چکیده

در این تحقیق اثر اصلاح ترکیبی نانونقره کلوئیدی-گرمآبی بر انتقال حرارت از صفحات پرس گرم به مغز کیک خرده­چوب گونه­ راش (Fagus orientalis)، خواص فیزیکی و مکانیکی تخته­خرده­چوب و تغییرات شیمیایی خرده­چوب­های تیمار شده از طریق طیف­سنجی FTIR بررسی شد. تیمار در 4 گروه شاهد، گرمآبی، نانو و نانو-گرمآبی انجام گردید. البته تیمار­ گرمآبی و نانو-گرمآبی در دو سطح حرارت 150 و 170 درجه سانتی ­گراد و دو سطح زمان 30 و 45 دقیقه انجام شد. در مجموع 10 سطح تیمار به­دست­آمد. نانونقره کلوئیدی با غلظت ppm100 تهیه­شد. مقاومت­های مکانیکی تخته­ها شامل مدول­گسیختگی، مدول­الاستیسیته و چسبندگی داخلی طبق استاندارد DIN-68763 و خواص فیزیکی تخته­ها شامل جذب آب و واکشیدگی ضخامت پس از 2 و 24 ساعت غوطه­وری در آب طبق استاندارد EN-317 اندازه ­گیری شدند. به­منظور بررسی اثر نانوذرات نقره بر انتقال حرارت تخته­هایی با زمان پرس 5 دقیقه ساخته­شد و دما در لایه میانی کیک خرده­چوب در هر 30 ثانیه توسط ترموکوپل ثبت گردید. تصاویر میكروسكوپ الكترونی (SEM) حضور، سایز و پراكنش مناسب نانو ذرات کلوئیدی نقره در خرده­چوب را به وضوح ثابت کرده­است. نتایج طیف سنجی FTIR شکست گروه­های استیل همی­سلولز­ها و کاهش مناطق آبدوست خرده­چوب­ها اصلاح شده به روش گرمآبی و نانو-گرمآبی رانشان می­دهد. اصلاح ترکیبی نانو-گرمآبی سرعت انتقال حرارت به لایه ­های میانی کیک را تسریع کرد. تیمار نانو-گرمآبی در دمای بالای (170 درجه­سانتی ­گراد) و نیز در دقایق انتهایی پرس نسبت به نمونه­های شاهد و گرمآبی بهبود انتقال حرارت معنی­داری نشان­داد. هم­چنین تخته­های حاوی نانونقره نسبت به تمام سطوح تیمار در زمان کمتری (92 ثانیه) به دمای 100 درجه­سانتی ­گراد رسید. نتایج نشان­دادند تیمار نانو-گرمآبی منجر به کاهش مدول­گسیختگی و چسبندگی داخلی، افزایش مدول­الاستیسیته، کاهش جذب آب و بهبود واکشیدگی ضخامت تخته­ها گردید. بیشترین بهبود در خواص فیزیكی در تخته­های ساخته­شده با خرده­های چوب تیمار شده به روش نانو-گرمآبی در دمای 170 درجه سانتی ­گراد و به­مدت 45 دقیقه مشاهده­شد. با افزایش دما و زمان تیمار، کاهش MOR و بهبود MOE محسوس­تر ­شد، اما با افزایش زمان تیمار در یک سطح دمایی IB کاهش بیشتری نشان­داد. هم­چنین کلیه خواص فیزیکی و مکانیکی تخته­های ساخته­شده با خرده­چوب­های اشباع­شده با نانو نسبت به شاهد بیشتر بود.

