Nghiên cứu một số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ cây keo tai tượng (acacia mangium wild)
- 155 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
VŨ ĐÌNH THỊNH
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VÁN
COMPOSITE VỎ CÂY KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Wild)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nô ̣i, 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
VŨ ĐÌNH THỊNH
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VÁN
COMPOSITE VỎ CÂY KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Wild)
Chuyên ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản
Mã số : 9549001
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Vũ Huy Đại
2. PGS. TS Nguyễn Thị Bích Ngọc
Hà Nô ̣i, 2020
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu một số yếu tố
công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng (Acacia mangium Wild)” là
công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa
từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình
thức.
Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận án là có nguồn gốc và được trích
dẫn rõ ràng. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của
luận án.
Hà Nội, tháng 06 năm 2020
Nghiên cứu sinh
Vũ Đình Thịnh
ii
LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận án, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
hướng dẫn PGS. TS Vũ Huy Đại, PGS. TS Nguyễn Thị Bích Ngọc đã tận tình giúp
đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Nhân dịp này, Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám đốc Viện Khoa
học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Thư viện,
Chi ủy, lãnh đạo Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng, Bộ môn Chế biến lâm sản,
các đơn vị trực thuộc Viện, Ban Giám hiệu trường Đại học Lâm nghiệp, Viện Công
nghệ gỗ và nội thất, các Thầy, Cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm và tận
tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện, Trường.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới toàn thể gia đình và
những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần
cho tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, tháng 06 năm 2020
Nghiên cứu sinh
Vũ Đình Thịnh
iii
MỤC LỤC
Nội dung Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ix
BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................................ xii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 3
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .......................................................... 4
1.6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 4
1.7. Thời gian nghiên cứu .................................................................................... 5
1.8. Bố cục luận án .............................................................................................. 5
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 6
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite ......................................................... 6
1.1.1. Khái niệm vật liệu composite ................................................................ 6
1.1.2. Phân loại vật liệu composite .................................................................. 8
1.1.3. Các loa ̣i ván composite đươc̣ ta ̣o từ vỏ cây ............................................ 9
1.2. Tổ ng quan về tình hình nghiên cứu sử du ̣ng vỏ cây làm vâ ̣t liê ̣u composite 18
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước........................................................................ 18
1.2.2. Nghiên cứu trong nước ........................................................................ 21
1.3. Tiểu luận phần tổng quan vấn đề nghiên cứu ............................................ 222
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 244
iv
2.1. Vỏ cây ........................................................................................................ 24
2.1.1. Giới thiệu chung về vỏ cây .................................................................. 24
2.1.2. Cấu tạo của vỏ cây............................................................................... 24
2.1.3. Thành phần hóa học của vỏ cây ........................................................... 26
2.1.4. Tính chất nhiệt học của vỏ cây ............................................................ 30
2.1.5. Ảnh hưởng vỏ cây trong sản xuất ván nhân tạo.................................... 31
2.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của sợi ...................................................... 31
2.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tạo ván đến chất lượng ván vỏ cây 34
2.3.1. Ảnh hưởng của nguyên liệu gỗ đến chất lượng ván ............................. 34
2.3.2. Ảnh hưởng của chất kết dính ............................................................... 36
2.3.3. Ảnh hưởng của công nghệ ép .............................................................. 36
Chương 3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......... 38
3.1. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 38
3.2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu........................................................... 39
3.2.1. Phương pháp kế thừa ........................................................................... 39
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, thành phần hóa học, tính
chất vỏ cây Keo tai tượng (phương pháp nghiên cứu nội dung 1) .................. 39
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ tạo ván
composite vỏ cây đến tính chất ván composite vỏ cây (Phương pháp nghiên
cứu nội dung 2 và nội dung 3) ....................................................................... 46
3.2.4. Phương pháp xác định khả năng cách âm, cách nhiệt của ván composite
vỏ cây (Phương pháp nghiên cứu nội dung 4)................................................ 53
3.2.5. Phương pháp nghiên cứu nội dung 5 .................................................... 59
Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................... 60
4.1. Nghiên cứu đặc điểm vỏ cây Keo tai tượng ................................................ 60
4.1.1. Xác định đặc điểm cấu tạo vỏ cây Keo tai tượng ................................. 60
v
4.1.2. Xác định thành phần hóa học vỏ cây Keo tai tượng ............................. 68
4.1.3. Xác định tính chất vật lý vỏ cây Keo tai tượng .................................... 69
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ
cây không sử dụng chất kết dính đến tính chất ván composite vỏ cây ............... .71
4.2.1. Ảnh hưởng của chế độ ép đến khối lượng thể tích của ván composite vỏ
cây .............................................................................................................. ..74
4.2.2. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ trương nở chiều dày của ván
composite vỏ cây........................................................................................... 75
4.2.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ hút nước của ván composite vỏ cây .77
4.2.4. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền uốn tĩnh của ván composite vỏ cây
...................................................................................................................... 78
4.2.5. Ảnh hưởng của chế độ ép đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván
composite vỏ cây........................................................................................... 81
4.2.6. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền kéo vuông góc của ván composite
vỏ cây ........................................................................................................... 82
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ
cây theo tỷ lệ kết cấu ván có sử dụng chất kết dính đến tính chất ván composite
vỏ cây ................................................................................................................ 85
4.3.1. Ảnh hưởng của chế độ ép đến khối lượng thể tích của ván composite
theo tỷ lệ kết cấu ............................................................................................. 89
4.3.2. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ trương nở chiều dày sau 24h ván
composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau ......................................................... 91
4.3.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ hút nước sau 24h ván composite theo
tỷ lệ kết cấu khác nhau .................................................................................. 93
4.3.4. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền uốn tĩnh của ván composite theo
tỷ lệ kết cấu khác nhau .................................................................................. 96
vi
4.3.5. Ảnh hưởng của chế độ ép đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh ván composite
theo tỷ lệ kết cấu khác nhau .......................................................................... 98
4.3.6. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền kéo vuông góc với mặt ván của
ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau ................................................. 100
4.4. Nghiên cứu khả năng cách âm, cách nhiệt của ván composite vỏ cây trong
