d. Tỷ lệ tăng thể tích (B) %
3.1.CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA Q TRÌNH BIẾN TÍNH GỖ
Biến tính gỗ thực chất là q trình làm biến ñổi cấu tạo của gỗ về vật lý hoặc hố học. Gỗ được cấu tạo từ các tế bào, khi tế bào gỗ trưởng thành sẽ có dạng hình ống, như vậy tạo nên cấu trúc xốp trong gỗ, các ống mạch tạo thành hệ mao dẫn có tính thẩm thấu nước và ẩm từ môi trường. Mặt khác, trong gỗ giữa các vách tế bào và các lỗ rỗng ở vách tế bào tạo thành khoảng mao dẫn của lớp thứ nhất, chứa đầy khơng khí, nước, các chất chiết xuất. Khoảng không gian giữa chúng và phía giữa các mạch cellulose tạo thành khoảng mao
dẫn thứ haị Đường kính mao dẫn khoảng 5 - 6 µm. Tổng thể tích khoảng mao dẫn biểu thị qua độ xốp. Cơng thức biểu diễn tính độ xốp như sau:
%100 100 ) 1 ( 0 gB ρ ρ π = − (3.1) Trong đó:
ρ0 - khối lượng thể tích gỗ khơ tuyệt đối (g/cm3);
ρgB - khối lượng thể tích của các chất trong gỗ (g/cm3), (ρgB = 1.53 g/cm3).
Đặc tính đó quyết định tính chất của gỗ về mặt vật lý và cơ học. Vì vậy trên cơ sở cấu tạo của gỗ có thể sơ bộ đánh giá được chất lượng của gỗ, đặc trưng là độ rộng của vịng năm, ñộ dầy của lớp gỗ muộn, sự phân lớp, ñộ lớn và sự phân bố của thớ gỗ. Mặt khác, nước chứa trong gỗ ảnh hưởng nhiều ñển trạng thái của gỗ. Gỗ chứa nước tự do và nước liên kết. Hàm lượng nước ở lõi gỗ lá kim mới chặt hạ, tuỳ thuộc vào lồi và điều kiện gây trồng, biến động trong khoảng 35-70%, cịn ở phần giác hàm lượng nước gấp 2 -3 lần so với lõị Trong gỗ lá rộng sự chênh lệch về hàm lượng nước ít hơn so với gỗ lá kim. Hàm lượng nước phân bố khơng đểu trong thân cây, cành cây và cũng biến ñổi theo mùa trong năm.. Tính chất của gỗ biến ñổi nhiều khi ñộ ẩm giảm xuống dưới mức độ bão hồ thớ gỗ (khoảng 30%). Giữ gỗ trong khơng khí với nhiệt độ và độ ẩm nào đó thì các lồi gỗ đều đạt tới độ ẩm cân bằng như nhaụ Sự giảm hàm lượng nước liên kết dẫn tới sự co rút của gỗ. Làm mất hoàn toàn hàm lượng nước liên kết gây ra sự rút ngắn chiều dài của gỗ (theo chiều tiếp tuyến 6-10%, theo chiều xuyên tâm 3-5%, dọc sợi gỗ 0,1- 0,3%) và co rút thể tich (12- 15%). Gỗ có khả năng hút ẩm từ mơi trường khơng khí làm tăng hàm lượng nước liên kết và trương lên. Sự khác nhau trong co rút và trương theo hướng khác nhau là nguyên nhân cơ bản của hiện tượng cong vênh của gỗ. Co rút và trương nở trong ñiều kiện ñộ ẩm liên kết phân bố
khơng đều theo thể tích tạo ra một nội ứng suất trong gỗ. Khả năng hút nước của gỗ khi tiếp xúc với nước gọi là độ thấm nước. Khối lượng thể tích thực chất (chỉ tính vách tế bào) của mọi lồi gỗ đều bằng nhau và bằng 1530 kg/m3. Khối lượng thể tích của gỗ khơ do có các chỗ trống chứa khơng khí nên tuỳ từng lồi giới hạn trong khoảng 100 kg/m3 ñến 1300 kg/m3. Cùng với sự tăng lên của ñộ ẩm, khối lượng thể tích của gỗ cũng tăng lên. Gỗ của các lồi cây lá rộng ở Việt Nam ở độ ẩm 12% có khối lượng thể tích từ 400 kg/m3 (tạp mộc) tới 1100 kg/m3 (thiết mộc) khí và chất lỏng dưới áp lực có thể xuyên quạ Điện trở kháng của gỗ khô rất lớn, nhưng nếu tăng ñộ ẩm ñến ñộ bão hồ thớ gỗ thì điện trở của gỗ giảm đi nhiềụ Dưới tác dụng của tải trọng cơ học trong gỗ nẩy sinh tích ñiện. Xenluloza