Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tính ổn định kích thước của gỗ keo lai biến tính bằng nano tio2

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác. Các số liệu trích dẫn trong q trình nghiên
cứu đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2014
Tác giả

Nguyễn Hữu Tú


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Lâm nghiệp
theo chƣơng trình đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật máy, thiết bị và cơng
nghệ gỗ, giấy khố 2011-2013, tơi đã nhận đƣợc sự quan tâm, giúp đỡ của
nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp hồn thành luận văn, tơi xin bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Mạnh Tƣờng đã tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn tơi
trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu nhà trƣờng, các thầy, cơ
giáo và cán bộ Phịng Đào tạo sau đại học, Khoa Chế biến lâm sản, Trung tâm
thực nghiệm và chuyển giao cơng nghệ cơng nghiệp rừng, Trung tâm thí
nghiệm-thực hành khoa Chế biến lâm sản, Thƣ viện Trƣờng Đại học Lâm
Nghiệp đã tận tình giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã luôn dành sự động viên, giúp đỡ tơi hồn thành tốt bản luận
văn này.
Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Hữu Tú


iii

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ...................................................................................................... i
Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii
Mục lục............................................................................................................. iii
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................. v
Danh mục các bảng .......................................................................................... vi
Danh mục các hình .......................................................................................... vii
ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................... 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. 2
1.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc .......................................................... 2
1.1.1. Các nghiên cứu về xử lý ổn định kích thƣớc .................................. 2
1.1.2. Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano ........................ 8
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc......................................................... 10
1.2.1. Các nghiên cứu về ổn định kích thƣớc ......................................... 10
1.2.2. Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano ...................... 12
..................................................................... 14
2.1. Thành phần hóa học của gỗ.................................................................. 14
2.1.1. Xenlulo .......................................................................................... 14
2.1.2. Hemixenlulo .................................................................................. 22
2.1.3. Lignin ............................................................................................ 24
2.2. Công nghệ và vật liệu nano .................................................................. 24

2.2. Đặc điểm của một số hạt nano thƣờng dùng........................................ 26
2.3. Đặc điểm của hạt Nano TiO2 ............................................................... 27
2.3.1. Tính chất vật lý ............................................................................. 27
2.3.2. Tính chất hóa học .......................................................................... 28


iv

2.3.3. Đặc điểm của hạt TiO2 .................................................................. 29
2.4. Phƣơng pháp đƣa vật liệu Nano vào trong gỗ ..................................... 30
2.4.1. Phƣơng pháp sol-gel ..................................................................... 32
2.4.2. Phƣơng pháp phân tán trực tiếp hạt Nano..................................... 35
2.4. Ảnh hƣởng của hạt nano tới tính chất của gỗ ...................................... 35
Chƣơng 3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................................................... 37
3.1. Mục tiêu ............................................................................................... 37
3.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu........................................................ 37
3.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................... 37
3.2.2. Phạm vi nghiên cứu....................................................................... 37
............................................................................ 38
3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu...................................................................... 38
3.4.1. Phƣơng pháp lý thuyết .................................................................. 38
3.4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ............................................................ 38
3.4.3. Phƣơng pháp xử lý số liệu ............................................................ 43
3.5. Ý nghĩa của luận văn ............................................................................ 43
3.5.1. Ý nghĩa khoa học .......................................................................... 43
3.5.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................... 43
Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................ 44
4.1. Sự phân bố của TiO2 trong gỗ sau khi biến tính .................................. 44
4.2. Hệ số chống trƣơng nở ......................................................................... 48

4.3. Hiệu suất chống hút nƣớc của gỗ ......................................................... 51
4.4. Hiệu quả cách ẩm ................................................................................. 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên gọi

Đơn vị

TT

Ký hiệu

1



2

ASE

Hệ số chống trƣơng nở

%

3

MEE

Hiệu suất chống hút ẩm

%

4

mo

Khối lƣợng mẫu khô kiệt

g

5

ms

Khối lƣợng mẫu sau khi ngâm

g

6

SDS

Sodium Dodecyl Sulphate

g

7

T

Nhiệt độ

o

8

t

Thời gian

giờ

9

T1

Hút nƣớc trung bình của mẫu đối chứng

%

10

T2

Hút nƣớc trung bình của mẫu xử lý

%

11

TBOT

Titanium (IV) Butoxide

ml

12

WRE

Hiệu suất chống hút nƣớc

%

Khối lƣợng thể tích

g/cm3

C


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

2.1

Một số loại vật liệu nano và các lĩnh vực sử dụng

26

2.2

Thông số vật lý của Anatase và Rutile.

28

3.1

Các chế độ xử lý

41

4.1

Hệ số chống trƣơng nở theo thời gian ngâm

49

4.2

Hiệu suất chống hút nƣớc của mẫu gỗ theo thời gian ngâm

52

4.3

Hệ số cách ẩm của mẫu gỗ biến tính

54


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
TT
2.1

Tên hình
Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ

2.2

Trang
14
16

2.3

Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ

17

2.4

Mô hình mặt cắt vách tế bào gỗ

31

2.5

Một số phƣơng pháp đƣa vật liệu nano vào gỗ

32

2.6

Các nhóm sản phẩm của phƣơng pháp Sol – Gel.

33

2.7

Quá trình thủy phân

34

2.8

Quá trình ngƣng tụ

35

2.9

Hiệu ứng lá sen và cơ chế tự làm sạch

36

4.1

Mẫu gỗ đối chứng (mặt cắt tiếp tuyến)

44

4.2

Mẫu xử lý 5ml TBOT (độ phóng đại 1000 lần)

45

4.3

Mẫu xử lý (10 ml TBOT) (độ phóng đại 500 lần)

45

4.4

Mẫu xử lý 15ml TBOT (độ phóng đại 500 lần)

46

4.5

Mẫu gỗ xử lý (pH = 3) (độ phóng đại 50.000 lần)

46

4.6

Mẫu xử lý (pH = 6,5) (độ phóng đại 100.000 lần)

47

4.7

Mẫu xử lý (pH = 9,5) (độ phóng đại 10.000 lần)

47

4.8

Phổ EDX của mẫu gỗ xử lý

48

4.9

Hệ số chống trƣơng nở (%) của các chế độ có pH của dung dịch

SDS là 3 theo thời gian.

4.10

Hệ số chống trƣơng nở (%) của các chế độ biến tính có pH của dung
dịch SDS là 6,5 theo thời gian

4.11

52

Hệ số chống hút nƣớc (%) của các chế độ biến tính có pH của dung
dịch SDS là 6,5 theo thời gian

4.14

51

Hệ số chống hút nƣớc (%) của các chế độ biến tính có pH của dung
dịch SDS là 3 theo thời gian

4.13

50

Hệ số chống trƣơng nở (%) của các chế độ biến tính có pH của dung
dịch SDS là 9,5 theo thời gian

4.12

50

53

Hệ số chống hút nƣớc (%) của các chế độ biến tính có pH của dung
dịch SDS là 9,5 theo thời gian

53


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Gỗ là loại vật liệu hữu cơ tự nhiên có những tính chất ƣu việt mà các
loại vật liệu khác khơng có đƣợc, vì thế nó đã và đang đƣợc con ngƣời ƣa
chuộng và sử dụng rất rộng rãi trong đời sống.
Keo lai là một loại gỗ mọc nhanh rừng trồng hiện nay đang đƣợc sử
dụng rất nhiều các nhà máy chế biến gỗ. Tuy nhiên, do sinh trƣởng nhanh,
nên gỗ Keo lai tồn tại rất nhiều nhƣợc điểm vốn có của gỗ mọc nhanh rừng
trồng, nhƣ: tỉ lệ gỗ tuổi non cao, độ co rút lớn, dễ biến dạng khi độ ẩm môi
trƣờng sử dụng thay đổi,… Các nhƣợc điểm này đã làm hạn chế khả năng sử
dụng, làm giảm hiệu quả sử dụng nó.
Đã có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng gỗ Keo lai nhƣ đƣa
một hoặc một số hóa chất vào gỗ hoặc dùng các tác nhân vật lý nhƣ nhiệt độ
cao hoặc sóng siêu âm,… để xử lý nhằm cải tiến một hoặc một số tính chất
nhất định của gỗ. Các nghiên cứu cũng đã đạt đƣợc những kết quả nhất định.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, cơng nghệ nano
với mục đích tạo ra các loại vật liệu có kích thƣớc siêu nhỏ (khoảng 10-100
nm) đã đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ: xử lý ô nhiễm
môi trƣờng, tạo vật liệu mới, tạo pin năng lƣợng mặt trời,.... Những năm gần

đây, trong lĩnh vực công nghệ gỗ cũng đã bắt đầu áp dụng các loại vật liệu
này để xử lý gỗ và vật liệu gỗ. Một trong những phƣơng pháp đƣa vật liệu
nano vào gỗ đó là phƣơng pháp sol-gel. Với phƣơng pháp này, vật liệu nano
có thể đƣợc trực tiếp tạo ra trong vách tế bào gỗ hoặc trên bề mặt tế bào gỗ.
Đề tài “Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tính ổn định kích
thước của gỗ Keo lai biến tính bằng nano TiO2” sẽ áp dụng phƣơng pháp
sol-gel để đƣa hạt TiO2 vào gỗ Keo lai, đồng thời sẽ phân tích ảnh hƣởng của
các thơng số cơng nghệ chủ yếu tính ổn định kích thƣớc của gỗ Keo lai.


2

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
1.1.1. Các nghiên cứu về xử lý ổn định kích thước
Một trong những nhƣợc điểm lớn của gỗ là tính co rút và dãn nở, đó là
ngun nhân gây ra nhiều loại hình khuyết tật gỗ. Để khắc phục nhƣợc điểm
này, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều giải pháp xử lý. Biến tính gỗ là một
trong những giải pháp có thể nâng cao đƣợc tính ổn định kích thƣớc của gỗ.
Các cơng trình nghiên cứu biến tính gỗ đã đƣợc thực hiện từ khá lâu.
Sản phẩm gỗ biến tính có nhiều tính chất đƣợc cải thiện so với gỗ chƣa xử lý.
Biến tính gỗ với Melamine Formaldehyde có thể nâng cao khả năng
chịu nƣớc, chịu ẩm và tính ổn định kích thƣớc, cƣờng độ cơ học của gỗ cũng
đƣợc cải thiện đáng kể. Gỗ Sugi biến tính với dung dịch Melamine
Formaldehyde có khối lƣợng phân tử thấp, với hàm lƣợng rắn 25% đã đạt đến độ
trƣơng nở vách tế bào (BE) 5% và độ ổn định kích thƣớc (ASE) 42%, những trị
số này khơng bị giảm qua các chu kỳ sấy khô, ngâm nƣớc của mẫu gỗ biến tính;
đồng thời cƣờng độ uốn tĩnh (MOR) và mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) của gỗ
biến tính cũng tăng lần lƣợt 18% và 10% so với gỗ đối chứng [15].