trường hợp có và không sử dụng chất kết dính ................................................ 106
4.4.1. Nghiên cứu xác định khả năng tiêu âm ván composite vỏ cây Keo tai
tượng........................................................................................................... 106
4.4.2. Nghiên cứu xác định khả năng cách nhiệt của ván composite vỏ cây Keo
tai tượng ...................................................................................................... 111
4.5. Đề xuất một sô thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai
tượng đa ̣t tiêu chuẩ n dùng làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t) .... 114
4.5.1. Phân tích, đánh giá tính chất của ván composite vỏ cây có và không sử
dụng chất kết dính. ...................................................................................... 114
4.5.2. Đề xuất một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai
tượng đạt tiêu chuẩn dùng làm vật liệu xây dựng (ván cách âm, cách nhiệt) 118
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................................... 121
Kết luận........................................................................................................... 121
Những tồn tại của luận án ................................................................................ 121
Khuyến nghị .................................................................................................... 122
CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ........................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 125
Tiếng Việt ....................................................................................................... 125
Tiếng Anh ....................................................................................................... 128
Tiếng Nga ....................................................................................................... 133
PHỤ LỤC............................................................................................................ 135
MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM ............................. 136
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Tên bảng Trang
Thành phần hóa học cơ bản của gỗ, vỏ cây gỗ lá kim và gỗ lá
2.1 26
rộng
Phenolic axit và lignin từ vỏ của loài Pinus densiflora (Hata và
2.2 29
Sogo, 1958a)
Hàm lượng lignin từ lớp vỏ ngoài và phlobaphenes chứa trong vỏ
2.3 29
cây Quercus crispula (Hata và Sogo, 1960)
Bảng ma trận thực nghiệm cho các thí nghiệm lựa chọn chế độ
3.1 ép ván composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng 47
chất kết dính
3.2 Các thông số kĩ thuật của máy ép nhiệt 48
4.1 Kích thước sợi vỏ cây Keo tai tượng 67
4.2 Thành phần hóa học của vỏ cây Keo tai tượng 68
4.3 Khối lượng thể tích của vỏ cây Keo tai tượng 69
4.4 Tính chất vật lý của vỏ cây gỗ Keo tai tượng 69
4.5 Tỷ lệ phần libe so với toàn bộ vỏ cây Keo tai tượng 70
Khối lượng thể tích của ván composite vỏ cây theo các chế độ ép
4.6 74
khác nhau
Độ trương nở chiều dày của ván sau, 24h theo các chế độ ép khác
4.7 75
nhau
4.8 Độ hút nước của ván sau, 24h theo các chế độ ép khác nhau 77
Độ bền uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ở các chế độ ép khác
4.9 79
nhau
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ở các chế độ
4.10 81
ép khác nhau
viii
Độ bền kéo vuông góc bề mặt ván composite vỏ cây ở các chế độ
4.11 83
ép khác nhau
4.12 Các thông số kỹ thuật của keo UF 87
4.13 Khối lượng thể tích của ván theo tỷ lệ kết cấu 89
4.14 Độ trương nở chiều dày của ván sau, 24h theo tỷ lệ kết cấu 91
4.15 Độ hút nước của ván sau, 24h theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 94
4.16 Độ bền uốn tĩnh của ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 96
4.17 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 98
4.18 Độ bền kéo vuông góc với mặt ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 100
Chất lượng ván thí nghiệm đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam
4.19 105
TCVN7754: 2007
Hệ số tiêu âm của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết
4.20 107
dính ở các chế độ ép khác nhau
4.21 Hệ số tiêu âm của một số loại vật liệu 108
4.22 Hệ số tiêu âm của một số loại vật liệu khác 109
Hệ số tiêu âm của ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính
4.23 109
ở tỷ lệ kết cấu, các chế độ ép khác nhau
Hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây không sử dụng chất
4.24 111
kết dính ở các chế độ ép khác nhau
Hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết
4.25 112
dính ở tỷ lệ kết cấu, các chế độ ép khác nhau
4.26 Hệ số dẫn nhiệt của một số loại vật liệu 114
So sánh ảnh hưởng của thông số chế độ ép đến tính chất cơ lý
4.27 115
ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
So sánh ảnh hưởng của tỷ kệ kết cấu đến tính chất cơ lý ván
4.28 116
composite vỏ cây sử dụng chất kết dinh
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Tên hình Trang
1.1 Cấ u tạo vật liệu WPC cốt sơị 8
1.2 Một số loại composite cốt sợi 9
1.3 Một số loại composite cốt hạt 9
Cơ chế dán dính ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết
1.4 14
dính
2.1 Cấu tạo của vỏ cây 24
2.2 Mô hình cấu tạo mặt cắt ngang thân cây dưới kính hiển vi 25
2.3 Công thức cấu tạo xenlulo 32
2.4 Công thức cấu tạo của Lignin 33
2.5 Cấu trúc của sợi thực vật 33
3.1 Máy nghiền dăm BX 444 48
3.2 Máy ép nhiệt Scientific 49
3.3 Máy thử tính chất cơ học Alliance RT/30 50
3.4 Phổ sóng âm 53
3.5 Nguyên lý xác định hệ số tiêu âm 54
3.6 Sơ đồ thực nghiệm xác định hệ số tiêu âm 57
3.7 Thực nghiệm xác định hệ số tiêu âm 58
3.8 Đo hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây 59
4.1 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng trên mặt cắt ngang 60
4.2 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng trên mặt cắt ngang 61
4.3 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng ở mặt cắt xuyên tâm 61
4.4 Cấu tạo các tế bào che phủ ở biểu bì 63
4.5 Mô hình cấu tạo thân cây gỗ 63
4.6 Mô hình cấu tạo hiển vi của vỏ cây 64
x
4.7 SEM mặt cắt ngang vỏ cây Keo tai tượng 64
4.8 SEM mặt cắt tiếp tuyến của lớp vỏ cây Keo tai tượng phía ngoài 65
4.9 SEM mặt cắt tiếp tuyến của lớp vỏ cây Keo tai tượng phía trong 66
4.10 SEM tinh thể chứa trong tế bào nhu mô vỏ cây Keo tai tượng 66
4.11 Sợi vỏ cây gỗ Keo tai tượng (x100) 67
Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu thông số công nghệ ép tạo ván
4.12 71
composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.13 Biểu đồ ép ván composite vỏ cây 73
Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ
4.14 trương nở chiều dày của ván composite vỏ cây không sử dụng 76
chất kết dính
4.15 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 78
hút nước của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.16 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến 80
MOR của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.17 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến 82
MOE của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.18 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến IB 84
của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.19 Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu thông số công nghệ ép tạo ván 86
composite vỏ cây sử dụng chất kết dính
Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến
4.20 Khối lượng thể tích của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết 90
dính
4.21 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 92
trương nở chiều dày của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.22 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 95
hút nước của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.23 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 97
MOR của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.24 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 99
MOE của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.25 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 101
xi
IB của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.26 SEM ván composite vỏ cây Keo tai tượng (100% dăm vỏ cây) 102
không sử dụng chất kết dính
4.27 SEM ván composite vỏ cây tỷ lệ kết cấu 3/4/3: dăm vỏ cây/dăm 103
gỗ/dăm vỏ cây = (30/40/30)% sử dụng chất kết dính
4.28 SEM ván composite vỏ cây tỷ lệ kết cấu 1/3/1: dăm gỗ/dăm vỏ 103
cây/dăm gỗ = (20/60/20)% sử dụng chất kết dính
xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
Hn Độ hút nước
IB Độ bền kéo vuông góc bề mặt ván
MOR Độ bền uốn tĩnh
MOE Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
P Áp lực ép
PC Polyme composite
T Nhiệt độ
τ Thời gian
TB Trung bình
UF Keo Ure Formaldehyde
V Ván composite
WPC Wood Plastic Compostite
S Độ trương nở chiều dày
γ Khối lượng thể tích
1
MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu của con người về sử dụng gỗ và
sản phẩm từ gỗ ngày càng cao. Trong những năm gần đây, lượng gỗ rừng tự nhiên
ngày càng hạn chế, các loại vật liệu gỗ: ván sợi, ván ghép thanh, ván LVL, glulam,
ván dán, ván dăm từ gỗ rừng trồng đang được sử dụng với khối lượng ngày càng
tăng. Ở Việt Nam, để đáp ứng nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ, nguyên liệu gỗ
rừng trồng khai thác trong nước ngày càng nhiều, năm 2018, sản lượng gỗ khai thác
nội địa 28,45 triệu m3, tăng 6% so với năm 2017, trong đó khai thác từ rừng trồng tập
trung đạt 25 triệu m3 [5].
