Abstract
Nylig, har interessen for plante frø måltid-baserte produkter som tre lim stadig økt, da disse planteråvarer regnes fornybar og miljøvennlig. Disse naturlige produkter kan tjene som alternativer til oljebaserte lim for å lette miljø- og bærekrafthensyn. Dette arbeidet viser fremstilling og testing av plantefrø-baserte tre lim ved hjelp av bomullsfrøolje og soyamel som råstoff. I tillegg til ubehandlede måltider, vasket vann måltider og proteinisolatene blir fremstilt og testet. Klebe oppslemminger fremstilles ved å blande et frysetørket produkt måltid med deionisert vann (03:25 v / v) i 2 timer. Hvert adhesiv preparatet tilføres til en ende av to tre finerstrimler ved hjelp av en børste. De klebrig lim belagte områder av finér strimler er slikket og limt ved varmpressing. Adhesjonsstyrke rapporteres som skjærstyrke av de limte tre prøven ved pause. Vanntettheten til klebemidlene er målt vedforandringen i skjærstyrke av det bundne tre eksemplarer ved brudd etter vannbløtlegging. Denne protokollen gjør det mulig å vurdere plante frø-baserte landbruksprodukter som egnede kandidater for substitusjon av syntetiske basert tre lim. Justeringer av limet formulering med eller uten tilsetningsstoffer og liming forhold kunne optimalisere sine klebende egenskaper for ulike praktiske anvendelser.
Introduction
Liming av tre spiller en stadig større rolle i skogen produktindustrien og er en nøkkelfaktor for effektivt å utnytte tømmerressurser 1. Interessen for bruk av naturlige produktbaserte lim for tre økt jevnt fra 1930-tallet for å nå en topp rundt 1960 to. Etter denne perioden, prisen på petroleumsbasert lim ble så lave at de fortrengt protein lim fra flere tradisjonelle markeder. I de siste to tiårene, har denne trenden snudd med fornyet interesse for bruk av materialer som er fornybare, biologisk nedbrytbare, og mer miljømessig akseptabel. Disse naturlige ressurser omfatter, men er ikke begrenset til, soyaprotein 3-5, bomullsfrø-protein 6, riskli 7, hvetegluten 8, Distillers kornprotein 9, rapsprotein og olje 10-12, lignin fra durra og sukkerrør bagasse 13 , 14, og polysakkarider avledet fra rekeskall 15.
<p class = "jove_content"> Mens frø protein isolater har blitt mye vurdert som potensielle tre lim, innebærer isolert prosedyre etsende alkaliske og sure reagenser og det gjør isolere basert lim relativt dyrere og mindre miljøvennlig 16. Dermed har enkelte avfettet frø måltider (mel) med eller uten behandling også blitt testet for limet formål, selv om limet egenskapene til disse måltidene ikke utfører samt protein isolerer 17-19. Vi har sekvensielt fraksjonert bomullsfrø måltid (CM) i forskjellige fraksjoner, og undersøkt deres limet styrke i bonding tre veneers 20,21. Den vann-uløselig fast fraksjon (i det følgende vasket bomullsfrøolje måltid-WCM) kan brukes som tre lim, kan sammenlignes bomullsfrøolje proteinisolat (cspi), og vil være mindre kostbare å fremstille enn cspi.Lim styrke og vannmotstand er to kritiske parametere i å vurdere resultatene aven potensiell selvklebende materiale. Her er limet styrke rapportert som skjærstyrke ved brudd av runden bindingen av hvert tre eksemplar. Vanntettheten av klebemidlet blir målt ved forandringen i fanget skjærstyrke av de limte tre prøven ved brudd på grunn av vannbløtlegging. Ved hjelp av avfettet bomullsfrø og soya måltider som råvarer, gir denne protokollen en enkel og grei måte å tilberede og test plante frø-baserte produkter som tre lim. Denne protokollen vil være nyttig i å tilrettelegge arbeidet i å søke mer økonomiske og miljøvennlige formuleringer av naturlige produktbaserte tre lim.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Cottonseed og Soy Meal-baserte produkter (figur 1)
- Skaff råvarer, fettfri bomullsfrø og soya måltider, fra kommersielt tilgjengelige kilder.
- Få arbeids måltid ved å slipe solid avfettet måltid i en syklon prøve mølle å passere en 0,5 mm stålskjerm 16.
- Forberede vann vasket måltider fra arbeids måltider etter vann utvinning (25 g måltid: 200 ml vann) for å skille vannløselige komponenter i måltider 21.
