Hiện nay, tỷ lệ lợi dụng gỗ rừng trồng ở nước ta rất thấp, chỉ đạt khoảng 30%35% tổng toàn bộ sinh khối của cây gỗ. Trong cây gỗ, tỷ lệ vỏ cây chiếm khoảng 1015%, cành nhánh 2530%, rễ cây 1015%. Vỏ cây, tán cây, rễ, lá đều bị bỏ lại trong rừng, không được sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất ván sợi, ván dăm, chưa được sử dụng sản xuất các loại sản phẩm, vật liệu mới. Nghiên cứu sử dụng vỏ cây để tạo ván composite loại vật liệu mới đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng vật liệu gỗ là vấn đề cần thiết, giúp nâng cao được hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và phát triển rừng bền vững mở ra xu hướng mới sử dụng hiệu quả vỏ cây trong ngành công nghiệp chế biến gỗ
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, tỷ lệ lợi dụng gỗ rừng trồng nước ta thấp, đạt khoảng 30%35% tổng toàn sinh khối gỗ Trong gỗ, tỷ lệ vỏ chiếm khoảng 1015%, cành nhánh - 25-30%, rễ - 10-15% Vỏ cây, tán cây, rễ, bị bỏ lại rừng, không sử dụng nhiều công nghệ sản xuất ván sợi, ván dăm, chưa sử dụng sản xuất loại sản phẩm, vật liệu Nghiên cứu sử dụng vỏ để tạo ván composite - loại vật liệu - đáp ứng phần nhu cầu sử dụng vật liệu gỗ vấn đề cần thiết, giúp nâng cao hiệu sử dụng nguyên liệu gỗ, góp phần nâng cao giá trị kinh tế phát triển rừng bền vững mở xu hướng sử dụng hiệu vỏ ngành cơng nghiệp chế biến gỗ Các lồi Keo (Acacia) có ưu điểm trội tốc độ sinh trưởng phù hợp với nhiều vùng sinh thái nên trồng nhiều Việt Nam, diện tích rừng Keo chiếm khoảng 75% diện tích rừng trồng Khối lượng vỏ phế liệu công nghiệp gỗ tương đối lớn Với mong muốn góp phần bổ sung luận khoa học, giải pháp sử dụng hiệu vỏ Keo tai tượng làm vật liệu, luận án “Nghiên cứu số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ Keo tai tượng (Acacia mangium Wild)”được thực Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu lý luận: (1) Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (thời gian ép, nhiệt độ ép) với chất chất lượng ván composite vỏ Keo tai tượng không sử dụng chất kết dính dùng làm vật liệu xây dựng (ván cách âm, cách nhiệt); (2) Xác định được mối quan hệ của tỷ lệ kết cấu dăm vỏ dăm gỗ chất lượng ván composite có sử dụng chất kết dính dùng để làm vật liệu xây dựng (ván cách âm, cách nhiệt) 2.2 Mục tiêu kỹ thuật: (1) Xác định được các thông số công nghệ tạo ván composite vỏ Keo tai tượng; (2) Xác định được tỷ lệ kết cấu dăm vỏ dăm gỗ tạo ván composite; (3) Đề xuất số thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ Keo tai tượng đạt tiêu chuẩn dùng làm vật liệu xây dựng (ván cách âm, cách nhiệt) Đối tượng nghiên cứu: Vỏ Keo tai tượng - 10 năm tuổi, khai thác Hịa Bình Phạm vi nghiên cứu Các yếu tố cố định: Nguyên liệu để tạo ván thí nghiệm gồm vỏ Keo tai tượng - 10 năm tuổi, phế liệu sản xuất ván bóc Keo tai tượng, Hịa Bình; Chất kết dính: Keo UF (Urea- Formaldehyde), lượng keo 10% Sử dụng khuôn ép để tạo ván kích thước (dài x rộng x dày): 400 x 400 x 16 mm; Khối lượng thể tích ván composite dự kiến: γ = 0,750g/cm3; Áp lực ép (P): 1,6 MPa Các yếu tố thay đổi: Thay đổi thông số chế độ ép (thời gian, nhiệt độ ép) tạo ván composite vỏ trường hợp có khơng sử dụng chất kết dính: + Thời gian ép (τ): Thay đổi mức: τmin = 16 phút, τo = 18 phút, τmax = 20 phút + Nhiệt độ ép (T): Thay đổi mức: Tmin = 160 oC, To = 180 oC, Tmax = 200 oC Các yếu tố đầu ra: Tính chất lý chủ yếu ván composite vỏ cây: khối lượng thể tích, độ trương nở chiều dày, độ hút