Báo cáo kết quả đề tài: Nghiên cứu xử lý gỗ rừng trồng bằng hợp chất vô cơ nhằm nâng cao độ bền tự nhiên, độ ổn định kích thước và khả năng chống cháy

PGS.TS. Nguyễn Thị Bích Ngọc

1. Đặt vấn đề

Gỗ rừng trồng có nhiều ưu điểm để làm nguyên liệu cho công nghiệp chế biến gỗ nhưng cũng bộc lộ nhiều nhược điểm đó là độ bền tự nhiên không cao, dễ bị cong vênh, nứt vỡ. Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam với những công trình nghiên cứu về bảo quản gỗ trong gần 50 năm qua đã đặt nền móng vững vàng để triển khai những kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất.

Xu hướng nghiên cứu bảo quản gỗ trên thế giới hiện nay có một số cách tiếp cận rất mới trên nền tảng của một số công nghệ đã đạt được những thành tựu lớn của thế kỷ 20. Một trong những cách tiếp cận đó là dùng các hợp chất gia cường cho thành tế bào gỗ, các hợp chất của silic (một trong những hợp chất đã làm lên cách mạng công nghệ của thế kỷ qua) nhất là các dẫn xuất silicon và silan. Ưu điểm cơ bản của các hợp chất này là có thể sản xuất lượng lớn, phản ứng tạo liên kết với các thành phần hóa học gỗ ở những điều kiện không quá khắt khe. Gỗ đã được tẩm một lượng các hóa chất bảo quản kinh điển – thường là các hợp chất boron, nếu được phối hợp thêm với các hợp chất của silic sẽ có những tính năng ưu việt hơn hẳn. Gỗ sau xử lý có thể được sử dụng ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt. Mặt khác, dưới tác dụng của hợp chất silic sẽ làm hạn chế quá trình rửa trôi boron sẽ góp phần bảo vệ môi trường.

Đây là hướng nghiên cứu rất mới ở trong nước cũng như trên thế giới. Các tài liệu khoa học công bố về kết quả nghiên cứu xử lý gỗ bằng các hợp chất của Boron và silic cho thấy, các điều kiện về công nghệ cho quá trình xử lý không quá khắt khe và có thể triển khai được trong điều kiện của Việt Nam. Do đó, đề tài “ Nghiên cứu xử lý gỗ rừng trồng bằng các hợp chất vô cơ nhăm cải thiện độ bền tự nhiên, độ ổn định kích thước và khả năng chống cháy của gỗ rừng trồng ” được tiến hành nhằm xác định được các hợp chất của boron và silic có tác dụng cải thiện tính chất gỗ và các thông số công nghệ cơ bản của quá trình xử lý một số loại gỗ rừng trồng chủ lực của Việt Nam bằng các hoá chất đã xác định trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả đạt được sẽ là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo để có thể áp dụng trong thực tế sản xuất.

2. Mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu:

Cải thiện độ bền tự nhiên, độ ổn định kích thước, khả năng chống cháy của gỗ rừng trồng bằng hợp chất vô cơ.

2.2. Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở quá trình xử lý gỗ bằng các hợp chất của silic và boron

– Xác định các hợp chất của silic và boron có khả năng hình thành liên kết với gỗ

– Nghiên cứu quá trình tác hợp giữa gỗ và các hợp chất silic, boron

2. Nghiên cứu xác định hiệu lực phòng chống sinh vật gây hại lâm sản của gỗ đã được xử lý bằng các hợp chất silic và boron

– Xác định hiệu lực phòng chống nấm gây hại lâm sản của gỗ sau xử lý

– Xác định hiệu lực phòng chống côn trùng gây hại lâm sản của gỗ sau xử lý

Nghiên cứu xác định độ ổn định kích thước của gỗ được xử lý bằng hợp chất silic và boron

– Xác định hệ số dãn nở của gỗ sau xử lý

– Xác định hệ số chống hút nước của gỗ sau xử lý

– Xác định hệ số chống hút ẩm của gỗ sau xử lý

Nghiên cứu xác định khả năng chống cháy của gỗ được xử lý bằng hợp chất silic và boron
Nghiên cứu khả năng tác động đến môi trường do quá trình rửa trôi boron của gỗ sau xử lý

