Báo cáo Nghiên cứu ảnh hưởng của polyetylen glycol đến tính ổn định kích thước gỗ (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ảnh hưởng của polyetylen glycol đến tính ổn định kích thước gỗ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA POLYETYLEN GLYCOL ĐẾN TÍNH ỔN ĐỊNH KÍCH THƯỚC GỖ Mã số: T2015 - 89 Chủ nhiệm đề tài: THS. GV. Nguyễn Văn Tú SKC005575 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA POLYETYLEN GLYCOL ĐẾN TÍNH ỔN ĐỊNH KÍCH THƯỚC GỖ Mã số: T2015-89 Chủ nhiệm đề tài: ThS. NGUYỄN VĂN TÚ TP. HCM, Tháng10 Năm 2015
3. ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA POLYETYLEN GLYCOL ĐẾN TÍNH ỔN ĐỊNH KÍCH THƯỚC GỖ Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu: ThS NGUYỄN VĂN TÚ Đơn vị phối hợp chính: Xưởng thực tập gỗ - Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.
4. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH 3 DANH MỤC CÁC BẢNG 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3 MỞ ĐẦU 4 * Tổng quan tình hình nghiên thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 4 * Tính cấp thiết của đề tài 5 * Mục tiêu đề tài 7 * Đối tượng nghiên cứu 7 * Phạm vi nghiên cứu 7 * Cách tiếp cận 7 * Phương pháp nghiên cứu 7 Chƣơng 1.CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT GỖ KEO LAI ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH KÍCH THƢỚC 8 1.1. Tình hình trồng cây keo lai của nước ta hiện nay 8 1.2. Đặc điểm sinh thái 9 1.3. Đặc điểm về cấu tạo 10 1.4. Tính chất vật lý gỗ Keo lai 11 1.5. Tìm hiểu về tính chất cơ học của gỗ 12 1.6. Đặc điểm chính của gỗ liên quan đến tính co rút và dãn nở 12 Chƣơng 2.CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH HÓA KÍCH THƢỚC GỖ 16 2.1. Các giải pháp ốn định kích thước gỗ 16 2.2. Ổn định gỗ bằng phương pháp hoá học 16 2.2.1 Xử lý gia nhiệt 16 2.2.2. Xử lý Acetol hoá 17 2.2.3. Xử lý Cyanate 18 2.2.4. Xử lý Formol 19 2.2.5. Xử lý bằng Urea 19 2.4 Ổn định gỗ bằng phương pháp hoá nhiệt 20 2.5. Ổn định gỗ bằng phương pháp Enzym 21 2.6. Ổn định gỗ bằng phương pháp vật lý 21 2.6.1. Xử lý chống nước 21 2.6.2. Xử lý chống ẩm 22 2.6.3. Xử lý Paraffin 23 2.6.4. Xử lý Polyetylenglycol (PEG) 23 CHƢƠNG 3.THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 24 3.1. Quy trình công nghệ tạo gỗ biến tính 24 3.1.1. Nguyên liệu 24 3.1.2.Trình tự thí nghiệm: 26 3.2.Kết quả thí nghiệm và đánh giá kết quả 28 1
5. 3.2.1. Kết quả thí nghiệm 28 3.2.2. Đánh giá kết quả 30 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Kết luận 31 Kiến nghị 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 2
6. DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1. Cây gỗ Keo lai 10 Hình 1-2. Mặt cắt ngang cây gỗ Keo lai 11 Hình 1.3 Mặt cắt ngang gỗ Keo lai 10 Hình 1.4. Mặt cắt tiếp tuyến gỗ Keo lai 11 Hình 1.5 Phân tử Xenlulô 13 Hình 3.1 Quy trình công nghệ biến tính gỗ 24 Hình 3.2. Polyetylen Glycol 25 Hình 3.3. Cân điện tử 25 Hình 3.4. Tủ sấy thí nghiệm 25 Hình 3.5 Thước kẹp 26 Hình 3.6. Mẫu ván 26 Hình 3.6 Ngâm mẫu ván 27 Hình 3.7. Mẫu ván ngâm PEG 27 Hình 3.8. Mẫu ván đối chứng 28 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang Bảng 1-1 Tính chất vật lý gỗ Keo lai. 11 Bảng 1.2 Tính chất cơ học gỗ Keo lai. 13 Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm hệ số co rút của gỗ qua xử lý và 28 mẫu đối chứng DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị MC Độ ẩm % KLTT Khối lượng thể tích g/cm3 V Thể tích cm3 m Khối lượng g Pmax Lực phá huỷ lớn nhất Kgf PEG Polyetylenglycol TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam σed Ứng suất ép dọc thớ MPa σut Ứng suất uốn tĩnh Mpa 3
