Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Gỗ tự nhiên là vật liệu truyền thống có giá trị cao trong đời sống, xây dựng, kiến trúc nội thất, giao thông và khai thác hầm mỏ nhờ các ưu điểm nổi bật về vân thớ, màu sắc và độ bền cơ học. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của gỗ là tính dễ bắt cháy, đặc biệt khi độ ẩm vật liệu giảm xuống mức độ ẩm cân bằng sử dụng ($10 - 12%$). Khi xảy ra hỏa hoạn, gỗ không chỉ là nhiên liệu duy trì sự cháy mà còn giải phóng lượng lớn nhiệt lượng và khói độc, gây nguy hiểm nghiêm trọng đến tính mạng con người và tài sản.

Gỗ Bạch đàn trắng (Eucalyptus camaldulensis Dehnh.) là loài cây gỗ sinh trưởng nhanh, được trồng rộng rãi tại Việt Nam và được ứng dụng nhiều trong xây dựng, đồ mộc, tà vẹt, cột chống hầm mỏ. Do đặc thù thành phần giải phẫu chứa hàm lượng tinh dầu cao, gỗ Bạch đàn trắng có tốc độ bắt lửa và cháy lan nhanh. Đồng thời, môi trường sử dụng ngoài trời hoặc hầm mỏ thường xuyên tiếp xúc với độ ẩm cao, khiến các loại hóa chất bảo quản và chống cháy thông thường dễ bị rửa trôi. Nhằm khắc phục nhược điểm này, khóa luận tập trung nghiên cứu ứng dụng hệ hóa chất phối trộn khó bị rửa trôi để xử lý chậm cháy cho gỗ Bạch đàn trắng.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Nâng cao tính năng chậm cháy cho gỗ Bạch đàn trắng (Eucalyptus camaldulensis Dehnh.) bằng việc ứng dụng hỗn hợp hóa chất Boric - Borat - Natrisilicat.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Lựa chọn hóa chất và xác định phương pháp đưa hợp chất chậm cháy vào gỗ Bạch đàn trắng.
    • Đánh giá khả năng chậm cháy của gỗ sau xử lý thông qua các chỉ tiêu: lượng thuốc thấm ($g/m^2$) và tỷ lệ tổn thất khối lượng sau khi đốt cháy theo tiêu chuẩn chuyên ngành.
    • Đánh giá mức độ ảnh hưởng của hóa chất chậm cháy đến cường độ dán dính của màng keo Polyvinyl Acetate (PVAc) trên bề mặt gỗ đã qua xử lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Gỗ Bạch đàn trắng (Eucalyptus camaldulensis Dehnh.) khai thác tại rừng thực nghiệm thuộc thị trấn Xuân Mai, huyện Chương Mỹ, tỉnh Hà Tây (nay thuộc Hà Nội), cây có đường kính $30 - 35\text{ cm}$, độ ẩm ban đầu $W > 55%$.
  • Hệ hóa chất xử lý: Hỗn hợp 3 cấu tử Boric ($H_3BO_3$), Natri Tetra Borat ($Na_2B_4O_7 \cdot 10H_2O$) và Natri Silicat ($Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$) pha chế theo tỷ lệ khối lượng $2:2:1$ (tương ứng $40% : 40% : 20%$).
  • Phạm vi phương pháp: Khảo sát hai phương pháp gia công hóa chất ở điều kiện thường áp gồm phương pháp quét bề mặt (nồng độ dung dịch $10%$, $15%$, $20%$) và phương pháp ngâm thường (nồng độ dung dịch $5%$, $10%$, $15%$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý luận dựa trên lý thuyết nhiệt phân và quá trình cháy của vật liệu lignocellulose, kết hợp các cơ chế ức chế cháy của các hợp chất vô cơ:

