Ảnh hưởng của kết cấu đến tích chất vật liệu composite dạng lớp từ tre và gỗ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
*********

NGUYỄN THỊ THANH HIỀN

ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU
COMPOSITE DẠNG LỚP TỪ TRE VÀ GỖ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Tây, 2007


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
*********

NGUYỄN THỊ THANH HIỀN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU
COMPOSITE DẠNG LỚP TỪ TRE VÀ GỖ

Người hướng dẫn khoa học: NGƯT. TS. Phạm Văn Chương

Hà Tây, 2007


Lời cảm ơn
Nhõn dp hon thnh bn lun vn thc s, tụi xin by t lũng bit n
sõu sc n cỏc thy giỏo, cụ giỏo v cỏc cỏn b cụng nhõn viờn Trung tõm
thc nghim v Chuyn giao cụng ngh - Cụng nghip rng, Trung tõm thớ
nghim khoa Ch bin lõm sn thuc Trng i hc Lõm nghip, C s sn
xut Tin Ninh - ụng Anh - H Ni, cựng ton th cỏc bn bố ng nghip
ó tn tỡnh giỳp tụi trong quỏ trỡnh thc hin ti.
c bit, tụi xin chõn thnh cm n ti NGT. TS. Phm Vn Chng,
ngi ó trc tip hng dn tụi v phng phỏp nghiờn cu cng nh
chuyờn mụn trong sut thi gian tin hnh ti.
Tụi vụ cựng bit n b, m, chng, con v ton th anh, ch, em trong
gia ỡnh tụi, nhng ngi luụn to iu kin, ng viờn tụi hon thnh tt bn
lun vn ny.
Hà Tây, ngày 25 tháng 06 năm 2007
Tác giả

Nguyễn Thị Thanh Hiền


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ...........................................................................4

1.1

Sơ lƣợc về vật liệu composite và ứng dụng của vật liệu composite ... 4

1.2

Sơ lƣợc về đặc điểm của nguyên liệu Tre và gỗ ................................. 7

1.3

Lịch sử vấn đề nghiên cứu................................................................... 9

1.3.1

Tình hình nghiên cứu, sử dụng tre, gỗ và tre gỗ kết hợp trên thế

giới……..................................................................................................... 9
1.3.2

Tình hình nghiên cứu, sử dụng tre, gỗ và tre gỗ kết hợp ở Việt

Nam…. .................................................................................................... 15
1.4

Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................... 19

1.4.1

Mục tiêu lý luận: ......................................................................... 19

1.4.2

Mục tiêu kỹ thuật: ....................................................................... 19

1.5

Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 19

1.6

Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 20

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................................... 21

2.1

Cơ sở lý thuyết về vật liệu composite dạng lớp ................................ 21

2.1.1

Nguyên lý hình thành composite dạng lớp ................................. 21

2.1.2

Bản chất của các vật liệu thành phần tre và gỗ .......................... 23

2.2

Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của vật liệu composite tre-gỗ .. 35

2.2.1 Ảnh hƣởng của các yếu tố thuộc vật liệu tre và gỗ ..................... 35
2.2.2 Ảnh hƣởng của chất kết dính ...................................................... 38
2.2.3 Ảnh hƣởng của kết cấu sản phẩm ............................................... 39
2.2.4 Ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ ép .......................................... 45
2.3

Cơ sở lựa chọn các thông số chế độ ép ............................................. 46


ii

Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 50

3.1

Kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố:.................................................... 50

3.2

Phƣơng pháp xác định các tính chất của vật liệu .............................. 51

3.3

Phƣơng pháp xử lý số liệu ................................................................. 52

3.3.1

Trung bình mẫu .......................................................................... 52

3.3.2

Sai tiêu chuẩn mẫu ..................................................................... 52

3.3.3

Hệ số biến động.......................................................................... 53

3.3.4

Hệ số chính xác .......................................................................... 53

Chƣơng 4. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU................................................... 54

4.1

Quy trình công nghệ sản xuất vật liệu composite tre và gỗ .............. 54

4.2

Thực nghiệm tạo vật liệu composite từ tre và gỗ .............................. 55

4.2.1

Xây dựng kết cấu sản phẩm cho vật liệu thí nghiệm ................. 55

4.2.2

Chuẩn bị nguyên vật liệu ............................................................ 55

4.2.3

Tiến hành thực nghiệm ép sản phẩm ......................................... 57

4.3

Kết quả kiểm tra một số tính chất của vật liệu .................................. 59

4.3.1 Kiểm tra các chỉ tiêu ngoại quan của sản phẩm .......................... 59
4.3.2

Khối lƣợng thể tích của sản phẩm .............................................. 60

4.3.3

Độ ẩm của sản phẩm................................................................... 63

4.3.4

Ảnh hƣởng của tỷ lệ kết cấu đến độ bền uốn tĩnh của vật liệu .. 65

4.3.5 Ảnh hƣởng của tỷ lệ kết cấu đến modul đàn hồi uốn tĩnh .......... 73
4.3.6
4.4

Kiểm tra khả năng dán dính của màng keo ................................ 76

Đánh giá kết quả nghiên cứu ............................................................ 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 80
KẾT LUẬN .................................................................................................... 80
KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT.............................................................................. 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 82
PHỤ LỤC


iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Tt

Kí hiệu

Tên gọi

Đơn vị

1

C(95%)

