Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế thương mại quốc tế hiện nay, thị trường toàn cầu ngày càng gia tăng nhu cầu đối với các sản phẩm gỗ và tre thân thiện với môi trường (sản phẩm “xanh”). Các thị trường nhập khẩu phát triển đặt ra những rào cản kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn môi trường rất nghiêm ngặt, đòi hỏi ngành công nghiệp chế biến lâm sản phải giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các loại hóa chất bảo quản độc hại truyền thống. Trước áp lực này, việc tìm kiếm các chế phẩm sinh học và công nghệ xử lý biến tính không dùng hóa chất độc hại trở thành một nhiệm vụ cấp thiết đối với các nhà khoa học và doanh nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam.

Công nghệ biến tính nhiệt dầu (oil-heat treatment) là một phương pháp xử lý gỗ phi hóa chất, sử dụng dầu thực vật làm môi trường truyền nhiệt và bảo vệ. Phương pháp này giúp gỗ cải thiện độ ổn định kích thước, giảm độ hút ẩm, tăng khả năng kháng nấm mốc và mối mọt, đồng thời duy trì độ bền màu. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp chế biến gỗ mong muốn phát triển công nghệ biến tính nhiệt dầu phù hợp với nguồn nguyên liệu và điều kiện sản xuất trong nước. Đề tài "Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến tính chất cơ lý của gỗ Thông Loblolly (Pinus taeda) biến tính nhiệt bằng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái" được thực hiện nhằm giải quyết yêu cầu kỹ thuật trên.

Khóa luận xác định mục đích và mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:

  • Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu thử nghiệm biến tính gỗ Thông Loblolly bằng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái làm cơ sở cho việc phát triển ứng dụng xử lý nguyên liệu gỗ Thông Loblolly dùng trong sản xuất ván sàn và đồ mộc gỗ xuất khẩu.
  • Mục tiêu nghiên cứu: Xác định được các thông số công nghệ thích hợp (nhiệt độ và thời gian) trong xử lý biến tính nhiệt bằng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái cho gỗ Thông Loblolly.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Gỗ Thông Loblolly (Pinus taeda) được cung cấp bởi Công ty TNHH Timber Phoenix; dung dịch xử lý gồm hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế (độ nhớt 0,3 P ở nhiệt độ phòng) và Dầu rái (Dipterocarpus alatus Roxb) được phối trộn theo tỷ lệ khối lượng 1:1.
  • Phạm vi thông số: Nhiệt độ xử lý từ 108°C đến 192°C; thời gian xử lý từ 71 phút đến 199 phút.
  • Thời gian và địa điểm: Đề tài được tiến hành từ tháng 10/2023 đến tháng 02/2024 tại Phòng thí nghiệm Khoa Lâm Nghiệp và Trung tâm Chế Biến Lâm Sản, Giấy và Bột Giấy thuộc Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ sở khoa học

