Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế bền vững (tăng trưởng kinh tế đạt khoảng 6,9% năm 2019), nhu cầu sử dụng đồ gỗ và ván sàn ngày càng gia tăng trong khi nguồn nguyên liệu gỗ tự nhiên ngày càng cạn kiệt. Việc sử dụng gỗ rừng trồng thay thế gỗ rừng tự nhiên là định hướng chiến lược. Gỗ Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn xác định là cây trồng chủ lực trong chương trình chuyển hóa rừng gỗ nhỏ thành rừng gỗ lớn theo Quyết định số 774/QĐ-BNN-TCLN ngày 18/4/2014.
Mặc dù gỗ Keo lai sở hữu các ưu điểm như thớ gỗ thẳng, màu sắc và vân thớ tương đối đẹp, loài gỗ này tồn tại nhiều nhược điểm lớn: khối lượng riêng nhẹ, độ bền cơ học thấp, khả năng hút ẩm và hút nước cao, chất lượng không đồng đều giữa các vị trí thân cây. Những hạn chế này khiến gỗ Keo lai ít được ưa chuộng trong sản xuất sản phẩm đòi hỏi chất lượng bề mặt và độ bền cao như ván sàn.
Công nghệ biến tính gỗ theo nguyên lý nhiệt - cơ (Thermal-Hydro-Mechanical - THM) là giải pháp kỹ thuật sử dụng nhiệt độ và áp lực nén để làm tăng mật độ gỗ, cải thiện độ bền cơ lý và hạn chế cong vênh mà không sử dụng hóa chất độc hại, thân thiện với môi trường và phù hợp với thiết bị ngành gỗ hiện hành. Trên thế giới đã có một số nghiên cứu áp dụng công nghệ THM cho ván sàn, tuy nhiên tại Việt Nam, việc nghiên cứu biến tính nhiệt - cơ cho gỗ Keo lai ứng dụng sản xuất ván sàn vẫn là một khoảng trống khoa học chưa có công trình nào thực hiện bài bản.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai hệ thống mục tiêu:
-
Mục tiêu lý luận:
- Nghiên cứu mối quan hệ tương tác giữa tỷ suất nén, thời gian và nhiệt độ nén đến sự biến đổi cấu trúc, tính chất cơ học và vật lý của gỗ Keo lai;
- Góp phần giải thích cơ chế biến tính nhiệt - cơ đối với gỗ rừng trồng nói chung và gỗ Keo lai nói riêng;
- Bổ sung cơ sở lý luận cho công nghệ biến tính nhiệt - cơ, tạo tiền đề xác định thông số công nghệ tối ưu cho gỗ Keo lai.
-
Mục tiêu thực tiễn:
- Xác định ảnh hưởng của biến tính nhiệt - cơ đến sự biến đổi cấu tạo hiển vi của gỗ Keo lai;
- Xác định ảnh hưởng của tỷ suất nén, nhiệt độ và thời gian nén đến các chỉ tiêu cơ lý tính của gỗ;
- Xác định thông số công nghệ tối ưu để biến tính gỗ Keo lai phục vụ hai mục đích: 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);
- Đề xuất quy trình công nghệ sản xuất ván sàn nguyên khối từ gỗ Keo lai biến tính nhiệt - cơ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu tổng quát: Tham số chế độ xử lý biến tính nhiệt - cơ (nhiệt độ, thời gian, tỷ suất nén) và quy trình sản xuất ván sàn từ gỗ Keo lai biến tính nhiệt - cơ.
- Đối tượng nghiên cứu cụ thể: Cấu tạo hiển vi, cơ chế biến tính, tính chất vật lý (độ đàn hồi trở lại, khối lượng riêng, khả năng chống hút nước), tính chất cơ học (độ bền uốn tĩnh, độ bền nén dọc, độ cứng bề mặt, độ mài mòn), khả năng kháng nấm mốc và phân bố khối lượng riêng theo chiều dày của gỗ Keo lai trước và sau xử lý.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Mẫu thí nghiệm cố định: Gỗ Keo lai 7 tuổi, dòng Keo lai tự nhiên MA1, khai thác tại Yên Thủy, tỉnh Hòa Bình; lấy mẫu gỗ tròn ở vị trí dưới tán và cách gốc 1,3 m. Ván xẻ theo phương tiếp tuyến (hướng nén xuyên tâm). Độ ẩm ban đầu của ván trước khi hóa dẻo là 35 ± 5%.