Sai số cực hạn của ƣớc lƣợng với độ tin cậy 95%

-

2

MOR

Độ bền uốn tĩnh

MPa

3

MORd

Độ bền uốn tĩnh ở điều kiện khô

MPa

4

MORw

Độ bền uốn tĩnh ở điều kiện ƣớt

MPa

5

MOE

Modul đàn hồi uốn tĩnh

MPa

6

MOEd

Modul đàn hồi uốn tĩnh ở điều kiện khô

MPa

7

MOEw

Modul đàn hồi uốn tĩnh ở điều kiện ƣớt

MPa

8

MC

9

l

Chiều dài

mm

10

t

Chiều dày

mm

11

w

Chiều rộng

mm

12

T

Nhiệt độ

13

P

Áp suất

MPa

14



Thời gian

giây

15



Khối lƣợng thể tích

g/cm3

16

P-F

Keo Phenol-Formaldehyde

-

17

U-F

Keo Urea-Formaldehyde

-

18

U-M-F

Keo Urea- Melamine-Formaldehyde

-

Độ ẩm của sản phẩm

%

o

C


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

TT

Tên bảng

Trang

1

2.1 Tính chất vật lý và cơ học của một số loại tre

32

2

4.1 Kết quả quan sát các khuyết tật trên bề mặt sản phẩm

60

3

4.2 Độ cong vênh của vật liệu thí nghiệm (%)

60

4

4.3 Khối lƣợng thể tích của sản phẩm (g/cm3)

61

5

4.4 Độ ẩm của sản phẩm (%)

63

6

4.5 Độ bền uốn tĩnh của sản phẩm ở điều kiện khô (MPa)

66

7

4.6 Độ bền uốn tĩnh của sản phẩm ở điều kiện ƣớt (MPa)

67

8

4.7 Modul đàn hồi uốn tĩnh của vật liệu ở điều kiện khô (MPa)

74

9

4.8 Modul đàn hồi uốn tĩnh của vật liệu ở điều kiện ƣớt (MPa)

75

10

4.9 Mức độ bong tách màng keo của vật liệu (mm)

77


v

DANH MỤC CÁC HÌNH

TT

Tên hình

Trang

1

1.1a. Sử dụng composite tre - gỗ làm mái nhà

6

2

1.1b. Sử dụng composite gỗ làm khung nhà

6

3

1.1c. Sử dụng composite gỗ làm dầm chịu lực

7

4

1.1d. Sử dụng composite gỗ làm cầu đƣờng

7

5

1.2a. Một số sản phẩm và vật dụng đƣợc sản xuất từ tre

12

6

1.2b. Sản phẩm tre sử dụng trong công trình xây dựng nhà cửa

13

7

2.1. Ký hiệu composite nhiều lớp

21

8

2.2. Cấu tạo chung của cây họ tre

24

9

2.3. Cấu tạo thành tre25

25

10

2.4. Mặt cắt dọc của phần lóng và phần đốt tre

26

11

2.5. Profile phân bố mật độ theo phƣơng chiều dày của sản phẩm

42

12

3.1. Sơ đồ lấy mẫu thí nghiệm trên tấm vật liệu Composite tre-gỗ

52

13

4.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu composite tre - gỗ

54

14

4.2. Phƣơng pháp tạo tấm cót mộc từ các nan luồng

56

15

4.3. Cấu trúc vật liệu composite tre-gỗ

58

16

4.4. Biểu đồ ép vật liệu composite thí nghiệm

58

17

4.5. Sơ đồ vị trí kiểm tra kích thƣớc mẫu thử khối lƣợng thể tích

61

18

4.6. Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ kết cấu với khối lƣợng thể tích

62

19

4.7. Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ kết cấu với độ ẩm của sản phẩm

64

20

4.8. Sơ đồ đặt lực thử độ bền uốn

66

21

4.9a. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R1 ở điều kiện khô

68

22

4.9b. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R3 ở điều kiện khô

68

23

4.9c. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R2 ở điều kiện khô

69


vi

24

4.9d. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R4 ở điều kiện khô

69

25

4.10a. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R1 ở điều kiện ƣớt

70

26

4.10b. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R3 ở điều kiện ƣớt

70

27

4.10c. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R2 ở điều kiện ƣớt

71

28

4.10d. Biểu đồ chịu lực của vật liệu tỷ lệ R4 ở điều kiện ƣớt

71

29

4.11. Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ kết cấu với độ bền uốn tĩnh

72

30

4.12. Biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ kết cấu với modul đàn hồi uốn tĩnh

75

31

4.13. Quan hệ giữa tỷ lệ kết cấu với khả năng dán dính của sản phẩm 76


1

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đời sống của con ngƣời
ngày một nâng cao, nhu cầu sử dụng gỗ và các sản phẩm từ gỗ có chất lƣợng
cao ngày càng tăng. Để đáp ứng đƣợc nhu cầu này, ngành công nghiệp chế
biến lâm sản và ngành công nghiệp sản xuất ván nhân tạo đã cho ra thị trƣờng
rất nhiều sản phẩm khác nhau, đƣợc con ngƣời ƣa chuộng và sử dụng rộng
rãi, trong đó có vật liệu composite.
Hiện nay, sản phẩm ván nhân tạo và vật liệu composite dạng lớp đƣợc
sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân nhƣ: Công nghệ sản
xuất đồ mộc, xây dựng, giao thông vận tải, bao bì… Song, gỗ rừng tƣ nhiên
ngày càng cạn kiệt dẫn đến gỗ có đƣờng kính lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu
nguyên liệu để sản xuất ván nhân tạo ngày càng khan hiếm. Bên cạnh đó việc

