BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------

LÊ QUANG KHẢI

TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA THIẾT BỊ NÉN CHỈNH HÌNH GỖ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đồng Nai, 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------

LÊ QUANG KHẢI

TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA THIẾT BỊ NÉN CHỈNH HÌNH GỖ

CHUYÊN NGÀNH
KỸ THUẬT MÁY, THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ GỖ GIẤY
MÃ SỐ: 60.52.24

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. ĐẶNG ĐÌNH BƠI

Đồng Nai, 2012


-1-

MỞ ĐẦĿĊ
ěĘ ľꌮŘŒĊōấŚĊŞŒœếŞĊōủŋĊđềĊŞꌡœĊ
Sự bùng nổ dân số, cùng với quá trình phát triển mọi mặt về kinh tế, xã hội,
dẫn đến nhu cầu sử dụng đồ mộc và trang trí nột thất bằng các sản phẩm gỗ ngày
càng tăng. Vì thế, q trình sản xuất địi hỏi một khối lượng nguyên liệu ngảy
càng nhiều hơn. Trong khi đó, khả năng cung cấp gỗ từ rừng tự nhiên ngày càng
hạn chế, thậm chí khơng thể cung cấp, do quyết định đóng cửa rừng tự nhiên của
Chính phủ. Từ đó, khiến cho nguồn nguyên liệu của ngành chế biến gỗ phải nhập
khẩu, hoặc phải sử dụng một cách có hiệu quả gỗ rừng trồng mọc nhanh. Đồng
thời, cần phải triệt để tận dụng phế liệu gỗ trong sản xuất Lâm nghiệp, bao gồm gỗ
tỉa thưa, cành ngọn, cây gãy đỗ trong khai thác rừng trồng và lõi gỗ sau khi bóc
ván mỏng. Hiện nay, loại thứ phế liệu này thường làm chất đốt hoặc bỏ phí. Vì
vậy, nghiên cứu sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh và thứ phế liệu trong sản xuất
lâm nghiếp nói trên làm nguồn cung cấp nguyên liệu cho sản xuất sản phẩm mộc
và trang trí nội thất là rất cần thiết
Gỗ rừng trồng có nhiều ưu điểm như sinh khối lớn, năng suất cao, chu kỳ
khai thác ngắn, một số lồi cây có khả năng tái sinh mạnh... Nhưng, gỗ rừng trồng
mọc nhanh hầu hết có độ bền tự nhiên kém, tính chất cơ học khơng cao, khối
lượng thể tích thấp dễ bị các vi sinh vật phá hại. Gỗ tỉa thưa, cành ngọn, lõi gỗ
bóc, có một điểm chung lả đường kính nhỏ, chất lượng gỗ kém, độ bền cơ học
thấp.
Để có thể sử dụng gỗ rừng trồng mọc nhanh, lõi gỗ bóc, cành ngọn, gỗ nhỏ
tia thưa có đường kính nhỏ, như một nguồn ngun liệu ổn định và có độ bền đạt

yêu cầu trong sản xuất sản phẩm gỗ thì cần phải nâng cao tính chất cơ học và độ
bền tự nhiên của chúng. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách nâng cao khối
lượng thể tích của gỗ. Bởi vì, khối lượng thể tích tỷ lệ thuận với cường độ chịu lực
và phản ánh tương đối tồn diện cho tính chất cơ học của vật liệu. Một trong


-2-

những giải pháp kỹ thuật để nâng cao khối lượng thể tích của gỗ là sử dụng cơng
nghệ biến tính. Từ trước đến nay, công nghệ này thường được thực hiện bằng
cách nén các thanh gỗ (nén 2 mặt) để làm giảm chiều dày, qua đó nâng cao khối
lượng thể tích. Như vậy, muốn ứng dụng cơng nghệ này, cần phải có gỗ đường
kính lớn để xẻ thanh một cách hiệu quả. Nhưng, sau khi xẻ vẫn để lại một lượng
đáng kể phế liệu khơng được sử dụng.
Cịn trường hợp gỗ trịn và phế liệu có đường kính nhỏ đã nói ở trên,
khơng thể xẻ thành thanh, hoặc xẻ thanh khơng hiệu quả. Vì thế, khơng ứng dụng
cơng nghệ biến tính theo phương thức nén 2 mặt để nâng cao độ bền và tính chất
cơ học được mà cần sử dụng cơng nghệ biến tính theo phương thức nén khác để
biến những dạng gỗ trịn có đường kính nhỏ, độ bền tự nhiên thấp trở thành nguồn
nguyên liệu có tiết diện ngang hình vng hoặc chữ nhật và độ bền tự nhiên đáp
ứng được những yêu cầu cần thiết của nguyên liệu sản xuất sản phẩm mộc dân
dụng, ván ghép thanh và trang trí nội thất. Đồng thời khơng tạo ra phế liệu và
không ảnh hưởng xấu đến môi trường.
Tuy nhiên, để triển khai cơng nghệ nén gỗ trịn đường kính nhỏ thành gỗ có
tiết diện ngang hình vng trong thực tế vẫn cịn hạn chế do khơng có máy và
thiết bị để phù hợp để sử dụng.
Từ những phân tích trên, chúng tơi đề xuất thực hiện đề tài: “Tính tốn,
thiết kế động học và động lực học của thiết bị nén chỉnh hình gỗ”.
ĜĘĊĐốœĊŞượŘőĖĊŗụōĊđꌮōŒĖĊŘộœĊŎşŘőĊŠꌡĊŚŒươŘőĊŚŒꌢŚĊŘőŒœꌫŘĊōứşĊ
a. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tính tốn thiết kế động học và
động lực học của thiết bị nén chỉnh hình gỗ bằng nghiên cứu tổng quan các
tài liệu, lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để nén tiết diện gỗ trịn thành gỗ
có tiết diện hình vng hoặc chữ nhật.


