Chương 1 TỔNG QUAN Gỗ biến tính nhiệt còn được gọi là “gỗ xử lý nhiệt” có nơi còn gọi là “gỗ carbon hóa” là sản phẩm được tạo ra nhờ công nghệ biến tính gỗ ở nhiệt độ cao hay xử lý gỗ bằng nhiệt độ cao. Đây là công nghệ sử dụng nhiệt độ trong khoảng 160 oC đến 260 o C, trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi nước, khí trơ, không khí ít ôxy, hoặc dầu thực vật… để tiến hành xử lý gỗ. Công nghệ biến tính nhiệt được coi là một trong những công nghệ xử lý gỗ khá thân thiện với môi trường do không sử dụng hóa chất trong khi xử lý đã được nhiều tài liệu tổng hợp và công bố (Li Jian và Sun Weilun, 2010); Gu Lianbai và ctv (2007); (Dick Sandberg và ctv, 2017; Cao Shuai và ctv, 2022; Li Tao và ctv, 2009). Thông tin từ các tài liệu cho thấy, hầu hết các tính chất của gỗ được/bị thay đổi sau khi được xử lý, như: nâng cao tính ổn định kích thước, nâng cao khả năng chống chịu sinh vật, màu sắc gỗ trở nên sẫm hơn, một số tính chất cơ học của gỗ bị giảm xuống, thành phần và cấu trúc hóa học của gỗ thay đổi, đôi khi cấu tạo hiển vi của gỗ cũng bị thay đổi đáng kể….
Với các đặc tính này, gỗ biến tính nhiệt thường được ứng dụng làm nguyên liệu chất lượng cao cho sản xuất đồ gỗ sử dụng trong nhà cũng như ngoài trời trong điều kiện yêu cầu độ ổn định kích thước cao. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về gỗ biến tính nhiệt Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về công nghệ biến tính nhiệt, do khi áp dụng công nghệ này để biến tính, gỗ có thể cải thiện được những tính chất theo mục đích sử dụng. Trong báo cáo nghiên cứu của H. Tiemann (1915) đã chỉ ra, gỗ sau khi được sấy ở nhiệt độ 150 oC trong thời gian 4 giờ, tính hút ẩm của gỗ giảm 10 – 25 % và độ bền cơ học của gỗ cũng có sự giảm sút.
Đây có thể được xem như là kết quả tiền đề để làm cơ sở tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về tác động của nhiệt đến sự thay đổi các tính chất gỗ, và cũng từ đó các nghiên cứu về xử lý gỗ bằng nhiệt độ cao ngày càng được chú ý. 6 Trong nghiên cứu của Stamm và Hansen (A. Hansen, 1937) đã thể hiện rằng xử lý gỗ bằng nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ co rút, dãn nở của gỗ đều giảm xuống. Cũng với công nghệ xử lý gỗ bằng nhiệt độ cao, R.
Seborg và ctv (1945) đã phát minh ra một loại sản phẩm gỗ với tên gọi là Staypack. Năm 1946, nghiên cứu của A. Stamm và ctv (1946) đã chỉ ra biến tính nhiệt có thể nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ mà không cần phải tiến hành các bước xử lý khác như nén, công nghệ này có tên gọi là Staybwood. Tuy đã có các nghiên cứu, nhưng những sản phẩm của các công nghệ nêu trên đã không thành công khi đưa ra thị trường.
Nguyên nhân có thể do tại thời điểm đó trên thị trường vẫn tồn tại nhiều loại gỗ có chất lượng cao, phù hợp với việc sử dụng sản xuất đồ gỗ cao cấp trong nhà và ngoài trời. Tuy vậy, công nghệ biến tính nhiệt vẫn không bị lãng quên, các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục tiến hành các nghiên cứu về lĩnh vực này cho đến thời điểm hiện tại (Cao Shuai và ctv, 2022). Những năm trở lại đây, gỗ biến tính nhiệt nhờ tính chất đặc biệt và tính thân thiện với môi trường của nó đã ngày càng được chú ý và đã được ứng dụng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực. Công nghệ biến tính nhiệt không có ảnh hưởng xấu đến khả năng dán dính cũng như khả năng trang sức, trừ một vài chỉ tiêu cơ học của gỗ bị giảm, các đặc tính khác như tính ổn định kích thước, tính chống ẩm, độ bền đều được nâng cao rõ rệt (Thermowood, 2003).
Theo một số tài liệu nghiên cứu, biến tính nhiệt cho gỗ trong khoảng 160 o C – 260 oC, trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi nước, khí trơ, không khí ít ôxy… (Callum A. Hill, 2006b), thông qua việc giảm thiểu số lượng nhóm hydroxyl (-OH) trong thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ, đã làm giảm khả năng hút ẩm và nội ứng suất của gỗ, từ đó nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ (Bruno Esteves và ctv, 2007; Duygu Kocaefe và ctv, 2008; Le Xuan Phuong và ctv, 2007; Vu Manh Tuong và Li Jian, 2010, 2011; Yang Xiaojun, 2004). Đồng thời trong quá trình biến tính nhiệt, trong gỗ phát sinh hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp, làm thay đổi các thành phần của gỗ, giảm chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh tồn của nấm và 7 côn trùng hại gỗ, đã tạo ra khả năng ngăn cản sự sinh trưởng và phát triển của nấm và côn trùng hại gỗ qua việc cắt đứt chuỗi thức ăn, vì vậy có thể nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hại (Michiel Boonstra và ctv, 2007; Duygu Kocaefe và ctv, 2008; Le Xuan Phuong và ctv, 2006). Công nghệ biến tính nhiệt chỉ sử dụng tác nhân vật lý, so với các công nghệ sử dụng tác nhân hóa học khác, vấn đề ô nhiễm trong quá trình sản xuất bằng công nghệ biến tính nhiệt ít hơn rõ rệt.
