Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangiumWilld)

1
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng đồ gỗ càng cao,
trong khi nguồn tài nguyên gỗ ngày một cạn kiệt. Gỗ mọc nhanh rừng trồng
đang được trồng rất nhiều ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam. Tuy
nhiên, chất lượng gỗ thấp, nhiều khuyết tật làm hạn chế phạm vi sử dụng.
Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng g
ỗ rừng trồng dùng làm nguyên liệu
sản xuất sản phẩm mộc có giá trị cao là cấp thiết đặt ra. Biến tính gỗ nói
chung hay biến tính nhiệt nói riêng là một trong những hướng chủ đạo hiện
nay. Vì vậy, chúng tôi thực hiện luận án: “Nghiên cứu công nghệ biến tính
nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)”
Ý nghĩa khoa học
Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên
c
ứu tiếp theo trong việc xác định thông số công nghệ xử lý nhiệt độ cao cho
gỗ Keo tai tượng nhằm nâng cao tính ổn định kích thước mà ít hoặc không
làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học và tính chất công nghệ của loài gỗ này.
Ý nghĩa thực tiễn
Áp dụng công nghệ xử lý nhiệt độ cao để xử lý gỗ Keo tai tượng nhằm
giải quyết về vấn đề chất lượng gỗ rừ
ng trồng sử dụng trong sản xuất đồ mộc
và hoàn toàn có thể đáp ứng được mục tiêu bảo vệ môi trường.
Những đóng góp mới của luận án
(1) Về công nghệ: Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu
một cách hệ thống về ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt độ cao trong môi
trường không khí áp suất thường đối với gỗ Keo tai tượng.
(2) Về cơ s
ở lý luận: Đã áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để
nghiên cứu sự thay đổi về kết cấu hóa học của gỗ nhằm giải thích hiện tượng

biến đổi tính chất của gỗ do quá trình xử lý nhiệt độ cao gây nên.
PHẦN I
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu về khoa học: Góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong công
nghệ xử lý gỗ bằng nhiệt độ cao, làm cơ sở cho việc xác định thông số công
nghệ xử lý nhiệt độ cao cho gỗ Keo tai tượng.
- Mục tiêu cụ thể: Xác định được thông số công nghệ hợp lý để xử
lý gỗ Keo tai tượng bằng nhiệt độ cao trong môi trường không khí áp suất

2
thường; Xác định ảnh hưởng của xử lý nhiệt độ cao đến cấu trúc hóa học của
gỗ Keo tai tượng.
1.2. Đối tượng nghiên cứu
- Tổng quát: Công nghệ xử lý gỗ gỗ Keo tai tượng bằng nhiệt độ cao
- Đối tượng nghiên cứu cụ thể:
+ Cấu tạo, cấu trúc hóa học và tính chất gỗ keo tai tượng
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi v
ề cấu tạo và cấu trúc hóa
học của gỗ Keo tai tượng.
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về tính chất của gỗ Keo tai tượng.
+ Cơ chế biến tính nhiệt độ cao đối với gỗ Keo tai tượng.
+ Thông số công nghệ chủ yếu khi xử lí gỗ Keo tai tượng ở nhiệt độ cao.
+ Các yếu tố thay đổi: Hai yếu tố thay đổi là nhi
ệt độ và thời gian
và được tiến hành nghiên cứu với kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố và kế
hoạch thực nghiệm đa yếu tố với các cấp nhiệt độ và thời gian khác nhau.
1.3. Nội dung nghiên cứu
1.3.1. Xác định cấu tạo, cấu trúc hóa học và tính chất gỗ Keo tai tượng
1.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về cấu t

ạo
và cấu trúc hóa học của gỗ Keo tai tượng.
1.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về tính
chất của gỗ Keo tai tượng.
1.3.4. Nghiên cứu xác định cơ chế biến tính gỗ Keo tai tượng bằng
phương pháp biến tính nhiệt độ cao;
1.3.5. Nghiên cứu xác định một số thông số công nghệ chủ yếu khi
xử lí gỗ Keo tai tượng ở nhiệt độ cao.
1.4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Luận án chỉ nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, thời
gian biến tính đến các chỉ tiêu chất lượng (vật lý, cơ học) gỗ keo tai tượng.
1.5. Địa điểm nghiên cứu: Tại Tỉnh Hà Giang, Trường Đại học Lâm nghiệp
Việt Nam
1.6. Phương pháp nghiên cứu