Hiện nay, tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu gỗ ở nước ta rất thấp, chỉ đạt khoảng
30%-35% tổng toàn bộ sinh khối của cả cây gỗ. Một trong những nguyên nhân đó là
phần lớn các loại phế liệu của cây gỗ như vỏ cây, tán cây, rễ, lá đều bị bỏ lại trong
rừng, hoặc sử dụng kém hiệu quả, chưa có định hướng chiến lược về sản xuất các
loại hình sản phẩm, vật liệu mới từ những loại phế liệu này. Theo một số kết quả
nghiên cứu cho thấy trong một cây gỗ tỷ lệ vỏ cây chiếm 10-15%, cành nhánh chiếm
25-30%, rễ cây chiếm 10-15%. Ở nước ta các loại phế liệu này cây không thể sử dụng
nhiều trong công nghệ sản xuất ván sợi, ván dăm và chưa có hướng giải quyết.
Ở nhiều nước trên thế giới vật liệu composite từ nguyên liệu vỏ cây và gỗ đã
được nghiên cứu và áp dụng vào sản xuất. Những nghiên cứu cơ sở về tính chất
nhiệt của vỏ cây như hệ số truyền nhiệt, tỷ nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt; ảnh hưởng của
thời gian ép, hình dạng và kích thước của dăm vỏ cây đến tính chất của ván
composite vỏ cây đã được thực hiện. Kết quả nghiên cứu đã xác định ván composite
vỏ cây có đặc tính gần giống như gỗ tự nhiên nhưng khắc phục được những nhược
điểm của gỗ tự nhiên như có độ ổn định kích thước cao, khả năng cách âm, cách
nhiệt tốt. Đây là loại vật liệu nhẹ, dễ gia công, tạo màu sắc cho sản phẩm theo yêu
cầu, phù hợp dùng trong sản xuất đồ mộc và xây dựng [20], [45], [46].
2
Do vậy sử dụng phế liệu gỗ, trong đó có vỏ cây, để tạo ván composite - loại
vật liệu mới đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng gỗ của xã hội sẽ nâng cao được
hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và phát triển
rừng bền vững mở ra xu hướng mới sử dụng hiệu quả vỏ cây trong ngành công
nghiệp chế biến gỗ.
Ở Việt Nam, các loài Keo (Acacia) do có ưu điểm nổi trội về tốc độ sinh
trưởng và phù hợp với nhiều vùng sinh thái lên được trồng nhiều với diện tích lớn ở
nước ta, chiếm tỷ lệ gần 75% diện tích trồng các loại gỗ rừng trồng. Khối lượng vỏ
cây tạo ra là tương đối lớn.
Chính vì vậy, nghiên cứu tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng sẽ nâng
cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ và là cơ sở để nghiên cứu sử dụng vỏ các loại
cây khác. Với mong muốn góp phần bổ sung luận cứ khoa học, giải pháp sử dụng
hiệu quả vỏ cây Keo tai tượng làm vật liệu, vì vậy đề tài luận án: “Nghiên cứu một
số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng (Acacia mangium
Wild)” đã được tiến hành.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu về lý luận
- Xác đinh
̣ đươc̣ mố i quan hê ̣ giữa các thông số công nghê ̣ (thời gian ép,
nhiệt độ ép) đế n chấ t chấ t lươṇ g ván composite vỏ cây Keo tai tượng không sử dụng
chấ t kế t dính dùng để làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t).
- Xác đinh
̣ đươc̣ mố i quan hê ̣ của tỷ lệ kết cấu giữa dăm vỏ cây và dăm gỗ
đến chất lượng ván composite có sử du ̣ng chấ t kế t dính dùng để làm vâ ̣t liê ̣u xây
dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t).
1.2.2. Mục tiêu kỹ thuật
- Xác đinh
̣ đươc̣ các thông số công nghê ̣ ta ̣o ván composite vỏ cây Keo tai
tượng.
3
- Xác đinh
̣ đươc̣ tỷ lê ̣ kế t cấ u giữa dăm vỏ cây và dăm gỗ khi ta ̣o ván
composite.
- Đề xuất một số thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai
tượng đa ̣t tiêu chuẩ n dùng làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t).
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Vỏ cây Keo tai tượng 8 - 10 năm tuổi, được khai thác tại khu vực Hòa Bình.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Các yếu tố cố định
- Nguyên liệu để tạo ra ván thí nghiệm gồm vỏ cây Keo tai tượng rừng trồng
8 - 10 năm tuổi, được khai thác tại Hòa Bình và phế liệu trong sản xuất ván bóc Keo
tai tượng thu gom tại Hòa Bình.
- Chất kết dính: Keo UF (Urea- Formaldehyde) lượng keo 10%.
- Sử dụng khuôn ép để tạo ra ván kích thước (dài x rộng x dày) mm: 400 mm
x 400 mm x 16 mm.
- Khối lượng thể tích ván composite dự kiến: γ = 0,75 (g/cm3).
- Áp lực ép (P): 1,6 MPa (Qua kết quả nghiên cứu của luận án, để đạt được
khối lượng thể tích 0,75 g/cm3, chiều dày sản phẩm 16 mm thì áp lực ép cần đạt 1,6
MPa. Áp lực ép sẽ được cố định trong suốt quá trình thí nghiệm.
