Công nghệ xẻ mộc - Chương 7

Chia sẻ: Nguyen Thai Hang | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

165
lượt xem 40
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 7 Vật liệu trang sức gỗ Gỗ là loại vật liệu cơ bản trong kiến trúc, nó có thể dùng làm cột kèo xà nhà cũng có thể làm cửa, sàn. Tuỳ

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ xẻ mộc - Chương 7

Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Chương 7 Vật liệu trang sức gỗ Gỗ là loại vật liệu cơ bản trong kiến trúc, nó có thể dùng làm cột kèo xà nhà cũng có thể làm cửa, sàn. Tuỳ theo trình độ khoa học kỹ thuật ngày một phát triển, mà tài nguyên gỗ ngày càng khan hiếm, người ta đã mở ra nhiều sản phẩm trang sức gỗ kiểu mới nhằm nâng cao tỷ lệ lợi dụng gỗ. Như vậy vừa thoả mãn yêu cầu sử dụng gỗ của con người mà lại vừa tiết kiệm được gỗ. Đ1. Gỗ I. Đặc tính và chủng loại gỗ 1. Đặc tính Gỗ là loại vật liệu hữu cơ cao phân tử tự nhiên, nhẹ, cường độ cao, đàn hồi và mềm dẻo tốt, có vân thớ và màu sắc đẹp, dễ dàng nhuộm màu và trang sức vecny. Gỗ có tính năng nhiệt, dễ gia công, kết cấu đơn giản và hợp lý. Nó có thể để làm dụng cụ gia đình và trang sức đồ gỗ. 1.1. Đặc điểm cấu tạo 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 môi trường ngoài vào trong gỗ, khi đó xảy ra hiện tượng trương nở do động của nước với cấu tử gỗ như tác các trong cellulose, hemicellulose và lignin làm cho cấu trúc và tính chất cơ học, vật lý, hoá học của gỗ thay đổi. Gỗ có các thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ (99÷ 99.9%). Thành phần hoá học gỗ gồm 04 nguyên tố chính: cácbon (C), hydro (H), oxy (O), Nitơ (N). Các loại gỗ khác nhau, ở các vị trí khác nhau trên cây có 128
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n tỷ lệ thành phần các hợp chất hữu cơ không giống nhau, nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố hoá học lại gần xấp xỉ nhau. Hàm lượng trung bình của cácbon là 49.5%, hydro là 6.4%, oxy là 42.6% và nitơ là 1% và một số nguyên tố vi lượng khác. Khi đốt cháy gỗ, các chất vô cơ sẽ biến thành tro. Hàm lượng tro trong gỗ từ 0.3÷ 1%, phụ thuộc vào vị trí trong cây và giảm dần theo tuổi cây. Tro là hợp chất của các nguyên tố K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Si,.., Thành phần tro có: phần tan trong nước 10÷ 25% (chủ yếu là cácbonnat natri và kali); phần không tan trong nước 75÷ 90% (chủ yếu là cacbonnat canxi, photphoric silixic và một số loại muối của các kim loại khác). 1.2. Một số tính chất của các thành phần trong gỗ Các thành phần chủ yếu trong gỗ gồm cellulose, hemicellulose và lignin. 1.2.1. Cellulose Theo nhiều tác giả cellulose là một chất hữu cơ cao phân tử thiên nhiên có công thức (C 6H10O5)n. Phân tử sự kết của tử cellulose là liên các phân 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. Cấu tạo phân tử cellulose được mô tả như hình I.1. 129
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n ở mỗi mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí 2, 3, 6 (trong đó có một nhóm CH20H CH20H OH H H OH 0 0 0 H HH HH H 0 0H H 0H H 0 0 0H HH 0H H 0 0 H H 0 0 CH 0H CH 0H 0H H 0H H 2 2 Hình I.1. Phân tử cellulose bậc nhất và hai nhóm bậc hai). Trong quá trình tạo thành các dẫn xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai trò 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, 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 đẩy, và trong cấu tạo xốp của gỗ các chất tác nhân có thể phân tán tự do và có điều kiện tác động lên nhóm hydroxyl (OH) của phân tử cellulose. Các kiểu hợp chất cộng của cellulose có thể chia thành bốn nhóm cơ bản là alkali cellulose (cellulose kiềm), cellulose acid, amino cellulose và cellulose muối. Những phản ứng thế tạo ra các este cellulose được trình bày như ở các phần dưới đây: Acetat cellulose Acetyl hoá cellulose thường được tạo ra bằng cách xử lý cellulose bằng anhydride acetic với sự có mặt của các acid sunfuric và acetic. Quá trình axetyl hoá được mô tả bằng các phương trình dưới đây: CH3COOH + H+ ⇔ CH3COOH+⇔ CH3C+O + H2O H CH3C O + HORcell⇔ CH3COO+Rcell⇔ CHCOORcell + H+ + 130 H
