اثر تیمار حرارتی و اشباع اولیه چوب نراد با بوراکس بر مقاومت به آتش و رفتار حرارتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 هیات علمی

چکیده

سابقه و هدف: چوب به دلیل زیبایی و در عین حال داشتن مقاومت بالا کاربردهای متعددی دارد؛ اما معایبی دارد که مصرف آن را محدود می‌کند. اصلاح چوب دانشی برای بهبود ویژگی‌های نامطلوب چوب است. اصلاح حرارتی چوب روش مفیدی برای بهبود ثبات ابعاد و افزایش مقاومت زیستی آن است. با اصلاح حرارتی مقاومت چوب در برابر آتش کاهش می‌یابد. آتش‌گیری از معایب عمده چوب است. مواد لیگنوسلولزی به دلیل بسپارهای دیواره سلولی می‌سوزند. واکنش‌های پیرولیز با افزایش دما پیش رفته و گازهای قابل اشتعال آزاد می‌شود. اشباع اولیه چوب با ترکیبات بور، راهکاری برای کاهش آتش‌گیری چوب‌ تیمار حرارتی شده است. ترکیبات بور برای کندسوز کردن مواد سلولزی کارایی دارد. همچنین ترکیبات بور مقرون به صرفه، در دسترس، دوستدار محیط زیست و ایمن است. پژوهش حاضر با هدف بررسی اثر تیمار حرارتی و اشباع اولیه چوب نراد با بوراکس بر مقاومت به آتش و رفتار حرارتی و ثبات ابعاد آن انجام شد.
مواد و روش‌ها: نمونه‌ها به ابعاد (شعاعی)20× (مماسی)100× (طولی)150 میلی‌متر تهیه شد و با محلول آبی بوراکس با غلظت 7% به مدت 40 دقیقه در سیلندر تحت فشار 4 بار اشباع شد. تیمار حرارتی خشک در 2 سطح دمای◦C 170 و◦C 190 و زمان 3 ساعت در آون صورت گرفت. شاخص‌های مقاومت به آتش شامل زمان شعله‌وری، زمان افروختگی، سطح کربونیزه و کاهش جرم مطابق استاندارد ISO 11925 بررسی شد. رفتار حرارتی با تکنیک‌ آنالیز وزن‌ سنجی ‌حرارتی (TGA) و گرماسنجی پویشی افتراقی (DSC) در اتمسفر هوا با سرعت روبش گرمایی 10 درجه سانتی‌گراد بر دقیقه از دمای اتاق تا ◦C600 بررسی شد. ثبات ابعاد نمونه-ها با آزمون غوطه‌‌وری بلند ‌مدت محاسبه شد.
یافته‌ها: با اعمال تیمار حرارتی، نمونه‌ها کاهش جرم پیدا کرد. در نمونه پیش اشباع شده با بوراکس، کاهش جرم ناشی از تیمارهای حرارتی کاهش یافت. تیمار حرارتی سبب کاهش زمان شعله‌وری شد. بوراکس سبب تاخیر در نقطه اشتعال چوب تیمار حرارتی شده گردید. ترموگرام‌های TGA نشان داد زغال باقی‌مانده در نمونه‌ اشباع شده با بوراکس- تیمار حرارتی شده بیشتر از تیمارهای حرارتی بود. زغال همچون عایقی عمل کرده و از انتشار حرارت جلوگیری کرد. ترموگرام‌های DSC نشان داد در نمونه‌ اشباع شده با بوراکس- تیمار حرارتی شده نسبت به نمونه تیمار حرارتی شده، سرعت تشکیل فرآورده‌های فرار به بیشینه مقدار خود در دمای کمتری رسید. بوراکس با قرارگیری در معرض حرارت، لایه شیشه‌ای تشکیل داده و از این طریق انتقال جرم گازهای قابل اشتعال را کاهش داد. نتایج غوطه‌وری بلند مدت نشان داد تیمار حرارتی با کاهش آبدوستی نمونه‌ها سبب کاهش واکشیدگی حجمی و جذب آب گردید. اشباع اولیه نمونه‌ها با بوراکس سبب افزایش آبدوستی و افزایش واکشیدگی حجمی و جذب آب شد.
نتیجه‌گیری: چوب تیمار حرارتی شده مستعد آتش‌گیری شد و مقاومت آن در برابر آتش کاهش یافت. اشباع اولیه چوب نراد با بوراکس سبب تاخیر در نقطه اشتعال و زمان افروختگی و در نتیجه سبب افزایش مقاومت آن به آتش شد. سطح کربونیزه و کاهش جرم در نمونه اشباع شده با بوراکس- تیمار حرارتی شده از سایر تیمارها کمتر بود. آنالیز حرارتی نمونه‌ها حاکی از آن بود که نمونه تیمار حرارتی شده در مقایسه با نمونه‌ اشباع شده با بوراکس- تیمار حرارتی شده، کاهش جرم ناگهانی داشت. بوراکس سبب افزایش مقاومت به تخریب حرارتی چوب اصلاح حرارتی شده، گردید و با تغییر مسیر پیرولیز چوب، سبب جلوگیری از گسترش شعله می-گردد؛ به بیان دیگر بوراکس دمای تخریب حداکثر را کاهش داد. اشباع اولیه چوب نراد با بوراکس و تیمار حرارتی آن، سبب کاهش ثبات ابعاد در مقایسه با نمونه تیمار حرارتی شده گردید.
واژه‌های کلیدی: مقاومت به آتش، آنالیز وزن‌‌ سنجی‌ حرارتی (TGA)، گرماسنجی پویشی افتراقی(DSC) ، ثبات ابعاد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of heat treatment and primary impregnation of Fir wood with borax on the fire resistance and thermal behavior

