Przygotowanie i testowanie klejów do drewna na bazie mączki z nasion roślin

Podsumowanie

Aby ułatwić poszukiwanie bardziej ekonomicznych i przyjaznych dla środowiska formuł naturalnych klejów do drewna na bazie produktów, ta praca demonstruje przygotowanie i testowanie klejów do drewna na bazie nasion roślinnych. Protokół ten pozwala ocenić produkty rolne na bazie nasion roślin jako odpowiednich kandydatów do zastąpienia syntetycznych klejów do drewna.

Streszczenie

Ostatnio, zainteresowanie produktami na bazie mączki z nasion roślin, takimi jak kleje do drewna, stale rośnie, ponieważ te surowce roślinne są uważane za odnawialne i przyjazne dla środowiska. Te naturalne produkty mogą służyć jako alternatywa dla klejów na bazie ropy naftowej, aby złagodzić obawy dotyczące środowiska i zrównoważonego rozwoju. Praca ta demonstruje przygotowanie i testowanie klejów do drewna na bazie nasion roślin, wykorzystujących nasiona bawełny i śrutę sojową jako surowce. Oprócz posiłków niepoddanych obróbce przygotowywane i testowane są posiłki myte wodą oraz izolaty białkowe. Zawiesiny adhezyjne przygotowuje się przez zmieszanie liofilizowanego produktu mącznego z wodą dejonizowaną (3:25 w/w) przez 2 godziny. Każdy preparat klejowy nakłada się na jeden koniec 2 pasków forniru drewnianego za pomocą pędzla. Lepkie, pokryte klejem obszary listew forniru drewnianego są docierane i klejone przez prasowanie na gorąco. Siła klejenia jest podawana jako wytrzymałość na ścinanie klejonej próbki drewna przy zerwaniu. Wodoodporność klejów mierzy się zmianą wytrzymałości na ścinanie klejonych próbek drewna przy zerwaniu po nasączeniu wodą. Protokół ten pozwala ocenić produkty rolne na bazie nasion roślin jako odpowiednich kandydatów do zastąpienia syntetycznych klejów do drewna. Dostosowanie formuły kleju z dodatkami lub bez nich oraz warunków wiązania może zoptymalizować ich właściwości adhezyjne pod kątem różnych praktycznych zastosowań.

Wprowadzenie

Klejenie drewna odgrywa coraz większą rolę w przemyśle produktów leśnych i jest kluczowym czynnikiem efektywnego wykorzystania zasobów drewna¹. Zainteresowanie stosowaniem naturalnych klejów do drewna stale rosło od lat 30. XX wieku, osiągając szczyt około 1960 roku². Po tym okresie cena klejów na bazie ropy naftowej stała się tak niska, że wyparła kleje białkowe z kilku tradycyjnych rynków. W ciągu ostatnich dwóch dekad trend ten odwrócił się wraz z ponownym zainteresowaniem wykorzystaniem materiałów, które są odnawialne, biodegradowalne i bardziej przyjazne dla środowiska. Te zasoby naturalne obejmują między innymi białko sojowe^3-5, białko z nasion bawełny⁶, otręby ryżowe⁷, gluten pszenny⁸, białko zbożowe gorzelni9, białko i olej rzepakowy^10-12, ligninę z sorgo i wytłoków z trzciny cukrowej^13,14 oraz polisacharydy pochodzące z muszli krewetek¹⁵.

Podczas gdy izolaty białka z nasion były powszechnie oceniane jako potencjalne kleje do drewna, procedura izolacji obejmuje odczynniki alkaliczne i kwaśne, co sprawia, że kleje na bazie izolatów są stosunkowo drogie i mniej przyjazne dla^{środowiska16}. W związku z tym niektóre odtłuszczone mączki nasienne (mąki) z zaprawieniem lub bez zaprawiania zostały również przetestowane pod kątem przyczepności, mimo że właściwości adhezyjne tych mączek nie działają tak dobrze, jak izolatów białkowych^17-19. Przeprowadziliśmy sekwencyjne frakcjonowanie śruty z nasion bawełny (CM) na różne frakcje i zbadaliśmy ich siłę klejenia w klejeniu fornirów drewnianych^20,21. Nierozpuszczalna w wodzie frakcja stała (zwana dalej przemytą śrutą z nasion bawełny – WCM) mogłaby być stosowana jako klej do drewna, porównywalny z izolatem białka z nasion bawełny (CSPI), a jej przygotowanie byłoby tańsze niż CSPI.