3
1.6.1. Phương pháp kế thừa
Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về biến tính gỗ
bằng nhiệt độ cao.
1.6.2. Phương pháp thực nghiệm
1.6.2.1. Nghiên cứu tính chất vật lý, hoá học, tính chất cơ học
Chọn rừng, chọn cây, cắt khúc, lấy mẫu và xác định tính chất cơ, vật
lý của gỗ theo các tiêu chuẩn từ TCVN 355-70 đến TCVN 370-70).
1.6.2.2. Nghiên cứu biến tính gỗ Keo tai tượng
Phương pháp thự
c nghiệm gồm: kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố
và kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố.
* Thực nghiệm đơn yếu tố:
+ Nghiên cứu quy luật biến đổi tính chất theo nhiệt độ xử lý sẽ chọn
thời gian xử lý là 6 giờ, và nhiệt độ thay đổi theo các cấp T (

o
C): 170; 180;
190; 200; 210.
+ Nghiên cứu quy luật biến đổi tính chất theo thời gian xử lý sẽ chọn
thời nhiệt độ xử lý là 190
o
C, và thời gian xử lý thay đổi theo các cấp t (giờ):
2; 4; 6; 8; 10.
* Kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố
Mục đích là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến
chất lượng gỗ Keo tai tượng. Các mức thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các mức và bước thay đổi các thông số thí nghiệm
Các mức thí nghiệm
Yếu tố ảnh
hưởng
-α
- 0 +
+α
Khoảng
biến thiên
Nhiệt độ (
o
C) 170 180 190 200 210 10
Thời gian duy trì
nhiệt độ max (h)
2 4 6 8 10 2
PHẦN II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
2.1. Cơ chế biến đổi khối lượng thể tích gỗ
Ba thành phần chính tạo nên vách tế bào là Cellulose, Hemicellulose

và Lignin xảy ra phản ứng nhiệt giải, tạo ra các phân tử có kích thước nhỏ

4
hơn có khả năng bay hơi như: nước, acetic acid, methanol, fucfuranđehyt…
những chất này bị bay hơi trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến khối lượng
vật chất trong vách tế bào gỗ suy giảm nghiêm trọng, từ đó làm thay đổi
trọng lượng gỗ, và làm giảm khối lượng thể tích gỗ.
2.2. Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ
Trong cấu trúc vách tế bào, một bộ phận nhóm –OH trong phân tử

Cellulose ở vùng vô định hình hình thành liên kết hydro và bộ phận còn lại tồn
tại trong trạng thái tự do. Nhóm –OH tự do là nhóm chức cực tính, dễ kết hợp
với phân tử nước tạo ra liên kết hydro, đây là nguyên nhân chính tạo ra tính hút
ẩm của phân tử Cellulose. Hiện tượng co rút, dãn nở phát sinh khi gỗ trong trạng
thái chưa bão hòa, nguyên nhân chính là do nhóm –OH tự do của cellulose trong
vùng vô định hình hút ẩm và tạo ra liên kết hydro. Sau khi phân tử nước vào
trong vách tế bào sẽ làm cho khoảng cách giữa các mixel cellulose tăng lên, lúc
này gỗ ở
trong trạng thái dãn nở, làm cho kích thước của gỗ không ổn định.
Theo nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng hút ẩm của Hemicellulose là lớn nhất,
sau đó đến Lignin và cuối cùng là Cellulose.
2.3. Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ
Trong gỗ, Hemicellulose có tác dụng kết dính, tạo ra khả năng chịu cắt
của gỗ, sự phá hoại của gỗ do ngoại lực tác dụng chủ yếu do mixel cellulose
và các ch
ất điền đầy (Hemicellulose và Lignin) bị cắt đứt hoặc bẻ gãy tạo ra.
Sau khi xử lý nhiệt polisaccarit bị tổn thất, nhưng chủ yếu là Hemicellulose, vì
Hemicellulose có tính nhạy cảm với nhiệt cao hơn cellulose nhưng tính bền
nhiệt lại kém. Sự thay đổi và tổn thất của Hemicellulose không những làm
giảm tính dẻo dai của gỗ mà còn làm cho khả năng chịu uốn, độ cứng và tính

