NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH GỖ KEO LAI BẰNG LÒ VI SÓNG

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: 1.3.1 Phạm vi nghiên cứu: Có nhiều phương pháp biến tính gỗ nhưng để phù hợp với công nghệ và thiết bị của phòng thí nghiệm trong phạm vi của đề tài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn: TS HOÀNG THỊ THANH HƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh

Tháng 07 năm 2011

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến:

Ba và mẹ, người đã sinh ra tôi, nuôi dưỡng và dạy bảo tôi nên người Tất cả quý thầy cô Trường Đại học Nông Lâm, thầy, cô khoa Lâm Nghiệp

và thầy cô bộ môn Chế Biến Lâm Sản đã giảng dạy tôi trong suốt quá trình học tập ở trường

Tiến sĩ Hoàng Thị Thanh Hương, giảng viên bộ môn Chế Biến Lâm Sản đã hướng dẫn tôi hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp

Viện công nghệ sinh học và môi trường- Trường Đại học Nông Lâm đã cung cấp thiết bị lò vi song giúp tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Ban giám đốc cùng toàn thể cán bộ nhân viên và anh chị em công nhân xưởng Trường Tiền đã tạo điều kiện và giúp tôi gia công mẫu trong quá trình thực hiện đề tài

Các bạn trong lớp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện

đề tài

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Bích Huyền

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ biến tính gỗ keo lai bằng lò vi sóng ” được tiến hành tại Viện công nghệ sinh học và bảo vệ môi trường, Trường Đại học Nông Lâm, TP Hồ Chí Minh Thời gian từ từ 22-2 đến 22-6 năm 2011 Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

 Thời gian ổn định mẫu: 30 phút

Gỗ keo lai sau khi biến tính đạt các chỉ tiêu tính chất cơ lý như sau:

 Khối lượng thể tích: 0,615 g/cm3

 Độ cứng mặt tiếp tuyến: 428 kG/cm2

 Lực tách theo chiều tiếp tuyến: 62,17 kG/cm

 Ứng suất nén theo chiều dọc thớ: 621 kG/cm2

 Độ ổn định kích thước được cải thiện

MỤC LỤC

Trang

Trang tưa i

Lời cám ơn ii 

Tóm tắt iii 

Mục lục iv 

Danh sách các chữ viết tắt và ký hiệu vii 

Danh sách các bảng ix 

Danh sách các hình x 

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1 

1.1  Tính cấp thiết của đề tài: 1 

1.2  Ý nghĩa khoa học thực tiễn 16 

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: 3 

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu: 3 

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu: 3 

Chương 2 TỔNG QUAN 4 

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu biến tính gỗ: 4 

2.1.1 Tình hình nghiên cứu về gỗ biến tính trên thế giới: 4 

2.1.2 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ tại Việt Nam: 6 

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình biến tính: 9 

2.2.1 Một số phương pháp biến tính gỗ 9 

2.2.1.1Biến tính hóa cơ 9 

2.2.1.2 Biến tính nhiệt hóa học 9 

2.2.1.3 Biến tính phóng xạ hoá học 9 

2.2.1.4 Biến tính cơ nhiệt 10 

2.2.2 Cơ sở lý thuyết về công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt 10 

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ biến tính bằng phương pháp nhiệt 13 

2.3.1 Ảnh hưởng của nguyên liệu gỗ 13 

2.3.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý 14

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 

3.1 Mục tiêu – Mục đích nghiên cứu: 16 

3.1.1 Mục tiêu : 16

3.1.2 Mục đích : 16

3.2 Nội dung nghiên cứu: 17 

3.3 Phương pháp nghiên cứu: 22 

3.3.1 Phương pháp biến tính gỗ: 23  

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu thăm dò: 23  

3.3.3 Giới hạn các yếu tố nghiên cứu: 25  

3.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: 25  

3.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm: 25

3.5 Vật liệu nghiên cứu: 22 

3.5.1 Mô tả cây 23  

3.5.2 Phân bố và sinh thái: 17  

3.5.3 Tính chất vật lý và cơ học 17  

3.5.4 Giá trị sử dụng: 18  

3.6 Biến tính Microwave trên gỗ keo lai 21 

3.7 Đánh giá gỗ Keo lai sau khi biến tính: 27 

3.7.1 Phương pháp xác định tính chất cơ lý của gỗ 27 

3.7.2 Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của gỗ 27 

3.7.3 Thí nghiệm xác định ứng suất tách 28 

3.7.4 Thí nghiệm xác định độ cứng tĩnh 30 

3.7.5 Thí nghiệm xác định ứng suất nén dọc: 31

3.7.6 Thí nghiệm xác định độ ổn định kích thước theo chiều tiếp tuyến với RH= 35% và RH = 60%: 31

3.7.7 Khảo sát cấu tạo hiển vi: 31 

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - THẢO LUẬN 35 

4.1 Kết quả nghiên cứu 35 

4.1.1 Khối lượng thể tích của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 35 

4.1.2 Độ cứng của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 36 

4.1.3 Ứng suất tách của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 37 

4.1.4 Ứng suất nén dọc của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 38

4.1.5 Độ ổn định kích thước theo chiều tiếp tuyến với RH = 30% và RH = 60% của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 38

4.1.6 Cấu tạo hiển vi của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 40 

4.2 Xây dựng phương trình tương quan 41 

4.2.1 Xử lý số liệu và xác định phương trình tương quan 41 

4.2.2 Kiểm tra các hệ số hồi quy và tính tương thích của phương trình 41 

4.2.3 Chuyển phương trình tương quan dạng mã hoá về dạng thực 42 

4.3 Xác định các thông số công nghệ tối ưu 43 

4.3.1 Bài toán tối ưu hoá một mục tiêu : 43 

4.3.2 Bài toán tối ưu hoá hai mục tiêu 43 

4.4 Đề xuất công nghệ biến tính gỗ keo lai 44 

4.4.1Sơ đồ công nghệ biến tính gỗ keo lai 44

4.4.2Thuyết minh sơ đồ 45

4.4.2.1Chuẩn bị nguyên liệu 45

4.4.2.2Thực hiện biến tính 45

4.4.2.3Ổn định mẫu 45

4.5Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật biến tính và các chỉ tiêu cơ lý của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 45

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 

5.1 Kết luận: 47 

5.2 Kiến Nghị 47 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 

PHỤ LỤC 51 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Chữ viết tắt và ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên

phương trình hồi quy

của thí nghiệm thứ i

∧

i

0

u

thí nghiệm tại tâm thứ u

0

tại tâm

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Phân loại biến tính theo các đặc điểm cơ bản trong quá trình xử lý nhiệt 12 

Bảng 3.1: Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào 20 

Bảng 3.2: Ma trận thí nghiệm dạng mã hóa 20 

Bảng 4.1: Khối lượng thể tích của gỗ keo lai biến tính và không biến tính 36  

Bảng 4.2: Độ cứng của gỗ keo lai biến tính và không biến tính 36 

Bảng 4.3: Ứng suất tách của gỗ keo lai biến tính và không biến tính 37 

Bảng 4.4: Ứng suất nén dọc của gỗ keo lai biến tính và không biến tính 38

Bảng 4.5: Độ giãn nở theo chiều tiếp tuyến của gỗ Keo lai không biến tính và biến tính 39

Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm gỗ keo lai biến tính 41 

Bảng 4.7: Kết quả tính toán tối ưu hàm một mục tiêu của gỗ keo lai biến tính 43 

Bảng 4.8: Các thông số kỹ thuật biến tính gỗ keo lai bằng phương pháp nhiệt 45 

Bảng 4.9: Các chỉ tiêu cơ lý của gỗ keo lai không biến tính và biến tính 46 

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 3.1: Mô hình nghiên cứu công nghệ tạo gỗ biến tính 19 