chế biến và sử dụng gỗ rừng trồng cũng chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu hiện nay,
đồng thời việc nghiên cứu công nghệ và sử dụng hiệu quả nguyên liệu gỗ
rừng trồng chƣa đƣợc đầu tƣ đúng mức. Đứng trƣớc tình hình đó, để giải
quyết vấn đề cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến lâm sản nói
chung và chế biến gỗ nói riêng, Nhà nƣớc đã có nhiều giải pháp trƣớc mắt và
lâu dài vừa đáp ứng yêu cầu nguyên liệu cho ngành chế biến, vừa phát triển,
bảo vệ và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên rừng hiện có. Một trong những
giải pháp đó là đẩy mạnh phát triển công nghiệp chế biến gỗ và lâm sản ngoài
gỗ. Bên cạnh đó cần phải nâng cao tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu, đồng thời phải
tăng cƣờng tìm kiếm các nguyên liệu ngoài gỗ để thay thế gỗ hoặc kết hợp
với gỗ nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lƣợng. Trong các loại lâm sản ngoài
gỗ, một loại tài nguyên rừng không nhỏ của nƣớc ta chƣa đƣợc khai thác và
tận dụng nhiều, đó là nguồn tài nguyên tre nứa. Tre cũng là một tài nguyên
rừng có khả năng tái sinh tốt, có độ bền cơ học cao, tỷ lệ giữa độ bền với
trọng lƣợng cao hơn gỗ và khả năng chống chịu mài mòn tốt hơn gỗ. Đặc biệt,


2

tre có cƣờng độ uốn tĩnh và modul đàn hồi tƣơng đối lớn, so với gỗ mọc
nhanh rừng trồng thƣờng có cƣờng độ thấp, một số loài có quá nhiều mắt,
cƣờng độ không đồng đều, tính năng gia công còn nhiều hạn chế. Vì vậy, tre
không chỉ đáp ứng đƣợc các yêu cầu của nguyên liệu dùng để thay thế gỗ
trong công nghiệp chế biến gỗ, mà còn đáp ứng đƣợc các yêu cầu của loại cây
dùng để trồng rừng phục vụ công nghiệp. Hiện nay, các nhà khoa học đã đi
sâu nghiên cứu, sử dụng tre nứa làm nguyên liệu sản xuất ván nhân tạo và
ngành công nghiệp ván nhân tạo tre đã bắt đầu đƣợc hình thành. Tuy nhiên,
nó đang phải đối mặt với một số vấn đề cần phải đƣợc giải quyết: Một là tính
chất cơ lý của các loại ván dán tre, ván ghép thanh tre và ván cót ép là rất tốt.
Nhƣng tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu thấp, năng suất và sản lƣợng bị hạn chế. Hai

là tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu trong sản xuất ván dăm tre tuy cao, nhƣng trong
quá trình sản xuất tinh tre và màng lụa có ảnh hƣởng đến khả năng dán dính
của keo tổng hợp nhƣ Urea- Formaldehyde; dăm tre dễ tạo búi gây khó khăn
cho phân loại dăm, trộn keo và trải thảm; kích thƣớc của sản phẩm không ổn
định và nấm mốc rất dễ xuất hiện trên bề mặt. Điều này có tác động tiêu cực
đến quá trình sử dụng sản phẩm. Ba là cấu trúc và kích thƣớc của tre rất đặc
biệt (đƣờng kính của tre nhỏ hơn gỗ, gỗ là cơ thể đặc ruột còn tre thì rỗng
ruột, đƣờng kính và chiều dày thành tre giảm dần từ gốc đến ngọn...) nên gia
công tre khó hơn gia công gỗ. Điều này làm hạn chế sự đa dạng hoá của sản
phẩm. Để khắc phục các vấn đề này, việc kết hợp tre nứa và gỗ rừng trồng
nhằm tạo ra các loại hình sản phẩm đa dạng về nguyên liệu, về kích thƣớc
cũng nhƣ khối lƣợng thể tích, nhƣng vẫn đảm bảo các tính chất cơ học, vật lý
tốt, có lợi cho ngƣời sử dụng là rất cần thiết. Hơn nữa, việc kết hợp tre với gỗ
để tạo thành vật liệu composite tre-gỗ sẽ phát huy đƣợc những điểm mạnh của
tre và gỗ nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm, đồng thời góp phần làm tăng
hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên rừng và giảm giá thành sản phẩm.


3

Song, vấn đề đặt ra là tre, gỗ là hai vật liệu có đặc điểm cấu tạo, tính
chất, thành phần hoá học và những ƣu, nhƣợc điểm khác nhau. Vì vậy, việc
thiết kế vật liệu composite tre - gỗ có tỷ lệ kết cấu phù hợp với mục đích sử
dụng nhƣng vẫn đảm bảo các tính chất của sản phẩm đang là một vấn đề bức
thiết, cần đƣợc quan tâm hiện nay.
Hơn nữa, cho đến nay việc tính toán thiết kế kết cấu sản phẩm từ gỗ nói
chung và vật liệu composite tre - gỗ nói riêng chƣa đƣợc quan tâm đúng mức
nên nhiều sản phẩm sản xuất ra không đảm bảo tốt các chức năng sử dụng. Cơ
sở cho việc tính toán thiết kế là đảm bảo các chỉ tiêu chất lƣợng của sản
phẩm, trong đó tính chất cơ, vật lý của sản phẩm là một vấn đề rất cần đƣợc

cả ngƣời sản xuất và ngƣời sử dụng quan tâm.
Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
"Ảnh hưởng của kết cấu đến tính chất vật liệu Composite dạng lớp từ tre và
gỗ". Trên cơ sở đó, đề xuất một số thông số công nghệ để tạo sản phẩm.


