Abstract
В последнее время интерес к семенной завод еды на основе продуктов, как древесные клеи неуклонно возрастает, так как эти растительного сырья считаются возобновляемых и экологически чистых. Эти натуральные продукты могут служить в качестве альтернативы нефтяной основе клея, чтобы облегчить окружающей среды и устойчивого развития проблемы. Эта работа демонстрирует получение и тестирование растений семенами древесных клеев с использованием хлопковое и соевое еду в качестве сырья. В дополнение к необработанной пищи, промывают водой питание и белковые изоляты получены и испытаны. Клейкие суспензии получают путем смешивания лиофилизированного продукта еды деионизованной водой (3:25 вес / вес) в течение 2 ч. Каждый клейкий препарат наносят на одном конце 2 древесины шпона при помощи кисти. Липкий клей покрытые участки древесины шпона внахлест и склеены горячего прессования. Прочность сцепления Сообщается также прочность на сдвиг связанных древесины образца при разрыве. Водонепроницаемость клеев измеряетсяизменение прочности на сдвиг облигационного дерева образцы при разрыве после пропитывания водой. Этот протокол позволяет оценить завод растительных, основанных на сельскохозяйственную продукцию, как подходящих кандидатов для замещения синтетической основе древесины клеев. Корректировка клеевой композиции с или без добавок и условий склеивания может оптимизировать адгезионные свойства для различных практических применений.
Introduction
Склеивание древесины играет все более важную роль в промышленности лесной продукции и является ключевым фактором для эффективного использования лесных ресурсов 1. Интерес к использованию природных клеев на основе продуктов для древесины постоянно увеличивается с 1930 года, достигнув пика примерно в 1960 году 2. По истечении этого срока, цена нефтяной основе клея стал настолько низким, что они вытеснили белка клеи из нескольких традиционных рынках. В течение последних двух десятилетий, эта тенденция поменялась с возобновлением интереса в использовании материалов, которые относятся к возобновляемым, биологически, и более приемлемым для окружающей среды. Эти природные ресурсы включают в себя, но не ограничиваются ими, соевый белок 3-5, хлопковое белка 6, рисовых отрубей 7, 8 пшеничной клейковины, винокуры зерна белка канолы 9, белка и масла 10-12 лигнина из сорго и выжатый сахарный тростник 13 , 14, и полисахариды получены из креветок 15.
<P CLASS = "jove_content"> В то время как белка семян изолятов были широко оценены как потенциальные клеев древесины, методика выделения включает в себя коррозионного щелочные и кислотные реагенты, и это делает изолировать клей на основе относительно дорогими и менее экологически чистые 16. Таким образом, некоторые обезжиренных семян питание (мука) с или без лечения также были протестированы для клейкой цели, даже несмотря на то, адгезионные свойства этих блюд не так хорошо, как белковые изоляты 17-19. Мы последовательно фракционировали хлопковый жмых (CM) в различных фракций и исследовали их прочность сцепления в склеивания древесины шпона 20,21. Нерастворимый в воде твердую фракцию (далее промывают хлопковый жмых, WCM) могут быть использованы в качестве клеев, древесины, сравнимых с хлопковое белкового изолята (CSPI), и было бы дешевле, чем подготовить CSPI.Прочность сцепления и водостойкость два критических параметров в оценке эффективностипотенциал клеящий материал. Здесь, адгезионная прочность сообщается как прочность на сдвиг при разрыве круга связи каждого из древесины образца. Водонепроницаемость клея измеряется по изменению прочности на сдвиг коленях связанных древесины образца при разрыве связи с пропитывания водой. Использование обезжиренных семян хлопчатника и соевые в качестве сырья, этот протокол обеспечивает простой и понятный способ подготовки и опытный завод семян продукты на основе как деревянные клеев. Этот протокол будет способствовать облегчению усилия в поиске более экономичных и экологически чистых составов натуральный продукт на основе древесины клеев.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. хлопковое и Соевые продукты питания на основе (Рисунок 1)
- Получение исходных материалов, обезжиренное хлопковое и соевые блюда, из коммерчески доступных источников.
