• Home
  • The effect of Cellulose Nano fiber (CNF) and Nano clay on the acoustic properties of finger joints of pine wood (Pinus sylvestris) jointed with PVA

Share To

Article Url


Manuscript ID : 140304301126801 Visit : 79 Page: -

Article Type: Original Research

The effect of Cellulose Nano fiber (CNF) and Nano clay on the acoustic properties of finger joints of pine wood (Pinus sylvestris) jointed with PVA

 

 

Subject Areas :

Babak Ranjbar 1 , amir lashgari 2 , Ahmad Jahan-latibari 3 , آژنگ تاج الدینی 4

1 - Ph.D. Student, Department of Wood and Paper Science and Technology, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran
2 - گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، کرج، ایران.
3 - Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran
4 -

Received: 2024-07-20 Accepted : 2024-09-01 Published : 2024-09-15

Keywords: pine wood, CNF, nanoclay, vibration, finger joint,

Abstract :

This research investigates the finger joints of pine wood (Pinus sylvestris) using polyvinyl acetate glue reinforced with cellulose nanofiber (CNF) and nanoclay particles, employing the free vibration method in free-free beams. Finger joints were created at three levels (0%, 0.4%, and 1.5%) in the middle of the samples with polyvinyl acetate adhesive containing cellulose nanofiber and nanoclay. The results indicated a significant increase in the modulus of elasticity and elastic stiffness due to the addition of both 0.4% and 1.5% of cellulose nanofiber and nanoclay. The damping factor values ​​showed a significant decrease by adding both levels of 0.4 and 1.5 cellulose nanofibers and nanoclay compared to the samples without nanoparticles. The values ​​of acoustic conversion efficiency also increased by adding both levels of 0.4 and 1.5 cellulose nanofibers and nanoclay compared to samples without nanoparticles. In general, with the increase in the percentage of use of both nanoparticles, better acoustic properties were observed in finger joints, and the effect of Cellulose Nano Fiber was greater than that of Nano clay.

Graphical Abstract:

 

 

highlight:

 

 

References:

Aydemir, D., Gunduz, G., Aşık, N., Wang, A. (2016). The Effects of Poly (vinyl acetate) Filled with Nanoclay and Cellulose
Nanofibrils on Adhesion Strength of Poplar and Scots Pine Wood, DRVNA INDUSTRIJA 67 (1): 17-24. Ayarkwa, J., Hirashima, Y., and Sasaki, Y. (2001), Predicting modulus of rupture of solid and finger jointed tropical African
hardwoods using longitudinal vibration, Forest Products Journal 51(1): 85-92. Beigloo, J.G., Eslam, H.K., Hemmasi, A.H., Bazyar, B. and Ghasemi, I. (2017). Effect of nanographene on physical, mechanical, and thermal properties and morphology of nanocomposite made of recycled high density polyethylene and
wood flour. BioResources, 12(1): 1382-1394. Bodig, J. and Jayne, B. A. (1993). Mechanics of Wood and Wood Composites (Persian Translation by Ebrahimi G.). University of
Tehran Press. Tehran. Iran. 669pp. Candan Z. And Akbulut T (2015). Physical And Mechanical Properties Of Nanoreinforced Particleboard Composites,
Maderas. Ciencia y tecnología 17(2): 319 – 334. Custodio.J., Broughton.J., Cruz.H (2009). A Review of Factors Influencing the Durability of Structural Bonded Timber Joint,
Adhesion&Adhesive 29(1): 173-185. Guo, F., Aryana, S., Han, Y and Jiao, Y. (2018). A Review of the Synthesis and Application of Polymer-Nanoclay Composites.
Applied Sciences, 8(9), 1-29. Hosseyni, M.J., Rahimi, S., Rahimi, S., and Faezipour, M.M. (2014). Effect of Nanoclay Particles on the Properties of
Particleboards. Journal of Basic and Applied Scientific Research 4(3): 280-287. Ismita N and Lokesh C. (2017). Effects of different nanoclay loadings on the physical and mechanical properties of Melia
composita particleboard. BOIS & FORETS DES TROPIQUES 334 (4): 7-12. ISO 3129 (1975). Wood – Sampling methods and general requirements for physical and mechanical testing of small clear wood
specimens, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland. Kaboorani, A. and Riedl, B. (2011). “Effects of adding nano-clay on performance of polyvinyl acetate (PVA) as a wood adhesive.
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 42(8): 1031-1039. Kaboorani, A., Riedl, B., Blanchet, P., Fellin, M., Hosseinaei, O. and Wang, S. (2012). “Nanocrystalline cellulose (NCC): A
renewable nano-material for polyvinyl acetate (PVA) adhesive, European Polymer Journal, 48(11): 1829-1837. Kamboj, G., Gaff, M., Smardzewski, J., Haviarov, E. Hui, D., Rezaei, R., Kumar, A. (2022). “Effect of cellulose nanofiber and
cellulose nanocrystals reinforcement on the strength and stiffness of PVAc bonded joints, Composite Structures, 295(1):1-9. Kohantorabi, M., Hossein, M. A., Shahverdi, M., and Roohnia, M. (2015). Vibration ‎based NDT methods to verify wood drying efficiency, Drvna ‎Industrija 66(3): 221-228
.‎ Kohantorabi, M. Hemmasi, AM. Talaeipour, M. Roohnia,. Bazyar, B. (2020). Effect of Artificial Inhomogeneity of Density and Drilling on Dynamic Properties Developed by Poplar Block Species (Populus Nigra) Jointed with oak Wood (Quercus
Castaneifolia) Beams. BioResources 15(3): 4711-4726. DOI: 10.15376/biores.15.3.4711-4726. Nafchi, H.R., Abdouss, M., Najafi, S.K., Gargari, R.M., and Mazhar, M. (2015). Effects of nano-clay particles and oxidized polypropylene polymers on improvement of the thermal properties of wood plastic composite, Maderas. Ciencia y
tecnología 17(1) 45-54. Ono, T., and Norimoto, M. (1983). “Study on Young's modulus and internal friction of wood in relation to the evaluation of
wood for musical instruments, Japanese Journal of Applied Physics 22(4): 611–614.
Roohnia, M. (2007). NDT-LAB; System to evaluate the mechanical properties of wood, Iranian Patent No. 44032/22-08-1386. Roohnia, M., Kohantorabi, M., Jahan-Latibari, A., Tajdini, A., and Ghaznavi, ‎M (2012). Nondestructive assessment of glued
joints in timber applying ‎vibration-based methods, European Journal of Wood and Wood Products 70(6): ‎‎791-799. Roohnia, M. (2019). Wood: Vibration and acoustic properties, in: Reference Module in Materials Science and Materials
Engineering, 19th Ed., Elsevier Inc., Amsterdam, Netherlands, Available online. 19pp. Timoshenko, S. P. (1921). On the correction for shear of the differential equation for transverse vibrations of prismatic bars,
The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 41(6): 744-746. Yavari, A., Hemmasi, A., Roohnia, M., and Marušák, R. (2015). Dynamic Young's modulus of scarf- and finger-jointed beams
using longitudinal vibration method, BioResources. 10(4), 6886-6895.
Full-Text:
CLEI 2002

مجله تحقیقات منابع طبیعی­تجدیدشونده، سال پانزدهم، شماره1بهار وتابستان1403(پیاپی چهل و یک)، ص 169-157، نوع مقاله: علمی پژوهشی/1

 

 

 

 

 

تاثیر نانوفیبر سلولز (CNF) و نانورس در خواص آکوستیک اتصال انگشتی چوب کاج جنگلی (Pinus sylvestris) متصل شده با پلی وینیل استات  (PVA)

 

بابک رنجبر1، امير لشگري2*، احمد جهان لتيباري3 و آژنگ تاج­ديني4

 

1)       دانشجوی دکتری تخصصی رشته علوم و صنایع چوب و كاغذ، گروه علوم و صنایع چوب و كاغذ، واحد كرج، دانشگاه آزاد اسلامی، كرج، ایران.

2)       دانشيار گروه علوم و صنایع چوب و كاغذ، واحد كرج، دانشگاه آزاد اسلامی، كرج، ایران.

*رایانامه نویسنده مسئول مکاتبات:   amir.lashgari@kiau.ac.ir 

3)       استاد گروه علوم و صنایع چوب و كاغذ، واحد كرج، دانشگاه آزاد اسلامی، كرج، ایران.

4)       دانشيار گروه علوم و صنایع چوب و كاغذ، واحد كرج، دانشگاه آزاد اسلامی، كرج، ایران.

 

تاریخ دریافت: 30/04/1403                تاریخ پذیرش: 11/06/1403

 

چکیده

در این پژوهش به بررسی اتصالات انگشتی چوب کاج جنگلی (Pinus sylvestris) با چسب پلی­وینیل­استات تقویت­شده با ذرات نانوفیبر سلولز (CNF) و نانورس با روش ارتعاش آزاد در تیر دوسر آزاد پرداخته شد. اتصالات انگشتی در سه سطح 0، 4/0 و 5/1 درصد حاوی ذرات نانوفیبر سلولز و نانورس در وسط آزمونه‌ها ایجاد شدند. نتایج حاکی از افزایش معنی‌دار مقادیر مدول‌الاستیسیته و مدول سفتی دینامیک در اثر اضافه نمودن هر دو سطح 4/0 و 5/1 درصد نانوفیبر سلولز و نانورس بود. مقادیر میرایی ارتعاش با اضافه نمودن هر دو سطح 4/0 و 5/1 نانوفیبر سلولز و نانورس نسبت به آزمونه‌های فاقد نانو ذرات از خود کاهش معنی‌داری نشان دادند. مقادیر کارآیی تبدیل آکوستیک نیز با اضافه نمودن هر دو سطح 4/0 و 5/1 نانوفیبر سلولز و نانورس نسبت به آزمونه‌های فاقد نانو ذرات از خود نسبت به آزمونه‌های فاقد نانو از خود افزایش نشان دادند. به­طور کل با افزایش درصد کاربرد هر دو نانوذره خواص آکوستیکی بهتری در اتصالات انگشتی ملاحظه شد که اثر نانوفیبرسلولز بیشتر از نانورس بود.

 

واژه‌های کلیدی: اتصال انگشتی، ارتعاش، کاج ، نانورس، نانوفیبرسلولز.

 

مقدمه

 

یکی از امتیازات اصلی چوب و فرآورده­های مرکب آن به­عنوان ماده سازه­ای این است که به سادگی می­توان اجزای سازه­ای را با دامنه­ وسیعی از اتصال­دهنده­ها (انواع چسب­ها و اتصال­دهنده­های مکانیکی) به یکدیگر متصل کرد. اتصال در سازه­های چوبی اعم از ساختمان­های چوبی یا مبلمان به معنی متصل شدن دو یا چند عضو به وسیله­ یک اتصال­دهنده می باشد (Custodio et al., 2009). اتصالات ممکن است تماما از عضوهای چوبی تشکیل شده باشند، اما ممکن است شامل اتصالات چوب به فولاد یا دیگر عضوهای فلزی و غیرفلزی نیز باشند (Ayarkwa et al., 2000). علاوه بر این با توجه به منابع محدود چوبی در جهان اتصالات باعث کاهش هدررفت چوب می­شود.

از اتصالات چسبي از سال­هاي بسيار دور در ساخت انواع محصولات چوبي به اشکال گوناگون سربه­سر1، پهلوبه­پهلو2 و سطح­به­سطح3 استفاده مي­شود و گستردگي زيادي دارد (Custodio et al., 2009). اتصال انگشتی از مهم­ترین اتصالات چسبی سربه­سر در ساخت مصنوعات چوبی می­باشد که با استفاده از اين اتصال، امکان تولید قطعات چوبی با طول بلندتر و در مواردی صفحات با پهنای بیشتر با انواع چسب فراهم می­گردد (Ayarkwa et al., 2000). تحقیقات زیادی در زمينه توليد اتصالات با استحکام بیشتر با استفاده از انواع ذرات نانو انجام شده است (Guo et al., 2018; Ismita & Lokesh, 2017; Hosseyni et al., 2014; Kaboorani & Ridell., 2011)).

از انواع این ذرات می­توان به ذرات نانوفیبرسلولز4 و نانورس اشاره کرد. سلولز که از اعضای خانواده پلی­ساکاریدها است، فراوان­ترین ماده زیستی و ماده تجدید­شونده طبیعی است که از دسته­های رشته رشته مانند به اسم میکروفیبریل با قطر 3 تا 30 نانومتر تشکیل شده است. این ذرات به دلایلی همچون تجدیدپذیری، قیمت کم، سطح ویژه­ زیاد و مقاومت ویژه‌ زیاد بسیار مورد توجه قرار گرفته­اند (Beigloo et al., 2017). Kamboj و همکاران (2022) اثر استفاده از نانوفیبرسلولز در غلظت­های مختلف را در اتصالات انگشتی متصل شده با چسب پلی­وینیل­استات5 در دو گونه‌ چوب صنوبر (Picea abies L) و راش (Fagus sylvatica) مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنان نشان داد افزایش 01/0 نانوفیبرسلولز باعث بهبود خواص مکانیکی هر دو گونه می‌گردد. از نانورس نیز به­عنوان پركننده در ساخت نانو­کامپوزیت‌ها در حجم قابل توجه استفاده مي­شود، به­طوري­كه مصرف مقادير اندكي از آن سبب افزايش مدول‌الاستیسیته، استحكام، مقاومت گرمايي، كاهش نفوذپذيري گاز، مقاومت در برابر اشتعال و بهبود خواص فيزيكي مي­گردد که بهبود خواص ذکر شده در اكثر مواقع باعث افت سایر ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی در محصول تولیدی  نمي­شود (Nafchi et al., 2015). از تحقیقات صورت­گرفته در تاثیر استفاده از نانورس در خواص خمشی اتصال انگشتی در چوب‌آلات می­توان به تحقیق Ismita و همکاران (2019) در چسب اوره فرمالدهید اشاره کرد. نتایج تحقیق ایشان نشان داد افزایش درصد استفاده از نانورس در ترکیب چسب UF تاثیر معنی‌داری بر مقادیر مدول‌الاستیسیته ندارد درحالی­که مقاومت خمشی با افزایش میزان مصرف نانورس از خود افزایش نشان داده است. Yavari و همکاران (2015) به بررسی خواص آکوستیک چوب بلوط واجد اتصال‌های انگشتی و فارسی در زوایای مختلف با روش ارتعاش آزاد در تیر دو سر آزاد پرداختند. نتایج پژوهش ایشان حاکی از تاثیر بهتر چسب پلی­وینیل­استات نسبت به چسب ایزوسیانات بر ویژگی‌های آکوستیک این گونه بود. با توجه به اهمیت اتصالات چسبی در سازه­های چوبی و تاثیر ذرات نانو در افزایش کارآیی چسب‌ها هدف از انجام این پژوهش بررسی تاثیر استفاده از ذرات نانوفیبرسلولز و نانورس6 در 3 سطح 0، 4/0 و 5/1 (کشته­گر و همکاران، 1398) درصد در اتصالات انگشتی با طول انگشتی 10 میلی‌متر در گونه‌ بلوط با چسب پلی­وینیل­استات با روش آزمون غیرمخرب ارتعاش آزاد خمشی در تیر دو سر آزاد می‌باشد.

 

مواد و روش‌ها

ابتدا تعداد 100 نمونه کاملا سالم و راست تار از چوب یک گرده بینه­ کاج جنگلی (Pinus sylvestris) بدون هر گونه عیب و ایراد ظاهری از جمله گره، ترک، پوسیدگی و کج تاری بر طبق استاندارد بین­المللی ISO شماره 3129 با ابعاد 2×4×40 سانتی­متر7 جهت انجام آزمون انتخاب شدند. نمونه­ها به­منظور رسیدن به رطوبت تعادل 12 درصد به مدت 3 هفته در اطاق کلیماتیزه (با دمای 1±21 سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 5±65 درصد) بر طبق استاندارد بین­المللیISO  شماره 3129 در دستگاه کلیماتیزه‌ دانشگاه آزاد کرج قرار گرفتند. پس از طی مدت مذکور به­منظور اطمینان بیشتر از عاری بودن نمونه ها از عیوب پنهان داخلی، نمونه­های آزمونی در دانشگاه مکانیک چوب دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج تحت آزمون ارتعاش خمشی آزاد در تیر دو سر آزاد بر اساس استاندارد ASTM C-02  (ASTM, 2002) قرار گرفته و بر اساس تئوری تیر تیموشنکو نمونه­هایی که دارای بیشترین همبستگی (همبستگی بالای 98/0) بین مدهای اول تا سوم ارتعاشی بودند جهت ادامه­ آزمون انتخاب گردیدند (Roohnia et al., 2012). بر­ این ­اساس تعداد 72 نمونه از نمونه­های اولیه که حایز شرایط جهت ادامه­ تحقیق بودند، پس از اندازه­گیری مجدد ابعاد و وزن، مورد آزمون ارتعاش خمشی قرار گرفتند (شکل 1).

 

[1] . End to end

[2] . Edge to edge

[3] . Face to face

[4] . CNF

[5] . PVAc

[6] . Nano clay sodium montmorillonite

[7] . Tangential × Radial × Longitudinal

 

 

 

 

img0 

شکل 1. نماي شماتيک از آزمون ارتعاش خمشي آزاد در تير دو سر آزاد

 

 

ضبط اصوات و ذخيره آن توسط نرم­افزار Audacity® انجام پذيرفت. فايل صدا توسط سيستم NDT-lab® با همان فركانس نمونه­برداري قرائت گرديد و محاسبات دینامیک صورت پذیرفت (Roohnia, 2007). چسب پلی­وینیل­استات مورد استفاده در این پژوهش از شرکت‌ صنایع چسب شمال و نانوفیبرسلولز و نانورس از شرکت نگین شرق تهیه گردید (مشخصات مندرج در جدول 1).

 

 

 

جدول 1. مشخصات چسب و ذرات نانو

چسب پلی­وینیل­استات

درصد مواد جامد

چگالی

(کیلوگرم بر مترمکعب)

زمان گیرایی (در 20 دقیقه)

پایه رقیق­کننده

66-62

5/1-1/1

20 -10 دقیقه

اتیل­استات

انواع نانو

 

نانو سلولز (CNF)

چگالی

(گرم بر مترمکعب)

ابعاد (میکرومتر)

سطح ویژه (m2/gr)

طول

عرض

قطر

2/1

180-20

25-20

10±32

33-31

نانورس

(Nanoclay sodium montmorillonite)

7/0

طول

عرض

قطر

270-220

2-1

5-4

15-10

 

 

نانوفیبرهای سلولز و نانورس در 2 سطح 4/0 و 5/1 درصد بر اساس وزن کل چسب پلی­وینیل­استات با همزن دیجیتال به مدت 15 دقیقه در دور 2000 برای پراکنش ذرات در دانشگاه مکانیک چوب دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج هم زده شدند (نجفیان­اشرفی و همکاران، 1401). اتصال انگشتی با دستگاه تجاری MAKITA® در کارگاه صنعتی رزکان وسط آزمونه‌ها شکل گرفت (شکل 2). آزمونه‌های اولیه به 6 گروه 3تایی تقسیم شده و در 3 سطح 0، 4/0 و 5/1 با ذرات نانوفیبر سلولز و نانورس اتصال یافتند. مصرف چسب 200 گرم بر مترمربع در نظرگرفته شد كه پس از اندازه‌گیری مساحت اتصال، مقدار مورد نیاز آن محاسبه شد (Roohnia et al., 2012). پس از چسب­زنی آزمونه‌ها به مدت 48 ساعت تا برقراری کامل اتصال در درون گیره‌ دستی قرار گرفته و پس از آن مجددا به­منظور رسیدن به رطوبت تعادل 12 درصد به مدت 3 هفته در اطاق کلیماتیزه (با دمای 1±21 سانتی‌گراد و رطوبت نسبی %5±65) واقع شدند. آزمون ارتعاش خمشی آزاد در تیر دو سر آزاد بر روی آزمونه‌های اتصال یافته مجددا صورت گرفت و محاسبات دینامیک نیز بر روی اتصالات مطابق با تئوری تیر تیموشنکو انجام پذیرفت (Timoshenko, 1921).

میرایی حاصل از ارتعاش که شاخصی برای میزان افت ‌ارتعاش در طول زمان است از رابطه‌ (2) محاسبه گردید (Bodig & Jayne, 1993).

رابطه (1)

 

                                                                                     

 

 

رابطه (2)

 

img0 

شکل 2. نماي شماتيک از اتصالات انگشتی

 

 

 

مدول سفتی (مدول الاستیسیته ویژه) از رابطه (3) محاسبه شد:

 

که در آن SL: مدول سفتی (مدول‌‌الاستیسیته ویژه) (Pa.m3/Kg)؛ EL: مدول‌الاستیسیته (Pa)؛ و d: دانسیته (Kg/m3) است (Bodig & Jayne, 1993).

کارآیی تبدیل آکوستیک (ACE) که از فاكتورهاي مهم آكوستيكي چوب­آلات می‌باشد توسط رابطه (4) محاسبه شد (Roohnia, 2019).  

رابطه (3)

 

 

ACE: کارآیی تبدیل آکوستیک (/s.kg M4)؛  E: مدول‌الاستیسیته‌ دینامیک (Pa) حاصل از ارتعاش طولی؛ ρ: جرم ویژه (kg/m3)؛ و λ: میرایی ارتعاش می‌باشند (Roohnia, 2019; Ono & Norimoto, 1983).

مقایسه­ میانگین­های هر یک از ویژگی­های آکوستیکی حاصل از هر مرحله­ آزمونی (نسبت به آزمونه­های شاهد) نیز توسط آزمون آماری T test در سطح 95 درصد صورت پذیرفت. درصد تغییرات در مقادیر حاصل از هر یک از فاکتورهای اندازه­گیری­شده نسبت به آزمونه­های شاهد نیز محاسبه گردید. برای انجام آزمون­های آماری از نرم­افزار SPSS Ver. 17 و برای رسم نمودار ستونی و نقطه‌ای از نرم­افزار MS ECXEL استفاده گردید.

 

نتایج

در جدول (2) میزان درصد تفاوت هر یک از فاکتورهای محاسباتی دینامیکی در اثر ایجاد اتصال با شرایط متفاوت نسبت به چوب بدون اتصال هر گروه آمده است. در جدول (3) تاثیر چسب‌های پلی­وینیل­استات در ترکیب با نانوسلوز و نانورس در درصدهای مختلف (0، 4/0 و 5/1) نسبت به چوب بدون اتصال و نیز میزان درصد تفاوت هر یک از فاکتورهای محاسباتی دینامیکی در اثر ایجاد اتصال با شرایط متفاوت آمده است.

 

 

رابطه (4)

 

 

جدول 2. مقادیر کمی محاسبه­شده

کارآیی تبدیل آکوستیک

(m4.s-1.kg-1)

میرایی ارتعاش

مدول سفتی

(MPa.m3/Kg)

مدول‌الاستیسیته دینامیک (Gpa)

 

 

1226

0173/0

10/25

30/12

نمونه شاهد گروه 1

نانوفیبرسلولز

824

01525/0

86/24

19/12

%0

1280

00945/0

96/29

28/12

نمونه شاهد گروه 2

957

01298/0

45/29

41/13

4/%0

757

01586/0

60/26

40/12

نمونه شاهد گروه 3

659

02098/0

54/33

62/15

5/%1

460

01371/0

55/18

31/14

نمونه شاهد گروه 1

نانورس

303

01989/0

37/18

17/14

%0

404

01381/0

47/17

12/12

نمونه شاهد گروه 2

295

01907/0

02/18

62/12

4/%0

620

01052/0

07/21

18/12

نمونه شاهد گروه 3

499

01437/0

77/22

38/14

5/%1

 

جدول 3. مقادیر کمی محاسبه­شده

کارآیی تبدیل آکوستیک

(m4.s-1.kg-1)

میرایی ارتعاش

مدول سفتی

(MPa.m3/Kg)

مدول‌الاستیسیته دینامیک

(Gpa)

 

73/32-

11/42+

96/0-

95/0-

اتصال با 0 درصد نانوسلولز

25/25-

34/37+

22/9+

24/9+

اتصال با 4/0 درصد نانوسلولز

11/13-

22/32+

10/26+

04/26+

اتصال با 5/1 درصد نانوسلولز

06/34-

05/45+

95/0-

99/0-

اتصال با 0 درصد نانورس

04/27-

10/38+

17/3+

07/4+

اتصال با 4/0 درصد نانورس

57/19-

60/36+

04/8+

08/18+

اتصال با 5/1 درصد نانورس

 

 

 

ایجاد اتصال انگشتی بدون ترکیب چسب با ذرات نانوفیبرسلولز تاثیر معنی‌داری بر مقادیر مدول‌الاستیسیته دینامیک نسبت به چوب یکپارچه نداشت (افت به لحاظ عددی: 95/0 و 99/0 درصد در آزمونه‌های هر گروه نسبت به چوب یکپارچه). همان­طور که در شکل (3) ملاحظه می­شود افزودن 4/0 و 5/1 درصد نانوفیبرسلولز سبب افزایش معنی‌دار مدول‌الاستیسیته دینامیک در چوب‌های اتصال‌دار نسبت به چوب یکپارچه شده است (افزایش 24/9 و 04/26 درصد نسبت به چوب یکپارچه).

در شکل (4) تاثیر نانورس در مقادیر مدول‌الاستیسیته‌ دینامیک اتصالات انگشتی حاصل از پلی­وینیل­استات شده است. همان­طور که ملاحظه می‌گردد اضافه کردن هر دو مقادیر 4/0 و 5/1 درصد نانورس در چسب پلی­وینیل­استات باعث افزایش معنی‌دار مقادیر مدول‌الاستیسیته‌ دینامیک شده است (به­ترتیب 07/4 و 08/18درصد نسبت به چوب یکپارچه).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 3. تاثیر نانوفیبرسلولز بر مدول‌الاستیسیته دینامیک اتصالات

 

 

 

 

 

شکل 4. تاثیر نانورس بر مدول‌الاستیسیته دینامیک اتصالات

 

 

شکل (5) تاثیر حضور نانوفیبرسلولز در چسب پلی­وینیل­استات را در مقادیر مدول سفتی دینامیک به نمایش درآورده است. همان­طور که در این شکل ملاحظه می‌گردد ایجاد اتصال بدون نانوفیبرسلولز تاثیر معنی­داری بر مقادیر مدول سفتی دینامیک نداشته است (افت به لحاظ عددی: 96/0 و 95/0 درصد نسبت به چوب یکپارچه). با افزایش نانوفیبرسلولز در هر دو مقادیر 4/0 و 5/1 درصد مقادیر مدول سفتی دینامیک به­طور معنی‌داری افزایش یافته است (به­ترتیب: 22/9 و 10/26 درصد نسبت به چوب یکپارچه).

 

 

 

 

شکل 5. تاثیر نانوفیبرسلولز بر مدول سفتی دینامیک اتصالات

 

 

 

در شکل (6) نیز تاثیر اضافه نمودن نانورس بر مقادیر مدول سفتی دینامیک اتصالات حاصل از چسب پلی­وینیل­استات آمده است. اضافه نمودن نانورس به پلی­وینیل­استات روند تغییراتی همچون مدول‌الاستیسیته می‌باشد. اضافه نمودن مقادیر 4/0 و 5/1 درصد نانورس سبب افزایش معنی‌دار مقادیر حاصل از این فاکتور شد (به­ترتیب 17/3 و 04/8 درصد نسبت به چوب یکپارچه). 

 

 

 

شکل 6. تاثیر نانورس بر مدول سفتی دینامیک اتصالات

 

 

 

در شکل‌ (7) تغییرات میرایی ارتعاش در اثر ایجاد اتصال پلی­وینیل­استات بدون اختلاط و با اختلاط با ذرات نانوفیبرسلولز در سه سطح 0، 4/0 و 5/1 به نمایش در آمده است. مقادیر میرایی ارتعاش در سطح اختلاط 0 درصد با افزایش معنی‌داری روبه­رو شد (افزایش: 11/42 و 05/45 درصد نسبت به چوب یکپارچه در آزمونه‌های شاهد هر گروه). ایجاد اتصال با دو سطح اختلاط 4/0 و 5/1 مقادیر میرایی ارتعاش را به­طور معنی‌داری نسبت به چوب‌های اتصال­دار فاقد نانو کاهش داد (به­ترتیب افزایش: 34/37 و 22/32 درصدی نسبت به چوب یکپارچه).

 

 

 

شکل 7. تاثیر نانوفیبرسلولز بر میرایی ارتعاش دینامیک اتصالات

 

 

در شکل‌(8) تغییرات میرایی ارتعاش در اثر ایجاد اتصال پلی­وینیل­استات بدون اختلاط و با اختلاط با ذرات نانورس در سه سطح 0، 4/0 و 5/1 به نمایش در آمده است. اتصال با ذرات نانورس در دو سطح 4/0 و 5/1 سبب کاهش مقادیر میرایی ارتعاش شده است (به­ترتیب افزایش: 10/38 و 60/36 درصدی نسبت به چوب یکپارچه).

 

 

 

شکل 8. تاثیر نانورس بر میرایی ارتعاش دینامیک اتصالات

 

 

در شکل­های‌ (9) و (10) تغییرات کارآیی تبدیل آکوستیک در اثر ایجاد اتصال پلی­وینیل­استات بدون اختلاط و با اختلاط با ذرات نانوفیبرسلولز در سه سطح 0، 4/0 و 5/1 به نمایش در آمده است. مقادیر کارآیی تبدیل آکوستیک در سطح اختلاط 0 درصد با کاهش معنی‌داری روبه­رو شد (به­ترتیب کاهش: 73/32 و 06/34 درصد نسبت به چوب یکپارچه در آزمونه‌های شاهد هر گروه). ایجاد اتصال با دو سطح اختلاط 4/0 و 5/1 نانوفیبرسلولز مقادیر میرایی ارتعاش را به­طور معنی‌داری نسبت به چوب‌های اتصال­دار فاقد نانو کاهش داد (به­ترتیب کاهش: 25/25 و 11/13 درصدی نسبت به چوب یکپارچه). اتصال با ذرات نانورس نیز در دو سطح 4/0 و 5/1 سبب کاهش مقادیر میرایی ارتعاش شد (به­ترتیب افزایش: 04/27 و 75/19 درصدی نسبت به چوب یکپارچه).

 

 

 

شکل 9. تاثیر نانوفیبرسلولز بر کارآیی تبدیل آکوستیک اتصالات

 

 

 

 

شکل 10. تاثیر نانورس بر کارآیی تبدیل آکوستیک اتصالات

بحث و نتیجه­گیری

 

همان­طور که نتایج نشان داد حضور نانوسلولز در چسب پلی­وینیل­استات موثر واقع شد. نتایج دینامیک حاصل از این پژوهش را پیش از این Yavari و همکاران (2015) در اتصال انگشتی بدون ذرات نانو گزارش نموده بودند. آنان در تحقیق در مورد چوب بلوط بلند مازو به این نتیجه رسیده بودند که اتصال انگشتی با چسب پلی­وینیل­استات تاثیر معنی‌داری یر مقادیر مدول‌الاستیسیته دینامیک ندارد. اما در خصوص اثر دینامیک ذرات هر دو ذره‌ نانوفیبرسلولز و نانورس بر ویژگی‌های آکوستیک گونه‌های چوبی تا کنون تحقیقی مشاهده نشده است. Kamboj و همکاران (2022) نیز اثر مثبت حضور نانوفیبرسلولز و نانوکریستال سلولز در چسب پلی­وینیل­استات را در درصدهای متفاوت با این تحقیق در دو گونه spruce wood (Picea abies L) and beech wood (Fagus sylvatica) گزارش نمودند. تجزیه و تحلیل FTIR تحقیق ایشان حاکی از برهم کنش مناسب بین نانوفیبرسلولز و چسب پلی­وینیل­استات بود. ضمن اینکه Aydemir و همکاران (2016) نیز اتصال خوب چسب پلی­وینیل­استات با ذرات نانوفیبرسلولز را گزارش داده بودند. در مورد ذرات حضور ذرات نانورس در چسب پلی­وینیل­استات نیز پیش از این پژوهش دینامیک مشابهی صورت نپذیرفته است. اما در تحقیقاتی که به روش استاتیک گزارش شده بودKaboorani  و Riedl (2011) در تحقیق خود روی چسب پلی­وینیل­استات اعلام نمودند که این چسب قابلیت اتصال خوبی با ذرات نانورس دارد. همچنین می‌توان به تحقیق Aydemir  و همکاران (2016) اشاره کرد. ایشان در تحقیق خویش با درصدهای متفاوت با این تحقیق به این نتیجه رسیده بودند که حضور نانورس اثر مثبتی در ماتریس چسب پلی­وینیل­استات دارد. نتایج حاصل از این پژوهش نیز مبین افزایش معنی‌دار مقادیر مدول‌الاستیسیته‌ دینامیک اتصال انگشتی در گونه‌ بلوط می‌باشد. با توجه به نتایج حاصل، اثر نانوفیبرسلولز بیشتر از نانورس بر مدول الاستیسیته‌ دینامیک می‌باشد. در مورد فاکتور مدول سفتی دینامیک در اتصالات حاوی نانوفیبرسلولز و نانورس و سایر محصولات چوبی تحقیق مشابهی ملاحظه نشد، ولی با توجه به افزایش مقادیر مدول‌الاستیسیته‌ دینامیک در اثر اضافه نمودن هر دو نانوذره‌ نانوفیبر سلولز و نانورس و ثابت ماندن دانسیته، افزایش مقادیر مدول سفتی دور از انتظار نبود. پیش از این تحقیق مشابهی پیرامون تاثیر اضافه کردن ذرات نانوفیبرسلولز و نانورس بر مقادیر میرایی ارتعاش صورت نپذیرفته است. اتصالات بدون نانوفیبرسلولز و نانورس با افزایش معنی‌دار مقادیر میرایی ارتعاش مواجه شدند. با اضافه نمودن هر دو ذرات نانوفیبرسلولز و نانورس کاهش این مقادیر اتفاق افتاد که نتیجه‌ حاصل را می­توان به اتصال خوب بین چسب پلی­وینیل­استات ذرات نانوفیبرسلولز و نانورس (Aydemir et al., 2016; Hosseyni et al., 2014; Candan & Akbulut, 2015) نسبت داد. از کارآیی تبدیل آکوستیک به­عنوان اصلی­ترین معیار در انتخاب چوب­آلات مصارف چوب‌های به­کار رفته در صفحات ارتعاشی مربوط به سازآلات یاد می‌شود (Roohnia, 2019). این فاکتور با میرایی ارتعاش نسبت عکس دارد و با اتصال چوب بدون هر دو نانوذره‌ نانوفیبرسلولز و نانورس با افت معنی‌دار مقادیر این فاکتور مواجه شدند. اما با اضافه نمودن ذرات هر دو نانوذره مقادیر این فاکتور به­طور معنی‌داری از خود افزایش نشان دادند. نتایج حاصل از تحقیقات Yavari و همکاران (2015) در مورد اتصال چوب بلوط با چسب پلی­وینیل­استات مطابق با نتایج به­دست آمده از این تحقیق بود. ضمن اینکه Kohantorabi و همکاران در سال­های (2015) و (2020) از این فاکتور جهت ردیابی ناهمگنی در چوب‌های صنوبر و چوب بلوط ناهمگن­شده با اتصال با چوب صنوبر توسط چسب پلی­وینیل­استات استفاده نمودند. نتیجه‌ حاصل را علاوه بر رابطه‌ معکوس مقادیر میرایی ارتعاش و کارآیی تبدیل آکوستیک، به ایجاد همگنی بیشتر در ناحیه‌ اتصال به واسطه‌ حضور نانوفیبرسلولز و نانورس در اتصال حاصل می‌توان نسبت داد.

 

منابع

کشته­گر، ب.، مدهوشی، م.، رشیدی، ع. و مشکور، م. (1398) تاثیر تقویت چسب پلی­وینیل­استات (PVAc) با نانوفیبرکربن (CNF) بر ظرفیت لنگر خمشی اتصال گوشه­ای مبلمان. تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران، 67(2): 242-254.

نجفیان اشرفی، م.، مرادپور، پ.، جهان­لتیباری، ا. و عدالت، ح. (1401) اصلاح و بهبود ویژگی­های چسب پلی­وینیل­استات با استفاده از نانو سیلیکا. تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران، 38(2): 128-140.

ASTM. (2002) Standard test method for dynamic young’s modulus, shear modulus, and poisson’s ratio of refractory materials by impulse excitation of vibration, Designation C1548, 7p.

Ayarkwa, J., Hirashima, Y. and Sasaki, Y. (2001) Predicting modulus of rupture of solid and finger jointed tropical African hardwoods using longitudinal vibration, Forest Products Journal, 51(1): 85-92.

Aydemir, D., Gunduz, G., Aşık, N. and Wang, A. (2016) The effects of Poly (vinyl acetate) Filled with Nanoclay and Cellulose Nanofibrils on Adhesion Strength of Poplar and Scots Pine Wood. Drvna Industrija, 67(1): 17-24.

Beigloo, J.G., Eslam, H.K., Hemmasi, A.H., Bazyar, B. and Ghasemi, I. (2017) Effect of nanographene on physical, mechanical, and thermal properties and morphology of nanocomposite made of recycled high-density polyethylene and wood flour. BioResources, 12(1): 1382-1394.

Bodig, J. and Jayne, B.A. (1993) Mechanics of wood and wood composites (Persian translation by G. Ebrahimi), University of Tehran Press, Tehran, Iran, 669p.

Candan, Z. and Akbulut, T. (2015) Physical and mechanical properties of Nanoreinforced particleboard composites, maderas. Ciencia y Tecnología, 17(2): 319–334.

Custodio, J., Broughton, J. and Cruz, H. (2009) A review of factors influencing the durability of structural bonded timber joint. Adhesion and Adhesive, 29(1): 173-185.

Guo, F., Aryana, S., Han, Y. and Jiao, Y. (2018) A review of the synthesis and application of Polymer-Nanoclay composites. Applied Sciences, 8(9): 1-29.

Ismita, N. and Lokesh, C. (2017) Effects of different nano clay loadings on the physical and mechanical properties of Melia composita particleboard. Bois and Forets Des Tropiques, 334(4): 7-12.

Ismita, N., Pandey, S., Naveen Kumar, C.K., Khali, D.P., Kishan, K. and Gupta, S. (2019) Exploratory studies on bending strength enhancement of finger jointed timber sections using high nanoclay concentrations in the adhesive. International Journal of Chemical Studies, 7(6):1064–1068

Hosseyni, M.J., Rahimi S., Rahimi S. and Faezipour M.M. (2014) Effect of nanoclay particles on the properties of particleboards. Journal of Basic and Applied Scientific Research, 4(3): 280-287.

ISO 3129 (2019) Wood – Sampling methods and general requirements for physical and mechanical testing of small clear wood specimens, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, 4p.

Kaboorani, A. and Riedl, B. (2011) Effects of adding nano-clay on performance of polyvinyl acetate (PVA) as a wood adhesive. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 42(8): 1031-1039.

Kamboj, G., Gaff, M., Smardzewski, J., Haviarov, E. Hui, D., Rezaei, R.  and Kumar, A. (2022) Effect of cellulose nanofiber and cellulose nanocrystals reinforcement on the strength and stiffness of PVAc bonded joints. Composite Structures, 295(1): 1-9.

Kohantorabi, M., Hemmasi, A., Talaeipour, M., Roohnia, M. and Bazyar, B. (2020) Effect of artificial inhomogeneity of density and drilling on dynamic properties developed by poplar block species (Populus Nigra) Jointed with oak Wood (Quercus Castaneifolia) Beams. BioResources, 15(3): 4711-4726. DOI: 10.15376/biores.15.3.4711-4726/

Kohantorabi, M., Hossein, M.A., Shahverdi, M. and Roohnia, M. (2015) Vibration ‎based NDT methods to verify wood drying efficiency. Drvna ‎Industrija, 66(3): 221-228.‎ 

Nafchi, H.R., Abdouss, M., Najafi, S.K., Gargari, R.M. and Mazhar, M. (2015) Effects of nano-clay particles and oxidized polypropylene polymers on improvement of the thermal properties of wood plastic composite, Maderas. Ciencia y tecnología, 17(1): 45-54.

Ono, T. and Norimoto, M. (1983) Study on young's modulus and internal friction of wood in relation to the evaluation of wood for musical instruments. Japanese Journal of Applied Physics, 22(4): 611–614.

Roohnia, M. (2007) NDT-LAB; System to evaluate the mechanical properties of wood, Iranian Patent No. 44032/22-08-1386.

Roohnia, M. (2019) Wood: Vibration and acoustic properties, in: Reference Module in Materials Science and Materials Engineering (19th Eds.), Elsevier Inc., Amsterdam, Netherlands, Available online, 19p.

Roohnia, M., Kohantorabi, M., Jahan-Latibari, A., Tajdini, A. and Ghaznavi, ‎M (2012) Nondestructive assessment of glued joints in timber applying ‎vibration-based methods. European Journal of Wood and Wood Products, 70(6): ‎‎791-799.

Timoshenko, S.P. (1921) On the correction for shear of the differential equation for transverse vibrations of prismatic bars. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 41(6): 744-746.

Yavari, A., Hemmasi, A., Roohnia, M. and Marušák, R. (2015) Dynamic Young's modulus of scarf- and finger-jointed beams using longitudinal vibration method. BioResources, 10(4): 6886-6895.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The effect of cellulose nanofiber (CNF) and nanoclay on the acoustic properties of finger joints of pine wood (Pinus sylvestris) bonded with polyvinyl acetate (PVA)

 

Babak Ranjbar1, Amir Lashgari2*, Ahmad Jahan-Latibari3, and Ajang Tajdini4

 

1)       Ph.D. Student, Department of Wood and Paper Science and Technology, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran.

2)       Associate Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran. *Corresponding Author Email Address: amir.lashgari@kiau.ac.ir  

3)       Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran.

4)       Associate Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran.

 

 

Date of Submission: 2024/07/20                           Date of Acceptance: 2024/09/01

 

Abstract

This research investigates the finger joints of pine wood (Pinus sylvestris) using polyvinyl acetate glue reinforced with cellulose nanofiber (CNF) and nanoclay particles, employing the free vibration method in free-free beams. Finger joints were created at three levels (0%, 0.4%, and 1.5%) in the middle of the samples with polyvinyl acetate adhesive containing cellulose nanofiber and nanoclay. The results indicated a significant increase in the modulus of elasticity and elastic stiffness due to the addition of both 0.4% and 1.5% of cellulose nanofiber and nanoclay. The damping factor values ​​showed a significant decrease by adding both levels of 0.4 and 1.5 cellulose nanofibers and nanoclay compared to the samples without nanoparticles. The values ​​of acoustic conversion efficiency also increased by adding both levels of 0.4 and 1.5 cellulose nanofibers and nanoclay compared to samples without nanoparticles. In general, with the increase in the percentage of use of both nanoparticles, better acoustic properties were observed in finger joints, and the effect of Cellulose Nano Fiber was greater than that of Nano clay.

 

Keywords: CNF, Finger joint, Nano clay, Pine wood, Vibration. 

  

 

        


Related articles

The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2021-2024

Home| Login| About Us| Contact Us|
[فارسی] [العربية] [fa] [ar]