4

Chƣơng 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1

Sơ lƣợc về vật liệu composite và ứng dụng của vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều hơn hai vật liệu

có bản chất khác nhau. Vật liệu tạo thành có nhiều tính chất tốt hơn các vật
liệu thành phần xét riêng rẽ [20] [1], chẳng hạn, có độ bền cơ học cao, khả
năng chống chịu môi trƣờng tốt, cách âm, cách nhiệt tốt...
Vật liệu composite đƣợc tạo ra chủ yếu gồm hai vật liệu chính: vật liệu
tăng cƣờng (cốt) và vật liệu nền (vật liệu kết dính):
- Nền có thể là chất hữu cơ (nhƣ nhựa Epoxy, nhựa polyeste, Phenol
formaldehyde…), cũng có thể là các khoáng chất (gốm), cũng có thể là kim
loại (nhƣ Bo, nhôm…). Trong sản xuất ván nhân tạo thì nhựa đƣợc sử dụng
nhiều nhất.
- Cốt hay vật liệu tăng cƣờng có thể là ván mỏng, sợi, dăm… Độ bền
của vật liệu composite phụ thuộc vào hình thức sắp xếp và tỷ lệ khối lƣợng
của vật liệu tăng cƣờng đƣợc sử dụng, đây là một thông số quan trọng quyết
định tính chất cơ học của vật liệu.
Trong vật liệu composite thì cốt tạo cho vật liệu composite có khả năng
chịu lực cao hơn, nền đóng vai trò liên kết, truyền lực và bảo vệ cho cốt
chống chọi với môi trƣờng xung quanh.

Vật liệu composite dạng lớp
Theo tiến sỹ Trần Ích Thịnh [20] vật liệu composite có thể đƣợc phân
loại theo hình dạng hoặc theo bản chất của các vật liệu thành phần, ngoài ra
cũng có thể phân loại theo cấu trúc của vật liệu composite.
Phân loại theo hình dạng của vật liệu thành phần ta có: vật liệu
composite cốt sợi và vật liệu composite cốt hạt.
Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần nền ta có: Composite hữu
cơ (nhựa), composite nền kim loại, composite nền khoáng.


5

Phân loại theo cấu trúc của vật liệu composite ta có: Vật liệu composite
dạng mặt (tấm, vỏ, …) và vật liệu composite dạng lớp.
Trong đó, vật liệu composite dạng lớp là vật liệu gồm nhiều lớp liên
tục, các lớp đƣợc liên kết với nhau nhờ vật liệu kết dính tạo thành tấm. Các
lớp vật liệu khác nhau sẽ có bản chất sợi (cốt) khác nhau: có thể là xơ, sợi dài,
sợi ngắn, vải dệt hoặc bện, tết, đan… Các đặc tính của tấm phụ thuộc vào
hƣớng sợi của các lớp cũng nhƣ vị trí của chúng trong tấm. Vì vậy, tuỳ thuộc
vào mục đích của ngƣời sử dụng và nhu cầu về độ bền cũng nhƣ độ cứng của
vật liệu mà ta có thể tạo ra các loại vật liệu có kết cấu (cấu trúc) khác nhau.
Trong thực tế phần lớn các phƣơng pháp công nghệ đều nhằm chế tạo
các chi tiết bằng vật liệu composite nhiều lớp gồm vật liệu cốt (chất tăng
cƣờng) và vật liệu nền (nhựa).
Vật liệu composite đã có một lịch sử ứng dụng từ nhiều năm và chúng
xuất hiện chính xác vào lúc nào cũng chƣa đƣợc biết, nhƣng những sử sách
liên quan đến vật liệu này đã cho thấy nó đƣợc con ngƣời tạo ra và sử dụng từ
rất sớm, nhƣ những khay cổ của ngƣời Isaren làm bằng bụi gạch có độ bền
cao, gỗ dán đã đƣợc ngƣời Ai cập cổ đại sử dụng cho thấy rằng: gỗ có thể
đƣợc sắp xếp theo một cách nào đó để có độ bền cao, có khả năng chống chịu

với môi trƣờng ẩm, nhiệt tốt... [1].
Ngày nay, vât liệu composite đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực của
nền kính tế quốc dân. Đặc biệt, vật liệu composite gỗ và vật liệu composite tre
đã đƣợc con ngƣời sử dụng trong đời sống sinh hoạt và trong các ngành nhƣ:
công nghệ sản xuất hàng mộc, xây dựng, giao thông vận tải, bao bì.
Trong công nghệ sản xuất hàng mộc vật liệu composite đƣợc dùng làm
các chi tiết dạng tấm phẳng nhƣ: mặt bàn, mặt ghế, giƣờng, cánh tủ, hồi tủ…
Trong xây dựng nó đƣợc dùng làm trần nhà, vách ngăn, khuôn bê
tông… Trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta còn dùng vật liệu composite gỗ để


6

làm các chi tiết chịu lực nhƣ dầm, xà, khung chịu lực, mái nhà, bậc cầu
thang,… (hình 1.1a,b,c)
Trong giao thông vận tải ngƣời ta sử dụng vật liệu composite tre và
composite gỗ để làm sàn tàu, sàn xe ô tô, vỏ tàu xe, toa tầu hoả, công-ten-nơ,
giƣờng, ghế trong các toa xe hành khách, xây dựng cầu đƣờng,…[6], [14]
(hình1.1d).
Nhìn chung, ứng dụng của vật liệu composite rất đa dạng và ngày càng
chiếm tỷ trọng cao.

