Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nâng cao chất lượng gỗ Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) bằng phương pháp nhiệt-cơ dùng để sản xuất ván sàn", chuyên ngành Kỹ thuật Chế biến Lâm sản (mã số: 9549001), được nghiên cứu sinh Lê Ngọc Phước thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lê Xuân Phương và GS.TS. Phạm Văn Chương tại Trường Đại học Lâm nghiệp (bảo vệ năm 2020).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bối cảnh tăng trưởng kinh tế của Việt Nam (đạt khoảng 6,9% vào năm 2019) kéo theo nhu cầu tiêu thụ đồ gỗ nội thất và ván sàn tăng cao, trong khi nguồn nguyên liệu gỗ từ rừng tự nhiên ngày càng suy giảm. Nhằm phát triển kinh tế bền vững, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã ban hành Quyết định số 774/QĐ-BNN-TCLN ngày 18/4/2014 định hướng gỗ Keo lai là loài cây chủ lực trong chương trình chuyển đổi trồng rừng gỗ nhỏ sang rừng gỗ lớn. Mặc dù gỗ Keo lai sở hữu ưu điểm thớ thẳng, vân thớ và màu sắc tương đối đồng đều, loại gỗ này vẫn tồn tại các nhược điểm vật lý lớn: khối lượng riêng nhẹ, độ bền cơ học thấp, tính hút nước cao và chất lượng gỗ không đồng nhất giữa các vị trí thân cây. Những hạn chế này khiến gỗ Keo lai chưa đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của sản phẩm ván sàn chịu lực và chịu ẩm.

Để khắc phục nhược điểm trên, công nghệ biến tính nhiệt-cơ (Thermal-Hydro-Mechanical - THM) kết hợp nhiệt độ cao và áp suất nén nhằm tăng mật độ khối gỗ là giải pháp kỹ thuật thân thiện với môi trường, không sử dụng hóa chất độc hại và có thể tận dụng hệ thống thiết bị ép sẵn có tại các nhà máy chế biến gỗ. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu biến tính nhiệt-cơ cho các loài gỗ mềm, nhưng tại Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng phương pháp nhiệt-cơ cho gỗ Keo lai nhằm định hướng sản xuất ván sàn nguyên khối vẫn chưa được thực hiện một cách bài bản và có hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Tác giả xác định hai nhóm mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

Mục tiêu lý luận:

  1. Nghiên cứu mối quan hệ tương tác giữa tỷ suất nén, thời gian nén và nhiệt độ nén đến sự biến đổi cấu trúc, tính chất vật lý và cơ học của gỗ Keo lai, qua đó góp phần giải thích cơ chế biến tính nhiệt-cơ đối với gỗ rừng trồng nói chung và gỗ Keo lai nói riêng.
  2. Bổ sung cơ sở lý luận cho công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt-cơ, tạo nền tảng khoa học cho việc xác lập các thông số công nghệ ép nén gỗ Keo lai.

Mục tiêu thực tiễn:

  1. Xác định mức độ ảnh hưởng của quá trình nén nhiệt-cơ đến sự thay đổi cấu tạo hiển vi của gỗ Keo lai.
  2. Xác định quy luật ảnh hưởng của tỷ suất nén, nhiệt độ và thời gian nén đến các chỉ tiêu tính chất cơ lý của gỗ Keo lai.
  3. Tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu để biến tính gỗ Keo lai bằng phương pháp nhiệt-cơ nhằm đáp ứng hai mục đích sử dụng cụ thể: sản xuất ván sàn chịu ẩm (tối ưu hóa tính chất vật lý) và sản xuất ván sàn cường lực (tối ưu hóa tính chất cơ học).
  4. Đề xuất quy trình công nghệ hoàn chỉnh sản xuất ván sàn từ gỗ Keo lai biến tính bằng phương pháp nhiệt-cơ trên cùng một thiết bị ép.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Tham số chế độ xử lý biến tính gỗ Keo lai bằng phương pháp nhiệt-cơ và quy trình công nghệ sản xuất ván sàn.
  • Đối tượng nghiên cứu cụ thể: Cấu tạo hiển vi, cơ chế biến dạng, các chuyển hóa hóa học và cơ lý tính của gỗ Keo lai; các thông số công nghệ chủ yếu (nhiệt độ, thời gian, tỷ suất nén).
  • Phạm vi nghiên cứu (Thông số cố định): Gỗ Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) 7 năm tuổi, dòng tự nhiên MA1, khai thác tại huyện Yên Thủy, tỉnh Hòa Bình; mẫu gỗ lấy từ vị trí trên gốc 1,3 m và dưới tán; ván xẻ theo phương tiếp tuyến nhằm thực hiện nén ép theo phương xuyên tâm; độ ẩm ban đầu của phôi ván trước khi hóa dẻo đạt $35 \pm 5%$; phôi ván có chiều dày 22 mm và 24 mm; áp suất ép sơ bộ cố định 2,0 MPa; áp suất nén ép định hình 3,0 MPa; nhiệt độ chuyển từ công đoạn hóa mềm sang ép là 70 °C; nhiệt độ xử lý ổn định sau nén là 100 °C với thời gian 120 phút dưới áp lực duy trì 1,2 MPa; chế độ bảo ôn ổn định mẫu sau nén ở nhiệt độ $30 \pm 3$ °C và độ ẩm môi trường $70 \pm 5%$ trong 7 ngày.
  • Phạm vi nghiên cứu (Thông số thay đổi): Tỷ suất nén khảo nghiệm ở 3 mức chính (30%, 40%, 50%) và 2 mức điểm sao (23%, 57%); nhiệt độ nén ở 3 mức chính (140 °C, 160 °C, 180 °C) và 2 mức điểm sao (126 °C, 194 °C); thời gian nén ở 3 mức chính (60 phút, 120 phút, 180 phút) và 2 mức điểm sao (19 phút, 221 phút).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả đã tổng thuật lịch sử phát triển của công nghệ biến tính nén gỗ và ứng dụng cho ván sàn qua các công trình tiêu biểu:

  • Lịch sử phát triển và công nghệ nén ép: Khởi đầu từ việc tăng mật độ gỗ bằng cách ngâm cao su lỏng của hai anh em nhà Plumfes (1922 tại Áo); sản phẩm gỗ nén Lignostone và Lignofol ở Đức (Kollmann, 1930); phương pháp nén kết hợp ngâm tẩm keo phenol-formaldehyde (Compreg) và nén thủy-nhiệt-cơ (Staypak) của Stamm và Seaborg (1941). Khái niệm và bản chất công nghệ THM hiện đại được hoàn thiện qua các công bố của Tanahashi (1990), Navi và Girardet (2000), F. Heger và P. Navi (2004).
  • Nghiên cứu về hóa dẻo gỗ và nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$): Quá trình chuyển pha từ đàn hồi sang biến dạng dẻo của lignin và hemicellulose được phân tích bởi Baldwin và Goring (1968), Back và Didriksson (1969), Alfthan và de Ruvo (1973), Salmén (1979). W. Hillis và cộng sự (1978) chỉ ra nhiệt độ hóa mềm của gỗ Thông (Pinus radiata) tươi là 78 °C và giảm xuống 60 °C sau khi làm nóng ẩm 2 giờ ở 100 °C. Kristiina Laine (2014) và Jiali Jiang cùng cộng sự (2009) nghiên cứu hóa mềm cục bộ bề mặt gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata). Adlam và cộng sự (2005) xác định chế độ hóa mềm gỗ Thông trên máy ép nhiệt với thời gian 25 phút để tâm tấm ván dày 40 mm đạt 70 °C.
  • Nghiên cứu chế độ nén và hiện tượng phục hồi biến dạng (độ đàn hồi trở lại): Norimoto và cộng sự đề xuất 4 nhóm giải pháp hạn chế đàn hồi: vam cố định, sơn phủ ngăn ẩm, xử lý hóa chất và xử lý nhiệt sau nén. Uhmeier và cộng sự (1998) ghi nhận xử lý nhiệt sau nén ở 140 °C trong 20 phút làm giảm mạnh độ hồi sinh kích thước. Shafizadeh (1963) và Timell (1964) làm rõ cơ chế biến đổi nhiệt của polysaccharide và lignin. Oleksandr Skyba cùng cộng sự (2009) khảo nghiệm gỗ Vân sam Na Uy (Picea abies) và Dẻ gai (Fagus sylvatica) ở 140–180 °C. Vasconcelos và cộng sự (2013) nghiên cứu chế độ ép 3 giai đoạn áp suất. Zeki Candan và cộng sự (2013) thực nghiệm trên gỗ Dương (Populus spp.). A. Kutnar và F.A. Kamke (2012) so sánh biến dạng nén trong môi trường hơi quá nhiệt và hơi nước bão hòa ở 150–170 °C. Rautkari và cộng sự (2013) xử lý hơi nước 200 °C trong 3 giờ. Benedikt Neyses và cộng sự (2016) ngâm hóa chất $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ và $\text{NaOH}$ trước khi nén gỗ Thông. Atmawi Darwis và cộng sự (2017) khảo nghiệm nhiệt độ xử lý sau ép 180 °C trên gỗ Agathis loranthifolia và Gmelina arborea.
  • Nghiên cứu ứng dụng trong sản xuất ván sàn: Chang Hua Fang, Pierre Blanchet, Alain Cloutier và Costel Barbuta (2012) nén lớp mặt gỗ Sugar maple với tỷ suất nén 35% dán ép nguội keo PVAc ở 1,03 MPa. Unsal và cộng sự (2007) nén gỗ Thông Thổ Nhĩ Kỳ ở 120–150 °C và áp suất 5–7 MPa để đánh giá khả năng kháng nấm mốc (Gloeophyllum trabeum, Trametes versicolor) và mối ngầm (Reticulitermes flavipes). J. Seo và cộng sự (2011) phân tích tính dẫn nhiệt của ván sàn nén trong hệ thống sưởi sàn. Gindl và cộng sự (2004) ngâm tẩm nhựa melamine-formaldehyde cho gỗ Vân sam. G. Gunduz và cộng sự (2009) xử lý nhiệt gỗ Hornbeam (Carpinus betulus) ở 170–210 °C. Ramazan Kurt, Kagan Aslan, Vedat Cavus (2013) khảo sát ảnh hưởng áp lực ép ván khối song song (PSL).

