Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt gỗ Việt Nam - TS. Hoàng Văn Hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH ccdd HOÀNG VĂN HÒA NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT MỘT SỐ LOÀI GỖ VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản Mã số: 9 54 90 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HCM – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH ccdd HOÀNG VĂN HÒA NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH NHIỆT MỘT SỐ LOÀI GỖ VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Chế biến lâm sản Mã số: 9 54 90 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. Đặng Đình Bôi TP.HCM – Năm 2023 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của Quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.

Với lòng biết ơn chân thành nhất, cho phép tôi xin được gởi lời cảm ơn đến: Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi được công tác, học tập và nghiên cứu tại Trường; Ban Chủ nhiệm Khoa Lâm Nghiệp, Quý Thầy Cô Bộ môn Kỹ nghệ gỗ & Công nghệ giấy và Bộ môn Thiết kế đồ gỗ nội thất; Ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ thực phẩm và Ban Giám đốc Viện Công nghệ sinh học Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh; Quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ hóa học – Khoa Công nghệ thực phẩm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật; Tập thể Cán bộ công nhân viên Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Lâm sản, Giấy & Bột giấy – Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh; Ban Giám đốc Công ty Lâm Nghiệp Đơn Dương – Tỉnh Lâm Đồng; Ban Giám đốc Công ty Kim Thành A – Thị xã Thuận An, Tỉnh Bình Dương; Ban Giám đốc Công ty TNHH Sản xuất, Thương mại và Dịch vụ Trường Tiền. Đặng Đình Bôi đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này. Xin gởi lời biết ơn đến sự cổ vũ, động viên và ủng hộ từ gia đình để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè và anh chị em đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành luận án.

Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023 Nghiên cứu sinh Hoàng Văn Hòa i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt một số loài gỗ Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án tiến sĩ về lời cam đoan của mình. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023 Nghiên cứu sinh Hoàng Văn Hòa ii TÓM TẮT Công nghệ biến tính gỗ bằng nhiệt độ cao là công nghệ đã được nghiên cứu từ khá lâu trên thế giới.

Đây là công nghệ đã được thế giới khẳng định là giải pháp thân thiện với môi trường do chỉ sử dụng nhiệt mà không thêm bất kỳ loại hóa chất nào khi xử lý gỗ. Sản phẩm gỗ biến tính nhiệt thường được sử dụng trong các công trình kiến trúc cảnh quan và sản xuất đồ nội thất cao cấp. Luận án với tên “Nghiên cứu công nghệ biến tính nhiệt một số loài gỗ Việt Nam” đã được tiến hành nhằm xác định mối liên hệ giữa thông số công nghệ biến tính nhiệt với các chỉ tiêu chất lượng của gỗ đồng thời xác định chế độ biến tính phù hợp cho 3 loại gỗ gồm Thông ba lá (Pinus insularis), gỗ Bạch tùng (Dacrycarpus imbricatus) và gỗ Cao su (Hevea brasiliensis). Từ mục tiêu đã đề ra, luận án đã tiến hành áp dụng quy trình biến tính gỗ tươi (độ ẩm 80 – 85%) trong môi trường không khí với áp suất khí quyển bằng lò biến tính gỗ thí nghiệm với 5 bước cơ bản gồm: (1) làm nóng, (2) sấy gỗ ở nhiệt độ 135 o C, (3) gia nhiệt trước biến tính, (4) biến tính ỗ ở các cấp nhiệt độ biến thiên trong khoảng 170 oC đến 210 oC (các cấp nhiệt độ được lựa chọn dựa trên mô hình bài toán quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố) và (5) làm nguội.

Mẫu gỗ sau khi biến tính ở các chế độ khác nhau được tiến hành kiểm tra các tính chất vật lý, cơ học, màu sắc, khả năng kháng nấm mốc, kháng mối và cấu tạo hiển vi của gỗ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, gỗ biến tính nhiệt của 3 loại gỗ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su của Việt Nam có các đặc tính được cải thiện rất rõ rệt. Cụ thể: - Mức độ hao hụt khối lượng riêng của ba loại gỗ khá lớn, và có xu hướng tăng lên khi tăng nhiệt độ xử lý và kéo dài thời gian xử lý. Mức độ hao hụt dao động trong khoảng từ 3% đến 21%.

- Gỗ sau khi biến tính có hiệu quả cách ẩm (MEE) rất cao, lớn hơn đến 50% so với gỗ không biến tính, gỗ biến tính đạt độ ẩm thăng bằng trong khoảng 6 – 8% ở điều kiện nhiệt độ 20 oC, độ ẩm tương đối 65%. iii - Độ ổn định kích thước của gỗ biến tính tăng rõ rệt khi nhiệt độ và thời gian biến tính tăng lên. Cụ thể: ASE của gỗ Cao su dao động từ 30% đến 50%, gỗ Thông ba lá từ 12% đến 40%, gỗ Bạch tùng từ 20% đến 40%. - Hiệu suất chống hút nước của gỗ biến tính có tăng khi nhiệt độ và thời gian tăng lên, tuy nhiên mức độ tăng không lớn.

Trong đó, WRE của gỗ Cao su dao động từ 12% đến 18%, gỗ Thông ba lá từ 5% đến 12%, gỗ Bạch tùng là từ 2% đến 15%. - Độ bền uốn tĩnh của gỗ giảm xuống khá nhiều, mức độ giảm độ bền uốn tĩnh có thể lên tới trên 30% với gỗ Bạch tùng, trên 40% với gỗ Thông ba lá, độ bền uốn tĩnh gỗ Cao su biến tính giảm ít nhất trong ba loại gỗ. - Độ bền nén dọc thớ gỗ của gỗ Cao su tăng lên, trong khi độ bền nén dọc thớ của gỗ Thông ba lá và gỗ Bạch tùng giảm xuống. - Màu sắc gỗ biến tính nhiệt trở nên sẫm hơn khi nhiệt độ và thời gian biến tính tăng, và giống với màu sắc của một số loại gỗ có giá trị kinh tế cao của Việt Nam.

Có thể điều khiển thông số công nghệ biến tính nhiệt để tạo ra gỗ có màu sắc theo ý muốn. - Khả năng chống sinh vật (nấm mốc và mối) của 3 loại gỗ sau khi biến tính nhiệt tăng đáng kể. Qua đó cho thấy, áp dụng công nghệ biến tính nhiệt đã cải thiện được độ bền sinh học của gỗ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su. - Các mô hình toán học quan hệ giữa tính chất vật lý và tính chất cơ học của gỗ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su là dạng bậc 2, và có thể sử dụng làm cơ sở để giải bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là các tính chất/chỉ tiêu chất lượng của gỗ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su biến tính nhiệt.

- Gỗ Thông ba lá, Bạch tùng và Cao su biến tính không bị thay đổi cấu trúc hiển vi ở hầu hết các chế độ biến tính. Căn cứ các chỉ tiêu chất lượng, tính chất đã kiểm tra cho thấy, gỗ biến tính từ 3 loại gỗ này hoàn toàn phù hợp với điều kiện môi trường trong nhà, những nơi có hơi ẩm thường xuyên và điều kiện ngoài trời nhưng không được tiếp xúc trực tiếp với nước quá lâu (hiệu suất chống hút nước thấp, hiệu quả cách ẩm cao, độ bền sinh học tăng nhiều lần…). iv SUMMARY The wood modification technology by high temperature that called wood thermal modification or wood heat treatment has been studied for a long time in the world. This is an environmentally friendly solution for treating wood because it only uses heat, and do not adding any chemicals in the process.

Thermal-modified wood or heat-treated wood products are often used in landscape architecture and high-class furniture production. The dissertation entitled "Study on thermal modification technology of some Vietnamese wood species" was conducted to determine the relationship between thermal modification technology parameters and quality parameters of wood, and also determine the suitable parameters of thermal modification for 3 types of wood included Baguio pine (Pinus insularis), Podocarp wood (Dacrycarpus imbricatus) và Rubber wood (Hevea brasiliensis). Based on the objectives of this dissertation, the thermal modification process in air with ambient atmosphere has applied to treating green wood (moisture content about 80 – 85%) of 3 wood species by a laboratory drying chamber through 5 steps that included: (1) Heating timber, (2) Drying wood at a temperature of 135 oC, (3) Increasing heat before thermal modification (4) Modifying wood at some temperature levels in the range of 170 oC to 210 oC (temperature levels were selected based on designed experiments), and (5) Cooling. After thermal modification, physical, mechanical properties, color, mold resistance, termite resistance and microscopic structure of wood were tested.

The research results show that the quality of 3 types of Baguio pine, Podocarp and Rubber wood has significantly improved. The details are as below: - Thermal-modified wood had a very high Moisture Exclusion Efficiency (MEE), up to 50% greater than that of unmodified wood, the equilibrium moisture content of thermal-modified wood was in the range of 6 – 8% at a temperature of 20 o C and 65% relative humidity. v - The dimensional stability (Anti-Swelling Efficiency - ASE) of the thermal- modified wood increased as the increasing of temperature and time of process. Specifically, the ASE of rubber wood ranged from 30% to 50%, Baguio pine wood from 12% to 40%, Podocarp wood from 20% to 40%.

- The Water Repellent Effectiveness (WRE) of thermal-modified wood increased with increasing temperature and time of process, but the change was not significant. The WRE of Rubber wood ranges from 12% to 18%, Baguio pine wood from 5% to 12%, Podocarp wood from 2% to 15%. - The Modulus of Rupture (MOR) of wood was significant reduced, the reduction in MOR can be up to over 30% for Podocarp, 40% for Baguio pine, and MOR of Rubber wood was reduced at least in three types of wood. - The compressive strength along the grain of Rubber wood was increased, while the compressive strength of the Baguio pine and Podocarp wood was decreased.

- The color of thermal-modified wood became darker as the temperature and time of process increased, and was similarly the color of some high-value wood species in Vietnam. It is possible to control the parameter of thermal modification technology to create wood with the desired color. - The resistance to organisms (mildew and termites) of 3 types of wood after thermal modification was increased significantly. The results shown that applying thermal modification has improved the biological durability of Baguio pine, Podocarp and Rubber wood.