MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Gỗ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bởi đặc tính tuyệt vời của nó. Gỗ là vật liệu tự nhiên có bề ngoài thẩm mỹ, có thể tái chế, không độc hại và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, gỗ dễ bị thay đổi hình dạng, kích thước khi điều kiện khí hậu thay đổi và đễ bị phân hủy sinh học bởi các vi sinh vật và côn trùng.
Một số phương pháp đã được áp dụng để cải thiện độ bền của gỗ bằng cách dùng các chất bảo quản có nguồn gốc hóa học. Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng hóa chất bảo quản hóa học đã bị hạn chế ở nhiều nước trên thế giới do lo ngại về môi trường. Do đó, một số phương pháp biến tính với mục đích bảo quản gỗ, nâng cao giá trị sử dụng cho gỗ gần đây đã được nghiên cứu và phát triển. Các công trình nghiên cứu gần đây đều hướng tới mục tiêu: Nâng cao độ bền của gỗ mà không cần sử dụng các chất có nguồn gốc hóa học; hướng tiếp cận tập trung vào sử dụng các chế phẩm bảo quản sinh học, công nghệ biến tính gỗ và xử lý nhiệt.
Trong các phương pháp biến tính, xử lý nhiệt, nhiệt - cơ đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu phát triển và ứng dụng. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi xử lý nhiệt – cơ, dưới tác động của nhiệt độ cao một số thành phần trong gỗ biến đổi, khả năng hút nước trở lại giảm, làm giảm độ ẩm thăng bằng của gỗ từ đó tạo điều kiện bất lợi cho vi sinh vật và côn trùng gây hại. Mật độ gỗ có tác động rất lớn đến tính chất cơ lý của gỗ. Dưới tác dụng của lực ép cơ học làm cho khối lượng riêng của gỗ, độ cứng, độ nhẵn bề mặt được tăng lên rõ rệt.
Mặt khác khi các lỗ mạch thu nhỏ lại cũng là yếu tố hạn chế sự xâm nhập và làm tổ của các loại côn trùng gây hại mà không cần dùng đến hóa chất phòng trừ. Khả năng kháng nấm, kháng côn trùng của gỗ xử lý đã được cải thiện, song cần tiếp tục nghiên cứu để xác định các thông số và quy trình hợp lý cho từng loại gỗ. Một căn cứ rất quan trọng nữa đó là các kết quả nghiên cứu trên thế giới về xử lý nhiệt – cơ còn cho thấy: xử lý nhiệt - cơ có ưu điểm nổi bật là quy trình thực hiện đơn giản nhưng hiệu quả bảo quản gỗ tương đương các phương pháp xử lý nhiệt khác. 2 Trên thế giới, phương pháp biến tính nói chung, phương pháp xử lý nhiệt – cơ nói riêng đã phát triển, ở Việt Nam xử lý nhiệt - cơ cho gỗ vẫn chưa được nghiên cứu nhiều.
Vì thế để nâng cao chất lượng, sử dụng gỗ hợp lý với chi phí không lớn, không gây ô nhiễm môi trường, mục tiêu của hướng nghiên cứu lựa chọn một loại gỗ rừng trồng đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta với nhiều ưu điểm về tốc độ sinh trưởng, màu sắc, trữ lượng. để xử lý bằng phương pháp nhiệt – cơ. Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb.) là loài cây mọc nhanh, nhất là 20 năm đầu, thân thẳng. Là cây mọc tự nhiên ở miền Trung và Nam Trung Quốc từ độ cao 500-1800m so với mực nước biển.
Ở Việt Nam có xuất hiện nhiều ở các tỉnh biên giới phía Bắc Việt Nam như: Hà Giang, Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn. Gỗ Sa mộc có màu vàng nhạt, thơm, nhẹ, dễ chế biến, thớ thẳng [1], gỗ được xếp vào loại gỗ có khả năng kháng nấm gây mục ở mức độ trung bình [87], [63]. Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt - cơ cho gỗ rừng trồng và tập trung đánh giá về độ bền cơ học, tính chất vật lý… Tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu sâu về độ bền sinh học của gỗ nói chung và gỗ Sa mộc nói riêng. Để có cơ sở cho những nghiên cứu về nâng cao độ bền tự nhiên của gỗ, việc nghiên cứu, phân tích bản chất mối quan hệ giữa chế độ xử lý nhiệt - cơ và độ bền sinh học của gỗ là mới và cần thiết.
Với sự nâng cao nhận thức về môi trường, nhiều công trình nghiên cứu xử lý để kéo dài tuổi thọ của gỗ được thực hiện. Tuy nhiên, rất ít công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt - cơ cho gỗ Sa mộc. Đặc biệt mối quan hệ giữa chế độ xử lý nhiệt - cơ với độ bền sinh học của gỗ. Xuất phát từ những lý do trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb.
Hook) xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ”, nhằm có được những căn cứ khoa học xác đáng, thúc đẩy những nghiên cứu khoa học và thực tiễn về phát triển công nghệ xử lý nhiệt nói chung và xử lý nhiệt – cơ nói riêng cho ngành Công nghệ gỗ, mở rộng phạm vi và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu, đa dạng hóa loại hình sản phẩm. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Khái niệm xử lý gỗ bằng phƣơng pháp nhiệt - cơ Xử lý gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ là kỹ thuật làm tăng mật độ hay nói cách khác là tăng khối lượng riêng của gỗ dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm và nén cơ học [26]. Trong quá trình nén ép, gỗ được gia ẩm, gia nhiệt để đạt trạng thái dẻo khi nhiệt độ gỗ lớn hơn trị số nhiệt độ chuyển trạng thái (Tg) sau đó được nén cơ học với mức độ nén nhất định.
