Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ suất nén tới các tính chất của gỗ trẩu biến tính bằng phương pháp nén ép

ĐẶT VẤN ĐỀ
Lâm sản là nguyên vật liệu đƣợc con ngƣời biết đến, sử dụng lâu đời và
rộng rãi nhất bởi những ƣu điểm hơn hẳn các loại vật liệu khác nhƣ: mềm,
nhẹ, dễ gia công chế biến, độ bền tự nhiên cao. Xã hội ngày càng phát triển,
dân số gia tăng ngày càng cao thì nhu cầu sử dụng các sản phẩm từ gỗ ngày
càng lớn. Tuy nhiên, gỗ rừng tự nhiên ngày càng cạn kiệt do sự khai thác quá
mức của con ngƣời, nên hiện nay, rất nhiều các cơ sở chế biến gỗ đã sử dụng
gỗ rừng trồng và vật liệu từ gỗ để bổ sung vào nguồn nguyên liệu đang bị
thiếu hụt đó. Các loại gỗ rừng trồng có ƣu điểm là tốc độ sinh trƣởng nhanh,
khả năng tái sinh tự nhiên tốt, nhƣng bên cạnh đó nó lại có những nhƣợc điểm
rất lớn là khối lƣợng thể tích, cƣờng độ và độ bền tự nhiên thấp, dễ bị các vi
sinh vật phá hoại. Trong những năm gần đây, một lọai gỗ rừng trồng đang
đƣợc trồng rất rộng rãi là cây Trẩu, loại cây này ngoài khả năng cung cấp quả
để lấy dầu phục vụ cho các ngành cơng nghiệp, nó cịn đem lại 1 trữ lƣợng gỗ
rất lớn cho ngành chế biến. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tăng khối lƣợng
thể tích cũng nhƣ các tính chất cơ học, vật lý của gỗ Trẩu nói riêng và các loại
gỗ rừng trồng nói chung là rất cần thiết. Trƣớc thực tế đó các nhà khoa học đã
tìm ra nhiều phƣơng pháp biến tính gỗ khác nhau nhằm làm tăng khả năng sử
dụng gỗ rừng trồng, trong đó có phƣơng pháp nén ép đem lại hiệu quả rất
cao.Với phƣơng pháp này thì gỗ sau khi đƣợc hóa dẻo (một cơng đoạn trong
sản xuất gỗ biến tính nhằm làm giảm áp lực ép) sẽ đƣợc nén ép với cấp tỷ suất
bao nhiêu là hợp lý và nó ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến các tính chất của gỗ
biến tính vẫn đang đƣợc nghiên cứu.
Để góp phần hoàn thiện và tạo cơ sở tiền đề cho những nghiên cứu tiếp
theo về biến tính gỗ Trẩu, khóa luận tốt nghiệp “ Nghiên cứu ảnh hưởng của
tỷ suất nén tới các tính chất của gỗ Trẩu biến tính bằng phương pháp nén ép”
đƣợc thực hiện.

1

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Hiện nay trên thế giới, việc nghiên cứu về khoa học gỗ không chỉ dừng
lại ở nghiên cứu đặc điểm sinh trƣởng, mô tả cấu tạo thô đại, cấu tạo hiển vi,
các tính chất cơ học, vật lý, hóa học, mà cịn phải nghiên cứu về định hƣớng
trong sử dụng gỗ vào làm nguyên liệu cho ngành chế biến gì. Bên cạnh đó,
hiện nay gỗ mọc nhanh rừng trồng đang đƣợc trồng ở rất nhiều nƣớc do
chúng có ƣu điểm rất lớn là: mọc nhanh, khả năng tái sinh tự nhiên tốt, tuy
nhiên các tính chất của chúng lại thấp. Chính điều này đã khiến cho các nhà
khoa học trên thế giới đi sâu vào nghiên cứu và tìm ra các phƣơng pháp biến
tính nhằm nâng cao tính chất và khả năng sử dụng chúng. Do vậy mà ngành
cơng nghệ biến tính gỗ đã ra đời và bắt đầu phát triển từ những năm 30 của
thế kỉ XX.
Năm 1930, các nhà khoa học Mĩ phát minh kim loại nằm phía mặt cong
của quá trình uốn làm cho gỗ đƣợc hấp luộc chịu trạng thái nén ép trong quá
trình uốn cong, do vậy gỗ sau khi hấp luộc dễ dàng uốn thành các chi tiết
cong, nhƣ: tựa ghế, chân ghế.
Cùng năm 1930, các nhà khoa học Đức công bố tài liệu về gỗ cƣờng
hố, là một loại hình gỗ biến tính bằng cách đƣa một số kim loại vào trong tế
bào gỗ để tăng khối lƣợng thể tích gỗ đồng thời cũng tăng khả năng chịu mài
mịn của vật liệu. Sau đó các nhà khoa học đã tiếp tục phát triển theo hƣớng
đƣa các loại nhựa hoặc keo vào trong gỗ bằng cách ngâm tẩm, nhƣ: nhựa
phenol-focmaldehyde, urea-focmaldehyde, nhựa tổng hợp monome furenow
và hợp chất của chúng,..
Năm 1960, các nhà khoa học Mĩ-Liên Xô dùng tia γ chiếu xạ gây phản
ứng đa tụ ở các đơn thể tẩm vào trong gỗ tạo nên các sản phẩm chất lƣợng cao
WPC (gỗ polime phức hợp). Vật liệu WPC có khả năng chịu mài mịn cao, độ
2

cứng cao, chống cháy, chống ẩm, chông chịu sinh vật, bề mặt đẹp, sử dụng
thuận tiện, tuổi thọ cao gấp 9-11 lần so với gỗ nguyên liệu. Sau đó nhiều quốc
gia, nhiều nhà khoa học đã sử dụng nhiều nguồn năng lƣợng khác nhau trong
đó có cả năng lƣơng nguyên tử vào mục đích này.
Năm 1965, các nhà khoa học Mĩ tiếp tục giới thiệu thành tựu đƣa chất
dẫn phát vào trong đơn thể dùng phƣơng pháp xúc tác gia nhiệt để sản xuất
WPC, hình thành hệ thống cơng nghiệp sản xuất WPC tạo ra rất nhiều chủng
loại sản phẩm.
Nhìn chung với mục đích nâng cao chất lƣợng gỗ, hiện nay các phƣơng
pháp biến tính gỗ đƣợc sử dụng phổ biến là: biến tính nhiệt cơ, biến tính hố
cơ, biến tính bức xạ-hố học. Bằng các phƣơng pháp này trên thế giới ngày
càng tạo ra những loại vật liệu biến tính gỗ mà chất lƣợng của chúng ngày
càng đƣợc nâng cao.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trên thế giới, trong
những năm gần đây, ở nƣớc ta, lĩnh vực biến tính gỗ nhằm nâng cao khối
lƣợng thể tích và các tính chất của gỗ cũng đƣợc rất nhiều các nhà khoa học,
các nhà sản xuất quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu. Đã có khơng ít các cơng
trình nghiên cứu đƣợc thực hiện và bƣớc đầu đã cho những kết quả khá khả
quan.
Vào những năm 1987-1988, ngành dệt Việt Nam đã nghiên cứu sử dụng gỗ
Dẻ đỏ để làm thoi dệt vải. Đồng thời viện công nghệ rừng tiến hành nghiên
cứu sử dụng gỗ biến tính từ gỗ Mỡ, Thơng nàng, Vạng trứng để làm thoi dệt
vải.
Giai đoạn 2006-2010, chƣơng trình Khoa học & Cơng nghệ trọng điểm cấp
nhà nƣớc đã tiến hành triển khai đề tài: “Nghiên cứu xử lí một số loại gỗ rừng
trồng nhóm 5-8 làm tàu đi biển”, mục đích của đề tài là sử dụng các phƣơng
pháp biến tính gỗ để nâng cao tính chất cho gỗ có chất lƣợng thấp.

