gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt
Nghiên cứu ứng dụng của các kỹ thuật nói chung và Công nghệ Chế biến lâm sản nói riêng, việc xác định thông số công nghệ của quá trình nghiên cứu có ý quan trọng quyết định sự thành công của sản phẩm. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, tác giả dùng kỹ thuật máy tính để thiết lập các phƣơng trình tƣơng ứng với từng tính chất thông qua kết quả thông qua thực nghiệm, kiểm tra và xác định; Dùng phƣơng pháp chuyên gia phân tích, xây dựng và chia các trọng số của kết quả nghiên cứu hai biến số là nhiệt độ, thời gian theo bảng 4.18.
Bảng 4.18. Chia trọng số các tính chất TT Tính chất Trọng số theo nhóm Trọng số 1 ASE Vật lý 1/2 2/3 6/18 2 WRE 1/3 2/3 2/18 3 KLTT 1/3 1/18 4 ĐBUT Cơ học 1/2 2/3 1/2 3/18 5 ND 1/2 1/3 1/18 6 NN-TT 1/3 1/18 7 NN- XT 1/3 1/18
8 ĐNBM Công nghệ 1/3 1/3 1/18 9 KTMK 1/3 1/18 10 BTMK 1/3 1/18
Các bƣớc để xác định miền thông số công nghệ phù hợp cho x lý thủy nhiệt gỗ Bạch đàn trong điều kiện thực nghiệm theo các chỉ tiêu về tính chất cơ học, vật lý và tính chất công nghệ đƣợc thực hiện nhƣ sau:
Bƣớc 1: Xác định hàm mục tiêu và trọng số ƣu tiên của từng hàm.
Trong luận án, các hàm số mục tiêu tham gia tính toán đƣợc xác định đƣợc trình bày ở phần (1), gồm các phƣơng trình từ 4.2b đến 4.10b.
Bằng phƣơng pháp chuyên gia, các hàm mục tiêu này đƣợc phân thành 3 nhóm: nhóm tính chất cơ học, nhóm tính chất vật lý và nhóm tính chất gia công của gỗ. Các giá trị trọng số ƣu tiên (gia quyền) đƣợc xác định nhƣ ở bảng 4.18.
Bƣớc 2: Triệt tiêu thứ nguyên của các hàm mục tiêu. Bƣớc 3: Đồng nhất mục tiêu.
Bƣớc 4: Xây dựng phƣơng trình mục tiêu tổng hợp.
Bƣớc 5: Xác định giá trị và miền phù hợp theo phƣơng trình tổng hợp.
(1) Các phương trình dạng thực của các tính chất tham gia giải tối ưu gồm:
- Khối lƣợng thể tích (KLTT):
Y= 1,208 - 0,0068T + 0,0000165T2 + 0,011τ - 0,000085Tτ - 0,0005τ2 (4.1b). - Hệ số chống trƣơng nở (ASE):
Y= - 49,4679 + 0,80722T - 0,001783T2 + 0,6872τ - 0,00054Tτ + 0,0463τ2(4.2b). - Hiệu suất chống hút nƣớc (WRE):
Y= 46,685 - 0,643T + 0,00295T2 - 1,071τ + 0,0168Tτ - 0,005τ2 (4.3b). - Độ bền uốn tĩnh (ĐBUT):
Y= 39,121 + 1,441T - 0,0071T2 - 3,843τ + 0,00892Tτ - 0,15τ2
- Độ bền nén dọc thớ (ND):
Y= 47,3142 + 0,48898T - 0,0025T2 + 0,32τ - 0,0166Tτ + 0,104τ2
(4.5b). - Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm(NN-XT):
Y= 5,414 + 0,100125T - 0,00055T2 - 0,1564τ + 0,00079Tτ - 0,039τ2 (4.6b). - Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (NN-TT):
Y= 6,7894 + 0,04898T - 0,0003018T2 - 0,03304τ + 0,0015Tτ - 0,0215τ2 (4.7b). - Độ nhám bề mặt (ĐNBM): Y= 471,101 - 4,0892T + 0,01105T2 - 14,977τ + 0,01838Tτ + 1,5227τ2 (4.8b). - Độ bền kéo trƣợt màng keo (KTMK): Y= - 11,5747 + 0,27958T - 0,00106T2 - 0,5177τ + 0,00275Tτ - 0,0526τ2 (4.9b). - Độ bong tách màng keo (BTMK): Y= 63,2241 - 0,7816T + 0,00328T2 + 1,131τ - 0,004Tτ + 0,0817τ2 (4.10b).
