Nghiên cứu tạo gỗ biến tính bằng UREA theo Phương pháp hóa dẻo - nén ép

-1-

ĐẶT VẤN ĐỀ
Từ rất lâu con người đã sử dụng các sản phẩm từ gỗ vào công việc và
đời sống của mình và cùng với sự phát triển của nền kinh tế xã hội nhu cầu
con người ngày càng cao, đòi hỏi các sản phẩm từ gỗ ngày càng đa dạng và
phong phú. Tuy nhiên, đứng trước thực trạng gỗ rừng tự nhiên ngày càng
khan hiếm, thay thế vào đó là gỗ mọc nhanh rừng trồng. Trong khi đó gỗ mọc
nhanh rừng trồng lại không đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của con
người do đặc tính của gỗ rừng trồng kém hơn nhiều so với gỗ rừng tự nhiên.
Do vậy đòi hỏi các nhà các nhà nghiên cứu về chế biến lâm sản phải biến tính
được gỗ rừng trồng thay thế cho gỗ rừng tự nhiên mà giá thành sử dụng
khơng q cao.
Biến tính gỗ là q trình tác động hố học, cơ học, nhiệt học hoặc đồng
thời làm thay đổi cấu trúc của gỗ mà chủ yếu tác động các hydroxyl. Quá
trình này làm thay đổi các tính chất của gỗ, cho nên việc nghiên cứu thay đổi
tính chất gỗ bằng phương pháp này trong điều kiện hiện nay là khá cần thiết.
Trong công nghệ biến tính gỗ hiện nay có rất nhiều phương pháp khác
nhau, nhưng do quan tâm đến tính chất thiếu mềm dẻo của gỗ, mà khi gia
cơng thành hình chủ yếu phải dựa vào dán ép và gia công cắt gọt. Nên tơi
chọn phương pháp hố ép nén dẻo để biến tính gỗ trong đề tài của mình
Cây Bồ Đề là một trong số các loại cây có tốc độ sinh trưởng, phát triển
nhanh, nhưng có nhược điểm là độ bền tự nhiên kém, dễ bị cong vênh, chưa
đáp ứng yêu cầu làm nguyên liệu sản xuất đồ mộc cao cấp, mộc xây dựng,
trang trí nội thất, mộc giả cổ, …
Theo đó, yêu cầu thực tế đặt ra đối với các nhà khoa học, nhà sản xuất
là phải tìm kiếm các biện pháp nâng cao chất lượng, thẩm mỹ của gỗ rừng
trồng.


-2-

Công nghệ biến gỗ là một trong những biện pháp hữu hiệu, đã và đang
được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Việt Nam đang bắt đầu tiếp cận công
nghệ này.
Xuất phát từ yêu cầu trên, được sự phân công của Trường Đại học Lâm
nghiệp, Khoa sau đại học, chúng tôi thực hiện đề tài:
“ Nghiên cứu tạo gỗ biến tính bằng Urea theo phương pháp hố
dẻo – nén ép ”.


-3-

CHƯƠNG 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
1.1.Tính cấp bách của vấn đề nghiên cứu
Việt Nam là một đất nước xinh đẹp với sự trù phú về tài nguyên thiên
nhiên,Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, có lượng mưa lớn, có
nhiều loại đất đai và địa hình khác nhau. Những đặc điểm này hình thành nên
sự đa dạng về sinh cảnh sống như rừng mưa nhiệt đới, rừng ngập mặn vùng
duyên hải, đất cát ven biển và rừng cây bụi trên núi cao…So với nhiều loại
vật liệu khác,gỗ là dạng vật liệu vật liệu đặc biệt, được tái tạo từ chu kỳ sinh
trưởng của cây. Các lồi cây nói chung thường tạo ra các thảm rừng xanh
đóng vai trị quan trọng trong môi trường sinh thái của con người, do nhiều lý
do khác nhau như: tốc độ tăng dân số quá nhanh, sức ép về mặt lương thực
tăng nhanh đã gây ra nạn đốt rừng làm nương rẫy. Nhu cầu về gỗ tăng nhanh
dẫn đến việc khai thác quá mức tăng trưởng của rừng. Kết quả tất cả các điều
đó gây tác hại nhiều mặt về mặt môi trường, xã hội, hiện tượng này không
những diễn ra ở nước ta mà hầu hết các nước ở trên thế giới.
Vì vậy những năm gần đây buộc con người phải xem xét lại việc sử
dụng, quản lý tài nguyên rừng, vần đề khai thác để sử dụng phải cân bằng với

nhu cầu bảo vệ môi trường sinh thái.
Thực tế trong mấy thập kỷ qua cho thấy, nếu tiến hành tốt khâu chế
biến, sử dụng gỗ một cách hợp lý sẽ đóng góp rất tích cực cho việc bảo vệ và
phát triển rừng. Hiện nay có một số biện pháp như sản xuất ván nhân tạo thay
cho sản xuất ván nguyên. Phát triển việc sử dụng các loại nguyên vật liệu
ngoài gỗ như song , mây tre trúc, đồ mỹ nghệ từ các nguyên vật liệu ngồi gỗ.
Tuy nhiên những loại ngun liệu đó vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu
về việc sử dụng gỗ của một số ngành công nghệ như sản xuất ơtơ, tầu thuyền,
ngành dệt…vì các ngành này địi hỏi gỗ có tính chất cơ lý rất cao. Bên cạnh


