Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)

Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT GỖ

KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd)

Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản

Mã số: 62 54 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2013

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT GỖ

KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd)

Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản

Mã số: 62 54 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Giáo viên hướng dẫn:

PGS TS TRẦN VĂN CHỨ

HÀ NỘI, 2013

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i 

DANH MỤC HÌNH iii 

DANH MỤC BẢNG v 

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi 

LỜI CAM ĐOAN vii 

LỜI CẢM ƠN viii 

PHẦN MỞ ĐẦU 1 

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4 

1.1 Đặc điểm gỗ xử lý nhiệt 4 

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6 

1.2.1 Các nghiên cứu về tỉ lệ tổn hao khối lượng gỗ 9 

1.2.2 Các nghiên cứu về tính ổn định kích thước 10 

1.2.3 Các nghiên cứu về khả năng chống vi sinh vật 12 

1.2.4 Các nghiên cứu về tính chất cơ học của gỗ 13 

1.2.5 Các nghiên cứu về tính thấm ướt và khả năng dán dính 14 

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 15 

1.4 Ứng dụng của gỗ xử lý nhiệt 16 

1.5 Nhận xét đánh giá và định hướng nghiên cứu 18 

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 

2.1 Thành phần hóa học của gỗ 20 

2.1.1 Xenlulo 20 

2.1.2 Hemixenlulo 28 

2.1.3 Lignin 30 

2.2 Quá trình nhiệt giải của gỗ 30 

2.2.1 Các giai đoạn của quá trình nhiệt giải gỗ 30 

2.2.2 Quá trình nhiệt giải của các thành phần trong gỗ 32 

2.3 Cơ chế biến đổi tính chất gỗ do xử lý nhiệt 34 

2.3.1 Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích gỗ 34 

2.3.2 Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ 34 

2.3.3 Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ 37 

2.4 Keo tai tượng 42 

2.4.1 Đặc điểm nhận biết 42 

2.4.2 Đặc tính sinh học và sinh thái học 42 

2.4.3 Đặc điểm cấu tạo của gỗ 43 

2.4.4 Tính chất 44 

2.4.5 Công dụng 44 

CHƯƠNG 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG 45 

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45 

3.1 Đối tượng nghiên cứu 45 

3.2 Phạm vi nghiên cứu 45 

3.3 Mục tiêu nghiên cứu 45 

3.3.1 Mục tiêu lý luận 45 

3.3.2 Mục tiêu thực tiễn 46 

3.4 Nội dung nghiên cứu 46 

3.5 Phương pháp nghiên cứu 47 

3.5.1 Phương pháp lý thuyết 47 

3.5.2 Phương pháp thực nghiệm 49 

3.6 Ý nghĩa của Luận án 63 

3.6.1 Ý nghĩa khoa học 63 

3.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 63 

3.7 Những đóng góp mới của Luận án 64 

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 65 

4.1 Kết quả ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính đến tính chất cơ, vật lý gỗ Keo tai tượng (thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố) 65 

4.1.1 Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước 65 

4.1.2 Ảnh hưởng đến độ tổn hao khối lượng 66 

4.1.3 Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước 70 

4.1.4 Ảnh hưởng đến hiệu suất chống hút nước 70 

4.1.5 Ảnh hưởng đến cường độ nén dọc thớ 72 

4.1.6 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 74 

4.1.7 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi 76 

4.1.8 Ảnh hưởng đến khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt 78 

4.2 Kết quả ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính đến tính chất cơ, vật lý gỗ Keo tai tượng (thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố) 80 

4.2.1 Ảnh hưởng đến tổn hao khối lượng 80 

4.2.2 Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước 82 

4.2.3 Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước 84 

4.2.4 Ảnh hưởng đến hiệu suất chống hút nước 85 

4.2.5 Ảnh hưởng đến độ bền nén dọc thớ 88 

4.2.6 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 90 

4.2.7 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MOE) 91 

4.2.8 Ảnh hướng đến khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt 92 

4.3 Xác định các thông số nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính .94 

4.4 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu tạo hiển vi của gỗ 95 

4.5 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ 97 

4.5.1 Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR) 98 

4.5.2 Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ XPS 1067  4.5.3 Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 119 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125 

1 Kết luận 125 

2 Kiến nghị 128 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 

CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 136  PHỤ LỤC 1378 

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Gỗ xử lý nhiệt dùng trong công trình lâm viên 18 

Hình 1.2 Gỗ xử lý nhiệt sử dụng trong phòng tắm 18 

Hình 1.3 Gỗ xử lý nhiệt dùng làm ván ốp tường ngoài trời 18 

Hình 1.4 Gỗ xử lý nhiệt dùng sản xuất bàn ghế ăn nhà hàng 18 

Hình 2.1 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ 20 

Hình 2.2 Cấu tạo hóa học của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã qua metyl hóa 22 

Hình 2.3 Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ 23 

Hình 2.4 Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân tử xenlulo trong quá trình xử lý nhiệt (Nguồn: Jian Li, Wood science, 2002) 36 

Hình 2.5 Quá trình nhiệt giải của hemixenlulo trong gỗ (Nguồn: Wood modification, 2006) 38 

Hình 2.6 Quá trình nhiệt giải của xenlulo (Nguồn: Wood modification, 2006) 40 

Hình 2.7 Cơ chế phản ứng của gỗ trong quá trình xử lý nhiệt (Nguồn: ThermoWood® Handbook) 41 

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án 48 

Hình 3.2 Mô hình bài toán xác định các thông số tối ưu khi xử lý nhiệt cho gỗ Keo tai tượng 50 

Hình 3.3 Sơ đồ công nghệ biến tính nhiệt độ cao cho gỗ Keo tai tượng 54 

Hình 3.4 Thiết bị xử lý nhiệt 57 

Hình 4.1 Quan hệ giữa thời gian và độ tổn hao kích thước gỗ 66 

Hình 4.2 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ tổn hao kích thước gỗ 66 

Hình 4.3 Quan hệ giữa thời gian và độ tổn hao khối lượng gỗ 68 

Hình 4.4 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ tổn hao khối lượng gỗ 68 

Hình 4.5 Quan hệ giữa thời gian và hệ số chống trương nở 70 

Hình 4.6 Quan hệ giữa nhiệt độ và hệ số chống trương nở 70 

Hình 4.7 Quan hệ giữa thời gian và hiệu suất chống hút nước 71 

Hình 4.8 Quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất chống hút nước 72 

Hình 4.9 Quan hệ giữa thời gian và độ tăng cường độ nén dọc 73 

Hình 4.10 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ tăng cường độ nén dọc 74 

Hình 4.11 Quan hệ giữa thời gian và độ giảm độ bền uốn tĩnh 75 

Hình 4.12 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền uốn tĩnh 76 

Hình 4.13 Quan hệ giữa thời gian và độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh 77 

Hình 4.14 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh 78 

Hình 4.15 Quan hệ giữa thời gian và độ giảm độ bền kéo trượt màng keo 79 

Hình 4.16 Quan hệ giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền kéo trượt màng keo 80 

Hình 4.21 Hệ số chống trương nở (ASE) của gỗ Keo tai tượng xử lý với các chế độ khác nhau 84 

Hình 4.22 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hệ số chống trương nở 85 

Hình 4.29 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ

giảm độ bền uốn tĩnh 90 

Hình 4.30 Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng xử lý với các chế độ khác nhau 91 

Hình 4.31 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh 92 

Hình 4.32 Độ giảm độ bền kéo trượt màng keo của gỗ Keo tai tượng xử lý với các chế độ khác nhau 93 

Hình 4.33 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ giảm độ bền kéo trượt màng keo 93 

Hình 4.34 Lỗ thông ngang trên vách tế bào mạch gỗ trước khi xử lý 96 

Hình 4.35 Lỗ thông ngang trên vách tế bào mạch gỗ sau khi xử lý (200 oC, 8h) 97 

Hình 4.36 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại 98 

Hình 4.37 Phổ hồng ngoại của mẫu gỗ Keo tai tượng đối chứng 101 

Hình 4.38 Phổ hồng ngoại của mẫu gỗ Keo tai tượng 103 

Hình 4.39 Sơ đồ quá trình đo phổ quang điện tử tia X 107 

Hình 4.40 Phổ XPS của gỗ Keo tai tượng với giải quét rộng 108 

Hình 4.41 Phổ XPS của mẫu đối chứng với giải quét hẹp tại vị trí C1s 110 

Hình 4.42 Phổ XPS của mẫu đối chứng với giải quét hẹp tại vị trí O1s 110 

Hình 4.43 Phổ XPS của gỗ sau khi xử lý nhiệt với giải quét rộng 113 

Hình 4.44 Biểu đồ hàm lượng tương đối nguyên tố C trên bề mặt mẫu ở các chế độ xử lý khác nhau 114 

Hình 4.45 Biểu đồ hàm lượng tương đối nguyên tố O trên bề mặt mẫu ở các chế độ xử lý khác nhau 115 