-3-

b. Mục đích nghiên cứu
Xác định các thơng số thiết kế chế tạo máy nén chỉnh hình gỗ, làm cơ sở
cho nghiên cứu và chế tạo máy nén chỉnh hình gỗ, trong ngành chế biến gỗ.
c. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát về tình hình nguyên vật liệu và chủng loại sản phẩm.Ċ
- Xác định sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy nén chỉnh hình gỗ
- Thiết kế và tình tốn các thơng số động học và động lực học của máy
nén chỉnh hình gỗ.
d. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp
với thực nghiệm
- Phương pháp lý thuyết
- Phương pháp thiết kế máy công cụ
- Phương pháp chuyên gia
- Kiểm nghiệm thân máy phay bằng phần mềm công nghiệp
- Phân tích và đánh giá kết quả


-4-

ĭŒươŘőĊěĊ
TỔĸıĊĻĿīĸĊŀỀĊŀẤĸĊĐỀĊĸıIJijꌋĸĊĭỨĿĊ

Ċ
Trong cơng nghệ chế biến gỗ, khi nâng cao tính chất cơ học và khả năng
chống chịu với môi trường sử dụng là mục đích của cơng nghệ biến tính gỗ. Do
vậy, trong luận án này công nghệ nâng cao tính chất cơ lý gỗ được hiểu là cơng
nghệ biến tính gỗ.
ěĘěĘĊĭꌕĸıĊĸıIJỆĊĬijẾĸĊľꌎĸIJĊıỖĊ
Có hai trường phái biến tính gỗ chủ yếu là:
a. Cơng nghệ biến tính gỗ - làm thay đổi chủ yếu về chất của gỗ mà quá
trình xử lý gỗ hồn tồn bằng hố chất hoặc sinh hố hoặc năng lượng cực mạnh
như năng lượng hạt nhân, sóng điện từ... để làm tác nhân thay đổi đáng kể cấu trúc
tế bào, thành phần các chất trong gỗ (khi lượng của gỗ không thay đổi hoặc thay
đổi không đáng kể nhưng lại có sự thay đổi lớn về chất).
Theo quan điểm này, một số nhà khoa học ở nhiều nước khối EU cho rằng
khi đạt được mục tiêu là nâng cao độ bền tự nhiên của gỗ (chống nấm mốc, côn
trùng phá hoại) mà chỉ cần một lượng không nhiều hóa chất được tẩm vào gỗ để
bảo quản gỗ cũng được coi là cơng nghệ biến tính gỗ [23].
b. Cơng nghệ biến tính gỗ - làm thay đổi về lượng của gỗ mà thường là
thay đổi mật độ vật chất của gỗ trong một đơn vị thể tích mà khơng thay đổi hoặc
thay đổi không đáng kể cấu trúc cơ bản của gỗ [22].
Với quan điểm khối lượng thể tích của gỗ là một đại lượng đặc trưng cơ
bản cho các đặc điểm, tính chất của gỗ. Từ đại lượng này mà ta có thể ước đốn
được khả năng chịu lực của vật liệu gỗ nguyên liệu cũng như gỗ biến tính. Cũng
chính theo ngun tắc đó, về ngun lý cũng như thực tế cơng nghệ biến tính gỗ
đang đi theo hai hướng chính là:


-5-

- Giữ nguyên khối lượng gỗ mà giảm thể tích; đó là ngun lý của biến tính
nhiệt cơ và sản phẩm của nó là gỗ nén.

- Tăng khối lượng gỗ bằng cách bổ sung vào gỗ một lượng vật chất nhất
định trong khi giữ ngun hoặc giảm thể tích; đó là ngun lý của biến tính
hố/hố cơ và sản phẩm đặc trưng cho nó là sản phẩm gỗ tẩm, gỗ cường hoá,
polime hoá gỗ...
ěĘĜĘĊķỘľĊĽỐĊĶĹẠijĊIJꌍĸIJĊĽẢĸĊĺIJẨķĊıỖĊĬijẾĸĊľꌎĸIJĊ
ěĘĜĘěĘĊıỗĊŘꌪŘĊ
Gỗ nén được sản xuất theo phương pháp sử dụng đặc tính rỗng xốp của gỗ
để dồn nén gỗ làm cho có mật độ lớn hơn trong một đơn vị thể tích, tức là làm
tăng khối lượng thể tích của gỗ từ đó sẽ tăng được độ cứng của vật liệu này. Gỗ
nén là sản phẩm còn có tên gọi: Lignstone và chủ yếu được sử dụng làm thoi dệt,
ống sợi, tay nắm công cụ, chế tạo chi tiết có khả năng chịu mài mịn, tự bơi trơn
trong các chi tiết máy của ô tô, máy nông nghiệp. Nhược điểm của gỗ nén là trong
điều kiện ẩm ướt thì kích thước của nó khơng ổn định và có khả năng đàn hồi trở
lại [31].
ěĘĜĘĜĘĊıỗĊŞẩŗĊŕŏřĊ
Để khắc phục nhược điểm của gỗ nén, các nhà khoa học đã nghiên cứu và
đưa vào trong gỗ một số chất hoá học nhằm ổn định hình dạng và kích thước sản
phẩm đồng thời cũng tăng cường độ chịu lực; một trong những loại hình sản phẩm
đơn giản nhất khi sử dụng hố chất là gỗ ngâm tẩm (Impreg) [37] hay còn gọi là
gỗ tẩm keo. Loại hình này sản phẩm khơng thấm nước và có ưu điểm rất rõ đó là
hệ số co giãn kích thước rất nhỏ, tuy nhiên để đạt được điều đó phải sử dụng
lượng hóa chất khơng nhỏ trong quá trình sản xuất.
Ċ
Ċ
Ċ


