Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ keo tai tượng (acacia mangium willd) ( Luận án tiến sĩ)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT GỖ
KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd)
Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản
Mã số: 62 54 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2013


BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT GỖ
KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Willd)
Chuyên ngành: Kỹ thuật chế biến lâm sản
Mã số: 62 54 03 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Giáo viên hướng dẫn:
PGS. TS. TRẦN VĂN CHỨ

HÀ NỘI, 2013


i

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 


ii

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 


iii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Gỗ xử lý nhiệt dùng trong công trình lâm viên.........................................18 
Hình 1.2. Gỗ xử lý nhiệt sử dụng trong phòng tắm ..................................................18 
Hình 1.3. Gỗ xử lý nhiệt dùng làm ván ốp tường ngoài trời.....................................18 
Hình 1.4. Gỗ xử lý nhiệt dùng sản xuất bàn ghế ăn nhà hàng ..................................18 
Hình 2.1. Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ ....................................................20 
Hình 2.2. Cấu tạo hóa học của xenlulo và các sản phẩm thủy phân xenlulo đã qua
metyl hóa ...................................................................................................................22 
Hình 2.3. Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ .........................................................23 
Hình 2.4. Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân tử xenlulo trong quá trình xử
lý nhiệt (Nguồn: Jian Li, Wood science, 2002).........................................................36 
Hình 2.5. Quá trình nhiệt giải của hemixenlulo trong gỗ (Nguồn: Wood
modification, 2006) ...................................................................................................38 
Hình 2.6. Quá trình nhiệt giải của xenlulo (Nguồn: Wood modification, 2006).......40 
Hình 2.7. Cơ chế phản ứng của gỗ trong quá trình xử lý nhiệt (Nguồn:
ThermoWood® Handbook)........................................................................................41 
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án .............48 
Hình 3.2. Mô hình bài toán xác định các thông số tối ưu khi xử lý nhiệt cho gỗ Keo

tai tượng ....................................................................................................................50 
Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ biến tính nhiệt độ cao cho gỗ Keo tai tượng .................54 
Hình 3.4. Thiết bị xử lý nhiệt....................................................................................57 
Hình 4.1. Quan hệ giữa thời gian và độ tổn hao kích thước gỗ ................................66 
Hình 4.2. Quan hệ giữa nhiệt độ và độ tổn hao kích thước gỗ .................................66 
Hình 4.3. Quan hệ giữa thời gian và độ tổn hao khối lượng gỗ................................68 
Hình 4.4. Quan hệ giữa nhiệt độ và độ tổn hao khối lượng gỗ .................................68 
Hình 4.5. Quan hệ giữa thời gian và hệ số chống trương nở ....................................70 
Hình 4.6. Quan hệ giữa nhiệt độ và hệ số chống trương nở .....................................70 
Hình 4.7. Quan hệ giữa thời gian và hiệu suất chống hút nước................................71 
Hình 4.8. Quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất chống hút nước .................................72 
Hình 4.9. Quan hệ giữa thời gian và độ tăng cường độ nén dọc...............................73 
Hình 4.10. Quan hệ giữa nhiệt độ và độ tăng cường độ nén dọc..............................74 
Hình 4.11. Quan hệ giữa thời gian và độ giảm độ bền uốn tĩnh ...............................75 
Hình 4.12. Quan hệ giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền uốn tĩnh ................................76 
Hình 4.13. Quan hệ giữa thời gian và độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh.................77 
Hình 4.14. Quan hệ giữa nhiệt độ và độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh ..................78 
Hình 4.15. Quan hệ giữa thời gian và độ giảm độ bền kéo trượt màng keo .............79 
Hình 4.16. Quan hệ giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền kéo trượt màng keo ..............80 
Hình 4.21. Hệ số chống trương nở (ASE) của gỗ Keo tai tượng xử lý với các chế độ
khác nhau...................................................................................................................84 
Hình 4.22. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hệ số
chống trương nở ........................................................................................................85 


iv

Hình 4.29. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ
giảm độ bền uốn tĩnh.................................................................................................90 
Hình 4.30. Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng xử lý với các chế

