اثر پيش‌تيمار ليگنين‌زدايي بر ويژگي‌هاي مكانيكي چوب صنوبر فشرده

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

سابقه و هدف: در تحقيق حاضر از روش اصلاحي تلفيق اشباع و فشرده‌سازي براي بهبود ويژگي‌هاي مكانيكي چوب تند‌رشد صنوبر با هدف توسعه كاربرد آن در مصارف سازه‌اي و نيمه سازه‌اي استفاده شد. تحقيقات اخير نشان‌ داد كه خروج بخشي از ليگنين پيش از فشرده‌سازي موجب افزايش تراكم‌پذيري و تشكيل پيوندهاي هيدروژني حين فشرده‌سازي و بهبود قابل‌ ملاحظه ويژگي‌هاي مكانيكي مي‌گردد. مواد و روش‌ها: قطعات چوب صنوبر با حلال آلي گليسرول ليگنين‌زدايي شدند. يك سطح از نمونه‌هاي ليگنين‌زدايي شده، پس از شستشو فشرده شدند و سطح ديگر پس از شستشو با محلول گليسرول-مالئيك‌انيدريد، اشباع سطحي شده و سپس فشرده شدند تا حين پرس، پليمر شدن گليسرول-مالئيك‌انيدريد بين الياف سلولزي سبب بهبود مضاعف مقاومت چوب فشرده گردد. در سطح ديگر، به منظور مقايسه روش ليگنين‌زدايي و اشباع، با تيمار گرمايي، قطعات پيش از فشرده‌سازي تحت تيمار آب گرمايي در شرايط دما و فشار مشابه شرايط ليگنين‌زدايي، قرار گرفته و سپس فشرده شدند. ميزان فشردگي در هر سه سطح 80 درصد در نظر گرفته شد. به‌منظور بررسي تغييرات ريزساختاري چوب در سطوح شاهد و اصلاح شده، تصاوير ميكروسكوپ الكتروني تهيه گرديد. همچنين به منظور بررسي اثر سطوح مختلف اصلاح بر خواص مكانيكي، آزمون‌هاي فشار و كشش موازي الياف، خمش استاتيك، سختي و ضربه انجام شد. يافته‌ها: ميزان خروج ليگنين در نمونه‌هاي ليگنين‌زدايي شده 55 درصد بود و پس از اشباع، 7/5 درصد افزايش وزن داشت. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني نمونه‌هاي آب‌گرمايي- فشرده نشان‌دهنده بسته شدن حفرات سلولي و پر شدن آنها با ماده ديواره سلولي بود كه به دليل افزايش شكنندگي ديواره سلولي، ترك‌هايي حين فشرده‌سازي ايجاد گرديد. در نمونه ليگنين‌زدايي-فشرده‌شده حفرات زيادي در هر دو مقطع عرضي و مماسي مشاهده شد كه احتمالا به دليل بازگشت فشردگي پس از پرس مي‌باشد. در نمونه ليگنين‌زدايي-اشباع-فشرده‌، حفرات با پلي‌استر حاصل از واكنش گليسرول-مالئيك‌انيدريد پر شدند. مقاومت كششي نمونه ليگنين‌زدايي-فشرده به دليل برقراري پيوند هيدروژني بين واحدهاي سلولزي، بيشتر از نمونه آب‌گرمايي-فشرده بود و اشباع با تركيب گليسرول-مالئيك‌انيدريد به دليل برقراري پيوند استري بين واحدهاي سلولزي، به افزايش بيشتر مقاومت ‌كششي منجر گرديد. بيشترين مقدار مدول كششي و فشاري مربوط به نمونه آب‌گرمايي- فشرده شده بود كه به واكنش‌هاي تراكمي ليگنين و افزايش بلورينگي سلولز متعاقب اصلاح گرمايي نسبت داده شد. در نمونه‌هاي اشباع-فشرده به دليل پر شدن تخلخل و برقراري پيوندهاي قوي استري، مدول كششي و فشاري بيشتر از نمونه ليگنين‌زدايي-فشرده بود. مقاومت خمشي در نمونه اشباع-فشرده به دليل تشكيل پلي‌استر در سطح به ميزان قابل ‌ملاحظه‌اي بهبود يافت. بيشترين مدول سختي مربوط به نمونه ليگنين‌زدايي-اشباع-فشرده بود. بيشترين مقاومت به ضربه مربوط به نمونه ليگنين‌زدايي-فشرده بود و اشباع با تركيب گليسرول-مالئيك‌انيدريد موجب كاهش مقاومت به ضربه شد كه البته بيشتر از نمونه آب‌گرمايي-فشرده و نمونه شاهد بود. نتيجه‌گيري: نتايج آزمون‌هاي مكانيكي حاكي از كارآمدي تلفيق ليگنين‌زدايي-اشباع-فشرده‌سازي بر بهبود مقاومت ويژه كششي، فشاري و سختي در مقايسه با شاهد بود. مقاومت ويژه ضربه نمونه ليگنين‌زدايي-فشرده بيشتر از نمونه شاهد و در دو سطح ديگر كمتر از نمونه شاهد بود كه به افزايش تغييرشكل پذيري ديواره سلولي نسبت داده شد. مقاومت ويژه خمشي، بر خلاف مقاومت خمشي، در نمونه ليگنين‌زدايي-اشباع-فشرده نيز كمتر از نمونه شاهد بود كه علت را مي‌توان به متاثر بودن مقاومت خمشي از مقاومت سطح نمونه نسبت داد؛ فشرده سازي در حجم نمونه، نه فقط در سطح، به مقدار زياد (80 درصد) انجام شده است، بنابراين علي‌رغم بيشتر بودن مقاومت خمشي، نسبت مقاومت ويژه خمشي كاهش يافت.

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.