Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp axit boric và muối natri silicat đến một số tính chất của gỗ keo lai acacia hybrid chậm cháy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC - - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ VÀ NỒNG ĐỘ HỖN HỢP MUỐI NATRI SILICAT VÀ AXIT BORIC ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA GỖ KEO LAI CHẬM CHÁY” Họ tên: Nguyễn Xuân Quyền Lớp: K17 Cao học - Kỹ thuật máy & Cơng nghệ Gỗ, Giấy Khóa học: 2009 – 2012 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Bích Ngọc Hà Nội - 2012 ĐẶT VẤN ĐỀ Gỗ dạng vật liệu tự nhiên với nhiều thuộc tính quí sử dụng cho nhiều mục đích khác quốc phịng, giao thơng, dệt may, xây dựng, âm nhạc, thể thao, đồ mộc… Ngày nay, với phát triển kinh tế xã hội nhu cầu sử dụng sản phẩm từ gỗ ngày nhiều gỗ vật liệu có nhiều ưu điểm như: có vân thớ đẹp, dễ gia cơng chế biến, có khả tái tạo, tính chất cách điện cách âm tốt Mặc dù có nhiều ưu điểm vật liệu gỗ tồn mặt hạn chế vốn có như: dễ bị co rút, biến dạng gây nứt vỡ độ ẩm môi trường thay đổi, dễ bị côn trùng nấm mốc xâm hại khơng có biện pháp bảo quản đặc biệt gỗ dễ cháy độ ẩm thấp (độ ẩm sử dụng) - nguyên nhân làm hạn chế khả sử dụng vật liệu gỗ kiến trúc xây dựng Trong thời gian gần đây, nhiều cơng trình nghiên cứu biến tính gỗ quan tâm, với mục đích nâng cao hiệu sử dụng gỗ bao gồm cải thiện độ bền tự nhiên gỗ, độ bền học, khả chống cháy… Hiện nay, có nhiều loại hóa chất sử dụng để biến tính chống cháy cho gỗ hóa chất MAP, hóa chất hệ Bo…tuy nhiên hóa chất tồn số hạn chế ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý, rễ bị rửa trơi, gây ô nhiễm môi trường Một số hợp chất Silic Boron nghiên cứu xử lý gỗ giới cho có khả khắc phục hạn chế loại hóa chất trên, Việt Nam bước đầu nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá khả nâng cao tính chất gỗ bao gồm: độ bền tự nhiên với sinh vật hại gỗ, độ ổn định kích thước khả chống cháy Đề tài tập trung đánh giá ảnh hưởng việc xử lý gỗ Keo lai hỗn hợp boric axit natri silicate đến khả chống cháy số tính chất lý sau xử lý số tỷ lệ kết hợp Được trí trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam – Khoa đào tạo sau đại học, hướng dẫn TS Nguyễn Thị Bích Ngọc, tơi tiến hành thực đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tỷ lệ hỗn hợp axit boric muối natri silicat đến số tính chất gỗ keo lai (Acacia hybrid) chậm cháy” Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ Na2SiO3 H3BO3 Gỗ loại vật liệu tự nhiên, thân có nhiều ưu điểm, tồn khơng nhược điểm Những nhược điểm chủ yếu có tính hút ẩm, tính khơng ổn định kích thước, tính dị hướng, dễ bị mục, dễ cháy, màu sắc không đồng đều, cường độ khơng cao Mục đích biến tính gỗ thông qua loạt biện pháp xử lý hóa học, vật lý, sinh học để làm cải thiện nhược điểm mức độ khác nhau, gọi biện pháp xử lý nhằm cải thiện tính gỗ biến tính gỗ Như