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Sự phân giải cellulose Phản ứng thuỷ phân: Trong quá trình thuỷ phân cellulose, mối liên kết acetal (β - glucosit) bị đứt dưới tác dụng của acid theo hình I.2. O O O O O O H3+O O OH OH O O H OH Nhóm khử Nhóm không khử Hình I.2. Quá trình phân giải cellulose Theo một số nhà khoa học thì sự tác động tương hỗ giữa các phần tử cellulose qua mối liên kết cầu hydro xuất hiện thông qua các nhóm hydroxyl của các phân tử cellulose, mô hình liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose như hình vẽ I.3. O O H O O H O O H O O H O H O O O Hình I.3. Liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose Quá trình trương của cellulose Cellulose là chất cao phân tử có cực, như vậy dung môi gây trương hay hoà tan cellulose cũng phải là dung môi có cực. Thực chất quá trình trương cellulose là quá trình tác nhân gây trương xâm nhập vào, bứt phá các liên kết cầu hydro giữa các phân tử cellulose cạnh nhau, khi đó làm cho khoảng cách các cellulose tăng lên, liên kết của chúng (liên kết vandecvan) yếu đi, các phân 131
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n tử cellulose dễ bị xê dịch và trở nên lỏng lẻo hơn, đồng thời khi liên kết cầu hydro bị phá vỡ sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của phân tử cellulose trong gỗ. Hiện tượng trương của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ biến tính gỗ, nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hoá học của gỗ thay đổi. Quá trình trương cellulose trong nước là trường hợp điển hình, bản chất quá trình trương cellulose trong nước được mô tả như hình I.4. 1.2.2. Lignin Sau Cellulose, Lignin là thành phần thứ hai tạo nên vách tế bào gỗ, vai trò 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 hoá học của lignin rất phức tạp. Cho đến nay cũng chưa có nhà khoa học nào nghiên cứu nào khẳng định một cách chắc chắn và chính xác về cấu tạo hoá 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 hoá học, do vậy phân tử lượng có lignin sự biến động. Dưới tác động của nhiệt độ cao, lignin bị mềm hoá. 132
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Lignin cũng có tính chất trương và hoà tan trong những dung môi thích hợp như dung dịch kiềm. O O OH OH H H O O OH HO H H H OH O O H O OH H O HO H H O O H H OH OH HO H O O O OH H (a) (b) Hình I.4. Quá trình trương cellulose trong nước Trong đó: (a). Cellulose với liên kết cầu hydro; (b) - sự trương của cellulose trong nước 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 ete và liên kết C - C, tạo ra cấu trúc mạng phức tạp. Liên kết C - C rất bền vững đối với xử lý hoá học và là yếu tố cơ bản ngăn cản sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong những xử lý hydro hoá, phân giải bằng etanol. Khả năng phản ứng hoá học của lignin Sunphit hoá lignin: Dưới tác dụng của bisulphit và acid sunphurơ tự do ở nhiệt độ 135 - 1400C chuyển hoá thành acid licnosulphuric hoà tan lignin, trong đó xảy ra hai quá trình: Đưa nhóm sulphua ưa nước và sự đứt mạch do thuỷ phân của các mối liên kết nhạy cảm với acid. Cơ chế phản ứng hạ bậc phân tử lignin như hình I.5. 133
