7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
3.2.2. Xác định cường độ nén, uốn của các mẫu tre xử lý trong dầu
Các mẫu tre sau khi xử lý nhiệt bằng dầu DO được xác định cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn mẫu để tìm ra điều kiện tối ưu của phương pháp xử lý nhiệt bằng dầu DO
Xác định cường độ chịu nén dọc thớ mẫu: Tiến hành thực nghiệm với 13 mẫu tre theo bảng 3.7
Bảng 3.7: Các mẫu tre được đo cường độ chịu nén ở những điều kiện nhiệt độ và thời gian khác nhau của phương pháp nhiệt dầu DO.
Mẫu Điều kiện khảo sát: nhiệt độ, thời gian
1 Mẫu ban đầu (chưa xử lý)
2 1300C, 20 phút 3 1300C, 40 phút 4 1300C, 60 phút 5 1500C, 20 phút 6 1500C, 40 phút 7 1500C, 60 phút 8 1700C, 20 phút 9 1700C, 40 phút 10 1700C, 60 phút 11 1900C, 20 phút 12 1900C, 40 phút 13 1900C, 60 phút
Hình 3.5: Cường độ chịu nén dọc thớ mẫu khi xử lý mẫu trong dầu DO.
Bảng 3.8: Kết quả độ nén theoứng suất lớn nhất của mẫu chưa xử lý và các mẫuđã xử lý bằngdầu DO.
Biểu diễn bằng đồ thị theo hình 3.6
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn độ nén của mẫu chưa xử lý và các mẫu đã xử lý bằng dầu DO theo ứng suất.
Kết quả xác định cường độ chịu uốn của mẫu:
Tương tự như đo cường độ chịu nén với 13 mẫu khác nhau. Thực nghiệm đo kết quả cường độ chịu uốn của các mẫu được thể hiện ở hình 3.7
Mẫu Ứng suất lớn nhất (N/mm2 ) 1 42.7601 2 50.2069 3 45.8555 4 48.9403 5 55.6589 6 53.4002 7 56.1834 8 54.4315 9 57.2082 10 56.5480 11 47.0763 12 49.6566 13 43.4859
Hình 3.7: Kết quả cường độ chịu uốn tĩnh mẫu chưa xử lý và các mẫu đã xử lý trong dầu DO.
Bảng 3.9: Kết quả cường độ chịu uốn theo ứng suất của mẫu chưa xử lý và các mẫu đã xử lý trong dầu DO.
Mẫu Ứng suất lớn nhất (N/mm2
)
1 175.197
Biễu diễn bằng đồ thị ở hình 3.8
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn cường độ chịu uốn của mẫu chưa xử lý và các mẫu đã xử lý trong dầu DO theo ứng suất.
Nhận xét:
Qua 2 đồ thị biểu diễn cường độ chịu nén dọc thớ mẫu và cường độ chịu uốn tĩnh mẫu theo ứng suất lớn nhất phá hủy mẫu ở hình 3.6 và hình 3.8, ta thấy độ bền nén và độ uốn của các mẫu sau khi xử lý được tăng lên rõ rệt, sự biến đổi này tùy theo nhiệt độ và thời
3 207.373 4 219.421 5 158.954 6 203.531 7 251.331 8 193.272 9 258.983 10 177.710 11 199.456 12 172.429 13 167.998
gian xử lý nhiệt dầu khác nhau. Kết quả tối ưu nhất thu được là mẫu số 9 được tiến hành xử lý trong thời gian 40 phút ở t0
= 1700C.
Giải thích kết quả thực nghiệm:
Bằng phương pháp nhiệt dầu xử lý tre, ta nhận thấy kết quả một số tính chất như độ bền nén, độ bền uốn của vật liệu tre đã được cải thiện rõ rệt, tăng lên đáng kể so với chưa xử lý. Điều này có thể được giải thích như sau
- Nhờ thành phần dầu có nhiệt độ sôi cao nên dầu giúp cho quá trình trao đổi nhiệt nhanh và đồng nhất từ đây quá trình co rút của vật liệu tre trở nên đồng đều làm cho kết cấu của tre bền chặt hơn.
- Về mặt vật lý có thể các bó mạch cellulose trong tre được sắp xếp trật tự điều hòa hơn và chặt chẽ hơn, làm cho cấu trúc của tre trở nên bền vững hơn.
- Về mặt hóa học có thể trong quá trình nấu dầu thì một số thành phần hóa học trong tre đã thay đổi. Theo một số nghiên cứu nước ngoài.... thì hàm lượng lignin trong tre đã tăng lên, từ đây làm cho cấu trúc của mạch tre chặt chẽ hơn.