  • Lý thuyết nhiệt phân và quá trình cháy: Quá trình phân hủy nhiệt của gỗ diễn ra qua 4 vùng nhiệt độ đặc trưng: Vùng A ($< 200^\circ\text{C}$ - thoát ẩm và phân giải nhẹ), Vùng B ($200 - 280^\circ\text{C}$ - hemicellulose phân hủy tạo khí dễ cháy và than), Vùng C ($280 - 500^\circ\text{C}$ - cellulose nhiệt phân mãnh liệt tạo levoglucosan và cháy có ngọn lửa), Vùng D ($> 500^\circ\text{C}$ - lignin phân giải hoàn toàn và chuyển sang giai đoạn cháy than âm ỉ).
  • Cơ chế làm chậm cháy: Tác giả phân tích 4 thuyết làm chậm cháy:
    • Thuyết lớp phủ: Natri silicat và borat nóng chảy tạo màng bảo vệ dạng thủy tinh bao bọc bề mặt than, ngăn cách oxy với nền vật liệu.
    • Thuyết nhiệt: Phản ứng khử nước và biến đổi pha của các muối vô cơ thu nhiệt, hạ nhiệt độ bề mặt tiếp xúc.
    • Thuyết khí: Giải phóng hơi nước và các khí không cháy làm loãng nồng độ khí cháy trong vùng phản ứng ngọn lửa.
    • Thuyết hóa học: Axit boric và oxit boric ($B_2O_3$) xúc tác phản ứng khử nước của cellulose ở nhiệt độ thấp ($< 200^\circ\text{C}$), định hướng quá trình phân hủy chuyển thành than rắn và nước, hạn chế tạo thành các sản phẩm khí bay hơi dễ cháy ($CO$, $CH_4$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện theo các quy trình chuẩn hóa:

  • Phương pháp chuẩn bị mẫu: Mẫu thử được gia công từ phần gỗ giác và lõi của Bạch đàn trắng, sấy ổn định về độ ẩm sử dụng $10 - 12%$. Kích thước mẫu thử khả năng cháy là $150 \times 35 \times 16\text{ mm}$ (theo tiêu chuẩn ASTM E69-50); kích thước mẫu thử cường độ dán dính là $35 \times 25 \times t\text{ mm}$ (theo tiêu chuẩn JIAS-11).
  • Phương pháp xử lý hóa chất: Xử lý bằng quét bề mặt (chế độ quét đều tay với các nồng độ $10%$, $15%$, $20%$) và ngâm thường trong dung dịch ở nhiệt độ phòng (nồng độ $5%$, $10%$, $15%$). Mẫu sau khi tẩm/quét được sấy khô ở nhiệt độ $40 - 50^\circ\text{C}$ để đưa độ ẩm về mức $10 - 12%$.
  • Phương pháp đánh giá khả năng chậm cháy: Sử dụng phương pháp ống lửa (Fire-tube method) theo tiêu chuẩn ASTM E69-50. Đốt mẫu thử bằng đèn cồn trong ống kim loại đường kính $50\text{ mm}$, chiều dài $165\text{ mm}$, thời gian gia nhiệt 2 phút. Xác định thời gian bắt cháy, thời gian cháy có ngọn lửa, cháy âm ỉ và tính tỷ lệ tổn thất khối lượng theo công thức: $$M = \frac{M_1 - M_2}{M_1} \times 100\ (%)$$ (Trong đó $M_1$ là khối lượng trước khi đốt, $M_2$ là khối lượng sau khi đốt).
  • Phương pháp đánh giá cường độ dán dính: Mẫu gỗ sau xử lý được dán dính bằng keo nhũ tương PVAc 115A với lượng bôi keo $200\text{ g/m}^2$, ép nguội dưới áp lực $10\text{ kgf/cm}^2$ trong 30 phút. Kiểm tra ứng suất kéo trượt màng keo trên máy thử cơ lý vạn năng MTS Alligance RT/30 tại phòng thí nghiệm Khoa Chế biến Lâm sản.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày bức tranh toàn cảnh về nhu cầu sử dụng gỗ chậm cháy trong ngành xây dựng và sản xuất đồ gỗ trên thế giới và tại Việt Nam. Theo hệ thống phân loại vật liệu xây dựng của Châu Âu, việc xử lý chậm cháy giúp nâng cấp độ bắt lửa của gỗ từ nhóm D (dễ cháy) lên nhóm B (chậm cháy/khó cháy).

