Abstract
In letzter Zeit hat das Interesse an Pflanzensamenmehl-basierten Produkten wie Holzklebstoffe stetig erhöht, da diese pflanzlichen Rohstoffen gelten als erneuerbare und umweltfreundlich. Diese natürlichen Produkte können dienen als Alternative zu Erdöl-basierten Klebstoffen, um Umwelt- und Nachhaltigkeitsaspekten zu erleichtern. Diese Arbeit zeigt die Herstellung und Prüfung der Pflanzensamen basierende Holzklebstoffe mit Baumwollsamen und Sojamehl als Rohstoff. Neben unbehandeltem Mahlzeiten, Wasser gewaschen Mahlzeiten und Protein-Isolate werden hergestellt und getestet. Adhesive Schlämme werden durch Mischen einer gefriergetrockneten Mahlzeiten Produkt mit VE-Wasser (3.25 m / m) für 2 Stunden vorbereitet. Jede Klebstoffzubereitung auf einem Ende 2 Holzfurnierstreifen mit einem Pinsel aufgetragen. Die klebrigen Klebstoff beschichteten Bereiche der Holzfurnierstreifen werden durch überlappt und geklebt Heißpressen. Haftfestigkeit wird als die Scherfestigkeit der gebundenen Holzprobe Dehnung berichtet. Wasserbeständigkeit der Klebstoffe wird gemessendie Änderung der Scherfestigkeit des gebundenen Holzproben Dehnung nach Einweichen in Wasser. Dieses Protokoll erlaubt es, Pflanzensamen-basierten landwirtschaftlichen Produkten als geeignete Kandidaten für die Substitution synthetischer Basis Holzklebstoffe zu bewerten. Anpassungen der Klebstoffformulierung mit oder ohne Zusatzstoffen und Bindungsbedingungen könnten ihre Hafteigenschaften für verschiedene praktische Anwendungen zu optimieren.
Introduction
Kleben von Holz spielt eine immer größere Rolle in der Waldprodukt-Industrie und ist ein Schlüsselfaktor für die effiziente Nutzung von Holzressourcen ein. Das Interesse an der Nutzung der natürlichen Produktbasierte Klebstoffe für Holz stieg stetig von den 1930er Jahren, um eine Spitze um 1960 2 zu erreichen. Nach Ablauf dieser Frist ist der Preis für Erdöl-basierten Klebstoffe wurde so niedrig, dass sie verschoben Proteinkleber aus mehreren traditionellen Märkten. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich dieser Trend mit erneutem Interesse an der Verwendung von Materialien, die erneuerbare, die biologisch abbaubar sind umgekehrt, und umweltverträglicher. Diese natürlichen Ressourcen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Sojaprotein 3-5, Baumwollsamenprotein 6, Reiskleie 7, Weizengluten 8, Getreideschlempe Protein 9, Raps-Protein und Öl 10-12, Lignin aus Sorghum und Zuckerrohrbagasse 13 begrenzt , 14 und Polysacchariden aus Garnelenschalen 15 abgeleitet.
<p class = "jove_content"> Während Samenprotein-Isolate wurden weithin als potenzielle Holzklebstoffe ausgewertet umfasst das Isolierungsverfahren ätzende alkalische und saure Reagenzien und es macht Isolat basierte Klebstoffe relativ teuer und weniger umweltfreundliche 16. So haben einige entfetteten Samen Mahlzeiten (Mehl) mit oder ohne Behandlung auch für die Klebe Zweck getestet, obwohl die Hafteigenschaften dieser Mahlzeiten nicht durchführen sowie Proteinisolaten 17-19. Wir haben der Reihe nach aufgetrennt Baumwollsamenmehl (CM) in verschiedene Fraktionen und untersuchten ihre Haftfestigkeit der Bindung Holzfurniere 20,21. Das wasserunlösliche Feststoffanteil (nachfolgend gewaschen Baumwollsamenmehl-WCM) könnte als Holzklebstoffe, vergleichbar mit Baumwollsamenprotein-Isolat (CSPI) verwendet werden und wäre kostengünstiger herzustellen als CSPI sein.Haftfestigkeit und Wasserbeständigkeit sind zwei kritische Parameter bei der Bewertung der Leistungeine potentielle Klebematerial. Hier wird die Haftfestigkeit als die Scherfestigkeit bei Bruch der Runde Bindung der einzelnen Holzprobe angegeben. Wasserbeständigkeit des Klebemittels durch die Änderung in der Überlappungsscherfestigkeit der verklebten Holzprobe Dehnung aufgrund Wasserbefeuchtungsfüße gemessen. Mit Baumwoll entfettet und Soja-Mahlzeiten als Rohstoffe, bietet dieses Protokoll eine einfache und unkomplizierte Weise und Testpflanzensamen basierende Produkte wie Holzklebstoffe vorzubereiten. Dieses Protokoll wäre hilfreich bei der Erleichterung der Bemühungen bei der Suche nach wirtschaftlicheren und umweltfreundliche Formulierungen der Naturstoffbasis Holzklebstoffe sein.