(2) Triệt tiêu thứ nguyên của các tính chất:
Mục đích của việc triệt tiêu thứ nguyên của các tính chất là để đƣa các tích chất (vật lý, cơ học và công nghệ) thành các trị số và không có thứ nguyên. Sau khi triệt tiêu thứ nguyên các giá trị của các tinh chất biến động từ 0 đến 100.
Công thức triệt tiêu thứ nguyên:
Y – min
∆/100
Trong đó: - Y là hàm số dạng thực của các tính chất; - ∆ là khoảng biến động (∆ = max - min).
Ta đƣợc phƣơng trình của các tính chất nhƣ sau: - Hệ số chống trƣơng nở(ASE):
- Hiệu suất chống hút nƣớc (WRE): Y= 118,813 - 2,3415T + 0,01074T2 - 3,9τ + 0,06131Tτ - 0,0175τ2 (4.12). - Khối lƣợng thể tích (KLTT): Y= 569,311 - 5,267T + 0,01277T2 + 8,51393τ - 0,0658Tτ - 0,387τ2 (4.13). - Độ bền uốn tĩnh (ĐBUT): Y= - 4,211 + 2,33446T - 0,0115T2 - 6,2256τ + 0,01444Tτ - 0,2432τ2 (4.14). - Độ bền nén dọc thớ (ND): Y= 36,1791 + 1,66193T - 0,0087T2 + 1,0876τ - 0,0565Tτ + 0,35449τ2 (4.15). - Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (NN-TT):
Y= 67,9361 + 1,41436T - 0,0087T2 - 9,5417τ + 0,04332Tτ - 0,6209τ2 (4.16). - Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm(NN-XT):
Y= 33,4724 + 1,83168T - 0,0101T2 - 2,8612τ + 0,01445Tτ - 0,7208τ2 (4.17). - Độ nhám bề mặt (ĐNBM): Y= 899,851 - 9,1876T + 0,02482T2 - 33,65τ + 0,04128Tτ + 3,42119τ2 (4.18). - Độ bền kéo trƣợt màng keo (KTMK): Y= - 285,97 + 5,93815T - 0,0226T2 - 10,996τ + 0,05841Tτ - 1,1172τ2 (4.19). - Độ bong tách màng keo (BTMK): Y= 235,937 - 4,0525T + 0,017T2 + 5,86433τ - 0,0205Tτ + 0,42362τ2 (4.20). (3) Đồng nhất mục tiêu:
Việc giải bài toán tối ƣu mà các hàn số tham dự phải cùng một mục tiêu, hay nói cách khác là các giá trị của các tính chất phải cùng chiều với chất lƣợng sản phẩm. Trong nghiên cứu của luận án này các giá trị của các tính chất càng cao thì chất lƣợng sản phẩm càng tốt. Tuy nhiên, một số giá trị của các tính chất thì ngƣợc lại, giá trị của
các tính càng cao chất lƣợng sản phẩm càng giảm cụ thể giá trị của độ nhám bề mặt, bong tách màng keo. Vì thế, ta tiến hành nghịch đảo hàm số là nhân các hệ số trong phƣơng trình của chúng với -1 để hàm số cùng chiều và đồng mục tiêu với các hàm số khác mới tiến hành giải bài toán.
