Abstract
Recientemente, el interés en los productos a base de harina de semilla de planta como adhesivos para madera ha aumentado de manera constante, ya que estas materias primas vegetales se consideran renovables y el medio ambiente. Estos productos naturales pueden servir como alternativas a los adhesivos a base de petróleo para aliviar las preocupaciones ambientales y de sostenibilidad. Este trabajo demuestra la preparación y ensayo de los basados en semillas adhesivos para madera vegetales utilizando semillas de algodón y harina de soja como materia prima. Además de las comidas no tratados, el agua lava las comidas y aislados de proteína se preparó y ensayó. Lechadas adhesivas se preparan mezclando un producto de comida liofilizada con agua desionizada (03:25 w / w) durante 2 horas. Cada preparación de adhesivo se aplica a un extremo de tiras de chapa de madera 2 utilizando un cepillo. Las áreas de adhesivo pegajoso recubiertas de las tiras de chapa de madera se solapa engomada por prensado en caliente. Fuerza de adhesión se reporta como la resistencia al corte de la pieza de madera unidas a la rotura. La resistencia al agua de los adhesivos se mide porel cambio en la resistencia al corte de la madera en condiciones de servidumbre especímenes a la rotura después de remojo en agua. Este protocolo permite evaluar los productos agrícolas a base de semillas de plantas como candidatos adecuados para la sustitución de los adhesivos a base de madera-sintéticos. Los ajustes a la formulación de adhesivo con o sin aditivos y condiciones de unión podrían optimizar sus propiedades adhesivas para diversas aplicaciones prácticas.
Introduction
La unión adhesiva de la madera juega un papel cada vez mayor en la industria de productos forestales y es un factor clave para la utilización eficiente de los recursos maderables 1. El interés en el uso de adhesivos a base de productos naturales para la madera aumentó constantemente desde 1930 hasta alcanzar un pico alrededor de 1960 2. Después de este período, el precio de los adhesivos a base de petróleo llegó a ser tan baja que desplazaron adhesivos proteicos de varios mercados tradicionales. En las últimas dos décadas, esta tendencia se ha invertido con renovado interés en el uso de materiales que son renovables, biodegradables, y más ambientalmente aceptable. Estos recursos naturales incluyen, pero no se limitan a, proteína de soja 3-5, proteína de semilla de algodón 6, salvado de arroz 7, 8 gluten de trigo, proteína de grano de destiladores 9, de proteína de canola y aceite de 10-12, lignina de sorgo y caña de azúcar bagazo 13 , 14, y polisacáridos derivados de cáscaras de gambas 15.
<p class = "jove_content"> Mientras que las semillas aislados de proteína ha sido ampliamente evaluado como adhesivos para madera potenciales, el procedimiento de aislamiento implica alcalina corrosivos y reactivos ácidos y hace que los adhesivos a base de aislar relativamente caro y menos con el medio ambiente 16. Así, algunas harinas de semillas desgrasados (harinas) con o sin tratamiento también se han probado con el propósito de adhesivo, a pesar de que las propiedades adhesivas de estas comidas no se desempeñan tan bien como aislados de proteínas 17-19. Hemos fraccionado secuencialmente harina de algodón (CM) en diferentes fracciones, y examinó su fuerza adhesiva en chapas de madera pegado 20,21. La fracción sólida insoluble en agua (en lo sucesivo, de semilla de algodón se lavó comida-WCM) podría utilizarse como adhesivos para madera, comparable a la proteína de semilla de algodón aislado (CSPI), y sería menos costoso de preparar que CSPI.Fuerza de adhesión y resistencia al agua son dos parámetros críticos en la evaluación del desempeño deun material adhesivo potencial. Aquí, la fuerza adhesiva se reporta como la resistencia al corte a la rotura del enlace de vuelta de cada muestra de madera. La resistencia al agua del adhesivo se mide por el cambio en la resistencia al cizallamiento del recubrimiento de la muestra de madera unidas a la rotura debido a remojo en agua. El uso de semilla de algodón y soja comidas sin grasa como materia prima, este protocolo proporciona una manera simple y fácil de preparar y productos a base de semillas de plantas de prueba como adhesivos para madera. Este protocolo sería útil para facilitar el esfuerzo en la búsqueda de fórmulas más económicas y respetuosas del medio ambiente de los adhesivos naturales madera a base de productos.
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Protocol
1. La semilla de algodón y productos a base de harina de soja (Figura 1)
- Obtener las materias primas, de semilla de algodón desgrasado y comidas de soja, de fuentes disponibles en el mercado.
- Obtener la comida de trabajo mediante molienda de la harina desgrasada sólido en un molino de muestras ciclón para pasar un tamiz de acero de 0,5 mm 16.