3


Tại trƣờng Đại học Nông Lâm TPHCM, sở Khoa học-Công nghệ
TPHCM đã thẩm định đề tài: “Ngiên cứu chế biến gỗ rừng trồng có khối
lƣợng thể tích thấp thành ngun liệu có chất lƣợng cao trong xây dựng và
sản xuất đồ mộc” do nhà trƣờng thực hiện. Đồng thời khoa CBLS của trƣờng
cũng đã sử dung các phƣơng pháp cơ nhiệt, hố cơ nhiệt, hố học để biến tính
gỗ Cao su, gỗ Điều, gỗ Hông và một số gỗ rừng trồng khác cung cấp cho thị
trƣờng trong nƣớc và xuất khẩu.
Tại khoa CBLS trƣờng Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam, trong nhiều
năm qua cũng đã tiến hành các đề tài khố luận về biến tính gỗ từ gỗ Trắm
trắng, gỗ Keo tai tƣợng… bằng phƣơng pháp nén ép hoá dẻo sử dụng một số
hố chất thơng dụng nhƣ: amoniac, nhựa PU, novolak…Một số cơng trình
nghiên cứu nổi bật:
 “Nghiên cứu một số yếu tố cơng nghệ biến tính gỗ Trám trắng làm ván sàn
bằng phƣơng pháp nén ép” của Vũ Huy Đại, Trần Ngọc Thành.
 “Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ ép đến tính chất cơ lý của gỗ Trám
trắng biến tính” của Vũ Huy Đại, Lê Anh Tuấn.
 “Ảnh hƣởng của tỉ suất nén đến một số tính chất gỗ Trám trắng biến tính
bằng phƣơng pháp nén ép” của Tạ Thị Phƣơng Hoa, Ngơ Thu Hà.
Nhìn chung, cơng nghệ biến tính gỗ ở Việt Nam là một ngành công
nghệ mới đang đƣợc nghiên cứu và đã đạt đƣợc một số thành công nhất định.
Điều này đặt ra vấn đề nhà nƣớc cần quan tâm và đầu tƣ hơn đến cơng nghệ
biến tính gỗ để sản phẩm biến tính gỗ của chúng ta có chỗ đứng trên thế giới
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
 Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ suất nén tới một số tính chất của gỗ Trẩu biến
tính bằng phƣơng pháp nén ép

 Mục tiêu cụ thể
Xác lập ảnh hƣởng của tỷ suất nén đến một số tính chất của gỗ Trẩu biến tính
hóa dẻo bằng dung dịch NH4OH
4


 Độ trƣơng nở chiều dày
 Độ hút nƣớc
 Độ hút ẩm
 Độ đàn hồi trở lại
 Khối lƣợng thể tích
 Cƣờng độ ép dọc
 Cƣờng độ uốn tĩnh
1.3. Đối tƣợng nghiên cứu
 Nguyên liệu: Gỗ Trẩu
 Công nghệ biến tính gỗ bằng phƣơng pháp nén ép sử dụng NH 4OH làm

tác nhân hóa dẻo.
1.4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ suất nén đến một số tính chất của gỗ Trẩu
biến tính, từ đó đƣa ra đƣợc mối quan hệ giữa tỷ suất nén với:
 Độ trƣơng nở chiều dày
 Độ hút nƣớc
 Độ hút ẩm
 Độ đàn hồi trở lại
 Khối lƣợng thể tích

 Cƣờng độ ép dọc
 Cƣờng độ uốn tĩnh

1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
a. Phương pháp kế thừa: Tìm hiểu các cơng trình nghiên cứu và các tài
liệu trong và ngồi nƣớc có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
b. Phương pháp thực nghiệm


Tạo mẫu thí nghiệm
 Cắt mẫu để tiến hành ngâm hóa chất trƣớc khi nén ép với kích thƣớc

các chiều của mẫu nhƣ sau: dài × rộng × dày = 300 × 80 × 40, mm.
5


 Mẫu sau khi đƣợc gia cơng theo kích thƣớc trên sẽ đƣợc xử lý hóa dẻo
bằng dung dịch NH4OH. Q trình ngâm đƣợc tiến hành ở điều kiện mơi
trƣờng trong thùng nhựa với thời gian ngâm là 4 ngày
 Nén ép gỗ
Các yếu tố đầu vào: υ - Tỷ suất nén đƣợc xử lý ở 3 cấp khác nhau : 40%,
50%, 60%.
Tỷ suất nén đƣợc tính theo cơng thức:
υ=

h1  h2
x 100, %
h1

Trong đó :
υ – Tỷ suất nén gỗ, %;
h1 – Chiều dày của gỗ trƣớc khi nén ép, mm;
h2 – Chiều dày của gỗ sau khi nén ép, mm.

Các yếu tố đầu ra:
 Tính ổn định kích thƣớc: Độ trƣơng nở chiều dày, độ đàn hồi trở lại, độ
hút ẩm, độ hút nƣớc
 Tính chất cơ lý chủ yếu: Khối lƣợng thể tích, cƣờng độ uốn tĩnh, cƣờng độ
ép dọc
Các yếu tố cố định: Độ ẩm gỗ, nhiệt độ và áp suất ép
Các yếu tố thay đổi: Tỷ suất nén (υ)
c. Phương pháp sử dụng các tiêu chuẩn
Mẫu sau khi đã nén ép đƣợc cắt mẫu và kiểm tra theo các tiêu chuẩn
 Mẫu kiểm tra khối lƣợng thể tích theo tiêu chuẩn TCVN 362 – 70 sửa
đổi
 Độ trƣơng nở chiều dày theo tiêu chuẩn TCVN 360 – 70 sửa đổi
 Độ hút ẩm và hút nƣớc theo tiêu chuẩn TCVN 360 – 70 sửa đổi
 Mẫu kiểm tra độ đàn hồi trở lại của gỗ nén theo tiêu chuẩn
ΓOCT 11492-65
 Mẫu kiểm tra cƣờng độ ép dọc theo tiêu chuẩn TCVN 362 – 70
6


