Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:193

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ" được nghiên cứu nhằm có được những căn cứ khoa học xác đáng, thúc đẩy những nghiên cứu khoa học và thực tiễn về phát triển công nghệ xử lý nhiệt nói chung và xử lý nhiệt – cơ nói riêng cho ngành Công nghệ gỗ, mở rộng phạm vi và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu, đa dạng hóa loại hình sản phẩm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT Bang bieu Error! No text of specified style in document..1 TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ TUYÊN ĐỘ BỀN SINH HỌC CỦA GỖ SA MỘC (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) XỬ LÝ BẰNG PHƢƠNG PHÁP NHIỆT - CƠ Ngành: Kỹ thuật Chế biến Lâm sản Mã số: 9549001 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Phạm Văn Chƣơng 2. TS. Vũ Kim Dung Hà Nội – 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sỹ kỹ thuật: “Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ” mã số 9549001 là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức. Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng bảo vệ luận án Tiến sĩ về lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày….tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Tuyên Xác nhận duyệt luận án của ngƣời hƣớng dẫn Ngƣời hƣớng dẫn 1 Ngƣời hƣớng dẫn 2 GS. TS. Phạm Văn Chƣơng TS. Vũ Kim Dung
ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hoàn thành luận án Tiến sĩ mang tên “Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ” mã số 62.540.301, Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn GS.TS. Phạm Văn Chương, TS. Vũ Kim Dung đã tận tình hướng dẫn và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị khoa học và thực tiễn để tôi hoàn thành Luận án. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Viện Công nghiệp gỗ và Nội thất, Trung tâm Thí nghiệm và Phát triển công nghệ, Thư viện, các thầy cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp đã tận tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Lâm nghiệp và các thầy cô trong khoa Lâm nghiệp trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi trong thời gian tôi thực hiện Luận án. Tôi xin cảm ơn Viện nghiên cứu công nghiệp rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong thời gian tôi thực hiện Luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, lòng biết ơn tới toàn thể người thân trong gia đình, đồng nghiệp đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày…..tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Tuyên
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………..……………………………vi DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………...……vii DANH MỤC CÁC HÌNH…………………………………………….…..……..….ix TRANG THÔNG TIN VỀ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN…….xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 3 1.1. Khái niệm xử lý gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ ................................................................ 3 1.2. Tổng quan về nghiên cứu xử lý gỗ bằng phương pháp nhiệt – cơ ..................................... 4 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước............................................................. 4 1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ........................................................ 11 1.3. Nghiên cứu về ảnh hưởng của xử lý nhiệt – cơ đến độ bền sinh học của gỗ .................. 15 1.3.1. Nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng của xử lý nhiệt - cơ đến độ bền sinh học của gỗ ................................................................................................. 15 1.3.2. Nghiên cứu tại Việt Nam về ảnh hưởng của xử lý gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ đến độ bền sinh học của gỗ ..................................................... 18 1.4. Kết luận rút ra từ tổng quan.................................................................................................... 19 1.4.1. Ưu nhược điểm của xử lý nhiệt - cơ ....................................................... 19 1.4.2. Các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của xử lý nhiệt-cơ đến độ bền sinh học của gỗ ................................................................................................. 20 1.4.3. Khoảng trị số (nhiệt độ, thời gian, tỷ suất nén) các công trình đã công bố ...................................................................................................................... 21 1.4.4. Định hướng nghiên cứu của luận án ....................................................... 21 1.4.5. Cách tiếp cận nghiên cứu ....................................................................... 22 1.4.6. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 22
iv Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYỂT ........................................................................... 24 2.1. Lý thuyết về gỗ ........................................................................................................................ 24 2.1.1. Cấu trúc của gỗ ....................................................................................... 24 2.1.2. Thành phần hóa học của gỗ .................................................................... 26 2.2. Lý thuyết về xử lý nhiệt - cơ .................................................................................................. 33 2.2.1. Các chuyển hoá trong gỗ khi xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ ......... 33 2.2.2. Sự biến đổi thành phần hóa học và ảnh hưởng của nó đến tính chất gỗ xử lý nhiệt ........................................................................................................ 34 2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ ................................................................................................................... 