Tổng quan luận án

Công nghệ biến tính gỗ bằng nhiệt độ cao (biến tính nhiệt) là giải pháp xử lý vật lý không sử dụng hóa chất, thân thiện với môi trường, giúp nâng cao độ ổn định kích thước, cải thiện khả năng chống chịu sinh vật hại gỗ và làm biến đổi màu sắc gỗ tự nhiên. Tại Việt Nam, trước chủ trương đóng cửa rừng tự nhiên và hạn chế khai thác các loài gỗ quý hiếm, nguồn nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ phụ thuộc chủ yếu vào gỗ rừng trồng mọc nhanh. Tuy nhiên, các loài gỗ này thường có nhược điểm cố hữu là độ bền tự nhiên thấp, dễ bị nấm mốc, mối mọt tấn công, độ co rút dãn nở lớn và cơ tính không đồng đều. Các nghiên cứu về biến tính nhiệt ở Việt Nam trước đây chủ yếu tập trung vào các loài gỗ phía Bắc như Keo, Bạch đàn, phần lớn xử lý trong môi trường thủy nhiệt hoặc trên gỗ đã qua sấy khô. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần xác lập quy trình công nghệ biến tính nhiệt trực tiếp từ gỗ tươi trong môi trường không khí ở áp suất khí quyển cho các loài gỗ rừng trồng phổ biến ở khu vực phía Nam.

Luận án "Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt một số loài gỗ Việt Nam" của nghiên cứu sinh Hoàng Văn Hòa, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đặng Đình Bôi tại Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Kỹ thuật Chế biến lâm sản, mã số 9 54 90 01, năm 2023), được triển khai nhằm giải quyết khoảng trống này.

Mục tiêu tổng quát của luận án là bổ sung thông tin cho cơ sở lý thuyết của công nghệ biến tính nhiệt trong môi trường không khí áp suất khí quyển, đồng thời làm căn cứ xác định thông số công nghệ và đề xuất chế độ biến tính phù hợp cho 3 loài gỗ rừng trồng mọc nhanh ở phía Nam Việt Nam.

Mục tiêu cụ thể của luận án gồm ba nội dung:

  1. Xác định mối liên hệ giữa thông số công nghệ biến tính nhiệt với các tính chất vật lý, cơ học, màu sắc và cấu tạo hiển vi của 3 loài gỗ: Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su.
  2. Xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ biến tính nhiệt đến độ bền sinh học của gỗ, bao gồm mức độ chống nấm mốc và chống mối.
  3. Xác định chế độ biến tính nhiệt phù hợp (nhiệt độ và thời gian) cho từng loài gỗ nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Gỗ Thông ba lá (Pinus insularis) 35 năm tuổi và gỗ Bạch tùng (Dacrycarpus imbricatus) 35 năm tuổi thu thập tại tỉnh Lâm Đồng; gỗ Cao su (Hevea brasiliensis) 28 năm tuổi thu thập tại tỉnh Bình Dương.
  • Phạm vi: Gỗ xẻ tươi có độ ẩm ban đầu từ 80% đến 85%, quy cách mẫu thử 40 × 120 × 500 mm; biến tính trong môi trường không khí áp suất khí quyển với các dải nhiệt độ từ 170 °C đến 210 °C và thời gian từ 4 giờ đến 12 giờ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Nghiên cứu về biến tính nhiệt trên thế giới đã có lịch sử phát triển lâu dài. Ngay từ năm 1915, H. Tiemann đã công bố nghiên cứu sấy gỗ ở 150 °C trong 4 giờ giúp giảm tính hút ẩm 10–25%. Tiếp đó, Stamm và Hansen (1937) phát hiện xử lý nhiệt trong môi trường khí bảo vệ làm giảm độ ẩm bão hòa và tỷ lệ co dãn của gỗ. Các nghiên cứu tiếp theo đã phát triển thành các sản phẩm như Staypack (R. Seborg và ctv, 1945) và Staybwood (A. Stamm và ctv, 1946). Từ thập niên 1990 đến nay, nhiều công nghệ thương mại đã được chuẩn hóa tại châu Âu và Bắc Mỹ, bao gồm:

  • Công nghệ PlatoWood (Hà Lan): Quy trình thủy - nhiệt kết hợp nhiều giai đoạn (160–190 °C dưới áp suất hơi bão hòa, sau đó sấy và ổn định hóa ở 170–190 °C).
  • Công nghệ ThermoWood (Phần Lan): Sử dụng hơi nước bảo vệ, chia thành hai cấp độ chất lượng chính là Thermo-S (xử lý ở 185–190 °C nhằm tăng tính ổn định) và Thermo-D (xử lý ở 200–212 °C nhằm tăng độ bền sinh học).
  • Công nghệ Retification và Le Bois Perdure (Pháp): Biến tính trong môi trường khí trơ Nitơ có hàm lượng oxy dưới 2% hoặc môi trường hơi nước ở nhiệt độ 200–240 °C.
  • Công nghệ OHT (Đức): Biến tính trong môi trường dầu thực vật ở 180–220 °C.
  • Công nghệ Termovuoto / TVT (Ý): Biến tính trong điều kiện chân không ở 160–220 °C.

Các công bố quốc tế của Bruno Esteves và ctv (2007, 2008b), Duygu Kocaefe và ctv (2008), Michiel Boonstra và ctv (2007), Callum A. Hill (2006b), Ekrem Durmaz và ctv (2019), Osman Perçin và ctv (2015), Ahmet Can và ctv (2021), René Herrera-Díaz và ctv (2019) đã chỉ rõ: nhiệt độ xử lý tác động mạnh hơn thời gian xử lý; biến tính nhiệt làm suy giảm các nhóm hydroxyl (-OH) tự do, giảm độ ẩm thăng bằng (EMC), tăng hiệu quả chống trương nở (ASE), giảm độ bền uốn tĩnh (MOR), làm sẫm màu gỗ theo hệ CIELab và tăng khả năng kháng nấm mục (Kamdem và ctv, 2000, 2002; Guyonnet, 2003; Cao Shuai và ctv, 2022).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu bao gồm: Phạm Văn Chương và Vũ Mạnh Tường (2013a) nghiên cứu biến tính nhiệt gỗ Keo lá tràm sau khi xử lý chậm cháy; Nguyễn Trung Hiếu và Trần Văn Chứ (2013) nghiên cứu biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng; Đặng Đình Bôi và ctv (2014, 2016) nghiên cứu biến tính gỗ Cao su theo quy trình ThermoWood; Nguyễn Văn Diễn và Lê Xuân Phương (2015) nghiên cứu chế độ thủy nhiệt cho gỗ Bạch đàn Uro; Trần Văn Chứ, Vũ Mạnh Tường, Hoàng Việt, Nguyễn Thị Minh Nguyệt, Lý Tuấn Trường (2015, 2016) nghiên cứu biến tính nhiệt gỗ Keo lai và Bạch đàn.

Vị trí của luận án: Trong khi các công nghệ quốc tế đòi hỏi cấp hơi nước, khí trơ Nitơ hoặc dầu tốn kém, và các nghiên cứu trong nước trước đó chủ yếu áp dụng trên gỗ rừng trồng phía Bắc đã qua sấy khô, luận án này lựa chọn hướng đi mới: biến tính trực tiếp gỗ xẻ tươi (độ ẩm 80–85%) của 3 loài cây kinh tế phía Nam (Thông ba lá, Bạch tùng, Cao su) trong môi trường không khí áp suất khí quyển, tận dụng chính lượng ẩm bốc hơi từ gỗ trong giai đoạn sấy nhiệt độ cao để tạo môi trường bảo vệ tự thân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Quá trình biến tính nhiệt dựa trên cơ chế nhiệt giải các thành phần cấu tạo vách tế bào gỗ:

  • Hemixenlulo là thành phần kém bền nhiệt nhất, bắt đầu phân hủy mạnh từ 160 °C đến 200 °C, tạo thành axit axetic, furfural và các hợp chất bay hơi. Quá trình này làm suy giảm nghiêm trọng số lượng nhóm hydroxyl (-OH) ưa nước tự do, dẫn đến hiện tượng este hóa nội tại và giảm khả năng liên kết với nước của gỗ.
  • Xenlulo có độ bền nhiệt cao hơn; trong khoảng nhiệt độ biến tính 170–210 °C, vùng vô định hình của xenlulo bị suy thoái cục bộ trong khi độ kết tinh tương đối của xenlulo tăng lên, làm gỗ giòn hơn nhưng tăng tính kỵ nước.
  • Lignin bị biến đổi cấu trúc, tham gia phản ứng đa tụ và ngưng tụ với các sản phẩm phân giải từ hemixenlulo, làm thay đổi phổ phản xạ quang học và khiến gỗ chuyển sang màu sẫm.
  • Khả năng chống chịu sinh vật tăng lên do mất đi nguồn dinh dưỡng dễ tiêu (đường mạch ngắn từ hemixenlulo) và độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm xuống dưới ngưỡng thích hợp cho nấm mốc và mối phát triển.