khái niệm biến tính gỗ rộng, tùy theo điều kiện thực tế cho phép, người ta áp dụng kết hợp số giải pháp tác động hóa học, vật lí, học, sinh học lên gỗ để đạt sản phẩm gỗ có đặc tính mong muốn Cơng nghệ biến tính gỗ bao hàm nhiều hoạt động chuyên ngành khác nhằm đạt mục tiêu làm thay đổi, giữ ngun nâng cao thuộc tính vốn có gỗ, mục tiêu đặt coi hình thức xử lý biến tính gỗ Cho đến liệt kê số hình thức xử lí biến tính sau: - Xử lí chống biến màu cho gỗ - Xử lí ổn định kích thước cho gỗ - Xử lí nâng cao độ bền học cho gỗ - Xử lí hóa mềm gỗ - Xử lí bảo quản cho gỗ (nâng cao độ bền tự nhiên gỗ) - Xử lí loại nhựa gỗ - Xử lí chậm cháy cho gỗ sản phẩm gỗ - Xử lí chống lão hóa cho gỗ - Nhựa hóa gỗ (polimer hóa gỗ) - Tạo vật liệu gỗ plastic (Wood plastic composite-WPC) Tương ứng với hình thức xử lí sản phẩm biến tính nêu kết hợp hai nhiều giải pháp vật lí, học, nhiệt hóa học khác nhằm tạo sản phẩm đáp ứng yêu cầu định sản xuất tiêu dùng Đề tài luận văn tập trung tìm hiểu, nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tỷ lệ hỗn hợp hóa chất H3BO3 (axit boric) Na2SiO3 (muối natri silicat) biến tính gỗ Keo lai (Acacia hybrid) sau xử lý 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Trong năm gần đây, cơng nghệ biến tính gỗ học, vật lý, hóa học, sinh học… phát triển mạnh mẽ, đặc biệt từ chuyển từ việc sử dụng gỗ rừng tự nhiên sang sử dụng gỗ mọc nhanh rừng trồng nhằm nâng cao độ bền tự nhiên, độ bền học khả chống cháy góp phần nâng cao giá trị sử dụng gỗ rừng trồng Cơng nghệ biến tính hóa học quan tâm nghiên cứu theo phương pháp khác Tuy nhiên, việc nghiên cứu xác định hóa chất dùng cơng nghệ biến tính gỗ nhằm thỏa mãn tiêu chí: nâng cao độ bền học, khả ổn định kích thước, khả chống cháy, khả bảo quản, không tác động xấu tới môi trường, công nghệ đơn giản, giá thành hợp lý… cịn tốn khó, cần tiếp tục nghiên cứu Do vậy, nghiên cứu xác định số loại hóa chất thích hợp cho cơng nghệ biến tính gỗ vấn đề nghiên cứu cần thiết, có giá trị khoa học thực tiễn Silicat vơ khoáng vật tồn phổ biến tự nhiên chiếm 27.5% lớp vỏ trái đất Ngày nay, silicat vật liệu quan trọng ngành công nghiệp Silicat đặc biệt muối natri silicat (Na2SiO3.nH2O) dùng làm tác nhân chống cháy cho vải từ lâu silicat bắt đầu quan tâm xử lý gỗ từ năm 1970 Nghiên cứu lắng đọng silica thơng qua q trình chuyển hóa sol - gel năm 90 kỷ trước việc kết hợp muối silica với axit HCl, H3BO3 Một nghiên cứu kỹ lưỡng công phu việc xử lý dung dịch muối silicat cho gỗ tác giả T Furuno Y Imamura Trong cơng trình dung dịch nước thủy tinh phối hợp với boron số muối vơ có khả tạo kết tủa với dung dịch silicat Gỗ sau tẩm đánh giá độ bền sinh học với mối nhà Cototermes formosanus Shiraki nấm mục Về thực nghiệm, gỗ giác Cryptomeria japonica D tẩm kép kỹ thuật khuếch tán 500C Bước đầu gỗ tẩm dung dịch thủy tinh bão hòa 24 giờ, bước gỗ tẩm dung dịch sol boron hòa 24 Gỗ gia