  • Cơ chế biến tính nhiệt dầu: Dầu thực vật đóng vai trò là môi trường truyền nhiệt đồng đều và loại trừ oxy trong quá trình xử lý, hạn chế phản ứng oxy hóa làm suy giảm độ bền cơ học của gỗ. Dưới tác động nhiệt, thành phần hemicellulose bị phân hủy nhiệt làm giảm số lượng nhóm hydroxyl (-OH) tự do, từ đó giảm khả năng liên kết với nước. Đồng thời, các nhóm este trong dầu thực vật tạo liên kết hydro với các nhóm hydroxyl còn lại trên bề mặt tế bào gỗ, hình thành màng kỵ nước giúp cải thiện độ ổn định kích thước và khả năng chống thấm.
  • Đặc tính của Dầu rái (Dipterocarpus alatus Roxb): Dầu rái là loại nhựa dầu tự nhiên có độ bền hóa học và độ bền nhiệt cao, không tan trong nước, axit ($H_2SO_4, HCl, HNO_3$) và kiềm ($NaOH$). Các chỉ tiêu kỹ thuật chính gồm: khối lượng riêng 2,658 g/cm³, chỉ số axit 13,4, chỉ số xà phòng hóa 2,8, chỉ số este hóa 8,6, lượng nhựa không bị xà phòng hóa 85% và chỉ số iot đạt 192 (thuộc nhóm dầu khô, nhanh đóng rắn tạo màng bảo vệ).
  • Đặc tính gỗ Thông Loblolly (Pinus taeda): Gỗ lá kim có khối lượng thể tích trung bình 570 kg/m³ ở độ ẩm 12%, độ co rút thể tích 12,3%, ứng suất uốn tĩnh 88,3 MPa. Thành phần hóa học gồm: Holocellulose 64,8%, Lignin 29,48%, chất trích ly 5,51% và tro 0,21%.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Quy hoạch thực nghiệm: Tác giả áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) theo mô hình phối hợp có tâm (Central Composite Design - CCD) với 2 yếu tố đầu vào ($k=2$), góc quay $\alpha = \sqrt{2} \approx 1,414$. Tổng số nghiệm thức thực nghiệm là 9 nghiệm thức ($N = 2^k + 2k + N_0 = 4 + 4 + 1 = 9$) cùng 1 lô mẫu đối chứng (ĐC) không xử lý nhiệt dầu.
  • Ma trận biến thiên thông số đầu vào:
    • Nhiệt độ xử lý ($X_1, T$): Mức cơ sở (0) là 150°C; mức trên (+1) là 180°C; mức dưới (-1) là 120°C; mức sao ($+\alpha$) là 192°C; mức sao ($-\alpha$) là 108°C; khoảng biến thiên $\Delta I = 30^\circ\text{C}$.
    • Thời gian xử lý ($X_2, t$): Mức cơ sở (0) là 135 phút; mức trên (+1) là 180 phút; mức dưới (-1) là 90 phút; mức sao ($+\alpha$) là 199 phút; mức sao ($-\alpha$) là 71 phút; khoảng biến thiên $\Delta I = 45\text{ phút}$.
Mức mã hóa Nhiệt độ xử lý $T$ (°C) Thời gian xử lý $t$ (phút)
Mức sao ($+\alpha = +1,414$) 192 199
Mức trên ($+1$) 180 180
Mức cơ sở ($0$) 150 135
Mức dưới ($-1$) 120 90
Mức sao ($-\alpha = -1,414$) 108 71
  • Phương pháp xác định các chỉ tiêu cơ lý:
    • Khối lượng riêng khô kiệt ($D_0$): Sấy mẫu ở nhiệt độ 103 ± 2°C đến khối lượng không đổi (chênh lệch giữa hai lần cân cách nhau 8 giờ không quá 0,2%), tính theo công thức $D_0 = m_0 / (a \times b \times l)$ ($g/\text{cm}^3$).
    • Hiệu suất chống hút nước ($WRE$): Mẫu sau sấy khô kiệt được ngâm trong nước cất 7 ngày ở nhiệt độ phòng; xác định độ hút nước $WA$ và hiệu suất $WRE = (WA_{dc} - WA_{bt}) \times 100 / WA_{dc}$ (%).
    • Hiệu suất chống trương nở thể tích ($ASE$): Xác định thể tích mẫu trước và sau khi ngâm nước cất 7 ngày; tính độ trương nở thể tích $S$ và hiệu suất $ASE = (S_{dc} - S_{bt}) \times 100 / S_{dc}$ (%).
    • Độ bền uốn tĩnh ($MOR$): Thử nghiệm trên mẫu kích thước 20 × 20 × 380 mm theo tiêu chuẩn TCVN 13707-3:2023 bằng máy thử cơ học vạn năng Instron 3367.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Thống kê, phân tích phương sai (ANOVA), hồi quy đa thức bậc hai và tối ưu hóa thông số bằng phần mềm Minitab 21.2 và Microsoft Excel 365.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu công nghệ xử lý biến tính gỗ thân thiện với môi trường trong bối cảnh các thị trường xuất khẩu siết chặt rào cản kỹ thuật đối với hóa chất độc hại. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc tạo cơ sở dữ liệu ứng dụng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái vào quy trình sản xuất gỗ biến tính tại Công ty TNHH Timber Phoenix, đồng thời xác lập mục đích và mục tiêu nghiên cứu cụ thể.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng hợp các công trình nghiên cứu biến tính nhiệt dầu trong và ngoài nước (các nghiên cứu của Dubey và ctv, Umar và ctv, Wang & Cooper, Tang và ctv, Var và ctv; các nghiên cứu trong nước của ĐH Lâm nghiệp, Tăng Thị Kim Hồng, Hoàng Văn Hòa...). Tác giả phân tích chi tiết cơ sở lý thuyết về ưu - nhược điểm của biến tính nhiệt dầu, bản chất tương tác hóa học giữa dầu thực vật và gỗ, các yếu tố ảnh hưởng (loại dầu, chế độ nhiệt - thời gian, cấu trúc loài gỗ), so sánh biến tính nhiệt dầu với biến tính nhiệt khô/hơi nước, và tổng quan đặc tính kỹ thuật của Dầu rái cùng gỗ Thông Loblolly.

Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết nội dung nghiên cứu, thiết kế thực nghiệm RSM-CCD với 9 nghiệm thức và 1 mẫu đối chứng, quy trình công nghệ biến tính nhiệt dầu trên thiết bị chuyên dụng, các công thức toán học và tiêu chuẩn xác định khối lượng riêng khô kiệt, hiệu suất chống hút nước ($WRE$), hiệu suất chống trương nở ($ASE$) và độ bền uốn tĩnh ($MOR$). Chương này cũng mô tả hệ thống máy móc, thiết bị đo lường gồm tủ sấy Memmert UN160/UN260, tủ vi khí hậu Memmert HPP260 Eco, máy kéo nén Instron 3367, cân phân tích RADWAG (độ chính xác ±0,0001 g) và các dụng cụ đo kiểm kích thước.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến từng chỉ tiêu cơ lý của gỗ Thông Loblolly sau biến tính, thiết lập các phương trình hồi quy tương quan và xác định chế độ xử lý tối ưu.

Số liệu thực nghiệm các nghiệm thức khảo nghiệm:

Nghiệm thức Nhiệt độ $T$ (°C) Thời gian $t$ (phút) Khối lượng riêng khô kiệt $D_0$ (g/cm³) Hiệu suất chống hút nước $WRE$ (%)
NT1 120 90 0,873 74,33
NT2 180 90 0,978 83,37
NT3 120 180 0,929 78,69
NT4 180 180 1,094 88,56
NT5 108 135 0,833 71,44
NT6 192 135 1,100 92,10
NT7 150 71 0,858 73,45
NT8 150 199 1,085 83,83
NT9 150 135 0,967 79,22
ĐC — — 0,562 —
  • Về khối lượng riêng khô kiệt ($D_0$): Sau xử lý, $D_0$ tăng từ 48,2% đến 95,7% so với mẫu đối chứng ($0,562\text{ g/cm}^3$), đạt dải giá trị từ $0,833\text{ g/cm}^3$ (ở 108°C, 135 phút) đến $1,100\text{ g/cm}^3$ (ở 192°C, 135 phút). Phân tích hồi quy cho thấy cả nhiệt độ ($p = 0,009$) và thời gian ($p = 0,019$) đều tác động thuận chiều và có ý nghĩa thống kê đến $D_0$, trong khi tương tác $X_1X_2$ không có ý nghĩa ($p > 0,05$). Mô hình hồi quy dạng thực được xác lập: $$D_0 = 0,3769 + 0,00271T + 0,00136t \quad (R^2 = 95,16%)$$
  • Về hiệu suất chống hút nước ($WRE$): Giá trị $WRE$ đạt từ 71,44% (ở 108°C, 135 phút) đến 92,10% (ở 192°C, 135 phút). Khi tăng nhiệt độ và kéo dài thời gian xử lý, khả năng kháng nước của gỗ tăng rõ rệt nhờ dầu thấm sâu và màng dầu đóng rắn ngăn cản sự xâm nhập của các phân tử nước.
  • Về hiệu suất chống trương nở ($ASE$) và độ bền uốn tĩnh ($MOR$): Xử lý biến tính giúp gia tăng đáng kể hiệu suất chống trương nở thể tích. Độ bền uốn tĩnh của gỗ sau xử lý có xu hướng suy giảm so với gỗ đối chứng do sự thoái hóa một phần của hemicellulose dưới tác động nhiệt, tuy nhiên mức giảm vẫn nằm trong giới hạn cho phép đối với vật liệu chế tạo sản phẩm mộc nội ngoại thất.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối tóm lược các kết luận khoa học rút ra từ thực nghiệm, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái để biến tính gỗ Thông Loblolly, đồng thời nêu các kiến nghị nhằm hoàn thiện và mở rộng hướng nghiên cứu trong sản xuất thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định được quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến các tính chất vật lý và cơ học của gỗ Thông Loblolly biến tính bằng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái (tỷ lệ 1:1).
  • Khối lượng riêng khô kiệt của gỗ biến tính tăng mạnh (từ $0,562\text{ g/cm}^3$ ở mẫu đối chứng lên $0,833 - 1,100\text{ g/cm}^3$ ở các mẫu xử lý), thể hiện lượng dầu hấp thụ và lưu giữ tốt trong cấu trúc rỗng của tế bào gỗ Thông Loblolly.
  • Hiệu suất chống hút nước ($WRE$) đạt mức cao từ 71,44% đến 92,10%, giúp gỗ cải thiện tính kỵ nước vượt trội.
  • Thiết lập phương trình hồi quy tương quan tuyến tính bậc nhất giữa khối lượng riêng khô kiệt với các thông số công nghệ với hệ số xác định cao ($R^2 = 95,16%$): $$D_0 = 0,3769 + 0,00271T + 0,00136t$$
  • Xác định chế độ công nghệ thích hợp cho quá trình biến tính nhiệt dầu gỗ Thông Loblolly, đạt được các chỉ tiêu chất lượng tổng hợp:
    • Khối lượng riêng khô kiệt: $0,9168\text{ g/cm}^3$.
    • Hiệu suất chống hút nước ($WRE$): 78,54%.
    • Hiệu suất chống trương nở ($ASE$): 57,14%.
    • Độ bền uốn tĩnh ($MOR$): duy trì ở mức trên $77\text{ MPa}$, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho sản phẩm chịu lực thông thường.