Hình 3.2: Cây gỗ Keo lai 23

Hình 3.3: Cấu tạo thô đại gỗ Keo lai 24 

Hình 3.4: Lò ví sóng 26 

Hình 3.5: Gỗ keo lai được gia công ở xưởng Trường Tiền 27 

Hình 3.6: Mẫu thử khối lượng thể tích 28 

Hình 3.7: Mẫu thử lực tách 29 

Hình 3.8: Máy thử lực tách 29 

Hình 3.9: Mẫu thử độ cứng 30 

Hình 3.10: Máy thử độ cứng 30

Hình 3.11: Mẫu thử ứng suất nén dọc thớ 31

Hình 3.12: Mẫu đo độ giãn nở 31

Hình 4.1: Gỗ keo lai không biến tính và biến tính …35 

Hình 4.2: Biểu đồ khối lượng thể tích 36 

Hình 4.3: Biểu đồ độ cứng 37 

Hình 4.4: Biểu đồ ứng suất tách 38 

Hình 4.5: Biểu đồ ứng suất nén dọc 39 

Hình 4.6: Biểu đồ giãn nở theo chiều tiếp tuyến 40

Hình 4.7: Sơ đồ công nghệ biến tính gỗ keo lai 44

Hình 4.8: Biểu đồ biến tính gỗ Keo lai bằng lò vi sóng 44

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài:

Từ rất lâu con người đã sử dụng những sản phẩm gỗ Ngày nay, với sự phát triển của nền kinh tế, xã hội nhu cầu của con người về sản phẩm gỗ ngày càng cao, đòi hỏi các sản phẩm gỗ ngày càng đa dạng và phong phú Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp chế biến gỗ ở các nước trên thế giới có xu hướng không ngừng gia tăng, do nhu cầu sử dụng gỗ và sản phẩm từ gỗ ngày càng tăng lên cả về chất lượng và số lượng

Ở nước ta, kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ liên tục tăng: Năm 2001 là 334 triệu USD, năm 2003 trên 560 triệu USD, năm 2004 tăng lên 1.122 tỷ USD và đến cuối tháng 11 năm 2010 là 3.43 tỷ USD Kim ngạch xuất khẩu sản phẩm đồ gỗ của Việt Nam đạt 3.037 tỷ USD Theo hiệp hội gỗ và lâm sản Việt Nam, năm 2011 nhu cầu của thị trường đối với sản phẩm gỗ của Việt Nam là rất lớn, kim ngạch xuất khẩu của mặt hàng này có thể đạt tới 4.1 – 4.2 tỷ USD Với kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ trong những năm qua Việt Nam đang khẳng định vị trí số 1 ở khu vực Đông Nam Á

về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ trên thế giới Với tốc độ phát triển như vậy, Việt Nam đang trở thành một trong mười nước hàng đầu về sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ lớn trên thế giới

Tuy nhiên, đứng trước thực trạng gỗ rừng tự nhiên ngày càng khan hiếm, thay thế vào đó là gỗ mọc nhanh rừng trồng Trong khi đó, gỗ mọc nhanh rừng trồng lại không đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của con người do đặc tính của

gỗ rừng trồng kém hơn rất nhiều so với gỗ rừng tự nhiên

Gỗ rừng trồng thường có tính chất cơ lý thấp, tỷ lệ biến dạng cao, độ ổn định kích thước thấp Chính vì những tính chất trên của gỗ rừng trồng mà ta thấy được

những mặt hạn chế của gỗ rừng trồng khi dùng làm nguyên liệu cho ngành chế biến lâm sản Do đó cần phải biến tính nó

Vấn đề sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu được xem là một trong những giải pháp hữu hiệu trong các chiến lược cắt giảm chi phí sản xuất Đồng thời, sản phẩm

được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên, theo phương pháp thân thiện, ít tác động tiêu cực đến môi trường đang là xu hướng mà hầu hết mọi người trên thế giới đang đặc biệt ưa chuộng

Gỗ Keo lai là một loài cây rừng trồng, với đặc điểm dễ trồng, mọc nhanh, chu kỳ khai thác ngắn, trữ lượng gỗ lớn, cây gỗ có thân tương đối thẳng Sản phẩm mộc được chế biến từ gỗ Keo lai – một trong những sản phẩm từ rừng trồng công nghiệp đã được sử dụng nhiều tại các doanh nghiệp chế biến gỗ trong nước để xuất khẩu đã mang lại hiệu quả kinh tế cao

Mặt khác, hiện tại nguồn nguyên liệu đầu vào từ gỗ Keo lai phải qua giai đoạn xử lý thuốc bảo quản, sau đó sấy khô để chống côn trùng, nấm mốc và thỏa mãn yêu cầu nguyên liệu chế biến Điều này thật sự là một rào cản đối với sản phẩm khi phải thâm nhập vào các thị trường nước ngoài, nơi đòi hỏi nghiêm ngặt về nồng

độ hóa chất, tính độc hại cho người sử dụng và môi trường Do đó, biến tính microwave gỗ Keo lai, không sử dụng hóa chất, với mục tiêu cải thiện tính chất cơ

lý, đồng thời tăng khả năng kháng côn trùng, nấm mốc cho nguyên liệu, sẽ có nhiều khả năng mở ra hướng sử dụng nguyên liệu gỗ Keo lai một cách thông minh, kinh

tế, tiết kiệm và thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng chung của cộng đồng xã hội hiện nay

1.2 Ý nghĩa khoa học- thực tiễn:

Gỗ keo lai sau khi biến tính có thể đáp ứng các yêu cầu trong sản xuất hàng mộc góp phần giải quyết vấn đề nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ Việt Nam

Đề tài thực hiện thành công góp phần làm phong phú thêm công nghệ biến tính gỗ, có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào trong sản xuất thực tế góp phần giải

1.3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu:

Có nhiều phương pháp biến tính gỗ nhưng để phù hợp với công nghệ và thiết

bị của phòng thí nghiệm trong phạm vi của đề tài chọn phương pháp xử lý nhiệt đối với gỗ rừng trồng là gỗ keo lai Trong phạm vi của đề tài chủ yếu xác định các thông số công nghệ cụ thể như công suất và thời gian, còn các thông số khác xem như không thay đổi Và sản phẩm gỗ sau khi biến tính sẽ hướng tới sử dụng trong sản xuất đồ mộc

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu:

Gỗ Keo lai được lấy từ lâm trường Tánh Linh, xã Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận sau đó được đem về công ty Xuất nhập khẩu Cao su Đông Hòa ( Dĩ an Bình Dương) để cưa xẻ Gỗ tươi sau khi cưa xẻ được đem đi gia công tại công ty Trường Tiền theo đúng tiêu chuẩn và được tiến hành xử lý biến tính

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu biến tính gỗ:

2.1.1 Tình hình nghiên cứu về gỗ biến tính trên thế giới:

Biến tính nhiệt trên gỗ là một trong những phương pháp được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm Nghiên cứu về xử lý nhiệt lần đầu được thực hiện vào những năm đầu của thế kỷ 20 Công trình xử lý nhiệt trên gỗ sớm nhất là vào những năm