Ngồi ra, gỗ biến tính với Melamine Formaldehyde có khả năng làm
giảm sự phá huỷ bởi các loại nấm mục và nấm biến màu, cũng nhƣ tăng khả
năng chống chịu các điều kiện môi trƣờng [16]. Gỗ European larch đƣợc tẩm
với dung dịch Melamine Formaldehyde có hàm lƣợng khô thấp (7,5%) cũng
thu đƣợc hiệu quả chống nấm mục nâu và nấm mục trắng đáng kể [17].
Biến tính gỗ bằng phƣơng pháp Axetyl hoá, Axetyl hoá là quá trình gỗ
chịu tác động của dung dịch Anhydrit Axetic, khi đó phần lớn các nhóm
hydroxyl (-OH) của các thành phần tạo nên vách tế bào (Xenlulo,


3

Hemixelulo, Lignin) đƣợc thay thế bởi nhóm Axetyl có tính kỵ nƣớc
(Hydrophobic) CH3COO- [3].
Tại Thụy Điển đã tiến hành nghiên cứu thành cơng cơng nghệ Axetyl
hố sợi gỗ để sản xuất ván sợi có tính chống ẩm và nấm mốc. Năng suất
khoảng 4000 tấn sợi gỗ đƣợc Axetyl hoá trong một năm. Đây là kết quả
nghiên cứu của nhiều viện nghiên cứu, trƣờng Đại học nghiên cứu về biến
tính gỗ: Chalmers University ở Goteborg, Sweden và USA, Phịng thí nghiệm
Lâm sản ở Madison, Wisconsin (Rowell và cộng sự, 1986) hợp tác với British
Petroleum ở Hull, UK [9].
Stamm, Seborg (1955) và Stamm (1964) đã thành công khi cho thực
hiện phản ứng giữa nhóm Hydroxyl với Anydric axetic và Pyridin ở dạng khí.
Pyridin hoạt động nhƣ một chất gây trƣơng nở tế bào và là chất xúc tác cho
phản ứng tạo este. Hệ số chống dãn nở có thể đạt đến 80% với độ Axetyl hoá
khoảng 25%. Tarkow (1950) và Goldstein (1961) đã tiến hành q trình
Axetyl hố ở dạng khí và dung dịch lỏng cho gỗ xẻ từ gỗ Vân sam có kích
thƣớc 5 x12 x120 cm trong thời gian từ 8-16 h, mức độ axetyl hoá đạt 20-22%
và hệ số chống dãn nở đạt đến 80% [9].
M. V. Grinberg, D. V. Okonov (Látvia) đã nghiên cứu ổn định kích

thƣớc gỗ Bạch dƣơng bằng Anhyđrit axetic kết hợp với xử lý nhiệt. Kết quả
cho thấy độ dãn dài của gỗ Bạch dƣơng sau khi đƣợc xử lý ở nhiệt độ 170oC
trong 6 giờ và Axetyl hoá trong 6 giờ giảm 3,3 lần so với gỗ khơng xử lý [9].
Biến tính gỗ bằng phƣơng pháp xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao có thể làm
giảm đáng kể tính hút ẩm của gỗ, ngun nhân chính là có sự thuỷ phân phần
ƣa nƣớc nhất của gỗ -- Hemixelulo, làm giảm số lƣợng nhóm -OH có trong gỗ
dẫn đến tính hút ẩm của gỗ giảm. Theo F. Kolmal và A. Sneider tính hút ẩm
của gỗ giảm đi khi nhiệt độ làm nóng gỗ 70oC và lớn hơn. Hiệu quả ổn định
lớn nhất khi làm nóng gỗ ở 180oC và cao hơn trong 24 giờ. Tính hút ẩm của


4

gỗ đƣợc xử lý nhiệt có thể giảm 2 lần. Phƣơng pháp này chỉ áp dụng với mẫu
gỗ mỏng, với gỗ có chiều dày lớn nó ít đƣợc áp dụng do tác động của nhiệt độ
cao trong thời gian dài làm giảm cƣờng độ cơ học của gỗ. Trong công nghệ
chế biến gỗ xử lý nhiệt đƣợc áp dụng cho sản xuất ván dăm, ván sợi chịu
nƣớc. Hiện nay, xu hƣớng này cũng đang đƣợc phát triển mạnh ở châu Âu,
đặc biệt là ở Phần Lan, Pháp [9], [19].
Burmester và một số tác giả phát hiện: nguyên nhân chủ yếu nâng cao
tính ổn định kích thƣớc của gỗ You là sau khi gia nhiệt hàm lƣợng
Hemixelulo giảm xuống do xảy ra phản ứng thuỷ phân. Với các loại gỗ khác
qua gia nhiệt xử lý thì hàm lƣợng Hemixelulo trong gỗ giảm xuống, tính hút
ẩm và trƣơng nở so với gỗ You càng thấp [4].
Chow ngƣời Trung Quốc đã đem xử lý nhiệt ván mỏng gỗ Bạch vân sam
trong môi trƣờng khơng khí, khi bề mặt có sự thay đổi màu sắc đồng thời phát
hiện số lƣợng gốc -OH giảm đi, Xenlulo phát sinh phân giải, độ kết tinh giảm.
Theo Hiroshi Jnno (1993), kết quả sự tăng nhiệt độ sấy gỗ làm giảm
tính hút nƣớc của các Polysacharide, độ ổn định kích thƣớc của gỗ tăng lên,
song ở mức độ cao của sự hạ bậc, phân đoạn các cấu tử trong gỗ sẽ làm giảm