Các nghiên cứu trong nước

  • Nguyễn Minh Hùng (2014, 2016) nghiên cứu nén chỉnh hình gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) tại các mức nhiệt độ 160–210 °C và thời gian 0,5–8,5 giờ, kết luận nhiệt độ 200 °C cho độ ổn định kích thước cao nhất.
  • Nguyễn Đức Thành và cộng sự (2013) thiết lập quy trình uốn gỗ Thông (Pinus merkusii) hóa dẻo bằng hơi nước nóng 100 °C trong 90 phút trên máy UG-HĐ.
  • Phạm Văn Chương và Vũ Mạnh Tường (2014) nén gỗ Tống quá sủ (Alnus nepalensis), nâng khối lượng riêng từ nhóm VI lên nhóm III theo TCVN 1072-71. Đề tài cấp Nhà nước mã số KC (Phạm Văn Chương, 2015) tiếp tục ứng dụng gỗ Tống quá sủ nén nhiệt-cơ làm kết cấu nhà ở nông thôn.
  • Nhóm tác giả Trần Văn Chứ, Vũ Mạnh Tường, Nguyễn Thị Minh Nguyệt, Hoàng Việt (2015, 2016) thực hiện chuỗi nghiên cứu xử lý nhiệt gỗ Keo lai trong môi trường khí nitơ bảo vệ ở dải nhiệt độ 210–230 °C, đánh giá khả năng chịu ẩm, độ bền cơ học và độ bền màu dưới tác xạ tia cực tím UV.
  • Về sản xuất ván sàn: Trần Ngọc Thành (2006) nén gỗ Trám trắng (Canarium album) ở 140–160 °C với tỷ suất nén 40–50%. Phạm Văn Chương và Lê Ngọc Phước (2010) tẩm hóa chất biến tính DMDHEU để tăng độ cứng bề mặt cho ván sàn gỗ rừng trồng.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng quan cho thấy các nghiên cứu về ván sàn trong nước phần lớn tập trung vào xử lý nhiệt đơn thuần (dẫn đến suy giảm cơ tính) hoặc sử dụng hóa chất ngâm tẩm (dễ phát thải độc hại). Các công trình về biến tính nhiệt-cơ trên thế giới chủ yếu phân tách rời rạc các công đoạn hóa dẻo, ép nén và ổn định nhiệt, hoặc thực nghiệm trên các loài gỗ ôn đới. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập quy trình công nghệ tích hợp liên hoàn 3 giai đoạn (hóa dẻo, nén ép và ổn định kích thước) trên cùng một thiết bị ép phẳng, ứng dụng cụ thể trên đối tượng gỗ Keo lai rừng trồng tại Việt Nam nhằm sản xuất ván sàn chất lượng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cấu tạo và thành phần hóa học của gỗ: Vách tế bào gỗ được cấu thành từ cellulose, hemicellulose và lignin cùng các hợp chất chiết xuất thứ yếu. Dưới tác động đồng thời của nhiệt độ và độ ẩm, các liên kết hydro yếu giữa các chuỗi polymer tự nhiên bị phá vỡ, làm giảm nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$) của lignin và hemicellulose.
  • Cơ chế hóa mềm và biến dạng nén: Khi nhiệt độ phôi gỗ vượt qua ngưỡng $T_g$, gỗ chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo. Khi tiến hành nén ép cơ học theo phương xuyên tâm, các khoang tế bào gỗ (lỗ mạch, tế bào sợi gỗ) bị xẹp dần, thu hẹp thể tích rỗng mà không làm rách vách tế bào.
  • Cơ chế ổn định kích thước sau nén: Việc duy trì nhiệt độ cao sau giai đoạn nén giúp làm suy giảm ứng suất dư nội tại và gây ra sự thoái hóa nhiệt cục bộ của hemicellulose, làm giảm số lượng nhóm hydroxyl (-OH) tự do tiếp cận nước, từ đó giảm thiểu khả năng hút ẩm và hạn chế hiện tượng đàn hồi trở lại của các tế bào gỗ bị biến dạng.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố thông qua kỹ thuật Bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM), sử dụng mô hình Thiết kế hỗn hợp trung tâm (Central Composite Design - CCD) bậc 2 với sự hỗ trợ của phần mềm Design-Expert 11.0.