độ khác nhau .............................................................................................................91 
Hình 4.31. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ
giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh...................................................................................92 
Hình 4.32. Độ giảm độ bền kéo trượt màng keo của gỗ Keo tai tượng xử lý với các
chế độ khác nhau .......................................................................................................93 
Hình 4.33 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ giảm
độ bền kéo trượt màng keo........................................................................................93 
Hình 4.34. Lỗ thông ngang trên vách tế bào mạch gỗ trước khi xử lý .....................96 
Hình 4.35. Lỗ thông ngang trên vách tế bào mạch gỗ sau khi xử lý (200 oC, 8h)....97 
Hình 4.36. Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại........................................................98 
Hình 4.37. Phổ hồng ngoại của mẫu gỗ Keo tai tượng đối chứng..........................101 
Hình 4.38. Phổ hồng ngoại của mẫu gỗ Keo tai tượng ...........................................103 
Hình 4.39. Sơ đồ quá trình đo phổ quang điện tử tia X ..........................................107 
Hình 4.40. Phổ XPS của gỗ Keo tai tượng với giải quét rộng ................................108 
Hình 4.41. Phổ XPS của mẫu đối chứng với giải quét hẹp tại vị trí C1s................110 
Hình 4.42. Phổ XPS của mẫu đối chứng với giải quét hẹp tại vị trí O1s ...............110 
Hình 4.43. Phổ XPS của gỗ sau khi xử lý nhiệt với giải quét rộng ........................113 
Hình 4.44. Biểu đồ hàm lượng tương đối nguyên tố C trên bề mặt mẫu ở các chế độ
xử lý khác nhau .......................................................................................................114 
Hình 4.45. Biểu đồ hàm lượng tương đối nguyên tố O trên bề mặt mẫu ở các chế độ
xử lý khác nhau .......................................................................................................115 
Hình 4.46. Biểu đồ tỉ lệ O/C trên bề mặt mẫu ở các chế độ xử lý khác nhau.........116 
Hình 4.47. Phương pháp đo tính độ kết tinh của xenlulo .......................................120 
Hình 4.48. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu gỗ Keo tai tượng trước và sau khi xử lý
nhiệt.........................................................................................................................121 
Hình 4.49. Sự thay đổi độ kết tinh của gỗ ở những chế độ xử lý khác nhau ..........123 


v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc điểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay ......................................9 
Bảng 1.2. Phân loại và ứng dụng gỗ xử lý nhiệt theo công nghệ ThermoWood ......17 
Bảng 3.1. Các mức và bước thay đổi của các thông số thí nghiệm ..........................51 
Bảng 3.2. Thông số thực nghiệm với 2 yếu tố ảnh hưởng ........................................51 
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của thiết bị xử lý .........................................................56 
Bảng 4.1. Phân vùng của phổ hồng ngoại.................................................................99 
Bảng 4.2. Thuộc tính phổ FTIR của gỗ Keo tai tượng đối chứng .........................102 
Bảng 4.3. Số sóng và độ hấp thụ tại vị trí các nhóm chức trong gỗ Keo tai tượng đã
xử lý nhiệt phân tích bằng phổ hồng ngoại FTIR ...................................................104 
Bảng 4.4. Hàm lượng tương đối của các nguyên tố C và O trên bề mặt mẫu gỗ trước
và sau xử lý nhiệt độ cao.........................................................................................114 
Bảng 4.5. 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..............................................................117 
Bảng 4.6. 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..............................................................118 
Bảng 4.7. Độ kết tinh của xenlulo trong gỗ Keo tai tượng xử lý ở các chế độ khác
nhau .........................................................................................................................122 


