Tiến Sĩ Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2013


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH iii
DANH MỤC BẢNG .v
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi
LỜI CAM ĐOAN vii
LỜI CẢM ƠN . viii
PHẦN MỞ ĐẦU .1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. Đặc điểm gỗ xử lý nhiệt .4
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6
1.2.1. Các nghiên cứu về tỉ lệ tổn hao khối lượng gỗ .9
1.2.2. Các nghiên cứu về tính ổn định kích thước 10
1.2.3. Các nghiên cứu về khả năng chống vi sinh vật 12
1.2.4. Các nghiên cứu về tính chất cơ học của gỗ 13
1.2.5. Các nghiên cứu về tính thấm ướt và khả năng dán dính 14
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước 15
1.4. Ứng dụng của gỗ xử lý nhiệt .16
1.5. Nhận xét đánh giá và định hướng nghiên cứu .18
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20
2.1. Thành phần hóa học của gỗ .20
2.1.1. Xenlulo .20
2.1.2. Hemixenlulo .28
2.1.3. Lignin 30
2.2. Quá trình nhiệt giải của gỗ .30
2.2.1. Các giai đoạn của quá trình nhiệt giải gỗ .30
2.2.2. Quá trình nhiệt giải của các thành phần trong gỗ .32
2.3. Cơ chế biến đổi tính chất gỗ do xử lý nhiệt .34
2.3.1. Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích gỗ 34
2.3.2. Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ .34
2.3.3. Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ .37
2.4. Keo tai tượng .42
2.4.1. Đặc điểm nhận biết .42
2.4.2. Đặc tính sinh học và sinh thái học 42
2.4.3. Đặc điểm cấu tạo của gỗ .43
2.4.4. Tính chất .44
2.4.5. Công dụng 44

CHƯƠNG 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG .45

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45
3.1. Đối tượng nghiên cứu 45
3.2. Phạm vi nghiên cứu .45
3.3. Mục tiêu nghiên cứu 45
3.3.1. Mục tiêu lý luận 45
3.3.2. Mục tiêu thực tiễn .46
3.4. Nội dung nghiên cứu 46
3.5. Phương pháp nghiên cứu .47
3.5.1. Phương pháp lý thuyết 47
3.5.2. Phương pháp thực nghiệm 49
3.6. Ý nghĩa của Luận án 63
3.6.1. Ý nghĩa khoa học 63
3.6.2. Ý nghĩa thực tiễn 63
3.7. Những đóng góp mới của Luận án 64

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 65
4.1. Kết quả ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính đến tính chất cơ, vật lý
gỗ Keo tai tượng (thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố) 65
4.1.1. Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước .65
4.1.2. Ảnh hưởng đến độ tổn hao khối lượng .66
4.1.3. Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước .70
4.1.4. Ảnh hưởng đến hiệu suất chống hút nước 70
4.1.5. Ảnh hưởng đến cường độ nén dọc thớ .72
4.1.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh .74
4.1.7. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi .76
4.1.8. Ảnh hưởng đến khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt 78
4.2. Kết quả ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính đến tính chất cơ, vật lý
gỗ Keo tai tượng (thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố) 80
4.2.1. Ảnh hưởng đến tổn hao khối lượng 80
4.2.2. Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước .82
4.2.3. Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước .84
4.2.4. Ảnh hưởng đến hiệu suất chống hút nước 85
4.2.5. Ảnh hưởng đến độ bền nén dọc thớ 88
4.2.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh .90
4.2.7. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MOE) .91
4.2.8. Ảnh hướng đến khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt 92
4.3. Xác định các thông số nhiệt độ, thời gian xử lý biến tính 94
4.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu tạo hiển vi của gỗ 95
4.5. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ .97
4.5.1. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR) 98
4.5.2. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ XPS .1067
4.5.3. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 125
1. Kết luận .125
2. Kiến nghị .128
TÀI LIỆU THAM KHẢO .130
CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ .136
PHỤ LỤC 1378

