بررسی ترکیب فورفورال-اوره برای بهبود ویژگی‌های فیزیکی مکانیکی چوب توس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تهران

2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته علوم و صنایع چوب و کاغذ دانشگاه تهران

3 سرپرست آزمایشگاه حفاظت چوب موسسه تحقیقاتی سیراد، فرانسه استاد دانشگاه مون‌پلیه-گروه بیوووب، سیراد، فرانسه

4 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ دانشگاه تهران

چکیده

سابقه و هدف: اشباع چوب با انواع تک‌پار و تبدیل آن به یک بسپار غیرقابل آبشویی موجب دست‌یابی به یک محصول جدید به نام چوب‌بسپار می‌شود. ترکیبات فورانی مانند الکل فورفوریل به طور تجاری برای اصلاح چوب و ساخت چوب‌بسپار استفاده می‌شوند. چوب با الکل فورفوریل اشباع شده و سپس با حرارت‌دهی تبدیل به پلی‌الکل فورفوریل می‌شود. در ایران مقدار زیادی فورفورال از ضایعات ساقه نیشکر تولید می‌شود که در واقع ماده اولیه ساخت الکل فورفوریل است. فورفورال مانند الکل فورفوریل به تنهایی قابلیت تبدیل به بسپار را ندارد، اما این ماده یک آلدهید است و می‌تواند با اوره واکنش داده و ساختار پلیمری تشکیل دهد. در این مطالعه امکان بهبود ویژگی‌های فیزیکی-مکانیکی چوب توس با استفاده از ترکیب فورفورال+اوره و یک کاتالیزور اسیدی (انیدرید مالئیک) بررسی شد.
مواد و روش‌ها: چوب توس (Betula sp.) وارداتی از کشور روسیه برای انجام مطالعات استفاده شد. ترکیب فورفورال+اوره/ انیدرید مالئیک به صورت تیمار دو مرحله‌ای و با استفاده ار روش خلاء/فشار به چوب تزریق شد، مرحله اول: فورفورال رقیق شده در آب و متانول، مرحله دوم: محلول آبی اوره/ انیدرید مالئیک. همچنین برای مقایسه نتایج از فرمول تجاری‌سازی شده بر پایه الکل فورفوریل نیز برای اشباع و تیمار چوب استفاده شد. برای پخت مواد و تبدیل آنها به بسپار، چوب‌های اشباع شده حرارتی‌دهی شدند. ویژگی-های فیزیکی و مکانیکی نمونه‌ها طبق روش‌ها و استانداردهای سری ISO 13061 اندازه‌گیری و گزارش شد.
یافته‌ها: نسبت موجود بین فورفورال+اوره/ انیدرید مالئیک مناسب بوده و به طور میانگین 80-60 درصد ترکیبات طی فرآیند پخت رزین تبدیل به بسپار شدند. نرخ آّبشویی مواد از چوب در حدود 4 درصد بود که قابل مقایسه با فرمول تجاری بر پایه الکل فورفوریل است. مقادیر افزایش وزن نمونه‌ها (WPG) با توجه به غلظت فورفورال از 27 تا 57 درصد متفاوت بود. با وجود اثر حجیم کنندگی، چگالی نمونه‌ها پس از تیمار افزایش محسوس داشت. نتایج اندازه‌گیری جذب آب نمونه‌ها پس از غوطه‌وری در آب نشان داد که میزان جذب آب بستگی به مقدار WPG دارد و با افزایش آن کاهش می‌یابد. واکشیدگی ابعاد نمونه‌های تیمار شده با ترکیب فورفورال+اوره/انیدرید مالئیک نیز با افزایش WPG کاهش یافت، اما کمترین مقدار واکشیدگی ابعاد مربوط به تیمار الکل فورفوریل بود. بررسی مقاومت‌های مکانیکی نشان داد که تیمار چوب با ترکیب فورفورال+اوره/ انیدرید مالئیک باعث کاهش مقاومت به سختی و مقاومت به ضربه چوب می‌شود، در حالی‌که مقاومت‌های استاتیکی مانند مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته و فشار موازی الیاف افزایش یافتند. تیمار با الکل فورفوریل نیز موجب کاهش مقاومت به ضربه چوب شد.
نتیجه‌گیری: تیمار چوب با ترکیب فورفورال+اوره/انیدرید مالئیک بویژه در مقادیر WPG بالا پتانسیل خوبی برای بهبود اغلب ویژگی-های چوب را دارد. اسیدیته بالای محلول‌های اشباع بر پایه فورفورال یکی از مواردی است که نیاز به مطالعات تکمیلی دارد. در صورت استفاده از pH قلیایی گیرائی رزین دچار اختلال شده و نرخ آبشویی مواد افزایش می‌یابد. از طرفی دیگر pH اسیدی نیز اثر تخریبی بر روی چوب دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Furfural/Urea complexes to improve physico-mechanical properties of birch wood

نویسندگان [English]