nhiệt để thoát ẩm trước tiến hành thí nghiệm Kết xác định lượng hóa chất sâm nhập vào gỗ cho thấy với mẫu tẩm theo quy trình tẩm kép lượng hóa chất thấm vào gỗ đạt nằm khoảng 34 đến 52%, phương pháp tẩm đơn lượng hóa chất thấm vào gỗ đạt 2% Các kết tác giả cho có hình thành silica gỗ [31] Carsten Mai, Holger Militz (2003), “Biến tính gỗ hợp chất silicon Hợp chất vơ silicon hệ sol-gel” nghiên cứu nhóm chất silic hồn tồn làm tăng khả chống cháy cho gỗ, nhiên loại hóa chất kết hợp với số loại hóa chất với Bo, H3BO3, P2O5, B2O3, Na2O với SiO2 để tạo thành hệ gel có hiệu chống cháy tốt nhiều Hơn dung dịch axit silic tạo thành gel làm tăng cường tính chất gỗ, độ ổn định kích thước [19] Ergun Baysal, Mustafa Kemal Yalinkilic, Mustafa Altinok, Huseyin Peker, Mehmet Colak (2005), xử lý Wood polymer composite (WPC) hỗn hợp BoricBorax nồng độ 1%, sau đánh giá tính chất vật lý, học, sinh học khả chậm cháy gỗ qua xử lý Kết thu cho thấy, gỗ xử lý với hỗn hợp BB có khả chống loại nấm Tyromycetes palustris Coriolus versicolor, đồng thời khả chống cháy gỗ tăng, nhiên, hệ số chống trương nở ASE, độ bền uốn tĩnh, modun đàn hồi lại giảm [24] George C Chen (2009), “Xử lý bảo quản chống nấm cho gỗ Natri siilicat” đề tài sử dụng phương pháp tẩm kép để xử lý chống nấm mục cho nhóm gỗ Pinus taeda L Liqulamba styraciflua với độ ẩm 30% Tại bước tẩm ban đầu, mẫu gỗ tẩm dung dịch muối natri slilicat cấp nồng độ 10.5; 13.5, 16.5, 19.5 22,5% Ở bước tiếp theo, gỗ tiếp tục tẩm (hay axit hóa) dung dịch photphoric axit 2.5 5% Gỗ sau tẩm có pH khoảng 4-8 Với mẫu gỗ nghiên cứu khả hấp thụ ẩm làm tương tự loại bỏ cấp độ nồng độ lớn Gỗ sau tẩm xử lý nhiệt độ 1050C 24h Kết nghiên cứu đánh giá khả chống nấm mục nâu nấm mục trắng [21] Haruhyko Yamaguchi (2003), “Nghiên cứu khả bảo quản gỗ hỗn hợp Silicat axit Boric để chống chống mối chống cháy” kết nghiên cứu hỗn hợp Silicat & Boric tạo gel cố định gỗ, có tác dụng phịng chống mối khả chống cháy Kết phép đo thời gian cháy phát sáng giảm silicic axit bổ sung boron Lượng boron công thức tẩm lớn thời gian cháy phát sáng ngắn Đáng ý công thức mà boric phối hợp dạng dung dịch dung mơi methanol khơng có thời gian cháy phát sáng Một số dùng để đánh giá khả chống cháy gỗ mức độ bon hóa thể qua chiều dài phần than Lượng boric thêm vào gần khơng ảnh hưởng đến chiều dài than hóa mà làm giảm lượng khói sinh đốt [23] Jian Zhang Li đồng nghiệp nghiên cứu khả nâng cao tính chất chống cháy tính ổn định kích thước cho gỗ axetyl hóa Trong nghiên cứu này, giác gỗ Liriodendron tulipifera L sau axetyl hóa acetic anhydride tẩm chân khơng dung dịch muối silicat Kết nghiên cứu cho thấy độ ổn định kích thước giảm có mặt silica, mức độ giảm không đáng kể ASE (do hấp thụ ẩm hay hấp thụ nước) giảm hàm lượng Si sâm nhập vào gỗ tăng lên, ASE (%) giảm xuông 60% so với giá trị cực đại hút nước 70% Một hệ tương tự xử lý silicat, hiệu