Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp axit boric và muối natri silicat đến một số tính chất của gỗ keo lai (acacia hybrid) chậm cháy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ VÀ NỒNG ĐỘ HỖN
HỢP MUỐI NATRI SILICAT VÀ AXIT BORIC ĐẾN MỘT
SỐ TÍNH CHẤT CỦA GỖ KEO LAI CHẬM CHÁY”

Họ và tên: Nguyễn Xuân Quyền
Lớp: K17 Cao học - Kỹ thuật máy & Cơng nghệ Gỗ, Giấy
Khóa học: 2009 – 2012
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Bích Ngọc

Hà Nội - 2012


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Gỗ là một dạng vật liệu tự nhiên với nhiều thuộc tính quí và được sử dụng
cho nhiều mục đích khác nhau như quốc phịng, giao thơng, dệt may, xây dựng, âm
nhạc, thể thao, đồ mộc…
Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế xã hội thì nhu cầu sử dụng
các sản phẩm từ gỗ ngày càng nhiều bởi gỗ là vật liệu có nhiều ưu điểm như: có vân
thớ đẹp, dễ gia cơng chế biến, có khả năng tái tạo, tính chất cách điện cách âm tốt.
Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy nhưng vật liệu gỗ vẫn tồn tại những mặt hạn chế
vốn có như: dễ bị co rút, biến dạng gây nứt vỡ khi độ ẩm môi trường thay đổi, dễ bị

côn trùng nấm mốc xâm hại nếu khơng có biện pháp bảo quản và đặc biệt gỗ rất dễ
cháy ở độ ẩm thấp (độ ẩm sử dụng) - đây là một trong những nguyên nhân làm hạn
chế khả năng sử dụng vật liệu gỗ trong kiến trúc xây dựng.
Trong thời gian gần đây, nhiều cơng trình nghiên cứu biến tính gỗ đã được
quan tâm, với mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ bao gồm cải thiện độ bền tự
nhiên của gỗ, độ bền cơ học, khả năng chống cháy…
Hiện nay, có rất nhiều loại hóa chất được sử dụng để biến tính chống cháy cho
gỗ như hóa chất MAP, hóa chất hệ Bo…tuy nhiên những hóa chất này tồn tại một
số hạn chế như ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ vật lý, rễ bị rửa trôi, gây ô nhiễm
môi trường.
Một số hợp chất của Silic và Boron đã được nghiên cứu xử lý gỗ trên thế giới
và được cho là có khả năng khắc phục được những hạn chế của các loại hóa chất
trên, ở Việt Nam bước đầu cũng đã được nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá khả
năng nâng cao các tính chất gỗ bao gồm: độ bền tự nhiên với sinh vật hại gỗ, độ ổn
định kích thước và khả năng chống cháy. Đề tài này tập trung đánh giá sự ảnh
hưởng của việc xử lý gỗ Keo lai bằng hỗn hợp boric axit và natri silicate đến khả
năng chống cháy và một số tính chất cơ lý sau xử lý ở một số tỷ lệ kết hợp.
Được sự nhất trí của trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam – Khoa đào tạo
sau đại học, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Bích Ngọc, tôi tiến hành thực
hiện đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp axit boric và muối natri
silicat đến một số tính chất của gỗ keo lai (Acacia hybrid) chậm cháy”


2

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu biến tính gỗ bằng Na2SiO3 và H3BO3
Gỗ là một loại vật liệu tự nhiên, bản thân nó có rất nhiều ưu điểm, nhưng cũng

tồn tại khơng ít nhược điểm. Những nhược điểm chủ yếu là nó có tính hút ẩm, tính
khơng ổn định về kích thước, tính dị hướng, dễ bị mục, dễ cháy, màu sắc không
đồng đều, cường độ không cao. Mục đích của biến tính gỗ là thơng qua một loạt các
biện pháp xử lý hóa học, vật lý, sinh học để làm cải thiện những nhược điểm của nó
ở những mức độ khác nhau, chúng ta gọi các biện pháp xử lý nhằm cải thiện tính
năng của gỗ là biến tính gỗ.
Như vậy khái niệm biến tính gỗ là rất rộng, tùy theo điều kiện thực tế cho
phép, người ta áp dụng một hoặc kết hợp một số các giải pháp tác động hóa học, vật
lí, cơ học, sinh học lên gỗ để đạt được sản phẩm gỗ có các đặc tính mong muốn.
Cơng nghệ biến tính gỗ bao hàm rất nhiều các hoạt động chuyên ngành khác
nhau nhằm đạt được mục tiêu làm thay đổi, giữ nguyên hoặc nâng cao các thuộc
tính vốn có của gỗ, mỗi một mục tiêu đặt ra cũng có thể coi là một hình thức xử lý
biến tính gỗ. Cho đến nay có thể liệt kê một số hình thức xử lí biến tính như sau:
- Xử lí chống biến màu cho gỗ
- Xử lí ổn định kích thước cho gỗ
- Xử lí nâng cao độ bền cơ học cho gỗ
- Xử lí hóa mềm gỗ
- Xử lí bảo quản cho gỗ (nâng cao độ bền tự nhiên của gỗ)
- Xử lí loại nhựa trong gỗ
- Xử lí chậm cháy cho gỗ và sản phẩm gỗ
- Xử lí chống lão hóa cho gỗ
- Nhựa hóa gỗ (polimer hóa gỗ)
- Tạo vật liệu gỗ plastic (Wood plastic composite-WPC)
Tương ứng với mỗi hình thức xử lí hoặc mỗi sản phẩm biến tính nêu trên sẽ là
sự kết hợp của hai hoặc nhiều giải pháp về vật lí, cơ học, nhiệt hoặc hóa học khác