Từ đó ta nghịch đảo hệ số của hai phƣơng trình của độ nhám bề mặt và bong tách màng keo đƣợc hai phƣơng trình sau:
- Độ nhám bề mặt (ĐNBM): Y= -899,851 + 9,1876T - 0,02482T2 + 33,65τ - 0,04128Tτ - 3,42119τ2 (4.21). - Độ bong tách màng keo (BTMK): Y= -235,937 + 4,0525T - 0,017T2 - 5,86433τ + 0,0205Tτ - 0,42362τ2 (4.22).
(4) Nhân các trọng số gia quyền:
Sau khi nghịch đào các hàn số để các hàm số tham gia giải bài bài toán tối ƣu cùng chiều với nhau. Sau đó, ta nhân các trọng số tƣơng ứng (bảng 4.18) vào các hàm số của các tính chất ta đƣợc hệ các phƣơng trình (4.23) nhƣ sau:
YASE = - 2570,9 + 27,5001T - 0,0608T2 + 23,4113τ - 0,0184Tτ + 1,57733τ2 ; YWRE = 237,625 - 4,683T + 0,02148T2 - 7,8τ + 0,12262Tτ - 0,035τ2 ; YKLTT = 569,311 - 5,267T + 0,01277T2 + 8,51393τ - 0,0658Tτ - 0,387τ2 ; YĐNUT = - 12,633 + 7,00337T - 0,0346T2 - 18,677τ + 0,04333Tτ - 0,7295τ2 ; YND = 36,1791 + 1,66193T - 0,0087T2 + 1,0876τ - 0,0565Tτ - 0,35449τ2 ; (4.23). YNN-TT = 67,9361 + 1,41436T - 0,0087T2 - 9,5417τ + 0,04332Tτ - 0,6209τ2 ; YNN-XT = 33,4724 + 1,83168T - 0,0101T2 - 2,8612τ + 0,01445Tτ - 0,7208τ2 ; YĐNBM = - 899,85 + 9,18759T - 0,0248T2 + 33,6502τ - 0,0413Tτ - 3,4212τ2 ; YKTMK = - 285,97 + 5,93815T - 0,0226T2 - 10,996τ + 0,05841Tτ - 1,1172τ2 ; YNN-XT = - 235,94 + 4,05248T - 0,017T2 - 5,8643τ + 0,02053Tτ - 0,4236τ2 . (5) Phương trình tổng hợp:
Tổng hợp các phƣơng trình trên ta đƣợc phƣơng trình tổng hợp từ hệ phƣơng trình trên, ta có:
YTH = - 3060,78 + 48,64T - 0,15T2 + 10,92τ + 0,12Tτ - 5,52τ2 (4.24). Giải phƣơng trình tổng hợp (4.24) các tính chất (vật lý, cơ học và công nghệ) với các điều kiện của hàm mục tiêu, kết quả thu đƣợc nhƣ sau:
- Nhiệt độ: T = 160,28oC - Thời gian: τ = 2,74 h 120 130 140 150 160 170 180 190 200 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 1 1,5 2 2,53 3,54 4,5 5 Nhiệt độ Trị số Thời gian
VÙNG PHÙ HỢP CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
THỦY NHIỆT GỖ BẠCH ĐÀN URO 840-860
820-840 800-820 780-800 760-780 740-760 720-740 700-720 680-700 660-680 640-660 620-640 600-620 580-600 560-580
Hình 4.34. Biểu tính toán vùng thông số công nghệ hợp lý
Ở hình 4.34, căn cứ vào kết quả xác định các tính chất cơ học, vật lý và công nghệ của gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt, tác giả đặt các trọng số ƣu tiên để phù hợp với mục đích định hƣớng s dụng sản phẩm, cụ thể định hƣớng s dụng sản phẩm của luận án là gỗ x lý làm đồ mộc nhƣ khung, khuôn c a, bậc cầu thang và các sản phẩm ngoài trời,… Vì thế, ƣu tiên tính ổn định kích thƣớc (hệ số chống trƣơng nở (ASE), hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) và còn lại là các trọng số phụ. Tiến hành giải bài toán tối ƣu để xây dựng các vùng trị số tƣơng ứng với kết quả của từng tính chất tƣơng ứng đã cho đồ
thị hình 4.34. Từ đó, xây dựng đƣợc biểu đồ biểu di n vùng phù hợp của thông số công nghệ phù hợp với các biến số trong luận án.