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n C O C SO3H OCH3 OH Hình 4.5. Phản ứng hạ bậc lignin Phân giải do Alcol: Lignin trong gỗ không bị tan trong quá 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 liện có dung môi thích hợp, khi đó xảy ra sự đứt mạch của các phân tử lignin bởi các ion của dung môi, tiếp sau là phản ứng ôxy hoá rượu xảy ra nhanh, sự đứt mạch làm cho lignin chuyển thành các đơn phân tử. Dưới tác dụng của acid, halogen, kiềm trong điều kiện nhất định thì lignin bị chuyển hoá trở nên có thể tan được đó là do có sự đứt mạch, phân đoạn các phân tử lignin. 1.2.3. Hemicellulose Cũng như cellulose, hemicellulose là những chất polysaccharides cấu tạo nên vách tế bào, nhưng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá học hơn, dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemicellulose gồm có pentosan (C5H8O4)n và hexosan (C6H10O5)n. Pentosan có thể dùng dung dịch xút loãng (nồng độ 4 ÷ 5%) trích ly từ gỗ ra. 134
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Các acid vô cơ làm cho pentosan thuỷ phân biến thành đường theo phương trình: (C5H8O4)n + n H2O →n C5H10O5 (đường pentose) Hexosan gần giống với cellulose, chỗ khác nhau chủ yếu là dễ bị thuỷ phân biến thành đường theo phương trình: (C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6 (đường hexose) Hàm lượng pentosan và hexosan trong các loại gỗ có ở rộng lượng nhiều khác nhau, cây lá pentosan (19÷ 23%) (3÷ 6%), ở gỗ tỷ lệ và hexosan lá kim pentosan và hexosan xấp xỷ nhau (10 ÷ 12%). Nói chung hemicellulose dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của acid. Trong hemicellulose có một tỷ lệ khá lớn acid uronic, đó là acid của các loại đường có công thức CHO(CHOH)COOH. Khi thủy 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 thủy phân, như vậy quá trình thủy 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. 1.2.4. Các chất chiết suất trong gỗ Những chất này không có trong thành phần của vách tế bào, gồm có: axít nhựa, axít béo, muối vô cơ, tinh dầu, tinh bột, các loại nhựa khác,… Trong gỗ, giữa các vách tế bào và các lỗ rỗng ở vách tế bào tạo thành khoảng mao dẫn của lớp thứ nhất, chứa đầy không khí, nước, các chất chiết suất. Khoảng không gian giữa chúng và phía giữa các mạch cellulose tạo thành khoảng mao dẫn lớp thứ hai. Đường kính mao dẫn khoảng 5 - 6µ m. 135
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Tổng thể tích khoảng mao dẫn biểu thị qua độ xốp (%). Công thức biểu diễn tính độ xốp như sau: ρ0 π = (1 − )100% ρ gB Trong đó: ρ 0 – khối lượng thể tích gỗ khô tuyệt đối (g/cm3); ρ gB – khối lượng thể tích của các chất trong gỗ (g/cm3), ρ gB = 1.53g/cm3. Về vấn đề liên kết giữa các thành phần trong gỗ, nhiều nhà khoa học cho rằng: Liên kết hoá học giữa các thành phần trong gỗ là những 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 nên 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 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 trò như một chất liên kết các sợi cellulose trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định. Liên kết lignin và cellulose có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước cuả gỗ. Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử cellulose, hemi cellulose, lignin và liên kết giữa các thành phần đó. Để cải thiện tính chất hút nước 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 thay đổi độ polime, khoảng cách giữa các phân tử. 2. Chủng loại 136
