CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.1 Tổng quan về gỗ. Gỗ là vật liệu thiên nhiên thân thiện với môi trường, đã và đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Trên phương diện sử dụng gỗ là vật liệu và nguyên liệu dùng để chế tạo ra sản phẩm thì gỗ có một số ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm: - Nhẹ, độ bền cơ học cao, cách nhiệt , cách âm và cách điện tốt. - Màu sắc, vân thớ đẹp.
- Dễ gia công và chế biến: cưa xẻ, dán dính, đóng đinh,. Nhược điểm: - Tính chất có độ biến động lớn, cấu tạo không đồng nhất, tính dị hướng cao. - Có khả năng hút ẩm và nhả ẩm dẫn đến có rút hoặc dãn nở làm nảy sinh các khuyết tật như cong vênh, biến dạng. - Dễ bị các sinh vật hại gỗ phá hoại, dễ cháy.
Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật gia công và chế biến hiện đại, những nhược điểm của gỗ có thể được khắc phục một cách hiệu quả hơn. Các kỹ thuật như sơn gỗ, ngâm tẩm gỗ, chế biến gỗ dán, tấm dăm bào và sợi gỗ ép đã giúp nâng cao chất lượng, độ bền và tính ứng dụng của gỗ. Điều này cho phép người dùng tận dụng tối đa những ưu điểm của gỗ, đồng thời vượt qua những hạn chế truyền thống về khả năng chống thấm, chịu lực, chịu ẩm và các yếu tố khác. Nhờ đó, gỗ càng trở nên là một lựa chọn vật liệu đa năng và hiệu quả hơn trong nhiều ứng dụng hiện đại.1 Cấu tạo và thành phần của gỗ.
Thành tế bào gỗ có một cấu trúc phức tạp được mô tả ở hình 1.1, gồm ba thành phần chính: thành sơ cấp (P), thành thứ cấp và lumen.Thành sơ cấp chứa các vi sợi cellulose được kết tụ thành các khối mịn, giao nhau. Cấu trúc này có thể hỗ trợ sự tăng đường kính và phân lớp khi tế bào mới phát triển.Thành thứ cấp được chia thành ba lớp riêng biệt: S1, S2 và S3. Các lớp này khác nhau về độ dày ( S1:0,2 − 0,3 𝜇𝑚, S2: 1 − 5 𝜇𝑚), S3: ~ 0,1μm )[1] và thành phần hóa học. Lớp S1 bao gồm các vi sợi cellulose xoắn ốc mỏng, tạo nên cấu trúc chéo quan trọng cho độ bền nén của tế bào.
Lớp S2 là lớp dày nhất, chiếm trên 95% độ dày thành tế bào và có hàm lượng sợi cao nhất. Vì vậy, lớp S2 1 ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của thành tế bào, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ và bảo vệ gỗ. Đặc biệt, các sợi nano Cellulose trong lớp S2 có góc xoắn lớn và gần như vuông góc với trục tế bào, tạo nên tính dị hướng. Đối với lớp S3, định hướng của các vi sợi Cellulose vẫn chưa được xác định rõ.
Các nghiên cứu cho rằng các tế bào khác có thể thay thế lớp S3 trong một số trường hợp.1 Cấu tạo thành tế bào của gỗ. Gỗ có thành phần hóa học phức tạp, các thành phần chủ yếu là Cellulose, Hemicellulose và Lignin. Các tế bào gỗ khi trưởng thành sẽ trở thành dạng ống vào tạo nên cấu trúc xốp trong gỗ. Các ống mạch tạo thành hệ mao dẫn có tính thẩm thấu nước từ môi trường bên ngoài vào trong gỗ, khi đó xảy ra hiện tượng tương nở do tác động của nước với các thành phần của gỗ gây các ảnh hưởng quan trọng đến cấu trúc và tính chất hóa học, độ bền cơ học của gỗ [3, 4].