Hình 4.46 Biểu đồ tỉ lệ O/C trên bề mặt mẫu ở các chế độ xử lý khác nhau 116 

Hình 4.47 Phương pháp đo tính độ kết tinh của xenlulo 120 

Hình 4.48 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu gỗ Keo tai tượng trước và sau khi xử lý nhiệt 121 

Hình 4.49 Sự thay đổi độ kết tinh của gỗ ở những chế độ xử lý khác nhau 123 

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc điểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay 9 

Bảng 1.2 Phân loại và ứng dụng gỗ xử lý nhiệt theo công nghệ ThermoWood 17 

Bảng 3.1 Các mức và bước thay đổi của các thông số thí nghiệm 51 

Bảng 3.2 Thông số thực nghiệm với 2 yếu tố ảnh hưởng 51 

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị xử lý 56 

Bảng 4.1 Phân vùng của phổ hồng ngoại 99 

Bảng 4.2 Thuộc tính phổ FTIR của gỗ Keo tai tượng đối chứng 102 

Bảng 4.3 Số sóng và độ hấp thụ tại vị trí các nhóm chức trong gỗ Keo tai tượng đã xử lý nhiệt phân tích bằng phổ hồng ngoại FTIR 104 

Bảng 4.4 Hàm lượng tương đối của các nguyên tố C và O trên bề mặt mẫu gỗ trước và sau xử lý nhiệt độ cao 114 

Bảng 4.5 Hàm lượng các loại liên kết của nguyên tố C phân tích bằng phổ XPS đối với gỗ trước và sau khi xử lý nhiệt độ cao 117 

Bảng 4.6 Hàm lượng các loại liên kết của nguyên tố O phân tích bằng phổ XPS đối với gỗ trước và sau khi xử lý nhiệt độ cao 118 

Bảng 4.7 Độ kết tinh của xenlulo trong gỗ Keo tai tượng xử lý ở các chế độ khác nhau 122 

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DMOR Độ giảm độ bền uốn tĩnh

DMOE Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh

DSG Độ giảm độ bền kéo trượt màng keo WRE Hiệu suất chống hút nước

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sỹ kỹ thuật mang tên “Nghiên cứu

công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd) mã số 62 52 24 05 là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tôi xin cam

đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sỹ về lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 8 năm 2013

Tác giả luận án

Nguyễn Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sỹ mang tên “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo

tai tượng” (Acacia mangium Willd) mã số 62 52 24 05 là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam Trong quá trình thực hiện gặp không ít những khó khăn, nhưng với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của các Thầy,

Cô giáo cùng các đồng nghiệp và Gia đình đến nay Luận án đã hoàn thành nội dung nghiên cứu và mục tiêu đặt ra

Nhân dịp này, Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Văn Chứ đã hết lòng dìu dắt, định hướng, tận tình hướng dẫn và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị khoa học và thực tiễn để tôi hoàn thành Luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm Thí nghiệm Khoa học Gỗ, Trung tâm thực nghiệm và chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng, Trung tâm Thông tin thư viện, các Thầy, Cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn UBND tỉnh, Sở Nông nghiệp & PTNT, Trường Trung cấp Kinh tế-

Kỹ thuật, Lâm trường Vĩnh Hảo tỉnh Hà Giang,…đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện và dành thời gian cung cấp thông tin cho tôi trong thời gian tôi thực hiện Luận án

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới toàn thể gia đình

và những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua

Hà Giang, tháng 8 năm 2013

Nguyễn Trung Hiếu

PHẦN MỞ ĐẦU

Gỗ là loại vật liệu sinh học tự nhiên, có vai trò rất lớn trong sinh hoạt của con người và bảo vệ môi trường Gỗ có đặc điểm và phẩm chất đặc biệt mà các loại vật liệu khác không thể so sánh được, như: màu sắc tự nhiên, ôn hòa, hoa văn đẹp; ngoài ra gỗ là loại vật liệu có thuộc tính sinh thái, được cấu tạo nên từ thể phức hợp của các hợp chất cao phân tử tự nhiên, trong đó hàm chứa trên 50% Carbon – “nguyên tố của sự sống” Do Carbon trong gỗ tồn tại trong kết cấu của hợp chất hữu cơ cao phân tử, nên gỗ có tác dụng tích lũy và giảm

thải Carbon, từ đó ngăn cản được “hiệu ứng nhà kính” do hệ sinh thái trái

đất tạo ra và bảo vệ môi trường sống của con người [87]

Gỗ có thể thay thế kim loại, bê tông trong các công trình kiến trúc, từ đó

có tác dụng giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra môi trường Năng lượng tiêu hao trong quá trình sản xuất và gia công gỗ ít, căn cứ vào một số thí nghiệm

đo được khi sản xuất khối lượng vật liệu như nhau, bê tông tiêu hao gấp 3-4 lần, chất dẻo tiêu hao 35-45 lần, sắt thép tiêu hao gấp 50-60 lần, nhôm tiêu hao trên 100 lần so với gỗ [89] Gỗ có những đặc điểm mà các loại vật liệu xây dựng khác không thể so sánh được như: hệ số phẩm chất cao lại dễ gia công Vì vậy năng lượng tiêu hao trong quá trình vận chuyển và gia công luôn nhỏ hơn rất nhiều so với bê tông và gang thép

Gỗ là thể hữu cơ phức hợp, còn tồn tại một số nhược điểm, như: dễ mục, dễ cháy, tính bền kém; tính hút ẩm cao, ứng lực sinh trưởng lớn, dễ nứt nẻ, biến dạng, kích thước không ổn định… Những nhược điểm này đã hạn chế phạm vi

sử dụng và giá trị ứng dụng của gỗ Vì vậy, để đáp ứng được với các yêu cầu

sử dụng cụ thể, cải thiện hoặc tạo ra công năng mới nào đó của gỗ, thì việc lựa chọn phương pháp phù hợp để tiến hành xử lý biến tính gỗ, tạo ra loại vật liệu

gỗ mới, từ đó khắc phục các nhược điểm do tự nhiên sinh ra hoặc tạo ra gỗ có

tính năng mới, nâng cao giá trị, mở rộng phạm vi sử dụng và lợi dụng có hiệu quả tài nguyên gỗ là rất cần thiết [87] [86]

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới rất chú trọng đến nghiên cứu biến tính gỗ Những năm gần đây, với sự nâng cao của đời sống con người, có rất nhiều báo cáo của nước ngoài, trong đó đã có những đề xuất về vấn đề an toàn trong việc sử dụng hóa chất xử lý gỗ Trong các công nghệ xử lý hiện nay, thị trường của sản phẩm gỗ từ công nghệ xử lý không sử dụng hóa chất ngày càng được mở rộng Trong đó, biến tính gỗ theo phương pháp xử lý nhiệt đã được chú ý đến, các nghiên cứu về biến tính gỗ cũng đã có những tiến triển nhất định [22] [46]

Công nghệ biến tính nhiệt hay biến tính nhiệt là công nghệ xử lý gỗ ở nhiệt độ trong khoảng 160-260 oC [30], trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi nước, khí trơ, không khí ít ôxy…, biến tính nhiệt là công nghệ bảo quản gỗ thân thiện với môi trường, thông qua biến tính nhiệt có thể cải thiện được tính ổn định kích thước, tính bền và màu sắc gỗ, sản phẩm gỗ thu được

sau khi xử lý được gọi là “gỗ biến tính nhiệt” hoặc “gỗ Carbon hóa” Gỗ

biến tính nhiệt có các đặc điểm như: Màu sắc gần giống với loài gỗ quý hiếm

và ổn định, tính ổn định kích thước cao, khả năng chống vi sinh vật tốt, an toàn với môi trường, dễ lưu trữ Tuy nhiên, cũng có một số tồn tại đó là cường

độ gỗ và khả năng dán dính sau khi xử lý biến tính sẽ bị thay đổi nếu công nghệ xử lý không hợp lý

Với những ưu điểm của sản phẩm sản xuất bằng công nghệ biến tính nhiệt cho thấy việc áp dụng công nghệ biến tính nhiệt trong xử lý biến tính gỗ nói chung gỗ rừng trồng nói riêng sẽ rất có ý nghĩa về mặt thực tiễn cũng như tiềm năng trong việc thương mại hóa sản phẩm sản xuất bằng công nghệ này Trong những năm gần đây ngành Công nghiệp chế biến gỗ của Việt Nam

đã có những bước phát triển vượt bậc; sản phẩm gỗ xuất khẩu của Việt Nam

đã có mặt trên thị trường của 120 nước trên thế giới Kim ngạch xuất khẩu sản phẩm năm 2011 đạt 4,05 tỷ USD; năm 2012 đạt 4,67 tỷ USD; năm 2013 đạt 5,5 tỷ USD; Hiện nay, đồ gỗ được xem như là mặt hàng xuất khẩu chủ lực và được xếp vào 16 mặt hàng trọng điểm xúc tiến thương mại Quốc gia

Thực hiện Chỉ thị số 19/1999/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 16 tháng 7 năm 1999 về việc thực hiện các biện pháp đẩy mạnh tiêu thụ gỗ rừng trồng và Chỉ thị số 19/2004/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 01 tháng