 Mẫu kiểm tra cƣờng độ uốn tĩnh của gỗ nén theo tiêu chuẩn 365 – 70 sửa
đổi.
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu của khóa luận sẽ mở ra hƣớng sử dụng và nâng cao
chất lƣợng gỗ Trẩu nói riêng và gỗ rừng trồng nói chung theo hƣớng biến tính
bằng phƣơng pháp nén ép gỗ. Đồng thời các kết quả thu đƣợc sẽ làm cơ sở
cho các nghiên cứu tiếp theo khi nghiên cứu biến tính gỗ bằng phƣơng pháp
nén ép

7

Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1 Cơ sở khoa học của biến tính gỗ
2.1.1. Khái niệm biế tính gỗ.
Biến tính gỗ là q trình tác động hóa học, cơ học, nhiệt học hoặc đồng
thời làm thay đổi lại cấu trúc của gỗ mà chủ yếu là tác động vào các nhóm
hydroxyl. Q trình này làm cho các tính chất của gỗ thay đổi.
2.1.2. Một số đặc điểm của gỗ liến quan đến biến tính gỗ.
Gỗ đƣợc cấu tạo từ các tế bào, khi tế bào gỗ trƣởng thành trở thành
dạng hình ống, nhƣ vậy tạo nên cấu trúc xốp rỗng trong gỗ. Các ống mạch tạo
thành hệ mao dẫn có tính thẩm thấu nƣớc từ mơi trƣờng ngồi vào trong gỗ,
khi đó xảy ra hiện tƣợng trƣơng nở do tác động của nƣớc với các cấu tử trong
gỗ nhƣ cellulose, hemicellulose và lignin làm cho cấu trúc và tính chất cơ
học, vật lý, hóa học của gỗ thay đổi. Căn cứ vào những đặc điểm này của gỗ
mà công nghệ biến tính gỗ đã ra đời và phát triển theo các hƣớng khác nhau
nhằm mục đích nâng cao các tính chất cho gỗ.
2.1.3. Thành phần trong gỗ liên quan đến biến tính
Các thành phần trong gỗ đƣợc chia thành 2 loại:
 Loại thứ nhất gồm: Cellulose, hemicellulose và lignin là những chất
cấu trúc nên vách tế bào. Trong mỗi vách tế bào, các phân tử cellulose liên kết
lại thành chuỗi cellulose, nhiều chuỗi cellullose liến kết thành mixencellulose
xếp theo trục dọc của tế bào. Giữa các mixen đƣợc lấp đầy, phân cách bởi các
chất nền đƣợc tạo thành từ hemicellulose và lignin. Phân tử nƣớc không thể
vào đƣợc vùng kết tinh của mixen, nƣớc kết hợp tồn tại giữa các chất nền và
các khe hở của chất nền với mixen, nó tạo thành các chất trƣơng nở và dẻo
hóa.
 Loại thứ hai: Là những chất dầu nhƣa, chất màu, tanin, tinh dầu, chất
béo… tồn tại trong ruột tế bào.

8


2.1.3.1. Cellulose
 Cấu tạo
Cellulose là chất hữu cơ cao phân tử thiên nhiên có cơng thức (C6H10O5)n.
Phân tử cellulose là sự kết hợp của các phân tử D- glucose, chuỗi cellulose
chứa từ 200-300 phân từ monome liên kết với nhau ở vị trí 1-4 tạo nên sợi cơ
bản. Cấu tạo phân tử cellulose đƣợc mơ tả nhƣ hình 2.1.

0

H

OH

0H

H

CH20H

H

H

0
0
0
CH20H

0

H

OH

0H

H

0
H

0H
H

CH20H
H

H

0

H

H

0H

0

H

CH20H

0

H
0H

H
H

0

H

0H

Hình 2.1.Cấu tạo phân tử cellulose.
Ở mỗi mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl ở vị trí
2,3,6 ( trong đó có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai). Trong quá trình
tạo thành dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức
hydroxyl đóng vai trị quan trọng.
Phân tử cellulose có cấu trúc polymer chia thành 2 vùng: định hình và
vơ định hình. Vùng vơ định hình là vung mà các phân tử cellulose sắp xếp
khơng có trật tự, cấu trúc lỏng lẻo nên khi dùng hóa chất tác động vào thì hóa
chất sẽ vào phần vơ định hình trƣớc. Dƣới tác dụng của hóa chất vào phần vơ
định hình thì mạch cellullose ngắn lại, làm cho kết cấu của phân tử lỏng lẻo

hơn. Còn vùng định hình ( kết tinh ) là vùng mà các phân tử cellulose sắp xếp
trật tự, có cấu trúc bền vững nên hóa chất khó xâm nhập vào.
 Sự tạo thành các hợp chất cộng.
Nguyên nhân của các phản ứng hóa học tạo thành các hợp chất cộng là
do trong thời gian trƣơng, các liên kết hydroxyl giữa các phân tử ở cạnh nhau
bị đứt. Và tại chỗ của các liên kết ấy, các phân tử của tác nhân bị đẩy, và

9


trong cấu tạo xốp rỗng của gỗ các tác nhân có thể tự phân tán tự do và có điều
kiện tác động lên nhóm hydroxyl (OH-) của phân tử cellulose.
 Quá trình trƣơng của cellulose
Cellulose là chất cao phân tử có cực, nhƣ vậy dung mơi gây trƣơng hay
hịa tan cellulose cũng phải là dung mơi có cực. Thực chất quá trình trƣơng
cellulose là quá trình tác nhân gây trƣơng xâm nhập vào, bứt phá các liên kết
cầu hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau. Khi đó làm cho khoảng cách
giữa các cellulose tăng lên, liên kết của chúng ( liên kết vandecvan ) yếu đi,
các phân tử cellulose dễ bị xê dịch và trở lên 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 tƣợng trƣơng của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với cơng
nghệ biến tính gỗ, nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hóa học của gỗ thay
đổi.
Quá trình trƣơng cellulose trong nƣớc là trƣờng hợp điển hình, bản chất

O

OH
H

OH

O
OH

OH
H

O

h

O

H
O

OH

H

H

H

O

H
OH

H

O
OH

O
H
O

O
OH

OH

H

H

H

O

O

O q
OHtrình trƣơng cellulose
O trong nƣớc đƣợc mơ tả nhƣ hình 2.2b.