chịu mài mòn của gỗ giảm xuống. Theo nghiên c
ứu, sự phân giải của
Hemicellulose khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao.
Khi gỗ chịu tác dụng của nhiệt độ, đầu tiên Hemicelluloses phát sinh
phản ứng nhiệt giải và phản ứng tách nhóm acetyl, tạo thành acetic acid,
methanol và các chất bay hơi khác, khi nhiệt độ tăng lên, phản ứng nhiệt giải
Hemicelluloses càng trở nên kịch liệt tiếp tục tạo thành các đường đơn, do
phản ứng nhiệt giải đã làm giảm hàm lượng Hemicelluloses trong gỗ
.
Nhiệt độ cao làm giảm lượng nước trong vùng vô định hình gây ra sự
phân giải của cellulose trong vùng vô định hình và phản ứng tái tổ hợp, từ đó
làm tăng độ kết tinh của gỗ. Nhiệt độ cao làm Hemicelluloses phân giải
thành các vật chất đều có tính hút nước kém hơn so với Hemicelluloses gốc,
ngoài ra cùng với hàm lượng nhóm –OH giảm xuống đã làm cho tính hút ẩm
và hút nước của gỗ giảm rõ rệt, kết quả đã làm giảm độ
ẩm thăng bằng của

5
gỗ, làm tăng tính ổn định kích thước gỗ nhưng đồng thời đã làm cho cường
độ chịu lực của gỗ cũng giảm xuống.
Trong vách tế bào cellulose là vật chất tương đối ổn định, cellulose
xảy ra phản ứng nhiệt giải ở nhiệt độ trong khoảng 300-375
o
C. Khi phản ứng
nhiệt giải xảy ra, bộ phận liên kết C-O trong phân tử đường của cellulose bị
cắt đứt, đặc biệt là trong môi trường nước và môi trường acid, sản phẩm đặc
trưng là levoglucosan xuất hiện ở 300oC, khi ở nhiệt độ khoảng 250oC chỉ
xuất hiện một lượng nhỏ. Quá trình nhiệt giải của cellulose như Hình 2.6.
Do cellulose và Hemixcelluloses đan xen nhau, khi Hemicelluloses
phân giải tạo ra môi trường acid đã làm ảnh hưởng nh

ất định đến tính ổn
định của cellulose. Ngoài ra, khi gỗ chịu tác động của nhiệt độ đã sản sinh ra
rất nhiều vật chất có tính acid như: acetic acid và formic acid đã làm cho sự
phân giải của gỗ càng mãnh liệt hơn.
Lignin và polysacarit kết hợp với nhau tạo thành vách tế bào gỗ, Lignin có
tác dụng như chất điền đầy và tạo độ cứng trong gỗ. Giữa các tế bào trong gỗ hay
giữa các sợi gỗ liên k
ết với nhau dưới hình thức liên kết tầng. Tầng gian bào trong
gỗ chủ yếu do Lignin hình thành. Từ các phân tích ở trên có thể thấy, xử lý gỗ
trong phạm vi nhiệt độ 120-230
o
C, do sự thay đổi các thành phần cấu tạo gỗ đã
dẫn đến tính chất vật lý, cơ học, khả năng chống vi sinh vật cũng như độ bền và
tính chất công nghệ của gỗ có sự thay đổi đáng kể.
PHẦN III
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Kết quả thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố
3.1.1. Ảnh hưởngđến biến đổi độ t
ổn hao kích thước
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tổn hao kích thước: y
= -0,0089x2 + 0,176x + 1,10 R² = 0,93
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ tổn hao kích thước: y
= 0,0004x2 - 0,12x + 9,36 R² = 0,97
Qua kết quả có thể thấy, tỉ lệ tổn hao kích thước của gỗ tăng lên khi
tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý theo quy luật hàm bậc 2 với
mức độ quan hệ rất chặt (R2 > 0,9). Từ kết quả thí nghiệm có thể th
ấy rằng,
nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý có ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi kích
thước của gỗ.
3.1.2. Ảnh hưởng đến độ tổn hao khối lượng

Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

6
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tổn hao khối lượng: y
= -0,027x2 + 0,64x + 5,34 R² = 0,95
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ tổn hao khối lượng: y
= 0,0028x2 - 0,88x + 73,68 R² = 0,96
Qua kết quả có thể thấy, tỉ lệ tổn hao khối lượng của gỗ tăng lên khi
tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý theo quy luật hàm bậc 2 với
mức độ quan hệ rất chặt (R2 > 0,9). Từ kết quả thí nghiệm có th
ể thấy rằng,
nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý có ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi khối
lượng của gỗ.
3.1.3. Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước
Hệ số chống trương nở là tỉ lệ giảm của tỉ lệ trương nở thể tích gỗ sau
xử lý so với gỗ trước khi xử lý [58]. Mối quan hệ này được th
ể hiện thông
qua phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và hệ số chống trương nở: y
= -0,23x2 + 4,70x + 9,61 R² = 0,98
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và hệ số chống trương nở: y
= 0,0145x2 - 4,81x + 418,58 R² = 0,97
Qua kết quả có thể thấy, hệ số chống trương nở của gỗ Keo tai tượng
đã qua xử lý nhiệt tăng lên khi tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý.
3.1.4. Ảnh hướng
đến hiệu suất chống hút nước
Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và hiệu suất chống hút
nước: y = 0,008x2 + 0,21x + 11,95 R² = 0,97
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và hiệu suất chống hút nước:

y = -0,003x2 + 1,43x - 147,99 R² = 0,97
Mẫu xử lý với nhiệt độ cao và thời gian dài thì khả năng hút nước của
gỗ giảm xuống rõ rệt. Nguyên nhân là do khả năng hút nước của g
ỗ phụ thuộc
vào cấu tạo và các thành phần trong gỗ. Gỗ có thể bị loại bỏ một số chất chiết
suất, hoặc Hemicellulose trong gỗ bị phân giải dưới tác dụng nhiệt độ cao, thời
gian xử lý dài, dẫn đến làm giảm số lượng nhóm hydroxyl (-OH) có trong gỗ,
làm giảm khả năng hút nước vào gỗ.
3.1.5. Ảnh hưởng đến cường độ nén dọc thớ
Mối quan hệ này đượ
c thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

7
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tăng cường độ nén
dọc thớ: y = 0,017x2 + 0,77x + 8,39 R² = 0,95
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ tăng cường độ nén dọc
thớ: y = 0,0044x2 - 1,29x + 102,2R² = 0,99
Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ nén dọc của gỗ đã qua xử lý
nhiệt cao hơn so với gỗ đối chứng.
3.1.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Độ bền u
ốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng sau khi xử lý nhiệt giảm đi so
với gỗ đối chứng. Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình
tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm độ bền uốn tĩnh:
y = -0,09x2 + 2,02x + 2,70 R² = 0,96
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền uốn tĩnh:
y = 0,009x2 - 2,89x + 236,01 R² = 0,97
Mẫu gỗ sau khi xử lý có độ bền uốn t
ĩnh nhỏ hơn so với mẫu chưa xử

lý, hơn nữa khi tăng nhiệt độ và kéo dài thời gian xử lý nhiệt thì độ bền uốn
tĩnh giảm xuống. Độ giảm độ bền uốn tĩnh có thể lên tới trên 20%.
3.1.7. Quy luật biến độ mô đun đàn hồi
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm mô đun đàn hồi
uốn tĩnh: y = -0,06x2 + 1,04x + 4,07 R² = 0,89
+ Phương trình tươ
ng quan giữa nhiệt độ và độ giảm mô đun đàn hồi
uốn tĩnh: y = 0,0035x2 - 1,06x + 82,93 R² = 0,95
3.1.8. Quy luật biến đổi khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt
Gỗ sau khi xử lý nhiệt có độ bền kéo trượt màng keo thấp hơn so với
mẫu gỗ đối chứng, và cường độ này giảm xuống khi kéo dài thời gian và
tăng nhiệt độ xử lý. Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình
t
ương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm độ bền kéo trượt
màng keo: y = -0,09x2 + 1,69x + 9,96R² = 0,96
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền kéo trượt
màng keo: y = 0,0041x2- 1,06x + 69,83R² = 0,97
3.2. Kết quả thực nghiệm quy hoạch đa yếu tố

8
3.2.1. Ảnh hưởng đến tổn hao khối lượng
Áp dụng phương pháp thống kê mô tả tính được các trị số trung bình giữa
các lần thí nghiệm và dung lượng mẫu đã chọn (10 mẫu/thí nghiệm với 3 lần
lặp, tổng cộng 30 mẫu cho một chỉ tiêu) thu được kết quả như biểu đồ hình 3.17.
0
2
4
6
8

10
12
14
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ tổn hao khối lượng gỗ (%)

Hình 3.17. Độ tổn hao khối lượng (ML) của gỗ Keo tai tượng xử lý
với các chế độ khác nhau
Từ hình 3.17 ta thấy, độ tổn hao khối lượng của mẫu gỗ sau khi xử lý
tăng lên khi thời gian xử lý kéo dài và nhiệt độ xử lý tăng lên. Độ tổn hao
khối lượng cao nhất có thể tới 14%.
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ tổn hao khối lượng (ML – mass loss):

ML =126,06–1,47T + 0,0044T2 – 0,85t + 0,0065Tt – 0,0035t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tổn
hao khối lượng thể hiện trong hình 3.18.

