1
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng đồ gỗ càng cao,
trong khi nguồn tài nguyên gỗ ngày một cạn kiệt. Gỗ mọc nhanh rừng trồng
đang được trồng rất nhiều ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam. Tuy
nhiên, chất lượng gỗ thấp, nhiều khuyết tật làm hạn chế phạm vi sử dụng.
Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng g
ỗ rừng trồng dùng làm nguyên liệu
sản xuất sản phẩm mộc có giá trị cao là cấp thiết đặt ra. Biến tính gỗ nói
chung hay biến tính nhiệt nói riêng là một trong những hướng chủ đạo hiện
nay. Vì vậy, chúng tôi thực hiện luận án: “Nghiên cứu công nghệ biến tính
nhiệt gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium Willd)”
Ý nghĩa khoa học
Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên
c
ứu tiếp theo trong việc xác định thông số công nghệ xử lý nhiệt độ cao cho
gỗ Keo tai tượng nhằm nâng cao tính ổn định kích thước mà ít hoặc không
làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học và tính chất công nghệ của loài gỗ này.
Ý nghĩa thực tiễn
Áp dụng công nghệ xử lý nhiệt độ cao để xử lý gỗ Keo tai tượng nhằm
giải quyết về vấn đề chất lượng gỗ rừ
ng trồng sử dụng trong sản xuất đồ mộc
và hoàn toàn có thể đáp ứng được mục tiêu bảo vệ môi trường.
Những đóng góp mới của luận án
(1) Về công nghệ: Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu
một cách hệ thống về ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt độ cao trong môi
trường không khí áp suất thường đối với gỗ Keo tai tượng.
(2) Về cơ s
ở lý luận: Đã áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để
nghiên cứu sự thay đổi về kết cấu hóa học của gỗ nhằm giải thích hiện tượng

ạo
và cấu trúc hóa học của gỗ Keo tai tượng.
1.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi về tính
chất của gỗ Keo tai tượng.
1.3.4. Nghiên cứu xác định cơ chế biến tính gỗ Keo tai tượng bằng
phương pháp biến tính nhiệt độ cao;
1.3.5. Nghiên cứu xác định một số thông số công nghệ chủ yếu khi
xử lí gỗ Keo tai tượng ở nhiệt độ cao.
1.4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Luận án chỉ nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, thời
gian biến tính đến các chỉ tiêu chất lượng (vật lý, cơ học) gỗ keo tai tượng.
1.5. Địa điểm nghiên cứu: Tại Tỉnh Hà Giang, Trường Đại học Lâm nghiệp
Việt Nam
1.6. Phương pháp nghiên cứu

3
1.6.1. Phương pháp kế thừa
Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về biến tính gỗ
bằng nhiệt độ cao.
1.6.2. Phương pháp thực nghiệm
1.6.2.1. Nghiên cứu tính chất vật lý, hoá học, tính chất cơ học
Chọn rừng, chọn cây, cắt khúc, lấy mẫu và xác định tính chất cơ, vật
lý của gỗ theo các tiêu chuẩn từ TCVN 355-70 đến TCVN 370-70).
1.6.2.2. Nghiên cứu biến tính gỗ Keo tai tượng
Phương pháp thự
c nghiệm gồm: kế hoạch thực nghiệm đơn yếu tố
và kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố.
* Thực nghiệm đơn yếu tố:
+ Nghiên cứu quy luật biến đổi tính chất theo nhiệt độ xử lý sẽ chọn
thời gian xử lý là 6 giờ, và nhiệt độ thay đổi theo các cấp T (

và Lignin xảy ra phản ứng nhiệt giải, tạo ra các phân tử có kích thước nhỏ

4
hơn có khả năng bay hơi như: nước, acetic acid, methanol, fucfuranđehyt…
những chất này bị bay hơi trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến khối lượng
vật chất trong vách tế bào gỗ suy giảm nghiêm trọng, từ đó làm thay đổi
trọng lượng gỗ, và làm giảm khối lượng thể tích gỗ.
2.2. Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thước gỗ
Trong cấu trúc vách tế bào, một bộ phận nhóm –OH trong phân tử