7. MỞĐẦU * Tổng quan tình hình nghiên thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc - Trên thế giới Trên thế giới, công nghệ biến tính gỗ không còn là lĩnh vực mới, nó được phát triển sớm ở Châu Âu. Với mục đích sử dụng gỗ và vật liệu gỗ một cách hiệu quả, ở các nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nga, Nhật, EU trong những năm qua đã tiến hành nghiên cứu vàáp dụng vào sản xuất các biện pháp biến tính gỗ theo một số xu hướng sau: biến tính theo hướng chống cháy; biến tính theo hướng chống ẩm; cải thiện các tính chất cơ học của gỗ mọc nhanh rừng trồng để cho nó ít biến dạng. Năm 1930, ở Liên Xô các nhà khoa học đã nghiên cứu ép gỗ tạo ra thoi dệt và tay đập của máy dệt. Sau đó, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp này để tạo ra những chi tiết chịu mài mòn, tự bôi trơn, sử dụng trong ôtô, máy nông nghiệp. Gỗ nén theo phương pháp này tạo ra vật liệu không ổn định hình dạng, độ ổn định kích thước kém. Để khắc phục các nhà khoa học đã nghiên cứu đưa vào trong gỗ các hoá chất dưới dạng monome hoặc polyme. Năm 1936, một số nhà khoa học Liên Xô đã đưa vào gỗ dung dịch Bakelit 5-10%. Vào năm 1966, G.B.Klard đã dùng dung dịch Phuphurol spirt tẩm vào gỗ tạo ra vật liệu có tính cơ học cao. Năm 1972, phòng thí nghiệm sản phẩm lâm sản của Mỹ (FPL) bắt tay nghiên cứu ứng dụng Acetol hoá đối với vật liệu gỗ. Năm 1980, xử lý Acetol hoá bắt đầu ứng dụng sản xuất ván nhân tạo. Năm 1981, Nhật Bản đã thu được thành công tiến hành xử lý Acetol hoá gỗ với quy mô sản xuất công nghiệp, giới công nghiệp gỗ Nhật Bản đã mở rộng vật liệu Acetol hoá, mà kích thước của nó rất ổn định mặc cho độ ẩm tương đối của môi trường thay đổi lớn, được dùng rộng rãi làm tường vách của buồng tắm, cửa hoặc ván sàn. Đầu những năm 1960, các nhà khoa học Mỹ, Liên Xô đã dùng tia chiếu xạ gây phản ứng đa tụ ở các đơn thể tẩm vào trong gỗ (một số cao phân tử lượng thấp hoặc Cacbua hydro không bão hoà có cầu đôi) làm cho các hoá chất kết hợp với gỗ và đóng rắn lại tạo nên các sản phẩm chất lượng cao, gọi là gỗ Polyme phức hợp (WPC). Gỗ được xử lý WPC có tính ổn định kích thước và khối lượng thể tích cao hơn rõ rệt so với gỗ nguyên. Tính kháng ẩm của gỗ được xử lý WPC cũng tăng. Do tính ổn định kích thước của WPC là rất tốt, tính cơ học, chịu mài mòn và chịu uốn cũng tăng nên nó 4
8. là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong kiến trúc, trong công nghiệp, đồ mộc Tại hội thảo công nghệ biến tính gỗ ở Châu Âu được tổ chức lần 1 vào tháng 03 năm 2003 tại Bỉ và lần 2 vào tháng 10 năm 2005 tại Đức đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học châu Âu do GS.W. Hotman (Netherlands) chủ trì đã đề cập đến vấn đề nâng cao tính ổn định kích thước gỗ sử dụng Anhydric acetic và khẳng định xu hướng này cần phải được nghiên cứu và hoàn thiện trong tương lai. Ở Thụy Điển, Nhật Bản đã có các Nhà máy xử lý gỗ bằng Acetyl hoá kết hợp với công nghệ vi sóng đang được sản xuất với số lượng lớn các sản phẩm gỗ có chất lượng cao. Tại Nga nghiên cứu nâng cao tính ổn định kích thước gỗ sử dụng Anhydric acetic đã được nghiên cứu từ những năm 1960, đến nay vẫn tiếp tục hoàn thiện công nghệ và triển khai vào sản xuất. Biến tính nguyên liệu gỗ rừng trồng để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao đang là xu thế phát triển của ngành chế biến gỗ trên toàn thế giới. - Ở Vi ệt Nam Trong những năm gần đây, công nghệ biến tính gỗ theo các xu hướng khác nhau như nâng cao khối lượng thể tích, tính chất cơ vật lý, ổn định kích thước gỗđãđược nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất quan tâm nghiên cứu. Một số công trình nghiên cứu về biến tính gỗđãđược thực hiện như Trần Văn Chứđã nghiên cứu công nghệ và thiết bị biến tính gỗ có khối lượng thấp thành nguyên liệu chất lượng cao. Vũ Huy Đại, Nguyễn Minh Hùng đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý vi sóng đến tính ổn định kích thước của gỗ Trám trắng, ảnh hưởng của tỷ suất nén đến tính ổn định kích thước của gỗ biến tính từ Keo tai tượng. Bùi Thị Tuyết Nhung đã nghiên cứu một số giải pháp nâng cao khối lượng thể tích gỗ và tiến hành nâng cao khối lượng thể tích gỗ bằng nhựa Novolac. Qua điều tra về các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước tôi thấy hướng nghiên cứu biến tính gỗở trong nước là hết sức cần thiết và cóý nghĩa. Nhìn chung, vấn đề biến tính gỗở nước ta mới bắt đầu được nghiên cứu, các kết quả cho thấy không những nâng cao được chất lượng sản phẩm, mà còn, giúp chúng ta đa dạng hóa loại hình sản phẩm từ nguyên liệu gỗ. Mặc dù các kết quả trên chỉ mang tính thử nghiệm, thăm dò nhưng đãđặt nền tảng ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo. * Tính cấp thiết của đề tài Công nghiệp chế biến gỗ Việt Nam trong những năm gần đây đã có những 5
9. bước phát triển vượt bậc, kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ nước ta đạt gần 1,6 tỷ USD trong năm 2005, năm 2006 kim ngạch xuất khẩu đồ gỗ nước ta đạt 2 tỷ USD, sản phẩm đồ gỗ của Việt Nam đã có mặt trên 120 quốc gia trên thế giới (Vneconomy, 2006). Mặc dù vậy, trong những năm gần đây do sự phát triển của nền kinh tế, sự khai thác rừng tự nhiên một cách bừa bãi làm cho ngành công nghiệp Chế biến lâm sản đứng trước thực trạng nguyên liệu gỗ rừng tự nhiên ngày càng khan hiếm trầm trọng, vì vậy xu hướng sử dụng gỗ rừng trồng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất không ngừng tăng nhanh. Gỗ là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống bởi hàng loạt các ưu điểm như có hệ số phẩm chất cao, mềm, dễ gia công, chế biến, dễ trang sức, Bên cạnh những ưu thế gỗ rừng trồng là khuyết tật, gỗ mềm nhẹ, tỷ trọng thấp, tính chất cơ, vật lý thấp, khả năng chịu tác hại của môi trường như mối, mọt, kém, màu sắc không đẹp. Một nhược điểm không thể không nói tới là khả năng hút ẩm, nhả ẩm dẫn đến bị thay đổi kích thước, hơn nữa nó là vật liệu dị hướng nên mức độ thay đổi kích thước theo các chiều không giống nhau, vì thế gỗ dễ biến hình, nứt nẻ, cong vênh. Đây là nhược điểm lớn nhất của gỗ khi sử dụng gỗ là vật liệu. Tính co rút, dãn nở của gỗ không chỉ gây khó khăn trong quá trình gia công, chế biến, sử dụng mà còn hạn chế khả năng sử dụng gỗ trong môi trường có sự biến động lớn về độ ẩm. Chính vì thế, bài toán đặt ra cho các nhà khoa học là tìm kiếm các giải pháp công nghệ biến tính gỗ nhằm nâng cao chất lượng gỗ, đây cũng là một trong những xu hướng đã và đang được quan tâm trên thế giới. Biến tính gỗ là quá trình tác động hóa học, cơ học, nhiệt học hoặc đồng thời làm thay đổi lại cấu trúc của gỗ mà chủ yếu là tác động vào các nhóm hydroxyl. Biến tính gỗ có rất nhiều phương pháp, trong những năm gần đây ở các nước phát triển như Mỹ, Nga, Nhật, EU đang sử dụng một số phương pháp biến tính như nhiệt cơ, hóa cơ, hóa học, nhiệt hóa, bức xạ - hóa học. Biến tính gỗ theo hai xu hướng chủ yếu là nén chặt và không nén chặt. Một số loại hình biến tính như ngâm tẩm, gỗ ép lớp, gỗ nén, polyme hóa. Càng ngày các nhà khoa học càng chú trọng đến việc tăng hiệu quả của các giải pháp biến tính nhưng ít hoặc không gây độc hại với con người và môi trường, người ta hạn chế hoặc không dùng chất xúc tác hóa học. Trên thế giới công nghệ biến tính gỗ đã phát triển mạnh nhưng ở Việt Nam vấn đề biến tính gỗ mới được nghiên cứu rất ít. 6
