Abstract
For nylig har interesse i planter frø måltid-baserede produkter som træ lim steget støt, da disse vegetabilske råvarer betragtes vedvarende og miljøvenlig. Disse naturlige produkter kan fungere som alternativer til oliebaserede klæbestoffer at lette miljø og bæredygtighed bekymringer. Dette arbejde viser fremstillingen og afprøvningen af plantefrø-baserede træ lim de ved hjælp af bomuldsfrø og sojamel som råvarer. Ud over ubehandlede måltider, vasket med vand måltider og proteinisolater er fremstillet og testet. Klæbende opslæmninger fremstilles ved at blande en frysetørret måltid produkt med deioniseret vand (03:25 w / w) i 2 timer. Hvert klæbende præparat påføres den ene ende af 2 træ finer strimler ved hjælp af en pensel. De tarvelige lim belagte områder af træ finer strimler lappede og limet med varmpresning. Klæbestyrken rapporteres som forskydningsstyrken af de bundne træemne ved brud. Vandtæthed klæbemidlerne måles vedændringen i forskydningsstyrke af det bundne træemner ved brud efter vand iblødsætning. Denne protokol gør det muligt at vurdere plante frø-baserede landbrugsvarer som egnede kandidater til substitution af syntetisk-baserede træ lim. Tilpasninger af klæbende formulering med eller uden tilsætningsstoffer og limning forhold kan optimere deres klæbende egenskaber til forskellige praktiske anvendelser.
Introduction
Limning af træ spiller en stigende rolle i skoven produkt branchen og er en afgørende faktor for effektiv udnyttelse træressourcer 1. Interesse for brugen af naturligt produkt klæbemidler til træ støt fra 1930'erne for at nå et højdepunkt omkring 1960 2. Efter denne periode er prisen på oliebaserede klæbestoffer blev så lave, at de fordrevne protein lim fra flere traditionelle markeder. I de seneste to årtier har denne tendens vendt med fornyet interesse for brugen af materialer, der er vedvarende, biologisk nedbrydeligt, og mere miljøvenlig. Disse naturlige ressourcer omfatter, men er ikke begrænset til, sojaprotein 3-5, bomuldsfrøolie protein 6, risklid 7, hvedegluten 8, bærme protein 9, raps protein og olie 10-12, lignin fra durra og sukkerrør bagasse 13 , 14 og polysaccharider afledt fra rejeskaller 15.
<p class = "jove_content"> de frøprotein isolater er blevet bredt vurderet som potentielle træ lim, isolation procedure involverer ætsende alkaliske og sure reagenser og det gør isolere klæbestoffer relativt dyre og mindre miljøvenlige 16. Således har nogle affedtede frø måltider (mel) med eller uden behandling også blevet testet for limen formål, selvom de klæbende egenskaber af disse måltider ikke udfører samt proteinisolater 17-19. Vi har sekventielt fraktioneret bomuldsfrø måltid (CM) i forskellige fraktioner, og undersøgte deres klæbestyrke i bonding træ finér 20,21. Den vanduopløselige faste fraktion (herefter vasket bomuldsfrømel-WCM) kan anvendes som træ lim, der kan sammenlignes med bomuldsfrøolie proteinisolat (CSPI) og ville være mindre kostbart at fremstille end CSPI.Klæbestyrke vandbestandighed er to kritiske parametre i evalueringen af den præstation afen potentiel klæbende materiale. Her klæbestyrken rapporteret som forskydningsstyrken ved brud på skødet binding af hver træemne. Vandtæthed af klæbemidlet målt ved ændringen i forskydningsstyrke af de bundne træemne ved brud på grund af vand iblødsætning. Brug af affedtede bomuldsfrø og soja måltider som råvarer, denne protokol giver en enkel og ligetil måde at forberede og test frø-baserede produkter som træ lim. Denne protokol vil være nyttige i at fremme indsatsen i at søge flere økonomiske og miljøvenlige formuleringer af naturligt produkt baseret træ lim.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bomuldsfrø og sojamel-baserede produkter (figur 1)
- Få de råvarer, fedtfrit bomuldsfrø og soja måltider, fra kommercielt tilgængelige kilder.
- Anskaf arbejdsmiljøet måltid ved at slibe den faste affedtede måltid i en cyklon prøve mølle til at passere en 0,5 mm stål skærm 16.
- Forbered vand vaskede måltider fra de arbejdende måltider efter vandindvinding (25 g mel: 200 ml vand) til at adskille vandopløselige bestanddele i måltider 21.