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Chủng loại gỗ có rất nhiều, căn cứ vào hình dạng lá cây bên ngoài cũng có thể phân thành 2 loại lớn, cây lá rộng và cây lá kim. Thân cây lá kim to thẳng, cao lớn, tỷ lệ thành khí cao, chất gỗ mềm, dễ gia công. Cường độ gỗ lá kim tương đối cao, dung tích trọng và biến dạng co rút nhỏ, vân thớ thẳng chất gỗ phân bố đồng đều, có thể dùng làm kết cấu chịu tải cửa v.v... trong công trình kiến trúc. Gỗ lá kim thường thấy nhất có thông, bách, sha. Thân cây gỗ lá rộng phần thẳng tương đối ngắn, tỷ lệ thành khí tương đối thấp, chất gỗ rắn chắc, gia công tương đối khó khăn, dung tích trọng của gỗ lá rộng lớn, cường độ cao, biến dạng cong vênh co rút lớn, dễ nứt, vân thớ đẹp, thường dùng làm vật liệu trang trí nội thất và đồ mộc. Gỗ cây lá rộng thường thấy là Shuiquliu, Jumu, Yumu. II. Cấu tạo gỗ Cấu tạo gỗ là nhân tố chủ yếu quyết định tính chất của nó, nghiên cứu cấu tạo thường phân thành: cấu tạo thô đại và cấu tạo hiển vi. 137
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Hình 7.1. Cấu tạo thô đại của gỗ Trong đó: 1- Mặt cắt ngang; 2- mặt cắt xuyên tâm; 3- mặt cắt tiếp tuyến; 4 – vỏ cây; 5- phần gỗ; 6 – tuỷ tâm; 7 – vòng năm; 8 – tia tuỷ Cấu tạo thô đại của gỗ là chỉ những tổ chức của nó bằng mắt thường hoặc kính lúp có thể quan sát được như hình 7.1 đã chỉ. Từ 3 mặt cắt (mặt cắt ngang, mặt cắt tiếp tuyền, mặt cắt xuyên tâm) ta thấy: Thân gỗ được tổ thành do vỏ cây, gỗ và tuỷ. Vỏ cây và tuỷ lợi dụng không cao. Trong các công trình chủ yếu là lợi dụng phần gỗ, từ mặt cắt ngang ta thấy có những vòng tròn đồng tâm có độ đậm nhạt giống nhau, đó chính là vòng năm, trong cùng một vòng năm gỗ được sinh trưởng trong mùa xuân gọi là gỗ sớm, màu sắc của phần gỗ này nhạt màu, chất gỗ tương đối mềm, phần gỗ sinh trưởng trong mùa thu và mùa hạ được gọi là gỗ muộn, màu sắc tương đối đậm, chất gỗ tương đối mịn, khi cùng một loại cây tính chất của vòng năm đều đặn, mịn là tương đối tốt. Phần gỗ muộn nhiều thì cường độ của gỗ tương đối cao. Từ tuỷ tâm có những đường phóng ra xung quanh gọi là tia tuỷ. Tia tuỷ với các phần xung quanh liên kết không chặt chẽ, khi gỗ khô thường bị nứt theo các vết này. Từ hình 7.1 ta còn thấy vân thớ của gỗ không chỉ có liên 138
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n quan tới cấu tạo thô của bản thân nó là còn có quan hệ đối với phương chiều cắt gọt trong khi gia công. Cấu tạo hiển vi của gỗ là chỉ tổ chức của gỗ chỉ được quan sát dưới kính hiển vi. Gỗ là do vô số các tế bào có dạng ống tổ thành, sự sắp xếp của các tế này đại bộ phận theo chiều dọc, một số ít sắp xếp theo chiều ngang. Mỗi một tế bào này lại do vách tế bào và khoang bào tổ thành. Vách tế bào càng dày, khoang tế bào càng nhỏ thì kết cấu của nó càng mịn và rắn chắc. Cường độ chịu tải lớn, tỷ lệ co rút và giãn nở càng lớn. Độ dày vách tế bào gỗ muộn dày vách tế bào gỗ sớm mỏng. III. Tính năng vật lý và cơ học của gỗ 1. Độ ẩm Độ ẩm của gỗ là chỉ tỷ số % của lượng nước ở trong gỗ với lượng gỗ khô. Nước trong gỗ có nước tự do, nước hấp phụ và nước kết hợp. Nước tự do là chỉ lượng nước chứa trong khoang bào và trong khe giữa các tế bào, nước hấp phụ là chỉ lượng nước nằm giữa các sợi cellulose của vách tế bào, còn nước kết hợp là sự kết hợp hoá học trong gỗ. Nước tự do và nước hấp phụ trong điều kiện nhiệt độ môi trường là có sự thay đổi, ảnh hưởng đến tính chất của gỗ, nước kết hợp ở điều kiện nhiệt độ thường là không có sự thay đổi, không làm thay đổi tính chất gỗ. Trong gỗ không có nước tự do, mà nước hấp phụ lại bão hoà, lúc này độ ẩm của nó được gọi là điểm bão hoà thớ gỗ, nó chính là điểm ranh giới phát sinh sự thay đổi tính chất cơ lý của gỗ, thường từ 25÷ 35%. Nước trong gỗ có sự thay đổi tuỳ theo sự thay đổi của độ ẩm, nhiệt độ môi trường, khi gỗ ở trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ nhất định trong một thời gian, thì độ ẩm gỗ sẽ đạt đến cân bằng với môi trường, lúc này độ ẩm gọi là độ ẩm thăng bằng. Nó chính là căn cứ quan trọng để tiến hành xử lý sấy gỗ. 2. Tính giãn nở và co rút của gỗ 139
