Abstract
Nyligen har intresset för växtfrön meal baserade produkter som trä lim stadigt ökat, eftersom dessa växtråvaror anses förnybar och miljövänlig. Dessa naturliga produkter kan fungera som alternativ till petroleumbaserade lim för att lindra oro miljö- och hållbarhets. Detta arbete visar utarbetande och testning av växtfrön baserade trä lim med hjälp bomullsfrö och sojamjöl som råvaror. Förutom obehandlade måltider, vatten tvättade måltider och proteinisolat förbereds och testas. Adhesiva uppslamningar framställes genom blandning av en frystorkad måltid produkt med avjoniserat vatten (03:25 vikt / vikt) under 2 h. Varje klisterberedning appliceras på den ena änden av två träfanér remsor med hjälp av en borste. De klibbigt bindemedel belagda områden av träfanér remsorna överlappande och limmade genom varmpressning. Vidhäftningshållfasthet redovisas som skjuvhållfastheten av de bundna trä provet på rast. Vattenbeständigheten hos de lim mäts genomförändringen i skjuvhållfasthet bundna trä prover vid brott efter vattenblötläggning. Detta protokoll gör att man kan bedöma växter baserade jordbruksprodukter som lämpliga kandidater för substitution av syntetiska baserade träskydds lim. Justeringar av klisterformuleringen med eller utan tillsatser och bindningsförhållanden kunde optimera sina vidhäftande egenskaper för olika praktiska tillämpningar.
Introduction
Limning av trä spelar en allt större roll i skogsindustrin och är en nyckelfaktor för att effektivt utnyttja virkesresurser 1. Intresset för att använda naturliga produktbaserade bindemedel för trä ökat stadigt från 1930-talet för att nå en topp runt 1960 2. Efter denna period blev priset på petroleumbaserade lim så låga att de fördrivna protein lim från flera traditionella marknader. Under de senaste två decennierna har denna trend vänt med förnyat intresse för att använda material som är förnyelsebart, biologiskt nedbrytbara och miljövänligare. Dessa naturliga resurser inkluderar, men är inte begränsade till, sojaprotein 3-5, bomullsfrö-protein 6, riskli 7, vetegluten 8, distillerssäd protein 9, canola protein och olja 10-12, lignin från durra och sockerrör bagass 13 , 14, och polysackarider härrörande från räkskal 15.
<p class = "jove_content"> Utsäden proteinisolat har allmänt utvärderats som potentiella trä lim, isolering förfarande innebär frätande alkaliska och sura reagenser och det gör isolera baserade lim relativt dyra och mindre miljövänliga 16. Således har vissa avfettade frö måltider (mjöl) med eller utan behandling också testats för klister ändamål, även om de vidhäftande egenskaperna hos dessa måltider inte utföra samt proteinisolat 17-19. Vi har sekventiellt fraktion bomullsfrömjöl (CM) i olika fraktioner, och undersökte deras vidhäftningshållfasthet i bindning träfaner 20,21. Den vattenolösliga fasta fraktionen (nedan tvättad bomullsfrömjöl-WCM) skulle kunna användas som trä lim, jämförbara med bomullsfrö proteinisolat (CSPI), och skulle vara billigare att förbereda än CSPI.Vidhäftningshållfasthet och vattenbeständighet är två viktiga parametrar i utvärdering av prestandaen potentiell adhesivmaterial. Här, är vidhäftningsstyrkan rapporteras som skjuvhållfastheten vid brott av höftbindningen av varje virkesprov. Vattentäthet av limmet mäts genom förändringen i knät skjuvhållfasthet av de bundna virkesprovet vid brott på grund av vattenblötläggning. Använda avfettade bomullsfrö och soja måltider som råvaror, ger detta protokoll ett enkelt och okomplicerat sätt att förbereda och testa växtfrön baserade produkter som trä lim. Detta protokoll skulle vara till hjälp för att underlätta ansträngningarna att söka mer ekonomiska och miljövänliga formuleringar av naturliga produktbaserade trä lim.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Cottonseed och sojamjöl-baserade produkter (Figur 1)
- Skaffa råvarorna, avfettad bomullsfrö och soja måltider, från kommersiellt tillgängliga källor.
- Skaffa arbets måltiden genom slipning den fasta avfettade måltid i en cyklon prov kvarn för att passera en 0,5 mm stålskärm 16.