36 2.3. Mốt số yếu tố ảnh hưởng của xử lý nhiệt – cơ đến độ bền sinh học của gỗ.................... 38 2.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền sinh học của gỗ ............................. 38 2.3.2. Ảnh hưởng của tỷ suất nén đến độ bền sinh học của gỗ ....................... 40 2.4. Nấm hại gỗ ............................................................................................................................... 40 2.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của nấm ............... 40 2.4.2. Phân loại nấm ......................................................................................... 42 2.4.3. Một số loại nấm hại gỗ ........................................................................... 43 2.4.4. Hệ enzym thủy phân của nấm ................................................................ 48 2.5. Tổng quan về mối.................................................................................................................... 49 2.5.1. Đặc tính sinh vật học của mối ................................................................ 49 Chƣơng 3. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................... 52 3.1. Nội dung nghiên cứu............................................................................................................... 52 3.1.1. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến độ bền sinh học của gỗ Sa mộc .................................................................................................................. 52 3.1.2. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt - cơ đến một số tính chất vật lý, cơ học của gỗ Sa mộc ............................................................................................ 52 3.2. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................................................. 53 3.2.1. Chủng nấm.............................................................................................. 53 3.2.2. Mẫu gỗ .................................................................................................... 53 3.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................ 53
v 3.3.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm .................................................... 54 3.3.2. Các bước thực nghiệm ............................................................................ 55 3.3.3. Kiểm tra tính chất vật lý và cơ học của gỗ sau khi xử lý nhiệt – cơ ...... 59 3.3.4. Phương pháp xác định khả năng kháng nấm mục của gỗ sau khi xử lý nhiệt – cơ .......................................................................................................... 62 3.3.5. Phương pháp xác định khả năng kháng nấm biến màu trong điều kiện phòng thí nghiệm .............................................................................................. 68 3.3.6. Phương pháp xác định khả năng chống mối của gỗ Sa mộc sau khi được xử lý nhiệt – cơ ........................................................................................ 68 3.3.7. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu ................................................... 70 Chƣơng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 71 4.1. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến độ bền sinh học của gỗ Sa mộc................. 71 4.1.1. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khả năng kháng nấm mục trắng của gỗ Sa mộc ......................................................................................... 71 4.1.2. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khả năng kháng nấm mục nâu của gỗ Sa mộc ............................................................................................ 88 4.1.3. Ảnh hưởng của các thông số xử lý nhiệt - cơ đến khả năng kháng nấm biến màu của gỗ Sa mộc ................................................................................... 95 4.1.4. Thành phần hóa học của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ ……………….101 4.1.5. Thành phần hóa học của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ sau khi thử nghiệm với nấm…………………………….………………………………………..104 4.1.6. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khả năng kháng mối của gỗ Sa mộc .................................................................................................. 109 4.2. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến một số tính chất vật lý của gỗ Sa mộc....111 4.2.1. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến độ ẩm của gỗ Sa mộc ..... 112 4.2.2. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khối lượng riêng của gỗ Sa mộc ................................................................................................................. 115 4.2.3. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khả năng chống hút nước của gỗ Sa mộc ................................................................................................. 119 4.3. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến một số tính chất cơ học của gỗ Sa mộc..123
vi 4.3.1. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến độ bền nén dọc của gỗ Sa mộc ................................................................................................................ 123 4.3.2. Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt – cơ đến độ bền uốn tĩnh của gỗ Sa mộc ................................................................................................................. 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................... 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 136 PHỤ LỤC