- Forbered protein isolater fra arbejdsgrupperne måltider ved alkali ekstraktion og syre nedbør 16.
2. Fremstilling af Wood Veneer Strips
- Cut træ finér (1,59 mm tyk) opnået fra en kommercielt tilgængelig kilde i strimler 25,4 mm brede med 88,9 mm lang.
- Blyant markere en linje på tværs af træets årer på 25,4 mm (1,0 ") længde fra den ene ende af hver strimmel mærke disse strimler passende med at teste behandlinger eller tal 5.. -10 træ par er forberedt til hver test variabel.
3. Fremstilling af selvklæbende Slam
- Beregn den mængde vand vaskes måltid nødvendig pr træ prøver til test, ved dosering (fx 4 mg tørstofindhold cm -2) x total limning område (f.eks, 581 cm 2 af 90 træ strips med 2,54 x 2,54 cm bonding område hver) plus 30% ekstra for enoughness (dvs. 4 x 581 x 130% 3 g vand vasket måltid for eksempel).
- Bland vand vasket måltid med deioniseret vand (03:25 vægt / vægt), og omrøres med en magnetisk omrører i 2 timer i et bægerglas forseglet med Parafilm.
4. Fremstilling af bundne Wood Enheder
- Børst selvklæbende gylle på den ene ende af 2 træ finer strimler dækker 25,4 mm (1,0 ") længde lufttørre i 10 - 15 min., Eller indtil tarvelige.
- Børste et andet lag af klæbemiddel opslæmning oven på det første lag og lufttørre igen. Mængden af tør limpræparat anvendes, er ca. 4,5 mg tør fast pr cm2 af binding er af hver træstaven.
- Overlap tarvelige klæbemiddelbelagte område (25,4 x 25,4 mm eller 1,0 "x 1,0") på 2 træ finer strimler. Hot-presse under anvendelse af en Benchtop opvarmet presse ved 100 ° C i 20 minutter ved et tryk på 400 psi (2,8 MPa). Bemærk trykket er den kraft i pressen divideret med det overlappede område af træprøver. Disse limning parametre kan ændres efter behov for hver test variabel.
- Køling og de bundne træemner i 48 timer i en konditionering rum eller en inkubator fugtstyring (temperatur 22-23 ° C og en relativ fugtighed på 50 - 60%; figur 2).
5. Vand Resistance Eksperimenter
- Fordyb de bundne træ prøver, efter indledende konditionering, i postevand i 48 timer i en plastbakke ved stuetemperatur (22-23 ° C). De våde prøver efter neddypning testes umiddelbart for forskydningstyrke ved brud og rapporteres som våd styrke. Overskydende vand på finer overflade kan fjernes ved forsigtigt at duppe med papirserviet før målinger.
- Fordyb andet sæt bundet træ prøver, efter indledende konditionering, i et vandbad ved 63 ºC i 4 timer, så tør lokaleforhold (temperatur på 22-23 ° C og en relativ fugtighed på 50 - 60%) O / N (18 - 20 timer). Gentag fordybelse tørring cyklus gang med en 48 timers tørretid. De tørrede prøver testes derefter for forskydningsstyrken ved brud og rapporteres som gennemblødt klæbekraft.
6. forskydningsstyrke Målinger
- Monter et bundet træ prøve ind i 32 x 40 mm Fiskeskæl kvadratnet kile greb på et Materialer Tester med en gribende tryk på 7 MPa, og indstil krydshovedhastighed på 1 mm min -1.
- Mål og registrere forskydningsstyrke på pause for hver bundet træ prøve. Resultaterne af flere målinger midles for hvert klæbemiddel formularfolkning og test variabel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hvert klæbende formulering ydeevne bestemmes af forskydningsstyrken af de bundne træemne ved brud og værdierne varierer afhængigt af dimensionerne af træfinér anvendes. For eksempel i tabel 1, de tørre og gennemvædet klæbestyrke værdier af de bundne prøver er lavere når der anvendes tyndere og smallere ahorn strimler (se bomuldsfrø-1), i modsætning til de tykkere og bredere strimler af bomuldsfrø-2 anbefales i protokol, anvendelse af den samme bomuldsfrø klæbestoffer formulering. Også observeret var flere svigt træ prøver under klæbende forskydningsstyrke målinger af tynde og smalle træ finér. Specifikt 3 affedtet mel, 4 af den vaskede måltid, og alle 10 af proteinisolatet mislykkedes i træets årer snarere end på limsamlingen i tørre bundne prøver, og ved anvendelse af de samme tre klæbende formuleringer, henholdsvis 0, 6 og 9 i de udblødte prøver mislykkedes i træets årer. Dette indikerer, atklæbemidlet er stærkere end den tynde trælister 21. En generel bemærkning synes gælder både for råvarer. Det vil sige, den klæbende ydeevne vasket med vand bomuldsfrø måltid er sammenlignelig med bomuldsfrøolie proteinisolat. På den anden side, for sojaprodukter, både tørre og gennemvædet styrker vasket med vand måltid svarer til dem af affedtet mel end dem af proteinisolat, som kan afspejle forskelle i den kemiske sammensætning af bomuldsfrø måltid og sojamel.
