Tài liệu Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ cây keo tai tượng (acacia mangium wild)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM VŨ ĐÌNH THỊNH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VÁN COMPOSITE VỎ CÂY KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Wild) Chuyên ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản Mã số : 9549001 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Vũ Huy Đại 2. PGS. TS Nguyễn Thị Bích Ngọc Hà Nô ̣i, 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng (Acacia mangium Wild)” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức. Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận án là có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án. Hà Nội, tháng 06 năm 2020 Nghiên cứu sinh Vũ Đình Thịnh ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận án, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Vũ Huy Đại, PGS. TS Nguyễn Thị Bích Ngọc đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Nhân dịp này, Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám đốc Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Thư viện, Chi ủy, lãnh đạo Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng, Bộ môn Chế biến lâm sản, các đơn vị trực thuộc Viện, Ban Giám hiệu trường Đại học Lâm nghiệp, Viện Công nghệ gỗ và nội thất, các Thầy, Cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm và tận tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện, Trường. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới toàn thể gia đình và những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, tháng 06 năm 2020 Nghiên cứu sinh Vũ Đình Thịnh iii MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ix BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................................ xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 2 1.3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 3 1.4. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 3 1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .......................................................... 4 1.6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 4 1.7. Thời gian nghiên cứu .................................................................................... 5 1.8. Bố cục luận án .............................................................................................. 5 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 6 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite ......................................................... 6 1.1.1. Khái niệm vật liệu composite ................................................................ 6 1.1.2. Phân loại vật liệu composite .................................................................. 8 1.1.3. Các loa ̣i ván composite đươc̣ ta ̣o từ vỏ cây ............................................ 9 1.2. Tổ ng quan về tình hình nghiên cứu sử du ̣ng vỏ cây làm vâ ̣t liê ̣u composite 18 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước........................................................................ 18 1.2.2. Nghiên cứu trong nước ........................................................................ 21 1.3. Tiểu luận phần tổng quan vấn đề nghiên cứu ............................................ 222 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 244 iv 2.1. Vỏ cây ........................................................................................................ 24 2.1.1. Giới thiệu chung về vỏ cây .................................................................. 24 2.1.2. Cấu tạo của vỏ cây............................................................................... 24 2.1.3. Thành phần hóa học của vỏ cây ........................................................... 26 2.1.4. Tính chất nhiệt học của vỏ cây ............................................................ 30 2.1.5. Ảnh hưởng vỏ cây trong sản xuất ván nhân tạo.................................... 31 2.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của sợi ...................................................... 31 2.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tạo ván đến chất lượng ván vỏ cây 34 2.3.1. Ảnh hưởng của nguyên liệu gỗ đến chất lượng ván ............................. 