9
R² = 0.948
4
6
8
10
12
14
4 6 8 101214
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.18. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ tổn hao khối lượng
Dữ liệu trong Hình 3.18 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.2. Ảnh hưởng đến độ tổn hao kích thước
Kết quả phân tích thống kê độ tổn hao kích thước của mẫu gỗ sau khi
xử lý nhiệt được thể hiệ
n trong hình 3.19.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50

3,00
3,50
4,00
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ tổn hao kích thước gỗ (DL),
%

Hình 3.19. Độ tổn hao kích thước (DL) của gỗ Keo tai tượng xử lý
với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ tổn hao kích thước (DL – dimension loss):
DL =30,81– 0,349T + 0,001T2 – 0,436t + 0,0027Tt + 0,0049t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tổn

hao kích thước thể hiện trong hình 3.20.

10
R² = 0.9641
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.511.522.53
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.20. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ tổn hao kích thước
Dữ liệu trong Hình 3.20 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.3. Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước
Kết quả phân tích thống kê hệ số chống trương nở của mẫu gỗ sau khi
xử lý nhiệt đượ
c thể hiện trong hình 3.21.
0
5
10
15
20
25
30
35

40
45
50
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Hệ số chống trương nở, %

Hình 3.21. Hệ số chống trương nở (ASE) của gỗ Keo tai tượng xử
lý với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
hệ số chống trương nở (ASE):
ASE =257,74–3,505T + 0,0115T2 + 4,035t + 0,003Tt – 0,19t2

11

Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hệ số
chống trương nở thể hiện trong hình 3.22.

R² = 0.9808
10
15
20
25
30
35
40
45
10 15 20 25 30 35 40 45
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t rị thực nghiệm, %

Hình 3.22. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của hệ số chống trương nở
Dữ liệu trong Hình 3.22 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.4. Quy luật biến đổi hiệu suất chống hút nước
Kết quả quá trình hút nước của gỗ Keo tai tượng đối chứng và mẫu gỗ
xử lý nhiệ
t được thể hiện trên Hình 3.23.
0
20
40
60
80
100

120
140
160
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Độ hút nước, %
Thời gian ngâm nước
170, 6h
180, 4h
180, 8h
190, 2h
190, 6h
190, 10h
200, 4h
200, 8h
210, 6h
Đối chứng

Hình 3.23. Độ hút nước của gỗ Keo tai tượng trước và sau xử lý
theo thời gian ngâm nước
Qua kết quả có thể thấy thấy, độ hút nước của gỗ Keo tai tượng chưa
xử lý và mẫu gỗ đã xử lý có sự khác biệt rõ rệt. Kết quả thí nghiệm xác định

12
tính hút nước của gỗ Keo tai tượng cho thấy, mẫu xử lý với nhiệt độ cao và
thời gian dài thì khả năng hút nước của gỗ giảm xuống rõ rệt.
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00

10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Hiệu suất chống hút nước, %

Hình 3.24. Hiệu suất chống hút nước (WRE) của gỗ Keo tai tượng
xử lý với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
hiệu suất chống hút nước (WRE):

WRE =-212,55+1,982T-0,0042T2+1,61t- 0,0066Tt + 0,0034t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hiệu
suất chống hút nước thể hiện trong hình 4.25
R² = 0.9929
4
6
8
10
12
14
16
18
20
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.25. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của hiệu suất chống hút nước

13

Dữ liệu trong Hình 4.25 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.5. Quy luật biến đổi độ bền nén dọc thớ
Kết quả phân tích thống kê độ tăng cường độ nén dọc thớ của mẫu gỗ
sau khi xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.26.
0
5
10

15
20
25
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ tăng cường độ nén dọc thờ,
%

