Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, thời gian xử lý bằng dung dịch ammoniac, tỷ suất nén đến chất lượng gỗ bồ đề (styrax tonkinensis pierre) biến tính theo phương pháp hóa dẻo nén ép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRẦN HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ, THỜI GIAN XỬ LÝ BẰNG DUNG DỊCH AMONIAC, TỶ SUẤT NÉN ĐẾN CHẤT LƯỢNG GỖ BỒ ĐỀ (Styrax tonkinensis Pierre) BIẾN TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP HOÁ DẺO – NÉN ÉP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Tây - 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRẦN HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ, THỜI GIAN XỬ LÝ BẰNG DUNG DỊCH AMONIAC, TỶ SUẤT NÉN ĐẾN CHẤT LƯỢNG GỖ BỒ ĐỀ (Styrax tonkinensis Pierre) BIẾN TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP HOÁ DẺO – NÉN ÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị công nghệ gỗ, giấy Mã số: 60-52-24 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Chứ LỜI CẢM ƠN Hà Tây – 2006 LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận văn tốt nghiệp, xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Chứ, người thầy trực tiếp hướng dẫn suốt trình thực luận văn Cảm ơn Khoa Sau Đại Học - Trường Đại học Lâm nghiệp, thầy cô giáo, toàn thể cán Trung tâm thực nghiệm chuyển giao kỹ thuật Công nghiệp rừng - Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Cục chế biến nông lâm sản nghề muối đóng góp ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Cảm ơn cán kỹ thuật Trung tâm nghiên cứu chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng Phòng thí nghiệm Trường Đại học Lâm nghiệp; Phòng Tài nguyên thực vật rừng - Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam hướng dẫn kỹ thuật hỗ trợ trang thiết bị nghiên cứu, thử nghiệm tốt giúp thực đề tài Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè gia đình quan tâm động viên khích lệ trình thực luận văn Một lần nữa, xin bày tỏ lòng biết ơn chung tất người giúp đỡ ủng hộ tôi! Hà Tây, Tháng 8-2006 Tác giả Trần Hữu Thành MỤC LỤC Trang bìa phụ Trang Lời cảm ơn ĐẶT VẤN ĐỀ Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.2 LỊCH SỬ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.2 Nội dung nghiên cứu 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 1.3.4 Phạm vi nghiên cứu 13 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 ĐẶC ĐIỂM NGUYÊN VẬT LIỆU LIÊN QUAN ĐẾN QUÁ TRÌNH 15 HOÁ DẺO - NÉN ÉP 2.1.1 Đặc điểm nguyên liệu gỗ 15 2.1.1.1 Các thành phần vật liệu gỗ đối tượng nghiên cứu 15 khoa học biến tính gỗ 2.1.1.2 Tính chất hút nước thấu nước vật liệu gỗ 17 2.1.1.3 Hóa chất Amoniac (NH3) dung dịch amonihydroxyt (NH4OH) 18 2.2 LÝ THUYẾT BIẾN TÍNH GỖ 19 2.2.1 Khái niệm trình biến tính hoá dẻo - nén ép gỗ 20 2.2.2 Biến đổi cấu trúc tính chất gỗ tác động nhiệt độ 21 2.2.3 Cơ chế hoá dẻo nén ép gỗ 24 2.2.3.1 Cơ chế hóa dẻo gỗ 24 2.2.3.2 Xử lý hoá dẻo gỗ 26 2.2.3.3 Cơ chế nén ép gỗ 28 2.3 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ KHẢ NĂNG THẤM HOÁ CHẤT KHI 29 NGÂM GỖ 2.3.1 Khả thấm hóa chất theo nguyên lý khuyết tán 29 2.3.2 Khả thấm hóa chất theo nguyên lý mao dẫn 31 Chương THỰC NGHIỆM 33 3.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH GỖ BỒ ĐỀ THEO 33 PHƯƠNG PHÁP HOÁ DẺO – NÉN ÉP 3.2 CHUẨN BỊ NGUYÊN LIỆU 34 3.2.1 Nguyên liệu gỗ bồ đề (Styrax tonkinensis Pierre) 34 3.2.2 Hoá chất 40 3.3 DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 40 3.4 BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG GỖ BỒ 41 ĐỀ BIẾN TÍNH 3.4.1 Tạo phôi gỗ thí nghiệm 41 3.4.2 Hoá dẻo gỗ bồ đề 41 3.4.3 Để 41 3.4.4 Nén ép phôi gỗ bồ đề 41 3.4.5 Sấy gỗ nén 43 3.4.5 Để gỗ nén ổn định phòng kín 46 3.4.6 Cắt mẫu để kiểm tra tiêu chất lượng gỗ nén theo tiêu 