کلمات کلیدی: نانونقره کلوئیدی-گرمآبی، تخته­خرده­چوب، انتقال حرارت، خواص فیزیکی و مکانیکی

 

 

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                  صفحه

فصل اول: مقدمه و کلیات

1-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..11

1-2- فرضیات پژوهش……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….13

1-3- اهداف پژوهش………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….14

1-4- کلیات………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..14

1-4-1- راش……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..14

1-4-2- تخته­خرده­چوب……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………15

1-4-3- اصلاح چوب………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….16

1-4-3-1- اصلاح حرارتی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….16

1-4-3-2- تیمار گرمآبی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………17

1-5- فناوری نانو………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..18

1-5-1- نانو ذرات……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….18

1-5-1-1- فرایند­های تولید نانو ذرات……………………………………………………………………………………………………………………………………..19

1-5-1-2- نانو نقره……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………20

1-5-2- انتقال حرارت نانو ذرات فلزی………………………………………………………………………………………………………………………………………20

1-6- کلوئید­ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….21

1-7- میکروسکوپ الکترونی (SEM)………………………………………………………………………………………………………………………………………..22

فصل دوم: پیشینه تحقیق

3-1- اثر تیمار گرمایی بر خواص کاربردی چوب و فرآورده ­های آن………………………………………………………………………………………….24

3-1-1- خواص فیزیکی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………24

3-1-2- خواص مکانیکی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….26

3-2- اثر نانوذرات فلزی بر خواص کاربردی چوب و فرآورده ­های آن……………………………………………………………………………………….30

3-2-1- اثر نانوذرات فلزی بر هدایت حرارتی…………………………………………………………………………………………………………………………..30

3-2-2- خواص فیزیکی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….32

3-2-3- خواص مکانیکی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………35

فصل سوم: مواد و روش­ها

3-1- عوامل متغیر……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..40

3-2- عوامل ثابت……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….40

3-3- تهیه مواد اولیه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….41

3-3-1- تهیه خرده­چوب……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………41

3-3-2- تهیه مواد شیمیایی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………41

3-3-3- تهیه چسب مصرفی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..41

3-4- آماده ­سازی ترکیبات

 آزمونی…………………………………………………………………………………………………………………………………………….42

3-4-1- نانو نقره کلوئیدی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………42

3-5- فرایند اصلاح…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….42

3-5-1 تیمار نانو­نقره………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….43

3-5-2- تیمار گرمآبی و نانو­-گرمآبی………………………………………………………………………………………………………………………………………..43

3-6- طیف سنجی مادون قرمز (FT-IR)………………………………………………………………………………………………………………………………..44

3-7- میكروسكوپ الكترونی (SEM)……………………………………………………………………………………………………………………………………….44

3-8- ساخت تخته و ثبت دما در ضخامت کیک ……………………………………………………………………………………………………………………..45

3-9- تهیه نمونه­های آزمونی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..45

3-10- اندازه ­گیری خواص فیزیکی تخته­ها………………………………………………………………………………………………………………………………..46

3-10-1- محاسبه تغییرات وزن و میزان ماندگاری نانو روی خرده­چوب راش…………………………………………………………………………46

3-10-2- محاسبه واکشیدگی ضخامت و جذب آب…………………………………………………………………………………………………………………47

3-11- اندازه ­گیری خواص مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………………………………….47

3-11-1- خواص­خمشی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………47

3-11-1-1- مدول­گسیختگی  (MOR)………………………………………………………………………………………………………………………………….47

3-11-1-2- مدول­الاستیسیته (MOE)…………………………………………………………………………………………………………………………………..48

3-11-2- چسبندگی­داخلی (IB)……………………………………………………………………………………………………………………………………………..48

3-12- تحلیل آماری………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….48

فصل چهارم: نتایج

4-1- شناسایی و بررسی ساختاری خرده­چوب (SEM و EDS)…………………………………………………………………………………………..50

4-2- طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)………………………………………………………………………………………………………………………………….53

4-3- اثر اصلاح ترکیبی نانو-گرمآبی بر روند انتقال حرارت……………………………………………………………………………………………………..55

4-4- خواص فیزیکی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….57

4-4-1- تغییرات وزن خرده­چوب راش…………………………………………………………………………………………………………………………………….58

4-4-2- جذب آب……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..58

4-4-3- واكشیدگی ضخامت…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….60

4-5- خواص مکانیکی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….61

4-5- 1- خواص خمشی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………61

4-5-1-1- مدول گسیختگی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………61

4-5-1-2- مدول­الاستیسیته……………………………………………………………………………………………………………………………………………………62

