Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ keo tai tượng (acacia mangium willd)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT GỖ KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2014 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT GỖ KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd) Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản Mã số: 62540301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN VĂN CHỨ HÀ NỘI, 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tơi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu Luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án tiến sĩ lời cam đoan Hà Nội, tháng năm 2014 Nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)” cơng trình nghiên cứu Việt Nam Trong q trình thực gặp khơng khó khăn, với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình Thầy, Cơ giáo đồng nghiệp Gia đình, đến Luận án hoàn thành nội dung nghiên cứu mục tiêu đặt Nhân dịp này, Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS TS Trần Văn Chứ hết lịng dìu dắt, định hướng, tận tình hướng dẫn cung cấp nhiều tài liệu có giá trị khoa học thực tiễn để tơi hồn thành Luận án Tơi xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo sau Đại học, Khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm Thí nghiệm thực hành Khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm nghiên cứu thực nghiệm chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng, Thư viện, Thầy, Cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn UBND tỉnh, Sở Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, Trường Trung cấp Kinh tế-Kỹ thuật, Lâm trường Vĩnh Hảo tỉnh Hà Giang, sở Thực hành, Thí nghiệm,…đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện dành thời gian cung cấp thông tin, số liệu cho thời gian thực Luận án Cuối cùng, xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn tới tồn thể gia đình người thân ln động viên tạo điều kiện thuận lợi vật chất, tinh thần cho suốt thời gian qua Hà Nội, tháng năm 2014 Nguyễn Trung Hiếu iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt vii Danh mục bảng .viii Danh mục hình ix PHẦN MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm gỗ xử lý nhiệt 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Các nghiên cứu tỉ lệ tổn hao khối lượng gỗ 1.2.2 Các nghiên cứu tính ổn định kích thước 10 1.2.3 Các nghiên cứu khả chống vi sinh vật 12 1.2.4 Các nghiên cứu tính chất học gỗ 13 1.2.5 Các nghiên cứu tính thấm ướt khả dán dính 14 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 15 1.4 Ứng dụng gỗ xử lý nhiệt 16 1.5 Nhận xét đánh giá định hướng nghiên cứu 18 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Thành phần hóa học gỗ 20 2.1.1 Xenlulo 20 2.1.2 Hemixenlulo 28 2.1.3 Lignin 30 2.2 Quá trình nhiệt giải gỗ 30 iv 2.2.1 Các giai đoạn trình nhiệt giải gỗ 30 2.2.2 Quá trình nhiệt giải thành phần gỗ 32 2.3 Cơ chế biến đổi tính chất gỗ xử lý nhiệt 34 2.3.1 Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích gỗ 34 2.3.2 Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ 34 2.3.3 Cơ chế biến đổi tính chất học gỗ 37 2.4 Keo tai tượng 42 2.4.1 Đặc điểm nhận biết 42 2.4.2 Đặc tính sinh học sinh thái học 42 2.4.3 Đặc điểm cấu tạo gỗ 43 2.4.4 Tính chất 44 2.4.5 Công dụng 44 Chương ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG 45 VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45 