- Получить рабочую еду путем измельчения твердого обезжиренного еду в образце циклона мельницы пройти стальной экран 0,5 мм 16.
- Подготовка промывают водой блюда из рабочих еды после удаления воды (25 г Питание: 200 мл воды), чтобы отделить водорастворимые компоненты в блюда 21.
- Подготовка белковых изолятов из рабочих еды щелочью добычи и кислотных осадков 16.
2. Подготовка древесины шпона
- Сокращение шпон (толщиной 1,59 мм), полученные из коммерчески доступного источника в полос шириной 25,4 мм с длинными 88,9 мм.
- Карандаш отметить линию поперек волокон древесины на 25,4 мм (1,0 ") Длина от одного конца каждой полосы Этикетка эти полосы соответственно с тестирования процедуры или цифры 5.. -10 пар из дерева готовят для каждой переменной тестирования.
3. Подготовка клея суспензий
- Рассчитать количество воды, промывают еды, необходимого на деревянных образцов для испытаний, по норме расхода (например, 4 мг сухого содержание см -2) х общая площадь сцепления (например, 581 см 2 90 рейки с 2,54 х 2,54 см районе склеивания каждый) плюс около 30% больше для enoughness (то есть, 4 х 581 х 130% 3 г воды промывали еду для примера).
- Смешайте промывают водой пищу с деионизованной водой (3:25 вес / вес), и перемешивают с помощью магнитной мешалки в течение 2 ч в стакане, закрытой парафильмом.
4. Подготовка Таможенный Дерево образцов
- Кисть клейкой суспензии на одном конце 2 деревянных шпона, охватывающих 25,4 мм (1,0 ") Длина воздушно-сухой для 10 - 15 мин., Или пока липким.
- Щетка второй слой клеевого раствора в верхней части первого слоя и сушат на воздухе еще раз. Количество сухого клеяподготовка применяется составляет около 4,5 мг сухого твердого на см 2 связывания являются каждого лесной полосы.
- Перекрытие липкий покрытой области клея (25,4 х 25,4 мм или 1,0 "х 1,0") 2 деревянных шпона. Горячая-пресс с помощью настольной нагретом прессе при 100 ° С в течение 20 мин при давлении 400 фунтов на квадратный дюйм (2,8 МПа). Примечание давление сила, приложенная в прессе, разделенной на области пересечения образцов древесины. Эти параметры связующие могут быть изменены при необходимости для каждой переменной тестирования.
- Охлаждения и кондиционирования, соединенные дерева образцы в течение 48 ч в помещении для кондиционирования или инкубаторе с контроля влажности (температура 22 - 23 ° С и относительной влажности 50 - 60%, на фиг.2).
5. Водонепроницаемость Эксперименты
- Погружают соединенные дерева образцы, после первоначального кондиционирования, в водопроводной воде в течение 48 ч в пластиковый лоток при комнатной температуре (22 - 23 ° C). Влажные образцов после выдержки тестируются немедленно сдвигапрочность на разрыв и сообщил, как прочность во влажном состоянии. Избыток воды на поверхности шпона могут быть удалены, осторожно похлопывая с бумажной ткани до измерений.
- Погружают другой набор связанных древесных образцов, после первоначального кондиционирования, на водяной бане при 63 ° С в течение 4 ч, а затем высушивают при комнатных условиях (температура 22 - 23 ° С и относительной влажности 50 - 60%) O / N (18 - 20 ч). Повторите цикл погружения сушки раз со временем сушки 48 ч. Высушенные образцы затем испытывали на прочность на сдвиг при разрыве и представлены как смоченной адгезионной прочности.
6. Круг прочность на сдвиг измерений
- Установите облигационных дерева образец в 32 х 40 мм рыбью чешую, с координатной привязкой клиновых захватов на приборе материалы с захватывающим давлением 7 МПа, и установить скорости ползуна на 1 мм мин -1.