43 chuẩn phù hợp Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ 45 4.1 KHỐI LƯỢNG THỂ TÍCH GỖ BỒ ĐỀ BIẾN TÍNH 45 4.2 TỶ LỆ CO RÚT, DÃN NỞ, TRƯƠNG DÃN CỦA GỖ BỒ ĐỀ BIẾN 47 TÍNH 4.2.1 Tỷ lệ co rút tiếp tuyến 47 4.2.2 Tỷ lệ co rút xuyên tâm 50 4.2.3 Tỷ lệ dãn nở tiếp tuyến 51 4.2.4 Tỷ lệ dãn nở xuyên tâm 52 4.2.5 Tỷ lệ trương dãn tiếp tuyến 53 4.2.6 Tỷ lệ trương dãn xuyên tâm 54 4.3 ĐỘ BỀN UỐN TĨNH CỦA GỖ BỒ ĐỀ BIẾN TÍNH 55 4.3.1 Độ bền uốn tĩnh tiếp tuyến 55 4.3.2 Độ bền uốn tĩnh xuyên tâm 58 4.4 GIỚI HẠN BỀN NÉN DỌC THỚ 59 4.5 KHẢ NĂNG TRANG SỨC BỀ MẶT CỦA GỖ BỒ ĐỀ SAU KHI 61 ĐƯỢC XỬ LÝ AMONIAC 4.6 KẾT QUẢ GIẢI PHẪU GỖ BỒ ĐỀ BIẾN TÍNH 63 4.7 GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU 67 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 68 KẾT LUẬN Và KHUYẾN NGHỊ 76 KẾT LUẬN 76 KHUYẾN NGHỊ 77 Tài liệu tham khảo Phần phụ biểu ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với tiến khoa học kỹ thuật, ngành khoa học vật liệu phát triển mạnh mẽ tạo nhiều loại vật liệu phục vụ sống nhân loại, ứng dụng hầu hết lĩnh vực giao thông, xây dựng, chế tạo máy, điện tử, viễn thông, y tế…và nhà khoa học quan tâm nghiên cứu công nghệ kỳ diệu khác công nghệ nano (vật liệu có kích thước 1-100 nm) Trong đó, loại vật liệu kim loại, plastic, composite… thay vật liệu gỗ để sản xuất đồ nội, ngoại thất, kết cấu xây dựng, giao thông… sản suất hàng loạt với mức độ đồng đề cao giá thành thấp Tuy nhiên, so với nhiều vật liệu khác, gỗ loại vật liệu có hệ số phẩm chất cao, có khả cách nhiệt, cách âm, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ, vân thớ đẹp, dễ gia công chế biến, trang sức bề mặt… Vì vậy, nhu cầu xã hội gỗ sản phẩm gỗ ngày tăng khối lượng chất lượng Thực tế chứng minh, quốc gia có công nghiệp phát triển tiêu thụ gỗ nhiều Theo dự thảo “Chiến lược Lâm nghiệp quốc gia” [13], lượng tiêu thụ gỗ xẻ hàng năm/1000 người nước sau: Ấn độ (7 m3); Trung quốc (12 m3); Malaysia (109 m3); Thái Lan (75 m3); Hàn quốc (126 m3); Brazil (110 m3); Mỹ (420 m3); Đức (216 m3) Nhưng vật liệu gỗ có số nhược điểm mềm xốp; dễ cháy; dễ hút ẩm gây cong vênh, nứt nẻ, biến hình; tính chất học thấp Trong đó, số lĩnh vực, vật liệu gỗ quan trọng, vật liệu khác thay Ví dụ, tay đập, thoi dệt; bạc trục chân vịt tàu thuỷ, chi tiết truyền động có khả chịu mài mòn tự bôi trơn; nhạc cụ, dụng cụ thể thao, tà vẹt… Để khắc phục nhược điểm lợi dụng đặc tính quý kể trên, nhà khoa học tìm nhiều giải pháp cải thiện tính chất nâng cao giá trị sử dụng vật liệu gỗ Vì vậy, khoa học biến tính gỗ đời phát triển nhanh với giải pháp kỹ thuật đại hoá học cao phân tử, dùng tia γ chí sử dụng lượng nguyên tử Cho đến nay, nhiều quốc gia có công nghiệp phát triến Nga, Mỹ, Pháp, Ba Lan, Ý, Đức, Nhật Bản, Trung quốc… quan tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ biến tính gỗ Các sản phẩm gỗ biến tính ứng dụng phổ biến quốc gia thị trường nói chung Công nghệ biến gỗ biện pháp hữu hiệu để giải vấn đề khan nguyên liệu tạo loại vật liệu có hệ số phẩm chất giá trị sử dụng tốt gỗ nguyên Theo xu chung ngành công nghiệp chế biến lâm sản, Việt Nam bắt đầu tiếp cận công nghệ biến tính gỗ với giải pháp đơn giản, phù hợp điều kiện kỹ thuật, thiết bị có Theo quan điểm chúng tôi, để phù hợp điều kiện sản xuất Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ biến tính gỗ nên tập chung vào phương pháp nhiệt hoá cơ, việc sử dụng hoá chất để hoá dẻo gỗ có hiệu Với giải pháp hoá dẻo gỗ hoá chất, yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến mức độ hoá dẻo gỗ gồm loại gỗ, hoá chất, nồng độ hoá chất, thời gian xử lý, kích thước phôi gỗ, áp lực ngâm tẩm… Trong trình nén ép, tỷ suất nén, chiều dày phôi gỗ, nhiệt độ nén ép, phương pháp nén ép (nén kín hay nén hở, phương áp lực nén), tốc độ nén… yếu tố định khả tăng khối lượng thể tích ảnh hưởng đến tính chất học, vật lý gỗ nén Trong trình công tác nghiên cứu nhận thấy, số loại rừng trồng mọc nhanh khác, Bồ đề (Styrax tonkinensis Pierre) loại có tốc độ sinh trưởng, phát triển nhanh, có nhược điểm độ bền tự nhiên kém, dễ bị cong vênh, biến hình, khó bảo quản, chưa đáp ứng yêu cầu làm nguyên liệu sản xuất đồ mộc cao cấp, mộc xây dựng, trang trí nội thất, mộc giả cổ… Hiện tại, gỗ Bồ đề chủ yếu sử dụng để sản xuất giấy, diêm, bút chì, ván dán Vì vậy, gỗ Bồ đề có đường kính lớn không sử dụng hiệu gây lãng phí, thiếu nguyên liệu để sản xuất đồ gỗ Theo đó, yêu cầu thực tế đặt nhà khoa học, nhà sản xuất phải tìm biện pháp nâng cao chất lượng, thẩm mỹ gỗ rừng trồng mọc nhanh nói chung, có gỗ Bồ đề Xuất phát từ yêu cầu trên, để góp phần đóng góp công trình nghiên cứu công nghệ biến tính gỗ, phân công Trường Đại học Lâm nghiệp, Khoa sau đại học, thực đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ, thời gian xử lý dung dịch amoniac, tỷ suất nén đến chất lượng gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis Pierre) biến tính theo phương pháp hoá dẻo – nén ép” Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hiện nay, ngành công nghiệp chế biến gỗ giới tìm biện pháp nâng cao hiệu sử dụng gỗ nâng cao chất lượng gỗ Đến cuối kỷ 20, ngành công nghiệp chế biến gỗ phát triển mạnh với dây chuyền sản xuất ván nhân tạo, giấy, công nghệ xẻ đại dùng laser, tia nước áp lực cao nhằm nâng cao hiệu sử dụng gỗ Ngoài ra, việc nghiên cứu theo hướng nâng cao chất lượng gỗ quan tâm nhiều quốc gia giới Theo xu hướng này, có phương pháp biến tính gỗ, là nhiệt-cơ; nhiệt-hoá-cơ; hoá-cơ; hoá học xạhoá học Mục đích phương pháp nhằm nâng cao khối lượng thể tích độ bền gỗ Trong năm gần đây, nhu cầu sử dụng gỗ Việt Nam tăng nhanh, cho tiêu dùng nội địa xuất Năm 2005 kim ngạch xuất sản phẩm gỗ đạt 1,5 tỷ USD, theo Chính phủ xếp sản phẩm gỗ vào nhóm 10 mặt hàng xuất chiến lược Tuy nhiên, ngành công nghiệp chế biến gỗ Việt Nam phải đối mặt với thực trạng thiếu nguyên liệu, hàng năm phải nhập khoảng 70-80% nguyên liệu cho nhu cầu, gỗ rừng tự nhiên quý hiếm, chất lượng cao chiếm tỷ lệ lớn Trong đó, nỗ lực Chương trình trồng rừng, ngành Lâm nghiệp Việt Nam cung ứng sản lượng lớn gỗ rừng trồng Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm tăng trưởng nhanh, có khả tái sinh, gỗ rừng trồng số nhược điểm gỗ mềm, khối lượng thể tích nhỏ, độ bền thấp Trong 5-10 năm tới, nguyên liệu gỗ khan lý sau: Một mặt, với phát triển nhanh ngành công nghiệp chế biến gỗ, nhu cầu tiêu dùng nguyên liệu gỗ tăng Mặt khác, áp lực Tổ chức môi trường quốc 63 mịn Đối với loại gỗ, vùng vật liệu phía tâm phôi gỗ (theo chiều dày) nén ép tăng khối lượng thể tích khối lượng thể tích vùng biên (vùng gần sát bề mặt) đạt trị số định (tương ứng trị số tỷ suất nén định) Khi vùng biên có độ cứng đủ lớn chúng trở thành môi trường chuyền lực tác dụng vùng vật liệu phía tâm phôi gỗ Điều lý giải kỹ phần phân tích kết giải phẫu gỗ Bồ đề biến tính Như vậy, phù hợp với cách lý giải mục 4.1, với tỷ suất nén gỗ Bồ đề khoảng ε = 35-55%, vật liệu gỗ bề mặt có độ mịn khả kết dính tốt với màng keo trị số tỷ suất nén cao nhất, mà phụ thuộc thông số nồng độ thời gian ngâm gỗ Bồ đề dịch NH4OH Mặt khác, với mật độ vật chất lớn, bề mặt nhẵn mịn không tồn nhiều khoảng rỗng xốp (theo cách phân tích cấu tạo thô đại) hạn chế khả hút ẩm co rút Theo nguyên lý sức bền vật liệu, hai vật liệu kết dính với có độ chênh lệch hệ số dãn nở/co rút yếu tố nhiệt độ, độ ẩm nhỏ lực liên kết lớn hạn chế vết rạn, nứt màng P-U chúng bị rạch nêu Cũng qua kết cho thấy, gỗ Bồ đề sau hoá dẻo hoá chất NH4OH có khả trang sức bề mặt sơn P-U (Tiêu chuẩn cho phép số ô bong/100 ô < 5%) Sau hoá