CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Khái quát về gỗ 1. Đặc điểm chung và tiềm năng phát triển của gỗ Gỗ đã được khai thác và sử dụng kể từ khi con người đầu tiên xuất hiện [18, 19]. Họ sử dụng gỗ làm nhiên liệu, chỗ ở, vũ khí, công cụ và để trang trí nhờ các đặc điểm dễ gia công, là vật liệu có thể tái tạo, bền vững và sẵn có.
Là một trong những vật liệu xây dựng lâu đời nhất [20]. Bằng chứng về việc sử dụng gỗ của các nền văn hóa cổ đại có niên đại ít nhất 1,5 triệu năm [21]. Đồng thời, gỗ đã được công nhận trong một số quy chuẩn xây dựng; các quy định về phòng cháy đối với các tòa nhà bằng gỗ được thiết lập sớm nhất là vào thế kỷ 13 ở London [22, 23]. Phần lớn, gỗ đã được sử dụng mà không qua quá trình biến tính [18, 24].
Hầu hết chỉ được xử lý để chống nấm mục và chống cháy [18]. Tuy nhiên với sự nhận thức ngày càng cao về nhu cầu độ bền của sản phẩm gỗ, nhiều công nghệ mới đã phát triển để cải thiện và gia tăng tuổi thọ của chúng. Ngày nay, gỗ rất được ưa chuộng trong vật liệu xây dựng và đồ nội thất. Nhờ vào công nghệ gia công chế biến gỗ tiên tiến, những hạn chế đã được cải tiến mà không gây mất đi tính chất tự nhiên của gỗ, bao gồm việc sơn gỗ, ngâm gỗ, chế biến gỗ thành tấm, ván ép.
Việt Nam là quốc gia có nhiều tiềm năng phát triển ngành gỗ do có thuận lợi về khí hậu nên chủng loại gỗ đa dạng. Tại Việt Nam, gỗ là vật liệu sẵn có rộng lớn. Ngành công nghiệp chế biến gỗ đã trở thành ngành hàng xuất khẩu chủ lực của Việt Nam. Theo Hiệp hội Công nghiệp đồ gỗ ASEAN, Việt Nam đang dẫn đầu về xuất khẩu đồ gỗ ở Đông Nam Á.
Sản phẩm gỗ của Việt Nam hiện có mặt ở hơn 140 quốc gia trên thế giới [25]. Cấu tạo và thành phần hóa học của gỗ [18] Gỗ được tạo nên từ nhiều tế bào khác nhau. Trong quá trình phát triển, các tế bào này chuyển đổi thành các cấu trúc giống như ống, tạo ra một bề mặt xốp bên trong gỗ. Những ống này là phần của hệ thống dẫn nước, cho phép gỗ hấp thụ nước từ bên ngoài vào.
Khi điều này xảy ra, gỗ sẽ trương nở do ảnh hưởng của nước lên các thành phần như cellulose, hemicellulose, và lignin. Sự tương tác này gây ra thay đổi đáng kể về cấu trúc cũng như các đặc tính cơ học của gỗ. Gỗ là một hỗn hợp polymer sinh học dị hướng ba chiều, có tính thấm nước, nhớt, đàn hồi, bao gồm một ma trận liên kết giữa cellulose, hemicellulose và lignin với một lượng 1 nhỏ các nguyên tố vô cơ và các chất hữu cơ [18]. Thành phần hữu cơ sẽ chiếm chủ yếu (99 – 99.
Thành phần hoá học gỗ gồm 04 nguyên tổ chính: Carbon (C), Hydro (H), Oxy (O), Nitơ (N), trong đó C và O chiếm số lượng nhiều nhất. Thành phần chủ yếu là các chất chính tạo nên vách tế bào, bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin (hình 1. Các hợp chất này là một hệ thống gồm các chất có tương tác nhau về hóa học. Các hợp chất hóa học liên kết chặt chẽ với nhau bằng nhiều loại liên kết.