- Preparar comidas lavados de agua de las comidas de trabajo después de la extracción de agua (25 g de harina: 200 ml de agua) para separar los componentes solubles en agua en las comidas 21.
- Preparar aislados de proteínas de las comidas de trabajo por extracción alcalina y precipitación ácida 16.
2. Preparación de las tiras de chapa de madera
- Chapas de madera cortada (1,59 mm de espesor) obtenidos de una fuente disponible comercialmente en tiras 25,4 mm de ancho por 88,9 mm de largo.
- Lápiz marque una línea a través de la veta de la madera en el 25,4 mm (1.0 ") de longitud de un extremo de cada tira Etiqueta de estas tiras adecuadamente con pruebas tratamientos o números 5.. -10 pares de madera se preparan para cada variable de la prueba.
3. Preparación de adhesivo suspensiones
- Calcular la cantidad de agua se lavó comida necesaria por las muestras de madera para las pruebas, por la tasa de aplicación (por ejemplo, 4 mg seco contenido cm -2) x área total de unión (por ejemplo, 581 cm 2 de 90 tiras de madera con área de unión 2,54 x 2,54 cm cada uno) más un 30% adicional para enoughness (es decir, 4 x 581 x 130% 3 g de agua se lavó comida para el ejemplo).
- Mezcle el agua comida se lavó con agua desionizada (3:25 w / w), y revuelva con una barra de agitación magnética durante 2 horas en un vaso sellado con Parafilm.
4. Preparación de servidumbre de madera Muestras
- Cepille lechada adhesiva en un extremo de tiras de chapa de madera que cubren 2 25.4 mm (1.0 ") de longitud Aire seco durante 10 - 15 min. O hasta de mal gusto.
- Cepillo una segunda capa de lechada de adhesivo en la parte superior de la primera capa y secar al aire de nuevo. La cantidad de adhesivo secopreparación aplicada es de alrededor de 4,5 mg de sólido seco por cm2 de unión son de cada tira de madera.
- La superposición de la zona recubierta adhesivo pegajoso (25,4 x 25,4 mm o 1,0 "x 1,0") de tiras de chapa de madera 2. Prensado en caliente utilizando una prensa de sobremesa climatizada a 100 ° C durante 20 min a una presión de 400 psi (2,8 MPa). Tenga en cuenta que la presión es la fuerza aplicada por la prensa dividida por el área superpuesta de las muestras de madera. Estos parámetros de unión pueden ser modificados según sea necesario para cada variable de la prueba.
- Dejar enfriar y acondicionar las muestras de madera unidas durante 48 horas en un cuarto acondicionado o una incubadora con control de humedad (temperatura de 22-23 ° C y una humedad relativa del 50 - 60%; Figura 2).
5. Los experimentos resistencia al agua
- Sumergir las muestras de madera unidas, después del acondicionamiento inicial, en el agua del grifo durante 48 horas en una bandeja de plástico a temperatura ambiente (22-23 ° C). Las muestras húmedas después de la inmersión se prueban inmediatamente para la cizallaresistencia a la rotura y reportado como resistencia a la humedad. El exceso de agua en la superficie de la chapa se puede eliminar mediante golpecitos suavemente con papel tisú antes de las mediciones.
- Sumerja otro conjunto de muestras de madera unidas, después del acondicionamiento inicial, en un baño de agua a 63 ºC durante 4 horas, luego seca en condiciones ambientales (temperatura de 22-23 ° C y una humedad relativa del 50 - 60%) O / N (18 - 20 h). Repita el ciclo de inmersión-secado una vez con un tiempo de secado de 48 horas. Las muestras secas se prueban para la resistencia al corte a la rotura y reportados como fuerza adhesiva empapado.
6. Lap resistencia al corte Mediciones
- Colocar una muestra de madera unidas en los 32 x 40 mm Fishscale mordazas de cuña reticulares en un probador de materiales con una presión de agarre de 7 MPa, y establecer la velocidad de la cruceta a 1 mm min -1.
- Medir y registrar la resistencia al corte de rotura para cada muestra de madera unidas. Los resultados de las mediciones múltiples se promedian para cada forma de adhesivoulación y variable de prueba.
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Representative Results
El rendimiento de cada formulación de adhesivo está determinada por la resistencia al cizallamiento de la muestra de madera unidas a la rotura y los valores varían en función de las dimensiones de la chapa de madera utilizado. Por ejemplo, en la Tabla 1, los valores de resistencia adhesiva seca y se sumergen de las muestras unidas son menores cuando se utilizan tiras de arce delgado y más estrecho (ver semilla de algodón-1), en oposición a las tiras más gruesas y más amplios de semilla de algodón-2 recomendadas en el protocolo, usando la misma formulación de adhesivo a base de semilla de algodón. También se observaron varias muestras de fracaso de madera durante las mediciones de resistencia al corte adhesivas de chapas de madera delgadas y estrechas. Específicamente, 3 de la comida desgrasada, 4 de la comida lavado, y todos los 10 de la proteína aislar falló en el grano de madera en lugar de en la junta adhesiva en muestras unidas secas, y cuando se utilizan las mismas tres formulaciones adhesivas, respectivamente, 0, 6 y 9 de las muestras remojadas falló en el grano de la madera. Esto indica que laadhesivo es más fuerte que la madera fina tiras 21. Una observación general parece aplicable tanto a las materias primas utilizadas. Es decir, el rendimiento del adhesivo de lavado con agua harina de algodón es comparable a la de aislado de proteína de semilla de algodón. Por otro lado, para productos de soja, los puntos fuertes tanto en seco y empapado de la comida lavado con agua son similares a los de la harina desgrasada que a las de aislado de proteína, lo que puede reflejar la diferencia en la composición química de la harina de semilla de algodón y harina de soja.
Tabla 2 compara la resistencia al corte de secas mojadas, así como muestras, remojadas en condiciones de servidumbre a 100 ° C por medio de lavado con agua y harina de algodón cuatro tipos de madera. La resistencia al cizallamiento es en el orden: seco> empapado> húmedo para los cuatro tipos de madera, lo que indica la misma tendencia que el agua se debilita la fuerza de unión de estas muestras de madera, y parte de la resistencia de la unión adhesiva se recupera después del secado. La resistencia al corte en seco de álamo, abeto Douglas, y el roble blancoson básicamente iguales, pero la resistencia en seco es más baja con la nuez. La pequeña diferencia hace que el impacto del tipo de madera en la fuerza de adherencia en seco solamente significativas a P = 0,1. El impacto del tipo de madera es más estadísticamente significativo en los datos de la resistencia al cizallamiento mojadas y empapadas con P <0,001. En la actualidad, el orden de la resistencia en húmedo y empapado de las muestras unidas para las maderas 4 no es la misma que la de la resistencia en seco. Atribuimos esta observación a la diferencia en el grado de expansión (hinchazón) de cada tipo de madera durante el remojo; la tasa de expansión de la chapa de madera puede llegar a ser incompatible con el adhesivo y podría ejercer ciertas presiones para reducir la fuerza adhesiva de la articulación de la fianza. Sol y Bian 22 propuesto que los tipos de madera con una mayor expansión de volumen mayor lineal o tendrían mayor tensión de contracción durante el secado, lo que explica en parte las tasas más altas de delaminación de arce y pares de álamo que el nogal y pino durante su watpruebas er-remojo.
Figura materiales a base de harina de semillas 1. Top -. De semilla de algodón, inferior - soja. De izquierda a derecha:. Harina desgrasada, comida de trabajo, lavado con agua y comida aislado de proteína Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. muestras de madera pegadas a un lado para el acondicionamiento (temperatura de 22-23 ° C y una humedad relativa del 50 - 60%) Izquierda 5, álamo.; Derecha 5, nogal. La zona de servidumbre (25,4 x 25,4 mm o 1,0 "x 1,0") se muestra entre las líneas rojas en el par más a la izquierda. Plaliviar clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Adhesivo | La resistencia en seco | Fuerza Empapado |
| La semilla de algodón-1 ‡: | ||
| Harina desgrasada | 1.49 ± 0.14 una | 1.37 ± 0.17 a |
| Agua comida lavada | 1.55 ± 0.11 una | 1.55 ± 0.15 b |
| Aislado de proteína | 1.53 ± 0.18 una | 1,53 ± 0,14 b |
| La semilla de algodón-2 $: | ||
| Harina desgrasada | ND # | ND # |
| Agua comida lavada | 3,26 ± 0,50 | 2,38 ± 0,51 a |
| Aislado de proteína | 3.6977; 1.13 un | 2.39 ± 0.61 a |
| La soja $: | ||
| Harina desgrasada | 2,40 ± 0,50 | 1.25 ± 0.19 una |
| Agua comida lavada | 2.29 ± 0.39 a | 1.60 ± 0.37 una |
| Aislado de proteína | 3.51 ± 0.33 b | 3,76 ± 0,90 b |
‡ Los adhesivos se aplicaron a tiras de madera más delgadas y estrechas (0.99 mm de espesor x 12,7 mm de ancho x 25,4 mm de largo).
$ adhesivos se aplicaron a tiras de madera más gruesas y más amplios como se describe en el protocolo (1,59 mm de espesor x 25,4 mm de ancho x 25,4 mm de largo).