Các yếu tố thay đổi
(1) Thay đổi các thông số chế độ ép (thời gian, nhiệt độ ép) tạo ván
composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng chất kết dính:
+ Thời gian ép (τ): Thay đổi ở 3 mức:
τmin = 16 phút, τo = 18 phút, τmax = 20 phút
+ Nhiệt độ ép (T): Thay đổi ở 3 mức:
Tmin = 160 oC, To = 180 oC, Tmax = 200 oC
4
Các yếu tố đầu ra: Các yếu tố đầu ra là một số tính chất cơ lý chủ yếu của ván
composite vỏ cây: khối lượng thể tích, độ trương nở chiều dày, độ hút nước, độ bền
uỗn tĩnh và mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh, độ bền kéo vuông góc với mặt ván.
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Là công trình đầu tiên nghiên cứu có hệ thống và đầy đủ về đặc điểm cấu tạo
hiển vi, siêu hiển vi, thành phần hóa học, tính chất vật lý chủ yếu của vỏ cây làm cơ
sở cho định hướng sử dụng hiệu quả vỏ cây trong công nghiệp chế biến gỗ;
Xác lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ trong tạo thử nghiệm ván
composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính và không sử dụng chất kết dính;
Mối quan hệ giữa tính chất của ván composite vỏ cây với kết cấu của ván
khác nhau làm cơ sở cho định hướng sử dụng vật liệu.
Ý nghĩa thực tiễn
- Vỏ cây là nguồn nguyên phụ liệu chiếm tỷ trọng rất lớn, hiện nay còn chưa
được sử dụng hiệu quả, việc nghiên cứu tạo thử nghiệm vâ ̣t liêụ composite vỏ cây
Keo tai tươṇ g có ý nghĩa thực tiễn lớn trong sử dụng hiệu quả, nâng cao tỷ lệ lợi dụng
gỗ rừng trồng và bảo vệ môi trường.
- Tạo ra nguồn nguyên liệu mới là ván composite vỏ cây từ nguồ n phế liê ̣u
vỏ cây Keo tai tươṇ g đáp ứng phần nào nhu cầu về nguyên liệu dùng trong sản xuất
đồ mộc và xây dựng. Ván composite từ vỏ cây có khả năng cách nhiệt, tiêu âm cao
do vậy có tiềm năng lớn được sử dụng trong xây dựng và nội thất làm vật liệu cách
nhiệt, tiêu âm.
- Tạo thử nghiệm vật liệu composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính là
xu hướng mới trong tạo vật liệu xanh, thân thiện môi trường.
1.6. Những đóng góp mới của luận án
Đây là công trình đầu tiên nghiên cứu tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai
tượng ở Việt Nam.
5
- Xác định được cấu tạo hiên vi, siêu hiển vi, tính chất vật lý, thành phần hóa
học của vỏ cây Keo tai tượng làm cơ sở cho việc sử dụng tạo ván composite vỏ cây.
- Xác định được mối quan hệ và giá trị các thông số công nghệ tạo ván
composite vỏ cây Keo tai tượng đáp ứng yêu cầu chất lượng của vật liệu xây dựng.
- Xác định được mối quan hệ của tỷ lệ kết cấu ván composite và tỷ lệ phối
trộn giữa dăm vỏ cây với dăm gỗ ảnh hưởng đến chất lượng ván composite.
- Xác định hệ số tiêu âm, khả năng cách nhiệt của vật liệu composite vỏ cây
Keo tai tượng làm cơ sở cho sử dụng vật liệu này làm vật liệu tiêu âm, vật liệu cách
nhiệt.
1.7. Thời gian nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2012 đến 2019
1.8. Bố cục luận án
Luận án được viết với tổng số 123 trang, bao gồm 45 hình, 33 bảng; ngoài
phần tài liệu tham khảo, danh mục công trình đã công bố liên quan và phụ lục, luận
án được kết cấu như sau:
Phần mở đầu (5 trang).
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (18 trang).
Chương 2. Cơ sở lý thuyết (14 trang).
Chương 3. Nội dung, vật liệu và phương pháp nghiên cứu (22 trang).
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận (61 trang).
Kết luận, những tồn tại và khuyến nghị (3 trang).
Luận án đã tham khảo 94 tài liệu, trong đó 45 tài liệu tiếng Việt và 49 tài liệu
tiếng nước ngoài.
6
Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite
1.1.1. Khái niệm vật liệu composite
Vật liệu composite là tên gọi của loại vật liệu được kết hợp từ hai hay nhiều vật
liệu thành phần nhằm tạo ra loại vật liệu mới có tính năng khác với các vật liệu ban đầu
khi ở riêng rẽ. Các tính năng này thường tốt hơn hay phù hợp hơn với mục đích và điều
kiện sử dụng cụ thể. Đặc trưng của vật liệu composite là được cấu thành từ nhiều thành
phần vật liệu nên chúng còn được gọi là vật liệu đa thành phần [9], [14], [19], [24].
Polyme composite (PC) là một loại vật liệu composite được cấu tạo bởi 2 hay
nhiều cấu tử (thành phần). Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền.
Loại cấu tử thứ hai là các chất phụ gia (hay còn gọi là chất độn, chất gia cường, cốt)
như: vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ,... Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba là
chất trợ liên kết (hay trợ tương hợp), có tác dụng làm tăng tính năng kết hợp giữa chất
độn và nhựa nền. Polyme composite có các tính chất hoá, lý khác nhiều so với từng vật
liệu thành phần riêng rẽ. Vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác
nhau về bản chất và không hòa tan lẫn nhau. Pha là một loại vật liệu thành phần nằm
trong cấu trúc của vật liệu composite; trong đó, một hay nhiều pha gián đoạn được
phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix),
thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau. Pha gián đoạn được gọi
là cốt, còn gọi là vật liệu gia cường hay vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn
vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mài mòn, chống xước...[14], [19],
[24].
Vật liệu composite có thành phần từ nguyên liệu thực vật
Composite sợi tự nhiên được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng các nguồn sợi thực vật
phong phú. Sợi cấu thành từ các vi sợi xenlulo dạng tinh thể gia cường cho nền vô định
hình của lignin và hemixenlulo. Xenlulo cung cấp độ bền trong khi lignin và
hemixenlulo cung cấp độ dai và bảo vệ sợi. Những sợi xenlulo này gồm có nhiều sợi
VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
VŨ ĐÌNH THỊNH
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VÁN
COMPOSITE VỎ CÂY KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Wild)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nô ̣i, 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
VŨ ĐÌNH THỊNH
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TẠO VÁN
COMPOSITE VỎ CÂY KEO TAI TƯỢNG (Acacia mangium Wild)
Chuyên ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản
Mã số : 9549001
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Vũ Huy Đại
2. PGS. TS Nguyễn Thị Bích Ngọc
Hà Nô ̣i, 2020
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu một số yếu tố
công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng (Acacia mangium Wild)” là
công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa
từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình
thức.
Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận án là có nguồn gốc và được trích
dẫn rõ ràng. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của
luận án.