-4-

đó, hiện nay các khi gỗ rừng khan hiếm việc trồng lại rừng gặp nhiều khó
khăn, nên xu hướng trồng rừng mọc nhanh để giải quyết nhu cầu về gỗ là khá
phổ biến.
Vậy nên việc biến tính gỗ theo hướng thay đổi tính chất gỗ có lợi cho
người sử dụng là rất cần thiết
Hiện nay, cơng nghệ biến tính gỗ trên thế giới đã có khá nhiều nghiên
cứu nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày một nhiều, ngồi ra
với gỗ biến tính từ trước đến nay vẫn chưa thực sự hoàn thiện. Gỗ sau khi nén
ép thường bị phục hồi trở lại, mức độ phục hồi ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố
như nhiệt độ ép, thời gian ngâm, nồng độ hố chất. Vì vậy để nâng cao khả
năng sử dụng gỗ biến tính cần thiết phải nghiên cứu rõ hơn về khả năng phục
hồi trở lại của gỗ, các tính vật lý, cơ học và khả năng trang sức. Để thực hiện
công việc này ở đây tơi nghiên cứu phương pháp biến tính gỗ bằng hoá dẻo và
nén ép, đây là phương pháp thể hiện khá rõ những yêu cầu cần nghiên cứu mà
đề tài đã đưa ra.
1.2. Lịch sử các vấn đề nghiên cứu
1.2.1. Tình hình trên thế giới

Ở nước Đức đã cơng bố tài liệu nói về gỗ cường hố vào năm 1930. Đó
là một loại hình gỗ biến tính bằng cách đưa một số kim loại vào trong tế bào
gỗ để tăng khối lượng thể tích của gỗ đồng thời cũng tăng được khả năng chịu
mài mịn của vật liệu. Cũng chính vì lý do trong gỗ có tẩm kim loại và công
nghệ phức tạp mà mức độ và phạm vi sử dụng của gỗ cường hố cũng khơng
rộng, chỉ sử dụng vào những trường hợp đặc biệt.
Dùng kim loại nóng chảy (các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp) cho
vào trong ruột tế bào gỗ, sau khi làm lạnh thì kim loại đóng rắn lại và chúng
cùng với gỗ tạo thành vật liệu gỗ cường hoá. Lượng kim loại cho vào trong
ruột tế bào có liên quan tới kích thước ruột tế bào, khe hở giữa các tế bào.


-5-

Cường độ gỗ này cao hơn hẳn gỗ nguyên liệu làm cho suy biến kim loại giảm
đến giá trị thấp nhất.
Ở nước Đức, năm 1930, tác giả H.Schmidt đã công bố tài liệu nói về gỗ
cường hố. Trong tài liệu này đã có rất nhiều phương pháp tạo gỗ cường độ
hoá.
Dùng phương pháp vật lý, hoá học hay kiêm dụng cả hai loại để xử lý
gỗ, làm cho chất xử lý thấm đọng vào trong vách tế bào, hoặc làm phát sinh
mối liên kết giao nhau giữa các thành phần của gỗ, từ đó làm cho mật độ của
gỗ tăng lên, cường độ cũng được nâng cao, như vậy được gọi là cường độ hoá
gỗ. Chẳng hạn như: gỗ ngâm tẩm, gỗ dán ép, gỗ nén, gỗ cứng hoá và gỗ
polyme hoá tất cả đều là sản phẩm của gỗ cường độ hoá.
Theo tác giả V. E. Vikhrov sẽ thu được các kết quả rất tốt khi sử dụng
nhựa P-F để ngâm gỗ, sau đó trùng ngưng vật liệu này. Các nhựa hoà tan
trong nước này sẽ dịch chuyển vào các cấu trúc của các mao quản và khe hở
giữa các vách tế bào mạch gỗ, khi đó gỗ sẽ ở trạng thái trương nở nhiều nhất.
Gỗ được tẩm các nhựa hoà tan trong nước sẽ giữ được sự ổn định kích

thước khi nhúng gỗ vào trong nước. Khi đó sẽ làm tăng khả năng bền vững
với acid và làm tăng độ cứng.
Theo tác giả Z. A. Ragovin, khi tẩm gỗ với các nhựa tổng hợp sẽ đạt
được kết quả khả quan, và cũng có nhiều loại hợp chất khác nhau để lựa chọn
hợp lý cho yêu cầu sản phẩm của mình. Cơng nghệ hố học hiện đại đã tạo ra
một số lượng lớn nhựa tổng hợp có các tính chất khác nhau. Trong đó phải kể
đến kinh nghiệm với việc sử dụng P-F, F-A-U , P.E.M (polieste melamine),
nhựa Phenol – formadehyde (P-F) ,…
Theo tác giả G. L Angendorf (1982) trong thời gian này đã tạo ra hàng
loạt phương pháp biến tính gỗ. Ví dụ: dung dịch của Urea - formadehyde


-6-

(U-F) có khối lượng phân tử thấp sẽ được tẩm vào gỗ dưới áp lực nhất định.
Sau đó nó được trùng hợp ở nhiệt độ không nhỏ hơn 106-1100 C trong mơi
trường dịng điện cao tần. Những loại gỗ đó sẽ được ứng dụng trong công
nghệ chế tạo tàu thuyền.
Theo tác giả V. M. Khrulev, tại Trường Đại học Công nghệ Belarutxia
đã tạo ra qui trình cơng nghệ biến tính gỗ bằng nhựa tổng hợp: (P-F);
monome furenov và hợp chất của chúng sẽ tạo ra một loạt tính chất cơ lý và
một số tính chất khác cao hơn so với gỗ nguyên liệu.
Khi tạo ra công nghệ sản xuất vật liệu có độ bền khơng đều từ ngun
liệu là gỗ đã được hố dẻo như thoi dệt, trước q trình ép gỗ đã được tẩm
chất lỏng vô cơ. Từ nguyên lý đó, đã đưa ra cơng nghệ tẩm hố chất và ép
nhiệt để tạo ra phôi thoi dệt từ gỗ Vạng trứng: tỉ trọng của gỗ 0.9g/cm 3; nồng
độ dung dịch tẩm 33%, độ nhớt của dung dịch tẩm BZ4: 28giây; kích thước
sản phẩm 36 x 5.5 x 7.6 cm, độ ẩm 12%, chế độ ép khi đó phụ thuộc vào mức
độ tẩm, mức độ nén và áp lực nén,
Ngoài ra, G. V. Klarđ (1966) cho rằng Viện nghiên cứu gỗ vùng Xiberi

