Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Ngay từ đầu thập niên 20 của thế kỷ 20 việc nghiên cứu sản xuất ván nhân tạo từ nguyên liệu là phế liệu nông nghiệp đã được các nhà khoa học triển khai. Đầu tiên phải kể đến sản xuất ván dăm từ bã mía, đây có thể được coi là loại phế liệu nông nghiệp đầu tiên được đưa vào sản xuất ván nhân tạo ở dạng công nghiệp.
Đến cuối thập niên 40 của thế kỷ 20 các loại phế liệu nông nghiệp khác đã được nghiên cứu và đưa vào sản xuất các loại ván nhân tạo khác nhau, những nguyên liệu này như: thân cây ngô, thân cây bông, thân cây thuốc lá, rơm rạ, thân cây lúa mạch, thân cây lạc, thân cây đỗ,…. Đến khoảng thập niên 70 của thế kỷ 20 thì nguyên liệu sử dụng rơm rạ sử dụng trong sản xuất ván dăm đã được ứng dụng khá rộng rãi. Đầu tiên là nguyên liệu rơm rạ được sử dụng công nghệ sản xuất ván dăm truyền thống để sản xuất, sử dụng keo UF làm chất kết dính [36]. Một trong những nước lợi dụng nguồn phế liệu nông nghiệp trong sản xuất ván nhân tạo lớn nhất trên thế giới là Trung Quốc.
Ngay từ những năm 70 của thế kỷ trước, người Trung Quốc tiến hành nghiên cứu và đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp các loại ván nhân tạo đặc biệt là sản xuất ván dăm từ phế liệu nông nghiệp trong đó có rơm rạ, nó đã mạng lại nhiều lợi ích cho người dân. Tuy nhiên, việc sản xuất ván dăm từ phế liệu nông nghiệp nói chung, từ rơm rạ nói riêng vẫn còn tồn tại khá nhiều vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu giải quyết nhằm nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm, phù hợp với người tiêu dùng. Đó là các vấn đề về nguyên liệu, công nghệ, chất kết dính,.[37] 6 Do vậy, trong những năm gần đây việc nghiên cứu sử dụng rơm rạ trên thế giới đã được nhiều nước quan tâm, đặc biệt là các nước có sản lượng lúa cao tập trung ở vùng Đông Nam Á như Thái lan, Indonesia. Tại các nước này, rơm rạ hiện được dùng để sản xuất điện năng và tro của rơm có thể dùng để làm phụ gia bê tông tại tỉnh Pichit, Thái lan và đảo Bali, Indonesia [37].
Tại Ấn độ, Ibrahim Mutlu (2009) đã nghiên cứu sử dụng tro từ rơm rạ để thay thế amiăng trong chế tạo má phanh. Rơm cũng được sử dụng để sản xuất ván sợi từ xi măng cho kết quả khả quan [22]. Tại California, Mỹ, theo nghiên cứu của Kiran L.Kadam và các cộng sự (2000) rơm rạ có thể được sử dụng để sản xuất giấy [30]. Theo Alex Wilson (1995) nguyên liệu rơm rạ (từ lúa mì, gạo, lúa mạch, yến mạch, lúa mạch đen) có thể là một loại nguyên liệu mới cho ngành xây dựng như tạo các vách tường trong các ngôi nhà [20].
Năm 2000, Frank Beall một giáo sư khoa học gỗ của California trên một bài báo đã công bố “Fundamenta Properties of rice straw in comparison with softwood” khi nghiên cứu và so sánh các thuộc tính của rơm lúa với gỗ lá kim cho thấy rơm lúa là một loại nguyên liệu đạt tiêu chuẩn cho sản xuất ván dăm thông thường, MDF, OSB và ván dăm có khối lượng thể tích thấp, đây là hướng nghiên cứu để tìm nguồn nguyên liệu thay thế gỗ dần dần trong sản xuất ván nhân tạo [33]. Năm 2000, nhà khoa học Zhang-Yu-Kun đã nghiên cứu thấy rằng trên rơm rạ có chất sáp (wax), chất này kỵ nước, làm giảm khả năng dán dính, khiến cho việc sử dụng các loại keo gốc formaldehyde thông dụng trong sản xuất ván dăm làm chất kết dính trở nên khó khăn. Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng keo MDI (Methylen Diphenyl Isocyanate) - là loại keo khá đắt, để sản xuất. Tuy nhiên, do giá thành sản phẩm trở nên khá đắt, không tạo 7 được sự cạnh tranh trên thị trường, nếu sử dụng loại keo này để sản xuất thì cũng sẽ gặp rất nhiều khó khăn [30].