vii BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ASTM American Society for Testing and Materials /Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ ASE Khả năng chống trương nở % BĐ Ban đầu C(%) Hàm lượng cellulose % ĐC Đối chứng H Tỷ 1ệ tổn hao khối lượng của mẫu theo công thức % m Khối lượng g MOR Độ bền uốn tĩnh MPa MC Độ ẩm % OHT Gỗ xử lý nhiệt bằng dầu (Oil-Heat treated Wood) PDA Potato Dextrose Agar SD Độ lệch chuẩn Tép Thời gian ép Phút/mm chiều dày o Tg Nhiệt độ chuyển trạng thái C TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Thí nghiệm WRE Khả năng chống hút nước  Khối lượng riêng g/cm3  Độ bền nén dọc thớ MPa
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thông số cấu tạo của gỗ Sa mộc [2] ........................................................... 9 Bảng 1.2. Một số tính chất vật lý, cơ học, hóa học của gỗ Sa mộc [2] ...................... 9 Bảng 2.1. Phân loại nấm hại gỗ theo đặc tính gây hại .............................................. 43 Bảng 3.1. Các thông số thực nghiệm với 3 yếu tố ảnh hưởng đến biến tính nhiệt – cơ ................................................................................................................... 55 Bảng 3.2. Tiêu chuẩn kiểm tra .................................................................................. 59 Bảng 4.1. Tỷ lệ hao hụt khối lượng trung bình của gỗ khi thử nghiệm với nấm ...... 72 Lentinula edodes ....................................................................................................... 72 Bảng 4.2. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến tỷ lệ hao hụt khi thử nghiệm với Nấm Lentinula edodes .................................................. 73 Bảng 4.3. Tỷ lệ hao hụt khối lượng trung bình của gỗ khi thử nghiệm với nấm Ganoderma lucidum .................................................................................................. 76 Bảng 4.4. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến tỷ lệ hao hụt khi thử nghiệm với Nấm G. lucidum ............................................................ 77 Bảng 4.5. Tỷ lệ hao hụt khối lượng trung bình của gỗ khi thử nghiệm với nấm Trametes versicolor ................................................................................................... 80 Bảng 4.6. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến tỷ lệ hao hụt khi thử nghiệm với Nấm Trametes versicolor ............................................. 81 Bảng 4.7. Tỷ lệ hao hụt khối lượng mẫu gỗ sau thử nghiệm với nấm mục nâu (Coniophora puteana M1) ........................................................................................ 89 Bảng 4.8. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến tỷ lệ hao hụt khi thử nghiệm với Nấm mục nâu ................................................................ 90 Bảng 4.9. Tỷ lệ mốc của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ khi thử nghiệm với nấm A. niger .......................................................................................................................... 96 Bảng 4.10. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến tỷ lệ biến màu khi thử nghiệm với A. niger................................................................... 97 Bảng 4.11. Kết quả phân tích thành phần hóa học các mẫu gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ .......................................................................................................................... 100
ix Bảng 4.12. Kết quả phân tích thành phần hóa học các mẫu gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ trước và sau thử nghiệm với nấm mục trắng ...................................................... 103 Bảng 4.13. Thành phần hóa học mẫu gỗ sau phơi nhiễm nấm C. puteana ............. 106 Bảng 4.14. Kết quả thử khả năng kháng mối của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt - cơ ....... 109 Bảng 4.15. Độ ẩm của gỗ Sa mộc sau khi xử lý nhiệt - cơ ..................................... 112 Bảng 4.16. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng độ ẩm gỗ ............................................................................................................................. 113 Bảng 4.17. Khối lượng riêng của gỗ Sa mộc sau khi xử lý nhiệt - cơ .................... 116 Bảng 4.18. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến khối lượng riêng của gỗ .......................................................................................... 117 Bảng 4.19. Khả năng chống nước của gỗ Sa mộc sau khi xử lý nhiệt - cơ ............ 120 Bảng 4.20. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến khả năng chống hút nước của gỗ ................................................................................... 122 Bảng 4.21. Độ bền nén dọc thớ của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ ............................ 124 Bảng 4.22. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến độ bền nén dọc thớ của gỗ ............................................................................................ 125 Bảng 4.23. Độ bền uốn tĩnh của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt – cơ .................................. 128 Bảng 4.24. Kết quả phân tích ANOVA tối ưu hoá chế độ xử lý ảnh hưởng đến độ bền uốn tĩnh của gỗ ................................................................................................. 129