chống ẩm giảm Kết khảo nghiệm chống cháy nêu rõ bổ sung dung dịch muối Na2SiO3.nH2O hiệu chống cháy tăng lên rõ rệt Chỉ số oxy (oxygen index) tăng tới 35% lượng Si sâm nhập vào chiếm 16% so với khoảng 20% mẫu axetyl hóa [27] Qingwen Wang, Jian Li, Jerrold E.Winady (2004), nghiên cứu chế kháng cháy hỗn hợp Boric – Borax (hợp chất Boron thành phần nhiều chất chống cháy cho gỗ vật liệu nguồn gốc cellulose khác) Muối Borax có tác dụng hạn chế cháy có lại làm tăng cháy âm ỷ cháy lan tỏa Boric axit lại có tác dụng ngăn chặn cháy lan tỏa có tác dụng nhỏ việc hạn chế cháy có Chính vậy, kết hợp borax boric axit thường sử dụng hợp chất chống cháy [30,31,32] Takashi Kashiwaki cộng nghiên cứu chế làm chậm cháy gel silica/silica, nghiên cứu cho thấy tổn hao khối lượng gỗ giảm 20%, chế giảm tổn thất khối lượng trình vật lý pha đặc Sự tích lũy Silica hoạt động lớp bề mặt cô lập lớp làm cản trở q trình vận chuyển cháy cho lớp bề mặt [36] Zeki Candan, Nadir Ayrilmis, Turgay Akbulut, nghiên cứu khả ổn định kích thước ván định hướng (OSB) xử lý chậm cháy Ván OSB sản xuất từ gỗ Sồi, xử lý chậm cháy loại hợp chất Diammonium phosphate (DAM), Monoammonium phosphate (MAP), hỗn hợp Boric-Borax (1:1), Lime Water Nghiên cứu khả ổn định kích thước ván sau xử lý kiểm tra qua việc đánh giá tỉ lệ giãn dài (LE), tỉ lệ trương nở chiều dày (TS) cho thấy xử lý hỗn hợp Boric-Borax dẫn đến tỉ lệ giãn dài ván tăng, tỉ lệ trương nở chiều dày nhỏ mẫu không xử lý lại cao mẫu xử lý DMP, MAP [39] Sơ lược lịch sử nghiên cứu nước xử lý gỗ nâng cao khả chống cháy hợp chất Silic Boron cho thấy hợp chất Boron sử dụng thành phần số chất chống cháy sử dụng nhiều thực tiễn Bên cạnh đó, hợp chất Boron vừa có tác dụng phịng chống sinh vật gây hại lâm sản nên dùng để xử lý bảo quản gỗ Song gỗ tẩm hợp chất Boron lại có xu hướng hút ẩm cao đồng thời gỗ tẩm dễ bị rửa trôi sử dụng trời Các nghiên cứu xử lý gỗ hợp chất Silic kết hợp với Boron cho thấy hiệu chống cháy tăng lên, nâng cao độ bền tự nhiên, độ ổn định kích thước gỗ 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Rừng trồng nước ta trọng phát triển nhằm mục đích bảo vệ mơi trường sinh thái, cung cấp nguyên vật liệu gỗ cho nhu cầu sử dụng xã hội Vì gỗ rừng trồng sinh trưởng phát triển nhanh, nên gỗ thường có độ bền tự nhiên dễ bị tác nhân từ bên làm ánh hưởng giảm chất lượng gỗ tính chất Từ đó, nhà nghiên cứu tìm hiểu đưa biện pháp cải thiện chất lượng gỗ rừng trồng Q trình lắng đọng silica thơng qua chuyển hóa sol gel phịng bảo quản lâm sản – Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam sử dụng để xử lý loại gỗ Bồ đề Keo lai Kết khảo nghiệm với mối nhà Coptertomes formosanus Shiraki cho thấy silica khơng có khả nâng cao hiệu lực chống mối cho gỗ [10] Lê Trung Hiếu (2011), Hiệu lực phịng chống nấm mục, trùng hại gỗ bồ đề hỗn hợp muối Natri silicat axit boric Luận văn đánh giá hiệu lực muối