Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam giữ vai trò là ngành xuất khẩu chủ lực đứng thứ 5 của quốc gia, với nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm gỗ gia tăng liên tục qua các năm. Trong xây dựng dân dụng, vật liệu gỗ được ứng dụng làm tường ngăn, sàn nhà nhằm thay thế một số cấu kiện truyền thống như bê tông và sắt thép. Tuy nhiên, Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với độ ẩm cao và thời tiết biến đổi phức tạp, dẫn đến hiện tượng gỗ tự nhiên dễ bị cong vênh, mục nát, co ngót và bị côn trùng, mối mọt tấn công. Đồng thời, khối lượng riêng và độ bền cơ lý của gỗ tự nhiên khi chịu tác động môi trường cũng đặt ra yêu cầu phải cải tạo cấu trúc để thuận tiện cho công tác vận chuyển, thi công và lắp đặt.

Để khắc phục các nhược điểm trên, giải pháp chế tạo vật liệu composite từ nền polymer gia cường cốt gỗ đã được phát triển. Trong cấu trúc lignocellulose tự nhiên của gỗ thông trắng (Pinaceae), lignin chiếm khoảng 27,7% khối lượng, đóng vai trò là chất liên kết kị nước giữa các sợi cellulose nhưng lại cản trở quá trình thấm ướt và tương thích bề mặt với các loại nhựa nền polymer phân cực. Việc nghiên cứu loại bỏ có chọn lọc thành phần lignin nhằm duy trì bộ khung cellulose định hướng, sau đó tẩm nhựa epoxy đóng rắn để tạo composite là giải pháp kỹ thuật trọng tâm của đề tài "Nghiên cứu xử lý gỗ thông để gia cường cho vật liệu composite".

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:

  1. Xác định các thông số công nghệ phù hợp (nhiệt độ, nồng độ hóa chất, thời gian phản ứng) cho quá trình xử lý hóa học trích ly lignin ra khỏi gỗ thông trắng bằng hỗn hợp dung dịch kiềm - muối sulfite kết hợp tẩy trắng bằng hydro peroxide ($H_2O_2$).
  2. Đánh giá sự biến đổi cấu trúc hóa học và các nhóm chức của vật liệu gỗ trước và sau xử lý bằng phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
  3. Khảo sát hình thái học vi cấu trúc bề mặt và mạng lưới mao quản của gỗ tự nhiên, gỗ sau khi khử lignin và vật liệu composite thành phẩm bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  4. Chế tạo vật liệu composite trên cơ sở khung gỗ thông đã xử lý kết hợp nhựa nền epoxy bằng phương pháp đắp tay (hand lay-up) và kiểm tra cơ tính (độ bền uốn, độ bền nén) theo tiêu chuẩn ASTM so với mẫu đối chứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Gỗ thông trắng Canada (Raw Pinacea Wood - RPW), hệ hóa chất trích ly và tẩy trắng ($NaOH$, $Na_2SO_3$, $H_2O_2$, $H_2SO_4$), nhựa nền epoxy và chất đóng rắn gốc amin.
  • Phạm vi không gian: Thực nghiệm trích ly, tổng hợp composite và phân tích cơ lý được tiến hành tại các phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi vật liệu: Khảo sát mẫu gỗ thông xẻ dọc thớ với quy cách kích thước phôi $30 \times 30 \times 2\text{ mm}$.
  • Thời gian thực hiện: Công trình được hoàn thành vào tháng 8 năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết hóa học gỗ và vật liệu composite polymer:

  • Cấu trúc phức hợp Lignocellulose: Gỗ thông trắng thuộc nhóm gỗ mềm (Softwood), thành phần cấu tạo gồm cellulose (khoảng 40 - 50%), hemicellulose (15 - 25%), lignin (15 - 30%) và tro/chất trích ly (0,3 - 3,5%). Lignin trong gỗ mềm chủ yếu là Guaiacyl lignin (G-lignin) cấu thành từ các đơn vị monome coniferyl alcohol, liên kết chặt chẽ với hemicellulose qua cầu nối ether, ester và glycoside, trong đó liên kết $\beta\text{-O-4}$ aryl ether chiếm hơn 50% tổng số liên kết.
  • Cơ chế phân hủy lignin bằng hệ Alkaline Peroxide: Quá trình tiền xử lý kết hợp $NaOH$ và $Na_2SO_3$ hỗ trợ cắt đứt các liên kết ester và bẻ gãy một phần khung phenylpropane. Tiếp đó, trong môi trường kiềm, hydrogen peroxide phân ly thành anion hydroperoxide ($HOO^-$) theo cân bằng: $$H_2O_2 + HOO^- \rightarrow OH^\bullet + O_2^{\bullet-} + H_2O$$ Các gốc tự do hydroxyl ($OH^\bullet$) và superoxide ($O_2^{\bullet-}$) thực hiện phản ứng oxy hóa bẻ gãy liên kết $\beta\text{-O-4}$, mở vòng thơm và tham gia chuyển hóa theo phản ứng Dakin, hòa tan chọn lọc lignin mà không phá hủy trật tự định hướng của các sợi nano cellulose.
  • Lý thuyết đóng rắn nhựa nhiệt rắn Epoxy: Nhựa epoxy mạch thẳng chứa các vòng oxirane ở đầu mạch phản ứng với chất đóng rắn đa chức (polyamin) qua cơ chế cộng mở vòng, tạo mạng lưới không gian ba chiều bền vững, độ co ngót thể tích thấp, khả năng kháng hóa chất và bám dính cơ học cao.

Hệ thống phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

  • Phương pháp xử lý hóa học: Trích ly hai giai đoạn gồm xử lý kiềm - sulfite ($NaOH / Na_2SO_3$) và tẩy trắng hoàn thiện bằng $H_2O_2$.
  • Phương pháp định lượng hàm lượng lignin: Áp dụng quy trình chuẩn TAPPI T 222 om-02 (thủy phân mẫu bằng axit sulfuric $H_2SO_4$ 72%, pha loãng đến 3%, đun hồi lưu 4 giờ ở 100 °C, lọc rửa đến hết ion $SO_4^{2-}$ kiểm tra bằng $BaCl_2$, sấy khô ở 105 °C đến khối lượng không đổi để tính tỷ lệ phần trăm khối lượng).
  • Phương pháp quang phổ: Ghi phổ FT-IR để nhận diện sự suy giảm hay biến mất của các liên kết C=C vòng thơm, nhóm carbonyl và liên kết ether đặc trưng cho lignin.
  • Phương pháp phân tích vi cấu trúc: Quan sát hình thái học bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét SEM ở các giai đoạn trước và sau xử lý, cũng như sau khi đóng rắn composite.
  • Phương pháp thử nghiệm cơ tính: Đánh giá độ bền uốn 3 điểm và độ bền nén dọc trục theo tiêu chuẩn ASTM.

Danh mục hóa chất và thiết bị thực nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu:

STT Tên hóa chất / Thiết bị Thông số kỹ thuật / Model Hãng sản xuất / Xuất xứ Mục đích sử dụng
1 Sodium hydroxide ($NaOH$) Độ tinh khiết $> 96,0%$ Xilong Scientific (Trung Quốc) Tác nhân trích ly lignin
2 Sodium sulphite ($Na_2SO_3$) Độ tinh khiết $> 96,0%$ Xilong Scientific (Trung Quốc) Tác nhân hỗ trợ hòa tan lignin
3 Hydrogen peroxide ($H_2O_2$) Nồng độ $> 99,5%$ Xilong Scientific (Việt Nam) Tác nhân oxy hóa tẩy trắng lignin
4 Sulfuric acid ($H_2SO_4$) Độ tinh khiết $> 98%$ Guangdong (Trung Quốc) Thử nghiệm định lượng TAPPI
5 Nhựa nền Epoxy Dạng lỏng kỹ thuật Trung Quốc Tạo pha nền composite
6 Tủ sấy đối lưu UN110 Memmert (Đức) Sấy khô mẫu gỗ và xác định khối lượng
7 Máy đo cơ tính vạn năng M500-100 Testometric (Anh) Đo độ bền uốn 3 điểm
8 Máy kiểm tra độ bền nén LR30K LLOYD (Anh) Đánh giá độ bền nén
9 Kính hiển vi điện tử quét JSM-6480LV Jeol (Nhật Bản) Phân tích vi cấu trúc bề mặt
10 Phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR MIR/NIR PerkinElmer (Mỹ) Nhận diện các nhóm chức hóa học

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về giải phẫu học gỗ, hóa học các hợp chất cao phân tử tự nhiên, các hệ nhựa nhiệt rắn và kỹ thuật gia công composite:

  • Đặc tính nguyên liệu gỗ thông: Cấu trúc gỗ được phân tích ở cấp độ vĩ mô (vỏ, libe, tầng phát sinh, gỗ dác, gỗ lõi, tủy) và vi mô (tế bào sợi chịu lực chiếm 76% thể tích, mạch dẫn, tế bào tia lõi, tế bào dự trữ). Gỗ thông được xếp vào Nhóm V trong bảng phân loại gỗ Việt Nam (tỷ trọng trung bình, độ cứng Janka thông thường dưới 500 lbf). Dẫn xuất dữ liệu nghiên cứu của R. Pettersen (1984), thành phần gỗ thông trắng Canada gồm: 48,9% cellulose, 19,6% hemicellulose, 27,7% lignin và 3,5% hợp chất trích ly.
  • Hóa học lignin và các phương pháp tiền xử lý: Lignin là polymer thơm vô định hình cấu tạo từ ba monome chính: alcohol p-coumarylic, alcohol coniferylic và alcohol sinapylic. Tác giả tổng hợp, so sánh ưu nhược điểm của ba phương pháp tiền xử lý bề mặt: tiền xử lý bằng kiềm, tiền xử lý bằng axit và phương pháp phối hợp $NaOH$ - $H_2O_2$. Trong đó, hệ kiềm peroxide được lựa chọn nhờ khả năng phân cắt chọn lọc mạng lưới lignin, bảo toàn mạch cellulose, vận hành ở nhiệt độ vừa phải và hạn chế phát sinh các hợp chất độc hại như furfural hay hydroxymethylfurfural (HMF).
  • Vật liệu nền và công nghệ gia công composite: Phân tích cơ chế và đặc tính kỹ thuật của ba dòng nhựa nhiệt rắn: polyester không no (UPE), vinylester và epoxy. Nhựa epoxy được chọn làm pha nền nhờ độ co ngót khi đóng rắn thấp, khả năng chịu lực, kháng nước và độ bám dính cao. Phản ứng đóng rắn epoxy bằng các amin mạch thẳng (DETA, TETA, TEPA) diễn ra qua hai giai đoạn tỏa nhiệt mở vòng oxirane mà không giải phóng sản phẩm phụ. Chương này cũng phân tích bốn công nghệ đúc composite: đắp tay (hand lay-up), súng phun (spray-up), đùn kéo (pultrusion) và cuộn sợi (filament winding), làm cơ sở cho việc áp dụng phương pháp đắp tay trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu, quy trình phản ứng hóa học hai bước và các phương pháp phân tích đo đạc:

  • Quy trình xử lý hóa học mẫu gỗ: Phôi gỗ thông trắng kích thước $30 \times 30 \times 2\text{ mm}$ xẻ dọc thân được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 70 °C. Quá trình xử lý tách lignin gồm hai giai đoạn:
    1. Giai đoạn 1 (Trích ly kiềm - sulfite): Mẫu gỗ được ngâm ngập trong hỗn hợp dung dịch $NaOH$ và $Na_2SO_3$ (nồng độ $Na_2SO_3$ cố định 0,4 M). Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ở các mức 30, 40, 50, 60, 70 và 80 °C; khảo sát nồng độ $NaOH$ biến thiên ở 1,5; 2,0; 2,2; 2,5; 2,7 và 3,0 M; khảo sát thời gian trích ly ở các mốc 1, 3, 5, 7, 9 và 11 giờ.
    2. Giai đoạn trung hòa và tẩy trắng: Mẫu sau khi lấy ra khỏi dịch trích được rửa liên tục bằng nước cất đến khi đạt môi trường trung tính ($pH = 7$). Kế tiếp, mẫu được xử lý với dung dịch $H_2O_2$ 2,5 M ở 60 °C trong 5 giờ nhằm loại bỏ triệt để phần lignin còn lại, sau đó rửa sạch và sấy khô để thu được phôi gỗ đã khử lignin (Extracted Pinacea Wood - EPW).
  • Quy trình định lượng lignin theo TAPPI T 222 om-02: Cân mẫu khô ($W$), hòa tan với 15 mL $H_2SO_4$ 72% ở nhiệt độ phòng, pha loãng với nước cất đến nồng độ 3% (tổng thể tích 575 mL), đun sôi hồi lưu trong 4 giờ ở 100 °C. Lọc lấy kết tủa lignin không tan, rửa bằng nước nóng cho đến khi dịch lọc không còn tạo kết tủa trắng với dung dịch $BaCl_2$, sấy ở 105 °C đến khối lượng không đổi ($A$). Hàm lượng phần trăm lignin tính theo công thức: $$\text{Lignin} (%) = \frac{A}{W} \times 100$$
  • Quy trình chế tạo composite epoxy/gỗ thông: Phôi gỗ thông thô (RPW) hoặc phôi gỗ đã xử lý trích ly (EPW) được đưa vào khuôn, tẩm phủ nhựa epoxy đã phối trộn chất đóng rắn amin theo đúng tỷ lệ chỉ định bằng phương pháp đắp tay, lăn ép loại bỏ bọt khí và đóng rắn hoàn toàn ở nhiệt độ phòng để tạo thành các mẫu thử cơ tính tương ứng (E/RPW và E/EPW).