sắp xếp ñịnh hướng chính là nhân tố mang lại cho gỗ tính chất cách điện. Tốc độ truyền âm của gỗ tương ñương với thép, lớn gấp 15 lần khơng khí. Độ thấm âm của gỗrấtlớn. Khi chiếu tia hồng ngoại vào gỗ một phần năng lượng đó bị hấp thụ trên bề mặt gỗ làm nóng gỗ. Vì vậy tia hồng ngoại dùng để sấy gỗ mỏng. Tia sáng trắng vào gỗ sâu hơn tia hồng ngoạị Căn cứ vào ñộ mạnh của tia phản chiếu từ bề mặt gỗ có thể đốn định được loài, chất lượng bề mặt gỗ. Tia tử ngoại chiếu vào gỗ gây cho gỗ tính chất phát sáng. Gỗ cũng làm yếu sức xuyên của tia rơn ghen và tia gamma, nhiều ít phụ thuộc vào ñộ dầy, tỷ trọng và độ ẩm của phiến gỗ.
Tính chất cơ học của gỗ xuất hiện khi có tác động lên gỗ một lực, qua đó người ta cảm nhận được ñộ bền của gỗ, khả năng biến dạng, và cũng thấy ñược một số tính chất cơng nghệ và những tính chất có thể lợi dụng (Bằng cách thử tức thời và lâu dài các mẫu gỗ người ta xác ñịnh ñược các chỉ số về tính chất cơ học của gỗ). Các tính chất này phải được thử theo tiêu chuẩn Nhà Nước (ñã sửa ñổi năm 1998), (ñược ñánh số từ TCVN 363-70 ñến TCVN
370-70), qui ñịnh phương pháp xác ñịnh giới hạn bền khi nén, kéo, uốn tĩnh, uốn va ñập, trượt và cắt, sức chống tách, ñộ cứng và biến dạng ñàn hồi)
Do tính chất dị hướng của gỗ nên các chỉ số cơ học dọc thớ cao hơn ngang thớ. Độ bền ñều ñược thử với ñộ ẩm 12%. Tăng ñộ ẩm giới hạn bền khi nén dọc thớ giảm 2-2,5 lần, khi kéo giảm 1,3-1,5 lần. Với các mẫu thử lớn (các cấu kiện xây dựng) các chỉ số về ñộ bền của gỗ thấp hơn so với mẫu nhỏ. Gỗ có khuyết tật chỉ số về ñộ bền giảm. Độ biến dạng của gỗ khi có tải trọng tức thời và nhỏ ñược ñặc trưng bởi hằng số ñàn hồị Mơ đun đàn hồi của gỗ dọc thớ vào khoảng 10-20 GPa, ngang thớ nhỏ hơn 20-25 lần. Khả năng gỗ bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng trong thời gian dài, đặc trưng cho tính chất lưu biến của gỗ, tăng lên cùng với sự tăng hàm lượng nước liên kết và nhiệt độ. Khi có tải tác động lên gỗ trong thời gian dài ñộ bền chịu tải của gỗ giảm, và chỉ bằng khoảng 0,5-0,6 của giới hạn bền chịu tải tức thờị Tải nhiều lần lặp lại làm cho gỗ mỏi; giới hạn chịu uốn của gỗ trong trường hợp đó trung bình bằng 0,2 độ bền khi uốn tĩnh. Khi thiết kế các cấu kiện bằng gỗ phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng ñến ñộ bền của gỗ như: tải trọng trong thời gian dài, ñộ ẩm, nhiệt ñộ, khuyết tật và những yếu tố khác. Người ta không dùng các chỉ số về giới hạn bền thử theo phương pháp tiêu chuẩn mà dùng các chỉ số sức bền vật liệu nhỏ hơn nhiều lần. Độ dẻo chịu va ñập của gỗ cây lá rộng khoảng 2 lần lớn hơn gỗ cây lá kim. Khối lượng thể tích của gỗ là một chỉ số quan trọng thể hiện những tính năng cơ bản của gỗ như biến đổi kích thước theo độ ẩm, độ bền cơ học. Vì lẽ đó người ta thường phân hạng gỗ theo khối lượng thể tích và cũng vì vậy để cải thiện tính chất cơ, vật lý và nâng cao hiệu quả sử dụng của gỗ ñã áp dụng các biện pháp cơ học làm giảm hoặc mất ñi hoàn toàn các mao quản trong gỗ làm tăng khối lượng thể tích nhằm cải thiện độ bền cơ học, lấp ñầy các mao quản của gỗ bằng hố chất để
chống sinh vật phá hại hoặc chống thấm nước nhằm ổn định kích thước của gỗ.
