مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی زاویه تماس چوب‌های اشباع شده با نانوکریستال سلولز و ترکیبات عامل‌دار شده آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 مدرس مدعو دانشکده منابع طبیعی دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران
2 ستاد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران
10.22034/ijwp.2025.2053661.1701
چکیده
بیان مساله و اهداف: تحقیقات جهانی برای یافتن مواد حفاظتی جدید و بی‌خطر برای محیط‌زیست، جهت بهبود خواص نامطلوب چوب و محصولات چوبی در طول چند سال اخیر به طور قابل توجهی افزایش یافته است. سلولز از فراوان­ترین و ارزان­ترین منابع گیاهی زیست­تخریب­پذیر، زیست‌تخریب‌پذیر موجود در طبیعت است. نانو کریستال سلولز (CNC) جزء ساختاری گیاهان است، که به دلیل دانسیته پایین، نسبت بعد بالا، ویژگی­های مکانیکی مطلوب، انبساط حرارتی پایین و توانایی تشکیل شبکه، به عنوان تقویت کننده ماتریکس­های پلیمری مورد توجه قرار گرفته است. به طور کلی، ظرفیت سلولز برای جذب آب تا حد زیادی به دسترسی گروه­های هیدروکسیل آزاد وابسته است. هیدروکسیل­های آزاد سلولز جاذبه قوی با بسیاری از حلال­ها دارند، اما آب جذب شده تنها در نواحی بی­شکل (آمورف) وجود دارد، نه در نواحی کریستالی. لذا این تحقیق با هدف توسعه مواد حفاظتی جدید، بی­ضرر و سازگار با محیط‌زیست، با تأکید بر افزایش مقاومت در برابر جذب آب در سطح چوب انجام شده است. بطور کلی هدف اصلی این تحقیق بررسی زاویه تماس چوب­های اشباع شده با نانو کریستال سلولز و ترکیبات عامل دار شده آن می­باشد.
مواد و روشها: در این تحقیق از چوب صنوبر برای تهیه نمونه­های آزمایشی استفاده شد. نانو کریستال سلولز با استفاده از هیدرولیز اسیدی تهیه و سپس با ترکیبات مختلف مانند PDMS، Cu(OH)2، ZnO و AgNO3 عامل دار گردید. اشباع نمونه‌های چوبی با هر یک از ترکیبات فوق در سیلندر اشباع تحت فشار انجام شد. مقاومت به آب با انجام آزمون آبشویی و زاویه تماس در چوب‌های اشباع شده با نانو کریستال سلولز و ترکیبات عامل دار شده به همراه فیلم­های تهیه شده از هر یک از ترکیبات ذکر شده، مورد بررسی قرار گرفت. تحلیل آماری نتایج در قالب طرح کاملاً تصادفی و آزمون فاکتوریل به کمک تجزیه واریانس انجام شد.
نتایج: بر اساس نتایج به دست آمده، مقاومت به آبشویی در مقایسه با نمونه شاهد، در تیمارهای CNC/PDMS و CNC به ترتیب 68 و 52 درصد افزایش و در تیمار CNC/Ag، 23 درصد کاهش نشان داد. همچنین بیشترین زاویه تماس آب در فیلم CNC/PDMS به مقدار میانگین 98 درجه مشاهده شد که در مقایسه با فیلم خالص CNC، به میزان 180 درصد افزایش یافت. نتایج حاصل از بررسی زاویه تماس آب در چوب­های تیمار شده با نانو کریستال سلولز و ترکیبات عامل دار شده آن نشان داد که بیشترین زاویه تماس در نمونه­های تیمار شده با ترکیب CNC/PDMS به دست آمد که نشان دهنده افزایش 40 درصدی نسبت به نمونه­های شاهد بود.
نتیجه ­گیری: به طور کلی، امکان استفاده از CNC و ترکیب عامل دار شده آن با PDMS به عنوان محافظ سطح چوب در برابر تخریب ناشی از آب، پیشنهاد می‌­شود. در حقیقت، استفاده از CNC به عنوان ماده­ای دوستدار محیط‌زیست و برگرفته از ساختار چوب، نتایج امیدوارکننده­ای را نشان می­دهد. بهبود ویژگی آب‌گریزی و افزایش مقاومت به آبشویی از جمله فاکتورهایی هستند که در حفاظت از چوب و فرآورده­های چوبی ضروری و اساسی بوده و بسیاری از ویژگی­های محصول نهایی را تحت تأثیر قرار می­دهند؛ بنابراین تحقیق حاضر یک روش جامع در رابطه با جداسازی نانو کریستال سلولز بوده و پتانسیل نانو مواد سلولزی را برای استفاده در طیف وسیعی از کاربردهای با تکنولوژی بالا نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Basile, R., Bergamonti, L., Fernandez, F., Graiff, C., Haghighi, A., Isca, C., Lottici, P.P., Pizzo, B., and Predieri, G., 2018. Bio-inspired consolidants derived from crystalline nanocellulose for decayed wood. Carbohydrate Polymers, 202:164–171.