Cụ thể trong gỗ Cellulose chiếm từ 45 – 55% khối lượng khô, Hemicellulose chiếm 24 – 40% và Lignin chiếm 18 – 25%.2 cho thấy cấu trúc chính của Cellulose là polyme mạch thẳng, phân tử Cellulose được tạo nên từ các đơn vị mắt xích là 𝛽, 𝐷 – glucopyranose nhờ các mốt liên kết glucocid 1 – 4. Liên kết glycosid được ổn định và tăng cường nhờ hai liên kết hydro. Một loại nằm giữa C6 và C2 hydroxyl, còn loại kia nằm giữa oxy C5 và C3 hydroxyl. Ở mỗi mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl –(OH) ở vị trí 2,3,6 (trong đó có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai).
Cũng như Cellulose, Hemicellulose là những chất polysaccahrides cấu tạo nên vách tế 2 bào, nhưng so với Cellulose thì Hemicellulose kém ổn định hóa học hơn, dễ bị phân tách khi ở nhiệt độ cao. Hemicellulose là một polyme mạch thẳng lẫn mạch phân nhánh. Do cấu tạo phân tử phức tạp và không đồng nhất, Hemicellulose phần lớn tồn tại ở trạng thái vô định hình, chỉ một phần nhỏ ở trạng thái tinh thể. Ligin là hợp chất cơ phân tử vô định hình, có đặc tính thơm, có cấu tạo không gian ba chiều.
Bộ khung của đơn vị mắt xích Lignin là phenyl propan, các nhóm chức cơ bản trong lignin gồm nhóm methoxyl –(OCH3), nhóm hydroxyl –(OH). Các đơn phân tử trong ligin liên kết với nhau bằng những liên kết ete và liên kết C – C. Trong gỗ, thành phần nhóm chức tồn tại nhiều nhất là nhóm hydroxyl –(OH). Các nhóm hydroxyl liên kết với các Cellulose, Hemicellulose và Lignin trong thành tế bào [5].
Cellulose đóng vai trò như khung xương, tạo nên cấu trúc vi mô của thành tế bào, có chức năng bảo vệ và chống lại sự phân hủy hóa học, vi khuẩn và enzyme. Các sợi cellulose được liên kết chặt chẽ với Hemicellulose vô định hình, tạo thành một mạng lưới vi sợi chắc chắn. Ngoài ra, Lignin bao bọc xung quanh các vi sợi Cellulose và pectin, chúng hoạt động tương tự như chất kết dính tạo thành một hydrogel liên kết các thành phần của thành tế bào với nhau dưới dạng các liên kết polysaccharit ngang [2, 3]. Cùng với Cellulose, Hemicellulose có tính ưa nước nhờ các nhóm –(OH) trong mạch polysaccharide.
Phần lớn các nhóm –(OH) trên thành tế bào tương tác với Hemicellulose và Cellulose, ở Lignin ít hơn. Các nhóm này liên kết với các thành phần tế bào gỗ là một trong những yếu tố ảnh hưởng nhiều tới việc xác định tính chất của gỗ. Nhiều tính chất của vật liệu gỗ phụ thuộc nhiều vào các nhóm –(OH) hơn là tương tác liên phân tử giữa các thành phần phân tử trong thành tế bào.2 Công thức phân tử của cellulose. Bên cạnh các thành phần chính như Cellulose, Hemicellulose và Lignin được tìm thấy trong gỗ.
Như một số protein, chất vô cơ, v., cũng được tìm thấy trong thành tế bào gỗ 3 và tinh bột, chất béo và nhựa có thể được chiết xuất từ lumen tế bào. Tổng các thành phần nhỏ này hiếm khi vượt quá 10% và thường gần 3 hoặc 4%.2 Quá trình trương của Cellulose. Hiện tượng trương của Cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, làm thay đổi tính chất cơ học, vật lý và hóa học của gỗ. Cellulose có nhiều nhóm chức hydroxyl là các nhóm chức có độ phân cực cho nên Cellulose cũng là chất cao phân tử có cực, như vậy dung môi gây trương hay hòa tan Cellulose cũng phải là dung môi có cực (như H2O).