  • Davood Efhamisisi 1
  • Marzieh Sharifat 2
  • Marie-France Thevenon 3
  • Asghar Tarmian 4
  • Mehdi Jonoobi 4
1 University of Tehran
2 MS graduated in Wood Sciences and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran
3 Head of the Wood Preservation Laboratory, CIRAD, UR BIOWooEB, TA B-114/16, 73 rue Jean-François Breton, F-34398 Montpellier Cedex 5, France BIOWooEB, Univ. Montpellier, CIRAD, Montpellier, France
4 Associated Prof. Department of Wood and Paper Sciences and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran
چکیده [English]

Background and objectives: Impregnation of wood with different monomers and their conversion to the un-leachable reacted polymers inside the wood causes a new product which is called wood polymer. The furan compounds such as Furfuryl alcohol (FA) is commercially used for wood modification, producing then wood polymer. Wood is impregnated with FA, convert to the polyFA by heating. Furfural which is in fact the primary raw material in the manufacture of FA is extensively manufactured in Iran from residues of sugar cane. Furfural could not be easily polymerized alone like FA; but it is an aldehyde which can react with urea to make polymer network. In this study, the possibility of furfural/urea polymer along with acidic catalyzer (maleic anhydride) was evaluated for the improvement of physico-mechanical properties of birch wood.
Materials and methods: Birch wood (Betula sp.) imported from Russia was used for experiments. With a double treatment procedure Furfural+Urea/Maleic anhydride was impregnated into the wood according to a 2 steps vacuum/pressure technology: (1) diluted furfural in water and methanol, followed by (2) Urea/Maleic anhydride aqueous solution. For making comparison between the results, a commercial formulation based on the FA was also used as a reference. The mixes impregnated into the wood were polymerized by heating. Then, different physico-mechanical properties of wood samples were measured according to the standard guidelines of ISO 13061 series.
Results: The proportion of Furfural+Urea/Maleic anhydride was appropriately selected, and approximately 60 to 80% were converted to the polymer. The leaching rate of the products once polymerized within the treated wood was around 4% which is comparable to the results of commercial formulation based on FA. The weight percentage gain (WPG) of the wood samples varied between 27 to 57% depending on the furfural concentration in the treatment solutions. Despite the bulking effect, the density of samples after treatment increased significantly. The water absorption during samples soaking in the water is clearly linked with the WPG, and decreases with the increase of WPG. The volumetric swelling of the samples treated with the combination of furfural+urea/maleic anhydride also follows the same trend. However, the lowest volumetric swelling was obtained with the treatment with FA. The mechanical resistance evaluation showed that wood treatment by furfural +urea/maleic anhydride reduced the hardness and the impact bending of wood, while static strength such as modulus of rupture, modulus of elasticity, and compression parallel to the grain increased. The treatment with FA also reduced the resistance of wood against impact bending.
Conclusion: Wood treatment with the complex of furfural+urea/maleic anhydride, especially at high WPG levels, has a good potential for improving most wood properties. The high acidity of furfural based solutions is one of the issues requiring additional studies. If the alkaline pH is used, the curing of the resin will be disturbed and the leaching rate will increase. On the other hand, acidic pH also has a negative impact on wood properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Birch (Betula sp.)
  • furfural
  • furfuryl alcohol
  • Urea
  • physical-mechanical properties
1.Hill, C.A.S. 2006.Wood Modification Chemical, Thermal and Other Processes, John Wiley and Sons. 260p.
2.Li, Y. 2011. Wood-Polymer Composites, In: Advances in Composite Materials- Analysis of Natural and Man-Made Materials, Dr. Pavla Tesinova (Ed.), ISBN: 978-953-307-449-8, InTech, Chapters published. Pp: 229-284.
3.Buchelt, B., Dietrich, T., and Wagenführ, A. 2012. Macroscopic and microscopic monitoring of swelling of beech wood after impregnation with furfuryl alcohol. European Journal of Wood and Wood Products. 70: 6. 865-869.
4.Gindl, W., Zargar-Yaghubi, F., and Wimmer, R. 2003. Impregnation of softwood cell walls with melamine-formaldehyde resin. Bioresource
5.Mai, C., and Militz, H. 2004. Modification of wood with silicon compounds. Inorganic silicon compounds and sol-gel systems: a review. Wood Science and Technology. 37: 5. 339-348.
6.Keyoumu, A., McDonald, A.G., Gorman, T. 2007. Ponderosa Pine wood enhancement by resin treatment. In: The Third European Conference on Wood Modification. Pp: 267-270.
7.Gérardin, P. 2016. New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of wood— a review. Annals of Forest Science., 73: 3. 559–570.
