2.1.1. Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Công nghệ x lý thủy - nhiệt gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) bằng thiết bị (Sumpot ) của Trung tâm Thí nghiệm và Phát triển công nghệ - Viện Công nghiệp gỗ - Trƣờng Đại học Lâm nghiệp.
2.1.2. Đối tượng nghiên cứu cụ thể:
Thông qua hai biến số công nghệ là nhiệt độ và thời gian x lý đƣợc bố trí theo quy hoạch thực nghiệm, trong luận án cụ thể các đối tƣợng nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của x lý thủy - nhiệt đến tính chất cơ học, vật lý và tính chất công nghệ.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng phƣơng pháp x lý thủy – nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt đến cấu tạo (SEM), thành phần hóa học cơ bản của gỗ Bạch đàn.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của x lý thủy – nhiệt đến cấu trúc hóa học (XRD, FTIR) của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thuỷ - nhiệt.
- Nghiên cứu, đề xuất thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) phù hợp của x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn trong điều kiện, biến số của luận án.
2.2. Phạm vi nghiên cứu
2.2.1. Các yếu tố cố định
- Nguyên vật liệu nghiên cứu:
+ Gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake), tuổi từ 10 - 15 năm. + Gỗ xẻ có kích thƣớc mẫu x lý thủy - nhiệt: 25 x (40 đến 100) x 600, mm. + Độ ẩm của gỗ trƣớc khi x lý: MC = 25 đến 30 %.
+ Độ ẩm của gỗ sau khi x lý (sấy hoặc hong phơi tự nhiên): MC = 12% - Phƣơng pháp x lý: X lý thủy - nhiệt
- Quá trình x lý thủy - nhiệt: Trong luận án chúng tôi lựa chọn quy trình x lý thủy - nhiệt với 2 giai đoạn gồm giai đoạn x lý thủy - nhiệt (Hydrothermal Treatment) và sấy gỗ (đa tụ - Curing). Kết thúc mẫu đƣợc làm nguội tự nhiên trong môi trƣờng.
+ Nhiệt độ và thời gian trong giai đoạn x lý thủy - nhiệt (giai đoạn 1): tham khảo các tài liệu liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu, và căn cứ vào nhiệt độ phân hủy và nóng chảy của các thành phần chứa trong gỗ chúng tôi lựa chọn khoảng nhiệt độ x lý thủy - nhiệt (T) từ 120 đến 2000
C và thời gian ( ) từ 1 giờ đến 5 giờ là biến chạy của luận án cho loại gỗ cụ thể là Bạch đàn.
+ Thời gian và nhiệt độ trong giai đoạn sấy (đa tụ - giai đoạn 2): căn cứ vào một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc và quá trình thực nghiệm thăm dò, chúng tôi lựa chọn, cố định: nhiệt độ (1400C) và thời gian (3 giờ) là chế độ cho quá trình sấy đa tụ của giai đoạn 2 trong quá trình x lý thuỷ - nhiệt ở các chế độ x lý.
- Thiết bị x lý thủy - nhiệt: Thiết bị (Sumpot ) của Trung tâm thí nghiệm và Phát triển công nghệ - Viện Công nghiệp gỗ - Trƣờng Đại học Lâm nghiệp.
2.2.2. Các yếu tố thay đổi
Thay đổi các chế độ x lý theo mô hình quy hoạch thực nghiệm để xác lập mối tƣơng quan giữa nhiệt độ, thời gian x lý tới chất lƣợng gỗ x lý. Từ đó làm cơ sở đánh giá chất lƣợng x lý thông qua các tiêu chuẩn. Cụ thể nhƣ sau:
- Nhiệt độ (T): 120; 140; 160; 180 và 200 (oC). - Thời gian ( ): 1; 2; 3; 4 và 5 (giờ).
X lý thủy - nhiệt gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Gỗ đƣợc x lý trong môi trƣờng nƣớc ở nhiệt độ cao làm hòa tan một số chất chiết xuất, phá hủy hemixenlulo, tiền phân hủy lignin và xenlulo.
Giai đoạn 2: Gỗ sau khi x lý trong môi trƣờng nƣớc, để ráo rồi tiến hành sấy. Khi đó các chất bị tan trong giai đoạn 1 đƣợc đa tụ lại hình thành cấu trúc mới hình thành trong trong gỗ.
2.3. Mục tiêu của Luận án
2.3.1. Mục tiêu lý thuyết
- Bƣớc đầu đóng góp cơ sở khoa học và thực ti n về công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) nhằm cải thiện một số tính chất và nâng cao hiệu quả s dụng gỗ.