34 2.3.2. Ảnh hưởng của chất kết dính ............................................................... 36 2.3.3. Ảnh hưởng của công nghệ ép .............................................................. 36 Chương 3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......... 38 3.1. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 38 3.2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu........................................................... 39 3.2.1. Phương pháp kế thừa ........................................................................... 39 3.2.2. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, thành phần hóa học, tính chất vỏ cây Keo tai tượng (phương pháp nghiên cứu nội dung 1) .................. 39 3.2.3. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây đến tính chất ván composite vỏ cây (Phương pháp nghiên cứu nội dung 2 và nội dung 3) ....................................................................... 46 3.2.4. Phương pháp xác định khả năng cách âm, cách nhiệt của ván composite vỏ cây (Phương pháp nghiên cứu nội dung 4)................................................ 53 3.2.5. Phương pháp nghiên cứu nội dung 5 .................................................... 59 Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................... 60 4.1. Nghiên cứu đặc điểm vỏ cây Keo tai tượng ................................................ 60 4.1.1. Xác định đặc điểm cấu tạo vỏ cây Keo tai tượng ................................. 60 v 4.1.2. Xác định thành phần hóa học vỏ cây Keo tai tượng ............................. 68 4.1.3. Xác định tính chất vật lý vỏ cây Keo tai tượng .................................... 69 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính đến tính chất ván composite vỏ cây ............... .71 4.2.1. Ảnh hưởng của chế độ ép đến khối lượng thể tích của ván composite vỏ cây .............................................................................................................. ..74 4.2.2. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ trương nở chiều dày của ván composite vỏ cây........................................................................................... 75 4.2.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ hút nước của ván composite vỏ cây .77 4.2.4. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ...................................................................................................................... 78 4.2.5. Ảnh hưởng của chế độ ép đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván composite vỏ cây........................................................................................... 81 4.2.6. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền kéo vuông góc của ván composite vỏ cây ........................................................................................................... 82 4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây theo tỷ lệ kết cấu ván có sử dụng chất kết dính đến tính chất ván composite vỏ cây ................................................................................................................ 85 4.3.1. Ảnh hưởng của chế độ ép đến khối lượng thể tích của ván composite theo tỷ lệ kết cấu ............................................................................................. 89 4.3.2. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ trương nở chiều dày sau 24h ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau ......................................................... 91 4.3.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ hút nước sau 24h ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau .................................................................................. 93 4.3.4. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền uốn tĩnh của ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau .................................................................................. 96 vi 4.3.5. Ảnh hưởng của chế độ ép đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau .......................................................................... 