Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Mức chênh lệch độ ẩm trong gỗ khi sấy 1. Chênh lệch độ ẩm và mối tương quan tới nội ứng suất trong gỗ sấy Công ty Frank Controls Ltd. [42] định nghĩa dốc ẩm (moisture gradient) là sự chênh lệch giữa độ ẩm bên trong và độ ẩm bề mặt tấm gỗ.1, mức chênh Hình 1.
Ví dụ chênh lệch ẩm gỗ sấy lệch độ ẩm ở tâm và bề mặt tấm gỗ ngay sau (Frank Controls Ltd. Mô tả mối liên quan giữa chênh lệch ẩm đến chênh lệch ứng suất (McMillen, 1958) [54] McMillen (1958) [54] cho rằng mức chênh lệch độ ẩm và nội ứng suất trong gỗ có mối quan hệ chặt chẽ với nhau trong suốt quá trình sấy. Ông đã đưa ra phương pháp đo và xây dựng biểu đồ ứng suất cũng như đường cong dốc ẩm của gỗ Sồi đỏ trong các thời điểm sấy.2 cho thấy ở thời điểm 5 ngày, bề mặt gỗ nhanh chóng xuống dưới FSP (17 %) và bắt đầu co rút, phía trong độ ẩm vẫn gần 90 % và chưa co 6 rút. Kết quả là lớp bên ngoài chịu ứng suất kéo lớn nhất, bên trong chịu ứng suất nén.
Sau đó, từng lớp kế tiếp khô dần và chuyển sang ứng suất kéo trong khi lớp trung tâm dần đạt ứng suất nén lớn nhất. Khi các lớp bên trong đạt FSP (khoảng 30 %), ứng suất đảo chiều, bên ngoài chịu nén và bên trong chịu kéo. Khi sự chênh lệch ứng suất vượt quá giới hạn cường độ chịu kéo, nén ngang thớ, gỗ sẽ nứt vỡ và biến dạng. Nội ứng suất được coi như hình dạng của mẫu ngay sau khi cắt lát.
Mẫu được đánh dấu và đo chiều dài (chiều rộng thanh gỗ sấy) trước khi cắt lát. Sau khi cắt, mỗi lát được đo lại lập tức để nhận biết đang chịu ứng suất kéo hay nén (Hình 1. Đo nội ứng suất ở các vị trí khác nhau theo chiều dày (McMillen, 1958) [54] Ở Việt nam, việc xác định chênh lệch ẩm trong gỗ sấy đã được thực hiện trong các nghiên cứu cơ bản. Nguyễn Xuân Hiên (2006) [7] khi nghiên cứu giải pháp xử lý trước khi sấy gỗ Bạch đàn trắng đã xác định được chênh lệch ẩm giữa bề mặt và tâm mẫu gỗ ở 12 chế độ sấy mẫu thớt bằng ẩm kế điện trở để đo độ ẩm bề mặt và tâm mẫu gỗ.
Đỗ Văn Bản (2012) [1] khi nghiên cứu giảm nứt vỡ gỗ Bạch đàn trắng đã xác định chênh lệch ẩm giữa bề mặt và tâm tấm gỗ sấy bằng ẩm kế đo điện trở. Trong các nghiên cứu này, nội ứng suất trong suốt quá trình sấy chưa được xác định. Những nghiên cứu gần đây trên thế giới đã sử dụng các thiết bị hiện đại để xác định nội ứng suất thay đổi trong quá trình sấy. Haque (2002) [44] sử dụng cảm biến để đo sự thay đổi kích thước mẫu theo vị trí để xác định nội ứng suất.
Allegretti và Ferrari (2008) [21] đã sử dụng cảm biến đưa vào 2 lỗ khoan ở bề mặt và trong lõi để 7 xác định nội ứng suất. Redman (2017) [77] đã phát triển mô hình sấy phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán nội ứng suất ba chiều của gỗ sấy thông qua phần mềm Strand7. Ngoài ra, một số nghiên cứu của Yuniarti (2015) [107], Phonetip (2018) [73] đã xác định ứng suất dư của tấm gỗ sau khi sấy theo tiêu chuẩn AS/NZS 4787:2001 [25] để phân loại chất lượng gỗ sấy phục vụ cho việc tối ưu hoá chế độ sấy. Phương pháp xác định mức chênh lệch độ ẩm Các nghiên cứu đo mức chênh lệch độ ẩm đều được ứng dụng và phát triển trên nền tảng của các phương pháp đo độ ẩm.
