Tính toán thiết ké hệ thống truyền động và kết cấu của máy ép chỉnh hình gỗ

Vì thế, cần sử dụng công nghệ biến tính theo phương thức nén để biến những dạng gỗ tròn có đường kính nhỏ, độ bền tự nhiên thấp trở thành nguồn nguyên liệu có tiết diện ngang hình vuông

HỒ MINH TÚ

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

VÀ KẾT CẤU CỦA MÁY ÉP CHỈNH HÌNH GỖ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đồng Nai, 2012

HỒ MINH TÚ

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

VÀ KẾT CẤU CỦA MÁY ÉP CHỈNH HÌNH GỖ

CHUYÊN NGÀNH

KỸ THUẬT MÁY, THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ GỖ GIẤY

MÃ SỐ: 60.54.03.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐẶNG ĐÌNH BÔI

Đồng Nai, 2012

ĐẶT VẤN ĐỀ

Quá trình sản xuất ngày nay đòi hỏi một khối lượng nguyên liệu ngảy càng nhiều Trong khi đó, khả năng cung cấp gỗ từ rừng tự nhiên ngày càng hạn chế, thậm chí không thể cung cấp, do quyết định đóng cửa rừng tự nhiên của Chính phủ Từ đó, khiến cho nguồn nguyên liệu của ngành chế biến gỗ phải nhập khẩu, hoặc phải sử dụng một cách có hiệu quả gỗ rừng trồng mọc nhanh Đồng thời, triệt để tận dụng phế liệu gỗ trong sản xuất Lâm nghiệp, bao gồm gỗ tỉa thưa, cành ngọn, cây gãy đổ trong khai thác rừng trồng và lõi

gỗ sau khi bóc ván mỏng Hiện nay, loại thứ phế liệu này thường làm chất đốt hoặc bỏ phí Vì vậy, nghiên cứu sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh và thứ phế liệu trong sản xuất lâm nghiếp nói trên làm nguồn cung cấp nguyên liệu cho sản xuất sản phẩm mộc và trang trí nội thất là rất cần thiết

Gỗ rừng trồng có nhiều ưu điểm như sinh khối lớn, năng suất cao, chu kỳ khai thác ngắn, một số loài cây có khả năng tái sinh mạnh Nhưng, gỗ rừng trồng mọc nhanh hầu hết có độ bền tự nhiên kém, tính chất cơ học không cao, khối lượng thể tích thấp Gỗ tỉa thưa, cành ngọn, lõi gỗ bóc, có một điểm chung lả đường kính nhỏ, chất lượng gỗ kém, độ bền cơ học thấp

Để có thể sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh, lõi gỗ bóc, cành ngọn, gỗ nhỏ tia thưa có đường kính nhỏ, như một nguồn nguyên liệu ổn định và có độ bền đạt yêu cầu trong sản xuất sản phẩm gỗ thì cần phải nâng cao tính chất cơ học và độ bền tự nhiên của chúng Vấn đề này có thể giải quyết bằng nhiều phương pháp trong đó có cách nâng cao khối lượng thể tích của gỗ Bởi vì, khối lượng thể tích tỷ lệ thuận với cường độ chịu lực và phản ánh tương đối toàn diện cho tính chất cơ học của vật liệu

Một trong những giải pháp kỹ thuật để nâng cao khối lượng thể tích của

gỗ là sử dụng công nghệ biến tính, như vậy, muốn ứng dụng công nghệ này,

cần phải có một hệ thống thiết bị có khả năng đáp ứng được yêu cầu nén thay đổi hình dạng kích thước và nhằm làm thay đổi cơ tính vật liệu gỗ

Với trường hợp gỗ tròn và phế liệu có đường kính nhỏ đã nói ở trên, không thể xẻ thành thanh, hoặc xẻ thanh không hiệu quả Vì thế, cần sử dụng công nghệ biến tính theo phương thức nén để biến những dạng gỗ tròn có đường kính nhỏ, độ bền tự nhiên thấp trở thành nguồn nguyên liệu có tiết diện ngang hình vuông hoặc chữ nhật và độ bền tự nhiên đáp ứng được những yêu cầu cần thiết của nguyên liệu sản xuất sản phẩm mộc dân dụng, ván ghép thanh và trang trí nội thất Đồng thời không tạo ra phế liệu và không ảnh hưởng xấu đến môi trường

Tuy nhiên, để triển khai công nghệ nén chỉnh hình gỗ tròn đường kính nhỏ thành gỗ có tiết diện ngang hình chữ nhật trong thực tế vẫn còn hạn chế

do không có máy và thiết bị để phù hợp để sử dụng

Từ những phân tích trên, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài: “Tính toán,

thiết kế hệ thống truyền động và kết cấu của máy ép chỉnh hình gỗ” để góp

phần nâng cao chất lượng nguyên liệu trong lĩnh vực sản xuất đồ mộc và trang trí nội thất

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trong xu thế hội nhập thế giới của Việt Nam, cùng với những bước phát triển mọi mặt về xã hội, chính trị, kinh tế nhu cầu về sử dụng sản phẩm đồ mộc dân dụng từ gỗ tự nhiên đòi hỏi ngày càng tăng dẫn tới tình trạng gỗ rừng

tự nhiên ở nước ta đã và đang suy giảm nghiêm trọng Gỗ rừng trồng ở Việt Nam đang giữ vai trò quan trọng, có xu hướng dần tiến tới thay thế gỗ rừng tự nhiên, và là nguồn nguyên liệu chủ yếu, không thể thiếu cho công nghiệp chế biến gỗ Gỗ rừng trồng có rất nhiều ưu điểm như sinh khối lớn, năng suất cao, khả năng tái sinh mạnh Nhưng nó vẫn có một số khiếm khuyết rất dễ nhận thấy đó là: hầu hết trong số đó có độ bền tự nhiên thấp, tính chất cơ học không cao và khối lượng thể tích thấp

Để có thể nâng cao chất lượng nguyên liệu gỗ rừng trồng, ngoài những biện pháp kỹ thuật lâm sinh như chọn giống, gieo trồng, chăm sóc, tỉa thưa (có thể đáp ứng được một phần về yêu cầu của nguyên liệu chế biến, nhưng những biện pháp này không thể áp dụng đại trà và khó kiểm soát) còn có biện pháp kỹ thuật khác là công nghệ biến tính nguyên liệu Khi sử dụng biện pháp biến tính nguyên liệu sẽ có nhiều tính ưu việt như: mức độ đa dạng hóa sản phẩm nguyên liệu cao; tính chất sản phẩm có thể thay đổi theo yêu cầu; rất dễ thích ứng với yêu cầu sản xuất công nghiệp

Khối lượng thể tích của gỗ tỷ lệ thuận với cường độ chịu lực của gỗ và là đại lượng có khả năng phản ánh tương đối trung thực tính chất cơ học của loại vật liệu này Muốn nâng cao tính chất cơ học của gỗ có khối lượng thể tích thấp chúng ta có thể thực hiện theo 3 cách: giữ nguyên khối lượng nhưng giảm thể tích; hoặc giữ nguyên thể tích nhưng tăng thêm khối lượng của vật

bằng cách điền thêm vào đó một lượng vật chất nhất định; và thực hiện đồng thời cả hai biện pháp trên Theo cách đó, phần lớn tính chất cơ học, vật lý của

gỗ có sự thay đổi theo chiều hướng tăng lên đáng kể so với gỗ nguyên liệu ban đầu, nhưng cũng có một số tính chất thay đổi theo chiều hướng tiêu cực buộc người làm công nghệ phải nghiên cứu kỹ cơ chế tác động của các yếu tố làm nên sự thay đổi đó và căn cứ các tiêu chí về yêu cầu của sản phẩm để thực hiện những biện pháp xử lý thích ứng

Hiện nay, sản phẩm đồ mộc dân dụng và đồ chơi cho trẻ em làm từ gỗ rất

đa dạng về chủng loại, mẫu mã; và song song với sự gia tăng về số lượng là đòi hỏi chất lượng của loại hình sản phẩm này ngày càng cao và khắt khe hơn