Các liên kết hóa trị (liên kết giữa các phân tử lignin và hemicellulose) và lực tương tác giữa các phân tử (giữa tất cả các thành phần trong gỗ). Cấu trúc phân tử của polymer sinh học gỗ [26] Cellulose Trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và có công thức phân tử (C6H10O5)n. Cellulose là một polymer phân cực, mỗi đơn vị mắt xích chứa ba nhóm hydroxyl (‒OH) liên kết với các nguyên tử C ở các vị trí 2,3 và 6, trong đó có một nhóm rượu bậc nhất và hai nhóm bậc hai. Cấu tạo phân tử cellulose như hình 1.
Công thức cấu tạo phân tử cellulose 2 Cellulose là một chuỗi polymer tuyến tính của các phân tử β-d-glucose liên kết với nhau bằng liên kết glycosid β-(1-4) [26]. Hai phân tử glucose liên kết tạo thành một đơn vị anhydroglucose, như thể hiện trong hình 1. Khả năng tương tác của các nhóm chức hydroxyl có vai trò thiết yếu trong việc hình thành các dẫn xuất của cellulose. Giữa các phân tử cellulose có hai dạng tương tác, lực Van der Waals và các liên kết hydro.
Phần lớn các phân tử cellulose liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Liên kết hydro giữa các nhóm –OH tại các vị trí khác nhau trên phân tử cellulose có tác động trực tiếp đến quá trình hút và giữ ẩm của vật liệu gỗ. Điều này có liên quan chặt chẽ đến tính chất và công nghệ gia công của vật liệu gỗ. Khi có tác nhân xâm nhập vào khoảng trống giữa các tinh thể hoặc vào vùng định hình của sợi cellulose và quá trình trương của cellulose xảy ra, các liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau bị phá vỡ, làm cho liên kết Van der Waals yếu đi do khoảng cách giữa các phân tử cellulose tăng.
Các phân tử cellulose trở nên lỏng lẻo và dễ bị xê dịch, và khi liên kết hydro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động làm thay đổi cấu trúc cellulose trong gỗ. Quá trình này có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ biến tính gỗ, làm thay đổi các tính chất cơ học của gỗ. Hemicellulose Hàm lượng hemicellulose có trong gỗ từ 20 – 30%. Hemicellulose, cũng như cellulose, là những polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào nhưng chúng được cấu tạo từ nhiều đơn vị đường khác nhau, liên kết với nhau trong mô tế bào gỗ.
Các đơn vị mắt xích của polysaccharide hemicellulose thường là vòng anhydro của các saccharide, là các đơn vị đường khác nhau (xem hình 1. Chúng thường là các polymer vô định hình và chuỗi nhánh tạo thành liên kết giữa cellulose và lignin. Hemicelluloses thấm nước và do đó, cung cấp sự linh hoạt và hỗ trợ trong thành tế bào [26]. Các đơn vị mắc xích chứa các nhóm hydroxyl nên hemicellulose có khả năng tham gia phản ứng thế, tạo esther, ether.
Do cấu tạo phân tử phức tạp và không đồng nhất nên các tác nhân hóa lý và hóa học dễ dàng tiếp cận hemicellulose hơn so với cellulose hoặc lignin. Sự phân hủy hemicellulose làm cho gỗ trở nên giòn và cứng, cho thấy vai trò quan trọng trong việc quyết định các đặc tính của gỗ. Hemicellulose tạo thành liên kết hydro với bề mặt của các vi sợi và liên kết cộng hóa trị với nền lignin. Hemicelluloses của gỗ cứng thường được tìm thấy với tỉ lệ cao hơn so với gỗ mềm [27].
3 Lignin Ngoài cellulose, lignin cũng là thành phần tạo nên vách tế bào gỗ. Lignin là một loại polymer phenolic không có hình dạng cố định [27]. Cấu trúc của lignin vô cùng phức tạp và có cấu tạo không gian ba chiều, cho đến ngày nay chưa có nghiên cứu nào khẳng định một cách chính xác về cấu tạo hóa học của lignin. Các nhóm chức cơ bản trong lignin gồm nhóm methoxyl –(OCH3) và nhóm hydroxyl –(OH).
