Vật liệu composite được tạo thành từ sự kết hợp các sợi và chất nền. Biocomposite được tạo thành bởi chất nền là polymer sinh học (tinh bột, polylacetate, polymer từ nấm mục…) và sợi sinh học (cellulose, protein…). Vật liệu Bio-composite đang được phát triển nhanh chóng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nhờ những đặc tính: giá rẻ, có thể tái chế và phân hủy sinh học. Sợi sinh học được tạo ra từ các nguồn tự nhiên, ví dụ sợi từ cây bông, lanh hoặc cây gai, gỗ tái sinh, giấy phế liệu, phụ phẩm nông lâm nghiệp hoặc sợi tái sinh từ tơ tằm. Một trong những ưu điểm của sợi tự nhiên là khối lượng riêng thấp, nhưng cường độ chịu lực lớn hơn, chi phí sản xuất thấp so với sợi thuỷ tinh (trong composite thủy tinh). Ván nhân tạo (một loại composite) ra đời giải quyết tốt nhu cầu sử dụng của con người, những sản phẩm đòi hỏi những tấm ván lớn với khối lượng thể tích và kích thước theo yêu cầu sử dụng, ít bị nấm mốc, mối mọt tấn công… Nguồn nguyên liệu sản xuất ván dăm có thể tận dụng tất cả những phế liệu từ các ngành công nghiệp chế biến gỗ khác. Tuy nhiên quá trình sản xuất sử dụng chất kết dính có khả năng phát tán formaldehyde rất lớn nên có thể gây hại cho môi trường và người sử dụng. Theo các nghiên cứu giới hạn cho phép mức độ formaldehyde ở hầu hết các nơi làm việc là <0,2ppm thì ít gây rủi ro về ung thư mũi (APA, 2004).

Mặc dù, đã có những nghiên cứu sử dụng nấm nuôi cấy trên dăm gỗ sau đó ép tạo ván bio-composite không dùng keo dán chứa formaldehyde có hại. Ván gỗ được tạo ra sau 9 ngày ủ với nấm tăng độ bền uốn lên 3,5 lần, tăng mô đun đàn hồi lên 3 lần so với ván được ép từ dăm không xử lý nấm. Độ trương nở chiều dày của ván trong nước (sau 24 giờ) giảm 60-70% (Unbehaun et al. 1999, 2000; Korner et al. 2001). Wenjing Sun et al., 2019 đã tạo composite từ dăm gỗ thông, sợi nấm và sợi nanocellulose. Tuy nhiên độ bền cơ lý của ván so với ván dăm sử dụng keo thông thường thì thấp hơn nhiều (Độ bền uốn tĩnh đạt 4MPa và mô đun đàn hồi uốn tĩnh đạt gần 600MPa trong khi ván dăm sử dụng keo hóa học thông thường thì các giá trị tương ứng tối thiểu là 8,5 MPa, 1350MPa). Các nghiên cứu ở quy mô nhỏ nên chưa công bố về giá thành.

Năm 2018 là một trong những năm được đánh giá là thành công nhất của ngành gỗ Việt Nam. Trong kết luận của Thủ tướng tại Hội nghị ‘Định hướng, giải pháp phát triển nhanh, bền vững ngành công nghiệp chế biến gỗ và lâm sản xuất khẩu’ vào tháng 8 năm 2018, Thủ tướng Chính phủ đưa ra quan điểm chỉ đạo đối với ngành gỗ là trong 10 năm tới ngành chế biến gỗ và lâm sản xuất khẩu phải trở thành ngành mũi nhọn. Lượng phế liệu trong sản xuất chế biến gỗ (cành, nhánh, bìa bắp, lõi gỗ, ván gãy, mùn cưa…) rất lớn và mới sử dụng một phần làm ván dăm, còn lại chủ yếu làm nguyên liệu đốt (Quách Văn Thiêm, 2011). Ngành trồng trọt phát triển mạnh, sản lượng lúa ngày càng gia tăng, nguồn rơm rạ được tạo ra hàng năm tại Việt Nam là rất lớn (ước tính khoảng 50 triệu tấn/năm), nên rơm rạ dư thừa và trở thành nguồn chất thải cần xử lý. Theo IRRI, hiện mỗi năm Việt Nam đốt lãng phí trên 20 triệu tấn rơm rạ, chiếm khoảng 60%. Việc làm này không chỉ lãng phí mà còn gây ô nhiễm môi trường, phát thải khí nhà kính, cản trở giao thông… Một phần nhỏ phế liệu gỗ và rơm rạ được dùng để sản xuất ván nhân tạo. Tuy nhiên quá trình sản xuất ván nhân tạo sử dụng chất kết dính là các loại keo từ các nguồn nguyên liệu hóa thạch (chủ yếu là các loại keo urea formaldehyde, keo phenol formaldehyde…). Theo cách này, chẳng những tăng chi phí do sử dụng keo (chiếm 50% giá nguyên liệu đầu vào – Unbehaun et al., 2000) mà còn có tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường do quá trình sản xuất và sử dụng keo và ảnh hưởng tới sức khỏe người sử dụng. Hướng nghiên cứu xanh tạo ván dăm (bio-composite) không cần dùng keo dán, mà nguyên liệu dăm gỗ, rơm rạ được gây cấy chủng nấm mục với các thông số công nghệ ủ, ép phù hợp đã được tiến hành ở nước ngoài. Các phương pháp để biến tính gỗ để tăng khả năng kết dính gồm phương pháp vật lý (sử dụng tia X), cơ học, hóa học (các hóa chất), sinh học (sử dụng nấm mục). Nấm mục có khả năng biến tính lignin (Yaolin ZHANG, et al., 2016, bằng sáng chế US 9273238 B2). Lợi dụng nấm mục để nuôi cấy trên dăm gỗ và rơm rạ, nấm sẽ đóng vai trò tách một phần cấu trúc lignocellulose, biến tính lignin làm thay đổi trạng thái của lignin, làm lỏng lẻo các liên kết trên vách tế bào gỗ, đồng thời khi nấm sinh trưởng trên dăm gỗ và thực vật, mạng lưới sợi nấm và các chất hữu cơ sinh ra trong quá trình sinh trưởng làm tăng khả năng kết dính các sợi thực vật.