-6-

ěĘĝĘĝĘĊŀꌢŘĊꌪŚĊŖớŚĊĊĊ

Có một loại hình sản phẩm từ gỗ mà tính dị hướng không đáng kể và tác
dụng của độ ẩm khơng lớn tới tính chất của gỗ biến tính, đó là ván ép lớp
(Compreg) [29]. Người ta đã sử dụng những phương pháp xếp ván mỏng đã được
tráng keo và ép. Ván ép lớp là sản phẩm có nhiều ưu điểm như: kích thước rất ổn
định, giữ được vân thớ tự nhiên của gỗ, khả năng trang sức và cắt gọt tốt và có thể
dán lên bề mặt gỗ một cách dễ dàng. Khả năng chịu được nhiệt độ cao, chống sâu
nấm và côn trùng hại gỗ tốt nhưng giá thành của gỗ tương đối cao do phải chi phí
quá lớn cho hóa chất và thiết bị kèm theo.
ěĘĜĘĞĘĊıỗĊōườŘőĊŒřꌢĊ
Ở nước Đức đã cơng bố tài liệu nói về gỗ cường hố (Dentified) vào năm
1930 [22]. Đó là một loại hình gỗ biến tính bằng cách đưa một số kim loại vào
trong tế bào gỗ để tăng khối lượng thể tích của gỗ đồng thời cũng tăng được khả
năng chịu mài mịn của vật liệu. Cũng chính vì lý do trong gỗ có tẩm kim loại và
cơng nghệ phức tạp mà mức độ và phạm vi sử dụng của gỗ cường hố cũng
khơng rộng, chỉ được sử dụng vào những trường hợp đặc biệt đối với chi tiết máy
chứ không sử dụng được trong sản xuất đồ mộc dân dụng.
ěĘĜĘğĘĊĺřŖţŗŏĊŒřꌢĊőỗĊ
Khi ta sử dụng các hydratcarbon không no hoặc các chất đa tụ phân tử
lượng thấp, sau khi đã đa tụ sơ bộ ta dùng phương pháp chiếu xạ hoặc gia nhiệt
xúc tác để cung cấp năng lượng cho chúng đa tụ tiếp trong gỗ ta sẽ được sản phẩm
gọi là Gỗ-Polime hay cịn được gọi là sản phẩm polime hố gỗ (WPC) [9], [38].
Vintorg là một loại sản phẩm WPC được chế tạo từ những lồi gỗ khó
tẩm hố chất. Thơng qua việc áp dụng cơng nghệ xử lý vi sóng tạo nên
những “kênh” dẫn hoá chất tẩm vào trong gỗ; Phơi gỗ đó sau khi được tẩm
hố chất qua các “kênh” dẫn được ép nhiệt để đạt tới kích thước mong muốn


-7-

và cũng chính trong q trình đó dung dịch tẩm - đã được chứa vào các kênh

dẫn nhờ quá trình xử lý vi sóng - đóng rắn lại [20].
ěĘĝĘĊķỘľĊĽỐĊĭꌕĸıĊĸıIJỆĊĬijẾĸĊľꌎĸIJĊıỖĊĭIJỦĊŃẾĿĊ
v ĭꌵŘőĊŘőŒệĊŌœếŘĊŞꌮŘŒĊŘꌪŘĊꌪŚĖĊŘŒœệŞĊ៟ĊŘőꌣŗĊŞẩŗĊ
a. Cơng nghệ biến tính gỗ nhiệt - cơ
Sản phẩm của công nghệ này là gỗ nén và sử dụng phương pháp biến tính
nhiệt - cơ tức là dùng tác nhân làm mềm gỗ là nhiệt và ẩm sau đó dùng máy ép để
nén chặt gỗ lại. Biện pháp công nghệ này gây ít tác hại đến mơi trường nhất. Tuy
nhiên sản phẩm của nó có những tồn tại cần phải khắc phục đó là sự hút ẩm và
đàn hồi trở lại của gỗ biến tính trong q trình sử dụng. Khi tăng mức độ nén gỗ,
độ bền của gỗ sẽ tăng lên mà không phụ thuộc vào phương pháp nén.
Rất nhiều nhà khoa học Liên Xô (cũ) ở nhiều trường đại học, Viện nghiên
cứu trong đó điển hình có nghiên cứu của P.N. Khukhranski và nhiều cơng trình
nghiên cứu gỗ nén từ các loại gỗ lá kim vào những năm 1930 -1990 đều khẳng
định rằng: Trước khi nén ép gỗ, chúng phải được làm mềm trong môi trường hơi
nước bão hoà hoặc gỗ được luộc trước hoặc gỗ được xử lý trong môi trường độ
ẩm cao; sau công đoạn nén ép gỗ buộc phải qua khâu xử lý nhiệt để ổn định kích
thước gỗ nén [31], [33]. Tuỳ theo mục đích sử dụng của vật liệu mà người ta có
thể ép gỗ theo kiểu ép phẳng hay ép trục; trong ép phẳng cũng có trường hợp ép
hở (ép 1 mặt) hoặc ép kín (ép 2 mặt), trong kiểu ép hở thì ta cũng có thể sử dụng
loại hình nén gỗ bằng rulơ dùng cho những vật liệu có dạng tấm, bản. Đối với sản
phẩm có tiết diện trịn như trục chịu lực thì ta dùng kiểu ép trục trịn kín, nếu dùng
vào mục đích làm bạc đỡ thì nén trục rỗng [28].
Và trong thời gian đầu của thế kỷ 21, cơng nghệ biến tính gỗ bằng phương
pháp nhiệt cơ lại được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn và ứng dụng nhiều hơn trong
công nghiệp cũng như đồ mộc dân dụng. Trong cuộc hội thảo về biến tính gỗ của
Hội khu vực châu Âu đã có những nghiên cứu ứng dụng cơng việc biến tính gỗ