8.Dong, Y., Qin, Y., Wang, K., Yan, Y., Zhang, S., Li, J., and Zhang, S. 2016. Assessment of the performance of furfurylated wood and acetylated wood: Comparison among four fast-growing wood species. BioResources., 11: 2. 3679-3690.
9.Esteves, B., Nunes, L., Pereira, H. 2011. Properties of furfurylated wood (Pinus pinaster). European Journal of Wood and Wood Products. 69: 4. 521-525.
10.Abdolzadeh, H., Ebrahimi, Layeghi, G.M., Mirshokrai, SA. 2013. Mechanical properties of Beech -Furfuryl alcohol wood polymer. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 4: 2. 143-155. (In Persian)
11.Larnøy, E., Lande, S., Vestøl, GI. 2008. Variations of Furfuryl alcohol and Wolmanit CX-8 treatability of pine sapwood within and between trees. International Research Group on Wood Preservation. IRG/WP Document 08-4042. 25-29 May, Istanbul, Turkey.
12. Treu, A., Pilglard, A., Puttmann, S., Krause, A., and Westin, M. 2009. Material properties of furfurylated wood for window production. The International Research Group on Wood Protection. IRG/WP Document 09-40480. 24-28 May, Beijing, China.
13.Lande, S., Westin, M., and Schneider, M. 2008. Development of modified wood products based on furan chemistry. Molecular crystals and liquid crystals. 484: 1. 37-41.
14. Sejati, P., Imbert, A., Gérardin-Charbonnier, C., Dumarçay, S., Fredon, E., and Masson, E. 2017. Tartaric acid catalyzed furfurylation of beech wood. Wood Science and Technology. 51: 2. 379-394.
15.Schneider, M.H., and Phillips, J.G. 2007. High weight percent gain (WPG) furfural-urea modification of wood, US20090004495A1. 1-4.
16.Ahmadi, H., Hamassi, H., and Mahdavi, S. 2015. Investigation on mechanical properties of composite from resycled HDPE filled by furfural residue produced from bagass. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research., 30: 3. 376-387. (In Persian)
17.Sabeti Fard, S.H., Cultural, R., and Foroughi Rad, A. 2014. Removal of furfural coke using antioxidant compounds in oil refineries. In: Second International Conference on Oil, Gas and Petrochemicals, Shahid Beheshti University. Tehran. Iran. (In Persian)
18.Schneider, M.H., and Phillips, J.G. 2007. Waterborne furfural-urea modification of wood, US 2009/0005504 A1. 1-6.
19. Atkinson, M. 1992. Betula pendula Roth (B . verrucosa Ehrh.) and B. pubescens Ehrh. Journal of Ecology., 80: 4. 837-870.
20.EN 350. 2016. Durability of wood and wood based products, Testing and classification of the durability agents to biological agents of wood and wood based materials, ISSN 0335-3931.
21. ISO 13061-13. 2016. Physical and mechanical properties of wood - Test methods for small clear wood specimens - Part 13: Determination of radial and tangential shrinkage.
22. ISO 13061-2. 2014. Physical and mechanical properties of wood - Test methods for small clear wood specimens - Part 2: Determination of density for physical and mechanical tests.
23. ISO 13061-12. 2014. Physical and mechanical properties of wood - Test methods for small clear wood specimens - Part 12: Determination of static
hardness.
24. ISO 13061-17. 2014. Physical and mechanical properties of wood - Test methods for small clear wood specimens- Part 17: Determination of ultimate stress in compression parallel to grain.
25. ISO 13061-10. 2014. Physical and mechanical properties of wood- Test methods for small clear wood specimens - Part 10: Determination of impact bending strength.
26. ISO 13061-3. 2014. Physical and mechanical properties of wood - Test methods for small clear wood specimens - Part 3: Determination of ultimate strength in static bending.
27. Lande, S., Westin, M., and Schneider, M.H. 2004. Properties of furfurylated wood. Scandinavian Journal of Forest Research., 19: 5. 22-30.
28. Reinprecht, L. 2016. Wood Deterioration, Protection and Maintenance. John Wiley and Sons. 376p.
29. Thygesen, L.G., Barsberg, S., and Venås, T.M. 2010. The fluorescence characteristics of furfurylated wood studied by fluorescence spectroscopy and confocal laser scanning microscopy. Wood Science and Technology. 44: 1. 51-65.
30.Li, W., Wang, H., and Ren, D. 2015. Wood modification with furfuryl alcohol catalysed by a new composite acidic catalyst. Wood Science and Technology., 49: 4. 845-856.
31. Abdolzadeh, H., Layeghi, M., Ebrahimi, G., and Ghassemieh, M. 2014. Fracture behavior of beech-furan wood/polymer under mode I. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research. 29: 4. 609-622. (In Persian)
32.Epmeier, H., Westin, M., and Rapp, A. 2004. Differently modified wood comparison of some selected properties. Scandinavian Journal of Forest Research., 19: 5. 31-37.
33. Li, W., Zhang, XX., Yu, Z., Yu, Y.S., and Yu, Y. 2017. Determining the curing parameters of furfuryl alcohol for wood modification by nanoindentation. European Journal of Wood and Wood Products., 75: 1. 81-86.
34. Dong, Y., Yan, Y., Zhang, S., and Li, J. 2014. Wood/polymer nanocomposites prepared by impregnation with furfuryl alcohol and Nano-SiO2. BioResources., 9: 4. 6028-6040.