- Измерьте и запишите прочности на сдвиг при разрыве для каждого склейки древесины. Результаты многократных измерений усредняются для каждого клея формепостановке и контрольная переменная.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Производительность каждого клеевой композиции определяется по прочности на сдвиг склейки древесины при разрыве и значения изменяются в зависимости от размеров древесного шпона, используемого. Например, в таблице 1, сухие и вымачивают значения прочности клей по склейки ниже, когда более тонкие и узкие полоски клена используются (см хлопковое-1), в отличие от более толстых и более широких полос хлопковое-2, рекомендованных в Протокол, с помощью того же хлопковое основе клеевой композиции. Наблюдаются также более образцов разрушением древесины в течение клеевых измерений прочности на сдвиг тонких и узких древесного шпона. В частности, три из обезжиренной муки, 4 промытого пищи, и все 10 из белковый изолят неудачу в древесных волокон, а не на клеевого соединения в сухом склейки, и при использовании тех же трех адгезивные составы, соответственно, 0, 6 и 9 части смоченной образцов не удалось в древесины. Это указывает на то, чтоКлей сильнее, чем тонкие древесные планки 21. Общее наблюдение кажется применимы как к исходным материалам, используемым. То есть, клей производительность промывают водой хлопковое еды является сравнимой с хлопковое белкового изолята. С другой стороны, для соевых продуктов, сухих и пропитанные сильные воды промывали пищи подобны таковым из обезжиренной муки, чем у белкового изолята, который может отражать различия в химическом составе хлопковое еды и соевый порошок.
Таблица 2 по сравнению прочность на сдвиг сухих, влажных и пропитанных образцов соединены в 100 ° С с использованием промывают водой хлопковый жмых и четыре типа дерева. Прочность на сдвиг в порядке: сухость> замачивают> влажной для всех четырех видов древесины, что указывает на ту же тенденцию, что вода ослабляет прочность соединения этих древесных образцов, и часть на адгезионную прочность связи извлекают после сушки. Сухой прочность на сдвиг тополя, ели Дугласа, и белый дубв основном такой же, но прочность в сухом ниже со ореха. Небольшая разница делает влияние типа леса на сухих прочности клеевого значительной только при Р = 0,1. Влияние породы древесины является более статистически значимым на влажных и пропитанной данных прочность на сдвиг с Р <0,001. В действительности, порядок мокрой и вымачивают прочности склейки для 4 лесах, не же, как и сухой прочностью. Мы атрибутов это наблюдение за разницы в степени расширения (отек) каждого типа древесины во всасывающий; скорость расширения шпоном может стать несовместимой с клеем и может оказать определенные нагрузки, снизить прочность сцепления Облигаций в суставах. Солнце и Бянь 22 Предполагается, что породы дерева с высокой линейной или объемной расширения объема будет иметь более высокую усадку стресс во время сушки, который частично объясняет более высокие темпы расслаивания клена и тополя пар, чем грецкий орех и сосны в их Ватэ-всасывающие испытания.
Рисунок 1. семенного материала мука Top -. Хлопковое, снизу - соя. Слева направо:. Обезжиренную еду, работающих еды, промывают холодной водой муку и белкового изолята Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2. Таможенные деревянные образцы отведенных для кондиционирования (температура 22 - 23 ° С и относительной влажности 50 - 60%) осталось 5, тополь.; Право 5, грецкий орех. Таможенный склад (25,4 х 25,4 мм или 1,0 "х 1,0") показан между красными линиями на крайнем левом пары. Plоблегчить нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
| Клей | Прочность в сухом состоянии | Пропитанный сила |
| Хлопковое-1 ‡: | ||
| Обезжиренный еды | 1.49 ± 0.14 | 1,37 ± 0,17 |
| Промывают водой блюдо | 1,55 ± 0,11 | 1,55 ± 0,15 б |
| Изолят белка | 1.53 ± 0.18 | 1.53 ± 0,14 б |
| Хлопковое-2 $: | ||
| Обезжиренный еды | ND # | ND # |
| Промывают водой блюдо | 3.26 ± 0.50 | 2,38 ± 0,51 |
| Изолят белка | 3,6977; 1.13 | 2.39 ± 0.61 |
| Соя $: | ||
| Обезжиренный еды | 2.40 ± 0.50 | 1,25 ± 0,19 |
| Промывают водой блюдо | 2.29 ± 0.39 | 1.60 ± 0.37 |
| Изолят белка | 3.51 ± 0.33 б | 3,76 ± 0,90 б |
‡ Клеи были применены к более тонкими и узкими полосками дерева (0,99 мм × 12,7 мм длинный широкий х 25,4 мм).