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Protocol
1. Baumwoll und Sojamehl-basierten Produkte (Abbildung 1)
- Besorgen Sie sich die Rohstoffe, entfettet Baumwoll und Soja-Mahlzeiten, aus handelsüblichen Quellen.
- Besorgen Sie sich die Arbeits Mahlzeit durch Schleifen der feste entfettetem Mehl in einem Zyklon Probenmühle, um eine 0,5 mm Stahl-Bildschirm 16 übergeben.
- Bereiten Sie Wasser gewaschen Mahlzeiten aus den Arbeitsessen nach der Wasserextraktion (25 g Mehl 200 ml Wasser), um wasserlösliche Komponenten in den Mahlzeiten 21 zu trennen.
- Bereiten Protein-Isolate aus den Arbeitsgerichte durch Alkaliextraktion und Säurefällung 16.
2. Herstellung von Holzfurnier-Streifen
- Schnittholzfurniere (1,59 mm dick) aus einer handelsüblichen Quelle in Streifen von 25,4 mm Breite und 88,9 mm Länge erhalten.
- Bleistift markieren Sie eine Linie über die Holzmaserung auf 25,4 mm (1,0 ") Länge von einem Ende jedes Streifens Beschriften Sie diese Streifen in geeigneter Weise mit der Prüfung Behandlungen oder Zahlen 5.. -10 Holz-Paare werden für jede Testvariable erstellt.
3. Herstellung von Klebe Slurries
- Berechnen Sie die Menge an Wasser gewaschen Mahlzeit benötigt pro den Holzproben für die Prüfung, durch Aufwandmenge (beispielsweise 4 mg Trockengehalt cm -2) x Gesamtbindungsfläche (zB 581 cm 2 von 90 Holzleisten mit 2,54 x 2,54 cm Klebefläche jeweils) plus ca. 30% Zuschlag für enoughness (dh 4 x 581 x 130% 3 g Wasser gewaschen Mahlzeit für das Beispiel).
- Mischen Sie Wasser gewaschen Mahlzeit mit VE-Wasser (3.25 g / g), und unter Rühren mit einem magnetischen Rührstab für 2 Stunden in einem Becherglas mit Parafilm verschlossen.
4. Herstellung von verleimten Holzproben
- Bürsten Sie Haftschlämme auf ein Ende des 2 Holzfurnierstreifen abdecken 25,4 mm (1,0 ") Länge der Luft trocknen. 10 - 15 Minuten oder bis klebrig.
- Pinsel eine zweite Klebstoffschicht-Aufschlämmung auf die Oberseite der ersten Schicht und der Luft trocknen wieder. Die Höhe der TrockenkleberZubereitung angewendet ist etwa 4,5 mg trockener Feststoff pro cm 2 der Bindung sind jedes Holzleiste.
- Überlappen die klebrigen Klebstoff beschichtete Fläche (25,4 x 25,4 mm bzw. 1,0 "x 1,0") von 2 Holzfurnierstreifen. Heißpresse mit einem Tisch beheizten Presse bei 100 ° C für 20 min bei einem Druck von 400 psi (2,8 MPa). Notiere den Druck der durch die Presse, geteilt durch die Überlappungsfläche der Holzproben ausgeübten Kraft. Diese Bindungsparameter können als für jeden Test variablen Bedarf geändert werden.
- Kühlung und Konditionierung der gebundenen Holzproben für 48 Stunden im Klimaraum oder einem Inkubator mit Feuchtigkeitsregulierung (Temperatur von 22 - 23 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 bis 60%; Abbildung 2).
