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Environment

植物種子ミールベースの​​木材接着剤の調製および試験

Published: March 5, 2015 doi: 10.3791/52557

Abstract

これらの植物原料を再生可能な、環境に優しいと考えられているように最近では、木材接着剤などの植物種子ミールベースの​​製品への関心が着実に増加している。これらの天然物は、環境持続可能性の懸念を緩和するために、石油系接着剤の代替物として機能することができる。この作品は、原料として綿実油および大豆ミールを用いて植物種子ベースの木材接着剤の準備とテストを示しています。未処理の食事に加えて、水は食事を洗浄し、タンパク質単離物を調製し、試験する。接着剤スラリーを2時間(w / wの3時25)、脱イオン水で凍結乾燥ミール製品を混合することによって調製される。各貼付製剤は、ブラシを使用して2木材ベニアストリップの一端に印加される。粘着性の接着剤は、木材ベニヤストリップはホットプレスによってラップと接着されているの領域を被覆した。接着強度は、破断時の接合木材片のせん断強度として報告されている。接着剤の耐水性により測定される集成材のせん断強度の変化は、水浸漬後にブレークで標本。このプロトコルは1つが、合成ベースの木材接着剤の置換のための適切な候補として植物種子ベースの農産物を評価することができます。または添加剤や接着条件なしの接着剤配合の調整は、様々な実用的なアプリケーションのために彼らの接着特性を最適化することができます。

Introduction

木材の接着は、森林製品産業の増加役割を果たしており、効率的な木材資源1を利用するための重要な要因である。木材のための天然物ベースの接着剤の使用への関心はこの期間の後、石油系接着剤の価格は、彼らがいくつかの伝統的な市場からのタンパク質接着剤を避難ほど低くなった。1960年2付近にピークに到達するために、1930年代から着実に増加した。過去20年間では、この傾向は、再生可能な生分解性、そしてより環境に許容される材料の使用における新たな関心が逆しています。これらの天然資源は、綿実タンパク質6、米ぬか7、小麦グルテン8、蒸留穀物タンパク質9、キャノーラタンパク質および油10-12、ソルガムからリグニン及びサトウキビバガス13が挙げられるが、これらに限定されるものではないが、大豆タンパク質3-5 、14、エビの殻15から導出多糖類。

<p個のクラスは= "jove_content">種子タンパク質単離物は、広く潜在木材接着剤として評価されているのに対し、単離手順は、腐食アルカリ性および酸性の試薬 ​​を含み、それは、比較的高価少ない環境に優しい16の接着剤ベースを分離することができます。このように、治療の有無にかかわらず、いくつかの脱脂シードの食事(粉)も、タンパク質が17〜19を隔離するように、これらの食事の粘着特性が同様に機能しないにもかかわらず、接着剤の目的のためにテストされています。私たちは、順次異なる画分に綿実粕(CM)を分画し、接合木材ベニヤ20,21での接着強度を調べた。水不溶性固形分(以下、洗浄綿実粕、WCM)は綿実油タンパク質単離物(CSPI)に匹敵する、木材接着剤として使用することができ、CSPIも調製することが低コストになる。

接着強度および耐水性の性能を評価する2つの重要なパラメータである潜在的な接着材料。ここで、接着強さは、各木材片のラップ結合の破断時の剪断強度として報告される。接着剤の耐水性は、水浸漬の破断時の集成試料の重ね剪断強度の変化によって測定される。原料として脱脂綿実油と大豆の食事を使用して、このプロトコルは、木材接着剤として、テスト植物種子ベースの製品を製造するためのシンプルで簡単な方法を提供します。このプロトコルは、天然物ベースの木材接着剤の多くの経済的、環境に配慮した製剤を求める中で努力を促進する上で参考になる。

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Protocol

1.綿実油と大豆ミールベースの​​製品(図1)

  1. 市販の供給源から、原材料、脱脂綿実油と大豆の食事を取得します。
  2. 0.5ミリメートルの鋼スクリーン16を通過させるようにサイクロンサンプルミルで固形脱脂食事を粉砕することにより作業の食事を取得します。
  3. 食事21中の水溶性成分を分離する:水抽出(200ミリリットル水25グラムの食事)後に作業し、食事からの水で洗浄食事を準備。
  4. タンパク質はアルカリ抽出し、酸沈殿16で作業し、食事から隔離する準備します。