6 năm 2004 về một số giải pháp phát triển ngành chế biến gỗ và xuất khẩu sản phẩm gỗ; ngành chế biến gỗ Việt Nam và các ngành kinh tế liên quan đã tích cực, chủ động tìm kiếm nguyên liệu, cải tiến công nghệ, thiết bị … để đẩy mạnh phát triển sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ Tuy nhiên, khó khăn hiện nay của Việt Nam là vấn đề nguyên liệu gỗ, hàng năm phải nhập khẩu 80% nguyên liệu, trong đó gỗ rừng tự nhiên quý hiếm, chất lượng cao chiếm tỷ lệ rất lớn

Trong khi đó, với nỗ lực của các chương trình trồng rừng, chúng ta đã có được một sản lượng lớn gỗ rừng trồng Từ thực tế nhu cầu nguyên liệu gỗ rất lớn, gỗ rừng tự nhiên quý hiếm đã bị cấm khai thác, vì vậy việc nghiên cứu nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng dùng làm nguyên liệu sản xuất sản phẩm mộc có giá trị cao là yêu cầu cấp bách đặt ra

Luận án “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng

(Acacia mangium Willd)” sẽ góp phần vào việc áp dụng công nghệ mới, ít

gây tác động xấu đến môi trường nhưng vẫn tạo ra được sản phẩm gỗ đạt yêu cầu nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực từ gỗ mọc nhanh rừng trồng nói chung, gỗ

Keo tai tượng nói riêng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm gỗ xử lý nhiệt

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới rất chú trọng đến nghiên cứu biến tính gỗ Những năm gần đây, với sự nâng cao của đời sống con người, có rất nhiều báo cáo của nước ngoài, trong đó đã có những đề xuất về vấn đề an toàn trong việc sử dụng hóa chất xử lý gỗ Trong các công nghệ xử lý hiện nay, thị trường của sản phẩm gỗ từ công nghệ xử lý không sử dụng hóa chất ngày càng được mở rộng Trong đó, gỗ xử lý nhiệt hay gỗ biến tính nhiệt đã được chú ý đến, các nghiên cứu về biến tính gỗ cũng đã có những bước phát triển nhất định [22] [46]

Công nghệ xử lý nhiệt hay biến tính nhiệt là công nghệ xử lý gỗ ở nhiệt

độ trong khoảng 160-260oC, trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi nước, khí trơ, không khí ít ô xy…, là công nghệ bảo quản gỗ thân thiện với môi trường, thông qua biến tính nhiệt có thể cải thiện được tính ổn định kích thước, tính bền và màu sắc gỗ, sản phẩm gỗ thu được sau khi xử lý được gọi

là “gỗ xử lý nhiệt” [88] [99] Gỗ xử lý nhiệt có các đặc điểm sau [9]:

(1) Màu sắc ổn định ôn hòa

Sau khi xử lý nhiệt, màu sắc gỗ trở nên đậm hơn, thông thường có màu nâu nhạt đến nâu, gần giống với màu sắc của một số loại gỗ nhiệt đới quí hiếm, trong quá trình sử dụng màu sắc tương đối ổn định Màu sắc gỗ xử lý nhiệt tạo ra sự thoải mái đối với thị giác, tạo cảm giác ấm cúng và sang trọng, thân thiện với môi trường và được con người ưa thích Vì thế sau khi xử lý biến tính nhiệt có thể nâng cao giá trị sử dụng của các loại gỗ rừng trồng chất lượng thấp

(2) Nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại

Khả năng chống vi sinh vật phá hoại của gỗ xử lý nhiệt được cải thiện rất

rõ rệt, đối với gỗ sau khi xử lý nhiệt (210 oC hoặc cao hơn), nhiệt độ làm cho kết cấu sinh học và tổ thành hóa học của gỗ thay đổi, loại trừ hoặc phá hoại điều kiện cần thiết để tồn tại của côn trùng, nấm và các loại vi sinh vật tự nhiên khác Gỗ trong quá trình xử lý nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, hemixenlulo bị nhiệt giải tạo ra axit formic, axit acetic, đồng thời các chất dinh dưỡng phân tử lượng thấp thoát ra hoặc bị phá hủy, độ ẩm thăng bằng của gỗ xử lý nhiệt giảm 50% so với gỗ chưa xử lý, tóm lại do độ axit, bazơ, chất dinh dưỡng và độ ẩm của gỗ thay đổi, đã phá hoại môi trường sinh tồn của vi sinh vật và nấm mốc, làm cho khả năng chống vi sinh vật được nâng lên

(3) Tính ổn định kích thước tốt

Tính hút nước, hút ẩm của gỗ xử lý nhiệt giảm xuống, tỉ lệ co rút và dãn

nở của gỗ giảm rõ rệt, giảm thiểu sự chênh lệch giữa co rút chiều xuyên tâm

và tiếp tuyến, từ đó đã cải thiện được tính ổn định của gỗ, tức hệ số chống co rút, dãn nở tăng lên

(4) An toàn, thân thiện với môi trường

Biến tính nhiệt là công nghệ chỉ sử dụng tác nhân vật lý, trong quá trình

xử lý chỉ sử dụng nhiệt độ và hơi nước hoặc khí trơ, không cho thêm bất cứ hóa chất nào, do đó gỗ xử lý nhiệt rất an toàn với môi trường, là loại vật liệu thân thiện với môi trường Ngoài ra, xử lý nhiệt có thể làm cho các loại gỗ rừng trồng mọc nhanh trở nên có màu sắc đẹp gần giống với các loại gỗ quí hiếm, mà lại nâng cao được tính bền của gỗ, từ đó với một yêu cầu nhất định

có thể thay thế được các loại gỗ quí hiếm, vì vậy biến tính nhiệt rất có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường

(5) Tính chất cơ học của gỗ thay đổi

Gỗ sau khi xử lý nhiệt, một lượng lớn hemixenlulo bị phân giải và một bộ phận lignin bị thay đổi về cấu trúc, làm cho một số chỉ tiêu về tính chất cơ học của gỗ có xu hướng giảm sút Nhưng do độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm, do đó với nhiệt độ xử lý thích hợp có thể làm cho mô đun đàn hồi khi chịu uốn và cường độ chịu nén của gỗ tăng lên, nhưng cường độ chịu uốn, khả năng chống

va đập và lực bám đinh giảm sút rõ rệt, hơn nữa nhiệt độ càng cao, cường độ chịu uốn, khả năng chống va đập và lực bám đinh càng thấp

(6) Khả năng thấm ướt giảm

Gỗ sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng nhóm –OH giảm, góc tiếp xúc của chất lỏng và gỗ tăng lên, làm giảm khả năng thấm ướt, thậm chí có loại gỗ không thấm ướt, vì vậy, gỗ xử lý nhiệt thích hợp với sử dụng ở nơi có độ ẩm cao

(7) Dễ lưu trữ

Gỗ xử lý nhiệt không cần kho lưu trữ đặc biệt, cũng không khống chế nhiệt độ và độ ẩm của kho, nhưng cần chú ý không được để nước hoặc mưa

làm ướt gỗ trong khi lưu trữ

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Công nghệ xử lý nhiệt có thể cải thiện được một số tính chất của gỗ, hiện tại đã thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới

Từ những năm 1915, trong báo cáo của Tiemann [69] đã chỉ ra, gỗ sau khi sấy ở nhiệt độ 150oC trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhưng cường độ của gỗ cũng có sự giảm sút Năm 1937, trong báo cáo của Stamm

và Hansen [65] thể hiện, xử lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo

vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ co rút, giãn nở của gỗ đều giảm xuống

Năm 1945, Seborg và các cộng sự [61] đã phát minh ra một loại sản phẩm

gỗ với tên gọi là Staypack Năm 1946, báo cáo của Stamn và đồng nghiệp [64] biểu thị, xử lý nhiệt có thể nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ mà không cần phải tiến hành nén, công nghệ này có tên gọi là Staybwood Nhưng

những sản phẩm của các công nghệ nêu trên không thành công khi đưa ra thị trường Nguyên nhân có thể do thời điểm đó trên thị trường vẫn tồn tại nhiều loại gỗ có chất lượng cao Tuy thế, công nghệ xử lý nhiệt gỗ không bị lãng quên, mà các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục tiến hành các nghiên cứu

về lĩnh vực này [62] [44] [43] [24] [25] [27] [60]

Những năm trở lại đây, xử lý nhiệt gỗ nhờ tính chất đặc biệt và tính thân thiện với môi trường của nó đã ngày càng được chú ý và đã được ứng dụng sâu rộng Công nghệ xử lý nhiệt không có ảnh hưởng xấu đến khả năng dán dính cũng như khả năng trang sức, trừ một vài chỉ tiêu cơ học của gỗ bị giảm, tính ổn định kích thước, tính chống ẩm, độ bền được nâng cao rõ rệt [68] Căn

cứ báo cáo của Boonstra [12], lĩnh vực nghiên cứu xử lý nhiệt gỗ lại được bắt đầu là do các loại gỗ chất lượng cao ngày càng ít, nhằm bổ sung cho nhu cầu ngày càng tăng về vật liệu xây dựng, giảm sự phá hoại đối với rừng tự nhiên

và giảm việc sử dụng chất xử lý gỗ độc hại, thì việc đi sâu vào nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt gỗ là vô cùng cần thiết