-8-


bằng phương pháp biến tính nhiệt để nâng cao tính chất cơ học và khả năng chống
chịu môi trường của gỗ như:
Tác giả C.R. Welzbacher và các cộng sự (2005) [25] đã nghiên cứu sử
dụng phương pháp nhiệt – cơ để tăng khả năng chống chịu với môi trường (chống
nấm Soft-rotting micro-fungi), nâng cao cường độ chịu uốn - MOR và khả năng
ổn định kích thước của gỗ Norway Spruce.
Tác giả W. Scheiding và các cộng sự (2005) [24] đã nghiên cứu sản xuất
dụng cụ thể thao bằng phương pháp xử lý nhiệt đối với một số loài gỗ châu Âu
như: European Beech, Scots Pine, Norway Spruce, European Ash.
b. Công nghệ hóa nhiệt cơ
Cơng nghệ hóa nhiệt cơ là cơng nghệ sản xuất gỗ biến tính u cầu phải có
thiết bị áp lực ở cả hai khâu công việc là tẩm hóa chất và ép nhiệt.
Tác giả Nguyễn Trọng Nhân (1998) [9] đã nghiên cứu cơng nghệ tẩm hố
chất dung dịch P-F 33%, và ép nhiệt để tạo ra phôi thoi dệt từ gỗ Vạng trứng;
Nồng độ độ nhớt của dung dịch tẩm BZ4: 28s; Kích thước sản phẩm 36 x 5,5 x
7,6 cm3 độ ẩm 12%, chế độ ép khi đó phụ thuộc vào mức độ tẩm, mức độ nén, áp
lực nén. Tỉ trọng của gỗ biến tính đạt tới 0,9g/cm3; một số tác giả khác ở Trường
ĐH Công nghiệp rừng Voronhet lại sử dụng urê làm tác nhân hố dẻo gỗ cịn
khâu ép nhiệt thực hiện chức năng nén chặt gỗ đã được làm mềm và cố định kích
thước gỗ biến tính [34].
Ván ép lớp: Tính chất của gỗ cũng có thể được nâng cao nhờ xử lý hoá học.
Gỗ được tẩm hoá chất sẽ nâng cao khả năng bền vững với mơi trường bên ngồi.
Và một trong những phương pháp nâng cao tính chất kỹ thuật của gỗ đó là xử lý
nhiệt có tác động của áp lực, phương pháp này dựa trên khả năng dẻo hoá của gỗ.
Khi gỗ được mềm, dẻo hoá, dưới tác động của áp lực thì gỗ bị biến dạng được nén
lại, do có giảm khoảng cách giữa các tế bào, ép, uốn các vách tế bào, giảm thể tích
các tế bào do có sự trượt của vách tế bào lên nhau. Tuy nhiên, việc sử dụng gỗ


-9-


nguyên cho sản xuất gỗ ép lớp rất khó khăn, khơng chỉ vì keo khó thấm vào gỗ mà
sau khi sấy rất khó đảm bảo keo khơng đóng rắn sớm.
Khi sử dụng các ván mỏng tẩm keo P-F được xếp theo chiều song song rồi
ép lại với nhau, chúng ta sẽ có được loại sản phẩm ván ép lớp có khả năng bền
vững với mơi trường bên ngồi. Cơng nghệ này không cần thiết phải sử dụng thiết
bị áp lực trong khâu tẩm keo nhưng nó cũng địi hỏi phải có thiết bị tráng keo mới
có thể đảm bảo độ đồng đều và tiết kiệm lượng keo.
Trong một số loại hình sản phẩm, chi tiết máy ít tiếp xúc với người sử dụng
và có u cầu đặc biệt về tính chịu lực, khả năng chống chịu với môi trường cao,
người ta vẫn có thể dùng nhựa phenol formaldehyt (P-F) trong cơng nghệ sản xuất
gỗ biến tính. Ví dụ: năm 2004, Md. Ifteckhar Sham [17] đã nghiên cứu sản xuất
thử gỗ tẩm nhựa P-F có cường độ cao ở áp suất ép thấp, đã nghiên cứu ảnh hưởng
của việc loại bỏ chất nền bằng natri clorit (NaClO2) trước khi tẩm nhựa P-F có
khối lượng phân tử thấp. Khối lượng thể tích, mô-đun trượt và cường độ uốn của
ván ép lớp (ván mỏng qua 4 lần xử lý bằng natri clorit rồi tẩm nhựa PF) được ép ở
áp suất 1 MPa, đạt các trị số tương ứng là 1,15 g/cm3, 27 GPa và 280 MPa, trong
khi các trị số này với mẫu không được tẩm nhựa PF tương ứng là 0,8 g/cm3, 16
GPa, và 165 MPa.
ěĘĞĘĊĸIJẬĸĊłꌊľĊĭIJĿĸıĊĊ
v VớœĊŚŒươŘőĊŚŒꌢŚĊŘŒœệŞĊōơ
Ưu điểm lớn nhất là ít gây tổn hại về môi trường; công nghệ - thiết bị
tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Nhưng tồn tại lớn nhất là chưa tìm ra được
điều kiện chuẩn xác để hạn chế tuyệt đối sự đàn hồi trở lại của gỗ nén.
Với phương pháp hóa cơ: Hầu hết sản phẩm có ưu điểm là độ bền cao, tính
ổn định, chống chịu với môi trường tốt; tuy nhiên những tồn tại của phương pháp
này là giá thành sản phẩm cao, cơng nghệ phức tạp, hóa chất chủ yếu là amoniac,
acetil, U-F, PF, PEG... khó khống chế triệt để q trình phản ứng, có nhiều nguy