Hà Nội, tháng 06 năm 2020
Nghiên cứu sinh
Vũ Đình Thịnh
ii
LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận án, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
hướng dẫn PGS. TS Vũ Huy Đại, PGS. TS Nguyễn Thị Bích Ngọc đã tận tình giúp
đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Nhân dịp này, Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám đốc Viện Khoa
học Lâm nghiệp Việt Nam, Ban Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Thư viện,
Chi ủy, lãnh đạo Viện Nghiên cứu Công nghiệp rừng, Bộ môn Chế biến lâm sản,
các đơn vị trực thuộc Viện, Ban Giám hiệu trường Đại học Lâm nghiệp, Viện Công
nghệ gỗ và nội thất, các Thầy, Cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm và tận
tình chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện, Trường.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới toàn thể gia đình và
những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần
cho tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, tháng 06 năm 2020
Nghiên cứu sinh
Vũ Đình Thịnh
iii
MỤC LỤC
Nội dung Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... ix
BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................................ xii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 3
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .......................................................... 4
1.6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 4
1.7. Thời gian nghiên cứu .................................................................................... 5
1.8. Bố cục luận án .............................................................................................. 5
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 6
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite ......................................................... 6
1.1.1. Khái niệm vật liệu composite ................................................................ 6
1.1.2. Phân loại vật liệu composite .................................................................. 8
1.1.3. Các loa ̣i ván composite đươc̣ ta ̣o từ vỏ cây ............................................ 9
1.2. Tổ ng quan về tình hình nghiên cứu sử du ̣ng vỏ cây làm vâ ̣t liê ̣u composite 18
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước........................................................................ 18
1.2.2. Nghiên cứu trong nước ........................................................................ 21
1.3. Tiểu luận phần tổng quan vấn đề nghiên cứu ............................................ 222
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 244
iv
2.1. Vỏ cây ........................................................................................................ 24
2.1.1. Giới thiệu chung về vỏ cây .................................................................. 24
2.1.2. Cấu tạo của vỏ cây............................................................................... 24
2.1.3. Thành phần hóa học của vỏ cây ........................................................... 26
2.1.4. Tính chất nhiệt học của vỏ cây ............................................................ 30
2.1.5. Ảnh hưởng vỏ cây trong sản xuất ván nhân tạo.................................... 31
2.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của sợi ...................................................... 31
2.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ tạo ván đến chất lượng ván vỏ cây 34
2.3.1. Ảnh hưởng của nguyên liệu gỗ đến chất lượng ván ............................. 34
2.3.2. Ảnh hưởng của chất kết dính ............................................................... 36
2.3.3. Ảnh hưởng của công nghệ ép .............................................................. 36
Chương 3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......... 38
3.1. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 38
3.2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu........................................................... 39
3.2.1. Phương pháp kế thừa ........................................................................... 39
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, thành phần hóa học, tính
chất vỏ cây Keo tai tượng (phương pháp nghiên cứu nội dung 1) .................. 39
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ tạo ván
composite vỏ cây đến tính chất ván composite vỏ cây (Phương pháp nghiên
cứu nội dung 2 và nội dung 3) ....................................................................... 46
3.2.4. Phương pháp xác định khả năng cách âm, cách nhiệt của ván composite
vỏ cây (Phương pháp nghiên cứu nội dung 4)................................................ 53
3.2.5. Phương pháp nghiên cứu nội dung 5 .................................................... 59
Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................... 60
4.1. Nghiên cứu đặc điểm vỏ cây Keo tai tượng ................................................ 60
4.1.1. Xác định đặc điểm cấu tạo vỏ cây Keo tai tượng ................................. 60
v
4.1.2. Xác định thành phần hóa học vỏ cây Keo tai tượng ............................. 68
4.1.3. Xác định tính chất vật lý vỏ cây Keo tai tượng .................................... 69
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ
cây không sử dụng chất kết dính đến tính chất ván composite vỏ cây ............... .71
4.2.1. Ảnh hưởng của chế độ ép đến khối lượng thể tích của ván composite vỏ
cây .............................................................................................................. ..74
4.2.2. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ trương nở chiều dày của ván
composite vỏ cây........................................................................................... 75
4.2.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ hút nước của ván composite vỏ cây .77
4.2.4. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền uốn tĩnh của ván composite vỏ cây
...................................................................................................................... 78
4.2.5. Ảnh hưởng của chế độ ép đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván
composite vỏ cây........................................................................................... 81
4.2.6. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền kéo vuông góc của ván composite
vỏ cây ........................................................................................................... 82
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ
cây theo tỷ lệ kết cấu ván có sử dụng chất kết dính đến tính chất ván composite
vỏ cây ................................................................................................................ 85
4.3.1. Ảnh hưởng của chế độ ép đến khối lượng thể tích của ván composite
theo tỷ lệ kết cấu ............................................................................................. 89
4.3.2. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ trương nở chiều dày sau 24h ván
composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau ......................................................... 91
4.3.3. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ hút nước sau 24h ván composite theo
tỷ lệ kết cấu khác nhau .................................................................................. 93
4.3.4. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền uốn tĩnh của ván composite theo
tỷ lệ kết cấu khác nhau .................................................................................. 96
vi
4.3.5. Ảnh hưởng của chế độ ép đến mô đun đàn hồi uốn tĩnh ván composite
theo tỷ lệ kết cấu khác nhau .......................................................................... 98
4.3.6. Ảnh hưởng của chế độ ép đến độ bền kéo vuông góc với mặt ván của
ván composite theo tỷ lệ kết cấu khác nhau ................................................. 100
4.4. Nghiên cứu khả năng cách âm, cách nhiệt của ván composite vỏ cây trong
trường hợp có và không sử dụng chất kết dính ................................................ 106
4.4.1. Nghiên cứu xác định khả năng tiêu âm ván composite vỏ cây Keo tai
tượng........................................................................................................... 106
4.4.2. Nghiên cứu xác định khả năng cách nhiệt của ván composite vỏ cây Keo
tai tượng ...................................................................................................... 111
4.5. Đề xuất một sô thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai
tượng đa ̣t tiêu chuẩ n dùng làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t) .... 114
4.5.1. Phân tích, đánh giá tính chất của ván composite vỏ cây có và không sử