10. Xuất phát từ yêu cầu đó, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của Polyetylenglycol (PEG) đến tính ổn định kích thước gỗ” * Mục tiêu đề tài Nghiên cứu sử dụng PEG để biến tính gỗ nhằm nâng cao tính cơ lý và khả năng sử dụng gỗ mọc nhanh rừng góp phần thay thế gỗ rừng tự nhiên đang ngày càng khan hiếm vào sản xuất chế biến gỗ ở Việt Nam. * Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của PEG đến sự ổn định kích thước của gố Keo lai * Phạm vi nghiên cứu + Đề tài sử dụng phương pháp ngâm thường để đưa thuốc PEG vào trong gỗ. + Nguyên liệu sử dụng ngâm tẩm PEG là gỗ Keo lai * Cách tiếp cận Tiếp cận lý luận khoa học, các kết quả nghiên cứu về biến tính gỗ ở các nước trên thế giới. Ở giai đoạn nghiên cứu này, phương pháp nghiên cứu chủ yếu sử dụng là khảo sát thực tiễn và kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Tiến hành thử nghiệm kết quả nghiên cứu để kiểm tra, phân tích, đánh giá kết quả đạt được. * Phƣơng pháp nghiên cứu Tham khảo các tài liệu chuyên môn, kế thừa các kết quả liên quan đến biến tính gỗ thông qua các nguồn: thư viện, giáo viên hướng dẫn, các chuyên gia, mạng internet, để đưa ra được quy trình biến tính tối ưu. 7
11. Chƣơng 1 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT GỖ KEO LAI ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH KÍCH THƢỚC 1.1. Tình hình trồng cây keo lai của nƣớc ta hiện nay Sự ra đời của giống keo lai là sự mở đầu cho một phong trào sử dụng giống có năng suất cao và nhân giống sinh dưỡng trong lâm nghiệp ở nước ta. Tuy được phát hiện muộn hơn các nước khác, song nhờ đi đúng hướng nên có thể nói Việt Nam là nước đầu tiên đã đưa giống keo lai có năng suất cao và sử dụng trong sản xuất trên quy mô lớn, trên những vùng sinh thái tốt, giống keo lai của ta có thể đạt năng suất 30 - 40 m3/ha/năm, nơi đất xấu giống keo lai vẫn có sinh trưởng gấp 1,5 - 3 lần các giống bố mẹ. Đất trồng rừng của Việt Nam là đất trống, đồi núi trọc, nên không thể có năng suất rừng trồng cao như ở một số nước khác. Trung tâm Nghiên cứu giống cây rừng đã tổ chức các lớp tập huấn kỹ thuật nhân giống sinh dưỡng bằng giâm hom và chuyển giao giống gốc cho nhiều đơn vị trong cả nước, cũng như chuyển giao công nghệ nuôi cấy mô và giống gốc cho một số đơn vị khác. Một số cơ sở nhân giống bằng nuôi cấy mô do Trung tâm chuyển giao như Nông lâm trường thực nghiệm Quảng Ninh đã nhân giống keo lai hằng năm gần một triệu cây. Nhiều cơ sở khác cũng nhân giống bằng nuôi cấy mô thành công cho Gỗ keo lai. Cùng với sự phát triển của giống keo lai là phong trào nhân giống hom và nuôi cấy mô phân sinh đang phát triển rộng rãi ở các cơ sở nghiên cứu và sản xuất lâm nghiệp trong cả nước. Giống keo lai không những được sử dụng trong nước mà còn được một số nước khác quan tâm và xin trao đổi giống, trong đó Malayxia đã nhập để trồng trên diện rộng, công ty trồng rừng nguyên liệu giấy Oiji 100% vốn của Nhật Bản cũng đang dùng giống keo lai làm cây trồng chính ở Bình Ðịnh và Quảng Ngãi. Gần đây Trung tâm Nghiên cứu giống cây rừng đã chọn thêm một số giống keo lai tự nhiên mới, cũng như đã tiến hành lai nhân tạo thành công và đã tạo được hàng chục tổ hợp lai khác loài giữa keo tai tượng và keo lá tràm. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã coi keo lai là một trong những giống cây trồng chính của ngành lâm nghiệp. Theo Cục Phát triển lâm nghiệp thì đến năm 2007 đã có 100.000 ha cây keo lai được gây trồng trong cả nước, riêng năm 2001 là 30.000 ha. Riêng xí nghiệp nguyên liệu giấy Đông Nam Bộ: 42300 ha 8