Phương pháp lâu đời để xác định dốc ẩm là sử dụng kỹ thuật xẻ các lớp theo chiều dày và cân sấy có độ chính xác không cao vì bị thoát ẩm khi cưa xẻ (McMillen, 1958) [54]. Kỹ thuật này được cải tiến bằng cắt lát trên mẫu được khoan ra từ thanh gỗ [40] và sử dụng dao vi phẫu để cắt [105]. Phương pháp điện trở là phương pháp không phá huỷ mẫu, phù hợp và tương đối chính xác ở dưới FSP. Forrer (1984) [41] đã phát triển hệ thống ẩm kế điện trở với các điện cực được ghim trong gỗ và kết nối với bộ vi xử lý bên ngoài để đo điện trở và tính độ ẩm.
Hai năm sau, phương pháp này được phát triển để kết nối với máy tính [80]. Nhược điểm lớn của phương pháp này là chỉ đo được độ ẩm dưới FSP. Melin và đồng tác giả (2016) [56] đã so sánh 2 phương pháp điện trở và trao đổi ẩm để xác định MC gradient. Phương pháp điện trở được thực hiện tương tự như các nghiên cứu trước.
Phương pháp trao đổi ẩm sử dụng các sensor đo RH đưa vào các lỗ khoan sẵn trên tấm gỗ ở độ sâu khác nhau để tính toán độ ẩm gỗ. Nghiên cứu cho thấy kết quả đo MC gradient thông qua 2 phương pháp tương đối đồng nhất. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phóng xạ để xác định dốc ẩm được Cai (2007) [31] thực hiện. Tác giả sử dụng chùm tia X để quét toàn bộ mẫu theo hướng chiều dày.
Qua mối tương quan của cường độ chùm tia với khối lượng riêng, MC gradient đã được tính toán. So sánh với phương pháp cắt lát bằng dao vi phẫu, kết quả cho thấy 2 đường cong MC gradient rất giống nhau. Phương pháp này hiện đại nhưng chi phí tốn kém là những hạn chế khó có thể ứng dụng. 8 Phương pháp quang phổ điện trở kháng được xem như một phương pháp mới để đo MC gradient không phá huỷ mẫu.
Tiitta và đồng tác giả (2010) [100] đã phân tích quang phổ dùng sóng điện từ tần số thấp để đánh giá các đặc tính gỗ và MC gradient. So sánh với phương pháp điện trở, nghiên cứu cho số liệu đo tương tự. Nghiên cứu đã kết hợp việc đo nứt mặt bằng cường độ phát tán âm thanh và xây dựng mối tương quan với diễn biến ẩm. Tuy nhiên, nhóm tác giả khuyến cáo cả hai phương pháp đo MC gradient trong nghiên cứu này chỉ nên áp dụng cho độ ẩm dưới FSP.
Như vậy, mức chênh lệch độ ẩm có mối quan hệ chặt chẽ với nội ứng suất và là nguyên nhân gây khuyết tật khi sấy gỗ. Xác định nội ứng suất trong gỗ sấy trên thế giới đã sử dụng thiết bị hiện đại nhưng số lượng các công trình không nhiều, phần lớn thường sử dụng mối tương quan giữa nội ứng suất và chênh lệch độ ẩm để giải thích các hiện tượng khuyết tật. Hạn chế về thiết bị đo nội ứng suất dẫn đến mối tương quan này chưa được thực hiện ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, luận án lựa chọn vấn đề nghiên cứu thứ nhất là xác định mức chênh lệch độ ẩm tại các vị trí theo chiều dày tấm gỗ và mối tương quan tới khuyết tật suốt quá trình sấy.
