CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Công nghệ xử lý nhiệt và công nghệ sản xuất tre ép khối 1. Công nghệ xử lý nhiệt Những năm gần đây, do chất lượng cuộc sống ngày càng cao, việc sử dụng hóa chất để xử lý biến tính tre đang dần dần làm hạn chế phạm vi sử dụng tre. Trong các loại phương pháp biến tính hiện nay thì phương pháp biến tính nhiệt được coi là thân thiện nhất, do trong quá trình xử lý không sử dụng bất cứ một loại hóa chất nào mà chỉ thông qua tác dụng của nhiệt độ làm thay đổi tính chất tre, tạo ra sản phẩm mới có tính năng tốt, đáp ứng yêu cầu sử dụng.
Từ đó, mở rộng được phạm vi sử dụng của nguyên liệu tre. Vì vậy, phương pháp biến tính nhiệt ngày càng được các nhà nghiên cứu quan tâm và ứng dụng phương pháp này cho xử lý các loại tre rừng trồng và các nguyên liệu họ tre trúc. Hiện tại, ở các nước Châu Âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập được 4 công nghệ biến tính nhiệt điển hình: 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 phát minh sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Công nghệ xử lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan sử dụng các công đoạn khác nhau tiến hành xử lý tre, 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 tre, gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của tre, gỗ. Phương pháp xử lý này chủ yếu được cấu thành từ hai công đoạn chính và công đoạn sấy trung gian. Giai đoạn thứ nhất, tiến hành xử lý tre, gỗ tươi trong điều kiện nhiệt độ từ 160-220oC với áp suất nhất định và môi trường ẩm ở một thời gian nhất định, trong giai đoạn này tiến hành duy trì nhiệt độ đến khi độ ẩm tre, gỗ đạt độ ẩm yêu cầu sau đó chuyển sang tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này tre, gỗ được đặt trong môi trường có nhiệt độ 170-190oC, tiến hành xử lý nhiệt độ cao ổn định hóa. Thời gian xử lý của quá trình này phụ thuộc và loại tre, gỗ.[40] Công nghệ xử lý dầu nhiệt (OHT) sử dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên luan an 4 thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành xử lý tre.
Nhiệt độ thường dùng từ 160oC trở lên. Công nghệ xử lý nhiệt dầu có chi phí cao hơn so với công nghệ xử lý thủy nhiệt [30]. Công nghệ xử lý nhiệt Retification sử dụng tre, gỗ phơi khô (MC khoảng 12%), tiến hành xử lý ở nhiệt độ 200-240oC, 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 tre, gỗ.
Tre, gỗ sau khi xử lý, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại tre, gỗ và nhiệt độ, thời gian xử lý [17]. Công nghệ xử lý nhiệt ThermoWood sử dụng tre, gỗ đã sấy tiến hành xử lý nhiệt trong môi trường hơi nước. Sản phẩm của công nghệ này được phân thành hai cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó “S-Stability” thể hiện tính ổn định, “D- Durability” thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mối mọt, mục. Loại công nghệ ThermoD là thích hợp sử dụng làm công trình kiến trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại, công nghệ này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, sản phẩm có thị trường lớn nhất so với các công nghệ còn lại [17].
Đặc điểm của tre xử lý nhiệt - Ổn định kích thước cao: Sau khi tre được xử lý nhiệt tính hút nước, hút ẩm của của tre giảm xuống, tỉ lệ co rút và dãn nở của tre giảm rõ rệt, hệ số chống co rút, dãn nở tăng lên. Do vậy, sau khi xử lý nhiệt tre có tính ổn định kích thước cao. Rất thích hợp làm vật liệu tre ép khối (với yêu cầu ổn định kích thước cao). -Màu sắc ổn định: Sau khi xử lý nhiệt, màu sắc của tre chuyển từ màu nhạt sang màu đậm hơn, trong quá trình sử dụng màu sắc tương đối ổn định.
- Nâng cao khả năng chống vi sinh vật, côn trùng phá hoại: Khả năng chống vi sinh vật, côn trùng phá hoại của tre sau khi xử lý nhiệt được cải thiện rất rõ rệt. Do, trong quá trình xử lý nhiệt nhiệt độ làm cho chất dinh dưỡng và độ ẩm của tre thay đổi, đã phá hoại môi trường sinh tồn của vi sinh vật và nấm mốc, dẫn đến loại trừ hoặc phá hoại điều kiện cần thiết để tồn tại của côn trùng, nấm và các loại vi sinh vật tự nhiên khác làm cho khả năng chống vi sinh vật, côn trùng được nâng lên [36]. - An toàn, thân thiện với môi trường: Xử lý nhiệt cho tre là công nghệ chỉ sử luan an 5 dụng tác nhân vật lý, trong quá trình xử lý chỉ sử dụng nhiệt độ và hơi nước hoặc khí trơ, không cho thêm bất cứ hóa chất nào, do đó tre xử lý nhiệt rất an toàn với môi trường, là loại vật liệu thân thiện với môi trường [36]. -Tính chất cơ học của tre thay đổi: Tre sau khi xử lý nhiệt, một lượng lớn hemicellulose bị phân giải và một bộ phận lignin bị thay đổi về cấu trúc, làm cho một số chỉ tiêu về tính chất cơ học của tre có xu hướng giảm sút.
khi nhiệt độ xử lý cao, thời gian xử lý dài độ bền kéo trượt màng keo sẽ giảm; độ bền uốn tĩnh của vật liệu tăng khi nhiệt độ xử lý dưới 150oC và giảm khi nhiệt độ xử lý ở trên 160oC; modul đàn hồi biến đổi không rõ nét [11], [41]. - Khả năng thấm ướt giảm: Tre sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng nhóm –OH giảm, góc tiếp xúc của chất lỏng và tre tăng lên, làm giảm khả năng thấm ướt. Do vậy, tre xử lý nhiệt thích hợp khi sử dụng ở những nơi có độ ẩm cao[36], [41]. - Dễ tạo hình, tạo dáng, dễ nén ép, có khả năng thẩm thấu keo cao.