dẻo, làm thoát amoniac, đặc biệt sau trình nén ép điều kiện nhiệt độ T = 150oC, lượng hoá chất amoniac tồn dư bề mặt vật liệu không đáng kể Mặt khác, phạm vi không nghiên cứu tương tác hoá chất hoá dẻo vật liệu trang sức sơn P-U 4.6 KẾT QUẢ GIẢI PHẪU GỖ BỒ ĐỀ BIẾN TÍNH Để đánh giá tác động hoá chất amoniac trình nén ép cấu trúc gỗ Bồ đề, tiến hành giải phẫu số mẫu gỗ Bồ đề (đã biến tính) thiết bị Phòng Tài nguyên thực vật rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam Kết giải phẫu thể ảnh chụp từ hình 4.1 đến hình 4.7 64 4.6.1 Quan sát kính lúp Hình 4.1 Mặt cắt ngang cấu tạo thô đại 65 4.6.2 Quan sát kính hiển vi 4.6.2.1 Mặt cắt ngang Hình 4.2 Mặt cắt ngang - hiển vi Hình 4.4 Mặt cắt ngang – hiển vi 66 4.6.2.2 Mặt cắt xuyên tâm Hình 4.3 Mặt cắt xuyên tâm – hiển vi 4.6.2.2 Mặt cắt tiếp tuyến Hình 4.4 Mặt cắt tiếp tuyến – hiển vi 67 4.7 GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU Mô hình toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ trình bày trang 13 Mục đích việc xây dựng giải toán tìm giá trị tỷ suất nén (X1), thời gian ngâm gỗ (X2) nồng độ (X3) tối ưu để đạt tiêu chất lượng gỗ nén theo yêu cầu chất lượng nguyên liệu gỗ sản xuất đồ mộc cao cấp đồ mộc xây dựng Để đạt mục tiêu nghiên cứu, chọn tiêu để giải toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ: Độ bền uốn tĩnh xuyên tâm (Y1) : Y1 ≥ 100 MPa Giới hạn bền nén dọc thớ (Y2) Y2 ≥ 60 MPa : Tỷ lệ trương dãn xuyên tâm (Y3): Y3 ≤ 5% Với phương trình tương quan tương ứng sau: Y1 = Yutxt = 424,519 – 19,308ε + 0,264 ε2 + 13,312τ – 0,227τε + 0,107τ2 + 3,984N – 0,097Nε – 0,173Nτ + 0,085N2 Y2 = Yndthớ = 259,119 – 11,159ε + 0,135ε2 + 1,334τ +0,072τε + 0,116τ2 + 1,289N – 0,030Nε – 0,318Nτ + 0,083N2 (4.19) (4.20) Y3 = Ytgxt = - 5,975 + 0,907ε - 0,010ε2 - 0,652τ + 0,005τε + 0,011τ2 - 0,833N + 0,001Nε + 0,016Nτ + 0,020N2 (4.21) Áp dụng phương pháp trao đổi giá trị phụ, tối ưu theo tiêu chuẩn, F(x1, x2, x3, λ1, λ2, λ3 ) = - λ1(Y1 – ε1) – λ2(Y2 – ε2) + λ3(Y3 – ε3) Trong đó, ε1, ε2, ε3 giá trị lớn nhỏ tiêu chất lượng Theo mục tiêu đặt ta có: ε1 = 100 ; ε2 = 60 ; ε3 = Lấy đạo hàm riêng hàm F(x1, x2, x3, λ1, λ2, λ3) theo biến x1, x2, x3, λ1, λ2, λ3 ta hệ phương trình với ẩn số x1, x2, x3, λ1, λ2, λ3 Giải hệ phương trình ta có giá trị tối ưu thông số đầu vào mô hình với kết sau: Tỷ suất nén: ε = 47,32%; thời gian ngâm: τ = 5,85 ngày nồng độ dung dịch amoniac N = 18,34% 68 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Từ kết nghiên cứu đây, đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số tỷ suất nén, nồng độ thời gian ngâm gỗ dung dịch NH 4OH nhóm tiêu chất lượng/tính chất vật lý học gỗ Bồ đề biến tính Đồng thời, kết giải phẫu gỗ Bồ đề biến tính chứng để giải thích tượng nêu 1) Ảnh hưởng thông số nghiên cứu tính chất vật lý Với phương pháp hoá chất hoá dẻo đề tài này, vật liệu gỗ chưa bị biến đổi nhiều mặt hoá học Trước sau biến tính, vách tế bào gỗ cấu tạo từ thành phần (cellulose, lignin hemicellulose), cellulose hút thoát nước, tạo thay đổi khoảng cách mixencellulose, sinh tượng co rút, dãn nở Qua phần nhận xét đây, nhìn chung tính chất vật lý gỗ Bồ đề biến tính có xu hướng giảm tăng tỷ suất nén, nồng độ thời gian ngâm gỗ dung dịch NH4OH, tỷ suất nén thông ảnh hưởng chủ yếu Tại số giới hạn/khoảng biến thiên kết nghiên cứu, ảnh hưởng nồng độ thời gian ngâm không rõ ràng, có xu hướng trái ngược/nghịch biến với trị số nhỏ không đáng kể Khi ngâm dung dịch NH4OH cấp nồng độ thời gian ngâm khác nhau, gỗ Bồ đề hoá dẻo với mức độ khác amoniac thấm sâu vào vùng kết tinh gây trương cellulose (như giải thích mục 4.1) Việc hoá dẻo gỗ có tác dụng tạo điều kiện thuận lợi cho trình nén ép, nghĩa nâng cao tỷ suất nén Như vậy, ảnh hưởng tỷ suất nén tính chất vật lý gỗ Bồ đề biến