Đề xuất kỹ thuật xử lý gỗ bằng một số hợp chất của silic và boron

2.3. Phương pháp nghiên cứu

a/ Nguyên, vật liệu thí nghiệm

– Hóa chất thí nghiệm: H₃BO₃, Na₂B₄O₇, Al₂(SO₄)₃, CaCl₂, Na₂SiO₃, axit silicic, Silic diôxit, tetra-ethoxysilan, amino-polydimethylsiloxane, vinyl trimethoxy silane, poly -etylenglycol metyl-metacrylat,

– Gỗ rừng trồng: gỗ keo lai (Acacia auriculiformis x mangium) và gỗ bồ đề (Styrax tonkinensis)

b/ Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu, đề tài sẽ áp dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

Phương pháp thực nghiệm:

+ Bố trí nghiên cứu thăm dò: Trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu khoa học đã tham khảo, bố trí các nghiên cứu thăm dò để xác định các khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào là thông số công nghệ của quá trình xử lý gỗ,

+ Bố trí theo theo phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố: Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thăm dò xác định được khoảng biến thiên của các thông số công nghệ của quá trình xử lý gỗ bằng các hợp chất của silic và boron, tiếp tục bố trí thực nghiệm đơn yếu tố để xác định thông số công nghệ hợp lý của quá trình xử lý gỗ.

+ Phương pháp xác định hiệu lực phòng chống sinh vật gây hại lâm sản của gỗ đã xử lý: Áp dụng phương pháp đã được Viện Khoa học Lâm nghiệp VN xây dựng: “Quy trình khảo nghiệm hiệu lực của của thuốc bảo quản lâm sản đối với mối”, “ Quy trình khảo nghiệm hiệu lực của thuốc bảo quản lâm sản với nấm”, “Quy trình khảo nghiệm hiệu lực của thuốc bảo quản lâm sản tại bãi thử tự nhiên”.

+ Phương pháp thực nghiệm xác định độ ổn định kích thước gỗ:

Gỗ sau khi xử lý hóa chất được bố trí thực nghiệm để xác định hệ số chống dãn nở theo TCVN 362- 70; Xác định hệ số chống hút nước theo TCVN 360- 70; Xác định hệ số chống hút ẩm theo TCVN 360- 70.

+ Phương pháp thực nghiệm xác định khả năng chống cháy của gỗ sau xử lý: Áp dụng phương pháp “Ống lửa” theo tiêu chuẩn ASTM – E69 – 50.

2.4. Thời gian thực hiện đề tài : 2010 – 2012

Năm 2010 là năm đầu tiên triển khai thực hiện đề tài.

3. Kết quả nghiên cứu

3.1. Nghiên cứu cơ sở quá trình xử lý gỗ bằng các hợp chất của silic và boron

3.1.1. Nghiên cứu xác định các hợp chất của silic và boron có khả năng hình thành liên kết với gỗ

a/ Tổng hợp tài liệu về các giải pháp biến tính gỗ nhằm nâng cao độ bền tự nhiên, độ ổn định kích thước và khả năng chống cháy của gỗ

Biến tính gỗ là một hoạt động sử dụng các tác nhân vật lý, hóa học và sinh học tác động lên vật liệu gỗ hướng đến việc nâng cao các tính chất mong muốn của gỗ trong suốt quá trình sử dụng.

Mục đích của biến tính gỗ là hướng tới việc tăng độ bền tự nhiên, độ ổn định kích thước, giảm sự hấp thụ nước, và đặc biệt ngày nay biến tính gỗ hướng tới việc tạo độ bền tự nhiên cho gỗ dưới các điều kiện môi trường và thời tiết khắc nghiệt.

Các phương pháp biến tính gỗ

– Biến tính hóa học: Là phương pháp trong đó sử dụng các tác nhân hóa học có khả năng tạo thành liên kết cộng hóa trị với thành tế bào gỗ.

Như vậy biến tính hóa học sẽ làm thay đổi bản chất hóa học thành tế bào, cụ thể là các hợp chất cao phân tử. Phương pháp biến tính hóa học ngày nay là phương pháp được quan tâm bởi số đông các nhà nghiên cứu trên thế giới.