Cellulose ở vùng vô định hình hình thành liên kết hydro và bộ phận còn lại tồn
tại trong trạng thái tự do. Nhóm –OH tự do là nhóm chức cực tính, dễ kết hợp
với phân tử nước tạo ra liên kết hydro, đây là nguyên nhân chính tạo ra tính hút
ẩm của phân tử Cellulose. Hiện tượng co rút, dãn nở phát sinh khi gỗ trong trạng
thái chưa bão hòa, nguyên nhân chính là do nhóm –OH tự do của cellulose trong
vùng vô định hình hút ẩm và tạo ra liên kết hydro. Sau khi phân tử nước vào
trong vách tế bào sẽ làm cho khoảng cách giữa các mixel cellulose tăng lên, lúc
này gỗ ở
trong trạng thái dãn nở, làm cho kích thước của gỗ không ổn định.
Theo nhiều nghiên cứu cho thấy khả năng hút ẩm của Hemicellulose là lớn nhất,
sau đó đến Lignin và cuối cùng là Cellulose.
2.3. Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ
Trong gỗ, Hemicellulose có tác dụng kết dính, tạo ra khả năng chịu cắt
của gỗ, sự phá hoại của gỗ do ngoại lực tác dụng chủ yếu do mixel cellulose
và các ch
ất điền đầy (Hemicellulose và Lignin) bị cắt đứt hoặc bẻ gãy tạo ra.
Sau khi xử lý nhiệt polisaccarit bị tổn thất, nhưng chủ yếu là Hemicellulose, vì
Hemicellulose có tính nhạy cảm với nhiệt cao hơn cellulose nhưng tính bền
nhiệt lại kém. Sự thay đổi và tổn thất của Hemicellulose không những làm
giảm tính dẻo dai của gỗ mà còn làm cho khả năng chịu uốn, độ cứng và tính

ất định đến tính ổn
định của cellulose. Ngoài ra, khi gỗ chịu tác động của nhiệt độ đã sản sinh ra
rất nhiều vật chất có tính acid như: acetic acid và formic acid đã làm cho sự
phân giải của gỗ càng mãnh liệt hơn.
Lignin và polysacarit kết hợp với nhau tạo thành vách tế bào gỗ, Lignin có
tác dụng như chất điền đầy và tạo độ cứng trong gỗ. Giữa các tế bào trong gỗ hay
giữa các sợi gỗ liên k
ết với nhau dưới hình thức liên kết tầng. Tầng gian bào trong
gỗ chủ yếu do Lignin hình thành. Từ các phân tích ở trên có thể thấy, xử lý gỗ
trong phạm vi nhiệt độ 120-230
o
C, do sự thay đổi các thành phần cấu tạo gỗ đã
dẫn đến tính chất vật lý, cơ học, khả năng chống vi sinh vật cũng như độ bền và
tính chất công nghệ của gỗ có sự thay đổi đáng kể.
PHẦN III
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Kết quả thực nghiệm quy hoạch đơn yếu tố
3.1.1. Ảnh hưởngđến biến đổi độ t
ổn hao kích thước
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tổn hao kích thước: y
= -0,0089x2 + 0,176x + 1,10 R² = 0,93
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ tổn hao kích thước: y
= 0,0004x2 - 0,12x + 9,36 R² = 0,97
Qua kết quả có thể thấy, tỉ lệ tổn hao kích thước của gỗ tăng lên khi
tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý theo quy luật hàm bậc 2 với
mức độ quan hệ rất chặt (R2 > 0,9). Từ kết quả thí nghiệm có thể th
ấy rằng,
nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý có ảnh hưởng rõ rệt đến sự thay đổi kích
thước của gỗ.
3.1.2. Ảnh hưởng đến độ tổn hao khối lượng

y = -0,003x2 + 1,43x - 147,99 R² = 0,97
Mẫu xử lý với nhiệt độ cao và thời gian dài thì khả năng hút nước của
gỗ giảm xuống rõ rệt. Nguyên nhân là do khả năng hút nước của g
ỗ phụ thuộc
vào cấu tạo và các thành phần trong gỗ. Gỗ có thể bị loại bỏ một số chất chiết
suất, hoặc Hemicellulose trong gỗ bị phân giải dưới tác dụng nhiệt độ cao, thời
gian xử lý dài, dẫn đến làm giảm số lượng nhóm hydroxyl (-OH) có trong gỗ,
làm giảm khả năng hút nước vào gỗ.
3.1.5. Ảnh hưởng đến cường độ nén dọc thớ
Mối quan hệ này đượ
c thể hiện thông qua phương trình tương quan sau:

7
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ tăng cường độ nén
dọc thớ: y = 0,017x2 + 0,77x + 8,39 R² = 0,95
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ tăng cường độ nén dọc
thớ: y = 0,0044x2 - 1,29x + 102,2R² = 0,99
Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ nén dọc của gỗ đã qua xử lý
nhiệt cao hơn so với gỗ đối chứng.
3.1.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Độ bền u
ốn tĩnh của gỗ Keo tai tượng sau khi xử lý nhiệt giảm đi so
với gỗ đối chứng. Mối quan hệ này được thể hiện thông qua phương trình
tương quan sau:
+ Phương trình tương quan giữa thời gian và độ giảm độ bền uốn tĩnh:
y = -0,09x2 + 2,02x + 2,70 R² = 0,96
+ Phương trình tương quan giữa nhiệt độ và độ giảm độ bền uốn tĩnh:
y = 0,009x2 - 2,89x + 236,01 R² = 0,97
Mẫu gỗ sau khi xử lý có độ bền uốn t
ĩnh nhỏ hơn so với mẫu chưa xử