Yêu cầu của gỗ xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ là tăng độ bền cơ học, tăng độ ổn định kích thước song không làm phá huỷ cấu trúc gỗ và mức độ đàn hồi trở lại nhỏ nhất [67]. Như vậy, xử lý nhiệt - cơ học cũng là một giải pháp để chuyển đổi các loại gỗ mềm và xốp thành các loại cứng hơn và đặc hơn, có thể được sử dụng trong các trường hợp cần độ bền lớn hơn. Độ bền cơ học tăng cũng là yếu tố góp phần tăng độ bền sinh học. Kỹ thuật tăng khối lượng riêng của gỗ có hai phương thức: Tăng khối lượng riêng cho toàn bộ khối gỗ và tăng khối lượng riêng cho phần bề mặt của khối gỗ.
Phương thức nén gỗ với mục tiêu chỉ tăng khối lượng riêng phần bề mặt đã được nhiều tác giả nghiên cứu thành công. Với công nghệ này, các loại gỗ có khối lượng riêng thấp sau khi nén tăng khối lượng riêng bề mặt, độ cứng, độ bền cơ học, độ nhẵn bề mặt được tăng lên rõ rệt. Sản phẩm gỗ nén ép bề mặt được sử dụng để sản xuất ván sàn, mặt bàn… [59]. Phương thức tăng khối lượng riêng cho toàn bộ khối gỗ được sử dụng tạo gỗ và sản phẩm gỗ dùng trong xây dựng, các chi tiết đồ mộc và nội thất chịu lực.
Phương thức này có nhược điểm là tổn hao khối lượng gỗ lớn (lượng gỗ phôi/ lượng gỗ sau biến tính). Để khắc phục hiện tượng này, một số công trình nghiên cứu đã tạo gỗ ghép kết cấu tổ hợp, bằng cách dán ép các tấm gỗ nén lên bề mặt của tấm gỗ không nén ép, sản phẩm tạo ra có độ bền cơ học được cải thiện đáng kể trong khi khối lượng riêng trung bình của sản phẩm không quá cao. Tổng quan về nghiên cứu xử lý gỗ bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ Xử lý nhiệt - cơ giúp cải thiện đáng kể độ bền của gỗ. Đặc biệt gỗ xử lý nhiệt - cơ rất thân thiện với môi trường.
Với những ưu điểm mà nó mang lại, xử lý nhiệt – cơ cho gỗ đã được các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam quan tâm nghiên cứu. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Biến tính gỗ đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp tại nhiều nước trên thế giới. Các tham số chủ yếu của công nghệ biến tính nhiệt - cơ, gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, thời gian hoá dẻo và chế độ nén ép (nhiệt độ, tỷ suất nén, thời gian nén), chế độ xử lý sau nén (nhiệt độ, thời gian). Nghiên cứu về hóa dẻo gỗ trước khi nén ép Nhiệt độ xử lý hoá dẻo cho gỗ là một tham số công nghệ quan trọng, để cấu trúc không bị phá huỷ khi nén ép gỗ phải được xử lý làm mềm, hoá dẻo tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ để chuyển trạng thái của gỗ từ đàn hồi (rắn) sang biến dạng dẻo.
Quá trình chuyển hoá này phụ thuộc vào loại gỗ, độ ẩm gỗ và nhiệt độ xử lý [27]. Tác giả đã kết luận: Nhiệt độ gỗ khi được làm nóng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng rõ nét đến trị số Tg [48]. và cộng sự (2005) nghiên cứu công nghệ hoá mềm gỗ Thông (Pinus radiata) trên máy ép nhiệt. Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hoá mềm đến trị số nhiệt độ tại các lớp khác nhau theo chiều dày ván; khi hoá mềm tấm gỗ Thông có chiều dày 40 mm, thời gian hoá mềm 25 phút, nhiệt độ tại tâm tấm ván đạt 70 oC (tương đương với Tg của gỗ), khi đó bắt đầu quá trình nén ép [24].
Bruno Esteves và cộng sự (2007) đã chứng minh, ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ khi hấp gỗ lên cấu trúc tế bào không phải là lớn, không phá huỷ vách tế bào, song có tác động đến 2 thành phần chính của vách tế bào là lignin và hemicellulose. Sự phụ thuộc của tính chất vật liệu thành tế bào vào độ ẩm và nhiệt độ được thể hiện thông qua sự đàn dẻo của vật liệu [31]. 5 Jiali Jiang và cộng sự (2009) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hấp đến một số tính chất của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata). Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) Nhiệt độ tăng làm giảm khối lượng của mẫu.
Khoảng 4% và 9% khối lượng bị mất do sự thoái hóa nhiệt xảy ra sau khi gia nhiệt đẳng hướng ở 180 oC và 200 oC trong 550 phút, làm cho độ cứng của gỗ giảm 35% và 85%. (2) Mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh gần như không thay đổi trong quá trình xử lý ở nhiệt độ ở 25 oC và 40 oC, trong khi ở nhiệt độ lớn hơn 60 oC, và kéo dài thời gian xử lý, trị số MOE giảm rõ rệt. Kristiina Laine (2014) đã nghiên cứu quá trình hoá mềm gỗ cho mục đích nén lớp gỗ bề mặt.