Hình 1.1a. Sử dụng composite tre - gỗ làm mái nhà

Hình 1.1b. Sử dụng composite gỗ làm khung nhà


7

Hình 1.1c. Sử dụng composite gỗ làm dầm chịu lực

Hình 1.1d. Sử dụng composite gỗ làm cầu đƣờng
1.2

Sơ lƣợc về đặc điểm của nguyên liệu Tre và gỗ
Tre cũng nhƣ gỗ, đều là cơ thể hữu cơ sinh trƣởng tự nhiên, đều là vật

liệu không đồng chất và không đẳng hƣớng, nhƣng ở hình thái ngoại quan, kết
cấu và thành phần hoá học chúng rất khác nhau, tính chất vật lý, cơ học có
đặc thù riêng của nó.
So với gỗ, tre có cƣờng độ cao hơn (đặc biệt ở phần cật tre), đàn hồi
hơn, dễ gia công …làm cho tre có nhiều ứng dụng hơn:


8

- Do tre có thớ thẳng nên dùng công cụ đơn giản cũng có thể chẻ tre
thành những nan rất mỏng (độ dày có thể đạt vài m), sử dụng những nan này
có thể tạo thành rất nhiều sản phẩm khác nhau nhƣ hàng mỹ nghệ, dụng cụ
gia đình… Tre tƣơi có thể uốn nóng thành các loại sản phẩm có kết cấu đa
dạng, màu tre nhạt, dễ tẩy trắng, nhuộm màu…
- Đƣờng kính của tre nhỏ, thành mỏng, rỗng ruột, đƣờng kính và chiều
dày thành tre giảm dần từ gốc đến ngọn. Do có đặc điểm này, làm cho nó
không thể cƣa cắt thành tấm…gây khó khăn cho việc tạo các sản phẩm có
kích thƣớc lớn với yêu cầu độ nhẵn bề mặt đảm bảo.
- Kết cấu không đồng đều, chiều dày của phần thịt tre giảm dần từ gốc
lên ngọn, từ ruột ra cật tre, cấu tạo chặt chẽ, cứng, bề mặt bóng nhẵn có phủ
một lớp sáp, ảnh hƣởng đến khả năng thấm ƣớt của nƣớc và keo. Ruột tre có
cấu tạo xốp, dòn cũng ảnh hƣởng đến khả năng thấm ƣớt của nƣớc và keo.
Thịt tre nằm ở giữa ruột tre và cật tre, là bộ phận lợi dụng chủ yếu của tre. Do

khác nhau về kết cấu giữa ba bộ phận này đã dẫn đến sự khác biệt rất rõ rệt về
khối lƣợng thể tích, độ ẩm, tỷ lệ co rút, cƣờng độ, tính năng dán dính…đặc
tính này không lợi cho gia công và khả năng lợi dụng tre.
- Tre có tính không đẳng hƣớng rõ rệt, do các bó mạch của tre xếp theo
phƣơng song song, ngay ngắn, vân thớ đồng nhất, không có liên hệ theo chiều
ngang. Vì thế cƣờng độ theo chiều dọc của tre lớn, cƣờng độ theo chiều ngang
nhỏ, dễ bị nứt. Bình thƣờng tỷ lệ cƣờng độ theo 2 chiều dọc, ngang của gỗ là
20:1, còn tre thì đến 30:1. Tính chất vật lý, cơ học và tổ thành hoá học ở các
bộ phận, ở các chiều hƣớng khác nhau đều khác nhau, vì thế nó là yếu tố
“không ổn định” cho quá trình gia công và lợi dụng tre.
- Các chất dinh dƣỡng trong tre thƣờng nhiều hơn trong gỗ bình
thƣờng, các chất hữu cơ này là một số chất dinh dƣỡng của côn trùng và vi
sinh vật (nấm), trong đó albumin từ 1,5 - 6,0%, đƣờng khoảng 2%, tinh bột từ


9

2,0 - 6,0%, chất béo và chất sáp từ 2,0 - 4,0%. Vì thế ở điều kiện nhiệt, ẩm độ
thích hợp sử dụng và dự trữ dễ dẫn đến mục, mọt và biến màu.
Mặc dù, gỗ có ƣu điểm so với tre là mềm hơn, đƣờng kính lớn hơn nên
có thể bóc thành các tấm ván mỏng, tạo thành các sản phẩm có kích thƣớc
lớn. Song gỗ cũng có nhƣợc điểm nhƣ: nhiều mắt làm cho gỗ bị nghiêng chéo
thớ ảnh hƣởng đến quá trình gia công và tính chất cơ lý của gỗ. Gỗ càng
nghiêng thớ độ co rút dọc thớ càng mạnh làm cho gỗ dễ bị cong vênh khi phơi
sấy, nghiêng thớ còn làm cho khả năng chịu kéo dọc thớ và lực uốn tĩnh của
gỗ giảm. Ngoài ra, độ dẻo dai, khả năng đàn hồi và cƣờng độ chịu lực của gỗ
cũng nhỏ hơn tre rất nhiều. Vì vậy, việc kết hợp tre với gỗ nhằm nâng cao tính
ƣu việt của tre và gỗ, đồng thời hạn chế những nhƣợc điểm của cả hai vật liệu
này, từ đó tạo ra các vật liệu composite tre - gỗ có giá trị sử dụng, giá trị thẩm
mỹ và giá trị kinh tế cao là một hƣớng đi hoàn toàn đúng đắn.

1.3

Lịch sử vấn đề nghiên cứu

1.3.1 Tình hình nghiên cứu, sử dụng tre, gỗ và tre gỗ kết hợp trên thế
giới
Nhƣ chúng ta đã trình bày ở trên, lịch sử ứng dụng vật liệu composite
có từ nhiều năm. Song vật liệu composite gỗ và composite tre mới chỉ xuất
hiện ở cuối thế kỷ thứ XIX khi ngành công nghệ hoá học phát triển tìm ra
những loại keo dán mới và công nghiệp sản xuất ván nhân tạo ra đời, đã cho
ra những loại hình sản phẩm rất đa dạng. Từ nửa cuối thế kỷ XIX ở Đức, Nga,
Mỹ đã biết kết hợp gỗ dán với keo tạo ra sản phẩm ván dán thay thế gỗ xẻ và
cạnh tranh đƣợc gỗ xẻ nhờ có tính chất đồng đều theo chiều thớ, có kích
thƣớc ván lớn, độ bền cơ học cao. Đến năm 1929 nhà máy ván sợi đầu tiên
trên thế giới đã đƣợc xây dựng ở Mỹ, và nhà máy ván dăm đầu tiên đã đƣợc
xây dựng tại Đức vào năm 1941. Từ đó, sản phẩm ván nhân tạo bắt đầu phát
triển và đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực do có nhiều thuận lợi về


10

mặt nguyên liệu, dễ gia công lắp ghép và có thể tạo ra sản phẩm có kích thƣớc
theo ý muốn.
Trong thời gian đại chiến lần thứ hai nhu cầu sử dụng gỗ tăng lên rất
nhiều, trong khi đó gỗ rừng tự nhiên ngày càng cạn kiệt, vì vậy hƣớng tận
dụng phế liệu bắt đầu xuất hiện và các loại hình sản phẩm ván nhân tạo nhƣ:
ván sợi, ván dăm, ván ghép thanh, ván sợi xi măng, composite gỗ… bắt đầu
phát triển mạnh mẽ. Chẳng hạn, ván LVL (Lamiated veener lumber) là một
loại vật liệu composite gỗ đƣợc áp dụng đầu tiên để làm cánh máy bay trong
chiến tranh thế giới thứ hai do một số nhà sản xuất ở Mỹ thực hiện [6].

Trong những năm gần đây, khi nền công nghiệp chế biến phát triển
mạnh, nhu cầu tiêu dùng ván nhân tạo tăng đột biến, từ năm 1980 đến năm
2000 tăng lên 1,6 lần. Năm 2003 toàn thế giới sản xuất khoảng 190 triệu m 3
ván nhân tạo. Nƣớc có khối lƣợng sản xuất lớn nhất là Mỹ tiếp đến là Trung
quốc, Canada, Đức. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp
ván nhân tạo thì lƣợng tiêu hao nguyên liệu cũng lớn dẫn đến tài nguyên rừng
ngày càng giảm mạnh. Để phát triển bền vững, ngành công nghiệp chế biến
cần phải tìm biện pháp để tiết kiệm tài nguyên gỗ, tìm nguyên liệu thay thế
gỗ, đồng thời ƣu tiên các sản phẩm đa dạng về nguyên liệu nhằm nâng cao tỷ
lệ lợi dụng tài nguyên rừng. Đứng trƣớc tình hình đó, một hƣớng nghiên cứu
mới đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới là tận dụng tối
đa nguồn nguyên liệu sẵn có nhƣ tre, nứa và gỗ rừng trồng để tạo ra các sản
phẩm đa dạng về nguyên liệu nhằm nâng cao chất lƣợng và giảm giá thành
sản phẩm, đồng thời góp phần làm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên rừng.
Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới nhƣ Ấn độ, Trung quốc, Thái
lan, Indonesia, Philippines... đã nghiên cứu sử dụng nguyên liệu tre, để tạo ra
nhiều loại sản phẩm có thể sử dụng trong xây dựng nhƣ: Ván ép lớp tre (Mat
Plybamboo), mành tre (Curtain Plybamboo), ván dán tre (Plybamboo), ván