nước, độ bền uốn tĩnh mô đun đàn hồi chịu uốn tĩnh, độ bền kéo vng góc với mặt ván Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Kết luận án đặc điểm cấu tạo hiển vi, thành phần hóa học, tính chất vật lý chủ yếu vỏ sở khoa học cho việc sử dụng hiệu vỏ công nghiệp chế biến gỗ Kết luận án sở khoa học cho nghiên cứu công nghệ tạo composite từ vỏ cây, từ vỏ phế liệu gỗ Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu tạo thử nghiệm vật liệu composite vỏ Keo tai tượng có ý nghĩa thực tiễn lớn sử dụng hiệu quả, nâng cao tỷ lệ lợi dụng gỗ rừng trồng bảo vệ môi trường Kết luận án sở kỹ thuật cho việc lựa chọn thông số công nghệ tạo ván composite vỏ Keo tai tượng sử dụng xây dựng nội thất làm vật liệu cách nhiệt, tiêu âm, vật liệu xanh, thân thiện môi trường Những đóng góp luận án Đây cơng trình nghiên cứu tạo ván composite từ vỏ Keo tai tượng Việt Nam Xác định cấu tạo hiên vi, tính chất vật lý, thành phần hóa học vỏ Keo tai tượng làm sở cho việc sử dụng tạo ván composite vỏ Xác định mối quan hệ giá trị thông số công nghệ tạo ván composite vỏ Keo tai tượng đáp ứng yêu cầu chất lượng vật liệu xây dựng Xác định mối quan hệ tỷ lệ kết cấu ván composite tỷ lệ phối trộn dăm vỏ với dăm gỗ ảnh hưởng đến chất lượng ván composite Xác định hệ số tiêu âm, khả cách nhiệt vật liệu composite vỏ Keo tai tượng làm sở cho sử dụng vật liệu làm vật liệu tiêu âm, vật liệu cách nhiệt Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung vật liệu composite 1.1.1 Khái niệm vật liệu composite: Vật liệu composite tên gọi loại vật liệu kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu thành phần nhằm tạo loại vật liệu có tính khác với vật liệu ban đầu riêng rẽ 1.1.2 Phân loại vật liệu composite: Vật liệu Polyme composite (PC) phân loại theo cách dựa đặc điểm pha: Theo pha polyme: vật liệu PC nhựa nhiệt rắn, vật liệu PC nhựa nhiệt dẻo; Theo pha gia cường: Chất gia cường dạng phân tán (bột); Chất gia cường dạng sợi ngắn hay vảy; Chất gia cường dạng sợi liên tục (sợi cacbon, sợi thủy tinh…); Độn khơng khí hay xốp; Hỗn hợp polyme - polyme 1.1.3 Các loại ván composite được tạo từ vỏ cây: Ván composite vỏ loại sản phẩm ván nhân tạo, tương tự ván dăm Ván compossite vỏ làm từ dăm vỏ sử dụng không sử dụng loại nhựa tổng hợp để làm chất kết dính 1.1.3.1 Ván composite vỏ có sử dụng chất kết dính 1.1.3.2 Ván vỏ khơng sử dụng chất kết dính 1.2 Tởng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng vỏ làm vật liệu composite 1.2.1 Nghiên cứu nước Chow Pickles (1971), Hengst Dawson, Place Maloney (1975), Demirbas (2005) đã nghiên cứu về hệ số truyền nhiệt, tỷ nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt [76] Burrows (1960), Chow (1972, 1975), Wellons Krahmer (1973), Troughton (1997) kết luận ép nhiệt độ ≥ 1800C áp suất tạo ván vỏ khơng sử dụng chất kết dính sở làm dẻo lignin vỏ chuyển hóa chất chiết xuất đóng vai trị chất kết dính tạo liên kết dán dính ván vỏ [54], [55], [84] Roger Pedieu, Bernard Riedl, André Pichette (2008) nghiên cứu tỷ lệ kết cấu dăm vỏ Bạch Dương với dăm gỗ, dăm vỏ lớp (35, 40, 45)% sử dụng chất kết dính keo (UF 11%), dăm gỗ lớp (65, 60, 55)% sử dụng chất kết dính keo (UF 7%), kích thước ván (560x460x12)mm, khối lượng thể tích ván 0,75 (g/cm3), nhiệt độ ép 1800C, áp lực ép 180 KPa Cơng trình nghiên cứu ván có tỷ lệ kết cấu: dăm vỏ cây/dăm gỗ/dăm vỏ cây=(20/60/20)% cho tính chất lý tốt [80] Kết nghiên cứu phòng thí nghiệm lâm sản Mỹ (1971) cho thấy thành phần