cƣờng độ gỗ, tính chống thấm, chống nƣớc tăng lên, màu sắc gỗ trở nên tối
hơn, tuy nhiên, nếu sự hạ bậc, phân đoạn các cấu tử gỗ là nhỏ và sự tạo thành
cấu trúc liên kết là trội hơn thì cơ tính của gỗ sẽ tăng lên [4].
Kết quả nghiên cứu của Hiroshi Jnno (1993), Misatonrimoto và
Joeseph Gril cho thấy xử lý gỗ ở 180oC từ 3 giờ đến 10 giờ với áp suất thƣờng
làm cho cƣờng độ, và đặc biệt là mô đun đàn hồi của gỗ tăng nhẹ.
Theo kết quả nghiên cứu của Sergeeva và Miliutina (1960) cho thấy:
Khi xử lý nhiệt 200 - 260oC cho sợi Xenlulo - Lignin thì độ trƣơng nở và hút
nƣớc của sợi giảm đi nhiều do sự biến đổi của Lignin và mối liên kết Lignin Xenlulo (các phân tử Lignin sẽ bị kết tụ lại dƣới tác động của nhiệt độ), đồng


5

thời khi ở nhiệt độ đó làm thành thứ cấp của tế bào bị phân đoạn nhiều, đó là
nguyên nhân làm giảm cƣờng độ gỗ.
Theo P.I. issinscôva, dƣới tác động của nhiệt độ cao trên 150oC thì
thành phần Pentose bị phân huỷ, nhiệt độ càng cao thì sự phân huỷ càng mạnh
và nhƣ vậy cƣờng độ cơ học của gỗ càng giảm nhiều, dƣới tác động của nhiệt
độ cao còn xảy ra hiện tƣợng Lignoxenlulo, nhóm Hydroxyl trở nên kém linh
động và ái lực của nó với nƣớc yếu đi làm cho tính hút nƣớc của gỗ giảm đi.
Kamdem và cộng sự (2002), xử lý nhiệt tăng khả năng chống vi sinh
vật của gỗ. Kamdem et al. cho rằng, việc xử lý nhiệt của gỗ giảm cƣờng độ
uốn tĩnh (MOR) khoảng 10 - 50%. Nghiên cứu chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng
và thời gian xử lý dài thì cƣờng độ uốn tĩnh gỗ Sồi giảm xuống.
Militz (2002), xử lý nhiệt cho gỗ nhằm nâng cao các tính chất khác
nhau của nó, chẳng hạn nhƣ chống thấm nƣớc, ổn định kích thƣớc, hệ số
chống trƣơng nở (ASE), chống tia UV.
Yildiz et al (2002), nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hệ số chống
trƣơng nở (ASE) của gỗ Sồi. Chế độ xử lý ở nhiệt độ 180oC với các mức thời
gian là 2, 4 và 10 giờ sau đó thực hiện chu kỳ ngâm sấy. Kết quả thu đƣợc hệ

số ASE đạt khoảng 47,64%...
Behbood Mohebby và Ibrahim Sanaei (2005), nghiên cứu ảnh hƣởng
của xử lý thuỷ - nhiệt đến tính chất vật lý của gỗ Sồi (Fagus orientalis). Mẫu
gỗ (20x20x20mm) đƣợc đặt trong một khoang thép không rỉ, chứa đầy nƣớc.
Mẫu đƣợc xử lý ở nhiệt độ 160oC, 180 oC và 200 oC trong 4, 5 và 6 giờ. Mẫu
gỗ đã xử lý đƣợc ngâm trong nƣớc 24 giờ, sau đó sấy khơ, chu kỳ ngâm/sấy
đƣợc lặp đi lặp lại 7 lần. Kết quả cho thấy ASE, WRE tăng và khối lƣợng thể
tích bị giảm nhẹ [18].
P.Rezayati Charani và cộng sự (2007) “Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế
độ xử lý thuỷ nhiệt đến sự ổn định kích thƣớc của gỗ sồi”. Mẫu gỗ đƣợc xử lý


6

ở nhiệt độ khác nhau (150 oC, 160 oC, 170 oC) và thời gian khác nhau (1 giờ, 3
giờ, 5 giờ và 7 giờ) trong lị. Sau đó thực hiện chu kỳ ngâm/ sấy mẫu 8 lần. Kết
quả hệ số chống trƣơng nở tăng và khối lƣợng thể tích giảm khi tăng nhiệt độ
và thời gian xử lý, ASE cao nhất là 47,43% thu đƣợc ở nhiệt độ 170 oC thời
gian 1 giờ, nhƣng xử lý ở nhiệt độ 170 oC, ASE có xu hƣớng giảm khi thời gian
xử lý tăng. Hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) của mẫu gỗ đƣợc xử lý ở 160 oC,
170 oC cao hơn nhiều so với 150 oC trong thời gian 1 giờ. Trong thời gian 3
giờ, 5 giờ, giá trị WRE ở 150 oC lớn hơn 160 oC và 170 oC. Ở 150 oC, 160 oC ,
170 oC trong thời gian 1 giờ thì giá trị WRE gần bằng nhau. WRE lớn nhất là
22,20% thu đƣợc khi xử lý ở nhiệt độ 170 oC trong thời gian 1 giờ [19].
Andreja KUTNAR , Milan ŠERNEK (2008), nghiên cứu ảnh hƣởng
của chế độ xử lý thuỷ - nhiệt làm thay đổi màu sắc gỗ. Dƣới tác động của
nhiệt độ cao và độ ẩm tạo ra sự thay đổi lớn trong cấu trúc gỗ, dẫn đến thay
đổi màu sắc gỗ. Màu sắc gỗ tối hơn khi xử lý ở nhiệt độ cao hơn và thời gian
xử lý lâu hơn. Koch, PULS và BAUCH (2003) đã chỉ ra rằng những thay đổi
trong cấu trúc Lignin ảnh hƣởng đến màu sắc gỗ và có thể thấy đƣợc trong

