Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lý thủy nhiệt đến chất lượng của gỗ bạch đàn (eucalyptus urophylla s.t. blake) [full].

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT ĐẾN CHẤT LƢỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN H Nội - 2015 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT ĐẾN CHẤT LƢỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) Chuyên ng nh: Kỹ thuật Chế biến Lâm sản Mã số: 62 54 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Phạm Văn Chƣơng 2. PGS.TS. Lê Xuân Phƣơng H Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ sản xuất và chế biến mang tên “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng của gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake)”, mã số 62 54 03 01. Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác dƣới mọi hình thức. Tôi xin chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ về lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015 Tác giả luận án Nguyễn Văn Diễn ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận án, đầu tiên cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Phạm Văn Chƣơng, PGS.TS. Lê Xuân Phƣơng đã tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã giúp đỡ tôi về cơ sở pháp lý để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, tập thể cán bộ giáo viên Khoa Chế biến Lâm sản (nay là Viện Công nghiệp gỗ), Trung tâm thí nghiệm và Phát triển Công nghệ, Phòng đào tạo Sau đại học, Thƣ viện, các Phòng chức năng thuộc Trƣờng Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm và công sức để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ giấy, xenlulo - Viện Kỹ thuật hóa học của Trƣờng Đại học Bách khoa - Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia vật liệu và linh kiện điện t - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng thí nghiệm của Viện vệ sinh dịch t Trung Ƣơng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp của tôi, những ngƣời cùng công tác đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện, môi trƣờng làm việc tốt nhất để tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin g i lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã dành cho tôi những lời động viên, khích lệ giúp tôi hoàn thành luận án này./. Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Diễn iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan ........................................................................................................................i Lời cảm ơn .......................................................................................................................... ii Mục lục .............................................................................................................................. iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................................ vii Danh mục các hình vẽ ...................................................................................................... viii Danh mục các bảng .............................................................................................................. x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3 1.1. Khái niệm về biến tính gỗ và x lý thủy - nhiệt ........................................................... 3 1.1.1. Khái niệm biến tính gỗ ........................................................................................ 3 1.1.2. Khái niệm x lý thuỷ - nhiệt ............................................................................... 4 2.2. Tổng quan nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt ................................................... 6 2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ....................................................................... 6 2.2.1.1. Các phƣơng pháp x lý nhiệt hiện nay .................................... 6 2.2.1.2. Các công trình nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt ....11 2.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ................................................................... 16 1.3. Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp biến tính gỗ và phân tích đánh giá công nghệ về x lý nhiệt ............................................................................................................. 