Thành phần chủ yếu nhất của gỗ là xenluloza (C6H10O5)n, hàm lượng vào khoảng 40-50% trọng lượng gỗ khơ tuyệt đối (tuỳ theo lồi). Cellulose là cao phân tử chuỗi các vòng anhydryt hexozạ Hợp chất có tên gọi chung là hemixenlulozạ Hemicellulose là những Polysacharide tạo nên vách tế bào, gồm các Pentosan (C5H8O4)n và Hexosan (C6H10H5)n, hàm lượng Pentosan và Hexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở loại gỗ lá rộng lượng Pentosan nhiều 19-23% và Hexosan 3-6 %. Ở gỗ lá kim tỷ lệ Pentosan và Hyxosan xấp xỉ bằng nhau (10- 12%). Hemicellulose dễ bị phân huỷ dưới tác dụng của Acid và nhiệt ñộ caọ Trong Hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn của Acide uronic. Khi phân giải hemixenluloza thu ñược các monome của hexozan (mannan, galactan) và pentozan (xylan, araban). Tổng hàm lượng của polysaccarit trong gỗ khoảng 65% trong đó khoảng 20% là dễ thuỷ phân.
Lignin là cấu tử có vị trí quan trọng thứ hai sau xenluloza về hàm lượng trong tế bào gỗ, là cấu tử liên kết các tế bào thấy tập trung vào giữa các tế bàọ
Về mặt hoá học Lignin là một cao phần tử gồm các ñơn vị Phenylpropan, các nhóm chức cơ bản gồm Metoxy (OCH3), nhóm Hydroxyl (OH) các ñơn phân tử trong Lignin liên kết với nhau bằng các liên kết Ete và liên lết C-C tạo ra cấu trúc mạng phức tạp. Liên kết C-C rất bền vững đối với xử lý hố học và nhiệt. Hàm lượng lignin trong gỗ lá kim thường vào khoảng 26-30% và trong gỗ cây lá rộng 17-25%. Lignin là polyme gồm các ñơn vị cơ bản phenyl propan. Lignin không tan trong nước nhưng tan trong dung dịch kiềm dịch nấu sunphat, sunphit.., Đó là những dịch nấu dùng ñể tách xenluloza khỏi lignin trong nguyên liệu gỗ. Ngoài những cấu tử cơ bản trên
trong gỗ cịn có các hợp chất phenol tan trong nước như tannid, flobaphen, chất mầụ Trong gỗ cây lá kim và nhiều lồi gỗ lá rộng, đặc biệt là gỗ nhiệt ñới, các chất tecpen, terpenoid (tinh dầu, axit nhựa), alñehyd, alcaloit, chiếm khoảng 5% trong gỗ. Các axit mạch thẳng, những axit béo bậc cao dưới dạng este chiếm khoảng 1-5%. Các chất có chức rượu: mạch thẳng và sterin. Các chất ñạm, khoảng 1%. Các chất vô cơ 1-5%. Thành phần hố học của gỗ, đặc biệt là gỗ nhiệt ñới, khác nhau tùy theo loài, bộ phận của cây, tuổi cây và vùng sinh tháị…
Sự biến ñổi dưới tác dụng của nhiệt ñối với mỗi cấu tử của gỗ khác nhaụ Phân tích hố học cho thấy gỗ khá bền vững khi bị tác dụng nhiệt ở 100oC trong vòng 48 giờ (Fengel và Wegener,1989) [32]. Cao hơn nhiệt độ đó, các hợp chất dễ bay hơi trong gỗ, kể cả nước, bị ñẩy ra khỏi gỗ. Holoxenluloza (hỗn hợp xenluloza với hemixenluloza) bắt ñầu phân giải khi nhiệt ñộ ñạt tới 150oC. Trong hệ thống kín, hemixenluloza