Thiết bị và dụng cụ nghiên cứu

  • Lò sấy thí nghiệm: Model OF-22, dải nhiệt độ 10–250 °C, độ dao động nhiệt ±0,8 °C ở 100 °C, kích thước buồng 460 × 550 × 600 mm.
  • Thiết bị thử cơ lý: Máy kéo nén vạn năng INSTRON 3367 (Hoa Kỳ), tải trọng tối đa 30 kN (3.000 kgf), độ chính xác chuyển vị cao.
  • Đo màu sắc: Máy đo màu quang phổ Konica Minolta Chroma Meter CR-400 (hệ màu CIELab: $L^$, $a^$, $b^*$).
  • Cấu tạo hiển vi: Kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi TM4000Plus.
  • Thử nghiệm sinh học: Nồi hấp tiệt trùng tự động MC-40L (dung tích 105 lít, áp suất 16 MPa, nhiệt độ đến 127 °C), tủ ấm lắc ngang Wisd Model 3005 (tần số 20–500 vòng/phút), tủ cấy vi sinh vô trùng Esco.
  • Cân phân tích TE-612 (Đức, độ chính xác ±0,01 g), thước kẹp điện tử (độ chính xác ±0,02 mm).

Thiết kế thực nghiệm và xử lý số liệu

Quy trình biến tính gồm 5 giai đoạn liên tục trong buồng kín áp suất khí quyển:

  1. Giai đoạn 1 (Làm nóng): Nâng nhiệt từ 35 °C lên 100 °C trong 1,0 giờ, sau đó từ 100 °C lên 135 °C trong 0,5 giờ.
  2. Giai đoạn 2 (Sấy nhiệt độ cao): Duy trì ở 135 °C trong 4,5 giờ để gỗ thoát ẩm, hơi nước thoát ra chiếm giữ không gian lò làm môi trường bảo vệ.
  3. Giai đoạn 3 (Gia nhiệt trước biến tính): Nâng từ 135 °C lên nhiệt độ biến tính theo tốc độ định sẵn.
  4. Giai đoạn 4 (Biến tính nhiệt): Duy trì tại các mức nhiệt độ và thời gian nghiên cứu.
  5. Giai đoạn 5 (Làm nguội): Để nguội tự nhiên trong buồng xử lý kín.

Thiết kế thí nghiệm gồm hai bước:

  • Thí nghiệm đơn yếu tố: Khảo sát 5 mức nhiệt độ (170, 180, 190, 200, 210 °C với thời gian cố định 8 giờ) và 5 mức thời gian (4, 6, 8, 10, 12 giờ với nhiệt độ cố định 190 °C).
  • Thí nghiệm đa yếu tố: Áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) theo mô hình thiết kế tâm xoay phức hợp (Central Composite Design - CCD) bậc 2 với 2 biến độc lập ($X_1$: Nhiệt độ biến tính, $X_2$: Thời gian biến tính).
Mức mã hóa Nhiệt độ biến tính $X_1$ (°C) Thời gian biến tính $X_2$ (giờ)
$-\alpha$ (-1,414) 176 5,2
Mức dưới (-) (-1) 180 6,0
Mức cơ sở (0) 190 8,0
Mức trên (+) (+1) 200 10,0
$+\alpha$ (+1,414) 204 10,8
Khoảng biến thiên ($\Delta$) 10 2,0

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về công nghệ biến tính nhiệt, phân loại các công nghệ biến tính trên thế giới (FWD, PlatoWood, ThermoWood, Le Bois Perdure, Retification, OHT, Termovuoto TVT), phân tích tiêu chuẩn phân cấp sản phẩm Thermo-S và Thermo-D của Hiệp hội Gỗ biến tính nhiệt Phần Lan. Tác giả tổng kết các công trình nghiên cứu về quy luật suy giảm khối lượng, cơ chế giảm độ hút ẩm, biến đổi độ ổn định kích thước (ASE), hiệu quả chống hút nước (WRE), suy giảm cơ tính (MOR, MOE, CS) và cơ chế chuyển đổi màu sắc dưới tác động nhiệt phân hóa học. Đồng thời, chương này tổng hợp các đặc tính cơ lý ban đầu của 3 loài gỗ nghiên cứu tại Việt Nam làm căn cứ đối chứng.