Tác giả tổng hợp lịch sử phát triển của các chất làm chậm cháy từ đầu thế kỷ 20, bao gồm các hợp chất vô cơ gốc Bo, Halogen, Phốt pho - Nitơ ($APP$), đến các hệ hóa chất trương nở thế hệ mới. Về phương pháp xử lý, các công nghệ tẩm áp lực chân không, ngâm nóng - lạnh và ngâm thường áp lực được so sánh về hiệu quả và chi phí đầu tư. Đối với Việt Nam, các nghiên cứu tập trung nhiều vào lĩnh vực chữa cháy, trong khi nghiên cứu công nghệ phòng và làm chậm cháy cho gỗ rừng trồng còn hạn chế.

Chương 1 cũng tổng quan chi tiết đặc tính sinh học, giải phẫu và cơ lý của gỗ Bạch đàn trắng (Eucalyptus camaldulensis):

  • Khối lượng thể tích cơ bản đạt $0,62\text{ g/cm}^3$, khối lượng thể tích khô kiệt đạt $0,72\text{ g/cm}^3$ (thuộc nhóm gỗ II thương phẩm).
  • Ở độ ẩm $12%$, cường độ uốn tĩnh đạt $50 - 142\text{ N/mm}^2$, mô đun đàn hồi uốn tĩnh đạt $8.000 - 18.800\text{ N/mm}^2$, ứng suất nén dọc thớ $39 - 76\text{ N/mm}^2$, trượt dọc thớ $7 - 17\text{ N/mm}^2$.

Chương 2: Cơ sở lí luận

Chương 2 phân tích sâu cấu trúc hóa học của gỗ và các chuyển hóa dưới tác dụng của nhiệt độ. Gỗ gồm các cấu tử chính: Cellulose ($40 - 50%$), Hemicellulose ($19 - 23%$ ở gỗ lá rộng), Lignin ($20 - 30%$) và các chất chiết xuất (tinh dầu, nhựa). Khi gia nhiệt:

  • Hemicellulose bắt đầu phân hủy nhiệt ở dải nhiệt độ $180 - 300^\circ\text{C}$.
  • Cellulose trải qua phản ứng khử nước và đứt mạch ở $250 - 320^\circ\text{C}$, phân giải tạo thành Levoglucosan và các khí cháy ($CO$, $CH_4$, $C_2H_6$).
  • Lignin biến đổi chậm chạp từ $170 - 450^\circ\text{C}$ và nhiệt phân tạo than ở nhiệt độ $> 500^\circ\text{C}$.

Chương này mô tả chi tiết cơ chế hóa học của hỗn hợp làm chậm cháy gốc Bo. Khi bị đốt nóng, Axit Boric ($H_3BO_3$) chuyển hóa thành Axit Metaboric ($HBO_2$) ở $80 - 100^\circ\text{C}$, Axit Tetraboric ($H_2B_4O_7$) ở $167^\circ\text{C}$, và thành Oxit Boric ($B_2O_3$) ở $276^\circ\text{C}$. Hỗn hợp này thúc đẩy quá trình cacbon hóa bề mặt, tạo lớp than xốp cách nhiệt, làm tăng tỷ lệ mol khí $CO/CO_2$ trong vùng cháy, từ đó làm giảm tổng nhiệt lượng phát thải từ $94,39\text{ kcal/mol}$ xuống mức thấp hơn đáng kể.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày các thông số kỹ thuật của vật liệu thực nghiệm và quy trình thí nghiệm:

  • Đặc tính hóa chất:
    • Axit Boric ($H_3BO_3$): Dạng tinh thể trắng, phân tử lượng 61,44, độ hòa tan $5\text{ g}/100\text{ g}$ nước ($20^\circ\text{C}$) và $40,3\text{ g}/100\text{ g}$ nước ($100^\circ\text{C}$), nhiệt độ phân hủy $320^\circ\text{C}$, pH = 4.
    • Natri Tetraborat ($Na_2B_4O_7 \cdot 10H_2O$): Phân tử lượng 387, pH = 9,5 ở $25^\circ\text{C}$, nhiệt độ phân hủy $387^\circ\text{C}$.
    • Natri Silicat ($Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$): Dạng tinh thể trắng sữa, phân tử lượng 284,22, tỷ trọng 1,03.
  • Tỷ lệ phối trộn dung dịch: Boric ($40%$) : Borat ($40%$) : Natrisilicat ($20%$).
  • Thông số keo dán PVAc 115A: Dạng nhũ tương trắng sữa, hàm lượng khô $35 \pm 1%$, độ nhớt $48.000 - 64.000\text{ Cps}$, khối lượng riêng $1,054\text{ g/cm}^3$, pH $4 - 5$.
  • Công thức xác định lượng thuốc thấm: $$M = \frac{(m_2 - m_1) \times 100 \times C}{D}\ (g/m^2)$$ (Trong đó $m_1, m_2$ là khối lượng gỗ trước và sau tẩm, $D$ là diện tích xung quanh mẫu, $C$ là nồng độ dung dịch).
  • Công thức tính cường độ dán dính kéo trượt màng keo: $$\sigma_k = \frac{P_{\max}}{b \times s}\ (N/mm^2)$$ (Trong đó $P_{\max}$ là lực phá hủy mẫu, $b \times s$ là diện tích mặt chịu lực kéo trượt).

Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Chương 4 cung cấp toàn bộ dữ liệu thực nghiệm về lượng thuốc thấm, tỷ lệ tổn thất khối lượng và cường độ dán dính keo PVAc:

Phương pháp Nồng độ dung dịch (%) Lượng thuốc thấm trung bình ($g/m^2$) Tỷ lệ tổn thất khối lượng ($%$) Phân loại mức độ cháy (ASTM E69-50) Cường độ trượt màng keo ($N/mm^2$)
Đối chứng (Không xử lý) 0 0 73,71 - 78,04 Vật liệu dễ cháy ($M > 20%$) 8,6 - 11,1
Quét bề mặt 10 16,26 13,56 Vật liệu khó bắt lửa ($9% \le M \le 20%$) 9,5
15 26,47 10,31 Vật liệu khó bắt lửa ($9% \le M \le 20%$) 8,1
20 39,98 8,23 Vật liệu khó cháy ($M < 9%$) 6,7
Ngâm thường 5 15,95 11,07 Vật liệu khó bắt lửa ($9% \le M \le 20%$) 6,7
10 35,54 8,08 Vật liệu khó cháy ($M < 9%$) 5,1
15 49,96 6,41 Vật liệu khó cháy ($M < 9%$) 3,9

Phân tích hình thái mẫu sau khi đốt cho thấy mẫu đối chứng bị cháy rụi gần như hoàn toàn thành than và tro xốp. Mẫu được xử lý hóa chất giữ được nguyên vẹn hình dáng kết cấu hình học, bề mặt chỉ xuất hiện lớp cacbon hóa mỏng bảo vệ lõi gỗ bên trong. Phương pháp ngâm thường cho độ sâu ngấm thuốc và khả năng chống cháy vượt trội hơn so với phương pháp quét ở cùng mức nồng độ.