- Thông số công nghệ cố định: Áp suất ép sơ bộ 2,0 MPa; áp suất nén 3,0 MPa; nhiệt độ chuyển từ công đoạn làm mềm sang nén ép là 70 °C; nhiệt độ xử lý nhiệt sau nén 100 °C với thời gian 2 giờ; áp lực giữ ván trong máy ép giảm xuống 1,2 MPa; ổn định mẫu sau nén trong môi trường có độ ẩm 70 ± 5%, nhiệt độ 30 ± 3 °C trong thời gian 7 ngày.
- Thông số thay đổi khảo sát: Tỷ suất nén khảo sát ở các mức 23%, 30%, 40%, 50%, 57%; nhiệt độ nén khảo sát ở các mức 126 °C, 140 °C, 160 °C, 180 °C, 194 °C; thời gian nén khảo sát ở các mức 19 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút, 221 phút; chiều dày phôi ban đầu 22 mm và 24 mm.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trên thế giới
Tác giả đã tổng thuật các hướng nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt - cơ trên thế giới theo các nhóm chuyên đề:
-
Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ biến tính gỗ:
- Năm 1922 tại Áo, hai anh em Plumfes xây dựng phương pháp tăng mật độ gỗ bằng cách ngâm gỗ trong cao su lỏng.
- Thập niên 1930 tại Đức, sản phẩm gỗ nén thương mại xuất hiện với tên Lignostone và Lignofol (Kollmann).
- Stamm và Seaborg (1941) phát triển gỗ nén kết hợp ngâm tẩm keo phenol-formaldehyde (PF) gọi là "Compreg", sau đó cải tiến sang công nguyên lý thủy - nhiệt - cơ gọi là "Staypak".
- Các công trình nền tảng về nén tăng mật độ gỗ THM được công bố bởi Tanahashi (1990), Navi và Girardet (2000), F. Heger và P. Navi (2004).
-
Nghiên cứu về hóa mềm và nhiệt độ chuyển trạng thái dẻo ($T_g$):
- Lorna J. Gibson, M. F. Ashby và Kenneth E. Easterling (1988) công bố ảnh hưởng của chế độ xử lý đến mô đun đàn hồi của gỗ.
- Nghiên cứu về nhiệt độ chuyển hóa dẻo của lignin và hemicellulose ($150 - 220\ ^\circ\text{C}$) bởi Baldwin và Goring (1968), Takamura (1968), Back và Didriksson (1969), Alfthan và de Ruvo (1973), Yano (1976), Lapierre và Monties (1986), Salmén (1979).
- Hillis và cộng sự (1978) chỉ ra gỗ Thông (Pinus radiata) tươi có $T_g = 78\ ^\circ\text{C}$, sau khi xử lý nhiệt 2 giờ ở $100\ ^\circ\text{C}$ thì $T_g$ giảm xuống $60\ ^\circ\text{C}$.
- Bruno Esteves và cộng sự (2007), Kristiina Laine (2014), Jiali Jiang và cộng sự (2009) trên gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata), Adlam và cộng sự (2005) nghiên cứu động học hóa dẻo gỗ Thông trên máy ép nhiệt.
-
Nghiên cứu về thông số chế độ ép và phục hồi biến dạng (Set-recovery):
- Oleksandr Skyba và cộng sự (2009) nén gỗ Vân sam (Picea abies) và Dẻ gai (Fagus sylvatica) ở nhiệt độ 140, 160, $180\ ^\circ\text{C}$; Vasconcelos và cộng sự (2013) nghiên cứu ép 3 giai đoạn áp suất; Zeki Candan và cộng sự (2013) trên gỗ Dương (Populus spp.); A. Kutnar và F. A. Kamke (2012) nghiên cứu môi trường hơi bão hòa ảnh hưởng tới phục hồi biến dạng.