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu khảo sát các biến số công nghệ, phân tích phổ nhóm chức, ảnh chụp vi cấu trúc và các giá trị thử nghiệm cơ lý:

  • Tối ưu hóa các thông số trích ly lignin:
    • Ảnh hưởng của nhiệt độ: Dịch trích chuyển dần từ màu vàng nhạt sang nâu sẫm khi nâng nhiệt độ từ 30 °C lên 80 °C. Hiệu suất hòa tan lignin tăng mạnh theo nhiệt độ thực nghiệm; mức nhiệt độ tối ưu được xác định nhằm cân bằng giữa tốc độ hòa tan lignin và việc hạn chế suy giảm mạch cellulose.
    • Ảnh hưởng của nồng độ $NaOH$: Khi nâng nồng độ $NaOH$ từ 1,5 M lên 3,0 M trong nền $Na_2SO_3$ 0,4 M, hàm lượng lignin bị trích ly tăng rõ rệt, nồng độ phù hợp nhất nằm ở dải 2,2 - 2,5 M.
    • Ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Lượng lignin tách ra tăng nhanh trong 7 giờ đầu và đạt trạng thái tiệm cận bão hòa ở các mốc 9 - 11 giờ; do đó mốc thời gian 7 giờ trong hỗn hợp kiềm - sulfite và 5 giờ trong $H_2O_2$ 2,5 M được lựa chọn.
  • Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR: So sánh phổ của mẫu gỗ thô (RPW) và mẫu gỗ sau xử lý hóa học (EPW) cho thấy:
    • Sự suy giảm và biến mất rõ rệt của các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho lignin: mũi dao động co giãn của liên kết C=O liên hợp ở vùng $1650 - 1700\text{ cm}^{-1}$, mũi biến dạng khung vòng thơm guaiacyl ở $1510\text{ cm}^{-1}$ và dao động ether aryl-alkyl ở $1260\text{ cm}^{-1}$.
    • Các dải hấp thụ đặc trưng của cellulose tại vùng $3300 - 3400\text{ cm}^{-1}$ (dao động co giãn nhóm -OH liên kết hydro), $2900\text{ cm}^{-1}$ (dao động liên kết C-H mạch thẳng) và $1030 - 1050\text{ cm}^{-1}$ (dao động C-O-C của vòng pyranose) vẫn được bảo toàn nguyên vẹn.
    • Phổ của mẫu composite E/EPW xuất hiện thêm các tín hiệu mở vòng epoxy và liên kết C-N hình thành từ phản ứng đóng rắn với amin.
  • Phân tích hình thái học vi cấu trúc qua ảnh SEM:
    • Mẫu gỗ tự nhiên (RPW): Cấu trúc thành tế bào kín, bề mặt tương đối nhẵn do các khoang rỗng và thành tế bào bị bao phủ bởi lớp liên kết lignin và hemicellulose dày đặc.
    • Mẫu gỗ sau xử lý hóa học (EPW): Lớp lignin liên kết bị hòa tan tạo thành hệ thống các ống mao quản rỗng, lộ rõ các bó sợi vi mô cellulose xếp song song dọc thân cây mà không làm vỡ vụn cấu trúc khung thành tế bào.
    • Mẫu composite E/EPW: Nhựa epoxy lỏng đã thấm ướt hoàn toàn vào sâu bên trong các kênh dẫn tế bào rỗng, lấp đầy các khoảng trống mao quản, liên kết chặt chẽ với vách tế bào cellulose mà không xuất hiện các khe hở tách pha.
  • Kết quả thử nghiệm cơ tính:
    • Độ bền uốn: Các thử nghiệm uốn 3 điểm được thực hiện cho các cấu trúc 2 lớp dày 2,5 mm, các mẫu vật liệu có cùng độ dày và khảo sát composite ở các độ dày khác nhau. Kết quả cho thấy mẫu composite gỗ thông đã xử lý kết hợp epoxy (E/EPW) đạt giá trị độ bền uốn vượt trội so với gỗ thô ban đầu (RPW) và mẫu composite tẩm trực tiếp trên gỗ chưa xử lý (E/RPW).
    • Độ bền nén: Mẫu composite E/EPW chịu được ứng suất nén dọc trục cao hơn đáng kể so với mẫu gỗ khối tự nhiên nhờ pha nền epoxy đã hỗ trợ phân bố lại tải trọng và gia tăng độ cứng vững của thành tế bào rỗng.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả thực nghiệm chính thu được từ khóa luận:

  • Đã xác lập thành công quy trình xử lý hóa học loại bỏ lignin hai bước cho gỗ thông trắng: trích ly bằng hỗn hợp dung dịch $NaOH$ 2,5 M và $Na_2SO_3$ 0,4 M ở nhiệt độ khảo sát thích hợp trong 7 giờ, sau đó tẩy trắng bằng $H_2O_2$ 2,5 M ở 60 °C trong 5 giờ.
  • Chứng minh bằng dữ liệu phổ FT-IR và ảnh SEM rằng quá trình delignification đã loại bỏ chọn lọc thành phần lignin nhưng không phá vỡ định hướng dọc của các sợi cellulose tự nhiên, tạo ra mạng lưới mao quản rỗng liên tục.
  • Chế tạo thành công vật liệu composite gỗ thông/epoxy bằng phương pháp đắp tay đơn giản. Kết quả kiểm tra cơ tính xác nhận vật liệu composite E/EPW đạt độ bền uốn và độ bền nén cao hơn so với mẫu gỗ thông thô ban đầu.

Đề xuất ứng dụng của tác giả:

  • Sử dụng vật liệu composite gỗ thông biến tính làm panen vách ngăn nhẹ, tấm lót sàn chịu lực và khung cửa chống mối mọt, chống ẩm cho các công trình xây dựng dân dụng thay thế vật liệu gỗ truyền thống.
  • Định hướng phát triển vật liệu gỗ trong suốt (khi kết hợp tẩm các loại nhựa có chiết suất quang học tương đồng với cellulose) ứng dụng làm tấm lấy sáng tự nhiên, thay thế kính xây dựng nhằm cách nhiệt và tiết kiệm năng lượng.

Đóng góp của đề tài:

  • Thiết lập quy trình công nghệ khử lignin từ gỗ thông trắng sử dụng các hóa chất công nghiệp phổ biến, chi phí thấp ($NaOH$, $Na_2SO_3$, $H_2O_2$), không yêu cầu thiết bị áp suất cao hay hệ dung môi hữu cơ đắt tiền.
  • Tận dụng cấu trúc dị hướng tự nhiên của gỗ thông để tạo ra vật liệu composite xanh, giải quyết được đồng thời nhược điểm hút ẩm, dễ mục mọt của gỗ tự nhiên và cải thiện độ cứng vững cơ học cho nhựa nền epoxy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Toàn bộ thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên phôi gỗ thông trắng quy cách mẫu nhỏ ($30 \times 30 \times 2\text{ mm}$), chưa khảo sát trên các cấu kiện gỗ kích thước lớn dùng trong kết cấu công trình.
  • Phương pháp gia công tạo composite áp dụng kỹ thuật đắp tay thủ công ở áp suất thường, khả năng thẩm thấu nhựa vào sâu trong các thớ gỗ dày còn hạn chế và chất lượng phụ thuộc vào thao tác của người thực hiện.
  • Nghiên cứu chưa tiến hành đánh giá các chỉ tiêu độ bền thời tiết dài hạn, khả năng chống cháy, độ truyền qua ánh sáng quang học và khả năng kháng lão hóa chu kỳ ẩm - nhiệt.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng nghiên cứu quy trình tách trích lignin trên các mẫu gỗ có quy cách kích thước và chiều dày lớn hơn.
  • Áp dụng các kỹ thuật gia công composite tiên tiến như tẩm chân không (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding - VARTM) hoặc ép nóng có gia áp nhằm nâng cao độ thẩm thấu nhựa vào mạng lưới mao quản gỗ.
  • Khảo sát chi tiết tính chất quang học (độ truyền qua và độ tán xạ ánh sáng) để hoàn thiện công nghệ chế tạo gỗ trong suốt ứng dụng trong xây dựng tiết kiệm năng lượng.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

  • Sinh viên và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Vật liệu, Công nghệ Vật liệu Polymer và Composite, Chế biến Lâm sản và Kỹ thuật Xây dựng.
  • Kỹ sư và nghiên cứu viên: Đang thực hiện các đề tài về biến tính hóa học sinh khối thực vật, chế tạo vật liệu xanh (green composites) và kỹ thuật delignification tạo gỗ trong suốt.

