چکیده
در این تحقیق اثر اصلاح ترکیبی نانونقره کلوئیدی-گرمآبی بر انتقال حرارت از صفحات پرس گرم به مغز کیک خردهچوب گونهی 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 سانتیگراد 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 لایههای میانی کیک را تسریع کرد. تیمار نانو-گرمآبی در دمای بالای (170 درجهسانتیگراد) 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 درجهسانتیگراد 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 سانتیگراد 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- فرآیندهای 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 فرآوردههای آن………………………………………………………………………………………….24
3-1-1- خواص فیزیکی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………24
3-1-2- خواص مکانیکی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….26
3-2- اثر نانوذرات فلزی بر خواص کاربردی چوب و فرآوردههای 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- آمادهسازی ترکیبات آزمونی…………………………………………………………………………………………………………………………………………….42
3-4-1- نانو نقره کلوئیدی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………42
3-5- فرآیند 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 نتیجهگیری
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
نتیجهگیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………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 سانتیگراد 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 فرآیند 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[1] و همکاران، 2010). در میان محصولات متنوع حاصل از فرآوردههای چوبی، تختهخردهچوب بهلحاظ تنوع استفاده، فرآیند 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 میشود، 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 فرآوردههای 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 فرآوردههای 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 فرآوردههای آن استفاده میشود که تیمار گرمایی یکی از این روشها است (هیل[2]، 2006). در تجزیه حرارتی، همیسلولز نسبت به سایر پلیمرهای چوب بیشتر در معرض تخریب هستند (استام[3]، 1964؛ آلن[4] و همکاران، 2002). تخریب سلولز نسبت به همیسلولز در