20 1.3.1. Ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp biến tính gỗ ........................................... 20 1.3.2. Phân tích, đánh giá công nghệ về x lý nhiệt .................................................... 22 1.4. Định hƣớng s dụng sản phẩm x lý nhiệt ................................................................. 24 1.5. Nhận xét kết quả và định hƣớng nghiên cứu của luận án ........................................... 25 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................................................. 28 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................. 28 2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu tổng quát ........................................................................ 28 2.1.2. Đối tƣợng nghiên cứu cụ thể ............................................................................. 28 2.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 28 2.2.1. Các yếu tố cố định ............................................................................................. 28 iv 2.2.2. Các yếu tố thay đổi ............................................................................................ 29 2.3. Mục tiêu của luận án ................................................................................................... 29 2.3.1. Mục tiêu lý thuyết ............................................................................................. 29 2.3.2. Mục tiêu thực ti n.............................................................................................. 30 2.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 30 2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................ 31 2.5.1. Phƣơng pháp kế thừa ......................................................................................... 31 2.5.2. Phƣơng pháp thực nghiệm................................................................................. 31 2.5.3. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng và s dụng tiêu chuẩn kiểm tra ................... 36 2.6. Ý nghĩa của Luận án ................................................................................................... 44 2.6.1. Ý nghĩa khoa học............................................................................................... 44 2.6.2. Ý nghĩa thực ti n ............................................................................................... 44 2.7. Những đóng góp mới của Luận án.............................................................................. 45 Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 46 3.1. Cơ sở khoa học của x lý gỗ ....................................................................................... 46 3.2. Lý thuyết về x lý thủy - nhiệt.................................................................................... 49 3.3. Cơ chế biến đổi tính chất gỗ trong x lý thuỷ- nhiệt ................................................ 51 3.3.1. Quá trình biến đổi của gỗ trong x lý thủy - nhiệt .......................................... 51 3.3.2. Cơ chế biến đổi khối lƣợng thể tích gỗ ............................................................. 52 3.3.3. Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thƣớc gỗ ...................................................... 53 3.3.4. Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ ........................................................... 54 3.3.5. Tính thấm ƣớt và khả năng dán dính ................................................................. 58 3.3.6. Màu sắc bề mặt .................................................................................................. 59 3.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ....................................... 59 3.4.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ x lý đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ..................... 60 3.4.2. Ảnh hƣởng của thời gian x lý đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ................... 61 3.4.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố khác đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ......... 