- 10 -

cơ ảnh hưởng xấu đến tính năng sử dụng cũng như môi trường nếu không được
quan tâm đến dư lượng hóa chất trong sản phẩm và xử lý chất thải trong sản xuất
hoặc phải chi phí rất lớn để giải quyết xử lý môi trường.
Trong điều kiện phát triển sản xuất cơng nghiệp, việc nhóm một số mặt
hàng có cùng tính năng, u cầu kỹ thuật và cơng năng của sản phẩm để đưa
ra giải pháp công nghệ phù hợp sẽ giảm chi phí rất nhiều dẫn tới hạ giá thành
sản phẩm. Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuất gỗ biến tính bằng
phương pháp nhiệt cơ vẫn thật sự cần thiết và hiệu quả hơn khi hạn chế
những nhược điểm của gỗ nén thông qua việc lựa chọn phù hợp tính năng của
nguyên liệu, mức độ đáp ứng của công nghệ với chỉ tiêu sản phẩm.
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ
Ċ



- 11 -

ĭŒươŘőĊĜĊ
CƠĊĽỞĊĶꌞĊľIJĿŃẾľĊ
ĜĘěĘĊŀẬľĊĶijỆĿĊıỖĊ
ĊĊĊĊĜĘěĘěĘĊıỗĊōŋřĊŝşĊ
Cây Cao su thuộc họ Thầu dầu Euphorbiaceae Juss, có tên khoa học là
Heveabrasiliensis Muell – Arg. Nó có tầm quan trọng về kinh tế lớn do nhựa
cao su là nguồn chủ lực trong sản xuất cao su tự nhiên.
Đặc điểm nhận biết: cây gỗ nhỏ, vỏ màu xám tro. Vết vỏ đẽo chảy nhiều
nhựa trắng, nhựa đàn hồi cao. Lá kép 3 lá chét, mọc cách, lá kèm sớm rụng lá,
lá chét hình trái xoan hoặc trứng ngược, đầu có mũi lồi ngắn, đi nêm, dài
10 – 17cm, rộng 6 – 8 cm. Mép là nguyên gân bên 12 – 14 đôi nổi rõ gần song
song. Cuống lá dài 5 – 11 cm, đỉnh thường có 3 tuyến trịn. Hoa lưỡng tính
cùng gốc, hoa tự hình xim viên chùy ở nách lá, phủ lông mềm màu xám trắng.
Hoa đực khơng có tràng, nhị 10, chỉ nhị hợp thành 1 cột, bao phấn xếp thành
2 hàng. Hoa cái: bầu trên 3 ơ, có 3 múi rõ. Quả nang hình cầu có múi trịn,
đường kính 6cm. Hạt hình trái xoan, khi chín màu nâu nhiều đốm trắng.
Cây phát triển tốt ở vùng nhiệt đới ẩm, có nhiệt độ trung bình từ 220C
đến 300C (tốt nhất ở 260C đến 280C), cần mưa nhiều (tốt nhất là 2.000mm)
nhưng không chịu được sự úng nước và gió. Cây cao su có thể chịu được
nắng hạn khoảng 4 đến 5 tháng, tuy nhiên năng suất mủ sẽ giảm.
Cây chỉ sinh trưởng bằng hạt, hạt đem ươm được cây non. Khi trồng cây
được 5 tuổi có thể khai thác mủ, và sẽ kéo dài trong vài ba chục năm.
Gỗ từ cây cao su, gọi là gỗ cao su, được sử dụng trong sản xuất đồ gỗ.
Nó được đánh giá cao vì có thớ gỗ dày, ít co, màu sắc hấp dẫn và có thể chấp
nhận các kiểu hồn thiện khác nhau. Nó cũng được đánh giá như là loại gỗ



- 12 -

"thân thiện môi trường", do người ta chỉ khai thác gỗ sau khi cây cao su đã
kết thúc chu trình sản sinh nhựa mủ.
Phân bố chủ yếu ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Gỗ Cao
su trước những năm 1990 được sử dụng làm chất đốt là chủ yếu, sau khi
Chính phủ hạn chế và tiến hành cấm khai thác rừng tự nhiên thì các loại gỗ

Khai thác nhựa cao su

Lá cao su

Hoa cao su

Cây cao su

Hạt cao su

Hình 2.1 - Một số hình ảnh về cây cao su
rừng trồng như gỗ Cao su ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong ngành
chế biến lâm sản.


- 13 -

Thân cây Cao su có 2 phần chính là phần gỗ và phần vỏ. Thân thẳng có
đường kính từ 25 – 60cm, cao khoảng 15– 20m, là phần chính cung cấp nhựa
và gỗ. Vỏ cây Cao su gồm 3 lớp, lớp da sần là tập hợp các tế bào chết bảo vệ
lớp trong, lớp vỏ cứng là lớp da cát có chứa một số mạch nhựa, trong cùng là
lớp vỏ mềm hay lớp da lụa chứa nhiều mạch nhựa. Về cấu tạo, gỗ Cao su có

gỗ giác - gỗ lõi khó phân biệt, vịng năm phân biệt rõ nhất là ở phần gốc, thớ
thẳng. Gỗ Cao su có lỗ mạch khá lớn, phân bố dạng phân tán, tia gỗ có cấu
tạo dị bào xếp từ 2 – 3 hàng tế bào, sợi gỗ thẳng.

Hình 2.2 - Mặt cắt ngang gỗ cao su
Một số tính chất cơ học, vật lý hóa học của gỗ cao su được trình bày ở
bảng 2.1.