– Biến tính nhiệt: là phương pháp biến tính dùng nhiệt để tác động lên gỗ nhằm đem lại sự gia tăng về tính chất liên quan đến hiệu quả của vật liệu.

– Biến tính bề mặt: là phương pháp biến tính sử dụng các tác nhân hóa học, vật lý và sinh học tác động lên bề mặt gỗ để đạt được hiệu quả nâng cao mong muốn.

– Biến tính lấp đầy: là phương pháp mà cho phép sự lấp đầy các thành phần gỗ bằng một loại vật liệu trơ để thu được hiệu quả thay đổi mong muốn.

Tổng hợp tài liệu về khả năng xử lý nâng cao các đặc tính gỗ của các hợp chất silic và boron

Xử lý bảo quản gỗ chống lại các tác nhân sinh vật gây hại bằng các hợp chất vô cơ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế sản xuất từ rất sớm. Trong các hợp chất vô cơ nêu trên, hợp chất của Boron được ưu tiên sử dụng nhiều hơn cả trong hai thập kỷ qua do có những ưu điểm về hiệu lực kháng nấm và côn trùng ở phổ rộng, thân thiện với con người, môi trường và không làm ảnh hưởng đến màu sắc tự nhiên của gỗ. Hợp chất của Boron còn là thành phần quan trọng trong các một số loại thuốc dùng để xử lý chống cháy và giữ ổn định kích thước cho gỗ. Song nhược điểm của các hợp chất Boron là lượng thấm được vào gỗ có giới hạn vì độ tan trong nước không cao, hơn nữa nếu gỗ tẩm được sử dụng ở ngoài trời, tiếp xúc với đất hoặc nơi có độ ẩm cao thì Boron rất dễ bị rửa trôi. Trong thời gian qua rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục nhược điểm này. Về cơ bản có 2 con đường chính được quan tâm:

– Tổng hợp các hợp chất mới gốc Bo kỵ nước

– Tác động vào gỗ được xử lý Boron

Trong các hướng nghiên cứu trên, hướng thứ nhất mới có rất ít công trình công bố. Theo hướng nghiên cứu thứ hai ( có nhiều hợp chất đáp ứng được theo hướng này, nhưng chúng tôi chỉ quan tâm chủ yếu đến các hợp chất của silic). Qua một số công trình nghiên cứu cho thấy các hợp chất của silic đóng vai trò chất chống ẩm làm hạn chế khả năng hút ẩm của gỗ, từ đó hạn chế được boron bị rửa trôi và đồng thời làm cho gỗ có độ ổn định kích thước tốt hơn

Thực nghiệm xác định các hợp chất boron, silic có khả năng nâng cao đặc tính gỗ

Các công thức hóa chất sử dụng cho nghiên cứu bao gồm:

A1: Axit silicic + Al₂(SO₄) + H₃BO₃ + amino-polydimethylsiloxane, theo tỷ lệ khối lượng 60% : 20% : 10% :10%

A2: Axit silicic + Al₂(SO₄) + methyl-metacrylat + H₃BO₃ + amino-polydimethylsiloxane, theo tỷ lệ khối lượng 60% : 10% : 10% : 10% :10%

A3: Silicdioxit + Al₂(SO₄) +Na₂B₄O₇ + vinyl trimethoxysilan, theo tỷ lệ khối lượng 60% : 20% : 10% :10%

A4: Silicdioxit + Al₂(SO₄) +Na₂B₄O₇ + vinyl trimethoxysilan + poly-ethylenglycol, theo tỷ lệ khối lượng 60% : 10% : 10% :10% +10%.

Kết quả đánh giá hiệu quả của các công thức trên như sau:

– Các mẫu gỗ sau tẩm có hiệu lực phòng mối tốt khi nồng độ hóa chất sử dụng trên 4% với gỗ bồ đề, trên 2% với gỗ keo lai của các công thức trên cơ sở axit boric. Trên 4% với gỗ bồ đề, 2% với gỗ keo lai với các công thức của muối borat.

– Các mẫu gỗ sau khi tẩm có hiệu lực kháng mọt rất tốt, hầu như tất cả công thức đều cho hiệu quả chống mọt, trừ 2 công thức axit boric và borat ở cấp nồng độ nhỏ nhất.