Chỉ tiêu cơ lý ban đầu Đơn vị Thông ba lá Bạch tùng Cao su
Khối lượng riêng (độ ẩm 12%) g/cm³ 0,75 0,56 0,55
Điểm bão hòa thớ gỗ (FSP) % 35,0 24,0 29,5
Hệ số co rút thể tích - 0,51 0,53 -
Độ bền uốn tĩnh (MOR) MPa 204,0 99,6 73,7
Độ bền nén dọc thớ (CS) MPa 74,6 36,6 44,3
Độ bền tách kg/cm 12,1 17,7 13,54
Hệ số uốn va đập - 0,66 1,22 -

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc vật liệu gỗ xẻ tươi (Thông ba lá, Bạch tùng từ Lâm Đồng; Cao su từ Bình Dương), quy cách tạo mẫu (40 × 120 × 500 mm, độ ẩm 80–85%), hệ thống thiết bị thực nghiệm (lò OF-22, máy INSTRON 3367, CR-400, SEM TM4000Plus, MC-40L, Wisd 3005, Esco). Chương này thiết lập quy trình biến tính 5 giai đoạn không sử dụng khí bảo vệ ngoài, xác lập ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 và quy định phương pháp thử nghiệm các chỉ tiêu:

  • Xác định khối lượng riêng và độ hao hụt khối lượng riêng ($DL$).
  • Thử nghiệm độ hút ẩm, độ ẩm thăng bằng ($EMC$), hiệu quả cách ẩm ($MEE$).
  • Thử nghiệm độ trương nở thể tích ($SV$), hiệu quả chống trương nở ($ASE$).
  • Thử nghiệm độ hút nước ($WA$), hiệu quả chống hút nước ($WRE$).
  • Thử nghiệm độ bền uốn tĩnh ($MOR$), độ giảm uốn tĩnh ($ML$), độ bền nén dọc thớ ($CS$), biến thiên nén dọc ($CSL$).
  • Đo màu sắc theo hệ CIELab ($L^, a^, b^$), tính sai lệch độ sáng ($\Delta L^$) và sai lệch màu tổng thể ($\Delta E$).
  • Đánh giá khả năng kháng nấm mốc trong phòng thí nghiệm (nuôi cấy trên môi trường thạch PGA và WA trong 8 tuần, tính tỷ lệ diện tích bề mặt nhiễm mốc).
  • Đánh giá khả năng kháng mối thực địa (đóng cọc gỗ ngẫu nhiên tại bãi đất có mật độ mối cao được dẫn dụ bằng bã mía, theo dõi thời điểm mối bắt đầu tấn công).
  • Phân tích cấu trúc giải phẫu hiển vi bằng ảnh chụp SEM ở các mặt cắt ngang, xuyên tâm và tiếp tuyến.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được và thảo luận chuyên sâu về cơ chế biến đổi:

  1. Tính chất vật lý của gỗ biến tính nhiệt:
    • Hao hụt khối lượng riêng ($DL$): Tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ và thời gian xử lý, dao động từ 3% đến 21% ở cả 3 loài gỗ.
    • Tính hút ẩm và hiệu quả cách ẩm ($MEE$): Độ ẩm thăng bằng ($EMC$) của gỗ sau biến tính giảm mạnh, đạt 6–8% (ở điều kiện 20 °C, độ ẩm tương đối 65%). Hiệu quả cách ẩm $MEE$ đạt trên 50% so với mẫu đối chứng không biến tính.
    • Độ ổn định kích thước ($ASE$): Hiệu quả chống trương nở tăng rõ rệt khi tăng nhiệt độ và kéo dài thời gian biến tính. Cụ thể: gỗ Cao su đạt $ASE$ từ 30% đến 50%; gỗ Thông ba lá đạt từ 12% đến 40%; gỗ Bạch tùng đạt từ 20% đến 40%.
    • Hiệu quả chống hút nước ($WRE$): Có tăng nhẹ nhưng mức độ cải thiện không lớn. Gỗ Cao su đạt $WRE$ từ 12% đến 18%; gỗ Thông ba lá từ 5% đến 12%; gỗ Bạch tùng từ 2% đến 15%.
Chỉ tiêu vật lý biến tính Gỗ Thông ba lá Gỗ Bạch tùng Gỗ Cao su
Mức hao hụt khối lượng riêng ($DL$) 3% – 21% 3% – 21% 3% – 21%
Hiệu quả chống trương nở ($ASE$) 12% – 40% 20% – 40% 30% – 50%
Hiệu quả chống hút nước ($WRE$) 5% – 12% 2% – 15% 12% – 18%
Độ ẩm thăng bằng ($EMC$ ở 20 °C, 65% RH) 6% – 8% 6% – 8% 6% – 8%
Hiệu quả cách ẩm ($MEE$) > 50% > 50% > 50%