- Xác định đƣợc mối quan hệ giữa chế độ x lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) đến chất lƣợng của gỗ nói chung và gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) nói riêng, thông qua việc xác định tính chất cơ học, vật lý và tính chất công nghệ, sự thay đổi về cấu tạo, cấu trúc hóa học và thành phần hóa học cơ bản của gỗ.
2.3.2. Mục tiêu thực tiễn
- Xác định đƣợc sự ảnh hƣởng của thông số chế độ x lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) đến chất lƣợng gỗ Bạch đàn.
- Đề xuất đƣợc thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) hợp lý cho gỗ Bạch đàn trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam.
2.4. Nội dung nghiên cứu
-. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt đến tính ổn định kích thƣớc, tính chất cơ học, vật lý gỗ Bạch đàn.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt của gỗ Bạch đàn đến tính chất công nghệ (kéo trƣợt màng keo, khả năng bong tách màng keo và độ nhám bề mặt).
- Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt đến sự biến đổi về cấu tạo, thành phần hóa học cơ bản và cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thuỷ - nhiệt.
- Phân tích, đánh giá kết quả và đề xuất thông số công nghệ phù hợp của x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn.
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.5.1. Phương pháp kế thừa: S dụng và liệt kế các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nƣớc, các tài liệu nghiên cứu đã đƣợc công bố trƣớc đó mà các tổ chức có thẩm quyền công nhận liên quan đến x lý nhiệt nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng với các thông số nhiệt độ và thời gian, cơ chế biến đổi gỗ trong x lý nhiệt để phân tích, đánh giá các những luận điểm mới đã và đang nghiên cứu hiện nay trong nƣớc và trên thế giới từ đó rút ra những hƣớng nghiên cứu chƣa đƣợc đề cập và tồn tại để làm rõ về công nghệ x lý nhiệt và thủy nhiệt, nhằm áp dụng công nghệ, thiết bị và nguyên liệu phù hợp với thực thế tại Việt Nam.
2.5.2. Phương pháp thực nghiệm:
Tiến hành tính toán thực nghiệm trên các đối tƣợng nghiên cứu, xây dựng các sơ đồ công nghệ x lý thủy – nhiệt trong điều kiện trang thiết bị và nguyên liệu trong điều kiện hiện tại, đƣợc mô hình hóa bằng sơ đồ công nghệ sau:
Thực nghiệm tạo mẫu gỗ x lý thủy - nhiệt đƣợc tiến hành theo mô hình quy hoạch thực nghiệm để xác lập mối tƣơng quan giữa nhiệt độ, thời gian x lý tới chất lƣợng gỗ x lý. Kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm đƣợc x lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện và chế biến nông sản.
Phƣơng pháp nghiên cứu theo quy hoạch thực nghiệm là phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm tiên tiến. Nội dung của phƣơng pháp này là xác định ảnh hƣởng của một số yếu tố đầu vào (biến số) tới tham số đầu ra của quá trình nghiên cứu. Các tham số đầu ra đƣợc ký hiệu là Yi và các yếu tố đầu vào (tác nhân gây ảnh hƣởng) đƣợc ký hiệu là Xi. Đây là các yếu tố có thể đƣợc lƣợng hoá, đo đếm và điều khiển đƣợc. Đối với các tham số đầu ra, nếu không biết trƣớc dạng biến thiên của nó thì cần thực hiện từ quy hoạch thực nghiệm bậc nhất, sau đó kiểm tra mô hình thu đƣợc bằng các tiêu chuẩn thống kê, nếu không phù hợp thì chuyển sang quy hoạch thực nghiệm bậc hai hoặc các dạng quy hoạch khác phù hợp hơn [1],[7].
Sơ quy tr nh thực nghiệm trong Luận án ƣợc mô tả theo sơ h nh 2.1
Hình 2.1. Sơ tổng quát quá tr nh nghiên cứu thực nghiệm của Luận án
Thiết bị x lý thủy - nhiệt (Sumpot)
Giai oạn 1: X lý thủy - nhiệt (nhiệt độ, thời gian)
Mẫu gỗ thí nghiệm (Bạch đàn Uro)
Làm nguội tự nhiên (nhiệt độ môi trƣờng)
Giai oạn 2: Sấy đa tụ (nhiệt độ duy trì: 1400C, thời gian duy trì: 3 giờ );
độ ẩm gỗ: 12%.
Kiểm tra tính chất gỗ x lý và đối chứng
Tính chất vật lý; Tính chất cơ học.; Tính chất công nghệ; Cấu tạo hiển vi: Chụp ảnh SEM; Thành phần hóa học cơ bản; Phân tích phổ FTIR; Phân tích phổ XRD.