ウッド単板ストリップの調製

  1. ストリップ長い88.9ミリメートル、幅25.4ミリメートルに市販のソースから取得したカット木材ベニア(1.59ミリメートルの厚さ)。
  2. 鉛筆は、各ストリップの一端から長さ25.4ミリメートル(1.0 ")で木目を越え行をマーク適切にテストする治療法または数字でこれらのストリップにラベルを付け5。。 -10木材対は、各テストの変数が用意されている。

接着剤スラリーの調製

  1. 適用率( 例えば、4 mgの乾燥含有センチ-2)により、テスト用の木材標本ごとに必要な水洗浄し、食事の量を計算し、総接着面積( 例えば、2.54 X 2.54センチメートル接合面積の90木材片の581センチメートル×2各)プラスenoughness約30%の追加( すなわち、水の4×581のx 130%3g)を、例えば、食事をした。
  2. 脱イオン水(3:25 w / w)の水で洗浄食事を混合し、パラフィルムで密封し、ビーカー中で2時間、磁気撹拌棒で撹拌する。

集成材試験片の4準備

  1. 25.4ミリメートル(1.0 ")の長さをカバーする2木材ベニヤストリップの一端に接着剤スラリーを磨き空気乾燥10のために - 。15分または粘着性まで。
  2. 再び第1層の上部と空気乾燥で接着剤スラリーの第二の層を磨く。乾燥した接着剤の量製剤が適用ボンディング1cm 2当たり乾燥固体約4.5mg、各木材片であるている。
  3. 2木材ベニヤストリップの粘着性の接着剤コーティングされた領域をオーバーラップ(25.4 X 25.4ミリメートルまたは1.0 "×1.0")。 400 PSI(2.8メガパスカル)の圧力で20分間、100℃でベンチトップ加熱プレスを使用したホットプレス。圧力は木材サンプルの重なり面積で割っプレスによって加えられた力であることに注意してください。各試験の変数に必要に応じてこれらの接合のパラメータを変更してもよい。
  4. クール空調室や湿度制御(22の温度- 23℃、相対湿度50 - 60%; 図2)インキュベーター中で48時間集成試料を調整。

5.水の抵抗実験

  1. ( - 23°C 22)、室温でプラスチックトレーで48時間水道水に、初期状態調節した後、結合した木材標本を浸し。浸漬後の湿った標本は、せん断のためにすぐにテストされている破断強度と湿潤強度として報告した。ベニヤの表面上の過剰の水は穏やかに測定前にティッシュペーパーで軽く叩くことにより除去することができる。
  2. 18 O / N(室内条件(60% - - 23℃、相対湿度50 22の温度)で乾燥、次いで、4時間63ºCの水浴中で、最初のコンディショニングの後、結合した木材片の別のセットを浸し - 20時間)。 48時間の乾燥時間で一回浸漬乾燥サイクルを繰り返します。乾燥した試験片は、その後破断時のせん断強度について試験し、浸した接着強度として報告されている。

6.ラップせん断強度の測定

  1. 7メガパスカルの把持圧力で材料試験機上の32×40ミリメートル耐つまとびグリッドウェッジグリップに結合した木材片を取り付け、そして分-1 1ミリメートルで、クロスヘッド速度を設定。
  2. 各結合した木材標本のための破断時のせん断強度を測定し、記録します。複数の測定の結果は、各接着剤形のために平均化されるulationとテスト変数。