x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Các loại tế bào có trong gỗ ........................................................................ 24 Hình 2.2. Cấu trúc của các tế bào ống (tracheids) .................................................... 25 Hình 2.3. Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ .................................................... 27 Hình 2.4. Phân tử cellulose ....................................................................................... 28 Hình 2.5. Sự biến đổi thành phần hóa học và ảnh hưởng đến tính chất gỗ xử lý nhiệt ........................................................................................................................... 35 Hình 2.6. Các giai đoạn phát triển của nấm mục nâu ............................................... 44 Hình 2.7. Các giai đoạn phát triển của nấm mục trắng ............................................. 46 Hình 2.8. Một số loại enzym ligninase ..................................................................... 48 Hình 2.9. Quá trình phân giải cellulose của cellulase ............................................... 49 Hình 3.1. Sơ đồ thực nghiệm xử lý gỗ Sa mộc bằng phương pháp nhiệt - cơ .......... 55 Hình 3.2. Máy ép nhiệt BYD 113 ............................................................................. 57 Hình 3.3. Biểu đồ ép gỗ Sa mộc bằng phương pháp nhiệt - cơ ................................ 58 Hình 3.4. Mẫu thí nghiệm ......................................................................................... 58 Hình 3.5. Thiết bị chụp ảnh SEM ............................................................................. 64 Hình 3.6. Hệ thống chiết hồi lưu Soxhlet.................................................................. 66 Hình 4.1. Mẫu gỗ Sa mộc thử nghiệm trên đối tượng nấm Lentinula edodes .......... 71 Hình 4.2. Biểu đồ tương quan giữa các thông số xử lý nhiệt – cơ đến tỷ lệ hao hụt khối lượng khi thử nghiệm với nấm Lentinula edodes ............................................. 74 Hình 4.3. Mẫu gỗ Sa mộc thử nghiệm trên đối tượng nấm Ganoderma lucidum ... 75 Hình 4.4. Biểu đồ tương quan giữa các thông số xử lý nhiệt – cơ đến tỷ lệ hao hụt khối lượng khi thử nghiệm với nấm Ganoderma lucidum ........................................ 78 Hình 4.5. Mẫu gỗ Sa mộc thử nghiệm trên đối tượng nấm Trametes versicolor .... 79 Hình 4.6. Biểu đồ tương quan giữa các thông số xử lý nhiệt – cơ đến tỷ lệ hao hụt khối lượng khi thử nghiệm với nấm Trametes versicolor......................................... 82 Hình 4.7. Gỗ Sa mộc đối chứng và qua xử lý nhiệt - cơ khi tiếp xúc với L. edodes 87 Hình 4.8. Gỗ Sa mộc đối chứng và qua xử lý nhiệt – cơ khi tiếp xúc với G.
xi lucidum ...................................................................................................................... 87 Hình 4.9. Gỗ Sa mộc đối chứng và qua xử lý nhiệt – cơ khi tiếp xúc với T. versicolor ................................................................................................................... 87 Hình 4.10. Mẫu gỗ Sa mộc thử nghiệm với nấm mục nâu C. puteana M1 sau 4 tháng .......................................................................................................................... 88 Hình 4.11. Biểu đồ tương quan giữa các thông số xử lý nhiệt – cơ đến tỷ lệ hao hụt khối lượng khi thử nghiệm với nấm mục nâu ........................................................... 92 Hình 4.12: Hình ảnh cấu tạo gỗ Sa mộc biến tính quan sát được dưới kính hiển vi điện tử sau 4 tháng tiếp xúc với C. puteana M1 ....................................................... 94 Hình 4.13. Sự phát triển của nấm A. niger trên bề mặt các mẫu gỗ DC, TN9, TN10 sau 4 tháng thử nghiệm ............................................................................................. 95 Hình 4.14. Biểu đồ tương quan giữa các thông số xử lý nhiệt – cơ gỗ Sa mộc đến tỷ lệ biến màu khi thử nghiệm với nấm mốc............................................................. 98 Hình 4.15. Chất chiết xuất (alcohol-benzene) thu được của mẫu ........................... 102 Hình 4.16. Mẫu thí nghiệm khả năng kháng mối của gỗ Sa mộc xử lý nhiệt - cơ . 110 Hình 4.17. Đồ thị ảnh hưởng của tham số xử lý nhiệt – cơ đến độ ẩm của gỗ ....... 115 Hình 4.18. Biểu đồ tương quan giữa chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khối lượng riêng của gỗ Sa mộc ......................................................................................................... 119 Hình 4.19. Biểu đồ tương quan giữa tham số xử lý nhiệt – cơ đến WRE của gỗ Sa mộc .......................................................................................................................... 123 Hình 4.20. Biểu đồ tương quan giữa tham số xử lý nhiệt – cơ đến độ bền nén dọc thớ của gỗ Sa mộc ................................................................................................... 127 Hình 4.21. Biểu đồ tương quan giữa tham số xử lý nhiệt – cơ đến độ bền uốn tĩnh của gỗ Sa mộc ......................................................................................................... 131
xii TRANG THÔNG TIN VỀ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN I) Thông tin chung: - Tên đề tài luận án và cơ sở đào tạo + Tên đề tài luận án: “Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ” + Tên cơ sở đào tạo: Trường Đại học Lâm nghiệp - Nghiên cứu sinh + Họ tên NCS: Nguyễn Thị Tuyên + Khóa đào tạo NCS: 2017 - 2021 + Ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản; Mã số: 9549001 - Người hướng dẫn khoa học: + Họ tên người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: Phạm Văn Chương; Chức danh KH: GS, học vị: Tiến sĩ; Hướng dẫn 2: Vũ Kim Dung; học vị: Tiến sĩ + Đơn vị công tác: Trường Đại học Lâm nghiệp. II) Những đóng góp mới về mặt học thuật, lý luận của luận án: - Về mặt học thuật Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số xử lý nhiệt – cơ đến độ bền sinh học của gỗ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học, luận cứ lý thuyết về mối liên hệ giữa xử lý nhiệt- cơ với độ bền sinh học của gỗ. - Về mặt lý luận Việc nghiên cứu góp phần xây dựng được cơ sở khoa học về công nghệ biến tính gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ. Đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ biến tính nhiệt - cơ cho các loại gỗ mọc nhanh rừng trồng ở Việt Nam.