Quy hoạch thực nghiệm CCD:

  • Số biến độc lập: $k = 3$ (Tỷ suất nén $X_1$, Nhiệt độ ép $X_2$, Thời gian ép $X_3$).
  • Khoảng cách từ tâm đến điểm sao: $\alpha = 2^{k/4} = 2^{3/4} \approx 1,6819$.
  • Cấu trúc số thí nghiệm: $N = 2^k + 2k + 6c_p = 2^3 + 2(3) + 6 = 20$ thí nghiệm (bao gồm 8 điểm nhân tố, 6 điểm sao và 6 điểm lặp tại tâm).
Chế độ Ký hiệu Tỷ suất nén (%) Nhiệt độ (°C) Thời gian (phút)
CĐ1 K1 40 160 120
CĐ2 K2 40 160 120
CĐ3 K3 30 140 180
CĐ4 K4 30 180 60
CĐ5 K5 40 160 120
CĐ6 K6 40 126 120
CĐ7 K7 50 140 180
CĐ8 K8 40 194 120
CĐ9 K9 50 180 180
CĐ10 K10 40 160 120
CĐ11 K11 40 160 19
CĐ12 K12 57 160 120
CĐ13 K13 23 160 120
CĐ14 K14 30 180 180
CĐ15 K15 40 160 120
CĐ16 K16 50 180 60
CĐ17 K17 50 140 60
CĐ18 K18 30 140 60
CĐ19 K19 40 160 120
CĐ20 K20 40 160 221

Mô hình toán học và kiểm định thống kê: Mối quan hệ giữa hàm mục tiêu $Y$ và các biến ảnh hưởng $x_i$ được biểu diễn qua phương trình hồi quy đa thức bậc hai tổng quát: $$Y = b_0 + \sum_{i=1}^3 b_i x_i + \sum_{i=1}^2 \sum_{j=i+1}^3 b_{ij} x_i x_j + \sum_{i=1}^3 b_{ii} x_i^2$$ Độ tương thích của mô hình được kiểm định bằng tiêu chuẩn Fisher ($F$) theo mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$. Mức ý nghĩa thống kê của các hệ số hồi quy được đánh giá bằng tiêu chuẩn Student ($t$). Các phương trình hồi quy sau đó được chuyển đổi sang dạng chính tắc để xác định điểm cực trị.

Quy trình công nghệ biến tính nhiệt-cơ trên thiết bị ép:

  1. Chuẩn bị phôi: Ván xẻ tiếp tuyến, bào kích thước chiều dày 22 mm hoặc 24 mm, loại bỏ khuyết tật mục và ruột ải.
  2. Hóa dẻo: Gia nhiệt tấm ép ở 150 °C, thời gian hóa dẻo 0,68 phút/mm chiều dày phôi, áp suất tiếp xúc bằng 0.
  3. Nén sơ bộ và xả ẩm: Áp dụng áp suất 2,0 MPa với tốc độ 0,25 phút/mm, kiểm tra nhiệt độ tâm ván đạt 70–80 °C, thực hiện xả ẩm 3 lần để tránh nổ ván.
  4. Nén ép định hình: Tăng áp lực lên 3,0 MPa và nén ép theo nhiệt độ, tỷ suất nén và thời gian tương ứng với ma trận thí nghiệm.
  5. Giữ ván và ổn định nhiệt trong máy ép: Giảm áp lực xuống 1,2 MPa, duy trì nhiệt độ 100 °C trong 120 phút.
  6. Bảo ôn ổn định: Đưa mẫu vào môi trường điều hòa nhiệt độ $30 \pm 5$ °C, độ ẩm $70 \pm 5%$ trong thời gian 7 ngày trước khi gia công kiểm nghiệm.