Theo một số tài liệu nghiên cứu, xử lý nhiệt cho gỗ trong khoảng

160-260oC, trong môi trường có vật chất như hơi nước, khí trơ, không khí ít ô xy…[31], thông qua giảm thiểu số lượng nhóm –OH trong thành phần của gỗ,

đã giảm khả năng hút ẩm và nội ứng lực của gỗ, từ đó nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ [21] [52] [42] [72] [73]; đồng thời trong quá trình xử lý nhiệt, thành phần của gỗ phát sinh hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp, làm biến đổi một số thành phần của gỗ, giảm chất dinh dưỡng cho sự sinh tồn của nấm và côn trùng hại gỗ, ngăn cản sự sinh trưởng và phát triển của nấm

và côn trùng hại gỗ qua việc cắt đứt chuỗi thức ăn, vì vậy có thể nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại [13] [42 [53] Phương pháp này chỉ sử dụng tác nhân vật lý, so với các phương pháp dùng tác nhân hóa học khác, vấn đề ô nhiễm trong quá trình sản xuất bằng công nghệ xử lý nhiệt ít, công nghệ xử lý

đơn giản, hơn nữa trong quá trình sử dụng hiệu quả bảo quản của gỗ xử lý nhiệt không bị suy giảm do hóa chất bị rửa trôi hay bay hơi, cũng không làm hại đến sức khỏe của con người

Hiện tại, ở các nước Châu âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập được 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan,

Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT-Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký các bằng phát minh sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp

Công nghệ xử lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan sử dụng các công đoạn khác nhau tiến hành xử lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nước với sấy và ổn định hóa Trong quá trình xử lý, tác dụng của thủy nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ Phương pháp xử lý này chủ yếu được cấu thành từ hai công đoạn chính, và công đoạn sấy trung gian Giai đoạn thứ nhất, tiến hành xử lý gỗ tươi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC với áp suất nhất định, sau đó sử dụng phương pháp sấy thông thường làm giảm độ ẩm gỗ, tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ được đặt trong môi trường có nhiệt độ 170-190oC tiến hành xử lý ổn định hóa Thời gian xử lý của quá trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[18] [33] Công nghệ xử lý dầu nhiệt (OHT) sử dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành xử lý gỗ, nhiệt độ thường dùng

từ 160oC trở lên [76] Công nghệ này thiết bị phức tạp chí phí tốn kém

Công nghệ xử lý nhiệt Retification [74] [97] của Pháp sử dụng gỗ phơi khô (độ ẩm khoảng 12%), tiến hành xử lý ở nhiệt độ 200-240oC, trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 5% Với công nghệ này, nhiệt độ xử lý cuối cùng trong quá trình xử lý có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và

cường độ gỗ Gỗ sau khi xử lý, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời gian xử lý

Công nghệ xử lý nhiệt ThermoWood của Phần Lan sử dụng gỗ đã sấy tiến hành xử lý nhiệt trong môi trường hơi nước Sản phẩm của công nghệ này được phân thành hai cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó “S—Stability” thể hiện tính ổn định, “D—Durability” thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mục Loại ThermoD thích hợp sử dụng làm công trình kiến trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại công nghệ này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, sản phẩm có thị trường lớn nhất so với các công nghệ còn lại [68]

Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm của các công nghệ xử lý nhiệt gỗ hiện nay [18] [56] [68] [84]

Bảng 1.1 Đặc điểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay

Tên công nghệ Chất bảo vệ Độ ẩm ban đầu Nhiệt độ xử lý

Retification® Khí N 2 Gỗ phơi khô 200-240 150-160

Plato®Wood Nước, hơi nước

hoặc không khí

Gỗ tươi hoặc gỗ

Ghi chú: a Không bao gồm giá thành nguyên liệu

1.2.1 Các nghiên cứu về tỉ lệ tổn hao khối lượng gỗ

Trong quá trình xử lý nhiệt, các thành phần tổ thành nên gỗ như hemixenlulo, celllulose và lignin bị phân giải, lượng chất gỗ sẽ giảm xuống, khi xử lý ở nhiệt độ dưới 200 oC thì mức độ giảm không lớn, nguyên nhân chủ yếu do ở phạm vi nhiệt độ này lignin và xenlulo ít bị phân giải, nhưng khi

nhiệt độ tăng lên trên 200oC thì tỉ lệ giảm khối lượng của gỗ tăng lên rõ rệt [28] [84]

Esteves và các cộng tác [23] đã nghiên cứu xử lý nhiệt cho gỗ thông trong môi trường không khí thu được kết quả tốc độ giảm khối lượng của gỗ (tỉ lệ giữa tỉ lệ giảm khối lượng và thời gian xử lý, %/h) tăng khi nhiệt độ xử

lý tăng, cụ thể khi nhiệt độ tăng từ 170 oC đến 200 oC, thì tốc độ giảm khối lượng của gỗ thông tăng từ 0.20%/h đến 1.03%/h

Alén và đồng nghiệp [10] đã chỉ ra, khi tỉ lệ giảm khối lượng trong phạm

vi 1.5% (điều kiện xử lý 180oC, 4h) đến 12.5% (điều kiện xử lý 225oC, 6h), thì tỉ lệ giảm khối lượng cũng tăng lên khi nhiệt độ tăng

Căn cứ bằng phát minh sáng chế của Viitanienmi [75], nếu muốn thu được gỗ có tính ổn định kích thước cao cần xử lý với tỉ lệ giảm khối lượng khoảng 3%, và khi tỉ lệ giảm khối lượng là 5% thì có thể nâng cao tính bền của gỗ

1.2.2 Các nghiên cứu về tính ổn định kích thước

Gỗ sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng nhóm thân nước (–OH) và tỉ lệ vùng

mà phân tử nước có thể xâm nhập được (vùng vô định hình) giảm, vì thế tính hút nước và tính hút ẩm của gỗ giảm xuống [54] [70]

Li Xianjun và đồng nghiệp [93] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian

và nhiệt độ xử lý đến tính hút nước và tính ổn định kích thước của gỗ Sa mộc rừng trồng, kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý,

độ ẩm thăng bằng, tỉ lệ hút nước và tỉ lệ giãn nở thể tích của gỗ Sa mộc bị giảm xuống; sự ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến độ ẩm thăng bằng, tỉ lệ hút nước và tỉ lệ giãn nở thể tích của gỗ lớn hơn so với sự ảnh hưởng của thời gian xử lý

Stamm và đồng nghiệp [66] khi nghiên cứu nhiệt giải gỗ và xenlulo đã chỉ

ra, khi tỉ lệ giảm khối lượng tăng thì tỉ lệ dãn nở giảm, và hệ số tỉ lệ giữa

chúng chủ yếu chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt hay không có mặt của không khí trong môi trường xử lý nhiệt giải Kết quả cho thấy, khi tiến hành xử lý gỗ trong môi trường không có không khí hoặc ít không khí thì có thể nâng cao được tính ổn định kích thước của gỗ, và còn có thể giảm được tỉ lệ giảm khối lượng đến mức tối đa, từ đó có thể khống chế được tỉ lệ tổn thất về tính chất

cơ học của gỗ

Obataya và cộng sự [49] tiến hành phân tích tương quan hồi qui giữa tỉ lệ giảm khối lượng và độ ẩm thăng bằng của gỗ xử lý nhiệt phát hiện, hai chỉ tiêu này có quan hệ tỉ lệ thuận, tỉ lệ giảm khối lượng càng lớn thì độ ẩm bão hòa giảm càng nhiều

Tjeerdsma và cộng sự [71] lợi dụng phương pháp Acetyl hóa gián tiếp xác định được hàm lượng gốc –OH trong gỗ và sử dụng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) tiến hành phân tích đặc tính và sự thay đổi của vách

tế bào gỗ Fagus silvatica L và Pinus sylvestris L đã qua xử lý thủy nhiệt

Nghiên cứu phát hiện, trong điều kiện xử lý nhiệt, khi xử lý ở 160oC chỉ có một lượng nhỏ gốc acetyl phát sinh phản ứng phân giải, đa số các gốc acetyl

bị phân giải ở giai đoạn xử lý với nhiệt độ 180oC, ở giai đoạn nhiệt độ trung bình chỉ có tác dụng acetyl hóa Gỗ sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng gốc –OH giảm xuống, phản ứng este hóa xảy ra ở giai đoạn gia công nhiệt độ cao, có tác dụng làm giảm khả năng hút ẩm của gỗ, từ đó nâng cao được tính ổn định kích thước của gỗ, tác dụng của nó không lớn bằng tác dụng do các liên kết ngang được tạo thành trong gỗ khi xử lý ở nhiệt độ cao (cross-linking)