- Forberede protein isolater fra arbeids måltider av alkali utvinning og sur nedbør 16.
2. Utarbeidelse av trefiner Strips
- Cut tre finer (1,59 mm tykk) hentet fra en kommersielt tilgjengelig kilde i strimler 25,4 mm brede ved 88,9 mm lange.
- Blyant markere en linje over tre korn på 25.4 mm (1.0 ") lengde fra den ene enden av hver stripe etikett disse strimler hensiktsmessig med testing behandlinger eller tall 5.. -10 tre par fremstilles for hvert test variabel.
3. Utarbeidelse av selvklebende Slurryer
- Beregne mengden av vann vasket måltid nødvendig per de tre prøver for testing, etter søknad rate (f.eks 4 mg tørr innhold cm -2) x total bonding område (f.eks 581 cm 2 av 90 tre strimler med 2.54 x 2.54 cm bonding område hver) pluss ca. 30% ekstra for enoughness (dvs. 4 x 581 x 130% 3 g vann vasket måltid for eksempel).
- Bland vannet vasket måltid med deionisert vann (03:25 vekt / vekt), og omrør med en magnetisk rørestav i 2 timer i et begerglass forseglet med Parafilm.
4. Utarbeidelse av Bonded Wood Prøver
- Pensle klebemiddeloppslemming på den ene enden av to finér strimler dekker 25.4 mm (1.0 ") lengde Air-tørke i 10 - 15 min., Eller til tacky.
- Børste et andre lag av klebemiddel slurry på toppen av det første lag og lufttørke på nytt. Mengden av tørt klebeforberedelse brukt er ca 4,5 mg tørr solid per cm 2 av bonding er av hver tre stripe.
- Overlappe klebrig lim belagt område (25.4 x 25.4 mm eller 1.0 "x 1.0") av to finér strimler. Varmpresse ved bruk av en Benchtop oppvarmet presse ved 100 ° C i 20 minutter ved et trykk på 400 psi (2,8 MPa). Legg merke til at trykket er den kraft som utøves av pressen dividert med overlappende område av de tre prøvene. Disse bindingsparametrene kan endres etter behov for hver test variabel.
- Avkjøl og kondisjonere de sammenføyde tre prøvene i 48 timer i en kondisjoneringsrommet eller en inkubator med fuktighet kontroll (temperatur på 22-23 ° C og en relativ fuktighet på 50 - 60%, figur 2).
5. Vannavstøtende Experiments
- Senk limt tre eksemplarer, etter innledende conditioning, i vann fra springen i 48 timer i et plastbrett ved RT (22-23 ° C). De våte prøvene etter soaking testes umiddelbart for skjærstyrke ved brudd og rapportert som våt styrke. Overskudd av vann på overflaten finer kan fjernes ved forsiktig å klappe sammen med papirvevet før målingene.
- Dyppe et annet sett av limte tre prøver, etter innledende kondisjonering, i et vannbad ved 63 ° C i 4 timer, og deretter tørke ved omgivelsesbetingelser (temperatur på 22-23 ° C og en relativ fuktighet på 50 - 60%) O / N (18 - 20 timer). Gjenta nedsenking-tørk gang med en 48 timers tørketid. De tørkede prøver ble så testet for skjærstyrke ved brudd og rapportert som fuktet klebestyrke.
6. Lap skjærstyrke Målinger
- Monter et limt tre eksemplar inn i 32 x 40 mm Fiskeskjell rutenett wedge fatt på en Materials Tester med en gripende trykk på 7 MPa, og sette krysshodehastighet på 1 mm min -1.
- Måle og registrere skjærstyrke ved pause for hver limt tre eksemplar. Resultatene av flere målinger gjennomsnittsberegnes for hver klebeskjemabefolkningen og test variabel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hver klebemiddelformulering ytelse bestemmes ved skjærstyrke av de limte tre prøven ved brudd og verdiene varierer avhengig av dimensjonene av trefinér anvendes. For eksempel, i tabell 1, de tørre og fuktet klebefasthetsverdier av de bundne prøver er lavere når tynnere og smalere lønn skinner (se Bomullsfrøolje-1), i motsetning til de tykkere og bredere strimler av Bomullsfrøolje-2 anbefales i protokoll, med samme bomullsfrøolje baserte klebemiddelblanding. Også observert var flere tre feil eksemplarer i løpet av selvklebende skjærstyrke målinger av tynne og smale tre veneers. Nærmere bestemt, 3 av den avfettede måltid, 4 av det vaskede måltid, og alle 10 av proteinisolatet sviktet i tre korn i stedet for på limfuge i tørre bundne prøver, og ved bruk av de samme tre klebemiddelblandinger, henholdsvis 0, 6 og 9 av de dynket prøvene sviktet i treet. Dette indikerer atlimet er sterkere enn den tynne tre strimler 21. En generell observasjon synes anvendelig for begge råmaterialer som brukes. Det vil si, den selvklebende utførelse av vann vasket bomullsfrøolje måltid er sammenlignbar med den til bomullsfrøolje proteinisolat. På den annen side, for soyaprodukter, både tørr og fuktet styrker av vannet vasket måltidet er lik de av avfettet måltid enn de av proteinisolat, noe som kan gjenspeile forskjeller i kjemisk sammensetning av bomullsfrøolje måltid og soyamel.
