خواص آب‌گریزی چوب عامل‌دار شده با انیدریدفتالیک در مقایسه با انیدریداستیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران

3 دانشگاه تهران

4 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران

10.22069/jwfst.2020.17682.1852

چکیده

سابقه و هدف: ویژگی‌های آب‌دوستی چوب یکی از عوامل محدودکننده برای کاربرد چوب در برخی مصارف به‌ویژه در فضای باز است. برای حفاظت چوب در مقابل جذب رطوبت از روش‌های پوشش‌دهی، اشباع با مواد شیمیایی آب‌گریز مختلف و یا روش‌های اصلاحی می‌توان استفاده کرد. در این تحقیق، تاثیر اصلاح شیمیایی چوب با استفاده از جایگزینی گروه‌های هیدروکسیل با گروه‌های عاملی حلقوی (گروه فتالات) و زنجیر خطی کوتاه (گروه استیل) بر خواص آب‌گریزی آن بررسی شد.
مواد و روش‌ها: از قسمت برون‌چوب دو گونه صنوبر دلتوئیدس (Populous deltoides ) و نوئل ( Picea abies)، نمونه-هایی با قطر 48 میلی‌متر و ضخامت 5 میلی‌متر تهیه شد. قبل از عملیات اصلاح، نمونه‌ها با استفاده از حلال ترکیبی استون و اتانول ( 2:1حجم/حجم) به مدت 8 ساعت عصاره‌گیری شدند. فرایند اشباع با محلول انیدریداستیک و انیدریدفتالیک به روش خلاء و فشار در دمای 120 درجه‌سانتیگراد برای مدت زمان‌های 1، 2، 4 و 24 ساعت انجام شد. بعد از فرایند اصلاح، ابتدا نمونه‌ها به مدت 48 ساعت با استن و سپس به مدت 48 ساعت با آب مقطر آبشویی شدند. پس از عملیات آبشویی، نمونه‌ها در آون در دمایC ° 2±103 به مدت 24 ساعت خشک و توزین شدند. مقدار افزایش وزن (WPG)، ویژگی‌های فیزیکی چوب‌های اصلاح شده شامل رطوبت تعادل کاهش یافته (EMCR)، کارایی ضد رطوبت (MEE) و تر شوندگی با آزمون دینامیک زاویه تماس قطره آب به روش Sessile Drop اندازه‌گیری شد و با استفاده از آزمون طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز تجهیز شده با بازتابش کلی کاهش یافته ( ATR-FTIR) تغییرات شیمیایی ایجاد شده بررسی شد.
یافته‌ها: بر اساس مطالعات ATR-FTIR، پیک مشاهده شده در عدد موجی cm-1 1732-1746 مربوط به ارتعاش کششی گروه کربونیل (C=O) تشکیل اتصالات استری در نمونه‌های اصلاح شده با هر دو نوع انیدرید را تایید می‌کند. نتایج نشان داد که اصلاح هر دو گونه چوبی با انیدریداستیک در مقایسه با انیدریدفتالیک در مدت زمان مشابه واکنش منجر به WPG و کارائی ضد رطوبت بیشتر می‌شود و الگوی تغییرات آن‌ها با مدت زمان واکنش متأثر از گونه بود. دستیابی به WPG کمتر در فرایند اصلاح با فتالات می-تواند ناشی از
بزرگ‌تر بودن گروه عاملی فتالات در مقایسه با گروه عاملی استیل و بالطبع غیرقطبی‌تر بودن آن و نیز هیدرولیز پیوند استر حاصل از واکنش انیدریدفتالیک با گروه هیدروکسیل چوب در اثر آبشویی باشد. با این وجود، در WPG تقریبا برابر، تفاوتی بین کارائی ضدرطوبت چوب‌های اصلاح شده با دو نوع انیدرید مشاهده نشد. در فرایند استیلاسیون، چوب نوئل در مقایسه با چوب صنوبر بهتر اصلاح شد ولی در فرایند اصلاح با فتالات، تفاوتی بین دو گونه چوبی مشاهده نشد. نتایج آزمون ترشوندگی نشان داد که مقدار زاویه تماس در چوب نوئل پس از اصلاح با هر دو نوع انیدرید، افزایش یافت. در حالی‌که در چوب صنوبر، فقط نمونه اصلاح شده با انیدریدفتالیک با WPG زیاد، زاویه تماس بیشتری در مقایسه با نمونه شاهد داشت. نتایج همچنین نشان داد که در مقایسه با فرایند استیلاسیون، مقدار WPG چوب اصلاح شده با انیدریدفتالیک کم‌تر تحت تاثیر مدت زمان واکنش بود. این مسئله می‌تواند ناشی از واکنش‌پذیری کم‌تر گروه فتالیک با چوب در مقایسه با گروه استیل باشد.
نتیجه‌گیری: تفاوتی بین کارائی ضدرطوبت چوب اصلاح شده با انیدرید زنجیر خطی کوتاه (انیدریداستیک) در مقایسه با انیدرید حلقوی (انیدریدفتالیک) در WPG مشابه وجود نداشت که بیانگر عدم تاثیرگذاری نوع انیدرید بر این ویژگی فیزیکی چوب است. همچنین، مقدار ترشوندگی سطح این نوع چوب‌های اصلاح شده علاوه بر مقدار جایگزینی گروه‌های هیدروکسیل می‌تواند تابعی از عوامل دیگر مانند کیفیت و نفوذپذیری سطح باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A comparative study on hydrophobic properties of wood functionalized by phthalic and acetic anhydrides