Na2SiO3.10H2O, axit H3BO3 số hỗn hợp khác nấm mối theo công thức khác [5] Bùi Ngọc Nam (2012) luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xử lý gỗ rừng trồng hợp chất Silic Boron nhằm nâng cao ổn định kích thước khả chống cháy” Luận văn bước đầu nghiên cứu xử lý gỗ hợp chất Silic Boron theo công thức khác gỗ Keo lai Mỗi công thức tương ứng với hỗn hợp hóa chất bước đầu đánh giá khả chống cháy ảnh hưởng tới độ ổn định kích thước tới gỗ keo lai [8] TS Nguyễn Thị Bích Ngọc, Ths Nguyễn Duy Vượng (2011), “Tổng quan nghiên cứu nâng cao tính chất gỗ xử lý silicat”.Tác giả đưa số kết luận xử lý gỗ silicat qua trình sol gel Dung dịch sol gel tẩm vào gỗ giai đoạn đầu gỗ gia nhiệt để tạo gel giai đoạn Kết trình xử lý gỗ lắng đọng silica (nSiO2) ruột thành tế bào Sự lắng đọng silica giúp nâng cao số tính chất gỗ nâng cao độ bền tự nhiên, chống nấm mục sâm hại, tăng khả ổn định kích thước, tăng khả chống cháy [10] Nguyễn Đức Thành, Vũ Đình Thịnh, Nguyễn Xuân Hiên, xử lý chậm cháy cho gỗ Bạch đàn trắng (Ecalyptus camaldulensis Dehnh) dung dịch Natri silicat (NA2SIO3) Các tác giả tiến hành xử lý chống cháy cho gỗ Bạch đàn trắng dung dịch Na2SiO3 cấp nồng độ 10%, 15%, 20%, 25%, kết làm tăng khả chống cháy cho gỗ đưa gỗ Bạch đàn trắng từ vật liệu dễ cháy thành vật liệu khó bắt lửa, có khả ngăn cản cháy phát sáng (cháy có lửa) cháy lan tỏa [12] Sơ lược lịch sử nghiên cứu nước xử lý nâng cao chất lượng hợp chất Silic Boron cho thấy có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng hợp chất Boron để bảo quản gỗ phòng chống sinh vật gây hại phòng chống cháy cho gỗ sản phẩm gỗ Chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng hợp chất Silic để xử lý chống cháy cho gỗ rừng trồng Việt Nam 1.2 Xử lý gỗ silica gel Gỗ loại vật liệu tự nhiên ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp dân dụng nhờ tính chất vật lý quý báu Ngày nay, gỗ rừng tự nhiên với độ bền tự nhiên, độ bền học bị khai thác mức, thay vào gỗ rừng trồng loài mọc nhanh trở thành nguồn nguyên liệu đáp ứng nhu cầu sử dụng Gỗ rừng trồng có số hạn chế đưa vào sử dung độ bền tự nhiên, độ bền học kém, khả hấp thụ nước cao, dễ bị cong vênh nứt vỡ, gỗ rừng trồng loại gỗ dễ cháy Để khắc phục số nhược điểm tồn gỗ rừng trồng, số loại hóa chất sử dụng để biến tính nhằm cải thiện nhược điểm gỗ rừng trồng Trong năm gần kỹ thuật xử lý gỗ có bước phát triển nhanh chóng, ngồi việc nâng cao độ bền tự nhiên nhiều tính chất khác quan tâm ý để mở rộng phạm vi sử dụng vật liệu gỗ đời sống Kỹ thuật xử lý gỗ silicat chủ đề nghiên cứu quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu giới, bắt đầu nghiên cứu Việt Nam 1.2.1 Silica gel Silica gel hay gel axit silixic chất sẵn có tự nhiên, hợp chất hóa học trơ, có cực Silica gel thực chất dạng SiO2 vơ định hình, dạng hạt cứng xốp (có vơ số khoang rỗng li ti hạt) Cơng thức hóa học đơn giản SiO2.nH2O (n