Tabel 2 sammenlignet forskydningsstyrke på tør, våd, og gennemvædet prøver bundet ved 100 ° C ved anvendelse af vand vasket bomuldsfrøolie måltid og fire træsorter. Forskydningsstyrken er i rækkefølge: tør> gennemvædet> våd for alle fire typer af træ, der angiver den samme tendens, at vand svækker bindingsstyrken af disse træemner, og en del af klæbemidlet bindingsstyrken udvindes efter tørring. Den tørre forskydningsstyrke på poppel, Douglas gran og hvid eger dybest set ens, men den tørre styrke er lavere med valnød. Den lille forskel gør virkningen af træsort på den tørre klæbestyrke kun signifikant ved P = 0,1. Virkningen af den træsort er mere statistisk signifikant på de våde og gennemvædet forskydningsstyrke data med P <0,001. I virkeligheden rækkefølgen af den våde og gennemblødt styrke de bundne prøver til de 4 skove er ikke samme som den tørre styrke. Vi tilskriver denne iagttagelse til forskellen i graden af ekspansion (hævelse) af hver træsort under iblødsætning; udvidelse satsen for træfinér kan blive uforenelig med lim og kunne udøve visse spændinger til at sænke obligationen leddets klæbekraft. Sun og Bian 22 foreslået, at træsorter med højere lineær eller bulkvolumen ekspansion ville have højere svind stress under tørring, hvilket delvis forklarer de højere delaminering satser ahorn og poppel par end valnød og fyrretræ under deres watER-iblødsætning tests.
Figur 1. Seed måltid baseret materiale Top -. Bomuldsfrø, bund - soja. Fra venstre mod højre:. Affedtet mel, arbejder måltid, vand vasket måltid og proteinisolat Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2. Bonded træ prøver afsat til konditionering (temperatur på 22-23 ° C og en relativ fugtighed på 50 - 60%) Venstre 5, poppel.; Right 5, valnød. Det bundne areal (25,4 x 25,4 mm eller 1,0 "x 1,0") vises mellem de røde streger på det mest venstre par. Pllethed klik her for en større version af dette tal.
| Lim | Tørstyrke | Soaked styrke |
| Bomuldsfrø-1 ‡: | ||
| Affedtet mel | 1,49 ± 0,14 a | 1,37 ± 0,17 a |
| Vasket med vand måltid | 1,55 ± 0,11 a | 1,55 ± 0,15 B |
| Proteinisolat | 1,53 ± 0,18 a | 1,53 ± 0,14 B |
| Bomuldsfrø-2 $: | ||
| Affedtet mel | ND # | ND # |
| Vasket med vand måltid | 3,26 ± 0,50 a | 2,38 ± 0,51 a |
| Proteinisolat | 3,6977; 1.13 a | 2,39 ± 0,61 a |
| Soy Bean $: | ||
| Affedtet mel | 2,40 ± 0,50 a | 1,25 ± 0,19 a |
| Vasket med vand måltid | 2,29 ± 0,39 a | 1,60 ± 0,37 a |
| Proteinisolat | 3.51 ± 0,33 B | 3,76 ± 0,90 B |
‡ Lim blev påført tyndere og smallere træ strips (0,99 mm tykke x 12,7 mm bred x 25,4 mm lange).
$ Lim blev påført tykkere og bredere træ strimler som beskrevet i protokollen (1,59 mm tykke x 25,4 mm bred x 25,4 mm lange).