12. ở Đăclăk, 575 ha ở Lâm Đồng, còn lại là 1950 ha ở các tỉnh trong khu vực miền Đông Nam Bộ. 1.2. Đặc điểm sinh thái Tên Việt Nam:gỗ Keo lai. Tên khoa học:Acacia mangium - Acacia auriculiformis (Acacia hybrid). Hình 1.1. Cây gỗ Keo lai Cây gỗ có thân tương đối thẳng, phân cành ở độ cao 5÷7 m trở lên. Khi cây còn nhỏ vỏ cây có màu trắng xanh, không bị nứt, khi cây về già vỏ ngả sang màu nâu và thường nứt thành rãnh nhỏ và sâu. Hoa trắng bạc xếp thẳng hoặc uốn nhẹ, hoa tự hình bông, hoa đơn. Có hai mùa ra hoa rõ rệt vào tháng 7 và tháng 11. Hạt có màu nâu. Keo lai mọc trên đất sét pha cát hoặc đất pha cát, Keo lai cũng có thể sinh trưởng mạnh trên đất lateirt. Keo lai thường phân bố ở những nơi có biên độ nhiệt thay đổi từ 12 ÷ 350C, lượng mưa hàng năm từ 1200 ÷ 1800mm và độ cao 50 ÷ 350m so với mặt nước biển. Loài cây này là cây mọc nhanh, thích sáng và khả năng sinh trưởng nhanh nhất ở vùng khí hậu ẩm. Ở nước ta, Keo lai đã xuất hiện tại nhiều tỉnh thành và có thể là một trong những nguồn cung cấp nguyên liệu gỗ cho ngành công nghiệp chế biến gỗ trong tương lai. 9
13. 1.3. Đặc điểm về cấu tạo Gỗ keo lai có giác và lõi phân biệt, lõi màu nâu sẫm, giác màu vàng nhạt, có vòng năm rõ ràng. Hình 1.2. Mặt cắt ngang cây gỗ Keo lai Lỗ mạch: lỗ mạch phân bố theo hình thức phân tán, mô mềm vây quanh mạch, tia gỗ nhỏ, trong mạch thường có chất chứa. Quan sát dưới kính hiển vi, lỗ mạch có hình bầu dục hoặc tròn, phần lớn là mạch đơn, đôi khi xuất hiện mạch kép, đường kính lỗ mạch không đồng đều. Đường kính lỗ mạch lớn từ 0,111 đến 0,143mm. Mật độ lỗ mạch không có sự chênh lệch lớn từ 9 – 10 lỗ/mm2. Tế bào mạch có dạng hình trống, tấm xuyên mạch đơn, nằm ngang hoặc hơi xiên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thoát dẫn ẩm của gỗ theo chiều dọc thớ. Hình 1.3. Mặt cắt ngang gỗ Keo lai Lỗ thông ngang trên vách mạch xếp so le, mật độ nhiều tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hút và thoát nước theo chiều ngang thân cây. 10
14. Tế bào mô mềm chiếm tỉ lệ không nhiều, chủ yếu là mô mềm vây quanh mạch bề rộng từ 1 ÷ 2 tế bào, vây quanh mạch không kín hoặc hình cánh, vách rất mỏng. Sợi gỗ: sợi gỗ có dạng hình kim khá thẳng, bề dày tế bào sợi bằng khoảng 1/3 đường kính sợi gỗ. Vách tế bào gỗ là dạng vách sợi mỏng, chiều dài tế bào sợi ngắn khoảng 571,4  785,7m, đường kính ngoài của sợi là 28,5m, đường kính trong sợi gỗ là 15m. Tia gỗ đồng hình có xu hướng tạothành tầng so le, bề rộng tia hẹp từ 1÷ 3 hàng tế bào, ít biến động. Ngược lại chiều cao tia gỗ biến động từ 5 đến 15 hàng tế bào. Mật độ tia 7 tia/mm2. Hình 1.4. Mặt cắt tiếp tuyến gỗ Keo lai 1.4. Tính chất vật lý gỗ Keo lai Bảng 1.1. Tính chất vật lý gỗ Keo lai. Thông số kỹ thuật Gỗ tươi Gỗ sấy khô Khối lượng thể tích cơ bản (g/cm3) 0,58 0,60 Trọng lượng ( kg /m3) 753 586 Co rút tiếp tuyến (Stt %) 6,1 - Co rút xuyên tâm (Sr %) 2,3 - Co rút dọc thớ ((Sl %) 1,5 - 11
15. 1.5. Tìm hiểu về tính chất cơ học của gỗ Tính chất cơ học của gỗ: theo tiêu chuẩn ngành 04 TCN 66 – 2004; độẩm được quy đổi về gỗ có độẩm bằng 12% Bảng 1.2. Tính chất cơ học gỗ Keo lai. Ứng suất nén dọc thớ: nd = 530,2KG/cm2 Ứng suất nén ngang cục bộ TT: nncb = 206.5KG/cm2 Ứng suất nén ngang toàn bộ TT :  nntb = 84,0KG/cm2 Ứng suất kéo dọc thớ: kd = 457,2KG/cm2 Ứng suất kéo ngang thớ TT: kn = 40,4KG/cm2 Ứng suất uốn tĩnh: ut = 1051,5KG/cm2 Ứng suất tách tiếp tuyến: ttt = 23,4KG/cm2 Ứng suất tách xuyên tâm: txt = 25,0KG/cm2 1.6. Đặc điểm chính của gỗ liên quan đến tính co rút và dãn nở 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 đến 5 – 10%). Các tế bào có dạng hình ống bao gồm vách và ruột. Vách tế bào được cấu tạo bởi ba thành phần chủ yếu là xenlulô, hemixenlulô và lignin, tất cả thành phần này đều là các polyme, chúng hợp thành mạng lưới đan xen trong vách tế bào. Trong đó xenlulô (50 - 55%) là thành phần chính tạo nên vách tế bào, lignin (20 – 30%) và hemixenlulô (15 – 25%), còn gọi là các chất nền (matrix). Các phân tử xenlulô [C6H7O2(OH)3]n với n = 5000 – 14000 có cấu tạo mạch thẳng liên kết với nhau tại các vị trí 1,4 nhờ cầu nối oxi hình thành lên chuỗi xenlulô. Nhiều chuỗi xenlulô liên kết với nhau nhờ cầu nối hyđro tạo nên mixenxenlulô. Khoảng 40 – 50 mixenxenlulô sắp xếp thành một khối có kích thước mặt cắt ngang 3x5 nm được gọi là bó mixen xenlulô. Từng bó mixen xenlulô được bao bọc xung quanh bởi một lớp hemixenlulô kết hợp với một lượng nhỏ lignin và ngoài cùng bao bọc bởi một lớp lignin tạo thành khối 12