98 4.3.6. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền kéo vuông góc với mặt ván của ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau ................................................. 100 4.4. Nghiên cứu khả năng cách âm, cách nhiệt của ván composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng chất kết dính ................................................ 106 4.4.1. Nghiên cứu xác định khả năng tiêu âm ván composite vỏ cây Keo tai tượng........................................................................................................... 106 4.4.2. Nghiên cứu xác định khả năng cách nhiệt của ván composite vỏ cây Keo tai tượng ...................................................................................................... 111 4.5. Đề xuất một sô thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai tượng đa ̣t tiêu chuẩ n dùng làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t) .... 114 4.5.1. Phân tích, đánh giá tính chất của ván composite vỏ cây có và không sử dụng chất kết dính. ...................................................................................... 114 4.5.2. Đề xuất một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng đạt tiêu chuẩn dùng làm vật liệu xây dựng (ván cách âm, cách nhiệt) 118 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................................... 121 Kết luận........................................................................................................... 121 Những tồn tại của luận án ................................................................................ 121 Khuyến nghị .................................................................................................... 122 CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ........................................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 125 Tiếng Việt ....................................................................................................... 125 Tiếng Anh ....................................................................................................... 128 Tiếng Nga ....................................................................................................... 133 PHỤ LỤC............................................................................................................ 135 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM ............................. 136 vii DANH MỤC CÁC BẢNG STT 2.1 2.2 Tên bảng Thành phần hóa học cơ bản của gỗ, vỏ cây gỗ lá kim và gỗ lá rộng Phenolic axit và lignin từ vỏ của loài Pinus densiflora (Hata và Sogo, 1958a) Trang 26 29 Hàm lượng lignin từ lớp vỏ ngoài và phlobaphenes chứa trong vỏ 2.3 cây Quercus crispula (Hata và Sogo, 1960) 29 3.1 Bảng ma trận thực nghiệm cho các thí nghiệm lựa chọn chế độ ép ván composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng chất kết dính 47 3.2 Các thông số kĩ thuật của máy ép nhiệt 48 4.1 Kích thước sợi vỏ cây Keo tai tượng 67 4.2 Thành phần hóa học của vỏ cây Keo tai tượng 68 4.3 Khối lượng thể tích của vỏ cây Keo tai tượng 69 4.4 Tính chất vật lý của vỏ cây gỗ Keo tai tượng 69 4.5 Tỷ lệ phần libe so với toàn bộ vỏ cây Keo tai tượng 70 4.6 Khối lượng thể tích của ván composite vỏ cây theo các chế độ ép khác nhau 74 4.7 Độ trương nở chiều dày của ván sau, 24h theo các chế độ ép khác nhau 75 4.8 Độ hút nước của ván sau, 24h theo các chế độ ép khác nhau 77 4.9 Độ bền uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ở các chế độ ép khác nhau 79 4.10 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ở các chế độ ép khác nhau 81 viii 4.11 Độ bền kéo vuông góc bề mặt ván composite vỏ cây ở các chế độ ép khác nhau 83 4.12 Các thông số kỹ thuật của keo UF 87 4.13 Khối lượng thể tích của ván theo tỷ lệ kết cấu 89 4.14 Độ trương nở chiều dày của ván sau, 24h theo tỷ lệ kết cấu 91 4.15 Độ hút nước của ván sau, 24h theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 94 4.16 Độ bền uốn tĩnh của ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 96 4.17 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 98 4.18 Độ bền kéo vuông góc với mặt ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 100 4.19 Chất lượng ván thí