10
12
14
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ tổn hao khối lượng gỗ (%)

Hình 3.17. Độ tổn hao khối lượng (ML) của gỗ Keo tai tượng xử lý
với các chế độ khác nhau
Từ hình 3.17 ta thấy, độ tổn hao khối lượng của mẫu gỗ sau khi xử lý
tăng lên khi thời gian xử lý kéo dài và nhiệt độ xử lý tăng lên. Độ tổn hao
khối lượng cao nhất có thể tới 14%.
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ tổn hao khối lượng (ML – mass loss):

3,00
3,50
4,00
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Độ tổn hao kích thước gỗ (DL),
%

Hình 3.19. Độ tổn hao kích thước (DL) của gỗ Keo tai tượng xử lý
với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
độ tổn hao kích thước (DL – dimension loss):
DL =30,81– 0,349T + 0,001T2 – 0,436t + 0,0027Tt + 0,0049t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của độ tổn

40
45
50
170,
6h
180,
4h
180,
8h
190,
2h
190,
6h
190,
10h
200,
4h
200,
8h
210,
6h
Hệ số chống trương nở, %

Hình 3.21. Hệ số chống trương nở (ASE) của gỗ Keo tai tượng xử
lý với các chế độ khác nhau
Phương trình tương quan giữa nhiệt độ (T) và thời gian xử lý (t) với
hệ số chống trương nở (ASE):
ASE =257,74–3,505T + 0,0115T2 + 4,035t + 0,003Tt – 0,19t2

11

120
140
160
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Độ hút nước, %
Thời gian ngâm nước
170, 6h
180, 4h
180, 8h
190, 2h
190, 6h
190, 10h
200, 4h
200, 8h
210, 6h
Đối chứng

Hình 3.23. Độ hút nước của gỗ Keo tai tượng trước và sau xử lý
theo thời gian ngâm nước
Qua kết quả có thể thấy thấy, độ hút nước của gỗ Keo tai tượng chưa
xử lý và mẫu gỗ đã xử lý có sự khác biệt rõ rệt. Kết quả thí nghiệm xác định

12
tính hút nước của gỗ Keo tai tượng cho thấy, mẫu xử lý với nhiệt độ cao và
thời gian dài thì khả năng hút nước của gỗ giảm xuống rõ rệt.
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00

WRE =-212,55+1,982T-0,0042T2+1,61t- 0,0066Tt + 0,0034t2
Mối tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy của hiệu
suất chống hút nước thể hiện trong hình 4.25
R² = 0.9929
4
6
8
10
12
14
16
18
20
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.25. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của hiệu suất chống hút nước

13

Dữ liệu trong Hình 4.25 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.5. Quy luật biến đổi độ bền nén dọc thớ
Kết quả phân tích thống kê độ tăng cường độ nén dọc thớ của mẫu gỗ
sau khi xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.26.
0
5
10

cường độ nén dọc thớ gỗ thể hiện trong hình 3.27.
R² = 0.9568
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.27. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của tỉ lệ tăng cường độ nén dọc

14
Dữ liệu trong Hình 4.27 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.6. Ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh
Kết quả phân tích thống kê độ giảm độ bền uốn tĩnh của mẫu gỗ sau
khi xử lý nhiệt được thể hiện trong hình 3.28.
0
5
10
15
20

4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
24681012141618202224
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %15
Hình 3.29. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ giảm độ bền uốn tĩnh
Qua kết quả cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy có quan hệ
rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.7. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MOE)
Độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt được
thể hiện trong hình 3.30.
0
2
4
6
8
10


16
R² = 0.9841
2
4
6
8
10
12
14
16
246810121416
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.31. Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ giảm mô đun đàn hồi uốn tĩnh
Dữ liệu trong Hình 3.31 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.2.8. Ảnh hưởng đến khả năng dán dính của gỗ do xử lý nhiệt
Độ bền kéo trượt màng keo của mẫu gỗ sau khi xử lý nhiệt đượ
c thể
hiện trong hình 3.32.
0
5
10
15
20
25
30

R² = 0.9925
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Gi á t r ị hồi quy, %
Gi á t r ị thực nghiệm, %

Hình 3.33 Đồ thị tương quan giữa giá trị thực nghiệm và giá trị
hồi quy của độ giảm độ bền kéo trượt màng keo
Dữ liệu trong Hình 3.33 cho thấy giá trị thực nghiệm và giá trị hồi quy
có quan hệ rất chặt chẽ (R2 > 0,9) theo hàm số y = x.
3.3. Xác định các thông số tối ưu
Giải bài toán tối ưu theo phương pháp trao đổi giá trị phụ, kết quả thu
được như sau: Nhiệt độ: T = 191,25
o
C, thời gian: t = 5,78 h. Tương ứng các
giá trị: ML = 8.01 %; DL = 1,26 %; ASE = 28,33% ; WRE = 15% ; ICS =
12,49% ; DMOR = 9%; DMOE = 5,03%; DSG = 13%.
3.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cấu tạo hiển vi của gỗ
Kết quả quan sát cho thấy về cơ bản hình dạng của các tế bào gỗ chính