OH

H
(a)

(b)

Hình 2.2. Quá trình trương nở của cellulose trong nước
(a) Cellulose với liên kết cầu hydro

(b) Sự trương nở của cellulose trong

nước

10


2.1.3.2. Lignin
Sau cellulose, lignin là thành phần thứ hai tạo nên vách tế bào gỗ, vai
trò của lignin đƣợc xem nhƣ chất liên kết, bao bọc giữa các tế bào. Lignin tập
trung vào vùng không gian giữa các tế bào. Cấu tạo hóa học của lignin rất
phức tạp. Cho đến nay cũng chƣa có nha khoa học nào, nghiên cứu nào khẳng
định một cách chắc chắn và chính xác về cấu tạo hóa học của lignin.
 Cấu tạo và tính chất vật lý của lignin
Lignin là một tập hợp các chất hữu cơ có sự biến động lớn về cấu tạo,
thành phần hóa học, do vậy phân tử lƣợng có lignin sự biến động. Dƣới tác
động của nhiệt độ cao, lignin bị mềm hóa. Lignin cũng có tính chất trƣơng và
hịa tan trong những dung mơi thích hợp nhƣ dung dịch kiềm.
Lignin là một cao phân tử gồm các đơn vị phenylpropan. Các nhóm chức
cơ bản trong lignin gồm có metoxyl (OCH3), nhóm hydroxyl (OH). Các đơn
phân tử trong lignin liên kết với nhau bằng liên kết ete và liên kết C-C, tạo ra

cấu trúc mạng phức tạp.
Liên kết C-C rất bền vững đối với xử lý hóa học và là yếu tố cơ bản ngăn
cản sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong những xử lý hydro hóa, phân
giải bằng etanol.
 Khả năng phản ứng hóa học của lignin
Dƣới tác dụng của axit, halogen, kiềm trong điều kiện nhất định thì
lignin bị chuyển hóa có thể tan đƣợc đó là do sự đứt mạch, phân đoạn các
phân tử lignin.
2.1.3.3. Hemicellulse
Cũng nhƣ cellulose, hemicellulose là những chất polysaccharides cấu
tạo nên vách tế bào, nhƣng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hóa
học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao.
Hemicellulose gồm có pentosan (C5H8O4)n và hexesan (C6H10O5)n.
Pentosan có thể dùng dung dịch sút lỗng (nồng độ 4÷5%) trích ly từ gỗ ra.
Các acid vơ cơ làm cho pentosan thủy phân biến thành đƣờng petose.
11


Hexosan gần giống với cellulose, chỗ khác nhau chủ yếu là dễ bị thủy phân
biến thành đƣờng hexose.
Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn acid uronic, đó là acid của
các loại đƣờng. Khi thủy phân, các nhóm cacboxyl của acid dễ bị phân giải
thành CO2. Hemicellulose chứa các nhóm acetyl và metoxyl, các nhóm này
cũng bị phân giải khi thủy phân. Nhƣ vậy, quá trình thủy phân hemicellulose
dẫn tới sự phân giải các hợp tử của hemicllulơse để tạo ra các sản phẩm trung
gian của polysaccharides, các chất này không tan trong nƣớc, làm cho khả
năng hút nƣớc và trƣơng nở của gỗ giảm đi.
2.1.4. Liên kết giữa các thành phần trong gỗ
Nhiều nhà khoa học cho rằng liên kết hóa học giữa các thành phần
trong gỗ là liên kết yếu. Giữa các thành phần tạo nên gỗ luôn có liên kết vật lý

( lực vandecvan ), liên kết này cũng là những liên kết yếu. Liên kết giữa các
sợi gỗ sẽ yếu đi và các sợi gỗ trở lên lỏng lẻo, dễ bị xê dịch lẫn nhau khi liên
kết cầu hydro giữa chúng bị cắt đứt hoặc khoảng cách giữa các phân tử tăng
lên do tác động nào đó. Cơ tính, lý tính của gỗ sẽ thay đổi khi liên kết hoặc
cấu trúc các thành phần trong gỗ thay đổi.
Liên kết giữa lignin và cellulose có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ
học, vật lý của gỗ. Lignin có vai trị nhƣ một chất liên kết các sợi cellulose
trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, vật lý nhất định. Liên kết
lignin và cellulose có ảnh hƣởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nƣớc của gỗ.
Để cải thiện tính chất hút nƣớc và giãn nở của gỗ ta cần có những tác động
vào nhóm hydroxyl, để thay đổi tính chất cơ học ta cần tác động làm tahy đổi
độ polyme, khoảng cách giữa các phân tử.
2.2. Biến tính nén ép gỗ
2.2.1. Phƣơng pháp nén ép gỗ
Đây là phƣơng pháp sử dụng đặc tính xốp rỗng của gỗ để dồn nén gỗ,
làm cho gỗ có mật độ lớn hơn trong một đơn vị thể tích, tức làm tăng khối
lƣợng thể tích của gỗ từ đó sẽ tăng đƣợc một số tính chất cuả vật liệu này.
12


2.2.1.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp nén ép gỗ
Do gỗ là vật liệu xốp, rỗng nên để nâng cao khối lƣợng thể tích tức là
nâng cao mật độ vách tế bào trên một đơn vị thể tích thì cần phải tiến hành
nén ép gỗ. Tuy nhiên, quá trình nén ép đó khơng phá hoại tế bào gỗ và độ đàn
hồi trở lại của gỗ sau khi nén không đáng kể.
2.2.1.2. Mối quan hệ giữa ngoại lực và biến dạng liên quan đến nén ép gỗ
Gỗ là loại vật liệu cao phân tử mang tính chất đàn hồi và lỏng dính, khi
chịu tác dụng của ngoại lực thì sản sinh ra ba loại biến dạng: Biến dạng đàn
hồi tức thời, biến dạng sau đàn hồi và biến dạng vĩnh cửu (biến dạng dẻo)

Biến
dạng
%

εdh
εsdh
εd

Thời gian

Hình 2.3. Quan hệ giữa biến dạng của gỗ với thời gian
Ở điều kiện bình thƣờng thì gỗ có biến dạng dẻo tƣơng đối nhỏ, do vậy
rất hạn chế trong q trình gia cơng chế biến gỗ, đặc biệt là trong quá trình nén
gỗ. Trong trƣờng hợp đó, để nâng cao tinh dẻo hóa của gỗ cần cho chất hóa dẻo
để làm cho lực liên kết giữa các phân tử yếu đi và làm tăng biến dạng dẻo của
gỗ.
a. Sức chịu ép ngang thớ gỗ
Trong một giới hạn nhất định, khi chịu ép ngang thớ thì gỗ có biến
dạng đàn hồi. Trong giới hạn đó, sức hút và sức đẩy gỗ tƣơng hỗ giữa các
mixen cân bằng nhau làm cho khối gỗ vững chắc theo chiều ngang. Gỗ đƣợc
13


cấu tạo từ các tế bào hình ống có ruột rỗng, khi lực bên ngoài vƣợt quá giới
hạn đàn hồi (chủ yếu là ở phía đầu của các tế bào) làm cho các loại tế bào
(trƣớc hết là tế bào mạch gỗ và tế bào mô mềm hoặc quản bào gỗ sớm) bị phá
hoại. Khi vách tế bào bị phá hoại, mẫu gỗ sẽ bị ép dẹt và ngày càng chặt nếu
ngoại lực khô ng ngừng tăng lên làm cho mật độ vách tế bào trên một đơn vị
thể tích tăng, khối lƣợng thể tích tăng lên. Biểu đồ ép ngang thớ gỗ đƣợc thể
hiện trên hình 2.4.

