مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی اثر نوع گونه چوبی بر خواص نوری کامپوزیت چوبی شفاف با ماتریس پلیمری پلی‌وینیل الکل و اپوکسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
10.22034/ijwp.2025.2068027.1719
چکیده
بیان مساله و اهداف: چوب از دیرباز به عنوان مصالح ساختمانی به کار می‌رود. در سال‌های اخیر، محصولات چوبی مختلف با تأکید بر خواص زیبایی‌شناختی آن، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده‌ است. کامپوزیت چوبی شفاف که در صنعت با عنوان چوب شفاف شناخته می‌شود یکی از این محصولات است. چوب شفاف ماده نوری نوظهوری است که خواصی مانند کدری و عبور نور بالا را با کاربردهای ساختمانی ترکیب می‌کند. کامپوزیت‌های چوبی شفاف، با لیگنین‌زدایی‌ یا غیرفعال‌سازی رنگساز‌های لیگنین چوب و نفوذ دادن پلیمری با ضریب شکست برابر یا مشابه سلولز درون چوب تولید می‌شوند. این محصول، عملکرد مکانیکی را با قابلیت‌های نوری ترکیب می‌کند و کاندیدای جدید برای مصارفی نظیر ساختمان‌های هوشمند، ابزارهای نوری و فوتونیکی است. این تحقیق، روش‌های آماده‌سازی چوب شفاف و عملکرد نوری را بررسی می‌کند و کاربردهای بالقوه آن را مورد بحث قرار می‌دهد.
مواد و روش‌ها: در تحقیق حاضر دو گونه راش و افرا پس از لیگنین‌زدایی برای ساخت کامپوزیت چوبی شفاف استفاده شدند. لیگنین‌زدایی روکش‌های چوبی با کمک کلریت سدیم (2NaClO) در pH 6/4 انجام شد. نمونه‌های لیگنین‌زدایی شده تحت شرایط خلا با رزین‌های اپوکسی (E) و پلی‌وینیل الکل (PVA) اشباع شدند. پلیمریزاسیون رزین PVA در دمای C˚40 درون آون و رزین اپوکسی در دمای محیط انجام شد. کامپوزیت چوبی شفاف برای بررسی خواص نوری بر اساس استاندارد 21-1003 ASTMمورد بررسی و آزمون قرار گرفتند. روکش‌های چوبی، روکش‌های لیگنین‌زدایی شده و پلیمرهای شفاف از رزین‌های اپوکسی و پلی وینیل الکل برای مقایسه به عنوان نمونه‌های شاهد در نظر گرفته شدند. در این تحقیق مقادیر عبور نور به عنوان فاکتور تعیین کننده شفافیت و کدری کامپوزیت‌های چوبی شفاف مورد بررسی قرار گرفتند. سه تکرار برای هر نمونه اندازه‌گیری شده و میانگین مقادیر به دست آمده با هم مقایسه شدند.
نتایج: آزمون‌های نوری انجام شده بر روی آزمونه‌های شاهد نشان داد روکش‌های چوبی نور را از خود عبور نداده و فاقد خاصیت کدری نوری هستند. آزمونه‌های لیگنین‌زدایی شده‌ی هر دوگونه‌ نیز با وجود تغییر رنگ بارز فاقد ویژگی‌های شفافیت نوری بودند. از این رو به دلیل عدم شفافیت کامل از آزمونه‌های مذکور هیچ مقدار قابل گزارشی به دست نیامد. نتایج نشان داد بر خلاف چوب ماسیو و روکش‌های لیگنین‌زدایی شده‌ی آن، کامپوزیت شفاف تولید شده دارای شفافیت نوری مناسب بوده و نور را از خود عبور می‌دهند. آزمون‌های نوری نشان داد کامپوزیت چوبی شفاف علاوه بر عبور نور دارای کدری بالاتری نسبت به پلیمرهای شفاف بودند. عبور نور در چوب شفاف حاصل از گونه راش با رزین اپوکسی و پلی وینیل الکل به ترتیب 43/17% و 85/7% کاهش یافت. کدری چوب شفاف حاصل از گونه چوبی راش مناسب‌تر بود و تا 671% افزایش یافت. مقادیر عبور نور در دوگونه تفاوت چشمگیری نداشت. آزمونه‌های ساخته شده با رزین اپوکسی شفافیت بیشتری نسبت به رزین PVA داشتند. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی پر شدن حفرات و تغییرات دیواره سلولی را پس از لیگنین‎‌زدایی تایید کرد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد امکان تولید کامپوزیت چوبی شفاف فراهم است. کدری بالاتر این فرآورده امکان استفاده از آن در فضاهای قابل تفکیک یا در پنجره‌ها، ضمن فراهم ساختن امکان استفاده از نور خورشید شرایط مناسب برای حفظ حریم خصوصی را هم ایجاد می‌کند. نتایج به دست آمده از هر دو گونه مناسب است و کامپوزیت ساخته شده از رزین اپوکسی ویژگی‌های بهتری نشان داد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Chen, C., Kuang, Y., Zhu, Sh., Burgert, I., Keplinger, T., Gong, A., Li, T., Berglund, L., Eichhorn, S.J. and Hu, L. 2020. Structure–property–function relationships of natural and engineered wood. Nature Reviews Materials, 5(9), 642–666. http://doi.org/10.1038/s41578-020-0195-z