Tiêu chuẩn và phương pháp xác định các chỉ tiêu

  • Độ đàn hồi trở lại ($R_S$, %): Phương pháp Heger (2004), mẫu kích thước $s \times 100 \times 100$ mm ($s$ là chiều dày mẫu sau nén), dung lượng 15 mẫu/chế độ. Chu kỳ thử nghiệm gồm ngâm nước cất 60 °C trong 5 ngày và sấy khô 30 °C trong 5 ngày, lặp lại 5 chu kỳ rồi sấy khô kiệt. Tính theo công thức: $$R_S = \frac{R_c' - R_c}{R_0 - R_c} \times 100$$ (với $R_0$ là chiều dày ban đầu; $R_c$ là chiều dày ngay sau nén; $R_c'$ là chiều dày sau chu kỳ ngâm sấy phục hồi).
  • Khối lượng riêng khô kiệt ($\gamma$, $\text{g/cm}^3$): Tiêu chuẩn TCVN 8048-2:2009, kích thước mẫu $20 \times 20 \times 25$ mm, sấy ở $100 \pm 5$ °C đến khối lượng không đổi, cân điện tử chính xác $\pm 0,01$ g, thước kẹp chính xác 0,01 mm.
  • Khả năng chống hút nước (WRE, %): Tiêu chuẩn ASTM D4446-08, mẫu $20 \times 20 \times 25$ mm, 15 mẫu/chế độ. Thực hiện chu kỳ ngâm nước 24 giờ và sấy khô kiệt lặp lại 7 lần. Tính toán tỷ lệ chênh lệch độ hút nước giữa mẫu đối chứng ($T_1$) và mẫu xử lý ($T_2$): $$\text{WRE} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} \times 100$$
  • Độ bền uốn tĩnh (MOR, MPa): Tiêu chuẩn TCVN 8048-3:2009, mẫu $20 \times 20 \times 300$ mm, thử nghiệm trên máy vạn năng MTS (Qtest/25).
  • Độ bền nén dọc thớ (MPa): Tiêu chuẩn TCVN 8048-5:2009, kích thước mẫu $20 \times 20 \times 30$ mm trên máy MTS.
  • Độ cứng bề mặt (độ cứng tĩnh $H_{wc}$, N): Tiêu chuẩn TCVN 8048-12:2009, mẫu $20 \times 50 \times 50$ mm, sử dụng đầu ấn hình bán cầu ấn sâu 5,64 mm (diện tích ấn lõm 1 $\text{cm}^2$).
  • Độ mài mòn ($m$, %): Tiêu chuẩn Nhật Bản JAS-SE-007, kích thước mẫu $100 \times 100 \times 15$ mm, thử nghiệm trên máy thử mài mòn MJ-V, cân đo độ hao hụt khối lượng trước và sau mài.
  • Khả năng kháng nấm mốc: Tiêu chuẩn TCVN 10753:2015 và TCVN 11356:2016 đối với nấm Aspergillus niger. Mẫu được khử trùng bằng nồi hấp vô trùng ở 121 °C trong 20 phút (lặp lại 10 phút sau 24 giờ), nuôi cấy trong buồng tối từ 2 đến 4 tuần, đánh giá theo thang cảm quan từ cấp 0 (không mốc) đến cấp 5 (mốc trên 50% diện tích).
  • Phân bố khối lượng riêng theo chiều dày (VPD): Đo quét mật độ tia X trên máy DENSE-LAB mark 3 (Đức) với tốc độ quét 0,05 mm/giây, bước đo 0,02 mm theo chiều dày. Xác định các chỉ số: khối lượng riêng trung bình ($KLR_{tb}$), cực đại ($KLR_{max}$), cực tiểu ($KLR_{min}$), khoảng cách từ bề mặt đến vùng mật độ cực đại ($PDi$) và khoảng cách đến vùng chuyển đổi đột ngột ($Pb$).
  • Cấu tạo hiển vi (ảnh SEM): Kích thước mẫu $5 \times 5 \times 3$ mm (xuyên tâm $\times$ tiếp tuyến $\times$ dọc thớ) sấy khô kiệt, hút chân không tại buồng E-1020 ở áp suất $-0,6$ MPa trong 30 phút, chụp kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM S-4800 (Viện Khoa học Vật liệu). Phân tích diện tích lỗ rỗng và tế bào bằng phần mềm ImageJ.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu nâng cao chất lượng gỗ Keo lai rừng trồng thay thế gỗ tự nhiên trong sản xuất ván sàn. Giới thiệu phương pháp biến tính nhiệt-cơ thân thiện môi trường; xác lập mục tiêu lý luận, mục tiêu thực tiễn, đối tượng, nội dung và các giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu

Phân tích có hệ thống các tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước về:

  • Bản chất và khái niệm gỗ xử lý nhiệt-cơ (THM), cơ chế phục hồi đàn hồi và 4 giải pháp hạn chế phục hồi biến dạng theo Norimoto.
  • Tình hình nghiên cứu thế giới về hóa dẻo, nén ép và ổn định kích thước gỗ nén (tổng hợp thực nghiệm trên các loài gỗ Thông, Dẻ gai, Vân sam, Dương lai, Sa mộc, Hornbeam, Sồi).
  • Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về biến tính nhiệt và biến tính nén trên gỗ Bồ đề, Thông, Tống quá sủ và Keo lai.
  • Các công trình nghiên cứu cấu trúc, độ bền cơ lý, khả năng kháng sâu nấm và ứng dụng gỗ nén sản xuất ván sàn.
  • Rút ra kết luận tổng quan làm cơ sở lựa chọn đối tượng gỗ Keo lai 7 tuổi và định hướng giải pháp tích hợp 3 công đoạn hóa dẻo, ép nén và ổn định sau nén trên cùng một máy ép nhiệt.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

  • Trình bày cơ sở lý thuyết về cấu tạo hiển vi, thành phần hóa học gỗ Keo lai, nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$), cơ chế hóa mềm và quy luật biến dạng nén ép cơ học theo phương xuyên tâm.
  • Mô tả chi tiết sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp bố trí thí nghiệm bề mặt đáp ứng RSM theo mô hình CCD với 3 biến độc lập (tỷ suất nén, nhiệt độ, thời gian) gồm 20 chế độ ép.
  • Thiết lập phương pháp và quy trình kiểm tra các chỉ tiêu tính chất vật lý ($R_S$, $\gamma$, WRE), tính chất cơ học (MOR, nén dọc, độ cứng $H_{wc}$, mài mòn), phân bố mật độ tia X (VPD), độ bền sinh học (nấm Aspergillus niger) và cấu trúc hiển vi tế bào gỗ (FE-SEM S-4800 kết hợp ImageJ).
  • Xác lập cơ sở toán học phân tích hồi quy, kiểm định độ tương thích Fisher ($F$) và mức ý nghĩa hệ số Student ($t$) trên phần mềm Design-Expert 11.0.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương này tập trung trình bày các dữ liệu thực nghiệm, phân tích phương sai (ANOVA/INOVA) và giải bài toán tối ưu hóa theo các nội dung chính:

  • Xác định nhiệt độ hóa dẻo và biến đổi cấu trúc: Xác định ngưỡng nhiệt độ chuyển pha dẻo của gỗ Keo lai làm cơ sở thiết lập nhiệt độ tiếp xúc bề mặt là 150 °C và nhiệt độ chuyển sang ép nén ở tâm gỗ là 70 °C.
  • Ảnh hưởng của chế độ nén đến tính chất vật lý:
    • Độ đàn hồi trở lại ($R_S$): Nhiệt độ và thời gian xử lý có tác động nghịch biến rõ rệt đối với $R_S$. Khi nhiệt độ nén tăng từ 140 °C lên 180 °C kết hợp thời gian kéo dài, mức độ phục hồi kích thước của mẫu sau 5 chu kỳ ngâm sấy giảm mạnh.
    • Khối lượng riêng ($\gamma$): Tỷ suất nén là yếu tố chi phối mạnh nhất đến khối lượng riêng khô kiệt. Tỷ suất nén tăng từ 30% lên 50% giúp khối lượng riêng của gỗ Keo lai tăng tỷ lệ thuận, đạt giá trị vượt trội so với mẫu đối chứng không xử lý.
    • Khả năng chống hút nước (WRE): Sự kết hợp giữa nhiệt độ nén cao và thời gian kéo dài tạo ra sự suy giảm các nhóm ưa nước tự do, nâng cao hệ số WRE qua 7 chu kỳ ngâm sấy.
  • Tối ưu hóa chế độ xử lý cho nhóm tính chất vật lý (Ván sàn chịu ẩm): Phân tích tương quan đa biến, kiểm định ANOVA mô hình hồi quy bậc hai và giải bài toán tối ưu nhằm tìm điểm cực trị: tối thiểu hóa độ đàn hồi trở lại ($R_S \rightarrow \min$), tối đa hóa khối lượng riêng ($\gamma \rightarrow \max$) và tối đa hóa khả năng chống hút nước ($\text{WRE} \rightarrow \max$).
  • Ảnh hưởng của chế độ nén đến tính chất cơ học:
    • Độ bền uốn tĩnh (MOR) và độ bền nén dọc: Cả hai chỉ tiêu đều tăng rõ rệt khi tăng tỷ suất nén do mật độ tế bào gỗ trên một đơn vị diện tích tăng lên. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ vượt quá 180 °C và thời gian kéo dài quá mức, sự suy giảm mạch polymer cellulose bắt đầu ảnh hưởng tiêu cực đến MOR.
    • Độ cứng bề mặt ($H_{wc}$) và độ mài mòn ($m$): Độ cứng tĩnh của bề mặt gỗ tỷ lệ thuận với tỷ suất nén và nhiệt độ ép. Ngược lại, tổn thất hao hụt do mài mòn giảm đáng kể trên các mẫu nén tỷ suất cao, nâng cao độ bền chịu ma sát cơ học cho mặt sàn.
  • Tối ưu hóa chế độ xử lý cho nhóm tính chất cơ học (Ván sàn cường lực): Thiết lập phương trình hồi quy, kiểm tra độ tương thích mô hình và xác định tọa độ thông số công nghệ tối ưu hóa đồng thời các biến mục tiêu: $\text{MOR} \rightarrow \max$, độ bền nén dọc $\rightarrow \max$, độ cứng $H_{wc} \rightarrow \max$, độ mài mòn $m \rightarrow \min$.
  • Phân bố khối lượng riêng theo chiều dày và cấu trúc hiển vi: Biểu đồ quét tia X trên máy DENSE-LAB mark 3 làm rõ quy luật biến thiên mật độ dạng chữ "U" hoặc phân bố đối xứng qua tâm tấm ván với các giá trị đặc trưng $KLR_{tb}, KLR_{max}, KLR_{min}, PDi, Pb$. Ảnh chụp FE-SEM cho thấy rõ các khoang tế bào sợi gỗ và lỗ mạch bị nén bẹp theo phương xuyên tâm, thể tích rỗng giảm mạnh được kiểm chứng qua phân tích diện tích bằng phần mềm ImageJ.
  • Độ bền sinh học kháng nấm mốc: Kết quả nuôi cấy nấm Aspergillus niger trong 2 đến 4 tuần chứng minh gỗ biến tính nhiệt-cơ có khả năng kìm hãm sự phát triển của nấm mốc tốt hơn mẫu đối chứng chưa biến tính.
  • Khảo nghiệm kiểm chứng và đề xuất quy trình sản xuất: So sánh sai lệch giữa số liệu tính toán từ mô hình lý thuyết với số liệu khảo nghiệm thực tế nhằm khẳng định độ tin cậy. Đề xuất quy trình công nghệ hoàn chỉnh và bảng hướng dẫn kỹ thuật cắt hạ cấp chiều dài cho ván sàn gỗ Keo lai nén nhiệt-cơ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt học thuật và lý luận

Theo công bố chính thức tại văn bản luận án, các đóng góp mới được ghi nhận gồm:

  • Về mặt học thuật: Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách bài bản, hệ thống về công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt-cơ ứng dụng chuyên biệt cho sản xuất ván sàn. Luận án đã xác lập được quy luật tác động đồng thời của 3 thông số công nghệ then chốt (nhiệt độ xử lý, thời gian xử lý và tỷ suất nén) đến sự chuyển dịch cấu tạo hiển vi, tính chất vật lý và tính chất cơ học của gỗ Keo lai.
  • Về mặt lý luận: Xây dựng cơ sở khoa học và luận cứ thực nghiệm vững chắc về bản chất cơ chế biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt-cơ. Kết quả nghiên cứu tạo tiền đề lý thuyết phục vụ việc mở rộng các hướng nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt, nhiệt-cơ và thủy-nhiệt đối với các loài gỗ mọc nhanh rừng trồng khác ở Việt Nam.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Luận điểm và giải pháp công nghệ mới: Thiết lập thành công bộ thông số công nghệ tối ưu và xây dựng quy trình công nghệ biến tính nhiệt-cơ tích hợp 3 giai đoạn (hóa dẻo, nén ép và ổn định nhiệt) thực hiện liên hoàn trên cùng một thiết bị ép phẳng. Giải pháp này giúp kiểm soát hiện tượng đàn hồi phục hồi kích thước, tăng cường khối lượng riêng, độ bền uốn tĩnh, độ bền nén dọc và độ cứng bề mặt ván sàn.
  • Giá trị kinh tế - xã hội: Cung cấp giải pháp kỹ thuật nâng cao giá trị gia tăng và hiệu quả sử dụng nguồn gỗ Keo lai rừng trồng 7 tuổi, mở rộng thị trường ứng dụng vật liệu gỗ rừng trồng nội địa thay thế gỗ tự nhiên nhập khẩu trong ngành công nghiệp ván sàn và đồ nội thất. Luận án xây dựng bảng hướng dẫn kỹ thuật cắt hạ cấp chiều dài ván sàn làm cơ sở ứng dụng trực tiếp tại các cơ sở chế biến lâm sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Căn cứ theo giới hạn phạm vi nghiên cứu được công bố trong luận án:

  • Thực nghiệm chỉ tiến hành trên gỗ Keo lai 7 năm tuổi, thuộc dòng tự nhiên MA1 thu thập tại một vùng địa lý cụ thể (Yên Thủy, tỉnh Hòa Bình) với vị trí lấy mẫu cố định (dưới tán, trên gốc 1,3 m).
  • Hướng nén cố định theo phương xuyên tâm đối với ván xẻ tiếp tuyến; chưa khảo nghiệm so sánh toàn diện với phương xẻ xuyên tâm hoặc các hướng nén hỗn hợp khác.
  • Các tham số về áp suất ép sơ bộ (2,0 MPa), áp suất nén định hình (3,0 MPa), nhiệt độ ổn định sau nén (100 °C) và thời gian giữ sau nén (120 phút) được thiết lập cố định, chưa mở rộng tối ưu hóa tương tác toàn phần của các tham số này trong cùng một mô hình toán học.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng khảo nghiệm công nghệ biến tính nhiệt-cơ trên các dòng Keo lai khác, các cấp tuổi khai thác khác nhau và các loài gỗ rừng trồng mọc nhanh phổ biến khác tại Việt Nam (Bạch đàn, Xoan ta, Cao su...).
  • Nghiên cứu sâu hơn về độ bền dán dính bề mặt, khả năng phủ sơn hoàn thiện và tính chất chống mài mòn cơ học dài hạn của ván sàn gỗ nén trong điều kiện sử dụng thực tế.
  • Triển khai sản xuất thử nghiệm ở quy mô dây chuyền công nghiệp nhằm hoàn thiện chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và suất tiêu hao năng lượng của thiết bị ép.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Chế biến Lâm sản, Công nghệ Gỗ: Nguồn tài liệu chuyên khảo tham khảo về phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM (thiết kế CCD), kỹ thuật tối ưu hóa đa biến và phương pháp phân tích ảnh hiển vi quét FE-SEM kết hợp phần mềm ImageJ trong khoa học gỗ.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ vật liệu gỗ: Cơ sở dữ liệu khoa học về tính chất chuyển pha nhiệt dẻo ($T_g$), phân bố mật độ khối lượng riêng bằng tia X (máy DENSE-LAB mark 3) và quy luật biến dạng nén của gỗ rừng trồng nhiệt đới.
  • Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp chế biến lâm sản: Quy trình công nghệ nén ép nhiệt-cơ tích hợp có thể áp dụng cải tiến các máy ép phẳng công nghiệp hiện có tại nhà máy mà không đòi hỏi đầu tư dây chuyền hóa chất phức tạp.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách lâm nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ việc hiện thực hóa Đề án tái cơ cấu ngành lâm nghiệp, nâng cao giá trị chuỗi sản phẩm từ rừng trồng gỗ nhỏ sang gỗ lớn phục vụ chế biến sâu.