đã sử dụng rượu Furfurol.
Trường Đại học Công nghiệp Rừng Voronhet đã tạo ra phương pháp
biến tính gỗ loại hoá cơ bằng hoá dẻo gỗ bởi urea. Gỗ thuộc loài lá rộng tẩm
ở độ ẩm ở độ ẩm 10-15% với áp suất 0.5 MPa, được làm nóng đến 95 0C, nén
ở nhiệt độ cao (trạng thái nóng), ở 1700C sau đó làm nguội đến 18 - 230C.
Phương pháp này gọi là phương pháp Daxtam.
Một số loại gỗ ngâm tẩm của Mỹ qua thí nghiệm đã chỉ rõ tỷ lệ chống
co rút ASE tuỳ thuộc vào sự tăng lên của hàm lượng nhựa trong vách tế bào
mà tăng theo, hàm lượng nhựa khoảng 35%, ASE đạt được giá trị lớn nhất
khoảng 70% .Có thể thấy tỷ lệ chống co rút khi xử lý ngâm tẩm bằng nhựa


-7-

(P-F) thì lớn hơn khi xử lý bằng nhựa Urea – formaldehyde (U-F), điều này là
do nguyên nhân sự hoà tan của nhựa (P-F) dẫn đến.
Liên Xô (cũ), Đức, Mỹ, Nhật, Trung Quốc… đã nghiên cứu làm tăng độ
bền tự nhiên của gỗ bằng phương pháp nén ép tăng khối lượng thể tích gỗ sau
khi đã hố dẻo; tạo ra những chi tiết chịu mài mịn, tự bơi trơn trong các chi
tiết máy của ô tô, máy nông nghiệp.
Gỗ là loại vật liệu tự nhiên vừa có tính dẻo vừa có tính đàn hồi, dưới
điều kiện nhất định nó khơng bị phá vỡ kết cấu mà lại bị nén ép lại làm cho
mật độ tăng lên, từ đó nâng cao được cường độ cơ học qua xử lý.Vào những
năm 30 của thế kỷ này người Đức đầu tiên đã sản xuất ra nó. Trên thị trường
được tiêu thụ với thương hiệu Lignostone, chủ yếu dùng để sản xuất suốt thoi
dệt và cán công cụ.
Nhược điểm của gỗ nén ép là kích thước khơng ổn định trong điều kiện
ẩm ướt gỗ dễ hút ẩm đàn hồi trở về trạng thái ban đầu và việc ngăn ngừa sự
đàn hồi vì thế cơ chế của quá trình nén ép gỗ nguyên nhân của sự đàn hồi trở
về trạng thái ban đầu và việc ngăn ngừa sự trở về trạng thái ban đầu là một

vấn đề cần được nghiên cứu dưới nhiều phương diện khác nhau, nhưng vấn đề
đàn hồi trở về trạng thái ban đầu vẫn khơng thể khắc phục hồn tồn.
Những năm 1930, Đức là nước đầu tiên sản xuất ra gỗ nén và bán ra sản
phẩm Lignstone. Sản phẩm này chủ yếu làm thoi dệt, ống sợi, tay nắm công
cụ. Nhược điểm của gỗ nén là trong điều kiện ẩm ướt thì kích thước của nó
khơng ổn định và có khả năng đàn hồi trở lại tức là khôi phục lại kích thước
ban đầu.
Vì thế người ta tiến hành nghiên cứu rất nhiều về cơ chế của quá trình
nén, quá trình hố dẻo của gỗ để tìm ra ngun nhân đàn hồi trở lại và các giải


-8-

pháp loại bỏ sự đàn hồi trở lại của gỗ nén, nhưng nhược điểm đàn hồi trở lại
vẫn chưa có biện pháp khắc phục triệt để.
- Nâng cao tính chất cơ học của các loại gỗ trong điều kiện không phá
huỷ vách tế bào, có thể dùng phương pháp ép để tăng khối lượng thể tích, có
thể lên tới cực đại là g = 1.54g/cm3. Tính chất vật lý cơ học của gỗ khơng phụ
thuộc hồn tồn vào loại cây, cho dù kết cấu có phức tạp thì giữa khối lượng
thể tích và cường độ vẫn tồn tại một mối quan hệ; mối quan hệ đó được
Newlin J.A và Win son T.R.C đưa ra trong công thức dưới đây:
  a.r n  b

(1 –1)

