Thứ bảy, 06/06/2020 | 15:59

Thứ bảy, 06/06/2020 | 15:59
Cập nhật 10:11 ngày 31/03/2020

Xác định thông số công nghệ ép nhiệt tạo vật liệu Bio- Composite từ dăm gỗ

TÓM TẮT
Nghiên cứu này đã xác định được thông số công nghệ ép nhiệt để tạo vật liệu bio-composite từ dăm gỗ Keo lai (acacia hybrid) đã qua xử lý ủ nấm mục và sấy về độ ẩm 12%. Ván dăm bio-composite khi ép ở chế độ áp suất, nhiệt độ, thời gian lần lượt là 0,55 MPa, 1700C và 40-50 phút cho tính chất cơ lý cao nhất (độ bền uốn tĩnh MOR đạt 3,93 MPa; mô đun đàn hồi uốn tĩnh MOE đạt 1233,5 MPa). Khối lượng thể tích trung bình của ván dăm bio-composite ở tất cả các chế độ ép là 0,81g/cm3, thuộc nhóm rất cao so với tiêu chuẩn ván dăm thông thường dùng trong sản xuất. Với chỉ số cách âm trung bình 40,5 dB; hệ số cách nhiệt trung bình R = 8,534 m2.K/W, tương đương hoặc cao hơn một số loại vật liệu khác kể cả các loại vật liệu cách âm cách nhiệt phổ biến nên ván dăm bio-composite hoàn toàn có thể dùng làm sản phẩm cách âm cách nhiệt.
Từ khoá: Ván dăm bio-composite, chế độ ép nhiệt, cách âm, cách nhiệt.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, lĩnh vực công nghệ sinh học đã và đang có những bước tiến bộ vượt bậc, cho ra đời nhiều công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng cao. Phát minh về sự lên men vi sinh vật sớm đựợc ứng dụng ở quy mô công nghiệp từ đầu thế kỷ XX và phát triển cho đến nay. Sự phát minh ra tế bào vi khuẩn có khả năng kết dính để tạo một số vật liệu có giá trị từ các phế thải nông lâm nghiệp đang dần được nghiên cứu ứng dụng. Từ đó, công nghệ ép ván dăm từ các loại chất kết dính đặc biệt này cũng cần được nghiên cứu để có thể tạo ra sản phẩm ván bio-composite thân thiện môi trường.
Hiện nay ở Việt Nam, lượng phế liệu trong sản xuất ván bóc từ gỗ rừng trồng (bao gồm gỗ Keo lai) là rất lớn và cần có biện pháp xử lý hiệu quả. Thực tế sản xuất ván bóc cho thấy, ngoài lượng vỏ (chiếm 10-12%), lượng phế liệu còn lại có thể băm dăm để sản xuất ván dăm chiếm khoảng 20%. Nếu sử dụng lượng phế liệu này để sản xuất ván dăm bio-composite thì ý nghĩa mang lại về kinh tế, xã hội và đặc biệt là môi trường của sản phẩm là rất lớn.
Để có được các ý nghĩa đó, ván bio-composite ở đây chỉ sử dụng chất kết dính tự tạo ra trong quá trình lên men nấm cho dăm gỗ mà không dùng keo dán phổ biến cho ván dăm, nên mục tiêu hướng tới bước đầu của sản phẩm là ván cách âm, cách nhiệt.
Trong quá trình sản xuất ván dăm, ép nhiệt là khâu ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này sử dụng các thông số ép nhiệt khác nhau để thí nghiệm tạo ván dăm bio-composite. Thông số nào cho chất lượng cơ lý tốt nhất mà khả năng cách âm, cách nhiệt đạt yêu cầu sẽ được lựa chọn.
II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
- Mẫu thí nghiệm:
Dăm gỗ được lấy từ nguồn nguyên liệu phế phẩm của quá trình sản xuất ván bóc các loại gỗ Keo lai (acacia hybrid) đã trải qua giai đoạn ủ nấm thích hợp và được sấy khô về độ ẩm 12%.