tính gián tiếp phản ánh ảnh hưởng thông số nồng độ thời gian ngâm gỗ, thông số ảnh hưởng đến mức độ hoá dẻo gỗ Bản chất tượng co rút, dãn nở vật liệu gỗ hút, nhả ẩm Hiện tượng xảy phạm vi độ ẩm từ 0% đến độ ẩm bão hoà thớ gỗ [11] Ở đây, cần phân biệt khác tượng trương gỗ Bồ đề sau hoá dẻo tượng co rút, dãn nở gỗ Bồ đề biến tính 69 Với phương pháp hoá chất hoá dẻo sử dụng đề tài này, vật liệu gỗ Bồ đề hoá dẻo tạm thời Nếu để môi trường không khí bình thường khoảng thời gian dài, amoniac làm thoát tự nhiên, đồng thời gỗ hút ẩm trở lại tính dẻo gỗ giảm Khi nén ép, mật độ vật chất gỗ đơn vị thể tăng lên, tế bào gỗ dồn nén khít chặt Nếu tăng tỷ suất nén, khoảng trống gỗ bị thu hẹp dần Theo đó, khoảng cách mixencellulose thu hẹp dần với việc bóp méo ép dẹt không lỗ mạch vùng gần bề mặt gỗ nén, điều thể rõ kết giải phẫu gỗ Bồ đề biến tính Mặt khác, trình ép, với tác dụng nhiệt độ cao (T = 150oC), lignin hoá dẻo đồng thời với việc thay đổi không gian vật chất gỗ Vì vậy, lignin có vai trò tái liên kết mixencellulose vách tế bào trạng thái nêu Hiện nay, nhiều học giả [16, tr.59] đồng quan điểm cho tác động nhiệt độ cao, phận hemicellulose (đặc biệt đường bậc cao) biến đổi hoá học chuyển thành phân tử không thân nước; giảm nước hấp phụ; khoảng cách chuỗi phân tử vùng phi kết tinh cellulose vách tế bào thu hẹp, theo số cầu hydro hình thành Điều phù hợp với lý thuyết gây trương celllulose, gây trương (hình 2.2) hoá chất amoniac, cầu liên kết hydro phân tử cellulose trở nên lỏng lẻo, nhiệt độ cao tác động đến nhóm OH trạng thái tái định hướng liên kết OH khiến vật liệu gỗ hạn chế khả hút, thoát nước Xét ảnh hưởng đơn yếu tố tỷ suất nén: Ở điều kiện nồng độ, thời gian ngâm nhiệt độ, tăng tỷ suất nén phân tử cellullose dồn nén gần hơn, nhiệt độ dễ dàng truyền vào tâm phôi gỗ tác động lignin, nhóm OH phân tích Đồng thời, với tỷ suất nén lớn tương ứng áp lực nén lớn có tác dụng trì trạng thái nén ép Các trình tái định hướng liên kết phức tạp ổn định áp lực nén cao chống lại đàn hồi vật liệu gỗ Sau đó, phôi gỗ nén (vẫn kẹp chặt khuôn ép) đưa vào lò sấy nhiệt độ ổn định T = 60oC thời gian 20 phút 70 Như vậy, không nhiều khoảng trống (độ rỗng giảm), kích thước vi mao quản giảm, tính chất hút nước gỗ giảm Đồng thời, với trạng thái liên kết mới, mixencellulose hút ẩm nhiều; việc hút, thoát ẩm sản sinh lực co, dãn đủ lớn để đẩy lớp gỗ gần bề mặt, theo không tạo khoảng cách mixencellulose đủ lớn… Cơ chế hoá dẻo vật liệu gỗ hoá chất amoniac (dung dịch NH4OH) giải thích nội dung kết hợp với mục 2.2 (Chương Cơ sở lý thuyết) Dưới nội dung phân tích kỹ chế đó: Đầu kỷ 20, Nishikawa Ono nghiên cứu cấu trúc cellululose tia X, đến năm 1937 giới khoa học thừa nhận mô hình sơ đồ mạng tinh thể cellululose Mayer Misch [12, tr.73] Theo lý thuyết này, nguyên tử nằm gần hai đoạn mạch mặt phẳng có khoảng cách 0,25 nm, theo xuất liên kết hydro tạo thành từ nhóm hydroxyl OH Cũng mặt phẳng đó, khoảng cách gần hai nguyên tử hai đoạn mạch 0.31 nm Nhiều học giả [12, tr.75-77] khẳng định, cellulose tự nhiên liên kết hydro lớp khác nhau, chúng tồn lực Vandecvan (ở khoảng cách 0.31 nm), sở để tồn mạng tinh thể Nghĩa là, cellulose tự nhiên, tồn hai hình thái cấu trúc: mạng tinh thể mạng lớp Vì vậy, tác nhân gây trương xâm nhập vào vùng kết tinh, cellulose bị trương, số vùng, trạng thái tinh thể cũ bị biến đổi, hình thành trạng thái tinh thể mới, thông số trạng thái tuỳ thuộc đặc tính chất gây trương Amoniac chất có độ phân cực lớn, với mô men lưỡng cực  = 490,1032 C.m (mục 2.1.1.3), lực điện tử lớn (368,72 kJ), xâm nhập vào vùng kết tinh chúng tác động gây trương mạnh mẽ cellulose Điều phù hợp với nhận định: trương tinh thể xảy chất gây trương có lực mạnh tương tác phân tử cellulose [12, tr.86]; gỗ ngâm