3

nhau nhằm tạo ra các sản phẩm đáp ứng yêu cầu nhất định trong sản xuất và tiêu

dùng.
Đề tài luận văn tập trung tìm hiểu, nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ và tỷ
lệ hỗn hợp hóa chất H3BO3 (axit boric) và Na2SiO3 (muối natri silicat) khi biến tính
gỗ Keo lai (Acacia hybrid) sau xử lý.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu nước ngồi
Trong những năm gần đây, cơng nghệ biến tính gỗ bằng cơ học, vật lý, hóa
học, sinh học… đã và đang phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt từ khi chúng ta chuyển
từ việc sử dụng gỗ rừng tự nhiên sang sử dụng gỗ mọc nhanh rừng trồng nhằm nâng
cao độ bền tự nhiên, độ bền cơ học và khả năng chống cháy góp phần nâng cao giá
trị sử dụng gỗ rừng trồng.
Cơng nghệ biến tính hóa học đã và đang được quan tâm nghiên cứu theo
những phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, việc nghiên cứu xác định các hóa chất
dùng trong cơng nghệ biến tính gỗ nhằm thỏa mãn các tiêu chí: nâng cao độ bền cơ
học, khả năng ổn định kích thước, khả năng chống cháy, khả năng bảo quản, không
tác động xấu tới môi trường, cơng nghệ đơn giản, giá thành hợp lý… vẫn cịn là một
bài tốn khó, cần tiếp tục được nghiên cứu. Do vậy, nghiên cứu xác định một số loại
hóa chất thích hợp cho cơng nghệ biến tính gỗ là một vấn đề nghiên cứu cần thiết,
có giá trị khoa học và thực tiễn.
Silicat vơ cơ là khống vật tồn tại phổ biến trong tự nhiên chiếm 27.5% lớp
vỏ trái đất. Ngày nay, silicat là vật liệu quan trọng của các ngành công nghiệp.
Silicat đặc biệt là muối natri silicat (Na2SiO3.nH2O) được dùng làm tác nhân chống
cháy cho vải từ lâu nhưng silicat chỉ mới bắt đầu được quan tâm xử lý gỗ từ những
năm 1970. Nghiên cứu lắng đọng silica thơng qua q trình chuyển hóa sol - gel
mới chỉ được bắt đầu từ những năm 90 của thế kỷ trước bằng việc kết hợp muối
silica với axit như HCl, H3BO3.
Một trong những nghiên cứu kỹ lưỡng và công phu nhất của việc xử lý bằng
dung dịch muối silicat cho gỗ là của tác giả T. Furuno và Y. Imamura. Trong cơng
trình này dung dịch nước thủy tinh được phối hợp với boron và một số muối vô cơ

4

có khả năng tạo kết tủa với dung dịch silicat. Gỗ sau khi tẩm được đánh giá độ bền
sinh học với mối nhà Cototermes formosanus Shiraki và nấm mục. Về thực nghiệm,
gỗ giác Cryptomeria japonica D. được tẩm kép bằng kỹ thuật khuếch tán ở 500C.
Bước đầu gỗ được tẩm dung dịch thủy tinh bão hòa trong 24 giờ, ở bước tiếp theo
gỗ được tẩm dung dịch sol boron đã hịa trong 24 giờ. Gỗ được gia nhiệt để thốt
ẩm trước khi tiến hành thí nghiệm. Kết quả xác định lượng hóa chất sâm nhập vào
gỗ cho thấy với mẫu tẩm theo quy trình tẩm kép lượng hóa chất thấm vào gỗ đạt
được nằm trong khoảng 34 đến 52%, trong khi phương pháp tẩm đơn lượng hóa
chất thấm vào gỗ chỉ đạt 2%. Các kết quả này được các tác giả cho rằng có sự hình
thành silica trong gỗ [31].
Carsten Mai, Holger Militz (2003), “Biến tính gỗ bằng hợp chất silicon. Hợp
chất vô cơ silicon và hệ sol-gel” nghiên cứu chỉ ra rằng nhóm chất silic hồn tồn
có thể làm tăng khả năng chống cháy cho gỗ, tuy nhiên loại hóa chất này kết hợp
với một số loại hóa chất như với Bo, H3BO3, P2O5, B2O3, hoặc Na2O với SiO2 để
tạo thành những hệ gel có hiệu quả chống cháy tốt hơn nhiều. Hơn nữa dung dịch
axit silic có thể tạo thành gel làm tăng cường tính chất gỗ, độ ổn định kích thước
[19].
Ergun Baysal, Mustafa Kemal Yalinkilic, Mustafa Altinok, Huseyin Peker,
Mehmet Colak (2005), xử lý Wood polymer composite (WPC) bằng hỗn hợp BoricBorax nồng độ 1%, sau đó đánh giá tính chất vật lý, cơ học, sinh học và khả năng
chậm cháy của gỗ qua xử lý. Kết quả thu được cho thấy, gỗ xử lý với hỗn hợp BB
có khả năng chống 2 loại nấm Tyromycetes palustris và Coriolus versicolor, đồng
thời khả năng chống cháy của gỗ tăng, tuy nhiên, hệ số chống trương nở ASE, độ
bền uốn tĩnh, modun đàn hồi lại giảm [24].
George C. Chen (2009), “Xử lý bảo quản chống nấm cho gỗ bằng Natri
siilicat” đề tài sử dụng phương pháp tẩm kép để xử lý chống nấm mục cho 2 nhóm
gỗ là Pinus taeda L. và Liqulamba styraciflua với độ ẩm 30%. Tại bước tẩm ban
đầu, các mẫu gỗ được tẩm bằng dung dịch muối natri slilicat ở 5 cấp nồng độ là
10.5; 13.5, 16.5, 19.5 và 22,5%. Ở bước tiếp theo, gỗ tiếp tục được tẩm (hay được

5

axit hóa) bằng dung dịch photphoric axit 2.5 và 5%. Gỗ sau khi tẩm có pH khoảng
4-8. Với mẫu gỗ được nghiên cứu khả năng hấp thụ ẩm cũng được làm tương tự
nhưng loại bỏ 2 cấp độ nồng độ lớn nhất. Gỗ sau khi tẩm được xử lý ở nhiệt độ
1050C trong 24h. Kết quả nghiên cứu đã đánh giá được khả năng chống nấm mục
nâu và nấm mục trắng [21].
Haruhyko Yamaguchi (2003), “Nghiên cứu khả năng bảo quản gỗ bằng hỗn
hợp Silicat và axit Boric để chống chống mối và chống cháy” kết quả nghiên cứu
chỉ ra rằng hỗn hợp Silicat & Boric tạo ra gel và được cố định trong gỗ, và có tác
dụng phịng chống mối và khả năng chống cháy. Kết quả phép đo chỉ ra rằng thời
gian cháy phát sáng giảm đi khi silicic axit được bổ sung boron. Lượng boron trong
công thức tẩm càng lớn thì thời gian cháy phát sáng càng ngắn. Đáng chú ý là ở
những công thức mà boric phối hợp ở dạng dung dịch trong dung mơi methanol thì
khơng có thời gian cháy phát sáng. Một chỉ số được dùng để đánh giá khả năng
chống cháy của gỗ là mức độ các bon hóa thể hiện qua chiều dài phần than. Lượng
boric được thêm vào gần như không ảnh hưởng đến chiều dài than hóa mà chỉ làm
giảm lượng khói sinh ra khi đốt [23].
Jian Zhang Li và đồng nghiệp đã nghiên cứu khả năng nâng cao tính chất
chống cháy và tính ổn định kích thước cho gỗ đã được axetyl hóa. Trong nghiên
cứu này, giác gỗ Liriodendron tulipifera L. sau khi axetyl hóa bằng acetic anhydride
được tẩm chân không dung dịch muối silicat. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ ổn
định kích thước giảm đi khi có mặt silica, nhưng mức độ giảm không đáng kể. ASE
(do hấp thụ ẩm hay hấp thụ nước) càng giảm khi hàm lượng Si sâm nhập vào gỗ
tăng lên, ASE (%) giảm xuông dưới 60% so với giá trị cực đại khi hút nước là trên
70%. Một hệ quả tương tự khi xử lý silicat, hiệu quả chống ẩm cũng giảm. Kết quả
khảo nghiệm chống cháy nêu rõ nếu bổ sung dung dịch muối Na2SiO3.nH2O hiệu
quả chống cháy tăng lên rõ rệt. Chỉ số oxy (oxygen index) có thể tăng tới 35% khi

lượng Si sâm nhập vào chiếm 16% so với chỉ khoảng 20% ở các mẫu chỉ axetyl hóa
[27].