نویسندگان [English]

  • anooshe fazeli 1
  • Aisona Talaei 2
1 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
2 faculty member
چکیده [English]

Background and objectives: The wood is used for its aesthetic appearance and at the same time its high mechanical strength, but it also has some disadvantages that limit its application. Wood modification is a science to improve undesirable properties of wood. Thermal modification is a useful method to develop dimensional stability and biological resistance. Heat treatment degrades the fire resistance of wood. The main disadvantage of wood is its flammability. Lignocellulosics burn because the cell wall polymers undergo pyrolysis reactions with increasing temperature to give off flammable gasses. Primary impregnation of wood with borates has been found to reduce flammability of thermally modified wood. Boron compounds work efficiently as fire retardant for cellulosic materials. Boron compounds are recognized as inexpensive, easily applicable and environmentally safe preservatives. The aim of this study was to investigate the effect of heat treatment and primary impregnation of Fir wood with borax on the fire resistance, thermal behavior and dimensional stability.
Materials and methods: Specimens were prepared to dimensions of 150 (L) ×100 (T) ×20 (R) mm and were impregnated with %7 aqueous solution of borax for 40 minutes at the pressure of 4 bar. Heat treatment was carried out at the temperatures of 170 ◦C and 190 ◦C in oven for 3 hours. Specimens were prepared according to ISO 11925 standard specifications to measure fire retarding properties including ignition time, glowing time, carbonized area and mass loss within the burning process. Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) were carried out under air at a heating rate of 10 °C/min. The temperature was heated from the room temperature up to 600 °C. Long-term dimensional stability were measured.
Results: Heat treatment of specimens caused mass loss. The impregnation of wood with borax reduced the mass loss during heat treatment. Heat treatment decreased ignition time. Borax postponed the ignition time of thermally modified wood.TGA thermograms showed that residual char amount was increased in borax preimpregnated-heat treated specimens compared with thermally modified specimens. Char provided insulation and also inhibited propagation of heat. DSC thermograms determined that for borax preimpregnated-heat treated specimens rate of formation of the volatile products reached its maximum at a lower temperature in comparison to thermally modified specimens. During the heat exposure borax formed glassy films on the wood that may inhibit mass transfer of combustible gases. Long-term immersion results confirmed that volumetric swelling and water absorption of thermally modified specimens decreased due to enhancement of hydrophobicity. Volumetric swelling and water absorption of borax preimpregnated specimens increased due to enhancement of hydrophylicity.
Conclusion: Thermally modified wood was susceptible to burning and its fire resistance was decreased. Primary impregnation of Fir wood with borax postponed ignition time and glowing time and eventually increased fire resistance. The lowest carbonized area and mass loss was obtained in borax preimpregnated-heat treated specimens. Thermal analysis showed sharp mass loss for thermally modified wood in comparison to borax preimpregnated-heat treated specimens. Borax increased the resistance of thermally modified wood to thermal degradation and altered pyrolysis route of wood and leaded to the inhibiton of the flame spread. In other words borax decreased the Tmax (maximum degradation temperature). Borax preimpregnated-heat treated specimens of Fir wood decreased dimensional stability in comparison to thermally modified wood.
Key words: Fire resistance, Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dimensional stability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : Fire resistance
  • Thermogravimetric Analysis (TGA)
  • Differential Scanning Calorimetry (DSC)
  • Dimensional stability