3.1 Đối tượng nghiên cứu 45 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Công nghệ xử lý gỗ Keo tai tượng nhiệt độ cao; 45 3.1.2 Đối tượng nghiên cứu cụ thể: 45 3.2 Phạm vi nghiên cứu 45 3.2.1 Loại gỗ: gỗ Keo tai tượng dùng nghiên cứu có độ tuổi từ 9-10 tuổi, khai thác huyện Bắc Quang, tỉnh Hà Giang; 45 - Về cấu tạo, cấu trúc hoá học gỗ Keo tai tượng trước xử lý (nguyên liệu đầu vào) kế thừa cơng trình nghiên cứu có liên quan; 45 - Về kích thước mẫu: Kích thước dùng nghiên cứu thực nghiệm mẫu có kích thước nhỏ theo quy cách quy định TCVN 8048.1 đến 4048.162009 tiến hành thực nghiệm phịng thí nghiệm 45 3.2.2 Độ ẩm gỗ đưa vào xử lí: từ 12-15 %; 46 v 3.3 Mục tiêu nghiên cứu 47 3.3.1 Mục tiêu lý luận 47 3.3.2 Mục tiêu thực tiễn 47 Xác định ảnh hưởng xử lý nhiệt độ cao đến cấu trúc hóa học gỗ Keo tai tượng 47 Xác định ảnh hưởng thông số công nghệ chủ yếu cơng nghệ biến tính nhiệt độ cao (nhiệt độ thời gian) đến tính chất gỗ Keo tai tượng; 47 3.4 Nội dung nghiên cứu 48 3.5 Phương pháp nghiên cứu 48 3.5.1 Phương pháp lý thuyết 49 3.5.2 Phương pháp thực nghiệm 49 3.6 Ý nghĩa Luận án 64 3.6.1 Ý nghĩa khoa học 64 3.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 64 3.7 Những đóng góp Luận án 65 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 66 4.1 Kết ảnh hưởng nhiệt độ thời gian xử lý biến tính đến tính chất cơ, vật lý gỗ Keo tai tượng (thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố): 66 4.1.1 Ảnh hưởng độ tổn hao kích thước 66 4.1.2 Ảnh hưởng đến độ tổn hao khối lượng 68 4.1.3 Ảnh hưởng độ ổn định kích thước 70 4.1.4 Ảnh hưởng đến hiệu suất chống hút nước 72 4.1.5 Ảnh hưởng đến cường độ nén dọc thớ 74 4.1.6 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 76 4.1.7 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi 78 4.1.8 Ảnh hưởng đến khả dán dính gỗ xử lý nhiệt 79 vi 4.2 Kết ảnh hưởng nhiệt độ thời gian xử lý biến tính đến tính chất cơ, vật lý gỗ Keo tai tượng (thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố): 82 4.2.1 Ảnh hưởng đến tổn hao khối lượng 82 4.2.2 Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước 84 4.2.3 Ảnh hưởng đến tính ổn định kích thước 85 4.2.4 Ảnh hưởng đến hiệu suất chống hút nước 87 4.2.5 Ảnh hưởng đến độ bền nén dọc thớ 89 4.2.6 Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh 90 4.2.7 Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MOE) 92 4.2.8 Ảnh hưởng đến khả dán dính gỗ xử lý nhiệt 93 4.3 Xác định thông số nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính cho gỗ Keo tai tượng 95 4.4 Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến cấu tạo gỗ 96 4.5 Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ 99 4.5.1 Cấu trúc hóa học gỗ phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) 99 4.5.2 Cấu trúc hóa học gỗ phân tích phổ XPS 108 4.5.3 Cấu trúc hóa học gỗ phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125 Kết luận 125 Kiến nghị 127 CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa ASE Hệ số chống trương nở DSG Độ giảm độ bền kéo trượt màng keo DMOR Độ giảm độ bền uốn tĩnh DMOE Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh DL Độ tổn hao kích thước FTIR Phổ hồng biến đổi Fourier ICS Độ tăng cường độ nén dọc ML Độ tổn hao khối lượng MOR Độ bền uốn tĩnh MOE Mô đun đàn hồi uốn tĩnh T Nhiệt độ xử lý t Thời gian xử lý TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam WRE Hiệu suất