Chương 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.2. Tính chất chung của gỗ và ảnh hưởng đến gia công chế biến
2.2.2 Tính chất hoá học và ảnh hưởng của nó đến công nghệ chế biến gỗ
Gỗ do nhiều tế bào cấu tạo nên, nó là một thể hỗn hợp phức tạp của các chất cao phân tử polyxacarit, gồm có nhóm cacbonin nhân benzene tạo thành.
Ngoài các thành phần chủ yếu ra trong gỗ còn có dầu, nhựa, chất chát, chất màu, tinh dầu, chất dẻo,…
Các chất cấu tạo nên gỗ chủ yếu là chất hữu cơ (99-99,9%) thành phần cấu tạo gỗ, gồm có 4 loại nguyên tố chính là: Cacbon, hydro, oxy, nito [5], [10], [11], [17]. Các loại gỗ khác nhau, ở các bộ phận, vị trí khác nhau trong thân cây có tỷ lệ thành phần các hợp chất hữu cơ không giống nhau, nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố hoá học tạo nên hợp chất hữu cơ trong cây của các loại gỗ xấp xỉ nhau. Hàm lượng bình quân của cacbon là 49%, hydoro là 6,4%, oxy là 42,6%, nito là 1% và một số nguyên tố vi lượng khác [11], [17].
Ngoài thành phần hữu cơ, trong gỗ còn có thành phần vô cơ. Khi đốt cháy gỗ, các chất vô cơ biến thành tro trong khoảng từ 0,3-1% so với lượng gỗ khô hoàn toàn. Hàm lượng tro phụ thuộc vào vị trí trong cây và giảm dần theo tuổi cây [16]. Tro là các hợp chất của nguyên tố K, Ca, Na, Mg, Fe,….Tuỳ theo loài gỗ và điều kiện lập địa gỗ có hàm lượng chất vô cơ khác nhau [5].
Tính chất các thành phần hoá học của gỗ
Thành phần hoá học của gỗ thay đổi theo loại cây và điều kiện sinh trưởng. Thành phần hoá học giữa phần thân và phần cành sai sót nhau rõ rệt,
tỷ lệ Cellulose ở cành ít hơn rất nhiều so với ở thân cây. Ngược lại lignin, pentozan (là những chất hoà tan trong thành phần nước nóng) ở cành thì nhiều hơn ở thân [5], [17].
Điều kiện sinh trưởng của cây rừng (cấp đất, độ cao so với mặt nước biển, cấp sinh trưởng…) có ảnh hưởng đến thành phần hoá học của gỗ. Theo chiều cao thân cây các thành phần hoá học ít thay đổi [17].
Cấu tạo của gỗ gồm có hai nhóm chất [5], [11], [17]:
- Nhóm thứ nhất gồm cellulose, lignin, hemicellulose là những chất cấu trúc nên vách tế bào.
- Nhóm thứ hai gồm những chất chiết suất không có trong thành phần của vách tế bào.
Cellulose (C6H10O5)n, n > 200000 là thành phần cơ bản nhất trong vách tế bào. Trong gỗ Cellulose chiếm 40-50% trọng lượng. Cellulose bao gồm những phần kết tinh (sắp xếp trật tự ở mức độ chặt chẽ) và những phần rối loạn vô định hình (rối loạn). Những phần đó không có ranh giới rõ rệt. Sự chuyển hoá từ phân bố có trật tự của mạch Cellulose trong mạng tinh thể lập phương (gọi là vi tinh thể hay mixen) sang trạng thái vô định hình, trong đó mạch Cellulose xắp xếp vô trật tự diễn ra dần dần. Tỷ số giữa khi định hình và vô định hình ở các loại Cellulose khác nhau cũng khác nhau.
Cellulose là polymer điều chỉnh lập thể phân cực, có độ kết tinh cao. Do đó rất khó hoà tan trong các dung môi thông thường vì Cellulose có độ cứng tương đối của các phân tử chuỗi xuất hiện một khuynh hướng kết tinh rất mạnh. Trong các Cellulose đã kết tinh những nhóm có cực –OH giữ chặt các chuỗi bằng mạng lưới của các liên kết hydro ngang [5].