[2] Huang, Y., Chen, Y., Fan, X., Luo, N., Zhou, Sh., Chen, S.C., Zhao, N. and Wong C.P. 2018. Wood derived composites for high sensitivity and wide linear-range pressure sensing. Small, 14(31), 1801520. https://doi.org/10.1002/smll.201801520 
[3] Li, Y., Vasileva, E., Sychugov, I., Popov, S. and Berglund L. 2018. Optically transparent wood: recent progress, opportunities, and challenges. Advanced Optical Materials, 6(14), 1800059. https://doi.org/10.1002/adom.201800059  
[4] Vasileva E., Chen, H., Li, Y., Sychugov, I., Yan, M., Berglund, L. and Popov S. 2018. Light scattering by structurally anisotropic media: a benchmark with transparent wood. Advanced Optical Materials, 6(23), 1800999. https://doi.org/10.1002/adom.201800999
[5] Fink S. 1992. Transparent wood—a new approach in the functional study of wood structure. Holzforschung, 46, 403–408. http://doi.org/10.1515/hfsg.1992.46.5.403
[6] Choy, W.C.H., Chan, W.K. and Yuan, Y. 2014. Recent advances in transition metal complexes and light-management engineering in organic optoelectronic devices. Advanced Materials, 26(31), 5368–5399. https://doi.org/10.1002/adma.201306133 
[7] Jia, C., Chen, C., Mi, R., Li, T., Dai, J., Yang, Z., Pei, Y., He, S., Bian, H., Jang, S.H., Zhu, J.Y. Yang, B. and Hu, L. 2019. Clear wood toward high-performance building materials. ACS Nano, 13(9), 9993-10001. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00089 
[8] Chen, L., Zhang, Y., Wang, H., & Hu, L. (2024).High-performance transparent wood with tunable light transmission for smart windows. Advanced Energy Materials, 14(5), 230–245. http://doi.org/10.1002/aenm.202303456 
[9] Zhou, J., Li, X., & Yu, Y. (2024).Multifunctional transparent wood composites for smart buildings.
Nature Materials, 23(3), 345–358. http://doi.org/10.1038/s41563-024-01815-1 
[10] Zhao, L., Strobach, E., Bhatia, B., Yang, S., Leroy, A., Zhang L. and Wang E. N. 2019. Theoretical and experimental investigation of haze in transparent aerogels. Optics Express, 27(4), 39-50. https://doi.org/10.1364/OE.27.000A39 
[11] Chen, H., Baitenov, A., Li, Y., Vasileva, E., Popov, S., Sychugov, I., Yan, M. and Berglund, L. 2019. Thickness dependence of optical transmittance of transparent wood: chemical modification effects. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(38), 35451–35457. https://doi.org/10.1021/acsami.9b11816  
[12] Chen, H., Montanari, C., Shanker, R., Marcinkevicius, S., Berglund, L.A. and Sychugov, I. 2022. Photon Walk in transparent wood: scattering and absorption in hierarchically structured materials. Advanced Optical Materials, 10(8), 2102732. https://doi.org/10.1002/adom.202102732
[13] Chen, P., Li, Y., Nishiyama, Y., Pingali, S.V., Neill, H.M.O., M. Zhang, Q. and Berglund, L.A. 2021. Small angle neutron scattering shows nanoscale PMMA distribution in transparent wood biocomposites. Nano Letter, 21(7), 2883–2890. https://doi.org/10.1021/acs.nan olett.0c05038
[14] Wu, J., Wu, Y., Yang, F., Tang, C., Huang, Q. and Zhang, J. 2019. Impact of delignification on morphological, optical and mechanical properties of transparent wood. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 117, 324–331. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2018.12.004
[15] Foster, K.E.O., Jones, R., Miyake, G.M., Srubar, W.V. 2021. Mechanics, optics, and thermodynamics of water transport in chemically modified transparent wood composites. Composites Science and Technology, 208, 108737. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108737 
[16] ASTM D1003-21, Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics. ASTM international.