chống hút nước XPS Phổ quang điện tử tia X XRD Phổ nhiễu xạ tia X Y (X1, X2) Hàm mục tiêu theo biến X1 X2 viii DANH MỤC BẢNG STT 1.1 1.2 Tên bảng Đặc điểm số công nghệ xử lý nhiệt Phân loại ứng dụng gỗ xử lý nhiệt theo công nghệ ThermoWood Trang 17 3.1 Các mức bước thay đổi thơng số thí nghiệm 52 3.2 Thơng số thực nghiệm với yếu tố ảnh hưởng 52 3.3 Thông số kỹ thuật thiết bị xử lý 57 4.1 Phân vùng phổ hồng ngoại 101 4.2 Thuộc tính phổ FTIR gỗ Keo tai tượng đối chứng 104 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Số sóng độ hấp thụ vị trí nhóm chức gỗ Keo tai tượng xử lý nhiệt phân tích phổ hồng ngoại FTIR Hàm lượng tương đối nguyên tố C O bề mặt mẫu gỗ trước sau xử lý nhiệt độ cao Hàm lượng loại liên kết nguyên tố C phân tích phổ XPS gỗ trước sau xử lý nhiệt độ cao Hàm lượng loại liên kết nguyên tố O phân tích phổ XPS gỗ trước sau xử lý nhiệt độ cao Độ kết tinh xenlulo gỗ Keo tai tượng xử lý chế độ khác 106 115 118 119 123 Tieu chuan FISHER F = 0.2376 No Y1 Y2 Y3 Ytb Y_ Yost 4.21 3.48 3.29 3.660 3.679 0.019 14.42 17.46 13.67 15.183 15.149 -0.034 5.21 4.93 6.30 5.480 5.924 0.444 23.61 18.75 19.79 20.717 21.108 0.391 26.57 21.95 20.79 23.103 22.942 -0.161 3.79 4.48 3.69 3.987 3.752 -0.235 12.59 11.92 15.23 13.247 12.754 -0.493 7.76 6.08 6.41 6.750 6.847 0.097 9.82 7.69 8.12 8.543 8.514 -0.029 Tam cua mat quy hoach X = ( -1.293 , -0.686 , ) Ytam = 3.50345 cac he so chinh tac 2.4485 0.5024 vec to rieng U ( A=UWUt) -0.9692 0.2461 -0.2461 -0.9692 1.7 Kết phân tích thống kê độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI -No Y1 Y2 Y3 Sj -1 4.760 3.930 3.730 0.298 11.100 13.440 10.520 2.390 4.500 4.260 5.450 0.396 13.860 10.850 11.450 2.538 15.510 12.810 12.140 3.183 3.730 4.420 3.640 0.182 8.210 7.780 9.940 1.307 6.520 5.110 5.390 0.557 7.070 5.530 7.740 1.284 -tieu chuan kohren G = 0.2623 he so tu m= he so tu n-1= tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.5728 KET QUA XU LY SO LIEU Y = 6.799+ 3.513X1+ 0.984X1X1+ 0.643X2+ -0.058X2X1+ 0.236X2X2+he so b0,0 = 6.7992 b1,0 = 3.5135 b1,1 = 0.9836 b2,0 = 0.6432 b2,1 = -0.0575 b2,2 = 0.2361 Tieu chuan T student cho cac he so la : T0,0 = 5.8630 T1,0 = 8.6364 T1,1 = 1.4778 T2,0 = 1.5810 T2,1 = -0.0990 T2,2 = 0.3547 Phuong sai luong (lap) Sb = 1.34838 So bac tu kb = 18 Phuong sai tuong thich Sa = 1.73552 So bac tu ka = Tieu chuan FISHER F = 1.2871 No Y1 Y2 Y3 Ytb Y_ Yost 4.76 3.93 3.73 4.140 3.805 0.335 11.10 13.44 10.52 11.687 10.947 -0.740 4.50 4.26 5.45 4.737 5.206 0.469 13.86 10.85 11.45 12.053 12.118 0.065 15.51 12.81 12.14 13.487 13.898 0.412 3.73 4.42 3.64 3.930 3.779 -0.151 8.21 7.78 9.94 8.643 8.215 -0.428 6.52 5.11 5.39 5.673 6.363 0.689 7.07 5.53 7.74 6.780 6.799 0.019 Tam cua mat quy hoach X = ( -1.832 , -1.585 , ) Ytam = 3.07045 cac he so chinh tac 0.9847 0.2350 vec to rieng U ( A=UWUt) -0.9993 -0.0384 0.0384 -0.9993 1.8 Kết phân tích thống kê độ giảm độ bền kéo trượt màng keo DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI -No Y1 Y2 Y3 Sj -1 10.400 8.590 8.140 1.431 21.510 26.030 20.370 10.570 10.020 12.790 27.010 21.140 22.320 30.580 25.260 23.930 7.880 9.440 7.570 1.004 17.190 16.290 20.810 14.640 11.460 12.100 17.800 13.930 14.700 8.961 2.151 9.641 12.382 5.724 2.829 4.197 tieu chuan kohren G = 0.2563 he so tu m= he so tu n-1= tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.5728 KET QUA XU LY SO LIEU Y = 15.490+ 6.419X1+ 