5. Wasserbeständigkeit Experimente
- Tauchen Sie die gebundene Holzproben nach anfänglichen Anlage, in Leitungswasser für 48 Stunden in einer Plastikschale bei Raumtemperatur (22-23 ° C). Die nassen Proben nach Einweichen werden sofort für die Scher getestetBruchfestigkeit und als Nassfestwiesen. Überschüssiges Wasser auf dem Furnieroberfläche kann durch leichtes klopfen mit Papiertaschentuch vor der Messung entfernt werden.
- Tauchen Sie einen anderen Satz von gebundenen Holzproben nach anfänglichen Anlage, in einem Wasserbad bei 63 ° C 4 Stunden lang und dann bei Raumbedingungen getrocknet (Temperatur von 22 - 23 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 bis 60%) O / N (18 - 20 h). Wiederholen Sie den Eintrocknungszyklus einmal mit einer 48 Stunden Trocknungszeit. Die getrockneten Proben werden dann für die Scherbruchfestigkeit geprüft und getränkt Haftfestigkeit angegeben.
6. Zugscherfestigkeit Messungen
- Setzen Sie ein gebundene Holzprobe in die 32 x 40 mm Schuppengerasterten Keilspannköpfen auf einem Materialtester mit einem Greifdruck von 7 MPa, und stellen Sie die Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1 mm min -1.
- Messen und notieren Sie die Scherfestigkeit bei Bruch für jede gebundene Holzprobe. Die Ergebnisse von mehreren Messungen für jedes Klebeform gemitteltlation und Testvariable.
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Representative Results
Leistung jeder Klebstofformulierung wird durch die Scherfestigkeit der verklebten Holzprobe Dehnung festgelegt und die Werte hängen von den Abmessungen der Holzfurnier verwendet abhängig. Zum Beispiel ist in Tabelle 1, sind die trockenen und getränkte Klebkraftwerte der geklebten Proben niedriger als dünner und schmaler Ahornleisten verwendet werden (siehe Baumwollsaat-1), im Gegensatz zu den dickeren und breiteren Streifen aus Baumwoll-2 in die empfohlene Protokoll unter Verwendung des gleichen Baumwollbasis Klebstoffformulierung. Ebenfalls beobachtet wurden mehr Holzbruch Proben während Klebscherfestigkeit Messungen der dünnen und schmalen Holzfurniere. Insbesondere 3 des entfettetem Mehl, 4 des gewaschenen Mahlzeit, und alle 10 der Proteinisolat in der Holzmaserung und nicht an der Klebestelle in trockenen gebundenen Proben nicht, und wenn Sie die gleichen drei Klebstoffformulierungen bzw. 0, 6 und 9 der getränkten Proben scheiterte in der Holzmaserung. Dies zeigt an, dass dieKlebstoff ist stärker als die dünnen Holzleisten 21. Eine allgemeine Beobachtung scheint für beide Rohstoffe. Das heißt, die Haftleistung Wasser gewaschen Baumwollsamenmehl ist vergleichbar mit der von Baumwollsamenprotein-Isolat. Andererseits wird für Soja-Produkte sind sowohl trocken als auch getränkt Stärken der Wasser gewaschen Mahlzeit ähnlich denen entfettetes Mehl als denen Proteinisolat, das den Unterschied in der chemischen Zusammensetzung von Baumwollsamenmehl und Sojamehl reflektieren kann.
Tabelle 2 Vergleich der Scherfestigkeit trocken, nass, und getränkt Proben bei 100 ° C mit Wasser gewaschen Baumwollsamenmehl und vier Holzarten verbunden. Die Scherfestigkeit ist in der Reihenfolge: trocken> getränkt> Nass für alle vier Arten von Holz, die den gleichen Trend, dass Wasser schwächt die Klebkraft dieser Holzproben, und ein Teil der Haftfestigkeit nach dem Trocknen gewonnen. Die Trockenscherfestigkeit von Pappel, Douglasie und Eiche weißsind im Wesentlichen gleich, aber die Trockenfestigkeit niedriger mit Walnuss ist. Der kleine Unterschied macht die Auswirkungen der Holzart auf die Trockenhaftfestigkeit bei P = 0,1 nur signifikant. Die Auswirkungen der Holzart ist statistisch signifikant auf dem nassen und durchnässten Scherfestigkeit von Daten mit p <0,001. In Wirklichkeit ist die Reihenfolge der völlig nass Festigkeit der geklebten Proben für die 4 Hölzer nicht dieselbe wie die der Trockenfestigkeit. Wir führen diese Beobachtungen zu der Differenz in dem Grad der Ausdehnung (Quellung) jeder Art von Holz in der Weiche; die Expansionsrate des Holzfurnier kann mit dem Klebstoff nicht vereinbar und könnte bestimmte Belastungen auszuüben, um die Haftfestigkeit der Klebeverbindung zu senken. Sun und Bian 22 vorgeschlagen, Holzarten mit höheren linearen oder Großvolumenausdehnung würde höhere Schrumpfspannung beim Trocknen, die während ihrer wat erklärt teilweise die höheren Delamination Raten von Ahorn und Pappel-Paare als Nussbaum und Kiefer habener-Einweichen Tests.