Do vậy, chỉ tiêu kỹ thuật trong công nghệ sản xuất cần phải đạt được 2 yêu cầu: Sản phẩm an toàn cao nhất trong sử dụng (vì chúng là những sản phẩm luôn tiếp xúc với con người) và giảm thiểu tiêu hao năng lượng, hạn chế gây ô nhiễm môi trường

Về sản phẩm, tuỳ theo loại hình sản phẩm nhất định mà quyết định lựa chọn và xử lý nguyên liệu hợp lý để tạo cho sản phẩm có giá thành thấp và đạt được yêu cầu về an toàn trong sử dụng đó là: Cường độ cơ học - đảm bảo đủ lớn để an toàn trong sử dụng; Gỗ mịn - dễ làm sạch bề mặt, không trầy xước,

an toàn trong khi sử dụng; Độ dãn nở thấp - không gây khó khăn trong quá trình sử dụng khi điều kiện môi trường thay đổi; Gỗ sáng màu - dễ xử lý, thay đổi màu sắc

Về kỹ thuật, ngoài việc lựa chọn công nghệ sản xuất sao cho có thể hạn chế được tối đa chất thải gây ô nhiễm môi trường - trực tiếp hoặc gián tiếp đến môi trường sống của con người; sử dụng năng lượng “sạch” không có hoặc có rất ít khí thải và năng lượng sử dụng ở mức tiết kiệm nhất - còn có vấn đề khác cũng không kém quan trọng đó là việc lựa chọn đặc tính của gỗ nguyên liệu Cho dù gỗ nguyên liệu đó có khối lượng thể tích thấp hay cao hoặc đó là

gỗ chính phẩm hay gỗ thứ phẩm nhưng khi ta biết cách xử lý làm tốt hơn những đặc điểm ưu việt và hạn chế nhược điểm của chúng thì đều có được những vật liệu quý cho sản xuất; đồng thời góp phần sử dụng hiệu quả vốn rừng, phát triển rừng theo hướng bền vững của xã hội ta ngày nay

Xét về công nghệ biến tính nâng cao khối lượng thể tích nguyên liệu gỗ bằng biện pháp sử dụng các thiết bị, máy móc còn chưa triệt để và đáp ứng yêu cầu sử dụng

Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi chọn và thực hiện đề tài: “Tính

toán, thiết kế hệ thống truyền động và kết cấu của máy ép chỉnh hình gỗ”

Có hai trường phái biến tính gỗ chủ yếu là:

a) Công nghệ biến tính gỗ - làm thay đổi chủ yếu về chất của gỗ mà quá trình xử lý gỗ hoàn toàn bằng hoá chất hoặc sinh hoá hoặc năng lượng cực mạnh như năng lượng hạt nhân, sóng điện từ để làm tác nhân thay đổi đáng

kể cấu trúc tế bào, thành phần các chất trong gỗ (khi lượng của gỗ không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể nhưng lại có sự thay đổi lớn về chất)

Theo quan điểm này, một số nhà khoa học ở nhiều nước khối EU cho rằng khi đạt được mục tiêu là nâng cao độ bền tự nhiên của gỗ (chống nấm mốc, côn trùng phá hoại) mà chỉ cần một lượng không nhiều hóa chất được tẩm vào gỗ để bảo quản gỗ cũng được coi là công nghệ biến tính gỗ

b) Công nghệ biến tính gỗ - làm thay đổi về lượng của gỗ mà thường là thay đổi mật độ vật chất của gỗ trong một đơn vị thể tích mà không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể cấu trúc cơ bản của gỗ

Với quan điểm khối lượng thể tích của gỗ là một đại lượng đặc trưng cơ bản cho các đặc điểm, tính chất của gỗ Từ đại lượng này mà ta có thể ước đoán được khả năng chịu lực của vật liệu gỗ nguyên liệu cũng như gỗ biến tính Cũng chính theo nguyên tắc đó, về nguyên lý cũng như thực tế công nghệ biến tính gỗ đang đi theo hai hướng chính là:

- Giữ nguyên khối lượng gỗ mà giảm thể tích; đó là nguyên lý của biến tính nhiệt cơ và sản phẩm của nó là gỗ nén;

- Tăng khối lượng gỗ bằng cách bổ sung vào gỗ một lượng vật chất nhất định trong khi giữ nguyên hoặc giảm thể tích; đó là nguyên lý của biến tính hoá/hoá cơ và sản phẩm đặc trưng cho nó là sản phẩm gỗ tẩm, gỗ cường hoá, polime hoá gỗ

nó không ổn định và có khả năng đàn hồi trở lại

1.2.1.2 Gỗ tẩm keo

Để khắc phục nhược điểm của gỗ nén, các nhà khoa học đã nghiên cứu

và đưa vào trong gỗ một số chất hoá học nhằm ổn định hình dạng và kích

thước sản phẩm đồng thời cũng tăng cường độ chịu lực; một trong những loại hình sản phẩm đơn giản nhất khi sử dụng hoá chất là gỗ ngâm tẩm (Impreg) hay còn gọi là gỗ tẩm keo Loại hình này sản phẩm không thấm nước và có ưu điểm rất rõ đó là hệ số co giãn kích thước rất nhỏ, tuy nhiên để đạt được điều

đó phải sử dụng lượng hóa chất không nhỏ trong quá trình sản xuất

1.2.1.3 Ván ép lớp

Có một loại hình sản phẩm từ gỗ mà tính dị hướng không đáng kể và tác dụng của độ ẩm không lớn tới tính chất của gỗ biến tính, đó là ván ép lớp (Compreg) Người ta đã sử dụng những phương pháp xếp ván mỏng đã được tráng keo và ép Ván ép lớp là sản phẩm có nhiều ưu điểm như: kích thước rất

ổn định, giữ được vân thớ tự nhiên của gỗ, khả năng trang sức và cắt gọt tốt và

có thể dán lên bề mặt gỗ một cách dễ dàng; Khả năng chịu được nhiệt độ cao, chống sâu nấm và côn trùng hại gỗ tốt nhưng giá thành của gỗ tương đối cao

do phải chi phí quá lớn cho hóa chất và thiết bị kèm theo

1.2.1.4 Gỗ cường hoá

Ở nước Đức đã công bố tài liệu nói về gỗ cường hoá (Dentified) vào năm

1930 Đó là một loại hình gỗ biến tính bằng cách đưa một số kim loại vào trong tế bào gỗ để tăng khối lượng thể tích của gỗ đồng thời cũng tăng được khả năng chịu mài mòn của vật liệu Cũng chính vì lý do trong gỗ có tẩm kim loại và công nghệ phức tạp mà mức độ và phạm vi sử dụng của gỗ cường hoá cũng không rộng, chỉ được sử dụng vào những trường hợp đặc biệt đối với chi tiết máy chứ không sử dụng được trong sản xuất đồ mộc dân dụng

1.2.1.5 Polyme hoá gỗ

Khi ta sử dụng các hydratcarbon không no hoặc các chất đa tụ phân tử lượng thấp, sau khi đã đa tụ sơ bộ ta dùng phương pháp chiếu xạ hoặc gia

nhiệt xúc tác để cung cấp năng lượng cho chúng đa tụ tiếp trong gỗ ta sẽ được sản phẩm gọi là Gỗ-Polime, còn được gọi là sản phẩm polime hoá gỗ (WPC) Vintorg là một loại sản phẩm WPC được chế tạo từ những loài gỗ khó tẩm hoá chất Thông qua việc áp dụng công nghệ xử lý vi sóng tạo nên những

“kênh” dẫn hoá chất tẩm vào trong gỗ; Phôi gỗ đó sau khi được tẩm hoá chất qua các “kênh” dẫn được ép nhiệt để đạt tới kích thước mong muốn và cũng chính trong quá trình đó dung dịch tẩm - đã được chứa vào các kênh dẫn nhờ quá trình xử lý vi sóng - đóng rắn lại

1.2.2 Công nghệ biến tính gỗ trên thế giới

1.2.2.1 Công nghệ biến tính gỗ nhiệt - cơ

Sản phẩm của công nghệ này là gỗ nén và sử dụng phương pháp biến tính nhiệt - cơ tức là dùng tác nhân làm mềm gỗ là nhiệt và ẩm sau đó dùng máy