61 3.5. Giới thiệu chung về cây gỗ Bạch đàn ......................................................................... 63 3.5.1. Nguồn gốc và phân bố ....................................................................................... 63 3.5.2. Đặc điểm, cấu tạo của gỗ Bạch đàn ................................................................... 63 3.5.3. Tính chất của gỗ Bạch đàn ................................................................................. 64 3.5.4. Công dụng của gỗ Bạch đàn .............................................................................. 65 Chƣơng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................................................. 66 4.1. Địa điểm, thông số đầu vào nguyên liệu ..................................................................... 66 v 4.2. Quá trình thực nghiệm x lý thủy nhiệt gỗ Bạch đàn ................................................. 66 4.2.1. Sơ đồ thực nghiệm công nghệ x lý thủy - nhiệt .............................................. 66 4.2.2. X lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn................................................................... 66 4.3. Thiết bị x lý thủy nhiệt và dụng cụ thí nghiệm ......................................................... 68 4.4. Quá trình lấy mẫu và kiểm tra .................................................................................... 69 4.4.1. Phƣơng pháp lấy mẫu thí nghiệm ...................................................................... 69 4.4.2. Kiểm tra mẫu thí nghiệm ................................................................................... 70 4.5. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu .................................................................. 81 4.5.1. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến khối lƣợng thể tích gỗ Bạch đàn81 4.5.2. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Hệ số chống trƣơng nở ASE gỗ Bạch đàn ...................................................................................................................................... 84 4.5.3. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) gỗ Bạch đàn ............................................................................................................................ 87 4.5.4. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn .. 90 4.5.5. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền nén dọc thớ gỗ Bạch đàn93 4.5.6. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm và tiếp tuyến gỗ Bạch đàn ................................................................................ 96 4.5.7. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn 101 4.5.8. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền kéo trƣợt màng keo và Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn ................................................................................... 104 4.5.9. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn............................................................................................................ 112 4.5.9.1. Sự thay đổi màu sắc của gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý thủy - nhiệt ......................................................................................................................................... 112 4.5.9.2. Biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy - nhiệt ........ 115 4.5.10. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu tạo gỗ Bạch đàn ............. 117 4.5.11. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến thành phần hoá học cơ bản gỗ Bạch đàn .................................................................................................................................... 120 4.5.12. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích bằng FTIR ................................................................................................................. 125 4.5.12.1. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR) ........ 125 4.5.12.2. Cấu trúc hoá học của gỗ Bạch đàn phân tích bằng FTIR .................... 128 vi 4.5.13. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn bằng phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) ....................................................................... 131 4.5.13.1. Khái niệm về phổ nhi u xạ tia X (XRD) ............................................. 131 4.5.13.2. Tính toán độ kết tinh của xenlulo ........................................................ 132 4.5.13.3. Kết quả phân tích cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn bằng phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) ....................................................................................................... 133 4.6. Vùng phù hợp của thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn ............ 135 4.6.1. Xác định vùng phù hợp các tính chất cơ học, vật lý và công nghệ của gỗ Bạch đàn x lý thủy - nhiệt .............................................................................................................. 135 4.6.2. Phân tích đánh giá chỉ tiêu nhƣ màu sắc, thành phần hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu trúc gỗ Bạch đàn đƣợc x lý thủy - nhiệt ........................................................................ 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 142 5.1. Kết luận ..................................................................................................................... 142 5.2. Kiến nghị................................................................................................................... 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu 1 ASE Hệ số chống trƣơng nở 2 WRE T Hiệu suất chống hút nƣớc của gỗ % Nhiệt độ 0 3 Diễn giải Đơn vị % C 5 τ ms Thời gian Khối lƣợng mẫu sau khi ngâm 6 mo Khối lƣợng mẫu khô kiệt g 7 T1 Hút nƣớc trung bình của mẫu đối chứng % 8 T2 Hút nƣớc trung bình của mẫu x lý % 9 ac(v) Trƣơng nở thể tích trung bình của mẫu đối chứng % 10 a1(v) Trƣơng nở thể tích trung bình của mẫu x lý % 11 Vs Thể tích mẫu sau ngâm cm3 12 Vo Thể tích mẫu sau sấy cm3 13 K Khối lƣợng thể tích gỗ khô kiệt 14 m0 Khối lƣợng gỗ khô kiệt 15 V0 Thể tích gỗ khô cm3 16 MOR Độ bền uốn tĩnh MPa 17 COM// Cƣờng độ nén dọc thớ MPa 18 COM R Độ bền nén dọc thớ theo chiều xuyên tâm MPa 19 COM T Độ bền nén dọc thớ theo chiều tiếp tuyến MPa 20 COM// Độ bền nén dọc thớ MPa 21 Rmax Độ nhám bề mặt µm 22 k Độ bền kéo trƣợt màng keo MPa 23 -OH Hydroxyl 24 TCVN X 4 25 Tiêu chuẩn Việt Nam Giá trị trung bình mẫu Giờ g g/cm3 g viii 26 S 27 SEM Sai số của số trung bình mẫu Kính hiển vi điện t quét SEM 28 FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR 29 XRD phổ nhi u xạ tia X XRD DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ H nh Tên h nh v , thị Trang 1.1 Biến tính gỗ tác động đến cấu trúc tế bào gỗ 3 1.2 Quá trình biến tính thủy - nhiệt 5 1.3 Thiết bị x lý nhiệt và thủy - nhiệt 5 1.4 Ứng dụng gỗ x lý thủy – nhiệt dùng trong nội ngoại thất 25 2.1 Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án 32 2.2 Máy đo độ nhám bề mặt mẫu 39 2.3 Vị trí đo màu trên bề mặt gỗ Bạch đàn Uro 40 2.4 Máy quét SEM S-4800 41 3.1 Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ 46 3.2 Hợp chất cao phân t xenlulo dƣới dạng 3D 47 3.3 Sợi hemicellulo trong vách tế bào gỗ 48 3.4 Vị trí của lignin trong vách tế bào gỗ 42 3.5 Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân t xenlulo trong quá trình x lý nhiệt 54 3.6 Quá trình nhiệt giải của hemixenlulo trong gỗ 55 3.7 57 3.8 Quá trình nhiệt giải của xenlulo Cơ chế phản ứng của gỗ trong quá trình x lý nhiệt 4.1 Sơ đồ công nghệ x lý thuỷ - nhiệt 66 4.2 Thiết bị x lý thuỷ nhiệt 68 4.3 Kích thƣớc mẫu xác định độ bền uốn tĩnh 71 4.4 4.4a. Máy tính Lenovo Y410; 4.4b. Máy Scaner Epson 1670; 4.4c. Quét mẫu gỗ Bạch đàn. 75 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với khối lƣợng thể tích 82 4.6 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với ASE 85 58 ix 4.7 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với WRE 88 4.8 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với độ bền uốn tĩnh 91 4.9 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bền nén dọc thớ (COM//) 94 4.10 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với COM R 97 4.11 