اثر پیش‌تیمار لیگنین‌زدایی بر ویژگی‌های مکانیکی چوب صنوبر فشرده

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد، گروه مهندسی چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران،

2 استادیار، گروه مهندسی چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران،

3 دانشیار ، گروه مهندسی چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

4 دانشیار، گروه مهندسی چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: در تحقیق حاضر از روش اصلاحی تلفیق اشباع و فشرده‌سازی برای بهبود ویژگی‌های مکانیکی چوب تند‌رشد صنوبر با هدف توسعه کاربرد آن در مصارف سازه‌ای و نیمه سازه‌ای استفاده شد. تحقیقات اخیر نشان‌ داد که خروج بخشی از لیگنین پیش از فشرده‌سازی موجب افزایش تراکم‌پذیری و تشکیل پیوندهای هیدروژنی حین فشرده‌سازی و بهبود قابل‌ ملاحظه ویژگی‌های مکانیکی می‌گردد.
مواد و روش‌ها: قطعات چوب صنوبر با حلال آلی گلیسرول لیگنین‌زدایی شدند. یک سطح از نمونه‌های لیگنین‌زدایی شده، پس از شستشو فشرده شدند و سطح دیگر پس از شستشو با محلول گلیسرول-مالئیک‌انیدرید، اشباع سطحی شده و سپس فشرده شدند تا حین پرس، پلیمر شدن گلیسرول-مالئیک‌انیدرید بین الیاف سلولزی سبب بهبود مضاعف مقاومت چوب فشرده گردد. در سطح دیگر، به منظور مقایسه روش لیگنین‌زدایی و اشباع، با تیمار گرمایی، قطعات پیش از فشرده‌سازی تحت تیمار آب گرمایی در شرایط دما و فشار مشابه شرایط لیگنین‌زدایی، قرار گرفته و سپس فشرده شدند. میزان فشردگی در هر سه سطح ۸۰ درصد در نظر گرفته شد. به‌منظور بررسی تغییرات ریزساختاری چوب در سطوح شاهد و اصلاح شده، تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه گردید. همچنین به منظور بررسی اثر سطوح مختلف اصلاح بر خواص مکانیکی، آزمون‌های فشار و کشش موازی الیاف، خمش استاتیک، سختی و ضربه انجام شد.
یافته‌ها: میزان خروج لیگنین در نمونه‌های لیگنین‌زدایی شده ۵۵ درصد بود و پس از اشباع، ۵/۷ درصد افزایش وزن داشت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نمونه‌های آب‌گرمایی- فشرده نشان‌دهنده بسته شدن حفرات سلولی و پر شدن آنها با ماده دیواره سلولی بود که به دلیل افزایش شکنندگی دیواره سلولی، ترک‌هایی حین فشرده‌سازی ایجاد گردید. در نمونه لیگنین‌زدایی-فشرده‌شده حفرات زیادی در هر دو مقطع عرضی و مماسی مشاهده شد که احتمالا به دلیل بازگشت فشردگی پس از پرس می‌باشد. در نمونه لیگنین‌زدایی-اشباع-فشرده‌، حفرات با پلی‌استر حاصل از واکنش گلیسرول-مالئیک‌انیدرید پر شدند. مقاومت کششی نمونه لیگنین‌زدایی-فشرده به دلیل برقراری پیوند هیدروژنی بین واحدهای سلولزی، بیشتر از نمونه آب‌گرمایی-فشرده بود و اشباع با ترکیب گلیسرول-مالئیک‌انیدرید به دلیل برقراری پیوند استری بین واحدهای سلولزی، به افزایش بیشتر مقاومت ‌کششی منجر گردید. بیشترین مقدار مدول کششی و فشاری مربوط به نمونه آب‌گرمایی- فشرده شده بود که به واکنش‌های تراکمی لیگنین و افزایش بلورینگی سلولز متعاقب اصلاح گرمایی نسبت داده شد. در نمونه‌های اشباع-فشرده به دلیل پر شدن تخلخل و برقراری پیوندهای قوی استری، مدول کششی و فشاری بیشتر از نمونه لیگنین‌زدایی-فشرده بود. مقاومت خمشی در نمونه اشباع-فشرده به دلیل تشکیل پلی‌استر در سطح به میزان قابل ‌ملاحظه‌ای بهبود یافت. بیشترین مدول سختی مربوط به نمونه لیگنین‌زدایی-اشباع-فشرده بود. بیشترین مقاومت به ضربه مربوط به نمونه لیگنین‌زدایی-فشرده بود و اشباع با ترکیب گلیسرول-مالئیک‌انیدرید موجب کاهش مقاومت به ضربه شد که البته بیشتر از نمونه آب‌گرمایی-فشرده و نمونه شاهد بود.
نتیجه‌گیری: نتایج آزمون‌های مکانیکی حاکی از کارآمدی تلفیق لیگنین‌زدایی-اشباع-فشرده‌سازی بر بهبود مقاومت ویژه کششی، فشاری و سختی در مقایسه با شاهد بود. مقاومت ویژه ضربه نمونه لیگنین‌زدایی-فشرده بیشتر از نمونه شاهد و در دو سطح دیگر کمتر از نمونه شاهد بود که به افزایش تغییرشکل پذیری دیواره سلولی نسبت داده شد. مقاومت ویژه خمشی، بر خلاف مقاومت خمشی، در نمونه لیگنین‌زدایی-اشباع-فشرده نیز کمتر از نمونه شاهد بود که علت را می‌توان به متاثر بودن مقاومت خمشی از مقاومت سطح نمونه نسبت داد؛ فشرده سازی در حجم نمونه، نه فقط در سطح، به مقدار زیاد (۸۰ درصد) انجام شده است، بنابراین علی‌رغم بیشتر بودن مقاومت خمشی، نسبت مقاومت ویژه خمشی کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Improving mechanical properties of poplar wood by combining delignification and densification treatment