P
C

B
A

Δl

O
Hình 2.4.Biểu đồ ép ngang thớ.
b. Sức chịu ép dọc thớ gỗ

Do đại bộ phận các mixencellulose xếp song song với trục dọc thân
cây, khi gỗ chịu ép dọc thớ , lực tác động đặt lên đầu các mixen, các mixen
này sản sinh ra nội lực chống lại. Khả năng liên kết các mixen bởi lignin và
lớp keo ở màng giữa của các tế bào làm cho các mixen ổn định vị trí khi chịu
lực. Sức hút tƣơng hỗ giữa các phần tử cấu tạo nên gỗ tạo cho nó một khối
vững chắc và chính nó đã tạo ra ứng lực cho gỗ. Do khả năng chịu lực theo
chiều dọc của các mixen rất lớn nên lực ép theo chiều dọc rất cao. Khi trị số
tác dụng của lực còn nhỏ, giữa ứng lực và biến dạng tăng theo tỷ lệ thuận.
Đến lúc màng giữa bị phá hoại làm cho các mixen mất trạng thái ổn định,
biến hình tăng nhanh và ứng lực giảm xuống, gỗ bị phá hoại. Nhƣ vậy, gỗ nén
14


ép theo chiều dọc thớ bị hạn chế về ngoại lực tác dụng, nếu tiếp tục tăng
ngoại lực thì đến một giai đoạn nào đó mẫu sẽ bị phá hủy do vách tế bào bị
sụn vỡ. Biểu đồ ép dọc thớ đƣợc thể hiện trên hình 2.5.
Nhƣ vậy, khi nén ép gỗ vần nén ép theo chiều ngang thớ. Để có thể

tăng khả năng chịu ép ngang của gỗ mà vách tế bào khơng bị phá hủy cần
phải có sự dẻo hóa vách tế bào để cho gỗ có thể chịu đƣợc lực ép ngang đến
mức tối đa, tức là tăng sự biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh cửu của gỗ).

P(N)

Δl

O
Hình 2.5. Biểu đồ ép dọc thớ gỗ
2.2.1.3. Yêu cầu gỗ trƣớc khi nén ép

Gỗ cần đƣợc dẻo hóa trƣớc khi nén ép. Cơ sở của việc hóa dẻo trƣớc
khi nén ép là làm cho kết cấu của vách tế bào lỏng lẻo, liên kết lignin và
cellullose yếu đi và việc nén ép tăng mật độ gỗ sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn.
Để hóa dẻo gỗ ta có thể dùng nhiệt hoặc hóa chất.
 Hóa dẻo bằng nhiệt độ: Dùng nhiệt độ cao (T = 70 – 170oC) phụ thuộc
vào độ ẩm của gỗ. Nếu độ ẩm càng cao thì nhiệt độ càng nhỏ, vì luc này nƣớc
đóng vai trị là chất hóa dẻo. Ở nhiệt độ này thì lignin chuyển sang trạng thái
lỏng dính. Làm cho kết cấu vách tế bào bị lỏng lẻo tạo điều kiện cho việc nén
ép dễ dàng hơn.

15


 Dùng hóa chất: Hóa chất thƣờng dùng để hóa dẻo gỗ thƣờng dùng là
dung dịch NH4OH với nồng độ 10 – 25% hay dùng khí NH3. Khi tẩm hóa
chất này vào trong gỗ thì dung dịch NH4OH sẽ tác động lên lignin làm giảm
hàm lƣợng lignin, tạo hợp chất mới làm cho kết cấu lỏng lẻo.
2.2.1.4. Cơ chế nén ép gỗ

Cơ chế nén ép gỗ đƣợc thể hiện ở 3 điểm dƣới đây:
 Thứ nhất: Vì để nâng cao cƣờng độ và tính chất cơ học của gỗ, dƣới
tiền đề khơng phá hủy vách tế bào mà có thể dùng phƣơng pháp nén ép làm
tăng mật độ nhằm nâng cao mật độ gỗ.
Tính chất vật lý và hóa học chủ yếu của gỗ khơng hồn tồn đƣợc quyết
định bởi loài cây. Dù cho mức độ phức tạp cấu tạo giải phẫu cảu gỗ nhƣ thế
nào mật độ của gỗ với cƣờng độ cơ học vẫn tồn tại một mối tƣơng quan nhất
định.
 Thứ hai: Mật độ nén ép phải đƣợc tiến hành vng góc với chiều vân
thớ, với tất cả các loại gỗ lá kim cũng nhƣ lá rộng đều phải nén ép theo hƣớng
xuyên tâm. Duy chỉ đối với cây lá rộng mạch phân tán thì vừa có thể nén ép
theo chiều xuyên tâm và vừa có thể nén ép theo chiều tiếp tuyến.
Độ dày của vách tế bào qua giải phẫu phân tử gỗ không giống nhau, do
đó mà cƣờng độ của nó cũng có sự sai lệch; thông thƣờng phân tử của vách tế
bào dày ( ví dụ nhƣ quản bào trong lớp gỗ muộn của cây lá kim) có cƣờng độ
cao hơn của phân tử trong vách tế bào mỏng (nhƣ quản bào trong lớp gỗ sớm
của cây gỗ lá kim).
Căn cứ vào giải phẫu phân tử gỗ thi đặc trƣng phân bố trên mặt cắt ngang
có thể khái quát phân các loại gỗ thành hai loại:
(1)- gỗ cây lá kim và lá rộng mạch vịng. Phân tử vách mỏng của nó đều
đƣợc phân bố trên phần gỗ sớm của vịng năm, hình thành một vịng xốp
mềm, phân tử dày hàng năm cũng hình thành vòng tổ chức tƣơng tự - gỗ
muộn

16


(2)- gỗ cây lá rộng mạch phân tán, phân tử vách mỏng cũng nhƣ vách
dày trên mặt cắt ngang phân bố tƣơng đối đều đặn.
 Thứ ba: Gỗ nén ép nhất định phải qua xử lý hấp luộc. Độ ẩm của gỗ

và nhiệt độ có thể xem là tính dẻo trong q trình nén éop gỗ. Tính dẻo tùy
thuộc vào nhiệt độ tăng cao mà tăng theo, còn trong vách tế bào gỗ lƣợng
nƣớc nhất định trong đó ( khơng nên nhỏ hơn 6%) có thể làm giảm bớt hệ số
nội ma sát trong quá trình biến dạng nén ép gỗ. Do đó dƣới trạng thái nhiệt
ẩm tính dẻo của gỗ có thể đƣợc nâng lên, cơng suất nén ép cũng không yêu
cầu lớn, làm giảm đi rất nhiều khả năng phá hoại gỗ. Sau khi nén ép qua sấy
khô và làm nguội gỗ mới trở thành vật liệu mới.
2.2.2. Xử lý hóa dẻo gỗ
2.2.1.1. Mục đích hóa dẻo gỗ
Hóa dẻo gỗ làm tăng khả năng biến dạng dẻo của gỗ, tạo điều kiện để
nén ép hoặc định hình gỗ.
a. Gia cơng thành hình
Gia cơng thành hình của gỗ tiến hành qua 3 cơng đoạn liên tục: mềm
hóa, thành hình và cố định. Sau khi gỗ đƣợc gia nhiệt, nƣớc thấm sâu vào gỗ
đến trạng thái bão hòa, cơ chất đƣợc mềm hóa làm cho tính dẻo của gỗ tăng
lên, cơng việc gia cơng thành hình bắt đầu. Sau đó gỗ trong trạng thái biến
dạng đƣợc tiến hành sấy khô, thu đƣợc biến dạng vĩnh cửu gọi là sấy khô cố
định. Để đạt mục đích này thƣờng dùng phƣơng pháp hấp, luộc, phƣơng pháp
thành hình gia nhiệt Viba trong trạng thái nƣớc bão hịa, phƣơng pháp xử lý
bằng hóa chất. Các phƣơng pháp trên khác với việc thành hình bằng cắt got,
dán, ghép mộng là không làm tổn hại đến gỗ là một phƣơng pháp gia cơng
thành hình mang tính liên tục của cellulose gỗ.
b. Nén tăng mật độ
Để nâng cao modul đàn hồi và độ cứng của gỗ ta sử dụng phƣơng pháp
nén ép làm cho mật độ của gỗ tăng lên. Trong quá trình nén ép, nếu gỗ đang
trong tình trạng dẻo hóa tạm thời thì việc biến đổi làm tăng mật độ đƣợc diễn
17