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với COM T 99 4.12 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ nhám bề mặt (Rmax) 102 4.13 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bền kéo trƣợt màng keo 106 4.14 Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bong tách màng keo 109 4.15 Biểu đồ quan hệ giữa L*, a* và b* với các chế độ x lý thủy - nhiệt 113 4.16 Biểu đồ quan hệ giữa ΔE* với các chế độ x lý thủy - nhiệt 113 4.17 Độ bền màu tự nhiên (ΔE*) ở các chế độ x lý thủy - nhiệt 116 4.18 Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn chƣa x lý thủy-nhiệt 118 4.19 Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy-nhiệt ở nhiệt độ 200 o C, thời gian 3 h 119 4.20 Hình dạng miệng lỗ thông ngang trên vách tế bào sợi gỗ Bạch đàn 119 4.21 Sự thay đổi của thành phần hoá học của chế độ x lý thuỷ - nhiệt 121 4.22 Đƣờng xylose trong môi trƣờng acid tách nhóm acetyl tạo thành acid 122 4.23 Quá trình thủy phân của đƣờng trong gỗ tạo ra furfural và hydroxymethylfurfural 122 4.24 Tính ổn định nhiệt của gỗ và các thành phần cơ bản của gỗ 123 4.25 Liên kết β-O-4 trong lignin 124 4.26 Phản ứng đa tụ của lignin 124 4.27 Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại 126 4.28 Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn không x lý 4.29 128 0 129 0 Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 120 C và thời gian 3h 4.30 Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 200 C và thời gian 3h 129 4.31 Phƣơng pháp đo tính độ kết tinh của xenlulo 132 4.32 Phổ nhi u xạ tia X của mẫu gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý nhiệt 133 4.33 Độ kết tinh của xenlulo gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý thủy-nhiệt 134 4.34 Biểu đồ tính toán vùng thông số công nghệ hợp lý 140 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Đặc điểm một số công nghệ x lý nhiệt hiện nay 8 1.2 Phân loại và ứng dụng gỗ x lý nhiệt theo công nghệ ThermoWood 24 2.1 Bảng kế hoạch thực nghiệm 35 2.2 Mức, bƣớc thay đổi các biến số 36 2.3 Ma trận quy hoạch thực nghiệm 36 4.1 Chế độ x lý thuỷ nhiệt cho gỗ Bạch đàn 67 4.2 Thông số kỹ thuật thiết bị x lý nhiệt 68 4.3 Khối lƣợng thể tích của gỗ Bạch đàn 81 4.4 Hệ số chống trƣơng nở ASE của gỗ Bạch đàn 84 4.5 Hiệu suất chống hút nƣớc WRE của gỗ Bạch đàn 87 4.6 Độ bền uốn tĩnh của gỗ Bạch đàn 90 4.7 Độ bền nén dọc thớ của gỗ Bạch đàn 93 4.8 Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (COM R) của gỗ Bạch đàn 96 4.9 Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (COM T) của gỗ Bạch đàn 98 4.10 Độ nhám bề mặt (Rmax) của gỗ Bạch đàn 101 4.11 Độ bền kéo trƣợt màng keo (  k ) của gỗ Bạch đàn 105 4.12 Độ bong tách màng keo của gỗ Bạch đàn 108 4.13 Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ x lý thủy – nhiệt với mẫu đối chứng 112 4.14 Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ x lý thủy – nhiệt sau 60 ngày 116 4.15 Hàm lƣợng thành phần hóa học cơ bản của gỗ trƣớc và sau x lý 120 4.16 Phân vùng của phổ hồng ngoại 126 4.17 Thuộc tính phổ FTIR của gỗ Bạch đàn 130 4.18 Chia trọng số các tính chất 135 1 MỞ ĐẦU Gỗ là vật liệu không đồng nhất và không đẳng hƣớng, vì thế làm cho gỗ có tính chất co rút, dãn nở, cong vênh, nứt nẻ, hút, nhả ẩm,… dẫn đến thay đổi kích thƣớc theo các chiều khác nhau gây khó khăn trong quá trình gia công, chế biến và s dụng gỗ. Tính chất cơ học, vật lý và công nghệ là chỉ tiêu quan trọng đánh giá phẩm chất gỗ, thế nên các nhà khoa học luôn luôn hƣớng đến các nghiên cứu nhằm cải thiện và hạn chế những nhƣợc điểm của bản thân gỗ mang lại. Con ngƣời đã xác định các tính chất cơ học, vật lý và các tính chất khác của gỗ để ứng dụng hiệu quả từng loại gỗ vào các mục đích phù hợp. Gỗ rừng trồng, không những có nhiều yếu điểm về độ bền so với gỗ rừng tự nhiên, mà còn thƣờng có tính thẩm mỹ không cao, màu sắc, vấn thớ xấu không đƣợc ƣa chuộng, sự co rút dãn nở của gỗ ảnh hƣởng đến việc s dụng gỗ kém hiệu quả. Bên cạnh đó, gỗ rừng trồng có độ nhẵn khi gia công thấp ảnh hƣởng đến quá trình trang sức của gỗ. Bởi thế, việc nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao phẩm chất gỗ là điều cần thiết đòi hỏi các nhà khoa học cần quan tâm. Theo Quyết định số: 62/2006/QĐ-BNN, ngày 16 tháng 8 