Nhằm tuyển chọn được các chủng nấm mục phù hợp có khả năng phân hủy dăm gỗ, rơm rạ và ứng dụng để sản xuất vật liệu mới (bio-composite) thân thiện môi trường sử dụng trong lĩnh vực nội thất và xây dựng, nhóm nghiên cứu Viện Nghiên cứu Công nghiệp Rừng (Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam) do TS. Bùi Thị Thủy làm chủ nhiệm đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nấm mục để sản xuất bio-composite từ dăm gỗ, rơm và rạ”.

Ở Việt Nam chưa có nghiên cứu sử dụng nấm để sản xuất ván không keo. Gỗ Keo là loại phổ biến nhất trong trồng rừng hiện nay. Theo Viện Nghiên cứu Lúa gạo quốc tế (IRRI) (2018), hiện mỗi năm Việt Nam đốt lãng phí trên 20 triệu tấn rơm rạ. Việc làm này không chỉ lãng phí mà còn gây ô nhiễm môi trường, phát thải khí nhà kính, cản trở giao thông… Vì vậy nghiên cứu sử dụng nấm mục để sản xuất bio-composite vừa giải quyết được nguồn phế phụ phẩm dồi dào, vừa không làm phát tán formaldehyde là rất cần thiết.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài thu được một số kết quả như sau:

  1. Đã chọn được 5 chủng NV1, NM8, NM3, NM9, N2 có thể tạo bio-composite từ dăm gỗ, 1 chủng NV1 có thể tạo tạo bio-composite từ rơm rạ. Chủng NV1 có tốc độ sinh trưởng nhanh nhất, đạt 12,9mm/ngày và ván từ chủng NV1 có độ bền uốn tĩnh cao nhất trong 5 chủng. Môi trường PDA là phù hợp để nhân cấp 1 nấm Coprinus radians NV1.
  2. Dăm gỗ ủ nước vôi tỷ lệ Ca(OH)2 1,6% trong 14 ngày, rơm rạ ủ nước vôi tỷ lệ Ca(OH)2 1,6% sau đó bổ sung cám ngô, cám gạo và cao nấm men/bột đậu tương để sản xuất sinh khối nấm Coprinus radians NV1. Nấm sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ 25-28oC, độ ẩm cơ chất 60-65%. Bảo quản sinh khối nấm trong điều kiện kín ánh sáng, ở nhiệt độ phòng, trong thời gian không quá 30 ngày.
  3. Đã xác định được chế độ ép phù hợp là áp suất, nhiệt độ, thời gian ép lần lượt là 2,1 MPa, 170oC và 40 phút, nguyên liệu khô ở độ ẩm 12-15%. Ván từ dăm gỗ, ván từ rơm 25 rạ, ván hỗn hợp đáp ứng được yêu cầu về khả năng cách âm cách nhiệt. Tỷ lệ dăm: rơm thích hợp cho loại ván hỗn hợp là 1.5:1.
  4. Đã xây dựng quy trình công nghệ và mô hình thiết bị sản xuất sinh khối nấm mục có khả năng chuyển hóa dăm gỗ, rơm rạ thành dạng phù hợp cho tạo bio-composite quy mô 200kg/mẻ và sản xuất 500 kg sinh khối nấm.
  5. Đã xây dựng quy trình công nghệ và mô hình thiết bị sản xuất ván bio-composite quy mô 4000 m3/năm và sản xuất 1500 tấm ván bio-composite kích thước 600x600x30 cm, chỉ số cách âm 40,5dB, hệ số cách nhiệt 9,7 mK/W.
  6. Sơ bộ đánh giá hiệu quả kinh tế, môi trường cho thấy ván bio-composite có giá thành tương tự ván dăm thông thường nhưng sản phẩm thân thiện với môi trường.
  7. Trong quá trình thực hiện đề tài đã công bố được 3 bài báo khoa học trên các tạp chí chuyên ngành, phối hợp đào tạo được 1 kỹ sư.

Đề tài kiến nghị cần có các nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và sản xuất thử nghiệm quy mô lớn để chuyển giao công nghệ và ứng dụng trên thị trường.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17489/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)

BÀI VIẾT LIÊN QUANBÀI VIẾT CÙNG TÁC GIẢ