- Cơ chế ổn định kích thước qua biến đổi hóa học được Shafizadeh (1963), Timell (1964), Uhmeier và cộng sự (1998), Rautkari và cộng sự (2013) làm rõ.
- Các giải pháp hạn chế đàn hồi trở lại gồm: vam giữ, xử lý nhiệt sau ép (Norimoto và cộng sự; Atmawi Darwis và cộng sự, 2017 trên gỗ Agathis và Gmelina), xử lý hóa chất (Benedikt Neyses và cộng sự, 2016 bằng $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ và $\text{NaOH}$).
-
Nghiên cứu ứng dụng gỗ biến tính trong sản xuất ván sàn:
- Chang Hua Fang, Pierre Blanchet, Alain Cloutier và Costel Barbuta (2012) nén gỗ Sugar maple tỷ suất 35% dán mặt ván sàn; Unsal và cộng sự (2007) nén gỗ Thông Thổ Nhĩ Kỳ ở 5–7 MPa và 120–$150\ ^\circ\text{C}$; J. Seo và cộng sự (2011) đo dẫn nhiệt ván sàn; Gindl và cộng sự (2004) tẩm melamine-formaldehyd cho gỗ Vân sam; Padmanabha và cộng sự (2001) gia cố sàn gỗ composite; L. Todora (2011) xử lý hấp gỗ Sồi Thổ Nhĩ Kỳ (Quercus cerris); G. Gunduz và cộng sự (2009) trên gỗ Hornbeam (Carpinus betulus); Ramazan Kurt và cộng sự (2013) trên ván ép khối PSL.
Các nghiên cứu tại Việt Nam
- Nguyễn Minh Hùng (2014, 2016) nghiên cứu nén chỉnh hình gỗ Bồ đề (Styrax tonkinensis) tại 160–$210\ ^\circ\text{C}$ trong 0,5–8,5 giờ;
- Nguyễn Đức Thành và cộng sự (2013) uốn gỗ Thông (Pinus merkusii) trên máy UG-HĐ;
- Phạm Văn Chương và Vũ Mạnh Tường (2014, 2015) nghiên cứu nén nhiệt - cơ gỗ Tống quá sủ (Alnus nepalensis D.Don) nâng nhóm gỗ từ nhóm VI lên nhóm III theo TCVN 1072-71;
- Nguyễn Thị Minh Nguyệt và Vũ Mạnh Tường (2016), Hoàng Việt và Vũ Mạnh Tường (2016), Trần Văn Chứ và Vũ Mạnh Tường (2015) nghiên cứu xử lý nhiệt gỗ Keo lai trong môi trường khí $\text{N}_2$ ở nhiệt độ 210–$230\ ^\circ\text{C}$ nhằm đánh giá cơ tính, độ bền màu và độ chịu ẩm;
- Trần Ngọc Thành (2006) nén ép gỗ Trám trắng (Canarium album) làm ván sàn;
- Phạm Văn Chương và Lê Ngọc Phước (2010) tẩm hóa chất DMDHEU tăng độ cứng bề mặt ván sàn từ gỗ rừng trồng.
Khoảng trống nghiên cứu của luận án
Tổng quan cho thấy các công trình trong nước chủ yếu nghiên cứu xử lý nhiệt đơn thuần (sử dụng môi trường khí bảo vệ $\text{N}_2$ ở nhiệt độ cao 210–$230\ ^\circ\text{C}$ gây suy giảm mạnh độ bền cơ học) hoặc nén cơ học trên các đối tượng gỗ khác (Bồ đề, Tống quá sủ, Trám trắng). Chưa có công trình nào nghiên cứu tích hợp hệ thống công nghệ nhiệt - cơ kết hợp 3 công đoạn (hóa dẻo, nén ép và xử lý nhiệt ổn định kích thước sau nén) trên cùng một thiết bị chuyên dụng đối với gỗ Keo lai phục vụ mục đích sản xuất ván sàn.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
- Cấu tạo vách tế bào gỗ: Gỗ cấu tạo từ các hợp chất cao phân tử chính gồm cellulose, hemicellulose, lignin và các chất chiết xuất thứ yếu.