Giải pháp và kiến nghị ứng dụng

  • Ứng dụng công nghệ biến tính nhiệt dầu sử dụng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái vào dây chuyền sản xuất nguyên liệu ván sàn và đồ mộc nội ngoại thất xuất khẩu tại Công ty TNHH Timber Phoenix.
  • Sử dụng dầu đậu nành tái chế (giá thành thấp, khoảng 17.000 đồng/lít) kết hợp với dầu rái tự nhiên bản địa giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất, tận dụng phụ phẩm công nghiệp và bảo vệ môi trường.

Đóng góp mới của đề tài

  • Khóa luận là công trình đầu tiên kết hợp Dầu đậu nành tái chế với Dầu rái tự nhiên (Dipterocarpus alatus) theo tỷ lệ 1:1 làm môi trường gia nhiệt và chất biến tính sinh học cho loài gỗ Thông Loblolly (Pinus taeda) nhập khẩu.
  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm và mô hình toán học định lượng mô tả mối quan hệ giữa thông số nhiệt - thời gian với các chỉ tiêu cơ lý của gỗ biến tính, làm cơ sở khoa học cho việc điều khiển quy trình công nghệ ở quy mô bán công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu mới được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm với kích thước mẫu nhỏ ($20 \times 20 \times 30\text{ mm}$ cho thử nghiệm vật lý và $20 \times 20 \times 380\text{ mm}$ cho thử nghiệm uốn tĩnh), chưa khảo nghiệm trên mẫu gỗ có kích thước thương phẩm lớn.
  • Thời gian thử nghiệm ngâm nước đánh giá $WRE$ và $ASE$ mới dừng lại ở chu kỳ 7 ngày trong điều kiện tĩnh, chưa khảo sát chu kỳ ẩm hóa - sấy khô lặp lại nhiều lần.
  • Chưa tiến hành thử nghiệm định lượng khả năng kháng nấm mục (nấm mục trắng, nấm mục nâu) và kháng mối mọt thực tế trên mẫu gỗ sau biến tính.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng khảo sát độ bền sinh học (kháng nấm, côn trùng hại gỗ) và khả năng chịu thời tiết tự nhiên ngoài trời trong thời gian dài (từ 1 đến 3 năm).
  • Nghiên cứu khả năng bám dính của các hệ thống màng sơn, dầu lau phủ bề mặt trên gỗ Thông Loblolly đã biến tính nhiệt dầu.
  • Triển khai thử nghiệm quy trình công nghệ trên thiết bị biến tính quy mô công nghiệp tại nhà máy của Công ty TNHH Timber Phoenix để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật toàn diện.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh các ngành Chế biến lâm sản, Kỹ nghệ gỗ, Khoa học vật liệu sinh học và Công nghệ giấy.
  • Giá trị thực tiễn cho doanh nghiệp: Cung cấp thông số công nghệ và cơ sở khoa học cho các kỹ sư, nhà quản lý kỹ thuật tại các doanh nghiệp chế biến gỗ xuất khẩu đang tìm kiếm giải pháp biến tính gỗ ngoài trời thay thế hóa chất ngâm tẩm áp lực truyền thống.
  • Phần nội dung đáng chú ý: Ma trận quy hoạch thực nghiệm RSM-CCD (Chương 3), các phương trình hồi quy tương quan và phân tích phương sai ANOVA đa biến (Chương 4), cùng tổng quan chuyên sâu về đặc tính lý hóa của Dầu rái tự nhiên (Chương 2).

