Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.4. Các yếu tố ảnh hưởng ến chất lượng gỗ xử lý thuỷ - nhiệt
Chất lƣợng gỗ biến tính phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ: nhiệt độ, thời gian x lý, loại gỗ, độ ẩm, kích thước gỗ x lý, áp suất, thiết bị x lý, chất phụ gia... Theo tài
liệu [21],[22],[23],[28],[34] có thể thấy rằng nhiệt độ và thời gia là hai yếu tố ảnh hưởng lớn và trực tiếp đến gỗ x lý nhiệt. Vì thế, trong định hướng nghiên cứu chúng tôi cũng chỉ đề cập đến hai yếu tố này làm biến số ảnh hưởng đến chất lượng gỗ x lý thủy – nhiệt, còn lại các yếu tố khác chúng tôi cố định để thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và đánh giá các kết quả đạt đƣợc. Cũng theo các nghiên cứu trên cho thấy khi thay đổi biến số nhiệt độ và thời gian thì các tính chất cơ học, vật lý, công nghệ và cấu tạo gỗ thay đổi theo hướng tốt và xấu khác nhau. Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu các công trình về x lý nhiệt trong đó có thủy - nhiệt nhằm giảm thiểu các tác động ảnh hưởng xấu đến chất lượng gỗ thông qua các biến số và phương pháp x lý. Từ các kết quả nghiên cứu cũng đã minh chứng rằng, nhiệt độ và thời gian tăng chất lƣợng gỗ x lý so với gỗ chƣa x lý thay đổi, cụ thể nhƣ tính chất vật: khối lượng thể tích giảm, tăng sự ổn định kích thước (hiệu suất chống trương nở và hệ số chống hút nước), co rút dãn nở giảm; tính chất cơ học giảm như nén dọc thớ và nén ngang thớ đều giảm so với gỗ chƣa x lý thủy - nhiệt; tính chất công nghệ: khả năng dán dính giảm, độ nhám giảm làm tăng khả năng trang sức của gỗ x lý thủy – nhiệt [21],[22],[23],[29].[45],[47],[57]. Bên cạnh đó, nhiệt độ và thời gian x lý làm cho thay đổi thành phần cấu tạo gỗ cũng bị thay đổi, sự thay đổi này có tác động trực tiếp đến các tính chất của gỗ, tính chất cơ học, vật lý và công nghệ ảnh hưởng khi xenlulo, hemixenlulo, lignin có sự suy thoái, điều này các nhà khoa học không mong muốn xảy ra, vì thế cần có nhiều nghiên cứu để hạn chế tác động này. Ngoài ra, màu sắc gỗ thay đổi bởi các chất chiết xuất có phân t lƣợng thấp khi nhiệt độ tác động dẫn đến các liên kết bị lõng lẻo và tách mạch nên tràn ra bề mặt gỗ làm cho màu sắc gỗ thay đổi từ nhạt đến đậm giống như một số loại gỗ quý. Các chất đường và dinh dưỡng khác bị hòa tan theo nước và hơi nước ra ngoài, đây là nguyên nhân làm không hấp dẫn các vi sinh vật nhƣ nấm, mục mọt và biến màu do đó sẽ làm cho gỗ x lý cải thiện đƣợc độ bền sinh học [20],[27],[47],[49],[55],[60],[62].
3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến chất lượng gỗ xử lý thuỷ - nhiệt
Nhiệt độ cao làm thay đổi trong thành phần cấu trúc vách tế bào của gỗ. Thành phần hoá học của gỗ bị thay đổi nhiều nhất dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao là hemixenlulo, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm nhƣ methanol, acetic acid, các hợp chất bay hơi (furans, gama-valerolactone, …). Sự phá huỷ của thành phần hemixenlulo
gia tăng với sự tăng của nhiệt độ và thời gian của quá trình biến tính thuỷ - nhiệt.
Những vùng không định hình của xenlulo d bị phá huỷ vì nhiệt hơn những vùng định hình và bộc lộ tính chất tương tự như thành phần hexose của hemixenlulo. Do sự mất mát của các thành phần polysacharide (xenlulo và hemixenlulo) dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao, hàm lƣợng lignin trong gỗ tăng lên. Lignin cũng bị phá huỷ ở nhiệt độ tương đối thấp tạo ra các sản phẩm phenolic.
Tăng nhiệt độ sấy gỗ ở giai đoạn 2 làm giảm tính hút nước của các polychaccarit, độ ổn định kích thước của gỗ tăng lên, song ở mức độ cao của sự hạ bậc, phân đoạn các cấu t trong gỗ sẽ làm giảm cường độ gỗ, tính chống thấm, chống nước tăng lên, màu gỗ trở nên tối hơn, tuy nhiên, nếu sự hạ bậc, phân đoạn các cấu t gỗ là nhỏ và sự tạo thành cấu trúc liên kết là trội hơn thì cơ tính của gỗ sẽ tăng lên.