quá trình xử lý trong nƣớc nóng ở nhiệt độ cao hơn 80 oC. Hơi nƣớc có thể bắt
đầu phân cắt của khu phức hợp Lignin-Polysaccharide bằng việc giải phóng
ra các axit hữu cơ từ các Hemixelulo. Mặt khác, giả định rằng một số các
tƣơng tác của các thành phần gỗ trong tế bào dẫn đến sự hình thành của một
liên kết Lignin-Carbohydrate thứ mà cuối cùng gây ra sự bạc màu. Do có sự
tách biệt của các nhóm Hydroxyl, liên hợp liên kết đơi ở C3 của phân tử
Lignin có thể đƣợc hình thành. Trong quá trình xử lý bằng hơi nƣớc các hợp
chất bị hoà tan trong nƣớc, sự mất màu là do q trình oxy hố và ngƣng tụ.
Những thay đổi trong cơ cấu Lignin có thể gây ra màu đen sậm và đỏ của gỗ
Sồi, trong đó có thể bao gồm các biến thể màu sắc gây ra bởi chất chiết suất
của gỗ, phản ứng Lignin gây ra sự đồng nhất màu đỏ của gỗ Sồi trong thời


7

gian xử lý, sự mất màu bất thƣờng trong gỗ Sồi gây ra bởi các phản ứng hóa
học của phân bố không đều các hợp chất Phenolic [24].
Inga JUODEIKIENĖ (2009), đã nghiên cứu sự ảnh hƣởng của xử lý
thủy - nhiệt đến cƣờng độ nén và uốn tĩnh của gỗ Thông. Các mẫu đƣợc xử lý
ở 60, 80, 100 và 120 oC với thời gian 24, 48, 72 và 96 giờ. Kết quả cƣờng độ
uốn tĩnh của gỗ Thông đƣợc xử lý nhiệt giảm xuống so với gỗ ban đầu. Sau
khi làm nóng ở nhiệt độ 60 oC cƣờng độ uốn tĩnh giảm từ 5,13% - 9,0% so với
gỗ chƣa đƣợc xử lý. Đối với các mẫu xử lý ở nhiệt độ 80 oC với thời gian khác
nhau làm cho cƣờng độ uốn giảm từ 5,88% - 10,03%. Sau khi làm nóng ở
nhiệt độ 100 oC cƣờng độ uốn tĩnh giảm từ 5,73% - 12,52% và ở nhiệt độ 120
o

C cƣờng độ uốn tĩnh giảm từ 11,46% đến 13,73%. Cƣờng độ nén vng góc

với thớ gỗ sau khi làm nóng ở 60 oC giảm khoảng 2,2% - 4,7%; ở 80 oC là

4,6% - 12,7 %; ở 100 oC là 6,5% - 8,0% và tại 120 oC giảm từ 2,5% - 10%.
Sau khi làm nóng ở 60 oC, 80 oC, 100 oC và 120 oC làm tăng cƣờng độ nén dọc
thớ gỗ tƣơng ứng 6% -14,5%; 8% - 18,3%; 0,1% - 11,7% và 2% - 7,4%.
Những kết quả này chỉ ra rằng nhiều thay đổi đáng kể đạt đƣợc trong quá
trình làm nóng ở nhiệt độ 60 oC và 80 oC với thời gian 96 giờ. Sự gia tăng
cƣờng độ nén dọc thớ gỗ có thể liên quan đến việc thay đổi kết cấu gỗ. Phá
hủy hệ thống Hemicenlulose sớm hơn so với Xenlulo và Lignin. Sự xuống
cấp của Hemixelulo từ những chuỗi dài thành những chuỗi ngắn hơn, có khả
năng chịu nén dọc thớ gỗ tốt hơn. Song cƣờng độ uốn tĩnh và cƣờng độ nén
vng góc với thớ gỗ giảm [20].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng xử lý thuỷ nhiệt dẫn đến thay đổi
trong thành phần cấu trúc vách tế bào của gỗ. Thành phần hoá học của gỗ bị
thay đổi nhiều nhất dƣới ảnh hƣởng của nhiệt độ cao là Hemicellulo. Sự phá
huỷ của thành phần Hemixelulo gia tăng với sự tăng nhiệt độ và thời gian của
quá trình xử lý nhiệt. Chỉ một tỷ lệ nhỏ Xenlulo và Lignin bị phá huỷ ở nhiệt


8

độ thấp. Sự thay đổi thành phần hoá học của cấu trúc vách tế bào đã đem đến
một loạt thay đổi các tính chất của gỗ nhƣ: nâng cao khả năng chịu nƣớc, tính
ổn định kích thƣớc và cải thiện độ bền sinh học, màu sắc của gỗ đậm hơn.
1.1.2. Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano
Trong lĩnh vực công nghệ chế biến gỗ, công nghệ Nano đƣợc rất nhiều
nƣớc trên thế giới tập trung vào nghiên cứu và đạt đƣợc những thành tựu đáng
kể. Một trong những xu hƣớng ứng dụng công nghệ Nano trong chế biến gỗ là
đƣa hạt nano vào bên trong gỗ, phát huy tối đa ƣu điểm của gỗ đồng thời hạn chế
đƣợc những nhƣợc điểm mà không làm thay đổi màu sắc, vân thớ gỗ. Các hạt
Nano thƣờng đƣợc sử dụng trong công nghệ chế biến gỗ là: TiO2, SiO2, ZnO…
Vật liệu composite gỗ-vật liệu vơ cơ Wood-Inorganic composites

