TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Công nghệ xử lý nhiệt và công nghệ sản xuất tre ép khối
1.1.1 Công nghệ xử lý nhiệt
Trong những năm gần đây, chất lượng cuộc sống ngày càng cao đã dẫn đến việc hạn chế sử dụng hóa chất trong xử lý biến tính tre Phương pháp biến tính nhiệt, không sử dụng hóa chất mà chỉ dựa vào tác động của nhiệt độ, được xem là phương pháp thân thiện nhất Phương pháp này giúp thay đổi tính chất của tre, tạo ra sản phẩm mới với tính năng tốt, từ đó mở rộng phạm vi sử dụng của nguyên liệu tre Sự quan tâm của các nhà nghiên cứu đối với phương pháp biến tính nhiệt ngày càng tăng, đặc biệt trong việc xử lý các loại tre rừng trồng và nguyên liệu họ tre trúc.
Hiện nay, các nước Châu Âu như Hà Lan, Pháp, Đức và Phần Lan đã phát triển bốn công nghệ biến tính nhiệt tiêu biểu, bao gồm PlatoWood (Hà Lan), Le Bois Perdure và Rectification (Pháp), ThermoWood (Phần Lan), cùng OHT - Oil Heat Treatment (Đức) Những công nghệ này đã được đăng ký bằng sáng chế và được áp dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp.
Công nghệ xử lý nhiệt PlatoWood của Hà Lan sử dụng quá trình biến tính thủy - nhiệt để xử lý tre và gỗ, kết hợp với sấy và ổn định hóa Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính và một giai đoạn sấy trung gian Trong giai đoạn đầu, tre và gỗ tươi được xử lý ở nhiệt độ từ 160-220°C với áp suất và độ ẩm nhất định cho đến khi đạt độ ẩm yêu cầu Tiếp theo, trong giai đoạn hai, tre và gỗ được xử lý ở nhiệt độ 170-190°C để ổn định hóa Thời gian xử lý phụ thuộc vào loại tre và gỗ.
Công nghệ xử lý dầu nhiệt (OHT) áp dụng dầu thực vật tự nhiên trong quy trình khép kín để xử lý tre, với nhiệt độ thường từ 160 oC trở lên Mặc dù công nghệ này mang lại hiệu quả cao, nhưng chi phí đầu tư cho OHT lại cao hơn so với công nghệ xử lý thủy nhiệt.
Công nghệ xử lý nhiệt Retification sử dụng tre và gỗ phơi khô với độ ẩm khoảng 12%, được tiến hành ở nhiệt độ từ 200-240 độ C trong môi trường khí N2 với hàm lượng O2 dưới 5% Nhiệt độ xử lý cuối cùng có ảnh hưởng lớn đến độ bền tự nhiên và cường độ của tre và gỗ Sau khi xử lý, độ bền tự nhiên của tre và gỗ tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại tre, gỗ cũng như nhiệt độ và thời gian xử lý.
Công nghệ xử lý nhiệt ThermoWood sử dụng tre và gỗ đã sấy để xử lý trong môi trường hơi nước, tạo ra hai cấp sản phẩm là ThermoS và ThermoD ThermoS mang tính ổn định cao, trong khi ThermoD nổi bật với độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mối mọt và mục nát Công nghệ ThermoD rất phù hợp cho các công trình kiến trúc ngoài trời và đồ gia dụng Hiện nay, công nghệ này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể và chiếm thị trường lớn nhất so với các công nghệ khác.
Sau khi tre được xử lý nhiệt, khả năng hút nước và hút ẩm của nó giảm, dẫn đến tỉ lệ co rút và dãn nở cũng giảm rõ rệt Hệ số chống co rút và dãn nở của tre tăng lên, giúp tre có tính ổn định kích thước cao Điều này làm cho tre rất thích hợp để sử dụng làm vật liệu tre ép khối, đặc biệt là trong những ứng dụng yêu cầu ổn định kích thước cao.
Màu sắc của tre sau khi trải qua quá trình xử lý nhiệt sẽ chuyển từ màu nhạt sang màu đậm hơn, và trong suốt thời gian sử dụng, màu sắc này sẽ giữ được độ ổn định tương đối.