Do hạn chế về thiết bị, luận án lựa chọn cách tiếp cận nghiên cứu là sử dụng lý thuyết về mối tương quan giữa nội ứng suất và mức chênh lệch độ ẩm để giải thích các hiện tượng khuyết tật khi sấy. Các đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ vận chuyển ẩm và sự chênh lệch vận chuyển ẩm giữa các chiều, từ đó ảnh hưởng đến mức độ khuyết tật gỗ sấy cũng cần xác định. Các phương pháp xác định độ ẩm cũng như mức chênh lệch độ ẩm nêu trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuỳ vào mục tiêu cần đạt và điều kiện thí nghiệm, có thể lựa chọn phương pháp phù hợp.
Việc xác định chênh lệch ẩm gỗ sấy đã được thực hiện ở Việt Nam trong một số luận án nhưng dùng máy đo điện trở có độ chính xác không cao ở khoảng độ ẩm trên FSP. Để xác định chính xác nhất MC gradient từ khi gỗ còn tươi đến khi đạt độ ẩm cuối cùng, Pang (1996) [62], Northway (2001) [60], McCurdy (2006) [53], Yuniarti (2015) [107] và Phonetip (2018) [73] đã sử dụng phương pháp cắt lát mẫu để cân sấy bằng các thiết bị cắt lát. Phương pháp 9 này cũng phù hợp với điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam nên được lựa chọn để xác định mức chênh lệch độ ẩm của gỗ Keo tai tượng khi sấy trong luận án. Các yếu tố ảnh hưởng đến khuyết tật gỗ sấy Yếu tố về nguyên liệu: - Đặc điểm cấu tạo và đặc tính gỗ có tác động trực tiếp đến quá trình vận chuyển ẩm và tạo sự chênh lệch chuyển khối giữa các chiều nên là yếu tố ảnh hưởng khuyết tật khi sấy.
Vấn đề này được đề cập đến ở phần 1. - Đặc tính vật lý, cơ học: khối lượng riêng của gỗ biến động theo lập địa, tuổi cây và tại các vị trí trên cây; các tính chất cơ học như độ bền tách, nén ngang thớ nói lên khả năng gỗ chống chịu ứng suất kéo, nén thay đổi suốt quá trình sấy. - Loại ván xẻ (xuyên tâm, tiếp tuyến, bán xuyên tâm) có tác động rất lớn đến tốc độ vận chuyển ẩm và chất lượng gỗ sấy. Ngoài ra, thời điểm khai thác, thời điểm xẻ và thời gian hong phơi trước sấy cũng là yếu tố ảnh hưởng.
Yếu tố về công nghệ và thiết bị: - Theo Nolan và đồng tác giả (2003) [59], nhiều khuyết tật làm giảm cấp chất lượng gỗ sấy dưới đây có nguyên nhân do quá trình điều khiển các mẻ sấy. + Nứt là kết quả của ứng suất quá lớn do tốc độ sấy quá nhanh. Giải pháp là giảm tốc độ sấy, đặc biệt ở giai đoạn sấy đầu thường xảy ra nứt mặt, nứt đầu; sơn bịt đầu ngay sau khi cắt, ghim đầu và xếp thanh kê gần đầu; giảm nhiệt độ, tốc độ gió và tăng độ ẩm môi trường bằng các thiết bị hiển thị và điều khiển. Các vết nứt có thể đóng lại khi độ ẩm gỗ cân bằng nhưng có thể xuất hiện trở lại khi sử dụng.
+ Mo móp xuất hiện là do vách tế bào gỗ bị móp khi nước thoát khỏi ruột tế bào, dễ xuất hiện khi sấy nhiệt độ cao và tốc độ nhanh ở giai đoạn đầu. Mo móp cũng là một nguyên nhân của nứt ngầm ở giai đoạn sấy tiếp theo. Giảm tốc độ sấy và duy trì nhiệt độ sấy thấp là giải pháp chủ yếu cho các hiện tượng này, ngoài ra có thể tăng cường bằng việc phun hơi nước bão hòa khi gỗ đạt điểm FSP. 10 + Ngoài việc là nguyên nhân của các vết nứt và mo móp, sấy quá nhanh ở giai đoạn đầu cũng là lý do của hiện tượng chai cứng bề mặt.
Giải pháp tương tự là giảm tốc độ sấy, bắt đầu sấy với nhiệt độ sấy thấp, độ ẩm môi trường cao.