[2] Lars Elof, B., 2008. Aspects on wettability and surface composition of modified wood, Licentiate Thesis, KTH- Stockholm, Sweden.
[3] Parsapajouh, D., Faezipour, M., and Taghiyari, H., 2009. Industrial Timber Preservation, 4th Ed., Tehran University Publications, 657 pp (in Persian).
[4] Mohebby, B., Fallah Moghadam, P. and Kazemi Najafi, S., 2011. Swelling and its trend in wood plastic composite prepared by polypropylene and acetylated fibers. Journal of Forest and Wood Products, 64: 185-196.
[5] Habouria, M., Ouertani1, S., Ben Mansour, N., Azzouz, S., and Elaieb, M. T., 2025. Influence of Microwave Power and Heating Time on the Drying Kinetics and Mechanical Properties of Eucalyptus gomphocephala Wood. Frontiers in Heat and Mass Transfer, vol. 23, no. 1: 345–360.
[6] Calovi, M., and Rossi, S., 2024. Enhancing wood coatings with red beetroot-derived pigments:Investigating synergy with UV absorber and composite filler for improved durability and aesthetics. Progress in Organic Coatings, 192, 108529: 1-16.
[7] Muñoz-Núñez, C., Fernández-García, M., and Muñoz-Bonilla, A., 2022. Chitin Nanocrystals: Environmentally Friendly Materials for the Development of Bioactive Films. Coatings, 12, 144: 1-17.
[8] Arpanaei, A., Fu, Q., and Singh, T., 2024. Nanotechnology approaches towards biodeterioration-resistant wood: A review. Journal of Bioresources and Bioproducts, 9: 3-26.
[9] Kamel, S., 2007. Nanotechnology and its applications in lignocellulosic composites, a mini review. Express Polymer Letters, 1(9): 546-575.
[10] Douglas, J., Gardner, a., Gloria, S., Oporto, a., Ryan Mills, a., and Ahmed Said Azizi, S., 2008. Adhesion and Surface Issues in Cellulose and Nanocellulose. Journal of Adhesion Science and Technology, 22: 545–567.
[11] Maaloul, N., Ben Arfi, R., Rendueles, M., Ghorbal, A., and Diaz, M., 2017. Dialysis-free extraction and characterization of cellulose crystals from almond (Prunus dulcis) shells. Journal of Materials and Environmental Sciences, Volume 8, Issue 11, Page 4171-4181.
[12] Rao, A., Divoux, T., Owens, C. E., and Hart, A. J., 2022. Printable, castable, nanocrystalline cellulose-epoxy composites exhibiting hierarchical nacre-like toughening. Cellulose, Volume 29: 2387-2398.
[13] Trache, D., Thakur, V. K., and Boukherroub, R., 2020. Cellulose nanocrystals/graphene hybrids - A promising new class of materials for advanced applications. Nanomaterials, 10 (8) 1523: 1-34.
[14] Moodley, K.G., Arumugam, V., and Barhoum, A. 2022. Nanocellulose-Based Materials for Wastewater Treatment. In: Barhoum, A. (eds) Handbook of Nanocelluloses. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-89621-8_48.
[15] Trache, D., Tarchoun, A. F., Derradji, M., Hamidon, T. Sh., Masruchin, N., Brosse, N., and Hussin M. H., 2020. Nanocellulose: From Fundamentals to Advanced Applications. Frontiers in Chemistry, 2020, 8, pp.392: 1-33.
[16] Salajkova, M., 2012 Nanocelluloses-surface modification and use in functional materials, Licentiate Thesis, KTH- Stockholm, Sweden.
[17] Balat, M., Balat, H., and Oz, C., 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34(5): 551-573.
