử lý thủy - nhiệt) ưu điểm lớn phương pháp đảm bảo tính ổn định kích thước, thành phần hóa học, thay đổi màu sắc gỗ không sử dụng hóa chất hay chất xúc tác nên làm cho phương pháp đánh giá thân thiện với môi trường, công nghệ thiết bị đơn giản chi phí giá thành cho cơng nghệ thấp lý tác giả chọn phương pháp để xử lý cho gỗ Bạch đàn Tuy nhiên, cơng trình nghiên cứu xử lý thủy nhiệt Việt Nam hạn chế, chưa ứng dụng nhiều sản xuất nghiên cứu Trong viết này, tác giả trình bày kết bước đầu nghiên cứu “Ảnh hưởng xử lý thủy - nhiệt đến số tính chất cơng nghệ gỗ Bạch đàn” góp phần xây dựng vào cơng nghệ xử lý thủy nhiệt cho vật liệu gỗ nói chung gỗ Bạch đàn nói riêng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 Công nghiệp rừng II VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T Blake) có độ tuổi từ 10 đến 15 tuổi khai thác Ba Vì - Hà Nội, tiến hành xẻ theo kích thước 25 x 40 x 600 mm (xuyên tâm x tiếp tuyến x dọc thớ) để làm mẫu thử tính chất vật lý gỗ sau xử lý thủy - nhiệt, mẫu xử lý thủy - nhiệt chưa xử lý thủy – nhiệt (đối chứng) cắt gỗ xẻ có dác lõi để so sánh tương đối lấy trị số trung bình mẫu xử lý chưa xử lý, sau kiểm tra tính chất gỗ, độ ẩm gỗ Mẫu gỗ thí nghiệm (Bạch đàn Uro) Thiết bị xử lý thủy nhiệt (Sumpot) Giai đoạn 1: Xử lý thủy nhiệt (nhiệt độ, thời gian) trước xử lý độ ẩm gỗ biến động từ: 25 30% Xử lý thủy - nhiệt máy SUMPOT chế độ nhiệt độ: 120oC, 140oC, 160oC, 180oC, 200oC thời gian: giờ, giờ, giờ, giờ, Sau cắt mẫu theo tiêu chuẩn thử tính chất cơng nghệ: độ nhám bề mặt 50 x 50 x 50 mm; độ bền kéo trượt màng keo 150 x 20 x mm; bong tách màng keo: 75 x 75 x mm; số mẫu 15/chế độ xử lý tính chất để kiểm tra đánh giá kết thực nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu a) Sơ đồ quy trình thực nghiệm Mẫu gỗ Bạch đàn Uro chưa xử lý thủy nhiệt (đối chứng) Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhiệt (nhiệt độ (T): 120oC thời gian ( ): giờ) Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhiệt (nhiệt độ (T): 140oC thời gian ( ): giờ) Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhiệt (nhiệt độ (T): 160oC thời gian ( ): giờ; giờ) Giai đoạn 2: Sấy đa tụ (nhiệt độ trì: 140oC, thời gian trì: ); độ ẩm gỗ: 12% Làm nguội tự nhiên (nhiệt độ mơi trường) Kiểm tra tính chất gỗ xử lý đối chứng Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhiệt (nhiệt độ (T): 180oC thời gian ( ): giờ) Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhiệt (nhiệt độ (T): 200oC thời gian ( ): giờ) - Độ nhám bề mặt gỗ xử lý thủy - nhiệt; - Độ bền kéo trượt màng keo; - Độ bong tách màng keo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 93 Cơng nghiệp rừng Trên sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, tác giả áp dụng kế hoạch thực nghiệm trung tâm hợp thành trực giao với yếu tố đầy đủ để xác định ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ thời gian xử lý đến chất lượng gỗ Bạch đàn Uro Kế hoạch thực nghiệm bậc hai thực mức: Mức (+1); mức (-1); mức trung gian (0); mức mở rộng (+), (-) Do đó, ta có bảng thực nghiệm theo phần mềm xử lý OPT bảng 01 