- 14 -

STT

Bảng 2.1. Một số tính chất cơ, lý hóa học của gỗ Cao su
Chỉ tiêu
Giá trị

Đơn vị

ľꌮŘŒĊōŒấŞĊŠậŞĊŖꌾĖĊōơĊŒọō
1

Khối lượng thể tích tươi

0,937

g/cm3

2


Khối lượng thể tích khơ kiệt

0,633

g/cm3

3

Khối lượng thể tích thăng bằng

0.693

g/cm3

4

Khối lượng thể tích cơ bản

0,550

g/cm3

5

Điểm bão hịa thớ gỗ

29,5

%


6

Độ co rút dọc thớ

0,33

%

7

Độ co rút xuyên tâm

2,43

%

8

Độ co rút tiếp tuyến

4,05

%

9

Ứng suất nén ngang thớ

7,12


KG/cm2

10

Ứng suất nén dọc thớ

83,16

KG/cm2

11

Ứng suất uốn xuyên tâm

451,43

KG/cm2

12

Ứng suất uốn tiếp tuyến

751,36

KG/cm2

13

Lực tách


48,51

KG/cm2

ľŒꌡŘŒĊŚŒầŘĊŒꌴŋĊŒọō
1

Cellulose

44 – 46

%

2

Pentosan

18 – 20

%

3

Lignin

22 – 24

%

ĜĘěĘĜĘĊľŒꌡŘŒĊŚŒầŘĖĊōấşĊŞạřĊŠꌡĊŗốœĊŖœꌫŘĊŕếŞĊōơĊŌảŘĊōủŋĊőỗ

Gỗ là vật liệu tự nhiên có tính dị hướng cao, được cấu tạo bởi các tế
bào xếp dọc thân cây (chiếm tới 90 - 95%) thể tích và tế bào xếp ngang thân
cây (chiếm đến 5 - 10%). Các tế bào gỗ có dạng hình ống bao gồm vách và
ruột.


- 15 -

Vách tế bào được cấu tạo bởi ba thành phần chủ yếu là cellulose,
hemicellulose, lignin tất cả các thành phần này đều là các polime, chúng hợp
thành mạng lưới đan xen trong vách tế bào. Trong đó cellulose (50 - 55%) là
thành phần chính tạo nên vách tế bào, lignin (20 - 30%) và hemicellulose (1525%) còn gọi là các chất nền (matrix). Các phân tử cellulose [C6H7O2(OH)3]n
với n = 5000 - 14000 có cấu tạo mạch thẳng liên kết với nhau tại các vị trí 1, 4
nhờ cầu nối ơxy hình thành chuỗi cellulose. Nhiều chuỗi cellulose liên kết với
nhau nhờ cầu nối hydro tạo nên mixen cellulose. Khoảng 40-50 mixen
cellulose sắp xếp thành một khối có kích thước mặt cắt ngang 3x5 nm được
gọi là bó mixen cellulose.
Vách tế
bào

Mixencellulose

Tế bào
gỗ

Gỗ

Phân tử
cellulose


Hỡnh 2.3 - Mụ hỡnh cu trúc siêu hiển vi
của gỗ
Ċ
Từng bó mixen cellulose được bao bọc xung quanh bởi một lớp
hemicellulose kết hợp với một lượng nhỏ lignin, và ngoài cùng bao bọc bởi
một lớp lignin tạo thành khối vững chắc có kích thước mặt cắt ngang khoảng
5-10 nm. Các khối vững chắc này sắp xếp tạo nên vách tế bào [15].


- 16 -

Mơ hình cấu tạo siêu hiển vi của gỗ lá rộng do Hoffmann và
Paramesweran xây dựng năm 1982 được thể hiện ở hình 2.3.
ĭŏŖŖşŖřŝŏ
Cellulose là thành phần chủ yếu tạo nên vách tế bào. Nó là hợp chất cao
phân tử đựợc tạo nên từ các mắt xích b, D - glucose nhờ các mối liên kết
glucozit 1, 4, có cơng thức phân tử [C6H7O2(OH)3]n, n = 5000 - 14000. Trị số
n thay đổi tuỳ thuộc vào nguồn gốc cellulose, phương pháp xử lý. Độ trùng
hợp có ảnh hưởng lớn đến tính chất của cellulose. Chuỗi cellulose chứa từ
200 - 3000 phân tử cellulose [2]. Cấu tạo phân tử cellulose được mơ tả ở hình
2.4

0

H

OH

OH


H

0
0
CH2OH

CH2OH

H

H
0

0
0

H

0H
H

H
OH

H

H

OH


OH

H

CH2OH
H

0
H
0
CH2OH

H
0

0

H
OH

H
H

H

OH

Hình 2.4 - Phân tử cellulose [11]
Trong mỗi mắt xích của phân tử cellulose có ba nhóm hydroxyl (- OH)
ở các vị trí 2, 3, 6 (trong đó có một nhóm bậc nhất và hai nhóm bậc hai) nên

có thể xem cellulose là một rượu đa chức, bậc cao.
Trong mixen cellulose có vùng tinh thể và vùng vơ định hình. Vùng
tinh thể là vùng mà các phân tử cellulose sắp xếp có trật tự, có cấu trúc bền
vững nên dung mơi và hố chất khó xâm nhập.
Độ dài vùng kết tinh thường từ 30 - 60 nm. Vùng vơ định hình là vùng
mà các phân tử cellulose sắp xếp không trật tự, cấu trúc lỏng lẻo nên dung
mơi và hố chất dễ xâm nhập (hình 2.5). Trong quá trình tạo thành các dẫn


- 17 -

xuất của cellulose, khả năng phản ứng của các nhóm chức hydroxyl đóng vai
trị quan trọng.

