Tính chất gỗ là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và phân loại gỗ

Gỗ là mô thực vật cứng của thân cây, cấu thành chủ yếu từ tế bào chết có thành dày, chịu trách nhiệm nâng đỡ và dẫn nước. Gỗ gồm hai phần chính: gỗ cuống (sapwood) mang chức năng vận chuyển nước, thường có màu nhạt và độ ẩm cao; gỗ lõi (heartwood) đảm nhận vai trò chống mục, có màu sẫm, chứa nhiều hợp chất phenolic kháng sinh sinh học.

Theo nguồn gốc sinh học, gỗ được phân thành hai nhóm cơ bản: gỗ cứng (hardwood) từ cây lá rộng, cấu trúc tế bào phức tạp, thường dùng cho nội thất, sàn gỗ; và gỗ mềm (softwood) từ cây lá kim, tế bào đơn giản, ưu thế về khối lượng nhẹ, độ giãn nở nhỏ, phổ biến trong xây dựng và sản xuất giấy.

Phân loại chuyên sâu dựa trên đặc tính vật lý và công nghệ thường xem xét các tiêu chí như mật độ, độ bền cơ học, khả năng gia công và kháng ký sinh trùng. Ví dụ, gỗ sồi (oak) và gỗ walnut thuộc nhóm hardwood cao cấp, trong khi pine và spruce là đại diện tiêu biểu của softwood giá rẻ, dễ gia công và khối lượng riêng thấp (USDA FPL).

Thành phần hóa học gỗ

Thành phần chính của gỗ gồm ba đại phân tử: cellulose, hemicellulose và lignin, chiếm tổng cộng 80–90% khối lượng khô. Cellulose (40–50%) tạo thành sợi chịu lực dài, điều chỉnh độ bền kéo; hemicellulose (20–30%) là chuỗi ngắn liên kết cellulose với lignin, đóng vai trò linh hoạt; lignin (20–30%) là polyphenol không tinh thể, chịu nén và mang tính kháng sinh học cao.

Bên cạnh đó, gỗ chứa 0,5–1% khoáng chất (tro) bao gồm canxi, kali, magiê, ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt và chống cháy. Độ ẩm (moisture content) dao động 30–200% tùy điều kiện bảo quản, quyết định độ co ngót và biến dạng sau khi sấy khô (Wood Database).

• Cellulose: tinh bột thực vật, liên kết β-1,4-glucan.
• Hemicellulose: polysaccharide hỗn hợp, dễ thủy phân.
• Lignin: polyphenolic phức tạp, tạo độ cứng và kháng vi sinh.
• Khoáng chất: tro gỗ, ảnh hưởng tính dẫn nhiệt và điện.

Cấu trúc vi – vĩ mô

Ở cấp vĩ mô, thớ gỗ (grain) phản ánh hướng sắp xếp tế bào trục dọc thân cây, quyết định hình thức vân gỗ và khả năng uốn cong. Thớ thẳng (straight grain) tạo độ bền cao, thớ xoắn (spiral grain) dễ chịu lực xoắn nhưng khó gia công.

Trên vi mô, gỗ gồm ba loại tế bào chủ yếu: tracheids và vessels dẫn nước, sợi (fibers) chịu lực kéo, và tế bào ray (ray cells) vận chuyển ngang. Sự sắp xếp xen kẽ các tế bào dài và ngắn tạo thành cấu trúc đa lớp, vừa cứng vững vừa linh hoạt.

• Tracheids: ống dài, nhỏ, ưu thế ở softwood.
• Vessels: ống to, ngắn, xuất hiện chủ yếu ở hardwood.
• Sợi (Fibers): thành dày, chịu kéo tốt.
• Tế bào ray: mỏng, dẫn ngang, lưu trữ dinh dưỡng.

Sơ đồ cấu trúc tế bào gỗ và mối liên hệ chức năng tham khảo tại ScienceDirect.

Tính chất vật lý

Độ ẩm gỗ (MC) là tỉ lệ phần trăm khối lượng nước trên khối lượng gỗ khô, tính theo công thức:

$MC = \frac{m_{\text{ướt}} - m_{\text{khô}}}{m_{\text{khô}}} \times 100\%.$

Gỗ co ngót và sưng nở theo MC, với hệ số co ngót hướng xuyên tâm ~3–5% và hướng dọc ~0,1–0,3%. Giảm MC đến mức cân bằng (EMC) khoảng 8–12% giúp gỗ ổn định kích thước, giảm nứt nẻ.

Khối lượng riêng (density) và độ dẫn nhiệt (thermal conductivity) là hai chỉ số quan trọng:

Đặc tính này giải thích khả năng cách nhiệt, cách âm và ứng dụng trong xây dựng, nội thất và vật liệu đóng gói (Wood Database).

Tính chất cơ học

Gỗ thể hiện đặc tính cơ học khác nhau tùy theo loại và hướng thớ. Độ bền uốn (Modulus of Rupture – MOR) phản ánh khả năng chịu lực uốn trước khi gãy, trong khi mô đun đàn hồi (Modulus of Elasticity – MOE) cho biết độ cứng vững khi chịu biến dạng đàn hồi. Độ bền nén dọc sợi (compressive strength) đo khả năng chịu tải trọng đứng lên thân cây, quan trọng trong kết cấu xây dựng.