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Khi độ ẩm gỗ cao hơn điểm bão hoà thớ gỗ, tuy độ ẩm có tăng nhưng thể tích không tăng. Khi độ ẩm gỗ dưới điểm bão hoà, nếu độ ẩm tăng thì thể tích cũng tăng, độ ẩm giảm thì thể tích cũng giảm. Do vậy điểm bão hoà thớ gỗ là ranh giới của gỗ phát sinh giãn nở do ẩm và co rút do khô. Gỗ là vật liệu không đồng tính, các phương chiều khác nhau co rút khác nhau. Sự co rút giãn nở còn phụ thuộc vào loại cây. Tính co giãn sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến sử dụng và sản xuất. Thông thường sử dụng phương pháp sấy khô gỗ trước khi gia công, làm cho gỗ có độ ẩm thăng bằng tương ứng của môi trường. 3. Cường độ của gỗ Cường độ gỗ bao gồm kháng kéo, nén, uốn và kháng cắt, vì gỗ là vật liệu không đồng tính mà phân thành cường độ ngang và dọc. Cường độ kéo dọc, nén dọc, uốn dọc tương đối lớn. Cường độ chống cắt ngang thớ tương đối cao. Khi cường độ kháng nén của gỗ là 1, thì về lý thuyết đã chỉ ra các cường độ khác có quan hệ như bảng 7.1. Bảng 7.1: Quan hệ lý thuyết độ lớn nhỏ các cường độ Kháng cắt Kháng nén Kháng kéo Kháng uốn Dọc thớ Ngang thớ Dọc thớ Ngang thớ Dọc thớ Ngang thớ 1 1 1 1 1 1 1 1 ∼ ∼ 1 ∼2 ∼ ∼1 2∼ 3 1 10 3 20 3 2 7 3 3 Cường độ của gỗ có quan hệ rất lớn đối với độ ẩm, khi độ ẩm nhỏ hơn điểm bão hoà, độ ẩm giảm thì cường độ tăng, ngược lại cường độ sẽ giảm xuống. Khi độ ẩm có sự thay đổi trên điềm bão hoà thì cường độ không thay đổi. Cường độ của gỗ còn có quan hệ với điều kiện nội tại của nó và thời gian chịu tải. IV. Phòng cháy mục gỗ 140
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Gỗ là vật liệu hữu cơ tự nhiên, dễ cháy, trong trang sức gỗ cần phải được xử lý chống cháy làm cho nó trở thành vật liệu khó cháy đạt được yêu cầu chống cháy quy định. Xử lý chống cháy cho gỗ, có phương pháp bôi quét bề mặt, có phương pháp ngâm tẩm. Phương pháp quét là dùng chất phủ chống cháy (như A60-1 biến tính, YZL-858 và A6014-A) bôi quét lên bề mặt gỗ. Phương pháp ngâm tẩm đó là làm cho thuốc chống cháy thấm vào trong gỗ ở điều kiện thường áp hay cao áp, mà đạt được mục đích chống cháy. Gỗ trong điều kiện nhất định, chịu tải động của một số khuẩn và côn trùng phá hoại, đó chính là gỗ bị mục mọt. Vì để tránh cho gỗ bị phá hoại côn trùng và nấm mốc, mà thường dùng biện pháp sơn quét lên bề mặt gỗ hoặc đem chất bảo quản xử lý ngâm tẩm... nhằm đạt được tác dụng chống mục. Gỗ là vật liệu quan trọng trong đời sống dân sinh cũng như trong kiến thiết của nhà nước. Gỗ được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quốc phòng, tàu thuyền, giao thông, dệt, xây dựng nhà cửa kiến trúc, cầu, đường sắt, hầm mỏ, bến cảng, âm nhạc, đồ mộc,…. Gỗ hay gỗ nhân tạo đều là các hợp chất hữu cơ được tổ thành bởi cacbon, hydro, oxy, chúng đều có khả năng cháy. Nếu đem mức độ nguy hiểm bắt lửa của các loại vật chất phân thành 5 cấp A, B, D, E, G thì gỗ thuộc cấp D, nó là hợp chất hữu cơ có thể cháy có tính nguy hiểm gây cháy. Còn cấp A và B là các chất nguy hiểm có nguy cơ tương đối lớn gây cháy. Cấp E và G là khó cháy và không cháy. Vật liệu dùng trong kiến trúc thông thường chia làm 3 loại: Có thể cháy, khó cháy và không cháy, gỗ thuộc vật liệu có thể cháy . Tính chịu lửa của công trình kiến trúc phân thành 3 cấp, chịu lửa của cấp 1, thời hạn là 1.5giờ, cấp 2 là 1.0giờ, cấp 3 là 0.5giờ. Nhà gỗ tường gạch thuộc về cấp 3 của công trình kiến trúc chịu lửa. Nói gỗ có thể cháy, cũng chính là nó có thể dẫn đến hoả hoạn hoặc làm cho ngọn lửa bùng phát mở rộng. Theo báo cáo tại Mỹ có 21% vụ hoả hoạn là 141