Vùng
kết tinh
30-60nm

Hemicellulos
e
Cellulose

Vùng khơng
định hình

Lignin

10-30 nm

Hình 2.5 - Cấu tạo của mixen cellulose

ccellulose

Trong cellulose thiên nhiên tồn tại các liên kết hydro nội phân tử và các
liên kết hydro giữa các phân tử. Các liên kết hydro nội phân tử được tạo ra:
giữa H của nhóm hydroxyl ở C2 của một mắt xích và O thuộc nhóm hydroxyl
ở C6 của mắt xích liền kề; giữa H của nhóm hydroxyl ở C3 một đơn vị mắt
xích và O nằm trong vịng của đơn vị mắt xích liền kề. Liên kết hydro giữa
các phân tử tạo ra giữa hydro của hydroxyl ở C6 của đơn vị mắt xích trong một
đoạn mạch và O của nhóm hydroxyl ở C2 trong đoạn mạch khác. Hệ thống
liên kết hydro trong cellulose thể hiện trong hình 2.6.


- 18 -

Hình 2.6 - Hệ thống liên kết hydro trong cellulose [11]

Ċ
Các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose ảnh hưởng nhiềuĊđến
tính chất của sợi cellulose như dãn nở, hồ tan, hút ẩm, …[35], [36].
H

H
O

O
H

OH
H


O

HO

O

H

H

O

OH

O
H

HO

H
O

O
H
O

H
O

OH


Hình 2.7 - Liên kết hydro giữa các phân tử cellulose

Ċ

Trong phân tử cellulose có các liên kết C- C- và C- O-, cũng như các
liên kết hóa trị khác chúng rất bền vững và có lực liên kết rất lớn (lực liên kết
của C- C- bằng 62,77 Kcal/mol), trong khi đó của liên kết hydro là 5 – 6
Kcal/mol còn lực Van der Vaals 2 – 3 Kcal/mol [13]. Do trong phân tử
cellulose chứa rất nhiều nhóm hydroxyl nên giữa các phân tử tồn tại rất nhiều
liên kết hydro, vì thế lực liên kết giữa các phân tử rất lớn và lớn hơn rất nhiều


- 19 -

lực hóa học liên kết các mắt xích trong phân tử. Liên kết hydro giữa các phân
tử cellulose có thể biểu diễn như hình 2.7 [3].
Nếu nước được hút vào nghĩa là phân tử nước vào giữa các phân tử
cellulose xuất hiện các liên kết hydro qua các phân tử nước, theo sơ đồ ở
hình 2.8. Đó là quá trình trương nở của cellulose trong nước. Lượng nước
được hút vào càng nhiều số lượng liên kết hydro tạo thành giữa các phân tử
càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng lớn nói cách khác sợi cellulose
trương nở.
Thực chất quá trình trương cellulose là quá trình tác nhân gây trương
xâm nhập vào, bứt phá các liên kết hydro giữa các phân tử cellulose cạnh
nhau, khi đó làm cho khoảng cách giữa các phân tử cellulose tăng lên, dẫn
đến liên kết của chúng (liên kết Van der Waals) yếu đi, các phân tử cellulose
dễ bị xê dịch và trở nên lỏng lẻo hơn, đồng thời khi liên kết hydro bị phá vỡ
sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các tác động khác làm thay đổi cấu trúc của
phân tử cellulose trong gỗ [10].

H
O
O

H

H

H

H

O
O

H

H

O

O

H

H
O

H
O


H
O

Hình 2.8 - Liên kết hydro giữa các phân tử khi cellulose
trương nở trong nước
Hiện tượng trương nở của cellulose có ý nghĩa quan trọng đối với cơng


- 20 -

nghệ biến tính gỗ, do nó làm cho tính chất cơ học, vật lý và hố học của gỗ
thay đổi.
Ċ

IJŏŗœōŏŖŖşŖřŝŏ
Cũng như cellulose, hemicellulose là các polysacarit, cấu tạo nên vách

tế bào, nhưng so với cellulose thì hemicellulose kém ổn định hoá học hơn, dễ
bị phân giải ở nhiệt độ cao. Hemicellulose gồm có pentosan (C5H8O4)n và
hexosan (C6H10O5)n , n = 50 – 200. Hemicellulose dễ bị thuỷ phân dưới tác
dụng của axit.
Ċ

ĶœőŘœŘĊ
Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm. Lignin có cấu tạo

phân tử rất phức tạp, với nhiều kiểu liên kết dime. Hơn nữa các đơn vị mắt
xích phenylpropan lại có nhiều loại nhóm chức như metoxyl (-OCH3),
hydroxyl (-OH). Do đó lignin có thể tham gia hàng loạt phản ứng hoá học như

phản ứng thế, phản ứng cộng, phản ứng ơxy hố, phản ứng trùng ngưng, trùng
hợp. Lignin cũng có tính chất trương và hồ tan trong những dung mơi thích
hợp như dung dịch kiềm. Các mắt xích trong phân tử lignin liên kết với nhau
bằng những liên kết ete và liên kết C - C, tạo ra cấu trúc mạng phức tạp.
Liên kết C - C rất bền vững đối với xử lý hoá học và là yếu tố cơ bản
ngăn cản sự tạo thành các đơn phân tử lignin trong những xử lý hydro hoá,
phân giải bằng etanol. Lignin tham gia liên kết hydro với cellulose và
hemicellulose với năng lượng liên kết khá lớn. Do có nhiều nhóm chức trong
một phân tử và do lignin tiếp cận tốt với polysaccarit, lực tương tác giữa
lignin với cấu tử khác của vách tế bào trở nên rất lớn. Bên cạnh liên kết
hydro, giữa các chất cao phân tử của vách tế bào cịn có tương tác Van der
Waals. Loại tương tác vật lý này cũng góp phần cản trở q trình hồ tan
lignin dưới tác dụng của dung môi.