Repellin và cộng sự [57] đã sử dụng máy Quét nhiệt vi sai (Differential scanning calorimetry DSC) tiến hành nghiên cứu tỉ lệ dãn nở của gỗ xử lý bằng công nghệ Retification®, qua nghiên cứu độ ẩm thăng bằng của gỗ xử lý nhiệt đã cho rằng nguyên nhân giảm tỉ lệ dãn nở của gỗ sau khi xử lý nhiệt

không chỉ do sự phân giải của hemixenlulo dẫn đến giảm điểm hấp phụ, mà

có thể do kết cấu hóa học của lignin thay đổi tạo ra

Tuong và Li đã nghiên cứu sự biến đổi cấu trúc hóa học và một số tính chất của gỗ Keo lai sau quá trình xử lý nhiệt trong môi trường có khí N2 bảo

vệ với nhiệt độ xử lý từ 210oC đến 230oC, kết quả cho thấy, gỗ Keo lai sau khi được xử lý nhiệt một lượng nhất định các nhóm hydroxyl giảm xuống, cùng với đó là tính hút nước của gỗ cũng giảm xuống, và tính ổn định kích thước gỗ đã được cải thiện

1.2.3 Các nghiên cứu về khả năng chống vi sinh vật

Với mục tiêu duy trì được đặc tính vốn có của gỗ, nâng cao khả năng chống lại vi sinh vật, có thể phát huy tốt nhất tính năng của gỗ, đạt được mục đích tiết kiệm tài nguyên, đây là mục tiêu chủ yếu của công việc nghiên cứu khoa học gỗ Rất nhiều nghiên cứu cho thấy, công nghệ xử lý nhiệt có thể nâng cao khả năng chống lại vi sinh vật phá hoại gỗ một cách có hiệu quả, hơn nữa phương pháp này không đưa bất kỳ một loại hóa chất nào vào gỗ, mà chỉ làm cho các thành phần cấu tạo nên gỗ phát sinh phản ứng do tác dụng của nhiệt độ để đạt được mục đích nâng cao tính năng chống lại vi sinh vật phá hoại [13] [39] [40] [78] [92]

Kết quả nghiên cứu của Sustersic và cộng sự [67] cho thấy nhiệt độ xử lý càng cao, thời gian xử lý càng dài, tính năng chống mục của gỗ càng tốt, mức

độ chống mục có quan hệ với mức độ phân giải của các thành phần cấu trúc nên gỗ

Viitaniemi [75] chỉ ra, xử lý với tỉ lệ giảm khối lượng khoảng 5% có thể tăng tính bền của gỗ

Sivonen và cộng sự [63] sử dụng quang phổ cộng hưởng từ thể rắn (CP/MAS 13C NMR) tiến hành nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc hóa học của

gỗ xử lý nhiệt chỉ ra, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thành phần cấu trúc

nên gỗ không giống nhau, dưới tác dụng của nhiệt độ, tốc độ phân giải của xenlulo và lignin thấp hơn so với tốc độ phân giải của hemixenlulo, từ 180oC hemixenlulo bắt đầu phân giải, khi nhiệt độ lớn hơn 200oC, do hàm lượng các gốc tự do tăng nhanh, cùng với việc phát sinh phản ứng ngưng tụ, từ đó nâng cao khả năng chống lại vi sinh vật phá hoại của gỗ, nhưng một số tính năng

cơ học của gỗ cũng bị giảm theo, đồng thời ở nhiệt độ đó, hàm lượng các nhóm methoxyl giảm, giữa các phân tử lignin phát sinh liên kết ngang, làm giảm khả năng hút nước, nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ

Weiland và cộng sự [78] dùng quang phổ phản xạ hồng ngoại biến đổi Fourier (DRIFT) tiến hành nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc hóa học của gỗ xử

lý nhiệt và tính nguy hại của các loại nấm tới gỗ chỉ ra, trong quá trình thủy phân trong môi trường axit, ở gỗ đã hình thành ete mới, đồng thời đã quan sát được phản ứng khử trùng hợp và phản ứng ngưng tụ, từ đó làm cho cơ hội sống của nấm giảm đi Ngoài ra, sự giảm khả năng hút nước của gỗ được nói tới ở phần trên đã dẫn đến lượng nước trong gỗ giảm, ngăn cản sự sinh trưởng của nấm mốc

1.2.4 Các nghiên cứu về tính chất cơ học của gỗ

Trong quá trình xử lý nhiệt, trong gỗ phát sinh lượng lớn sự thay đổi về cấu trúc hóa học, bao gồm sự phân giải của hemixenlulo Kết cấu hóa học gỗ thay đổi dẫn đến tính năng vật lý, cơ học của gỗ cũng thay đổi theo Nhiệt độ

xử lý càng cao, thời gian xử lý càng dài thì sự thay đổi càng rõ rệt [32] [71] [91]

Phuong LX và các cộng tác viên [52] đã nghiên cứu tính dòn của gỗ Bồ

đề sau khi xử lý nhiệt cho thấy tính dòn của gỗ tăng lên khi tăng nhiệt độ và thời gian xử lý

Nghiên cứu của Obataya [50] phát hiện, theo sự tăng lên của nhiệt độ và

sự kéo dài thời gian xử lý, modul đàn hồi khi va đập, giới hạn bền uốn tĩnh của gỗ đều giảm theo

Yildiz [80] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tham số xử lý nhiệt đến tính chất gỗ và chỉ ra rằng nhiệt độ xử lý quan trọng hơn thời gian xử lý, cường độ chịu nén của gỗ xử lý nhiệt giảm xuống khi tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý, đồng thời còn chỉ ra, thông qua sử dụng môi trường bảo vệ (khí

N2, hơi nước) có thể giảm được mức độ tổn thất cường độ gỗ một cách có hiệu quả

Ding Tao và cộng sự [81] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hơi nước áp suất cao đến tính chất cơ lý của gỗ, kết quả cho thấy, cường độ chịu uốn và khả năng chống va đập của gỗ giảm xuống rõ rệt, nhưng cường độ chịu nén và modul đàn hồi khi uốn của gỗ lại lớn hơn gỗ khi chưa xử lý Ngoài ra, căn cứ kết quả xác định các thành phần hóa học của gỗ sau xử lý thể hiện, sự thay đổi tính năng cơ học của gỗ xử lý nhiệt chủ yếu do trong quá trình xử lý hemixenlulo bị phân giải và có sự thay đổi trong kết cấu hóa học của lignin, kết quả của nghiên cứu này cơ bản giống với kết quả nghiên cứu của Boonstra [15]

1.2.5 Các nghiên cứu về tính thấm ướt và khả năng dán dính

Trên phương diện thay đổi tính thấm ướt của gỗ xử lý nhiệt, nghiên cứu

của Hakkou [29] đã phát hiện, tính chống thấm nước của gỗ Fagus sylvatica

tăng dần ở phạm vi nhiệt độ 130-160oC, khi nhiệt độ lớn hơn 160oC ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chống thấm của gỗ không lớn Khi sử dụng phương pháp phân tích quang phổ cộng hưởng từ thể rắn (CP/MAS 13C NMR) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) tiến hành nghiên cứu đã chỉ ra, khả năng thấm ướt của gỗ xử lý nhiệt giảm là do sự sắp xếp lại của các chất cao phân tử trong gỗ và sự dẻo hóa của lignin trong quá trình xử

lý nhiệt gây ra, mà không phải do phản ứng phân giải và sự di chuyển ra bề mặc gỗ của các chất chiết suất gây ra

Follrich [26] đã tiến hành nghiên cứu xử lý nhiệt gỗ Picea abies Karst và

phát hiện, góc tiếp xúc của giọt dung dịch và bề mặt gỗ tăng từ 50o lên 90o, tính thấm ướt của gỗ giảm xuống rõ rệt, nhưng thời gian xử lý khác nhau thì góc tiếp xúc khác nhau không đáng kể; tác giả tiếp tục nghiên cứu tạo ván phức hợp từ gỗ xử lý nhiệt và nhựa PE, sau đó tiến hành thí nghiệm cường độ dán dính và thí nghiệm dầm công xôn đã phát hiện, giá trị cường độ dán dính

bề mặt kéo chịu ảnh hưởng rất lớn của công nghệ xử lý nhiệt, hơn nữa sự ảnh hưởng này tăng dần theo sự kéo dài của thời gian xử lý nhiệt

Gu Lianbai và cộng sự [98] đã tiến hành nghiên cứu tính năng dán dính

của gỗ Birch, Thông rụng lá và Pinus sylvestris var mongolica Litv sau khi

xử lý nhiệt và chỉ ra, cường độ kéo trượt màng keo có quan hệ với loại keo sử dụng Gỗ sau khi xử lý nhiệt, cường độ kéo trượt màng keo đều giảm xuống với các mức độ khác nhau, cường độ dán dính gỗ Birch giảm nhiều nhất, cường độ dán dính gỗ Thông rụng lá giảm ít nhất

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây do Nhà nước đã thực hiện chủ trương hạn chế khai thác các loại gỗ rừng tự nhiên và các loại gỗ quý hiếm, và