Quá trình trương Cellulose là quá trình tác nhân gây trương xâm nhập vào, bứt phá các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau, khi đó làm khoảng cách Cellulose tăng lên, liên kết của chúng (liên kết Vandevan) yếu đi, các phân tử Cellulose dễ bị xê dịch và trở nên lỏng lẻo hơn, đồng thời liên kết cầu hydro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của phân tử Cellulose trong gỗ được thể hiện ở hình 1.3 Quá trình trương nở trong nước của cellulose.3 Tính hút nước, co rút và dãn nở của gỗ. Khả năng hút nước của gỗ được định nghĩa là khả năng hấp thụ và giữ lại nước trong môi trường ẩm ướt. Điều này phụ thuộc vào các yếu tố như khối lượng riêng của gỗ, vị trí, phương hướng sợi gỗ, hình dạng và kích thước mẫu gỗ, cũng như nhiệt độ và độ ẩm ban đầu. Trong số các yếu tố này, khối lượng riêng của gỗ có ảnh hưởng lớn nhất.
Khi khối lượng riêng càng cao, tức là gỗ càng chặt đặc, thì khả năng hút nước sẽ càng thấp. Điều này là do khi khối lượng riêng cao, thể tích của các lỗ xốp trong cấu trúc gỗ sẽ càng ít, từ đó giảm khả năng hấp thụ và giữ lại nước. Gỗ co rút (giảm kích thước) khi mất nước và dãn nở (tăng kích thước) khi hút nước. Các phân tử của các hợp chất có 4 trong gỗ đều chứa nhiều nhóm hydroxyl −(OH), là nhóm phân cực nên cả 3 thành phần đều có khả năng hút nước.
Hệ thống vi sợi được hình thành từ các phân tử Cellulose, Hemicellulose và Ligin được xem là khung sườn của thành tế bào gỗ. Như đễ được đề cặp ở hình 1.3 Cellulose có khả năng hút nước mạnh dẫn đến bị trương nở và co lại. Do đó, bản chất của hiện tượng co rút, dãn nở là do sự thay đổi khoảng cách giữa các vi sợi tế bào. Khi gỗ khô hút nước, các phân tử nước được hấp thụ vào khoảng cách giữa các vi sợi gỗ.
Tại thời điểm này, các liên kết hydro hình thành giữa phân tử nước và các vi sợi, làm tăng chiều dày của thành tế bào. Kết quả là kích thước tổng thể của gỗ tăng lên. Lượng nước thấm hút càng nhiều, thì chiều ngang của các vi mao dẫn càng tăng, và chiều dày của thành tế bào càng lớn. Ngược lại, trong quá trình gỗ thoát nước, khi lượng nước thoát ra bên ngoài, số lượng nước giữa các vi sợi giảm đi.
Điều này dẫn đến khoảng cách giữa các vi sợi bị thu hẹp lại, và chiều dày của thành tế bào cũng giảm xuống.Có thể thấy rằng khi gỗ hút hoặc nhả ẩm, thay đổi chủ yếu xảy ra ở khoảng cách giữa các vi sợi. Do đó, chiều ngang của thớ gỗ sẽ có sự thay đổi lớn nhất.4 Các hướng của gỗ: dọc thớ (L), xuyên tâm (R), tiếp tuyến (T) Trong môi trường thí nghiệm, độ độ co rút và dãn nở được xác định bằng cách đo kích thước bên ngoài (hình 1.4) theo chiều dọc thớ (Longtiudinal – L), xuyên tâm (Radial – R) và tiếp tuyến ( Tangential – T) của các mẫu. Các hiện tượng co rút và dãn nở rõ ràng nhất ở chiều tiếp tuyến, sau đó là xuyên tâm và cuối cùng là dọc thớ. Độ co dãn theo chiều dọc thớ không đáng kể chỉ dưới 1%, chiều xuyên tâm từ 2-7% và chiều tiếp tuyến 4- 14%.
Để xác định độ dãn nở, co rút, kích thước của gỗ được xác định trong trạng thái 5 sấy khô và tiến hành ngâm nước cất, kích thước ngâm nước sau đó được ghi nhận. Độ ổn định kích thước được báo cáo theo hệ số trương nở (S) được tính theo công thức (1.