4-5-2- مقاومت چسبندگی داخلی…………………………………………………………………………………………………………………………………………63

فصل پنجم: بحث و نتیجه ­گیری

5-1- نوآوری روش……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………66

5-1- تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM و EDS)…………………………………………………………………………………………………………….67

5-2- طیف­سنجی FTIR………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….67

5-3- انتقال حرارت……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………68

5-4- خواص فیزیكی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………70

5-5- خواص مكانیكی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….72

5-5-1- خواص­خمشی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………72

5-5-1-1- مدول گسیختگی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….72

5-5-1-2- مدول­الاستیسیته…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….73

5-5-2- چسبندگی داخلی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….74

نتیجه ­گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………75

پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………76

منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….78

چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..86

فهرست شکل­ها

شکل 3-1- نانو نقره تولید شده………………………………………………………………………………………………………………………………………………..44

شکل 3-2- دستگاه اشباع مجهز به المنت حرارتی………………………………………………………………………………………………………………….45

شکل 3-3- نمایی از دستگاه میکروسکوپ الکترونی (SEM) واقع در آزمایشگاه رضایی……………………………………………………….46

شكل 4-1- تصویر SEM محلول کلوئیدی نانونقره تولید شده………………………………………………………………………………………………..52

شكل 4-2- تصویر SEM خرده­چوب­ اشباع شده با نانو ذرات نقره……………………………………………………………………………………………53

شكل 4-3- تصویر SEM خرده­چوب­ شاهد……………………………………………………………………………………………………………………………….53

شکل 4-4- طیف EDS خرده­چوب اشباع­شده با نانو…………………………………………………………………………………………………………………54

شکل 4-5- طیف­های FTIR نمونه­های تیمار شده و شاهد………………………………………………………………………………………………………56

شکل 4-6- طیف­های FTIR نمونه­های تیمار شده و شاهد………………………………………………………………………………………………………56

شکل 4-7- زمان رسیدن دما به 100 درجه سانتی ­گراد در تیمارهای مختلف…………………………………………………………………………58

شکل4-8- حداکثر دمای ثبت شده­ی مغز کیک در سطوح مختلف تیمار…………………………………………………………………………………59

شکل 4-9- میانگین جذب آب پس از 2 ساعت غوطه­وری………………………………………………………………………………………………………..61

شکل 4-10- میانگین جذب آب پس از 24 ساعت غوطه­وری…………………………………………………………………………………………………..61

شکل 4-11- میانگین واکشیدگی ضخامت پس از 2 ساعت غوطه­وری…………………………………………………………………………………….62

شکل 4-12- میانگین واکشیدگی ضخامت پس از 24 ساعت غوطه­وری…………………………………………………………………………………..63

شکل4-13- اثر سطوح مختلف تیمار بر مدول گسیختگی…………………………………………………………………………………………………………54

شکل 4-14- اثر سطوح مختلف تیمار بر مدول الاستیسیته………………………………………………………………………………………………………65

شکل 4-15- اثر سطوح مختلف تیمار بر مقاومت چسبندگی داخلی………………………………………………………………………………………..66

فهرست جدول­ها

جدول 3-1- مشخصات فنی چسب مورد استفاده………………………………………………………………………………………………………………………33

جدول3-2- ابعاد و تعداد نمونه­های آزمونی در هر تکرار و تیمار……………………………………………………………………………………………….37

جدول4-1- نتایج کمی طیف EDS…………………………………………………………………………………………………………………………………………..54

جدول 4-2- اثر تیمار­های مختلف بر انتقال حرارت طی فرایند پرس گرم……………………………………………………………………………….57

جدول 4-3- اثر تیمار نانو، گرمآبی و نانو-گرمآبی بر تغییرات وزن……………………………………………………………………………………………60