ép để nén chặt gỗ lại Biện pháp công nghệ này gây ít tác hại đến môi trường nhất Tuy nhiên sản phẩm của nó có những tồn tại cần phải khắc phục đó là sự hút ẩm và đàn hồi trở lại của gỗ biến tính trong quá trình sử dụng Khi tăng mức độ nén gỗ, độ bền của gỗ sẽ tăng lên mà không phụ thuộc vào phương pháp nén

Rất nhiều nhà khoa học Liên Xô (cũ) ở nhiều trường đại học, Viện nghiên cứu trong đó điển hình có nghiên cứu của P.N Khukhranski và nhiều công trình nghiên cứu gỗ nén từ các loại gỗ lá kim vào những năm 1930 -1990 đều khẳng định rằng: Trước khi nén ép gỗ, chúng phải được làm mềm trong môi trường hơi nước bão hoà hoặc gỗ được luộc trước hoặc gỗ được xử lý trong môi trường độ ẩm cao; sau công đoạn nén ép gỗ buộc phải qua khâu xử

lý nhiệt để ổn định kích thước gỗ nén Tuỳ theo mục đích sử dụng của vật liệu

mà người ta có thể ép gỗ theo kiểu ép phẳng hay ép trục; trong ép phẳng cũng

có trường hợp ép hở (ép 1 mặt) hoặc ép kín (ép 2 mặt), trong kiểu ép hở thì ta

cũng có thể sử dụng loại hình nén gỗ bằng rulô dùng cho những vật liệu có dạng tấm, bản Đối với sản phẩm có tiết diện tròn như trục chịu lực thì ta dùng kiểu ép trục tròn kín, nếu dùng vào mục đích làm bạc đỡ thì nén trục rỗng

Và trong thời gian đầu của thế kỷ 21, công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt cơ lại được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn và ứng dụng nhiều hơn trong công nghiệp cũng như đồ mộc dân dụng Trong cuộc hội thảo về biến tính gỗ của Hội khu vực châu Âu đã có những nghiên cứu ứng dụng công việc biến tính gỗ bằng phương pháp biến tính nhiệt để nâng cao tính chất cơ học và khả năng chống chịu môi trường của gỗ

1.2.2.2 Công nghệ biến tính gỗ tẩm keo

Khi ngâm gỗ bằng các dung dịch keo có phân tử lượng thấp, có tính tan trong nước thì keo đó sẽ khuếch tán vào vách tế bào gỗ làm cho gỗ trương nở, công đoạn tiếp theo là sấy để loại bỏ nước và sau đó gia nhiệt cho keo đóng rắn tạo thành hoá chất đa tụ không tan trong nước, gỗ ngâm tẩm (Impreg) được hình thành

Đối với công nghệ này, thiết bị ngâm tẩm không nhiều phức tạp, nhưng điều cốt yếu và rất quan trọng, quyết định chính tới chất lượng sản phẩm đó là hóa chất tẩm Ví dụ như: tác giả V E Vikhrov gỗ ngâm tẩm sẽ thu được các kết quả rất tốt khi sử dụng nhựa P-F để ngâm gỗ, sau đó trùng ngưng vật liệu này sẽ làm tăng khả năng bền vững với acid và độ cứng của gỗ biến tính Còn với tác giả G L Angendorf (1982), dung dịch của U-F có khối lượng phân tử thấp sẽ được tẩm vào gỗ dưới áp lực nhất định Sau đó nó được trùng hợp ở nhiệt độ không nhỏ hơn 106-1100 C trong môi trường dòng điện cao tần để tạo

ra nguyên liệu gỗ tẩm ứng dụng trong công nghệ chế tạo tàu thuyền; Một số khác lại sử dụng nhựa tổng hợp: Rượu phenol; Monome furenov và hợp chất của chúng sẽ tạo ra một loạt tính chất cơ lý và một số tính chất khác cao hơn

so với gỗ nguyên liệu

Để có thể sản xuất được loại gỗ cường hoá có cường độ gỗ biến tính cao hơn hẳn gỗ nguyên, chúng ta cũng phải sử dụng công nghệ ngâm tẩm Nhưng chất tẩm đối với trường hợp này phải dùng lại là kim loại nóng chảy; các kim loại này có nhiệt độ nóng chảy thấp sẽ được lưu lại trong ruột tế bào gỗ, sau khi làm lạnh thì kim loại đóng rắn lại và chúng cùng với gỗ tạo thành vật liệu

gỗ cường hoá Lượng kim loại cho vào trong ruột tế bào phụ thuộc vào kích thước ruột tế bào, khe hở giữa các tế bào

Khi biến tính gỗ bằng anhydric acetic chúng ta sẽ có sản phẩm acetyl hoá gỗ; “Acetylated wood” cũng đã được sử dụng phổ biến ở một số nước: Mỹ,

Hà Lan, Đức, Thụy Điển, Nhật Bản; trong đó có một số nghiên cứu của các nhà nghiên cứu ở trường Đại học tổng hợp Gottingen, Đức (2005), đã nghiên cứu khả năng ổn định kích thước và khả năng chống nấm mốc của gỗ Thông

và gỗ Bạch dương (Fagus sylvatica) được xử lý bằng anhydrit axetic ở nhiệt

độ 90 - 1300C cho ra gỗ có tính ổn định kích thước cao và khả năng chống nấm mục trắng và nâu; Cũng bằng phương pháp này, tác giả Eichi Obatay và Joseph Gril, Viện Công nghệ gỗ của trường Đại học tổng hợp Akita, Nhật Bản

đã tiến hành axetyl hoá gỗ Vân sam và đánh giá tính ổn định kích thước gỗ bằng phương pháp thử độ trương nở của gỗ axetyl hoá trong các dung môi hữu cơ khác nhau: nước, benzene và toluene, etylene glycol và alcohols [27]

1.2.2.3 Máy móc thiết bị nén ép biến tính gỗ trên thế giới

- Máy ép thủy lực phụ thuộc vào nguyên tắc của Pascal: áp lực trong suốt một hệ thống khép kín là không đổi Một phần của hệ thống là một piston hoạt động như một máy bơm, với một lực lượng khiêm tốn cơ khí hoạt động trên một diện tích mặt cắt ngang nhỏ, một phần khác là một piston với một diện tích lớn hơn tạo ra một lực lượng tương ứng lớn cơ khí Chỉ có ống đường kính nhỏ (dễ dàng hơn chống lại áp lực) là cần thiết nếu máy bơm được tách ra từ xi lanh ép

- Những năm đầu của thế kỷ 20, các xưởng chế tạo máy chế biến gỗ của Đức đã thành công trong công nghệ chế tạo máy ép gỗ dùng hệ thống thủy lực với áp suất dầu trong các xi lanh thủy lực để tạo ra một lực nén Nó

sử dụng tương đương với thủy lực của một đòn bẩy cơ khí

Hình 1.1: Máy ép thủy lực của hãng Buirkle

- Muốn tạo ra những lực lớn hơn áp lực có sẵn cho phép, hoặc sử dụng nhỏ hơn, có áp suất cao hơn để tiết kiệm kích thước và trọng lượng

Hình 1.2: Máy ép thủy lực của hãng Vemkener (Đức)

Hình 1.3: Máy ép con lăn (rulô) của hãng Frits (Pháp)

- Năm 1942, hãng Frits của Pháp đã trình sản xuất máy ép gỗ bằng con lăn cuốn (hình 1.3) với khoảng cách các trục điều chỉnh được và hoạt động trên nguyên lý sử dụng các ru-lô với khe hở nhỏ hơn bề dày của phôi gỗ cần

ép vừa cuốn gỗ vừa tạo áp lực nén làm giảm kích thước bề dày của phôi

Hình 1.4: Máy ép xích 1: Băng thép; 2: Xích; 3: Xích thủy lực; 4: Bánh xích chủ động; 5: Chổi điện; 6: Trục căng; 7: Trục cố định; 8: Con lăn ép

- Tương tự như máy ép ru-lô, máy ép xích sử dụng thêm hệ thống băng tải cuốn phôi gỗ qua các con lăn và nhờ áp lực trên các băng xích tải để tạo áp lực ép phôi tạo thành sản phẩm đạt kích thước yêu cầu.