Mẫu gỗ Bạch đàn Uro x lý thủy – nhiệt (nhiệt độ (T): 2000
C và thời gian ( ): 3 giờ). Mẫu gỗ Bạch đàn Uro x lý thủy
– nhiệt (nhiệt độ (T): 1200
C và thời gian ( ): 3 giờ). Mẫu gỗ Bạch đàn Uro x lý thủy
– nhiệt (nhiệt độ (T): 1400
C và thời gian ( ): 2 và 4 giờ). Mẫu gỗ Bạch đàn Uro x lý thủy
– nhiệt (nhiệt độ (T): 1600
C và thời gian ( ): 1 giờ; 3 và 5 giờ). Mẫu gỗ Bạch đàn Uro x lý thủy
– nhiệt (nhiệt độ (T): 1800
C và thời gian ( ): 2 và 4 giờ). Mẫu gỗ Bạch đàn Uro chƣa x lý
Trong luận án này, qua tham khảo các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố và căn cứ vào thí nghiệm thăm dò đơn yếu tố, chúng ta có thể dự đoán đƣợc dạng biến thiên của yếu tố Yi theo Xi trong miền thực nghiệm có dạng bậc hai. Có nghĩa là chúng ta chủ động lựa chọn mô hình tƣơng quan, thông qua kết quả thí nghiệm kiểm tra các điều kiện về sự đồng nhất của các phƣơng sai, ý nghĩa của các hệ số của mô hình và sự tƣơng thích của mô hình. Từ đó, khẳng định sự tồn tại, tƣơng thích của mô hình tƣơng quan.
Phƣơng trình tƣơng quan bậc hai có dạng:
n i n i n i j i ij i ix b xx b b Y 1 1 1 0 (2.1)
Hiện nay có nhiều dạng kế hoạch thực nghiệm bậc hai nhƣ: kế hoạch Keeferi J; kế hoạch trực giao; Box Wilson; kế hoạch H.O Harley [7]. Tuỳ theo yêu cầu của thí nghiệm và số yếu tố ảnh hƣởng mà lựa chọn kế hoạch thực nghiệm cho phù hợp.
Số lƣợng thí nghiệm đƣợc tính theo công thức:
N = N1 + N + N0 (2.2)
Trong đó: N1 - các thí nghiệm phần nhân (N1 = 2n);
N - các thí nghiệm phần mở rộng (N = 2.n); N0 - các thí nghiệm ở tâm (N0 =1);
N - số yếu tố ảnh hƣởng.
Tay đòn điểm sao là khoảng cách từ tâm thí nghiệm tới các điểm sao đƣợc tính theo công thức sau:
2np22np2n12np1 (2.3) Trong đó: n - số yếu tố ảnh hƣởng;
p - số yếu tố rút gọn.
Ma trận thực nghiệm: Ma trận thực nghiệm với quy hoạch thực nghiệm bậc hai là một bảng bao gồm các giá trị yếu tố ảnh hƣởng đƣợc mã hoá dƣới dạng toạ độ: +1, - 1, 0, +, - với số hàng bằng số thí nghiệm N, số cột bằng số yếu tố ảnh hƣởng và tổ hợp chập đôi của chúng.
X lý kết quả thí nghiệm: Tƣơng tự nhƣ quy hoạch thực nghiệm bậc nhất, số liệu thực nghiệm và các hệ số của phƣơng trình hồi quy thu đƣợc phải đƣợc kiểm tra theo
những tiêu chuẩn thống kê. Theo kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao các hệ số của phƣơng trình hồi quy đƣợc tính bằng các công thức sau [1],[7]:
N u n i N u u iu u k x y y k b 1 1 1 2 2 1 0 . (2.4) N u u iu i k x Y b 1 3 (2.5) N u u ju iu ij k x x y b 1 4 (2.6) N u n i N u N u u u iu u iu ii k x y k x y k y b 1 1 1 1 2 2 6 2 5 (2.7) Trong phần mềm OPT, các hệ số: k1; k2; k3; k4; k5; k6 đã đƣợc tính sẵn nhờ đó, các hệ số b0; bi; bii; bij và mô hình toán học đƣợc xác định.
Tính đồng nhất của các phƣơng sai đƣợc kiểm tra theo tiêu chuẩn Kohren, phƣơng sai đồng nhất khi và chỉ khi thoả mãn điều kiện:
Gp Gb (2.8)
Trong đó: Gp - giá trị tính toán; Gb - giá trị tra bảng.