[18] Noushirvani, N., Ghanbarzadeh, B., and Entezami, A., 2012. Effect of cellulose nanocrystal and polyvinyl alcohol on the physical properties of starch based bionanocomposite films. Iranian J Nutr Sci Food Technol, 7(1): 63-74.
[19] Moran, J. I., Alvarez, V. A., Cyras, V. P., and Vazquez, A., 2008. Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers, Cellulose, 15(1): 149-159.
[20] Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., and Youngblood, J., 2011. Cellulose Nanomaterials Review: Structure, Properties and Nanocomposites. Chemical Society Reviews, 40, 3941-3994.
[21] Cross, L., Schueneman, G., Mintz, E., Shanhong, Xu. Girouard, N., Shofner, M., and Meredith, C., 2013. Nanocellulose Reinforced Epoxy Elastomer.
[22] Hongzhang, Chen. 2014. Biotechnology of Lignocellulose: Theory and Practice, ISBN: 978-7-122-18975-2 Chemical Industry Press, Institute of Process Engineering, And CAS. Beijing. China.
[23] Enayati, A.A., 2006. Physics of Wood, Tehran University Press, 1th Edition: 293 pp.
[24] Ciolacu, D., Ciolacu, F., and Popa, V. I., 2011. Amorphous Cellulose-Structure and Characterization. Cellulose Chemistry and Technology, 45 (1-2), 13-21.
[25] Jusic, J., Tamantini, S., Romagnoli, M., Vinciguerra, V., Di Mattia, E., Zikeli, F., Cavalera, M., and Scarascia Mugnozza, G., 2021. Improving, sustainability in wood coating: Testing lignin and cellulose nanocrystals as additives to commercial acrylic wood coatings for bio-building. Iforest—Biogeosciences For. 14, 499–507.
[26] Marini, F., Zikeli, F., Corona, P., Vinciguerra, V., Manetti, M., Portoghesi, L., Mugnozza, G., and Romagnoli, M., 2020. Impact of Bio-Based (Tannins) and Nano-Scale (CNC) Additives on Bonding Properties of Synthetic Adhesives (PVAc and MUF) Using Chestnut Wood from Young Coppice Stands. Nanomaterials, 10, 956.
[27] Yi, J., Chen, Y., Liu, J., Yin, J., and Wang, J., 2025. Study on variable amplitude fatigue performance of CFRP reinforced glued laminated timber beam. Structures Volume 71, January 2025, 107947.
[28] Haghighi Poshtiri, A., Sepahvand S., Jonoobi, M., Ashori, A., Karimi, A. N., Hasanzadeh Fard, F., Bergamonti, L., Graiff, C., and Palanti, S., 2024. Functionalized cellulose nanocrystals for enhanced wood protection: Synthesis, characterization, and performance. Industrial Crops & Products 222, 120021: 1-20.
[29] Cao, X., Chen, Y., Chang, P.R., Muir, A.D., and Falk, G., 2008a: Starch-based nanocomposites reinforced with flax cellulose nanocrystals. Express Polym Lett 2:502–510.
[30] Cao, X., Chen, Y., Chang, P.R., Stumborg, M., and Huneault, M.A., 2008b: Green composites reinforced with hemp nanocrystals in plasticized starch. J Appl Polym Sci 109:3804–3810.
[31] Chen, Y., Liu, C., Chang, P.R., Anderson, D.P., Huneault, and M.A., 2009a. Pea starch-based composite films with pea hull fibers and pea hull fiber-derived nanowhiskers. Polymer Engineering Sconce 49.369–378.
[32] Chen, Y., Liu, C., Chang, P.R., and Cao, X., and Anderson, D.P., 2009b. Bio nanocomposites based on pea starch and cellulose nanowhiskers hydrolyzed from pea hull fiber. effect of hydrolysis time. Carbohydr Polymer, 76.607–615.
[33] García, N.L., Famá, L., Dufresne, A., Aranguren, A., and Goyanes, S., 2009a. A comparison between the physico-chemical properties of tuber and cereal starches. Food Res Int 42.976– 982.
[34] García, N.L., Ribba, L., Dufresne, A., Aranguren, M., and Goyanes, S., 2009b. Physico mechanical properties of biodegradable starch nanocomposites. Macromol Mater Engineering, 294.169–177.
[35] Zeng, X., Xu, G., GAO, Y., and An, Y., 2010. Surface wettability of (3-aminopropyl) triethoxysilane self-assembled monolayers. J. Phys. Chem. B, 115, 450–454.