$ Клеи наносили на более толстых и более широких полос древесины, как описано в протоколе (1,59 мм × 25,4 мм в ширину длинных х 25,4 мм).
# Не определено.
Таблица 1. Прочность на сдвиг (МПа) сухих и вымачивают клена полос соединены при 100 ° С с обезжиренной муки, промывают холодной водой и едой, белкового изолята из семян хлопчатника и сои. Р = 0,05. Пакет анализа данных в Microsoft Excel 2007 была использована для статистического анализа.
| Дерево | Прочность в сухом состоянии | Прочность во влажном |
| Тополь | 4.52 ± 0.54 | 1,73 ± 0,20 |
| Ель Дугласа | 4.30 ± 0.96 | 2.24 ± 0.14 |
| Грецкий орех | 3.59 ± 0.23 | 1,78 ± 0,10 |
| Белый дуб | 4.33 ± 0.32 | 1,66 ± 0,25 |
| Уровень значимости (P> F) | 0,1 | <0,001 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эта статья представляет собой основную процедуру, чтобы подготовка и тестирование завод растительных продуктов на основе, как деревянные клеев. Клеевые растворы exampled в этом протоколе просто обезжиренный продукт шрот и вода. Различные клейкие составы могут быть достигнуты путем добавления испытательных реагентов (например, додецилсульфата натрия, бисульфит натрия или тунговое масло) 5,6,23 и / или изменения в условиях перемешивания (например, рН, соотношение твердого и воды) 3,24 , 25. Регулировка клеевой композиции также необходима, если реологические свойства клеевой суспензии не подходят для соответствующего приложения к деревянных полос.
Тестовые материалы ПТТ, шпон, натуральные продукты, так что можно ожидать высокой изменение древесины текстуры и шероховатости поверхности. По этой причине, тестирование воспроизводит из 3 - 10 были зарегистрированы в литературе. Из-за этих изменений и других известных и неизвестных факторов, это не редкость увидеть большойстандартное отклонение (> 10%) наблюдались в измерений прочности на сдвиг, как в таблице 1 и в литературе 6-8,12,25, и это может подорвать некоторые статистический анализ на Р ≤ 0,05. Таким образом, некоторые документы просто представить данные с помощью стандартных отклонений, а затем сравнить и обсудить их без статистического анализа значимости (например, 7,8,12,26). Этот подход еще имеет некоторый смысл, показывая общие тенденции влияния от тестов переменных.
Следует отметить, что измерение силы сдвига также чувствительна к размеров образца и численные результаты не могут быть сопоставлены между различными геометрией. Более высокие значения прочности на сдвиг хлопковое-2, чем хлопковое-1 в таблице 1, по-видимому из-за толстых и широких образцов древесины, используемых для хлопковое-2. Сообщается, что прочность стыка на коленях сдвига может изменяться в зависимости от общей длины образца, даже при фиксированном О.В.Длина erlap 27. Таким образом, сравнение может быть сделано только между образцами в одной и той же серии испытаний, а не между различными тестовых конфигураций, например, между хлопковое-2 и сои (Таблица 1). Более подробная информация о влиянии геометрии и свойств материала от перелома отдельных суставов коленях сдвига можно найти в Kafkalidis и Таулесом 27.