Hình 1.5: Máy ép trục vít E-016 của hãng Murakami

- Các bàn ép của máy ép trục vít E-016 của hãng Murakami hoạt động

di chuyển lên xuống nhờ truyền động của các cơ cấu trục vít - bánh vít đặt phía khung trên của máy

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy ép thủy lực

1: Khung máy; 2: Xylanh; 3: Piston;

4: Tấm ép dưới cùng (di động); 5: Các tấm ép; 6: Ván gỗ

- Thiết bị ép thủy lực này (hình 1.6) được dùng nhiều trong nén ép gỗ nhất là khi ép ván dăm, ván sợi và ván dán

Lực ép ở đây là do xilanh thủy lực số (2), các tấm ép di động (4) và (5) Lực ép được tính theo công thức:

2

;4000

n

D n

PP 

(1-1) Trong đó: P n : là lực tính toán của dầu trong xilanh (kG/cm2)

D: là đường kính của piston (cm) và n là số piston

Hình 1.7: Sơ đồ máy ép khí nén LD1-10 (Nga) 1: Thân máy; 2: Thanh dẫn hướng; 3&4: Ống dẫn khí;

5: Thanh ngang; 6: Khuôn; 7: Dầm gỗ; 8: Nẹp đồng;

9: Điện cực gia nhiệt; 10: Đệm gỗ; 11: Ván cần ép; 12: Dầm gỗ

1.2.3 Công nghệ biến tính gỗ tại Việt Nam

1.2.3.1 Công nghệ biến tính gỗ tẩm keo

Tác giả của đề tài trọng điểm cấp Bộ về biến tính gỗ rừng trồng - Trần Văn Chứ - có một số nghiên cứu đưa ra một số quy trình sản xuất biến tính gỗ

Bồ đề (Styrax tonkinensis) bằng phương pháp ngâm tẩm: hoá chất sử dụng là

nhựa Novolac tỉ trọng 1,175-1,205 g/ml, sử dụng phương pháp tẩm áp lực chân không sau đó đa tụ nhựa bằng nhiệt thành Rezolit ta sẽ có được sản phẩm gỗ polyme có những tính năng vượt trội so với gỗ nguyên liệu [4], và Polyetylen glycol (PEG) với phân tử lượng 1000, ngâm trong thời gian 2 ngày dưới điều kiện môi trường tự nhiên cũng nhận được sản phẩm gỗ biến tính bằng phương thức ngâm tẩm gỗ [25]

1.2.3.2 Công nghệ hóa nhiệt cơ

Công nghệ hóa nhiệt cơ là công nghệ sản xuất gỗ biến tính yêu cầu phải

có thiết bị áp lực ở cả hai khâu công việc là tẩm hóa chất và ép nhiệt

Tác giả Nguyễn Trọng Nhân (1998) [13] đã nghiên cứu công nghệ tẩm hoá chất dung dịch P-F 33%, và ép nhiệt để tạo ra phôi thoi dệt từ gỗ Vạng trứng; Độ nhớt theo thước đo nhớt kế của dung dịch tẩm BZ4: 28s; Kích thước sản phẩm 36 x 5,5 x 7,6 cm3 độ ẩm 12%, chế độ ép khi đó phụ thuộc vào mức độ tẩm, mức độ nén, áp lực nén Tỉ trọng của gỗ biến tính đạt tới 0,9g/cm3; một số tác giả khác ở Trường ĐH Công nghiệp rừng Voronhet lại

sử dụng urê làm tác nhân hoá dẻo gỗ còn khâu ép nhiệt thực hiện chức năng nén chặt gỗ đã được làm mềm và cố định kích thước gỗ biến tính

Ván ép lớp: Tính chất của gỗ cũng có thể được nâng cao nhờ xử lý hoá học Gỗ được tẩm hoá chất sẽ nâng cao khả năng bền vững với môi trường bên ngoài Và một trong những phương pháp nâng cao tính chất kỹ thuật của

gỗ đó là xử lý nhiệt có tác động của áp lực, phương pháp này dựa trên khả

năng dẻo hoá của gỗ Khi gỗ được mềm, dẻo hoá, dưới tác động của áp lực thì

gỗ bị biến dạng được nén lại, do có giảm khoảng cách giữa các tế bào, ép, uốn các vách tế bào, giảm thể tích các tế bào do có sự trượt của vách tế bào lên nhau Tuy nhiên, việc sử dụng gỗ nguyên cho sản xuất gỗ ép lớp rất khó khăn, không chỉ vì keo khó thấm vào gỗ mà sau khi sấy rất khó đảm bảo keo không đóng rắn sớm

Khi sử dụng các ván mỏng tẩm keo P-F được xếp theo chiều song song rồi ép lại với nhau, chúng ta sẽ có được loại sản phẩm ván ép lớp có khả năng bền vững với môi trường bên ngoài Công nghệ này không cần thiết phải sử dụng thiết bị áp lực trong khâu tẩm keo nhưng nó cũng đòi hỏi phải có thiết bị tráng keo mới có thể đảm bảo độ đồng đều và tiết kiệm lượng keo

Trong một số loại hình sản phẩm, chi tiết máy ít tiếp xúc với người sử dụng

và có yêu cầu đặc biệt về tính chịu lực, khả năng chống chịu với môi trường cao, người ta vẫn có thể dùng nhựa phenol formaldehyt (P-F) trong công nghệ sản xuất gỗ biến tính Ví dụ: năm 2004, Md Ifteckhar Sham [22] đã nghiên cứu sản xuất thử gỗ tẩm nhựa P-F có cường độ cao ở áp suất ép thấp, đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc loại bỏ chất nền bằng natri clorit (NaClO2) trước khi tẩm nhựa PF có khối lượng phân tử thấp Khối lượng thể tích, mô-đun trượt và cường độ uốn của ván ép lớp (ván mỏng qua 4 lần xử lý bằng natri clorit rồi tẩm nhựa PF) được ép ở áp suất 1 MPa, đạt các trị số tương ứng

là 1,15 g/cm3, 27 GPa và 280 MPa, trong khi các trị số này với mẫu không được tẩm nhựa PF tương ứng là 0,8 g/cm3, 16 GPa, và 165 MPa

1.2.3.3 Máy móc thiết bị nén ép gỗ trong nước

Ở Việt Nam, công nghiệp máy thiết bị phục vụ cho ngành gỗ nói chung còn khá mới, và đặc biệt đối với công nghệ chế tạo máy móc, thiết bị nén, ép vật liệu gỗ hầu như chưa phổ biến Chỉ đơn cử một số loại thiết bị thô sơ sau:

Hình 1.8: Thiết bị ép gỗ ghép thủ công – đơn chiếc

- Thiết bị ép gỗ ghép hoạt động bằng cơ cấu trục vít và ép bằng áp lực thủ công qua tay quay (1), trục vít (2) truyền chuyển động tịnh tiến cho má ép (3) để nén các thanh gỗ ghép (4) tạo thành tấm gỗ

Hình 1.9: Thiết bị ép uốn bằng cơ cấu vít

- Cũng theo nguyên lý trục vít truyền động, thiết bị ép uốn (hình 1.9) và máy ép vít nhiệt ẩm (hình 1.10) hoạt động khi bàn ép (3) tịnh tiến lên xuống

và ép lên phôi gỗ cần gia công tạo thành sản phẩm đạt yêu cầu sử dụng

Hình 1.10: Máy ép vít nhiệt ẩm

1.2.4 Nhận xét chung

Trong những năm đầu của thế kỉ 21, khi nền khoa học công nghệ và kỹ thuật phát triển vượt bậc, nhân tố sức khoẻ con người và môi trường công nghiệp được quan tâm thích đáng thì công nghệ biến tính gỗ rất cần phải chú trọng và phát triển công nghệ theo hướng: Công nghệ “xanh”, nguồn năng lượng “sạch” và sử dụng nguyên liệu bền vững, sản phẩm thân thiện với con người và môi trường

Trong xu thế hội nhập của nước ta hiện nay và tình hình sản xuất cũng như nhu cầu sử dụng sản phẩm công nghiệp ngày càng tăng, khi mà ngành công nghiệp hóa chất chưa thực sự phát triển, kỹ thuật xử lý môi trường chưa

cao thì việc lựa chọn phương pháp biến tính nhiệt cơ là hợp lý, an toàn và thực sự cần thiết

