مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

سنتز سبز نانوذرات اکسید روی اصلاح‌شده با سیلان برای ساخت پوشش‌های فوق‌آب‌گریز و دارای پایداری حرارتی بر روی چوب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه آموزشی شیمی دریا، دانشکده علوم دریایی و محیطی، دانشگاه مازندران
2 گروه آموزشی شیمی دریا، دانشکده علوم دریایی و محیطی، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران
10.22034/ijwp.2026.2082600.1757
چکیده
بیان مساله و اهداف
چوب به‌عنوان یک ماده زیستی تجدیدپذیر، به‌دلیل ویژگی‌هایی مانند استحکام مناسب، فرآوری آسان، عایق بودن حرارتی و سازگاری با محیط‌زیست، کاربرد گسترده‌ای در صنایع ساختمانی، دریایی و مبلمان دارد. با این حال، ماهیت آب‌دوست و ساختار متخلخل آن سبب کاهش دوام در برابر رطوبت، تخریب زیستی و عوامل محیطی می‌شود. نفوذ آب به ساختار چوب می‌تواند منجر به افت خواص مکانیکی، کاهش پایداری ابعادی و کاهش عمر مفید آن گردد .از سوی دیگر، چرخه‌های تر و خشک شدن مکرر می‌تواند تنش‌های داخلی ایجاد کرده و تخریب تدریجی سطح چوب را تشدید نماید. بنابراین، توسعه پوشش‌های حفاظتی پایدار و سازگار با محیط‌زیست برای بهبود دوام چوب اهمیت زیادی دارد. در این پژوهش، هدف سنتز سبز نانوذرات اکسید روی (ZnO) با استفاده از عصاره پوست پرتقال و به‌کارگیری آن‌ها در اصلاح سطح چوب به‌همراه عامل‌دارسازی سیلانی جهت ایجاد پوششی فوق‌آب‌گریز و دارای پایداری حرارتی بالا بود.
مواد و روش‌ها
نانوذرات اکسید روی به روش سنتز سبز و با استفاده از عصاره پوست پرتقال به‌عنوان عامل کاهنده و پایدارکننده تهیه شدند. پوشش‌دهی چوب در دو مرحله انجام شد: ابتدا نانوذرات ZnO بر سطح چوب لایه‌نشانی گردیدند و سپس نمونه‌ها با محلول سیلان عامل‌دار شدند تا پیوند بین پوشش و بستر چوب تقویت شود. به‌منظور بررسی ساختار شیمیایی و تأیید تشکیل نانوذرات، آزمون‌های طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و پراش پرتو ایکس (XRD) انجام شد. ریزساختار و توزیع نانوذرات بر سطح چوب با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) ارزیابی گردید. پایداری حرارتی نمونه‌ها به کمک آنالیز گرماوزنی (TGA/DTG) بررسی شد و خاصیت آب‌گریزی سطح با اندازه‌گیری زاویه تماس آب مورد سنجش قرار گرفت.
نتایج
نتایج FTIR و XRD نشان‌دهنده تشکیل موفق نانوذرات ZnO و حضور گروه‌های عاملی سیلانی بر سطح چوب بود. تصاویر FESEM توزیع یکنواخت نانوذرات را بر روی سطح چوب تأیید کردند. آزمون‌های TGA/DTG نشان داد که نمونه‌های تیمارشده نسبت به چوب کنترل، پایداری حرارتی بالاتری دارند. همچنین، اندازه‌گیری زاویه تماس بیانگر افزایش قابل توجه خاصیت آب‌گریزی در نمونه‌های اصلاح‌شده بود که نشان‌دهنده ایجاد سطحی با انرژی سطحی پایین و ساختار زبر در مقیاس نانو است.
نتیجه‌گیری
اصلاح سطح چوب با استفاده از نانوذرات ZnO سنتزشده به روش سبز و عامل‌دارسازی سیلانی منجر به بهبود قابل توجه خواص حفاظتی چوب شد. این فرآیند موجب افزایش آب‌گریزی و ارتقای پایداری حرارتی گردید و عملکرد پوشش ایجادشده را به‌طور مؤثری بهبود بخشید. روش ارائه‌شده می‌تواند به‌عنوان رویکردی سازگار با محیط‌زیست و کارآمد برای افزایش دوام چوب در کاربردهای صنعتی مختلف مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Sandberg, D., Kutnar, A. and Mantanis, G. 2017. Wood modification technologies – a review. iForest, 10(6), pp.895–908.
[2] Gao, X., Wang, M. and He, Z., 2023. Superhydrophobic wood surfaces: Recent developments and future perspectives. Coatings, 13(5), 877.
[3] Bansal, R., Barshilia, H.C. and Pandey, K.K. 2024. Nanotechnology in wood science: Innovations and applications. International Journal of Biological Macromolecules, 262(Part 2), 130025.