Прочность на сдвиг был протестирован по отношению к Американского общества по испытанию материалов (ASTM) Стандартный метод D-906 22. Этот протокол представляет две общие методы, используемые для оценки сопротивления воды: (1) влажный уси- прочность на сдвиг склеенных образцов, измеренных сразу же после замачивания в водопроводной воде при 23 ° С в течение 48 ч, который был основан на стандарте ASTM D1151- 00 11; и (2) замачивают ук- прочности на сдвиг в склеек, измеренных после замачивания - циклов сушки, которая была похожа на китайского национального стандарта для клееной фанеры (GB / T 17657-1999 стандарту ASTM D1151-00 11. Некоторые газеты сообщают прочность во влажном состоянии только 5 или пропитанную силу только 6, или оба 11. Стоит также отметить, что пропитанные сила в этом протоколе измеряют после двух циклов выдержки при 63 ° С в течение 4 ч и сушке при комнатной температуре O / N (18 - 20 ч) 6. Некоторые исследователи измеряем пропитанной силу по истечении одного более замачивания и сушки процесса при комнатной температуре (т.е. 48 ч замачивания и от 2 до 7 дней сушки и при 23 ° С) 11,25. По нашему мнению, можно выбрать либо метод, основанный на их экспериментального наличии времени и их целей проекта.
В этой работе, мы протестировали прочность сцепления с одним двухслойных совместных образцов. Хотя этот подход наиболее широко используется (например, 4,6,9,11), более сложным или несколько перекрываются дерева образцы также быть использованы в адгезивных испытаний (например, два 2-слойные соединения с трех деревянных полос 7,22 29.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Defatted cottonseed meal | Kentwood Co-op | Kentwood, LA, USA | |
| Defatted soy meal | Kentwood Co-op | Kentwood, LA, USA | |
| Wood veneers | Certainly Wood, Inc. | East Aurora, NY, USA | |
| Cyclone sample mill (model 3010-014) | UDY Corporation | Fort Collins, CO, USA | |
| Benchtop heated press (model 3856) | Carver, Inc. | Wabash, IN, USA | |
| Materials tester | Zwick GmbH & Co. | Ulm, Germany |
References
- Frihart, C. R., Hunt, C. G. Wood Handbook: wood as an engineering material: General technical report FPL; GTR-190. , Dept. of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. (2010).
- Lambuth, A. L. Handbook of Adhesive Technology. Pizza, A., Mittal, K. L. , Marcel Dekker, Inc. 457-478 (2003).
- Kalapathy, U., Hettiarachchy, N. S., Myers, D., Hanna, M. A. Modification of soy proteins and their adhesive properties on woods. J. Am. Oil Chem. Soc. 72 (5), 507-510 (1995).
- Li, K., Peshkova, S., Geng, X. Investigation of soy protein-Kymene adhesive systems for wood composites. J. Am. Oil Chem. Soc. 81 (5), 487-491 (2004).
- Qi, G., Li, N., Wang, D., Sun, X. S. Adhesion and physicochemical properties of soy protein modified by sodium bisulfite. J. Am. Oil Chem. Soc. 90 (12), 1917-1926 (2013).
- Cheng, H. N., Dowd, M. K., He, Z. Investigation of modified cottonseed protein adhesives for wood composites. Ind. Crop. Prod. 46, 399-403 (2013).
- Pan, Z., Cathcart, A., Wang, D. Thermal and chemical treatments to improve adhesive property of rice bran. Ind. Crop. Prod. 22 (3), 233-240 (2005).
- Nordqvist, P., et al. Wheat gluten fractions as wood adhesives-glutenins versus gliadins. J. Appl. Polymer Sci. 123 (3), 1530-1538 (2012).
- Bandara, N., Chen, L., Wu, J. Adhesive properties of modified triticale distillers grain proteins. Int. J. Adhes. Adhes. 44, 122-129 (2013).
- Li, N., Qi, G., Sun, X. S., Stamm, M. J., Wang, D. Physicochemical properties and adhesion performance of canola protein modified with sodium bisulfite. J. Am. Oil Chem. Soc. 89 (5), 897-908 (2012).
- Wang, C., Wu, J., Bernard, G. M., Wasylishen, R. E. Preparation and characterization of canola protein isolate -poly(glycidyl methacrylate) conjugates: a bio-based adhesive. Ind. Crop. Prod. 57, 124-131 (2014).