Hình 3.26. Độ tăng cường độ nén dọc của gỗ Keo tai tượng
xử lý với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ tăng cường độ nén dọc thớ (ICS – increase of compressive strength):
ICS = 86,959 – 1,098T + 0,0035T2 - 4,66t + 0,032Tt – 0,028t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tăng

cường độ nén dọc thớ gỗ thể hiện trong hình 3.27.
R² = 0.9568
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.27. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của tỉ lệ tăng cường độ nén dọc

14
Dữ liệu trong Hình 4.27 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Kết quả phân tích thống kê độ giảm độ bền uốn tĩnh của mẫu gỗ sau
khi xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.28.
0
5
10
15
20

25
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ giảm độ bền uốn tĩnh, %

Hình 3.28. Độ giảm độ bền uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng xử lý với
các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với độ
giảm độ bền uốn tĩnh (DMOR – decrease of MOR):
DMOR = 774,969 – 8,464T + 0,0233T2 - 9,575t + 0,0459Tt + 0,154t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ
giảm độ bền uốn tĩnh thể hiện trong hình 3.29.
R² = 0.9984
2

4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
24681012141618202224
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %


15
Hình 3.29. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ giảm độ bền uốn tĩnh
Qua kết quả cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ
rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.7. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MOE)
Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt được
thể hiện trong hình 3.30.
0
2
4
6
8
10

12
14
16
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ giảm giảm MOE, %

Hình 3.30. Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng
xử lý với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh (DMOE – decrease of MOE):
DMOE =291,18–3,35T+0,0097T2+0,105t- 0,0025Tt + 0,057t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ
giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh thể hiện trong hình 3.31.

16
R² = 0.9841
2
4
6
8
10
12
14
16
246810121416
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.31. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Dữ liệu trong Hình 3.31 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.8. Ảnh hưởng đến khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt
Độ bền kéo trượt màng keo của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt đượ
c thể
hiện trong hình 3.32.
0
5
10
15
20
25
30

170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ giảm giảm độ kền kéo trượt màng
keo, %

Hình 3.32. Độ giảm độ bền kéo trượt màng keo của gỗ Keo tai
tượng xử lý với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ giảm độ bền kéo trượt màng keo (DSG – decrease of shear strength of
glue line): DSG = 226,4 – 2,99T + 0,0097T2 + 3,5t - 0,015Tt
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ
giảm độ bền kéo trượt màng keo thể hiện trong hình 3.33.

17

R² = 0.9925
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.33 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ giảm độ bền kéo trượt màng keo
Dữ liệu trong Hình 3.33 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.3. Xác định các thông số tối ưu
Giải bài toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ, kết quả thu
được như sau: Nhiệt độ: T = 191,25
o
C, thời gian: t = 5,78 h. Tương ứng các
giá trị: ML = 8.01 %; DL = 1,26 %; ASE = 28,33% ; WRE = 15% ; ICS =
12,49% ; DMOR = 9%; DMOE = 5,03%; DSG = 13%.
3.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu tạo hiển vi của gỗ
Kết quả quan sát cho thấy về cơ bản hình dạng của các tế bào gỗ chính

cấu tạo nên gỗ Keo tai tượng như: Mạch gỗ, sợi gỗ, tia gỗ không có thay đổi
nhiều. Thành phần bị biến đổi lớn nhất đó là lỗ thông ngang trên vách tế bào
mạ
ch gỗ. Đối với mẫu gỗ sau khi xử lý, hệ thống lỗ thông ngang không còn
nguyên vẹn. Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét của mẫu gỗ trước và
sau khi xử lý thể hiện trong hình 3.34 và hình 3.35.
3.5. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ
3.5.1. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ hồng ngoại
(FTIR)
Luận án đã tiến hành phân tích cấu trúc hóa học c
ủa gỗ trước và sau
khi xử lý với các chế độ khác nhau bằng phương pháp phân tích phổ hồng
ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
(1) Phổ hồng ngoại của gỗ Keo tai tượng trước khi xử lý nhiệt độ cao
Số sóng và độ hấp thụ của các loại nhóm chức trong gỗ xác định qua
phổ hồng ngoại của gỗ Keo tai tượng được thể hiện trong Bảng 3.2.