Ván dăm có cấu trúc 1 lớp, khác với ván dăm 3 lớp thông thường; một cấp kích thước dày 25 mm. Căn cứ vào thiết bị thí nghiệm, quy cách ván dăm lựa chọn là dài x rộng x dày = 350 x 350 x 25 mm.
- Thiết bị thí nghiệm:
Máy ép nhiệt thí nghiệm thuộc Trường Đại học Lâm nghiệp, gia nhiệt bằng điện, được sử dụng để ép nhiệt tạo ván bio-composite từ dăm gỗ đã gây nấm. Một số thông số kỹ thuật của máy như sau:
- Mặt bàn ép có kích thước dài x rộng = 600 x 600 mm.
- Nhiệt độ ép tối đa 2000C.
- Áp lực ép tối đa cho ván có kích thước 600 x 600 mm là 1,5 MPa.
Bảng 1. Bảng na trận thực nghiệm cho các chế độ ép
Bảng 2. MOR của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép khác nhau
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1.Lựa chọn thông số ép thí nghiệm
Khối lượng dăm được cố định là 3 kg/tấm trong suốt quá trình thí nghiệm thay đổi các thông số ép nhiệt.
Các thông số chế độ ép thí nghiệm được xác định từ các thí nghiệm thăm dò kết hợp với các kết quả nghiên cứu có trước. Quá trình thăm dò không sử dụng thanh cữ như các thí nghiệm trong các nghiên cứu khác về ván dăm để xác định chính xác áp lực ép cần thiết cho sản phẩm đạt được chiều dày và khối lượng thể tích mong muốn. Kết quả là với áp lực ép là 0,55 MPa, sản phẩm đạt được có khối lượng thể tích 0,8 kg/cm2, chiều dày 25 mm. Quá trình ép thăm dò cũng cho thấy ván cần có khối lượng thể tích tối thiểu 0,8 kg/cm2 mới đạt độ vững chắc nhất định (nếu nhỏ hơn ván dễ bị vỡ, không liên kết). Áp lực ép 0,55 MPa sẽ được cố định trong suốt quá trình thí nghiệm với các mức nhiệt độ và thời gian ép khác nhau. Cũng trong các thí nghiệm thăm dò, để ván có thể hình thành liên kết (khi cầm thấy chắc chắn) thì nhiệt độ và thời gian ép lần lượt là 1700C và 40 phút. Vì vậy các mức thông số nhiệt độ và thời gian ép được lựa chọn để nghiên cứu như sau:
- Nhiệt độ ép (T): Tmin = 150°C, T0 = 170°C,Tmax= 190°C
- Thời gian ép (T): Tmin = 30 phút, Ta = 40 phút, Tmax = 50 phút
Hình 1. Đồ thị so sánh MOR của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép
2.2.2. Quy trình ép ván Các bước thực hiện:
- Sấy dăm đã gây nấm trong lò sấy thí nghiệm Shepherd Systems P/L Model Melb Uni 2074-4. Nhiệt độ sấy 80°C. Phương pháp kiểm tra độ ẩm: sử dụng cân - sấy - cân để xác định độ ẩm ban đầu của mẫu kiểm tra; sau đó cân mẫu ở các thời điểm khác nhau để xác định độ ẩm mẫu. Khi mẫu đạt độ ẩm 12%, ngừng lò sấy, để nguội và đưa dăm vào túi ni lông để không bị hút ẩm.
- Cân khối lượng dăm đủ cho mỗi tấm ván là 3 kg.
- Đổ dăm vào khuôn định hình để trải thành thảm dăm sơ bộ.
- Đưa thảm dăm lên bàn ép để ép ván.
2.2.3.   Phương pháp kiểm tra chất lượng ván bio-composite
Mẫu ván được kiểm tra theo các chỉ tiêu chất lượng về cơ lý và khả năng cách âm cách nhiệt. Để đánh giá chất lượng về cơ lý của ván tạo ra, ba chỉ tiêu bao gồm độ bền uốn tĩnh, mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh và khối lượng thể tích được xác định. Các chỉ tiêu này được thực hiện tại Viện nghiên cứu Công nghiệp rừng. Các chỉ tiêu về cách âm cách nhiệt được thực hiện tại Viện Công nghệ vật liệu.