vi

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Ý nghĩa

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

MOR

Độ bền uốn tĩnh

DMOR

Độ giảm độ bền uốn tĩnh

MOE

Mô đun đàn hồi uốn tĩnh

DMOE

Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh

ICS

Độ tăng cường độ nén dọc

DSG

Độ giảm độ bền kéo trượt màng keo

WRE

Hiệu suất chống hút nước

ASE

Hệ số chống trương nở

ML

Độ tổn hao khối lượng

DL

Độ tổn hao kích thước

FTIR

Phổ hồng ngoài biến đổi Fourier

XPS

Phổ quang điện tử tia X

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X

T

Nhiệt độ xử lý

t

Thời gian xử lý

Y (X1, X2)

Hàm mục tiêu theo các biến X1 và X2


vii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sỹ kỹ thuật mang tên “Nghiên cứu

công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium
Willd) mã số 62 52 24 05 là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tôi xin cam
đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực và
chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức.
Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sỹ về lời
cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 8 năm 2013
Tác giả luận án

Nguyễn Trung Hiếu


viii

LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sỹ mang tên “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Keo
tai tượng” (Acacia mangium Willd) mã số 62 52 24 05 là công trình nghiên
cứu đầu tiên tại Việt Nam. Trong quá trình thực hiện gặp không ít những khó

khăn, nhưng với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của các Thầy,
Cô giáo cùng các đồng nghiệp và Gia đình đến nay Luận án đã hoàn thành nội
dung nghiên cứu và mục tiêu đặt ra.
Nhân dịp này, Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo
hướng dẫn PGS.TS Trần Văn Chứ đã hết lòng dìu dắt, định hướng, tận tình
hướng dẫn và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị khoa học và thực tiễn để tôi
hoàn thành Luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa
Chế biến lâm sản, Trung tâm Thí nghiệm Khoa học Gỗ, Trung tâm thực
nghiệm và chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng, Trung tâm Thông tin
thư viện, các Thầy, Cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp. Tôi xin chân thành
cảm ơn UBND tỉnh, Sở Nông nghiệp & PTNT, Trường Trung cấp Kinh tếKỹ thuật, Lâm trường Vĩnh Hảo tỉnh Hà Giang,…đã tận tình giúp đỡ, tạo điều
kiện và dành thời gian cung cấp thông tin cho tôi trong thời gian tôi thực hiện
Luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới toàn thể gia đình
và những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất,
tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Giang, tháng 8 năm 2013

Nguyễn Trung Hiếu


ix


1

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


2

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


3

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.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm gỗ xử lý nhiệt
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, gỗ xử lý nhiệt hay gỗ biến tính nhiệt đã
được chú ý đến, các nghiên cứu về biến tính gỗ cũng đã có những bước phát
triển nhất định [22] [46].
Công nghệ xử lý nhiệt hay biến tính nhiệt là công nghệ xử lý gỗ ở nhiệt
độ trong khoảng 160-260oC, trong môi trường có vật chất bảo vệ như hơi
nước, khí trơ, không khí ít ô xy…, 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 xử lý nhiệt” [88] [99]. Gỗ xử lý nhiệt có các đặc điểm sau [9]:
(1) Màu sắc ổn định ôn hòa
Sau khi xử lý nhiệt, màu sắc gỗ trở nên đậm hơn, thông thường có màu
nâu nhạt đến nâu, gần giống với màu sắc của một số loại gỗ nhiệt đới quí
hiếm, trong quá trình sử dụng màu sắc tương đối ổn định. Màu sắc gỗ xử lý
nhiệt tạo ra sự thoải mái đối với thị giác, tạo cảm giác ấm cúng và sang trọng,
thân thiện với môi trường và được con người ưa thích. Vì thế sau khi xử lý
biến tính nhiệt có thể nâng cao giá trị sử dụng của các loại gỗ rừng trồng chất
lượng thấp.
(2) Nâng cao khả năng chống vi sinh vật phá hoại