6

Qingwen Wang, Jian Li, Jerrold E.Winady (2004), nghiên cứu về cơ chế
kháng cháy của hỗn hợp Boric – Borax (hợp chất Boron là thành phần cơ bản của
rất nhiều chất chống cháy cho gỗ và các vật liệu nguồn gốc cellulose khác). Muối
Borax có tác dụng hạn chế sự cháy có ngọn nhưng lại có thể làm tăng sự cháy âm ỷ
hoặc cháy lan tỏa. Boric axit lại có tác dụng ngăn chặn sự cháy lan tỏa nhưng chỉ có
tác dụng nhỏ đối với việc hạn chế sự cháy có ngọn. Chính vì vậy, sự kết hợp giữa
borax và boric axit thường được sử dụng trong các hợp chất chống cháy [30,31,32].
Takashi Kashiwaki và cộng sự đã nghiên cứu cơ chế làm chậm cháy của gel
silica/silica, nghiên cứu cho thấy tổn hao khối lượng gỗ giảm đi 20%, cơ chế giảm
tổn thất khối lượng là quá trình vật lý trong pha cơ đặc. Sự tích lũy Silica hoạt động
như là lớp bề mặt cơ lập và lớp này có thể làm cản trở quá trình vận chuyển sự cháy
cho lớp bề mặt [36].
Zeki Candan, Nadir Ayrilmis, Turgay Akbulut, nghiên cứu về khả năng ổn
định kích thước của ván định hướng (OSB) khi xử lý chậm cháy. Ván OSB được
sản xuất từ gỗ Sồi, xử lý chậm cháy bằng các loại hợp chất Diammonium phosphate
(DAM), Monoammonium phosphate (MAP), hỗn hợp Boric-Borax (1:1), Lime
Water. Nghiên cứu khả năng ổn định kích thước của ván sau xử lý kiểm tra qua việc
đánh giá tỉ lệ giãn dài (LE), tỉ lệ trương nở chiều dày (TS) cho thấy xử lý bằng hỗn
hợp Boric-Borax dẫn đến tỉ lệ giãn dài ván tăng, tỉ lệ trương nở chiều dày nhỏ hơn
mẫu không xử lý nhưng lại cao hơn mẫu xử lý bằng DMP, MAP [39].
Sơ lược lịch sử nghiên cứu của nước ngoài về xử lý gỗ nâng cao khả năng
chống cháy của các hợp chất Silic và Boron cho thấy các hợp chất Boron đã được
sử dụng là thành phần của một số chất chống cháy được sử dụng nhiều trong thực
tiễn. Bên cạnh đó, các hợp chất Boron vừa có tác dụng phịng chống sinh vật gây

hại lâm sản nên đã được dùng để xử lý bảo quản gỗ. Song gỗ tẩm bằng các hợp chất
Boron lại có xu hướng hút ẩm cao hơn đồng thời gỗ tẩm dễ bị rửa trôi nếu sử dụng
ngoài trời. Các nghiên cứu xử lý gỗ bằng các hợp chất của Silic kết hợp với Boron
cho thấy hiệu quả chống cháy tăng lên, nâng cao độ bền tự nhiên, độ ổn định kích
thước của gỗ.


7

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Rừng trồng nước ta đang được chú trọng phát triển nhằm mục đích bảo vệ môi
trường sinh thái, cung cấp nguyên vật liệu gỗ cho nhu cầu sử dụng của xã hội. Vì
cây gỗ rừng trồng sinh trưởng phát triển nhanh, nên gỗ thường có độ bền tự nhiên
kém dễ bị các tác nhân từ bên ngoài làm ánh hưởng và giảm chất lượng gỗ và các
tính chất. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu và đưa ra những biện pháp cải
thiện chất lượng gỗ rừng trồng.
Q trình lắng đọng silica thơng qua chuyển hóa sol gel đã được phịng bảo
quản lâm sản – Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam sử dụng để xử lý 2 loại gỗ Bồ
đề và Keo lai. Kết quả khảo nghiệm với mối nhà Coptertomes formosanus Shiraki
cho thấy silica khơng có khả năng nâng cao hiệu lực chống mối cho gỗ [10]
Lê Trung Hiếu (2011), Hiệu lực phịng chống nấm mục, cơn trùng hại gỗ bồ
đề của hỗn hợp muối Natri silicat và axit boric. Luận văn đã đánh giá được hiệu lực
của muối Na2SiO3.10H2O, axit H3BO3 và một số hỗn hợp khác đối với nấm và mối
theo các công thức khác nhau [5].
Bùi Ngọc Nam (2012) luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xử lý gỗ rừng trồng
bằng hợp chất Silic và Boron nhằm nâng cao ổn định kích thước và khả năng chống
cháy”. Luận văn đã bước đầu nghiên cứu xử lý gỗ bằng hợp chất Silic và Boron
theo các công thức khác nhau đối với gỗ Keo lai. Mỗi công thức tương ứng với một
hỗn hợp hóa chất và bước đầu đánh giá được khả năng chống cháy và ảnh hưởng
của nó tới độ ổn định kích thước của nó tới gỗ keo lai [8].

TS. Nguyễn Thị Bích Ngọc, Ths. Nguyễn Duy Vượng (2011), “Tổng quan
nghiên cứu nâng cao tính chất gỗ bằng xử lý silicat”.Tác giả đưa ra một số kết luận
về xử lý gỗ bằng silicat qua quá trình sol gel. Dung dịch sol gel được tẩm vào gỗ
giai đoạn đầu và gỗ được gia nhiệt để tạo gel ở giai đoạn tiếp theo. Kết quả của quá
trình xử lý gỗ là sự lắng đọng silica (nSiO2) trong ruột và trên thành tế bào. Sự lắng
đọng silica có thể giúp nâng cao một số tính chất gỗ như nâng cao độ bền tự nhiên,
chống nấm mục sâm hại, tăng khả năng ổn định kích thước, tăng khả năng chống
cháy [10]