Nội dung cụ thể đáng tham khảo:

  • Quy trình chuẩn xác định định lượng lignin theo tiêu chuẩn TAPPI T 222 om-02 (Chương 2).
  • Phương pháp luận phân tích và nhận diện các nhóm chức hóa học trên phổ FT-IR của phức hợp lignocellulose (Chương 3).
  • Bộ số liệu ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM minh chứng cho sự thay đổi cấu trúc tế bào sợi gỗ trước và sau khi xử lý hóa học và khi tẩm nhựa polymer.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng nguyên liệu gỗ thông gì và xuất xứ từ đâu?
Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu chính là gỗ thông trắng Canada (Pinaceae) nhập khẩu, được mua tại xưởng gỗ thông Sáng Mai, Xã Vĩnh Lộc A, Huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh. Các mẫu gỗ được xẻ theo chiều dọc thớ với kích thước gia công là $30 \times 30 \times 2\text{ mm}$.

2. Quá trình xử lý hóa học loại bỏ lignin trong gỗ thông được tiến hành qua các bước nào?
Quá trình xử lý gồm 2 bước hóa học chính:

  • Bước 1: Trích ly bằng hỗn hợp dung dịch kiềm $NaOH$ và muối $Na_2SO_3$ (nồng độ $Na_2SO_3$ cố định 0,4 M, nồng độ $NaOH$ khảo sát từ 1,5 đến 3,0 M) trong thời gian 7 giờ. Sau đó rửa mẫu bằng nước cất đến $pH = 7$.
  • Bước 2: Tẩy trắng loại bỏ phần lignin còn lại bằng dung dịch $H_2O_2$ 2,5 M ở 60 °C trong thời gian 5 giờ, sau đó rửa sạch và sấy khô.

3. Khóa luận sử dụng tiêu chuẩn nào để định lượng hàm lượng lignin trong mẫu gỗ?
Nghiên cứu sử dụng tiêu chuẩn TAPPI T 222 om-02. Mẫu gỗ sấy khô được thủy phân bằng axit $H_2SO_4$ 72% ở nhiệt độ phòng, sau đó pha loãng về nồng độ 3% và đun sôi hồi lưu trong 4 giờ ở 100 °C. Lignin không tan được lọc, rửa sạch ion sunfat (kiểm tra bằng dung dịch $BaCl_2$) và sấy khô ở 105 °C để tính toán tỷ lệ phần trăm theo khối lượng.

4. Thiết bị nào được sử dụng để đánh giá cơ tính của vật liệu composite trong đề tài?
Đề tài sử dụng hai thiết bị chuyên dụng gồm: Máy đo uốn Testometric M500-100 (Anh) để xác định độ bền uốn theo phương pháp uốn 3 điểm, và máy kiểm tra vạn năng LLOYD LR30K (Anh) để xác định độ bền nén của vật liệu.

5. Nhựa nền được lựa chọn để chế tạo composite là loại nào và gia công bằng phương pháp gì?
Nghiên cứu sử dụng nhựa nền epoxy kỹ thuật đóng rắn bằng tác nhân gốc amin. Vật liệu composite epoxy/gỗ thông được gia công bằng phương pháp đắp tay (hand lay-up) trong khuôn ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất thường.

Kết luận

Khóa luận của sinh viên Trần Minh Hiển (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thành quy trình công nghệ xử lý hóa học hai giai đoạn ($NaOH / Na_2SO_3$ kết hợp $H_2O_2$) để hòa tan chọn lọc lignin trong gỗ thông trắng Canada. Kết quả phân tích FT-IR và SEM chứng minh khung sợi cellulose tự nhiên được bảo toàn nguyên vẹn với hệ thống mao quản rỗng thông suốt, tạo điều kiện thuận lợi cho nhựa epoxy thấm ướt hoàn toàn. Sản phẩm composite gỗ thông/epoxy chế tạo bằng phương pháp đắp tay đạt độ bền uốn và độ bền nén vượt trội so với gỗ thông tự nhiên ban đầu, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực vật liệu xây dựng chịu lực, chống mối mọt và định hướng phát triển gỗ trong suốt lấy sáng.