– Các mẫu gỗ sau tẩm cũng được khảo hiệu lực chống nấm mục trắng và nâu. Các kết quả cho thấy gỗ sau tẩm cho kết quả phòng mục tốt ở tất cả công thức.

– Các mẫu sau tẩm có khả năng chống cháy tốt hơn rất nhiều so với các mẫu đối chứng. Khả năng chậm cháy có thể nâng lên đến 50%, tuy nhiên các mẫu gỗ sau tẩm vẫn nằm trong nhóm dễ cháy. Điều này cho thấy vẫn phải nghiên cứu các hóa chất phối hợp để nâng cao hơn hiệu quả chống cháy.

– Các mẫu gỗ sau khi xử lý các nhóm hóa chất của boron có khả năng nâng cao độ bền kích thước lên rất nhiều so với đối chứng.

3.1.2 N

Nghiên cứu quá trình tác hợp giữa gỗ với các hợp chất của silic và boron

a/ Nghiên cứu xác định điều kiện kỹ thuật của gỗ cần đạt trước khi xử lý bằng các hợp chất của Silic và Boron

Với mục tiêu tổng hợp các nhân tố thuộc về tính chất gỗ, có ảnh hưởng lên kết quả nghiên cứu xử lý gỗ bằng hợp chất si licvà boron. Ảnh hưởng lên các kết quả thu được bao gồm các yếu tố sau:

– Các mẫu gỗ trước khi tẩm phải đảm bảo các thành phần có phân tử lượng cao không bị phá vỡ do xử lý nhiệt hoặc hóa học.

– Các mẫu gỗ nếu được dùng để tẩm các tác nhân có khả năng phá hoại các thành phần cấu trúc lên vách tế bào gỗ trong quá trình xử lý sau tẩm thì phải được tiền xử lý bằng hóa chất.

– Kích thước và chiều thớ mẫu gỗ phải được thiết kế sao cho lượng hóa chất thấm vào gỗ là tốt nhất.

– Gỗ trước tẩm phải đạt các tiêu chuẩn về độ ẩm để đảm bảo các quá trình hóa học diễn ra trong quá trình gia công sau tẩm được diễn ra thuận lợi.

– Đối với gỗ được dùng để phân tích thì ngoài các điều kiện trên còn phải được loại bỏ hoàn toàn các thành phần phân tử lượng thấp (các chất chiết) bằng chiết liên tục trong các dung môi khác nhau trong một khoảng thời gian dài để đảm bảo hình ảnh kết quả thu được rõ nét.

4. Kết luận

Sau 01 năm triển khai, đề tài dã đạt được kết quả nghiên cứu bước đầu, xây dựng được cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu biến tính gỗ bằng hợp chất vô cơ, cụ thể là xác silic và boron. Đã xác định được một số hợp chất silic và boron có khả năng nâng cao đặc tính gỗ, là tiền đề tốt cho các nội dung nghiên cứu của các năm tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH

Trần Văn Chứ và CS (2006), Nghiên cứu công nghệ biến tính gỗ có khối lượng thể tích thấp thành nguyên liệu có chất lượng cao, Báo cáo khoa học, Trường Đại học Lâm nghiệp.
Vũ Huy Đại (2009), Nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao tính chống chịu những tác động xấu của môi trường đế sản phẩm mộc, Báo cáo khoa học, Trường Đại học Lâm nghiệp.
Nguyễn Thị Bích Ngọc (2006), Nghiên cứu công nghệ bảo quản chế biến gỗ rừng trồng. Chương trình trọng điểm cấp Bộ về bảo quản chế biến nông lâm sản, Viện khoa học Lâm nghiệp Việt Nam.
Haruhiko Yamaguchi (2003), “Silicic acid: boric acid complexes as wood preservatives- ability of treated wood to reisist termites and combustion”, Wood Science and Technology, 37, 287-297.
Mai C, Militz H (2004), “Modification of wood with silicon compounds. Inorganic silicon compounds and sol gel systems”. Wood science and technology.
S. Nami Kartal, Won – Joung Hwang, Akira Yamamoto, Masaki Tanaka, Kazu matsamura, Yuji Imamura (2007), “Wood modification with a commercial silicon emulsion: effects on boron release and decay and termite resistance”, International biodetioration & Biodegradation, 60, 189-196.