nghiệm đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN7754: 2007 105 4.20 Hệ số tiêu âm của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính ở các chế độ ép khác nhau 107 4.21 Hệ số tiêu âm của một số loại vật liệu 108 4.22 Hệ số tiêu âm của một số loại vật liệu khác 109 4.23 Hệ số tiêu âm của ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính ở tỷ lệ kết cấu, các chế độ ép khác nhau 109 4.24 Hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính ở các chế độ ép khác nhau 111 4.25 Hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính ở tỷ lệ kết cấu, các chế độ ép khác nhau 112 4.26 Hệ số dẫn nhiệt của một số loại vật liệu 114 4.27 So sánh ảnh hưởng của thông số chế độ ép đến tính chất cơ lý ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 115 4.28 So sánh ảnh hưởng của tỷ kệ kết cấu đến tính chất cơ lý ván composite vỏ cây sử dụng chất kết dinh 116 ix DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Cấ u tạo vật liệu WPC cốt sơị 8 1.2 Một số loại composite cốt sợi 9 1.3 Một số loại composite cốt hạt 9 1.4 Cơ chế dán dính ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 14 2.1 Cấu tạo của vỏ cây 24 2.2 Mô hình cấu tạo mặt cắt ngang thân cây dưới kính hiển vi 25 2.3 Công thức cấu tạo xenlulo 32 2.4 Công thức cấu tạo của Lignin 33 2.5 Cấu trúc của sợi thực vật 33 3.1 Máy nghiền dăm BX 444 48 3.2 Máy ép nhiệt Scientific 49 3.3 Máy thử tính chất cơ học Alliance RT/30 50 3.4 53 3.5 Phổ sóng âm Nguyên lý xác định hệ số tiêu âm 3.6 Sơ đồ thực nghiệm xác định hệ số tiêu âm 57 3.7 Thực nghiệm xác định hệ số tiêu âm 58 3.8 Đo hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây 59 4.1 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng trên mặt cắt ngang 60 4.2 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng trên mặt cắt ngang 61 4.3 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng ở mặt cắt xuyên tâm 61 4.4 Cấu tạo các tế bào che phủ ở biểu bì 63 4.5 Mô hình cấu tạo thân cây gỗ 63 4.6 Mô hình cấu tạo hiển vi của vỏ cây 64 54 x 4.7 SEM mặt cắt ngang vỏ cây Keo tai tượng 64 4.8 SEM mặt cắt tiếp tuyến của lớp vỏ cây Keo tai tượng phía ngoài 65 4.9 SEM mặt cắt tiếp tuyến của lớp vỏ cây Keo tai tượng phía trong 66 4.10 SEM tinh thể chứa trong tế bào nhu mô vỏ cây Keo tai tượng 66 4.11 Sợi vỏ cây gỗ Keo tai tượng (x100) 67 4.12 Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu thông số công nghệ ép tạo ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 4.13 Biểu đồ ép ván composite vỏ cây Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 4.14 trương nở chiều dày của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 4.15 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ hút nước của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 4.16 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến MOR của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 4.17 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến MOE của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 4.18 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến IB của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính 4.19 Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu thông số công nghệ ép tạo ván composite vỏ cây sử dụng chất kết dính Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến 4.20 Khối lượng thể tích của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính 4.21 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ trương nở chiều dày của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính 4.22 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ hút nước của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính 4.23 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ MOR của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính 4.24 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ MOE của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính 4.25 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 71 73 76 78 80 82 84 86 90 92 95 97 99 101 xi IB của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính 4.26 SEM ván composite vỏ cây Keo tai tượng (100% dăm vỏ cây) không sử dụng chất kết dính 4.27 SEM ván composite vỏ cây tỷ lệ kết