- Cấu trúc cellulose: Polysaccharide đồng thể mạch thẳng tạo thành từ các gốc $\beta$-D-glucose qua liên kết $\beta$-(1,4)-glycoside. Công thức tổng quát $(\text{C}6\text{H}{10}\text{O}_5)_n$ hoặc $[\text{C}_6\text{H}_7\text{O}_2(\text{OH})_3]_n$. Sự hiện diện của các nhóm hydroxyl $(-\text{OH})$ tự do trong vùng vô định hình quyết định tính chất hút ẩm, tạo liên kết hydro và hiện tượng hồi phục đàn hồi của gỗ.
- Cơ chế hóa mềm và nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$): Khi gia nhiệt kết hợp với ẩm độ cao, liên kết hydro nội và liên phân tử giữa các mạch polymer bị suy yếu, hạ thấp nhiệt độ $T_g$ của lignin và hemicellulose, đưa gỗ từ trạng thái đàn hồi (rắn dòn) sang trạng thái biến dạng dẻo để phục vụ quá trình dồn nén tế bào mà không gây nứt gãy vách tế bào.
- Cơ chế ổn định kích thước THM: Quá trình nén ép làm xẹp các lỗ rỗng lumen của tế bào gỗ; xử lý nhiệt sau nén giúp giải phóng ứng suất nội tại, phân hủy một phần hemicellulose ưa nước, tái sắp xếp cấu trúc lignin nóng chảy, giảm nhóm $-\text{OH}$ tự do, ngăn ngừa hiện tượng phục hồi nguyên trạng.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thiết kế quy hoạch thực nghiệm
Luận án áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) với thiết kế hỗn hợp trung tâm (Central Composite Design - CCD) gồm 3 biến độc lập:
- $X_1$: Tỷ suất nén (%);
- $X_2$: Nhiệt độ nén ($^\circ\text{C}$);
- $X_3$: Thời gian nén (phút).
Khoảng cách từ tâm đến điểm sao: $\alpha = 2^{3/4} = 1{,}6819$. Tổng số thí nghiệm xác định theo công thức:
$$N = 2^k + 2k + n_0 = 2^3 + 2(3) + 6 = 20\ \text{thí nghiệm}$$
| Chế độ |
Ký hiệu |
Tỷ suất nén $X_1$ (%) |
Nhiệt độ nén $X_2$ ($^\circ\text{C}$) |
Thời gian nén $X_3$ (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 hồi quy đa thức bậc hai có dạng tổng quát:
$$Y = b_0 + \sum_{i=1}^{3} b_i x_i + \sum_{i<j}^{3} b_{ij} x_i x_j + \sum_{i=1}^{3} b_{ii} x_i^2$$
Độ tương thích của mô hình được kiểm định bằng tiêu chuẩn Fisher ($F$-test), mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy được kiểm tra bằng tiêu chuẩn Student ($t$-test). Phương trình hồi quy sau đó được chuyển đổi sang dạng chính tắc để xác định điểm cực trị và vẽ mặt đáp ứng thông qua phần mềm Design-Expert 11.0.
Quy trình công nghệ nén ép mẫu thực nghiệm
- Chuẩn bị phôi: Ván xẻ tiếp tuyến theo chiều dày quy định (22 mm, 24 mm), không mục, không ruột ải.
- Hóa dẻo: Nhiệt độ $150\ ^\circ\text{C}$, thời gian 0,68 phút/mm chiều dày phôi, áp suất ép bằng 0.
- Nén sơ bộ và xả ẩm: Áp suất 2,0 MPa, thời gian 0,25 phút/mm, nhiệt độ tâm gỗ đạt 70–$80\ ^\circ\text{C}$, tiến hành xả ẩm 3 lần.
- Nén ép: Nén theo 20 chế độ thực nghiệm quy định tại áp suất 3,0 MPa trên máy ép thí nghiệm BYD113.
- Xử lý nhiệt sau nén: Giảm áp lực ép xuống 1,2 MPa, duy trì nhiệt độ $100\ ^\circ\text{C}$ trong thời gian 120 phút.
