[Tóm tắt] Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake)

g từ 50o lên 90o, Gu Lianbai và cộng sự [77] đã tiến hành nghiên cứu tính năng dán dính của gỗ Birch, Thông rụng lá và Pinus sylvestris var. mongolica Litv. f) Các công trình nghiên cứu về thay đổi cấu trúc, thành phần hóa học gỗ V.Biziks, L. Belkova, E. Kapaca, B. Andersons (2010), “Ảnh hưởng của l thủy nhiệt đến cấu trúc gỗ Bạch Dương” [70]. Vladimirs Biziks, Bruno Andersons, Lubova Bel¸kova, Elına Kapacˇa và Holger Militz (2013), “Sự thay đổi của cấu trúc hiển vi của gỗ Bạch Dương sau khi lý thủy - nhiệt” [71]. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt 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 gỗ đã được nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất quan tâm nghiên cứu. Đặc biệt các công trình nghiên cứu của trường Đại học Lâm nghiệp và Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam: Lê Xuân Phương (2007), “Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến độ bền của gỗ Bồ đề” [17]. Vũ Huy Đại (2008): đã nghiên cứu và xây dựng quy trình công nghệ xử lý gỗ nhằm làm tăng độ bền tự nhiên của gỗ bằng Dimethylol dihydroxy ethylene urea/DMDHEU với chất xúc là MgCl2 ở nhiệt độ 130 0 C cho gỗ Keo lai, Keo lá tràm, Keo tai tượng [5]. Vũ Mạnh Tường (2011), “Nghiên cứu và đánh giá công nghệ xử lý nhiệt cho gỗ Keo lai rừng trồng Việt Nam” [23]. Phạm Văn Chương (2011), “Ảnh hưởng của công nghệ xử lý thủy nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Keo lá tràm” [36]. Trần Văn Chứ (2013) “ Nâng cao sự ổn định kích thước của gỗ Keo tai tượng bằng phương pháp xử lý nhiệt” [37]. Nguyễn Quang Trung (2005-2008), “Nghiên cứu sử dụng gỗ Bạch đàn đỏ (E.urophylla) để sản xuất gỗ xẻ làm đồ mộc” [16]. Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Công nghệ xử lý thủy - nhiệt gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) bằng thiết bị (Sumpot ) của Trung tâm Thí nghiệm và Phát triển công nghệ - Viện Công nghiệp gỗ - Trường Đại học Lâm nghiệp. 2.1.2. Đối tượng nghiên cứu cụ thể: Thông qua hai biến số công nghệ là nhiệt độ và thời gian xử lý được bố trí theo quy hoạch thực nghiệm, trong luận án cụ thể các đối tượng nghiên cứu sau: 4 - Nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý thủy - nhiệt đến tính chất cơ học, vật lý và tính chất công nghệ. - Nghiên cứu ảnh hưởng phương pháp xử lý thủy – nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn trước và sau khi xử lý. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến cấu tạo (SEM), thành phần hóa học cơ bản của gỗ Bạch đàn. - Nghiên cứu ảnh hường của xử lý thủy – nhiệt đến cấu trúc hóa học (XRD, FTIR) của gỗ Bạch đàn sau khi xử lý thuỷ - nhiệt. - Nghiên cứu, đề xuất thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) phù hợp của xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn trong điều kiện, biến số của luận án. 2.2. Phạm vi nghiên cứu 2.2.1. Các yếu tố cố định - Nguyên vật liệu nghiên cứu: + Gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake), tuổi từ 10 - 15 năm. + Gỗ xẻ có kích thước mẫu xử lý thủy - nhiệt: 25 x (40 đến 100) x 600, mm. + Độ ẩm của gỗ trước khi xử lý: MC 25 đến 30 %. + Độ ẩm của gỗ sau khi xử lý (sấy hoặc hong phơi tự nhiên): MC 12% - Phương pháp xử lý: Xử lý thủy - nhiệt 2.2.2. Các yếu tố thay đổi - Nhiệt độ (T): 120; 140; 160; 180 và 200 (oC). - Thời gian ( ): 1; 2; 3; 4 và 5 (giờ). 2.3. Mục tiêu của Luận án 2.3.1. Mục tiêu lý thuyết - Bước đầu đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn về công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) nhằm cải thiện một số tính chất và nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ. - Xác định được mối quan hệ giữa chế độ xử lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) đến chất lượng của gỗ nói chung và gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) nói riêng, thông qua việc xác định tính chất cơ học, vật lý và tính chất công nghệ, sự thay đổi về cấu tạo, cấu trúc hóa học và thành phần hóa học cơ bản của gỗ. 2.3.2. Mục tiêu thực tiễn - Xác định được sự ảnh hưởng của thông số chế độ xử lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) đến chất lượng gỗ Bạch đàn. - Đề xuất được thông số công nghệ xử lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) hợp lý cho gỗ Bạch đàn trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam. 2.4. Nội dung nghiên cứu -. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến tính ổn định kích thước, tính chất cơ học, vật lý gỗ Bạch đàn. - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt của gỗ Bạch đàn đến tính chất công nghệ (kéo trượt màng keo, khả năng bong tách màng keo và độ nhám bề mặt). - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn. 5 - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến sự biến đổi về cấu tạo (SEM), thành phần hóa học cơ bản và cấu trúc hóa học (XRD, FTIR) của gỗ Bạch đàn sau khi xử lý thuỷ - nhiệt. - Phân tích, đánh giá kết quả và đề xuất thông số công nghệ phù hợp của xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn. 2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp đánh giá chất lượng và sử dụng tiêu chuẩn kiểm tra 2.6. Ý nghĩa của Luận án 2.6.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc xác định thông số công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn nhằm nâng cao tính ổn định kích thước, độ bền màu tự nhiên, cải thiện độ nhẵn bề mặt và giảm độ khả năng hút nhả ẩm và độ ẩm thăng bằng của loại gỗ này. Xác định được sự thay đổi cấu tạo, cấu trúc và thành phần hóa học của gỗ Bạch đàn thông qua chụp SEM, xác định thành phần hóa học cơ bản và phân tích cấu trúc hóa học của gỗ sau khi xử lý nhiệt Luận án đã giải thích được sự biến đổi về tính chất của gỗ khi xử lý ở các chế độ khác nhau trên cơ sở kết quả phân tích quang phổ đối với mẫu gỗ trước và sau khi xử lý. Kết quả nghiên cứu của Luận án đã góp phần bổ sung về cơ chế biến đổi cấu trúc hóa học cũng như tính chất gỗ trong quá trình xử lý thủy - nhiệt. 2.6.