نویسندگان [English]

  • Ava Khodabakhshi Koulaei 1
  • Asghar Tarmian 2
  • Davood Efhamisisi 3
  • Ali Abdulkhani 4
1 M.Sc., Dept. of Wood and Paper Science & Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Associate Prof., Dept. of Wood and Paper Science & Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 University of Tehran
4 Dept. of Wood and Paper Science & Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Hygroscopic nature of wood is one of the limiting factors for some outdoor applications. Coating, impregnation with various hydrophobic chemicals or modification methods can be applied to protect the wood against moisture absorption. In this study, the effect of chemical modification of wood by substituting hydroxyl groups with long and cyclic functional group (phthalate) and short group (acetyl) on its hygroscopic properties was investigated.
Materials and methods: Sapwood specimens of poplar (Populus deltoides) and Norway spruce (Picea abies) with 48 mm in diameter and 5 mm in thickness were cut. The specimens were extracted for 8 hours prior to modification using acetone/ethanol (2:1, v/v) solution. The specimens were then pressure treated with acetic anhydride and phthalic anhydride at 120 °C for 1, 2, 4 and 24 hours. After modification, the specimens were first washed with acetone for 48 hours and then washed with distilled water for 48 hours. After leaching, the specimens were dried in an oven at 103 ±2 °C for 24 h and weighed. Weight percent gain (WPG), physical properties of the modified wood including reduced equilibrium moisture content (EMC R), moisture exclusion efficiency (MEE) and wettability by Sessile Drop method were measured and the chemical changes were also evaluated by infrared spectroscopy test (ATR-FTIR).
Results: ATR-FTIR studies showed that the peak observed at 1732-1746 cm-1 which is related to the stretching vibration of carbonyl group (C=O) confirms the formation of ester bonds within both types of modified woods. The results showed that modification with acetic anhydride in comparison with phthalic anhydride at the same reaction time led to a higher WPG and lower MEE. Less WPG obtained by modification with phthalic anhydride can be due to the larger size and more non-polarity of the phthalate group compared to the acetyl group, as well as the hydrolysis of the ester bond between the phthalate and hydroxyl groups caused by leaching. However, there was no difference between the anti-moisture exclusion efficiencies of the woods modified by two types of anhydrides at the same WPG. In the acetylation process, modification of Norway spruce was more successful than that of poplar, whereas the wood species showed no difference in the modification with phthalic anhydride. The results of the wettability test showed that the contact angle of the Norway spruce increased after modification by both types of the anhydrides. However, in poplar wood, only the specimen modified by phthalic anhydride at high WPG had a higher contact angle than the control specimen. Results also showed that compared to the acetylation process, WPG of the wood modified by phthalic anhydride was less affected by increasing the reaction time. This may be due to the lower reactivity of the phthalic group with wood compared to the acetyl group.
Conclusion: There was no difference between the anti-moisture exclusion efficiencies of woods modified by short-chain anhydride (acetic anhydride) and the cyclic anhydride (phthalic anhydride) at the same WPG, which indicates that the type of anhydride does not affect this physical property of wood. Our results showed that wettability of the modified woods can be a function of other factors such as surface quality and permeability in addition to the amount of hydroxyl group substitution.

کلیدواژه‌ها [English]

  • wood modification
  • Acetic anhydride
  • phthalic anhydride
  • hydrophobic properties