Cellulose là phần tử chủ yếu sản sinh ra nội lực của gỗ. Những ứng lực nào do Cellulose tạo ra đều là những ứng lực lớn nhất (σed, σkd, σut) [17], Cellulose cũng là thành phần duy nhất tạo ra tính chất đàn hồi của gỗ. Chính
vì thế độ dẻo dai của gỗ do Cellulose tạo ra. Đối với một số ngành chế biến gỗ như sản xuất bột giấy yêu cầu tỷ lệ Cellulose cao (> 30%), sợi dài [16].
Hemicellulose là những chất polysacarit cấu tạo nên vách tế bào.
Hemicellulose gồm có pentozan (C5H8O4)n và hexozan (C6H10O5)n. Đây là polymer hoá của hemicellulose trung bình từ 100-250 [17], [24]. Hàm lượng hexozan và petozan trong các loại gỗ cây nhiều cây ít có khác nhau. Ở cây gỗ lá rộng petozan chiếm 15-25% còn hexozan chiếm tỷ lệ rất nhỏ 3-6%
[19].
Hemicellulose trong tế bào gỗ bao gồm các xylan, glucomannan và arabogalactan [5], [26]. Sự có mặt của Hemicellulose trong cellulose làm tăng tốc độ trương nở và sơ hoá sợi, làm giảm thời gian nghiền và đỡ tốn năng lượng trong khâu nghiền sợi [5]. Trong quá trình sản xuất giấy với một hàm lượng hemicellulose hợp lý tạo điều kiện cho sự đan xếp các sợi làm mềm giấy và vì vậy cũng gây ảnh hưởng tới độ bền của giấy. Nhưng nếu hàm lượng hemicellulose quá cao độ kháng xé rách giảm vì giảm độ bền từng sợi do trọng lượng phân tử trung bình của hệ cao phân tử [5].
Lignin: Sau cellulose, lignin là thành phần cấu tạo chủ yếu của vách tế bào. Lignin là polymer không định hình dạng lưới, phần tử cấu tạo vòng thơm, màu nâu sẫm. So sánh với cellulose, lignin kém ổn định hơn rất nhiều.
Lignin trong tế bào thực vật nằm ở giữa các tế bào là chủ yếu và được tích tụ trong suốt quá trình mộc hoá của mô thực vật. Lignin không tan trong các dung môi thông thường, không bị phân huỷ như các polysacarit [5].
Trong những điều kiện và áp suất nhất định thì lignin sẽ tái tạo trở lại trạng thái ban đầu có khả năng trùng ngưng keo.
Lignin tạo ra nội lực đều là những nội lực nhỏ nhất (σcn, σkn, σtd, σtn, sức chịu tách…). Trong cấu trúc vách tế bào, lignin là một chất keo bám trên sườn Cellulose, vì vậy lignin tạo ra độ rắn cho gỗ. Ở vị trí nào trong thân cây nếu
hàm lượng lignin cao thì ở đấy gỗ cứng [17]. Đối với công nghệ sản xuất MDF yêu cầu tỷ lệ cellulose và lignin cao vì trong quá trình ép nhiệt lignin tạo nên các chất tương tự như keo dán có tác dụng kết dính. Lignin còn làm tăng khả năng chịu nước của sản phẩm. Đối với sản xuất bột giấy hàm lượng lignin giảm để giảm chi phí cho sử dụng hoá chất giúp dễ phân huỷ sợi [16].
- Các chất chiết suất
Những chất này không có trong thành phần của vách tế bào, chúng gồm:
Axít nhựa, axit béo, muối hữu cơ, tinh dầu, tinh bột, đường và các loại khoáng khác. Các chất chiết suất làm giảm khả năng thẩm thấu, khả năng kết dính của keo, ảnh hưởng đến màu sắc, mùi vị gỗ, ảnh hưởng đến độ bền tự nhiên của gỗ…. Ngay sau khi xử lý bằng nước nóng, cồn, axeton thì sức thẩm thấu tăng 4-14 lần. Đặc biệt hàm lượng các chất chiết suất tan trong nước nóng, nước lạnh cao sẽ có nhiều chất làm thức ăn cho nấm, côn trùng vì vậy gỗ dễ bị nấm mốc và mối mọt xâm nhập phá hoại.