- Förbered vatten tvättade måltider från arbets måltiderna efter extraktion vatten (25 g måltid: 200 ml vatten) för att separera vattenlösliga komponenter i måltiderna 21.
- Förbered proteinisolat från arbets måltider av alkali extraktion och syrautfällning 16.
2. Beredning av träfanér Strips
- Klipp träfaner (1.59 mm tjocka) som erhållits från en kommersiellt tillgänglig källa i strimlor 25,4 mm bred med 88,9 mm långa.
- Pencil markera en linje över träfibrerna på 25,4 mm (1,0 ") längd från ena änden av varje remsa Märk dessa remsor på lämpligt sätt med att testa behandlingar eller nummer 5.. -10 trä paren är förberedda för varje test variabel.
3. Beredning av Adhesive Uppslamningar
- Beräkna mängden vatten tvättade mjöl behövs per trä prover för testning, genom ansökan hastighet (t.ex. 4 mg torrhalt cm -2) x total bindning område (t.ex., 581 cm 2 av 90 trälister med 2,54 x 2,54 cm limning område vardera) plus ca 30% extra för enoughness (dvs 4 x 581 x 130% 3 g vatten tvättad måltid för exempel).
- Blanda vatten tvättades måltid med avjoniserat vatten (03:25 vikt / vikt), och rör om med en magnetisk omrörarstav för 2 h i en bägare förseglades med Parafilm.
4. Beredning av Bonded Wood Prover
- Brush adhesiv uppslamningen på en ände av två träfanér remsor som täcker 25,4 mm (1,0 ") längd lufttorka i 10 - 15 min. Eller tills klibbig.
- Pensla ett andra limskikt uppslamning ovanpå det första skiktet och lufttorka igen. Mängden torr limpreparat som används är ca 4,5 mg torrsubstans per cm2 av bindning är varje trälist.
- Lappa klibbig adhesivbelagda område (25,4 x 25,4 mm eller 1,0 "x 1,0") 2 träfanér remsor. Hot-press med användning av en Benchtop upphettad press vid 100 ° C under 20 minuter vid ett tryck av 400 psi (2,8 MPa). Notera trycket är den kraft som anbringas av pressen dividerat med det överlappade området av virkesproverna. Dessa bindningsparametrar kan ändras efter behov för varje testvariabel.
- Cool och konditionera bundna trä exemplar för 48 timmar i en konditione rum eller en inkubator med fuktreglering (temperatur på 22-23 ° C och relativ fuktighet på 50-60%; Figur 2).
5. Vatten Resistance Experiment
- Doppa de bundna trä prover, efter inledande behandling, i kranvatten i 48 timmar i en plastbricka vid RT (22-23 ° C). De våta prover efter blötläggning testas omedelbart för skjuvninghållfasthet vid brott och redovisas som våtstyrka. Överflödigt vatten på faner ytan kan avlägsnas genom att försiktigt klappa med papper vävnaden före mätningarna.
- Doppa en annan uppsättning bundna trä prover, efter inledande behandling, i ett vattenbad vid 63 ºC i 4 timmar, sedan torka vid rumsförhållanden (temperatur på 22-23 ° C och relativ fuktighet på 50-60%) O / N (18 - 20 h). Upprepa nedsänkning-torkcykeln en gång med en 48 h torktid. De torkade proverna testas sedan för skjuvhållfasthet vid brott och redovisas som dränkts vidhäftningshållfasthet.
6. skarvskjuvning styrkemätningar
- Montera en bunden trä exemplar i de 32 x 40 mm Fiskfjäll rutindelade kil grepp på en Material Tester med en gripande tryck på 7 MPa, och ställ in tvärhuvudhastighet på 1 mm min -1.
- Mät och anteckna skjuvhållfasthet vid brott för varje bundna trä exemplar. Resultaten av flera mätningar genomsnitt för varje klister formenlering och testvariabel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Varje limberedning prestanda bestäms av skjuvhållfasthet de bundna virkesprovet vid brott och värdena varierar beroende på dimensioner träfanér används. Till exempel i tabell 1, de torra och dränkts adhesiv hållfasthetsvärdena för de bundna proverna är lägre när tunnare och smalare lönn remsor används (se Cottonseed-1), i motsats till de tjockare och bredare remsor av Cottonseed-2 rekommenderas i protokoll, med användning av samma bomullsfrö baserade limkomposition. Också observerade fanns fler trä misslyckande exemplar under självhäftande skjuvhållfasthet mätningar av tunna och smala träfaner. Specifikt 3 av den avfettade mjöl, 4 av den tvättade måltid, och alla 10 av proteinet isolat misslyckats i träfibrerna snarare än vid limfogen i torra bundna prover, och vid användning av samma tre limkompositioner, respektive, 0, 6 och 9 av de blötlagda exemplar misslyckades i träfibrerna. Detta indikerar attlim är starkare än den tunna trälister 21. En allmän iakttagelse tycks tillämpas på både råvaror som använts. Det vill säga, den adhesiva prestanda vatten tvättade bomullsfrömjöl är jämförbar med den hos bomullsfröolja proteinisolat. Å andra sidan, för sojaprodukter, både torra och dränkta styrkor av vatten tvättade måltiden liknar dem av avfettade mjölet än till de av proteinisolat, vilket kan återspegla skillnaden i kemisk sammansättning bomullsfrömjöl och sojamjöl.
Tabell 2 jämfört skjuvhållfastheten hos torrt, vått och dränkts prover bondade vid 100 ° C med användning av vatten tvättades bomullsfrömjöl och fyra träslag. Skjuvhållfastheten är i storleksordningen: torr> indränkt> blött för alla fyra typer av trä, vilket indikerar samma trend som vattnet försvagar bindningsstyrkan av dessa trä exemplar, och en del av vidhäftningsbindningsstyrka återvinns efter torkning. Den torra skjuvhållfasthet poppel, douglasgran, och vit ekär i princip densamma, men torrstyrkan är lägre med valnöt. Den lilla skillnaden som gör inverkan träslag på torrvidhäftningshållfastheten endast signifikant vid P = 0.1. Effekterna av typen trä är mer statistiskt signifikant på de våta och dränkts skjuvhållfasthet data med P <0,001. I verkligheten är inte samma som den hos den torra hållfastheten ordningen på den våta och dränkts hållfastheten hos de bundna prover för de fyra skogen. Vi tillskriver denna observation på skillnaden i graden av expansion (svullnad) av varje typ av trä under blötläggning; expansionstakt av träfanér kan bli oförenliga med limmet och kunde utöva vissa spänningar att sänka obligations ledens vidhäftningshållfasthet. Sol och Bian 22 föreslagit att träslag med högre linjär eller bulkvolymexpansion skulle ha högre krympning stress under torkningen, vilket delvis förklarar de högre delamineringshastigheter av lönn och poppel par än valnöt och tall under sin water-blötläggning tester.
Figur 1. Seed måltid baserade material Top -. Bomullsfrö, botten - soja. Från vänster till höger:. Avfettat mjöl, arbeta måltid, vatten tvättade måltid och proteinisolat Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Bonded trä prover som avsatts för konditionering (temperatur på 22-23 ° C och relativ fuktighet på 50-60%) Vänster 5, poppel. Höger 5, valnöt. Den bundna område (25,4 x 25,4 mm eller 1,0 "x 1,0") visas mellan de röda linjerna på den mest vänstra paret. Pllätta klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Adhesiv | Torr styrka | Soaked styrka |
| Cottonseed-1 ‡: | ||
| Avfettade mjölet | 1,49 ± 0,14 a | 1,37 ± 0,17 a |
| Vatten tvättade måltid | 1,55 ± 0,11 a | 1,55 ± 0,15 b |
| Proteinisolat | 1,53 ± 0,18 a | 1,53 ± 0,14 b |
| Cottonseed-2 $: | ||
| Avfettade mjölet | ND # | ND # |
| Vatten tvättade måltid | 3,26 ± 0,50 a | 2,38 ± 0,51 a |
| Proteinisolat | 3,6977; 1,13 a | 2,39 ± 0,61 a |
| Sojabönolja $: | ||
| Avfettade mjölet | 2,40 ± 0,50 a | 1,25 ± 0,19 a |
| Vatten tvättade måltid | 2,29 ± 0,39 a | 1,60 ± 0,37 a |
| Proteinisolat | 3,51 ± 0,33 b | 3,76 ± 0,90 b |
‡ Lim applicerades på tunnare och smalare trälister (0,99 mm tjocka x 12.7 mm bred x 25,4 mm långa).
$ Lim applicerades på tjockare och bredare trälister som beskrivs i protokollet (1.59 mm tjocka x 25,4 mm bred x 25,4 mm långa).