8

Nguyễn Đức Thành, Vũ Đình Thịnh, Nguyễn Xuân Hiên, xử lý chậm cháy
cho gỗ Bạch đàn trắng (Ecalyptus camaldulensis Dehnh) bằng dung dịch Natri
silicat (NA2SIO3). Các tác giả đã tiến hành xử lý chống cháy cho gỗ Bạch đàn trắng
bằng dung dịch Na2SiO3 ở các cấp nồng độ 10%, 15%, 20%, 25%, kết quả làm tăng
khả năng chống cháy cho gỗ và đưa gỗ Bạch đàn trắng từ vật liệu dễ cháy thành vật
liệu khó bắt lửa, có khả năng ngăn cản cháy phát sáng (cháy có ngọn lửa) và cháy
lan tỏa [12].
Sơ lược lịch sử nghiên cứu trong nước về xử lý nâng cao chất lượng bằng
hợp chất của Silic và Boron cho thấy có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng các
hợp chất Boron để bảo quản gỗ phòng chống sinh vật gây hại và phòng chống cháy
cho gỗ và các sản phẩm gỗ. Chưa có nhiều những cơng trình nghiên cứu sử dụng
hợp chất của Silic để xử lý chống cháy cho gỗ rừng trồng ở Việt Nam.
1.2. Xử lý gỗ bằng silica gel
Gỗ là loại vật liệu tự nhiên được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân
dụng nhờ những tính chất cơ vật lý quý báu. Ngày nay, gỗ rừng tự nhiên với độ bền
tự nhiên, độ bền cơ học đã bị khai thác quá mức, thay vào đó là gỗ rừng trồng của
các lồi mọc nhanh đang trở thành nguồn ngun liệu chính đáp ứng các nhu cầu sử
dụng. Gỗ rừng trồng có một số hạn chế khi đưa vào sử dung đó là độ bền tự nhiên,

độ bền cơ học kém, khả năng hấp thụ nước rất cao, dễ bị cong vênh nứt vỡ, ngồi ra
gỗ rừng trồng cịn là loại gỗ dễ cháy. Để khắc phục một số nhược điểm tồn tại trong
gỗ rừng trồng, một số loại hóa chất được sử dụng để biến tính nhằm cải thiện nhược
điểm của gỗ rừng trồng. Trong những năm gần đây kỹ thuật xử lý gỗ đã có những
bước phát triển nhanh chóng, ngồi việc nâng cao độ bền tự nhiên nhiều tính chất
khác cũng được quan tâm chú ý để mở rộng phạm vi sử dụng vật liệu gỗ trong đời
sống. Kỹ thuật xử lý gỗ bằng silicat là một trong những chủ đề nghiên cứu được
quan tâm bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới, những mới chỉ bắt đầu được
nghiên cứu ở Việt Nam.


9

1.2.1. Silica gel
Silica gel hay gel axit silixic là một chất sẵn có trong tự nhiên, một hợp chất
hóa học trơ, có cực. Silica gel thực chất là một dạng SiO2 vơ định hình, ở dạng hạt
cứng và xốp (có vô số khoang rỗng li ti trong hạt). Công thức hóa học đơn giản của
nó là SiO2.nH2O (n<2), nó được sản xuất từ natri othosilicat (Na2SiO4) hoặc Silic
TetraClorua (SiCl4). Hiện nay silica gel có vai trị rất quan trọng trong cơng nghệ
hóa học từ đơn giản đến phức tạp. Silica gel được dùng rất nhiều để làm chất hút
ẩm, làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ hóa dầu, lọc nước...

1.2.1.1 Lịch sử nghiên cứu - ứng dụng
Silicagen là một hợp chất hóa học trơ, khơng độc được biết đến tử thế kỷ 17
nhưng những nghiên cứu về các tính chất của nó cũng như q trình tổng hợp và
ứng dụng của silicagen chỉ thực sự được bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế
kỷ 20.
Năm 1861, Graham đã có những nghiên cứu đầu tiên mặc dù những quan sát
về q trình gel hóa này đã được đề cập sớm hơn. Đến đầu Thế kỷ 20 thì quá trình
tổng hợp sản xuất silicagen lần đầu tiên được đề cập đến trong các báo cáo khoa học

là vào năm 1919 bởi giáo sư Walter A. Patrick. Trong Thế chiến thứ I, silicagen đã
được sử dụng làm chất hấp phụ khí và hơi trong các mặt nạ dưỡng khí. Trong Thế
chiến thứ II, silicagen được sử dụng để làm chất chống ẩm cho các khí tài quân đội,
các loại thuốc… Silicagen còn được sử dụng làm chất xúc tác cho các quá trình sản
xuất nhiên liệu, làm chất độn (SiO2) trong cao su tổng hợp…
Ngày nay, silicagen (silica gel) đã trở thành một loại vật liệu có rất nhiều ứng
dụng trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Từ những gói hạt chống ẩm đơn
giản cho thực phẩm, dược phẩm đến các loại vật liệu hấp phụ cao cấp sử dụng trong
phịng Thí nghiệm hay cơng nghiệp; các loại chất mang, chất xúc tác… tất cả đều có
thể làm từ silicagen.


10

Ở các nước có nền cơng nghiệp hóa chất mạnh như Ấn Độ, Trung Quốc các
công ty mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn sản phẩm bắt nguồn từ silicagen. Cùng với
sự phát triển của khoa học công nghệ, các nghiên cứu về silicagen ngày càng được
phát triển sâu rộng hơn, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới trong công ngiệp cũng
như trong đời sống hàng ngày.
1.2.1.2 Cấu trúc và tính chất của Slicagen
* Cấu trúc Silicagen
Silicagen tồn tại trong tự nhiên là chất rắn, xốp, một dạng vô định hình của SiO2.
Trong phịng thí nghiệm, q trình gel hóa silica sol làm hình thành silicagen ở
dạng gel axit silicic, làm mất nước nó ta thu được silicagen khơ
Theo các tác giả thì silicagen là một mạng 3 chiều, liên tục của các hạt keo
silica. Dung dịch silicate được acid hóa tạo silicic axit. Trong hệ acid silicic này,
dạng gel thường được cho là hình thành từ sự gắn kết của các nhóm Si(OH)4 tạo
thành các chuỗi siloxane. Trạng thái ban đầu của q trình polyme hóa Si(OH)4 có
liên quan đến sự hình thành của các hạt SiO2 mang trên bề mặt các nhóm silanol
(SiOH). Các hạt nhỏ riêng rẽ này được gọi là các mixen. Khi các mixen này va

chạm với nhau, các nhóm SiOH trên bề mặt sẽ tập hợp lại hình thành dạng Si-OSi. Như vậy có thể coi đơn giản silicagen là mạng không gian ba chiều của các hạt
mixen liên kết với nhau.
Các nhóm silanol (SiOH) có khả năng gắn kết tạo các “cầu” siloxane (=Si-O-Si=)
vì thế bề mặt silicagen hình thành như một tập hợp bao gồm nước (hấp phụ vật lý),
và silic oxit gắn kết với các nhóm hydroxyl.
Dưới tác dụng của nhiệt độ, các phân tử nước bị tách ra tạo cho Silicagen cấu trúc
rỗng đặc trưng.
Cấu trúc rỗng của Silicagen được đặc trưng bởi mật độ và kích thước trung
bình của lỗ rỗng... Tùy theo các phương pháp tổng hợp mà mất độ và kích thước lỗ
này khác nhau.
* Tính chất của Silicagen


11

Silicagen ở dạng rắn màu trắng, trơ, không độc, bề mặt riêng khá lớn. Như đã
nói ở trên các nhom hydroyxyl ưa nước và silicagel có khả năng hấp phụ hơi ẩm.
Silicagen có độ ổn định nhiệt và độ bền hóa học cao.
Dưới đây là mơ ̣t sớ tính chất của một loại silicagen có đô ̣ xố p cao:
Thành phần hóa
SiO2