PHẦN MỞ ĐẦU
Gỗ là loại vật liệu sinh học tự nhiên, có vai trò rất lớn trong sinh hoạt của con người và bảo vệ môi trường. Gỗ có đặc điểm và phẩm chất đặc biệt mà các loại vật liệu khác không thể so sánh được, như: màu sắc tự nhiên, ôn hòa, hoa văn đẹp; ngoài ra gỗ là loại vật liệu có thuộc tính sinh thái, được cấu tạo nên từ thể phức hợp của các hợp chất cao phân tử tự nhiên, trong đó hàm chứa trên 50% Carbon – “nguyên tố của sự sống”. Do Carbon trong gỗ tồn tại trong kết cấu của hợp chất hữu cơ cao phân tử, nên gỗ có tác dụng tích lũy và giảm thải Carbon, từ đó ngăn cản được “hiệu ứng nhà kính” do hệ sinh thái trái đất tạo ra và bảo vệ môi trường sống của con người [87].
Gỗ có thể thay thế kim loại, bê tông trong các công trình kiến trúc, từ đó có tác dụng giảm thiểu lượng khí CO2 thải ra môi trường. Năng lượng tiêu hao trong quá trình sản xuất và gia công gỗ ít, căn cứ vào một số thí nghiệm đo được khi sản xuất khối lượng vật liệu như nhau, bê tông tiêu hao gấp 3-4 lần, chất dẻo tiêu hao 35-45 lần, sắt thép tiêu hao gấp 50-60 lần, nhôm tiêu hao trên 100 lần so với gỗ [89]. Gỗ có những đặc điểm mà các loại vật liệu xây dựng khác không thể so sánh được như: hệ số phẩm chất cao lại dễ gia công. Vì vậy năng lượng tiêu hao trong quá trình vận chuyển và gia công luôn
nhỏ hơn rất nhiều so với bê tông và gang thép. Gỗ là thể hữu cơ phức hợp, còn tồn tại một số nhược điểm, như: dễ mục, dễ cháy, tính bền kém; tính hút ẩm cao, ứng lực sinh trưởng lớn, dễ nứt nẻ, biến
dạng, kích thước không ổn định Những nhược điểm này đã hạn chế phạm vi sử dụng và giá trị ứng dụng của gỗ. Vì vậy, để đáp ứng được với các yêu cầu sử dụng cụ thể, cải thiện hoặc tạo ra công năng mới nào đó của gỗ, thì việc lựa chọn phương pháp phù hợp để tiến hành xử lý biến tính gỗ, tạo ra loại vật liệu gỗ mới, từ đó khắc phục các nhược điểm do tự nhiên sinh ra hoặc tạo ra gỗ có tính năng mới, nâng cao giá trị, mở rộng phạm vi sử dụng và lợi dụng có hiệu quả tài nguyên gỗ là rất cần thiết [87] [86].
Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới rất chú trọng đến nghiên cứu biến tính gỗ. Những năm gần đây, với sự nâng cao của đời sống con người, có rất nhiều báo cáo của nước ngoài, trong đó đã có những đề xuất về vấn đề an toàn trong việc sử dụng hóa chất xử lý gỗ. Trong các công nghệ xử lý hiện nay, thị trường của sản phẩm gỗ từ công nghệ xử lý không sử dụng hóa chất ngày càng được mở rộng. Trong đó, biến tính gỗ theo phương pháp xử lý nhiệt đã được chú ý đến, các nghiên cứu về biến tính gỗ cũng đã có những tiến triển nhất định [22] [46].
Công nghệ biến tính nhiệt hay biến tính nhiệt là công nghệ xử lý gỗ ở nhiệt độ trong khoảng 160-260 oC [30], trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi nước, khí trơ, không khí ít ôxy , biến tính nhiệt là công nghệ bảo quản gỗ thân thiện với môi trường, thông qua biến tính nhiệt có thể cải thiện được tính ổn định kích thước, tính bền và màu sắc gỗ, sản phẩm gỗ thu được
sau khi xử lý được gọi là “gỗ biến tính nhiệt” hoặc “gỗ Carbon hóa”. Gỗ biến tính nhiệt có các đặc điểm như: Màu sắc gần giống với loài gỗ quý hiếm và ổn định, tính ổn định kích thước cao, khả năng chống vi sinh vật tốt, an toàn với môi trường, dễ lưu trữ. Tuy nhiên, cũng có một số tồn tại đó là cường độ gỗ và khả năng dán dính sau khi xử lý biến tính sẽ bị thay đổi nếu công nghệ xử lý không hợp lý.
Với những ưu điểm của sản phẩm sản xuất bằng công nghệ biến tính nhiệt cho thấy việc áp dụng công nghệ biến tính nhiệt trong xử lý biến tính gỗ nói chung gỗ rừng trồng nói riêng sẽ rất có ý nghĩa về mặt thực tiễn cũng như tiềm năng trong việc thương mại hóa sản phẩm sản xuất bằng công nghệ này.
Trong những năm gần đây ngành Công nghiệp chế biến gỗ của Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc; sản phẩm gỗ xuất khẩu của Việt Nam đã có mặt trên thị trường của 120 nước trên thế giới. Kim ngạch xuất khẩu sản phẩm năm 2011 đạt 4,05 tỷ USD; năm 2012 đạt 4,67 tỷ USD; năm 2013 đạt 5,5 tỷ USD; Hiện nay, đồ gỗ được xem như là mặt hàng xuất khẩu chủ lực và được xếp vào 16 mặt hàng trọng điểm xúc tiến thương mại Quốc gia. Thực hiện Chỉ thị số 19/1999/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 16 tháng 7 năm 1999 về việc thực hiện các biện pháp đẩy mạnh tiêu thụ gỗ rừng trồng và Chỉ thị số 19/2004/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 01 tháng 6 năm 2004 về một số giải pháp phát triển ngành chế biến gỗ và xuất khẩu sản phẩm gỗ; ngành chế biến gỗ Việt Nam và các ngành kinh tế liên quan đã tích cực, chủ động tìm kiếm nguyên liệu, cải tiến công nghệ, thiết bị để đẩy mạnh phát triển sản xuất và xuất khẩu đồ gỗ. Tuy nhiên, khó khăn hiện nay của Việt Nam là vấn đề nguyên liệu gỗ, hàng năm phải nhập khẩu 80% nguyên liệu, trong đó gỗ rừng tự nhiên quý hiếm, chất lượng cao chiếm tỷ lệ rất lớn.
Trong khi đó, với nỗ lực của các chương trình trồng rừng, chúng ta đã có được một sản lượng lớn gỗ rừng trồng. Từ thực tế nhu cầu nguyên liệu gỗ rất lớn, gỗ rừng tự nhiên quý hiếm đã bị cấm khai thác, vì vậy việc nghiên cứu nâng cao chất lượng gỗ rừng trồng dùng làm nguyên liệu sản xuất sản phẩm mộc có giá trị cao là yêu cầu cấp bách đặt ra.
Luận án “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)” sẽ góp phần vào việc áp dụng công nghệ mới, ít gây tác động xấu đến môi trường nhưng vẫn tạo ra được sản phẩm gỗ đạt yêu cầu nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực từ gỗ mọc nhanh rừng trồng nói chung, gỗ Keo tai tượng nói riêng.