Chương 5: Kết luận và khuyến nghị

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được về quy trình công nghệ xử lý chậm cháy cho gỗ Bạch đàn trắng và đề xuất các giải pháp hoàn thiện quy trình ở quy mô ứng dụng công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Nâng cao khả năng kháng cháy: Xử lý bằng hỗn hợp Boric - Borat - Natrisilicat ($2:2:1$) giúp chuyển đổi đặc tính cháy của gỗ Bạch đàn trắng từ nhóm vật liệu dễ cháy (tổn thất khối lượng ở mẫu đối chứng đạt $73,71 - 78,04%$) sang nhóm vật liệu khó bắt lửa ($10,31 - 13,56%$) và khó cháy ($6,41 - 8,23%$).
  2. Xác lập thông số công nghệ tối ưu:
    • Đối với phương pháp ngâm thường: Nồng độ dung dịch $10 - 15%$ cho lượng thuốc thấm đạt $35,54 - 49,96\text{ g/m}^2$, đưa tỷ lệ tổn thất khối lượng xuống $6,41 - 8,08%$, đạt cấp độ vật liệu khó cháy theo ASTM E69-50.
    • Đối với phương pháp quét: Nồng độ dung dịch $20%$ đạt lượng thuốc thấm $39,98\text{ g/m}^2$, tỷ lệ tổn thất khối lượng là $8,23%$.
  3. Đánh giá định lượng tác động dán dính: Quá trình tẩm hóa chất vô cơ làm suy giảm cường độ kéo trượt của màng keo PVAc 115A (phương pháp quét giảm từ $11,1\text{ N/mm}^2$ xuống $6,7\text{ N/mm}^2$ ở nồng độ $20%$; phương pháp ngâm giảm từ $8,6\text{ N/mm}^2$ xuống $3,9\text{ N/mm}^2$ ở nồng độ $15%$). Tuy nhiên, các giá trị này vẫn nằm trong giới hạn cho phép đối với kết cấu gỗ thông thường.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Khóa luận đóng góp dữ liệu thực nghiệm về khả năng thấm hút hóa chất và mức độ biến tính nhiệt của loài gỗ rừng trồng Bạch đàn trắng khi xử lý với hệ hóa chất đa cấu tử gốc Bo kết hợp Silicat.
  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật đơn giản (ngâm thường áp và quét bề mặt), chi phí thiết bị thấp, phù hợp với điều kiện sản xuất quy mô vừa và nhỏ tại các xưởng chế biến gỗ ở Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung khóa luận, các hạn chế và hướng mở nghiên cứu bao gồm:

  • Phạm vi phương pháp: Khóa luận mới khảo sát phương pháp ngâm thường và quét bề mặt ở điều kiện thường áp; chưa áp dụng phương pháp tẩm chân không áp lực (phương pháp tế bào đầy) để nâng cao độ sâu thấm thuốc vào phần gỗ lõi khó tẩm của Bạch đàn.
  • Tính chất vật lý - cơ học chưa khảo sát: Chưa đánh giá toàn diện mức độ ảnh hưởng của muối vô cơ đến tính hút ẩm bề mặt, hiện tượng kết tinh muối (efflorescence), tính ăn mòn kim loại khi liên kết đinh vít, khả năng bám dính của màng sơn và khả năng kháng nấm mốc mục gỗ.
  • Vấn đề môi trường: Cần tiếp tục nghiên cứu quy trình thu hồi và xử lý nước thải chứa hợp chất Bo và Silicat sau ngâm tẩm để ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Chế biến lâm sản, Công nghệ gỗ, Kỹ thuật vật liệu: Tham khảo quy trình chế tạo mẫu thử nghiệm, phương pháp thử nghiệm ống lửa ASTM E69-50 và phương pháp kiểm tra độ bền dán dính màng keo JIAS-11.
  • Kỹ thuật viên tại các cơ sở chế biến gỗ: Ứng dụng công thức phối trộn hỗn hợp Boric - Borat - Natrisilicat tỷ lệ $2:2:1$ và chế độ ngâm quét để gia công các sản phẩm gỗ chống cháy dùng trong xây dựng và trang trí nội thất.
  • Cán bộ nghiên cứu công nghệ bảo quản gỗ: Tham khảo số liệu về tương quan giữa nồng độ thuốc ngâm, lượng thuốc thấm và tổn thất khối lượng của loài Eucalyptus camaldulensis.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn của hỗn hợp hóa chất chậm cháy trong khóa luận là bao nhiêu? Hỗn hợp hóa chất sử dụng trong nghiên cứu gồm Axit Boric ($H_3BO_3$), Natri Tetra Borat ($Na_2B_4O_7 \cdot 10H_2O$) và Natri Silicat ($Na_2SiO_3 \cdot 9H_2O$) được phối trộn theo tỷ lệ khối lượng $2 : 2 : 1$, tương ứng với phần trăm khối lượng là $40% : 40% : 20%$.