năm 2006 của Bộ trƣởng Bộ NN&PTNT về việc phê duyệt chiến lƣợc phát triển giống cây lâm nghiệp giai đoạn 2006-2020 đã nêu rõ cây gỗ Bạch đàn là một loại cây ƣu tiên rừng trồng. Cây Bạch đàn s dụng rộng rãi trên thị trƣờng gỗ Việt Nam, bởi cây có ƣu điểm khả năng tăng trƣởng nhanh, gỗ có màu sắc đẹp, tính chất cơ học, vật lý khá cao .... Tuy nhiên, nhƣợc điểm của gỗ Bạch đàn có nội ứng suất ngầm nên khi s dụng gỗ d bị cong vênh, nứt, tách, … Do vậy, gỗ Bạch đàn chủ yếu cung cấp làm nhiên liệu đốt, bột giấy, sản xuất ván mỏng và ván dán, ván dăm, ván sợi cứng, ván sợi - bông. Vì thế, các nhà khoa học cần phải có biện pháp kỹ thuật để khắc phục nhƣợc điểm của gỗ Bạch đàn, đặc biệt là áp dụng công nghệ chế biến gỗ để s dụng phù hợp và hiệu quả loại gỗ này. X lý nhiệt cho gỗ nói chung và x lý thủy nhiệt nói riêng là một hƣớng mới để khắc phục một hay nhiều nhƣợc điểm của gỗ bằng cách thay đổi tính chất của gỗ. Mục đích của x lý nhiệt cho gỗ là giảm khả năng hút ẩm của gỗ, cải thiện tính ổn định kích thƣớc, tăng khả năng chống sự phá hoại của sinh vật và vi sinh vật hại gỗ, tăng khả năng chống chịu môi trƣờng .... mà không gây độc hại. Biến tính gỗ có rất nhiều 2 phƣơng pháp. Trong những năm gần đây ở các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Nhật, Nga, Phần Lan, Trung Quốc... đang s dụng các phƣơng pháp biến tính nhiệt cơ, hoá cơ, hoá học, nhiệt học, bức xạ - hoá học, nano, enzyme. Biến tính gỗ theo hai xu hƣớng chủ yếu: nén chặt và không nén chặt. Một số loại hình biến tính: ngâm tẩm, gỗ ép lớp, gỗ nén, gỗ tăng tỷ trọng, polyme hoá. Tuy nhiên, nhiều trong số các phƣơng pháp đó có tác động xấu tới môi trƣờng và phƣơng pháp đƣợc xem là hữu hiệu nhất là phƣơng pháp x lý nhiệt. Theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu ngoài nƣớc gỗ đƣợc x lý thuỷ nhiệt có tính ổn định kích thƣớc cao, tăng độ nhẵn bề mặt gỗ, khả năng chống mối mọt, thay đổi màu sắc gỗ từ nhạt sang đậm giống các loại gỗ quý và độ bền màu tự nhiên tăng so với gỗ không x lý. Đặc điểm hết sức quan trọng của phƣơng pháp này là không dùng hoá chất do đó rất thân thiện với môi trƣờng và con ngƣời. Trên thế giới phƣơng pháp biến tính nói chung và phƣơng pháp x lý thuỷ - nhiệt nói riêng đã phát triển mạnh nhƣng ở Việt Nam vấn đề thuỷ - nhiệt gỗ vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu. Vì thế để nâng cao chất lƣợng và s dụng hợp lý gỗ nhƣng không gây ô nhi m môi trƣờng, nguyên liệu mục tiêu của hƣớng nghiên cứu lựa chọn một loại gỗ rừng trồng đang đƣợc s dụng rộng rãi ở nƣớc ta với nhiều ƣu điểm về tốc độ sinh trƣởng, màu sắc, trữ lƣợng... để x lý bằng phƣơng pháp thuỷ - nhiệt. Cho đến nay, các công trình nghiên cứu về phƣơng pháp x lý nhiệt và thủy nhiệt cho gỗ vẫn thƣờng s dụng trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc, kết hợp với phƣơng pháp thực nghiệm để cho kết quả. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu đó chỉ phù hợp với điều kiện cụ thể, để ứng dụng phƣơng pháp này tại Việt Nam thi cần có nghiên cứu phù hợp với điều kiện hiện tại trong nƣớc, cần có tính hệ thống và cơ sở khoa học nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu của phƣơng pháp x lý thủy - nhiệt này. Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi tiến hành luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake)”, nhằm có đƣợc những căn cứ khoa học xác đáng, thúc đẩy phát triển công nghệ biến tính gỗ nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng cho ngành Công nghệ gỗ, mở rộng phạm vi và nâng cao hiệu quả s dụng nguồn nguyên liệu và đa dạng hóa loại hình sản phẩm. 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái niệm về biến tính gỗ v xử lý thủy - nhiệt 1.1.1. Khái niệm biến tính gỗ [41],[42] Callum Hill (2006) trong cuốn ―Wood modification: chemical, thermal and other processes‖ đã định nghĩa: ―biến tính gỗ liên quan đến quá trình tác động của tác nhân hoá học, sinh học hoặc vật lý đến vật liệu gỗ, tạo ra sự cải thiện các tính chất của gỗ trong quá trình s dụng. Bản thân gỗ x lý nhiệt ít gây độc và không tạo ra các chất độc trong qua trình s dụng; hơn thế nữa, các sản phẩm tái chế từ gỗ x lý nhiệt và phế thải của gỗ x lý nhiệt cũng không gây độc hại với con ngƣời và môi trƣờng‖. Biến