11

khuôn bê tông xây dựng (Building concrete moldboard), ván dăm tre, ván sàn
tre và các vật liệu composite tre - ximăng, tre - thạch cao. Trong đó, Trung
Quốc là một nƣớc đứng đầu về tre (với 5 triệu ha rừng tre), chiếm khoảng 1/3
tổng diện tích tre trên thế giới, đã sản xuất ra nhiều loại sản phẩm từ tre với
mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu tre. Tất cả chúng đều đƣợc
áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ,
sản xuất sàn nhà, sàn tàu xe, giàn giáo, vách ngăn…và phần nào đó đã thay
thế đƣợc gỗ, thép, nhựa…làm nguyên liệu trong trang trí nội thất cũng nhƣ

trong xây dựng (hình 1.2a,b). Ngoài ra, Nepal cũng đã hợp tác với Australia
sản xuất thử ván nhân tạo từ tre. Một số nƣớc khác ở Đông Nam Á và Châu Á
cũng sản xuất ván ghép thanh tre. Các nƣớc ở Châu Phi và Châu Mỹ chƣa có
công bố gì về số liệu cũng nhƣ công nghệ sản xuất ván nhân tạo từ tre [7].
Tuy nhiên, việc kết hợp giữa tre và gỗ để tạo ra sản phẩm có độ bền cơ
học cao, đáp ứng đƣợc mục đích sử dụng trong xây dựng và trong trang trí nội
thất cũng nhƣ trong thiết kế và chế tạo đồ mộc vẫn còn hạn chế.
Trên thế giới, các nhà khoa học của Philippine Marina A. Alipon,
Mildred M. Fidel, Zenita B. Espiloy, Elvina O. Bondad & Pedro C. Cayabyab
đã nghiên cứu vật liệu composite kết hợp giữa tre và gỗ dùng trong xây dựng,
cho thấy độ bền uốn, nén dọc thớ và độ bền kéo trƣợt màng keo tƣơng đƣơng
với các loại gỗ sử dụng làm xà, dầm, sàn nhà thông dụng [25].
Năm 1994, Wang Siqun của Trƣờng Đại học Nam Kinh Trung Quốc đã
“nghiên cứu tính ổn định kích thƣớc của ván tổng hợp sản xuất từ tre và gỗ
sinh trƣởng nhanh”. Tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hƣởng của keo dán, chiều
dày dăm, tỷ lệ dăm tre, cấu trúc ván, khối lƣợng thể tích, đặc tính của tre, độ
axit của nguyên liệu đến tính chất ổn định của ván [15].


12

Hình 1.2a. Một số sản phẩm và vật dụng đƣợc sản xuất từ tre


13

Hình 1.2b. Sản phẩm tre sử dụng trong công trình xây dựng nhà cửa


14

Cũng vào năm 1994, Wang Siqun, Hua Yukun đã nghiên cứu công
nghệ sản xuất ván dăm định hƣớng từ nguyên liệu tổng hợp tre và gỗ Bạch
dƣơng (Composite Oriented Stand Board, Composite - OSB), các tác giả đã
rút ra kết luận là ván OSB tạo từ tre và gỗ Bạch Dƣơng có độ bền rất cao; Khi
tăng tỷ lệ dăm tre thì khả năng ổn định kích thƣớc và cƣờng độ của ván tăng
lên, nhƣng tỷ trọng của ván cũng tăng theo; Keo P-F (Phenol-Formaldehyde)
và U-F (Urea-Formaldehyde) đều có thể sử dụng làm chất kết dính sản xuất
ván OSB từ Tre và gỗ Bạch dƣơng đảm bảo các chỉ tiêu chất lƣợng của ván
[28 pp 329-334].
Năm 2005, các nhà khoa học Zhang Qisheng, Jiang Shenxue, Chen
Liheng của Trung Quốc, đã nghiên cứu tạo vật liệu composite làm ván sàn
contener từ tre và gỗ mọc nhanh có tỷ trọng thấp. Các tác giả đã đƣa ra 3 loại
sản phẩm với các kết cấu khác nhau đƣợc kết hợp từ cót ép tre, ván ghép
thanh tre, ván dăm và ván mỏng từ gỗ có tỷ trọng thấp. Kết quả là các sản
phẩm tạo ra đều đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn về tính chất cơ lý của vật liệu dùng
trong công nghiệp chế tạo contener (khối lƣợng thể tích từ 0,75-0,8 g/cm3, độ
bền uốn vuông góc là 30 MPa, độ bền uốn song song là 80 MPa, modul đàn
hồi uốn vuông góc là 3.000 MPa và modul đàn hồi uốn song song là 10.000
MPa) [31].
Các nhà khoa học của Nhật Bản nhƣ: Min Zhang, Shuichi Kawai,
Hikaru Sasaki, Yasuo Yoshida, Toshiyuki Yamawaki & Masato Kashihara
(1994), đã nghiên cứu sản xuất ván sợi composite kết hợp giữa sợi đay, sợi tre
và sợi gỗ với các tỉ lệ hỗn hợp sợi khác nhau. Kết qủa cho thấy: ván sợi
composite đay-gỗ có độ bền uốn tĩnh (MOR) tăng khi tỷ lệ hỗn hợp sợi
đay/gỗ tăng, còn khi tỷ lệ sợi tre/gỗ tăng thì cƣờng độ uốn ở điều kiện ƣớt
(MORw) của ván sợi composite tre - gỗ tăng và tính chất chống nƣớc của nó
cũng tăng lên [26 pp. 270-279].