# Ikke bestemt.
Tabel 1. Forskydningsstyrke (MPa) tørt og gennemvædet ahorn trælister bundet ved 100 ° C med affedtet mel, vand vasket måltid, og proteinisolat af bomuldsfrø og soja. P = 0,05. Den dataanalyse pakke i Microsoft Excel 2007 blev anvendt til statistisk analyse.
| Træ | Tørstyrke | Vådstyrke |
| Poplar | 4,52 ± 0,54 | 1,73 ± 0,20 |
| Douglasgran | 4,30 ± 0,96 | 2,24 ± 0,14 |
| Walnut | 3,59 ± 0,23 | 1,78 ± 0,10 |
| Hvid eg | 4,33 ± 0,32 | 1,66 ± 0,25 |
| Signifikansniveau (P> F) | 0.1 | <0,001 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne artikel præsenterer en grundlæggende fremgangsmåde til at forberede og test frø-baserede produkter som træ lim. De klæbende slam exampled i denne protokol er simpelthen den affedtede frø måltid produkt og vand. Forskellige klæbende formuleringer kan nås ved tilsætning af test reagenser (såsom natriumdodecylsulfat, natriumbisulfit eller tung olie) 5,6,23 og / eller ændringer i blande betingelser (såsom pH, forholdet mellem fast og vand) 3,24 , 25. Justering af den klæbende formulering også nødvendig, hvis de rheologiske egenskaber af det klæbende opslæmningen er ikke egnet til passende anvendelse til trælister.
De fast overflade testmateriale, træ finér, er naturlige produkter, så man kan forvente store variation af træ teksturer og overfladeruhed. Af denne grund, prøvning replikerer 3-10 er blevet rapporteret i litteraturen. På grund af disse variationer og andre kendte og ukendte faktorer, er det ikke ualmindeligt at se stortstandardafvigelser (> 10%) observeret i forskydningsstyrke målinger, som i tabel 1 og i litteraturen 6-8,12,25, og dette kan undergrave vis statistisk analyse på P ≤ 0,05. Således nogle papirer simpelthen præsentere data med standardafvigelser, derefter sammenligne og diskutere dem uden statistisk signifikans analyse (f.eks 7,8,12,26). Denne tilgang gør stadig en vis forstand ved at vise generelle tendenser for indflydelse fra test variabler.
Det skal bemærkes, at måling af forskydningsstyrke er også følsomme over for prøven dimensioner og de numeriske resultater kan ikke sammenlignes mellem forskellige geometrier. De højere værdier for forskydningsstyrke på bomuldsfrø-2 end bomuldsfrø-1 i tabel 1 tilsyneladende på grund af tykkere og bredere træ enheder, der anvendes til bomuldsfrø-2. Det forlyder, at styrken af en lap-shear fælles kan variere med den samlede længde af prøven selv for en fast ovERLAP længde 27. Således kan kun foretages sammenligningen mellem prøverne i det samme sæt af tests, ikke mellem forskellige test geometrier, såsom mellem bomuldsfrø-2 og sojabønne (tabel 1). Flere oplysninger om virkningerne af geometri og materialeegenskaber på fraktur af enkelt lap-shear samlinger kan findes i Kafkalidis og Thouless 27.
Den forskydningsstyrke blev testet i forhold til American Society for Testing and Materials (ASTM) standard metode D-906 22. Denne protokol indeholder to almindelige metoder, der anvendes til evaluering af vandtæthed: (1) vådt styrket forskydningsstyrke af de bundne prøver målt umiddelbart efter iblødsætning i postevand ved 23 ° C i 48 timer, som var baseret på ASTM Standard D1151- 00 11; og (2) gennemvædet styrket forskydningsstyrke af de bundne prøver målt efter iblødsætning - tørrecyklusser, som svarede til den kinesiske nationale standard for Krydsfiner (GB / T 17657-1999 ASTM Standard D1151-00 11. Nogle papirer rapporterer vådstyrken kun 5 eller gennemblødt styrke kun 6 eller begge 11. Det er også værd at påpege, at den gennemblødt styrke i denne protokol er målt efter to cykler af iblødsætning ved 63 ° C i 4 timer og tørring ved RT O / N (18-20 timer) 6. Nogle forskere måle gennemvædet styrke efter en længere iblødsætning og tørringsprocessen ved stuetemperatur (dvs. 48 timer iblødsætning og 2- til 7-dages tørring både ved 23 ° C) 11,25. Det er vores opfattelse, kan man vælge enten metode baseret på deres eksperimentelle tid tilgængelighed og deres projektmål.
I dette arbejde, vi testede klæbestyrken med de enkelte to-lags fælles prøver. Skønt mest udbredte denne fremgangsmåde (fx 4,6,9,11), mere komplicerede eller flere overlappede træemner har også anvendes i de klæbende tests (f.eks, to 2-lags samlinger med tre trælister 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).