نویسندگان [English]

  • Sayed Mohammad Hossein yahyaee 1
  • Forough Dastorian 2
  • Maryam Ghorbani 3
  • Majid Zabihzadeh 4
1 M.Sc. Student, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Dep. Of Wood & Cellulosic Products Engineering
2 Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Associate Professor, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Dep. Of Wood & Cellulosic Products Engineering
4 Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Dep. Of Wood & Cellulosic Products Engineering
چکیده [English]

Background and objectives: in the present study a modification method combing Delignification and densification was used to improve the mechanical properties of fast growing poplar wood, aimed to extend their applications into structural and semi-structural purposes. Recent studies showed that partial removal of lignin before densification may increase the compressibility and hydrogen bond formation during densification led to considerable mechanical properties improvement.
Materials and methods: poplar wood blocks were delignified with glycerol as an organic solvent. One level of delignified blocks were densified immediately after washing and another level were surface impregnated with glycerol-maleic anhydride and densified to polymerization during densification further increase the mechanical properties of densified wood. At a third level, in order to compare the method of delignification and polymerization with heat treatment, the wood blocks were hydrothermally treated in temperature and pressure conditions similar to delgnification and then densified. The compressing ratio was considered 80% for three levels. In order to investigate the morphological changes in the control and modified samples, scanning electron images were prepared. In order to investigate the effect of modification on mechanical properties, compression and tension parallel to grain, static bending, hardness and impact tests was conducted.
Results: the lignin removal content was 55% and weight gain after impregnation was 7.5%. Electron microscopic images showed filling of wood lumens with cell wall materials in hydrothermally treated samples, and also some cracks were appeared because of increasing brittleness of cell wall. In delignified-densified samples, a lot of lumens were observed probably because of set recovery after press. In delignified-impregnated-densified samples, the lumens were filled by polyesters formed by reaction of glycerol and maleic anhydride. The tensile strength of delignified-densified samples were more the hydrothermally treated ones because of hydrogen bond formation between cellulose unites. Impregnation with glycerol-maleic anhydride led to further increase of tensile strength due to ester bond formation. The highest amount of tension and compression modulus was belonging to hydrothermally treated samples as a function of condensation reaction of lignin and increasing the crystallinity of cellulose. In impregnated-densified samples because of filling the lumens and strong ester bond formation, the tensile and compressive modulus was higher than the delignified-densified samples. The flexural strength of impregnated –densified sampls were considerably increased because of polyester formation in surface. The highest hardness modulus was belonging to delignified-impregnated-densified samples. The highest impact strength was related to the delignified-densified samples and impreganating with glycerol-maleic anhydride led to a little decrease.
Conclusion: Results of mechanical tests showed the effectiveness of the combined delignificaton-impregnation- densification modifying method on improvement of specific tension, compresiive and hardness strength compared to the control ones. Specific impact strength of delignified-densified samples was higher than the control and two other levels attributed to higher ductility. Unlike flexural strength, the specific flexural strength of delignified-impregnated-densified samples was lower than the control, attributing to the strength of sample surface; densification was conducted considerable (80%) in the volume of samples, not only in surface, therefore, despite of higher flexural strength, the specific flexural strength decreased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Delignification"
  • "Wood modification"
  • "Specific strength"