dụng chất kết dính. ...................................................................................... 114
4.5.2. Đề xuất một số thông số công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai
tượng đạt tiêu chuẩn dùng làm vật liệu xây dựng (ván cách âm, cách nhiệt) 118
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................................... 121
Kết luận........................................................................................................... 121
Những tồn tại của luận án ................................................................................ 121
Khuyến nghị .................................................................................................... 122
CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ........................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 125
Tiếng Việt ....................................................................................................... 125
Tiếng Anh ....................................................................................................... 128
Tiếng Nga ....................................................................................................... 133
PHỤ LỤC............................................................................................................ 135
MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM ............................. 136
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT Tên bảng Trang
Thành phần hóa học cơ bản của gỗ, vỏ cây gỗ lá kim và gỗ lá
2.1 26
rộng
Phenolic axit và lignin từ vỏ của loài Pinus densiflora (Hata và
2.2 29
Sogo, 1958a)
Hàm lượng lignin từ lớp vỏ ngoài và phlobaphenes chứa trong vỏ
2.3 29
cây Quercus crispula (Hata và Sogo, 1960)
Bảng ma trận thực nghiệm cho các thí nghiệm lựa chọn chế độ
3.1 ép ván composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng 47
chất kết dính
3.2 Các thông số kĩ thuật của máy ép nhiệt 48
4.1 Kích thước sợi vỏ cây Keo tai tượng 67
4.2 Thành phần hóa học của vỏ cây Keo tai tượng 68
4.3 Khối lượng thể tích của vỏ cây Keo tai tượng 69
4.4 Tính chất vật lý của vỏ cây gỗ Keo tai tượng 69
4.5 Tỷ lệ phần libe so với toàn bộ vỏ cây Keo tai tượng 70
Khối lượng thể tích của ván composite vỏ cây theo các chế độ ép
4.6 74
khác nhau
Độ trương nở chiều dày của ván sau, 24h theo các chế độ ép khác
4.7 75
nhau
4.8 Độ hút nước của ván sau, 24h theo các chế độ ép khác nhau 77
Độ bền uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ở các chế độ ép khác
4.9 79
nhau
Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván composite vỏ cây ở các chế độ
4.10 81
ép khác nhau
viii
Độ bền kéo vuông góc bề mặt ván composite vỏ cây ở các chế độ
4.11 83
ép khác nhau
4.12 Các thông số kỹ thuật của keo UF 87
4.13 Khối lượng thể tích của ván theo tỷ lệ kết cấu 89
4.14 Độ trương nở chiều dày của ván sau, 24h theo tỷ lệ kết cấu 91
4.15 Độ hút nước của ván sau, 24h theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 94
4.16 Độ bền uốn tĩnh của ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 96
4.17 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh của ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 98
4.18 Độ bền kéo vuông góc với mặt ván theo tỷ lệ kết cấu khác nhau 100
Chất lượng ván thí nghiệm đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam
4.19 105
TCVN7754: 2007
Hệ số tiêu âm của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết
4.20 107
dính ở các chế độ ép khác nhau
4.21 Hệ số tiêu âm của một số loại vật liệu 108
4.22 Hệ số tiêu âm của một số loại vật liệu khác 109
Hệ số tiêu âm của ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính
4.23 109
ở tỷ lệ kết cấu, các chế độ ép khác nhau
Hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây không sử dụng chất
4.24 111
kết dính ở các chế độ ép khác nhau
Hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây có sử dụng chất kết
4.25 112
dính ở tỷ lệ kết cấu, các chế độ ép khác nhau
4.26 Hệ số dẫn nhiệt của một số loại vật liệu 114
So sánh ảnh hưởng của thông số chế độ ép đến tính chất cơ lý
4.27 115
ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
So sánh ảnh hưởng của tỷ kệ kết cấu đến tính chất cơ lý ván
4.28 116
composite vỏ cây sử dụng chất kết dinh
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Tên hình Trang
1.1 Cấ u tạo vật liệu WPC cốt sơị 8
1.2 Một số loại composite cốt sợi 9
1.3 Một số loại composite cốt hạt 9
Cơ chế dán dính ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết
1.4 14
dính
2.1 Cấu tạo của vỏ cây 24
2.2 Mô hình cấu tạo mặt cắt ngang thân cây dưới kính hiển vi 25
2.3 Công thức cấu tạo xenlulo 32
2.4 Công thức cấu tạo của Lignin 33
2.5 Cấu trúc của sợi thực vật 33
3.1 Máy nghiền dăm BX 444 48
3.2 Máy ép nhiệt Scientific 49
3.3 Máy thử tính chất cơ học Alliance RT/30 50
3.4 Phổ sóng âm 53
3.5 Nguyên lý xác định hệ số tiêu âm 54
3.6 Sơ đồ thực nghiệm xác định hệ số tiêu âm 57
3.7 Thực nghiệm xác định hệ số tiêu âm 58
3.8 Đo hệ số dẫn nhiệt của ván composite vỏ cây 59
4.1 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng trên mặt cắt ngang 60
4.2 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng trên mặt cắt ngang 61
4.3 Cấu tạo hiển vi của vỏ cây Keo tai tượng ở mặt cắt xuyên tâm 61
4.4 Cấu tạo các tế bào che phủ ở biểu bì 63
4.5 Mô hình cấu tạo thân cây gỗ 63
4.6 Mô hình cấu tạo hiển vi của vỏ cây 64
x
4.7 SEM mặt cắt ngang vỏ cây Keo tai tượng 64
4.8 SEM mặt cắt tiếp tuyến của lớp vỏ cây Keo tai tượng phía ngoài 65
4.9 SEM mặt cắt tiếp tuyến của lớp vỏ cây Keo tai tượng phía trong 66
4.10 SEM tinh thể chứa trong tế bào nhu mô vỏ cây Keo tai tượng 66
4.11 Sợi vỏ cây gỗ Keo tai tượng (x100) 67
Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu thông số công nghệ ép tạo ván
4.12 71
composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.13 Biểu đồ ép ván composite vỏ cây 73
Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ
4.14 trương nở chiều dày của ván composite vỏ cây không sử dụng 76
chất kết dính
4.15 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 78
hút nước của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.16 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến 80
MOR của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.17 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến 82
MOE của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.18 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến IB 84
của ván composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính
4.19 Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu thông số công nghệ ép tạo ván 86
composite vỏ cây sử dụng chất kết dính
Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến
4.20 Khối lượng thể tích của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết 90
dính
4.21 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 92
trương nở chiều dày của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.22 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 95
hút nước của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.23 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 97
MOR của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.24 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 99
MOE của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.25 Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt (thời gian ép, nhiệt độ ép) đến độ 101
xi
IB của ván theo tỷ lệ kết cấu sử dụng chất kết dính
4.26 SEM ván composite vỏ cây Keo tai tượng (100% dăm vỏ cây) 102
không sử dụng chất kết dính
4.27 SEM ván composite vỏ cây tỷ lệ kết cấu 3/4/3: dăm vỏ cây/dăm 103
gỗ/dăm vỏ cây = (30/40/30)% sử dụng chất kết dính
4.28 SEM ván composite vỏ cây tỷ lệ kết cấu 1/3/1: dăm gỗ/dăm vỏ 103
cây/dăm gỗ = (20/60/20)% sử dụng chất kết dính
xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
Hn Độ hút nước
IB Độ bền kéo vuông góc bề mặt ván
MOR Độ bền uốn tĩnh
MOE Mô đun đàn hồi uốn tĩnh
P Áp lực ép
PC Polyme composite
T Nhiệt độ
τ Thời gian
TB Trung bình
UF Keo Ure Formaldehyde
V Ván composite
WPC Wood Plastic Compostite
S Độ trương nở chiều dày
γ Khối lượng thể tích
1
MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu của con người về sử dụng gỗ và
sản phẩm từ gỗ ngày càng cao. Trong những năm gần đây, lượng gỗ rừng tự nhiên
ngày càng hạn chế, các loại vật liệu gỗ: ván sợi, ván ghép thanh, ván LVL, glulam,
ván dán, ván dăm từ gỗ rừng trồng đang được sử dụng với khối lượng ngày càng
tăng. Ở Việt Nam, để đáp ứng nguyên liệu cho ngành chế biến gỗ, nguyên liệu gỗ
rừng trồng khai thác trong nước ngày càng nhiều, năm 2018, sản lượng gỗ khai thác
nội địa 28,45 triệu m3, tăng 6% so với năm 2017, trong đó khai thác từ rừng trồng tập
trung đạt 25 triệu m3 [5].
