بررسي تركيب فورفورال اوره براي بهبود ويژگي هاي فيزيكي مكانيكي چوب توس

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

سابقه و هدف: اشباع چوب با انواع تك‌پار و تبديل آن به يك بسپار غيرقابل آبشويي موجب دست‌يابي به يك محصول جديد به نام چوب‌بسپار مي‌شود. تركيبات فوراني مانند الكل فورفوريل به طور تجاري براي اصلاح چوب و ساخت چوب‌بسپار استفاده مي‌شوند. چوب با الكل فورفوريل اشباع شده و سپس با حرارت‌دهي تبديل به پلي‌الكل فورفوريل مي‌شود. در ايران مقدار زيادي فورفورال از ضايعات ساقه نيشكر توليد مي‌شود كه در واقع ماده اوليه ساخت الكل فورفوريل است. فورفورال مانند الكل فورفوريل به تنهايي قابليت تبديل به بسپار را ندارد، اما اين ماده يك آلدهيد است و مي‌تواند با اوره واكنش داده و ساختار پليمري تشكيل دهد. در اين مطالعه امكان بهبود ويژگي‌هاي فيزيكي-مكانيكي چوب توس با استفاده از تركيب فورفورال+اوره و يك كاتاليزور اسيدي (انيدريد مالئيك) بررسي شد. مواد و روش‌ها: چوب توس (Betula sp.) وارداتي از كشور روسيه براي انجام مطالعات استفاده شد. تركيب فورفورال+اوره/ انيدريد مالئيك به صورت تيمار دو مرحله‌اي و با استفاده ار روش خلاء/فشار به چوب تزريق شد، مرحله اول: فورفورال رقيق شده در آب و متانول، مرحله دوم: محلول آبي اوره/ انيدريد مالئيك. همچنين براي مقايسه نتايج از فرمول تجاري‌سازي شده بر پايه الكل فورفوريل نيز براي اشباع و تيمار چوب استفاده شد. براي پخت مواد و تبديل آنها به بسپار، چوب‌هاي اشباع شده حرارتي‌دهي شدند. ويژگي-هاي فيزيكي و مكانيكي نمونه‌ها طبق روش‌ها و استانداردهاي سري ISO 13061 اندازه‌گيري و گزارش شد. يافته‌ها: نسبت موجود بين فورفورال+اوره/ انيدريد مالئيك مناسب بوده و به طور ميانگين 80-60 درصد تركيبات طي فرآيند پخت رزين تبديل به بسپار شدند. نرخ آّبشويي مواد از چوب در حدود 4 درصد بود كه قابل مقايسه با فرمول تجاري بر پايه الكل فورفوريل است. مقادير افزايش وزن نمونه‌ها (WPG) با توجه به غلظت فورفورال از 27 تا 57 درصد متفاوت بود. با وجود اثر حجيم كنندگي، چگالي نمونه‌ها پس از تيمار افزايش محسوس داشت. نتايج اندازه‌گيري جذب آب نمونه‌ها پس از غوطه‌وري در آب نشان داد كه ميزان جذب آب بستگي به مقدار WPG دارد و با افزايش آن كاهش مي‌يابد. واكشيدگي ابعاد نمونه‌هاي تيمار شده با تركيب فورفورال+اوره/انيدريد مالئيك نيز با افزايش WPG كاهش يافت، اما كمترين مقدار واكشيدگي ابعاد مربوط به تيمار الكل فورفوريل بود. بررسي مقاومت‌هاي مكانيكي نشان داد كه تيمار چوب با تركيب فورفورال+اوره/ انيدريد مالئيك باعث كاهش مقاومت به سختي و مقاومت به ضربه چوب مي‌شود، در حالي‌كه مقاومت‌هاي استاتيكي مانند مدول گسيختگي، مدول الاستيسيته و فشار موازي الياف افزايش يافتند. تيمار با الكل فورفوريل نيز موجب كاهش مقاومت به ضربه چوب شد. نتيجه‌گيري: تيمار چوب با تركيب فورفورال+اوره/انيدريد مالئيك بويژه در مقادير WPG بالا پتانسيل خوبي براي بهبود اغلب ويژگي-هاي چوب را دارد. اسيديته بالاي محلول‌هاي اشباع بر پايه فورفورال يكي از مواردي است كه نياز به مطالعات تكميلي دارد. در صورت استفاده از pH قليايي گيرائي رزين دچار اختلال شده و نرخ آبشويي مواد افزايش مي‌يابد. از طرفي ديگر pH اسيدي نيز اثر تخريبي بر روي چوب دارد.

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.