99.71 %

Cá thơng số hóa lý cơ bản
Mất khối lượng khi gia nhiệt
Diện tích bề mặt riêng
Thể tích lỗ xốp
Kích thước lỗ trung bình
Mật độ khối

Nhiệt dung riêng
Độ dẫn nhiệt
Chiết suất

5 – 6.5 %
750 – 800 m2/g
0.43 cm3/g
2.2 nm
0.72 g/cm3
920 J kg–1 K–1
522 J m–1 h–1 K–1
1.45

1.2.2 Xử lý gỗ bằng kỹ thuật sol - gel
Một trong những tính chất hóa học của một số hợp chất silicon như muối silicat
natri hay tetra-etyl orto silicat (TEOS) là có thể tạo gel. Gel này sau khi được gia
nhiệt làm mất nước sẽ tạo ra silica. Mặc dù, lắng đọng silica trong gỗ được khám
phá là một quá trình tồn tại trong tự nhiên và q trình này có ảnh hưởng lên tính
chất cơ vật lý của gỗ từ những năm 1970 nhưng phải 20 năm sau nghiên cứu lắng
đọng silica trong gỗ qua q trình xử lý tẩm hóa chất mới được chú ý. Nhìn chung
có 2 cách lắng đọng silica trong gỗ là: Thứ nhất là phương pháp tẩm kép, trong đó ở
giai đoạn đầu tẩm dung dịch muối silica (thủy tinh lỏng) vào trong gỗ, ở giai đoạn
tiếp theo là tẩm vào gỗ một dung dịch axit để tạo gel, phần lớn các nghiên cứu đã
công bố thực hiện theo quy trình này. Thứ hai là phương pháp tẩm đơn hay quy
trình tẩm dung dịch silica dạng sol hoặc dung dịch keo của silica. Những ưu, nhược
điểm của 2 phương pháp này đến nay vẫn chưa có bất cứ phân tích khoa học nào.
Phương trình chuyển hóa tổng qt của q trình chuyển hóa sol gel như sau:


12

O

OH

nH2O

Si

OH

OH

Si

O

2nH2
O

O

1.2.3 Sự tồn tại của silica trong gỗ
Các phương pháp phân tích vật lý hiện đại như phổ hồng ngoại biến đổi Forier
(FTIR), nhiễu xạ tia X, siêu hiển vi điện tử quét (SEM) đã được dùng xem xét sự
tồn tại tương tác của silica vơi gỗ.Trong các quy trình xử lý theo quá trình sol gel,
phổ IR cho thấy sự hình thành polysilicic trong gỗ. Ngồi ra cịn cho thấy sự hình
thành liên kết giữa nhóm OH của silicic axit với H của gỗ.
Phân tích tán xạ tia X (EDXA) cho thấy silicic axit tập trung chủ yếu bên trong các
tia gỗ hơn là trên thành tế bào gỗ (ảnh SEM cung xác nhận điều này). Một kết quả

khác khi phân tích EDXA là silicic tập trung chủ yếu ở các lớp đầu tiên trên bề mặt
gỗ, chỉ có một phần rất nhỏ lượng silicat có thể thấm sâu vào trong vật liệu gỗ.
Chụp SEM cũng là kỹ thuật được dùng để đánh giá cơ chế chống cháy của gel Na2O
khi xử lý gỗ theo q trình chuyển hóa sol gel.
Các, cơng cụ phân tích vật lý hiện đại nhất là phổ cộng hưởng từ NMR đóng vai trị
quan trọng trong các nghiên cứu tìm hiểu sự tương tác của silica với gỗ thông qua
tác nhân kết nối, hay các silica biến tính bề mặt.
Nhận xét chung
Như vậy sự lắng đọng silica trong gỗ ảnh hưởng đến các tính chất gỗ đã được
biết đến từ những năm 1970 nhưng phải đến thập niên 90 nghiên cứu lắng đọng
silica trong gỗ qua q trình xử lý tẩm hóa chất mới được chú ý. Các nghiên cứu


13

biến tính gỗ bằng hỗn hợp muối silicat và axit boric đã giải quyết những vấn đề liên
quan đến phương pháp chống cháy và bảo quản gỗ, cũng như ảnh hưởng của các
loại hóa chất này đến tính chất gỗ.
Đối với Việt Nam đã có nhiều những cơng trình nghiên cứu về chống cháy cho
gỗ bằng các hợp chất của Bo, hóa chất MAP đến các tính chất của gỗ và ván nhân
tạo, nhưng việc nghiên cứu kỹ thuật xử lý gỗ bằng silica qua q trình chuyển hóa
sol gel mới chỉ bắt đầu được nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá khả năng nâng cao
các tính chất gỗ bao gồm độ bền tự nhiên với sinh vật hại gỗ, độ ổn định kích thước
và khả năng chống cháy. Tuy nhiên đây mới chỉ là những nghiên cứu bước đầu và
cần được nghiên cứu sâu hơn. Hơn nữa, những nghiên cứu này vẫn chưa đánh giá
ảnh hưởng của hỗn hợp đến một số tính chất cơ vật lý của gỗ. Chính vì vậy, cần
phải có nhiều hơn những nghiên cứu sự ảnh hưởng của hỗn hợp này đến các tính
chất của gỗ.
Từ những vấn đề trên có thể thấy rằng việc nghiên cứu xử lý gỗ nói chung và
gỗ Keo lai nói riêng với hỗn hợp axit H3BO3 và muối Na2SiO3.9H2O và ảnh hưởng

của hỗn hợp này đến một số tính chất gỗ là một vấn đề rất cần được nghiên cứu bổ
sung hoàn thiện.


14

Chương 2
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
+ Mục tiêu chung: Xác định được ảnh hưởng của xử lý hỗn hợp H3BO3 và
Na2SiO3.9H2O đến số tính chất gỗ Keo lai (Acacia hybrid) nhằm góp phần nâng cao
hiệu quả sử dụng gỗ.
+ Mục tiêu cụ thể: Xác định được ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp
axit Boric và muối Natri silicat đến một số tính chất của gỗ Keo lai: khả năng chậm
cháy và một số tính chất cơ lý sau xử lý.
2.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu sẽ xác định ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp axit Boric và
muối Natri silicat đến một sơ tính chất: lượng thuốc thấm, cường độ uốn tĩnh, cường
độ nén dọc thớ, khả năng chậm cháy và cường độ dán dính (định hướng dùng cho
sản xuất ván ghép thanh) đối với gỗ Keo lai (Acacia hybrid).
* Các yếu tố cố định:
- Nguyên liệu: Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu là gỗ Keo lai (Acacia
hybrid) 9 tuổi được chặt hạ tại Ba Vì Hà Nội
- Thời gian duy trì chân khơng: t = 30 phút.
- Áp suất : Pchân không = - 0.1 MPa ; Páp lực = 0,7 MPa
- Hóa chất Axit Boric (H3BO3) và Natri silicat (Na2SiO3.9H2O)
- Thời gian duy trì áp lực tẩm: 120 phút
- Nhiệt độ tẩm: nhiệt độ thường, t = 30 – 320C
* Các yếu tố thay đổi:
Nồng độ (N) và tỷ lệ (TL) và hỗn hợp H3BO3 và Na2SiO3.9H2O như sau:

+ Nồng độ hóa chất H3BO3: 5%, 2.5%, 1.5%, 1%;
+ Tỷ lệ H3BO3 với Na2SiO3.9H2O là 1:0,5; 1:1,0 và 1:1,5


15

Bảng công thức thực nghiệm như sau:
Bảng 2.1 Công thức thí nghiệm nồng độ và tỷ lệ của hỗn hợp H3BO3,
Na2SiO3.9H2O
TN

Công thức

TN

Công thức

Tỷ lệ 1 : 0,5
CT1.1

H3BO3 5.0% + Na2SiO3 2.5%

CT2.3

H3BO3 1.5% + Na2SiO3 1.5%

CT1.2

H3BO3 2.5% + Na2SiO3 1.25%

CT2.4

H3BO3 1.0% + Na2SiO3 1.0%

CT1.3

H3BO3 1.5% + Na2SiO3 0.75%

CT1.4

H3BO3 1.0% + Na2SiO3 0.5%

CT3.1

H3BO3 5.0% + Na2SiO3 7.5%

Tỷ lệ 1 : 0,5

CT3.2

H3BO3 2.5% + Na2SiO3 3.75%

Tỷ lệ 1 : 1,5

CT2.1

H3BO3 5.0% + Na2SiO3 5.0%

CT3.3

H3BO3 1.5% + Na2SiO3 2.25%

CT2.2

H3BO3 2.5% + Na2SiO3 2.5%

CT3.4

H3BO3 1.0% + Na2SiO3 1.5%

2.3 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu xác định ảnh hưởng nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp H3BO3 và
Na2SiO3.9H2O đến một số tính chất của gỗ Keo lai:
+ Khả năng chống cháy, m
+ Độ bền uốn tĩnh, Ϭu
+ Độ bền nén dọc thớ, Ϭn
+ Độ bền kéo trượt màng keo, k.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp lý thuyết
Kế thừa các kết quả nghiên cứu về gỗ cũng như lý thuyết về biến tính gỗ đã
được nghiên cứu trước.


16

2.4.2. Phương pháp thực nghiệm
- Thực nghiệm đa yếu tố với biến nồng độ và tỷ lệ hỗn hợp H3BO3 và
Na2SiO3.9H2O để thực hiện các nội dung của đề tài.
- Thực hiện tẩm hóa chất vào gỗ bằng phương pháp tế bào đầy (với trị số
chân không – áp lực được cố định cho các mẻ tẩm, các yếu tố thay đổi là nồng độ và

tỷ lệ hỗn hợp hóa chất tẩm)
* Phương pháp xác định lượng thuốc thấm
+ Tẩm mẫu gỗ Keo lai với loại hóa chất theo các cấp nồng độ và tỷ lệ dung
dịch khác nhau theo phương pháp chân không – áp lực.
+ Chế độ tẩm đối với mẫu có sử lý bằng các hợp chất Natri silicat và axit
boric:
-

Rút chân không: - 0,1MPa

-

Thời gian duy trì chân khơng: 30 phút

-

Áp suất tẩm: 0,7 Mpa

-

Thời gian duy trì áp lực tẩm: 120 phút.

Đánh giá khả năng thấm của hỗn hợp Natrisilic và axit boron trong các
trường hợp thay đổi nồng độ và tỷ lệ dung dịch tẩm nhằm đưa ra được tỷ lệ và nồng
độ pha trộn hợp lý.
Tiêu chí xác định và đánh giá khả năng thấm hóa chất vào gỗ:
WPG = ( Mm - MU ) x100 / MU

(%)

Trong đó : Mm - Khối lượng gỗ đã qua xử lý
Mu - Khối lượng gỗ chưa qua xử lý
* Phương pháp xác định hiệu lực chống cháy
- Tiêu chuẩn áp dụng: ГОСТ 16363-98: Quy chuẩn Quốc gia - Các chất bảo
vệ chống cháy đối với gỗ - Phương pháp xác định hiệu lực chống cháy.
Độ hao tổn khối lượng mẫu khi cháy gián tiếp cho thấy khả năng cháy của
vật liệu gỗ, hao tổn khối lượng mẫu thử (m) được xác định theo công thức sau:
m = (m1  m2)/m1.100%


17

Trong đó: m1 – Khối lượng ban đầu của mẫu thử (g)
m2 - Khối lượng mẫu thử sau khi đốt (g).
Kết quả thử nghiệm theo hao tổn khối lượng mẫu thử sai lệch so với giá trị
trung bình vượt quá 5% nên bỏ đi và lặp lại thử nghiệm.
Kết quả thử nghiệm là giá trị trung bình mtb của ít nhất 10 lần thử nghiệm,
làm tròn đến 1%.
Theo giá trị mtb, gỗ sau khi xử lý bằng hoá chất chống cháy theo bề mặt
hoặc chiều sâu được phân thành 3 nhóm:
- Nhóm I: khó cháy, khi hao tổn khối lượng mẫu thử mtb  9%;
- Nhóm II: khó bốc cháy, khi hao tổn khối lượng mẫu thử 9% < mtb  30%;
-Nhóm III: cháy, khơng đảm bảo hiệu quả bảo vệ chống cháy khi mtb > 30%.
* Phương pháp xác định độ bền uốn tĩnh
- Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 8048-3: 2009.
- Thiết bị thí nghiệm: Thước kẹp điện tử chính xác đến 0,1 mm, Máy thử
tính chất cơ lý gỗ có độ chính xác đến 10N.
- Số lượng mẫu : 10 mẫu/ 1 công thức tẩm, với 12 công thức tẩm và mỗi
công thức được lặp lại 3 lần, tổng số lượng mẫu kiểm tra là : 10 x 3 x 12 = 360 mẫu.
- Phương pháp tiến hành:

Mẫu gỗ sau khi được gia cơng theo kích thước tiêu chuẩn (20x20x300 mm).
Ở mỗi mẫu (tại điểm giữa chiều dài) đo chính xác đến 0,1mm chiều rộng b theo
phương xuyên tâm và chiều cao h theo phương tiếp tuyến. Sau đó mẫu được lắp vào
máy thử theo sơ đồ trên hình 2.1. Tốc độ tăng tải từ 4.103-10.103 N/phút, cho đến
khi mẫu bị phá hủy, ghi lại trị số lực Pmax.


18

Hình 2.1 Sơ đồ đặt lực khi thử uốn tĩnh
- Cơng thức xác định độ bền uốn tĩnh (tính bằng MPa)

Trong đó: Pmax – Lực phá hủy tính bằng N,
l – Khoảng cách giữa hai gối tựa, bằng 24cm.
b – Chiều rộng mẫu, tính bằng m.
h – Chiều cao mẫu, tính bằng m.
Độ bền uốn tĩnh được quy đổi về độ ẩm 12% với độ chính xác đến 1 MPa theo
cơng thức: 12 = w[1+ (w – 12)], trong đó hệ số  = 0,01.
* Phương pháp xác định độ bền nén dọc thớ
- Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 8048-5: 2009
- Thiết bị thí nghiệm: Thước kẹp điện tử chính xác đến 0,1 mm, Máy thử tính
chất cơ lý gỗ có độ chính xác đến 10N.
- Số lượng mẫu : 10 mẫu/ 1 công thức tẩm, với 12 công thức tẩm và mỗi
công thức được lặp lại 3 lần, tổng số lượng mẫu kiểm tra là : 10 x 3 x 12 = 360 mẫu.
- Phương pháp tiến hành: Mẫu gỗ sau khi được gia cơng theo kích thước tiêu
chuẩn (20x20x30 mm). Ở mỗi mẫu (tại điểm giữa chiều cao) đo kích thước a và b
của mặt cắt ngang, chính xác đến 0,1mm. Sau đó mẫu được lắp vào máy thử theo sơ
đồ sao cho lực nén của máy phải hướng theo phương dọc thớ gỗ, tốc độ tăng tải từ
4.103-10.103 N/phút, cho đến khi mẫu bị phá hủy, ghi lại trị số lực Pmax.
- Công thức xác định độ bền nén dọc thớ (tính bằng Pa):

Trong đó: Pmax – Lực phá hủy tính bằng N,


19

a, b – kích thước mặt cắt ngang của mẫu, tính bằng m.
Độ bền nén dọc thớ được quy đổi về độ ẩm 12% với độ chính xác đến 1 MPa
theo công thức: 12 = w[1+ (w – 12)], trong đó hệ số  = 0,04.
* Phương pháp xác định độ bền kéo trượt màng keo
- Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 8576:2010
- Thiết bị thí nghiệm: Thước kẹp điện tử chính xác đến 0,1 mm, Máy thử tính
chất cơ lý gỗ có độ chính xác đến 10N.
- Số lượng mẫu : 10 mẫu/ 1 chế độ tẩm, với 12 chế độ tẩm và mỗi chế độ
được lặp lại 3 lần, tổng số lượng mẫu kiểm tra là : 10 x 3 x 12 = 360 mẫu.
- Phương pháp tiến hành: Mẫu thử sau khi được gia công theo tiêu chuẩn sao
cho kích thước mặt phẳng trượt nằm trong giải từ 25 - 50 (mm), độ chính xác đến
0,5 mm. Thanh mẫu thử phải được đặt trong thiết bị thử sao cho tải trọng được
truyền theo hướng thớ gỗ. Mạch keo phải ở vị trí sao cho khoảng cách tại mọi điểm
giữa mạch keo và mặt phẳng trượt không vượt quá 1 mm. Tải trọng được truyền với
tốc độ không đổi sao cho ít nhất 20s mẫu sẽ bị phá hủy, tỷ lệ phần trăm gỗ bị phá
hủy được đánh giá chính xác đến 5%.
- Cơng thức xác định độ bền kéo trượt màng keo:



Fu
S

Trong đó: Fu – Lực phá hủy, tính bằng N.

S – Diện tích trượt, tính bằng mm2
2.4.3 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm
Áp dụng phương pháp xử lý số liệu thống kê thông thường, phân tích các kết
quả đạt được trên phần mền Excel.


20

Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Cấu tạo và thành phần hóa học của gỗ
+ Gỗ được cấu tạo bởi nhiều loại tế bào khác nhau như tế bào sợi gỗ, quản
bào, tế bào nhu mô, tế bào mạch gỗ (gỗ cây lá rộng)... Các tế bào có cấu trúc hình
trụ rỗng và sắp xếp theo chiều dọc thân cây là chủ yếu và các tế bào liên hệ với
nhau bởi các lỗ thông ngang. Ruột các tế bào là các khoang có kích thước tương đối
lớn chứa nước và các chất dầu nhựa hình thành các mao mạch. Bên cạnh đó cịn có
hệ thống mao mạch kích thước nhỏ hơn nằm trong khoảng khơng gian giữa các
vách tế bào.

Hình 3.1. Cấu tạo giải phẫu của gỗ
a. mặt cắt ngang, c. mặt cắt tiếp tuyến, d. mặt cắt xuyên tâm, b. vịng năm, 1. tia gỗ,
2. ống mạch, 3. lỗ thơng ngang.
+ Cấu tạo nên gỗ chủ yếu là các chất hữu cơ (99% - 99,9%). Thành phần hóa
học gỗ gồm 4 ngun tố chính: cácbon (C), hydrơ (H), ơxy (O), Nitơ (N). Các loại
gỗ khác nhau, ở các vị trí khác nhau trên cây có tỷ lệ thành phần các hợp chất hữu
cơ không giống nhau, nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố hóa học tạo nên các
hợp chất hữu cơ trong cây lại gần xấp xỉ nhau. Hàm lượng trung bình của cácbon là
49,5%; hyđơ là 6.4%, ơxy là 42,6% và nitơ là 1%, ngồi ra cịn có một số nguyên tố
vi lượng khác [2], [9].

21

+ Tro gỗ và thành phần của tro: khi đốt cháy gỗ, các chất vô cơ sẽ biến thành
tro. Hàm lượng tro trong gỗ từ 0,3 – 1%, phụ thuộc vào vị trí trong cây và giảm dần
theo tuổi cây. Tro là hợp chất của các nguyên tố K, Ca, Na, , Mg, Fe, Si, ... có: phần
tan trong nước (10 – 25%) chủ yếu là cacbonat natri và kali; phần không tan trong
nước (75 – 90%) gồm cacbonat canxi, photphoric silixic và một số loại muối của
các kim loại khác [2], [9].
+ Tính chất các thành phần hóa học quan trọng của gỗ:
Cellulose
Cellulose là thành phần chủ yếu tạo nên vách tế bào. Nó là hợp chất cao phân
tử đựợc tạo nên từ các mắt xích , D - glucose nhờ các mối liên kết glucozit 1, 4, có
cơng thức phân tử [C6H7O2(OH)3]n, n = 5000 - 14000. Trị số n thay đổi tuỳ thuộc
vào nguồn gốc cellulose, phương pháp xử lý. Độ trùng hợp có ảnh hưởng lớn đến
tính chất của cellulose. Chuỗi cellulose chứa từ 200 - 3000 phân tử cellulose. Ở mỗi
mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí 2, 3, 6 (trong đó
có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai). Cấu tạo phân tử cellulose được mơ tả ở
hình 3.2:
H
0

0H

CH20H

OH

H

0

CH20H

H

H
0

0

0
0

H

0H
H

H
0H

H

H

OH

0H

H

0

H

H
0

H

CH20H

CH20H

0

H
0H

H

H

0H

0

H

Hình 3.2. Phân tử cellulose
Trong mixen cellulose có vùng tinh thể và vùng vơ định hình. Vùng tinh thể là
vùng mà các phân tử cellulose sắp xếp có trật tự, có cấu trúc bền vững nên dung
mơi và hố chất khó xâm nhập. Độ dài vùng kết tinh thường từ 30 - 60 nm. Vùng vơ
định hình là vùng mà các phân tử cellulose sắp xếp không trật tự, cấu trúc lỏng lẻo
nên dung mơi và hố chất dễ xâm nhập (hình 3.3).Trong quá trình tạo thành các dẫn


22

xuất của cellulose khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai trị
quan trọng.