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn và nguồn gốc của dung dịch dầu biến tính trong nghiên cứu là gì?
Dung dịch biến tính được phối trộn từ Dầu đậu nành tái chế (thu mua từ cơ sở sản xuất dầu tái chế với giá 17.000 đồng/lít, độ nhớt 0,3 P ở nhiệt độ phòng) và Dầu rái tự nhiên (Dipterocarpus alatus Roxb, mua từ Hợp tác xã Nông nghiệp - Dịch vụ Đại Thạnh Phát) theo tỷ lệ khối lượng 1:1.

2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nào đã được sử dụng để bố trí thí nghiệm?
Đề tài sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kiểu phối hợp có tâm (CCD) với 2 yếu tố đầu vào ($k=2$), góc quay $\alpha = \sqrt{2} \approx 1,414$, gồm 9 nghiệm thức thực nghiệm và 1 lô mẫu đối chứng không xử lý nhiệt dầu.

3. Khối lượng riêng khô kiệt của gỗ Thông Loblolly thay đổi như thế nào sau quá trình biến tính?
Khối lượng riêng khô kiệt ($D_0$) của gỗ sau biến tính tăng từ 48,2% đến 95,7% so với mẫu đối chứng ($0,562\text{ g/cm}^3$), dao động trong khoảng từ $0,833\text{ g/cm}^3$ (nghiệm thức 108°C, 135 phút) đến $1,100\text{ g/cm}^3$ (nghiệm thức 192°C, 135 phút).

4. Yếu tố nhiệt độ hay thời gian có ảnh hưởng mạnh hơn đến khối lượng riêng khô kiệt của gỗ?
Dựa trên phân tích phương sai hồi quy, cả hai yếu tố đều có ảnh hưởng đáng kể ($p < 0,05$), tuy nhiên nhiệt độ xử lý ($p = 0,009$) có mức độ ảnh hưởng rõ rệt hơn so với thời gian xử lý ($p = 0,019$). Tương tác giữa nhiệt độ và thời gian ($X_1X_2$) không có ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$).

5. Hiệu suất chống hút nước ($WRE$) cao nhất đạt được là bao nhiêu và ở chế độ xử lý nào?
Hiệu suất chống hút nước cao nhất đạt 92,10% ở nghiệm thức NT6 với nhiệt độ xử lý 192°C trong thời gian 135 phút.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trương Thị Ngọc Trân đã nghiên cứu thành công quá trình biến tính nhiệt dầu cho gỗ Thông Loblolly (Pinus taeda) sử dụng hỗn hợp Dầu đậu nành tái chế và Dầu rái (tỷ lệ 1:1). Kết quả thực nghiệm khẳng định công nghệ xử lý nhiệt dầu giúp gia tăng đáng kể khối lượng riêng khô kiệt (đạt $0,833 - 1,100\text{ g/cm}^3$) và cải thiện vượt trội hiệu suất chống hút nước ($WRE$ đạt tới 92,10%) cũng như hiệu suất chống trương nở thể tích của gỗ. Các phương trình hồi quy được xác lập với độ tương thích cao ($R^2 = 95,16%$), cung cấp chế độ xử lý thích hợp ($D_0 = 0,9168\text{ g/cm}^3$, $WRE = 78,54%$, $ASE = 57,14%$, $MOR > 77\text{ MPa}$) phục vụ trực tiếp cho định hướng ứng dụng sản xuất ván sàn và đồ mộc xuất khẩu thân thiện với môi trường.