مراجع

 1.Bal, B.C. 2016. Some technological properties of laminated veneer lumber produced by fast-growing poplar and eucalyptus. Maderas-Cience Technology. 18: 3. 413-424.
2.Bao, M., Huang, X., Jiang, M., Yu,W., and Yu, Y. 2017. Effect of thermo-hydro-mechanical densification on microstructure and properties of poplar wood (Populus tomentosa). J. of Wood Science. 63: 591-605.
3.Bektas, I., Guler, C., Kalaycioglu, H., Mengeloglu, F., and Nakar, M. 2005. The manufacture of particle boards using sunflowers stalks (Helianthus annuus L.) and poplar wood (Populus Alba L.). J. of Composite Materials. 39: 5. 467-473.
4.Bodig, J., and Jayne, B.A. 1982. Mechanics of wood and wood Composites. Van Nostrand Reinhold Co. New York. 712p.
5.Boonstra, M.J., and Blomberg, J. 2007. Semi-isostatic densification of heat-treated radiata pine. J. of Wood Science Technology. 41: 607-617.
6.Cavus, V. 2020. Selected properties of Mahogany wood flour filled polypropylene composite: the effect of maleic anhydride-graft polypropylene (MAPP). Bioresources 15: 2. 2227-2236.
7.Cossalter, C., and Smith, C. 2003. Fast-wood forestry Myths and Realities. Center for International Forestry Research. Bogor, Indonesia. 50p.
8.Dastoorian, F., Farhadi, F., Hosseinzadeh, F., and Zabihzade, S.M. 2019. Effect of thermal treatment on physical and chemical structure of Fagus Orientals and Acer velutinum. Iran J. of Wood and Paper Researches. 33: 1. 142-154.
(In Persian)
9.Demirbas, A. 1998. Aqueous glycerol delignification of wood chips and ground wood. J. of Bioresource Technology.
63: 2. 179-185.
10.Dogu, D., Bakir, D., Tuncer, F.D., Hizal, K.T., Unsal, O., and Kandan, Z. 2016. Microscopic investigation of defects in thermally compressed poplar wood panels. J. of Maderas-Cience Technology. 18: 2. 337-348.
11.Emami, S., Tabil, L.G., and Adapa, P. 2015. Effect of Glycerol on densification of agricultural biomass. International J. of Agricultural and Biological Engineering. 8: 1. 64-73.
12.Esteves, B., Velez Marques, A., Domingos, I., and Pereira, H. 2006. Influence of steam heating on the properties of pine (Pinus pinaster) and eucalypt (Eucalyptus globulus) wood. J. of Wood Science and Technology.41: 193-207.
13.Frey, M., Widner, D., Segmehl, J., Casdorff, K., Keplinger, T., and Burgert, I. 2018. Delignified and densified cellulose bulk materials with excellent tensile properties for sustainable engineering. J. of Applied Materials and Interfaces. 10: 5. 5030-5037.
14.Frey, M., Schneider, L., Zirkelbach, M., Dransfeld, C., Masania, K., Keplinger, T., and Burgert, I. 2019. Densified cellulose materials and delignified wood reinforced composites. - International. Conference on Composite Materials (ICCM), Melbourne, Australia. 156p.
15.Fu, Q., Cloutier, A., and Laghdir, A. 2016. Optimization of the thermo-hygro mechanical (THM) process for sugar maple wood densification. BioResources. 11: 4. 8844-8859.
16.Guo, J., Song, K., Salmen, L., and Yin, Y. 2015. Changes of wood cell walls in response to hygro-mechanical steam treatment. Carbohydrate Polymers. 115: 207-214.
17.Hajihassani, R., Mohebby, B., Kazemi Najafi, S., and Navi, P. 2018. Ifluence of combined hygrothermomechanical treatment on technical characteristics of poplar wood. Maderas Ciencia y Technologia. 20: 1. 117-128.
18.Hung, R., Lee, S., and Bennett, J.W. 2013. Arabidopsis thaliana as a model system for testing the effect of Trichoderma volatile organic compounds. J. of Fungal Ecology. 6: 19-26.
19.Ito, Y., Tanahashi, M., Shigematsu, M., Shinoda, Y., and Ohta, C. 1998. Compressive-molding of wood by
high-pressure steam-treatment: Part 1. Development of compressively molded squares from thinnings. Holzforschung-International J. of the Biology. Chemistry. Physics and Technology of Wood. 52: 2. 211-216.
20.Karadeniz, N., Tiril, A., and Baylan,E. 2009. Wetland management in Turkey: Problems, achievements and perspectives. African J. of Agricultural Research. 4: 11. 1106-1119.