chất lỏng khác nhau, chất có mô men lưỡng cực cao độ trương gỗ cao, gỗ hoá dẻo mức độ cao [14, tr.42-43] 71 2) Ảnh hưởng thông số nghiên cứu tính chất học Qua phần nhận xét cho thấy, độ bền uốn tĩnh giới hạn bền nén dọc thớ gỗ Bồ đề biến tính đồng biến với tỷ suất nén, nồng độ thời gian ngâm Trong phần này, giải thích ảnh hưởng nồng độ thời gian ngâm mức độ hoá dẻo gỗ Bồ đề, với tiền đề, mức độ hoá dẻo ảnh hưởng đến trình nén ép trình tái định hướng liên kết phức tạp nêu Mức độ ảnh hưởng khác tỷ suất nén tính chất học phân tích sau  Theo cách tiếp cận này, phân tích định tính theo hai hướng sau: - Việc thay đổi nồng độ dung dịch ảnh hưởng lượng hoá chất amoniac (định tính) thấm sâu vào vật liệu gỗ; lượng hoá chất amoniac ảnh hưởng đến mức độ hoá dẻo - Ảnh hưởng thời gian ngâm đến khả thấm hoá chất amoniac vào vật liệu gỗ trình hoá dẻo Qua kết nghiên cứu (độ bền uốn tĩnh tiếp tuyến) cho thấy, mức độ ảnh hưởng nồng độ tiêu chất lượng thấp nhiều so với ảnh hưởng thời gian ngâm tỷ suất nén Như trình bày mục 2.3 (Chương Cơ sở lý thuyết), ngâm gỗ có độ ẩm W = 80-90% dung dịch amoniac, động lực dẫn hoá chất amoniac vào gỗ diễn theo nguyên lý khuyếch tán Động lực trình khuyếch tán hiệu số nồng độ làm việc nồng độ cân Tại thời điểm bắt đầu ngâm, nồng độ dung dịch amoniac lớn nồng độ dung dịch amoniac gỗ (bằng không) Theo định luật Fick [15], vận tốc khuyếch tán tỷ lệ với gradien nồng độ, nghĩa khoảng thời gian định, mẫu gỗ ngâm dung dịch amoniac có nồng độ cao lượng hoá chất amoniac khuyếch tán vào gỗ nhiều Xét khoảng thời gian định hệ khuyếch tán chưa cân nồng độ, dừng việc ngâm mẫu gỗ ngâm với nồng độ cao có 72 lượng amoniac khuyếch tán vào nhiều Và nếu, khoảng thời gian chưa đủ để amoniac thấm sâu vào tâm gỗ chưa đủ để hoá dẻo gỗ mức tối đa mẫu gỗ hoá dẻo mức độ cao Bởi vì, với lượng hoá chất amoniac nhiều hơn, tổng lượng sinh mô men lưỡng cực tác động lên cầu OH lớn hơn, mức độ gây trương/mềm hoá gỗ cao Nhưng tượng xảy vùng vật chất gỗ mà khoảng thời gian đó, amoniac kịp thấm vào Tuy nhiên, quy luật trình khuyếch tán hệ khuyếch tán hướng tới trạng thái cân nồng độ Đến khoảng thời gian ngâm định, nồng độ dung dịch amoniac cân với nồng độ amoniac gỗ gradien nồng độ không Như vậy, so sánh hệ khuyếch tán (các cấp nồng độ khác nhau), sau vận tốc khuyếch tán gần đến thời điểm (tuỳ thuộc mức độ chênh lệch cấp nồng độ, tính chất thấu nước/dẫn nước gỗ, hoá trị hoá chất ngâm…) vận tốc không Tóm lại, khoảng thời gian đầu có khác lượng amoniac thấm vào gỗ Nhiều thí nghiệm cho thấy, thay đổi nồng độ dung dịch không làm thay đổi đáng kể lượng hoá chất thấm vào gỗ kéo dài thời gian ngâm [6, tr.114-115] Khi nghiên cứu tương quan khả thấm thuốc nồng độ dung dịch ngâm nhiều loài gỗ nhiều loại thuốc bảo quản lâm sản, Nguyễn Xuân Khu cộng [6], [7] nhận định: Khi tạo biến động lượng thấm dung dịch, mà tạo khác biệt lượng thuốc bột, cấp nồng độ không cần thiết phải có phương trình tương quan hệ số phương trình thể riêng cho cấp nồng độ ấy, mà để diễn đạt mối tương quan lượng dung dịch thuốc với thời gian cần thiết để dung dịch thấm vào gỗ cho tất nồng độ, cần dùng phương trình tương quan đủ, hệ số hợp lý phương trình, cho giá trị Y phương trình (lượng dung dịch) gần trị số bình quân giá trị Y cấp nồng độ… 73 Cũng theo cách đánh giá nhận định trên, lượng hoá chất amoniac thấm vào gỗ chưa phản ánh đầy đủ mức độ hoá dẻo gỗ với cấp nồng độ khác nhau, để đạt lượng hoá chất amoniac định cần khoảng thời gian khác Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, chưa thể xác định được, cấp thời gian hệ khuyếch tán đạt trạng thái cân nồng độ; cấp thời gian gỗ hoá dẻo với mức độ cao Tuy nhiên, khẳng định với cấp nồng độ khoảng thời gian ngâm đề tài này, hệ khuyếch tán cân nồng độ thí nghiệm [6], [7] thực điều kiện tương tự Trong trình thí nghiệm, ngâm gỗ Bồ đề dung dịch amoniac theo ma trận quy hoạch thực nghiệm, thùng ngâm (được đạy kín) có dung tích nhau, mẫu gỗ tích Vì vậy, nồng độ (tương ứng lượng hóa chất amoniac thấm vào gỗ) thùng ngâm trạng thái cân không chênh lệch nhiều cấp nồng độ cách 2% Như vậy, thời gian ngâm (cũng bao hàm nồng độ) thông số đại diện ảnh hưởng đến mức độ hóa dẻo gỗ Bản chất việc hóa dẻo amoniac phản ứng amoniac cầu OH Khi phân tử amoniac khuyếch tán vào vật liệu gỗ tiến gần cầu (- OH) xảy phản ứng toan kiềm xắp xếp lại kết cấu đại phân tử cellulose với hiệu ứng gây trương Riêng phản ứng cần khoảng thời gian định đủ để gỗ hoá dẻo tái xắp xếp cellulose Nhưng để gỗ hoá dẻo vùng sâu tâm gỗ, cần khoảng thời gian định đủ để amoniac khuyếch tán vào, dựa vào độ sâu thấm thuốc bảo quản để đánh giá Việc ngâm gỗ Bồ đề dung dịch amoniac tiến hành điều kiện áp suất bình thường, độ ẩm gỗ W = 80-90%, qua việc phân tích kết nghiên cứu cho thấy, xu hướng tăng giảm tiêu chất lượng gỗ Bồ đề biến tính phụ thuộc thời gian ngâm gỗ Vì đánh giá, gỗ Bồ đề hóa dẻo với mức độ cao kéo dài thời gian ngâm, điều gián tiếp phản ánh khả khuyếch tán amoniac tỷ lệ thuận với thời gian ngâm Kết phù hợp 74 với kết luận Nguyễn Vũ Lâm 8 Lê Duy Phương 10 loại gỗ khác  Ảnh hưởng tỷ suất nén Qua kết nghiên cho thấy, khối lượng thể tích gỗ Bồ đề nâng lên thấp 0.74 g/cm3, tương ứng tỷ suất nén 30% cao 0.90 g/cm3, tương ứng tỷ suất nén 55% Theo đó, độ bền uốn tĩnh giới hạn bền nén dọc thớ tăng Kết phù hợp với kết luận Vũ Huy Đại [5] nghiên cứu gỗ Keo tai tượng (Acacia Magium Willd) Như ta biết, tính chất học gỗ phụ thuộc khối lượng thể tích theo công thức σ = aγ + b, không so sánh tính chất học giá trị khối lượng thể tích khó phân tích mức độ ảnh hưởng tỷ suất nén Tuy nhiên, khối lượng thể tích đạt tương ứng cấp tỷ suất nén thể giá trị trung bình mẫu gỗ nén Như phân tích mục 4.5, với tỷ suất nén cao khối lượng thể tích cục vùng bề mặt gỗ có giá trị cao Theo lý thuyết sức bền vật liệu, tiết diện (ta xét tiết diện hình chữ nhật) nội lực lớn phát sinh bề mặt tiết diện nguy hiểm Vì vậy, mẫu gỗ nén có khối lượng thể tích trung bình mẫu có khối lượng thể tích cục vùng gần bề mặt cao có độ bền uốn tĩnh cao Mặt khác, Bồ đề loại gỗ rộng, có nhiều lỗ mạch mà thành phần làm giảm tính chất học gỗ rộng [11, tr.31] Qua kết giải phẫu gỗ cho thấy, vùng gần bề mặt không lỗ mạch Kết chứng minh nhận định 3) Đánh giá kết giải phẫu gỗ Bồ đề biến tính Nhìn hình ảnh giải phẫu cho thấy, sau hoá dẻo dung dịch amoniac, gỗ Bồ đề không bị phá huỷ vách tế bào, có nghĩa hoá chất amoniac có tác dụng gây trương (hiện tượng vật lý) có vai trò chất xúc tác trình quay cực, tái định hướng cầu hydro 75 Hiện nay, giới khoa học chưa có cách lý giải thuyết phục chế tác dụng amoniac với vật liệu gỗ Đối với amoniac lỏng nước, trình hoá dẻo hoàn toàn có tính vật lý, phân tử amoniac khuyếch tán vào vùng không gian phân tử vách tế bào vùng kết tinh cellulose để phá huỷ liên kết hydro, amoniac làm thoát, cầu hydro tạo liên kết Đối với dung dịch amoniac có mặt nước có thay đổi cấu trúc mạng tinh thể mạng lớp vách tế bào với mức độ cắt đứt liên kết Vandecvan Mặt khác, có mặt amoniac có vai trò chất tẩy rửa môi trường kiềm hoà tan phần lignin, trình có vai trò đáng kể việc hoá dẻo gỗ liên kết lignin cellulose yếu tố định tính chất học gỗ Trong trình ngâm gỗ Bồ đề dung dịch amoniac, quan sát thấy có dịch đen tiết từ gỗ 76 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua phần nhận xét, giải toán tối ưu đánh kết nghiên cứu gỗ Bồ đề biến tính theo phương pháp hoá dẻo dung dịch amoniac nén ép điều kiện nhiệt độ T = 150oC, kết luận sau: - Khối lượng thể tích gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis Pierre) nâng cao từ 0,41 g/cm3 lên 0.90 g/cm3, tăng 120% (tại độ ẩm W = 12%) nâng cao - Độ bền uốn tĩnh giới hạn bền nén dọc tỷ lệ thuận với thời gian ngâm (bao gồm nồng độ dung dịch amoniac) tỷ suất nén Trong đó, tỷ suất nén thông số ảnh hưởng lớn đến độ bền uốn tĩnh Ở cấp nồng độ N = 15%, thời gian ngâm τ = ngày, độ bền uốn tĩnh tiếp tuyến tăng nhanh từ 82,7 MPa lên 125,1 MPa (tăng 51%); độ bền uốn tĩnh xuyên tâm tăng từ 105,1 MPa lên 136,3 MPa (tăng 30%); giới hạn bền nén dọc tăng từ 44,7 MPa lên 68,5 MPa (tăng 53%) tăng tỷ suất nén từ 35% lên 55% - Đặc tính bề mặt nhẵn, mịn hoàn toàn đáp ứng khả gia công, trang sức bề mặt - Khi trang sức sơn P-U, khả bám dính màng P-U hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn ГOCT 15140-78 Lượng hoá chất amoniac tồn dư bề mặt không ảnh hưởng đến khả dán dính màng P-U - Tỷ lệ co rút, dãn nở, trương dãn cao so với mẫu đối chứng (xem phụ biểu) - Tính chất học gỗ tăng lên nhiều tương đương tính chất học số loại gỗ từ nhóm V đến nhóm II Khi nén ép với tỷ suất nén ε = 55%, độ bền uốn tĩnh tiếp tuyến tăng 123%, độ bền uốn tĩnh xuyên tâm tăng 89%, giới hạn bền nén dọc tăng 162% so với tiêu tương ứng gỗ Bồ đề nguyên Vì vậy, gỗ Bồ đề biến tính đáp ứng yêu cầu nguyên liệu sản xuất đồ mộc truyền thống, đồ mộc mỹ nghệ, trang trí nội thất đồ gỗ xây dựng khung cửa, cánh cửa… 77 Để đạt tiêu chất lượng độ bền uốn tĩnh xuyên tâm ≥ 100 MPa, giới hạn bền nén dọc thớ ≥ 60 MPa, tỷ lệ trương dãn xuyên tâm Y3 ≤ 5%, giá trị tối ưu thông số nghiên cứu là: tỷ suất nén, ε = 47,32%; thời gian ngâm; τ = 5,85 ngày nồng độ dung dịch amoniac N = 18,34% - Quy trình công nghệ biến tính nêu Chương hoàn toàn phù hợp với điều kiện kỹ thuật, thiết bị có Việt Nam KHUYẾN NGHỊ - Để đánh giá khả tăng khối lượng thể tích gỗ Bồ đề, cần nghiên cứu cấp tỷ suất nén cao - Nghiên cứu công nghệ biến tính theo phương pháp hoá dẻo loại hoá chất khác, theo phương pháp hoá dẻo khác có hiệu giá thành đáp ứng yêu cầu sản xuất đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường - Đối với loại gỗ, cấp kích thước định, cần nghiên cứu cấp thời gian mà hệ khuyếch tán đạt trạng thái cân nồng độ; cấp thời gian đủ để gỗ hoá dẻo với mức độ cao Vấn đề có ý nghĩa thực tế sản xuất cho phép đạt mục đích sản xuất với thông số tối ưu nhất, đảm bảo tiêu kỹ thuật với giá thành thấp - Đối với gỗ Bồ đề loại gỗ rộng khác, cần nghiên cứu với nội dung tương tự nội dung nghiên cứu đề tài nén ép gỗ theo hướng tiếp tuyến Với hướng nén ép xuyên tâm, tia gỗ bị nén chùn lại theo chiều cao tia mà nén ép dẹt tia gỗ theo chiều rộng Đối với gỗ rộng nói chung, tia gỗ hình thành từ nhiều tế bào mô mềm có tỷ lệ lớn, từ 10-15%, có loại chiếm tỷ lệ 20-30% thể tích thân [11, tr.36-37] Tia gỗ nguyên nhân gây nên chênh lệch tỷ lệ co giãn, hút nước…[11, tr.23] Tia gỗ rộng có kích thước lớn tia gỗ kim (cả theo chiều rộng), nén ép tia gỗ (các tế bào mô mềm) theo hướng tiếp tuyến tính chất học vật lý cải thiện đáng kể Đây chủ đề thú vị cần nghiên cứu đầy đủ mặt lý thuyết ứng dụng ... THÀNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ, THỜI GIAN XỬ LÝ BẰNG DUNG DỊCH AMONIAC, TỶ SUẤT NÉN ĐẾN CHẤT LƯỢNG GỖ BỒ ĐỀ (Styrax tonkinensis Pierre) BIẾN TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP HOÁ DẺO – NÉN ÉP Chuyên... học, thực đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ, thời gian xử lý dung dịch amoniac, tỷ suất nén đến chất lượng gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis Pierre) biến tính theo phương pháp hoá dẻo – nén ép Chương... hợp lý biến tính gỗ 1.3.2 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số nồng độ, thời gian xử lý dung dịch amoniac tỷ suất nén đến chất lượng gỗ Bồ đề biến tính - Nghiên cứu ảnh hưởng amoniac