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Representative Results

各接着剤配合物の性能は、破断時の接合木材片のせん断強度によって決定された値が使用される木材単板の寸法に応じて変化する。で推奨綿実油-2のより厚い、より広いストリップとは対照的に、例えば、 表1に、接合試験片の乾燥および浸漬し、接着強度の値は、(綿実油-1を参照)より薄く、狭いメープルストリップを使用する場合に低い同じ綿実油系接着剤製剤を使用してプロトコル、。また、薄くて細い木材ベニアの接着せん断強度測定時より木部破壊片た観察。具体的には、脱脂ミール、洗浄し、食事の4、およびタンパク質の全10の3は、木目ではなく、乾燥結合検体における接着部で破損し、そして単離同じ三接着剤配合物を使用した場合、それぞれ、0、浸した標本の6,9は、木目に失敗しました。これがあることを示し接着剤は、薄い木材21をストリップよりも強力である。一般的な観察が使用両方の原料に適用ようです。すなわち、水の接着性能は、綿実粕は綿実油タンパク質単離物のものに匹敵した。一方、大豆製品、水で洗浄食事の乾燥浸し両方の強度は、綿実ミールと大豆ミールの化学組成の違いを反映している可能性が、タンパク質単離物のものと比べて、脱脂ミールと同様である。

表2は、水で洗浄綿実粕四ウッドタイプを使用して100℃で接合し、乾燥、湿潤、及び浸し試料の剪断強度を比較した。せん断強度の順である:乾燥>水は、これらの木材片の接着強度が弱く、接着結合強度の一部は、乾燥後に回収されるのと同じ傾向を示し、木のすべての4つのタイプの湿潤>浸した。ポプラ、ダグラスモミの乾燥せん断強度、およびホワイトオーク基本的には同じであるが、乾燥強度は、クルミと低い。小さ ​​な差は、P = 0.1での唯一の重要な乾燥接着強度上のウッド型の影響を行います。ウッド型の影響はP <0.001で濡れと浸漬したせん断強度データについての統計的に有意である。実際には、4、木材の接合試験片の湿潤および浸漬した強さの順序は、乾燥強度と同じではない。我々は、浸漬中の木の各タイプの膨張(膨潤)の程度の違いによりこの観察を属性。木材ベニヤの膨張率は、粘着剤との互換性になることがあり、債券ジョイントの接着強度を低下させるために一定の応力を発揮することができます。 Sunと総統22は、高い線形またはバルク体積膨張と木の種類は、部分的に彼らのワット時のクルミと松よりも、カエデやポプラペアの高い層間剥離率を説明して乾燥中のより高い収縮応力を、持っているだろうと提案したER-浸漬テスト。

図1
図1.種子ミールベースの材料トップ- 綿実油、ボトム-大豆。左から右に:脱脂食事、食事を作業、水は食事やタンパク質単離物を洗浄した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
空調用に確保され、図2保税木材標本(22の温度- 23℃、相対湿度50 - 60%)ポプラ左5、。右5、クルミ。保税地域(25.4 X 25.4ミリメートルまたは1.0 "×1.0")が最も左のペアで赤線の間に示されている。 Plをこの図の拡大版を表示するには、こちらをクリックして緩和する。

接着剤 乾燥強度 浸した強さ
綿実油-1‡:
脱脂食事 1.49±0.14 1.37±0.17
水洗浄した食事 1.55±0.11 1.55±0.15 B
タンパク質分離物 1.53±0.18 1.53±0.14 B
綿実油-2 $:
脱脂食事 NDの NDの
水洗浄した食事 3.26±0.50 2.38±0.51
タンパク質分離物 3.6977。 1.13 2.39±0.61
大豆$:
脱脂食事 2.40±0.50 1.25±0.19
水洗浄した食事 2.29±0.39 1.60±0.37
タンパク質分離物 3.51±0.33 B 3.76±0.90 B

接着剤は薄く、狭い木製のストリップ(幅×25.4ミリメートル、長12.7ミリメートルXの厚さの0.99ミリメートル)に適用した。

プロトコールに記載のように、$接着剤は、(1.59ミリメートルの幅×25.4ミリメートル長い25.4ミリメートルxの厚さ)より厚く、より広い木材片に適用した。

データなし。

脱脂食事、水洗浄し、食事、及び綿実および大豆のタンパク質単離で100℃で接合し、乾燥し、浸したカエデの木のストリップの表1.せん断強度(MPa)。 Pで乾燥または浸し強度の有意差を表す= 0.05。のMicrosoft Excel 2007でデータ解析パッケージは、統計分析のために使用した。

