بررسی ترکیب فورفورال - اوره برای بهبود ویژگی‌های فیزیکی مکانیکی چوب توس

سابقه و هدف: اشباع چوب با انواع تک‌پار و تبدیل آن به یک بسپار غیرقابل آبشویی موجب دست‌یابی به یک محصول جدید به نام چوب‌بسپار می‌شود. ترکیبات فورانی مانند الکل فورفوریل به طور تجاری برای اصلاح چوب و ساخت چوب‌بسپار استفاده می‌شوند. چوب با الکل فورفوریل اشباع شده و سپس با حرارت‌دهی تبدیل به پلی‌الکل فورفوریل می‌شود. در ایران مقدار زیادی فورفورال از ضایعات ساقه نیشکر تولید می‌شود که در واقع ماده اولیه ساخت الکل فورفوریل است. فورفورال مانند الکل فورفوریل به تنهایی قابلیت تبدیل به بسپار را ندارد، اما این ماده یک آلدهید است و می‌تواند با اوره واکنش داده و ساختار پلیمری تشکیل دهد. در این مطالعه امکان بهبود ویژگی‌های فیزیکی مکانیکی چوب توس با استفاده از ترکیب فورفورال+اوره و یک کاتالیزور اسیدی (انیدرید مالئیک) بررسی شد. مواد و روش‌ها: چوب توس (betula sp.) وارداتی از کشور روسیه برای انجام مطالعات استفاده شد. ترکیب فورفورال+اوره/ انیدرید مالئیک به صورت تیمار دو مرحله‌ای و با استفاده ار روش خلاء/فشار به چوب تزریق شد، مرحله اول: فورفورال رقیق شده در آب و متانول، مرحله دوم: محلول آبی اوره/ انیدرید مالئیک. همچنین برای مقایسه نتایج از فرمول تجاری‌سازی شده بر پایه الکل فورفوریل نیز برای اشباع و تیمار چوب استفاده شد. برای پخت مواد و تبدیل آنها به بسپار، چوب‌های اشباع شده حرارتی‌دهی شدند. ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی نمونه‌ها طبق روش‌ها و استانداردهای سری iso 13061 اندازه‌گیری و گزارش شد. یافته‌ها: نسبت موجود بین فورفورال+اوره/ انیدرید مالئیک مناسب بوده و به طور میانگین 8060 درصد ترکیبات طی فرآیند پخت رزین تبدیل به بسپار شدند. نرخ آّبشویی مواد از چوب در حدود 4 درصد بود که قابل مقایسه با فرمول تجاری بر پایه الکل فورفوریل است. مقادیر افزایش وزن نمونه‌ها (wpg) با توجه به غلظت فورفورال از 27 تا 57 درصد متفاوت بود. با وجود اثر حجیم کنندگی، چگالی نمونه‌ها پس از تیمار افزایش محسوس داشت. نتایج اندازه‌گیری جذب آب نمونه‌ها پس از غوطه‌وری در آب نشان داد که میزان جذب آب بستگی به مقدار wpg دارد و با افزایش آن کاهش می‌یابد. واکشیدگی ابعاد نمونه‌های تیمار شده با ترکیب فورفورال+اوره/انیدرید مالئیک نیز با افزایش wpg کاهش یافت، اما کمترین مقدار واکشیدگی ابعاد مربوط به تیمار الکل فورفوریل بود. بررسی مقاومت‌های مکانیکی نشان داد که تیمار چوب با ترکیب فورفورال+اوره/ انیدرید مالئیک باعث کاهش مقاومت به سختی و مقاومت به ضربه چوب می‌شود، در حالی‌که مقاومت‌های استاتیکی مانند مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته و فشار موازی الیاف افزایش یافتند. تیمار با الکل فورفوریل نیز موجب کاهش مقاومت به ضربه چوب شد. نتیجه‌گیری: تیمار چوب با ترکیب فورفورال+اوره/انیدرید مالئیک بویژه در مقادیر wpg بالا پتانسیل خوبی برای بهبود اغلب ویژگیهای چوب را دارد. اسیدیته بالای محلول‌های اشباع بر پایه فورفورال یکی از مواردی است که نیاز به مطالعات تکمیلی دارد. در صورت استفاده از ph قلیایی گیرائی رزین دچار اختلال شده و نرخ آبشویی مواد افزایش می‌یابد. از طرفی دیگر ph اسیدی نیز اثر تخریبی بر روی چوب دارد.

Evaluation of Furfural/Urea complexes to improve physicomechanical properties of birch wood

Background and objectives: Impregnation of wood with different monomers and their conversion to the unleachable 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 physicomechanical 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 physicomechanical 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.