Cho đến nay, ở Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào đề cập đến việc nghiên cứu xử lý nhiệt - ẩm gỗ Cao su bằng vi sóng trong công đoạn làm mềm để sản xuất gỗ nén, đặc biệt là xử lý tới mức độ nào sẽ hiệu quả cao nhất trong kỹ thuật cũng như trong công đoạn ổn định kích thước của gỗ nén, tỷ lệ tương quan giữa các đại lượng bao nhiêu là hợp lý nhất Và đây cũng là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu sử dụng gỗ đường kính nhỏ - chúng có thể là thứ phế liệu trong quá trình khai thác và gia công chế biến - trong công nghệ nén ép 2 mặt làm nguyên liệu cho sản xuất đồ mộc dân dụng và đồ chơi cho trẻ em, góp phần tích cực vào công cuộc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tài nguyên rừng, bảo vệ sức khỏe con người và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Xác định mối quan hệ giữa biến dạng dư với tỷ suất nén và tốc độ nén

gỗ cao su trong giai đoạn nén ép định hình;

- Xác định mối quan hệ giữa các thông số; thiết lập sơ đồ máy, tính toán, thiết kế được cơ cấu truyền động và kết cấu của máy ép chỉnh hình gỗ

- Sử dụng hiệu quả gỗ mọc nhanh rừng trồng, góp phần bảo vệ và tiết kiệm vốn rừng tạo ra sản phẩm thân thiện với con người, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Nguyên liệu gỗ cao su ở tỉnh Đồng Nai

- Thiết kế cơ cấu truyền động và kết cấu của máy ép chỉnh hình gỗ

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu về loại hình nguyên liệu, chủng loại sản phẩm

- Nghiên cứu và lựa chọn phương thức nén chỉnh hình gỗ tròn

- Thiết kế các thông số, sơ đồ truyền động, xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy ép chỉnh hình

- Nghiên cứu các thông số thiết kế kết cấu máy

1.6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nguyên liệu gỗ cao su ở tỉnh Đồng Nai

- Sản phẩm gỗ được nâng cao tính chất cơ lý bằng nén chỉnh hình

- Thiết kế cơ cấu truyền động và kết cấu của máy ép chỉnh hình gỗ

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Số liệu thí nghiệm thử tính chất cơ học của gỗ nguyên liệu và gỗ biến tính được tính toán tích hợp sẵn trên máy vi tính

1.7.3 Phương pháp tiêu chuẩn

Mẫu gỗ và phương pháp xác định một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ nguyên liệu và gỗ biến tính sử dụng theo các tiêu chuẩn của TCVN, ASTM, ГOCT, DIN, JIS

ẩm nhất định có sử dụng năng lượng vi sóng Xây dựng được cơ sở lý thuyết trong việc xác định biến dạng của gỗ nén đối với trường hợp nén ép chỉnh hình với phôi gỗ có tiết diện hình tròn

Tuy đề tài chọn nguyên liệu gỗ Cao su để tính toán, song kết quả khảo nghiệm thiết bị có thể áp dụng cho nhiều loại gỗ rừng trồng có khối lượng thể tích thấp khác mà không cần thay đổi kết cầu nhiều

Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 NGUYÊN LIỆU GỖ CAO SU

Cây Cao su có tên khoa học là Hevea brasilensis, là một loại cây công

nghiệp có giá trị, có nguồn gốc từ Nam Mỹ, được đưa vào trồng ở Việt Nam vào cuối thế kỷ 19 với mục đích khai thác nhựa

Cây cao su ban đầu chỉ mọc tại khu vực rừng mưa Amazon Cách đây gần 10 thế kỷ, thổ dân Mainas sống ở đây đã biết lấy nhựa của cây này dùng

để tẩm vào quần áo chống ẩm ướt, và tạo ra những quả bóng vui chơi trong dịp hội hè Họ gọi chất nhựa này là Caouchouk, theo Thổ ngữ Mainas nghĩa là

“Nước mắt của cây” (cao là gỗ Uchouk là chảy ra hay khóc)

Do nhu cầu tăng lên và sự phát minh ra công nghệ lưu hóa năm 1839 đã dẫn tới sự bùng nổ trong khu vực này, làm giàu cho các thành phố Manaus (bang Amazonas) và Belém (bang Paras), thuộc Brasil

Cố gắng thử nghiệm đầu tiên trong việc trồng cây cao su ra ngoài phạm

vi Brasil diễn ra vào năm 1873 Sau một vài nỗ lực, 12 hạt giống đã nảy mầm tại Vườn thực vật Hoàng gia Kew Những cây con này đã được gửi tới Ấn Độ

để gieo trồng, nhưng chúng đã bị chết Cố gắng thứ hai sau đó đã được thực hiện, khoảng 70.000 hạt giống đã được gửi tới Kew năm 1875 Khoảng 4% hạt giống đã nảy mầm, và vào năm 1876 khoảng 2.000 cây giống đã được gửi trong các thùng Ward tới Ceylon, và 22 đã được gửi tới các vườn thực vật tại Singapore Sau khi đã thiết lập sự có mặt ở ngoài nơi bản địa của nó, cây cao

su đã được nhân giống rộng khắp tại các thuộc địa của Anh Các cây cao su đã

có mặt tại các vườn thực vật ở Buitenzorg, Malaysia năm 1883[1] Vào năm

1898, một đồn điền trồng cao su đã được thành lập tại Malaya, và ngày nay phần lớn các khu vực trồng cao su nằm tại Đông Nam Á và một số tại khu

vực châu Phi nhiệt đới Các cố gắng gieo trồng cây cao su tại Nam Mỹ bản địa của nó thì lại không diễn ra tốt đẹp như vậy

Nhựa mủ dùng để sản xuất cao su tự nhiên là chủ yếu, bên cạnh việc sản xuất latex dạng nước

Cây cao su chỉ được thu hoạch 9 tháng, 3 tháng còn lại không được thu hoạch vì đây là thời gian cây rụng lá, nếu thu hoạch vào mùa này, cây sẽ chết Thông thường cây cao su có chiều cao khoảng 20 mét, rễ ăn rất sâu để giữ vững thân cây, hấp thu chất bổ dưỡng và chống lại sự khô hạn Cây có vỏ nhẵn màu nâu nhạt Lá thuộc dạng lá kép, mỗi năm rụng lá một lần Hoa thuộc loại hoa đơn, hoa đực bao quanh hoa cái nhưng thường thụ phấn chéo,

vì hoa đực chín sớm hơn hoa cái Quả cao su là quả nang có 3 mảnh vỏ ghép thành 3 buồng, mỗi nang một hạt hình bầu dục hay hình cầu, đường kính 6cm Cây phát triển tốt ở vùng nhiệt đới ẩm, có nhiệt độ trung bình từ 220C đến 300C (tốt nhất ở 260C đến 280C), cần mưa nhiều (tốt nhất là 2.000 mm) nhưng không chịu được sự úng nước và gió Cây cao su có thể chịu được nắng hạn khoảng 4 đến 5 tháng, tuy nhiên năng suất mủ sẽ giảm

Cây chỉ sinh trưởng bằng hạt, hạt đem ươm được cây non Khi trồng cây được 5 tuổi có thể khai thác mủ, và sẽ kéo dài trong vài ba chục năm

Việc cạo mủ rất quan trọng và ảnh hưởng tới thời gian và lượng mủ mà cây có thể cung cấp Bình thường bắt đầu cạo mủ khi chu vi thân cây khoảng

50 cm Cạo mủ từ trái sang phải, ngược với mạch mủ cao su Độ dốc của vết cạo từ 20 đến 350, vết cạo không sâu quá 1,5 cm và không được chạm vào tầng sinh gỗ làm vỏ cây không thể tái sinh Khi cạo lần sau phải bốc thật sạch

mủ đã đông lại ở vết cạo trước Thời gian thích hợp nhất cho việc cạo mủ từ 7 đến 8 giờ sáng