4.6.2. Phân tích đánh giá chỉ tiêu như màu s c, thành ph n hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu trúc gỗ Bạch đàn được xử lý thủy - nhiệt
S dụng phƣơng pháp chuyên gia phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu đối với các chỉ tiêu nhƣ màu sắc, thành phần hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu trúc gỗ Bạch đàn x lý thủy – nhiệt, cụ thể nhƣ sau:
- Đối với sự biến đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt: căn cứ vào kết quả nghiên về sự biến đổi màu sắc (bảng 4.13) và biến màu tự nhiên (bảng 4.14) cho thấy ở các chế độ nhiệt độ và thời gian (160-3; 160-5; 180-2; 180-4; 200-3) thì không biến màu tự nhiên (ΔE*≤ 3)
- Đối với cấu tạo siêu hiển vi (SEM) thì ở chế độ 200-3 đã có sự thay đổi về hình dạng của tế bào, lỗ thông ngang đã bị phá hủy (hình 4.20).
- Đối với thành phần hóa học cơ bản: ở các nhiệt độ 1200C đến 1800C hàm lƣợng xenlulo không giảm và giảm không đáng kể. Nhƣng ở chế độ nhiệt độ 2000
C và thời gian 3 giờ thì hàm lƣợng xenlulo giảm rõ rệt ảnh hƣởng mạnh đến tính chất cơ học, vật lý và công nghệ.
- Cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy - nhiệt đã có sự thay đổi thông qua kiểm tra phổ hồng ngoại FTIR (hình 4.28, hình 4.29 và hình 4.30) đặc trƣng cho đỉnh peak của nhóm –OH làm tăng tính ổn định kích thƣớc. Bên cạnh đó, phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) ở các chế độ khác nhau đã làm thay đổi cấu trúc hóa học của xenlulo sẽ ảnh hƣởng đến độ kết tinh của xenlulo trong gỗ (hình 4.33), theo kết quả cho thấy độ kết tinh ảnh hƣởng không nhiều. Đặc biệt là ở chế độ 1600C và thời gian 3 giờ thì độ kết tinh ảnh hƣởng thấp nhất.
Từ kết quả giải tối ƣu của các tính chất vật lý, cơ học và công nghệ ở mục 4.6.1, chƣơng 4 và những luận cứ phân tích kết quả ở mục 4.6.2, chƣơng 4, tác giả đề xuất biến số phù hợp của thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn trong phạm vi nghiên cứu của luận án là nhiệt độ (T = 1600C) và thời gian (τ = 3 giờ).
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận
Qua các kết quả nghiên cứu của Luận án về ảnh hƣởng chế độ x lý thuỷ - nhiệt đến chất lƣợng của gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) thông qua thông số chế độ x lý nhiệt độ và thời gian, chúng tôi đi đến một số kết luận nhƣ sau:
1. Xác định được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến một số tính chất vật lý của gỗ Bạch đàn
- Khối lƣợng thể tích của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thuỷ- nhiệt giảm 23,30% so với mẫu chƣa x lý.
- Hệ số chống trƣơng nở ASE tăng dần từ 23,92% đến 41,11% khi nhiệt độ và thời gian x lý tăng.
- Hiệu suất chống hút nƣớc WRE tăng dần từ 14,42% đến 42,92% khi nhiệt độ và thời gian x lý tăng.
