Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Cơ sở khoa học của xử lý gỗ
Gỗ là vật liệu tự nhiên có tính dị hướng cao, được cấu tạo bởi các tế bào xếp dọc thân cây (chiếm tới 90-95%) thể tích và tế bào xếp ngang thân cây (chiếm 5-10%). Các tế bào gỗ có dạng hình ống bao gồm vách và ruột.
Gỗ đƣợc tổ thành từ các nguyên tố cơ bản nhƣ: C, H, O, N, ngoài ra gỗ còn chứa một lƣợng nhỏ các nguyên tố khoáng chất. Các hợp chất hóa học cấu tạo nên vách tế bào gỗ có thể đƣợc phân làm hai nhóm: Thành phần chủ yếu và thành phần thứ yếu.
Thành phần chủ yếu bao gồm xenlulo, hemixenlulo và lignin; các thành phần thứ yếu bao gồm nhựa cây, tannin, tinh dầu, sắc tố, khoáng chất, pectin, protein, hợp chất vô cơ,… [14].
Hình 3.1. Các th nh phần hóa học cấu tạo nên gỗ Xenlulo
Xenlulo là thành phần chủ yếu tạo nên vách tế bào. Nó là hợp chất cao phân t đựợc tạo nên từ các mắt xích (D - glucose nhờ các mối liên kết glucozit 1, 4, có công thức phân t [C6H7O2(OH)3]n, n = 5000 - 14000. Trị số n thay đổi tuỳ thuộc vào nguồn gốc xenlulo, phương pháp x lý. Độ trùng hợp có ảnh hưởng lớn đến tính chất
của xenlulo. Chuỗi xenlulo chứa từ 200 - 3000 phân t xenlulo. Cấu tạo phân t xenlulo đƣợc mô tả ở hình 3.3. Trong mỗi mắt xích của phân t xenlulo có ba nhóm hydroxyl (- OH) ở các vị trí 2, 3, 6 (trong đó có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai) nên có thể xem xenlulo là một rƣợu đa chức, bậc cao.
Hình 3.2. Hợp chất cao phân tử xenlulo dưới dạng 3D Màu nâu: Cacbon; màu đỏ: Oxy; màu trắng: Hydro
Hiện tượng trương nở của xenlulo có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, do nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hoá học của gỗ thay đổi.
Xenlulo là chất không mùi, không vị, có màu trắng, có cấu tạo dạng sợi, rất bền về, mặt hóa học. Nó không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường (rượu, axeton…), trong dung dịch kiềm, nước, axit vô cơ loãng. Nó chỉ tan trong dung dịch phức đồng – amôniac Cu(NH3)4(OH)2, dung dịch axit H3PO4 85%, H2SO4 72%
và trong một số dung môi đặc biệt khác.
Hemixenlulo
Cũng nhƣ xenlulo, hemixenlulo là các polysacarit, cấu tạo nên vách tế bào, nhƣng so với xenlulo thì hemixenlulo kém ổn định hoá học hơn, d bị phân giải ở nhiệt độ cao. Hemixenlulo gồm có pentosan (C5H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n, n = 50 - 200.
Hàm lƣợng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở gỗ lá rộng lƣợng pentosan nhiều chiếm từ 19 - 23% còn hexosan là 3 - 6%, ở gỗ lá kim tỷ lệ
pentosan và hexosan xấp xỷ nhau chiếm từ 10 - 12%. Nói chung hemixenlulo d bị thuỷ phân dưới tác dụng của axit.
Trong hemixenlulo có một tỷ lệ khá lớn axit uronic, đó là axit của các loại đường có công thức CHO(CHOH)COOH. Khi thủy phân, các nhóm cacboxyl của axit bị phân giải thành CO2.
Hình 3.3. Sợi hemicellulo trong vách tế b o gỗ Lignin
Sau xenlulo, lignin là thành phần thứ 2 tạo nên vách tế bào gỗ, vai trò của lignin đƣợc xem nhƣ chất liên kết, bao bọc giữa các tế bào, lignin tập trung vào phần không giữa các tế bào
H nh 3.4. Vị trí của lignin trong vách tế b o gỗ
Cấu tạo và tính chất vật lý của lignin: Thực chất lignin là một tập hợp các chất hữu cơ, dưới tác dụng của nhiệt độ cao lignin bị mềm hóa. Lignin có thể bị trương và hòa tan đƣợc trong những dung môi thích hợp.
Cấu tạo hóa học của lignin: Lignin là một cao phân t gồm các đơn vị phenylpropan, các nhóm chức cơ bản của lignin gồm nhóm metoxyl (OCH), nhóm hydroxyl (-OH). Các đơn phân t trong lignin liên kết với nhau bằng những liên kết ete và liên kết C – C tạo ra cấu trúc mạng phức tạp.
Sự thay đổi lượng nước thấm trong vách tế bào chính là sự thay đổi số lượng phân t nước giữa các mixen xenlulo cũng chính là sự thay đổi số lượng liên kết hyđrô giữa các mixen dẫn đến khoảng cách giữa các mixen thay đổi, bề dày vách tế bào thay đổi và kích thước gỗ thay đổi, nói cách khác gỗ bị co rút hoặc dãn nở.
Tóm lại, sự tồn tại các nhóm hyđroxyl trong các thành phần tạo nên vách tế bào, sự tạo thành vô số các liên kết hyđro giữa vách mao dẫn và nước là nguyên nhân làm cho gỗ bị co rút hoặc dãn nở. Gỗ chỉ co rút hoặc dãn nở khi lƣợng ẩm liên kết trong gỗ giảm hoặc tăng.
Khi gỗ đƣợc x lý thuỷ nhiệt, các tác nhân x lý xâm nhập vào tế bào gỗ, nó sẽ có những tương tác với các cấu t gỗ ở dạng này hay dạng khác làm cho cấu trúc, liên kết, tính chất gỗ có sự thay đổi. Sự tác động của các tác nhân chủ yếu vào các liên kết ngang (cầu nối hyđro) giữa các cấu t , đặc biệt và chủ yếu là liên kết hyđro giữa các phân t xenlulo.
Khi có tác động của tác nhân x lý vào các cấu t gỗ, giữa các cấu t có sự thay đổi, khoảng cách giữa các cấu t trong gỗ thay đổi sẽ làm cho tính chất cơ lý thay đổi theo. Sự biến đổi nhóm chức (chủ yếu là nhóm OH) sẽ làm cho tính hút nước, hút ẩm thay đổi. Vì thế, nếu có tác động hoặc dùng tác nhân hoá học nào đó x lý gỗ sao cho có thể biến đổi cấu trúc hoặc thay thế nhóm hyđroxyl trong gỗ thành nhóm kỵ nước có kích thước lớn thì nguyên liệu sẽ ít hút nước, ít trương nở [41],[42].