15

Ngoài ra, có rất nhiều trung tâm nghiên cứu về tre với nhiều sản phẩm
đa dạng, trong đó sản phẩm composite tre-gỗ cũng đƣợc các nhà khoa học
nghiên cứu và công bố rộng rãi nhƣ: The International Plant Genetic
Resources Institute (IPGRI) giới thiệu vật liệu composite tre gỗ làm sàn
contener, làm sàn nhà; the International Network for Bamboo and Rattan
(INBAR) cũng đề cập tới nghiên cứu tạo vật liệu composite tre-gỗ dùng làm
coppha và đồ mộc [24]. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này đều không
công bố cụ thể về quy trình và các thông số công nghệ để sản xuất vật liệu mà
chỉ mang tính chất quảng bá sản phẩm.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu, sử dụng tre, gỗ và tre gỗ kết hợp ở Việt Nam
Ở Việt nam tre, gỗ, nứa đƣợc con ngƣời sử dụng từ rất lâu, song với
nền công nghiệp chế biến gỗ chậm phát triển nên vẫn còn ở trình độ thấp so
với thế giới. Cho đến nay, nƣớc ta mới có 25 dây chuyền sản xuất ván nhân
tạo với hầu hết là công suất nhỏ dƣới 6000 m3/năm (trừ nhà máy MDF Gia
Lai, nhà máy MDF Đông Hà - Quảng Trị và nhà máy ván dăm Thái Nguyên).
Trong đó có 8 nhà máy ván dán, 3 nhà máy ván sợi, 6 nhà máy ván dăm và 14
nhà máy sản xuất ván ghép thanh. Ngoài ra, các cơ sở sản xuất với quy mô
nhỏ đƣợc phát triển ở khắp mọi nơi, nhƣng công nghệ đơn giản, chất lƣợng
sản phẩm chƣa đƣợc quan tâm và hiệu quả sử dụng gỗ chƣa cao. Riêng các
nhà máy, xí nghiệp chế biến và sử dụng nguyên liệu tre nứa có khoảng 88 nhà
máy (Hà Chu Chử, 2004) [9], trong đó có: 6 nhà máy sản xuất giấy và bột
giấy (sử dụng khoảng 20-30% nguyên liệu tre nứa). Đó là các nhà máy Bãi
Bằng, Tân Mai, Việt Trì, Đồng nai, Con Tum, Thanh Hoá với công suất mỗi
nhà máy từ 15.000 đến 130.000 tấn sản phẩm/năm; 4 nhà máy ván tre luồng
là Hoà Bình, Lạng Sơn, Trung Văn-Hà Nội và Thanh Hoá mỗi nhà máy có
công suất thiết kế 1.000m3 sản phẩm/năm. Song thiết bị và công nghệ của các
nhà máy này đều nhập từ Trung Quốc.

16

Vấn đề nghiên cứu về cấu tạo, tính chất cơ, vật lý của tre mới đƣợc bắt
đầu từ những năm 70, Bộ môn Gỗ Trƣờng Đại học Lâm nghiệp đã làm thí
nghiệm trên tre gai ở vùng Đông Triều - Quảng Ninh. Kết quả cho thấy: tre
gai có khối lƣợng thể tích phụ thuộc vào loại tre, tuổi, độ ẩm, độ cao trên
thân, cật và ruột (ở độ cao 1m, 4m, 7m khối lƣợng thể tích tƣơng ứng là 0,63;
0,73; và 0,78g/cm3). Độ co rút dọc thớ là 0,15%, xuyên tâm là 9-13%, tiếp
tuyến là 8-11%. Cƣờng độ chịu lực của tre rất cao, nhất là chịu kéo và chịu
uốn, với tre gai ứng xuất ép dọc thớ ở lóng là 499 kgf/cm2, ứng xuất ép ngang
thớ là 45,6 kgf/cm2, ứng xuất uốn tĩnh 1600 kgf/cm2 [23].
Vào những năm 80, có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ chế
biến và sử dụng tre cũng đã đƣợc tiến hành, nhằm mục đích sử dụng tre có
hiệu quả hơn nhƣ: Sử dụng tre, nứa trong việc sản xuất các sản phẩm trang trí
nội thất, sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ, nâng cao hiệu quả sử dụng tre theo
phƣơng pháp cổ truyền; sử dụng tre thay thế bột giấy trong sản xuất giấy...
Năm 1975 - 1980, Viện Khoa học lâm nghiệp Việt nam đã có những nghiên
cứu chế biến tre luồng bằng phƣơng pháp cơ học, hoá học nhƣ: "Nghiên cứu
ván dán tre luồng" của PTS Nguyễn Hữu Quang, "Nghiên cứu chế biến hoá
học luồng” của PTS Hà Chu Chử, điều quan trọng là các nghiên cứu này đã
mở ra một hƣớng nghiên cứu mới nhằm sử dụng tài nguyên rừng hiệu quả
hơn.
Trong những năm gần đây, có nhiều công trình đã đi sâu vào nghiên
cứu công nghệ chế biến và sử dụng tre nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tre,
góp phần giải quyết nguồn vật liệu cho ngành chế biến lâm sản nhƣ: Lê Văn
Thanh và Triệu Hồng Phú (1986-1992) nghiên cứu về công nghệ và tuyển
chọn thiết bị để sản xuất ván ốp tƣờng, ván sàn trang trí nội thất bằng tre nứa;
nghiên cứu sử dụng ván nứa ép 3 lớp thay thế ván gỗ trong nhà ở của nhân
dân vùng núi phía bắc của Nguyễn mạnh Hoạt và cộng Sự, 2001 [9];