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n do dẫn đến từ nguồn celluloze, giấy, gỗ, đại bộ phận hoả hoạn là nhà ở, trong đó 70% là nhà kết cấu gỗ. Theo báo cáo của sở phòng hoả Đông Kinh, Nhật Bản thì trong các vụ cháy cửa hàng ăn năm 1982 thì số lượng người chết và bị thương có quan hệ trực tiếp đến sự cháy của đồ mộc và gỗ. (a) Đốt cháy gỗ: Cháy là phản ứng hoá học chỉ vật bị oxy hoá giải phóng nhiệt năng đồng thời có khói hoặc ngọn lửa, cuối cùng biến thành vật chất khác. Đồng thời với quá trình này kéo theo sự biến đổi về vật chất và sự biến đổi về vật chất và sự chuyển hoá năng lượng. Đốt cháy gỗ có thể phân thành 4 dạng hình thái: Cháy tự nhiên, cháy có ngọn, cháy có khói và cháy độ cao (1) Cháy tự nhiên: Gỗ trong tình trạng không có tác dụng của nguồn lửa bên ngoài do chịu nhiệt hoặc do phản ứng phát nhiệt của bản thân đồng thời tích trữ mà dẫn đến sự cháy. Phản ứng phát nhiệt tự nhiên của gỗ chủ yếu là các chất chích của rượu dưới tác dụng oxy hoá, sự gia nhiệt lâu dài ở nhiệt độ thấp, lignin đóng vai trò rất lớn trong tác dụng này. (2) Cháy có ngọn lửa: Tiến hành phát quang của gỗ là một bước quan trọng trong quá trình nhiệt phân gỗ. Khi vật chất nhiệt giải thứ cấp hỗn hợp với không khí để hình thành hỗn hợp khí dễ cháy nếu bị dẫn lửa và cháy giải phóng một lượng nhiệt lớn đồng thời phát ra ánh sáng, nhiệt lượng phát ra với sự cháy có ngọn đều lớn hơn so với cháy có khói và cháy đổ, chiếm khoảng trên 2/3 tổng nhiệt lượng của gỗ giá trị vào khoảng 12.5 MJ/kg. Bốn yếu tố để duy trì sự cháy có ngọn là: Vật dễ cháy, nhiệt độ nhiệt giải, O2 và phản ứng chuỗi của quá trình cháy. Vật chất để du trì quá trình cháy này là cellulose đặc biệt là chất hữu cơ thu được của quá trình nhiệt giải chiếm đến 70 - 90% và dầu gỗ (3) Cháy có khói: Khi gỗ cháy trong tình trạng không phát ra ánh sáng mà thông thường lại có khói do sự cháy thoát ra. 142
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n (4) Cháy nhiệt độ cao: Gỗ ở trạng thái thể rắn mà có sự cháy lại không có lửa, khói, do đó còn được gọi là sự cháy không có lửa khói. Sự cháy này phát sinh sau khi có sự cháy có ngọn, có ánh sáng, nhưng thông thường không có không có khói và không có ngọn (khi O2 cháy thì có khói màu trắng). Vật chất để duy trì sự cháy này chủ yếu là lignin, còn có tàn dư than của cellulose. Sự cháy này cần phải có 3 yếu tố: Vật có thể cháy, nhiệt độ nhiệt giải và O2. Tốc độ cháy của loại cháy này chậm chạp, sự giải phóng nhiệt của nó cũng ít hơn so với cháy có ngọn. Gỗ là loại dễ cháy cho than hoa, dựa vào sự cháy có ngọn có thể làm than hoá bề mặt của vật liệu tại đây đã sinh ra hiện tượng cháy, do đó gọi là cháy đốt bề mặt. Sự khác nhau giữa cháy độ cao và cháy có khói là: Loại trước là phản ứng oxy hoá của lượng than tàn dư trong điều kiện có đủ oxy cung cấp, nó không thành ngọn lửa và khói, còn loại sau là tất cả các thành phần của gỗ đều sinh ra khói mà chưa kịp cháy. Sự đốt cháy của than gỗ chính là sự cháy độ cao. (b) Thuật ngữ chuyên môn của sự cháy gỗ (1) Cháy om: Trong điều kiện thí nghiệm, quy định sau khi chấm dứt cháy có ngọn hoặc nguồn cháy có ngọn được cách ly thì vật liệu vẫn duy trì sự cháy không có ngọn. (2) Thời gian cháy om: Trong điều kiên thí nghiệm quy định khi cháy có ngọn kết thúc hoặc nguồn cháy có ngọn được cách ly thời gian của sự cháy tiếp tục được duy trì của vật liệu, còn được gọi là kỳ cháy om (3) Ngọn lửa: Là khu vực cháy tưởng khí phát quang (4) Lửa sáng: Ngọn lửa trong quá trình duy trì từ sau khi xuất hiện. (5) Bắt lửa: Dùng hoặc không dùng nguồn nhiệt bên ngoài mà làm cho gỗ bị cháy. 143