xiii - Những luận điểm mới rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận án: Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ bản chất sự ảnh hưởng của các yếu tố về chế độ xử lý nhiệt – cơ đến khả năng kháng một số loại nấm gây hại cho gỗ. Từ đó, sẽ là cơ sở khoa học cho việc nâng cao độ bền sinh học cho gỗ nói chung và cho gỗ Sa mộc nói riêng khi xử lý bằng phương pháp nhiệt – cơ. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Ngƣời hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh Hướng dẫn 1 Hướng dẫn 2 GS.TS. Phạm Văn Chƣơng TS. Vũ Kim Dung Nguyễn Thị Tuyên
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Gỗ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bởi đặc tính tuyệt vời của nó. Gỗ là vật liệu tự nhiên có bề ngoài thẩm mỹ, có thể tái chế, không độc hại và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, gỗ dễ bị thay đổi hình dạng, kích thước khi điều kiện khí hậu thay đổi và đễ bị phân hủy sinh học bởi các vi sinh vật và côn trùng. Một số phương pháp đã được áp dụng để cải thiện độ bền của gỗ bằng cách dùng các chất bảo quản có nguồn gốc hóa học. Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng hóa chất bảo quản hóa học đã bị hạn chế ở nhiều nước trên thế giới do lo ngại về môi trường. Do đó, một số phương pháp biến tính với mục đích bảo quản gỗ, nâng cao giá trị sử dụng cho gỗ gần đây đã được nghiên cứu và phát triển. Các công trình nghiên cứu gần đây đều hướng tới mục tiêu: Nâng cao độ bền của gỗ mà không cần sử dụng các chất có nguồn gốc hóa học; hướng tiếp cận tập trung vào sử dụng các chế phẩm bảo quản sinh học, công nghệ biến tính gỗ và xử lý nhiệt. Trong các phương pháp biến tính, xử lý nhiệt, nhiệt - cơ đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu phát triển và ứng dụng. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi xử lý nhiệt – cơ, dưới tác động của nhiệt độ cao một số thành phần trong gỗ biến đổi, khả năng hút nước trở lại giảm, làm giảm độ ẩm thăng bằng của gỗ từ đó tạo điều kiện bất lợi cho vi sinh vật và côn trùng gây hại. Mật độ gỗ có tác động rất lớn đến tính chất cơ lý của gỗ. Dưới tác dụng của lực ép cơ học làm cho khối lượng riêng của gỗ, độ cứng, độ nhẵn bề mặt được tăng lên rõ rệt. Mặt khác khi các lỗ mạch thu nhỏ lại cũng là yếu tố hạn chế sự xâm nhập và làm tổ của các loại côn trùng gây hại mà không cần dùng đến hóa chất phòng trừ. Khả năng kháng nấm, kháng côn trùng của gỗ xử lý đã được cải thiện, song cần tiếp tục nghiên cứu để xác định các thông số và quy trình hợp lý cho từng loại gỗ. Một căn cứ rất quan trọng nữa đó là các kết quả nghiên cứu trên thế giới về xử lý nhiệt – cơ còn cho thấy: xử lý nhiệt - cơ có ưu điểm nổi bật là quy trình thực hiện đơn giản nhưng hiệu quả bảo quản gỗ tương đương các phương pháp xử lý nhiệt khác.