Abbildung 1. Seed Mahlzeit Werkstoffe Top -. Baumwollsamen, unten - Soja. Von links nach rechts:. Entfettetem Mehl, Arbeitsessen, Wasser Essen und Protein-Isolat Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 2. Verbundholzproben für Anlage aufgehoben (Temperatur von 22 - 23 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 bis 60%) Left 5, Pappel. Rechts 5, Nussbaum. Die gebundene Fläche (25,4 x 25,4 mm oder 1,0 "x 1,0") zwischen den roten Linien am weitesten links Paar gezeigt. PlLeichtigkeit klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
| Klebstoff | Trockenfestigkeit | Soaked Stärke |
| Baumwollsaat-1 ‡: | ||
| Entfettetem Mehl | 1,49 ± 0,14 ein | 1,37 ± 0,17 ein |
| Wasser gewaschen Mahlzeit | 1,55 ± 0,11 ein | 1,55 ± 0,15 b |
| Proteinisolat | 1,53 ± 0,18 ein | 1,53 ± 0,14 b |
| Baumwollsaat-2 $: | ||
| Entfettetem Mehl | ND # | ND # |
| Wasser gewaschen Mahlzeit | 3,26 ± 0,50 ein | 2,38 ± 0,51 ein |
| Proteinisolat | 3.6977; 1.13 a | 2,39 ± 0,61 ein |
| Soja $: | ||
| Entfettetem Mehl | 2,40 ± 0,50 ein | 1,25 ± 0,19 ein |
| Wasser gewaschen Mahlzeit | 2,29 ± 0,39 ein | 1,60 ± 0,37 ein |
| Proteinisolat | 3,51 ± 0,33 b | 3,76 ± 0,90 b |
‡ Klebstoffe wurden dünner und schmaler Holzleisten verwendet (0,99 mm dick x 12,7 x 25,4 mm große lang mm).
$ Klebstoffe wurden dicker und breiter Holzleisten, wie im Protokoll beschrieben angewendet (1,59 mm dick x 25,4 x 25,4 mm große lang mm).
# Nicht bestimmt.
Tabelle 1: Die Scherfestigkeit (MPa) von trockenen und eingeweichten Ahornholzleisten bei 100 ° C verbunden mit entfettetem Mehl, Wasser gewaschen Mahlzeit, und Protein-Isolat von Baumwoll und Soja. P = 0,05. Die Datenanalyse-Paket in Microsoft Excel 2007 wurde für die statistische Analyse verwendet.
| Holz | Trockenfestigkeit | Nassfestigkeit |
| Pappel | 4,52 ± 0,54 | 1,73 ± 0,20 |
| Douglasie | 4,30 ± 0,96 | 2,24 ± 0,14 |
| Walnuss | 3,59 ± 0,23 | 1,78 ± 0,10 |
| Weißeiche | 4,33 ± 0,32 | 1,66 ± 0,25 |
| Signifikanzniveau (p> F) | 0.1 | <0,001 |
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Discussion
Dieser Beitrag stellt eine grundlegende Vorgehensweise zur Vorbereitung und Testpflanzensamen basierende Produkte wie Holzklebstoffe. Die Klebe Schlämmen in diesem Protokoll exampled sind einfach die entfetteten Samenmehl Produkt und Wasser. Verschiedene Klebstoffzusammensetzungen können durch Zugabe von Testreagenzien (wie Natriumdodecylsulfat, Natriumbisulfit oder Tungöl) 5,6,23 und / oder Änderungen in den Mischbedingungen (zB pH-Wert, Verhältnis von Feststoff und Wasser) 3,24 erreicht werden , 25. Einstellung der Klebstoff-Formulierung ist auch erforderlich, wenn die rheologischen Eigenschaften der Klebstoff-Aufschlämmung für geeignete Anwendung auf die Holzleisten nicht.