# Ej fastställt.
Tabell 1. Skjuvhållfasthet (MPa) av torra och dränkts lönn trälister bunden vid 100 ° C med avfettade mjölet, vattentvättades måltid, och proteinisolat av bomullsfrö och soja. P = 0,05. Dataanalys paketet i Microsoft Excel 2007 användes för statistisk analys.
| Trä | Torr styrka | Våtstyrka |
| Poppel | 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 |
| Vitek | 4,33 ± 0,32 | 1,66 ± 0,25 |
| Signifikansnivå (P> F) | 0,1 | <0,001 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna uppsats presenterar en grundläggande procedur för att förbereda och testa växter baserade produkter som trä lim. Limmet slam exampled i detta protokoll är helt enkelt den avfettade frö måltiden produkt och vatten. Olika limformuleringar kan nås genom tillsats av testreagens (såsom natriumdodecylsulfat, natriumbisulfit eller träolja) 5,6,23 och / eller förändringar i blandningsförhållanden (såsom pH, förhållandet mellan fast ämne och vatten) 3,24 , 25. Behövs Justering av limkompositionen även om de reologiska egenskaperna hos den adhesiva uppslamningen är inte lämpliga för lämplig applicering till trälister.
De fasta ytor provmaterial, träfaner, är naturliga produkter, så att man kan förvänta sig hög variation av trä texturer och ytråhet. Av denna anledning, replikerar testning 3-10 har rapporterats i litteraturen. På grund av dessa variationer och andra kända och okända faktorer, är det inte ovanligt att se storastandardavvikelser (> 10%) observerades i mätningarna skjuvhållfasthet, som i tabell 1 och litteraturen 6-8,12,25, och detta kan underminera vissa statistiska analysen på P ≤ 0,05. Således några papper presentera helt enkelt data med standardavvikelser, sedan jämföra och diskutera dem utan statistisk analys signifikans (t.ex. 7,8,12,26). Detta tillvägagångssätt gör fortfarande någon mening genom att visa allmänna trender för inflytande från försöksvariabler.
Det bör noteras att mätningen av skjuvhållfastheten är också känsliga för de provdimensioner och de numeriska resultaten kan inte jämföras mellan olika geometrier. De högre värdena för skjuvhållfasthet Cottonseed-2 än Cottonseed-1 i tabell 1 är uppenbarligen på grund tjockare och bredare trä prover används för Cottonseed-2. Det har rapporterats att styrkan av en lap-shear gemensamma kan variera med den totala längden av provet även för en fast ovERLAP längd 27. Således kan endast göras jämförelsen mellan prover i samma uppsättning av tester, inte mellan olika testgeometrier, såsom mellan Cottonseed-2 och sojaböna (tabell 1). Mer information om effekterna av geometri och materialegenskaper för brott på enstaka lap-skjuvning lederna kan hittas i Kafkalidis och Thouless 27.
Skjuvhållfastheten testades med hänvisning till American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard Method D-906 22. Detta protokoll presenteras två vanliga metoder som används för utvärdering av vattenresistens: (1) våt förstärk- skjuvhållfastheten av de bundna exemplar uppmätta direkt efter blötläggning i kranvatten vid 23 ° C under 48 timmar, som var baserad på ASTM Standard D1151- 00 11; och (2) dränkts Styrketräning skjuvhållfastheten av de bundna exemplar mätt efter blötläggning - torkcykler, vilket liknade den kinesiska National Standard för Plywood (GB / T 17657-1999 ASTM Standard D1151-00 11. Vissa papper rapporterar våtstyrka endast 5 eller indränkt styrka endast 6, eller båda 11. Det är också värt att påpeka att den indränkt styrka i detta protokoll mäts efter två cykler av blötläggning vid 63 ° C under 4 timmar och torkning vid RT O / N (18-20 timmar) 6. Vissa forskare mäter indränkt styrka efter en längre blötläggning och torkningsprocess vid RT (dvs., 48 h blötläggning och 2- till 7-dagars torkning både vid 23 ° C) 11,25. Enligt vår mening kan man välja antingen metod baserad på deras experimentella realtid tillgänglighet och deras projektmål.
I detta arbete har vi testat vidhäftningsstyrkan med de enkla två-lagers gemensamma prover. Även om detta tillvägagångssätt är mest använda (t.ex. 4,6,9,11), mer komplicerat eller multipel lappade trä exemplar har även användas i de självhäftande tester (t.ex. två 2-lagers leder med tre trälister 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).