Hiện nay, tỷ lệ lợi dụng nguyên liệu gỗ ở nước ta rất thấp, chỉ đạt khoảng
30%-35% tổng toàn bộ sinh khối của cả cây gỗ. Một trong những nguyên nhân đó là
phần lớn các loại phế liệu của cây gỗ như vỏ cây, tán cây, rễ, lá đều bị bỏ lại trong
rừng, hoặc sử dụng kém hiệu quả, chưa có định hướng chiến lược về sản xuất các
loại hình sản phẩm, vật liệu mới từ những loại phế liệu này. Theo một số kết quả
nghiên cứu cho thấy trong một cây gỗ tỷ lệ vỏ cây chiếm 10-15%, cành nhánh chiếm
25-30%, rễ cây chiếm 10-15%. Ở nước ta các loại phế liệu này cây không thể sử dụng
nhiều trong công nghệ sản xuất ván sợi, ván dăm và chưa có hướng giải quyết.
Ở nhiều nước trên thế giới vật liệu composite từ nguyên liệu vỏ cây và gỗ đã
được nghiên cứu và áp dụng vào sản xuất. Những nghiên cứu cơ sở về tính chất
nhiệt của vỏ cây như hệ số truyền nhiệt, tỷ nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt; ảnh hưởng của
thời gian ép, hình dạng và kích thước của dăm vỏ cây đến tính chất của ván
composite vỏ cây đã được thực hiện. Kết quả nghiên cứu đã xác định ván composite
vỏ cây có đặc tính gần giống như gỗ tự nhiên nhưng khắc phục được những nhược
điểm của gỗ tự nhiên như có độ ổn định kích thước cao, khả năng cách âm, cách
nhiệt tốt. Đây là loại vật liệu nhẹ, dễ gia công, tạo màu sắc cho sản phẩm theo yêu
cầu, phù hợp dùng trong sản xuất đồ mộc và xây dựng [20], [45], [46].
2
Do vậy sử dụng phế liệu gỗ, trong đó có vỏ cây, để tạo ván composite - loại
vật liệu mới đáp ứng một phần nhu cầu sử dụng gỗ của xã hội sẽ nâng cao được
hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ, góp phần nâng cao giá trị kinh tế và phát triển
rừng bền vững mở ra xu hướng mới sử dụng hiệu quả vỏ cây trong ngành công
nghiệp chế biến gỗ.
Ở Việt Nam, các loài Keo (Acacia) do có ưu điểm nổi trội về tốc độ sinh
trưởng và phù hợp với nhiều vùng sinh thái lên được trồng nhiều với diện tích lớn ở
nước ta, chiếm tỷ lệ gần 75% diện tích trồng các loại gỗ rừng trồng. Khối lượng vỏ
cây tạo ra là tương đối lớn.
Chính vì vậy, nghiên cứu tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng sẽ nâng
cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu gỗ và là cơ sở để nghiên cứu sử dụng vỏ các loại
cây khác. Với mong muốn góp phần bổ sung luận cứ khoa học, giải pháp sử dụng
hiệu quả vỏ cây Keo tai tượng làm vật liệu, vì vậy đề tài luận án: “Nghiên cứu một
số yếu tố công nghệ tạo ván composite vỏ cây Keo tai tượng (Acacia mangium
Wild)” đã được tiến hành.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu về lý luận
- Xác đinh
̣ đươc̣ mố i quan hê ̣ giữa các thông số công nghê ̣ (thời gian ép,
nhiệt độ ép) đế n chấ t chấ t lươṇ g ván composite vỏ cây Keo tai tượng không sử dụng
chấ t kế t dính dùng để làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t).
- Xác đinh
̣ đươc̣ mố i quan hê ̣ của tỷ lệ kết cấu giữa dăm vỏ cây và dăm gỗ
đến chất lượng ván composite có sử du ̣ng chấ t kế t dính dùng để làm vâ ̣t liê ̣u xây
dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t).
1.2.2. Mục tiêu kỹ thuật
- Xác đinh
̣ đươc̣ các thông số công nghê ̣ ta ̣o ván composite vỏ cây Keo tai
tượng.
3
- Xác đinh
̣ đươc̣ tỷ lê ̣ kế t cấ u giữa dăm vỏ cây và dăm gỗ khi ta ̣o ván
composite.
- Đề xuất một số thông số công nghệ tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai
tượng đa ̣t tiêu chuẩ n dùng làm vâ ̣t liê ̣u xây dựng (ván cách âm, cách nhiê ̣t).
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Vỏ cây Keo tai tượng 8 - 10 năm tuổi, được khai thác tại khu vực Hòa Bình.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Các yếu tố cố định
- Nguyên liệu để tạo ra ván thí nghiệm gồm vỏ cây Keo tai tượng rừng trồng
8 - 10 năm tuổi, được khai thác tại Hòa Bình và phế liệu trong sản xuất ván bóc Keo
tai tượng thu gom tại Hòa Bình.
- Chất kết dính: Keo UF (Urea- Formaldehyde) lượng keo 10%.
- Sử dụng khuôn ép để tạo ra ván kích thước (dài x rộng x dày) mm: 400 mm
x 400 mm x 16 mm.
- Khối lượng thể tích ván composite dự kiến: γ = 0,75 (g/cm3).
- Áp lực ép (P): 1,6 MPa (Qua kết quả nghiên cứu của luận án, để đạt được
khối lượng thể tích 0,75 g/cm3, chiều dày sản phẩm 16 mm thì áp lực ép cần đạt 1,6
MPa. Áp lực ép sẽ được cố định trong suốt quá trình thí nghiệm.