5

Khả năng chống vi sinh vật phá hoại của gỗ xử lý nhiệt được cải thiện rất
rõ rệt, đối với gỗ sau khi xử lý nhiệt (210 oC hoặc cao hơn), nhiệt độ làm cho
kết cấu sinh học và tổ thành hóa học của gỗ thay đổi, loại trừ hoặc phá hoại
điều kiện cần thiết để tồn tại của côn trùng, nấm và các loại vi sinh vật tự

nhiên khác. Gỗ trong quá trình xử lý nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ,
hemixenlulo bị nhiệt giải tạo ra axit formic, axit acetic, đồng thời các chất
dinh dưỡng phân tử lượng thấp thoát ra hoặc bị phá hủy, độ ẩm thăng bằng
của gỗ xử lý nhiệt giảm 50% so với gỗ chưa xử lý, tóm lại do độ axit, bazơ,
chất dinh dưỡng và độ ẩm của gỗ thay đổi, đã phá hoại môi trường sinh tồn
của vi sinh vật và nấm mốc, làm cho khả năng chống vi sinh vật được nâng
lên.
(3) Tính ổn định kích thước tốt
Tính hút nước, hút ẩm của gỗ xử lý nhiệt giảm xuống, tỉ lệ co rút và dãn
nở của gỗ giảm rõ rệt, giảm thiểu sự chênh lệch giữa co rút chiều xuyên tâm
và tiếp tuyến, từ đó đã cải thiện được tính ổn định của gỗ, tức hệ số chống co
rút, dãn nở tăng lên.
(4) An toàn, thân thiện với môi trường
Biến tính nhiệt là công nghệ chỉ sử dụng tác nhân vật lý, trong quá trình
xử lý chỉ sử dụng nhiệt độ và hơi nước hoặc khí trơ, không cho thêm bất cứ
hóa chất nào, do đó gỗ xử lý nhiệt rất an toàn với môi trường, là loại vật liệu
thân thiện với môi trường. Ngoài ra, xử lý nhiệt có thể làm cho các loại gỗ
rừng trồng mọc nhanh trở nên có màu sắc đẹp gần giống với các loại gỗ quí
hiếm, mà lại nâng cao được tính bền của gỗ, từ đó với một yêu cầu nhất định
có thể thay thế được các loại gỗ quí hiếm, vì vậy biến tính nhiệt rất có ý nghĩa
trong việc bảo vệ môi trường.
(5) Tính chất cơ học của gỗ thay đổi


6

Gỗ sau khi xử lý nhiệt, một lượng lớn hemixenlulo bị phân giải và một bộ
phận lignin bị thay đổi về cấu trúc, làm cho một số chỉ tiêu về tính chất cơ học
của gỗ có xu hướng giảm sút. Nhưng do độ ẩm thăng bằng của gỗ giảm, do đó
với nhiệt độ xử lý thích hợp có thể làm cho mô đun đàn hồi khi chịu uốn và

cường độ chịu nén của gỗ tăng lên, nhưng cường độ chịu uốn, khả năng chống
va đập và lực bám đinh giảm sút rõ rệt, hơn nữa nhiệt độ càng cao, cường độ
chịu uốn, khả năng chống va đập và lực bám đinh càng thấp.
(6) Khả năng thấm ướt giảm
Gỗ sau khi xử lý nhiệt, hàm lượng nhóm –OH giảm, góc tiếp xúc của chất
lỏng và gỗ tăng lên, làm giảm khả năng thấm ướt, thậm chí có loại gỗ không
thấm ướt, vì vậy, gỗ xử lý nhiệt thích hợp với sử dụng ở nơi có độ ẩm cao.
(7) Dễ lưu trữ
Gỗ xử lý nhiệt không cần kho lưu trữ đặc biệt, cũng không khống chế
nhiệt độ và độ ẩm của kho, nhưng cần chú ý không được để nước hoặc mưa
làm ướt gỗ trong khi lưu trữ.
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Công nghệ xử lý nhiệt có thể cải thiện được một số tính chất của gỗ, hiện
tại đã thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới.
Từ những năm 1915, trong báo cáo của Tiemann [69] đã chỉ ra, gỗ sau khi
sấy ở nhiệt độ 150oC trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhưng
cường độ của gỗ cũng có sự giảm sút. Năm 1937, trong báo cáo của Stamm
và Hansen [65] thể hiện, xử lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo
vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ co rút, giãn nở của gỗ đều giảm xuống.
Năm 1945, Seborg và các cộng sự [61] đã phát minh ra một loại sản phẩm
gỗ với tên gọi là Staypack. Năm 1946, báo cáo của Stamn và đồng nghiệp
[64] biểu thị, xử lý nhiệt có thể nâng cao tính ổn định kích thước của gỗ mà
không cần phải tiến hành nén, công nghệ này có tên gọi là Staybwood. Nhưng