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n (6) Đốt lửa: Làm cho tác dụng cháy bắt đầu cũng gọi là đốt hoặc châm ngòi cho quá trình cháy. (7) Nhiệt độ dẫn cháy: Trong điều kiện thí nghiệm quy định nhiệt độ làm cho gỗ bắt đầu duy trì sự cháy cũng còn gọi là nhiệt độ bắt lửa. (8) Chỉ số O2 giới hạn: Trong điều khí thí nghiệm quy định là lượng nồng độ oxy thấp nhất trong hỗn hợp O2, N2 vừa đủ để duy trì trạng thái cháy, biểu diễn bằng số % cũng được gọi là chỉ số O2. (9) Dung dịch chống cháy: Dung dịch chống cháy là dung dịch hoá chất dùng để cải thiện sự chống cháy của vật liệu. (10) Xử lý chống cháy: Xử lý chống cháy là quá trình hoá học nhằm cải thiện sự chống cháy của vật liệu. Phương pháp xử lý chống cháy gỗ thông thường phân thành 2 loại: 1. Phương pháp xử lý bề mặt Phương pháp xử lý bề mặt là dùng dung dịch chậm cháy hoặc các vật liệu chậm cháy được bôi quét lên bề mặt gỗ, hoặc lấy các vật liệu chống cháy liên kết dán dính lên bề mặt gỗ. Phương pháp xử lý bề mặt chủ yếu dùng để xử lý thành phẩm của gỗ. Chất phủ chậm cháy là bản thân nó không cháy, dưới tác dụng lâu dài của ngọn lửa không bị phá hoại dẫn nhiệt kém, đó là một số hoá chất phối hợp để chế tạo thành. Gỗ hoặc các sản phẩm gỗ sau khi được xoa quét lên bề mặt một lớp chống cháy làm cho cách ly khỏi nguồn nhiệt phòng ngừa sự tiếp xúc với oxy và sự phân giải của gỗ thành chất khí nhằm giàm bớt tính cháy của gỗ. Phương pháp xử lý bề mặt đơn giản, kinh tế và cũng có thể xử lý một mặt, đó là những ưu điểm của nó, nhưng còn phải khống chế lượng hoá chất chống cháy nghiêm khắc. Có như vậy mới đạt được hiệu quả chống cháy đã định. Mặt khác gỗ được xử lý bằng phương pháp này lớp mặt dễ bị mài mòn ảnh hưởng đến hiệu quả chống cháy. 2. Phương pháp ngâm tẩm hoá học 144
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n Phương pháp ngâm tẩm hoá học là đem chất chống cháy bơm thấm vào bên trong gỗ hoặc tác dụng phản ứng với thành phần gỗ. Phương pháp này chủ yếu để xử lý gỗ xẻ, gỗ hộp và gỗ ván. Mà tác dụng chống cháy chủ yếu được thể hiện ở việc làm chậm nâng cao nhiệt độ của gỗ khi bắt lửa giảm bớt tốc độ lây lan của ngọn lửa. Phương pháp ngâm tẩm hoá học được phân thành: Phương pháp áp lực và thường áp. a) Phương pháp ngâm thường Phương pháp ngâm thường áp lực được phân thành phương pháp ngâm và phương pháp nóng lạnh. (1) Phương pháp ngâm Phương pháp ngâm là dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ trong phòng, hoặc có gia nhiệt. Đem gỗ ngâm vào dung dịch chống cháy có nồng độ thấp làm cho gỗ làm cho gỗ thấm hút chất chống cháy. Thời gian quyết định bởi lượng chất chống cháy cần phải thấm vào và tính chất của gỗ để quyết định. Phương pháp ngâm để chống cháy cho gỗ đơn giản, giá thành hạ, thích hợp với ván mỏng hoặc các loại gỗ có tính thấm tốt, phương pháp ngâm tẩm thường áp cũng có thể tiến hành làm đi làm lại nhiều lần hoặc phun quét để thay thế. (2) Phương pháp ngâm tẩm nóng lạnh Phương pháp ngâm tẩm nóng lạnh được phát minh năm 1967 do Seeleif C.A người Mỹ. Do hiệu quả của nó tương đối tốt nên đến nay vẫn còn được sử dụng. Phương pháp này là phương pháp xử lý có hiệu quả nhất trong phương pháp xử lý thường áp. Nguyên lý của phương pháp này là đem gỗ đặt vào dung dịch chống cháy được gia nhiệt ở điều kiện thường áp trong nhiều giờ tuỳ thuộc sự tăng cao nhiệt độ bên trong gỗ mà lượng không khí bên trong gỗ giãn nở, từ đó mà áp lực khí trong lòng gỗ cao hơn áp lực bên ngoài, lúc này nhanh chóng đem gỗ xử lý nhúng vào dung dịch chất chống cháy nguội, do sự lạnh đột ngột không 145