  1. Tính chất cơ học của gỗ biến tính nhiệt:

    • Độ bền uốn tĩnh ($MOR$) suy giảm đáng kể: Mức độ giảm độ bền uốn ($ML$) của gỗ Bạch tùng vượt trên 30%, gỗ Thông ba lá giảm trên 40%. Gỗ Cao su có mức suy giảm độ bền uốn thấp nhất trong 3 loài.
    • Độ bền nén dọc thớ ($CS$): Có sự khác biệt rõ rệt giữa các loài. Độ bền nén dọc thớ của gỗ Cao su tăng lên sau biến tính, trong khi độ bền nén dọc của gỗ Thông ba lá và Bạch tùng có xu hướng giảm.
    • Cơ chế: Do sự suy thoái nhiệt phân của hemixenlulo làm suy yếu liên kết giữa các bó vi sợi xenlulo trong vách tế bào, dẫn đến tính giòn tăng và khả năng chịu tải uốn giảm.

  2. Biến đổi màu sắc:

    • Chỉ số độ sáng $L^*$ giảm mạnh khi nhiệt độ và thời gian xử lý tăng, làm gỗ chuyển sang tông màu nâu sẫm đồng nhất từ bề mặt vào đến lõi.
    • Sự thay đổi màu sắc tạo ra các dải màu tương đồng với một số loài gỗ rừng tự nhiên quý hiếm có giá trị kinh tế cao như Tếch (Tectona grandis), Căm xe (Xylia xylocarpa), Óc chó (Juglans nigra).
    • Tác giả đã lập bảng phân loại cấp màu sắc của gỗ biến tính dựa trên các thông số $L^, a^, b^*$, cho phép điều khiển chế độ công nghệ để định hướng màu sản phẩm theo yêu cầu thiết kế nội thất.

  3. Độ bền sinh học và cấu tạo hiển vi:

    • Kháng nấm mốc: Sau 8 tuần thử nghiệm cấy nấm, diện tích bề mặt bị nhiễm nấm mốc của các mẫu gỗ Thông ba lá và Cao su biến tính nhiệt giảm rõ rệt so với mẫu đối chứng.
    • Kháng mối: Các mẫu gỗ biến tính đóng cọc tại thực địa kéo dài đáng kể thời gian bắt đầu bị mối xâm hại và tấn công so với mẫu chưa xử lý.
    • Cấu tạo hiển vi (SEM): Ảnh chụp kính hiển vi quét điện tử cho thấy cấu trúc vách tế bào, quản bào ở gỗ lá kim (Thông ba lá, Bạch tùng) và mạch gỗ, sợi gỗ ở gỗ lá rộng (Cao su) không bị phá hủy hoặc nứt vỡ nghiêm trọng ở hầu hết các chế độ biến tính khảo sát.