Với công trình “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ sản xuất tới các tính chất vật lý của ván rơm” của Greggory S. Karr và các cộng sự tại trường Đại học bang Kansas, Mỹ thực hiện năm 2000 (Greggory S. Nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu của rơm (khảo sát trong khoảng từ 2 đến 12%), lượng keo dùng (khảo sát trong khoảng 2 đến 8%) và nhiệt độ ép (từ 135 đến 218 0C) tới tính chất vật lý và cơ học của ván (dày 6 mm). Kết quả cho thấy lượng keo dùng có ảnh hưởng lớn nhất tới tính ổn định kích thước, khả năng chống ẩm và cường độ của ván.
Độ ẩm ban đầu của rơm ảnh hưởng tới cường độ cơ học của ván nhiều hơn tính ổn định kích thước của ván. Nhiệt độ ép ảnh hưởng tới tính ổn định kích thước của ván nhiều hơn tính chất cơ học của ván. Cường độ uốn tĩnh của ván thay đổi trong khoảng từ 15 đến 28,7 MPa với khoảng cách gối là 18 lần chiều dày [24]. “Nghiên cứu ảnh hưởng của loại keo tới tính chất của ván dăm từ rơm lúa mì có khối lượng thể tích trung bình” của Xiaoqun Mo và các cộng sự tại đại học bang Kansas, Mỹ thực hiện năm 2003.
Nghiên cứu sử dụng bốn loại keo là MDI, UF, keo từ protein tách từ đậu nành SPI và bột đậu nành SF đối với rơm đã qua xử lý hoá chất tẩy là hỗn hợp kiềm và hợp chất oxi hóa. Kết quả cho thấy, ván rơm từ rơm xử lý có chất lượng cao hơn ván không xử lý. Keo MDI cho chất lượng cao nhất, với lượng keo dùng khoảng 4%. Ván từ keo SPI và SF có chất lượng tương tự ván từ keo UF.
Riêng đối với keo UF, cường độ uốn tĩnh (MOR) của ván từ rơm không xử lý là 6,36 MPa và rơm xử lý là 9,34 MPa. Còn cường độ liên kết bên trong (IB) tương ứng là 0,11 MPa đối với rơm không xử lý và là 0,19 MPa đối với ván rơm xử lý hoá chất [36]. “Nghiên cứu cải thiện cơ chế dán dính của keo UF sử dụng để sản xuất 8 ván nhân tạo từ rơm lúa mì và sậy sử dụng tác nhân tạo “nhân” coupling là silane hoặc xử lý chiết suất” của Guangping Han và các cộng sự tại đại học Kyoto, Nhật Bản thực hiện năm 1999. Kết quả cho thấy, với 2 giải pháp xử lý này đều cải thiện đáng kể khả năng thấm ướt bề mặt của nguyên liệu, tạo tiền đề tăng khả năng thấm ướt keo trên bề mặt, nhằm tăng khả năng dán dính [25].
“Nghiên cứu tính chất chịu kéo và chịu nén của ván dăm có khối lượng thể tích thấp từ rơm sử dụng keo gốc protein” của Xiaoqun Mo và các cộng sự tại trường đại học bang Kansas, Mỹ thực hiện năm 2001. Rơm được xử lý hoá chất là H2O2 và/hoặc NaOH. Kết quả cho thấy, đối với các dạng hoá chất khác nhau, chất lượng ván thay đổi khác nhau. Cụ thể, với ván đối chứng, cường độ chịu kéo đứt là 256 kPa và chịu nén là 235 kPa.