[17] TAPPI. (2002). Acid-insoluble lignin in wood and pulp (T 222 om-02). TAPPI Press.
[18] TAPPI. (2013). Kappa number of pulp (T 236 om-13). TAPPI Press.
[19] Müller, U., Rätzsch, M., Schwanninger, M., Steiner, M., Zöbl, H. 2003. Yellowing and IR-changes of spruce wood as result of UV-irradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 69(2), 97105.
[20] Wang, J., Deng, Y., Qian, Y., Qiu, X., Ren, Y., Yang, D. 2016. Reduction of lignin color via one-step UV irradiation. Green Chemistry, 18, 695699. https://doi.org/10.1039/C5GC02180D
[21] Li, Y., Fu, Q., Yu, Sh., Yan M. and Berglund L. 2016. Optically Transparent Wood from a Nanoporous Cellulosic Template: Combining Functional and Structural Performance. Biomacromolecules, 17,13581364. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00145
[22] Toomre, D., Manstein, D. J. 2001. Lighting up the cell surface with evanescent wave microscopy. Trends in Cell Biology, 11(7), 298 – 303.
 
[23] Heged, G., Sarkadi T. and Czigány T. 2017. Analysis of the Light Transmission Ability of Reinforcing Glass Fibers Used in Polymer Composites. Materials, 10, 637-646 https://doi.org/10.3390/ma10060637
[24] Somesh, T. E., Al-Gunaid, M.Q. A., Madhukar, B. S. and Hatna S. 2019. Photosensitization of optical band gap modified polyvinyl alcohol films with hybrid AgAlO2 nanoparticles. Journal of Materials Science: Materials in Electronics https://doi.org/10.1007/s10854-018-0226-3
[25] Bodîrlău, R., Teacă C. A. and Spiridon I. 2008. Chemical modification of beech wood: Effect on thermal stability. BioResources, 3(3), 789-800 http://doi.org/10.15376/biores.3.3.789-800 
[26] Antczak, A., Michaluszko, A., Klosinska, T. and Drozdzek M. 2013. Determination of the structural substances content in the field maple wood (Acer campestre L.) – comparison of the classical methods with instrumental. Forestry and Wood Technology, 82, 11-17.
[27] Marschner, S. R., Westin, S. H., Arbree, A., and Moon, J. T. 2005. Measuring and modeling the appearance of finished wood. ACM Transactions on Graphics, 24 (3), 727–734. http://doi.org/10.1145/1073204.1073254
[28] Fang, Z. Q., Zhu, H. L., Yuan, Y. B., Ha, D. H., Zhu, S. Z., Preston, C., Chen, Q. X., Li, Y. Y., Han, X. G., Li, S. W., Chen, G., Li, T., Munday, J., Huang, J. S., Hu, L. B. 2014. Novel Nanostructured Paper with Ultrahigh Transparency and Ultrahigh Haze for Solar Cells. Nano Letters, 14(2), 765773. https://doi.org/10.1021/nl404101p
[29] Gan, W., Xiao, S., & Berglund, L. A. (2024). Sustainable transparent wood for eco-friendly photovoltaics.
Joule, 8(2), 410–425. http://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.012
[30] Lare, C. V., Lenzmann, F., Verschuuren, M. A., Polman, A. 2015. Dielectric Scattering Patterns for Efficient Light Trapping in Thin-Film Solar Cells. Nano Letters, 15(8), 48464852. http://doi.org/10.1021/nl5045583