21.Kazi, S.N. 2018. Pulp and paper processing. Intech Open: London, United Kingdom. 33p.
22.Keplinger, T., Frey, M., and Burgert, I. 2018. Versatile strategies for the development of wood-based functional materials. In Bio inspiration. J. of Biomimetic and Bio replication VIII. 10593: 10593-13.
23.Kutnar, A., Kamke, F.A., and Sernek. M. 2008. Density profile and morphology of viscoelastic thermal compressed wood. J. of Wood Science and Technology. 43: 57-68.
24.Laine, K., Belt, T., Rautkari, L., Ramsay, J., Hill, C.A.S., and Hughes, M. 2013. Measuring the thickness swelling and set-recovery of densified and thermally modified Scots pine solid wood. J. of Material Science.48: 8530-8538.
25.Laine, K., Segerholm, K., Walinder, M., Rautkari, L., and Hughes, M. 2016. Wood densification and thermal modification: hardness, set-recovery and micromorphology. J. of Wood Science Technology. 50: 5. 883-894.
26.Mohammadi, A., Tabarsa, T., and Tasoji, M. 2011. Effect of static compressive of treated Paulownia wood on relationship between mechanical properties and density. Iran J. of Wood and Paper Researches. 26: 2. 592-604. (In Persian)
27.Morsing, N., and Hoffmeyer, P. 1998. Densification of wood: the influence of hygrothermal treatment on compression of beech perpendicular to gain. Kgs. Lyngby, Denmark: Technical University of Denmark. BYG-Rapport; No. R-79, 146p.
28.Navi, P., and Heger, F. 2004. Combined densification and thermo-hydro-mechanical processing of wood. Materials Research Society Bulletin.29: 5. 332-336.
29.Novo, L.P., Gurgel, L.V.A., Marabrzi, K., and Curvelo, A.A.S. 2011. Delignification of sugarcane bagasse using glycerol–water mixtures to produce pulps for saccharification. Bioresource Technology. 102: 10040-10046.
30.Romani, A., Ruiz, H.A., Pereira,F.P., Domingues. L., and Teixeira, J.A. 2013. Fractionation of Eucalyptus globulus Wood by Glycerol−Water Pretreatment: Optimization and Modeling. J. of American chemical society. 52: 14342-14352.
31.Roussel, C., Marchetti, V., Lemor, A., Wozniak, E., Loubinoux, B., and Gerardin, P. 2001. Chemical modification of wood by polyglycerol-maleic anhydride treatment. Holzforschung. 55: 57-62.
32.Rowell, R. 1984. The chemistry of solid wood. American Chemical Society, Washington, DC, 290p.
33.Sandberg, D., Haller, P., and Navi, P. 2013. Thermo-hydro and thermo-hydro-mechanical wood processing: An opportunity for future environmentally friendly wood products. J. of Wood Material Science and Engineering.8: 1. 64-88.
34.Shams, M.I., and Yano, H. 2011. Compressive deformation of phenol formaldehyde (PF) resin-impregnated wood related to the molecular weight of resin. J. of Wood Science Technology. 45: 73-81.
35.Song, J., Chen, C., Zhu, S., Zhu, M., Dai, J., Ray, U., and Yao, Y. 2018. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature. 554: 224-228.
36.Standard, T.A.P.P.I .1999. Method T222 om. TAPPI test methods. 5p.
37.Sun, F., and Chen, H. 2008. Enhanced enzymatic hydrolysis of wheat straw by aqueous glycerol pretreatment. J. of Bio Resource Technology. 99: 6156-6161.
 
38.Tu, D., Su, X., Zhang, T., Fan, W., and Zhou, Q. 2014. Thermo mechanical densification of populus tomentosa var. tomentosa with low moisture content. BioResources. 9: 3. 3846-3856.
39.Unsal, O., Kartal, S.N., Candan, Z., Arango, R.A., Clausen, C.A., and Green, F. 2009. Decay and termite resistance, water absorption and swelling of thermally compressed wood panels. International Biodeterioration and Biodegradation. 63: 548-552.
40.Welzbacher, C.R., Wehsener, J., Rapp, A.O., and Haller, P. 2008. Thermo-mechanical densification combined with thermal modification of Norway spruce (Picea abies Karst) in industrial scale-Dimensional stability and durability aspects. Holz Roh Werkst. 66: 39-49.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 28، شماره 3
آذر 1400
صفحه 131-142

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار