اثر پیش‌تیمار لیگنین‌زدایی بر ویژگی‌های مکانیکی چوب صنوبر فشرده

سابقه و هدف: در تحقیق حاضر از روش اصلاحی تلفیق اشباع و فشرده‌سازی برای بهبود ویژگی‌های مکانیکی چوب تند‌رشد صنوبر با هدف توسعه کاربرد آن در مصارف سازه‌ای و نیمه سازه‌ای استفاده شد. تحقیقات اخیر نشان‌ داد که خروج بخشی از لیگنین پیش از فشرده‌سازی موجب افزایش تراکم‌پذیری و تشکیل پیوندهای هیدروژنی حین فشرده‌سازی و بهبود قابل‌ ملاحظه ویژگی‌های مکانیکی می‌گردد. مواد و روش‌ها: قطعات چوب صنوبر با حلال آلی گلیسرول لیگنین‌زدایی شدند. یک سطح از نمونه‌های لیگنین‌زدایی شده، پس از شستشو فشرده شدند و سطح دیگر پس از شستشو با محلول گلیسرولمالئیک‌انیدرید، اشباع سطحی شده و سپس فشرده شدند تا حین پرس، پلیمر شدن گلیسرولمالئیک‌انیدرید بین الیاف سلولزی سبب بهبود مضاعف مقاومت چوب فشرده گردد. در سطح دیگر، به منظور مقایسه روش لیگنین‌زدایی و اشباع، با تیمار گرمایی، قطعات پیش از فشرده‌سازی تحت تیمار آب گرمایی در شرایط دما و فشار مشابه شرایط لیگنین‌زدایی، قرار گرفته و سپس فشرده شدند. میزان فشردگی در هر سه سطح 80 درصد در نظر گرفته شد. به‌منظور بررسی تغییرات ریزساختاری چوب در سطوح شاهد و اصلاح شده، تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه گردید. همچنین به منظور بررسی اثر سطوح مختلف اصلاح بر خواص مکانیکی، آزمون‌های فشار و کشش موازی الیاف، خمش استاتیک، سختی و ضربه انجام شد.یافته‌ها: میزان خروج لیگنین در نمونه‌های لیگنین‌زدایی شده 55 درصد بود و پس از اشباع، 5/7 درصد افزایش وزن داشت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نمونه‌های آب‌گرمایی فشرده نشان‌دهنده بسته شدن حفرات سلولی و پر شدن آنها با ماده دیواره سلولی بود که به دلیل افزایش شکنندگی دیواره سلولی، ترک‌هایی حین فشرده‌سازی ایجاد گردید. در نمونه لیگنین‌زداییفشرده‌شده حفرات زیادی در هر دو مقطع عرضی و مماسی مشاهده شد که احتمالا به دلیل بازگشت فشردگی پس از پرس می‌باشد. در نمونه لیگنین‌زداییاشباعفشرده‌، حفرات با پلی‌استر حاصل از واکنش گلیسرولمالئیک‌انیدرید پر شدند. مقاومت کششی نمونه لیگنین‌زداییفشرده به دلیل برقراری پیوند هیدروژنی بین واحدهای سلولزی، بیشتر از نمونه آب‌گرماییفشرده بود و اشباع با ترکیب گلیسرولمالئیک‌انیدرید به دلیل برقراری پیوند استری بین واحدهای سلولزی، به افزایش بیشتر مقاومت ‌کششی منجر گردید. بیشترین مقدار مدول کششی و فشاری مربوط به نمونه آب‌گرمایی فشرده شده بود که به واکنش‌های تراکمی لیگنین و افزایش بلورینگی سلولز متعاقب اصلاح گرمایی نسبت داده شد. در نمونه‌های اشباعفشرده به دلیل پر شدن تخلخل و برقراری پیوندهای قوی استری، مدول کششی و فشاری بیشتر از نمونه لیگنین‌زداییفشرده بود. مقاومت خمشی در نمونه اشباعفشرده به دلیل تشکیل پلی‌استر در سطح به میزان قابل ‌ملاحظه‌ای بهبود یافت. بیشترین مدول سختی مربوط به نمونه لیگنین‌زداییاشباعفشرده بود. بیشترین مقاومت به ضربه مربوط به نمونه لیگنین‌زداییفشرده بود و اشباع با ترکیب گلیسرولمالئیک‌انیدرید موجب کاهش مقاومت به ضربه شد که البته بیشتر از نمونه آب‌گرماییفشرده و نمونه شاهد بود.نتیجه‌گیری: نتایج آزمون‌های مکانیکی حاکی از کارآمدی تلفیق لیگنین‌زداییاشباعفشرده‌سازی بر بهبود مقاومت ویژه کششی، فشاری و سختی در مقایسه با شاهد بود. مقاومت ویژه ضربه نمونه لیگنین‌زداییفشرده بیشتر از نمونه شاهد و در دو سطح دیگر کمتر از نمونه شاهد بود که به افزایش تغییرشکل پذیری دیواره سلولی نسبت داده شد. مقاومت ویژه خمشی، بر خلاف مقاومت خمشی، در نمونه لیگنین‌زداییاشباعفشرده نیز کمتر از نمونه شاهد بود که علت را می‌توان به متاثر بودن مقاومت خمشی از مقاومت سطح نمونه نسبت داد؛ فشرده سازی در حجم نمونه، نه فقط در سطح، به مقدار زیاد (80 درصد) انجام شده است، بنابراین علی‌رغم بیشتر بودن مقاومت خمشی، نسبت مقاومت ویژه خمشی کاهش یافت.

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

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 semistructural 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 glycerolmaleic 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 delignifieddensified samples, a lot of lumens were observed probably because of set recovery after press. In delignifiedimpregnateddensified samples, the lumens were filled by polyesters formed by reaction of glycerol and maleic anhydride. The tensile strength of delignifieddensified samples were more the hydrothermally treated ones because of hydrogen bond formation between cellulose unites. Impregnation with glycerolmaleic 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 impregnateddensified samples because of filling the lumens and strong ester bond formation, the tensile and compressive modulus was higher than the delignifieddensified samples. The flexural strength of impregnated –densified sampls were considerably increased because of polyester formation in surface. The highest hardness modulus was belonging to delignifiedimpregnateddensified samples. The highest impact strength was related to the delignifieddensified samples and impreganating with glycerolmaleic anhydride led to a little decrease.Conclusion: Results of mechanical tests showed the effectiveness of the combined delignificatonimpregnation densification modifying method on improvement of specific tension, compresiive and hardness strength compared to the control ones. Specific impact strength of delignifieddensified samples was higher than the control and two other levels attributed to higher ductility. Unlike flexural strength, the specific flexural strength of delignifiedimpregnateddensified 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.