Cây cao su là một loại cây độc, chất mủ của cây là một loại chất độc cho con người khai thác nó Tuổi thọ của người khai thác mủ cao su thường giảm

từ 3 đến 5 năm nếu làm việc trong khoảng thời gian dài

Cây cao su còn độc ngay cả trong việc trao đổi khí ngay cả ban ngày và ban đêm Không bao giờ xây dựng nhà để ở trong rừng cao su, khả năng hiếm dưỡng khí xảy ra rất cao

Hình 2.1 Một số hình ảnh về cây cao su

Hình 2.1: Một số hình ảnh về cây cao su a) Khai thác nhựa cao su b) Cây cao su 16 năm tuổi c) Lá d) Hoa e) Hạt cao su

Hình 2.2: Mặt cắt ngang gỗ cao su

Gỗ từ cây cao su, gọi là gỗ cao su, được sử dụng trong sản xuất đồ gỗ

Nó được đánh giá cao vì có thớ gỗ dày, ít co, màu sắc hấp dẫn và có thể chấp nhận các kiểu hoàn thiện khác nhau Nó cũng được đánh giá như là loại gỗ

"thân thiện môi trường", do người ta chỉ khai thác gỗ sau khi cây cao su đã kết thúc chu trình sản sinh nhựa mủ

Phân bố chủ yếu ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ và Tây Nguyên Gỗ Cao su trước những năm 1990 được sử dụng làm chất đốt là chủ yếu, sau khi Chính phủ hạn chế và tiến hành cấm khai thác rừng tự nhiên thì các loại gỗ rừng trồng như gỗ Cao su ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong ngành Chế biến lâm sản Thân cây Cao su có 2 phần chính là phần gỗ và phần vỏ Thân thẳng có đường kính từ 25 – 60cm, cao khoảng 15– 20m, là phần chính cung cấp nhựa và gỗ Vỏ cây Cao su gồm 3 lớp, lớp da sần là tập hợp các tế bào chết bảo vệ lớp trong, lớp vỏ cứng là lớp da cát có chứa một số mạch nhựa, trong cùng là lớp vỏ mềm hay lớp da lụa chứa nhiều mạch nhựa Về cấu tạo, gỗ Cao su có gỗ giác - gỗ lõi khó phân biệt, vòng năm phân biệt rõ nhất là

ở phần gốc, thớ thẳng Gỗ Cao su có lỗ mạch khá lớn, phân bố dạng phân tán, tia gỗ có cấu tạo dị bào xếp từ 2 – 3 hàng tế bào, sợi gỗ thẳng

Một số tính chất cơ, lý, hóa học của gỗ cau su được trình bày ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số tính chất cơ, lý hóa học của gỗ Cao su

Tính chất vật lý, cơ học

3 Khối lượng thể tích ở độ ẩm thăng bằng (18%) 0.693 g/cm3

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NÉN CHỈNH HÌNH GỖ

2.2.1 Cơ sở quá trình nén gỗ

Mặc dù gỗ là hệ phân tán phức tạp dưới dạng nhựa, nước, dầu cùng các chất khác và có cấu trúc phức tạp nhưng giữa độ chặt và độ bền của tất cả các loại gỗ có mối quan hệ như sau:



Trong đó: σ – Độ bền; A và B – Các hằng số; ρ – Độ chặt của gỗ

Từ mối quan hệ trên Khukhranxki đã đưa ra luận điểm thứ nhất của lý

thuyết ép gỗ [10]: Có thể làm tăng độ bền của tất cả các loại gỗ bằng cách làm chặt, nếu như việc làm chặt không phá vỡ các tế bào của gỗ

Độ chặt và độ bền của các thành phần cấu trúc của gỗ không giống nhau

Độ chặt của các thành phần cấu trúc tạo nên độ bền khác nhau của các lớp vòng năm sớm và muộn; Độ bền của gỗ muộn cấu tạo từ các phần tử vách dày cao hơn đáng kể so với gỗ sớm cấu tạo từ các tế bào có vỏ mỏng

Các đặc điểm về cấu trúc gỗ cũng như đặc điểm biến dạng khi ép là cơ sở

để Khukhranxki đưa ra luận điểm thứ hai của lý thuyết ép [10]: Việc ép gỗ

nên tiến hành ngang thớ, trong đó đối với loài gỗ lá kim và gỗ lá rộng mạch vòng ép theo hướng vuông góc, đối với loài gỗ lá rộng mạch phân tán – theo hướng vuông góc cũng như hướng tiếp tuyến

Nước liên kết có ảnh hưởng lớn đến độ bền và biến dạng của gỗ trong khi

ép Khi độ ẩm W của gỗ tăng, khả năng biến dạng của gỗ cũng tăng, nhưng độ bền sẽ giảm theo quy luật đường hipebol:

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến độ bền và độ biến dạng của gỗ Khi nhiệt

độ tăng, độ bền sẽ giảm nhưng khả năng biến dạng của gỗ sẽ tăng

Giữa độ bền và nhiệt độ của gỗ có mối quan hệ như sau:

Gỗ trong trạng thái bị đốt nóng ở độ ẩm xấp xỉ điểm bão hòa của các sợi

sẽ có độ dẻo cao hơn khi bị ép Trong quá trình làm nguội và sấy khô, gỗ sẽ trở nên cứng hơn Sau khi ép, sấy và làm nguội trong trạng thái bị ép chặt, gỗ

sẽ giữ được hình dạng mới với những tính chất cơ học cao Trên cơ sở đó

Khukhranxki đưa ra luận điểm thứ ba của lý thuyết ép [10]: Gỗ được ép

trong trạng thái hóa mềm sau đó được sấy khô và làm nguội để cố định hình dạng mới tạo nên

Trong công nghệ nén ép gỗ, thường tiến hành nén ép theo chiều ngang thớ Mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng được thể hiện ở Hình 2.3 [14]

Từ đồ thị Hình 2.3 cho ta thấy, biến dạng của gỗ khi ép theo chiều ngang thớ có 3 pha Trong một số trường hợp gỗ Thông, ở pha thứ nhất OA (ε = 0 đến ε = 3 – 6%) biến dạng tăng dần cùng với việc tăng ứng suất, ở pha thứ 2

AB (ε = 3 – 6% đến ε = 30 – 40%) – Biến dạng tiếp tục tăng trong khi ứng suất hầu như không thay đổi Trị số biến dạng ở pha 2 phụ thuộc vào độ chặt của gỗ: Độ chặt của gỗ tự nhiên càng lớn thì trị số cuối cùng của biến dạng càng nhỏ và ngược lại [10]

Ở pha thứ 3 biến dạng xảy ra khi ứng suất tăng mạnh Sự chuyển hóa của biến dạng từ pha này sang pha kia xảy ra một cách từ từ Để có thể tăng khả năng sức chịu ép ngang của gỗ mà vách tế bào của gỗ không bị phá huỷ cần phải có sự dẻo hoá vách tế bào để cho gỗ có thể chịu được lực ép ngang đến mức tối đa, tức là tăng sự biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh cửu) của gỗ (giai đoạn BC)

Biến dạng toàn phần của gỗ ε gồm biến dạng đàn hồi εy và biến dạng dẻo εb:

E – Mô đun đàn hồi của gỗ khi ép ngang thớ;

η – Hệ số độ dẻo của vật liệu;

Phương trình biến dạng toàn phần của vách tế bào gỗ chỉ đúng đến một trị số ứng suất nhất định, khi ứng suất vượt quá trị số đó thì biến dạng vách tế

bào gỗ sẽ thay đổi rất mạnh Trị số ứng suất đó gọi là ứng suất tới hạn, được

xác định khi ép ngoài tâm vách dọc của vách tế bào như ép một thanh đàn hồi Thời điểm bắt đầu biến hình vách tế bào chính là điểm cuối của pha thứ nhất

và điểm đầu của pha thứ 2 biến dạng ép gỗ ngang thớ [29]

Khi trong tất cả các tế bào gỗ sớm xuất hiện ứng suất tới hạn, biến dạng

ép thành tế bào sẽ tiếp tục xảy ra trong khi áp lực hầu như không thay đổi

Các thành tế bào dày của gỗ muộn biến dạng không đáng kể Trị số biến dạng pha ép thứ 2 phụ thuộc vào độ dày các lớp gỗ muộn trong vòng năm