2. Xác định được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy – nhiệt đến một số tính chất cơ học của gỗ Bạch đàn
- Độ bền uốn tĩnh của gỗ Bạch đàn đã x lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chƣa x lý giảm từ 105,83 MPa còn 35,34 MPa (giảm 66,6% so với mẫu chƣa x lý) và giảm dần ở các chế độ x lý khi nhiệt độ và thời gia tăng.
- Độ bền nén dọc thớ (COM//) gỗ Bạch đàn đã x lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chƣa x lý giảm từ 68,15 MPa còn 35,22 MPa (giảm 48,32% so với mẫu chƣa x lý) và giảm dần khi tăng nhiệt độ và thời gian.
- Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (COM R): từ 8,95 MPa còn 3,21 MPa (giảm 65,29% so với mẫu chƣa x lý); Độ bền nén ngang tiếp tuyến (COM T): từ 7,70 MPa còn 4,25 MPa (giảm 47,22% so với mẫu chƣa x lý). Giảm dần ở các chế độ khi nhiệt độ và thời gian tăng.
3. Xác định được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến tính chất công nghệ của gỗ Bạch đàn
- Độ nhám bề mặt (Rmax) giảm từ 115,16 m còn 71,12 m (giảm 38,24 % so với mẫu chƣa x lý). Điều này, minh chứng rằng khi nhiệt độ và thời gian tăng thì độ nhám giảm tức là nhẵn bề mặt gỗ x lý tăng trong phạm vi nghiên cứu của luận án.
- Độ bền kéo trƣợt giảm từ 6,69 MPa còn 1,68 MPa (giảm 74,81% so với mẫu chƣa x lý) và Độ bong tách màng keo tăng từ 16,81% đến 39,39% (tăng 57,31% so với mẫu chƣa x lý), ở các chế độ độ bền kéo trƣợt giảm dần và bong tách màng keo tăng theo sự tăng nhiệt độ và thời gian, có thể kết luận trong vùng nghiên cứu luận án gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt làm chất lƣợng dán dính giảm.
4. Ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu s c và độ bền màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn
- Màu sắc thay đổi và có xu hƣớng tối dần (độ sáng màu L*, các chỉ số a*,b* và độ lệch màu ΔE*) theo sự tăng của nhiệt độ và thời gian x lý thủy - nhiệt, cụ thể: độ sáng màu (L*) giảm từ 75,8 xuống 39,0 (so với mẫu chƣa x lý); chỉ số a* thay đổi từ 24,27 xuống 7,67 (so với mẫu chƣa x lý); chỉ số b* thay đổi từ 43,87 xuống 14,07 (so với mẫu chƣa x lý) và độ lệch màu ΔE* thay đổi từ 10,18 đến 50,18 (mẫu ở chế độ 120-3 so với mẫu ở chế độ 200-3).
- Mức độ biến màu tự nhiên (sau 60 ngày) của gỗ x lý thủy – nhiệt giảm khi nhiệt độ và thời gian tăng: ở các chế độ 1200
C-3 giờ, 1400C-3 giờ, 1400C-4 giờ và 1600C-1 giờ màu sắc gỗ thay đổi (ΔE* từ 8,66 xuống 3,6). Còn ở các chế 1600C-3 giờ, 1600C-5 giờ, 1800C-2 giờ, 1800C-4 giờ và 2000C-3 giờ màu sắc gỗ thay không thay đổi (ΔE* từ 2,86 xuống 1,65).
5. Ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến sự biến đổi về cấu tạo (SEM), thành ph n hóa học cơ bản và cấu trúc hóa học (XRD, FTIR) của gỗ Bạch đàn sau khi xử lý thuỷ - nhiệt.
- Cấu tạo hiển vi của gỗ Bạch đàn quan sát bằng kính hiển vi điện t quét (FE-