Quá trình x lý ở nhiệt độ cao sẽ di n ra nhanh chóng và thuận lợi hơn sơ với quá trình x lý ở nhiệt độ thấp, nhiệt cao làm thay đổi thành phần hoá học của cấu trúc vách tế bào dẫn đến một loạt các tính chất của gỗ bị thay đổi.
3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến chất lượng gỗ xử lý thuỷ - nhiệt
Thời gian thuỷ nhiệt có ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân các chất chiết suất trong gỗ và phản ứng tạo liên kết hoá học giữa các thành phần cao phân t của gỗ.
Thời gian x lý dài sẽ giúp cho quá trình làm ẩm và truyền nhiệt vào trong gỗ ở giai đoạn 1 d dàng hơn, sự phân huỷ các chất chiết xuất triệt để hơn. Kết hợp với nhiệt độ cao thời gian x lý dài sẽ làm cho thành phần cấu trúc vách tế bào thay đổi dẫn đến tính chất vật lý, cơ học, sinh học và công nghệ của gỗ thay đổi rõ rệt. Thời gian x lý ngắn nhƣng nhiệt độ x lý cao thì thành phần cấu trúc vách tế bào vẫn bị thay đổi lớn hơn so với chế độ x lý là thời gian dài và nhiệt độ thấp. Do vậy, tuỳ thuộc vào loại gỗ, chiều dày mẫu, nhiệt độ x lý mà lựa chọn thời gian thuỷ nhiệt sao cho hợp lý.
2.4.3. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác đến chất lượng gỗ xử lý thuỷ - nhiệt a. Loại gỗ
Các loại gỗ khác nhau có khối lƣợng thể tích (KLTT), thành phần hóa học, độ PH, và một số tính chất cơ lý… khác nhau do đó khả năng thẩm thấu cũng khác nhau.
Gỗ đƣợc cấu tạo từ các tế bào xếp dọc và xếp ngang thân cây. Các loài cây khác nhau, tổ thành tế bào và sự sắp xếp giữa các tế bào trong cây khác nhau. Khả năng thẩm thấu
và truyền nhiệt của gỗ phụ thuộc vào khối lượng thể tích, hình dạng và kích thước của hệ thống mao dẫn trong gỗ. Sự dịch chuyển của nước và dịch thể trong gỗ có thể được thực hiện qua bốn con đường: ruột tế bào, khoảng trống giữa các tế bào, màng lỗ thông ngang, vi mao dẫn trong vách tế bào.
b. Độ ẩm gỗ
Độ ẩm gỗ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt vào trong gỗ. Khi x lý gỗ có độ ẩm nhỏ hơn điểm bão hòa thớ gỗ trong môi trường nước thì nước sẽ thấm vào gỗ theo nguyên lý mao dẫn. Cường độ, độ dẫn mao mạch không những phụ thuộc vào đường kính của hệ thống dẫn truyền chất lỏng trong gỗ mà nó còn phụ thuộc vào độ ẩm của gỗ. Độ dẫn mao mạch có thể xảy ra trường hợp độ ẩm gỗ cao hơn điểm bão hòa thớ gỗ, song khi độ ẩm nhỏ hơn điểm bão hòa thớ gỗ càng nhiều thì cường độ độ dẫn mao mạch càng lớn, khả năng truyền nhiệt càng nhanh. Nước trong gỗ tồn tại ở hai dạng đó là nước liên kết và nước tự do. Nước liên kết lại chia ra làm hai loại; một phần nhỏ tạo ra các màng hấp thụ trên bề mặt các mixen, lƣợng còn lại nằm vào giữa các mixen.
Sự hiện hữu trong gỗ các nhóm hydroxyl là nguyên nhân về sự liên hệ của các phân t xenlulo với các phân t nước. Khi nước liên kết bão hòa trong vách tế bào, nước tự do xuất hiện, nó sẽ gây cản trở cho quá trình thẩm thấu mao dẫn. Bởi khi lượng nước tự do chưa đủ lớn để lấp đầy các mao mạch, sẽ xuất hiện các túi khí gây cản trở cho dòng chất lỏng chuyển động trong mao mạch. Do đó, khi x lý thuỷ nhiệt gỗ theo nguyên lý mao dẫn để dung môi thấm tốt vào trong gỗ thì độ ẩm gỗ không vƣợt quá 30%.
Khi độ ẩm gỗ lớn hơn độ ẩm bão hòa thớ gỗ, sự truyền nhiệt và dịch chuyển dung môi vào trong gỗ xảy ra hiện tƣợng khuếch tán.
c. Kích thước gỗ
Căn cứ vào kích thước dài, rộng, dày của gỗ đưa vào x lý mà người ta có thể dùng chế độ x lý khác nhau. Kích thước gỗ ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt, dịch chuyển dung môi vào trong gỗ, dịch chuyển các chất chiết xuất từ trong gỗ ra ngoài và ảnh hưởng đến sự phân huỷ polyme vách tế bào. Kích thước gỗ nhỏ thì thời gian x lý nhanh hơn so với kích thước gỗ dày. Do đó tuỳ thuộc vào kích thước gỗ mà lựa chọn chế độ x lý cho phù hợp.