7

những sản phẩm của các công nghệ nêu trên không thành công khi đưa ra thị
trường. Nguyên nhân có thể do thời điểm đó trên thị trường vẫn tồn tại nhiều
loại gỗ có chất lượng cao. Tuy thế, công nghệ xử lý nhiệt gỗ không bị lãng

quên, mà các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục tiến hành các nghiên cứu
về lĩnh vực này [62] [44] [43] [24] [25] [27] [60].
Những năm trở lại đây, xử lý nhiệt gỗ nhờ tính chất đặc biệt và tính thân
thiện với môi trường của nó đã ngày càng được chú ý và đã được ứng dụng
sâu rộng. Công nghệ xử lý nhiệt không có ảnh hưởng xấu đến khả năng dán
dính cũng như khả năng trang sức, trừ một vài chỉ tiêu cơ học của gỗ bị giảm,
tính ổn định kích thước, tính chống ẩm, độ bền được nâng cao rõ rệt [68]. Căn
cứ báo cáo của Boonstra [12], lĩnh vực nghiên cứu xử lý nhiệt gỗ lại được bắt
đầu là do các loại gỗ chất lượng cao ngày càng ít, nhằm bổ sung cho nhu cầu
ngày càng tăng về vật liệu xây dựng, giảm sự phá hoại đối với rừng tự nhiên
và giảm việc sử dụng chất xử lý gỗ độc hại, thì việc đi sâu vào nghiên cứu
công nghệ xử lý nhiệt gỗ là vô cùng cần thiết.
Theo một số tài liệu nghiên cứu, xử lý nhiệt cho gỗ trong khoảng 160260oC, trong môi trường có vật chất như hơi nước, khí trơ, không khí ít ô
xy…[31], thông qua giảm thiểu số lượng nhóm –OH trong thành phần của gỗ,
đã giảm khả năng hút ẩm và nội ứng lực của gỗ, từ đó nâng cao tính ổn định
kích thước của gỗ [21] [52] [42] [72] [73]; đồng thời trong quá trình xử lý
nhiệt, thành phần của gỗ phát sinh hàng loạt các phản ứng hóa học phức tạp,
làm biến đổi một số thành phần của gỗ, giảm chất dinh dưỡng cho sự sinh tồn
của nấm và côn trùng hại gỗ, ngăn cản sự sinh trưởng và phát triển của nấm
và côn trùng hại gỗ qua việc cắt đứt chuỗi thức ăn, vì vậy có thể nâng cao khả
năng chống vi sinh vật phá hoại [13] [42 [53]. Phương pháp này chỉ sử dụng
tác nhân vật lý, so với các phương pháp dùng tác nhân hóa học khác, vấn đề ô
nhiễm trong quá trình sản xuất bằng công nghệ xử lý nhiệt ít, công nghệ xử lý


8

đơn giản, hơn nữa trong quá trình sử dụng hiệu quả bảo quản của gỗ xử lý
nhiệt không bị suy giảm do hóa chất bị rửa trôi hay bay hơi, cũng không làm
hại đến sức khỏe của con người.