- 21 -

ĜĘěĘĝĘĊĭơĊŝởĊōủŋĊśşꌢĊŞŜꌭŘŒĊŘꌪŘĊőỗĊ
Mặc dù gỗ là hệ phân tán phức tạp dưới dạng nhựa, nước, dầu cùng các
chất khác và có cấu trúc phức tạp nhưng giữa độ chặt và độ bền của tất cả các loại
gỗ có mối quan hệ như sau [32]:
s = A + Br

(2.1)

Trong đó: σ – Độ bền; A và B – Các hằng số; ρ – Độ chặt của gỗ.
Từ mối quan hệ trên Khukhranxki đã đưa ra ŖşậŘĊđiểŗĊŞŒứĊŘŒấŞ của lý
thuyết ép gỗ [32]: Có thể làm tăng độ bền của tất cả các loại gỗ bằng cách làm
chặt, nếu như việc làm chặt không phá vỡ các tế bào của gỗ.
Độ chặt và độ bền của các thành phần cấu trúc của gỗ không giống nhau.

Sự khác nhau về độ chặt của các thành phần cấu trúc tạo nên độ bền khác nhau
của các lớp vòng năm sớm và muộn. Độ bền của gỗ muộn cấu tạo từ các phần tử
vách dày cao hơn đáng kể so với gỗ sớm cấu tạo từ các tế bào có vỏ mỏng.
Các đặc điểm về cấu trúc gỗ cũng như đặc điểm biến dạng khi ép là cơ sở
để Khukhranxki đưa ra ŖşậŘĊđiểŗĊŞŒứĊŒŋœ của lý thuyết ép [32]: Việc ép gỗ nên
tiến hành ngang thớ, trong đó đối với lồi gỗ lá kim và gỗ lá rộng mạch vịng ép
theo hướng vng góc, đối với lồi gỗ lá rộng mạch phân tán – theo hướng vng
góc cũng như hướng tiếp tuyến.
Nước liên kết có ảnh hưởng lớn đến độ bền và biến dạng của gỗ trong khi
ép. Khi độ ẩm W của gỗ tăng, khả năng biến dạng của gỗ cũng tăng, nhưng độ bền
sẽ giảm theo quy luật đường hipebol:

sw =

s 12
[1 + k(W -12)]

Trong đó:

σw – Độ bền của gỗ ở độ ẩm nghiên cứu;

σ12 – Độ bền của gỗ ở độ ẩm 12%;
k – Hệ số điều chỉnh độ ẩm khi ép gỗ ngang thớ, k = 0,035.

(2.2)


- 22 -

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến độ bền và độ biến dạng của gỗ. Khi nhiệt

độ tăng, độ bền sẽ giảm nhưng khả năng biến dạng của gỗ sẽ tăng.
Giữa độ bền và nhiệt độ của gỗ có mối quan hệ như sau:

s = - aT + b
Trong đó:

(2.3)

σ – Độ bền của gỗ;

a và b – Hằng số phụ thuộc vào độ ẩm của gỗ;
T – Nhiệt độ của gỗ.
Gỗ trong trạng thái bị đốt nóng ở độ ẩm xấp xỉ điểm bão hòa của các sợi sẽ
có độ dẻo cao hơn khi bị ép. Trong q trình làm nguội và sấy khơ, gỗ sẽ trở nên
cứng hơn. Sau khi ép, sấy và làm nguội trong trạng thái bị ép chặt, gỗ sẽ giữ được
hình dạng mới với những tính chất cơ học cao. Trên cơ sở đó Khukhranxki đưa ra
ŖşậŘĊđiểŗĊŞŒứĊŌŋ của lý thuyết ép [32]: Gỗ được ép trong trạng thái hóa mềm sau
đó được sấy khơ và làm nguội để cố định hình dạng mới tạo nên.
Trong công nghệ nén ép gỗ, thường tiến hành nén ép theo chiều ngang thớ.
Mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng được thể hiện ở hình 2.9 [10], [18].
Từ đồ thị hình 2.8 cho ta thấy, biến dạng của gỗ khi ép theo chiều ngang
thớ có 3 pha. Trong một số trường hợp gỗ thông, ở pha thứ nhất OA (ε = 0 đến ε =
3 – 6%) biến dạng tăng dần cùng với việc tăng ứng suất, ở pha thứ 2 AB (ε = 3 –
6% đến ε = 30 – 40%) – Biến dạng tiếp tục tăng trong khi ứng suất hầu như không
thay đổi. Trị số biến dạng ở pha 2 phụ thuộc vào độ chặt của gỗ: Độ chặt của gỗ tự
nhiên càng lớn thì trị số cuối cùng của biến dạng càng nhỏ và ngược lại [32].


- 23 -


s

C

A

B

0

e
Hình 2.9 - Mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng trong quá trình ép ngang thớ gỗ

Ở pha thứ 3 biến dạng xảy ra khi ứng suất tăng mạnh. Sự chuyển hóa của
biến dạng từ pha này sang pha kia xảy ra một cách từ từ. Để có thể tăng khả năng
sức chịu ép ngang của gỗ mà vách tế bào của gỗ không bị phá huỷ cần phải có sự
dẻo hố vách tế bào để cho gỗ có thể chịu được lực ép ngang đến mức tối đa, tức
là tăng sự biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh cửu) của gỗ (giai đoạn BC).
Biến dạng toàn phần của gỗ ε gồm biến dạng đàn hồi εy và biến dạng
dẻo εb:

e = e y + eb

(2.4)

Sau khi biến đổi tốn học, ta có phương trình biến dạng tồn phần như sau:

s
s 2
e =

+
E
2 .h .v
Trong đó:

σ – Ứng suất;
E – Mô đun đàn hồi của gỗ khi ép ngang thớ;
η – Hệ số độ dẻo của vật liệu;
v – Tốc độ tăng tải.

(2.5)