Pha ép thứ 3 xảy ra do biến dạng thành dày tế bào gỗ muộn của các vòng năm Mặc dù các thành đó có độ dày đáng kể nhưng khi ứng suất lớn chúng không giữ được nguyên dạng, biến dạng toàn phần không đáng kể và

về đặc điểm ít khác với biến dạng ở pha thứ nhất

Khi ép gỗ ngang thớ các tia gỗ có ảnh hưởng tối thiểu đến biến dạng Chiều dày của các tia gỗ càng lớn thì khả năng chống ép ở pha thứ nhất và thứ

thời nhằm thực hiện quá trình gia công: uốn cong, nén chặt, bóc gỗ, lạng gỗ… được tiến hành trong giai đoạn dẻo hoá;

độ thì càng dễ làm cho gỗ bị biến dạng

Gỗ do trương nở và co giãn mà làm cho môđun đàn hồi giảm xuống Ngoài tác dụng của trương nở đối với tính năng biến dạng, khi có tác dụng ngoại lực lên gỗ ướt đồng thời vừa sấy khô vừa nâng cao nhiệt độ, tính năng biến dạng sẽ tốt hơn khi giữ ở nhiệt độ cố định và độ ẩm cố định Lượng biến dạng tối đa có thể gấp 3 lần lượng biến dạng thời kỳ đầu, còn loại biến dạng này sau khi loại bỏ ngoại lực có thể trở thành biến dạng dư vĩnh cửu

Vách tế bào gỗ khô tuyệt đối hàm chứa trên 50% cellulose (trong đó khu vực kết tinh chiếm 55%), 20 - 30% là Hemicellulose, còn lại 20 - 30% là lignin, vách tế bào có kết cấu phức hợp tăng cường bởi cellulose nhiều lớp, cellulose trong mỗi lớp được xếp dọc trục gọi là sợi mixen, giữa các mixen này được lấp đầy bởi hemicellulose và lignin Nước và nhiệt độ có tác dụng với các thành phần của tế bào gỗ, nhưng phân tử nước không thể xâm nhập được vào khu vực kết tinh của các mixen sợi gỗ, nước chỉ kết hợp vào giữa khu vực hemicellulose và lignin và những khe hở giữa các mixen với nhau và lấp đầy những dung dịch trương nở

Vật liệu từ trạng thái cứng hoá đột nhiên biến đổi trở thành vật liệu đàn hồi mềm dẻo, vật liệu đã hoàn toàn biến đổi tính năng vốn có của nó Vật liệu dẻo cao phân tử khi nhiệt độ tăng đến mức xuất hiện hiện tượng thuỷ tinh hoá (Tg) biến đổi thì sẽ mất đi tính dẻo trở thành đàn hồi hoá

Từ đường cong trạng thái ta có thể dự đoán được tính dẻo và đàn hồi của cao phân tử điển hình Căn cứ vào nhiệt độ khác nhau mà chia trạng thái

cơ học điển hình của polyme thành 5 khu vực: trạng thái kết tinh, khu vực

biến đổi 1, trạng thái đàn hồi, khu vực biến đổi 2, vùng chất lỏng linh động

Đường cong trạng thái cơ học điển hình của vật liệu cao phân tử trạng thái phi tinh thể như Hình 2.4 chỉ rõ Dưới nhiệt độ thuỷ tinh hoá, môđun của cao phân tử khoảng 1MPa, đồng thời tuỳ theo nhiệt độ nâng cao thì môđun lại giảm xuống rất chậm Lấy nhiệt độ tương ứng của điểm uốn đường cong biểu diễn mô-đun hay giá trị cực đại của đường cong tiêu hao bên trong làm nhiệt

độ thuỷ tinh hoá biến đổi trạng thái của cao phân tử

Trạng thái kết tinh

Khu vực biến đổi

Khu vực biến đổi

Trạng thái đàn hồi

Vùng chất lỏng linh động

Hình 2.4: Diễn biến trạng thái điển hình cao phân tử phi kết tinh

Trong khu vực thuỷ tinh hoá biến đổi, Môđun giảm xuống khoảng 1.000 lần Nhiệt độ lại nâng lên, cao phân tử nằm trong khu vực trạng thái đàn hồi, môđun không phụ thuộc vào nhiệt độ Qua khu vực biến đổi thứ 2 cuối cùng là khu vực chất lỏng linh động, cao phân tử ở trạng thái chảy dính, môđun lại tiếp tục giảm

Ở trạng thái thuỷ tinh, cao phân tử cơ bản chỉ phát sinh biến dạng thông thường, biến dạng đàn hồi thông thường không hao tổn bất kỳ năng lượng nào Ở trạng thái đàn hồi cao, chuỗi phân tử có thể vận động tự do, cũng có thể xem như không hề tiêu hao năng lượng Trong khu vực biến đổi, nguyên nhân làm tiêu hao bên trong và một số chuỗi phân tử nào đó có thể tự do vận động trong khu vực biến đổi của cao phân tử; Có một số lại không có thể vận động trong một giai đoạn biến dạng nào đó, cái trước tích luỹ ít năng lượng hơn cái sau Khi một số chuỗi phân tử vận động tự do trong trạng thái thuỷ tinh, những năng lượng thừa được thoát ra dưới dạng nhiệt Có một năng lượng tiêu hao bên trong rất lớn xuất hiện trong khi thuỷ tinh hoá biến đổi là bởi vì trong nhiệt độ của khu vực này là như vậy; rất nhiều phân tử ở trạng thái kết tinh của cao phân tử bắt đầu nóng chảy, khi nó phát sinh biến dạng đàn hồi cao sẽ làm cho năng lượng thừa biến thành nhiệt năng

Sự biến đổi thuỷ tinh hoá trong thành phần vách tế bào do Hemicellulose và lignin là sản phẩm cao phân tử ở trạng thái phi tinh thể điển hình, thuỷ tinh hoá biến đổi thể hiện rất rõ ràng Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ thuỷ tinh hoá Tg, lignin sẽ mềm hoá và trở nên dính, đồng thời phát hiện thấy khi lignin hấp thụ một lượng lớn nước sẽ làm cho nhiệt độ thuỷ tinh hoá biến đổi giảm xuống rõ rệt, Hemicellulose cũng có tính năng tương tự Cellulose bởi vì có tính kết tinh nhiệt độ mềm hoá của nó hầu như không phụ thuộc vào thành phần nước Trong bảng 2.2 thể hiện nhiệt độ thuỷ tinh hoá của một số thành phần của gỗ

Bảng 2.2: Nhiệt độ thuỷ tinh hoá của một số thành phần của gỗ [29]

Thành phần gỗ Nhiệt độ thuỷ tinh hoá Tg (

Tóm lại: Nếu nhiệt độ và độ ẩm gỗ đạt các giá trị như trên, cho dù

Cellulose chưa hề xảy ra thay đổi nào thì lignin và hemicellulose đã đạt đến nhiệt độ thuỷ tinh hoá biến đổi, từ đó sẽ làm cho môđun đàn hồi nhanh chóng giảm xuống, sự mềm hoá của lignin và hemicellulose xuất hiện dẫn đến tính dẻo của gỗ được tăng lên Dựa vào đặc tính này của thành phần gỗ mà người

ta tiến hành chỉ cần làm tăng tính dẻo của gỗ ở nhiệt độ chuyển trạng thái thủy tinh của lignin và hemicellulose

2.2.2.2 Một số phương thức gia nhiệt làm mềm gỗ

Làm mềm gỗ bằng xử lý nhiệt được coi là một quan điểm tiên tiến để bảo vệ môi trường, do không sử dụng hoá chất trong quá trình chế biến; đồng thời mục đích của quá trình này là làm mềm gỗ cũng chính là làm giảm bớt nguồn động lực (gỗ càng cứng thì áp lực ép phải càng tăng - khi xét trong cùng một tỷ suất nén) trong công nghệ sản xuất