Die Festoberfläche Testmaterialien, Holzfurniere, sind Naturprodukte, so dass man hohe Variation aus Holz Texturen und Oberflächenrauheit erwarten. Aus diesem Grund wird, repliziert Tests 3-10 wurden in der Literatur berichtet worden. Aufgrund dieser Variation und andere bekannte und unbekannte Faktoren ist es nicht ungewöhnlich groß zu sehenStandardabweichungen (> 10%) in den Scherfestigkeitsmessungen beobachtet, wie in Tabelle 1 und in der Literatur 6-8,12,25, und dies kann eine statistische Analyse bei P ≤ 0,05 untergraben. So einige Papiere einfach präsentieren die Daten mit Standardabweichungen, dann vergleichen und zu diskutieren, ohne statistische Signifikanz-Analyse (zB 7,8,12,26). Dieser Ansatz macht immer noch einen Sinn, indem allgemeine Trends der Einfluss von Testvariablen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Messung der Scherfestigkeit ist auch empfindlich gegenüber den Abmessungen der Probe und den numerischen Ergebnissen kann nicht zwischen unterschiedlichen Geometrien verglichen werden. Die höheren Werte der Scherfestigkeit von Baumwollsaat-2 als Baumwollsaat-1 in Tabelle 1 sind offensichtlich aufgrund dicker und breiter Holzproben für Baumwollsaat-2 verwendet. Es wird berichtet, dass die Stärke des eine Überlappungs-Scher Gelenk kann mit der gesamten Länge der Probe auch für eine feste ov variierenERLAP Länge 27. Somit wird der Vergleich nur zwischen den Proben in der gleichen Reihe von Tests durchgeführt werden, nicht zwischen verschiedenen Testgeometrien, wie zum Beispiel zwischen Baumwollsaat-2 und Sojabohne (Tabelle 1). Mehr Informationen über die Auswirkungen der Geometrie und Materialeigenschaften auf die Bruch einzelner Lap-Scherfugen können in Kafkalidis und Thouless 27 gefunden werden.
Die Scherfestigkeit wurde in Bezug auf die American Society of Testing and Materials (ASTM) Standardmethode D-906 22 getestet. Dieses Protokoll stellt zwei Methoden zur Bewertung der Wasserbeständigkeit verwendet wird: (1) Nass Kraft- die Scherfestigkeit der gebundenen Proben sofort nach dem Eintauchen in Leitungswasser bei 23 ° C für 48 Stunden, gemessen werden, die auf der Norm ASTM D1151- beruhte 00 11; und (2) getränkten Kraft- die Scherfestigkeit der verklebten Proben nach Einweichen gemessen - Trocknungszyklen, die ähnlich wie die chinesische National Standard für Sperrholz (GB / T 1 war7657-1999 ASTM-Standard D1151-00 11. Einige Zeitungen berichten Nassfestigkeit nur 5 oder getränkt Stärke nur 6 oder beide 11. Es ist auch erwähnenswert, dass die getränkten Stärke in diesem Protokoll wird nach zwei Zyklen von Einweichen bei 63 ° C für 4 h und Trocknen bei RT O / N gemessen (18-20 h) 6. Einige Forscher messen getränkt Festigkeit nach einer längeren Einweichen und Trocknung bei RT (dh 48 Stunden Einweichen und 2 bis 7 Tagen Trocknung sowohl bei 23 ° C) 11,25. Unserer Meinung nach kann man beide Methoden auf der Grundlage ihrer Versuchszeit-Verfügbarkeit und die Projektziele zu wählen.
In dieser Arbeit untersuchten wir die Haftfestigkeit mit den einzelnen zweischichtigen gemeinsamen Proben. Obwohl dieser Ansatz am häufigsten verwendet wird (beispielsweise 4,6,9,11), komplizierter oder mehreren überlappten Holzproben wurden auch in den Klebetests verwendet werden (zB, zwei 2-Schichtverbindungen mit drei Holzleisten 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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