Xử lý nhiệt không chỉ làm thay đổi chất dinh dưỡng và độ ẩm của tre mà còn cải thiện đáng kể khả năng chống vi sinh vật và côn trùng phá hoại Quá trình này phá hủy môi trường sống của vi sinh vật và nấm mốc, từ đó loại bỏ các điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của côn trùng, nấm và các vi sinh vật tự nhiên khác Nhờ vậy, tre sau khi xử lý nhiệt trở nên bền bỉ hơn trước sự tấn công của các tác nhân gây hại.
Xử lý nhiệt cho tre là công nghệ an toàn và thân thiện với môi trường, chỉ sử dụng nhiệt độ và hơi nước hoặc khí trơ mà không thêm hóa chất nào Nhờ đó, tre được xử lý nhiệt trở thành một vật liệu an toàn cho sức khỏe và bảo vệ môi trường.
Tính chất cơ học của tre thay đổi đáng kể sau khi xử lý nhiệt, với việc một lượng lớn hemicellulose bị phân giải và cấu trúc lignin bị biến đổi Điều này dẫn đến sự giảm sút một số chỉ tiêu cơ học của tre Cụ thể, khi nhiệt độ xử lý cao và thời gian xử lý kéo dài, độ bền kéo trượt của màng keo sẽ giảm Ngược lại, độ bền uốn tĩnh của vật liệu sẽ tăng khi nhiệt độ xử lý dưới 150 o C, nhưng sẽ giảm khi nhiệt độ vượt quá 160 o C Modul đàn hồi cũng cho thấy sự biến đổi không rõ nét.
Tre sau khi được xử lý nhiệt sẽ giảm hàm lượng nhóm –OH, dẫn đến việc tăng góc tiếp xúc của chất lỏng với bề mặt tre Kết quả là khả năng thấm ướt của tre giảm, khiến cho tre xử lý nhiệt trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng ở những khu vực có độ ẩm cao.
- Dễ tạo hình, tạo dáng, dễ nén ép, có khả năng thẩm thấu keo cao
1.1.2 Công nghệ sản xuất tre ép khối phổ biến tại Việt Nam [7]
Tre ép khối là một loại vật liệu composite đặc biệt, được sản xuất từ các nan tre kết hợp với chất kết dính chuyên dụng Qua quy trình công nghệ đặc thù, tre ép khối đạt được khối lượng thể tích và tính chất cơ học tương đương với gỗ nhóm II và III từ rừng tự nhiên Quy trình sản xuất tre ép khối bao gồm nhiều công đoạn khác nhau, đảm bảo chất lượng và tính năng của sản phẩm.
Hình 1.1 Sơ đồ các bước sản xuất tre ép khối
Không phải tất cả các loại tre đều phù hợp để sản xuất ván tre ép, mà chỉ những cây tre có đường kính lớn từ 8-10 cm và được trồng trong 5-6 năm mới đảm bảo chất lượng Tre Măng ngọt, mặc dù có thể khai thác sau 3-4 năm, thường cần xử lý biến tính do chất lượng nguyên liệu thấp Nhiều chuyên gia coi tre là nguồn tài nguyên tái sinh và vật liệu bền vững cho tương lai Những cây tre đạt tiêu chuẩn phải có độ cứng và độ bền tốt, được thu hoạch bằng cách chặt hạ, cắt bỏ cành lá và cắt thành đoạn dài khoảng 300 cm.
(2) Cắt khúc và bổ ống
Các khúc tre đạt tiêu chí chất lượng sẽ được đưa vào máy trẻ nan tre, nơi mà chúng sẽ được cắt thành các nan có kích thước đồng đều nhờ vào khoảng cách giữa các lưỡi cắt tròn đã được đo sẵn Chiều dài cắt khúc thường là khoảng 3 m, tùy thuộc vào kích thước sản phẩm yêu cầu Quá trình bổ ổng được thực hiện bằng máy chẻ thủy lực, trong đó tre được chia thành 2-4 phần bằng nhau tùy thuộc vào đường kính của thân cây tre.