2 Trên thế giới, phương pháp biến tính nói chung, phương pháp xử lý nhiệt – cơ nói riêng đã phát triển, ở Việt Nam xử lý nhiệt - cơ cho gỗ vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Vì thế để nâng cao chất lượng, sử dụng gỗ hợp lý với chi phí không lớn, không gây ô nhiễm môi trường, mục tiêu của hướng nghiên cứu lựa chọn một loại gỗ rừng trồng đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta với nhiều ưu điểm về tốc độ sinh trưởng, màu sắc, trữ lượng... để xử lý bằng phương pháp nhiệt – cơ. Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook.) là loài cây mọc nhanh, nhất là 20 năm đầu, thân thẳng. Là cây mọc tự nhiên ở miền Trung và Nam Trung Quốc từ độ cao 500-1800m so với mực nước biển. Ở Việt Nam có xuất hiện nhiều ở các tỉnh biên giới phía Bắc Việt Nam như: Hà Giang, Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn. Gỗ Sa mộc có màu vàng nhạt, thơm, nhẹ, dễ chế biến, thớ thẳng [1], gỗ được xếp vào loại gỗ có khả năng kháng nấm gây mục ở mức độ trung bình [87], [63]. Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt - cơ cho gỗ rừng trồng và tập trung đánh giá về độ bền cơ học, tính chất vật lý… Tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu sâu về độ bền sinh học của gỗ nói chung và gỗ Sa mộc nói riêng. Để có cơ sở cho những nghiên cứu về nâng cao độ bền tự nhiên của gỗ, việc nghiên cứu, phân tích bản chất mối quan hệ giữa chế độ xử lý nhiệt - cơ và độ bền sinh học của gỗ là mới và cần thiết. Với sự nâng cao nhận thức về môi trường, nhiều công trình nghiên cứu xử lý để kéo dài tuổi thọ của gỗ được thực hiện. Tuy nhiên, rất ít công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt - cơ cho gỗ Sa mộc. Đặc biệt mối quan hệ giữa chế độ xử lý nhiệt - cơ với độ bền sinh học của gỗ. Xuất phát từ những lý do trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Độ bền sinh học của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata Lamb. Hook) xử lý bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ”, nhằm có được những căn cứ khoa học xác đáng, thúc đẩy những nghiên cứu khoa học và thực tiễn về phát triển công nghệ xử lý nhiệt nói chung và xử lý nhiệt – cơ nói riêng cho ngành Công nghệ gỗ, mở rộng phạm vi và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu, đa dạng hóa loại hình sản phẩm.
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái niệm xử lý gỗ bằng phƣơng pháp nhiệt - cơ Xử lý gỗ bằng phương pháp nhiệt - cơ là kỹ thuật làm tăng mật độ hay nói cách khác là tăng khối lượng riêng của gỗ dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm và nén cơ học [26]. Trong quá trình nén ép, gỗ được gia ẩm, gia nhiệt để đạt trạng thái dẻo khi nhiệt độ gỗ lớn hơn trị số nhiệt độ chuyển trạng thái (Tg) sau đó được nén cơ học với mức độ nén nhất định. Yêu cầu của gỗ xử lý bằng phương pháp nhiệt - cơ là tăng độ bền cơ học, tăng độ ổn định kích thước song không làm phá huỷ cấu trúc gỗ và mức độ đàn hồi trở lại nhỏ nhất [67]. Như vậy, xử lý nhiệt - cơ học cũng là một giải pháp để chuyển đổi các loại gỗ mềm và xốp thành các loại cứng hơn và đặc hơn, có thể được sử dụng trong các trường hợp cần độ bền lớn hơn. Độ bền cơ học tăng cũng là yếu tố góp phần tăng độ bền sinh học. Kỹ thuật tăng khối lượng riêng của gỗ có hai phương thức: Tăng khối lượng riêng cho toàn bộ khối gỗ và tăng khối lượng riêng cho phần bề mặt của khối gỗ. Phương thức nén gỗ với mục tiêu chỉ tăng khối lượng riêng phần bề mặt đã được nhiều tác giả nghiên cứu thành công. Với công nghệ này, các loại gỗ có khối lượng riêng thấp sau khi nén tăng khối lượng riêng bề mặt, độ cứng, độ bền cơ học, độ nhẵn bề mặt được tăng lên rõ rệt. Sản phẩm gỗ nén ép bề mặt được sử dụng để sản xuất ván sàn, mặt bàn… [59]. Phương thức tăng khối lượng riêng cho toàn bộ khối gỗ được sử dụng tạo gỗ và sản phẩm gỗ dùng trong xây dựng, các chi tiết đồ mộc và nội thất chịu lực. Phương thức này có nhược điểm là tổn hao khối lượng gỗ lớn (lượng gỗ phôi/ lượng gỗ sau biến tính). Để khắc phục hiện tượng này, một số công trình nghiên cứu đã tạo gỗ ghép kết cấu tổ hợp, bằng cách dán ép các tấm gỗ nén lên bề mặt của tấm gỗ không nén ép, sản phẩm tạo ra có độ bền cơ học được cải thiện đáng kể trong khi khối lượng riêng trung bình của sản phẩm không quá cao.