Công nghệ sản xuất tre ép khối phổ biến tại Việt Nam [7] Tre ép khối là loại composite đặc biệt của tre, được tạo ra từ các nan tre và một số loại chất kết dính (keo) chuyên dùng phù hợp với mục đích sử dụng. Qua quá trình công nghệ đặc thù, các nan tre và chất kết dính tạo nên vật liệu composite có khối lượng thể tích và tính chất cơ học tương đương với các loại gỗ nhóm II, III rừng tự nhiên. Công nghệ sản xuất tre ép khối thường trải qua các công đoạn như Hình 1. Sơ đồ các bước sản xuất tre ép khối luan an 6 (1) Tre nguyên liệu Không phải bất kì loại tre nào cũng có thể sử dụng để sản xuất ván tre ép, chúng cần phải đảm bảo các tiêu chí kỹ thuật nhằm cho ra sản phẩm có chất lượng tốt.
Tại Việt Nam, cây Tre được lựa chọn là nguồn nguyên liệu cho sản xuất ván ép tre phải là một loài tre có đường kính lớn. Thân của cây có kích thước lớn với đường kính trung bình 8-10 cm. Cây được trồng và thu hoạch trong khoảng thời gian từ 5-6 năm. Tuy nhiên đối với tre Măng ngọt do độ tuổi khai thác từ 3-4 năm, chất lượng nguyên liệu thấp nên thường phải xử lý biến tính để nâng cao chất lượng nguyên liệu.
Đối với cây tre nói chung, nhiều chuyên gia đánh giá là nguồn tài nguyên tái sinh, là vật liệu bền vững trong tương lai. Những cây tre đạt chuẩn là những cây tre đã phát triển hoàn thiện, có độ cứng và độ bền tốt. Tre được thu hoạch bằng cách chặt hạ cây, cắt bỏ cành lá và cắt khúc thành nhiều đoạn có chiều dài khoảng 300 cm (Hình 1. Tre nguyên liệu “Nguồn: Nguyễn Quang Trung 2016” (2) Cắt khúc và bổ ống Các khúc tre đã đạt tiêu chí chất lượng sẽ được đưa qua bộ phận máy trẻ nan tre.
Nan tre sau khi tách sẽ có kích thước tương đương nhau nhờ vào khoảng cách giữa các lưỡi cẳt tròn đã được đo sẵn kích thước. Quá trình cắt khúc tùy thuộc vào từng loại kích thước sản phẩm yêu cầu, tuy nhiên chiều dài kích thước cắt khúc thông thường lựa chọn khoảng 3 m. Công tác bổ ổng được thực hiện bằng máy chẻ dạng ép thủy lực tịnh tiến, tre được bổ làm 2-4 phần bằng nhau tùy thuộc vào đường kính của thân cây tre. luan an 7 Hình 1.
Bổ nan tre bằng máy chẻ ống “Nguồn: Nguyễn Quang Trung 2016” (3) Bào - cán dập Đây là công đoạn giúp cho các nan tre thô có có độ đồng phẳng về chiều dày, loại bỏ phần cật bụng để tăng khả năng bám dính và thẩm thấu keo cho công đoạn tiếp theo. Tre sau khi bổ nan được đưa vào máy bào hai mặt loại bỏ cật, bụng sau đó được cán dập để tăng khả năng thẩm thấu của keo. Bào và cán dập tre “Nguồn: Nguyễn Quang Trung 2016” (4) Xử lý nhiệt Trong thành phần của tre có chứa đường, lignin, đây là nguồn dinh dưỡng hấp dẫn của mọt, mối. Để tránh không bị mọt tấn công tre thì các nhà sản xuất phải ngâm trong nước trong thời gian dài để chất đường này phân hủy.
Khi đó đường, luan an 8 tinh bột trong tre sẽ phân hủy. Do đó, thức ăn cho mọt sẽ hết và không còn môi trường cho mọt sinh sống. Ngày nay, các công ty, phân xưởng chế biến sản phẩm tre không chọn phương pháp ngâm này vì thời gian dài xử lý kéo dài và cũng tốn kém, đồng thời nó còn gây ô nhiễm cho nguồn nước. Hiện nay, Công nghệ xử lý tiên tiến là hấp ở nhiệt độ cao để đẩy nhanh quá trình phân hủy đường, tinh bột (Hình 1.
Theo phương pháp này, khi hấp chất đường sẽ nhanh chóng hòa tan trong nước và thải ra ngoài sợi tre. Cũng bằng cách này thì các nhà sản xuất giảm được thời gian, giảm chi phí và kiểm soát được vấn đề ô nhiễm nguồn nước. Khi không còn đường, tinh bột thì nguồn thức ăn cho mối, mọt không còn nữa. Do đó, mối mọt sẽ giảm xâm nhập vật liệu đã qua xử lý nhiệt.
Lò xử lý nhiệt cho nan tre “Nguồn: Nguyễn Quang Trung 2016” Sau khi xử lý nhiệt tre được để ổn định trong môi trường thường tối thiểu 24h trước khi làm công đoạn tiếp theo.