Đối với mẫu 13, thực hiện ở nhiệt độ 1900C trong thời gian 60 phút thì ta nhận thấy độ bền nén và độ bền uốn đã bị giảm so với mẫu chưa xử lý. Điều này có thể được giải thích là do nhiệt độ quá cao và gia nhiệt trong thời gian lâu thì mẫu tre sẽ bị than hóa, mạch cellulose bị cắt đứt từ đây làm cho độ bền cơ học của tre bị giảm xuống.
(a) (b)
3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian ngâm trong quá trình xử lý tre bằng phƣơng pháp hóa học
3.3.1. Xác định cường độ chịu nén tĩnh mẫu ban đầu và các mẫu đã xử lý bằng phương pháp hóa học
Để xác định được thời gian ngâm tối ưu của quá trình xử lý tre bằng hóa chất. Chúng tôi tiến hành đo cường độ chịu nén mẫu của mẫu tre chưa xử lý và các mẫu tre đã xử lý ở những thời gian ngâm khác nhau theo bảng 3.10
Bảng 3.10: Các mẫu tre được kí hiệu theo thời gian ngâm khác nhau trong phương pháp xử lý hóa chất
Mẫu Điều kiện khảo sát: thời gian ngâm mẫu
1 Mẫu chưa xử lý 2 Ngâm 24h 3 Ngâm 48h 4 Ngâm 72h 5 Ngâm 96h 6 Ngâm 120h
Thực nghiệm xác định cường độ chịu nén của 6 mẫu tre trong đó 1 mẫu tre chưa xử lý và 5 mẫu tre xử lý ở thời gian ngâm khác nhau được thể hiện ở hình 3.10
Hình 3.10: Kết quả đo cường độ chịu nén mẫu tre chưa xử lý và các mẫu đã xử lý bằng hóa chất.
Kết quả theo ứng suất lớn nhất phá hủy mẫu thể hiện ở bảng 3.11
Bảng 3.11: Kết quả cường độ chịu nén theo ứng suất mẫu ban đầu và mẫu đã xử lý bằng hóa chất.
Đồ thị biểu diễn cường độ chịu nén theo ứng suất lớn nhất phá hủy mẫu như hình 3.11.
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn độ nén mẫu tre chưa xử lý và các mẫu đã xử lý bằng hóa chất theo ứng suất.
3.3.2. Xác định cường độ uốn mẫu ban đầu và các mẫu đã xử lý bằng phương pháp hóa học hóa học
Chúng tôi tiến hành đo cường độ chịu nén mẫu của mẫu tre chưa xử lý và các mẫu tre đã xử lý ở những thời gian ngâm khác nhau theo bảng 3.12
Bảng 3.12: Kí hiệu các mẫu đem xác định cường độ chịu uốn mẫu trong thời gian ngâm khác nhau.
Mẫu Điều kiện khảo sát: thời gian ngâm mẫu
1 Mẫu chưa xử lý 2 Ngâm 24h 3 Ngâm 48h 4 Ngâm 72h 5 Ngâm 96h 6 Ngâm 120h Mẫu Ứng suất lớn nhất (N/mm2 ) 1 46,1466 2 51,5131 3 50,8535 4 56,1132 5 54,6235 6 55,7883 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 Mẫu ban đầu Mẫu ngâm 24h Mẫu ngâm 48 Mẫu ngâm 72h Mẫu ngâm 96h Mẫu ngâm 120h
Kết quả đo cường độ chịu uốn của mẫu tre chưa xử lý và đã xử lý bằng hóa chất như hình 3.12.
Hình 3.12: Kết quả đo cường độ chịu uốn mẫu chưa xử lý và mẫu đã xử lý bằng hóa chất. Kết quả phá hủy mẫu tre chưa xử lý và đã xử lý bằng hóa chất được thể hiện ở bảng 3.13
Bảng 3.13: Kết quả độ uốn theo ứng suất của mẫu ban đầu và mẫu đã xử lý bằng hóa chất.
Đồ thị biểu diễn cường độ chịu nén theo ứng suất lớn nhất phá hủy mẫu như hình 3.13. Mẫu Ứng suất lớn nhất (N/mm2 ) 1 153,414 2 158,140 3 161,482 4 177,858 5 179,284 6 179,706 140,000 145,000 150,000 155,000 160,000 165,000 170,000 175,000 180,000 Mẫu ban đầu Mẫu ngâm 24h Mẫu ngâm 48h Mẫu ngâm 72h Mẫu ngâm 96h Mẫu ngâm 120h
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn độ uốn của mẫu chưa xử lý và các mẫu đã xử lý bằng hóa chất theo ứng suất.