Trong đó, có thí nghiệm phải thực thí nghiệm lặp lại lần Bảng 01 Ma trận quy hoạch thực nghiệm STT Dạng mã X1 -1 +1 -1 +1 - + 0 X2 -1 -1 +1 +1 0 - + b) Tiêu chuẩn phương pháp kiểm tra tính chất vật lý gỗ * Đo độ nhám bề mặt Tiêu chuẩn kiểm tra: theo tiêu chuẩn ISO 4287-1997 Kích thước mẫu: 50 х 50 х 50 mm Dung lượng mẫu: 15 mẫu/chế độ Dụng cụ kiểm tra: Dùng máy đo TR200: Hãng sản xuất: Time Group; sản xuất tại: Trung Quốc; đơn vị đo: Micromet (µm) Dạng thực Nhiệt độ (oC) Thời gian (giờ) 140 180 140 180 120 200 160 160 160 độ nhám đánh dấu cách ngẫu nhiên bề mặt mẫu Các phép đo thực theo hướng vng góc với sợi mẫu, đặt đầu đo lên bề mặt gỗ, bấm máy chạy Rồi đọc trị số hình (µm), cho kết độ nhẵn bề mặt gỗ Bạch đàn * Thử độ bền kéo trượt màng keo - Sử dụng tiêu chuẩn Châu Âu EN 205: 2003 - Mẫu thử có kích thước: L= 150 (mm); W= 20 0,2 (mm); t = 0,1 (mm) - Dung lượng mẫu: 15 mẫu/chế độ - Chất kết dính sử dụng keo PVAc; Tỷ lệ keo tráng 200 g/m2 - Dụng cụ kiểm tra: Thước kẹp có độ xác 0,01 mm, máy thử tính chất lý QTEST 25 Hình 01 Máy đo độ nhám bề mặt mẫu gỗ Quy trình kiểm tra: Mẫu sau gia công xong xử lý mẫu đến độ ẩm (12%), điểm đo 94 - Quy trình kiểm tra: Dùng thước kẹp đo tiết diện khu vực kéo trượt màng keo Sau lắp mẫu vào máy thử học QTEST 25 theo phương thẳng đứng với trục máy, đồng thời mẫu nằm mép gá từ 15 - 20 mm Tăng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 Cơng nghiệp rừng tải chậm, trì tăng tải mẫu bị phá hủy Đọc trị số tải trọng phá hủy đồng hồ đo lực - Công thức xác định: k P.10 ( MPa) w.l (2.1) Trong đó: k - độ bền kéo trượt màng keo, MPa; - Quy trình kiểm tra: Cho mẫu vào nồi luộc tự động, luộc nước nóng 70 3oC Vớt ra, để 15 phút điều kiện bình thường, sau đem sấy với thời gian nhiệt độ 60 3oC Khi sấy xong, ta lấy mẫu để nguội 15 phút đo chiều dài bong tách cạnh Chiều dài vết nứt nhỏ xác định kính lúp, bong tách lớn xác định thước kẹp điện tử - Công thức xác định: P - lực phá hủy mẫu, kgf; w - chiều rộng tiết diện kéo, mm; ĐBT = l - chiều dài tiết diện kéo, mm l C × 100% (2.2) Trong đó: * Thử bong tách màng keo l - tổng chiều dài vết nứt, mm; - Sử dụng tiêu chuẩn Nhật Bản JAS Type II - Mẫu thử bong tách màng keo: L=75 0,2 (mm); W=75 0,2 (mm); t =5 0,1 (mm) - Dung lượng mẫu: 15 mẫu/chế độ - Chất kết dính sử dụng keo PVAc; Tỷ lệ keo tráng 200 g/m2 - Dụng cụ kiểm tra: nồi luộc tự động, thước kẹp điện tử có độ xác 0,01 mm, kính lúp có thước đo C - chu vi mẫu, mm III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Ảnh hưởng chế độ xử lý thủy nhiệt đến Độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn Kết kiểm tra độ nhám bề mặt mẫu thí nghiệm xử lý phần mềm OPT Viện Cơ điện Nông nghiệp ta kết tổng hợp ghi bảng 02 Bảng 02 Độ nhám bề mặt (Rmax) gỗ Bạch đàn (µm) Dạng mã Dạng thực STT Số lần lặp X1 X2 Nhiệt độ (T; oC) Thời gian (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 -1 -1 140 99,74 96,29 99,12 -1 180 74,52 76,19 75,22 -1 140 93,30 93,97 95,89 1 180 70,16 72,61 70,58 -2 120 112,72 112,92 113,45 +2 200 75,83 76,04 74,38 -2 160 90,04 86,39 90,21 +2 160 77,62 77,36 