Tabell 2 sammenskjærstyrken av tørr, våt, og dynket prøver bundet ved 100 ° C ved hjelp av vann vaskes bomullsfrøolje måltid og fire tresorter. Skjærstyrke er i størrelsesorden: tørr> fuktet> våt for alle fire typer av trevirke, som indikerer den samme trend som vann svekker bindingsstyrken av disse tre prøver, og en del av styrken klebende binding gjenvinnes etter tørking. Den tørre skjærstyrke av poppel, Douglas gran, og hvit eiker i utgangspunktet like, men tørrstyrken er lavere med valnøtt. Den lille forskjellen gjør virkningen av treslag på den tørre adhesjonsstyrke bare signifikant ved P = 0,1. Virkningen av treslag er mer statistisk signifikant på de våte og gjennomvåt skjærstyrke data med P <0,001. I virkeligheten er i størrelsesorden av den våte og fuktet styrken av de bundne prøver for de fire skogen ikke samme som for den tørre styrken. Vi tilskriver denne observasjonen til forskjell i graden av ekspansjon (hevelse) av hver type tre i løpet av soaking; ekspansjonshastigheten av finér kan bli uforenlig med klebemidlet og kan utøve visse spenninger for å redusere bindingen leddets klebestyrke. Sol og Bian 22 foreslått at tre typer med høyere lineær eller bulk volumekspansjon vil ha høyere svinn stress under tørking, noe som delvis forklarer den høyere delaminerings priser av lønn og poppel parene enn valnøtt og furu under water-soaking tester.
Figur 1. frø måltid baserte materialer topp -. Bomullsfrø, bunn - soya. Fra venstre til høyre:. Avfettet måltid, jobber måltid, vann vasket måltid og protein isolat Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Bonded tre eksemplarer avsatt til condition (temperatur på 22-23 ° C og relativ luftfuktighet på 50 - 60%) Venstre 5, poppel.; Høyre 5, valnøtt. Limt området (25.4 x 25.4 mm eller 1.0 "x 1.0") er vist mellom de røde linjene på den mest venstre paret. Pllette klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Lim | Tørr styrke | Soaked styrke |
| Bomullsfrø-en ‡: | ||
| Fettfri måltid | 1.49 ± 0.14 en | 1.37 ± 0.17 en |
| Vann vasket måltid | 1.55 ± 0.11 en | 1.55 ± 0.15 b |
| Proteinisolat | 1.53 ± 0.18 en | 1.53 ± 0.14 b |
| Bomullsfrø-2 $: | ||
| Fettfri måltid | ND # | ND # |
| Vann vasket måltid | 3.26 ± 0.50 en | 2.38 ± 0.51 en |
| Proteinisolat | 3.6977; 1.13 en | 2.39 ± 0.61 en |
| Soya $: | ||
| Fettfri måltid | 2.40 ± 0.50 en | 1.25 ± 0.19 en |
| Vann vasket måltid | 2.29 ± 0.39 en | 1.60 ± 0.37 en |
| Proteinisolat | 3.51 ± 0.33 b | 3.76 ± 0.90 b |
‡ Lim ble brukt til tynnere og smalere tre strimler (0,99 mm tykke x 12.7 mm bred x 25,4 mm lang).
$ Klebemidler ble påført tykkere og bredere tre strimler som beskrevet i protokollen (1,59 mm tykt x 25,4 mm bredde x 25,4 mm lange).