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả luận án là cơ sở kỹ thuật cho việc xác lập, lựa chọn và xây dựng quy trình công nghệ xử lý thủy - nhiệt để nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ Bạch đàn. Sản phẩm gỗ xử lý thủy - nhiệt, tăng khả năng tính ổn định kích thước đáp ứng được yêu cầu của nguyên liệu trong sản xuất đồ nội ngoại thất với chất lượng cao hơn so với gỗ chưa xử lý mà không sử dụng bất cứ loại hóa chất nào trong quá trình xử lý. Áp dụng công nghệ xử lý thủy - nhiệt độ để xử lý gỗ rừng trồng nói chung và gỗ Bạch đàn nói riêng có thể giải quyết được phần nào về vấn đề chất lượng nguyên liệu gỗ rừng trồng sử dụng trong sản xuất đồ mộc nội địa cũng như xuất khẩu mà hoàn toàn có thể đáp ứng được mục tiêu bảo vệ môi trường, giảm chu kỳ khải thác và các quy định về sử dụng hợp lý, hiệu quả tài nguyên gỗ rừng trồng mọc nhanh. 2.7. Những đóng góp mới của Luận án * Về công nghệ xử lý: Luận án là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống về ảnh hưởng của công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn thông qua mô hình quy hoạch thực nghiệm, luận án đã đề xuất được thông số công nghệ xử lý hợp lý cho gỗ Bạch đàn với quy mô phòng thí nghiệm. * Về cơ sở lý luận của công nghệ: Luận án đã áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để nghiên cứu sự thay đổi về cấu tạo, cấu trúc và thành phần hóa học 6 cơ bản của gỗ Bạch đàn nhằm giải thích hiện tượng biến đổi tính chất của gỗ do quá trình xử lý thủy - nhiệt. Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1. Cơ sở khoa học của xử lý gỗ 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 5-10%). Các tế bào gỗ có dạng hình ống bao gồm vách và ruột. Gỗ được tổ thành từ các nguyên tố cơ bản như: C, H, O, N, ngoài ra gỗ còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khoáng chất. Các hợp chất hóa học cấu tạo nên vách tế bào gỗ có thể được phân làm hai nhóm: Thành phần chủ yếu và thành phần thứ yếu. Thành phần chủ yếu bao gồm xenlulo, hemixenlulo và lignin; các thành phần thứ yếu bao gồm nhựa cây, tannin, tinh dầu, sắc tố, khoáng chất, pectin, protein, hợp chất vô cơ, [14]. 3.2. Lý thuyết về xử lý thủy - nhiệt Xử lý thủy nhiệt là quá trình làm thay đổi một số chất có trong gỗ dưới tác dụng của nhiệt độ cao ở trong môi trường nước, sau đó được gia nhiệt bằng phương pháp sấy. Khi gỗ ở trong nước rồi tiến hành gia nhiệt đến nhiệt độ cao làm cho các chất chiết xuất và một số các cấu tử tạo nên vách tế bào bị phân huỷ làm thay đổi một số tính chất ban đầu của gỗ. Cấu trúc hóa học của gỗ bị thay đổi do xử lý nhiệt. Có thể cho rằng các nhóm -OH của các polyme vách tế bào được tách ra hoặc liên kết ngang trong quá trình xử lý thủy nhiệt. Quá trình xử lý nhiệt cho gỗ đã làm cho cấu trúc và thành phần hóa học của gỗ bị thay đổi làm ảnh hưởng đến một số tính chất vật lý, cơ học, sinh học và công nghệ của gỗ. Gỗ hấp thụ ẩm ít hơn và trở nên không thấm nước. Sự suy thoái của các polyme trên vách tế bào, đặc biệt là hemixenlulo từ những chuỗi dài chuỗi thành những chuỗi ngắn hơn, khả năng chịu uốn kém [22],[23]. 3.3. Cơ chế biến đổi tính chất gỗ trong xử lý thuỷ- nhiệt [20],[21],[22], [24],[34] Quá trình xử lý thuỷ nhiệt làm thay đổi thành phần cấu trúc hoá học trong gỗ, nhiệt độ cao và thời gian xử lý dài thì sự thay đổi cấu trúc hoá học của gỗ càng lớn. Nhiệt độ xử lý khoảng 40-900C bắt đầu xuất hiện những thay đổi hoá học chủ yếu là các chất chiết xuất. Nhiệt độ trên 900C những thay đổi xảy ra trong tất cả các thành phần gỗ đặc biệt là hemixenlulo. Ở nhiệt độ 150-2500C những thay đổi lớn xảy ra trong các thành phần gỗ. Chƣơng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Nguyên liệu gỗ Để tiến hành thực nghiệm tôi đã lựa chọn cây gỗ Bạch đàn Uro tại xã Ba Trại, huyện Ba Vì - thành phố Hà Nội, cụ thể như sau: - Gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake), tuổi từ 10 - 15 năm. - Gỗ xẻ có kích thước: 25 x (40 đến 100) x 600, mm. 7 - Số lượng gỗ: 50 thanh/chế độ (0.05 ÷ 0,075m3/chế độ).; Nước trong khoang chứa: 40 ÷ 45 lít. - Độ ẩm của gỗ trước khi xử lý MC 25 đến 30 %. 4.2. Sử dụng thiết bị và dụng cụ thí nghiệm - Thiết bị xử lý thuỷ nhiệt: Sử dụng thiết bị xử lý thủy nhiệt là máy Sumpot tại Trung tâm thí nghiệm và Phát triển công nghệ - Viện Công nghiệp gỗ - Trường Đại học Lâm nghiệp. Hình 4.1. Thiết bị xử lý thuỷ nhiệt 4.3. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu 4.3.1. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến khối lượng thể tích gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra khối lượng thể tích các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 01 đến phụ biểu 10 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.3. Bảng 4.3. Khối lƣợng thể tích của gỗ Bạch đàn (g/cm3) STT Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) KLTT (g/cm3) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến khối lƣợng thể tích gỗ Bạch đàn 0,6-0,65 0,55-0,6 0,5-0,55 0,45-0,5 0,4-0,45 Hình 4.4. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với khối lƣợng thể tích (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 0,584 0,573 0,583 2 180 2 0,509 0,512 0,503 3 140 4 0,579 0,576 0,571 4 180 4 0,505 0,497 0,500 5 120 3 0,623 0,624 0,630 6 200 3 0,481 0,494 0,479 7 160 1 0,542 0,536 0,538 8 160 5 0,512 0,512 0,513 9 160 3 0,509 0,528 0,519 + Phương trình dạng mã: Y= 0,529 - 0,036T + 0,007T 2 - 0,006τ - 0,002Tτ - 0,0005τ2 (4.1a). 8 + Phương trình dạng thực: Y= 1,208 - 0,0068T + 0,0000165T 2 + 0,011τ - 0,000085Tτ - 0,0005τ2 (4.1b). Nhận xét: Qua quá trình thực nghiệm ta thấy khối lượng thể tích của gỗ Bạch đàn đã xử lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chưa xử lý giảm dần từ 0,632 g/cm 3 đến 0,485 g/cm3 (giảm 23,30% so với mẫu đối chứng) khi nhiệt độ tăng và thời gia tăng. 4.3.2. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến Hệ số chống trương nở ASE gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra hệ số chống trương nở các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 11 đến phụ biểu 20 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.4. Bảng 4.4. Hệ số chống trƣơng nở ASE của gỗ Bạch đàn (%) STT Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 20 25 30 35 40 45 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) ASE (%) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến hệ số chống trƣơng nở (ASE) của gỗ Bạch đàn (%) 40-45 35-40 30-35 25-30 20-25 Hình 4.5. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với ASE (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 31,15 30,31 30,10 2 180 2 39,20 39,41 40,03 3 140 4 31,32 30,95 31,37 4 180 4 39,61 41,03 39,95 5 120 3 24,17 24,32 23,26 6 200 3 42,78 43,38 43,16 7 160 1 35,19 33,25 34,31 8 160 5 38,58 38,73 39,24 9 160 3 37,90 36,17 36,01 + Phương trình dạng mã: Y= 36, 255 + 4,699T - 0,713T 2 + 0,879τ - 0,011Tτ + 0,046τ2 (4.2a). + Phương trình dạng thực: Y= - 49,4679 + 0,80722T - 0,001783T 2 + 0,6872τ - 0,00054Tτ + 0,0463τ2 (4.2b). Nhận xét: Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu ở trên và bảng 4.4 và đồ thị hình 4.5 mà tác giả đã nghiên cứu xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn, ta thấy hệ số ASE đều lớn hơn 0, biến đổi (giá trị trung bình của 3 lần lặp) từ 23,92% đến 43,11%. 4.3.3. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến hiệu suất chống hút nước (WRE) gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra hiệu suất chống hút nước các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 21 đến phụ biểu 29 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.5. 9 Bảng 4.5. Hiệu suất chống hút nƣớc WRE của gỗ Bạch đàn (%) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) WRE (%) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) của gỗ Bạch đàn (%) 40-50 30-40 20-30 10-20 Hình 4.6. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với WRE (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 17,44 18,84 16,68 2 180 2 30,16 31,44 30,33 3 140 4 19,89 19,91 20,51 4 180 4 34,90 33,30 35,12 5 120 3 14,30 13,93 15,02 6 200 3 42,54 42,86 43,36 7 160 1 21,39 20,06 20,68 8 160 5 27,40 26,73 27,32 9 160 3 24,19 22,82 23,08 + Phương trình dạng mã: Y= 24,144 + 7,028T + 1,18T 2 + 1,594τ + 0,337Tτ - 0,005τ2 (4.3a). + Phương trình dạng thực: Y= 46,685 - 0,643T + 0,00295T 2 - 1,071τ + 0,0168Tτ - 0,005τ2 (4.3b). Nhận xét: Căn cứ vào kết quả ở bảng 4.5 và đồ thị hình 4.6 ta thấy hệ số chống hút nước WRE biến đổi (giá trị trung bình 3 lần lặp) từ 14,42% đến 42,92%. 4.3.4. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến Độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra độ bền uốn tĩnh các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 30 đến phụ biểu 39 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.6. Bảng 4.7. Độ bền uốn tĩnh của gỗ Bạch đàn (MPa) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) Uốn tĩnh (MPa) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn (MPa) 100-110 90-100 80-90 70-80 60-70 50-60 40-50 30-40 20-30 Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với độ bền uốn tĩnh (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 97,61 93,64 95,62 2 180 2 61,45 62,48 66,94 3 140 4 88,58 85,21 86,89 4 180 4 55,03 55,18 56,61 5 120 3 98,27 101,83 101,76 6 200 3 33,01 33,70 39,32 7 160 1 86,40 83,97 83,20 8 160 5 76,11 71,91 70,96 9 160 3 76,69 82,98 81,19 + Phương trình dạng mã: Y= 79,05 - 16,153T - 2,844T 2 - 3,317τ + 0,178Tτ - 0,15τ2 (4.4a). + Phương trình dạng thực: 10 Y= 39,121 + 1,441T - 0,0071T 2 - 3,843τ + 0,00892Tτ - 0,15τ2 (4.4b). Nhận xét: Qua quá trình thực nghiệm của luận án, ta thấy độ bền uốn tĩnh của gỗ Bạch đàn đã xử lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chưa xử lý giảm (giá trị trung bình 3 lần lặp) từ 105,83 MPa còn 35,34 MPa (giảm 66,6% so với mẫu chưa xử lý) và giảm dần ở các chế độ xử lý khi nhiệt độ tăng và thời gia tăng. 4.3.5. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền nén dọc thớ gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra độ bền nén dọc thớ các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 40 đến phụ biểu 49 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.7. Bảng 4.7. Độ bền nén dọc thớ của gỗ Bạch đàn (MPa) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 2 3 4 5 20 30 40 50 60 70 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) Nén dọc (MPa) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến độ bền nén dọc thớ gỗ Bạch đàn (MPa) 60-70 50-60 40-50 30-40 20-30 Hình 4.8. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với Độ bền nén dọc thớ (COM//) (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 61,09 63,58 63,99 2 180 2 49,08 48,87 48,22 3 140 4 58,12 56,09 59,32 4 180 4 41,28 43,08 42,69 5 120 3 66,09 63,78 66,70 6 200 3 35,82 36,61 33,23 7 160 1 55,78 58,39 57,29 8 160 5 51,38 51,16 55,19 9 160 3 54,94 56,99 53,16 + Phương trình dạng mã: Y= 54,254 - 7,522T - 1,019T 2 - 1,714τ - 0,332Tτ + 0,104τ2 (4.5a). + Phương trình dạng thực: Y= 47,3142 + 0,48898T - 0,0025T 2 + 0,32τ - 0,0166Tτ + 0,104τ2 (4.5b). Nhận xét: Qua kết quả nghiên cứu cho thấy (bảng 4.7) sự ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý thủy nhiệt cho gỗ Bạch đàn đến độ bền nén dọc rất rõ rệt còn thời gian ảnh hưởng rất ít ở cùng chế độ nhiệt độ. Độ bền nén dọc thớ (COM//) giảm (giá trị trung bình 3 lần lặp) từ 68,15 MPa còn 35,22 MPa (giảm 48,32% so với mẫu chưa xử lý). 4.3.6. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm và tiếp tuyến gỗ Bạch đàn a) Độ bền nén ngang uyên tâm Từ kết quả nghiên cứu và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.8 (theo phụ biểu 50 đến phụ biểu 59). 11 Bảng 4.8. Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (COM R) của gỗ Bạch đàn (MPa) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 0 2 4 6 8 10 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) NN-XT (MPa) Nhiệt độ (oC) Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm gỗ Bạch đàn (MPa) 8-10 6-8 4-6 2-4 0-2 Hình 4.9. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với COM R (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 8,45 8,56 8,64 2 180 2 5,33 5,37 5,66 3 140 4 7,43 7,97 7,66 4 180 4 4,34 4,51 5,11 5 120 3 8,96 9,12 8,77 6 200 3 3,31 3,14 3,19 7 160 1 6,98 7,26 7,32 8 160 5 6,49 6,19 6,58 9 160 3 7,30 6,91 7,02 + Phương trình dạng mã: Y= 6,922 - 1,467T - 0,22T 2 - 0,266τ + 0,016Tτ - 0,039τ2 (4.6a). + Phương trình dạng thực: Y= 5,414 + 0,100125T - 0,00055T 2 - 0,1564τ + 0,00079Tτ - 0,039τ2 (4.6b). b) Độ bền nén ngang tiếp tuyến Từ kết quả nghiên cứu và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.9 (theo phụ biểu 60 đến phụ biểu 69). Bảng 4.9. Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (COM T) của gỗ Bạch đàn (MPa) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 3 4 5 6 7 8 9 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) NN-TT (MPa) Nhiệt độ (oC) Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến gỗ Bạch đàn (MPa) 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 Hình 4.10. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với COM T (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 7,29 7,41 7,46 2 180 2 5,59 5,59 5,66 3 140 4 6,69 6,94 6,85 4 180 4 5,29 5,24 4,99 5 120 3 7,76 7,57 7,78 6 200 3 4,25 4,31 4,18 7 160 1 6,96 6,63 6,75 8 160 5 6,13 5,86 5,90 9 160 3 6,77 6,34 6,46 + Phương trình dạng mã: Y= 6,436 - 0,862T - 0,121T 2 - 0,219τ + 0,03Tτ - 0,022τ2 (4.7a). + Phương trình dạng thực: Y= 6,7894 + 0,04898T - 0,0003018T 2 - 0,03304τ + 0,0015Tτ - 0,0215τ2 (4.7b). Nhận xét: Căn cứ vào bảng 4.8; bảng 4.9, đồ thị hình 4.9 và đồ thị 4.10, ta thấy xử lý thuỷ nhiệt gỗ Bạch đàn ở nhiệt độ 1300C; 1400C; 1600C; 1800C và 12 200 0C, thời gian xử lý 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, và 5 giờ độ bền nén xuyên tâm giảm 65,29% so với mẫu chưa xử lý. Độ bền nén ngang thớ tiếp tuyến giảm 47,22% so với mẫu chưa xử lý). 4.3.7. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến Độ nhám bề m t gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra độ nhám bề mặt các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 70 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.10. Bảng 4.10. Độ nhám bề mặt (Rmax) của gỗ Bạch đàn (µm) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 50 70 90 110 130 120 140 160 180 200 Thời gian (giờ) ĐNBM (µm) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt đến độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn 110-130 90-110 70-90 50-70 Hình 4.11. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với Độ nhám bề mặt (Rmax) (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 99,74 96,29 99,12 2 180 2 74,52 76,19 75,22 3 140 4 93,30 93,97 95,89 4 180 4 70,16 72,61 70,58 5 120 3 112,72 112,92 113,45 6 200 3 75,83 76,04 74,38 7 160 1 90,04 86,39 90,21 8 160 5 77,62 77,36 74,23 9 160 3 74,40 74,23 75,35 Từ kết quả ở bảng 4.10 ta xây dựng được phương trình quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian đối với độ nhám bề mặt: + Phương trình dạng mã: Y= 77,181 - 9,992T + 4,418T 2 - 2,901τ + 0,367Tτ + 1,523τ2 (4.8a). + Phương trình dạng thực: Y= 471,101 - 4,0892T + 0,01105T 2 - 14,977τ + 0,01838Tτ + 1,5227τ2 (4.8b). Nhận xét: Qua kết quả nghiên cứu cho thấy (bảng 4.10) sự ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý thủy nhiệt cho gỗ Bạch đàn đến độ nhám bề mặt rất rõ rệt còn thời gian ảnh hưởng rất ít ở cùng chế độ nhiệt độ. Độ nhám bề mặt (Rmax) giảm từ 115,16 µm còn 71,12 µm (giảm 38,24 % so với mẫu chưa xử lý). 4.3.8. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến Độ bền kéo trượt màng keo và Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn a) Độ bền kéo trượt màng keo Kết quả kiểm tra độ bền kéo trượt màng keo các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 71 đến phụ biểu 80 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.11. 13 Bảng 4.11. Độ bền kéo trƣợt màng keo ( k ) của gỗ Bạch đàn (MPa) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 3 5 0 1 2 3 4 5 6 7 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) Kéo trượt (MPa) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền kéo trƣợt màng keo gỗ Bạch đàn (MPa) 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1 Hình 4.11. Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với Độ nhám bề mặt (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 6,03 6,15 5,99 2 180 2 3,51 3,61 3,60 3 140 4 5,66 4,90 5,95 4 180 4 3,69 3,08 2,95 5 120 3 5,55 5,63 5,56 6 200 3 1,75 1,70 1,60 7 160 1 6,19 5,94 6,11 8 160 5 4,07 4,27 4,15 9 160 3 5,83 5,43 5,52 Từ kết quả ở bảng 4.11 ta xây dựng được phương trình quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian đối với độ bền kéo trượt màng keo: + Phương trình dạng mã: Y= 5,245 - 1,045T - 0,425T 2 - 0,393τ + 0,055Tτ - 0,053τ2 (4.9a). + Phương trình dạng thực: Y= - 11,5747 + 0,27958T - 0,00106T 2 - 0,5177τ + 0,00275Tτ - 0,0526τ2 (4.9b). Nhận xét: Qua kết quả nghiên cứu cho thấy (bảng 4.11), khi nhiệt độ và thời gian tăng thì độ bền kéo trượt màng keo có xu hướng giảm dẫn theo chiều tăng của nhiệt độ và thời gian. Độ bền kéo trượt giảm từ 6,69 MPa còn 1,68 MPa (giảm 74,81% so với mẫu chưa xử lý). b) Độ bong tách màng keo gỗ Bạch đàn Kết quả kiểm tra độ bong tách màng keo các mẫu thí nghiệm thu được ở phụ biểu 81 đến phụ biểu 90 và xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện Nông nghiệp ta được kết quả tổng hợp ghi trong bảng 4.12. Bảng 4.12. Độ bong tách màng keo của gỗ Bạch đàn (%) S T T Dạng thực Số lần lặp 1 2 3 4 5 15 25 35 45 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Thời gian (giờ) BT-MK (%) Nhiệt độ (oC) Ảnh hƣởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến độ bền bong tách màng keo gỗ Bạch đàn (%) 35-45 25-35 15-25 Hình 4.13: Biểu đồ quan hệ giữa chế độ xử lý với độ bong tách màng keo (T; 0 C) (τ; giờ) Y1 Y2 Y3 1 140 2 18,59 20,58 19,68 2 180 2 30,32 29,59 31,02 3 140 4 21,68 22,82 22,36 4 180 4 32,60 33,04 32,35 5 120 3 19,62 19,31 18,82 6 200 3 39,69 40,29 38,18 7 160 1 24,65 21,57 21,86 8 160 5 25,28 28,72 24,32 9 160 3 22,68 25,66 21,62 + Phương trình dạng mã: 14 Y= 24,324 + 5,112T + 1,311T 2 + 0,987τ - 0,079Tτ + 0,082τ2 (4.10a). + Phương trình dạng thực: Y= 63,2241 - 0,7816T + 0,00328T 2 + 1,131τ - 0,004Tτ + 0,0817τ2 (4.10b). Nhận xét: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy nhiệt cho gỗ Bạch đàn đến độ bong tách màng keo theo xu hướng tăng khi tăng nhiệt độ và thời gian. Độ bong tách màng keo tăng từ 16,81% đến 39,39% (tăng 57,31% so với mẫu chưa xử lý). Nguyên nhân giảm độ bền kéo trượt màng keo và bong tác màng keo: - Nhiệt độ cao và thời gian xử lý dài làm các chất chiết xuất trong gỗ dễ dàng bị phân huỷ trong quá trình làm nóng, phân huỷ các polyme vách tế bào, phá huỷ hệ thống mao dẫn, hình thành một số chất mới trên bề mặt làm cho bề mặt gỗ trở lên trơ hơn so với gỗ không xử lý từ đó làm giảm khả năng dán dính của gỗ đã qua xử lý thủy nhiệt. - Khi nhiệt độ và thời gian xử lý tăng, làm giảm khả năng khuếch tán keo và làm tăng góc tiếp xúc keo – gỗ nên độ bền gián dính giảm. - Khi nhiệt độ và thời gian xử lý thủy nhiệt tăng lên thì nhóm OH trong gỗ giảm, từ đó làm giảm liên kết hóa học giữa keo và gỗ làm khả năng dán dính của gỗ sau khi xử lý thủy nhiệt giảm so với gỗ chưa qua xử lý. 4.3.9. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn 4.3.9.1. Sự thay đổi màu sắc của gỗ Bạch đàn trước và sau khi l thủy - nhiệt Từ các kết quả thực nghiệm chúng tôi tiến hành kiểm tra độ sáng màu L*, các chỉ số a*,b*, độ chênh lệch màu sắc ΔE*, ΔL*, Δa*, Δb* của gỗ Bạch đàn trước và sau khi xử lý thủy – nhiệt (phụ biểu 91 đến phụ biểu 100) để so sánh các chỉ số màu sắc thông qua sự thay đổi các chế độ xử lý theo kết quả bảng 4.13. Bảng 4.13 Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ xử lý thủy - nhiệt với mẫu đối chứng STT Chế độ xử lý Chỉ số màu trung bình Nhiệt độ (T; 0 C) Thời gian (τ; giờ) L* a* b* ΔE* 1 Đối trứng (không xử lý 75,80 24,27 43,87 2 140 66,27 20,07 35,93 13,09 13,09 3 180 49,67 9,93 19,60 38,44 38,44 4 140 63,40 18,20 34,47 16,70 16,70 5 180 47,40 8,40 16,53 43,93 43,93 6 120 67,20 21,47 39,20 10,18 10,29 7 200 39,00 7,67 14,07 50,18 49,78 8 160 60,27 16,27 32,13 21,05 21,05 9 160 54,47 12,40 25,00 30,85 30,85 10 160 56,40 14,00 27,40 27,44 27,44 Từ số liệu của bảng 4.13 ta xây dựng được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số màu sắc L*, a*, b* và ΔE* của các chế độ xử lý thủy - nhiệt như sau: 15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ĐC 120-3 140-2 140-4 160-1 160-3 160-5 180-2 180-4 200-3 C h ỉ s ố m à u s ắ c ( L ,a ,* b * ) Chế độ xử lý (nhiệt độ, thời gian) ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI MÀU SẮC GỖ BẠCH ĐÀN L a b 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 C h ỉ s ố b * Chỉ số a* BIỂU ĐỒ QUAN HỆ CHỈ SỐ a*b* Hình 4.14. Biểu đồ quan hệ giữa L*, a* và b* với các chế độ xử lý thủy - nhiệt 0 10 20 30 40 50 60 120-3 140-2 140-4 160-1 160-3 160-5 180-2 180-4 200-3 C hỉ s ố D el ta E Chế độ xử lý (nhiệt độ, thời gian) SỰ THAY ĐỔI MÀU SẮC THEO CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT CỦA GỖ BẠCH ĐÀN Delta E Hình 4.15. Biểu đồ quan hệ giữa ΔE* với các chế độ xử lý thủy - nhiệt Nhận xét: Nhìn vào bảng 4.13 và đồ thị hình 4.14 và hình 4.15 ta thấy, khi nhiệt độ và thời gian xử lý tăng thì độ sáng màu của gỗ (L*) xử lý thủy - nhiệt giảm (sẫm mầu) và các chỉ số a*, b* và độ lệch màu ΔE* thay đổi , độ sáng màu (L*) giảm từ 75,8 xuống 39,0 (so với mẫu chưa xử lý); chỉ số a* thay đổi từ 24,27 xuống 7,67 (so với mẫu chưa xử lý); chỉ số b* thay đổi từ 43,87 xuống 14,07 (so với mẫu chưa xử lý) và độ lệch màu ΔE* thay đổi từ 10,18 đến 50,18 (mẫu ở chế độ 120-3 so với mẫu ở chế độ 200-3). 4.3.9.2. Biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn sau khi l thủy - nhiệt Theo kết quả kiểm tra độ biến màu tự nhiên ở các chế độ xử lý thủy - nhiệt, mẫu được tiến hành kiểm tra chỉ số chênh lệch màu ΔE* của gỗ Bạch đàn ở các chế độ tương ứng sau 60 ngày (2 tháng) kể từ thời gian đo lần thứ nhất. Điều kiện nhiệt, ẩm của môi trường trong thời gian thí nghiệm: nhiệt độ trung bình 280C, độ ẩm trung bình: 85%. Các kết quả thu được ghi ở bảng 4.14, các đặc trưng thống kê như sau: 16 Bảng 4.14. Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ xử lý thủy – nhiệt sau 60 ngày STT Dạng thực Chỉ số màu trung bình (T; 0 C) (τ; giờ) L* a* b* ΔE* 1 140 2 70,80 22,87 39,47 6,39 2 180 2 51,40 10,53 20,60 2,09 3 140 4 67,73 21,13 36,53 5,63 4 180 4 47,40 8,40 16,53 1,72 5 120 3 74,40 24,13 43,20 8,66 6 200 3 40,40 7,73 14,93 1,65 7 160 1 62,80 18,53 33,33 3,60 8 160 5 56,07 13,80 26,07 2,38 9 160 3 58,53 15,53 28,53 2,86 Từ số liệu của bảng 4.14 ta xây dựng được đồ thị biểu diễn quan hệ độ biến màu ΔE* với các chế độ xử lý thủy - nhiệt như sau: 8,66 6,39 5,63 3,60 2,86 2,38 2,09 1,72 1,65 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 120-3 140-2 140-4 160-1 160-3 160-5 180-2 180-4 200-3 C hỉ s ố D el ta E Chế độ xử lý thủy - nhiệt (nhiệt độ, thời gian) SỰ THAY ĐỔI MÀU SẮC Ở CÁC CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT CỦA GỖ BẠCH ĐÀN Delta E Hình 4.16. Độ bền màu tự nhiên (ΔE*) ở các chế độ xử lý thủy - nhiệt Nhận xét chung về độ bền màu: Hầu hết mẫu gỗ ở các chế độ xử lý đều có mức độ biến màu trong giới hạn cho phép (mắt thường không phân biệt được). Nhìn vào đồ thị ta thấy, độ biến màu tự nhiên giảm dẫn khi nhiệt độ và thời gian tăng, ở các chế độ 1200C-3 giờ, 1400C-2 giờ, 1400C-4 giờ và 1600C-1 giờ màu sắc gỗ thay đổi (ΔE* từ 8,66 xuống 3,6). Còn ở các chế 1600C-3 giờ, 1600C-5 giờ, 180 0 C-2 giờ, 1800C-4 giờ và 2000C-3 giờ màu sắc gỗ thay không thay đổi (ΔE* từ 2,86 xuống 1,65). 4.3.1 . Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến cấu tạo gỗ Bạch đàn Trong khoa học gỗ thì cấu tạo gỗ là cơ sở để đánh giá và dự đoán chất lượng gỗ, các loài gỗ khác nhau sẽ có đặc điểm cấu tạo khác nhau đã dẫn đến các tính chất của chúng không giống nhau. Vì thế, khi sử dụng gỗ các nhà khoa học cần nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và tính chất của gỗ để định hướng việc sử dụng hiệu quả của từng loại gỗ vào mục đích sản phẩm gỗ. 17 Trong nghiên cứu này, nhằm mục đích khảo sát sự thay đổi về cấu tạo hiển vi của gỗ trước và sau khi xử lý nhiệt, đã tiến hành làm mẫu chụp ảnh cấu tạo hiển vi của gỗ (từ hình 4.17 đến hình 4.19) bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM). (a) Mặt cắt tiếp tuyến (x500) (b) Mặt cắt tiếp tuyến (x1.000) Hình 4.17. Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn chƣa xử lý thủy-nhiệt (a) Gỗ chưa xử lý thủy-nhiệt (x10.000) (b) Gỗ sau xử lý thủy-nhiệt (x10.000) Hình 4.19. Hình dạng miệng lỗ thông ngang trên vách tế bào sợi gỗ Bạch đàn Kết quả nghiên cứu thể hiện, tế bào mạch gỗ và lỗ thông ngang trên vách tế bào sợi gỗ Bạch đàn sau khi xử lý nhiệt đã bị thay đổi về hình dạng (sự nguyên vẹn của tế bào). Sự thay đổi của mạch gỗ không rõ rệt như đối với lỗ thông ngang. Một lượng không nhỏ lỗ thông ngang trên vách tế bào sợi gỗ Bạch đàn bị phá hủy, đặc điểm này có thể thấy rất rõ khi quan sát miệng của lỗ thông ngang trong mẫu gỗ chưa xử lý và mẫu gỗ đã xử lý (hình 4.18). Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn tương đồng với các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố [20],[44],[66],[68] Điều này chứng tỏ, ở điều kiện xử lý thủy-nhiệt lựa chọn này đã tác động đến cấu tạo gỗ, từ đó có thể sẽ gây ảnh hưởng nhất định đến các tính chất cơ lý của gỗ Bạch đàn. 4.3.11. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến thành ph n hoá học cơ bản gỗ Bạch đàn Nhằm phân tích tác động của xử lý nhiệt đến thành phần hóa học của gỗ Bạch đàn, thí nghiệm đã tiến hành xác định các thành phần hóa học chủ yếu của gỗ 18 đối với mẫu gỗ trước và sau khi xử lý. Kết quả thể hiện trong bảng 4.15 và biểu đồ hình 4.20. Bảng 4.15. Hàm lƣợng thành phần hóa học cơ bản của gỗ trƣớc và sau xử lý STT Thành phần hoá học của gỗ Mẫu ở các chế độ xử lý thuỷ - nhiệt ĐC 120-3 (A1) 160-3 (B2) 200-3 (C3) 1 Hàm lượng xenlulo (%) 45,64 43,76 44,87 41,66 2 Hàm lượng lignin (%) 27,22 27,68 28,28 30,52 3 Hàm lượng hemixenlulo (%) 11,52 11,42 11,12 10,05 4 Hàm lượng các chất tan trong nước nóng (%) 11,45 11,60 12,28 14,86 - Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian đối với thành phần hóa học của gỗ Bạch đàn: 0 10 20 30 40 50 60 ĐC 120-3 160-3 200-3 Tỷ lệ th àn h ph ần (% ) Chế độ xử lý thủy - nhiệt (nhiệt độ và thời gian) ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THU NHIỆT ĐẾN THÀNH PHẦN HÓA HỌC CƠ BẢN (%) Xenlulo Lignin Hemixenlulo Chiết xuất Hình 4.20. Sự thay đổi của thành phần hoá học của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt Nhận xét: Từ bảng 4.15 và biểu đồ 4.20 có thể thấy, sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng chất chiết xuất trong gỗ Bạch đàn tăng lên, từ 11,45% tăng lên 14,86 (tăng khoảng 22,95%). Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn tương đồng với các kết quả nghiên cứu đã công bố với các loài gỗ khác. Xenlulo tổng là thành phần còn lại khi đã loại bỏ lignin, nó bao gồm toàn bộ hàm lượng hemixenlulo và xenlulo, tức lượng polysaccharide trong gỗ. Sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng xenlulo tổng của gỗ giảm xuống, đặc biệt, sự chênh lệch hàm lượng xenlulo tổng rõ rệt hơn khi xử lý gỗ ở nhiệt độ 2000C. Trong quá trình xử lý nhiệt, nhóm acetyl bị tách khỏi phân tử hemixenlulo tạo thành acid acetic, trong quá trình này độ tụ hợp của hemixenlulo bị giảm xuống, tạo thành đường có phân tử lượng thấp, thậm chí là đường đơn, đường pentose trong các đường đơn này sẽ phản ứng tạo thành furfural, còn hexose sẽ phản ứng tạo ra hydroxymethylfurfural . Do quá trình thủy phân này diễn ra ở điều kiện môi trường acid, vì vậy acid acetic tạo ra trong quá trình này sẽ có tác dụng gia tăng tốc độ phản ứng thủy phân, làm cho hemixenlulo phân giải nhanh hơn [24],[56]. 19 4.3.12. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân tích bằng FTIR Kết quả phân tích mẫu gỗ đối chứng và mẫu xử lý ở điều kiện C3 (190-3) được thể hiện trên phổ FTIR của các hình từ 4.27 và 4.29. Hình 4.27. Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn không xử lý Hình 4.29. Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 2000C và thời gian 3h Căn cứ dữ liệu thu được từ máy phân tích quang phổ hồng ngoại và các tài liệu tham khảo [46],[51] áp dụng phần mềm phân tích quang phổ OMNIC 8.0 để phân tích xác định được thuộc tính các đỉnh (peak) trên phổ của các mẫu gỗ đối chứng và mẫu gỗ xử lý. Tần số và độ hấp thụ của các loại nhóm chức trong gỗ xác định qua phổ hồng ngoại của gỗ Bạch đàn được thể hiện trong Bảng 4.17. Bảng 4.17. Thuộc tính phổ FTIR của gỗ Bạch đàn Số sóng (cm-1) Nhóm chức tƣơng ứng a ĐC A1 C3 1050 1049 1050 C-O 1117 1109 1110 Vòng không đối xứng 1239 1242 1235 C= trong lignin và xylan 1328 1332 1333 S và G ngưng tụ 1370 1371 1371 C-H trong xenlulo và hemixenlulo 1462 1461 1460 C-H; -CH2- của lignin 1509 1512 1512 C=C (G) 1610 1615 1613 C=C (S) 1738 1737 1729 C=O 2916 2901 2927 C-H của nhóm methyl và methylene 3411 3390 3410 O-H a S: syringyl; G: guaiacyl Từ kết quả trên hình 4.27 và 4.29.và bảng 4.17 cho thấy, về cơ bản gỗ Bạch đàn chưa xử lý và gỗ đã xử lý có số lượng các đỉnh (peak) là như nhau, tuy nhiên có sự khác biệt khá rõ rệt về tần số và độ hấp thụ của sóng hồng ngoại. 20 Hình 4.31. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi xử lý nhiệt 0 50 100 150 200 250 10 15 20 25 30 35 40 2 Theta (degree) In te n s it y ( a .u .) Mẫu ĐC Mẫu-A1 Mẫu-C3 Mẫu-B2 Hình 4.32. Độ kết tinh của xenlulo gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi xử lý thủy- nhiệt BIỂU ĐỒ QUAN HỆ CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ VỚI ĐỘ KẾT TINH (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 ĐC 120-3 160-3 200-3 Chế độ xử lý Đ ộ k ế t ti n h , % Từ số liệu phổ hồng ngoại của các mẫu gỗ sau khi xử lý ở các chế độ khác nhau có thể thấy, tại vị trí tần số sóng trong khoảng 3400 cm-1 thể hiện sự có mặt của nhóm –OH, và cường độ hấp thụ tại vị trí này thay đối gần như có quy luật nhất định theo các chế độ xử thủy-nhiệt khác nhau, và có xu hướng giảm xuống khi nhiệt độ xử lý tăng. Điều này có nghĩa là khi tăng nhiệt độ xử lý sẽ góp phần làm giảm hàm lượng nhóm thân nước (-OH), hay nói cách khác, xử thủy-nhiệt đã làm giảm tác nhân gây hút nước của gỗ. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả xác định tính ổn định kích thước và tính hút nước của gỗ thủy-nhiệt. 4.3.13. Ảnh hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn bằng phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Thông qua xác định độ kết tinh của xenlulo trong gỗ Bạch đàn cho thấy trong quá trình xử lý, do tác dụng của nhiệt độ cao làm thay đổi cấu trúc hóa học của xenlulo, đồng thời cũng sẽ ảnh hưởng đến độ kết tinh của xenlulo trong gỗ [75],[76]. Đặc trưng phổ XRD của mẫu gỗ Bạch đàn trước và sau khi xử lý được thể hiện trong hình 4.31. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) có thể thấy, gỗ Bạch đàn sau khi xử lý ở các chế độ A1 (120-3), B2 (160- 3), C3 (200-3) so với của gỗ đối chứng có vị trí đỉnh peak của bề mặt tinh thể 002 cơ bản tương đồng (2 từ 22,3 đến 22,5). Điều này thể hiện xử lý nhiệt độ cao không gây ảnh hưởng đến vị trí của đỉnh peak của bề mặt tinh thể 002, tức là không làm thay đổi khoảng cách giữa các lớp tinh thể. Thông qua phổ của mẫu gỗ xử lý ở các chế độ khác nhau trong thí nghiệm đã xác định được độ kết tinh của xenlulo trong gỗ đối chứng và gỗ sau khi xử lý nhiệt. Kết quả thể hiện trong hình 4.32. Từ hình 4.32 ta thấy, về cơ bản độ kết tinh của xenlulo trong gỗ đã qua xử lý nhiệt cao hơn so với trong gỗ đối chứng theo một quy luật nhất 21 Hình 4.33. Biểu đồ tính toán vùng thông số công nghệ hợp lý 120130140150160 170 180 190 200 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 1 1,52 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Nhiệt độ Trị số Thời gian VÙNG PHÙ HỢP CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ THỦY NHIỆT GỖ BẠCH ĐÀN URO 840-860 820-840 800-820 780-800 760-780 740-760 720-740 700-720 680-700 660-680 640-660 620-640 600-620 580-600 560-580 định. Khi nhiệt độ xử lý tăng lên, độ kết tinh của xenlulo trong gỗ tăng lên. Tuy nhiên, với mẫu gỗ khi xử lý ở chế độ độ A1 (120-3) và B2 (160-3) thì độ kết tinh của gỗ gần như không thay đổi nhiều so với mẫu đối chứng. Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi của độ kết tinh có thể là do trong quá trình xử lý nhiệt các nhóm hydroxyl (-OH) giữa các chuỗi xenlulo trên bề mặt vi sợi (microfibril) xảy ra mối liên kết ngang và tách ra một phân tử nước, làm cho các vi sợi sắp xếp một cách có trật tự hơn; đồng thời phân tử xenlulo trong vùng vô định hình tự sắp xếp lại có trật tự hơn, từ đó đã làm cho độ kết tinh của xenlulo trong gỗ sau khi xử lý nhiệt cao hơn so với gỗ đối chứng khi xác định bằng phổ nhiễu xạ tia X. Khi nhiệt độ tăng lên trên 200 0C, hemixenlulo bị thủy phân tạo ra a xít axetic đã có tác dụng phân giải một phần trong xenlulo trong vùng vô định hình, thậm chí ngay cả trong vùng kết tinh của các vi sợi, từ đó đã làm cho kết cấu hóa học của gỗ thay đổi. Điều này đã làm cho một số tính chất của gỗ thay đổi theo hướng nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ nhưng một số tính chất cơ học của gỗ giảm đi [22],[30],[45],[57]. 4.4. Vùng phù hợp của thông số công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn 4.4.1. Xác định vùng phù hợp các tính chất cơ học, vật lý và công nghệ của gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt Nghiên cứu ứng dụng của các kỹ thuật nói chung và Công nghệ Chế biến lâm sản nói riêng, việc xác định thông số công nghệ của quá trình nghiên cứu có ý quan trọng quyết định sự thành công của sản phẩm. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, tác giả dùng kỹ thuật máy tính để thiết lập các phương trình tương ứng với từng tính chất thông qua kết quả thông qua thực nghiệm, kiểm tra và xác định; Dùng phương pháp chuyên gia phân tích, xây dựng và chia các trọng số của kết quả nghiên cứu hai biến số là nhiệt độ, thời gian Tổng hợp các phương trình trên ta được phương trình tổng hợp từ hệ phương trình trên, ta có: YTH = - 3060,78 + 48,64T - 0,15T 2 + 10,92τ + 0,12Tτ - 5,52τ2 (4.24). Giải phương trình tổng hợp (4.24) các tính chất (vật lý, cơ học và công nghệ) với các điều kiện của hàm mục tiêu, kết quả thu được: Nhiệt độ: T 160,28 o C; Thời gian: τ = 2,74 h. Ở hình 4.33, căn cứ vào kết quả xác định các tính chất cơ học, vật lý và công nghệ của gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt, tác giả đặt các trọng số ưu tiên để phù hợp với mục đích định hướng sử dụng sản phẩm, cụ thể định hướng sử dụng sản phẩm của luận án là gỗ xử lý làm đồ mộc như khung, khuôn cửa, bậc cầu thang và các sản phẩm ngoài trời, Vì thế, ưu tiên tính ổn định kích thước (hệ số chống trương nở (ASE), hiệu suất chống hút nước (WRE) và còn lại là các trọng số 22 phụ. Tiến hành giải bài toán tối ưu để xây dựng các vùng trị số tương ứng với kết quả của từng tính chất tương ứng đã cho đồ thị hình 4.33. Từ đó, xây dựng được biểu đồ biểu diễn vùng phù hợp của thông số công nghệ phù hợp với các biến số trong luận án. 4.4.2. Phân tích đánh giá chỉ tiêu như màu sắc, thành ph n hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu trúc gỗ Bạch đàn được xử lý thủy - nhiệt Sử dụng phương pháp chuyên gia phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu đối với các chỉ tiêu như màu sắc, thành phần hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu trúc gỗ Bạch đàn xử lý thủy – nhiệt, cụ thể như sau: - Đối với sự biến đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt: căn cứ vào kết quả nghiên về sự biến đổi màu sắc (bảng 4.13) và biến màu tự nhiên (bảng 4.14) cho thấy ở các chế độ nhiệt độ và thời gian (160-3; 160- 5; 180-2; 180-4; 200-3) thì không biến màu tự nhiên (ΔE*≤ 3) - Đối với cấu tạo siêu hiển vi (SEM) thì ở chế độ 200-3 đã có sự thay đổi về hình dạng của tế bào, lỗ thông ngang đã bị phá hủy (hình 4.19). - Đối với thành phần hóa học cơ bản: ở các nhiệt độ 1200C đến 1800C hàm lượng xenlulo không giảm và giảm không đáng kể. Nhưng ở chế độ nhiệt độ 200 0C và thời gian 3 giờ thì hàm lượng xenlulo giảm rõ rệt ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học, vật lý và công nghệ. - Cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn sau khi xử lý thủy - nhiệt đã có sự thay đổi thông qua kiểm tra phổ hồng ngoại FTIR (hình 4.27, hình 4.28 và hình 4.29) đặc trưng cho đỉnh peak của nhóm –OH làm tăng tính ổn định kích thước. Bên cạnh đó, phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ở các chế độ khác nhau đã làm thay đổi cấu trúc hóa học của xenlulo sẽ ảnh hưởng đến độ kết tinh của xenlulo trong gỗ (hình 4.32), theo kết quả cho thấy độ kết tinh ảnh hưởng không nhiều. Đặc biệt là ở chế độ 1600C và thời gian 3 giờ thì độ kết tinh