- Ổn định sản phẩm: Môi trường nhiệt độ $30 \pm 5\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $70 \pm 5%$ trong 7 ngày.
Phương pháp và tiêu chuẩn kiểm tra chỉ tiêu
- Độ đàn hồi trở lại ($RS$ - %): Theo phương pháp của Heger (2004). Mẫu kích thước $s \times 100 \times 100\ \text{mm}$ (15 mẫu/chế độ). Mẫu được ngâm trong nước cất ở $60\ ^\circ\text{C}$ trong 5 ngày và sấy khô ở $30\ ^\circ\text{C}$ trong 5 ngày, lặp lại 5 chu kỳ.
$$RS = \frac{R_c' - R_c}{R_0 - R_c} \times 100\ (%)$$
(Trong đó: $R_0$ là chiều dày ban đầu, $R_c$ là chiều dày sau nén, $R_c'$ là chiều dày sau khi hồi phục).
- Khối lượng riêng ($\gamma$ - $\text{g/cm}^3$): Tiêu chuẩn TCVN 8048-2:2009. Kích thước mẫu $20 \times 20 \times 25\ \text{mm}$ (15 mẫu/chế độ), sấy khô kiệt ở $100 \pm 5\ ^\circ\text{C}$, cân đo khối lượng $m_0$ và thể tích $V_0$:
$$\gamma = \frac{m_0}{V_0}\ (\text{g/cm}^3)$$
- Khả năng chống hút nước ($WRE$ - %): Tiêu chuẩn ASTM D4446-08. Kích thước mẫu $20 \times 20 \times 25\ \text{mm}$ (15 mẫu/chế độ). Mẫu ngâm nước 24 giờ rồi sấy khô kiệt, lặp lại chu kỳ 7 lần:
$$WRE = \frac{T_1 - T_2}{T_1} \times 100\ (%)$$
(Trong đó: $T_1$ là tỷ lệ hút nước mẫu đối chứng, $T_2$ là tỷ lệ hút nước mẫu xử lý; $T = \frac{m_s - m_0}{m_0} \times 100%$).
- Độ bền uốn tĩnh ($MOR$ - MPa): Tiêu chuẩn TCVN 8048-3:2009, kích thước mẫu $20 \times 20 \times 300\ \text{mm}$ (15 mẫu/chế độ), thử nghiệm trên máy MTS / Qtest/25:
$$MOR = \frac{3 P_{\max} l}{2 b h^2}\ (\text{MPa})$$
- Độ bền nén dọc thớ ($\sigma_d$ - MPa): Tiêu chuẩn TCVN 8048-5:2009, kích thước mẫu $20 \times 20 \times 30\ \text{mm}$ (15 mẫu/chế độ):
$$\sigma_d = \frac{P_{\max}}{b t}\ (\text{MPa})$$
- Độ cứng bề mặt / cứng tĩnh ($H_{wc}$ - N): Tiêu chuẩn TCVN 8048-12:2009, kích thước mẫu $20 \times 50 \times 50\ \text{mm}$ (15 mẫu/chế độ):
$$H_{wc} = K \cdot P$$
- Độ mài mòn ($m$ - %): Tiêu chuẩn JAS-SE-007 (Nhật Bản), kích thước mẫu $100 \times 100 \times 15\ \text{mm}$ (10 mẫu/chế độ), thực hiện trên máy thử mài mòn MJ-V:
$$m = \frac{m_1 - m_2}{m_1} \times 100\ (%)$$
- Khả năng kháng nấm mốc: Tiêu chuẩn TCVN 10753:2015 và TCVN 11356:2016, khử trùng nồi hấp $121\ ^\circ\text{C}$ trong 20 phút, thử nghiệm nuôi cấy nấm Aspergillus niger trong phòng tối từ 2 đến 4 tuần, phân cấp theo thang điểm từ 0 đến 5.
- Biểu đồ phân bố mật độ theo chiều dày (VPD): Đo bằng máy quét tia X tự động DENSE-LAB mark 3 (E.GmbH, CHLB Đức), tốc độ đo 0,05 mm/giây, bước dịch chuyển 0,02 mm. Các thông số thu thập gồm: $\text{KLR}{\text{tb}}$, $\text{KLR}{\max}$, $\text{KLR}_{\min}$, khoảng cách $PDi$, $Pb$.