Các phần đáng tham khảo trong luận án

  • Phần tổng quan tài liệu về cơ chế hóa mềm và các giải pháp chống đàn hồi trở lại của gỗ nén.
  • Quy trình tích hợp 3 công đoạn (hóa dẻo – nén ép – giữ ván ổn định) trên thiết bị ép BYD113.
  • Phương pháp luận xây dựng ma trận CCD 20 chế độ ép và quy trình xử lý tối ưu hóa hàm đa biến trên phần mềm Design-Expert 11.0.
  • Bảng hướng dẫn cách thức phân loại và cắt hạ cấp chiều dài ván sàn gỗ nén.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn phương pháp xẻ tiếp tuyến để thực hiện nén ép theo hướng xuyên tâm?

Theo cơ sở lý thuyết giải phẫu gỗ, gỗ có tính chất dị hướng cao. Khi xẻ phôi ván theo phương tiếp tuyến, chiều dày của ván sẽ tương ứng với phương xuyên tâm của thớ gỗ. Thực hiện nén ép theo phương xuyên tâm giúp các hàng tế bào sợi gỗ và tia gỗ biến dạng co xẹp đồng đều dọc theo các vòng năm, giảm thiểu ứng suất trượt cục bộ, hạn chế hiện tượng nứt tét vách tế bào và mang lại độ ổn định hình học cao hơn so với nén theo phương tiếp tuyến.

2. Ba công đoạn xử lý nhiệt-cơ được tích hợp trên cùng một thiết bị ép trong luận án diễn ra như thế nào?

Quy trình được thực hiện liên hoàn trên máy ép nhiệt bao gồm: (1) Hóa dẻo phôi gỗ ở nhiệt độ bàn ép 150 °C với áp suất tiếp xúc bằng 0 cho đến khi tâm gỗ đạt 70–80 °C; (2) Nén ép sơ bộ xả ẩm ở 2,0 MPa (xả ẩm 3 lần) rồi tăng áp lực nén định hình lên 3,0 MPa theo ma trận nhiệt độ và tỷ suất nén thí nghiệm; (3) Giữ ván và xử lý ổn định sau nén ngay trong máy ép bằng cách hạ áp lực xuống 1,2 MPa, duy trì nhiệt độ 100 °C trong thời gian 120 phút.

3. Mô hình toán học nào được tác giả ứng dụng để tối ưu hóa chế độ nén gỗ Keo lai?

Tác giả sử dụng phương pháp Bề mặt đáp ứng (RSM) theo mô hình Thiết kế hỗn hợp trung tâm (CCD) bậc 2 trên phần mềm Design-Expert 11.0. Mô hình thiết lập 20 chế độ thực nghiệm với 3 biến độc lập (tỷ suất nén, nhiệt độ, thời gian), sử dụng tiêu chuẩn Fisher ($F$) để kiểm tra độ tương thích của mô hình và tiêu chuẩn Student ($t$) để đánh giá ý nghĩa thống kê của các hệ số hồi quy ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$.

4. Phương pháp nào được sử dụng để kiểm tra độ đàn hồi trở lại ($R_S$) của gỗ sau nén?

Chỉ tiêu độ đàn hồi trở lại được xác định theo phương pháp của Heger (2004). Mẫu thử kích thước $s \times 100 \times 100$ mm được trải qua 5 chu kỳ ngâm sấy khắc nghiệt: mỗi chu kỳ gồm 5 ngày ngâm liên tục trong nước cất ở nhiệt độ 60 °C và 5 ngày sấy khô ở nhiệt độ 30 °C. Sau 5 chu kỳ, mẫu được sấy khô kiệt để đo chiều dày phục hồi ($R_c'$) và tính toán tỷ lệ đàn hồi trở lại vĩnh viễn theo công thức chuẩn.

5. Gỗ Keo lai sau xử lý nhiệt-cơ được định hướng cho những dòng sản phẩm ván sàn cụ thể nào?

Dựa trên bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu, tác giả phân chia kết quả công nghệ thành hai định hướng ứng dụng chuyên biệt: (1) Tối ưu hóa theo các chỉ tiêu vật lý ($\min R_S$, $\max \gamma$, $\max \text{WRE}$) phục vụ sản xuất dòng ván sàn chịu ẩm; (2) Tối ưu hóa theo các chỉ tiêu cơ học ($\max \text{MOR}$, $\max$ nén dọc, $\max H_{wc}$, $\min$ mài mòn) phục vụ sản xuất dòng ván sàn cường lực chịu tải trọng ma sát cao.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Ngọc Phước đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nâng cao chất lượng gỗ Keo lai 7 tuổi thông qua công nghệ biến tính nhiệt-cơ tích hợp 3 giai đoạn trên cùng một thiết bị ép phẳng. Bằng việc áp dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm bề mặt đáp ứng CCD và hệ thống tiêu chuẩn kiểm định cơ lý nghiêm ngặt, công trình đã xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu để chế tạo ván sàn chịu ẩm và ván sàn cường lực. Các kết quả về cấu tạo hiển vi FE-SEM và phân bố khối lượng riêng tia X đã cung cấp luận cứ khoa học thực chứng về cơ chế biến dạng của gỗ rừng trồng chịu nén. Đây là công trình kỹ thuật có giá trị lý luận và thực tiễn cao, đóng góp giải pháp công nghệ quan trọng nhằm thúc đẩy chế biến sâu và gia tăng giá trị sử dụng gỗ rừng trồng tại Việt Nam.