Chỉ tiêu cách âm được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 5964:1995 (ISO 1996/1) - Âm học - mô tả và đo tiếng ồn môi trường - các đại lượng và phương pháp đo chính [4].
Hệ số cách nhiệt được xác định theo ASTM C518 - 98 - Phương pháp thử cho các đặc tính truyền nhiệt ở trạng thái ổn định bằng thiết bị đo dòng lưu lượng nhiệt [7].
Kiểm tra độ bền uốn tĩnh (MOR) và mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh (MOE) theo TCVN 7756-6:2007 [3].
Bảng 3: MOE của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép khác nhau
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1.Sự ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt đến độ bền uốn tĩnh (MOR), mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh (MOE) và khối lượng thể tích (KLTT) của ván dăm bio-composite
Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt đến độ bền uốn tĩnh (MOR), mô đun đàn hồi khi uốn tĩnh (MOE) và khối lượng thể tích (KLTT) của ván dăm bio-composite được thể hiện ở Bảng 2 và Hình 1 cho thấy, độ bền uốn tĩnh của ván bio-composite ở tất cả các chế độ ép thí nghiệm là thấp hơn so với yêu cầu trong tiêu chuẩn đối với ván dăm thông thường. Tất cả các giá trị đạt từ 2,49 MPa đến gần 3,96 MPa, trong đó có nhiều giá trị lớn hơn 3 MPa. Nếu so sánh với MOR của ván dăm thông dụng sử dụng trong điều kiện khô theo TCVN 7754-2007 là 8,5 MPa thì loại ván này là thấp hơn khá nhiều. Các giá trị MOR ở đây, vì mục đích sử dụng làm ván cách âm, cách nhiệt nên không thể đem so sánh với tiêu chuẩn của ván dăm thông thường có sử dụng keo dán để đánh giá về độ bền uốn tĩnh thực sự của sản phẩm, nhưng có ý nghĩa để so sánh giữa các chế độ ép.
Bảng 4. KLTT của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép khác nhau
Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy rằng sự thay đổi về các mức thời gian ép có tác động nhiều hơn đến MOR của sản phẩm so với nhiệt độ ép. Lấy mức trung gian, với nhiệt độ ép 170°C, MOR khác nhau đến 1,81 MPa giữa thời gian ép 30 phút và 40 phút. Ở mỗi mức nhiệt độ ép khác, sự chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của MOR cũng tương đối lớn (gần 1 MPa). Ngược lại, sự chênh lệch MOR giữa các mức nhiệt độ không lớn bằng, chỉ từ 0,5-0,7 MPa. Với thời gian ép 40 phút, mức chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của MOR ở nhiệt độ 170°C và 190°C chỉ là 0,39 MPa. Bên cạnh đó, số liệu cũng cho thấy ở tất cả các mức nhiệt độ, MOR lớn nhất khi ép ở thời gian 40 phút, tiếp đến là ở 50 phút và thấp nhất là ở 30 phút. Như vậy, chế độ ép ván bio-composite với nhiệt độ 170°C và thời gian 40 phút cho giá trị MOR cao nhất (3,93 MPa) tức khả năng chịu lực uốn cao nhất nên được xem xét để lựa chọn sau khi đánh giá thêm các chỉ tiêu MOE, khối lượng thể tích và khả năng cách âm cách nhiệt của ván.
Số liệu kiểm tra ở Bảng 3 và Hình 2 cho thấy, ở mỗi mức thời gian ép, MOE đều cao hơn khi sản phẩm ép ở nhiệt độ 170°C. Với mức nhiệt độ này, độ bền uốn tĩnh của ván cũng cao nhất nên được xem xét lựa chọn làm nhiệt độ ép hợp lý cho ván bio-composite.
Ở mỗi mức nhiệt độ ép, MOE tăng dần khi tăng thời gian ép và đạt giá trị lớn nhất (1233,5 MPa) ở chế độ ép 50 phút, 1700C. Với nhiệt độ ép 1700C, mức chênh lệch về MOE giữa hai mức thời gian 50 phút và 40 phút là không nhiều. Như vậy, chế độ ép với nhiệt độ 170°C và thời gian ép 40-50 phút sẽ được xem xét lựa chọn để ép ván dăm bio-composite.