ảnh hưởng thấp nhất. Từ kết quả giải tối ưu của các tính chất vật lý, cơ học và công nghệ ở mục 4.4.1, chương 4 và những luận cứ phân tích kết quả ở mục 4.4.2, chương 4, tác giả đề xuất vùng phù hợp của thông số công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn trong phạm vi nghiên cứu của luận án là nhiệt độ (T 1600C) và thời gian (τ 3 giờ). KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận Qua các kết quả nghiên cứu của Luận án về ảnh hưởng chế độ xử lý thuỷ - nhiệt đến chaart lượng của gỗ Bạch đàn (Eucalyptus urophylla S.T. Blake) thông qua thông số chế độ xử lý nhiệt độ và thời gian, chúng tôi đi đến một số kết luận như sau: 1. Xác định được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến một số tính chất vật lý của gỗ Bạch đàn 23 - Khối lượng thể tích của gỗ Bạch đàn sau khi xử lý thuỷ- nhiệt giảm 23,30% so với mẫu chưa xử lý. - Hệ số chống trương nở ASE tăng dần từ 23,92% đến 41,11% khi nhiệt độ và thời gian xử lý tăng. - Hiệu suất chống hút nước WRE tăng dần từ 14,42% đến 42,92% khi nhiệt độ và thời gian xử lý tăng. 2. Xác định được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy – nhiệt đến một số tính chất cơ học của gỗ Bạch đàn - Độ bền uốn tĩnh của gỗ Bạch đàn đã xử lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chưa xử lý giảm từ 105,83 MPa còn 35,34 MPa (giảm 66,6% so với mẫu chưa xử lý) và giảm dần ở các chế độ xử lý khi nhiệt độ và thời gia tăng. - Độ bền nén dọc thớ (COM//) gỗ Bạch đàn đã xử lý thuỷ - nhiệt so với gỗ Bạch đàn chưa xử lý giảm từ 68,15 MPa còn 35,22 MPa (giảm 48,32% so với mẫu chưa xử lý) và giảm dần khi tăng nhiệt độ và thời gian. - Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (COM R): từ 8,95 MPa còn 3,21 MPa (giảm 65,29% so với mẫu chưa xử lý); Độ bền nén ngang tiếp tuyến (COM T): từ 7,70 MPa còn 4,25 MPa (giảm 47,22% so với mẫu chưa xử lý). Giảm dần ở các chế độ khi nhiệt độ và thời gian tăng. 3. Xác định được sự ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến tính chất công nghệ của gỗ Bạch đàn - Độ nhám bề mặt (Rmax) giảm từ 115,16 µm còn 71,12 µm (giảm 38,24 % so với mẫu chưa xử lý). Điều này, minh chứng rằng khi nhiệt độ và thời gian tăng thì độ nhám giảm tức là nhẵn bề mặt gỗ xử lý tăng trong phạm vi nghiên cứu của luận án. - Độ bền kéo trượt giảm từ 6,69 MPa còn 1,68 MPa (giảm 74,81% so với mẫu chưa xử lý) và Độ bong tách màng keo tăng từ 16,81% đến 39,39% (tăng 57,31% so với mẫu chưa xử lý), ở các chế độ độ bền kéo trượt giảm dần và bong tách màng keo tăng theo sự tăng nhiệt độ và thời gian, có thể kết luận trong vùng nghiên cứu luận án gỗ Bạch đàn xử lý thủy - nhiệt làm chất lượng dán dính giảm. 4. Ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn - Màu sắc thay đổi và có xu hướng tối dần (độ sáng màu L*, các chỉ số a*,b* và độ lệch màu ΔE*) theo sự tăng của nhiệt độ và thời gian xử lý thủy - nhiệt, cụ thể: độ sáng màu (L*) giảm từ 75,8 xuống 39,0 (so với mẫu chưa xử lý); chỉ số a* thay đổi từ 24,27 xuống 7,67 (so với mẫu chưa xử lý); chỉ số b* thay đổi từ 43,87 xuống 14,07 (so với mẫu chưa xử lý) và độ lệch màu ΔE* thay đổi từ 10,18 đến 50,18 (mẫu ở chế độ 120-3 so với mẫu ở chế độ 200-3). 24 - Mức độ biến màu tự nhiên (sau 60 ngày) của gỗ xử lý thủy – nhiệt giảm khi nhiệt độ và thời gian tăng: ở các chế độ 1200C-3 giờ, 1400C-3 giờ, 1400C-4 giờ và 160 0 C-1 giờ màu sắc gỗ thay đổi (ΔE* từ 8,66 xuống 3,6). Còn ở các chế 160 0 C-3 giờ, 1600C-5 giờ, 1800C-2 giờ, 1800C-4 giờ và 2000C-3 giờ màu sắc gỗ thay không thay đổi (ΔE* từ 2,86 xuống 1,65). 5. Ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong công nghệ xử lý thủy - nhiệt đến sự biến đổi về cấu tạo (SEM), thành ph n hóa học cơ bản và cấu trúc hóa học (XRD, FTIR) của gỗ Bạch đàn sau khi xử lý thuỷ - nhiệt. * Sự thay đổi cấu tạo và thành ph n hóa học cơ bản của gỗ Bạch đàn - Cấu tạo hiển vi của gỗ Bạch đàn quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) cho thấy, sau khi xử lý thủy - nhiệt thành phần bị ảnh hưởng lớn nhất là hệ thống lỗ thông ngang trên vách tế bào và hệ thống mạch gỗ. - Trong quá trình xử lý xử lý thủy – nhiệt khi chế độ xử lý (nhiệt độ và thời gian) thay đổi thì thành phần hóa học của gỗ Bạch đàn thay đổi, cụ thể: hemixenlulo phân giải làm giảm hàm lượng tuyệt đối của xenlulo tổng dẫn đến hàm lượng tương đối của lignin (ổn định nhiệt lớn) tăng lên. Các chất chiết suất cũng bị hòa tan và đa tụ bởi sự tăng nhiệt độ và thời gian xử lý. * Sự thay đổi cấu trúc của gỗ Bạch đàn - Qua phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) đã tìm ra được sự thay đổi trong cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn, đó là: Hàm lượng nhóm thân nước (- OH) giảm xuống khi tăng nhiệt độ và thời gian xử lý, đồng thời các chất chiết xuất bị dịch chuyển ra bề mặt gỗ làm cho màu sắc của gỗ đậm hơn. - Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy độ kết tinh của xenlulo trong gỗ sau khi xử lý nhiệt tăng lên, điều này đã gây ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gỗ. 6. Vùng phù hợp của thông số công nghệ (nhiệt độ và thời gian) trong xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn Căn cứ vào kết quả nghiên cứu, thông qua các phương trình và phân tích đánh giá sự biến đổi cấu tạo, thành phần hóa học cơ bản và cấu trúc hóa học. Tác giả đưa ra được vùng phù hợp của thông số công nghệ xử lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn trong phạm vi nghiên cứu của luận án là nhiệt độ (T 1600C) và thời gian (τ 3 giờ). 5.2. Kiến nghị - Cần có nhiều nghiên cứu sự ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ – nhiệt đến sự thay đổi (xác định) thành phần hoá học các chất trong gỗ gây ra phản ứng làm ảnh hưởng đến chất lượng dán dính và độ nhẵn bề mặt của nhiều loại gỗ khác nhau. - Nghiên cứu đánh giá độ bền sinh học của gỗ xử lý thuỷ - nhiệt về khả năng kháng nấm (nấm mục, mọt, nấm biến màu,) và các vi sinh vật co hại cho độ bền của gỗ mọc nhanh rừng trồng. - Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt của các chất chiết xuất trong gỗ làm thay đổi màu sắc của gỗ. - Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt đến đặc tính âm thanh của gỗ.