74,23 0 160 74,40 74,23 75,35 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 95 Công nghiệp rừng Từ kết bảng 02, thông qua xử lý hồi quy phần mềm OPT xây dựng phương trình tương quan chế độ xử lý với độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn công thức 3.1a 3.1b, ta có phương trình sau: - Phương trình dạng mã: Y= 77,181 - 9,992T + 4,418T2 - 2,901τ + 0,367Tτ + 1,523τ2 (3.1a) - Phương trình dạng thực: Y= 471,101 - 4,0892T + 0,01105T2 - 14,977τ + 0,01838Tτ + 1,5227τ2 (3.1b) - Đồ thị quan hệ nhiệt độ thời gian độ nhám bề mặt: ẢnhẢnh hưởng củacủa nhiệt độđộ vàvàthời đến độ hưởng nhiệt thờigian gianxử xử lý lýthủy thủy -– nhiệt nhiệt đến nhám bềbề mặt độ nhám mặtgỗ gỗBạch Bạchđàn đàn 130 ĐNBM (µm) 110 90 120 140 70 160 oo Nhiệt Nhiệtđộ độ( (C) C) 50 180 200 Thời gian (giờ) 110-130 90-110 70-90 50-70 Hình 02 Biểu đồ quan hệ chế độ xử lý với độ nhám bề mặt (Rmax) Kết phân tích phương sai (Anova) độ nhám bề mặt chế độ xử lý thủy - nhiệt: F = 365,229, Fcrit = 1,947348 ( F> Fcrit) điều chứng minh rằng, độ nhám bề mặt chế độ xử lý thủy - nhiệt (nhiệt độ thời gian) có sai khác hệ số phương trình có ý nghĩa Nhận xét: Qua kết nghiên cứu cho thấy (bảng 02) ảnh hưởng nhiệt độ xử lý thủy nhiệt cho gỗ Bạch đàn đến độ nhám bề mặt rõ rệt cịn thời gian ảnh hưởng chế độ nhiệt độ Độ nhám bề mặt (Rmax) giảm từ 115,16 µm cịn 71,12 µm (giảm 38,24% so với mẫu chưa xử lý), nguyên nhân sau: o o Ở nhiệt độ 120 C đến 140 C thời gian giờ, mức độ ảnh hưởng độ nhám bề mặt nhỏ, bời lúc chất chiết xuất gỗ bắt đầu hồ tàn chuyển 96 hố bên gỗ làm điền đầy phần trống gỗ làm độ nhám bề mặt giảm xuống so với mẫu đối chứng Ở nhiệt độ 160oC đến 200oC thời gian đến mức độ ảnh hưởng độ nhám bề mặt lớn nguyên nhân nhiệt độ lignin giai đoạn tiền nóng chảy nóng chảy bề mặt gỗ gỗ điền đầy, dàn trải gỗ, nên gia cơng gỗ gỗ chế độ độ nhám giảm tức độ nhẵn bề mặt tăng lên nhiều so với mẫu gỗ chưa xử lý thuỷ - nhiệt 3.2 Ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền kéo trượt màng keo độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn a) Độ bền kéo trượt màng keo Kết kiểm tra độ bền kéo trượt màng keo mẫu thí nghiệm xử lý phần mềm OPT Viện Cơ điện Nông nghiệp ta kết tổng hợp ghi bảng 03 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 Cơng nghiệp rừng Bảng 03 Độ bền kéo trượt màng keo ( k ) gỗ Bạch đàn (MPa) Dạng mã STT Dạng thực Số lần lặp X1 X2 Nhiệt độ (T; oC) Thời gian (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 -1 -1 140 6,03 6,15 5,99 -1 180 3,51 3,61 3,60 -1 140 5,66 4,90 5,95 1 180 3,69 3,08 2,95 -2 120 5,55 5,63 5,56 +2 200 1,75 1,70 1,60 -2 160 6,19 5,94 6,11 +2 160 4,07 4,27 4,15 0 160 5,83 5,43 5,52 Y= 5,245 - 1,045T - 0,425T2 - 0,393τ + 0,055Tτ - 0,053τ2 (3.2a) + Phương trình dạng thực: Y= - 11,5747 + 0,27958T - 0,00106T2 - 0,5177τ + 0,00275Tτ - 0,0526τ2 (3.2b) - Đồ thị quan hệ nhiệt độ thời gian độ bền kéo trượt màng keo: - Từ kết bảng 03, thông qua xử lý hồi quy phần mềm OPT xây dựng phương trình tương quan chế độ xử lý với độ bền kéo trượt màng keo gỗ Bạch đàn công thức 3.2a 3.2b, ta có