cấu 3/4/3: dăm vỏ cây/dăm gỗ/dăm vỏ cây = (30/40/30)% sử dụng chất kết dính 4.28 SEM ván composite vỏ cây tỷ lệ kết cấu 1/3/1: dăm gỗ/dăm vỏ cây/dăm gỗ = (20/60/20)% sử dụng chất kết dính 102 103 103 xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Hn Độ hút nước IB Độ bền kéo vuông góc bề mặt ván MOR Độ bền uốn tĩnh MOE Mô đun đàn hồi uốn tĩnh P Áp lực ép PC Polyme composite T Nhiệt độ τ Thời gian TB Trung bình UF Keo Ure Formaldehyde V Ván composite WPC Wood Plastic Compostite S Độ trương nở chiều dày γ Khối lượng thể tích 1 MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu của con người về sử dụng gỗ và sản phẩm từ gỗ ngày càng cao. Trong những năm gần đây, lượng gỗ rừng tự nhiên ngày càng hạn chế, các loại vật liệu gỗ: ván sợi, ván ghép thanh, ván LVL, glulam, ván dán, ván dăm từ gỗ rừng trồng đang được sử dụng với khối lượng ngày càng tăng. Ở Việt Nam, để đáp ứng nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ, nguyên liệu gỗ rừng trồng khai thác trong nước ngày càng nhiều, năm 2018, sản lượng gỗ khai thác nội địa 28,45 triệu m3, tăng 6% so với năm 2017, trong đó khai thác từ rừng trồng tập trung đạt 25 triệu m3 [5]. Hiện nay, tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu gỗ ở nước ta rất thấp, chỉ đạt khoảng 30%-35% tổng toàn bộ sinh khối của cả cây gỗ. Một trong những nguyên nhân đó là phần lớn các loại phế liệu của cây gỗ như vỏ cây, tán cây, rễ, lá đều bị bỏ lại trong rừng, hoặc sử dụng kém hiệu quả, chưa có định hướng chiến lược về sản xuất các loại hình sản phẩm, vật liệu mới từ những loại phế liệu này. Theo một số kết quả nghiên cứu cho thấy trong một cây gỗ tỷ lệ vỏ cây chiếm 10-15%, cành nhánh chiếm 25-30%, rễ cây chiếm 10-15%. Ở nước ta các loại phế liệu này cây không thể sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất ván sợi, ván dăm và chưa có hướng giải quyết. Ở nhiều nước trên thế giới vật liệu composite từ nguyên liệu vỏ cây và gỗ đã được nghiên cứu và áp dụng vào sản xuất. Những nghiên cứu cơ sở về tính chất nhiệt của vỏ cây như hệ số truyền nhiệt, tỷ nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt; ảnh hưởng của thời gian ép, hình dạng và kích thước của dăm vỏ cây đến tính chất của ván composite vỏ cây đã được thực hiện. Kết quả nghiên cứu đã xác định ván composite vỏ cây có đặc tính gần giống như gỗ tự nhiên nhưng khắc phục được những nhược điểm của gỗ tự nhiên như có độ ổn định kích thước cao, khả năng cách âm, cách nhiệt tốt. Đây là loại vật liệu nhẹ, dễ gia công, tạo màu sắc cho sản phẩm theo yêu cầu, phù hợp dùng trong sản xuất đồ mộc và xây dựng [20], [45], [46]. 2 Do vậy sử dụng phế liệu gỗ, trong đó có vỏ cây, để tạo ván composite - loại vật liệu mới đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng gỗ của xã hội sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và phát triển rừng bền vững mở ra xu hướng mới sử dụng hiệu quả vỏ cây trong ngành công nghiệp chế biến gỗ. Ở Việt Nam, các loài Keo (Acacia) do có ưu điểm nổi trội về tốc độ sinh trưởng và phù hợp với nhiều vùng sinh thái lên được trồng nhiều với diện tích lớn ở nước ta, chiếm tỷ lệ gần 75% diện tích trồng các loại gỗ rừng trồng. Khối lượng vỏ cây tạo ra là tương đối lớn. Chính vì vậy, nghiên cứu tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ và là cơ sở để nghiên cứu sử dụng vỏ các loại cây khác. Với mong muốn góp phần bổ sung luận cứ khoa học, giải pháp sử dụng hiệu quả vỏ cây Keo tai tượng làm vật liệu, vì vậy đề tài luận án: “Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng (Acacia mangium Wild)” đã được tiến hành. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1. Mục tiêu về lý luận - Xác đinh ̣ đươc̣ mố i quan hê ̣ giữa các thông số công nghê ̣ (thời gian ép, nhiệt độ ép) đế n chấ t chấ t lươṇ g ván composite vỏ cây Keo tai tượng không sử dụng chấ t kế t dính dùng để làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t). - Xác đinh ̣ đươc̣ mố i quan hê ̣ của tỷ lệ kết cấu giữa dăm vỏ cây và dăm gỗ đến chất lượng ván composite có sử du ̣ng chấ t kế t dính dùng để làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t). 1.2.2. Mục tiêu kỹ thuật - Xác đinh ̣ đươc̣ các thông số công nghê ̣ ta ̣o ván composite vỏ cây Keo tai tượng. 