[4] Wei, X. and Niu, X. 2023. Recent advances in superhydrophobic surfaces and applications on wood. Polymers, 15(7), 1682.
[5] Bi, W., Li, H., Hui, D., Gaff, M., Lorenzo, R., Corbi, I., Corbi, O. and Ashraf, M., 2021. Effects of chemical modification and nanotechnology on wood properties. Nanotechnology Reviews, 10(1), pp.978–1008.
[6] He, Y., Li, Y., Li, Q., Xiao, W. and Xie, G. 2025. Research progress of nanotechnology on efficient and green technologies for wood preservation: A review. Journal of Renewable Materials, 13(4), pp.699–718.
[7] Feng, B., Zhang, S., Wang, D., Li, Y., Zheng, P., Gao, L., Huo, D., Cheng, L., and Wei, Sh. 2022. Study on antibacterial wood coatings with soybean protein isolate nano-silver hydrosol. Progress in Organic Coatings, 165, 106766.
[8] Porwal, P., Taghiyari, H.R. and Husen, A., 2022. Use of nanomaterials in the forest industry. In: Husen, A. and Siddiqi, K.S., eds. Advances in Smart Nanomaterials and Their Applications. Elsevier, pp.469–487.
[9] Wang, X., Summers, C.J. and Wang, Z.L. 2004. Large-scale hexagonal-patterned growth of aligned zinc oxide nanorods for nano-optoelectronics and nanosensor arrays. Nano Letters, 4(3), pp.423–426.
[10] Sun, Q., Lu, Y., Zhang, H., Yang, D., Wang, Y. and Xu, J. 2012. Improved UV resistance in wood through the hydrothermal growth of highly ordered ZnO nanorod arrays. Journal of Materials Science, 47, pp.4457–4462.
[11] Wang, C., Piao, C. and Lucas, C. 2011. Synthesis and characterization of superhydrophobic wood surfaces. Journal of Applied Polymer Science, 119(3), pp.1667–1672.
[12] Sun, Q., Lu, Y., Yang, D., Li, J. and Liu, Y. 2014. Preliminary observations of hydrothermal growth of nanomaterials on wood surfaces. Wood Science and Technology, 48, pp.51–58.
[13] Dey, S., Mohanty, D.L., Divya, N., Bakshi, V., Mohanty, A., Rath, D., Das, S., Mondal, A., Roy, S. and Sabui, R. 2025. A critical review on zinc oxide nanoparticles: Synthesis, properties and biomedical applications. Intelligent Pharmacy, 3(1), pp.53–70.
[14] Aigbe, U.O. and Osibote, O.A. 2024. Green synthesis of metal oxide nanoparticles, and their various applications. Journal of Hazardous Materials Advances, 13, 100401.
[15] Al-darwesh, M.Y., Ibrahim, S.S. and Mohammed, A.A. 2024. A review on plant extract mediated green synthesis of zinc oxide nanoparticles and their biomedical applications. Results in Chemistry, 7, 101368.
[16] Mutukwa, D., Taziwa, R.T., and Khotseng, L. 2024. A review of plant-mediated ZnO nanoparticles for photodegradation and antibacterial applications. Nanomaterials, 14(14), 1182.
[17] Radulescu, D.-M., Surdu, V.-A., Ficai, A., Ficai, D., Grumezescu, A.-M. and Andronescu, E. 2023. Green synthesis of metal and metal oxide nanoparticles: A review of the principles and biomedical applications. International Journal of Molecular Sciences, 24(20), 15397.
[18] Singh, J., Dutta, T., Kim, K.H., Rawat, M., Samddar, P., Kumar, P. 2018. ‘Green’ synthesis of metals and their oxide nanoparticles: Applications for environmental remediation. Journal of Nanobiotechnology, 16(1), 84.
[19] Joel, C. and Badhusha, M.S. 2016. Green synthesis of ZnO nanoparticles using Phyllanthus embilica stem extract and their antibacterial activity. Der Pharmacia Lettre, 8(11), pp.6–11.
[20] Reeks, J.M., Ali, I., Moss, W.J., Davis, E., McGillivray, S.M. and Strzhemechny, Y.M. 2021. Microscale ZnO with controllable crystal morphology as a platform to study antibacterial action on Staphylococcus aureus. Biointerphases, 16(3), 031003.
[21] Chen, S.C. and Wei, D.H. 2022. Controlling surface wettability and plasmonic resonance of Au/ZnO heterostructured films. Journal of Composites Science, 6(11), 328.
[22] Nguyen-Tri, P., Tran, H.N., Plamondon, C.O., Tuduri, L., Vo, D.V.N., Nanda, S., Mishra, A., Chao, H.P., and Bajpai, A.K. 2019. Recent progress in the preparation, properties and applications of superhydrophobic nano-based coatings and surfaces: A review. Progress in Organic Coatings, 132, pp.235–256.