Siła klejenia i wodoodporność to dwa kluczowe parametry w ocenie wydajności potencjalnego materiału adhezyjnego. W tym przypadku siła klejenia jest podawana jako wytrzymałość na ścinanie przy zerwaniu wiązania zakładkowego każdej próbki drewna. Wodoodporność kleju mierzy się na podstawie zmiany wytrzymałości na ścinanie na zakładkę klejonej próbki drewna przy zerwaniu w wyniku nasiąkania wodą. Wykorzystując odtłuszczone nasiona bawełny i śrutę sojową jako surowce, protokół ten zapewnia prosty i nieskomplikowany sposób przygotowania i przetestowania produktów na bazie nasion roślin jako klejów do drewna. Protokół ten byłby pomocny w ułatwieniu wysiłków na rzecz poszukiwania bardziej ekonomicznych i przyjaznych dla środowiska formuł naturalnych klejów do drewna na bazie produktów.

Protokół

1. Produkty na bazie nasion bawełny i mączki sojowej (Rysunek 1)

1. Surowce, odtłuszczone nasiona bawełny i śruty sojowe, należy pozyskiwać z dostępnych na rynku źródeł.
2. Mączkę roboczą otrzymuje się przez zmielenie stałej, odtłuszczonej mączki w cyklonowym młynie do pobierania próbek, aby przejść przez stalowe sito o średnicy 0,5 mm¹⁶.
3. Przygotuj posiłki przemyte wodą z posiłków roboczych po ekstrakcji wodą (25 g mączki: 200 ml wody) w celu oddzielenia składników rozpuszczalnych w wodzie w posiłkach²¹.
4. Przygotować izolaty białkowe z posiłków roboczych przez ekstrakcję alkaliczną i wytrącanie kwasem¹⁶.

2. Przygotowanie listew forniru drewnianego

1. Okleiny drewniane (o grubości 1,59 mm) uzyskane z dostępnego na rynku źródła należy pociąć na paski o szerokości 25,4 mm i długości 88,9 mm.
2. Ołówkiem zaznacz linię w poprzek słojów drewna o długości 25.4 mm (1.0") od jednego końca każdego paska. Oznacz te paski odpowiednio za pomocą testów, zabiegów lub numerów. Dla każdej zmiennej testowej przygotowuje się od 5 do 10 par drewna.

3. Przygotowanie zawiesin adhezyjnych

1. Obliczyć ilość mączki przemytej wodą potrzebną na próbki drewna do badania, według dawki stosowania (np. 4 mg suchej zawartości ^cm-2) x całkowitej powierzchni łączenia (np. 581^cm2 z 90 drewnianych pasków o powierzchni łączenia 2,54 x 2,54 cm każdy) plus około 30% więcej dla wystarczalności (tj. 4 x 581 x 130% 3 g mączki mytej wodą dla example).
2. Wymieszaj mączkę przemytą wodą z wodą dejonizowaną (3:25 w/w) i mieszaj za pomocą mieszadła magnetycznego przez 2 godziny w zlewce zamkniętej Parafilmem.

4. Przygotowanie próbek drewna klejonego

1. Nałóż zawiesinę kleju pędzlem na jeden koniec 2 pasków forniru drewnianego o długości 25,4 mm (1,0 "). Suszyć na powietrzu przez 10 - 15 minut lub do uzyskania lepkości.
2. Nałóż drugą warstwę zawiesiny adhezyjnej na pierwszą warstwę i ponownie wysusz na powietrzu. Ilość nałożonego suchego preparatu adhezyjnego wynosi około 4,5 mg suchej masy na^cm2 klejenia każdej listwy drewnianej.
3. Nałóż na lepki obszar pokryty klejem (25,4 x 25,4 mm lub 1,0 "x 1,0") 2 pasków forniru drewnianego. Prasowanie na gorąco za pomocą podgrzewanej prasy stołowej w temperaturze 100 °C przez 20 minut pod ciśnieniem 400 psi (2,8 MPa). Należy pamiętać, że nacisk to siła wywierana przez prasę podzielona przez nakładającą się na siebie powierzchnię próbek drewna. Te parametry wiązania mogą być zmieniane w zależności od potrzeb dla każdej zmiennej testowej.
4. Schłodzić i kondycjonować połączone próbki drewna przez 48 godzin w pomieszczeniu do kondycjonowania lub inkubatorze z kontrolą wilgotności (temperatura 22 - 23 °C i wilgotność względna 50 - 60%; Rysunek 2).