3 - Xác đinh ̣ đươc̣ tỷ lê ̣ kế t cấ u giữa dăm vỏ cây và dăm gỗ khi ta ̣o ván composite. - Đề xuất một số thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai tượng đa ̣t tiêu chuẩ n dùng làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t). 1.3. Đối tượng nghiên cứu Vỏ cây Keo tai tượng 8 - 10 năm tuổi, được khai thác tại khu vực Hòa Bình. 1.4. Phạm vi nghiên cứu Các yếu tố cố định - Nguyên liệu để tạo ra ván thí nghiệm gồm vỏ cây Keo tai tượng rừng trồng 8 - 10 năm tuổi, được khai thác tại Hòa Bình và phế liệu trong sản xuất ván bóc Keo tai tượng thu gom tại Hòa Bình. - Chất kết dính: Keo UF (Urea- Formaldehyde) lượng keo 10%. - Sử dụng khuôn ép để tạo ra ván kích thước (dài x rộng x dày) mm: 400 mm x 400 mm x 16 mm. - Khối lượng thể tích ván composite dự kiến: γ = 0,75 (g/cm3). - Áp lực ép (P): 1,6 MPa (Qua kết quả nghiên cứu của luận án, để đạt được khối lượng thể tích 0,75 g/cm3, chiều dày sản phẩm 16 mm thì áp lực ép cần đạt 1,6 MPa. Áp lực ép sẽ được cố định trong suốt quá trình thí nghiệm. Các yếu tố thay đổi (1) Thay đổi các thông số chế độ ép (thời gian, nhiệt độ ép) tạo ván composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng chất kết dính: + Thời gian ép (τ): Thay đổi ở 3 mức: τmin = 16 phút, τo = 18 phút, τmax = 20 phút + Nhiệt độ ép (T): Thay đổi ở 3 mức: Tmin = 160 oC, To = 180 oC, Tmax = 200 oC 4 Các yếu tố đầu ra: Các yếu tố đầu ra là một số tính chất cơ lý chủ yếu của ván composite vỏ cây: khối lượng thể tích, độ trương nở chiều dày, độ hút nước, độ bền uỗn tĩnh và mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh, độ bền kéo vuông góc với mặt ván. 1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học Là công trình đầu tiên nghiên cứu có hệ thống và đầy đủ về đặc điểm cấu tạo hiển vi, siêu hiển vi, thành phần hóa học, tính chất vật lý chủ yếu của vỏ cây làm cơ sở cho định hướng sử dụng hiệu quả vỏ cây trong công nghiệp chế biến gỗ; Xác lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ trong tạo thử nghiệm ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính và không sử dụng chất kết dính; Mối quan hệ giữa tính chất của ván composite vỏ cây với kết cấu của ván khác nhau làm cơ sở cho định hướng sử dụng vật liệu. Ý nghĩa thực tiễn - Vỏ cây là nguồn nguyên phụ liệu chiếm tỷ trọng rất lớn, hiện nay còn chưa được sử dụng hiệu quả, việc nghiên cứu tạo thử nghiệm vâ ̣t liêụ composite vỏ cây Keo tai tươṇ g có ý nghĩa thực tiễn lớn trong sử dụng hiệu quả, nâng cao tỷ lệ lợi dụng gỗ rừng trồng và bảo vệ môi trường. - Tạo ra nguồn nguyên liệu mới là ván composite vỏ cây từ nguồ n phế liê ̣u vỏ cây Keo tai tươṇ g đáp ứng phần nào nhu cầu về nguyên liệu dùng trong sản xuất đồ mộc và xây dựng. Ván composite từ vỏ cây có khả năng cách nhiệt, tiêu âm cao do vậy có tiềm năng lớn được sử dụng trong xây dựng và nội thất làm vật liệu cách nhiệt, tiêu âm. - Tạo thử nghiệm vật liệu composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính là xu hướng mới trong tạo vật liệu xanh, thân thiện môi trường. 1.6. Những đóng góp mới của luận án Đây là công trình đầu tiên nghiên cứu tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai tượng ở Việt Nam. 5 - Xác định được cấu tạo hiên vi, siêu hiển vi, tính chất vật lý, thành phần hóa học của vỏ cây Keo tai tượng làm cơ sở cho việc sử dụng tạo ván composite vỏ cây. - Xác định được mối quan hệ và giá trị các thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng đáp ứng yêu cầu chất lượng của vật liệu xây dựng. - Xác định được mối quan hệ của tỷ lệ kết cấu ván composite và tỷ lệ phối trộn giữa dăm vỏ cây với dăm gỗ ảnh hưởng đến chất lượng ván composite. - Xác định hệ số tiêu âm, khả năng cách nhiệt của vật liệu composite vỏ cây Keo tai tượng làm cơ sở cho sử dụng vật liệu này làm vật liệu tiêu âm, vật liệu cách nhiệt. 1.7. Thời gian nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2012 đến 2019 1.8. Bố cục luận án Luận án được viết với tổng số 123 trang, bao gồm 45 hình, 33 bảng; ngoài phần tài liệu tham khảo, danh mục công trình đã công bố liên quan và phụ lục, luận án được kết cấu như sau: Phần mở đầu (5 trang). Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (18 trang). Chương 2. Cơ sở lý thuyết (14 trang). Chương 3. Nội dung, vật liệu và phương pháp nghiên cứu (22 trang). Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận (61 trang). Kết luận, những tồn tại và khuyến nghị (3 trang). Luận án đã tham khảo 94 tài liệu, trong đó 45 tài liệu tiếng Việt và 49 tài liệu tiếng nước ngoài. 6 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite 1.1.1. Khái niệm vật liệu composite Vật liệu composite là tên gọi của loại vật liệu được kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu thành phần nhằm tạo ra loại vật liệu mới có tính năng khác với các vật liệu ban đầu khi ở riêng rẽ. Các tính năng này thường tốt hơn hay phù hợp hơn với mục đích và điều kiện sử dụng cụ thể. Đặc trưng của vật liệu composite là được cấu thành từ nhiều thành phần vật liệu nên chúng còn được gọi là vật liệu đa thành phần [9], [14], [19], [24]. Polyme composite (PC) là một loại vật liệu composite được cấu tạo bởi 2 hay nhiều cấu tử (thành phần). Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền. Loại cấu tử thứ hai là các chất phụ gia (hay còn gọi là chất độn, chất gia cường, cốt) như: vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ,... Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba là chất trợ liên kết (hay trợ tương hợp), có tác dụng làm tăng tính năng kết hợp giữa chất độn và nhựa nền. Polyme composite có các tính chất hoá, lý khác nhiều so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ. Vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác nhau về bản chất và không hòa tan lẫn nhau. Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite; trong đó, một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau. Pha gián đoạn được gọi là cốt, còn gọi là vật liệu gia cường hay vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mài mòn, chống xước...[14], [19], [24]. Vật liệu composite có thành phần từ nguyên liệu thực vật Composite sợi tự nhiên được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng các nguồn sợi thực vật phong phú. Sợi cấu thành từ các vi sợi xenlulo dạng tinh thể gia cường cho nền vô định hình của lignin và hemixenlulo. Xenlulo cung cấp độ bền trong khi lignin và hemixenlulo cung cấp độ dai và bảo vệ sợi. Những sợi xenlulo này gồm có nhiều sợi 7 nhỏ chạy dọc theo chiều dài sợi. Liên kết hydro và những liên kết khác giúp cho sợi có độ bền và độ cứng cần thiết. Các loại composite gia cường sợi tự nhiên như: sợi gỗ, sợi từ vỏ cây, trấu, sợi gai, lanh, đay, chuối. Composite chế tạo từ sợi tự nhiên có ưu điểm nổi bật là nhẹ, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và modul riêng cao, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp... Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất, thân thiện với môi trường, có khả năng thay thế các loại vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, các vật liệu composite làm từ sợi tổng hợp… Thành phần hóa học của sợi tự nhiên thay đổi phụ thuộc vào từng loại sợi. Thành phần hóa học cũng như cấu trúc của sợi thực vật khá phức tạp. Phần lớn các sợi thực vật, trừ sợi bông, đều bao gồm những thành phần chính là xenlulo, hemixenlulo và lignin. Tính chất của những thành phần này đều góp phần vào tất cả các tính chất của sợi. Hemixenlulo là nguyên nhân chính gây phân hủy sinh học, thấm ẩm và phân hủy nhiệt của sợi, trong khi đó lignin góp phần chịu nhiệt nhưng lại dễ phân hủy bởi tia UV. Tỷ lệ phần trăm thành phần cấu tạo của các thành phần trên thay đổi theo từng loại sợi. Thông thường, sợi có từ 60 - 80% xenlulo, 5 - 20% lignin [9], [15], [16], [20]. Vật liệu composite gỗ - nhựa (Wood Plastic Compostite - WPC) là loại vật liệu composite được tạo ra từ nguyên liệu thực vật (như bột gỗ, bột tre trúc, bột đường, bột rơm rạ…) kết hợp với nhựa (như PE, PP, PVC,…), đồng thời thêm vào lượng chất phụ gia thích hợp, sử dụng phương pháp ép đùn hoặc các phương pháp định hình khác nhau để tạo ra sản phẩm có đặc tính tương đồng với gỗ tự nhiên. Vật liệu composite gỗ nhựa có nhiều ưu điểm có thể đóng đinh, cưa cắt, mà độ hút ẩm, hút nước thấp, ít bị mối mọt, mục, đồng thời tái sử dụng giống như vật liệu nhựa. Vật liệu composite gỗ - nhựa là loại có tính chất tốt, ổn định và thân thiện với môi trường và có thể chế tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp [20], [24], [27], [36].