Nhận xét kết quả thí nghiệm
Qua 2 đồ thị ở hình 3.11 và hình 3.12 ta thấy các mẫu tre sau khi xử lý bằng cách ngâm mẫu trong dung dịch hóa chất thì độ bền nén và độ bền uốn các mẫu đều tăng và sự thay độ bền này phụ thuộc vào thời gian ngâm mẫu khi xử lý. Theo kết quả ở đồ thị ta nhận thấy kết quả thời gian tối ưu ngâm mẫu là 72h.
Kết quả trên được giải thích như sau
Trên phƣơng diện vật lý
Mẫu sau khi sấy đến khối lượng không đổi, nhanh chóng đưa vào dung dịch ngâm tẩm khi mẫu còn nóng. Mục đích của việc này nhằm tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa dung dịch ngâm và môi trường bên trong mẫu. Sở dĩ có sự chênh lệch đó là do mẫu khi sấy đến khối lượng không đổi thì toàn bộ lượng nước có trong tre đều thoát hết ra ngoài, để lại trong tre các khoảng trống. Chính các khoảng trống này đã tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa dung dịch ngâm với môi trường bên trong mẫu. Nếu như sau khi sấy mẫu đến khối lượng không đổi, ta để mẫu được làm nguội đến nhiệt độ phòng thì ít nhiều cũng có giảm số khoảng trống bên trong mẫu do tính hút nước trong không khí của mẫu sau khi sấy.
Mặt khác dung dịch hóa chất thấm vào mẫu nhờ độ dẫn mao mạch: tre có cấu tạo được coi như là vật thể xốp – mao dẫn. Do vậy khi tre được ngâm trong dung dịch hóa chất
thì dung dịch hóa chất thấm vào tre nhờ áp lực mao dẫn. Độ dẫn mao mạch phụ thuộc rất lớn vào sự hiện diện ở trong tre nhờ hệ thống phát triển của các phần tử dẫn. Nếu kích thước của các phần tử dẫn thì các hóa chất không thể đi qua được hệ thống dẫn. Nhìn vào mô hình không gian của phân tử n-butanol ở mục 1.4.2.4, ta thấy nó rất cồng kềnh, kích thước của nó khá lớn. Chính vì thế mà lượng hóa chất thấm vào bên trong tre xử lý ít hơn lượng nước đã thoát ra trong quá trình sấy.
Ngoài ra, hóa chất thấm vào tre nhờ quá trình khuếch tán. Bản chất của quá trình lan truyền làm cho dung dịch đồng nhất về khối lượng riêng và áp suất. Do vậy, các phân tử hóa chất hòa tan trong nước sẽ có chuyển động với một động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến nào đó là D, áp suất do các phân tử gây nên. Áp suất này được tạo ra trong dung dịch ngâm nhỏ hơn so với trong nước. Vì độ cồng kềnh về cấu trúc không gian của n-butanol, nên trong dung dịch không cho phép nó chuyển động nhanh hơn được mà nó chuyển động rất chậm. Chính vì vậy, mà áp suất do nó tạo ra trong dunh dịch nhỏ, làm cho hóa chất khó khăn thấm vào bên trong tre.
Như vậy, khi ngâm tre trong dung dịch kalibicromat với dung môi là
n-butanol dưới tác dụng của 3 quá trình: ngâm nóng, độ dẫn mao mạch và quá trình khuếch tán thì hóa chất sẽ thẩm thấu và khuếch tán từ dung dịch ngâm vào bên trong mẫu, chiếm hầu hết các lỗ trống do nước để lại. Quá trình thẩm thấu và khuếch tán sẽ dừng lại khi bên trong mẫu bão hòa lượng hóa chất. Lúc này lượng hóa chất thấm vào mẫu là cực đại.
Trong quá trình sấy, lượng nước trong tre thoát ra dần dần và để lại vô số các lỗ trống. Khi sấy mẫu đến khối lượng không đổi thì số lỗ trống ở trong mẫu là lớn nhất. Những lỗ trống này được lấp đầy bằng các phân tử hóa chất, tức là khi ngâm mẫu trong dung dịch thì các phân tử n-butanol đóng vai trò như những chiếc nêm cơ học lấp đầy các khoảng trống trong tre. Mặt khác, như ta đã biết, trong thành phần cấu trúc hóa học của tre phần lớn là các mạch phân tử cellulose gồm vô số các phân tử cellulose (Cell-OH). Chính vì thế, khi ngâm mẫu trong dung dịch các phân tử n-butanol lọt vào cấu trúc không gian của cellulose tạo nên các liên kết liên phân tử:
O O H H H O O H H H O C4H9 H H O C4H9 O H H O C4H9 O H C4H9 O H O H C4H9 O H C4H9
Hình 3.14: Liên kết Hydro giữa các phân tử n-butanol và cellulose.