5. Eksperymenty z wodoodpornością

1. Zanurzyć połączone próbki drewna, po wstępnym kondycjonowaniu, w wodzie z kranu na 48 godzin w plastikowej tacy o temperaturze pokojowej (22 - 23 °C). Mokre próbki po namoczeniu są natychmiast badane pod kątem wytrzymałości na ścinanie przy zerwaniu i podawane jako wytrzymałość na mokro. Nadmiar wody z powierzchni forniru można usunąć poprzez delikatne oklepanie chusteczką papierową przed pomiarami.
2. Kolejny zestaw połączonych próbek drewna, po wstępnym kondycjonowaniu, zanurzyć w łaźni wodnej o temperaturze 63 ºC na 4 godziny, a następnie wysuszyć w warunkach pokojowych (temperatura 22 - 23 °C i wilgotność względna 50 - 60%) O/N (18 - 20 godzin). Powtórz cykl suszenia zanurzeniowego raz z czasem suszenia wynoszącym 48 godzin. Wysuszone próbki są następnie badane pod kątem wytrzymałości na ścinanie przy zerwaniu i podawane jako wytrzymałość na adhezję po namoczeniu.

6. Pomiary wytrzymałości na ścinanie na kolanach

1. Dopasuj klejoną próbkę drewna do uchwytów klinowych z siatką o wymiarach 32 x 40 mm w kształcie rybiej łuski na testerze materiałów o nacisku 7 MPa i ustaw prędkość poprzeczki na 1 mm ^min-1.
2. Zmierz i zapisz wytrzymałość na ścinanie przy zerwaniu dla każdej próbki drewna klejonego. Wyniki wielu pomiarów są uśredniane dla każdej formuły kleju i zmiennej testowej.

Wyniki

Wydajność każdego sformułowania kleju jest określana przez wytrzymałość na ścinanie sklejonej próbki drewna w momencie zerwania, a wartości te różnią się w zależności od wymiarów zastosowanego forniru drewnianego. Na przykład w Tabeli 1 wartości wytrzymałości kleju w stanie suchym i po namoczeniu dla sklejonych próbek są niższe w przypadku zastosowania cieńszych i węższych pasków klonu (patrz Cottonseed-1), w przeciwieństwie do grubszych i szerszych pasków Cottonseed-2 zalecanych w protokole, przy użyciu...

Dyskusja

W artykule przedstawiono podstawową procedurę przygotowania i badania produktów na bazie nasion roślin w postaci klejów do drewna. Zawiesiny adhezyjne, których przykładem jest ten protokół, to po prostu odtłuszczony produkt z mączki siewnej i woda. Różne formuły klejów można uzyskać przez dodanie odczynników testowych (takich jak dodecylosiarczan sodu, wodorosiarczyn sodu lub olej tungowy)^5,6,23 i/lub zmiany warunków mieszania (takich jak pH, stosunek substancji stałych do wody)^3,24,25. Dostosowanie...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Odtłuszczona mączka z nasion bawełny	Kentwood Co-op		Kentwood, LA, USA
Odtłuszczona śruta sojowa	Kentwood Co-op		Kentwood, LA, USA
Forniry drewniane	Z pewnością drewno, Inc.		East Aurora, NY, USA
Młyn do próbek cyklonów (model 3010-014)	UDY Corporation		Fort Collins, CO, USA
Prasa podgrzewana stołowa (model 3856)	Carver, Inc.		Wabash, IN, USA
Tester materiałów	Zwick GmbH & Co.		Ulm, Niemcy