đã chuyển hướng sang sử dụng gỗ rừng trồng để làm nguyên liệu sản xuất các sản phẩm gỗ nội địa cũng như xuất khẩu Do đó, việc nghiên cứu xử lý nâng cao chất lượng gỗ hay biến tính gỗ cũng đã và đang rất được quan tâm Tuy nhiên do hoàn cảnh lịch sử cũng như điều kiện kinh tế nên việc nghiên cứu và triển khai công nghệ biến tính gỗ nói chung, công nghệ biến tính gỗ bằng nhiệt độ cao nói riêng đang gặp rất nhiều khó khăn và vẫn chưa thực sự chủ động không chỉ về thiết bị mà cả về mặt công nghệ

Trong những năm gần đây đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về biến tính gỗ bằng hóa chất áp dụng cho gỗ rừng trồng của Việt Nam, tuy nhiên các công trình nghiên cứu về biến tính gỗ bằng nhiệt độ cao còn rất hạn chế

PGS TS Phạm Văn Chương năm 2011 đã nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ xử lý thủy nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Keo lá tràm, kết quả cho thấy, nhiệt độ và thời gian xử lý đã ảnh hưởng rất rõ đến khối lượng thể tích, hiệu suất chống hút nước và hệ số chống trương nở của gỗ Cụ thể, khối lượng thể tích của gỗ giảm xuống nhưng tính ổn định kích thước của gỗ được cải thiện thông qua kết quả phân tích tính hút nước và tính trương nở của gỗ Trần Thị Huê năm 2011 đã thực hiện luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: “Ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt đến một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ

Keo lá tràm (Acacia auriculiformis)” Kết quả đã thể hiện, tính ổn định kích

thước gỗ Keo lá tràm sau khi xử lý thủy-nhiệt tăng trên 50%, tuy nhiên khối lượng thể tích gỗ lại giảm xuống rõ rệt

Một nghiên cứu khác đối với gỗ Bạch đàn trong Luận văn thạc sĩ của Đào Thanh Giang (2011), “Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy nhiệt đến một số tính

chất vật lý, cơ học của gỗ bạch đàn (Eucalyptus urophylla)” cũng cho kết quả

tương tự với quy luật biến đổi tính chất trong nghiên cứu của Trần Thị Huê Năm 2013, nhằm nâng cao tính ổn định kích thước cho gỗ Keo lá tràm sau khi đã xử lý chậm cháy, PGS TS Phạm Văn Chương và TS Vũ Mạnh Tường [2] đã tiến hành nghiên cứu xử lý nhiệt độ cao trong môi trường không khí cho gỗ Keo lá tràm sau khi đã xử lý chậm cháy bằng MAP Kết quả cho thấy, gỗ sau khi xử lý vẫn giữ được khả năng chậm cháy nhất định và có độ

ổn định kích thước cao hơn so với gỗ chưa xử lý nhiệt

1.4 Ứng dụng của gỗ xử lý nhiệt

Trong hầu hết các công nghệ xử lý nhiệt cho gỗ, các nhân tố tác động chính đến gỗ chỉ có nhiệt độ và một trong các loại vật chất bảo vệ như: Không

khí, hơi nước, khí trơ, hoặc chân không… mà không sử dụng bất kỳ loại hóa

chất nào Do đó gỗ xử lý nhiệt là loại sản phẩm thân thiện với môi trường hay

loại sản phẩm ít gây tác hại đến môi trường cả trong quá trình sản xuất và quá

trình sử dụng Ngoài ra, xử lý nhiệt đã nâng cao tính ổn định kích thước và

khả năng chống vi sinh vật của gỗ, làm cho gỗ có màu sắc gần giống với một

số loài gỗ quý hiếm Đối với các lĩnh vực sử dụng cụ thể thường áp dụng các

công nghệ xử lý khác nhau để có thể thu được sản phẩm gỗ xử lý nhiệt phù

hợp với yêu cầu của từng lĩnh vực

Tại các quốc gia Châu Âu, một số loài gỗ lá kim như Thông, Vân sam sau

khi xử lý nhiệt thường được sử dụng làm vật liệu sản xuất các sản phẩm sử

dụng ngoài trời, như bàn, ghế, cửa, ván ốp tường…; một số loài gỗ lá rộng

như Birch, Bạch dương sau khi xử lý nhiệt thường được dùng để sản xuất các

sản phẩm nội thất như: Bàn, ghế, tủ bếp, đồ dùng trong phòng tắm, ván sàn…

Với một số loài gỗ lá kim sau khi xử lý nhiệt, do nhựa cây cơ bản được loại

bỏ do đó có thể sử dụng làm ván ốp trong phòng xông hơi; các loài gỗ lá rộng

có khối lượng thể tích khá lớn cũng có thể xử lý và hoàn toàn đáp ứng yêu

cầu sử dụng trong sản xuất độ gia dụng và ván sàn Phạm vi ứng dụng của gỗ

xử lý nhiệt theo công nghệ của Phần Lan (ThermoWood) thể hiện trong Bảng

Một số hình ảnh minh họa ứng dụng của gỗ xử lý nhiệt trong các công

trình kiến trúc được thể hiện trong các hình từ 1.1 đến 1.5

Từ các nghiên cứu đề cập ở trên có thể thấy, tính chất gỗ xử lý nhiệt có đặc điểm chung sau:

(1) Khi thời gian và nhiệt độ xử lý tăng lên, tính ổn định kích thước, khả năng chống chịu vi sinh vật và tỉ lệ tổn hao khối lượng tăng theo; ngược lại độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi uốn tĩnh và độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm xuống

(2) Môi trường xử lý có ảnh hưởng đến tính chất gỗ Gỗ xử lý trong môi trường có ô xy có cường độ thấp hơn so với môi trường ít ô xy hoặc có khí trơ bảo vệ

(3) Mức độ cải thiện tính ổn định kích thước của gỗ chịu ảnh hưởng bởi

độ ẩm gỗ trước khi xử lý Gỗ tươi sau khi xử lý nhiệt có tính ổn định kích thước kém hơn so với gỗ khô

(4) Các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước ơ mức độ khảo sát, đánh giá, định hướng Trang thiết bị phức tạp với quy mô phòng thí nghiệm,…

Ngoài một vài trường hợp cá biệt phát hiện mô đun đàn hồi uốn tĩnh của

gỗ sau khi xử lý nhiệt tăng lên, về cơ bản cường độ gỗ đều bị giảm sau khi xử

lý Nghiên cứu tìm ra công nghệ xử lý hợp lý nhằm hạn chế độ giảm cường

độ gỗ là một trong những vấn đề quan trọng trong nghiên cứu công nghệ xử

lý nhiệt độ cao cho gỗ

Hiện tại, công nghệ xử lý nhiệt độ cao cho gỗ trong nước mới đang ở giai đoạn khởi đầu, nhưng trên thế giới đã được nghiên cứu từ khá lâu và cũng đã đạt được rất nhiều thành tựu Căn cứ vào điều kiện hiện tại, nên tiến hành nghiên cứu sâu vào một trong các lĩnh vực sau:

(1) Nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt độ cao đến tính ổn định kích thước, cường độ của các loài gỗ rừng trồng phổ biến tại Việt Nam;

(2) Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt độ cao hợp lý để xử lý nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng Việt Nam dùng làm nguyên liệu sản xuất đồ mộc dân dụng và xuất khẩu;

(3) Nghiên cứu cơ chế biến đổi tính chất đối với gỗ rừng trồng Việt Nam kết hợp với các nghiên cứu của thế giới nhằm góp phần hoàn thiện cơ sở lý luận của công nghệ xử lý nhiệt độ cao cho gỗ, từ đó làm cơ sở để lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Thành phần hóa học của gỗ[7] [8]

Gỗ được tổ thành từ các nguyên tố cơ bản như: C, H, O, N, ngoài ra gỗ còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khoáng chất Các hợp chất hóa học cấu tạo nên vách tế bào gỗ có thể được phân làm hai nhóm: Thành phần chủ yếu và thành phần thứ yếu Thành phần chủ yếu bao gồm xenlulo, hemixenlulo và lignin; các thành phần thứ yếu bao gồm nhựa cây, tannin, tinh dầu, sắc tố, khoáng chất, pectin, protein, hợp chất vô cơ,…

Hình 2.1 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ

2.1.1 Xenlulo

Xenlulo là polsacarit phổ biến nhất trong thiên nhiên Ngoài gỗ, xenlulo còn chứa trong quả cây bông với hàm lượng lớn (khoảng 96-99 %), trong các mầm, hoa và quả một số loài cây lấy sợi dệt vải như cây lanh, loài cây thân thảo, … Lý tính, hóa-lý tính và hóa tính của xenlulo phụ thuộc vào cấu tạo hóa học cũng như cấu trúc vật lý của nó Là thành phần cơ bản cấu tạo nên vách tế bào gỗ, xenlulo ảnh hưởng trực tiếp tới cấu tạo và tính chất của gỗ