- Kong, X., Liu, G., Curtis, J. M. Characterization of canola oil based polyurethane wood adhesives. Int. J. Adhes. Adhes. 31 (6), 559-564 (2011).
- Xiao, Z., et al. Utilization of sorghum lignin to improve adhesion strength of soy protein adhesives on wood veneer. Ind. Crop. Prod. 50, 501-509 (2013).
- Moubarik, A., Grimi, N., Boussetta, N., Pizzi, A. Isolation and characterization of lignin from Moroccan sugar cane bagasse: Production of lignin-phenol-formaldehyde wood adhesive. Ind. Crop. Prod. 45, 296-302 (2013).
- Patel, A. K., et al. Development of a chitosan-based adhesive. Application to wood bonding. J. Appl. Polymer Sci. 127 (6), 5014-5021 (2013).
- He, Z., Cao, H., Cheng, H. N., Zou, H., Hunt, J. F. Effects of vigorous blending on yield and quality of protein isolates extracted from cottonseed and soy flours. Modern Appl. Sci. 7 (10), 79-88 (2013).
- Amico, S., Hrabalova, M., Muller, U., Berghofer, E. Bonding of spruce wood with wheat flour glue-Effect of press temperature on the adhesive bond strength. Ind. Crop. Prod. 31, 255-260 (2010).
- Gao, Q., Shi, S. Q., Li, J., Liang, K., Zhang, X. Soybean meal-based wood adhesives enhanced by modified polyacrylic acid solution. BioResources. 7 (1), 946-956 (2011).
- Chen, N., Lin, Q., Rao, J., Zeng, Q. Water resistances and bonding strengths of soy-based adhesives containing different carbohydrates. Ind. Crop. Prod. 50, 44-49 (2013).
- He, Z., Chapital, D. C., Cheng, H. N., Dowd, M. K. Comparison of adhesive properties of water- and phosphate buffer-washed cottonseed meals with cottonseed protein isolate on maple and poplar veneers. Int. J. Adhes. Adhes. 50, 102-106 (2014).
- He, Z., Cheng, H. N., Chapital, D. C., Dowd, M. K. Sequential fractionation of cottonseed meal to improve its wood adhesive properties. J. Am. Oil Chem. Soc. 91 (1), 151-158 (2014).
- Sun, X., Bian, K. Shear strength and water resistance of modified soy protein adhesives. J. Am. Oil Chem. Soc. 76 (8), 977-980 (1999).
- He, Z., Chapital, D. C., Cheng, H. N., Klasson, K. T. Application of tung oil to improve adhesion strength and water resistance of cottonseed meal and protein adhesives on maple veneer. Ind. Crop. Prod. 61, 398-402 (2014).
- Hettiarachchy, N. S., Kalapathy, U., Myers, D. J. Alkali-modified soy protein with improved adhesive and hydrophobic properties. J. Am. Oil Chem. Soc. 72 (12), 1461-1464 (1995).
- Wang, D., Sun, X. S., Yang, G., Wang, Y. Improved water resistance of soy protein adhesive at isoelectric point. Trans. ASABE. 52 (1), 173-177 (2009).
- Zhong, Z., Sun, X. S., Fang, X., Ratto, J. A. Adhesive strength of guanidine hydrochloride-modified soy protein for fiberboard application. Int. J. Adhes. Adhes. 22 (4), 267-272 (2002).
- Kafkalidis, M., Thouless, M. The effects of geometry and material properties on the fracture of single lap-shear joints. Int. J. Solids Structures. 39 (17), 4367-4383 (2002).
- Tang, L., et al. Dynamic adhesive wettability of poplar veneer with cold oxygen plasma treatment. Bio Res. 7 (3), 3327-3339 (2012).
- Gui, C., Liu, X., Wu, D., Zhou, T., Wang, G., Zhu, J. Preparation of a new type of polyamidoamine and its application for soy flour-based adhesives. J. Am. Oil Chem. Soc. 99 (90), 265-272 (2013).