tính gỗ là quá trình tác động đến cấu trúc tế bào gỗ nhƣ đƣợc mô tả ở hình 1.1 Điền đầy ruột tế bào Điền đầy vách tế bào Hóa chất phản ứng với nhóm OH Hóa chất tạo cầu nối với chuỗi xelulo Thay đổi cấu trúc vách tế bào Hình 1.1. Biến tính gỗ tác ộng ến cấu trúc tế b o gỗ (dựa vào minh hoạ của Norimoto, (2001)) A: Cấu trúc gỗ từ thô đại đến hiển vi và siêu hiển vi 4 B: Các hình thức thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính, từ trái sang phải: (B1) hóa chất tích tụ ở ruột tế bào, (B2) hóa chất tích tụ ở vách tế bào, (B3) hoá chất có phản ứng với nhóm hydroxyl của xenlulo (liên kết một phía), (B4) hoá chất tạo cầu nối với các chuỗi xenlulo (liên kết hai phía), (B5) thay đổi cấu trúc vách tế bào (dựa vào minh hoạ của Norimoto, (2001)). Tuỳ theo các tác nhân biến tính và đặc điểm quá trình tác động lên cấu trúc tế bào, biến tính gỗ có thể đƣợc chia thành: biến tính hoá học, vật lý và hóa cơ. 1.1.2. Khái niệm xử lý thuỷ - nhiệt [21],[28],[36],[41],[42],[43] X lý thủy - nhiệt là quá trình làm thay đổi một số tính chất vật lý, cơ học, sinh học và tính chất công nghệ của gỗ dƣới tác dụng của nhiệt độ cao khi x lý gỗ ở trong môi trƣờng nƣớc hoặc hơi nƣớc, sau đó đƣợc gia nhiệt bằng phƣơng pháp sấy. Nhiệt độ của môi trƣờng trong x lý thuỷ - nhiệt cho gỗ dao động từ 120°C đến 200°C. Ở nhiệt độ thấp hơn 100°C, tính chất vật liệu gỗ thay đổi không đáng kể, nhƣng nếu nhiệt độ lớn hơn 200°C, gỗ sẽ bị phá huỷ nghiêm trọng, đặc biệt là cƣờng độ của gỗ giảm đáng kể. Các quá trình x lý thuỷ - nhiệt hiện nay giới hạn nhiệt độ x lý không vƣợt quá 200°C và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: - Thời gian và nhiệt độ của quá trình x lý - Loại gỗ - Độ ẩm của gỗ trƣớc khi x lý - Kích thƣớc của mẫu gỗ đƣợc x lý X lý thuỷ - nhiệt là quá trình x lý 2 giai đoạn: 1. X lý thủy - nhiệt : 120 °C - 200 °C Làm khô sơ bộ Hong phơi tự nhiên 2. Đa tụ : 120 °C - 200 °C 5 1 2 Hình 1.2. Quá tr nh xử lý thủy - nhiệt Quá trình của x lý thủy - nhiệt là x lý qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Gỗ đƣợc x lý trong môi trƣờng nƣớc ở nhiệt độ cao làm hòa tan một số chất chiết xuất, phá hủy hemixenlulo, tiền thân phân hủy lignin và xenlulo (khi nhiệt độ và độ ẩm cao). Giai đoạn 2: Gỗ sau khi x lý trong môi trƣờng nƣớc hoặc hơi nƣớc, để ráo rồi tiến hành sấy. Khi đó các chất bị tan trong giai đoạn 1 đƣợc đa tụ lại hình thành các chất mới trong gỗ. Thiết bị xử lý nhiệt của quy tr nh PLATO®-WOOD [28] Thiết bị xử lý nhiệt của quy trình OHT in Reulbach - ẢnhMenz Holz, Đức [21] Hình 1.3. Thiết bị xử lý nhiệt v thủy - nhiệt 6 2.2. Tổng quan nghiên cứu về xử lý nhiệt v thủy – nhiệt Các công trình nghiên cứu gỗ biến tính đã đƣợc thực hiện từ khá lâu. Sản phẩm gỗ biến tính có nhiều tính chất đƣợc cải thiện so với gỗ nguyên. Từ xa xƣa, con ngƣời đã dùng nhiều các biện pháp truyền thống mang tính thủ công để bảo quản gỗ và thay đổi màu sắc gỗ… bằng việc ngâm gỗ ở các ao hồ, tiếp theo đó là x lý làm dẻo cho gỗ nhƣ hấp, luộc gỗ thông qua quá trình truyền nhiệt vào trong gỗ để ứng dụng chế biến sản xuất gỗ cho các mục đích khác nhau của sản phẩm. Ngay nay, công nghệ s dụng nhiệt làm thay đổi, nâng cao chất lƣợng gỗ đƣợc ứng dụng rộng rãi và khác nhau. Tuy nhiên, với một xu hƣớng chung là ―Nâng cao chất lƣợng gỗ‖, trong luận án nay tập trung trình bày các phƣơng pháp x lý nhiệt nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng. 2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2.2.1.1. Các phương pháp xử lý nhiệt hiện nay Từ những năm 1915, báo cáo của Tiemann [69] đã đề cập đến, gỗ sau khi sấy ở nhiệt độ 1500C trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhƣng cƣờng độ của gỗ cũng có sự giảm nhẹ. Đến năm 1937, trong báo cáo của Stamm và Hansen [65] thể hiện, x lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ co rút, giãn nở của gỗ đều giảm xuống. Sau đó, các phƣơng pháp x lý nhiệt đƣợc phát triển mạnh và đƣợc cấp bằng sáng chế đó là 5 công nghệ điển hình, cụ thể ở các nƣớc Châu Âu nhƣ Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập đƣợc 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình nhƣ: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT-Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký các bằng phát minh sáng chế và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Tất cả 5 công nghệ x lý nhiệt này, có điểm chung là gỗ phải chịu nhiệt độ gần hoặc trên 2000C trong vài giờ trong môi trƣờng không khí với hàm lƣợng oxy thấp. Các loại hình x lý này, có chung một đặc điểm là một số tính chất cơ học giảm, tính ổn định kích thƣớc và độ bền sinh học tăng lên mà không cần thêm các hóa chất bên ngoài và chất bảo quản [21]. 