Hiện tại, ở các nước Châu âu như Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết
lập được 5 công nghệ biến tính nhiệt điển hình như: PlatoWood của Hà Lan,
Le Bois Perdure và Rectification của Pháp, ThermoWood của Phần Lan,
OHT-Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công nghệ đó, đã đăng ký
các bằng phát minh sáng chế và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công
nghiệp.
Công nghệ xử lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan sử
dụng các công đoạn khác nhau tiến hành xử lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải
trong nước với sấy và ổn định hóa. Trong quá trình xử lý, tác dụng của thủy
nhiệt làm cho cấu trúc hóa học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất
của gỗ. Phương pháp xử lý này chủ yếu được cấu thành từ hai công đoạn
chính, và công đoạn sấy trung gian. Giai đoạn thứ nhất, tiến hành xử lý gỗ
tươi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC với áp suất nhất
định, sau đó sử dụng phương pháp sấy thông thường làm giảm độ ẩm gỗ, tiếp
theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ được đặt trong môi
trường có nhiệt độ 170-190oC tiến hành xử lý ổn định hóa. Thời gian xử lý
của quá trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[18] [33].
Công nghệ xử lý dầu nhiệt (OHT) sử dụng các loại dầu thực vật từ tự
nhiên thông qua vòng tuần hoàn kín tiến hành xử lý gỗ, nhiệt độ thường dùng
từ 160oC trở lên [76]. Công nghệ này thiết bị phức tạp chí phí tốn kém.
Công nghệ xử lý nhiệt Retification [74] [97] của Pháp sử dụng gỗ phơi
khô (độ ẩm khoảng 12%), tiến hành xử lý ở nhiệt độ 200-240oC, trong môi
trường khí N2 có hàm lượng O2 dưới 5%. Với công nghệ này, nhiệt độ xử lý
cuối cùng trong quá trình xử lý có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và


9

cường độ gỗ. Gỗ sau khi xử lý, độ bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay
đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời gian xử lý.

Công nghệ xử lý nhiệt ThermoWood của Phần Lan sử dụng gỗ đã sấy tiến
hành xử lý nhiệt trong môi trường hơi nước. Sản phẩm của công nghệ này
được phân thành hai cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó “S—Stability”
thể hiện tính ổn định, “D—Durability” thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là
khả năng chống mục. Loại ThermoD thích hợp sử dụng làm công trình kiến
trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại công nghệ này đã đạt được nhiều thành
tựu đáng kể, sản phẩm có thị trường lớn nhất so với các công nghệ còn lại
[68].
Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm của các công nghệ xử lý nhiệt gỗ hiện
nay [18] [56] [68] [84].
Bảng 1.1. Đặc điểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay
Nhiệt độ xử lý
(oC)

Giá thànha
€/m3

Tên công nghệ Chất bảo vệ

Độ ẩm ban đầu

ThermoWood®

Hơi nước

Gỗ tươi hoặc gỗ
180-250
sấy

-

Retification®

Khí N2

Gỗ phơi khô

200-240

150-160

Perdure

Hơi nước

Gỗ tươi

200-240

100

Plato®Wood

Nước, hơi nước Gỗ tươi hoặc gỗ
170-190
hoặc không khí phơi khô

100

OHT

Dầu thực vật

65-95

®

Gỗ phơi khô

180-220

a

Ghi chú: Không bao gồm giá thành nguyên liệu

1.2.1. Các nghiên cứu về tỉ lệ tổn hao khối lượng gỗ
Trong quá trình xử lý nhiệt, các thành phần tổ thành nên gỗ như
hemixenlulo, celllulose và lignin bị phân giải, lượng chất gỗ sẽ giảm xuống,
khi xử lý ở nhiệt độ dưới 200 oC thì mức độ giảm không lớn, nguyên nhân
chủ yếu do ở phạm vi nhiệt độ này lignin và xenlulo ít bị phân giải, nhưng khi


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full