# No determinado.
Tabla 1. Resistencia al cizallamiento (MPa) de tiras de madera de arce secas y empapados unido a 100 ° C con harina desgrasada, lavada con agua de comida, y aislado de proteína de semilla de algodón y soja. P = 0,05. El paquete de análisis de datos en Microsoft Excel 2007 se utilizó para el análisis estadístico.
| Madera | La resistencia en seco | Resistencia a la humedad |
| Álamo | 4,52 ± 0,54 | 1.73 ± 0.20 |
| Abeto Douglas | 4,30 ± 0,96 | 2,24 ± 0,14 |
| Nogal | 3,59 ± 0,23 | 1.78 ± 0.10 |
| El roble blanco | 4.33 ± 0.32 | 1.66 ± 0.25 |
| El nivel de significancia (P> F) | 0.1 | <0,001 |
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Discussion
Este trabajo presenta un procedimiento básico para preparar y productos como adhesivos para madera planta de prueba de semillas de base. Las lechadas adhesivas ejemplificado en este protocolo son simplemente el producto de harina de semilla desgrasada y agua. Diversas formulaciones adhesivas se pueden alcanzar mediante la adición de reactivos para las pruebas (tales como dodecilsulfato de sodio, bisulfito de sodio o de aceite de tung) 5,6,23 y / o cambios en las condiciones (tales como el pH, la proporción de sólidos y agua) mezclando 3,24 , 25. También es necesario un ajuste de la formulación de adhesivo si las propiedades reológicas de la suspensión de adhesivo no son adecuados para la aplicación apropiada a las tiras de madera.
Los materiales de prueba de superficie sólida, chapas de madera, son productos naturales de manera que se puede esperar una alta variación de texturas de madera y rugosidad de la superficie. Por esta razón, las pruebas se replica 3-10 han sido reportados en la literatura. Debido a estas variaciones y otros factores conocidos y desconocidos, no es raro ver a los grandesdesviaciones estándar (> 10%) observados en las mediciones de resistencia al corte, como en la Tabla 1 y la literatura 6-8,12,25, y esto puede socavar algunos análisis estadísticos en P ≤ 0,05. Por lo tanto, algunos papeles simplemente presentan los datos con desviaciones estándar, y luego comparar y discutir sin importancia el análisis estadístico (por ejemplo, 7,8,12,26). Este enfoque todavía tiene cierto sentido, mostrando las tendencias generales de la influencia de las variables de la prueba.
Cabe señalar que la medición de la resistencia al cizallamiento también es sensible a las dimensiones de la muestra y los resultados numéricos no se pueden comparar entre diferentes geometrías. Los valores más altos de resistencia al cizallamiento de semilla de algodón-2 de semilla de algodón-1 de la Tabla 1 son aparentemente debido a muestras de madera más gruesas y más amplios utilizados para semilla de algodón-2. Se ha informado de que la fuerza de una junta de solape cizallamiento puede variar con la longitud total de la muestra, incluso para un ov fijolongitud ERLAP 27. Por lo tanto, la comparación sólo se puede realizar entre las muestras en el mismo conjunto de pruebas, no entre diferentes geometrías de ensayo, tales como entre semilla de algodón y soja-2 (Tabla 1). Más información sobre los efectos de la geometría y las propiedades del material en la fractura de las articulaciones lap-cortantes individuales se pueden encontrar en Kafkalidis y Thouless 27.
La resistencia al corte se puso a prueba en referencia a la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales Método (ASTM) Standard D-906 22. Este protocolo se presentan dos métodos comunes que se utilizan para la evaluación de la resistencia al agua: (1) mojado fortale- la resistencia al corte de las muestras unidas medidos inmediatamente después de la inmersión en agua corriente a 23 ° C durante 48 horas, que se basa en la norma ASTM D1151- 00 11; y (2) empapado fortale- la resistencia al corte de las muestras unidas medidos después de remojo - ciclos de secado, que era similar a la Norma Nacional China para la madera contrachapada (GB / T 17657-1999 ASTM D1151-00 Standard 11. Algunos periódicos informan de resistencia a la humedad sólo 5 o fuerza empapado sólo 6, o ambos 11. También vale la pena señalar que la fuerza empapado en este protocolo se mide después de dos ciclos de remojo a 63 ° C durante 4 horas y secar a RT O / N (18-20 h) 6. Algunos investigadores miden empapados fuerza después de un proceso de remojo y secado más prolongado a temperatura ambiente (es decir, 48 horas de remojo y de 2 a 7 días de secado, tanto a 23 ° C) 11,25. En nuestra opinión, se puede elegir cualquiera de los métodos en función de su disponibilidad de tiempo experimental y sus metas del proyecto.
En este trabajo, hemos probado la resistencia de adherencia con las únicas muestras conjuntas de dos capas. Aunque este enfoque es el más ampliamente utilizado (por ejemplo, 4,6,9,11), más complicado o múltiple superponen muestras de madera también se han utilizado en las pruebas de adhesivo (por ejemplo, dos articulaciones de 2 capas con tres tiras de madera 7,22 29.
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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
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