4 1.2. Tổng quan về nghiên cứu xử lý gỗ bằng phƣơng pháp nhiệt – cơ Xử lý nhiệt - cơ giúp cải thiện đáng kể độ bền của gỗ. Đặc biệt gỗ xử lý nhiệt - cơ rất thân thiện với môi trường. Với những ưu điểm mà nó mang lại, xử lý nhiệt – cơ cho gỗ đã được các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam quan tâm nghiên cứu. 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Biến tính gỗ đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp tại nhiều nước trên thế giới. Các tham số chủ yếu của công nghệ biến tính nhiệt - cơ, gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, thời gian hoá dẻo và chế độ nén ép (nhiệt độ, tỷ suất nén, thời gian nén), chế độ xử lý sau nén (nhiệt độ, thời gian). 1.2.1.1. Nghiên cứu về hóa dẻo gỗ trước khi nén ép Nhiệt độ xử lý hoá dẻo cho gỗ là một tham số công nghệ quan trọng, để cấu trúc không bị phá huỷ khi nén ép gỗ phải được xử lý làm mềm, hoá dẻo tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ để chuyển trạng thái của gỗ từ đàn hồi (rắn) sang biến dạng dẻo. Quá trình chuyển hoá này phụ thuộc vào loại gỗ, độ ẩm gỗ và nhiệt độ xử lý [27]. Hillis W. E. và Rozsa A. N. (1978) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hoá dẻo gỗ Thông (Pinus radiata). Tác giả đã kết luận: Nhiệt độ gỗ khi được làm nóng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng rõ nét đến trị số Tg [48]. Adlam R. và cộng sự (2005) nghiên cứu công nghệ hoá mềm gỗ Thông (Pinus radiata) trên máy ép nhiệt. Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hoá mềm đến trị số nhiệt độ tại các lớp khác nhau theo chiều dày ván; khi hoá mềm tấm gỗ Thông có chiều dày 40 mm, thời gian hoá mềm 25 phút, nhiệt độ tại tâm tấm ván đạt 70 oC (tương đương với Tg của gỗ), khi đó bắt đầu quá trình nén ép [24]. Bruno Esteves và cộng sự (2007) đã chứng minh, ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ khi hấp gỗ lên cấu trúc tế bào không phải là lớn, không phá huỷ vách tế bào, song có tác động đến 2 thành phần chính của vách tế bào là lignin và hemicellulose. Sự phụ thuộc của tính chất vật liệu thành tế bào vào độ ẩm và nhiệt độ được thể hiện thông qua sự đàn dẻo của vật liệu [31].
5 Jiali Jiang và cộng sự (2009) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hấp đến một số tính chất của gỗ Sa mộc (Cunninghamia lanceolata). Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) Nhiệt độ tăng làm giảm khối lượng của mẫu. Khoảng 4% và 9% khối lượng bị mất do sự thoái hóa nhiệt xảy ra sau khi gia nhiệt đẳng hướng ở 180 oC và 200 oC trong 550 phút, làm cho độ cứng của gỗ giảm 35% và 85%. (2) Mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh gần như không thay đổi trong quá trình xử lý ở nhiệt độ ở 25 oC và 40 oC, trong khi ở nhiệt độ lớn hơn 60 oC, và kéo dài thời gian xử lý, trị số MOE giảm rõ rệt. (3) Nguyên nhân là do lignin được làm mềm và ở nhiệt độ cao hơn, sự mất mát polysaccharides vô định hình được coi là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dẻo của gỗ [50]. Kristiina Laine (2014) đã nghiên cứu quá trình hoá mềm gỗ cho mục đích nén lớp gỗ bề mặt. Tác giả cho rằng, ở điều kiện thường gỗ được coi là vật liệu cứng và dòn, nhưng khi tăng nhiệt độ hoặc tăng độ ẩm gỗ sẽ chuyển sang trạng thái dẻo và dão. Nhiệt độ chuyển trạng thái Tg của cellulose, hemicellulose và lignin là khác nhau. Tg của gỗ khi độ ẩm cao phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc lignin, đặc biệt phụ thuộc vào số lượng nhóm methoxyl có khả năng tham gia phản ứng [57] 1.2.1.2. Nghiên cứu tác động của quá trình nén ép đến tính chất cơ lý của gỗ Trong những năm gần đây, xử lý gỗ theo phương pháp nhiệt – cơ đã được nghiên cứu và dần thương mại hoá kết quả nghiên cứu. Parviz Navi và Fred Girardet (2005) Nghiên cứu làm đặc gỗ bằng phương pháp nhiệt – cơ. Mẫu gỗ gồm: Sồi, Vân sam và Thông, được nén ép theo hướng xuyên tâm dưới hơi bão hòa ở nhiệt độ 150 °C. Các nghiên cứu chỉ ra rằng xử lý gỗ theo phương pháp nhiệt - cơ, gỗ ít hút ẩm hơn và có các tính chất cơ lý vượt trội khi so sánh với gỗ chưa qua xử lý [68]. Oleksandr Skyba và cộng sự (2008) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ép tới chất lượng gỗ nén. Tác giả đã thực nghiệm cho 02 loại gỗ Vân sam Na Uy (Picea abies Karst.) và Dẻ gai (Fagus sylvatica L.), với 03 mức nhiệt độ 140 oC, 160 oC và 180 oC và thời gian ép 20 phút, tác giả đã chứng minh nhiệt độ nén ép ảnh hưởng rõ nét tới mức độ đàn hồi trở lại sau khi nén, ảnh hưởng đến độ cứng và
6 mô đun đàn hồi của gỗ. Ở nhiệt độ ép 180 oC, độ đàn hồi trở lại của gỗ sau nén ép là nhỏ nhất [71]. Andreja Kutnar và cộng sự (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ép, phương thức phun ẩm trong quá trình ép và thời gian phun ẩm đến độ đàn hồi trở lại của gỗ nén. Tác giả đã nghiên cứu nén ép cho gỗ Dương lai (Populus deltoides x Populus trichocarpa), đây là loại cây mọc nhanh có khối lượng thể tích thấp. Các mẫu được nén ép bằng cách nén cơ học dưới hơi bão hòa, hơi quá nhiệt ở nhiệt độ 150 oC, 160 oC và 170 °C. Ngoài ra, tác giả cũng nghiên cứu nén gỗ dưới điều kiện hơi nước bão hòa ở 170 °C, sau đó là xử lý sau khi gia nhiệt ở 200°C trong 1 phút, 2 phút và 3 phút để xác định ảnh hưởng của phương pháp nén đối với độ đàn hồi trở lại. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Các mẫu được nén dưới điều kiện hơi bão hòa bão có lượng phục hồi nhỏ nhất, trong khi các mẫu được nén dưới hơi quá nhiệt có lượng hồi phục lớn nhất ở tất cả các nhiệt độ được kiểm tra sau chu kỳ ngâm - sấy đầu tiên [25]. Todaro và cộng sự (2012) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tham số chế độ ép đến độ ổn định kích thước của gỗ Sồi. Tác giả đã thực nghiệm với 4 mức nhiệt độ ép 160 oC, 180 oC, 200 oC và 220 oC với 3 mức thời gian ép là 2 phút, 4 phút và 6 phút; các mẫu được nén ép với 2 mức tỷ suất nén là 20% và 40%. Tác giả đã kết luận: Đối với cả hai tỷ suất nén (20% và 40%), độ ổn định kích thước thấp nhất tương ứng với nhiệt độ 160 °C và thời gian ép là 2 phút [61]. Vasconcelos R.G và Del Menezzi C.H.S (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ép, thời gian ổn định áp suất đến độ bền cơ học và tính chất bề mặt của gỗ nén. Tác giả đã kết luận: Thay đổi nhiệt độ và áp suất ép theo 03 giai đoạn đã ảnh hưởng đến độ bền cơ học, độ ổn định kích đước, đổ ẩm thăng bằng và tính chất bề mặt của gỗ. So với phương pháp ép 02 giai đoạn áp suất (tăng và ổn định), độ đàn hồi trở lại sau khi ép giảm, độ ẩm thăng bằng giảm và góc tiếp xúc tăng [84]. Zeki Candan và cộng sự (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ép và áp suất ép đến tính chất gỗ sau xử lý nhiệt - cơ. Tác giả đã thực nghiệm với gỗ Dương (Populus spp.), các mẫu gỗ được hoá mềm và nén ép trong máy ép nhiệt với 2 mức nhiệt độ ép là 150 oC và 170 oC; với 2 mức áp suất ép là 1,0 MPa và 2,0 MPa