Hình 1.3 Bổ nan tre bằng máy chẻ ống
Tổng quan về công nghệ xử lý nhiệt cho tre và tre ép khối
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới a) Tình hình nghiên cứu về xử lý nhiệt cho tre
Trong những năm gần đây, nhu cầu tìm giải pháp cho các vấn đề phát triển nhanh của tre nứa đã gia tăng, dẫn đến việc áp dụng các phương pháp xử lý mới như acetyl hóa, hóa học và xử lý nhiệt Trong số đó, xử lý nhiệt được xem là phương pháp bảo vệ tre thân thiện với môi trường, giúp tăng giá trị sản phẩm tre Công nghệ này dựa trên sự kết hợp giữa nhiệt độ và hơi nước mà không sử dụng hóa chất Qua quá trình xử lý nhiệt, khả năng chống vi sinh vật, côn trùng, độ ổn định kích thước và khả năng chống chịu thời tiết của vật liệu tre được cải thiện đáng kể.
Nghiên cứu của Razak và cộng sự (2005) đã chỉ ra ảnh hưởng của xử lý nhiệt bằng dầu cọ đến đặc tính và độ bền của tre Semantan (Gigantochloa scortechinii) Các mẫu tre 4-5 tuổi được thu hoạch và xử lý ở nhiệt độ 140 o C, 180 o C và 220 o C trong thời gian 30, 60 và 90 phút Kết quả cho thấy tre tươi và khô được làm khô đến độ ẩm 6-7% trong 2-3 giờ Mặc dù tính chất cơ bản của tre có cải thiện nhẹ nhờ xử lý nhiệt, nhưng cường độ tổng thể của tre lại giảm sau quá trình này.
Mô đun đàn hồi chịu uốn của tre giảm từ 2 đến 33% ở tre tươi và từ 6-9% ở tre khô Mô đun chịu uốn cũng giảm từ 1 đến 23% ở tre tươi và từ 4-16% ở tre khô Cường độ nén giảm từ 2 đến 3% ở tre tươi và từ 2-35% ở tre khô Cường độ giảm trong khoảng từ 16 đến 24% ở tre tươi và từ 12-24% ở tre khô Kết quả cho thấy khối lượng của tre giảm khi nhiệt độ và thời gian xử lý tăng lên.
Sự suy giảm chất lượng tre sau khi xử lý nhiệt chủ yếu do mất nước, dẫn đến sự phá vỡ liên kết giữa các nhóm hydroxyl Hàm lượng cân bằng (EMC) của tre được xử lý nhiệt thấp hơn đáng kể so với tre chưa xử lý, điều này chủ yếu là do sự suy giảm các thành phần vách tế bào trong quá trình xử lý Hơn nữa, việc hấp thụ độ ẩm thấp hơn giúp cải thiện sự ổn định kích thước của tre.
Nghiên cứu của Manalovà Acda (2009) đã chỉ ra rằng việc xử lý dầu nóng có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ lý của ba loài tre Philippine, bao gồm Bambusa blumeana, B vulgaris và Dendrocalamus asper, sau khi tiếp xúc với dầu dừa nguyên chất.
Nghiên cứu cho thấy khi xử lý ở nhiệt độ từ 160 đến 200 độ C trong khoảng thời gian từ 30 đến 120 phút, khả năng hấp thụ nước và đặc tính trương nở độ dày của tất cả các loài thử nghiệm đều được cải thiện Tuy nhiên, các đặc tính độ bền như mô đun đàn hồi, mô đun đứt gãy và độ dẻo dai lại giảm sút Sự cải thiện về độ ổn định kích thước và sự giảm các đặc tính độ bền có mối tương quan với nhiệt độ, trong khi thời gian xử lý dường như không ảnh hưởng nhiều đến các đặc tính vật lý hoặc cơ học.
Nghiên cứu của Zhao và cộng sự (2010) cho thấy rằng xử lý hơi nước ở các nhiệt độ khác nhau (120, 160 và 200 o C) và thời gian (15 và 30 phút) ảnh hưởng đến tính chất uốn của tre Moso (Phyllostachys pubescens) Mô đun uốn tĩnh (MOR) và mô đun đàn hồi uốn tĩnh (MOE) của thân ngoài cao hơn ít nhất 2,4 và 2,2 lần so với thân trong Nhiệt độ và thời gian không tác động đến tính chất uốn của hai phần này, tuy nhiên, MOR giảm đáng kể khi xử lý ở 200 o C, với mức giảm hơn 33% sau 30 phút so với 25 và 160 o C, trong khi MOE không bị ảnh hưởng Alpha-cellulose giữ ổn định trước nhiệt độ và thời gian, nhưng lignin tăng nhẹ khi nhiệt độ đạt 200 o C, trong khi hàm lượng hemicellulose giảm đáng kể Sự mất mát hemicellulose có mối tương quan với sự giảm độ bền MOR, và ở 200 o C, có sự giảm rõ rệt về MOR, hàm lượng hemicellulose và độ pH, đồng thời tăng hàm lượng các chất chiết xuất từ nước nóng, etanol-benzen, NaOH 1% và lignin.