ra dễ dàng. Trƣớc khi nén làm tăng mật độ, muốn cho gỗ tạm thời ở trạng thái

dẻo, có thể lợi dụng việc xử lý gia nhiệt dƣới trạng thái gỗ có độ ẩm, cũng có
thể sử dụng phƣơng pháp ngâm trong hóa chất.
c. Dẻo hóa
Vùng phi kết tinh của cellulose và hemixenllulose có tính thân nƣớc và các
dung dịch trƣơng nở, có tác dụng làm trƣơng nở gỗ rất lớn. Thành phần nƣớc không
thể thấm sâu vào vùng kết tinh của cellulose, còn với dung dịch trƣơng nở nhƣ
amoniac thì có thể thấm vào. Từ đó dẫn đến sự trƣơng giãn của các mixencellulose.
Lignin là thành phần quan trọng liên quan đến khả năng mềm dẻo hóa gỗ. Sự
hịa tan và trƣơng nở của lignin tăng lên khi mà khả năng kết hợp của cầu OH tăng
lên.
2.2.2. Các phƣơng pháp xử lý hóa mềm gỗ
2.2.2.1. Phƣơng pháp vật lý
Với phƣơng pháp này thì nhiệt độ và độ ẩm là các tính chất làm tăng tính
dẻo của gỗ nén. Tính dẻo của gỗ tăng theo nhiệt độ khi trong vách tế bào gỗ
có lƣợng nƣớc nhất định (khơng thấp hơn 6%), lƣợng nƣớc đó có thể làm
giảm hệ số ma sát trong quá trình hình thành gỗ nén. Vì thế, trong trạng thái
nhiệt ẩm thì tính dẻo tăng, cơng suất cần cho gỗ nén dẻo hóa khơng cần cao
nên giảm tối đa sự phá hoại cấu tạo gỗ. Dựa theo đặc điểm đó ta có những
cách hóa dẻo gỗ sau: hấp, luộc, vi sóng, điện cao tần.
a. Phƣơng pháp hấp, luộc
Dùng nƣớc nóng đun sơi hoặc hơi nƣớc ở nhiệt độ cao để tác dụng vào gỗ
làm tăng tính dẻo cho gỗ. Thời gian xử lý tùy thuộc vào chủng loại gỗ, chiều
dày sản phẩm, nhiệt độ xử lý. Khi xử lý gỗ có chiều dày lớn, để rút ngắn thời
gian xử lý ta có thể nâng cao áp suất hơi nƣớc. Nếu áp suất hơi nƣớc quá lớn
sẽ làm cho bề mặt gỗ có nhiệt độ quá cao, mềm hóa q trình cịn lớp giữa có
nhiệt độ thấp dẫn đến dẻo hóa khơng đồng đều. Ngƣợc lại nếu nhiệt độ xử lý
q thấp thì sự mềm hóa chƣa triệt để.
b. Phƣơng pháp gia nhiệt cao tần
Đem gỗ đặt vào giữa hai bản cực của máy cao tần, nối điện áp cao tần,
18

giữa hai bản cực sẽ xuất hiện dòng cảm ứng cao tần. Dƣới tác dụng này, các
phần tử bên trong gỗ ln ln bị cực hóa, giữa các phần tử với nhau có sự cọ
sát mãnh liệt. Nhƣ vậy, trong từ trƣờng đã có sự biến đổi điện năng thành
nhiệt năng, từ đó làm cho gỗ đƣợc gia nhiệt và mềm hóa. Sự thay đổi điện
trƣờng càng nhanh tức là tần số càng cao, sự cực hóa càng mãnh liệt, thời gian
mềm hóa càng ngắn.

c. Phƣơng pháp gia nhiệt Viba
Đây là công nghệ mới đƣợc mở ra trong những năm 80. Tần số của
Viba nằm trong khoảng 300MHz – 3000GHz, bƣớc sóng dài từ 1 – 1000mm,
nó có năng lực xun thấu vào chất điện mơi, kích hoạt các phân tử trong chất
điện môi phân tử rung động, ma sát sinh nhiệt. Khi dùng Viba 2450MHz
chiếu rọi vào gỗ có độ ẩm bão hịa, bên trong gỗ nhanh chóng phát nhiệt do áp
lực của gỗ nhanh chóng tăng lên, thành phần nƣớc bên trong gỗ thốt ra ngồi
dƣới dạng nƣớc nóng hoặc hơi nƣớc nóng làm cho gỗ mềm hóa.
Phƣơng pháp hóa dẻo bằng vật lý có ƣu điểm là: cơng nghệ đơn giản, giá
thành thấp, gỗ ít biến màu, nhƣng lại có nhƣợc điểm là hiệu quả làm mềm hóa
và dẻo hóa chỉ mang tính tạm thời, khơng có tác dụng lâu dài.
2.2.2.2. Phƣơng pháp xử lý bằng dung dịch hóa học
Phƣơng pháp hóa dẻo bằng hóa chất khắc phục những nhƣợc điểm của
phƣơng pháp hóa dẻo bằng vật lý, gỗ đƣợc mềm hóa triệt để làm cho gỗ ổn
định đƣợc tính dẻo lâu hơn, thời gian xử lý nhanh hơn. Khi sử dụng các dung
dịch hóa học khác nhau để xử lý gỗ thì cơ chế hóa mềm gỗ cũng có sự khác
nhau.
a. Nguyên lý hóa dẻo bằng hóa chất
Bản chất của q trình hóa dẻo gỗ bằng hóa chất: Khi đƣa hóa chất vào
trong gỗ, tại đó xảy ra tƣơng tác giữa tác nhân sử dụng với cellulose và lignin