[37] Liu, X., Dong, H., and Hou, H., 2015. Optimization of Preparation of Cellulose Nanocrystals from Peanut Shells Using Response Surface Methodology, Advance Journal of Food Science and Technology 7(6). 466-473.
[38] Bondeson, D., Mathew, A. and Oksman, K., 2006. Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis. Cellulose, 13(2). 171 -180.
[39] Habibi, Y. and Vignon, M.R., 2008. Optimization of cellouronic acid synthesis by TEMPO-mediated oxidation of cellulose III from sugar beet pulp. Cellulose, 15(1). 177-185.
[40] Agarwal, U.P., Reiner, R.S., and Ralph, S.A., 2010. Cellulose I crystallinity determination using FT–Raman spectroscopy. univariate and multivariate methods. Cellulose 17, 721–73.
[41] Motaung, T. E., and Mtibe, A., 2015. Alkali Treatment and Cellulose Nanowhiskers Extracted from Maize Stalk Residues, Materials Sciences and Applications, 6, 1022-1032.
[42] Bae, S.C., Lee, H., Lin, Z., and Granick, S., 2005. Chemical imaging in a surface forces apparatus. confocal Raman spectroscopy of confined poly (dimethylsiloxane). Langmuir 21(13), 5685–5688.
[43] Deng, Y., Handoko, A.D., Du, Y., Xi, Sh., and Yeo, B. S., 2016. In situ Raman spectroscopy of copper and copper oxide surfaces during electrochemical oxygen evolution reaction. identification of CuIII
oxides as catalytically active species. ACS Catal. 6 (4), 2473–2481.
[44] Cusco, R., Alarc´on-Llad´o, E., Ib´a˜nez, J., Artús, L., Jiménez, J., Buguo Wang, and Callahan, M., 2007. Temperature dependence of Raman scattering in ZnO. Physics, Materials Science Physical Review B 75 (16), 165202.
[45] Zhong, W.L., Zhang, Y.H., Fan, L.F., and Li, P.F., 2022. Effect of PDMS content on waterproofing and mechanical properties of geopolymer composites. Ceramics International, Volume 48, Issue 18. 26248-26257.
[46] Kose, C., Kandemir, M., Kizil, S., Bayraktaroglu, S., and Sonmez, H. B., 2024. Facile preparation of hydrophobic polydimethylsiloxane based reusable oil-absorbents for effective oil/water separation. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Volume 135. 324-333.
[47] Santiagoa, A.A.G., Gondima, J.G.S., Tranquilina, R.L., Silvab, F.S., Fernandezb, F.F., Costaa, M.C.B., Mottaa, F.V., and Bomio, M.R.D., 2020. Development of ZnO/PDMS nanocomposite with photocatalytic/hydrophobic multifunction. Chemical Physics Letters, 740, 137051. 1-7.
[48] Tamantini, S., Bergamasco, S., Zikeli, F., Humar, M., Cavalera, M., and Romagnoli, M., 2023. Cellulose Nano Crystals (CNC) as Additive for a Bio-Based Waterborne Acrylic Wood Coating. Decay, Artificial Weathering, Physical and Chemical Tests. Nanomaterials, 13, 442. 1-22.
[49] Lu, P., and Hsieh, Y. L., 2009. Cellulose nanocrystal-filled poly (acrylic acid) nanocomposite fibrous membranes. Nanotechnology, 20, 415604.
[50] Matsunaga, H., Kiguchi, M., and Evans, P. 2009. Microdistribution of coppercarbonate and iron oxide nanoparticles in treated wood. Journal of Nanoparticle Research. 11. 1087–1098.
[51] Hassan, M.L., Fadel, S.M., and Hassan, E.A., 2018. Acrylate/Nanofibrillated Cellulose Nanocomposites and Their Use for Paper Coating. J. Nanomater. 4953834.
[52] Law K.Y., 2014. Definitions for Hydrophilicity, Hydrophobicity, and Superhydrophobicity. Getting the Basics Right. The Journal of Physical Chemistry Letters, Vol 5, Issue 4. 686-688.
[53] Gavrilovic-Grmusa, I., Djiporovic-Momcilovic, M., Popovic, M., Popovic, J., and Medved, S., 2013. Wetting Properties of Beech, Fir and Poplar Interacting with Different Molar-Mass Urea-Formaldehyde Resins, Pro Ligno, 9 (4).133-143.