(WIC) có thể đƣợc tạo ra bằng phƣơng pháp khuếch tán hợp chất vô cơ vào
gỗ làm cho hợp chất vô cơ điền đầy trong tế bào gỗ. WIC cũng có thể đƣợc
tạo bằng cách ngâm tẩm trực tiếp với hợp chất vơ cơ.
Những thí nghiệm đầu tiên về việc áp dụng hạt Nano để xử lý gỗ đƣợc
Saka Sasaki thực hiện năm 1992. Trong thí nghiệm này, Saka và các cộng sự
đã sử dụng phƣơng pháp Sol-gel để đƣa các hạt Nano vơ cơ SiO2 vào trong
gỗ. Kết quả thí nghiệm cho thấy các hạt Nano SiO2 có kích thƣớc nhỏ đã tích
tụ ở trong các khe hở trên vách tế bào gỗ, tạo thành vật liệu gỗ-Nano. Qua quá
trình kiểm tra, đánh giá cho thấy vật liệu tạo ra có những tính năng ƣu việt
hơn hẳn so với gỗ chƣa biến tính.
Ogiso and Saka (1994) đã xử lý gỗ bằng các hóa chất nhƣ: isocyanates,
epoxies và nhựa, sau đó đƣợc xử lý bởi ethyl-ortho-silicate (TEOS). Nghiên
cứu đã phát hiện ra, WIC đƣợc tạo ra bởi sự kết hợp xử lý giữa isocyanateTEOS và epoxy-TEOS đã có tính ổn định kích thƣớc và khả năng chậm cháy
tăng lên rất nhiều do sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong vách tế bào gỗ.
Tuy nhiên, xử lý hai lần bằng vinyl-TEOS tạo ra pholyme đồng nhất trong
ruột tế bào đã không làm tăng tính chất vật lý của gỗ [14].


9

Năm 1997, Miyafuji và Ueno T. đã tiến hành thí nghiệm đƣa các hạt
Nano TiO2 và SiO2 vào trong gỗ Sồi rừng. Trong nghiên cứu của mình, các
tác giả đã sử dụng phƣơng pháp điền đầy trực tiếp để đƣa hạt Nano vào trong
gỗ từ đó tạo thành vật liệu gỗ-Nano mới có những tính năng nổi trội hơn hẳn
so với gỗ Sồi không qua xử lý. Cụ thể là: Vật liệu tạo thành có tính ổn định
kích thƣớc cao hơn, khả năng hút ẩm của gỗ giảm đi (giảm khoảng 40%),
cƣờng độ gỗ tăng lên đáng kể, khả năng chậm cháy của gỗ cũng đƣợc cải
thiện rõ rệt.
Năm 1998, Fumie and Saka đã chế tạo vật liệu composite gỗ-SiO2 từ gỗ
Chamaecyparis obtuse, vật liệu composite thu đƣợc đã thể hiện khả năng

chống lại mục trắng kém hơn so với mục nâu.
Đến năm 1999, một trong những hƣớng nghiên cứu mới đó là sử dụng
Nano Cellulose để biến tính gỗ đƣợc thực hiện bởi Hiroyuki Matsumura và
Wolfgang Glasser. Các tác giả đã sử dụng phƣơng pháp phức hợp tầng để đƣa
hạt Nano vào gỗ Anh đào. Kết quả là các tính chất của gỗ cũng đƣợc cải thiện
một cách đáng kể so với gỗ khơng qua biến tính (Matsumura, H. and Glasser,
W. G. 2000).
Wimmer năm 2002 đã sử dụng phƣơng pháp thẩm thấu trực tiếp theo
chiều dọc thớ gỗ để đƣa hạt Nano vào trong gỗ, đây đƣợc coi là một bƣớc
đột phá mới trong cơng nghệ biến tính gỗ bằng hạt Nano. Tuy đã thu đƣợc
những kết quả nhất định nhƣng phƣơng pháp này cịn có những tồn tại làm
giảm hiệu quả của q trình biến tính. Đó chính là khả năng thẩm thấu của
các hạt Nano vào gỗ không đồng đều theo các chiều thớ mà đặc biệt là theo
chiều ngang thớ gỗ.
Năm 2009, Thomas Hubert, Prita Unger và Michael Bruker dùng
phƣơng pháp Sol-gel để phân tán hạt Nano TiO2 vào trong gỗ Thơng để biến
tính tạo thành loại gỗ-Nano có tính ổn định kích thƣớc cao và có khả năng
chống lại các tác động của tia tử ngoại.