Trong đó: σ - Giá trị cường độ của gỗ; a, b - hằng số thí nghiệm; n - độ
nghiêng của đường cong parabol bậc n;

r - mật độ gỗ

Do đó khi mật độ của gỗ được tăng lên thì cường độ của gỗ tăng lên rn
lần.
Một điểm đặc biệt là cấu trúc của các loài gỗ khác nhau không ảnh
hưởng nhiều đến mối tương quan trên. Có nghĩa là với cùng một khối lượng
thể tích sau khi ép thì cường độ của gỗ nén khơng phụ thuộc vào loại gỗ
nguyên liệu.
Có nhiều tác giả đã tiến hành nén gỗ để tăng khối lượng thể tích và độ
cứng của vật liệu, tuỳ theo từng điều kiện và thời điểm khác nhau mà các
nhàkhoa học đó đưa ra cách thức của mình.
Theo V. G. Matveeva của Liên Xô cũ (nay là Liên Bang Nga) khi tăng
mức độ nén gỗ, độ bền của gỗ sẽ tăng lên mà không phụ thuộc vào phương
pháp nén. Khi tăng mức độ ép gỗ cực đại thì độ bền của gỗ sẽ tăng lên rất
nhanh.
Đầu năm 1932, Liên xơ có hai phương pháp tăng tính chất cơ lý của gỗ
bằng phương pháp ép. Một trong những phương pháp đó là phương pháp ép


-9-

với sự làm nóng gỗ ở trong mơi trường hơi nước bão hoà hoặc gỗ được tẩm
trước, gỗ được xử lý trong môi trường độ ẩm cao. Thiết bị này được sáng chế
bởi các nhà khoa học của viện Hoá gỗ.
Các nhà khoa học của trường Đại học Varonhezơ và các nhà máy chế
tạo máy ở Varonhezơ đã dựa vào phương pháp Khukhrenxki tạo ra phương
pháp ép gỗ đối với các chi tiết máy và ứng dụng chúng và kiểm tra chất lượng
sản phẩm ở trong các ngành kinh tế quốc dân.
Theo tác giả V. A. Bazenova ở Viện Công nghiệp Leningrat đã tạo ra lý
thuyết và ứng dụng gỗ tự nén.
Khi nén theo chiều vng góc với thớ gỗ thì tất cả các loại gỗ (cả gỗ lá
kim và gỗ lá rộng) đều bị nén theo chiều xuyên tâm, chỉ có gỗ lá rộng mạch

phân tán mới nén theo chiều xuyên tâm nhưng thực chất lại tăng g theo chiều
tiếp tuyến.
1.2.2. Tình hình trong nước
Trong những năm gần đây biến tính gỗ đã được các nhà khoa học trong
nước nghiên cứu. Với điều kiện hiện có trong nghành chế biến lâm sản việc
áp dụng những thành tựu khoa học về biến tính là một hướng đi tốt cho ngành
chế biến lâm sản.
Vào những năm 1987-1988 ở Việt Nam Viện Công Nghiệp Rừng đã
tiến hành nghiên cứu xử dụng gỗ biến tính từ gỗ Mỡ, Vạng Trứng, ...Thơng
Nàng để sản xuất làm thoi dệt vải.Tại Đại Học Lâm Nghiệp một số cơng trình
nghiên cứu giáo viên sinh viên khoa chế biến lâm sản như :
- Phương pháp ngâm thường.
- Phương pháp tẩm nóng lạnh
- Áp lực chân khơng để đưa thuốc bảo quản vào trong gỗ.


- 10 -

Ngoài ra cũng tại trường Đại học Lâm nghiệp TS. Trần Văn Chứ cùng
một số sinh viên đã nghiên cứu về chống cháy cho gỗ và sản phẩm gỗ.
Tại Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam một số nhà khoa học (TS.
Nguyễn Chí Thanh, TS.Lê Văn Lâm,…) dùng một số hoá chất để bảo quản
gỗ.
Tuy nhiên, hướng nghiên cứu về tăng khối lượng thể tích, tăng tính
chất cơ học hoặc ổn định kích thước gỗ chưa được nghiên cứu nhiều.
Các nghiên cứu này tuy chưa được áp dụng ngồi thực tiễn nhưng có
thể nói đây là những bước đầu tiên của việc nghiên cứu gỗ biến tính. Số lượng
đề tài nghiên cứu về gõ biến tính chưa có nhiều song chúng là những tiền đề
cho các nghiên cứu sau này.
Vì vậy, gỗ biến tính cịn rất nhiều điều chưa được nghiên cứu, vẫn còn

rất nhiều điều chưa biết về gỗ biến tính nhất là ở Việt Nam khi gỗ biến tính
mới bắt đầu được nghiên cứu.
Qua phần trình bầy về lịch sử nghiên cứu của các vấn đề ở trên chúng
ta thấy rằng, việc nghiên cứu về phương pháp biến tính bằng hóa dẻo nén ép
đã được một số nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu như:
VG Matveeva. Liên Xơ cũ đã có đề tài nghiên cứu về việc tăng mức độ
nén gỗ.
Năm 1932 Viện hoá gỗ Liên Xô đã đưa ra phương pháp ép với sự làm
nóng gỗ ở mơi trường nước bão hồ.
Liên Xơ (cũ), Đức, Mỹ, Nhật, ... đã làm tăng độ bền tự nhiên của gỗ
bằng phương pháp nén ép tăng khối lượng thể tích sau khi hố dẻo.
Đặc biệt : Trường Đại Học Công Nghiệp Rừng Voronhet đã tạo ra
phương pháp biến tính gỗ loại hố cơ bằng dẻo hố bởi Urea.