- Cấu trúc hiển vi (SEM): Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM S-4800 (Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), xử lý mẫu trong tủ hút chân không E-1020 (-0,6 MPa trong 30 phút); định lượng mật độ và độ rỗng bằng phần mềm ImageJ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu
Chương này tổng kết toàn diện các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp biến tính gỗ nhiệt - cơ, các giải pháp công nghệ ổn định kích thước, và ứng dụng vật liệu gỗ biến tính trong sản xuất ván sàn. Tác giả phân loại hai phương thức nén gỗ: nén tăng khối lượng riêng toàn bộ và nén tăng khối lượng riêng cục bộ bề mặt. Đồng thời, chương 1 phân tích các nhược điểm cần khắc phục của gỗ THM như tính đàn hồi trở lại khi gặp ẩm, nguy cơ suy giảm cơ tính khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng phá hủy mạch polymer, và xác lập luận cứ khoa học để lựa chọn gỗ Keo lai 7 tuổi làm đối tượng nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của công nghệ xử lý gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ
Chương 2 đi sâu vào bản chất hóa học và cấu trúc của thành phần gỗ (Cellulose, Hemicellulose, Lignin). Luận án phân tích cơ chế hóa dẻo khi nhiệt độ nén vượt qua nhiệt độ thủy tinh hóa ($T_g$), cơ chế biến dạng của vách tế bào gỗ dưới tác dụng của ứng suất nén xuyên tâm mà không phá vỡ mô tế bào, cũng như các chuyển hóa hóa học tạo ra các hợp chất kỵ nước giúp ổn định kích thước. Chương này xây dựng mô hình toán học tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) và thiết kế CCD.
Chương 3: Phương pháp và đối tượng nghiên cứu
Nội dung chương 3 thiết lập chi tiết đối tượng, vật liệu thực nghiệm (Keo lai Yên Thủy, Hòa Bình), hệ thống thiết bị đo đạc đạt chuẩn quốc tế và Việt Nam. Chương này mô tả tường minh quy trình công nghệ 6 bước từ tạo phôi, hóa dẻo, ép sơ bộ, nén định hình, xử lý ổn định nhiệt sau nén, đến các tiêu chuẩn thử nghiệm cơ lý hóa (độ đàn hồi trở lại theo Heger 2004, KLR theo TCVN 8048-2, WRE theo ASTM D4446-08, MOR theo TCVN 8048-3, nén dọc theo TCVN 8048-5, độ cứng theo TCVN 8048-12, mài mòn theo JAS-SE-007, kháng nấm theo TCVN 11356:2016, VPD qua tia X và SEM).
Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương này tập trung trình bày và phân tích các số liệu thực nghiệm:
- Phân tích tính chất vật lý: Đánh giá độ đàn hồi trở lại ($RS$), khối lượng riêng ($KLR$), và khả năng chống hút nước ($WRE$) tại các chế độ thí nghiệm; xây dựng bảng phân tích ANOVA, kiểm định Fisher và mức ý nghĩa Student cho từng mô hình hồi quy. Luận án xác lập chế độ tối ưu hóa cho nhóm tính chất vật lý nhằm phục vụ sản xuất ván sàn chịu ẩm.
- Phân tích tính chất cơ học: Đánh giá độ bền uốn tĩnh ($MOR$), độ bền chịu nén dọc thớ, độ cứng tĩnh bề mặt ($H_{wc}$), và độ mài mòn ($m$). Phân tích ANOVA khẳng định ảnh hưởng rõ nét của tỷ suất nén, nhiệt độ và thời gian nén; từ đó thiết lập chế độ tối ưu hóa cho nhóm tính chất cơ học phục vụ sản xuất ván sàn cường lực.
- Cấu trúc hiển vi và phân bố mật độ: Kết quả quét tia X trên máy DENSE-LAB mark 3 làm rõ quy luật biến đổi mật độ theo chiều dày phôi ván; ảnh chụp SEM kết hợp phân tích trên phần mềm ImageJ chứng minh rõ sự co hẹp các lỗ mạch, sự ép dẹp tế bào lumen và mức độ giảm điểm rỗng của gỗ Keo lai sau xử lý.