- Thứ nhất là liên kết VanderWaals: Liên kết này sẽ được hình thành do các phân tử hóa chất với các phân tử Cell-OH khi hóa chất ngấm sâu vào bên trong tre.
- Thứ hai là liên kết Hidro: Liên kết này được hình thành giữa nguyên tử O ở nhóm –OH của n-butanol với nguyên tử H của các nhóm chức ancol bậc 1,2 của các phân tử cellulose và ngược lại.
Tóm lại: Với việc tạo ra hai liên kết như trên n-butanol làm bền hơn cấu trúc không gian của cellulose cũng như của lignin và hemicellulose. Từ đó làm cho cấu trúc của tre sau khi xử lý bền chặt – chắc chắn hơn rất nhiều làm tăng các tính chất, độ bền cơ lý của tre, nâng cao giá trị sử dụng tre.
Song song với quá trình thẩm thấu và khuếch tán của n-butanol là quá trình thấm của hóa chất vào bên trong tre. Kalibicromat có tác dụng chống lại các tác động của nhân tố môi trường như: nấm mốc, mối mọt, côn trùng …xâm nhập phá hoại cấu trúc bên trong của mẫu tre.
Trên phƣơng diện hóa học
Khi ngâm mẫu vào dung dịch xử lý, hóa chất sẽ thấm vào bên trong mẫu theo chiều dọc sợi tre. Các khoảng trống giữa các sợi tre sẽ rộng hơn dưới tác động của quá trình ngâm nóng mẫu, nhờ quá trình mao dẫn và quá trình khuếch tán nên hóa chất thấm vào bên trong mẫu thuận lợi hơn.
Cellulose là thành phần chính của tre, sau khi hóa chất thấm vào mẫu, nó sẽ tương tác trực tiếp lên cấu trúc không gian của các mạch phân tử cellulose làm thay đổi cấu trúc của nó theo hướng bền vững hơn.
Nghĩa là, hóa chất đóng vai trò là tác nhân khâu mạng không gian của các mạch phân tử cellulose nhờ hệ thống cầu nối là các liên kết ete được hình thành giữa hóa chất với các nhóm chức ancol của mạch phân tử cellulose nhằm tạo ra các hợp chất ete có cấu trúc không gian bền vững hơn cấu trúc của mạch cellulose ban đầu.
Quá trình hình thành các hợp chất ete:
- Trong dung dịch ngâm, muối kalibicromat sẽ phân ly: K2Cr2O7 → 2K+ + Cr2O72-
Cr2O72- + H2O ↔ CrO42- + 2H+
- Quá trình phân ly của muối kalibicromat đã tạo ra trong dung dịch ngâm môi trường axit yếu. Trong môi trường axit yếu này Cr2O72- đóng vai trò là chất oxi hóa, oxi hóa ancol n- butanol tạo thành aldehyt n-butanal
2 2 7 3 2 2 2 3 2 2 Cr O H CH CH CH CH OH CH CH CH CHO
- Sau đó, liên kết ete được hình thành giữa aldehyt n-butanal với các nhóm hydroxyl (-OH) của các phân tử cellulose (Cell-OH) hình thành các hợp chất ete cellulose có cấu trúc không gian bền vững hơn cấu trúc không gian của các mạch phân tử phân tử cellulose.
Như vậy, các hợp chất ete được hình thành có cấu trúc không gian rất bền vững, kết nối các mạch phân tử cellulose lại với nhau làm rút ngắn khoảng cách giữa các mạch cellulose đó. Số lượng các hợp chất ete được hình thành tỷ lệ với thời gian ngâm mẫu.
Nghĩa là, thời gian ngâm mẫu càng lâu thì lượng hóa chất thấm vào bên trong mẫu xử lý càng nhiều. Theo đó, thì số lượng liên kết ete giữa hóa chất và cellulose cũng tăng lên và số lượng các hợp chất ete càng nhiều. Số lượng các hợp chất ete càng nhiều thì làm cho cấu trúc không gian của các mạch cellulose đồng đều hơn, chặt chẽ hơn. Do vậy, khi ta tác dụng một lực nào đó lên cấu trúc của mạch cellulose thì ứng lực đó sẽ phân bố đều lên trên mạch. Làm cho mẫu sau khi xử lý chịu ứng lực tốt hơn. Kết quả là độ bền cơ lý của các loại mẫu sau khi xử lý tăng lên đáng kể so với mẫu chưa xử lý. Mặt khác, mẫu sau khi xử lý độ bền với môi trường cũng tăng lên. Các tính chất hút nước, độ giãn nở, độ trương cũng