- 11 -

Nhưng các đề tài nghiên cứu trên vẫn còn chưa giải quyết được nhiều
vấn đề như khả năng phục hồi trở lại của gỗ, ảnh hưởng của nhiệt độ và nhiệt
độ cũng như thời gian ngâm gỗ trong Urea.
Nhất là trong điều kiện Việt Nam, là vùng nhiệt đới, các tính chất của
gỗ có nhiều đặc điểm khác, hơn nữa việc nghiên cứu hoá dẻo- nén ép gỗ bằng
hố chất Urea gần như mới bắt đầu.
Để góp phần tìm hiểu rõ hơn về gỗ biến tính và các qui trình cơng nghệ
để làm gỗ biến tính, chúng tơi tiến hành nghiên cứu đề tài : “ Nghiên cứu tạo
gỗ biến tính bằng Urea theo phương pháp hố dẻo – nén ép ”.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
+ Mục tiêu chung của đề tài là:
Xác định các giải pháp công nghệ, kỹ thuật để nâng cao chất lượng của
gỗ biến tính.

- Nâng cao khả năng sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh.
- Đa dạng hố các loại hình sản phẩm từ gỗ mọc nhanh rừng trồng.
+ Mục tiêu cụ thể của đề tài:
Xác định ảnh hưởng của Urea và nhiệt độ ép tới một số tính chất cơ bản
của gỗ biến tính từ cây Bồ Đề.
Xác định khoảng giá trị hợp lý của nhiệt độ ép và tỷ lệ Urea cho cơng
nghệ sản xuất gỗ biến tính từ cây Bồ Đề
- Kiểm tra các tính chất cơ lý của gỗ biến từ gỗ Bồ Đề.
1.4. Nội dung nghiên cứu
+ Nghiên cứu tìm hiểu một số giải pháp biến tính.
+ Xác định ảnh hưởng của Urea tới một số chỉ tiêu chất lượng gỗ biến
tính.
+ Xác định ảnh hưởng của thời gian, áp suất, nhiệt độ đến một số chỉ
chất lượng gỗ biến tính.


- 12 -

1.5. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm dựa trên các cơ sở lý
thuyết cơ bản về khoa học gỗ, công nghệ biến tính gỗ, lý thuyết thống kê tốn
học.
1.5.1.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết là tìm hiểu một số phương pháp biến
tính gỗ, cơ chế biến tính gỗ.
1.5.2. Phương pháp kế thừa
Phương pháp kế thừa được sử dụng để tổng hợp các tư liệu, tài liệu có
tính lịch sử, tài liệu cung cấp các thông tin liên quan về kinh tế xã hội tự nhiên
thuộc các vung lãnh thổ.
Trong đề tài này, chúng tôi dựa trên sự nghiên cứu về biến tính gỗ trên

thế giới và được nhà xuất bản Đại học Lâm nghiệp Đông Bắc giới thiệu trong
cuốn Cơng Nghệ Biến Tính gỗ, cùng một số đề tài nghiên cứu của một số nhà
khoa học trong nước.
1.5.3.Phương pháp thực nghiệm
Khi nghiên cứu về công nghệ người ta thường sử dụng phương pháp
thực nghiệm. Trong đề tài này, ngoài những phương pháp nghiên cứu đã nêu
ở trên, phương pháp thực nghiệm theo lý thuyết qui hoạch thực nghiệm cũng
là phương pháp chính chúng tơi sử dụng trong đề tài nghiên cứu này.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng
của các yếu tố đến chất lượng gỗ biến tính.
Đề tài sử dụng lý thuyết qui hoạch thực nghiệm bậc hai để nghiên cứu
ảnh hưởng của các yếu tố tới chất lượng gỗ biến tính.
a. Phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố: Phương pháp thực nghiệm
đơn yếu tố được dùng cho nghiên cứu thăm dị ban đầu về cơng nghệ, nghiên


- 13 -

cứu về ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ như: nhiệt độ ngâm tẩm, thời
gian ngâm tẩm, nồng độ hoá chất,...
b. Phương pháp thực nghiệm đa yếu tố: Phương pháp thực nghiệm
đa yếu tố là phương pháp chủ lực để xây dựng các quy trình cơng nghệ biến
tính gỗ, trong đó chủ yếu là nghiên cứu ảnh hưởng chéo của các thông số đầu
vào đến chất lượng sản phẩm biến tính và tìm ra các thơng số tối ưu.
Ở đề tài này, qua kế thừa một số nghiên cứu của TS. Trần Văn Chứ và
tham khảo cuốn Cơng nghệ biến tính gỗ tơi chọn các biến thời gian ngâm,
nhiệt độ ép và nồng độ Urea để làm thí nghiệm với các bước thay đổi là:
N = 5; 10; 15; 20; 25.
T = 130; 150; 170; 190; 210.
τ = 2; 4; 6; 8; 10.

Các yếu tố thực nghiệm mức và yếu tố thay đổi của thí nghiệm được
trình bày ở bảng 1.1
Bảng 1.1. Các yếu tố thực nghiệm và yếu tố thay đổi
-α



0

+

+α

130

150

170

190

210

τ(ngày)

2

4

6

8

10

Nồng độ

5

10

15

20

25

T(nhiệt độ)

Bảng qui hoạch thực nghiệm được trình bày ở bảng 1.2
Bảng 1.2. Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm bậc hai.
T0

Τ

N

(độ C)

(ngày)

(%)