Hình 3.3. Hệ thống liên kết hydro trong cellulose
Trong cellulose thiên nhiên tồn tại các liên kết hyđro nội phân tử và các liên
kết hyđrô giữa các phân tử. Các liên kết hyđrô nội phân tử được tạo ra: giữa H của
nhóm hyđroxyl ở C2 của một mắt xích và O thuộc nhóm hyđrơxyl ở C6 của mắt xích
liền kề; giữa H của nhóm hyđrơxyl ở C3 một đơn vị mắt xích và O nằm trong vịng
của đơn vị mắt xích liền kề. Liên kết hyđrô giữa các phân tử tạo ra giữa hyđrô của
hyđrôxyl ở C6 của đơn vị mắt xích trong một đoạn mạch và O của nhóm hyđrơxyl ở
C2 trong đoạn mạch khác. Các liên kết hyđrô giữa các phân tử cellulose ảnh hưởng
nhiều đến tính chất của sợi cellulose như dãn nở, hồ tan, hút ẩm, …
Trong phân tử cellulose có các liên kết C- C- và C- O-, cũng như các liên kết
hóa trị khác chúng rất bền vững và có lực liên kết rất lớn (lực liên kết của C- Cbằng 62,77 Kcal/mol), trong khi đó của liên kết hyđrơ là 5 – 6 Kcal/mol cịn lực Van
der Vaals – 2 – 3 Kcal/mol. Do trong phân tử cellulose chứa rất nhiều nhóm
hyđrơxyl nên giữa các phân tử tồn tại rất nhiều liên kết hyđrơ, vì thế lực liên kết
giữa các phân tử rất lớn và lớn hơn rất nhiều lực hóa học liên kết các mắt xích trong
phân tử. Liên kết hyđrơ giữa các phân tử cellulose có thể biểu diễn như hình 3.4.

Hình 3.4. Liên kết hydro giữa các phân tử cellulose

23

Nếu nước được hút vào nghĩa là phân tử nước vào giữa các phân tử cellulose
xuất hiện các liên kết hyđrô qua các phân tử nước, theo sơ đồ ở hình 3.5.

Hình 3.5. Liên kết hyđrơ giữa các phân tử khi cellulose trương nở trong nước
Đó là q trình trương nở của cellulose trong nước. Lượng nước được hút vào
càng nhiều số lượng liên kết hyđrô tạo thành giữa các phân tử càng lớn, khoảng
cách giữa chúng càng lớn nói cách khác sợi cellulose trương nở. Điều này giúp ta
giải thích tính co rút và dãn nở của gỗ. Thực chất quá trình trương cellulose là quá
trình tác nhân gây trương xâm nhập vào, bứt phá các liên kết cầu hydro giữa các
phân tử cellulose cạnh nhau, khi đó làm cho khoảng cách các cellulose tăng lên, liên
kết của chúng (liên kết vandecvan) yếu đi, các phân tử cellulose dễ bị xê dịch và trở
nên lỏng lẻo hơn, đồng thời khi liên kết cầu hydro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận
lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của phân tử cellulose trong gỗ. Hiện
tượng trương của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với cơng nghệ biến tính gỗ, nó
làm cho tính chất cơ học, vật lý và hoá học của gỗ thay đổi.
Cellulose là chất khơng mùi, khơng vị, có màu trắng, có cấu tạo dạng sợi, rất
bền về mặt hóa học. Nó không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông
thường (rượu, axeton…), trong dung dịch kiềm, nước, axit vô cơ lỗng. Nó chỉ tan
trong dung dịch phức đồng – amôniắc Cu(NH3)(OH)2, dung dịch axit H3PO4 85%,
H2SO4 72% và trong một số dung mơi đặc biệt khác. Trong q trình tạo thành các
dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai
trị quan trọng. Nếu tác nhân khơng tiến sâu được vào sợi, có nghĩa là sợi khơng
trương hồn tồn, phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt. Nếu tác nhân xâm nhập được
vào khoảng giữa sợi và vào khu vực vơ định hình , thì mức độ và tốc độ phản ứng

24

tăng lên rất nhiều, nhưng sản phẩm của phản ứng sẽ khơng đồng đều, vì phản ứng
với các nhóm hydroxyl trong khu vực tinh thể trong những điều kiện như vậy chưa
xảy ra. Nếu tác nhân xâm nhập được vào khu vực kết tinh cũng như khu vực vơ
định hình thì kết quả của phản ứng sẽ là sản phẩm khá đồng nhất. Từ đó thấy rằng
một trong những yêu cầu quan trọng nhất là làm cho các chất phản ứng xâm nhập
được vào tất cả các nhóm hydroxyl.
Hemicellulose
Cũng như cellulose, hemicellulose là các polysacarit, cấu tạo nên vách tế bào,
nhưng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hố học hơn, dễ bị phân giải ở
nhiệt độ cao. Hemicellulose gồm có pentosan (C5H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n, n =
50 - 200.
Hàm lượng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở gỗ lá rộng
lượng pentosan nhiều chiếm từ 19 - 23% còn hexosan là 3 - 6%, ở gỗ lá kim tỷ lệ
pentosan và hexosan xấp xỷ nhau chiếm từ 10 - 12%. Nói chung hemicellulose dễ
bị thuỷ phân dưới tác dụng của axit. Các acid vô cơ làm cho pentosan thuỷ phân
biến thành đường theo phương trình:
(C5H8O4)n + n H2O n C5H10O5

(đường pentose)

Hexosan gần giống với cellulose, chỗ khác nhau chủ yếu là dễ bị thuỷ phân
biến thành đường theo phương trình:
(C6H10O5)n + n H2O  n C6H12O6

(đường hexose)

Hàm lượng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có khác nhau, ở cây lá rộng
lượng pentosan nhiều (19 - 23%) và hexosan (3 - 6%), ở gỗ lá kim tỷ lệ pentosan và

hexosan xấp xỷ nhau (10 - 12%). Nói chung hemicellulose dễ bị thuỷ phân dưới tác
dụng của acid.
Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn axit uronic, đó là axit của các loại
đường có cơng thức CHO(CHOH)COOH. Khi thủy phân, các nhóm cacboxyl của
axit bị phân giải thành CO2. Hemicellulose chứa các nhóm acetyl và metoxyl, các
nhóm này cũng bị phân giải khi thủy phân, như vậy quá trình thủy phân