hóa học vỏ khác với gỗ gỗ kim gỗ rộng Trong vỏ gỗ rộng, lignin chiếm từ 40-50%, polysaccharides 3245%, chất chiết xuất 5-10%, chất vô đến 20% Fengel Wegener (1983) rằng, so với gỗ, vỏ có độ trương nở, tính dị hướng thấp hơn, khả cách nhiệt cách âm lại cao [60] Gireesh Kumar Gupta (2009) nghiên cứu tạo ván vỏ với chiều dày dự kiến 6,25mm khối lượng riêng biểu kiến từ 0,8 đến 1g/cm3, nhiệt độ ép thay đổi từ 1700C đến 300oC Kết cho thấy nhiệt độ cao 230oC, bề mặt ván bị cháy làm suy giảm thành phần hóa học vỏ cây, làm ảnh hưởng xấu đến tính chất ván Roger Pedieu, Bernard Riedl, André Pichette (2008) nghiên cứu sử dụng vỏ Bạch dương làm ván dăm lớp: lớp dăm gỗ, lớp dăm vỏ cây, kết cho thấy ván tạo đạt tính chất tốt độ kỵ nước, cách âm cách nhiệt [51] Chow (1975) chất phenolic vỏ Linh sam Douglas Linh sam đỏ trùng hợp nhiệt độ cao Trên sở nghiên cứu làm mềm nhiệt, việc làm mềm nhiệt gỗ vỏ Ở nhiệt độ 1800C gỗ vỏ bị hóa dẻo Hiệu ứng dẻo hóa quan trọng việc thiết lập thông số chế độ ép ván Phản ứng nhiệt vỏ nhiệt độ lớn 1800C trùng hợp suy thoái phần thành phần vỏ Các phản ứng nhiệt học quan trọng sản xuất ván composite vỏ [55] 1.2.2 Nghiên cứu nước Trần Vĩnh Diệu cộng (2003) nghiên cứu tạo composite sở PP gia cường sợi đay Vật liệu chế tạo cách xếp lớp màng PPMAPP sợi đay theo thiết kế ép máy ép thủy lực (ép phẳng khn kín) áp suất 7MPa 50 phút [14] Triệu Văn Hải (2016) nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng công nghệ tạo vật liệu composite từ vỏ nhựa polyethylene Tác giả nghiên cứu đặc điểm vỏ Keo tai tượng: Độ dày vỏ trung bình 1,1 cm; tỷ lệ vỏ chiếm 6,03% thể tích thân gỗ; Đường kính sợi vỏ cây: 19,7 µm đến 21,1 µm; Chiều dài sợi biến động khoảng 1.056 µm đến 1.107 µm tạo vật liệu composite từ vỏ Keo tai tượng nhựa dẻo HDPE (WPC) [24] 1.3 Kết luận phần tổng quan vấn đề nghiên cứu Có nhiều cơng trình nghiên cứu giới ván composite vỏ có khơng sử dụng chất kết dính Các nghiên cứu khác khẳng định tính khả thi việc sử dụng toàn phần vỏ làm nguyên liệu sản xuất ván composite Hầu hết ván composite vỏ có tính chất học vật lý thấp đến trung bình điều cải thiện nghiên cứu Ở Việt Nam, cơng trình nghiên cứu sử dụng vỏ nói chung vỏ Keo tai tượng nói riêng chưa nhiều, bước đầu nghiên cứu vật liệu composite; số yếu tố ảnh hưởng công nghệ tạo vật liệu composite từ vỏ nhựa polyethylene Nghiên cứu tạo loại vật liệu composite vỏ có khả cách âm, cách nhiệt tốt dùng đồ mộc xây dựng chưa có Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vỏ 2.1.1 Giới thiệu chung vỏ cây: Vỏ có tác dụng bảo vệ thân cây, dự trữ chất dinh dưỡng, chiều dày vỏ tăng lên theo tuổi Tỷ lệ vỏ so với thân phụ thuộc vào loài cây, tuổi điều kiện sinh trưởng Thông thường, lượng vỏ thân dao động từ 6-15% tùy theo loài điều kiện sinh trưởng Tỉ lệ vỏ cao phần cành ngọn, chiếm khoảng 20-35% [21], [24], [56] 2.1.2 Cấu tạo vỏ cây: Vỏ lớp thân Từ vào vỏ chia làm phần: biểu bì, thụ bì, vịng hậu mơ (lớp nhu mơ vỏ) phần libe Vỏ có cấu tạo khác so với gỗ Vỏ có thành phần khơng đồng nhất, có cấu tạo từ hai lớp khác nhau: lớp bên lớp vỏ 2.1.3 Thành phần hóa học vỏ cây: Vỏ có khác biệt nhiều thành phần hóa học so với gỗ Bảng 2.1 Thành phần hóa học gỗ, vỏ gỗ kim gỗ rộng (tạp chí nghiên cứu lâm nghiệp số 091, phịng nghiên cứu lâm sản, USA 1971) Gỗ rộng Gỗ kim Thành phần Gỗ Vỏ Gỗ Vỏ Lignin % 18-25 40-50 25-30 40-55 Poly saccarite % 74-80 32-45 66-72 30-48 Chất chiết xuất % 2-5 5-10 2-9 2-25 Hàm lượng tro % 0.2-0.6