- Khảo nghiệm và đề xuất quy trình: So sánh mức độ sai lệch giữa mô hình dự đoán và kết quả kiểm nghiệm thực tế, từ đó hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất ván sàn nguyên khối và bảng hướng dẫn cách thức cắt hạ cấp chiều dài ván sàn.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt học thuật và lý luận
- Về mặt học thuật: Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ ứng dụng trong sản xuất ván sàn. Luận án đã xác định được tập hợp các thông số công nghệ hợp lý gồm nhiệt độ nén, thời gian nén và tỷ suất nén tác động trực tiếp vào gỗ Keo lai nhằm nâng cao đồng thời các chỉ tiêu cơ lý tính.
- Về mặt lý luận: Công trình đã xây dựng được cơ sở khoa học và làm sáng tỏ bản chất chuyển hóa của công nghệ biến tính nhiệt - cơ trên gỗ Keo lai; làm tiền đề học thuật cho các nghiên cứu tiếp theo về biến tính nhiệt, thủy - nhiệt và nhiệt - cơ trên các loài gỗ rừng trồng mọc nhanh khác tại Việt Nam.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất
- Cung cấp cơ sở thực tiễn định hướng lựa chọn vật liệu gỗ rừng trồng thay thế gỗ tự nhiên cho công nghiệp sản xuất đồ nội thất và ván sàn.
- Thiết lập các thông số công nghệ tối ưu cụ thể cho từng mục đích sử dụng: tối ưu hóa tính chất vật lý cho ván sàn chịu ẩm và tối ưu hóa tính chất cơ học cho ván sàn cường lực.
- Xây dựng và đề xuất quy trình công nghệ hoàn chỉnh sản xuất ván sàn từ gỗ Keo lai biến tính nhiệt - cơ tích hợp 3 công đoạn trên một thiết bị ép nhiệt, giúp nâng cao giá trị sử dụng và mở rộng thị trường tiêu thụ cho gỗ rừng trồng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên gỗ Keo lai 7 tuổi thuộc dòng MA1 thu thập tại một vùng địa lý nhất định (Yên Thủy, Hòa Bình), sử dụng ván xẻ tiếp tuyến để thực hiện nén theo phương xuyên tâm. Quy trình thực nghiệm cố định các thông số áp suất ép sơ bộ (2,0 MPa), áp suất nén (3,0 MPa) và chế độ xử lý nhiệt sau nén ($100\ ^\circ\text{C}$ trong 2 giờ).
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng nghiên cứu trên các dòng Keo lai khác, các độ tuổi khai thác khác nhau và các vùng lập địa khác nhau tại Việt Nam;
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ biến tính nhiệt - cơ cho các loài cây gỗ rừng trồng mọc nhanh bản địa khác;
- Khảo sát các biến thể áp suất ép, tốc độ gia tải và các giải pháp hóa - cơ kết hợp nhằm giảm thiểu hơn nữa thời gian xử lý và năng lượng tiêu hao.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Chế biến Lâm sản, Khoa học Vật liệu Gỗ; đặc biệt hữu ích ở phương pháp quy hoạch thực nghiệm đáp ứng bề mặt (RSM/CCD), kỹ thuật phân tích ảnh SEM qua ImageJ, và phương pháp đo profile mật độ tia X trên máy DENSE-LAB mark 3.
- Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp chế biến gỗ: Tham khảo quy trình công nghệ nén ép nhiệt - cơ 3 công đoạn tích hợp để ứng dụng vào dây chuyền sản xuất ván sàn nguyên khối và đồ mộc từ gỗ rừng trồng.
- Các nhà hoạch định chính sách lâm nghiệp: Cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện chuỗi giá trị chế biến sâu gỗ rừng trồng mọc nhanh, phục vụ đề án chuyển hóa rừng gỗ lớn theo Quyết định 774/QĐ-BNN-TCLN.