مقدمه                                                                                                                   

          چوب از زمان پیدایش انسان تاکنون همواره به­عنوان ماده­ای بسیار مهم مطرح بوده ­است. در سال­های اخیر، بازار مصرف اوراق فشرده­چوبی گسترش قابل­ملاحظه­ای یافته­است. از دلایل عمده آن مزایای ویژه پانل­های چوبی، مانند یکنواختی خواص کاربردی در سطح پانل، امکان تولید در ابعاد بزرگ و سطح صاف با کیفیت مطلوب می­باشد (تومن و همکاران، 2010). در میان محصولات متنوع حاصل از فرآورده ­های چوبی، تخته­خرده­چوب به­لحاظ تنوع استفاده، فرایند نسبتاً ساده تولید و انعطاف­پذیری مواد اولیه از اهمیت ویژه­ای برخوردار­است. این صنعت در اوایل قرن بیستم صنعتی گردید و با تولید رزین­های مصنوعی در دهه­های چهل تا شصت میلادی توسعه چشم­گیری یافت (فتحی و همکاران، 1389) . در کنار ویژگی­های منحصر به فرد تخته­خرده­چوب، این ماده دارای ویژگی­های نامطلوبی همچون ناپایداری ابعاد که از تبادل رطوبت با محیط پیرامون آن ناشی ­می­ شود، هست. این ویژگی باعث تغییر ابعاد چوب شده و بر روی خواص مکانیکی، هدایت حرارتی، صوتی و الکتریکی آن اثر می­گذارد. هم­چنین این ماده دارای ویژگی­هایی همچون تخریب زیستی، هوازدگی، قابلیت اشتعال و … هست.

در نتیجه، اگر فرآورده ­های چوبی بدون هیچ گونه تیمار اصلاحی تحت شرایط نامطلوب (بخصوص مصارف بیرونی) به­کار روند، كیفیت آن­ها تحت تاثیر قرار می­گیرد و عمر مفیدشان نیز محدودتر خواهد شد. جهت بهبود خواص، می­بایست تیمار‌هایی روی فرآورده ­های مرکب چوبی اعمال نمود تا کاربرد آنها را افزایش داد. در سال­های اخیر بیشتر از روش­های اصلاح چوب برای حل مشکلات زیست­محیطی، و بهبود خواص چوب و فرآورده ­های آن استفاده می­ شود که تیمار گرمایی یکی از این روش­ها است (هیل، 2006). در تجزیه حرارتی، همی­سلولز نسبت به سایر پلی­مر­های چوب بیشتر در معرض تخریب هستند (استام، 1964؛ آلن و همکاران، 2002). تخریب سلولز نسبت به همی­سلولز در دما­های بالاتر اتفاق می­افتد، هرچند گاهی اوقات در دما­های پایین تخریب همی­سلولز بسیار آهسته است (هیل، 2006). با حرارت­دهی چوب در هوا به بیش از دمایc  120ْ، درجه­ پلیمریزاسیون (DP) کاهش می­یابد (فنگل و وگنر، 1984). در مراحل آغازی تیمار، افزایش در درجه بلورینگی و وسعت نواحی بلوری ملاحظه شد، اما با افزایش زمان تیمار، هر دو کاهش می­یابند (هیل، 2006).

تیمار گرمایی منجر به تغییر در خواص فیزیکی گوناگون از قبیل کاهش در رطوبت تعادل (اوباتایا و همکاران، 2000؛ اوباتایا و تومیتا، 2002)، کاهش خاصیت هیگروسکوپیک (متسا کورتلینن و همکاران، 2006؛)، بهبود در چسبندگی (فولریچ و همکاران، 2006)، بهبود دوام طبیعی (بونسترا و همکاران، 2006؛ هانگر و همکاران، 2002؛ سیلر و همکاران، 2000)، افزایش نواحی بلوری سلولز (بویان و همکاران، 2000؛ تجادا و همکاران، 1997؛ اوداکا و فرنو، 2003) و مقدار ظاهری لیگنین (کامدم و همکاران،2002؛ نوپنن و همکاران، 2004) می­گردد. از سوی دیگر اصلاح حرارتی باعث کاهش استحکام و مقاومت چوب می­ شود (آویمی و وسترمارک، 2005؛ هونگ و لین، 2000؛ کامدم و همکاران، 2002) که