19


theo nguyên tắc cộng hoặc trùng hợp, tạo ra sự biến đổi cấu trúc của các cấu
tử trong gỗ:
 Liên kết giữa các cấu tử trong gỗ bị yếu đi.
 Bản thân các cấu tử bị hạ bậc ( thay đổi tính họat của nhóm OH trong
gỗ) ở mức độ nhất định trên cơ sở bảo toàn sợi cellulose.
b. Đặc điểm của phƣơng pháp xử lý hóa dẻo bằng hóa chất
Gỗ đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp này đƣợc mềm hóa triệt để, khơng bị
hạn chế bởi lồi cây. Các dung dịch hóa chất thƣờng dùng trong q trình xử
lý: PMMA, VA, Urea, Amoniac…trong đó xử dụng thơng dụng nhất là
Amoniac, có thể xử dụng amoniac dạng khí hoặc amoniac dạng lỏng.
Năm 1955 Stam là ngƣời đầu tiên đề xuất dùng Amoniac để hóa mềm gỗ. Ƣu
điểm của phƣơng pháp này so với phƣơng pháp hấp luộc nhƣ sau:
 Hầu nhƣ tất cả các loài cây lá rộng qua xử lý hóa mềm đều có thể hóa
mềm triệt để.
 Khi hình thành chỉ tổn hao lực phụ trợ nhỏ, thời gian ngắn, tỷ lệ phế
phẩm ít.
 Sản phẩm sau khi đã định hình có xu thế phục hồi ngun dạng bé
nhƣng mùi khó chịu mạnh, tính kích thích cao, do vậy khi tiến hành sản xuất
nhất thiết phải tiến hành trong mơi trƣờng kín. Amoniac đều có thể phát sinh
tác dụng mạnh mẽ đối với cellulose, hemcellulose và lignin. Amoniac là
trƣơng nở của cellulose vì amoniac có thể thấm sâu vào vùng kết tinh mà hình
thành amoniac hóa cellulose. Do vậy amoniac là một chất trƣơng nở rất mạnh
với cellulose; amoniac có thể làm các phân tử trong hemicellulose tái định
hƣớng. Amoniac cũng làm chất mềm hóa rất tốt với lignin, trong q trình
dẻo hóa, các phân tử lignin phát sinh chuyển vị, đồng thời xuất hiện trạng thái
dẻo hóa.
2.2.3. Cơ chế hóa dẻo gỗ

2.2.3.1. Các chuyển hóa trong gỗ

20


a. Chuyển hóa tinh thể của lignin: Chuyển biến là hiện tƣợng phổ biến của
các vật liệu cao phân tử khơng định hình. Vì khơng có khả năng tạo thành
tồn bộ các hợp chất cao phân tử kết tinh nên khơng thể hình thành đƣợc kết
tinh 100%, do đó ln tồn tại vùng phi kết tinh. Khi các chất liệu cao phân tử
phát sinh chuyển hóa thủy tinh các tính chất vật lý, cơ học, đặc biệt là tính
chất cơ học có sự thay đổi mạnh mẽ. Trong khu vực nhiệt độ chuyển hóa chỉ
cần thay đổi nhiệt độ khoảng vài độ thì modul đàn hồi đã thay đổi 3 – 4 cấp.
Lúc này gỗ từ vật rắn có độ cứng tƣơng đối cao đột nhiên trở thành vật liệu
đàn hồi dẻo, hồn tồn thay đổi tính năng vốn có của vật liệu. Vì thế chuyển
biến thủy tinh là một tính chất vơ cùng quan trọng của vật liệu cao phân tử.
Chuyển hóa thủy tinh của vật liệu cao phân tử là sự chuyển biến giữa
trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi cao. Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh
(Tg) là một chỉ tiêu quan trọng để biểu thị chuyển hóa thủy tinh.
 Khi nhiệt độ gỗ (T) nằm trong khoảng nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh và
nhiệt độ lỏng dính (Tf) (T (Tg và Tf) thì gỗ đang trong trạng thái đàn hồi cao
 Khi nhiệt độ gỗ T lớn hơn nhiệt độ chuyển hóa lỏng dính T f thì gỗ ở
trạng thái lỏng dính làm cho các các cao phân tử giống nhƣ chất lỏng dính sản
sinh chuyển động của chất lỏng dính.
 Khi nhiệt độ gỗ T nhỏ hơn nhiệt độ thủy tinh hóa Tf thì năng lƣợng của
phân tử rất thấp, những chuyển động của các mắt xích bị đơng cứng và ta
khơng đo đƣợc các chuyển động của các đoạn mạch biểu thị biến dạng. Vì
thế, trên quan điểm vi mơ biến dạng của các cao phân tử trạng thái thủy tinh
là rất nhỏ. Khi nhiệt độ tăng cao thì năng lƣợng chuyển động nhiệt và thể tích
tự do của các cao phân tử tăng dần. Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ thủy tinh
hóa thì chuyển động của các mắt xích phân tử bắt đầu bị kích phát, lúc này

hình thành khu vực chuyển hóa thủy tinh của trạng thái động lực học chất cao
phân tử vơ định hình (lignin).
Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, lignin có đặc tính chuyển hóa thủy
tinh của chất cao phân tử vơ định hình. Khi gia nhiệt cho lignin đạt đến nhiệt
21


độ chuyển hóa thủy tinh thể Tg, lignin nhanh chóng dẻo hóa. Các yếu tố làm
ảnh hƣởng đến nhiệt độ dẻo hóa của lignin là nguồn gốc, phƣơng pháp phân li
phân tử lƣợng, độ ẩm của lignin. Nếu độ ẩm của lignin thấp thì nhiệt độ
chuyển hóa thủy tinh cao và ngƣợc lai.

Biến
dạng

Tg

Tf

Nhiệt độ

Hình2.6 Quan hệ giữa nhiệt độ chuyển hóa và biến dạng gỗ
Cơ chế cũng nhƣ q trình chuyển hóa thủy tinh thể của lignin rất quan
trọng trong cơng nghệ biến tính gỗ bằng phƣơng pháp nén ép, gia nhiệt trực
tiếp. Trong quá trình ép tạo chiều dày ván, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ
chuyển hóa thủy tinh thể nhờ vào tác dụng dẻo nhiệt của tinh của tinh thể
lignin có thể nhanh chóng tạo đƣợc chiều dày ván với áp lực nhỏ.


