رفتار مکانیکی و مقاومت زیستی چوب- پلیمرآکریلونیتریل اصلاح‌شده با آلکوکسی سیلان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

2 دانشگاه منابع طبیعی ساری

3 دانشگاه کردستان

چکیده

سابقه و هدف: اصلاح چوب با استفاده از مواد و روش‌های دوستدار طبیعت، خواص چوب را برای بسیاری از کاربردها بهبود می‌بخشد. پلیمرهای مصنوعی به طور گسترده‌ای برای اصلاح چوب مورد استفاده قرار گرفتند که در آن چوب به وسیله مونومرها اشباع و تبدیل مونومر به پلیمر منجر به تولید چوب‌-‌‌پلیمر گردید. در اصلاح با مونومر وینیلی آکریلونیتریل، گروه‌های هیدروکسیل دیواره همچنان آزاد بوده و قادر به جذب رطوبت هستند. بنابراین حضور ماده‌ای برای اصلاح با اثر جفت‌کنندگی دیواره که بتواند بین مونومر و دیواره ارتباط برقرار کند می‌تواند باعث افزایش عمر مفید چوب گردد. در این تحقیق اثر ترکیب 3- تری‌متوکسی‌سیلیل‌پروپیل‌متاکریلات بر خواص مکانیکی و زیستی چوب‌پلیمر حاوی آکریلونیتریل بررسی‌گردید.
مواد و روش‌ها: الوار راست‌تار و فاقد عیب صنوبر، پس از خشک شدن به نمونه‌های آزمون مکانیکی و زیستی به‌ترتیب بر اساس استانداردهای ASTM-D143 و EN113 تبدیل شدند. نمونه‌های آزمونی در 7سطح شاهد، اصلاح‌شده با ترکیب سیلانی در زیرگروه‌های حاوی اتانول اسیدی تحت دمای 110 و 150 درجه‌سانتی‌گراد، اتانول حاوی آغازگر بنزوییل‌پراکساید و بدون آغازگر در دمای 150درجه‌سانتی‌گراد، آکریلونیتریل و سطح تلفیقی سیلان/آکریلو‌نیتریل گروه‌بندی‌گردیدند. اشباع نمونه‌ها به روش خلاء- فشار در سیلندر آزمایشگاهی انجام شد. در پژوهش حاضر برای تجزیه و تحلیل داده‌ها از آزمون آنالیز واریانس در قالب طرح کاملاً تصادفی استفاده شد. همچنین گروه‌بندی میانگین‌ها نیز با آزمون چنددامنه‌ای دانکن انجام گردید.
یافته‌ها: بر اساس نتایج طیف‌سنجی زیرقرمز، اصلاح سیلان و حضور مونومر آکریلونیتریل در چندسازه تائیدشد. نمونه‌های سطح تلفیقی سیلان/ آکریلونیتریل بیشترین مقاومت خمشی، فشار موازی الیاف و سختی را نشان‌دادند. حضور آکریلونیتریل در حفره باعث افزایش خواص مکانیکی شد. در واکنش سیلان با چوب، افزایش دما به‌دلیل تشدید واکنش، به افزایش مقاومت‌ها منتهی‌گردید. حضور آغازگر در اصلاح، باعث پلیمر شدن بخشی از ترکیب سیلانی در حفرات سلولی چوب، علاوه بر اصلاح دیواره، و بهبود محسوس‌تر خواص مکانیکی نسبت به سطح سیلانی فاقد آغازگر شد. اصلاح سیلان/ آکریلونیتریل در معرض قارچ پوسیدگی سفید Trametes versicolor بهبود معنی‌دار مقاومت به پوسیدگی را نشان‌داد.
نتیجه‌گیری کلی: استفاده از ترکیب سیلانی باعث بهبود خواص مکانیکی و زیستی فرآورده چوب‌پلیمر حاصل از آکریلونیتریل گردید. بیشترین بهبود خواص مکانیکی در اصلاح ترکیبی سیلان/ آکریلونیتریل، به علت برهمکنش بیشتر سیلانول‌های ترکیب سیلانی با گروه‌های هیدروکسیل چوب و همچنین حضور آکریلونیتریل در حفره سلول چوبی تعیین شد. اصلاح ترکیبی سیلان/ آکریلونیتریل افزایش محسوسی در مقاومت زیستی در معرض قارچ پوسیدگی سفید ایجاد کرد که علت آن را می‌توان به پر شدن حفره و منافذ دیواره، رطوبت کمتر و در نهایت کاهش توانایی رشد، انتقال آنزیم و دسترسی ریسه‌های قارچ به دیواره نسبت داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Mechanical behavior and biological resistance of Acrylonitrile wood-polymer modified by alkoxysilan

چکیده [English]

Background and objectives: Wood modification is trying to use eco-friendly materials and methods to improve the wood properties for many applications. Synthetic polymers are widely used for wood modification via impregnation by monomers and the conversion to polymer that was resulted in wood‌—polymer production. In modification by Acrylonitrile vinyl monomer, the hydroxyl group of cell wall are free and they could absorb moisture exposed to the environmental condition. So, the presence of a modifier with coupling effect between monomer and cell wall could increase the wood service life. In this research, the effect of 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate on mechanical and biological properties of Acrylonitrile wood-polymer was investigated.
Material and Methods: Mechanical and biological test samples of straight grain and no defect timber of dried Poplar wood were prepared according to ASTM-D143 and EN113 standards respectively. Test samples were divided in 7 levels: control, modified with silan compound in subgroups of acidified Ethanol at 110 and 150˚C, ethanol with and without Benzoyl peroxide as initiator at 150°C, Acrylonitrile/ Benzoyl Peroxide and combined level of silan/Acrylonitrile. Samples impregnation was carried out using vacuum-pressure method in the cylinder. A complete randomized design was used to examine the effect of different treatments. Also averages grouping was performed by Duncan multiple range test.

Results: Silan modification and presence of Acrylonitrile in the composite were confirmed by infrared spectroscopy. Samples of silan/Acrylonitrile combination level showed maximum of bending strength, compression strength parallel to grain and hardness. The presence of Acrylonitrile in lumen enhanced the mechanical properties. In reaction between wood and silan, temperature increases due to the intensification of reaction, led to an increase in resistance. Benzoyl Peroxide initiator presence in silan modification resulted in more improvement in mechanical properties due to Cell wall modification and Polymerization some of silan in the lumens. Silan/Acrylonitrile modified samples was showed the significant improvement in decay resistance exposed to Trametes Versicolor

Conclusion: Silan compound enhanced the mechanical and biological properties of Acrylonitrile wood‌-‌polymer. The maximum improvement of mechanical properties was observed in combined modification of Silan/Acrylonitrile because of more interaction between silanol of silan compound and hydroxyl group of wood, and the presence of Acrilonytrile in wood cell lumen. Silane/acrylonitrile modification created significant enhancement in the biological resistance against white rot fungi that attributed to filling lumen and cell wall pores, less moisture content, and reduction of hyphae development, enzymes transfer and fungal hyphae access to the wood cell wall.

کلیدواژه‌ها [English]

  • acrylonitrile
  • 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate
  • wood-polymer
  • Biological Properties
  • mechanical behavior
1.Bader, M., and Wrbitzky, R. 2006. Follow-up biomonitoring after accidental exposure to
acrylonitrile- Implications for protein adducts as a does monitor for short –term exposure.
Toxicology Letters. 162: 2.125-131.
2.Bengtsson, M., and Oksman, K. 2006. Silan cross-linked wood plastic composites: Processing
and properties. Composites Science and Technology. 66: 2177-2186.
3.Bodirlau, R., Teaca, C.A., and Spiridon, I. 2009. Preparation and characterization of
composites comprising modified hard wood and wood polymers/poly (vinyl chloride).
Bioresources. 4: 4.1285-1304.
4.Das, O., Sarmah, A.K., and Bhattacharyya, D. 2015. A sustainable and resilient approach
through biochar addition in wood polymer composites. Science of Total Environment. 15:
326-336.
5.Devi, R.R., and Maji, T.K. 2002. Studies of properties of rubber wood with impregnation of
polymer. Bulletin of Materials Science. 25: 6.527-531.
6.Devi, R.R., and Maji, T.K. 2011. Preparation and Characterization of Wood/Styrene-
Acrylonitrile Copolymer/MMT Nanocomposite. Journal of Applied Polymer Science. 122:
2099–2109.
7.Devi, R., and Maji, T. 2013. In-Situ Polymerized Wood Polymer Composite: effect of
additives and nanoclay on the thermal, mechanical properties. Material Research. 16:
04.954-963.
8.Donath, S., Militz, H., and Mai, C. 2004. Wood modification with Alkoxysilanes. Wood
Science Technology. 38: 555-566.
9.Ellis, D.W. 2000. Wood-Polymer Composites: Review of processes and properties, Molecular
Crystals and Liquid Crystals Science and Technology. Section A. Molecular Crystals and
Liquid Crystals. 353: 1.75-84.
10.Elvy, Sh.B., Dennis, G.R., and NG, L.T. 1995. Effects of coupling agent on the physical
properties of wood-polymer composites. Journal of Materials Processing Technology. 48:
365-371.
11.Habibzadeh, D., Omidvar, A., Mastery Farahani, M., and Mashkoor, M. 2013. Introduction
of wood-polymer composite and its use as an eco-friendly product. In: The Second National
Conference of Sustainable Development of Agriculture and Healthy Environment. Sept. 12
Hamedan, Iran. 10p.
12.Hill, C.A.S., Mastery Farahani, M.R., and Hale, M.D.C. 2004. The use of organo
alkoxysilane coupling agents for wood preservation. Holzforschung. 58: 316-325.
13.Jahantigh, H., Omidvar, A., and Khazaian, A. 2013. Distribution of Polymer in
environmentally friendly modified wood. In: The first national conference of protection and
planning of environment. Feb. 21 Hamedan, Iran. Pp: 1-6.
14.Kaki, R., and Ghorbani, M. 2013. Investigation of Water Absorption and Dimensional
Stability of Beech Impregnated with Methylmethacrylate. Iranian Journal of Natural
Resources. 66: 3.329-338. (In Persian)
15.Li, Y., Meng, X., Li, J., and Liu, Y. 2010. Performance of Wood-Polymer Composite
Prepared by In-situ Polymerization of Styrene. Applied Mechanics and Materials. 26-28:
181-185.
16.Meyer, J. 1981. Wood-Polymer Materials: State of the Art. Wood Science Technology. 14:
2.49-54.
17.Militz, H., Donath, S., and Mai, C. 2006. Creating water-repellent effects on wood by
treatment with silanes. Holzforschung. 60: 40-46.
18.Militz, H., and Mai, C. 2004. Modification of wood with silicon compounds. Treatment
systems based on organic silicon compounds– a review. Wood Science and Technology. 37:
453-461.
19.Militz, H., Xie, Y., Hill, C.A.S., Zefang, X., and Mai, C. 2010. Silane coupling agents used
for natural fiber/ polymer composites. Composites: Part A. 41: 806-819.
20.Nikkhah, A., Ghorbani, M., and Amininasab, S.M. 2015. Investigation on the mechanical
and decay resistance properties of wood modified with maleic anhydride and methyl
metacrylate. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research. 30: 3.491-502. (In
Persian)
21.Nikkhah, A., Ghorbani, M., and Amininasab, S.M. 2015. Determination the optimal
conditions of poplar wood treatment with maleic anhydride and physical characteristics of
the product. Accepted in Journal of Wood and Forest Science and Technology. (In Persian)
22.Omidvar, A., and Talaeepour, S. 2007. Investigation of physical properties of wood-polymer
composites from palownia, aspen, maple, and hornbeam species. Pajouhesh and Sazandegi.
77: 85-91. (In Persian)
23.Pavia, D.L., Lampman, G.M., Kriz, G.S., and Vyvyan, J.A. 2008. Introduction to
spectroscopy. Brooks Cole, USA, 745p.
24.Rowell, R.M. 2006. Advances and Challenges of Wood Polymer Composites. In 8th Pacific
Rim Bio-Based Composites Symposium. November 20 -23. Kuala Lumpur, Malaysia.
25.Saiful Islam, Md., Hamdan, S., Jusoh, I., Rahman, Md.R., and Talib, Z.A. 2011.
Dimensional Stability and Dynamic Young’s Modulus of Tropical Light Hardwood
Chemically Treated with Methyl Methacrylate in Combination with Hexamethylene
Diisocyanate Cross-Linke. Industrial and Engineering Chemistry Research. 50: 3900–3906.
26.Schneider, M.H., and Brebner, K.I. 1985. Wood-polymer combinations: Bonding of
alkoxysilane coupling agents to wood. Wood Science and Technology. 19: 1.75-81.
27.Solpan, D., and Guven, O. 1998. Comparison of the dimensional stabilities of oak and cedar
wood preserved by in situ copolymerization of allylglycidyl ether with acrylonitrile and
methyl methacrylate. DieAngew Makromol Chem. 259: 33-37.
28.Standard test method for small clear specimens of timber. Designation, West Conshohocken,
American Society for Testing and Materials, ASTM- D143 Standard, 1994.
29.Terziev, N., and Panov, D. 2009. Study on some alkoxysilanes used for hydrophobation and
protection of wood against decay. International Biodeterioration and Biodegradation. 63:
456-461.
30.Wood preservatives. Method of test for determining the protective effectiveness against
wood destroying basidiomycetes- Determination of the toxic values. Beuth Verlag GmbH,
Berlin, European standards, EN 113, 1996.