Trong giai đoạn công nghệ này cũng có nhiều cách thức gia nhiệt cho

gỗ đó là: Gia nhiệt bằng phương pháp tiếp xúc; gia nhiệt đối lưu; gia nhiệt bằng cách luộc gỗ; gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà; gia nhiệt bằng dòng cao tần; gia nhiệt bằng vi sóng Các phương thức gia nhiệt nêu trên là phương pháp vật lý còn được gọi là phương pháp xử lý nhiệt ẩm, lấy nước làm dung dịch hoá mềm đồng thời gia nhiệt cho đến khi gỗ đã được hoá mềm

a) Phương thức gia nhiệt tiếp xúc, đối lưu

Cả hai phương thức này đều có thể gây ra hiện tượng chênh lệch rất lớn

về ẩm và nhiệt theo tiếp diện ngang của gỗ Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của môi trường, nguồn nhiệt và độ ẩm của gỗ Độ chênh lệch của các thông số đó và khuyết tật của nguyên liệu càng cao khi độ dày của gỗ càng lớn, chất lượng sản phẩm càng giảm

b) Phương thức luộc, hấp

Đối với phương pháp luộc, hấp có ưu điểm chủ yếu là thiết bị đơn giản

và nhiệt độ, độ ẩm phân bố khá đồng đều Tuy nhiên, nó cũng có một số tồn tại khó khắc phục đó là: thời gian xử lý dài, gỗ xử lý sẽ bị biến màu nghiêm trọng và độ ẩm của gỗ quá lớn, điều này đồng nghĩa với việc phải cần một nguồn năng lượng đáng kể để giải phóng giải phóng lượng ẩm đó, đưa độ ẩm

gỗ xuống thấp mới có thể đảm bảo chất lượng gỗ nén trong các bước công nghệ tiếp theo

c) Phương pháp gia nhiệt cao tần

Đặc điểm của công nghệ mềm hóa cao tần là: gỗ được gia nhiệt rất nhanh, chu kỳ mềm hóa ngắn, gia nhiệt đồng đều, mà gỗ càng dày thì các ưu điểm này càng thể hiện rõ Khi gia nhiệt bằng cao tần các bản cực cần phải được tiếp xúc với gỗ nên cần phải có những phương án thích hợp trên bề mặt các bản cực cao tần để tránh hiện tượng nứt, vỡ gỗ do áp suất hơi nước của các túi khí sinh ra trong quá trình gia nhiệt không có chỗ thoát

d) Phương pháp gia nhiệt bằng vi sóng

Quá trình gia nhiệt được tiến hành từ bên trong lòng gỗ, những nơi có

ẩm, nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, từ đó có thể rút ngắn thời gian mềm hoá

gỗ rất nhiều Đặc biệt khi xử lý gỗ có quy cách kích thước tương đối lớn thì hiệu quả kinh tế càng rõ rệt hơn so với phương pháp hấp luộc

Năng lượng vi sóng ngày nay đang được sử dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực khác nhau của công nghệ chế biến gỗ như: sấy gỗ, diệt nấm mốc, phòng chống sự tấn công của côn trùng

2.3 NÉN GỖ

2.3.1 Biến dạng của gỗ

2.3.1.1 Các chuyển hoá trong gỗ

Chuyển hoá tinh thể của lignin: chuyển hoá là hiện tượng phổ biến của các vật liệu cao phân tử không định hình, vì không có khả năng tạo thành toàn

bộ các hợp chất cao phân tử kết tinh nên không thể hình thành được kết tinh 100%, do đó luôn luôn tồn tại vùng không kết tinh Khi các chất liệu cao phân

tử phát sinh chuyển hoá thuỷ tinh các tính chất vật lý, cơ học đặc biệt là tính chất cơ học có sự thay đổi mạnh mẽ, trong khu vực nhiệt độ chuyển hoá chỉ cần thay đổi nhiệt độ khoảng vài độ thì môđun đàn hồi đã thay đổi 3 - 4 cấp Lúc này, gỗ từ vật rắn có độ cứng tương đối cao đột nhiên trở thành vật liệu đàn hồi dẻo, hoàn toàn thay đổi tính năng vốn có của vật liệu Vì thế, chuyển biến thuỷ tinh là một tính chất vô cùng quan trọng của chất cao phân tử Trong Hình 2.5 biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ chuyển hoá và biến dạng

gỗ

Chuyển hoá thuỷ tinh của vật liệu cao phân tử là sự chuyển biến giữa trạng thái thuỷ tinh và trạng thái đàn hồi cao Nhiệt độ chuyển hoá trạng thái thuỷ tinh (Tg) là một chỉ tiêu quan trọng để biểu thị chuyển hoá thuỷ tinh

Khi nhiệt độ gỗ (T) nhỏ hơn nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh Tg, lúc này

gỗ đang ở trạng thái thuỷ tinh, khi nhiệt độ gỗ (T) nằm trong khoảng nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh và nhiệt độ lỏng dính (Tf) (T  (Tg & Tf) thì gỗ đang ở trạng thái đàn hồi cao, khi nhiệt độ gỗ T lớn hơn nhiệt độ chuyển hoá lỏng dính Tf thì gỗ ở trạng lỏng dính Khi nhiệt độ gỗ nhỏ hơn nhiệt độ thuỷ tinh hoá thì năng lượng của phân tử rất thấp những chuyển động của các mắt xích

bị đông cứng và ta không đo được chuyển động của các đoạn mạch biểu thị biến dạng Vì thế, trên quan điểm vi mô biến dạng của chất cao phân tử trạng thái thuỷ tinh là rất nhỏ Khi nhiệt độ tăng cao thì năng lượng chuyển động nhiệt và thể tích tự do của phân tử của các chất cao phân tử tăng dần, khi nhiệt

độ đạt đến nhiệt độ thuỷ tinh hoá thì chuyển động của các mắt xích phân tử bắt đầu bị kích phát, lúc này hình thành khu vực chuyển hoá thuỷ tinh của trạng thái động lực học chất cao phân tử vô định hình (lignin), khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Tf thì gỗ chuyển hoá thành dạng lỏng dính làm cho chất cao phân tử giống như chất lỏng dính sản sinh chuyển động của chất lỏng dính

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, lignin có đặc tính chuyển hoá thuỷ tinh của chất cao phân tử vô định hình Khi gia nhiệt cho lignin đạt đến nhiệt

độ chuyển hoá thuỷ tinh thể Tg, lignin nhanh chóng dẻo hoá Các yếu tố làm

ảnh hưởng đến nhiệt độ dẻo hoá của lignin là nguồn gốc, phương pháp phân

ly phân tử lượng, độ ẩm của lignin Nếu độ ẩm của lignin thấp thì nhiệt độ chuyển hoá cao, ngược lại nếu độ ẩm của lignin cao thì nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh của nó giảm xuống

Cơ chế cũng như quá trình chuyển hoá thuỷ tinh thể của lignin rất quan trọng trong công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nén ép, gia nhiệt trực tiếp Trong quá trình ép tạo chiều dày ván, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh thể nhờ vào tác dụng dẻo nhiệt của lignin có thể nhanh chóng tạo được chiều dày ván với áp lực nhỏ

Chuyển hoá tinh thể của vách tế bào: các thành phần của gỗ có thể dẻo hoá bao gồm cellulose, vùng không kết tinh của cellulose và hemicellulose có tác dụng thân hợp rất mạnh với tính trương nở của gỗ Nước không thể chui vào vùng kết tinh của cellulose nhưng dung dịch NH3 thì có thể chui vào được Từ đó, làm cho bên trong của các mixencellulose trương nở Chính điều

đó ta có thể thấy chỉ có thể dẻo hoá các thành phần của vách tế bào bằng hoá chất còn nhiệt độ thì ít có tác dụng Ta thấy, lignin là một thành phần hết sức quan trọng liên quan đến khả năng dẻo hoá của gỗ

2.3.1.2 Các biến dạng trong gỗ

Gỗ là một loại vật liệu mang đồng thời hai tính chất rắn đàn hồi và lỏng dính, gỗ thuộc loại vật liệu cao phân tử khi chịu ngoại lực tác dụng thì sản

sinh 3 loại biến dạng:

- Biến dạng đàn hồi tức thời;

- Biến dạng sau đàn hồi;

- Biến dạng dẻo

Như chúng ta đã biết, gỗ được cấu tạo nên bởi vô số tế bào, vách tế bào

được cấu tạo nên bởi hai thành phần chính là cellulose và lignin