1

+

+

2

-

+

TT

T

τ

N

+

190

8

20

+

150

8

20


- 14 -

3

+

-

+

190

4

20

4

-

-

+

150

4

20

5

+

+

-

190

8

10

6

-

+

-

150

8

10

7

+

-

-

190

4

10

8

-

-

-

150

4

10

9

+α

0

0

210

6

15

10

-α

0

0

130

6

15

11

0

+α

0

170

10

15

12

0

-α

0

170

2

15

13

0

0

+α

170

6

25

14

0

0

-α

170

6

5

15

0

0

0

170

6

15

Phương trình tương quan bậc hai có dạng:
K

Y = b0 +

K

K

K

 b X   b X X   b X
i 1

i

i

i 1 i 1

ij

i

j

i1

ij

2
i

- Các dạng kế hoạch thực nghiệm bậc hai: Hiện nay có nhiều dạng kế
hoạch thực nghiệm bậc hai như: Kế hoạch Keeferi J; kế hoạch trực giao; Box
Wilson; kế hoạch H.O Harley [28]. Tuỳ theo yêu cầu của thí nghiệm và số
yếu tố ảnh hưởng mà lựa chọn kế hoạch thực nghiệm cho phù hợp.
Số lượng thí nghiệm được tính theo cơng thức: N = k(N1 + N + N0)
Trong đó: N1 - các thí nghiệm phần nhân (N1 = 2n); N - các thí nghiệm
phần mở rộng (N = 2.n); N0 - các thí nghiệm phần tâm (N0 =1); n - số yếu tố
ảnh hưởng; k – số lần lặp lại, thường k=3.
Kế hoạch thực nghiệm bậc hai được thực hiện ở các mức: Mức trên (+1);
mức dưới (-1); mức trung gian (0); và hai mức sao (+) , (-).
- Lập ma trận thực nghiệm: ma trận thực nghiệm với quy hoạch thực
nghiệm bậc hai là một bảng bao gồm các giá trị yếu tố ảnh hưởng được mã

- 15 -

hoá dưới dạng toạ độ: +1, -1, 0, +, - với số hàng bằng số thí nghiệm N, số
cột bằng số yếu tố ảnh hưởng và tổ hợp chập đơi của chúng.
- Tiến hành thí nghiệm theo ma trận đã lập: Thí nghiệm được tiến hành
theo sơ đồ ma trận đã bố trí. Sau khi tạo ra sản phẩm, gỗ biến tính được kiếm
tra chất lượng theo các tiêu chuẩn. Các số liệu đo đếm được ghi vào bảng thí
nghiệm.
- Xử lý kết quả thí nghiệm: tương tự như quy hoạch thực nghiệm bậc
nhất, số liệu thực nghiệm và các hệ số của phương trình hồi quy thu được phải
được kiểm tra theo những tiêu chuẩn thống kê.
c. Giải bài toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ
Haimes là người đề xướng phương pháp trao đổi giá trị phụ để giải bài
toán tối ưu đa mục tiêu. Theo Haimes, bài toán tối ưu đa mục tiêu được
chuyển về bài toán một mục tiêu như sau:
Y1 ---→ min
Với điều kiện: Yj(xi) < εj ; j ≠ 1 ; j = 1, 2,…, m
Hàm mục tiêu được biểu diễn theo phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:
m

F(x, λ) = Y1(x) + ∑ λji[Yj (x) - εj]; j ≠ 1
j≠1

Trong đó: λji : nhân tử Lagrăngiơ, có ý nghĩa như hàm trao đổi.
λji = ∂F/∂Yj , với x Є X và εj > 0
Tại điểm tối ưu:
Y1(x*, λ*) = F (x*, λ*) và ∂F/∂xi = 0 và ∂F/∂ λji = 0
Từ đó giải hệ (n + m) phương trình:
∂F/∂xi = 0; i = 1, 2, …, n

Yj - εj = 0; j = 1, 2, …, m
đối với các ẩn xi và λji sẽ tìm được các giá trị x1*, x2*,…, xn* xác định cực
trị của hàm mục tiêu F. Căn cứ giá trị của λji*, chọn các giá trị εj để tìm lời giải
phù hợp


- 16 -

d. Các bước tiến hành
- Bước 1: Cắt mẫu theo tiêu chuẩn.
- Bước 2 : Sấy mẫu.
- Bước 3: Ngâm mẫu trong dung dịch Urea
- Bước 4 : Sấy mẫu khi ngâm và nén mẫu.
- Bước5 : Kiểm tra mẫu theo tiêu chuẩn.
e. Các tiêu chuẩn kiểm tra như sau
Kiểm tra khả năng co rút, giãn nở trở lại theo tiêu chuẩn TCVN 36070 sửa đổi vàTCVN 361-70 sửa đổi.
Kiểm tra giới hạn bền uốn tĩnh theo TCVN365-70
Kiểm tra giới hạn bền khi nén dọc thớ theo TCVN 362-70
Kiểm tra khối lượng thể tích theo tiêu chuẩn TCVN360-70 sửa đổi.
Kiểm tra khả năng trang sức bề mặt theo tiêu chuẩn ГOCT 15140-78
1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.6.1. Đối tượng nghiên cứu
a) Gỗ
Gỗ dùng trong nghiên cứu là loại gỗ: Bồ Đề ( Styrax tonkinensis –
Piere). Đây là loại gỗ rừng trồng mọc nhanh thơng dụng.
b) Hố chất
Hố chất dùng trong nghiên cứu là loại hóa chất thơng dụng đang
có trên thị trường Việt Nam là: Urea
1.6.2. Phạm vi nghiên cứu
Các yếu tố ảnh hưởng.

- Nguyên liệu chính Bồ Đề
- Lượng Urea.
- Áp suất và thời gian ép.


- 17 -

- Kích thước sản phẩm, khối lượng thể tích.
- Nhiệt độ ép
Các đại lượng cần xác định
-Độ bền uốn tĩnh của gỗ biến tính
-Độ bền kéo vng góc của gỗ biến tính
-Hệ số dãn nở của gỗ biến tính.