Tuy nhiên, khi xử lý hỗn hợp NaOH và H2O2 thì cường độ chịu kéo đứt tăng lên tới 2648 kPa và chịu nén là 446 kPa [35]. “Nghiên cứu sản xuất ván dăm cách âm, cách nhiệt từ hỗn hợp rơm lúa và dăm gỗ” của Han Seung Yang và các cộng sự tại Đại học quốc gia Seoul, Hàn quốc thực hiện năm 2003. Trong nghiên cứu này, ván dăm được tạo ra có khối lượng thể tích là 0,4 g/cm3, 0,6 g/cm3 và 0,8 g/cm3 với 3 mức tỷ lệ hỗn hợp rơm là 10%, 20% và 30%, chất kết dính là keo UF. Kết quả cho thấy, cường độ uốn tĩnh của ván dăm tăng khi khối lượng thể tích của ván tăng lên.
Cụ thể như sau: cường độ uốn tĩnh đạt 140-290 psi khi khối lượng thể tích là 0,4 g/cm3; đạt 700-900 psi khi khối lượng thể tích là 0,6 g/cm3 và đạt 1400- 2900 psi khi khối lượng thể tích là 0,8 g/cm3 [27]. Li xiaoping, Gao wei năm 2007 đã tiến hành nghiên cứu sản xuất ván dăm dạng lõi rỗng từ hỗn hợp nguyên liệu rơm rạ và gỗ, nguyên liệu gỗ sử dụng ở nghiên cứu là loài gỗ Dương. Changtong Mei, Zhou dingguo năm 9 2001 đã tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỷ lệ giữa dăm từ nguyên liệu rơm rạ với dăm gỗ đến cường độ ván dăm hỗn hợp tạo thành, chất kết dính là keo UF [21]. Như vậy trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về rơm rạ, và cũng đã sử dụng rơm rạ để sản xuất ván ép.
Kết quả các công trình nghiên cứu và thức tế sản xuất cũng cho thấy rằng: - Việc sử dụng thuần túy nguyên liệu rơm rạ vào sản xuất ván nhân tạo nói chung và sản xuất ván dăm nói riêng, với chất kết dính là keo UF đã gặp phải không ít những khó khăn, đó là quá trình dán dính, cường độ ván thấp. Do rơm rạ có đặc điểm là phía vỏ bên ngoài có lớp sáp (wax) kỵ nước khiến cho việc sử dụng các loại keo gốc formaldehyde thông dụng trong sản xuất ván dăm trở nên khó khăn. Một trong các giải pháp cho vấn đề này là sử dụng keo MDI (Methylen Diphenyl Isocyanate) – là loại keo khá đắt, để sản xuất. Tuy nhiên, giá thành sản phẩm cao, khó tạo nên được sự cạnh tranh trên thị trường.
- Giải pháp xử lý nguyên liệu nhằm tăng khả năng dán dính của rơm rạ trước khi ép bằng các phương pháp hoá - cơ - nhiệt tại một số nước như Mỹ, Úc, Philippin với sản phẩm chủ yếu sử dụng trong xây dựng. Tuy nhiên, chủ yếu nguồn rơm rạ là lúa mì, lúa mạch, còn nguyên liệu rơm rạ từ lúa gạo rất hạn chế. - Việc kết hợp rơm rạ với gỗ để tạo ván dăm hỗn hợp rơm - dăm gỗ cũng là một giải pháp rất tốt. Nó vừa tận dụng được rơm rạ - phế liệu trong nông nghiệp, vừa có thể tạo ra ván đảm bảo về chất lượng cũng như giá thành sản phẩm.
Vấn đề này đã được hai nhà khoa học Trung Quốc Changtong Mei và Dingguo Zhou nghiên cứu năm 2001 với công trình “Effect of Straw Substitution Level on Properties of Wood-straw Hybrid Particleboard”. Kết 10 quả nghiên cứu cho thấy rằng mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ rơm đến chất lượng của ván là rất lớn, đặc biệt trong khoảng tỷ lệ rơm dưới 50%. Tỷ lệ rơm tốt nhất để tạo ra ván là khoảng 20% đến 30% [21].