  4. Xây dựng mô hình toán học và tối ưu hóa công nghệ:

    • Thiết lập hệ phương trình hồi quy bậc 2 biểu diễn mối quan hệ giữa các biến công nghệ ($X_1$: Nhiệt độ, $X_2$: Thời gian) với các hàm mục tiêu ($DL, ASE, WRE, ML, CSL$).
    • Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng đồ thị contour (đường đồng mức) để tìm điểm thông số công nghệ dung hòa giữa việc đạt $ASE, WRE$ cao nhất, màu sắc đẹp nhưng mức độ suy giảm cơ tính ($ML, CSL$) và hao hụt khối lượng ($DL$) nằm trong giới hạn cho phép.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Ứng dụng công nghệ biến tính nhiệt trong môi trường không khí áp suất khí quyển: Xây dựng thành công quy trình xử lý không cần bổ sung môi trường bảo vệ từ bên ngoài (như khí trơ Nitơ, hơi nước quá nhiệt độc lập hay dầu thực vật), giúp đơn giản hóa cấu tạo thiết bị và giảm chi phí vận hành.
  2. Xử lý trực tiếp từ nguồn gỗ tươi chưa qua sấy: Luận án áp dụng biến tính trực tiếp cho gỗ xẻ tươi có độ ẩm cao (80–85%), vận hành chu trình 5 giai đoạn liên hoàn và tận dụng chính lượng hơi ẩm bốc ra từ gỗ trong buồng kín ở giai đoạn sấy 135 °C để tự tạo môi trường bảo vệ chống cháy xém trong giai đoạn biến tính nhiệt độ cao (170–210 °C).
  3. Xây dựng hệ thống mô hình toán học thực nghiệm: Thiết lập bộ phương trình tương quan bậc 2 mô tả định lượng ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian biến tính đến các chỉ tiêu vật lý ($DL, ASE, WRE$), cơ học ($ML, CSL$), màu sắc ($L^, a^, b^*$) cho 3 loài gỗ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su.
  4. Xác lập bảng phân cấp màu sắc gỗ biến tính: Định lượng mối quan hệ giữa chế độ nhiệt và màu sắc tạo thành, cung cấp cơ sở kiểm soát công nghệ để tạo ra sản phẩm gỗ rừng trồng có màu sắc tương đương các loài gỗ quý (Tếch, Căm xe, Óc chó).
  5. Xác định chế độ công nghệ biến tính nhiệt tối ưu: Đưa ra bộ thông số nhiệt độ và thời gian thích hợp cho từng loài gỗ cụ thể, đảm bảo cải thiện tối đa độ ổn định kích thước và độ bền sinh học mà hạn chế thấp nhất tổn thất độ bền uốn tĩnh.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Về phạm vi ứng dụng sản phẩm: Gỗ biến tính nhiệt từ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su có hiệu quả cách ẩm ($MEE > 50%$) và độ ổn định kích thước cao ($ASE$ đạt 30–50%), nhưng hiệu quả chống hút nước tiếp xúc trực tiếp còn thấp ($WRE < 20%$). Do đó, sản phẩm phù hợp sử dụng cho đồ nội thất, kiến trúc cảnh quan, môi trường có độ ẩm không khí cao thường xuyên, hoặc các hạng mục ngoài trời nhưng không được tiếp xúc ngâm trực tiếp trong nước trong thời gian dài.
  • Về kết cấu sản phẩm: Do độ bền uốn tĩnh ($MOR$) bị suy giảm từ 30% đến trên 40%, các thiết kế đồ gỗ chịu lực uốn lớn cần tăng tiết diện thanh gỗ hoặc tính toán bù trừ tải trọng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm của luận án được thực hiện trên quy mô lò thí nghiệm buồng nhỏ với quy cách mẫu 40 × 120 × 500 mm. Ảnh hưởng của gradient nhiệt độ và độ ẩm trong các khối gỗ có kích thước thương mại lớn hơn chưa được khảo sát toàn diện.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thử nghiệm mở rộng quy trình công nghệ trên thiết bị biến tính nhiệt quy mô công nghiệp với mẻ sấy thể tích lớn.
    • Nghiên cứu công nghệ phủ bề mặt, hoàn thiện màng sơn nhằm khắc phục nhược điểm chống hút nước lỏng ($WRE$ thấp) của gỗ biến tính.
    • Khảo sát sâu hơn về độ bền dán dính màng keo và khả năng gia công cắt gọt của 3 loài gỗ sau khi biến tính nhiệt.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Chế biến lâm sản, Công nghệ Gỗ và Khoa học Vật liệu: Tham khảo phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM/CCD bậc 2, quy trình thử nghiệm độ bền sinh học (nấm mốc, mối) và phương pháp phân tích ảnh SEM vách tế bào gỗ.
  • Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp chế biến gỗ: Tham khảo chế độ công nghệ cụ thể (nhiệt độ, thời gian) và chu trình 5 giai đoạn để ứng dụng chế tạo thiết bị sấy - biến tính nhiệt liên hoàn cho gỗ tươi, tận dụng nguồn nguyên liệu gỗ Cao su, Thông ba lá, Bạch tùng nhằm nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm đồ gỗ nội ngoại thất.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình công nghệ biến tính nhiệt của luận án có điểm gì khác biệt cơ bản so với công nghệ ThermoWood hay Retification?