Kết quả nghiên cứu khối lượng thể tích của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép khác nhau ở Bảng 4 cho thấy, không có sự khác biệt đáng kể về KLTT của sản phẩm giữa các chế độ ép khác nhau. Hai mức thời gian ép 40 phút và 50 phút đều cho KLTT cao hơn thời gian ép 30 phút. Vì vậy, chế độ ép với nhiệt độ 170°C và thời gian ép 40-50 phút vẫn là phù hợp nhất khi xem xét cả 3 chỉ tiêu MOR, MOE và KLTT.
Xét về khối lượng thể tích ván dăm có 5 nhóm:
- Nhóm khối luợng thể tích rất nhỏ: Y < 350 kg/m3
- Nhóm khối luợng thể tích nhỏ: Y = 360 + 500 kg/m3
- Nhóm khối luợng thể tích trung bình: Y = 510 650 kg/m3
- Nhóm khối luợng thể tích cao: Y = 660 + 800 kg/m3
- Nhóm khối luợng rất cao: Y = 810 + 1000 kg/m3
KLTT trung bình của ván dăm bio-composite ở tất cả các chế độ ép là 0,81g/cm3, thuộc nhóm KLTT rất cao so với tiêu chuẩn ván dăm thông thường dùng trong sản xuất.
3.2. Ảnh hưởng của chế độ ép nhiệt đến chỉ số cách âm, hệ số cách nhiệt của ván dăm bio-composite
Nghiên cứu chỉ số cách âm và hệ số cách nhiệt của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép khác nhau được thể hiện ở Bảng 5 cho thấy, dữ liệu cách âm cách nhiệt không cho thấy sự khác nhau nhiều và không theo quy luật giữa các chế độ ép nên chế độ ép với nhiệt độ 170°C và thời gian ép 40-50 phút cho MOR, MOE cao nhất vẫn được lựa chọn để ép sản phẩm ván dăm bio-composite.
Chỉ số cách âm trung bình là 40,5 dB cao hơn so với một số loại vật liệu xây dựng khác như tường gạch dày 100 mm là 37 dB, gỗ dán dày 5 mm là 24 dB [1].
Vật liệu ván bio-composite trong nghiên cứu này đã đáp ứng yêu cầu về chỉ số cách âm cho một số công trình xây dựng. Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXD 150:1986 [5], mức ồn trung bình cao nhất trên các hệ đường giao thông là đường cao tốc (87 dB). Nếu sử dụng vật liệu bio-composite ở đây (với chỉ số cách âm là 40,5 dB) để cách âm cho các công trình nhà ở hoặc nhà công cộng tiếp giáp với hệ đường giao thông này thì mức ồn cao nhất thu được bên trong công trình là 46,5 dB. Đối chiếu với TCXDVN 175:2005 [6], chỉ số này đáp ứng được các công trình xây dựng nhà công cộng với các loại phòng có yêu cầu âm học tối đa là mức khá (LTĐ = 50 dB) như lớp học, giảng đường, văn phòng, khách sạn, nhà văn hoá. Nếu vật liệu cách âm này sử dụng bên cạnh các nguồn gây ồn khác có mức ồn cao hơn như xưởng cơ khí, cầu đường sắt, máy cắt cỏ,... (mức ồn tối đa tới 110 dB) thì chỉ số cách âm 40,5 dB là chưa đạt. Ngược lại, nếu đặt ở các nguồn gây ồn thấp như đường giao thông nội bộ (73 dB), thì vật liệu cách âm này có thể được sử dụng cho các công trình công cộng với các loại phòng có yêu cầu âm học ở mức cao (LTĐ = 35 dB) như nhà hát kịch, phòng hội thảo, rạp chiếu phim,. Cũng theo TCXD 150:1986 [5], vật liệu này đạt được chỉ tiêu cách âm cho các kết cấu ngăn che trong nhà ở (> 40 dB) bao gồm: sàn giữa các phòng với tầng hầm, áp mái; sàn giữa các phòng trong căn hộ 2 tầng; vách không có cửa, giữa các phòng ở, giữa bếp với phòng ở của căn hộ; vách giữa phòng ở với khu vệ sinh của một căn hộ; tường và vách ngăn giữa các phòng phục vụ sinh hoạt văn hoá của nhà tập thể và giữa chúng với các phòng sử dụng chung; cầu thang, sảnh hàng lang.