18
Bảng 3.2. Thuộc tính phổ FTIR của gỗ Keo tai tượng đối chứng
Số sóng
(cm
-1
)
Độ hấp thụ Nhóm chức tương ứng
a
1057,5 0,718 C-O
1110,1 0,574 Vòng không đối xứng
1159,4 0,429 C-O-C của cellulose I và cellulose II
1239,5 0,328 C-O của lignin
1329 0,295 C1-O, CH trong cellulose I và cellulose II

1371,5 0,288 C-H của nhóm methyl và phenol
1424,8 0,262 C-H
1460,3 0,265 CH2 của lignin
1510,5 0,215 C=C (G)
1605,3 0,217 C=C (S)
1734,7 0,21 C=O
2919,6 0,266 C-H của nhóm methyl và methylene
3418,3 0,736 O-H
a
S: syringyl; G: guaiacyl
(2) Phổ hồng ngoại của gỗ Keo tai tượng xử lý nhiệt
Số sóng và độ hấp thụ của các loại nhóm chức trong gỗ Keo tai tượng
đã xử lý nhiệt xác định qua phổ hồng ngoại được thể hiện trong Bảng 3.3

19

Từ kết quả cho thấy, về gỗ Keo tai tượng chưa xử lý và đã xử lý có số
lượng các đỉnh (peak) như nhau. Tuy nhiên, có sự khác biệt khá rõ rệt về số
sóng và độ hấp thụ của sóng hồng ngoại.
Theo lý thuyết phân tích phổ hồng ngoại, cường độ hấp thụ sóng hồng
ngoại của nhóm chức thể hiện hàm lượng hay sự có mặt của nhóm chức, khi
cường độ h
ấp thụ càng lớn thể hiện hàm lượng nhóm chức càng nhiều.
3.5.2. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ XPS
(1) Phổ XPS của mẫu gỗ Keo tai tượng đối chứng
Phổ XPS của mẫu gỗ được thể hiện trong Hình 3.40.

Hình 3.40. Phổ XPS của gỗ Keo tai tượng với giải quét rộng

20

Từ hình 3.40 có thể thấy, tại vị trí năng lượng liên kết (binding
energy) khoảng 285 eV và vị trí khoảng 533 eV lần lượt xuất hiện hai đỉnh
peak có cường độ hấp thụ rất mạnh. Căn cứ vào năng lượng liên kết của các
nguyên tử trong phân tích XPS có thể xác định được đây là đỉnh peak thể
hiện sự có mặt và hàm lượng tương đối của nguyên tố carbon (C) và nguyên
tố ô xy (O). Căn cứ vào kết quả
định lượng của máy quét thu được hàm
lượng carbon là 69,1 % và hàm lượng ô xy là 28,6 %.
Kết quả phân tích phổ tại vị trí carbon (C1s) và ô xy (O1s) thể hiện
trong hình 3.41 và hình 3.42.

Hình 3.41. Phổ XPS của mẫu đối chứng với giải quét hẹp tại vị trí C1s
(1) Đường nét liền: Phổ XPS của nguyên tố C
(2) Đường nét đứt: Phổ XPS của các liên kết C1 đến C4

21

Hình 3.42. Phổ XPS của mẫu đối chứng với giải quét hẹp tại vị trí O1s
(1) Đường nét liền: Phổ XPS của nguyên tố O
(2) Đường nét đứt: Phổ XPS của các liên kết O1và O2
Căn cứ vào các tài liệu liên quan [11] [35] [48] [95] trạng thái liên kết
của nguyên tử C trong gỗ có thể phân thành 4 trạng thái khác nhau là C1,
C2, C3 và C4 (Hình 3.41).
(2) Phổ XPS của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt độ cao
Kết quả phân tích phổ XPS với giải quét rộng của các mẫu gỗ x
ử lý
thể hiện trong hình 3.43

22

Hình 3.43. Phổ XPS của gỗ sau khi xử lý nhiệt với giải quét rộng
Kết quả phân tích định lượng được thể hiện trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Hàm lượng tương đối của các nguyên tố C và O trên bề
mặt mẫu gỗ trước và sau xử lý nhiệt độ cao
Chế độ xử lý
Kí hiệu Nhiệt độ,
o
C
Thời gian,
h
C (%) O (%) O/C
ĐC 69,1 28,6 0,41
CĐ1 170 6 71,6 26,3 0,37
CĐ2 180 4 72,7 25,5 0,35
CĐ3 180 8 73,0 25,5 0,35
CĐ4 190 2 74,4 23,2 0,31
CĐ5 190 6 77,2 21,3 0,28
CĐ6 190 10 77,7 20,4 0,26