16. vững chắc có kích thước mặt cắt ngang khoảng 5 – 10 nm. Các khối vững chắc này sắp xếp tạo nên vách tế bào. Xenlulô là thành phần chủ yếu tạo nên vách tế bào. Do trong phân tử xenlulô chứa rất nhiều nhóm hyđroxyl nên giữa các phân tử tồn tại rất nhiều liên kết hyđro, vì thế lực liên kết giữa các phân tử rất lớn và lớn hơn rất nhiều lực hóa học liên kết các mắt xích trong phân tử. Liên kết hyđro giữa các phân tử xenlulô có thể biểu diễn như hình 1.5 H OH CH20H H OH CH 0H 0 2 0 H H 0 H H 0 0H H H 0H H H 0 0H H 0 0 H 0 0H H H H 0 0 CH20H H 0H CH20H H 0H Hình 1.5. Phân tử Xenlulô Nếu được hút nước vào nghĩa là phân tử nước vào giữa các phân tử xenlulô xuất hiện các liên kết hyđro qua các phân tử nước, theo sơ đồ hình 2.Đó là quá trình trương nở của xenlulô trong nước. Lượng nước được hút vào càng nhiều số lượng liên kết hyđro tạo thành giữa các phân tử càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng lớn, nói cách khác sợi xelulô trương nở. Điều này giúp giải thích tính co rút, dãn nở của gỗ. Xenlulô là chất cao phân tử có cực, như vậy dung môi gây trương hay hòa tan xenlulô cũng phải là dung môi có cực. Thực chất quá trình trương xululô là quá trình tác nhân gây trương xâm nhập vào, bứt phá các liên kết hyđro giữa các phân tử xenlulô cạnh nhau, khi đó làm cho khoảng cách giữa các phân tử xenlulô tăng lên, dẫn đến liên kết của chúng yếu đi, các phân tử xenlulô dễ bị xê dịch và trở lên lỏng lẻo hơn, đồng thời khi liên kết hyđro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của phân tử xenlulô trong gỗ. 13
17. Hiện tượng trương nở xenlulô có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, do nó làm cho tính chất cơ học, vật lý, hóa học của gỗ thay đổi. Cũng như xenlulô, hemixenlulô là các polysaccarit, cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với xenlulô thì hemixenlulô kém ổn định hóa học hơn, dễ bị phân giải ở nhiệt độ cao. Hemixenlulô gồm có pentosan (C5 H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n, n = 50 – 200. Hàm lượng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở gỗ lá rộng lượng pentosan nhiều, chiếm từ 19 – 23% còn hexosan là 3 – 6%, ở gỗ lá kim tỷ lệ pentosan và hexosan xấp xỉ ngang nhau, chiếm từ 10 – 12%. Nói chung hemixenlulô dễ bị thủy phân dưới tác dụng của axit. Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm. Lignin có cấu tạo phân tử rất phức tạp. Hơn nữa các đơn vị mắt xích Phenylpropan lại có nhiều loại nhóm chức như metoxyl (-OCH3), hyđroxyl (-OH). Do đó lignin có thể tham gia hàng loạt phản ứng hóa học như phản ứng thế, phản ứng cộng, phản ứng oxy hóa, phản ứng trùng ngưng, trùng hợp. Lignin cũng có tính chất trương và hòa tan trong những dung môi thích hợp như dung dịch kiềm. Các mắt xích trong phân tử lignin liên kết với nhau bằng những liên kết ete và liên kết C – C, tạo ra cấu trúc mạng phức tạp. Liên kết C – C rất bền vững đối với xử lý hóa học và là yếu tố cơ bản ngăn cản sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong những xử lý hyđro hóa, phân giải bằng etanol. Lignin tham gia liên kết hyđro với xenlulô và hemixenlulô với năng lượng liên kết khá lớn. Do có nhiều nhóm chức trong một phân tử và do lignin tiếp cận tốt với polysaccarit, lực tương tác giữa lignin với cấu tử khác của vách tế bào trở lên rất lớn. Bên cạnh liên kết hyđro, giữa các cao phân tử của vách tế bào còn có tương tác Vander Vaals. Loại tương tác vật lý này cũng góp phần cản trở quá trình hòa tan lignin dưới tác dụng cua dung môi. Sự thay đổi lượng nước thấm trong vách tế bào chính là sự thay đổi số lượng phân tử nước giữa các mixen xenlulô, cũng chính là sự thay đổi số lượng liên kết hyđro 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 14