ウッド 乾燥強度 湿潤強度
ポプラ 4.52±0.54 1.73±0.20
ダグラスファー 4.30±0.96 2.24±0.14
ウォールナット 3.59±0.23 1.78±0.10
ホワイトオーク 4.33±0.32 1.66±0.25
有意水準(P> F) 0.1 <0.001
<、ドライ、ウェット、そして浸したポプラ、ダグラスファー、クルミ、および水で洗浄綿実粕を100℃で結合したホワイトオーク材ストリップの Pクラス= "jove_content"> 表2.せん断強度(MPa)。データは、に提示されている平均値±標準偏差のフォーマット(n = 5)であった。のMicrosoft Excel 2007でデータ解析パッケージは、統計分析のために使用した。

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Discussion

本稿では、木材接着剤として植物種子ベースの製品を準備し、テストするための基本的な手順を提示します。このプロトコルでexampled接着剤スラリーは単に脱脂粕製品および水である。種々の接着剤配合物(例えば、ドデシル硫酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウムまたはキリ油など)の試験試薬(例えば、pH、固体と水の比)混合条件で5,6,23および/ ​​または変更3,24を添加することによって到達することができる、25。接着剤スラリーのレオロジー特性は、木材片の適切なアプリケーションに適していない場合には、接着剤配合物の調整も必要である。

一つは、木材のテクスチャ、表面粗さの高い変動を予想できるように、固体表面の試験材料、木材ベニヤは、天然物である。このため、試験は3から複製する - 10は、文献に報告されている。これらの変動やその他の既知および未知の要因による、大見て珍しいことではありません標準偏差(> 10%)は、表1および文献6-8,12,25のように、せん断強度測定で観察され、これは、0.05≤Pで統計的解析を弱体化させることができる。このように、いくつかの論文は、単に標準偏差とのデータを提示し、その後比較し、統計的有意性の分析なしにそれらを議論する( 例えば、7,8,12,26)。このアプローチは、まだテスト変数の影響の一般的な傾向を示すことによって、いくつかの意味があります。

これは、せん断強度の測定は、サンプルの寸法に敏感であり、計算結果は、異なる幾何学的形状の間で比較することができないことに留意すべきである。 表1の綿実油-1よりも綿実油-2のせん断強度の高い値は明らかに綿実油-2に用い厚く、より広い木材標本によるものである。これは、ラップ剪断接合部の強度がさらに固定ovとするため、試料の全長によって変化し得ることが報告されているerlap長27。したがって、比較は、試験の同じセットではなく、そのような綿実油-2及び大豆( 表1)の間のような異なる試験ジオメトリとの間の試料の間で行うことができる。シングルラップ剪断接合部の破壊に関する幾何学と材料特性の影響に関する詳細な情報はKafkalidisとサウレス27で見つけることができます。

せん断強度は、米国材料試験協会の基準(ASTM)標準法D-906 22で試験した。このプロトコルは、耐水性の評価のために使用される2つの一般的な方法を提示する:48時間、23℃の水道水に浸漬した直後に測定された接合試験片の(1)湿潤強化剪断強度ASTM D1151-規格に基づいた00 11;合板中国国家標準(GB / T 1と同様であった乾燥サイクル、 - (2)浸漬した後に測定された接合試験片の強化剪断強度を浸し7657-1999 ASTM規格D1151-00 11。いくつかの論文は、湿潤強度を報告5、または強度のみ6、または両方の11を浸した。 ( - 20時間、18)6はまた、このプロトコルで浸し強度RT O / Nで4時間乾燥し、63℃で浸漬の2サイクル後に測定されていることを指摘しておく価値がある。一部の研究者は、RT(23℃で両方の乾燥、すなわち、48時間浸漬し、2〜7日)11,25一つの長い浸漬および乾燥工程の後に浸した強度を測定する。我々の意見では、人は彼らの実験時間の可用性と、そのプロジェクトの目標に基づいて、どちらの方法を選択することができます。

本研究では、単一の2層の関節標本との接着強度をテストした。このアプローチは、最も広く使用されているが( 例えば、4,6,9,11)、より複雑または複数の木材片を接着剤の試験( 例えば、3木製のストリップ7,22と2つの2層関節にも使用することがき重なっ)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

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環境科学、97号、綿実油ミール、大豆ミール、脂肪種子、タンパク質分離物、木材接着剤、耐水性、せん断強度
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