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n khí trong gỗ bị co lại, trong lòng gỗ xuất hiện chân không cục bộ, dựa vào sự chênh lệch áp suất giữa bên trong gỗ và dung dịch chống cháy mà dung dịch chống cháy bị thấm hút vào bên trong. 3. Chất chống cháy gỗ a. Điều kiện cơ bản của dung dịch chống cháy gỗ Dung dịch chống cháy lý tưởng cần có những điều kiện dưới đây. [1] Vừa có khả năng ngăn ngừa cháy lại có thể ức chế cháy có ngọn. [2] Bản thân chất chống cháy không độc, không ô nhiễm mà nhiệt phân trong quá trình cháy sinh ít khói, độ độc thấp, không có tính kích thích. [3] Nó phải không ăn mòn đối với gỗ cũng như các chi tiết liên kết gỗ, không có ảnh hưởng xấu khi tái gia công đối với gỗ đã xử lý. [4] Không làm giảm bớt tính cơ lý của gỗ được xử lý, đặc biệt là tính hút nước và cường độ của nó. [5] Chất chống cháy tan trong nước phải có độ hoà tan cao. Nếu dung dịch thuốc không thể trựch tiếp được ứng dụng thì có thể pha chế dễ dàng. [6] Không độc hại với người, sử dụng tiện lợi, giá rẻ. [7] Chất chống cháy không được là nguồn trợ giúp cho sự phá hoại của nấm mốc. Riêng một loại chất chống cháy nào đó khó mà đạt được tất cả các yêu cầu nói trên, cho nên dung dịch chống cháy thông thường do một chất làm chủ, chất trợ giúp chất điều chỉnh độ nhớt, chất làm ẩm, phòng mục, phòng mối, thông qua những chất này mà phối hợp thành, từ đó phát huy được hiệu quả của các loại kể trên. b. Thành phần dung dịch chống cháy gỗ + Dung dịch chống cháy chủ đạo Nó là thành phần chủ yếu có tác dụng chống cháy trong đơn, nó phải chiếm 20-30% tổng lượng. Trước mắt trong nước và nước ngoài vẫn lấy chất vô cơ làm chính. 146
Bé m«n C«ng nghÖ XÎ – Méc Khoa ChÕ biÕn L©m s¶n (1) Dung dịch chống cháy lấy gốc photpho-nitơ (P-N) Chất chống cháy photpho-nitơ còn gọi là họ chống cháy P-N. Nó bao gồm các loại muối photpho trùng hợp và muối amonium. Họ nhà chất chống cháy này gồm 3 loại nguyên tố là photpho, Nitơ và oxy. Trong đó photpho, nitơ có tác dụng chống cháy, do 2 loại nguyên tố photpho và nitơ trong dung dịch chống cháy gỗ đóng vai trò tích cực làm cho tính chất cơ bản chống cháy được nâng cao, do đó mà nó là họ chống cháy có hiệu quả tốt nhất. Trong muối photpho thì hiệu quả chống cháy tốt nhất là (NH)2HPO4. Họ P-N trong quá trình nhiệt phân phân giải thành một lượng lớn thể tích không khí như Amoniac và hơi nước, từ đó mà làm giảm nồng độ của các chất khí dễ cháy do gỗ phân giải ra, vì vậy nó có tác dụng kéo dài sự bắt lửa, làm chậm quá trình cháy, bản thân nó còn có tác dụng tụ hợp để sinh thành acid. Acid photpho là một loại xúc tác phân giải nước rất mạnh mà giưới điều kiện nhiệt độ cao rất ổn định, khó bay hơi, ở trong nhiệt độ cao đến 8600C nó vẫn ở trạng thái lỏng, nó có đặc tính của một acid mạnh, tính phản ứng cao. Acid photpho tụ hợp có thể làm cho các chất khác (chủ yếu là cellulose và hemycellulose trong gỗ) bị mất nước mà than hoá, từ đó làm thay đổi nhiệt phân gỗ dễ trở thành các chất khí dễ bay hơi và dễ cháy mà kết quả là nhanh chóng bị than hoá bề mặt gỗ. Mà hệ số dẫn nhuệt của lớp than hoá chỉ vào khoảng 1/3-1/4 của gỗ, tốc độ truyền nhiệt cũng được giảm đi rõ rệt, sự sản sinh các chất khí dễ cháy bị chậm lại hay ngừng hẳn, như vậy nó đã ức chế được sự phân giải nhiệt ở lớp trong. Ngoài ra các chất tụ hợp còn có thể hình thành một lớp chất lỏng như thuỷ tinh chịu nhiệt độ cao bao bọc lên bề mặt, 1300C 3NH4H2PO4 H2P2O7 + HPO + NH3 + H O ∆ ệt và cách ly nguồn3 không khí của 2 đóng vai trò cách ly nguồn nhi môi trường ∆ xung quanh. Dưới đây đưa ra một sốHPOn)x ng + ụ thể như sau: ( phả ứ c nhiệt x(HPO )3 3 Trong đó: (HPO3)x700C là axit photphoric tụ hợp chính (NH4)2HPO4 NH4H2PO2 + NH3 H + ∆ Cell - OH Cell - O Cell+ H Cellulose H + Sắp xếp lại + H2O147 Hemicell - OH + H + Hemicell - O Phân tử H Hemicell (ion) Hemicellulose (ion) + +