18. gỗ bị co rút hoặc dãn nở. Gỗ chỉ co rút hoặc dãn nở khi lượng ẩm liên kết trong gỗ giảm hoặc tăng. Khi gỗ được xử lý hóa học, các tác nhân xử lý xâm nhập vào tế bào gỗ, nó sẽ có những tương tác với các cấu tử 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 tử, đặc biệt và chủ yếu là các liên kết hyđro giữa các phân tử xenlulô. Khi có tác động của tác nhân xử lý vào các cấu tử gỗ, giữa các cấu tử có sự thay đổi như sự thay thế một số nhóm chức, khoảng cách giữa các cấu tử 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 hóa học nào đó xử 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. 15
19. Chƣơng 2. CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH HÓA KÍCH THƢỚC GỖ 2.1. Các giải pháp ốn định kích thƣớc gỗ Nguyên tắc xử lý ổn định hoá kích thước của gỗ là dưới tiền đề duy trì những tính chất ưu việt vốn có của gỗ mà làm thay đổi sự hút ẩm và tính năng co dãn của nó. Sự co dãn của gỗ là do sự thay đổi độ ẩm của gỗ gây nên, nó phát sinh ở dưới điểm bão hoà thớ gỗ mà căn nguyên của nó là những ion tự do (OH) trong khu vực phi kết tinh của cellulose hấp thụ thành phần nước trong không khí đồng thời hình thành cầu nối với phân tử nước. Phân tử nước thấm vào làm cho khoảng cách giữa các phân tử trong thành phần gỗ tăng lên. Gỗ thể hiện trạng thái dãn nở dẫn đến kích thước không ổn định, ngoài ra hemicellulose, lignin và các thành phần khác nữa cũng có thể hút nước. Do đó xử lý ổn định hoá kích thước gỗ là dưới tiền đề để không làm phá hoại cấu tạo hoàn chỉnh vách tế bào gỗ, nhằm nghiên cứu một loại phương thức xử lý thay đổi những tính chất hạn chế của nó. Để xử lý ổn định gỗ người ta xử dụng các phương pháp khác sau: + Ổn định gỗ bằng phương pháp hoá học + Ổn định gỗ bằng phương pháp Enzym + Ổn định gỗ bằng phương pháp hoá nhiệt + Ổn định gỗ bằng phương pháp vật lý 2.2. Ổn định gỗ bằng phƣơng pháp hoá học 2.2.1 Xử lý gia nhiệt Kết quả xử lý gia nhiệt là trọng lượng giảm mà màu sắc bề mặt lại sẫm đồng thời có tính hút ẩm của gỗ, tính cơ học giảm xuống. Nhưng tính ổn định kích thước lại cao. Theo một số nhà khoa học, xellulose có độ cứng tương đối, giữa các phân tử chuỗi xuất hiện một khuynh hướng kết tinh rất mạnh, trong khu vực xellulose kết tinh những nhóm hydroxyl có cực giữ chặt các chuỗi xellulose bằng mạng lưới các liên kết cầu hydro ngang. Phương trình động lực học của quá trình tan, sự biến đổi năng lượng tự do F phải là âm, theo phương trình: F = H - T. S < 0 16
20. Trong đó: F - Năng lượng tự do (thế đẳng nhiệt); H - Biến đổi entanpy; S - Biến đổi entropy; T - Nhiệt độ của hệ. Từ quan hệ trên cho thấy khi nhiệt độ tăng lên sẽ làm cho F biến đổi về phía âm, khi đó khả năng tan của cellulose sẽ tăng lên, nghĩa là cường độ của gỗ giảm đi. Về mặt hoá học, ở nhiệt độ cao khoảng 15000C – 17500C thì khả năng hoà tan của gỗ tăng lên và độ pH giảm đi do sự tạo thành các axit uronic, fufurola và các axít hữu cơ không bay hơi. 2.2.2. Xử lý Acetol hoá Acetol hoá là dung dịch để lắng đọng gốc CH3 CO- thay thế gố -OH thân nước trong gỗ, do có xu hướng sâm nhập của gốc CH3 CO- làm sản sinh hiệu ứng tăng thể tích. Nhân tố làm cho gỗ xử lý ổn định kích thước là gốc –OH giảm đi, gốc CH3CO- tăng thể tích, so sánh giữa chúng thì tính quyết định là hiệu ứng tăng thể tích. Phản ứng Acetol hoá: Khi xử lý Acetol hoá dùng Axit Acetic khử một phân tử nước, phản ứng theo công thức dưới đây: Wood-OH + (CH3CO)2 → Wood-OCOCH3 + CH3COOH Phản ứng trên có thể được tiến hành trong tướng khí hoặc tướng lỏng, nếu có đưa vào chất xúc tác, phản ứng có thể được tiến hành nhanh hơn. Để xử lý đồng nhất nên tăng thêm bước xử lý trương nở. Khi gỗ Acetol hoá, nếu hàm lượng gốc CH3COO ít thì phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt của bó Mixen, Nếu hàm lượng nhiều, thì ngay trong lòng sợi Mixen cũng có thể Acetol hoá. 17