Công nghệ ThermoWood (Phần Lan) yêu cầu cấp hơi nước bảo vệ liên tục từ nguồn ngoài và xử lý trên gỗ đã sấy, trong khi công nghệ Retification (Pháp) phải sử dụng môi trường khí trơ Nitơ có nồng độ oxy dưới 2%. Quy trình của luận án thực hiện trực tiếp trên gỗ tươi (độ ẩm 80–85%) trong buồng kín ở áp suất khí quyển, tận dụng chính lượng ẩm tự nhiên bốc hơi từ gỗ trong giai đoạn sấy 135 °C để tạo môi trường bảo vệ, không cần cấp khí trơ hay hơi nước ngoài.

2. Biến tính nhiệt tác động như thế nào đến độ bền cơ học của 3 loài gỗ nghiên cứu?

Biến tính nhiệt làm giảm đáng kể độ bền uốn tĩnh ($MOR$): độ giảm độ bền uốn ($ML$) của gỗ Bạch tùng vượt trên 30%, gỗ Thông ba lá giảm trên 40%, còn gỗ Cao su có mức giảm thấp nhất. Đối với độ bền nén dọc thớ ($CS$), gỗ Cao su có xu hướng tăng độ bền nén sau xử lý, trong khi gỗ Thông ba lá và Bạch tùng lại bị giảm nhẹ độ bền nén dọc.

3. Hiệu quả cải thiện độ ổn định kích thước và độ hút ẩm của gỗ đạt mức nào?

Gỗ sau biến tính có độ ẩm thăng bằng ($EMC$) giảm xuống mức 6–8% (ở 20 °C, 65% RH), hiệu quả cách ẩm ($MEE$) đạt trên 50% so với mẫu đối chứng. Hiệu quả chống trương nở ($ASE$) tăng rõ rệt: gỗ Cao su đạt 30–50%, gỗ Bạch tùng đạt 20–40% và gỗ Thông ba lá đạt 12–40%.

4. Tại sao gỗ sau biến tính nhiệt có khả năng kháng nấm mốc và mối mọt tốt hơn?

Quá trình nhiệt phân ở 170–210 °C làm phân hủy thành phần hemixenlulo, loại bỏ nguồn thức ăn đường dễ tiêu của nấm mốc và côn trùng hại gỗ. Đồng thời, sự suy giảm số lượng nhóm hydroxyl (-OH) tự do làm giảm mạnh độ ẩm thăng bằng của gỗ xuống dưới ngưỡng độ ẩm thích hợp cho sự sinh trưởng của vi sinh vật.

5. Gỗ biến tính nhiệt từ 3 loài cây này phù hợp cho những ứng dụng thực tế nào?

Sản phẩm phù hợp sử dụng sản xuất đồ gỗ nội thất cao cấp, sàn gỗ, vách trang trí, cấu kiện trong phòng xông hơi, môi trường có hơi ẩm thường xuyên và các công trình kiến trúc cảnh quan ngoài trời. Tuy nhiên, do hiệu quả chống hút nước trực tiếp ($WRE$) chỉ đạt 2–18%, sản phẩm không phù hợp cho các hạng mục ngâm chìm hoặc tiếp xúc liên tục kéo dài với nước.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt một số loài gỗ Việt Nam" của tác giả Hoàng Văn Hòa đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu đặt ra, xác lập quy trình biến tính nhiệt 5 giai đoạn trong môi trường không khí áp suất khí quyển áp dụng trực tiếp cho gỗ xẻ tươi Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su. Công trình đã làm sáng tỏ quy luật biến đổi các tính chất vật lý, cơ học, màu sắc, độ bền sinh học và cấu tạo hiển vi, đồng thời thiết lập hệ thống mô hình toán học bậc 2 hỗ trợ tối ưu hóa chế độ công nghệ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc để chuyển giao công nghệ, góp phần nâng cao chất lượng và mở rộng phạm vi sử dụng nguồn gỗ rừng trồng thay thế gỗ tự nhiên tại Việt Nam.