1371,5 0,288 C-H của nhóm methyl và phenol
1424,8 0,262 C-H
1460,3 0,265 CH2 của lignin
1510,5 0,215 C=C (G)
1605,3 0,217 C=C (S)
1734,7 0,21 C=O
2919,6 0,266 C-H của nhóm methyl và methylene
3418,3 0,736 O-H
a
S: syringyl; G: guaiacyl
(2) Phổ hồng ngoại của gỗ Keo tai tượng xử lý nhiệt
Số sóng và độ hấp thụ của các loại nhóm chức trong gỗ Keo tai tượng
đã xử lý nhiệt xác định qua phổ hồng ngoại được thể hiện trong Bảng 3.3

19

Từ kết quả cho thấy, về gỗ Keo tai tượng chưa xử lý và đã xử lý có số
lượng các đỉnh (peak) như nhau. Tuy nhiên, có sự khác biệt khá rõ rệt về số
sóng và độ hấp thụ của sóng hồng ngoại.
Theo lý thuyết phân tích phổ hồng ngoại, cường độ hấp thụ sóng hồng
ngoại của nhóm chức thể hiện hàm lượng hay sự có mặt của nhóm chức, khi
cường độ h
ấp thụ càng lớn thể hiện hàm lượng nhóm chức càng nhiều.
3.5.2. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ XPS
(1) Phổ XPS của mẫu gỗ Keo tai tượng đối chứng
Phổ XPS của mẫu gỗ được thể hiện trong Hình 3.40.

Hình 3.40. Phổ XPS của gỗ Keo tai tượng với giải quét rộng

20

Hình 3.43. Phổ XPS của gỗ sau khi xử lý nhiệt với giải quét rộng
Kết quả phân tích định lượng được thể hiện trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Hàm lượng tương đối của các nguyên tố C và O trên bề
mặt mẫu gỗ trước và sau xử lý nhiệt độ cao
Chế độ xử lý
Kí hiệu Nhiệt độ,
o
C
Thời gian,
h
C (%) O (%) O/C
ĐC 69,1 28,6 0,41
CĐ1 170 6 71,6 26,3 0,37
CĐ2 180 4 72,7 25,5 0,35
CĐ3 180 8 73,0 25,5 0,35
CĐ4 190 2 74,4 23,2 0,31
CĐ5 190 6 77,2 21,3 0,28
CĐ6 190 10 77,7 20,4 0,26

23
CĐ7 200 4 78,6 18,5 0,24
CĐ8 200 8 79,1 19,6 0,24
CĐ9 210 6 80,4 17,7 0,25
Kết quả phân tích định lượng của phổ XPS cho các mẫu gỗ Keo tai
tượng đối chứng và mẫu gỗ xử lý nhiệt độ cao được thể hiện một cách trực
quan thông qua các biểu đồ từ hình 3.44 đến hình 3.46.
65
70
75
80


24
0
5
10
15
20
25
30
35
ĐC170 ,
6h
180 ,
4h
180 ,
8h
190 ,
2h
190 ,
6h
190 ,
10h
200 ,
4h
200 ,
8h
210 ,
6h
Hàm lượng của nguyên tố O, %
Chế độ xử lý

6h
Tỉ lệ O/C trên bề mặt gỗ
Chế độ xử lý

Hình 3.46. Biểu đồ tỉ lệ O/C trên bề mặt mẫu ở các chế độ xử lý
khác nhau
Từ hình 3.46 ta thấy, gỗ Keo tai tượng sau khi xử lý nhiệt có tỉ lệ O/C
thay đổi theo quy luật là khi nhiệt độ tăng lên thì tỉ lệ O/C giảm xuống. Kết
quả xác định hàm lượng tương đối của từng loại liên kết của nguyên tố C và
O trên bề mặt gỗ được trình bày trong Bảng 3.5 và Bảng 3.6.

25
Bảng 3.5. Hàm lượng các loại liên kết của nguyên tố C phân tích bằng
phổ XPS đối với gỗ trước và sau khi xử lý nhiệt độ cao
Chế độ xử lý
Ký hiệu
Nhiệt độ,
oC
Thời gian, h
C
1
(%) C
2
(%) C
3
(%) C
4
(%)
ĐC 45,10 46,44 4,21 4,25
CĐ1 170 6 46,10 44,30 4,10 5,50