- Độ pH gỗ và ảnh hưởng của nó đến quá trình gia công chế biến gỗ Độ pH phản ánh tính axit, bazơ trong gỗ. Đại bộ phận gỗ trên thế giới có pH = 4,0-6,5. Vì vậy, người ta đề xuất nên chia gỗ thành hai nhóm lớn (dựa vào độ pH).
Gỗ mang tính axit: pH ≤ 6,5. Gỗ mang tính bazơ pH > 6,5 (rất ít loại gỗ thuộc nhóm này).
Tính axit, bazơ là một trong những tính chất hoá học chủ yếu của tre, gỗ.
Các axit gồm có axit axetic, axit foocmic, axit nhựa và một số chất chiết suất mang tính axit khác. Ngoài ra trong quá trình cất giữ lượng axit sẽ tăng lên hoặc trong quá trình hong phơi do gốc CH2COO- trong hemicellulose bị thuỷ phân tạo thành gốc axit axetic tự do làm cho tính axit của nguyên liệu tăng lên.
Trong quá trình sản xuất ván nhân tạo độ pH ảnh hưởng đến quá trình sản xuất đòi hỏi nguyên liệu phải có trị số pH nhất định. Các bazơ trong nguyên liệu không có lợi cho quá trình đóng rắn keo U-F vì keo này đóng rắn tốt nhất ở pH = 3-5. Ở khoảng trị số pH này thì giới hạn đóng rắn và chất lượng mối dán tốt nhất. Do đó, đối với các loài gỗ mang tính axit phù hợp với keo U-F.
Những chất mang tính axit có tác dụng nâng cao cường độ dán dính đặc biệt là đối với lớp ván bên trong sản phẩm. Nếu lượng hoãn xung bazơ trong nguyên liệu cao thì phải tiêu tốn nhiều chất đóng rắn mới đảm bảo chất lượng dán dính.
Ngược lại pH ít ảnh hưởng đến keo dán P-F.
Độ pH còn ảnh hưởng đến quá trình gia công chế biến gỗ. Khi gia công độ pH của gỗ đặc biệt là axit axetic gây ăn mòn kim loại. Độ pH càng thấp ăn mòn kim loại càng tăng đặc biệt trong môi trường ẩm, nhiệt độ cao vì trong điều kiện này hàm lượng axit tự do tăng lên.
Ảnh hưởng các chất chiết xuất đến quá trình gia công chế biến.
- Ảnh hưởng đến màu sắc của gỗ
Màu sắc của gỗ có liên quan đến chất chứa trong ruột tế bào, màu gỗ giác nhạt hơn gỗ lõi do chất chiết xuất trong lõi nhiều hơn phần gỗ giác. Trong thành phần chất chiết xuất tồn tại chất màu, các chất màu này hấp thụ tia tử ngoại, ánh sáng mặt trời có tác dụng làm giảm bậc chống lại tác dụng quang hóa bề mặt gỗ.
- Ảnh hưởng đến cường độ
Gỗ có nhiều chất dầu nhựa khác nhau, làm tăng khả năng chịu mài mòn của gỗ. Nhìn chung chất chiết xuất ít ảnh hưởng đến cường độ gỗ.
- Ảnh hưởng đến độ thẩm thấu
Gỗ có chứa nhiều chất chiết xuất làm giảm khả năng thẩm thấu theo chiều dọc thớ. Gỗ được xử lý bằng nước nóng, cồn, axeton thì sức thẩm thấu tăng 4- 14 lần. Gỗ lõi thẩm thấu thấp hơn gỗ gỗ giác.