Câu hỏi thường gặp
1. Loài gỗ và tiêu chuẩn mẫu phôi được tác giả lựa chọn trong luận án là gì?
Luận án sử dụng gỗ Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) 7 tuổi, dòng Keo lai tự nhiên MA1 khai thác tại Yên Thủy, Hòa Bình; lấy mẫu gỗ tròn ở khúc dưới tán và cách gốc 1,3 m. Ván được xẻ theo phương tiếp tuyến (để thực hiện nén theo hướng xuyên tâm), độ ẩm trước khi đưa vào xử lý hóa dẻo là $35 \pm 5%$, chiều dày phôi ban đầu là 22 mm và 24 mm.
2. Mô hình quy hoạch thực nghiệm nào đã được sử dụng để tối ưu hóa công nghệ nén nhiệt - cơ?
Tác giả sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) với thiết kế hỗn hợp trung tâm (CCD) 3 yếu tố gồm 20 chế độ thí nghiệm được lập trình trên phần mềm Design-Expert 11.0. Ba biến độc lập khảo sát gồm: Tỷ suất nén (23% đến 57%), Nhiệt độ nén (126 °C đến 194 °C), và Thời gian nén (19 phút đến 221 phút).
3. Phương pháp kiểm tra độ đàn hồi trở lại ($RS$) của gỗ sau khi nén được thực hiện như thế nào?
Độ đàn hồi trở lại ($RS$) được kiểm tra theo phương pháp của Heger (2004). Mẫu thử kích thước $s \times 100 \times 100\ \text{mm}$ được ngâm trong nước cất ở nhiệt độ $60\ ^\circ\text{C}$ trong 5 ngày, sau đó sấy khô ở $30\ ^\circ\text{C}$ trong 5 ngày. Quy trình này được lặp lại 5 chu kỳ trước khi sấy khô để xác định mức phục hồi chiều dày vĩnh viễn theo công thức:
$$RS = \frac{R_c' - R_c}{R_0 - R_c} \times 100\ (%)$$
4. Thiết bị và phương pháp nào được sử dụng để phân tích cấu trúc hiển vi và phân bố mật độ của gỗ nén?
- Phân bố mật độ theo chiều dày (VPD) được đo bằng máy quét mật độ tia X DENSE-LAB mark 3 (E.GmbH, Đức) với tốc độ đo 0,05 mm/giây và khoảng cách đo 0,02 mm.
- Cấu tạo hiển vi được phân tích qua ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM S-4800 tại Viện Khoa học Vật liệu sau khi hút chân không trong tủ E-1020 (-0,6 MPa, 30 phút), kết hợp phần mềm ImageJ để tính toán độ rỗng và mật độ tế bào gỗ.
5. Khả năng kháng nấm mốc của gỗ Keo lai xử lý nhiệt - cơ được kiểm tra theo tiêu chuẩn nào?
Khả năng kháng nấm mốc được thử nghiệm dựa trên tiêu chuẩn TCVN 10753:2015 và TCVN 11356:2016 trên chủng nấm Aspergillus niger. Mẫu sau khử trùng ở $121\ ^\circ\text{C}$ trong 20 phút được nuôi cấy trong phòng tối từ 2 đến 4 tuần và đánh giá cảm quan theo thang phân cấp từ mức 0 (không mốc) đến mức 5 (mốc liên tục quá 50% diện tích).
Kết luận
Luận án Tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Lê Ngọc Phước là công trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống về công nghệ biến tính nhiệt - cơ (THM) trên gỗ Keo lai phục vụ sản xuất ván sàn tại Việt Nam. Tác giả đã làm rõ bản chất cơ chế hóa dẻo, quy luật biến dạng vách tế bào và xây dựng thành công mô hình toán học tối ưu hóa chế độ nén ép (nhiệt độ, thời gian, tỷ suất nén) tác động lên các tính chất vật lý và cơ học của gỗ. Kết quả của luận án cung cấp cơ sở khoa học và quy trình công nghệ hoàn chỉnh nhằm nâng cao giá trị sử dụng, nâng cao độ bền cơ lý của gỗ rừng trồng mọc nhanh thay thế gỗ tự nhiên trong sản xuất ván sàn và đồ gỗ nội thất.