Bảng 5. Chỉ số cách âm và hệ số cách nhiệt của ván dăm bio-composite ở các chế độ ép khác nhau
Hệ số cách nhiệt trung bình R = 8,534 m2.K/W, mặc dù không cao bằng các loại vật liệu cách nhiệt phổ biến khác như sợi amiăng (12,5 m2.K/W), sợi thuỷ tinh (25 m2.K/W), len (25 m2.K/W), xốp (30,3 m2.K/W), nhưng cao hơn các loại vật liệu xây dựng khác như bê tông, gạch đỏ và gạch cách nhiệt. Giá trị này cũng cao hơn ở các loài gỗ phổ biến khác như Sồi (5,88 m2.K/W), Thông (6,67 m2.K/W), và cao hơn ván ép (8,40 m2.K/W) [2].
Các so sánh trên về chỉ số cách âm và hệ số cách nhiệt cho thấy vật liệu ván dăm bio-composite có trị số tương đương hoặc cao hơn nên hoàn toàn có thể dùng làm sản phẩm cách âm cách nhiệt.
IV. KẾT LUẬN
Nghiên cứu bước đầu đã tìm ra sự ảnh hưởng của thời gian ép và nhiệt độ ép đến tính chất cơ lý ván dăm sử dụng chất kết dính sinh học trong nguyên liệu đã qua xử lý nấm. Chế độ ép phù hợp gồm các thông số áp suất, nhiệt độ, thời gian ép lần lượt là 0,55 MPa, 170°C và 40-50 phút với dăm nguyên liệu đã sấy đến độ ẩm 12%. Với chế độ ép này tính chất cơ lý của sản phẩm là tốt nhất. MOR đạt 3,93 MPa và MOE đạt 1233,5 MPa.
Khối lượng thể tích và khả năng cách âm cách nhiệt của ván không phụ thuộc nhiều vào thời gian và nhiệt độ ép. Khối lượng thể tích đạt 0,81g/cm3, thuộc nhóm rất cao so với tiêu chuẩn ván dăm thông thường. Chỉ số cách âm là 40,5 dB và hệ số cách nhiệt là 8,534 m2.K/W, đáp ứng được yêu cầu của vật liệu cách âm, cách nhiệt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Trần Ngọc Phương, 2016. Vật liệu và kết cấu hút âm. Trường Đại học Tôn Đức Thắng. Thành phố Hồ Chí Minh.
2. Young, Hugh D., 1992. Values for diamond and silica aerogel. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 7th Ed. Table 15-5. University Physics. Addison Wesley.
3. TCVN 7756-6:2007. Ván gỗ nhân tạo - Phương pháp thử - Phần 6: Xác định môđun đàn hồi khi uốn tĩnh và độ bền uốn tĩnh.
4. TCVN 5964:1995 (ISO 1996/1). Âm học - Mô tả và đo tiếng ồn môi trường - Các đại lượng và phương pháp đo chính.
5. TCXD 150:1986. Tiêu chuẩn bắt buộc áp dụng toàn phần thiết kế chống ồn cho nhà ở.
6. TCXDVN 175:2005. Mức ồn tối đa cho phép trong công trình công cộng - Tiêu chuẩn thiết kế.
7. ASTM C518 - 98. Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus.
Bùi Thị Thủy, Hà Thị Thu, Bùi Tiến Mạnh, Nguyễn Văn Giáp 
Viện nghiên cứu Công nghiệp rừng


Bài cùng tác giả

Bài khác

Tổng số lượt truy cập :
  • 1
  • 2
  • 5
  • 1
  • 8
  • 2
  • 1
lên đầu trang