[23] Bao, W., Deng, Z., Zhang, S., Ji, Z. and Zhang, H. 2019. Next-generation composite coating system: Nanocoating. Frontiers in Materials, 6, 72.
[24] Donath, S., Militz, H. and Mai, C. 2004. Wood modification with alkoxysilanes. Wood Science and Technology, 38(7), pp.555–566.
[25] Liu, H., Zhou, T., Sun, X. and Zong, G. 2023. Organosilane-modified wood materials: A review of research and applications. BioResources, 18(3), pp.6561–6582.
[26] Shateri-Khalilabad, M. and Yazdanshenas, M.E. 2013. One-pot sonochemical synthesis of superhydrophobic organic-inorganic hybrid coatings on cotton cellulose. Cellulose, 20(6), pp.3039–3051.
[27] ASTM International, 2020. ASTM D143-Standard test methods for small clear specimens of timber. ASTM International, West Conshohocken, PA, USA.
[28] International organization for standardization (ISO), 2014. ISO 13061: Physical and mechanical properties of wood — Test Methods. ISO, Geneva, Switzerland.
[29] Thi, T.U., Nguyen, T.T., Thi, Y.D., Thi, K.H., Phan, B.T. and Pham, K.N. 2020. Green synthesis of ZnO nanoparticles using orange fruit peel extract for antibacterial activities. RSC Advances, 10(40), pp.23899–23907.
[30] Fan, Sh., Jiang, S., Wang, Z., Liang, P., Fan, W., Zhou, K., and Xu, G. 2022. Fabrication of durable superhydrophobic surface for versatile oil/water separation based on HDTMS modified PPy/ZnO. Nanomaterials, 12(14), 2510.
[31] Arefi, M.R. and Rezaei-Zarchi, S. 2012. Synthesis of zinc oxide nanoparticles and their effect on the compressive strength and setting time of self-compacted concrete paste as cementitious composites. International Journal of Molecular Sciences, 13(4), pp.4340–4350.
[32] Yıldırım, Ö.A. and Durucan, C. 2010. Synthesis of zinc oxide nanoparticles elaborated by microemulsion method. Journal of Alloys and Compounds, 506(2), pp.944–949.
[33] Timar, M.C., Varodi, A. and Hacibektasoglu, M. 2016. Color and FTIR analysis of chemical changes in beech wood (Fagus sylvatica L.) after light steaming and heat treatment in two different environments. BioResources, 11(4), pp.8325–8343.
[34] Fu, Y., Yu, H., Sun, Q., Li, G. and Liu, Y. 2012. Testing of the superhydrophobicity of a zinc oxide nanorod array coating on wood surface prepared by hydrothermal treatment. Holzforschung, 66(6), pp.739–744.
 
[35] Jnido, G., Ohms, G. and Viöl, W., 2021. Deposition of zinc oxide coatings on wood surfaces using the solution precursor plasma spraying process. Coatings, 11(2), 183.
[36] Cui, W., Zhang, N., Xu, M. and Cai, L. 2017. Combined effects of ZnO particle deposition and heat treatment on dimensional stability and mechanical properties of poplar wood. Scientific Reports, 7(1), 9961.
[37] Wang, X., Chai, Y. and Liu, J. 2013. Formation of highly hydrophobic wood surfaces using silica nanoparticles modified with long-chain alkylsilane. Holzforschung, 67(6), pp.667–672.
[38] Miedzianowska, J., Masłowski, M., Rybiński, P. and Strzelec, K. 2020. Properties of chemically modified (selected silanes) lignocellulosic filler and its application in natural rubber biocomposites. Materials, 13, p.4163.
[39] Ye, X., Wang, H., Zheng, K., Wu, Z., Zhou, H., Tian, K., Su, Zh., and Tian, X. 2016. The interface designing and reinforced features of wood fiber/polypropylene composites: Wood fiber adopting nano‑zinc‑oxide‑coating via ion assembly. Composites Science and Technology, 124, pp.1–9.
[40] Mastouri, A., Efhamisisi, D., Tarmian, A., Esposito Corcione, C. and Gholinejad Pirbazari, A. 2025. Silanes for conservation of archaeological woods using modeled birch wood: antifungal, physical-chemical and TGA studies. Scientific Reports, 15, 28815.
[41] Zhan, W., Li, K., Liang, Z., Bu, Y., Sun, Z., Jiang, C., Zhang, J., and Ren, Sh. 2024. Thermal conversion studies of lignin pyrolysis and the catalytic effect of Fe: A reactive molecular dynamics study. Journal of Energy Institute, 117, 101795.
[42] Castaldo, A., Gambale, E. and Vitiello, G. 2021. Zinc silicate thin film composites obtained by a sputtering-based approach: structural, dielectric and photovoltaic properties. Journal of Energy Power Technology, 3(2), 2.
[43] Prakash, S., Xi, E. and Patel, A.J. 2016. Spontaneous recovery of superhydrophobicity on nanotextured surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 113, pp.5508–551.