CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Đặc điểm gỗ xử lý nhiệt Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới rất chú trọng đến nghiên cứu biến tính gỗ. Những năm gần đây, với sự nâng cao của đời sống con người, có rất nhiều báo cáo của nước ngoài, trong đó đã có những đề xuất về vấn đề an toàn trong việc sử dụng hóa chất xử lý gỗ. Trong các công nghệ xử lý hiện nay, thị trường của sản phẩm gỗ từ công nghệ xử lý không sử dụng hóa chất ngày càng được mở rộng.
Trong đó, gỗ xử lý nhiệt hay gỗ biến tính nhiệt đã được chú ý đến, các nghiên cứu về biến tính gỗ cũng đã có những bước phát triển nhất định [22] [46]. Công nghệ xử lý nhiệt hay biến tính nhiệt là công nghệ xử lý gỗ ở nhiệt độ trong khoảng 160-260oC, trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi nước, khí trơ, không khí ít ô xy…, là công nghệ bảo quản gỗ thân thiện với môi trường, thông qua biến tính nhiệt có thể cải thiện được tính ổn định kích thước, tính bền và màu sắc gỗ, sản phẩm gỗ thu được sau khi xử lý được gọi là “gỗ xử lý nhiệt” [88] [99]. Gỗ xử lý nhiệt có các đặc điểm sau [9]: (1) Màu sắc ổn định ôn hòa Sau khi xử lý nhiệt, màu sắc gỗ trở nên đậm hơn, thông thường có màu nâu nhạt đến nâu, gần giống với màu sắc của một số loại gỗ nhiệt đới quí hiếm, trong quá trình sử dụng màu sắc tương đối ổn định. Màu sắc gỗ xử lý nhiệt tạo ra sự thoải mái đối với thị giác, tạo cảm giác ấm cúng và sang trọng, thân thiện với môi trường và được con người ưa thích.
Vì thế sau khi xử lý biến tính nhiệt có thể nâng cao giá trị sử dụng của các loại gỗ rừng trồng chất lượng thấp. (2) Nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại 5 Khả năng chống vi sinh vật phá hoại của gỗ xử lý nhiệt được cải thiện rất rõ rệt, đối với gỗ sau khi xử lý nhiệt (210 oC hoặc cao hơn), nhiệt độ làm cho kết cấu sinh học và tổ thành hóa học của gỗ thay đổi, loại trừ hoặc phá hoại điều kiện cần thiết để tồn tại của côn trùng, nấm và các loại vi sinh vật tự nhiên khác. Gỗ trong quá trình xử lý nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, hemixenlulo bị nhiệt giải tạo ra axit formic, axit acetic, đồng thời các chất dinh dưỡng phân tử lượng thấp thoát ra hoặc bị phá hủy, độ ẩm thăng bằng của gỗ xử lý nhiệt giảm 50% so với gỗ chưa xử lý, tóm lại do độ axit, bazơ, chất dinh dưỡng và độ ẩm của gỗ thay đổi, đã phá hoại môi trường sinh tồn của vi sinh vật và nấm mốc, làm cho khả năng chống vi sinh vật được nâng lên. (3) Tính ổn định kích thước tốt Tính hút nước, hút ẩm của gỗ xử lý nhiệt giảm xuống, tỉ lệ co rút và dãn nở của gỗ giảm rõ rệt, giảm thiểu sự chênh lệch giữa co rút chiều xuyên tâm và tiếp tuyến, từ đó đã cải thiện được tính ổn định của gỗ, tức hệ số chống co rút, dãn nở tăng lên.
(4) An toàn, thân thiện với môi trường Biến tính nhiệt là công nghệ chỉ sử dụng tác nhân vật lý, trong quá trình xử lý chỉ sử dụng nhiệt độ và hơi nước hoặc khí trơ, không cho thêm bất cứ hóa chất nào, do đó gỗ xử lý nhiệt rất an toàn với môi trường, là loại vật liệu thân thiện với môi trường. Ngoài ra, xử lý nhiệt có thể làm cho các loại gỗ rừng trồng mọc nhanh trở nên có màu sắc đẹp gần giống với các loại gỗ quí hiếm, mà lại nâng cao được tính bền của gỗ, từ đó với một yêu cầu nhất định có thể thay thế được các loại gỗ quí hiếm, vì vậy biến tính nhiệt rất có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường. (5) Tính chất cơ học của gỗ thay đổi 6 Gỗ sau khi xử lý nhiệt, một lượng lớn hemixenlulo bị phân giải và một bộ phận lignin bị thay đổi về cấu trúc, làm cho một số chỉ tiêu về tính chất cơ học của gỗ có xu hướng giảm sút. Nhưng do độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm, do đó với nhiệt độ xử lý thích hợp có thể làm cho mô đun đàn hồi khi chịu uốn và cường độ chịu nén của gỗ tăng lên, nhưng cường độ chịu uốn, khả năng chống va đập và lực bám đinh giảm sút rõ rệt, hơn nữa nhiệt độ càng cao, cường độ chịu uốn, khả năng chống va đập và lực bám đinh càng thấp.
(6) Khả năng thấm ướt giảm Gỗ sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng nhóm –OH giảm, góc tiếp xúc của chất lỏng và gỗ tăng lên, làm giảm khả năng thấm ướt, thậm chí có loại gỗ không thấm ướt, vì vậy, gỗ xử lý nhiệt thích hợp với sử dụng ở nơi có độ ẩm cao. (7) Dễ lưu trữ Gỗ xử lý nhiệt không cần kho lưu trữ đặc biệt, cũng không khống chế nhiệt độ và độ ẩm của kho, nhưng cần chú ý không được để nước hoặc mưa làm ướt gỗ trong khi lưu trữ. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Công nghệ xử lý nhiệt có thể cải thiện được một số tính chất của gỗ, hiện tại đã thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Từ những năm 1915, trong báo cáo của Tiemann [69] đã chỉ ra, gỗ sau khi sấy ở nhiệt độ 150oC trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhưng cường độ của gỗ cũng có sự giảm sút.
Năm 1937, trong báo cáo của Stamm và Hansen [65] thể hiện, xử lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ co rút, giãn nở của gỗ đều giảm xuống. Năm 1945, Seborg và các cộng sự [61] đã phát minh ra một loại sản phẩm gỗ với tên gọi là Staypack. Năm 1946, báo cáo của Stamn và đồng nghiệp [64] biểu thị, xử lý nhiệt có thể nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ mà không cần phải tiến hành nén, công nghệ này có tên gọi là Staybwood. Nhưng 7 những sản phẩm của các công nghệ nêu trên không thành công khi đưa ra thị trường.
Nguyên nhân có thể do thời điểm đó trên thị trường vẫn tồn tại nhiều loại gỗ có chất lượng cao. Tuy thế, công nghệ xử lý nhiệt gỗ không bị lãng quên, mà các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục tiến hành các nghiên cứu về lĩnh vực này [62] [44] [43] [24] [25] [27] [60]. Những năm trở lại đây, xử lý nhiệt gỗ nhờ tính chất đặc biệt và tính thân thiện với môi trường của nó đã ngày càng được chú ý và đã được ứng dụng sâu rộng. Công nghệ xử lý nhiệt không có ảnh hưởng xấu đến khả năng dán dính cũng như khả năng trang sức, trừ một vài chỉ tiêu cơ học của gỗ bị giảm, tính ổn định kích thước, tính chống ẩm, độ bền được nâng cao rõ rệt [68].
Căn cứ báo cáo của Boonstra [12], lĩnh vực nghiên cứu xử lý nhiệt gỗ lại được bắt đầu là do các loại gỗ chất lượng cao ngày càng ít, nhằm bổ sung cho nhu cầu ngày càng tăng về vật liệu xây dựng, giảm sự phá hoại đối với rừng tự nhiên và giảm việc sử dụng chất xử lý gỗ độc hại, thì việc đi sâu vào nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt gỗ là vô cùng cần thiết. Theo một số tài liệu nghiên cứu, xử lý nhiệt cho gỗ trong khoảng 160- 260oC, trong môi trường có vật chất như hơi nước, khí trơ, không khí ít ô xy…[31], thông qua giảm thiểu số lượng nhóm –OH trong thành phần của gỗ, đã giảm khả năng hút ẩm và nội ứng lực của gỗ, từ đó nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ [21] [52] [42] [72] [73]; đồng thời trong quá trình xử lý nhiệt, thành phần của gỗ phát sinh hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp, làm biến đổi một số thành phần của gỗ, giảm chất dinh dưỡng cho sự sinh tồn của nấm và côn trùng hại gỗ, ngăn cản sự sinh trưởng và phát triển của nấm và côn trùng hại gỗ qua việc cắt đứt chuỗi thức ăn, vì vậy có thể nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại [13] [42 [53]. Phương pháp này chỉ sử dụng tác nhân vật lý, so với các phương pháp dùng tác nhân hóa học khác, vấn đề ô nhiễm trong quá trình sản xuất bằng công nghệ xử lý nhiệt ít, công nghệ xử lý 8 đơn giản, hơn nữa trong quá trình sử dụng hiệu quả bảo quản của gỗ xử lý nhiệt không bị suy giảm do hóa chất bị rửa trôi hay bay hơi, cũng không làm hại đến sức khỏe của con người. Hiện tại, ở các nước Châu âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập được 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT-Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký các bằng phát minh sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp.
Công nghệ xử lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan sử dụng các công đoạn khác nhau tiến hành xử lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nước với sấy và ổn định hóa. Trong quá trình xử lý, tác dụng của thủy nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ. Phương pháp xử lý này chủ yếu được cấu thành từ hai công đoạn chính, và công đoạn sấy trung gian. Giai đoạn thứ nhất, tiến hành xử lý gỗ tươi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC với áp suất nhất định, sau đó sử dụng phương pháp sấy thông thường làm giảm độ ẩm gỗ, tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ được đặt trong môi trường có nhiệt độ 170-190oC tiến hành xử lý ổn định hóa.
Thời gian xử lý của quá trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[18] [33]. Công nghệ xử lý dầu nhiệt (OHT) sử dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành xử lý gỗ, nhiệt độ thường dùng từ 160oC trở lên [76]. Công nghệ này thiết bị phức tạp chí phí tốn kém. Công nghệ xử lý nhiệt Retification [74] [97] của Pháp sử dụng gỗ phơi khô (độ ẩm khoảng 12%), tiến hành xử lý ở nhiệt độ 200-240oC, trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 5%.