Nghiên cứu của Schmitz và cộng sự (2019) đã chỉ ra rằng xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến tính ổn định kích thước và tính chất cơ học của tre Guadua (Guadua angustifolia), đặc biệt trong các ứng dụng xây dựng Kết quả cho thấy rằng khi tiếp xúc với độ ẩm tương đối cao (50% đến 90%), tất cả các mẫu tre đều gia tăng kích thước Xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao hơn giúp giảm sự thay đổi kích thước tổng thể, trong đó xử lý nhiệt 200 o C cho thấy khả năng giảm thay đổi lớn nhất, trong khi xử lý 50 o C lại có sự thay đổi kích thước lớn hơn Nhiệt độ xử lý 170 o C mang lại tính chất cơ học mạnh mẽ nhất, với giá trị MOR cao nhất, trong khi xử lý 50 o C có MOR thấp nhất Nghiên cứu này khẳng định rằng tre Guadua là vật liệu phù hợp cho xây dựng ban công và có giá trị sử dụng cao.
Nghiên cứu của Cong N.T và các cộng sự (2012) đã chỉ ra rằng phương pháp xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất vật lý của tre Việt Nam Cụ thể, cây tre 3 tuổi được khai thác tại xã Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình đã được xử lý qua nhiều giai đoạn nhiệt độ, bắt đầu từ 40 o C trong 2 ngày, sau đó 60 o C, rồi 80 o C cho đến khi khối lượng ổn định Tiếp theo, tre được xử lý ở các nhiệt độ 130, 180 và 220 o C trong thời gian 2 hoặc 5 giờ Kết quả cho thấy sự biến đổi nhiệt đã dẫn đến nhiều thay đổi về khối lượng, màu sắc và độ ẩm cân bằng (EMC), và tất cả những thay đổi này phụ thuộc vào điều kiện biến tính như nhiệt độ và thời gian.
Sự mất khối lượng (ML), sự khác biệt về màu sắc (∆E ab) và sự giảm EMC (∆EMC) gia tăng do biến đổi nhiệt ở nhiệt độ cao và thời gian dài Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn hơn so với thời gian sửa đổi Ở 130 o C, các thay đổi nhẹ được ghi nhận với ML từ 0,3 đến 0,6%, ∆E*ab từ 3 đến 5, và ∆EMC từ 0,5 đến 0,8% Trong khi đó, ở 180 o C, sự thay đổi là vừa phải với ML từ 1,5 đến 4%.
∆E*ab: 21… 37; ∆EMC: 3,6… 4,4%), nhưng rất mạnh ở 220 o C (ML: 14… 16%;
Trong quá trình biến đổi, tre cho thấy sự thay đổi màu sắc rõ rệt, chuyển từ màu xanh sang nâu hoặc nâu sẫm, với chỉ số ∆E* ab dao động từ 46 đến 51 và EMC giảm từ 5,6% đến 5,7% Sự thay đổi này không chỉ đáng chú ý mà còn quan trọng, vì EMC của tre cải tiến thấp hơn so với mẫu đối chứng Ngoài ra, có mối tương quan chặt chẽ giữa sự giảm khối lượng, sự khác biệt về màu sắc và EMC, cho thấy sự liên kết giữa các đặc tính này.
Martina Bremer và các cộng sự (2012) đã nghiên cứu tác động của phương pháp xử lý nhiệt đến tính chất của tre Việt Nam, tập trung vào ảnh hưởng đến thành phần hóa học Nghiên cứu sử dụng hai loại tre là cây Luồng (Dendrocalamus barbatus) và cây Bương.
(Dendrocalamus asper) 3 tuổi được khai thác ở xã Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình, các bước xử lý như sau: Tre làm khô ở 40 o C trong 2 ngày, sau đó làm khô 2 ngày ở
Nhiệt độ được thiết lập ở 60 o C, sau đó mẫu được làm khô ở 80 o C cho đến khi khối lượng không đổi (khối lượng thay đổi