21. 2.2.3. Xử lý Cyanate - Phản ứng Cyanate hóa Cyanat hóa là dùng Cyanat tác dụng với gốc OH của gỗ sinh ra phản ứng, trên cơ sở đó mà ổn định được kích thước của gỗ. Phương trình phản ứng như sau: O O xúc tác Chất xúc tác Wood dùng - trongOH + R ph-N=Cản ứ ng là Wood chất -O hữ-Cu -NHR cơ có tính bay hơi như [HCOON(CH3)2]. Cyanate là tên chung, có kiểu là (R - N = O); kiểu 2 là (O = C = N - R - N = C = O), thông thường chúng đều là chất lỏng có mùi rất khó ngửi. Ngoài ra cũng có thể sử dụng TDI, MDI, họ Cyatate hoặc hỗn hợp Cyatate với Methacrylate tiến hành xử lý tướng khí hoặc xử lý tướng lỏng. Cơ chế của phương pháp này tương tự như xử lý Aceton hóa có thể dùng A - 5; B - 6 trong mô hình cấu tạo xử lý ổn định kích thước gỗ để giải thích. Do dung dịch xử lý có tác dụng trương nở đối với gỗ là rất ít vì để nâng cao hiệu quả xử lý mà luôn luôn dùng chất xúc tác làm trương nở gỗ. Sau đó mới tiến hành ngâm tẩm Cyatate để xử lý. Phương pháp xử lý cụ thể có mấy loại dưới đây: [1] Dùng Cyatate kiểu 2 và Methylene Chloride có khối lượng bằng nhau tạo thành hỗn hợp xử lý tướng lỏng. [2] Dùng Cyatate hỗn hợp với [HCOON(CH3)2] xử lý tướng khí ở nhiệt độ 1300C. Độ ẩm của gỗ xử lý càng cao thì tỷ lệ tăng trọng PL giảm đi; Nếu tỷ lệ tăng trọng của PL trong gỗ tăng lên thì tỷ lệ trương nở ASE cũng tăng theo. [3] Dùng Cyatate Benzen làm dung dịch xử lý, môi chất là N2 xử lý tướng khí ở nhiệt độ 200C, đặc điểm của phương pháp này là càng sát gần lớp mặt của gỗ thì phản ứng càng thuận lợi, chất tạo thành của phản ứng hầu như đều liên kết giao nhau với thành phần gỗ, tốc độ phản ứng rất nhanh trong giai đoạn đầu. Tỷ lệ chống hút ẩm MEE và tỷ lệ trương nở ASE của gỗ tuỳ thuộc vào sự gia tăng của lượng khí Nitơ mà tăng theo. Gỗ xử lý ở điều kiện độ ẩm tương đối thấp có tính ổn định kích thước cao hơn khi độ ẩm tương đối cao. 18
22. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lý Khánh Chương (1990), trang sức bề mặt ván nhân tạo, Nhà xuất bản Lâm nghiệp Đông Bắc – Tr ung Quốc. 2. Trần Ngọc Thiệp – Võ Thành Minh - Đặng Đình Bôi, Công nghệ xẻ mộc,Trường Đại học Lâm Nghiệp. 3. Hồ Xuân Các, Phạm Văn Kháng, Phan Đức Thuội, Lê Xuân Tình (1976), Giáo trình gỗ, NXB Nông nghiệp Hà Nội. 4. Nguyễn Đình Hưng (1999), khoa học gỗ, Trường đại học Lâm Nghiệp 5. Lê Xuân Tình (1998), khoa học gỗ, NXB nông nghiệp Hà Nội. 6. Tiêu chuẩn Việt Nam (1998), tiêu chuẩn nhà nước về gỗ và sản phẩm gỗ. 7. Hà Chu Chử (1999), Dự báo phát triển kinh tế Lâm Nghiệp đến năm 2030, viện KHLNVN, Hà Nội. 8. Bùi Đình Toàn (2002) ‘ Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, tính chất chủ yếu của cây Keo lai và định hướng sử dụng trong công nghiệp sản xuất ván ghép thanh, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật. 9. Trần Văn Chứ (2002), Công nghệ trang sức vật liệu gỗ. 10. Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng màng trang sức (1998), NXB Công nghiệp rừng Macơva, Cộng hoà Liên Bang Nga. 11. Tiêu chẩn kiểm tra chất lượng màng trang sức (1998), NXB Lâm Nghiệp Bắc Kinh Trung Quốc. 12. Buglai (1973), công nghệ trang sức bề mặt, NXB Công nghiệp rừng Macơva, Cộng Hoà Liên Bang Nga. 13. Noel Johnson Leach (1978), Modern Ưôd Finishing Techniques, London. 14. Phạm Thị Là (2003), “Nghiên cứu một số giải pháp ổn định gỗ và ảnh hưởng của chất Plyetylen Glycol(PEG) đến khả năng trang sức của sơn PU. 32