Nó chủ yếu có nguồn gốc từ ba loại rượu cinnamyl: p-coumaryl, coniferyl và rượu sinapyl (được gọi là monolignols). Các đơn phân tử trong lignin liên kết với nhau bằng liên kết ether và liên kết C–C, tạo ra cấu trúc mạng phức tạp. Lignin có nồng độ OH thấp so với các thành phần polysaccharide [27]. Lignin là một thành phần cấu trúc quan trọng của thành tế bào, cung cấp độ cứng và ứng suất của gỗ.
Lignin tham gia liên kết hydro với cellulose và hemicellulose với năng lượng liên kết khá lớn. Bên cạnh đó còn có tương tác Van der Waals. Lignin là thành phần quyết định độ cứng cáp của thành tế bào, giúp liên kết các tế bào riêng lẻ lại với nhau. Dưới tác dụng cao của nhiệt độ, lignin bị mềm hóa [27].
Lignin cũng có tính trương và hòa tan trong dung môi thích hợp như dung dịch kiềm. Dưới tác dụng của acid, halogen, base lignin có thể tan được do sự đứt mạch, phân đoạn các phân tử lignin. Cellulose chịu trách nhiệm về độ bền của gỗ do vai trò của nó trong việc gia cố thành tế bào và góp phần vào độ cứng tổng thể của vật liệu. Các vi sợi cellulose, có trong thành tế bào thứ cấp, hoạt động như các thanh thép gia cố, trong khi các ma trận hemicellulose- lignin hoạt động như bê tông trong kết cấu bê tông cốt thép.
Giao diện giữa cellulose và hemicellulose/lignin đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng xử cơ học của thành tế bào gỗ [28-30]. Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất cơ học của gỗ Trong gỗ, giữa các vách tế bào và các lỗ thông ngang ở vách tế bào tạo thành khoảng mao dẫn, chứa đầy không khí, nước và các chất chiết xuất. Thể tích khoảng mao dẫn biểu thị qua độ rỗng. Cellulose trong thiên nhiên tồn tại các liên kết hydro nội phân tử và liên kết hydro giữa các phân tử.
Liên kết hydro có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành chuỗi phân tử cellulose. Đặc tính hút ẩm của cellulose ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của gỗ. Lượng liên kết hydro càng lớn có thể làm tăng khả năng chịu lực của vật liệu gỗ. 4 Trong quá trình sấy gỗ liên tục, đầu tiên liên kết hydro giữa các phân tử nước bị phá vỡ, một phần nước thoát ra làm cho bề mặt cellulose xít lại gần nhau cho đến khi khoảng cách giữa chúng chỉ còn một lớp phân tử nước.
Lúc này, liên kết hydro giữa phân tử nước và cellulose bị đứt và hình thành liên kết hydro mới giữa các phân tử cellulose. Điều này giải thích tính co rút và dãn nở của gỗ. Hemicellulose là một trong những chất cao phân tử chủ yếu của gỗ nhạy cảm nhất với điều kiện môi trường. Trong vách tế bào, hemicellulose có tác dụng kết dính nên sự thay đổi của hemicellulose không chỉ làm tính dẻo dai (toughness) của gỗ giảm, mà còn làm tăng khả năng chịu uốn, độ cứng và độ mài mòn của gỗ cũng giảm xuống.
Liên kết giữa lignin và cellulose quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ. Lignin có vai trò như một chất liên kết giữa các sợi cellulose trong vách tế bào, làm cho gỗ có tính chất cơ học nhất định. Liên kết hóa học giữa các thành phần trong gỗ là những liên kết yếu. Cơ tính của gỗ sẽ thay đổi khi liên kết hoặc cấu trúc thành phần của gỗ thay đổi.