10

Gần đây nhất năm 2010, H. Turgut Sahin và George I. Mantanis đã
nghiên cứu xử lý bốn loại gỗ: Gỗ Dẻ, gỗ Anh đào, gỗ Thông và gỗ Linh sam
bằng hợp chất Nano TiO2 và ZnO với bốn cấp nồng độ khác nhau. Kết quả
cho thấy độ ổn định kích thƣớc và độ cứng của gỗ tăng lên rõ rệt.
Những năm gần đây, phƣơng pháp sol-gel đã đƣợc áp dụng rộng rãi
trong việc tạo ra vật liệu composite chất vô cơ-gỗ (WIC). Trong quá trình solgel, dung dịch chất nguồn có chứa oxit kim loại nặng hoặc oxit silic đƣợc tẩm
vào trong gỗ và sau đó tạo thành keo của các hạt Nano trong gỗ do phản ứng
thủy phân và ngƣng tụ. Sau khi sấy sẽ thu đƣợc vật liệu composite gỗ-hợp

chất vơ cơ.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
1.2.1. Các nghiên cứu về ổn định kích thước
Trong những năm gần đây, cơng nghệ biến tính gỗ theo các xu hƣớng
khác nhau nhƣ nâng cao khối lƣợng thể tích, tính chất cơ lý, ổn định kích
thƣớc gỗ đã đƣợc nhiều nhà khoa học, nhà sản xuất quan tâm nghiên cứu.
Năm 2004, Nguyễn Thị Thu Hà đã nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ,
thời gian tẩm nhựa Polyurethane (PU) đến chất lƣợng gỗ biến tính. Sau khi
tiến hành xử lý gỗ Keo lá tràm bằng PU với các cấp nồng độ 3, 5, 7, 9, 11%
và thời gian từ 1 ngày đến 5 ngày đã làm tăng khối lƣợng thể tích, chống đƣợc
nấm mốc xâm nhập, hạn chế co rút dãn nở…
Năm 2004, Tạ Thị Phƣơng Hoa, đã thực hiện nghiên cứu nâng cao tính
ổn định kích thƣớc gỗ Keo lá tràm bằng phƣơng pháp axetyl hóa. Kết quả cho
thấy, hầu hết các tính chất cơ học đƣợc nâng lên cụ thể là: độ bền ép dọc tăng
từ 4,94% đến 16,22%; độ bền ép ngang thớ tiếp tuyến tăng từ 2,55% đến
26,77%, độ cứng tĩnh tăng 7% đến 22,05%.
Năm 2004, Nguyễn Tất Thắng đã nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ
và thời gian tẩm UF (Ure Formaldehyde) đến chất lƣợng gỗ biến tính với thời


11

gian xử lý 1 - 5 ngày, nồng độ UF 10 - 30%. Kết quả làm cho khả năng co rút
của gỗ giảm. Còn tỷ lệ dãn nở theo chiều tiếp tuyến, khối lƣợng thể tích, ứng
suốt ép dọc thớ và ứng suất uốn tĩnh có xu hƣớng tăng lên khi nồng độ nằm
trong khoảng 10 - 25%. Nhƣng khi nồng độ tăng 25 - 30% thì các tính chất
trên giảm xuống.
Năm 2005, Nguyễn Thị Thanh Hải nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ,
thời gian tẩm Urea đến một số chỉ tiêu chất lƣợng của gỗ biến tính. Kết quả
thu đƣợc tỷ lệ co rút và dãn nở của gỗ xử lý bằng Urea sau khi qua nén ép

giảm, tính chất cơ học tăng, khối lƣợng thể tích tăng, độ bám dính màng phủ
PU lên bề mặt tốt hơn…
Năm 2005, Vũ Văn Toản nghiên cứu khả năng biến tính tăng cƣờng độ
cứng cho gỗ Cao su làm nguyên liệu sản xuất ván sàn. Sau khi tiến hành xử lý
gỗ Cao su bằng dung dịch nhựa Styrene thì màu sắc gỗ không bị thay đổi, hạn
chế đƣợc co rút dãn nở, làm tăng cƣờng tính chất cơ lý của gỗ.
Năm 2006, Nguyễn Đức Thịnh nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ và
thời gian ngâm tẩm nhựa Novolak đến một số chỉ tiêu chất lƣợng gỗ biến tính.
Kết quả của nghiên cứu cho thấy: khả năng chịu uốn tĩnh, khả năng chịu nén
dọc của gỗ Bồ đề sau khi xử lý có hƣớng tăng còn khả năng co rút và khả
năng dãn nở giảm khi tăng nồng độ và kéo dài thời gian xử lý.
Năm 2008, Vũ Huy Đại nghiên cứu quy trình cơng nghệ xử lý ván phủ
mặt từ gỗ Keo lai bằng DMDHEU (akrofix). Kết quả nghiên cứu đã cho thấy
sau khi đƣợc xử lý bằng DMDHEU với chất xúc tác là MgCl2 ở nhiệt độ
130oC các tính chất vật lý và hầu hết các tính chất cơ học của ván mỏng gỗ
Keo lai xử lý đều đƣợc cải thiện.
Năm 2010, Lê Ngọc Phƣớc nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian ngâm
tẩm hóa chất đến tính chất của gỗ biến tính bằng DMDHEU dùng để phủ mặt
ván sàn gỗ cơng nghiệp. Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian ngâm tẩm hóa


12

chất ảnh hƣởng trực tiếp đến tính chất của ván sàn. Độ mài mòn, độ bong tách
màng keo và độ võng do uốn của ván xử lý đều giảm so với ván khơng xử lý.
Khối lƣợng thể tích của ván sàn thay đổi không đáng kể qua các chế độ xử lý.
1.2.2. Các nghiên cứu về biến tính gỗ bằng vật liệu nano
Vật liệu Nano đã đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm với nhiều thành
cơng. Rất nhiều cơng trình nghiên cứu về vật liệu Nano đƣợc công bố trong
và ngoài nƣớc. Tuy nhiên, các kết quả này phần nhiều còn đang trong giai

đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Việc đƣa vào ứng dụng thực tiễn còn bị hạn
chế do cần phải vƣợt qua rào cản về hiệu quả kinh tế và khoa học, công nghệ.
Qua các kết quả công bố về công nghệ Nano của Việt Nam cho thấy
nghiên cứu chủ yếu tập trung ở một số lĩnh vực nhƣ: Ứng dụng Nano trong y
học, ứng dụng trong công nghiệp, điện tử... Trong lĩnh vực công nghệ gỗ, việc
ứng dụng vật liệu nano còn hạn chế và nghiên cứu chƣa nhiều.
Năm 2011-2012, Cao Quốc An và các cộng sự trƣờng Đại Học Lâm
Nghiệp thực hiện đề tài cấp bộ “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Nano để nâng
cao chất lượng ván lạng”. Đề tài sử dụng hạt Nano TiO2 để xử lý cho ván
lạng từ 5 loại gỗ tự nhiên và rừng trồng là: Xoan đào, Mỡ, Giổi, Keo lai, Keo
lá tràm. Kết quả của đề tài cho thấy đƣợc biến tính bằng hạt Nano TiO2 đã cải
thiện đƣợc nhiều tính chất của ván mỏng nhƣ: độ hút nƣớc, độ ổn định kích
thƣớc, độ mài mịn [9].
Năm 2012, Nguyễn Văn Thiết cùng các cộng sự đã nghiên cứu công
nghệ biến tính thanh cơ sở cho sản xuất ván sàn bằng vật liệu Nano SiO2
thuộc đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng ván sàn từ gỗ Keo lai và Mỡ
bằng kỹ thuật xử lý SiO2”. Kết quả đã tạo ra đƣợc thanh cơ sở có độ cứng bề
mặt và độ mài mòn tăng lên một lƣợng nhất định.
Năm 2014, Trần Văn Chứ, Phạm Văn Chƣơng và Vũ Mạnh Tƣờng đã
cơng bố một nghiên cứu về đặc tính thấm ƣớt của vật liệu composite tạo ra từ


13

gỗ Keo lai sau khi tẩm bằng TiO2 gel (dung dịch sol trƣớc khi tẩm vào gỗ
đƣợc pha với cồn nguyên chất), kết quả cho thấy, gỗ vật liệu có bề mặt gần
nhƣ khơng thấm ƣớt với góc tiếp xúc giữa giọt nƣớc và bề mặt gỗ lên tới trên
150o [23].
Tóm lại, các nghiên cứu về xử lý gỗ bằng cơng nghệ nano cho thấy cịn
một số vấn đền cần làm rõ, nhƣ: (1) Ảnh hƣởng của công nghệ đƣa hạt nano vào

gỗ; (2) Ảnh hƣởng của loài gỗ đến công nghệ xử lý; (3) Cơ chế tác động của vật
liệu nano đến tính chất gỗ. Với các vấn đề này cần có các cơng trình nghiên cứu
một cách tổng hợp, hệ thống. Nghiên cứu về ảnh hƣởng của nồng độ chất TBOT
(Titanium (IV) butoxide) đến chất lƣợng của gỗ Keo lai sẽ là một trong những
nghiên cứu sẽ góp phần bổ sung dữ liệu để làm rõ các vấn đề cịn tồn tại trên. Do
đó có thể thấy đây là một nghiên cứu có tính mới và có ý nghĩa.


14

Chƣơng 2

2.1. Thành phần hóa học của gỗ
Gỗ đƣợc tổ thành từ các nguyên tố cơ bản nhƣ: C, H, O, N, ngồi ra gỗ
cịn chứa một lƣợng nhỏ các ngun tố khống chất. Các hợp chất hóa học
cấu tạo nên vách tế bào gỗ có thể đƣợc phân làm hai nhóm: Thành phần chủ
yếu và thành phần thứ yếu. Thành phần chủ yếu bao gồm xenlulo,
hemixenlulo và lignin; các thành phần thứ yếu bao gồm nhựa cây, tannin, tinh
dầu, sắc tố, khống chất, pectin, protein, hợp chất vơ cơ,…

Hình 2.1. Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ
2.1.1. Xenlulo

(khoả

-

-

.

15

β-D-

.
(4-O-[β-Dglucopyranozil]-β-D-

2.2a).
(C6H10O5)n

[C6H7O2(OH)3]n. Độ
. Các kết quả nghiên
cứ

.

ệ

2.2c).


16

2.2
xenlulo


17

2
-

-

ả

-

).

.

2.3. Liên kết hydro trong vách tế bào gỗ
ộ

-


18

. Tr
3.400 cm-1
-

xen

-

.

.

.
Liên kết hydro giữa các nhóm –OH ở các vị trí khác nhau trên phân tử
xenlulo ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình hút và nhả ẩm của vật liệu gỗ, có
quan hệ mật thiết với tính chất và công nghệ gia công vật liệu gỗ.
(1) Quan hệ với tính chất gỗ. Liên kết hydro có tác dụng quan trọng tới
sự tạo thành siêu phân tử của xenlulo, trong vùng vơ định hình các phân tử
xenlulo hình thành rất nhiều liên kết hydro, số lƣợng liên kết hydro nhiều có
thể nâng cao đƣợc khả năng chịu lực của vật liệu gỗ, giảm thiểu tính hút ẩm,
và giảm khả năng tham gia phản ứng hóa học của gỗ,…
(2) Quan hệ với công nghệ gia công sợi. Kết hợp các liên kết hydro là
lý thuyết hình thành ván trong sản xuất ván sợi ƣớt. Lý thuyết kết hợp liên kết
hydro cho rằng, các sợi rời rạc có thể kết hợp với nhau hình thành ván là do