phương trình sau: + Phương trình dạng mã: Ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền kéo trượt màng keo gỗ Bạch đàn (MPa) Kéo trượt MPa Kéo trượt (MPa) 120 130 140 150 Nhiệtđộ độ((oo C) Nhiệt C) 160 170 180 190 200 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 Thời Thời gian gian (giờ) (giờ) 0-1 Hình 03 Biểu đồ quan hệ chế độ xử lý với độ bền kéo trượt màng keo Kết phân tích phương sai (Anova) độ bền kéo trượt màng keo chế độ xử lý thủy - nhiệt: F = 135,995, Fcrit = 1,947348 (F> Fcrit) điều chứng minh rằng, độ bền kéo trượt màng keo chế độ xử lý thủy nhiệt (nhiệt độ thời gian) có sai khác hệ số phương trình có ý nghĩa Nhận xét: Qua kết nghiên cứu cho thấy (bảng 03), nhiệt độ thời gian tăng độ bền kéo trượt màng keo có xu hướng giảm dẫn theo chiều tăng nhiệt độ thời gian Độ bền TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 97 Công nghiệp rừng kéo trượt giảm từ 6,69 MPa 1,68 MPa (giảm 74,81% so với mẫu chưa xử lý) mẫu thí nghiệm xử lý phần mềm OPT Viện Cơ điện Nông nghiệp ta kết tổng hợp ghi bảng 04 b) Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn Kết kiểm tra độ bong tách màng keo Bảng 04 Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn (%) Dạng mã Dạng thực STT Số lần lặp X1 X2 Nhiệt độ (T; oC) Thời gian (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 -1 -1 140 18,59 20,58 19,68 -1 180 30,32 29,59 31,02 -1 140 21,68 22,82 22,36 1 180 32,60 33,04 32,35 -2 120 19,62 19,31 18,82 +2 200 39,69 40,29 38,18 -2 160 24,65 21,57 21,86 +2 160 25,28 28,72 24,32 0 160 22,68 25,66 21,62 - 0,079Tτ + 0,082τ2 - Từ kết bảng 04, thông qua xử lý hồi quy phần mềm OPT xây dựng phương trình tương quan chế độ xử lý với độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn công thức 3.3a 3.3b, ta có phương trình sau: (3.3a) + Phương trình dạng thực: Y= 63,2241 - 0,7816T + 0,00328T2 + 1,131τ - 0,004Tτ + 0,0817τ2 (3.3b) - Đồ thị quan hệ nhiệt độ thời gian độ bền bong tách màng keo + Phương trình dạng mã: Y= 24,324 + 5,112T + 1,311T2 + 0,987τ Ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền bong tách màng keo gỗ Bạch đàn (%) BT-MK (%) 45 35 200 190 25 180 15 170 160 150 140 Nhiệt độ (oC) 130 120 35-45 25-35 Thời gian (giờ) 15-25 Hình 04 Biểu đồ quan hệ chế độ xử lý với độ bong tách màng keo Kết phân tích phương sai (Anova) độ 98 bền bong tách màng keo chế độ xử lý TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 4-2015 ... so s? ?nh t? ?ơng đối lấy trị s? ?? trung bình mẫu xử lý chưa xử lý, sau kiểm tra t? ?nh ch? ?t gỗ, độ ẩm gỗ Mẫu gỗ thí nghiệm (Bạch đàn Uro) Thi? ?t bị xử lý thủy nhi? ?t (Sumpot) Giai đoạn 1: Xử lý thủy nhi? ?t. .. kích thước 25 x 40 x 600 mm (xuyên t? ?m x tiếp tuyến x dọc thớ) để làm mẫu thử t? ?nh ch? ?t v? ?t lý gỗ sau xử lý thủy - nhi? ?t, mẫu xử lý thủy - nhi? ?t chưa xử lý thủy – nhi? ?t (đối chứng) c? ?t gỗ xẻ... Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhi? ?t (nhi? ?t độ (T) : 140oC thời gian ( ): giờ) Mẫu gỗ Bạch đàn Uro xử lý thủy – nhi? ?t (nhi? ?t độ (T) : 160oC thời gian ( ): giờ; giờ) Giai đoạn 2: S? ??y đa t? ?? (nhiệt