2.1.1.1 Cấu trúc hóa học của xenlulo

Xenlulo là một polysacarit đồng thể mạch thẳng, phân tử xenlulo được

cấu tạo bởi các gốc β-D-glucoza, liên kết với nhau bằng các liên kết glycozit

1-4 Xenlulo là polyme cấu tạo mạng không gian: Chuỗi phân tử của nó có cấu tạo điều hòa và tất cả các nguyên tử carbon không đối xứng nhau theo một cấu hình chặt chẽ nhất định

Đơn vị lập thể lặp lại trong chuỗi xenlulo là gốc xelobyoza glucopyranozil]-β-D-glucopyranoza) (Hình 2.2a)

(4-O-[β-D-Công thức chung của xenlulo có thể viết dưới dạng (C6H10O5)n hoặc [C6H7O2(OH)3]n Độ trùng hợp n của xenlulo trong gỗ khoảng 5.000 đến 10.000 Mức phân tán của xenlulo tự nhiên không lớn Các kết quả nghiên cứu cho rằng, xenlulo ở vách tế bào sơ cấp có dạng phân tán, còn ở vách tế bào thứ cấp chúng tồn tại dưới dạng gần với trạng thái đơn tán Trong quá trình tách từ mô tế bào, xenlulo bị biến đổi ở một mức độ nào đó và tính không đồng nhất về phân tử lượng cũng tăng theo

Xenlulo là một polyme phân cực Mỗi mắt xích của chuỗi phân tử xenlulo chứa ba nhóm rượu (-OH): Một nhóm rượu bậc nhất và hai nhóm bậc hai, chúng khác nhau về khả năng phản ứng hóa học Các mắt đầu của cao phân tử xenlulo khác biệt rõ rệt so với các mắt khác trong phân tử Ở một đầu mạch của cao phân tử có thêm một nhóm rượu bậc hai ở nguyên tố carbon thứ tư, còn ở đầu kia có nhóm hydroxyl tự do, do mắt xích đầu này của chuỗi phân tử

có chứa nhóm anđehit không bền vững và tạo cho xenlulo khả năng khử (Hình 2.2c)

Hình 2.2 Cấu tạo hóa học của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã

qua metyl hóa

2.1.1.2 Các tương tác và liên kết giữa các phân tử xenlulo

Giữa các phân tử xenlulo có hai dạng tương tác, đó là lực Van-der-Vaals

và các liên kết hydro Khác với các lực hóa trị, lực Van-der-Vaals thuộc nhóm các lực có độ ảnh hưởng rộng Phần lớn các nhóm hydroxyl (-OH) trong phân

tử xenlulo tạo ra năng lượng lớn thông qua các liên kết hydro Các liên kết hydro giữa các nhóm (-OH) được tạo ra khi khoảng cách giữa các nguyên tử oxy của chúng xích lại gần nhau, ở khoảng cách 0,25-0,28 nm Sự tồn tại các liên kết hydro khác nhau về độ bền giữa các phân tử là do các đặc điểm về sự trương nở và độ tan của xenlulo (ít trương nở trong nước, trương nở nhiều hơn trong kiềm và trương (tan) vô hạn trong các bazơ phức và một số dung môi của đặc trưng của xenlulo)

Các nhóm hydroxyl của xenlulo tạo ra các liên kết hydro trong phân tử và liên kết giữa các phân tử Các liên kết hydro trong phân tử được tạo thành trong một chuỗi giữa các mắt glucopyranoza kề nhau Các liên kết này tạo ra

độ cứng cần thiết cho chuỗi xenlulo Các liên kết hydro giữa các phân tử được tạo thành giữa các chuỗi và sản sinh ra các lực tương tác giữa các phân tử

Hình 2.3 Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ

(a) Liên kết hydro nội phân tử xenlulo (b) Liên kết hydro giữa các phân tử xenlulo

Liên kết hydro được nghiên cứu bằng phương pháp quang phổ hồng ngọai Trong quang phổ của xenlulo, trong phạm vi các dao động hóa trị của

các nhóm hydroxyl có một vạch rộng và rõ với ở vùng 3.400 cm-1, tương ứng với các dao động của các nhóm (-OH) tham gia vào các liên kết hydro

Các liên kết hydro trong phân tử xenlulo đóng vai trò rất quan trọng Chúng quy định cấu trúc lý học của xenlulo (hình dạng phân tử, trạng thái hỗn hợp và cấu trúc phân tử) những trạng thái này ảnh hưởng tới tất cả các tính chất của xenlulo - lý tính, lý hóa tính và hóa tính

Sự tạo thành các liên kết hydro giữa các chuỗi xenlulo và các phân tử nước có một ý nghĩa quan trọng trong khả năng hút ẩm của xenlulo và gỗ Năng lượng của các liên kết hydro, đặc biệt là trong các phần có cấu tạo mạng tinh thể, làm giảm khả năng tham gia phản ứng hóa học của xenlulo, quyết định cường độ khuếch tán của hóa chất vào sợi xenlulo Tính chất cơ học của xenlulo kỹ thuật và giấy được xác định bởi các liên kết giữa các sợi, mà một phần được hình thành qua các liên kết hydro giữa các phân tử xenlulo trên bề mặt sợi

Liên kết hydro giữa các nhóm –OH ở các vị trí khác nhau trên phân tử xenlulo ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hút và nhả ẩm của vật liệu gỗ, có quan hệ mật thiết với tính chất và công nghệ gia công vật liệu gỗ

(1) Quan hệ với tính chất gỗ Liên kết hydro có tác dụng quan trọng tới sự tạo thành siêu phân tử của xenlulo, trong vùng vô định hình các phân tử xenlulo hình thành rất nhiều liên kết hydro, số lượng liên kết hydro nhiều có thể nâng cao được khả năng chịu lực của vật liệu gỗ, giảm thiểu tính hút ẩm,

và giảm khả năng tham gia phản ứng hóa học của gỗ,…

(2) Quan hệ với công nghệ gia công sợi Kết hợp các liên kết hydro là lý thuyết hình thành ván trong sản xuất ván sợi ướt Lý thuyết kết hợp liên kết hydro cho rằng, các sợi rời rạc có thể kết hợp với nhau hình thành ván là do giữa các sợi đã hình thành liên kết hydro Nghiền bột gỗ có thể phân ly sợi và

“chổi hóa” sợi ở mức độ nhất định, tăng diện tích bề mặt sợi có thể tăng số

lượng gốc –OH tự do, từ đó cải thiện được điều kiện hình thành liên kết hydro Ép nóng có thể nâng cao độ linh động của các nhóm chức, thu nhỏ khoảng cách của các nhóm chức Khi khoảng các giữa các nhóm –OH trong sợi được thu nhỏ đến khoảng 0,275 nm lúc này giữa chúng có thể hình thành liên kết hydro, làm cho kết cấu của ván sợi chặt chẽ hơn

(3) Quan hệ với quá trình sấy Phân tử nước có thể xâm nhập vào vùng vô định hình của xenlulo làm cho xenlulo hút ẩm và trương nở; ngược lại, tách nước và co rút là quá trình ngược lại của hút ẩm và trương nở Trong quá trình sấy vật liệu gỗ liên tục, cùng với sự thay đổi liên kết hydro của xenlulo, đầu tiên các liên kết hydro giữa các phân tử nước bị cắt đứt, khi một bộ phận phân tử nước bị thoát ra lúc này bề mặt của các xenlulo sẽ co lại gần nhau, cho đến khi giữa bề mặt của các phân tử xenlulo chỉ còn một lớp phân tử nước; tiếp theo làm đứt liên kết hydro giữa phân tử nước và xenlulo tại vị trí nhóm –OH, từ đó tạo ra liên kết hydro mới giữa các phân tử xenlulo

2.1.1.3 Độ kết tinh của xenlulo

Độ kết tinh của xenlulo là tỉ lệ phần trăm của vùng kết tinh so với toàn bộ xenlulo, nó phản ánh mức độ kết tinh của xenlulo khi trùng hợp

Phương pháp xác định độ kết tinh của xenlulo có phương pháp hóa học (hoặc lý hóa) và phương pháp vật lý Phương pháp hóa học chủ yếu gồm các phương pháp như: Thủy phân, trao đổi ion, focmyl hóa, hút ẩm, hấp thụ i-ốt

và hấp thụ brôm; phương pháp vật lý chủ yếu có các phương pháp như: Nhiễu

xạ tia X (XRD), phân tích phổ hồng ngoại, phân tích nhiệt sai (differential thermal analysis – DTA),… Các phương pháp xác định khác nhau thường cho kết quả độ kết tinh khác biệt khá lớn Nhiễu xạ tia X là phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất để xác định độ kết tinh của xenlulo

Phương pháp xác định độ kết tinh của xenlulo bằng phổ nhiễu xạ tia X chủ yếu lợi dụng tia X chiếu vào mẫu vật, đo được cường độ nhiễu xạ của tia

X tương ứng với góc chiếu xạ θ, trục hoành là 2θ, trục tung là cường độ của tia X, từ đó vẽ được đồ thị quan hệ giữa góc 2θ và cường độ tia X Khi đo, góc 2θ quét từ 10o đến 40o