- 18 -

Hình 1.1. Máy ép nhiệt

Hình 1.2. Khn ép nhiệt


- 19 -

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Căn cứ vào mục tiêu và nội dung của đề tài cần xem xét sâu một số vấn
đề cơ bản sau :
1. Một số giải pháp biến tính gỗ
2. Tính xuyên thấu của dung dịch đối với gỗ

3. Cơ sở về khả năng thấm thuốc khi ngâm gỗ
4. Cơ chế nén ép gỗ
5. Ảnh hưởng của một số yếu tố (thời gian, nhiệt độ, nồng độ...)
Để tìm hiểu những vấn đề trên, trước hết chúng ta cần xác định rõ về
đối tượng nghiên cứu cũng như giới hạn của đề tài.
Trong công nghệ gỗ biến tính có rất nhiều phương pháp khác nhau,
trong đề tài này chúng ta nghiên cứu phương pháp biến tính gỗ bằng phương
pháp hố dẻo- nén ép.
Ngun liệu chính là cây Bồ Đề, đây là loại cây có tính chất cơ lý thấp,
sinh trưởng nhanh. Chất ngâm tẩm là Urea.
2.1. Một số đặc điểm cấu tạo của gỗ
2.1.1. Một số đặc điểm tính chất của gỗ liên quan đến biến tính
2.1.1.1. Đặc điểm cấu tạo gỗ và một số tính chất của các thành phần
trong gỗ
Gỗ được cấu tạo từ các tế bào, khi tế bào gỗ trưởng thành, trở thành
dạng hình ống, như vậy tạo nên cấu trúc xốp trong gỗ, các ống mạch tạo thành
hệ mao dẫn có tính thẩm thấu nước từ mơi trường ngồi vào trong gỗ, khi đó
xảy ra hiện tượng trương nở do tác động của nước với các cấu tử trong gỗ như
cellulose, hemicellulose và lignin làm cho cấu trúc và tính chất cơ học, vật lý,
hoá học của gỗ thay đổi.


- 20 -

Gỗ có các thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ(99-99,9%). Thành
phần hoá học gồm 4 nguyên tố chính : cacbon(C), hydro(H), oxy(O), Nitơ(N).
Các loại gỗ khác nhau ở các vị trí khác nhau trên thân cây có tỷ lệ các thành
phần chất hữu cơ khơng giống nhau, nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố
hoá học lại xấp xỉ nhau. Hàm lượng trung bình của cacbon là 49,5%, hydro là
6,4%, oxy là 42,6% và nitơ là 1% và một số nguyên tố vi lượng khác.

Các thành phần chủ yếu trong gỗ gồm Cellulose, Hemicllulose và
lignin đó chính là ba thành phần chủ yếu trong gỗ. Do vậy có liên quan trực
tiếp đến tính chất của gỗ.
Cellulose : Theo nhiều tác giả cellulose là một hợp chất hữu cơ cao phân tử
thiên nhiên có cơng thức (C6H10O5)n. Phân tử cellulose là sự liên kết của các
phân tử D-glucose, chuỗi cellulose chứa từ 200-3000 phân tử monome liên
kết với nhau ở vị trí 1-4 tạo nên sợi cơ bản. 2.1.
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).
H
O

OH
H

H

OH H
H
O
CH2OH

O

CH2OH
O
H
OH H
H

H

OH
H

O
H

H

OH H
H
H

OH

O
CH2OH

O

CH2OH
O
H
OH H
H

H

OH

Hình 2.1. Phân tử cellulose
Trong quá trình tạo các dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của
các nhóm hydroxyl đóng vai trị quan trọng.
Sự tạo thành các hợp chất cộng
Nguyên nhân của các phản ứng tạo thành các hợp chất cộng là ở
chỗ, trong thời gian trương nở, các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose ở
cạnh nhau bị đứt và ở chỗ của những liên kết ấy, các phân tử của tác nhân bị


- 21 -

đẩy, và trong cấu tạo của gỗ các chất tác nhân có thể phân tán tự do và có điều
kiện tác động lên nhóm hydroxyl của phân tử cellulose.
Các kiểu hợp chất cộng của cellulose có thể chia làm bốn nhóm cơ bản
là alkali cellulose (cellulose kiềm ), cellulose axit, aminocellulose và cellulose
muối.
Sự phân giải cellulose
Phản ứng thuỷ phân : Trong quá trình thuỷ phân cellulose, mối liên kết
acetal (-glucosit) bị đứt dưới tác dụng của axit theo hình 2.2.
O

O
O

O

O O
H3O+

O

O

H OH

OH

NhómNhãm
khử khư

O

HO
Nhãmkhơng
kh«ng khư
Nhóm
khử

Hình2.2. Q trình phân giải cellulose
Theo một số nhà khoa học thì tác động tương hỗ giữa các phần tử
cellulose qua mối liên kết cầu hydro xuất hiện thơng qua nhóm hydroxyl của
các phân tử cellulose, mơ hình liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose
như hình vẽ 2.3.
O

O
H
O

O

H

O

O
H
O
O

O

H
H

O

O
O

H

Hình 2.3. Liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose
Quá trình trương nở của cellulose
Cellulose là chất cao phân tử có cực, như vậy dung mơi gây trương nở
hay hồ tan cellulose cũng phải là dung mơi có cực. Thực chất q trình
trương cellulose là quá trình tác nhân gây ra trương xâm nhập vào, bứt phá

- 22 -

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 thận lợi cho các tác động
khác làm thay đổi cấu trúc phân tử cellulose trong gỗ.
Hiện tượng trương nở của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với cơng
nghệ biến tính gỗ, làm cho tính chất cơ học, vật lý và hố học của gỗ thay đổi.
Q trình trương nở cellulose trong nước là trường hợp điển hình, bản
chất quá trình trương cellulose trong nước được mơ tả như hình 2.4
H
HO