Các yếu tố thay đổi
(1) Thay đổi các thông số chế độ ép (thời gian, nhiệt độ ép) tạo ván
composite vỏ cây trong trường hợp có và không sử dụng chất kết dính:
+ Thời gian ép (τ): Thay đổi ở 3 mức:
τmin = 16 phút, τo = 18 phút, τmax = 20 phút
+ Nhiệt độ ép (T): Thay đổi ở 3 mức:
Tmin = 160 oC, To = 180 oC, Tmax = 200 oC
4
Các yếu tố đầu ra: Các yếu tố đầu ra là một số tính chất cơ lý chủ yếu của ván
composite vỏ cây: khối lượng thể tích, độ trương nở chiều dày, độ hút nước, độ bền
uỗn tĩnh và mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh, độ bền kéo vuông góc với mặt ván.
1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Là công trình đầu tiên nghiên cứu có hệ thống và đầy đủ về đặc điểm cấu tạo
hiển vi, siêu hiển vi, thành phần hóa học, tính chất vật lý chủ yếu của vỏ cây làm cơ
sở cho định hướng sử dụng hiệu quả vỏ cây trong công nghiệp chế biến gỗ;
Xác lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ trong tạo thử nghiệm ván
composite vỏ cây có sử dụng chất kết dính và không sử dụng chất kết dính;
Mối quan hệ giữa tính chất của ván composite vỏ cây với kết cấu của ván
khác nhau làm cơ sở cho định hướng sử dụng vật liệu.
Ý nghĩa thực tiễn
- Vỏ cây là nguồn nguyên phụ liệu chiếm tỷ trọng rất lớn, hiện nay còn chưa
được sử dụng hiệu quả, việc nghiên cứu tạo thử nghiệm vâ ̣t liêụ composite vỏ cây
Keo tai tươṇ g có ý nghĩa thực tiễn lớn trong sử dụng hiệu quả, nâng cao tỷ lệ lợi dụng
gỗ rừng trồng và bảo vệ môi trường.
- Tạo ra nguồn nguyên liệu mới là ván composite vỏ cây từ nguồ n phế liê ̣u
vỏ cây Keo tai tươṇ g đáp ứng phần nào nhu cầu về nguyên liệu dùng trong sản xuất
đồ mộc và xây dựng. Ván composite từ vỏ cây có khả năng cách nhiệt, tiêu âm cao
do vậy có tiềm năng lớn được sử dụng trong xây dựng và nội thất làm vật liệu cách
nhiệt, tiêu âm.
- Tạo thử nghiệm vật liệu composite vỏ cây không sử dụng chất kết dính là
xu hướng mới trong tạo vật liệu xanh, thân thiện môi trường.
1.6. Những đóng góp mới của luận án
Đây là công trình đầu tiên nghiên cứu tạo ván composite từ vỏ cây Keo tai
tượng ở Việt Nam.
5
- Xác định được cấu tạo hiên vi, siêu hiển vi, tính chất vật lý, thành phần hóa
học của vỏ cây Keo tai tượng làm cơ sở cho việc sử dụng tạo ván composite vỏ cây.
- Xác định được mối quan hệ và giá trị các thông số công nghệ tạo ván
composite vỏ cây Keo tai tượng đáp ứng yêu cầu chất lượng của vật liệu xây dựng.
- Xác định được mối quan hệ của tỷ lệ kết cấu ván composite và tỷ lệ phối
trộn giữa dăm vỏ cây với dăm gỗ ảnh hưởng đến chất lượng ván composite.
- Xác định hệ số tiêu âm, khả năng cách nhiệt của vật liệu composite vỏ cây
Keo tai tượng làm cơ sở cho sử dụng vật liệu này làm vật liệu tiêu âm, vật liệu cách
nhiệt.
1.7. Thời gian nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2012 đến 2019
1.8. Bố cục luận án
Luận án được viết với tổng số 123 trang, bao gồm 45 hình, 33 bảng; ngoài
phần tài liệu tham khảo, danh mục công trình đã công bố liên quan và phụ lục, luận
án được kết cấu như sau:
Phần mở đầu (5 trang).
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (18 trang).
Chương 2. Cơ sở lý thuyết (14 trang).
Chương 3. Nội dung, vật liệu và phương pháp nghiên cứu (22 trang).
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận (61 trang).
Kết luận, những tồn tại và khuyến nghị (3 trang).
Luận án đã tham khảo 94 tài liệu, trong đó 45 tài liệu tiếng Việt và 49 tài liệu
tiếng nước ngoài.
6
Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite
1.1.1. Khái niệm vật liệu composite
Vật liệu composite là tên gọi của loại vật liệu được kết hợp từ hai hay nhiều vật
liệu thành phần nhằm tạo ra loại vật liệu mới có tính năng khác với các vật liệu ban đầu
khi ở riêng rẽ. Các tính năng này thường tốt hơn hay phù hợp hơn với mục đích và điều
kiện sử dụng cụ thể. Đặc trưng của vật liệu composite là được cấu thành từ nhiều thành
phần vật liệu nên chúng còn được gọi là vật liệu đa thành phần [9], [14], [19], [24].
Polyme composite (PC) là một loại vật liệu composite được cấu tạo bởi 2 hay
nhiều cấu tử (thành phần). Trong đó, loại cấu tử thứ nhất là 1 hay nhiều polyme nền.
Loại cấu tử thứ hai là các chất phụ gia (hay còn gọi là chất độn, chất gia cường, cốt)
như: vật liệu sợi, bột của các chất vô cơ,... Còn có thể có thêm 1 thành phần thứ ba là
chất trợ liên kết (hay trợ tương hợp), có tác dụng làm tăng tính năng kết hợp giữa chất
độn và nhựa nền. Polyme composite có các tính chất hoá, lý khác nhiều so với từng vật
liệu thành phần riêng rẽ. Vật liệu composite bao gồm hai hay nhiều pha thường khác
nhau về bản chất và không hòa tan lẫn nhau. Pha là một loại vật liệu thành phần nằm
trong cấu trúc của vật liệu composite; trong đó, một hay nhiều pha gián đoạn được
phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix),
thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại với nhau. Pha gián đoạn được gọi
là cốt, còn gọi là vật liệu gia cường hay vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn
vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mài mòn, chống xước...[14], [19],
[24].
Vật liệu composite có thành phần từ nguyên liệu thực vật
Composite sợi tự nhiên được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng các nguồn sợi thực vật
phong phú. Sợi cấu thành từ các vi sợi xenlulo dạng tinh thể gia cường cho nền vô định
hình của lignin và hemixenlulo. Xenlulo cung cấp độ bền trong khi lignin và
hemixenlulo cung cấp độ dai và bảo vệ sợi. Những sợi xenlulo này gồm có nhiều sợi