Khi độ kết tinh tăng lên, khả năng chịu kéo, độ cứng, khối lượng thể tích

và tính ổn định kích thước cũng tăng lên; nhưng tỉ lệ kéo dài, tính hút ẩm, độ hấp thụ chất nhuộm màu, khả năng thấm, tính dẻo dai và khả năng phản ứng hóa học sẽ giảm xuống Vì vậy, độ kết tinh của xenlulo có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của sợi

Xenlulo là thành phần chủ yếu cấu tạo nên gỗ, ước chiếm khoảng 50 %

Do vậy, độ kết tinh của xenlulo có quan hệ rất mật thiết với tính chất cơ lý và hóa học của gỗ Độ kết tinh lớn tức vùng kết tinh nhiều, dẫn đến khả năng chịu kéo, khả năng chịu uốn, tính ổn định kích thước của gỗ cũng cao Ngược lại, độ kết tinh thấp, tức vùng vô định hình nhiều thì các tính chất này sẽ giảm xuống, hơn nữa lại gia tăng tính hút ẩm, tính hấp thụ và khả năng phản ứng hóa học

2.1.1.4 Ảnh hưởng của xenlulo đến gia công và sử dụng gỗ

a Sự hút và nhả ẩm của xenlulo

Xenlulo có tính hút ẩm và nhả ẩm Khi hút hơi nước được gọi là hút ẩm

và khi thoát hơi nước được gọi là nhả ẩm Tính hút ẩm của xenlulo có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và tính ổn định kích thước của sợi Nhóm hydroxyl (–OH) trên phân tử cellulo trong vùng vô định hình có một phần nhất định ở trạng thái tự do Các nhóm –OH tự do rất dễ hấp phụ các phân tử nước và hình thành liên kết hydro Khả năng hút ẩm phụ thuộc vào độ lớn vùng vô định hình và số lượng nhóm –OH tự do Tính hút ẩm sẽ tăng lên khi vùng vô định hình tăng lên hay đồng nghĩa với nó là độ kết tinh giảm xuống

Khi nhiệt độ môi trường thấp, hàm lượng nước hút vào và thoát ra lúc đầu tăng lên khi độ ẩm môi trường tăng lên, đến khi độ ẩm tương đối đạt khoảng 60-70 % lượng nước hấp phụ sẽ giảm xuống Khi gần đến điểm bão hòa sợi

sự tăng lên của nước hấp phụ nhanh hơn nhiều so với sự tăng lên của độ ẩm tương đối, đường đẳng nhiệt gần như song song với trục hoành như Hình 2-6 Khi độ ẩm tương đối của môi trường thấp, nhóm –OH tự do trong vùng

vô định hình hấp phụ phân tử nước; độ ẩm tương đối môi trường tăng lên, một

bộ phận liên kết hydro bị phá vỡ hình thành nhóm –OH tự do mới, tiếp tục hấp phụ phân tử nước Khi độ ẩm tương đối môi trường thấp hơn 70 %, phân

tử nước sẽ bị hấp phụ bởi nhóm -OH vốn có và nhóm -OH mới; độ ẩm tương đối môi trường tăng lên trên 70 %, lúc này sẽ hình thành các trung tâm hấp thụ, đồng thời rất nhiều lớp nước hấp phụ sẽ được tạo ra

b Hiệu ứng nhiệt

Phân tử nước do vùng vô định hình của xenlulo hấp thụ kết hợp với nhóm –OH trong xenlulo tạo ra liên kết hydro, làm cho sự sắp xếp của phân tử nước

có tính định hướng nhất định, mật độ lớn hơn so với nước tự do thông thường,

và làm cho xenlulo bị thấm ướt Quá trình hút ẩm của xenlulo khô xuất hiện hiện tượng tỏa nhiệt, tức tạo ra hiệu ứng nhiệt Nhiệt tỏa ra được gọi là nhiệt hấp thụ hoặc nhiệt thấm ướt Nhiệt hấp thụ của sợi cellulo lớn nhất khi ở trạng thái khô kiệt, và giảm đi khi lượng nước hấp thụ tăng lên, đến khi đạt điểm bão hòa sợi thì sẽ không có nhiệt tỏa ra Khi đo nhiệt hấp thụ, thông thường

sử dụng khái niệm tích phân nhiệt hấp thụ Tích phân nhiệt hấp thụ là nhiệt lượng tỏa ra của 1 g xenlulo khi thấm ướt hoàn toàn; vi phân nhiệt hấp thụ là nhiệt lượng kết hợp của 1 g nước với lượng xenlulo khô hoặc ướt, hoặc nhiệt lượng tỏa ra do lượng xenlulo khô hoặc ướt thoát ra 1 g nước Vi phân nhiệt hấp thụ khoảng 21-23 kJ/mol nước, giá trị này tương đương với năng lượng của liên kết hydro Từ đó cho thấy, khi xenlulo khô kiệt hút ẩm là do liên kết

hydro gây ra Theo sự gia tăng của nước hấp thụ, nhiệt hấp thụ giảm dần, cho đến khi đạt điểm bão hòa sợi thì nhiệt hấp thụ sẽ bằng không

Phân tử nước hấp thụ vào trước điểm bão hòa sợi được gọi là nước thấm (nước liên kết), nước hấp thụ trên điểm bão hòa sợi được gọi là nước tự do Nước tự do tồn tại trong ruột tế bào hoặc các mao quản, không làm cho xenlulo trương nở, cũng không có hiệu ứng nhiệt Lượng nước có tại thời điểm bão hòa sợi thường khoảng 20-30 % Sự hút và thoát ẩm, và hiệu ứng nhiệt của gỗ cùng với hiện tượng mềm hóa và co rút của gỗ có quan hệ mật thiết với tính hút ẩm của xenlulo

2.1.2 Hemixenlulo

Cũng như xenlulo, hemixenlulo là những polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulo thì hemixenlulo kém ổn định hoá học hơn,

dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao Hemixenlulo phân giải trong khoảng nhiệt

độ từ 200 – 260 oC Độ bền vững của hemixenlulo so với xenlulo là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường trong gỗ của hemixenlulo rất thấp, nó rất dễ phát sinh phản ứng thoát nước Hemixenlulo ở nhiệt độ tương đối thấp phát sinh phân giải sinh ra khối lượng lớn axít acetic và chất khí không cháy, đồng thời

có ít dầu gỗ Hemixenlulo dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của acid

Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200 Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị chiết xuất khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền

Hemixenlulo là một trong những chất cao phân tử chủ yếu của gỗ nhạy cảm nhất với điều kiện môi trường Sự biến đổi, tính chất và đặc điểm của nó

có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất gia công sử dụng gỗ

2.1.2.1 Ảnh hưởng của hemixenlulo đến khả năng chịu lực của gỗ

Gỗ sau khi xử lý nhiệt polysacarit bị tổn hại chủ yếu là hemixenlulo, do trong điều kiện nhiệt độ cao tốc độ phân giải của hemixenlulo lớn hơn xenlulo, hay nói cách khác tính chịu nhiệt của hemixenlulo kém Trong vách

tế bào, hemixenlulo có tác dụng kết dính, do đó sự biến đổi và tổn thất của hemixenlulo không chỉ làm giảm tính dẻo dai (toughness) của gỗ mà còn làm cho khả năng chịu uốn, độ cứng và tính mài mòn của gỗ cũng giảm xuống Tốc độ phân giải của pentosan lớn hơn so với hexosan, sau khi xử nhiệt độ cao tính dẻo của gỗ lá rộng giảm mạnh hơn nhiều so với gỗ lá kim, vì pentosan trong gỗ lá rộng nhiều hơn 2-3 lần so với gỗ lá kim

2.1.2.2 Ảnh hưởng của hemixenlulo đến tính hút ẩm của gỗ

Hemixenlulo là vật chất vô định hình, phân nhánh, trên mạch chính và mạch nhánh hàm chứa rất nhiều nhóm thân nước như: –OH, –COOH, đây là các thành phần có tính hút nước rất mạnh, là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ trương nở, biến dạng, nứt, nẻ Mặt khác, trong quá trình xử lý nhiệt, một vài loại đường trong hemixenlulo dễ bị phân giải thành fufuran (C4H3O-CHO) và các loại đường đơn, dưới tác dụng của nhiệt độ, những chất này tiếp tục xảy ra tác dụng tụ hợp tạo ra các vật chất không tan trong nước,

vì thế có thể làm giảm tính hút ẩm của gỗ, làm giảm co rút và trương nở

2.1.2.3 Ảnh hưởng của hemixenlulo đến độ axit của gỗ

Sự có mặt của hemixenlulo là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ

có tính axit yếu Hemixenlulo có nhiều nhóm chức có tính hoàn nguyên, dễ bị

ô xy hoá thành gốc -COOH, trong môi trường ẩm ướt, nhóm acetyl (-C=O) trên phân tử hemixenlulo dễ bị thủy phân tạo thành axit axetic, làm cho tính