# Ikke fastsatt.
Tabell 1. Skjærfasthet (MPa) i tørr og fuktet lønnetre strimler bundet ved 100 ° C med avfettet måltid, vasket med vann måltid, og proteinisolat av bomullsfrøolje og soya. P = 0,05. Dataanalyse pakken i Microsoft Excel 2007 ble benyttet for statistisk analyse.
| Wood | Tørr styrke | Våt styrke |
| Poppel | 4,52 ± 0,54 | 1,73 ± 0,20 |
| Douglas gran | 4.30 ± 0.96 | 2.24 ± 0.14 |
| Valnøtt | 3.59 ± 0.23 | 1,78 ± 0,10 |
| Hvit eik | 4.33 ± 0.32 | 1,66 ± 0,25 |
| Signifikansnivå (P> F) | 0.1 | <0,001 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette notatet presenterer en enkel prosedyre for å forberede og testanlegg frø-baserte produkter som tre lim. Limet slam exampled i denne protokollen er rett og slett den fettfri frø måltid produkt og vann. Forskjellige klebemiddelblandinger kan nås ved tilsetning av test reagenser (for eksempel natrium-dodecylsulfat, natrium-bisulfitt eller treolje) 5,6,23 og / eller endringer i blandeforhold (for eksempel pH, forholdet mellom fast stoff og vann) 3,24 25. Justering av klebemiddelformuleringen er også nødvendig dersom de reologiske egenskaper av klebe oppslemmingen er ikke egnet for hensiktsmessig anvendelse på de tre strimler.
De solid overflate prøvemateriale, tre veneers, er naturlige produkter, slik at man kan forvente høy variasjon av tre teksturer og overflateruhet. Av denne grunn, replikerer testing 3-10 har blitt rapportert i litteraturen. På grunn av disse variasjoner og andre kjente og ukjente faktorer, er det ikke uvanlig å se storestandardavvik (> 10%) observert i skjærstyrkemålinger, som i tabell 1, og litteraturen 6-8,12,25, og dette kan svekke noen statistisk analyse ved P ≤ 0,05. Dermed noen papirer bare presentere data med standardavvik, deretter sammenligne og diskutere dem uten statistisk signifikans analyse (f.eks 7,8,12,26). Denne tilnærmingen gjør fortsatt litt fornuft ved å vise generelle trender for påvirkning fra testvariabler.
Det skal bemerkes at målingen av skjærstyrke er også følsom overfor prøvedimensjoner og den numeriske resultater kan ikke sammenlignes mellom ulike geometrier. De høyere verdier for skjærstyrke Bomullsfrøolje-2 enn Bomullsfrøolje-1 i tabell 1 er tydeligvis på grunn av tykkere og bredere tre prøver som brukes for Bomullsfrøolje-2. Det er rapportert at styrken i en lap-skjær felles kan variere med den totale lengden av prøvestykket, selv for en fast overlap lengde 27. Således kan sammenligningen bare utføres mellom prøvene i det samme sett av tester, for ikke mellom forskjellige test geometrier, for eksempel mellom Bomullsfrøolje-2 og soyabønne (tabell 1). Mer informasjon om effektene av geometri og materialegenskaper på brudd av enkelt lap-skjær leddene kan bli funnet i Kafkalidis og Thouless 27.
Skjærstyrke ble testet i referanse til American Society for Testing og Materials (ASTM) Standard Metode D-906 22. Denne protokollen presenterer to vanligste metodene som brukes for evaluering av vannmotstand: (1) våt styrket skjærstyrke av de limte prøvene målt umiddelbart etter bløtlegging i vann fra springen ved 23 ° C i 48 timer, som var basert på ASTM Standard D1151- 00 11; og (2) gjennomvåt styrket skjærstyrke av de limte prøvene målt etter soaking - Tørkesyklusene, som var lik den kinesiske National Standard for Plywood (GB / T 17657-1999 ASTM Standard D1151-00 11. Noen papirer rapportere våt styrke bare fem, eller gjennomvåt styrke bare seks, eller begge 11. Det er også verdt å påpeke at den gjennomvåt styrke i denne protokollen er målt etter to sykluser av soaking ved 63 ° C i 4 timer og tørking ved RT O / N (18-20 timer) 6. Noen forskere tiltak i fuktet styrke etter en lengre bløtlegging og tørking ved romtemperatur (dvs. 48 timers bløtlegging og 2- til 7-dagers tørking både ved 23 ° C) 11,25. Etter vår mening kan man velge enten metode basert på sin eksperimentelle tid tilgjengelighet og sine prosjektmål.
I dette arbeidet har vi testet limet styrke med de enkle to-lags felles prøver. Selv om denne metode er mest brukt (for eksempel 4,6,9,11), mer komplisert eller flere overlappende tre prøver har også anvendes i klebetester (f.eks, to to-lags ledd med tre tre strimler 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).