0.985X1X1+ 1.308X2+ -0.308X2X1+ 0.007X2X2+he so b0,0 = 15.4898 b1,0 = 6.4193 b1,1 = 0.9851 b2,0 = 1.3084 b2,1 = -0.3075 b2,2 = 0.0069 Tieu chuan T student cho cac he so la : T0,0 = 6.6938 T1,0 = 7.9077 T1,1 = 0.7417 T2,0 = 1.6118 T2,1 = -0.2654 T2,2 = 0.0052 Phuong sai luong (lap) Sb = 5.36888 So bac tu kb = 18 Phuong sai tuong thich Sa = 2.69569 So bac tu ka = Tieu chuan FISHER F = 0.5021 No Y1 Y2 Y3 Ytb Y_ Yost 10.40 8.59 8.14 9.043 8.447 -0.597 21.51 26.03 20.37 22.637 21.900 -0.737 10.57 10.02 12.79 11.127 11.678 0.552 27.01 21.14 22.32 23.490 23.902 0.412 30.58 25.26 23.93 26.590 26.776 0.186 7.88 9.44 7.57 8.297 8.289 -0.008 17.19 16.29 20.81 18.097 17.388 -0.708 14.64 11.46 12.10 12.733 13.620 0.887 17.80 13.93 14.70 15.477 15.490 0.013 Tam cua mat quy hoach X = ( 7.293 , 67.605 , ) Ytam = 83.12628 cac he so chinh tac 1.0087 -0.0167 vec to rieng U ( A=UWUt) -0.9884 -0.1517 0.1517 -0.9884 Phục lục Phổ XPS mẫu đối chứng Survey 3.00E+05 Counts / s 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 400 200 400 200 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 190 oC, Survey 3.00E+05 Counts / s 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 180 oC, Survey 2.50E+05 Counts / s 2.00E+05 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1200 1000 800 600 400 200 400 200 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 190 oC, Survey 3.00E+05 Counts / s 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 190 oC, 10 Survey 3.00E+05 Counts / s 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 400 200 400 200 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 210 oC, Survey 4.00E+05 Counts / s 3.00E+05 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 170 oC, Survey 2.50E+05 Counts / s 2.00E+05 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1200 1000 800 600 400 200 400 200 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 200 oC, Survey 4.00E+05 Counts / s 3.00E+05 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 200 oC, Survey 3.00E+05 Counts / s 2.00E+05 1.00E+05 0.00E+00 1200 1000 800 600 400 200 400 200 Binding Energy (eV) Phổ XPS mẫu xử lý 180 oC, Survey 2.20E+05 2.00E+05 1.80E+05 1.60E+05 Counts / s 1.40E+05 1.20E+05 1.00E+05 8.00E+04 6.00E+04 4.00E+04 2.00E+04 0.00E+00 1200 1000 800 600 Binding Energy (eV) Phụ lục Phổ XRD mẫu đối chứng Phổ XRD mẫu xử lý 210 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 190 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 190 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 170 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 180 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 200 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 180 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 200 oC, Phổ XRD mẫu xử lý 190 oC, 10 ... Luận án tiến sĩ mang tên ? ?Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)? ?? cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tơi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu Luận án hoàn toàn trung... tháng năm 2014 Nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ mang tên ? ?Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)? ?? cơng trình nghiên cứu Việt Nam... PHÁP NGHIÊN CỨU 45 3.1 Đối tượng nghiên cứu 45 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Công nghệ xử lý gỗ Keo tai tượng nhiệt độ cao; 45 3.1.2 Đối tượng nghiên cứu cụ