2. Tiêu chuẩn và phương pháp nào được sử dụng để đánh giá khả năng chậm cháy của gỗ? Đề tài sử dụng tiêu chuẩn ASTM E69-50 của Mỹ (phương pháp ống lửa - Fire-tube method). Mẫu thử có kích thước $150 \times 35 \times 16\text{ mm}$, độ ẩm $10 - 12%$, được đốt bằng đèn cồn trong thời gian 2 phút để tính tỷ lệ phần trăm tổn thất khối lượng sau khi đốt cháy.

3. Mức nồng độ nào giúp gỗ Bạch đàn trắng đạt tiêu chuẩn "vật liệu khó cháy"? Theo tiêu chuẩn ASTM E69-50 ($M < 9%$ là vật liệu khó cháy):

  • Đối với phương pháp ngâm thường: Nồng độ dung dịch $10%$ (tổn thất $8,08%$) và $15%$ (tổn thất $6,41%$) đạt cấp vật liệu khó cháy.
  • Đối với phương pháp quét: Nồng độ dung dịch $20%$ (tổn thất $8,23%$) đạt cấp vật liệu khó cháy.

4. Xử lý hóa chất chậm cháy ảnh hưởng như thế nào đến cường độ dán dính keo PVAc? Hóa chất làm chậm cháy làm suy giảm cường độ kéo trượt của màng keo PVAc 115A trên bề mặt gỗ. Khi tăng nồng độ xử lý, cường độ trượt giảm dần từ $11,1\text{ N/mm}^2$ xuống $6,7\text{ N/mm}^2$ (phương pháp quét ở nồng độ $20%$) và từ $8,6\text{ N/mm}^2$ xuống $3,9\text{ N/mm}^2$ (phương pháp ngâm ở nồng độ $15%$).

5. Vì sao phương pháp ngâm thường cho hiệu quả chậm cháy cao hơn phương pháp quét? Phương pháp ngâm thường cho phép dung dịch hóa chất tiếp xúc liên tục và thẩm thấu sâu hơn vào hệ thống mao dẫn của gỗ qua thời gian dài, mang lại lượng thuốc thấm khô cao hơn ($49,96\text{ g/m}^2$ ở nồng độ $15%$) so với phương pháp quét chỉ tạo được lớp thuốc mỏng ở bề mặt ngoài ($26,47\text{ g/m}^2$ ở nồng độ $15%$).

Kết luận

Khóa luận đã hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm xử lý chậm cháy cho gỗ Bạch đàn trắng (Eucalyptus camaldulensis Dehnh.) bằng hỗn hợp hóa chất Boric - Borat - Natrisilicat theo tỷ lệ phối trộn $2:2:1$. Kết quả thực nghiệm khẳng định việc xử lý bằng phương pháp ngâm thường (nồng độ $10 - 15%$) và quét bề mặt (nồng độ $20%$) giúp giảm tỷ lệ tổn thất khối lượng của gỗ sau khi đốt xuống dưới $9%$, đáp ứng tiêu chuẩn vật liệu khó cháy theo ASTM E69-50. Dù hóa chất làm suy giảm một phần cường độ kéo trượt của màng keo PVAc 115A, chất lượng dán dính vẫn đáp ứng các yêu cầu gia công đồ gỗ và kết cấu xây dựng thông thường.