bị phân giải nhanh hơn (Mitchell và cộng sự, 1953) tạo thành các axit bay hơi có tác dụng làm xúc tác cho quá trình thuỷ phân hydrat cacbon. Người ta cũng thấy tính chất cơ học của gỗ giảm trong quá trình tác dụng nhiệt theo hai bước: khi nhiệt độ cịn dưới 200oC sức bền của gỗ giảm đi nhưng rất ít, độ dẻo của gỗ bị ảnh hưởng do mất nước. Trên 200oC Hemicellulose bị phân giải nhanh và ñạt tới ñiểm toả nhiệt ở 230oC [33]. Cellulose bắt ñầu bị nhiệt phân ở nhiệt ñộ trên 200oC và ñạt tới cao ñộ ở 275oC (toả nhiệt). Lignin là cấu tử bền vững nhất dưới tác dụng nhiệt. Trong khoảng nhiệt ñộ 175-195oC mới chỉ thấy một lượng nhỏ lignin phân tử thấp bị tác ñộng và chỉ ở nhiệt độ từ 280oC q trình nhiệt phân mới xảy ra mạnh. Như vậy, theo chúng tơi, nhiệt độ 180-200oC khơng thể làm lignin hố dẻo trong q trình ép nhiệt-cơ gỗ. Hiện tượng hố dẻo của gỗ khi gia nhiệt bằng hơi nước bão hồ là sự tác động của hơi nước vào hemicellulose và cellulose gây trương nở.
Cellulose là chất cao phân tử có cực, dung mơi gây trương hay hồ tan cellulose cũng phải là dung mơi có cực. Thực chất q trình trương cellulose là do tác nhân gây trương thâm nhập vào tác ñộng ñến các liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau, khi đó làm cho khoảng cách cellulose tăng lên, liên kết của chúng yếu ñi, các phân tử cellulose linh ñộng và trở nên lỏng lẻo hơn, ñồng thời khi liên kết cầu hydro bị phá vỡ sẽ tạo ñiều kiện thuận lợi các tác ñộng khác làm thay ñổi cấu trúc phân tử cellulose trong gỗ.
Hiện tượng trương của cellulose có ý nghĩa quan trọng với cơng nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp hấp-nén. Liên kết hoá học giữa các thành phần trong gỗ là những liên kết yếụ Giữa các thành phần tạo nên gỗ ln có liên kết vật lý (lực Van der Waals), liên kết này cũng là những liên kết yếụ Liên kết giữa các sợi gỗ sẽ yếu ñi và các sợi gỗ trở nên lỏng lẻo, dễ bị xê dịch so với nhau khi liên kết cầu Hydro giữa chúng bị cắt ñứt hoặc khoảng cách giữa các phân tử tăng lên do tác động nào đó. Khi gỗ bị nén ép cấu trúc của mơ gỗ biến đổi, các phẩn tử liên kết với nhau bằng lực Van der Waals bị dồn lại gần nhau hơn và do đó liên kết với nhau chặt hơn. Đó cũng là một nhân tố góp phần cố định kích thước gỗ. Liên kết giữa Lignin và Cellulose, hemicellulose có ý nghĩa quyết định đến tính chất của gỗ và có ảnh hưởng lớn ñến mức ñộ giãn nở và hút nước của gỗ. Các cấu tử đó đều có các nhóm hydroxyl và liên kết hydrọ Hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức ñộ liên kết, bản chất hoá học của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử Cellulose, Hemicellulose, Lignin và liên kết giữa các thành phần đó.