Các bước công nghệ khi xử lý cũng rất đơn giản, đặc biệt hơn nữa là hiệu quả bảo quản của gỗ biến tính nhiệt không bị suy giảm do rửa trôi hay bay hơi khi so với gỗ xử lý bằng hóa chất. Gỗ biến tính nhiệt cũng không làm hại đến sức khỏe của con người trong quá trình sử dụng. Ở các nước Châu Âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan, Canada… đã thiết lập được các công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan, OHT - Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký các bằng sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Công nghệ biến tính nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan sử dụng các công đoạn khác nhau khi tiến hành xử lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nước với sấy và ổn định hóa.
Trong quá trình xử lý, tác dụng của thủy nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ. Phương pháp này chủ yếu được cấu thành từ hai giai đoạn chính và giai đoạn sấy trung gian. Giai đoạn thứ nhất, tiến hành xử lý gỗ tươi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160 oC đến 190 oC với áp suất nhất định, sau đó sử dụng phương pháp sấy thông thường làm giảm độ ẩm gỗ. Tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ được đặt trong môi trường có nhiệt độ 170 oC đến 190 oC để tiến hành xử lý ổn định hóa.
Thời gian xử lý của quá trình này phụ thuộc vào loại gỗ, độ dày, hình dạng ván… (Holger Militz và Ir. Công nghệ biến tính dầu nhiệt (OHT) sử dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành biến tính gỗ, nhiệt độ thường dùng từ 160 oC trở lên (Jie Ying Wang và P. 8 Công nghệ biến tính nhiệt Retification (Michel Vernois, 2000; Xie Yanjun và ctv, 2002) của Pháp sử dụng gỗ phơi khô (độ ẩm khoảng 12%), tiến hành xử lý ở nhiệt độ 200 oC đến 240 oC, trong môi trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 5%. Với công nghệ này, nhiệt độ xử lý cuối cùng trong quá trình xử lý có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và cường độ gỗ.
Gỗ sau khi biến tính, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời gian xử lý. Công nghệ biến tính nhiệt ThermoWood của Phần Lan sử dụng gỗ đã sấy tiến hành biến tính nhiệt trong môi trường hơi nước (Thermowood, 2003). Theo công nghệ này, gỗ biến tính nhiệt được phân cấp thành 2 loại với các đặc điểm và ứng dụng như bảng 1. Ứng dụng gỗ biến tính cấp độ Thermo-S Gỗ lá kim Thermo-S Gỗ lá rộng Thermo-S Nhiệt độ biến tính: 190 oC Nhiệt độ biến tính: 185 oC - Cấu kiện xây dựng - Đồ gỗ - Đồ gỗ trong điều kiện khô - Sàn - Đồ gỗ sân vườn - Chi tiết trong phòng xông hơi - Ghế xông hơi - Đồ gỗ sân vườn - Chi tiết cửa Bảng 1.
Ứng dụng gỗ biến tính cấp độ Thermo-D Gỗ lá kim Thermo-S Gỗ lá rộng Thermo-S Nhiệt độ biến tính: 212 oC Nhiệt độ biến tính: 200 oC - Sàn ngoài trời - Đồ gỗ - Cửa ngoài trời - Sàn - Phòng tắm, phòng xông hơi - Chi tiết trong phòng xông hơi - Sàn gỗ - Đồ gỗ sân vườn - Đồ gỗ sân vườn Ở cấp độ biến tính Thermo-S hoặc Thermo-D với gỗ lá kim có sự thay đổi rõ ràng hơn so với gỗ lá rộng, đặc biệt ở mức độ thay đổi độ bền sinh học, và chịu thời 9 tiết. Với gỗ lá rộng theo công nghệ ThermoWood khi biến tính ở cấp độ Thermo-D (nhiệt độ biến tính 200b oC) thì mức độ thay đổi mới tương đương gỗ lá kim ở cấp độ Thermo-S (nhiệt độ biến tính 190 oC). Ngoài các công nghệ điển hình trên, trong những năm trở lại đây, đã xuất hiện thêm nhiều công nghệ khác, dựa trên các nguyên lý chính để biến tính nhiệt cho gỗ đã nêu ở trên như Termovuoto (Thermo-vacuum treated [TVT] wood)…. Dưới đây là bảng tổng hợp so sánh đặc điểm của các công nghệ biến tính nhiệt gỗ hiện nay (Andreas O.
Rapp và Michael Sailer; Dick Sandberg và Andreja Kutnar, 2016; Dick Sandberg và ctv, 2017).