Chuyển hóa thủy tinh thể của vách tế bào: Các thành phần của gỗ có

thể dẻo hóa bao gồm: cellulose, vùng khơng kết tinh của cellulose và
hemicellulose có tác dụng thân hợp rất mạnh với tính trƣơng nở của gỗ. Nƣớc
khơng thể chui vào vùng kết tinh của cellulose nhƣng dung dịch amoniac thì
có thể chui vào đƣợc. Từ đó làm cho bên trong của các mixenncellulose
trƣơng nở. Chính điều đó ta có thể thấy chỉ có thể dẻo hóa các thành phần của
vách tế bào bằng hóa chất cịn nhiệt độ thì ít tác dụng. Ta thấy lignin là một
thành phần hết sức quan trọng liên quan đến khả năng dẻo hóa của gỗ.
b. Các biến dạng trong gỗ

22


Gỗ là loại vật liệu mang đồng thời hai tính chất: rắn đàn hồi và lỏng
dính. Gỗ thuộc loại vật liệu cao phân tử, khi chịu ngoại lực tác dụng thì đồng
thời sản sinh ra 3 loại biến dạng: Biến dạng đàn hồi tức thời, biến dạng sau
đàn hồi, biến dạng dẻo.
Nhƣ chúng ta đã biết, gỗ đƣợc cấu tạo nên bởi vô số các tế bào, vách tế
bào chủ yếu đƣợc cấu tạo nên bởi 2 thành phần chính là cellulose và lignin.
Cellulose có cấu trúc định hình (micro fiber) làm thành sƣờn vững chắc nhƣ
cốt sắt. Đây chính là thành phần chính sản sinh ra nội lực của gỗ. Lignin là
chất keo có cấu trúc vơ định hình tựa nhƣ xi măng bám quanh sƣờn sắt
cellulose để tạo ra khối bê tơng chính là vách tế bào. Do cấu trúc nhƣ vậy,
lignin chỉ là thành phần thứ yếu sản sinh ra nội lực.
Biến dạng đàn hồi có đƣợc là do cellulose đã sản sinh ra nội lực. Cả ba
thành phần trong gỗ là cellulose, hemicellulose và lignin sinh ra biến dạng
dẻo ( biến dạng vĩnh cửu) biểu thị độ dẻo của gỗ.
 Biến dạng đàn hồi tức thời
Khi chịu tác động của ngoại lực, biến dạng sản sinh tƣơng ứng với tốc
độ tăng tải trọng gọi là biến dạng đàn hồi tức thời, biến dạng này tuân theo

định luật Hooke. Khi tải trọng kết thúc thì gỗ lập tức tạo nên biến dạng đàn
hồi giàm dần theo thời gian gọi là biến dạng đàn hồi dẻo ( biến dạng sau đàn
hồi). Nó do các mắt xích phân tử cellulose bị uốn cong hay bị kéo dãn tạo
thành, loại biến dạng này cũng tỷ lệ nghịch so với biến dạng đàn hồi thì nó có
tính trễ thời gian. Chuỗi phân tử cellulose bị trƣợt lên nhau khi chịu ngoại lực
tác dụng, biến dạng này đƣợc gọi là biến dạng dẻo, đây là biến dạng có tính
thuận nghịch.

23


Biến
dạng
C1
C1
C2

C2

D

C3
to

t1
to

t2
t1

Thời gian
t2

Thời gian

Hình 2.7. Sự biến dạng của gỗ theo thời gian dưới tác dụng của ngoại lực
 Biến dạng dẻo của gỗ
Biến dạng dẻo của gỗ tƣơng đối nhỏ, vì vậy có hạn chế nhất định trong
khi gia cơng. Gỗ là vật liệu cao phân tử, tính dẻo của nó là kết quả của biến dạng
và sự dịch chuyển tƣơng đối giữa các cao phân tử dƣới tác dụng của ngoại lực. Ở
nhiệt độ thƣờng, để nâng cao tính dẻo của gỗ phải cho thêm hóa chất làm cho nội
lực liên kết giữa các phân tử yếu đi. Ngoài ra, thơng qua tác dụng của nhiệt độ,
nó làm cho các chất nền (cellulose, lignin) của gỗ dẻo hóa, quá trình đó cũng có
thể nâng cao tính dẻo của gỗ. Tính chất này gọi là tính dẻo của gỗ.
Lignin là một chất có tính nhiệt dẻo, vì nó là chất khơng định hình cho
nên điểm nóng chảy khơng cố định. Lồi cây khác nhau, nhiệt độ nóng chảy
và hóa dẻo của nó cũng khác nhau. Nhiệt độ nóng chảy của lignin có quan hệ
mật thiết với độ ẩm. Điểm nhiệt dẻo (hóa dẻo) của nó ở trạng thái khơ kiệt là
127 – 193oC cịn ở trạng thái ẩm ƣớt thì giảm xuống rõ rệt khoảng 77 –
128oC.
Hemicellulose do hút nƣớc nên điểm hóa dẻo của nó cũng giảm xuống tƣơng
tự nhƣ lignin. Chất giữ vai trò cốt lõi của gỗ là cellulose thì điểm hóa dẻo lớn
hơn 232oC vùng kết tinh của nó khơng chịu ảnh hƣởng của nƣớc chuyển hóa
trạng thái thủy tinh của cellulose giảm theo mức độ tăng của độ ẩm.
24


Đối với gỗ ở trạng thái bão hòa nƣớc, theo Hilis ở nhiệt độ 70 – 80oC
và ở 80 – 100oC hình thành 2 khu vực dẻo nhiệt độ liên tục. Ngƣời ta cho rằng
khoảng 70 – 80oC là điểm chuyển hóa thủy tinh của hemicellulose, 80 –

100oC là của lignin, gỗ ở trạng thái ẩm ƣớt khi gia nhiệt có tính dẻo nhiệt rõ
rệt.
Nhƣ vậy khả năng biến dạng dẻo của gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm của gỗ
và hóa chất. Do đó, để tăng độ dẻo của gỗ trong q trình gia cơng chế biến
ngƣời ta tác động vào lignin và hemicellulose bằng các phƣơng pháp nhƣ: xử
lý nhiệt ẩm, dùng hóa chất.

2.2.3.2. Cơ chế hóa dẻo bằng dung dịch NH4OH
Đây là loại hóa chất thơng dụng nhất đƣợc dùng để hóa dẻo gỗ. Dƣới
tác dụng của dung dịch NH4OH với gỗ xảy ra quá trình trao đổi hóa học trong
vách tế bào, kết quả là độ dẻo của gỗ tăng lên. Q trình hóa học chủ yếu xảy
ra là sự đứt các mối liên kết của các phân tử có ở trong gỗ bởi sự tẩy rửa trong
mơi trƣờng kiềm. Xảy ra q trình khử axyl hemicellulose với sự tạo thành
axetatamoni, một phần hemicellulose và lignin sẽ chuyển sang dạng dung
dịch. Tuy nhiên, khối lƣợng tiêu hao của gỗ là do sự tạo ra các nhóm axyl.
Khối lƣợng tiêu hao của gỗ khi tẩm NH4OH không vƣợt quá 6 – 10%.
Cơ chế tác dụng của chất lỏng NH4OH lên gỗ khi khơng có nƣớc sẽ
hồn toàn khác với cơ chế tác dụng của dung dịch nƣớc NH4OH đối với gỗ.
Q trình hóa dẻo của gỗ chủ yếu là do các quá trình vật lý: các phân tử
NH4OH thấm vào giữa các phân tử của vách tế bào, thậm chí vào vùng kết
tinh của cellulose làm phá hủy các liên kết hydro, sau khi loại bỏ chất lỏng
amoniac sẽ tạo ra các liên kết hydro mới.
Khi hóa dẻo gỗ bằng dung dịch NH4OH hoặc chất khí NH3 với sự tham gia
của nƣớc sẽ xảy ra sự thay đổi về cấu trúc vách tế bào. Trong giai đoạn đầu tiên,
dƣới tác dụng của NH4OH lên gỗ, độ trƣơng nở của vách tế bào gỗ cùng với sự
25