Ý nghĩa của các hệ số hồi quy b0; bi; bii; bij đƣợc kiểm tra theo tiêu chuẩn Student, các hệ số của phƣơng trình hồi quy có ý nghĩa khi:
bi t.Sbi hoặc T tb (2.9)
Trong đó: T - giá trị tính toán; tb - giá trị tra bảng
Tính tƣơng thích của mô hình toán học đƣợc kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher, mô hình đƣợc xem là tƣơng thích khi:
Fp Fb (2.10)
Trong đó: Fp - giá trị tính toán; Fb - giá trị Fisher tra bảng.
Trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, trong luận án này, chúng tôi áp dụng kế hoạch thực nghiệm trung tâm hợp thành trực giao với các yếu tố đầy đủ để xác định sự ảnh hƣởng của 2 yếu tố nhiệt độ và thời gian x lý đến chất lƣợng gỗ Bạch đàn Uro. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai đƣợc thực hiện ở các mức: Mức trên (+1); mức dƣới (-1); mức trung gian (0); và các mức sao mở rộng (+) , (-). Do đó, ta có bảng
thực nghiệm theo phần mềm x lý OPT nhƣ ở bảng 2.1. Trong đó, có 9 thí nghiệm phải thực hiện và mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần.
Bảng 2.1. Bảng kế hoạch thực nghiệm
STT X1 X2 Y1 Y2 Y3 Ghi chú
1 -1 -1 Y11 Y21 Y31
Nhân của quy hoạch 2 1 -1 Y12 Y22 Y32 3 -1 1 Y13 Y23 Y33 4 1 1 Y14 Y24 Y34 5 - 0 Y15 Y25 Y35 Các điểm sao (phần mở rộng) 6 + 0 Y16 Y26 Y36 7 0 - Y17 Y27 Y37 8 0 + Y18 Y28 Y38
9 0 0 Y19 Y29 Y39 Tâm quy hoạch
Ở đây, X1 là biến nhiệt độ với các trị số đƣợc mã hoá -1, 0, +1 tƣơng đƣơng với các giá trị thực là 1200
C, 1400C, 1600C, 1800C và 2000C; X2 là biến thời gian với các trị số đƣợc mã hoá -, -1, 0, +1, + tƣơng đƣơng với các giá trị thực là 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ và 5 giờ ; Y là các yếu tố bị ảnh hƣởng (các tính chất của gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt) mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần, do đó sẽ có 3 giá trị của Y là Y1, Y2 và Y3.
Số lần lặp của mỗi thí nghiệm có thể đƣợc tính theo công thức 2.11 nhƣ sau:
2 2 2 . V K (2.11)
Trong đó: K - số lần lặp lại; V - hệ số biến động (S%); - độ tin cậy của phép đo, tra bảng III [1]; - sai số phép đo (%).
Nhƣ vậy, trong luận án này, chúng tôi sẽ tiến hành thực nghiệm theo các mức và ma trận thực nghiệm nhƣ ở bảng 2.2 và 2.3.
Bảng 2.2. Mức, bƣớc thay ổi các biến số Các mức Giá trị mã Giá trị thực X1 (0C) X2 (giờ) Mức mở rộng trên + 200 5 Mức trên +1 180 4 Mức giữa 0 160 3 Mức dƣới -1 140 2 Mức mở rộng dƣới - 120 1
Bảng 2.3. Ma trận quy hoạch thực nghiệm
STT Dạng mã Dạng thực
X1 X2 Nhiệt ộ (0C) Thời gian (giờ)
1 -1 -1 140 2 2 +1 -1 180 2 3 -1 +1 140 4 4 +1 +1 180 4 5 - 0 120 3 6 + 0 200 3 7 0 - 160 1 8 0 + 160 5 9 0 0 160 3
2.5.3. Phương pháp đánh giá chất lượng và sử dụng tiêu chuẩn kiểm tra: S dụng các tiêu chuẩn đã đƣợc công bố thông qua kết quả thực nghiệm để so sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm.
a) Tính chất vật lý của gỗ Bạch đàn Uro được xử lý thuỷ – nhiệt
* Khối lƣợng thể tích:Kiểm tra theo tiêu chuẩn: TCVN 8048-2: 2009. Công thức xác định: 0 0 V m K , g/cm3 (2.12)
Trong đó: K - khối lƣợng thể tích gỗ khô kiệt, g/cm3; m0 - khối lƣợng gỗ khô kiệt, g;
V0 - thể tích gỗ khô, cm3.
* Hệ số chống trƣơng nở (ASE):Kiểm tra theo tiêu chuẩn: ASTM D 4446-08. Công thức xác định: % 100 ) ( ) ( ) ( ) ( v a v a v a v ASE c t c , % (2.13)
Trong đó: ASE - hệ số chống trƣơng nở, %;