1920

Năm 1937, Stamm và Hansen đã nghiên cứu về độ co rút và giãn nở trên gỗ

đã qua xử lý nhiệt Các dữ liệu cho thấy tính thấm hút ẩm của gỗ khô giảm một cách đáng kể Đối với gỗ được xử lý nhiệt trong môi trường không khí thì độ cứng mất đi nhiều hơn khi được xử lý trong môi trường chất khí Đến năm 1946, Stamm

et al lần đầu tiên có báo cáo thử nghiệm một cách hệ thống về khả năng làm tăng

tính kháng nấm mốc cho gỗ khi xử lý trong bồn kim loại nóng Báo cáo cũng xác định về khả năng cải thiện được độ bền và độ ổn định kích thước Hệ số co rút và giãn nở (ASE) tăng lên 40%, còn độ uốn tĩnh giảm 20%

Năm 1972, Burmester đã chứng minh về khả năng cải thiện các tính chất của

gỗ nếu xử lý nhiệt trong điều kiện có áp suất Quá trình này sau đó được Giebeler phát triển vào năm 1983 Ông đã nghiên cứu về độ ổn định kích thước khi xử lý nhiệt gỗ tươi trên các chủng loại gỗ khác nhau trong điều kiện có áp suất Kết quả cho thấy rằng tỷ lệ giãn nở giảm 50% - 80% trên các loại gỗ như Dẻ, cây Bu-lô, Thông, Bạch dương và cây Vân sam, nhiệt độ xử lý từ 180-2000C

Năm 1984, Hillis phát hiện rằng các ảnh hưởng mạnh xảy ra trên hemicellulose và lignin khi gỗ được xử lý ở nhiệt độ 1000C trong 2 tiếng đồng hồ

Những năm sau này, các nhà khoa học ở nhiều quốc gia khác nhau vẫn tiếp tục nghiên cứu về gỗ xử lý nhiệt, các đặc điểm thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học chính là: đặc tính khô, sự thay đổi thành phần hóa học của gỗ (Troya at al

1994; Tjeerdsama et al 1998); tăng độ ổn định kích thước (Stamm et al 1946; Seborg et al 1953); cải thiện độ bền (Dirol et al 1993; Jamsa et al 1998; Kamdem

et al 1999); các tính chất cơ-lý (Viitaniemi et al 1994; Byeon HeeSeop et al

1996)

Năm 1993, Dirol và Guyonnet đã xử lý gỗ bằng phương pháp Retification để cải thiện độ bền, gỗ được xử lý ở nhiệt độ 2000C-2600C trong khoảng thời gian ngắn, không có không khí Gỗ Retified được định nghĩa là gỗ tự nhiên được xử lý

bằng phương pháp Retiffication, i.e chứa các liên kết hóa học ở mức phân tử đã bị

biến đổi Gỗ được xử lý bằng phương pháp Retification có thể có độ bền cao

Năm 1995, Viitaniemi và Jamsa đã tiến hành nghiên cứu về gỗ xử lý nhiệt Viitaniemi đã công bố các bài viết thảo luận xung quanh vấn đề cải thiện độ bền và các tính chất khác của gỗ đã qua xử lý nhiệt vào năm 1997, 1998

Gần đây, có Luận văn tiến sĩ nghiên cứu về “Sự thay đổi màu sắc và cấu trúc acid trong suốt quá trình xử lý nhiệt” (từ năm 1997 đến năm 2004) của Bror Sundqvist, thuộc Ngành Khoa học vật liệu gỗ, Skelleftea, Đại học kỹ thuật Lulea, Thụy Điển, đã tiến hành trên một số loại gỗ Bu – lô, Vân sam Nauy và Thông Scots, đánh giá sự thay đổi màu sắc ở các mức độ khác nhau liên quan đến thay đổi nhiệt độ xử lý đồng thời xác định hàm lượng các acid trong gỗ sau khi đã xử lý

“Biến tính gỗ Thông bằng xử lý nhiệt trong môi trường không khí” được thực hiện bởi Bruno M Esteves và các cộng sự (Idalina J Domingos, Helena M Pereira), đã xử lý nhiệt gỗ Thông, một trong những loại gỗ có độ bền và độ ổn định kích thước thấp Quá trình xử lý nhiệt được thực hiện trong lò oven từ 2 đến 24 tiếng đồng hồ ở nhiệt độ 170 – 2000C, sau đó so sánh với quá trình xử lý nhiệt bằng hơi Độ ẩm thăng bằng (EMC) và độ ổn định kích thước (ASE) theo các chiều xuyên tâm và tiếp tuyến được đánh giá ở các mức ẩm của môi trường (RH) là 35%, 65% và 85% Ngoài ra còn xác định ứng suất tĩnh (MOE), lực uốn cong và khả

năng hút ẩm Kết quả thu được với cùng mức giảm khối lượng, độ ẩm thăng bằng,

độ ổn định kích thước được cải thiện nhiều hơn khi áp dụng phương pháp xử lý nhiệt bằng lò oven, nhưng giảm lực cơ học thì giống nhau Hàm lượng hemicellulose giảm 50% dẫn đến giảm lực uốn cong ở mức tương tự

Đặc biệt là công trình nghiên cứu về biến tính microwave lần đầu được đăng

ký phát minh công nghệ của Giáo sư Grigory Torgovnikov và Peter Vinden thuộc trường Đại học Melbourne, Úc Công trình nghiên cứu được tiến hành trên một số loại gỗ như Douglas Fir, Radiata Pine, Messmate và Yellow Stringybark, vừa kết hợp biến tính microwave vừa xử lý tẩm thuốc bảo quản và nhựa Từ các nghiên cứu trên, công trình còn tạo ra một loại vật liệu mới có tên “Vintorg” nhờ kỹ thuật biến tính microwave “Torgvin” Bên cạnh đó, còn áp dụng microwave trên gỗ tròn và tạo dăm gỗ cho sản xuất bột giấy

2.1.2 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ tại Việt Nam:

Vào cuối những năm 1969, bộ môn gỗ - ván nhân tạo thuộc Viện Nghiên cứu Lâm nghiệp và sau đó, Viện Công nghiệp rừng đã tiến hành thí nghiệm biến tính

các loại gỗ Vạng trứng (Endoepermum sinensis Benth), gỗ Mỡ (Manglietica album

Raeush), gỗ Trám trắng (Canarium album Raeush) bằng phương pháp nhiệt - cơ và

hóa - cơ kết hợp Kết quả cho thấy khối lượng thể tích tăng lên khoảng 1,2 lần và cường độ uốn tĩnh tăng lên khoảng 1,3 lần so với gỗ trước lúc chưa biến tính

Năm 2001 nhóm tác giả Trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu Công nghệ biến tính gỗ với công suất 500-1000m3/năm và đã xây dựng được quy trình công nghệ như sau:

Nguyên liệu (gỗ tròn) → Tạo phôi → Xẻ phá (cưa vòng 1) → Xẻ lại (cưa đĩa 2) Cắt ngắn (cưa đĩa 1) → Ngâm tẩm hoá chất (thiết bị ngâm tẩm áp lực - chân không) → Ép nhiệt (máy ép nhiệt) → Bảo ôn → Sản phẩm gỗ biến tính Đã tiến hành thử nghiệm với một số loại gỗ mọc nhanh rừng trồng (Bồ đề, Keo lai, Keo tai tượng, Keo lá tràm ) những loại gỗ có độ bền cơ học không cao, phạm vi sử dụng hẹp, giá trị thành phẩm không cao Kết quả là ổn định kích thước cao, cường độ cơ

Năm 2004 Vũ Huy Đại và Nguyễn Minh Hùng Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu anh hưởng của xử lý vi sóng đến tính chất cơ lý chủ yếu của gỗ tràm trắng Kết luận thông qua các chỉ tiêu về tính chất vật lý và cơ học của gỗ được xác định sau khi gỗ được xử lý bằng vi sóng cho thấy tính ổn định về kích thước của gỗ được cải thiện, nhưng cường độ cơ học của gỗ bị giảm