OH

OH

O
O

H
H

H
HO

O
HO

OH
O

o

H
(a)

H

H

H

O

O

H

O

H

O

HO
OH

O

HO

O

H
OH

O
H

H
O

O

H

H

OH

(b)

Hình 2. 4. Q trình trương cellulose trong nước

Trong đó : (a) Cellulose với liên kết cầu hydro; (b) – Sự trưong nở của
cellulose trong nước.
Lignin Sau cellulose, lignin là thành phần thứ hai cấu tạo nên vách tế
bào gỗ, vai trò của lignin được xem như chất liên kết, bao bọc giữa các tế bào.
Lignin tập trung vào vùng không gian giữa các tế bào. Cấu tạo của lignin rất

phức tạp, cho đến nay cũng chưa có một nhà khoa học nào khẳng định một
cách chắc chắn và chính xác về cấu tạo hoá học của lignin.
Lignin là tập hợp các chất hữu cơ có sự biến động lớn về cấu tạo, thành
phần hoá học, do vậy phân tử lượng lignin có sự biến động. Dưới tác động
của nhiệt độ cao lignin bị mềm hố.
Lignin cũng có tính chất trương và hồ tan trong những dung mơi thích
hợp như dung dịch kiềm.


- 23 -

Lignin là một cao phân tử gồm các đơn vị phenylpropan. Các nhóm
chức cơ bản trong lignin gồm nhóm, metoxyl (OCH3), nhóm hydroxyl (OH).
Các đơn phân tử trong lignin liên kết với nhau bằng những liên kết este và
liên kết C-C, Tạo ra cấu trúc mạng phức tạp.
Liên kết C-C rất bền vững với xử lý hoá học và yếu tố cơ bản ngăn cản
sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong xử lý hydro hoá, phân giải bằng
etanol.
Khả năng phản ứng hoá học của lignin
Sunphit hoá lignin : Dưới tác dụng của bislphit và axit sunphurơ tự do
ở nhiệt độ 135-1400C chuyển hoá thành axit licnosunphuric hồ tan lignin,
trong đó xảy ra hai q trình: Đưa nhóm sunphua ưa nước và sự đứt mạch do
thuỷ phân của các mối liên kết nhạy cảm với axit. Cơ chế hạ bậc phân tử
lignin như hình 2.5.
C
C

O
SO3H

OCH3
OH

Hình 2.5. Phản ứng hạ bậc lignin
Phân giải do Acol : Lignin trong gỗ khơng bị tan trong q trình phân
giải do rượu ở nhiệt độ thấp. Nhưng ở nhiệt độ cao, một bộ phận lớn của
lignin bị hoà tan, đặc biệt trong điều kiện có dung mơi thích hợp, khi đó xảy
ra phản ứng đứt mạch của các phân tử lignin bởi các ion của dung môi, tiếp
sau là phản ứng oxy hoá rượu xảy ra nhanh, sự đứt mạch làm cho các lignin
chuyển thành các đơn phân tử.


- 24 -

Dưới tác dụng của các acid, halogen, kiềm trong điều kiện nhất định thì
lignin bị chuyển hố trở nên có thể tan được đó là do sự đứt mạch, phân đoạn
các phân tử lignin.
Hemicellulose Cũng như cellulose, hemicellulose là những chất
polysaccharides 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 pentozan (C5H8O4)n và hecxozan (C6H10O5)n.
Pentozan có thể dùng dung dịch xút lỗng (nồng độ 4-5%) trích ly từ
gỗ.
Các acid vơ cơ làm cho pentozan thuỷ phân thành đường theo phương
trình :
(C5H8O4)n +n H2O  nC5H10O5 (đường pentose)
Hecxozan gần giống với cellulose, chỗ khác nhau chủ yếu là dễ bị thuỷ
phân biến thành đường theo phương trình :
(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 (đường hexose)
Hàm lượng pentozan và hexosan trong những 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 xỉ nhau (10-12%). Nói chung hemicellulose dễ bị
phân huỷ dưới tác dụng của acid.
Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn acid uronic, đó là acid của
các loại đường có cơng thức CHO(CHOH)4COOH. Khi thuỷ phân, các nhóm
cacboxyl của acid bị phân giải thành CO2.
Hemicellulose chứa các nhóm acetyl và metoxyl, các nhóm này cũng bị
phân giải khi thuỷ phân, như vậy quá trình thuỷ phân hemicellulose dẫn tới sự
phân giải các hợp tử của hemicellulose để tạo ra các sản phẩm trung gian của
polysaccharides, các chất này không tan trong nước, làm cho khả năng hút
nước và trương nở của gỗ giảm đi.


- 25 -

2.1.1.2. Biến đổi cấu trúc tính chất gỗ dưới tác dụng của nhiệt độ

A
.

e

1

2

3

4

5

6

a
c

d

d

b
a

e
1

2

3

4

5

B
.
e
6

7

e

e
8

9

Hình2.6..Các dạng biến đổi cấu trúc trong gỗ khi có tác nhân xử lý

Jnno (1993 ), Misato Norimoto và Joseph Gril người Nhật Bản khi nghiên
cứu cấu trúc và tính chất của gỗ dưới tác động của nhiệt độ và tác nhân hoá
học đã đưa ra một số mơ hình tương tác trong gỗ như hình 2.6.
Trong đó
A- Tế bào cellulose;
1-3: Vách cellulose khi khơng được xử lý;
4-6: Vách cellulose được xử lý;
1- Không xử lý;
4- Khơng có tác nhân trong ruột tế bào;