چوب صنوبر سوپرپارامغناطیس فورفوریله: ویژگی‌های ریخت‌شناسی، فیزیکی و مکانیکی

سابقه و هدف: چوب مغناطیسی یکی از فرآورده‌های نانوفناوری چوب است که پتانسیل‌های کاربردی بالایی را در حوزه‌های مختلف صنعتی نشان داده است. چوب سوپرپارامغناطیس فراورده‌ای است که عموماً با سنتز درجای نانوذرات مغناطیسی درون بافت چوب تولید می‌شود. در این میان، چوب گونه‌های تند رشد توجه‌ بیشتری را به خود معطوف نموده‌اند. از سوی دیگر، برخی ویژگی‌های ذاتی چوب، نظیر جذب‌ آب و عدم ثبات ابعادی و نیز آسیب‌پذیری در برابر عوامل مخرب بیولوژیکی و هوازدگی می‌تواند دامنه کاربرد چوب مغناطیسی را به عنوان یک ماده پیشرفته‌ی مهندسی محدود نمایند. این مطالعه با هدف ارزیابی تاثیر تیمار فورفوریلاسیون بر اصلاح رفتارهای فیزیکی و مکانیکی چوب صنوبر سوپرپارامغناطیس تولید شده با روش سنتز درجای نانوذرات مغناطیسی انجام شد. مواد و روش‌ها:سنتز درجای نانوذرات مگنتیت درون چوب صنوبر (populous deltoides)، با استفاده محلول کلریدهای آهن ii و iii، با نسبت مولی 2:1، درون یک سیلندر خلاء/فشار انجام شد. پس از آن، چوب تیمار شده با زهکشی کاتیون‌های آهن و جایگزینی آن با محلول یک مولار هیدروکسید سدیم به چوب مغناطیسی تبدیل شد. پس از شستشوی محلول سود اضافی و خشک کردن، چوب صنوبر مغناطیسی، تحت سیستم خلاء-فشار، با دو غلظت متفاوت از محلول اشباع فورفوریل الکل تیمار و به دنبال انجام تیمارهای حرارتی لازم به چوب-پلیمر تبدیل شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان، پراش پرتوایکس، مغناطیس‌سنجی نمونه ‌ارتعاشی، آزمون خمش استاتیک، و آزمون جذب آب و واکشیدگی ضخامت بلند مدت، جهت ارزیابی رفتار آزمونه‌ها استفاده شد. یافته‌ها:تبدیل چوب صنوبر به چوب مغناطیسی، درصد افزایش وزن حاصل از فرایند فورفوریلاسیون را کاهش داد. مغناطش اشباع چوب مغناطیسی در نتیجه تیمار فورفوریلاسیون و تبدیل شدن به چوب-پلیمر کاهش معناداری را نشان داد. تغییر غلظت محلول فورفوریل الکل تاثیر معناداری را بر مغناطش اشباع چوب-پلیمرهای مغناطیسی تولید شده نشان نداد. تیمار فورفوریلاسیون، مقاومت خمشی و مدول خمشی آزمونه‌ها را کاهش داد. رفتار خمشی آزمونه‌های چوب-پلیمر مغناطیسی و غیر مغناطیسی حاصل از تیمار با غلظت مشابه فورفوریل الکل تفاوت معناداری را نشان نداد. بررسی میکروسکوپی سطح شکست دیواره‌ی الیاف چوب در آزمونه‌های خمش اثر تیمار فورفوریلاسیون در تغییر رفتار دیواره الیاف از منعطف به ترد را نشان داد که منطبق با نتایج آزمون خمش بود. از سوی دیگر، با افزایش درصد جذب ماده پلیمری در ساختار چوب، جذب آب بلند مدت و واکشیدگی ضخامت آزمونه‌ها کاهش یافت. آزمونه‌های چوب-پلیمر مغناطیسی جذب آب و واکشیدگی ضخامت بیشتری در مقایسه با نمونه‌های چوب-پلیمر غیرمغناطیسی نشان دادند.نتیجه‌گیری:بر اساس نتایج این مطالعه، در صورت لزوم استفاده از چوب صنوبر مغناطیسی در محیط‌های با رطوبت بالا، تبدیل آن به چوب-پلیمر مغناطیسی با استفاده از فورفوریل الکل توصیه می‌شود، مشروط بر آنکه ویژگی‌های مکانیکی مورد نیاز را دارا باشد.

furfurylated superparamagnetic poplar wood: morphological, physical, and mechanical properties

background and objectives: magnetic wood is one of the wood nanotechnology products with a wide range of potential industrial applications. superparamagnetic wood is generally produced by in situ synthesis of magnetic nanoparticles in the wood structure. among the various wood species used for the production of magnetic wood, fast-growing species are gaining increasingly important. on the other hand, the inherent properties of wood, such as water absorption, dimensional instability, and susceptibility to biodegradation and weathering, may limit the potential of magnetic wood as an advanced engineering material. this study aimed to investigate the effect of furfurylation on modifying the physical and mechanical properties of superparamagnetic poplar wood prepared by in situ synthesis of magnetic nanoparticles. materials and methods: in situ synthesis of magnetite nanoparticles inside poplar wood (populus deltoides) was carried out using a solution of iron ii and iii chlorides with a molar ratio of 2:1 in a vacuum/pressure chamber. then the treated wood was converted to magnetic wood by draining the solution of iron cations and replacing it with a one-molar solution of sodium hydroxide. after washing the excess alkali solution and drying, the magnetic poplar wood was treated with two different concentrations of furfuryl alcohol solution under the vacuum/pressure system and converted into wood polymer after performing the required heat treatments. the samples were characterized using a field emission scanning electron microscope, x-ray diffraction, vibrating sample magnetometry, a static bending test, and long-term water absorption and thickness swelling tests. results: the conversion of poplar wood to magnetic wood reduced the weight percentage gain (wpg) resulting from the furfurylation process. the saturation magnetization of the magnetic wood decreased significantly after furfurylation and conversion to the wood-polymer. changing the concentration of the furfuryl alcohol solution did not substantially affect the saturation magnetization of the produced magnetic wood-polymers. the furfurylation treatment significantly reduced the samples' flexural strength and flexural modulus. the flexural properties of magnetic and non-magnetic wood polymer samples treated with the same concentration of furfuryl alcohol solution showed no significant difference. microscopic examination of the fracture surface of the wood cell wall in the specimens subjected to the bending test showed that furfurylation changed the behavior of the fibers from ductile to brittle, which was consistent with the results of the bending test. on the other hand, as the wpg increased, the specimens' long-term water absorption and thickness swelling decreased. magnetic wood-polymer samples showed higher values for water absorption and thickness swelling than non-magnetic wood-polymer specimens. conclusion: based on the results of this study, it is recommended that magnetic poplar wood, if it must be used in high-humidity environments, be converted to magnetic wood-polymer with furfuryl alcohol, provided it has the required mechanical properties.