Ngoài ra, trên Tạp chí Khoa học – Công nghệ nhiệt, số 66 tháng 11 năm

2005, Thạc sỹ Nguyễn Huy Bích đã trình bày khái quát về công nghệ EDS (Ecology – Diversity – Synergy) một trong những công nghệ biến tính các nguyên liệu có nguồn gốc sinh học bằng nhiệt độ, được người Nhật phát minh và được tổ chức UNIDO – Tổ chức phát triển công nghiệp liên hiệp quốc (Tokyo) giới thiệu rộng rãi tại các quốc gia đang phát triển ở Đông Nam Á, Châu Phi, Trung và Nam Mỹ EDS

có thể biến tính gỗ tròn hay gỗ tạp Có thể phân tích khả năng sử dụng và những ưu điểm nổi bật khi áp dụng công nghệ EDS khi xử lý các nguyên liệu có nguồn gốc sinh học, trong đó có gỗ

Năm 2006 Hoàng Thị Thanh Hương Khoa Lâm Nghiệp, Đại học Nông Lâm TP.HCM đã nghiên cứu biến tính gỗ Cao su, Hông, Điều bằng phương pháp hóa, nhiệt, cơ Sử dụng trong xây dựng và sản xuất đồ mộc Đây là những loại gỗ tạp dễ

bị hư hại bởi nấm mốc và mối mọt Kết quả nghiên cứu cho thấy với nhiệt độ trong khoảng từ 130 ÷ 1600C có thể làm mềm hóa và biến tính được gỗ Như công nghệ biến tính đối với gỗ Hông bằng phương pháp cơ - nhiệt là T = 1450C; P = 25 kG/cm2; t = 16 phút và kết quả là khối lượng thể tích tăng từ 0,224 lên 0,341g/cm3;

độ bền uốn tĩnh tăng từ 449 lên 720 kG/cm2; độ cứng tăng từ 154 lên 181 kG/cm2

Gỗ Điều bằng phương pháp cơ - nhiệt là T = 1490C; P = 23 kG/cm2; t = 18 phút và kết quả là khối lượng thể tích tăng từ 0,46 lên 0,55g/cm3; độ bền uốn tĩnh tăng từ

843 lên 1172,74 kG/cm2 Gỗ Cao su bằng phương pháp hóa – cơ - nhiệt, sử dụng Urê 20% làm hóa chất chế độ biến tính xác định được là T = 1400C; P = 28 kG/cm2;

t =18 phút và kết quả là khối lượng thể tích tăng từ 0,57 lên 0,667g/cm3; độ bền uốn tĩnh tăng từ 963 lên 1287 kG/cm2

Đề tài “Nghiên cứu xử lý một số loại gỗ rừng trồng từ nhóm 5 đến nhóm 8 làm nguyên liệu đóng tàu đi biển” với mục tiêu xây dựng được công nghệ, thiết bị biến tính và bảo quản một số loại gỗ rừng trồng phổ biến ở Việt Nam nhằm nâng cao độ ổn định kích thước, độ bền cơ học, độ bền tự nhiên của gỗ đáp ứng yêu cầu nguyên liệu đóng tàu, thuyền đi biển, thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2006 – 2010: Nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ phục vụ công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp và nông thôn,

mã số KC.07/06-10 (Kèm theo Quyết định số 606/QĐ – BKHCN ngày 07 tháng 04 năm 2008 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ)

Thạc sỹ Đỗ Thị Ngọc Bích thuộc khoa Chế biến lâm sản, trường Đại Học Lâm Nghiệp đã thực hiện điều tra, tổng hợp các nghiên cứu về công nghệ sấy gỗ,

xử lý biến tính gỗ và bảo quản lâm sản

Năm 2008 Vũ Huy Đại, Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu đánh giá tính ổn định kích thước của gỗ Keo Lai (Acacia Auriculiformis x Acacia Mangium) xử lý Lasure Classic dưới tác động của điều kiện môi trường

ít đến quá trình đối chiếu, so sánh, cũng như rút kinh nghiệm trong điều kiện thực

tế Tuy nhiên, với nghiên cứu này có thể tạo ra một giải pháp khả thi trong việc sử dụng gỗ Keo lai theo tiêu chí “sản phẩm xanh – công nghệ xanh” hiện nay Điều

này sẽ giúp các doanh nghiệp trong nước vượt qua những rào cản và trở ngại về mặt

kỹ thuật và môi trường trên thị trường xuất khẩu đồ gỗ

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình biến tính:

2.2.1 Một số phương pháp biến tính gỗ

2.2.1.1Biến tính hóa cơ

Biến tính gỗ bằng phương pháp hoá cơ tạo ra sản phẩm có chất lượng cao bằng cách nhồi hoặc tẩm vào tế bào gỗ các monone hay polime đồng thời dưới tác dụng của nhiệt độ hay các tác nhân hoá học khác làm cho nó đóng rắn trong các vách tế bào gỗ Đó là các chất kết dính có nguồn gốc khác nhau, các loại nhũ dịch Ngoài ra người ta còn tiến hành làm mềm gỗ bằng các dung dịch amoniac, các chất khác Xử lý gỗ bằng amoniac có sự tham gia của nước sẽ làm tăng độ dẻo gỗ nhờ thuỷ phân các liên kết este phức tạp trong cấu trúc tế bào gỗ Sau khi nén gỗ, nước

và amoniac tác dụng như những chất làm dẻo và chúng được đẩy ra ngoài trong quá trình sấy Kết quả nén gỗ cho ta sản phẩm với kết cấu mới, ổn định và có tính chất vật lý cao

2.2.1.2 Biến tính nhiệt hóa học

Cơ sở hóa học của phương pháp này là biến tính gỗ bằng các loại keo tổng hợp rồi tiến hành xử lý nhiệt Dưới tác dụng của nhiệt trong thời gian nhất định, các loại keo sẽ chuyển hóa từ trạng thái lỏng đến trạng thái đặc rồi đóng rắn hoàn toàn trong các vách tế bào gỗ

Bằng phương pháp này ta có thể xác định loại hình liên kết có hiệu quả nhất

để ứng dụng trong quá trình biến tính gỗ Phương pháp này cũng tạo ra hàng loạt sản phẩm mới đa dạng với nhiều chức năng khác nhau: cách âm, cách nhiệt, chịu mài mòn, chịu lửa, hoá chất, chống lại sự phá hoại của nhiều sinh vật, chịu được các điều kiện khí hậu khắc nghiệt

các monome, thời gian thực hiện phương pháp này phụ thuộc cấu tạo từng loại gỗ,

độ quánh của các monome

Gỗ sau khi tẩm người ta lấy các monome dư ra ngoài thiết bị và đưa thùng

gỗ vào buồng chiếu sáng Dưới tác dụng của ánh sáng đặc biệt các monome sẽ được polime hóa trong các mao quản, trên các vách tế bào gỗ, tạo cho gỗ có tính chất ưu việt hơn nhiều so với các tính chất ban đầu của nó

2.2.1.4 Biến tính cơ nhiệt

Dưới tác dụng của nhiệt độ trong môi trường ẩm sẽ làm cho nguyên liệu gỗ mềm ra, tính dẻo của nó cũng biến đổi theo Căn cứ vào tính chất này, người ta nghiên cứu xử lý nhiệt dưới nhiều hình thức khác nhau: đốt nóng hay hấp nóng gỗ trong các thiết bị kín, sau đó gỗ được nén ép trong các khuôn nóng để ổn định về hình dạng và kích thước Quá trình nén làm giảm thể tích gỗ, tăng khối lượng riêng Điều quan trọng khi nén gỗ phải giữ nguyên được cấu trúc, không phá vỡ vách tế bào và làm dập các mao mạch, mà chỉ thu hẹp kích thước nguyên liệu gỗ ban đầu tới giới hạn tuỳ ý Phương pháp này có thể sản xuất ra các sản phẩm có tính chất có thể dự đoán được: khối lượng riêng, độ nén, độ trương nở, độ hút nước của sản phẩm

2.2.2 Cơ sở lý thuyết về công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt

Gỗ là một loại vật liệu tự nhiên, có các thành phần chủ yếu của gỗ là các chất hữu cơ (chiếm từ 99 đến 99,9%) Thành phần hóa học của gỗ gồm bốn nguyên tố chính: cacbon, hydro, nitơ Các loại gỗ khác nhau, ở các vị trí khác nhau trên thân cây có tỷ lệ các thành phần hợp chất hữu cơ không giống nhau nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố hóa học lại xấp xỉ nhau Hàm lượng trung bình của các bon là 49,5%, hydro là 6,4%, oxy là 42,6%, nitơ là 1% và một số nguyên tố vi lượng khác

Mặt khác, gỗ được cấu tạo từ các tế bào, khi tế bào gỗ trưởng thành, có dạng hình ống, như vậy tạo nên cấu trúc xốp trong gỗ, các ống mạch tạo thành hệ mao dẫn có tính thẩm thấu nước từ môi trường vào gỗ, khi đó xảy ra hiện tượng trương

nở do tác động của nước với các cấu tử trong gỗ như cellulose, hemicellulose và

lignin làm cho cấu trúc và tính chất cơ học, vật lý, hóa học của gỗ thay đổi Hiện tượng này có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ biến tính gỗ

Ngoài ra, liên kết hoá học giữa các thành phần trong gỗ là những liên kết yếu Giữa các thành phần tạo nên gỗ luôn có liên kết vật lý, liên kết này cũng là những liên kết yếu Cơ tính, lý tính của gỗ sẽ thay đổi khi liên kết hoặc cấu trúc các thành phần gỗ thay đổi Liên kết giữa lignin và cellulose có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi cellulose trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định Liên kết lignin và cellulose có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước cuả gỗ Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử cellulose, hemi cellulose, lignin và liên kết giữa các thành phần đó

Do đó độ ổn định kích thước kém và độ bền thấp, thường xảy ra trong điều kiện không khí khác nhau, các nghiên cứu nhằm cải thiện độ bền được tiến hành trên cơ sở giới hạn mức độ hút ẩm bằng cách phá hủy hoặc kết hợp các nhóm hydroxyl trong gỗ Quá trình này được xem như một quá trình biến tính trên gỗ, thay đổi tính chất gỗ theo hướng có lợi và nâng cao hiệu quả sử dụng hơn

Vào năm 2001, trong một seminar về biến tính nhiệt trên gỗ (COST E22) đã tổng kết hiện tại có 4 nhóm biến tính nhiệt phổ biến trên thị trường: The Finnish Thermonwood, The Dutch Plato wood, The French Retification và The German Oil Heat Treatment

Có thể phân biệt 4 nhóm biến tính nhiệt trên dựa theo một số đặc điểm cơ bản trong quá trình xử lý nhiệt như sau (xem bảng 2.1):

Phương pháp Môi trường

biến tính

Độ ẩm ban đầu của gỗ

Nhiệt độ

xử lý (0C) Các bước thực hiện Oil-treatment

(Germany)

Dầu nóng (hot oil)

Sấy khô,

Thermo Wood Hơi Gỗ tươi 150 – 240 Tăng nhiệt độ sấy khô, xử

(Finland) (steam) lý nhiệt, làm nguội và

điều hòa Retification

Gỗ tươi hoặc sấy khô

170 - 190

Khử hydro bằng nhiệt (hydrothermolysis), sấy khô, xử lý nhiệt và điều

hòa

Bảng 2.1: Phân loại biến tính theo các đặc điểm cơ bản trong quá trình xử lý nhiệt

Do tồn tại nhiều định nghĩa về biến tính gỗ được phát biểu trong các công trình nghiên cứu từ xưa đến nay, nên vẫn chưa có sự thống nhất chung về quá trình biến tính

Đến năm 2003, tại Hội thảo về Biến tính gỗ tại Châu Âu lần đầu tiên được tổ chức ở Gent, Bỉ đã tổng hợp được định nghĩa rõ ràng về biến tính gỗ Đồng thời thành lập Hiệp hội về biến tính gỗ Châu Âu, cộng tác với Viện nghiên cứu về gỗ (AHR), chịu trách nhiệm về các vấn đề liên quan đến biến tính gỗ Thông qua hội thảo đã phân biệt được biến tính gỗ với các kỹ thuật khác Biến tính gỗ không chỉ là vấn đề học thuật đơn thuần, mà nó bao gồm các kỹ thuật chính là biến tính hóa và biến tính nhiệt, do có liên quan trực tiếp đến biến đổi hóa học các chất trong gỗ; biến tính sinh học (sử dụng các enzymes); riêng biến tính ngâm tẩm vẫn còn nhiều tranh cãi giữa biến tính và bảo quản

Xét về cơ chế biến tính nhiệt trên gỗ, chính sự biến đổi hóa học xảy ra bên trong vách các tế bào gỗ (gồm cellulose, hemicellulose, lignin và các chất chiết xuất) sẽ tạo ra những thay đổi đặc tính vật lý, hóa học, cơ học cũng như độ bền sinh học của gỗ sau khi xử lý

Từ kết quả các công trình nghiên cứu trước đó, biến tính nhiệt có thể tạo ra những thay đổi như:

- Cải thiện độ ổn định kích thước;

- Cải thiện độ bền: chống lại được sự tấn công của các tác nhân sinh học như côn trùng, nấm mốc…;

- Tính chất cơ học: như độ cứng, các mô đun ứng suất…;

- Yếu tố thẩm mỹ: như màu sắc;

- Giảm khả năng thấm hút và dẫn nước;

- Tính dẫn nhiệt, cách âm, kết hợp chống cháy

Vào đầu những năm 1960, kỹ thuật gia nhiệt và sấy gỗ bằng microwave đã bắt đầu được sử dụng Trong những năm gần đây, một số nhà khoa học tại Úc, nổi bật là công trình nghiên cứu của Giáo sư Grigory Torgovniov, Peter Vinden cùng các đồng sự đã cùng nhau nghiên cứu và áp dụng quy trình biến tính bằng microwave trên nhiều loại gỗ Hiện tại, quy trình biến tính đã được triển khai bằng hai nhà máy kiểu mẫu microwave công suất lên đến 60kW, đồng thời một nhà máy công suất 300kW đang được thiết kế xây dựng Đây thật sự là một trong những nghiên cứu có tính đột phá và thu được nhiều kết luận đáng chú ý

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ biến tính bằng phương pháp nhiệt

2.3.1 Ảnh hưởng của nguyên liệu gỗ

Mỗi loại gỗ khác nhau có đặc điểm, cấu tạo, tính chất khác nhau, gỗ cứng hay gỗ mềm đều ảnh hưởng đến công nghệ và chất lượng gỗ biến tính Ngoài ra, độ

ẩm gỗ cũng là điều kiện tiên quyết cho chất lượng gỗ sau này

Các thành phần cellulose, hemicellulose, lignhin trong gỗ dưới tác động của nhiệt độ cao (>130 oC) sẽ bị chảy loãng hoặc mềm ra làm cho kết cấu gỗ yếu đi, thể tích giảm xuống dẫn đến biến dạng Ngoài ra chiều thớ, mắt gỗ, độ rộng vòng năm,

tỉ lệ gỗ sớm, gỗ muộn, chiều dài tế bào cũng ảnh hưởng đến công nghệ biến tính

gỗ

2.3.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý

Các yếu tố cơ bản của quá trình biến tính như nhiệt độ, thời gian xử lý, độ

ẩm ban đầu của gỗ ảnh hưởng rất lớn đến mức độ biến đổi cấu trúc bên trong các tế bào và tính chất gỗ sau khi biến tính

Bên cạnh đó các nhân tố bên ngoài cũng tác động không ít đến quá trình xử

lý này, bao gồm môi trường xảy ra sự biến tính, sự tham gia của oxy, độ ẩm và các chất hóa học vô cơ Hầu hết các hình thức biến tính nhiệt đều được tiến hành trong điều kiện không có mặt oxy, vì sự hiện diện của oxy giống như một chất xúc tác cho những thay đổi thành phần của gỗ trong suốt quá trình xử lý, dẫn đến những biến đổi không mong muốn trong tính chất cơ học và vật lý như ASE – hệ số chống co rút / giãn nở cao hơn, giảm khối lượng… đồng thời đây còn là điều kiện thuận lợi cho côn trùng, nấm mốc tấn công Sự tồn tại của nước trong gỗ suốt quá trình gia nhiệt giúp đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt bên trong gỗ, làm quá trình phân hủy các thành phần chính trong vách tế bào gỗ diễn ra nhanh hơn Quá trình biến đổi do nhiệt diễn ra trên gỗ ướt nhanh hơn gấp 10 lần trên gỗ khô (Skaar) Các chất vô cơ cũng ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân trong gỗ Ngoài ra, tương ứng với từng môi trường biến tính khác nhau như hơi, khí, chân không, Ni tơ… sẽ ảnh hưởng đến quá trình biến tính nhiệt trên gỗ

™ Nhận xét chung:

Biến tính microwave có thể hiểu đơn giản như sau Do một số thành phần cấu trúc của gỗ bao gồm quản bào, sợi gỗ, mạch gỗ và các tia gỗ có độ dày vách tế bào không đồng đều Tia gỗ với mật độ hiện diện khá lớn, từ 5 đến 35% trong tổng các thành phần cấu tạo nên gỗ, có vách mỏng hơn các vách tế bào khác như sợi gỗ,

và phân bố theo hướng xuyên tâm từ tủy ra vỏ Khi xử lý microwave, bên trong gỗ năng lượng từ microwave sẽ được chuyển đổi thành nhiệt, tạo ra áp lực hơi lên các

tế bào gỗ Vì tia gỗ là loại tế bào có vách yếu nhất trong gỗ, dưới áp lực bên trong lớn có thể dễ bị phá vỡ hơn, tạo ra các khoảng trống cực nhỏ theo hướng xuyên tâm, phân bố dọc theo thân cây Chính những khoảng trống cực nhỏ này sẽ giúp quá

bằng microwave sẽ tạo ra hàng ngàn các khe hở có tính thẩm thấu được theo chiều dọc và chiều xuyên tâm trong gỗ

Gỗ tươi có hàm lượng ẩm dao động từ 35% đến 250%, do đó sẽ không khó khăn gì trong việc hấp thụ năng lượng vi sóng Dưới tác dụng của microwave, quá trình thoát dẫn ẩm diễn ra dễ dàng hơn Đồng thời, chính những biến đổi diễn ra bên trong cấu trúc gỗ sẽ giúp cải thiện những đặc tính cơ học (giảm nội lực, ứng suất…) cũng như vật lý (cải thiện độ ổn định, giảm khối lượng, giảm tính dẫn nhiệt tốt hơn

cả vật liệu cách nhiệt, giảm co rút và giãn nở, cải thiện tính truyền âm tốt hơn cả vật liệu cách âm,…) Ngoài ra, biến tính microwave còn mang lại nhiều ý nghĩa trong

xử lý và bảo quản gỗ, chống lại sự tấn công của các tác nhân sinh học như côn trùng, nấm mốc

Chương 3

MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu – mục đích nghiên cứu:

3.1.1 Mục tiêu:

Xây dựng các thông số công nghệ của quá trình biến tính như công suất, thời gian Từ đó đánh giá một số chỉ tiêu trên gỗ keo lai sau khi biến tính cụ thể như: khối lượng thể tích; độ cứng; ứng suất tách, ứng suất nén dọc thớ, độ ổn định kích thước

3.1.2 Mục đích:

Gỗ keo lai sau khi biến tính có độ ổn định kích thước cao hơn, tính chất cơ lý được cải thiện đồng thời có độ ẩm đạt yêu cầu trong sản xuất

3.2 Nội dung nghiên cứu:

3.2.1 Tiến hành thí nghiệm xác định các thông số công nghệ biến tính

3.2.2 Xác định một số tính chất cơ, lý và cấu tạo hiển vi của gỗ keo lai trước và sau khi biến tính ở độ ẩm 12±2% theo tiêu chuẩn nhà nước TCVN 355-70 ÷ TCVN 370-70 của Việt Nam và tiêu chuẩn ASTM D143 của Mỹ, bao gồm các tính chất cơ

lý sau:

+ Khối lượng thể tích

+ Độ cứng mặt tiếp tuyến

+ Lực tách theo chiều tiếp tuyến

+ Ứng suất tách theo chiều dọc thớ + Độ ổn định kích thước

3.2.3 Đánh giá các tính chất cơ, lý và cấu tạo hiển vi của gỗ keo lai không biến tính

3.3 Phương pháp nghiên cứu:

3.3.1 Phương pháp biến tính gỗ

Trong thực tế có rất nhiều phương pháp biến tính gỗ, để lựa chọn một phương pháp thích hợp cần căn cứ vào các tiêu chí như sau:

+ Tính chất của loại gỗ cần biến tính

+ Hạn chế gây ô nhiễm môi trường

+ Điều kiện máy móc, thiết bị của phòng thí nghiệm

Trong đề tài này chúng tôi chọn phương pháp nhiệt cụ thể là dùng lò vi sóng

để biến tính gỗ keo lai Phương pháp này không gây ô nhiễm môi trường, thời gian thực hiện lại nhanh đồng thời chất lượng gỗ được đảm bảo

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu thăm dò:

Tiến hành thí nghiệm thăm dò với hai mức công suất và thời gian khác nhau: 300W- 20phút và 500W-10phút Mỗi đợt thí nghiệm gồm 4 mẫu gỗ có quy cách 60x60x100 (mm) Như vậy tổng số mẫu dùng trong thí nghiệm thăm dò là 8 mẫu

Để tiến hành thí nghiệm thăm dò các mẫu gỗ phải được gia công, bào nhẵn theo đúng tiêu chuẩn Việt Nam Sau khi làm nóng lò khoảng 10 phút ta lần lượt đưa từng mẫu gỗ vào trong lò, điều chính công suất và thời gian để lò hoạt động Hết thời gian biến tính lấy mẫu ra khỏi lò và ổn định ẩm Sau khi mẫu đã đạt độ ổn định

ta tiến hành kiểm tra độ ẩm để đưa độ ẩm của mẫu gỗ về 12%, sau đó tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý và so sánh với các mẫu đối chứng

3.3.3 Giới hạn các yếu tố nghiên cứu

¾ Các yếu tố đầu vào

Các yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến công nghệ và chất lượng gỗ biến tính gồm: yếu tố thuộc nhóm nguyên liệu( độ ẩm, loại, tuổi, vòng sinh trưởng…), yếu tố thuộc nhóm chế độ xử lý (công suất, thời gian) Các yếu tố đầu vào phải có ý nghĩa

và là đại lượng có thể đo đếm được và có thể điều khiển được Dựa vào kết quả biến tính thăm dò Dựa vào các tài liệu tham khảo về công nghệ biến tính gỗ Dựa vào các công trình nghiên cứu về các phương pháp biến tính gỗ.Trong đề tài này chúng

tôi dùng lò vi sóng để biến tính gỗ với hai yếu tố đầu vào là công suất (W) và thời gian (phút) Các yếu tố khác xem như cố định

¾ Các yếu tố đầu ra

Các yếu tố đầu ra là những tính chất cơ bản của gỗ sau khi biến tính bao gồm hai nhóm chính sau:

 Nhóm tính chất vật lý: khối lượng thể tích, độ dãn nở theo các chiều thớ gỗ, độ ổn định kích thước

 Nhóm tính chất cơ học: độ bền uốn tĩnh, lực tách, độ cứng

 Dựa vào mục đích sử dụng gỗ biến tính chúng tôi chọn 5 yếu tố đầu ra chủ yếu là khối lượng thể tích, độ cứng, ứng suất tách và ứng suất nén dọc và độ ổn định kích thước để so sánh với các chỉ tiêu cơ lý của gỗ chưa biến tính

3.3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu khi ta không có đầy đủ thông tin về đối tượng và phải thực nghiệm để xây dựng mô hình Theo nghĩa rộng thì quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm, từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng

Cơ sở toán học nền tảng của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi quy

Đối tượng nghiên cứu của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành kỹ thuật

là một quá trình, một cơ cấu hoặc một hiện tượng có những tính chất, đặc điểm chưa biết cần nghiên cứu

Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm: không lấy toàn bộ các trạng thái đầu vào, phức tạp dần mô hình toán học, đối chứng nhiễu, ngẫu nhiên hóa, tối ưu

Ưu điểm của phương pháp này là các thí nghiệm dễ dàng tiến hành, đối tượng nghiên cứu đa dạng, chúng ta chỉ quan tâm đến các yếu tố đầu vào và yếu tố

hưởng của các yếu tố khác tác động tới, số lần thí nghiệm ít, tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí, phương pháp này có thể xây dựng phương pháp hồi quy rất thuận tiện cho việc khảo sát kết quả tìm phương pháp tối ưu

Nhược điểm của phương pháp quy hoạch thực nghiệm là tính toán và xử lý

số liệu khá phức tạp Tuy nhiên, vấn đề này có thể nhờ sự hỗ trợ của các phần mềm máy tính để giải quyết một cách nhanh chóng và dễ dàng

Do đặc điểm của quá trình nghiên cứu thực nghiệm và hạn chế của thiế bị nên mô hình được biểu diễn dưới dạng mô hình bậc nhất như sau:

2 1 1

0 n j

j jj j

i n j i ij j

n j j

22 : số thí nghiệm ơ mức trên và mức dưới

3: số thí nghiệm lặp lại ở mức trung tâm

Mô hình nghiên cứu công nghệ biến tính gỗ được trình bày ở hình 3.2

gỗ biến tính

Căn cứ vào biên miền giới hạn của thời gian và công suất, chúng tôi giới hạn

miền biến thiên các yếu tố công nghệ x1, x2 gồm 3 mức thí nghiệm (-1, 0, +1,) ở

bảng 3.1

Bảng 3.1: Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào

Phương pháp thực nghiệm tiến hành theo mô hình bậc nhất với hai yếu tố

đầu vào Số thí nghiệm cần tiến hành là 7 thí nghiệm và mỗi thí nghiệm được lặp lại

3 lần Chúng tôi tiến hành thí nghiệm theo bảng 3.2 và các thí nghiệm được thực

hiện một cách ngẫu nhiên

Giá trị thực của các thông số

x1(P)công suất (W)

x2(t)thời gian (phút) Mức dưới -1 300 10 Mức cơ sở 0 500 15

được đánh số theo thứ tự, 3 mẫu sẽ được dùng làm đối chứng, 3 mẫu còn lại sẽ đem

đi biến tính Như vậy, có tất cả 21 mẫu biến tính và 21 mẫu đối chứng

3.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm

Áp dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số nghiên cứu đến quá trình nghiên cứu chỉ là ngẫu nhiên hay thực sự có ảnh hưởng Phương pháp này giúp loại bỏ các yếu tố ít làm ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu cũng như mức độ tương quan Ngoài ra, còn giúp kiểm tra các giả thiết đồng nhất phương sai, độ tin cậy các hệ số hồi quy và mức độ phù hợp của mô hình lựa chọn theo tiêu chuẩn Fisher khi thực nghiệm

Nội dung xử lý số liệu bao gồm các bước sau:

+ Bước 1: Xây dựng phương trình hồi quy

+ Bước 2: Phân tích phương sai để loại bỏ các hệ số hồi quy không đảm bảo đủ

độ tin cậy ở mức ý nghĩa ∝ = 0,05

+ Bước 3: Xác định các hệ số hồi quy theo hàm toán mới, sau khi đã loại bỏ các hệ số hồi quy không đảm bảo độ tin cậy

+ Bước 4: Kiểm tra sự phù hợp của mô hình theo tiêu chuẩn Fisher

Kiểm tra tính tương thích mô hình: Ft ≤ Fb = F (0,05; k1; k2)

Để kiểm tra tính tương thích mô hình theo tiêu chuẩn Fisher trước tiên ta cần tính các giá trị sau:

+ Tính Sdu - Tổng bình phương độ lệch các giá trị hàm mục tiêu được tính theo phương trình hồi quy và thực nghiệm, có công thức :

y

Trong đó: yi là giá trị thực nghiệm trung bình của thí nghiệm thứ i

y∧i là giá trị tính toán từ mô hình theo theo điều kiện của thí nghiệm thứ i

0

y y

n u

∑

=

Trong đó: 0

u

y là giá trị thực nghiệm trung bình của thí nghiệm tại tâm thứ u

y0 là giá trị trung bình của no thí nghiệm tại tâm

n0 là số thí nghiệm tại tâm

+ Tiêu chuẩn Fisher kiểm tra theo công thức: Ft = Stt2 / Sth2

Nếu kết quả tính toán được Ft < Fb thì mô hình đảm bảo tính tương tích Ngược lại, nếu kết quả tính toán được Ft > Fb thì mô hình không đảm bảo tính tương

tích, lúc này cần loại bỏ các hệ số không đảm bảo tính tương thích khỏi mô hình và

tiến hành chạy lại phương trình tương quan

+ Bước 5: Chuyển mô hình về dạng thực theo công thức sau:

Trong đó: Zj là các giá trị thay thế

xj0 lần lượt là các giá trị tại mức cơ sở (điểm 0)

Δl là cánh tay đòn của các yếu tố công nghệ tính toán (khoản biến thiên)

Sau khi lập được phương trình hồi qui Y = f(xj), tiến hành tính toán các cực

trị của hàm Y để xác định các giá trị tối ưu của thông số mục tiêu bằng phần mềm

Excel

3.5 Vật liệu nghiên cứu:

Tên Việt Nam: Gỗ keo lai

Tên khoa học: Acacia mangium x Acacia auriculiformis (Acacia hybrid)

Họ phụ: Trinh nữ (Mimosoideae)

3.5.1 Mô tả cây:

Keo lai được lai tạo từ Keo tai tượng và Keo lá tràm Keo lai là loài cây ưa sáng, gỗ từ nhỏ đến trung bình, cây có nhiều đặc tính tốt của bố mẹ Thân cây thẳng, tròn đều, tỉa thưa tự nhiên tốt, phân nhành ở độ cao 5 – 7 m, thân và cành chịu lực kém, giòn Vỏ thân cây còn non có màu trắng xanh giống vỏ Keo lá tràm, không tạo góc hay các đường rạch giống Keo tai tượng, khi lớn vỏ chuyển sang màu nâu, nhẵn Lá cây có hình dạng và kích thước trung gian giữa bố và mẹ (nhỏ hơn Keo tai tượng và lớn hơn Keo lá tràm) Chiều dài lá từ 15 – 20 cm, chiều rộng

từ 4 – 6 cm, lá có dạng bảng có từ 3 - 4 gân chính Keo lai có hoa màu trắng hơi bạc hoa tự hình bông Mùa ra hoa vào tháng 3 - 4 và tháng 8 - 9, hoa dài 8 - 10 cm Quả keo lai có hình bầu dục, quả có mầu nâu nhạt,vỏ quả khô xoắn lại, mỗi quả có

từ 5 - 7 hạt

Hình 3.2: Cây gỗ keo

3.5.2 Phân bố và sinh thái:

Keo lai phân bố hầu hết ở các Châu lục và được trồng rộng rãi ở hầu hết các nước Châu Á Keo lai có khả năng sinh sống trong vùng đất thiếu dinh dưỡng, điều kiện khí hậu khắc nghiệt Đặc biệt nó không làm nghèo đất mà còn làm cho đất tốt hơn Vùng sinh thái thích nghi với sự phát triển của loài cây này là độ cao so với mực nước biển là 600m, lượng mưa trung bình hàng năm là 1800-2000mm, cấp đất trung bình, nhiệt độ trung bình từ 26-300C Keo lai thích hợp với cả 3 miền nước ta

Hiện nay keo lai còn được trồng rộng rãi nhằm cung cấp Oxy và hấp thụ khí

CO2 điều này rất có lợi cho môi trường

Mô tả gỗ:

• Cấu tạo thô đại:

Vỏ cây bảo vệ thân cây, nó giúp ích rất nhiều cho việc định danh gỗ Tuy nhiên đặc điểm và màu sắc thay đổi theo độ tuổi Phần gỗ: gỗ giác có màu vàng nhạt, tầng trong là gỗ lõi có màu vàng sẫm Tỉ lệ gỗ giác, gỗ lõi khác nhau theo độ tuổi và theo vị trí trên t hân cây Gỗ lõi do tế bào chết hình thành, chất hữu cơ tích dần trong gỗ lõi bi oxy hoá làm cho màu của nó sậm lại Keo lai có giác lõi phân biệt, vòng tăng trưởng rõ ràng, độ rộng hẹp của vòng năm không đều, tùy thuộc vào điều kiện và vùng sinh trưởng

Hình 3.3: Cấu tạo thô đại gỗ Keo lai [4]

• Cấu tạo hiển vi:

Mạch gỗ: Trên mặt cắt ngang lỗ mạch có hình bầu dục, chủ yếu là lỗ mạch

đơn, đôi khi có lỗ mạch kép xuất hiện Mật độ lỗ mạch khoảng 10 - 14 lỗ/mm2, có

lỗ thông ngang đơn trên tế bào mạch xếp theo kiểu so le Trong lỗ mạch tồn tại chất chứa, xuất hiện nhiều ở phần gốc và thân Đường kính lỗ mạch có sự khác biệt, đường kính nhỏ 28.5 – 114 µm và đường kính lớn 100 – 200 µm Trong lỗ mạch có chứa gôm

Mô mềm: Ở Keo lai hình thức sắp xếp của tế bào mô mềm khá đơn giản chủ

yếu là dạng hình dãy nối tiếp và mô mềm vây quanh mạch rất khó phân biệt, vách tế bào mỏng Trong gia công chế biến tế bào mô mềm sẽ làm tăng khả năng thấm thuốc bảo quản, tuy nhiên chúng hút keo mạnh nên ảnh hưởng đến sản xuất ván sợi nhân tạo

Tia gỗ: Tia đồng hình, bề rộng hẹp ít biến động, chủ yếu là một hàng tế bào,

chiều cao tia biến động từ 5 - 24 hàng tế bào, có chất chứa

Sợi gỗ: Trên mặt cắt tiết diện sợi có hình đa giác, vách tế bào có sự thay đổi

về bề dày, có xu hướng gia tăng theo tuổi và giảm dần từ gốc đến ngọn

3.5.3Tính chất vật lý và cơ học:

Sức hút ẩm thay đổi theo tuổi có xu hướng tăng ở tuổi từ 3-8: 3 tuổi là 15.2%, 4 tuổi là 15.31%, 8 tuổi là 16.75% Sức hút ẩm cũng chính là nguyên nhân gây ra cong vênh trong quá trình sấy, ảnh hưởng đến chất lượng gỗ Sức hút nước ở các tuổi khác nhau là khác nhau có xu hướng tăng từ gốc tới ngọn Có xu hướng tăng ở độ tuổi từ 3-5 Tuy nhiên ở 8 tuổi sức hút nước giảm: 3 tuổi là: 149.99%, 4 tuổi là: 152.57%, 5 tuổi là: 178.60%, 8 tuổi là: 112.97% Tốc độ hút nước có ảnh hưởng đến quá trình sấy và bảo quản gỗ

3.5.4 Giá trị sử dụng:

Keo lai có tiềm năng lớn trong sản xuất bột giấy, làm ván ép, ván dăm và đồ

gỗ gia dụng Ngoài ra Keo lai còn là loài cây có tác dụng cải tạo đất, dễ trồng, không kén đất và được thị trường chấp nhận

3.6 Biến tính Microwave trên gỗ Keo lai:

Quá trình biến tính nhiệt sử dụng lò microwave thí nghiệm Lò có công suất tối đa 800W, có thể điều chỉnh ở 4 mức công suất khác nhau và thời gian xử lý tương ứng

Hình 3.4: Lò vi sóng

 Mô tả thí nghiệm:

Quá trình biến tính chia làm 3 giai đoạn chính:

 Chuẩn bị mẫu biến tính:

Mẫu thí nghiệm được dùng trong nghiên cứu là mẫu không bị biến màu bởi tác nhân thời tiết, nấm mốc, vi sinh vật tấn công, đảm bảo có nguồn gốc rõ ràng không bị những khuyết tật, mẫu gỗ được bào nhẵn, gia công theo yêu cầu tiêu chuẩn khảo sát

Mẫu gỗ được lấy trên cùng một khúc gỗ tròn ở phần giác và gỗ lõi theo hai hướng chính xuyên tâm và cả tiếp tuyến, dọc thớ Do gỗ là một vật liệu không đồng nhất trên toàn bộ thân cây, các tính chất vật lý và cơ học đều biến động rất lớn theo chiều ngang và chiều dọc của thân cây, vì thế việc lấy mẫu và phân bố cần đảm bảo

sự khác biệt và sự sai lệch chuẩn về tính chất khảo sát giữa các lô thí nghiệm là như nhau và nhỏ nhất có thể giảm được sai số chủ quan trong khâu lấy mẫu và phân bố mẫu

Quá trình biến tính được thực hiện ở điều kiện gỗ tươi, do cơ chế tác động của sóng điện từ có hiệu quả nhất trong điều kiện gỗ vẫn còn nước bên trong nguyên liệu Yêu cầu việc tiến hành thí nghiệm phải được thực hiện nhanh chóng ngay sau khi gỗ Keo lai được chặt hạ Ở đây các mẫu được tiến hành thí nghiệm với quy cách 60x 60 x 100 mm và có mức độ ẩm nằm trong khoảng 70-80%

 Xử lý Microwave:

Làm nóng lò khoảng 10 phút sau đó lần lượt cho các mẫu thử vào lò Xử lý nhiệt bằng sóng microwave giai đoạn này cho cố định công suất và biến thiên thời