23
CĐ7 200 4 78,6 18,5 0,24
CĐ8 200 8 79,1 19,6 0,24
CĐ9 210 6 80,4 17,7 0,25
Kết quả phân tích định lượng của phổ XPS cho các mẫu gỗ Keo tai
tượng đối chứng và mẫu gỗ xử lý nhiệt độ cao được thể hiện một cách trực
quan thông qua các biểu đồ từ hình 3.44 đến hình 3.46.
65
70
75
80

85
ĐC170 ,
6h
180 ,
4h
180 ,
8h
190 ,
2h
190 ,
6h
190 ,
10h
200 ,
4h
200 ,
8h
210 ,
6h
Hàm lượng tương đối của nguyên tố C, %
Chế độ xử lý

Hình 3.44. Biểu đồ hàm lượng tương đối nguyên tố C trên bề mặt
mẫu ở các chế độ xử lý khác nhau
Từ Hình 3.44 ta thấy, hàm lượng tương đối của các nguyên tố C ở hầu
hết các mẫu đã xử lý đều lớn hơn so với mẫu đối chứng và có xu hướng tăng
dần khi nhiệt độ xử lý tăng lên. Ngược lại, hàm lượng tương đối của nguyên
tố O
ở các mẫu gỗ xử lý lại cao hơn so với ở mẫu gỗ đối chứng và có xu
hướng giảm xuống khi nhiệt độ xử lý tăng lên (Hình 3.45)

24
0
5
10
15
20
25
30
35
ĐC170 ,
6h
180 ,
4h
180 ,
8h
190 ,
2h
190 ,
6h
190 ,
10h
200 ,
4h
200 ,
8h
210 ,
6h
Hàm lượng của nguyên tố O, %
Chế độ xử lý

Hình 3.45. Biểu đồ hàm lượng tương đối nguyên tố O trên bề mặt
mẫu ở các chế độ xử lý khác nhau
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
ĐC170 ,
6h
180 ,
4h
180 ,
8h
190 ,
2h
190 ,
6h
190 ,
10h
200 ,
4h
200 ,
8h
210 ,

6h
Tỉ lệ O/C trên bề mặt gỗ
Chế độ xử lý

Hình 3.46. Biểu đồ tỉ lệ O/C trên bề mặt mẫu ở các chế độ xử lý
khác nhau
Từ hình 3.46 ta thấy, gỗ Keo tai tượng sau khi xử lý nhiệt có tỉ lệ O/C
thay đổi theo quy luật là khi nhiệt độ tăng lên thì tỉ lệ O/C giảm xuống. Kết
quả xác định hàm lượng tương đối của từng loại liên kết của nguyên tố C và
O trên bề mặt gỗ được trình bày trong Bảng 3.5 và Bảng 3.6.

25
Bảng 3.5. Hàm lượng các loại liên kết của nguyên tố C phân tích bằng
phổ XPS đối với gỗ trước và sau khi xử lý nhiệt độ cao
Chế độ xử lý
Ký hiệu
Nhiệt độ,
oC
Thời gian, h
C
1
(%) C
2
(%) C
3
(%) C
4
(%)
ĐC 45,10 46,44 4,21 4,25
CĐ1 170 6 46,10 44,30 4,10 5,50

CĐ2 180 4 48,60 43,10 3,85 4,45
CĐ3 180 8 50,40 42,50 3,80 3,30
CĐ4 190 2 54,26 39,22 3,70 2,82
CĐ5 190 6 55,62 38,36 2,51 3,51
CĐ6 190 10 55,90 37,50 2,00 4,60
CĐ7 200 4 60,50 35,00 1,85 2,65
CĐ8 200 8 61,10 34,28 1,79 2,83
CĐ9 210 6 61,90 32,46 0,79 4,85
Bảng 3.6. Hàm lượng các loại liên kết của nguyên tố O phân tích
bằng phổ XPS đối với gỗ trước và sau khi xử lý nhiệt độ cao
Chế độ xử lý
Ký hiệu Nhiệt độ, oC Thời gian, h
O
1
(%) O
2
(%)
ĐC 4,94 95,06
CĐ1 170 6 5,34 94,66
CĐ2 180 4 7,82 92,18
CĐ3 180 8 8,65 91,35
CĐ4 190 2 8,60 91,40
CĐ5 190 6 9,50 90,50
CĐ6 190 10 9,90 90,10
CĐ7 200 4 9,94 90,06
CĐ8 200 8 10,11 89,89
CĐ9 210 6 10,25 89,75