7 Công nghệ x lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan s dụng các công đoạn khác nhau tiến hành x lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nƣớc với sấy và ổn định hóa. Trong quá trình x lý, tác dụng của thủy - nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ. Phƣơng pháp x lý này chủ yếu đƣợc cấu thành từ hai công đoạn chính, và công đoạn sấy trung gian. Giai đoạn thứ nhất, tiến hành x lý gỗ tƣơi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC với áp suất nhất định, sau đó s dụng phƣơng pháp sấy thông thƣờng làm giảm độ ẩm gỗ, tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ đƣợc đặt trong môi trƣờng có nhiệt độ 170-190oC tiến hành x lý ổn định hóa. Thời gian x lý của quá trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[28],[43]. Công nghệ x lý dầu nhiệt (OHT) s dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành x lý gỗ, nhiệt độ thƣờng dùng từ 160oC trở lên [73]. Công nghệ này thiết bị phức tạp chí phí tốn kém. Công nghệ x lý nhiệt Retification [72],[77] của Pháp s dụng gỗ phơi khô (độ ẩm khoảng 12%), tiến hành x lý ở nhiệt độ 210-240oC, trong môi trƣờng khí N2 có hàm lƣợng O2 dƣới 2%. Với công nghệ này, nhiệt độ x lý cuối cùng trong quá trình x lý có ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và cƣờng độ gỗ. Gỗ sau khi x lý, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời gian x lý. Công nghệ x lý nhiệt ThermoWood của Phần Lan s dụng gỗ đã sấy tiến hành x lý nhiệt trong môi trƣờng hơi nƣớc. Sản phẩm của công nghệ này đƣợc phân thành hai cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó ―S—Stability‖ thể hiện tính ổn định, ―D— Durability‖ thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mục. Loại ThermoD thích hợp s dụng làm công trình kiến trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại công nghệ này đã đạt đƣợc nhiều thành tựu đáng kể, sản phẩm có thị trƣờng lớn nhất so với các công nghệ còn lại [68]. 8 Dƣới đây là bảng so sánh đặc điểm của các công nghệ x lý nhiệt gỗ hiện nay [28],[61],[68],[74]. Bảng 1.1. Đặc iểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay Tên công nghệ Chất bảo vệ Độ ẩm ban ầu Nhiệt ộ xử lý (oC) Giá thànha(€/m3) ThermoWood Hơi nƣớc Gỗ tƣơi hoặc gỗ sấy 180-250 - Retification Khí N2 Gỗ phơi khô 200-240 150-160 Perdure Hơi nƣớc Gỗ tƣơi 200-240 100 PlatoWood Nƣớc, hơi nƣớc Gỗ tƣơi hoặc gỗ hoặc không khí phơi khô 170-190 100 OHT Dầu thực vật 180-220 65-95 Gỗ phơi khô a Ghi chú: Không bao gồm giá thành nguyên liệu Theo tổng kết x lý nhiệt cho gỗ của mạng lƣới Châu Âu chuyên đề cho gỗ biến tính đƣợc tổ chức Hội thảo tại Pháp gồm các quy trình sau: a) Quy trình ThermoWood của Phần Lan [21] Tuula Syrjänen, Kestopuu Oy (2001), báo cáo ―sản xuất và phân loại gỗ x lý nhiệt tại Phần Lan‖: Ở Phần Lan x lý nhiệt gỗ bắt đầu vào đầu những năm 1990 khi nhà máy x lý đầu tiên đƣợc xây dựng ở Mänttä. ThermoWood, đã đƣợc phát triển tại Trung tâm nghiên cứu Phần Lan VTT cùng với ngành công nghiệp Phần Lan. Hiện nay, các nhà sản xuất liên kết ở các dự án nghiên cứu, đặc biệt là trong đó nhằm mục đích kiểm soát chất lƣợng và phân loại x lý nhiệt gỗ. Theo Hiệp hội quá trình ThermoWood có thể chia thành ba giai đoạn chính: - Giai đoạn 1: Nhiệt độ tăng và thiết bị x lý nhiệt độ cao. Nhiệt độ thiết bị x lý đƣợc nâng lên với tốc độ nhanh chóng bằng cách s dụng nhiệt và hơi nƣớc lên một mức độ khoảng 1000C. Sau đó nhiệt độ tăng dần đến 1300C trong thời gian đó sấy ở nhiệt độ cao di n ra và độ ẩm trong gỗ giảm xuống gần nhƣ bằng không. - Giai đoạn 2: X lý nhiệt: Khi các lò sấy nhiệt độ cao đã di n ra các nhiệt độ bên trong lò tăng lên đến một mức độ giữa 1500C và 2400C, duy trì nhiệt độ cần đặt (không đổi) trong 0,5 đến 4 giờ tùy thuộc vào ứng dụng s dụng cuối cùng.