Khả năng chịu va đập (impact resistance) và độ bền kéo (tensile strength) cũng là chỉ số cơ học cần lưu ý khi lựa chọn gỗ cho ứng dụng chịu tải động, chẳng hạn khung cầu thang hoặc sàn thể thao. Các chỉ số này thường thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D143 và được công bố trong tài liệu kỹ thuật của USDA Forest Products Laboratory.

Tính chất công nghệ

Gỗ mềm thường có khả năng gia công (workability) tốt hơn gỗ cứng nhờ cấu trúc tế bào đơn giản và mật độ thấp, giảm mài mòn công cụ. Trong khi đó, gỗ cứng như sồi hoặc teak đòi hỏi mũi khoan, dao phay chất lượng cao và tốc độ cắt chậm để tránh nứt vỡ, song lại cho bề mặt hoàn thiện mịn, khả năng giữ đinh vít và keo dán tốt.

Chất kết dính (adhesive bonding) và độ chà nhám (sanding) phụ thuộc vào độ ẩm và hàm lượng lignin. Gỗ ẩm cao làm giảm sự thấm keo, trong khi gỗ quá khô dễ nứt. Các thông số tham khảo kỹ thuật gia công chi tiết có tại Wood Database.

• Cưa và cắt: gỗ mềm dễ cắt, gỗ cứng cần cưa lưỡi hợp kim tốc độ cao.
• Khoan: mũi kim cương hoặc carbide cho gỗ cứng.
• Bào và chà nhám: giấy nhám trung bình (120–150 grit) cho gỗ mềm, 180–220 grit cho gỗ cứng.

Tính chất chống cháy, cách nhiệt, cách âm

Gỗ là vật liệu dễ cháy, tự nhiên có tốc độ cháy khoảng 0,8–1,2 mm/phút, do đó thường phải xử lý bề mặt bằng sơn hoặc dung dịch chống cháy (fire retardant) để giảm tốc độ lan truyền lửa. Phương pháp xử lý áp lực với muối borate hoặc phosphate giúp tăng khả năng chống mục và giảm cháy (ScienceDirect).

Về cách nhiệt, gỗ có hệ số dẫn nhiệt thấp (0,10–0,20 W/m·K), giúp ngăn truyền nhiệt giữa hai môi trường. Độ dẫn âm (sound transmission class) phụ thuộc mật độ và độ xốp, gỗ cứng cho hệ số hấp thụ âm α ~0,1–0,2, còn gỗ mềm khoảng α ~0,2–0,4, phù hợp dùng làm tấm ốp tường tăng cường cách âm (Appropedia).

Tính chất bền sinh học

Gỗ lõi thường kháng mục và mối mọt hơn gỗ cuống nhờ hàm lượng lignin và hợp chất phenolic cao. Độ bền sinh học (durability) được phân nhóm từ 1 (bền nhất) đến 5 (kém bền) theo tiêu chuẩn EN 350-2 (CEN EN 350-2).

Xử lý áp lực với hóa chất bảo vệ gỗ như crom hóa hợp chất amoni (CCA) hoặc muối đồng giúp kéo dài tuổi thọ, đặc biệt ở môi trường ngoài trời, vùng ẩm ướt và khu vực tiếp xúc trực tiếp với đất. Ngoài ra, các phương pháp sinh học mới như coating sinh học (bio-coating) dùng enzyme kháng sinh cũng đang được nghiên cứu để giảm hóa chất độc hại.

Ứng dụng và lựa chọn gỗ

Ứng dụng gỗ đa dạng theo tính chất và giá trị kinh tế:

• Xây dựng dân dụng: gỗ mềm (pine, spruce) cho khung nhà, ván sàn và ván ép.
• Nội thất cao cấp: gỗ cứng (oak, walnut, teak) cho sàn gỗ, bàn ghế, đồ trang trí.
• Gia công ngoài trời: teak, ipe có độ bền sinh học cao và ít co ngót.
• Công nghiệp giấy và giấy bồi: gỗ mềm và gỗ tái chế.

Lựa chọn gỗ cần cân nhắc mục đích sử dụng, điều kiện môi trường, kinh phí và yêu cầu bảo trì. Việc tuân thủ quy định chứng chỉ bền vững như FSC (Forest Stewardship Council) đảm bảo nguồn gỗ hợp pháp và thân thiện môi trường.

Tài liệu tham khảo

• USDA Forest Products Laboratory. Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. fpl.fs.fed.us.
• Wood Database. “Physical Properties.” wood-database.com.
• Wood Database. “Machining.” wood-database.com.
• ScienceDirect. “Fire Retardant Treatments for Wood.” sciencedirect.com.
• Appropedia. “Acoustic properties of wood.” appropedia.org.
• European Committee for Standardization. “EN 350-2: Durability of Wood and Wood-Based Products.” cen.eu.
• Forest Stewardship Council. “FSC Principles and Criteria.” fsc.org.