- Ảnh hưởng đến độ kết dính
Do có sự xuất hiện của nhiều chất chiết suất trong gỗ, nên bề mặt gỗ thường bị ố, đó là nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng tới cường độ kết dính của gỗ. Chất lượng kết dính giảm do các nguyên nhân:
+ Nhiều chất chiết xuất kết tủa, lắng đọng trên bề mặt gỗ dẫn tới làm tăng mức độ ố trên bề mặt làm giảm cường độ kết dính giữa các bề mặt ranh giới;
+ Các chất chiết xuất kỵ nước làm giảm khả năng thấm ướt bề mặt gỗ, phá hoại nơi tiến hành phản ứng của bề mặt gỗ, không có lợi cho việc kết dính giữa các lớp bề mặt ranh giới với các loại keo bình thường;
+ Các chất bị ô xy hóa làm tăng tính axit bazo, do đó làm giảm cường độ bề mặt gỗ.
- Ảnh hưởng quá trình đóng rắn của keo
Khi các chất chiết xuất chuyển dịch đến bề mặt gỗ có thể làm nhiễu việc hình thành bề mặt tiếp xúc giữa keo và gỗ, ở bề mặt tiếp xúc hình thành chướng ngại vật từ đó ngăn cản quá trình thấm ướt bề mặt làm cường độ dán dính giảm xuống, đồng thời có thể làm thay đổi đặc tính của keo dán.
Thực tế cho thấy, chất chiết xuất có ảnh hưởng cực kỳ nhạy cảm đối với quá trình đóng rắn của keo tính bazo và cường độ dán dính của nó. Đối với keo có tính axit thì chất chiết xuất có thể ngăn cản hoặc làm tăng tốc độ đóng rắn. Đó là do hàm lượng chất hoãn xung và độ pH của keo quyết định.
- Ảnh hưởng đến khả năng trang sức
Khi trang sức sơn dầu thì màng trang sức bị ố hay bị biến màu, do khi độ ẩm tăng lên, các chất chiết xuất bên trong gỗ dịch chuyển ra phía bề mặt đối với các loại gỗ, chất chiết xuất chiếm khối lượng đáng kể mà trong nó có
nhiều Pb và Zn do tác dụng của nhựa và ôxy kẽm làm cho màng sơn khô nhanh và có thể bị phá hủy. Khi hàm lượng dầu và tanin của bề mặt gỗ cao làm ảnh hưởng đến quá trình đóng rắn của màng sơn.
- Ảnh hưởng đến công cụ gia công
Trong các chất chiết xuất có poly phenol sẽ làm ăn mòn các công cụ cắt gọt. Đặc biệt khi poly phenol có tác dụng đối với lưỡi cưa (vượt xa tác dụng của pH=4-4,3) do nó có nhiều gốc hydro liền kề nhau, các gốc này cùng với ion sắt tạo nên phức chất làm cho ion Fe không ngừng tách ra từ hệ axit và bề mặt kim loại cân bằng. Do đó, nó không ngừng tạo ra ion Fe làm cho bề mặt công cụ bị ăn mòn.
- Ảnh hưởng đến sức khỏe con người
Trong một số loài gỗ có những hóa chất độc hại tới sức khỏe con người như gỗ Thông, tếch, keo, hồng mộc. Những loài cây này chủ yếu ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới.
- Ảnh hưởng đến khả năng lợi dụng
Nếu hàm lượng đường hoàn toàn, tanin, poly phenol nhiều nó sẽ làm cản trở, kéo dài thậm chí làm khó đóng rắn trong quá trình sản xuất ván dăm xi măng, ván dăm sợi tước làm cho chất lượng sản phẩm giảm. Đặc biệt khi đóng bao bì đựng thực phẩm thì những chất chiết xuất trên sẽ có ảnh hưởng không tốt tới đồ dùng bên trong.
- Độ pH
Phần lớn các loại gỗ lá rộng có độ pH từ 5-6, nếu độ pH cao thì trong quá trình sản xuất ván nhân tạo phải dùng nhiều chất đóng rắn. Độ pH có ảnh hưởng đến cường độ đóng rắn của keo U-F và ít ảnh hưởng tới keo P-F.
Trong quá trình gia công cơ giới, pH sẽ có tác dụng ăn mòn kim loại.