نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

4 دکتری معماری و حفاظت ابنیه شهری، مرمت اجزا و تزئینات وابسته به ابنیه تاریخی، پژوهشگاه میراث فرهنگی و گردشگری کشور، تهران، ایران

10.22092/ijwpr.2023.361465.1749

چکیده

سابقه و هدف: اصلاح سطح و پوشش­دهی یکی از روش­های مؤثر برای افزایش عملکرد و عمر مفید سازه­های چوب محسوب می­شود. انواع تکنیک­های فوق­آب­گریزی با زاویه تماس بالای 150 درجه و زاویه لغزش کمتر از 10 درجه، علاوه بر ایجاد آبگریزی بسیار بالا، ماهیت ضد میکروبی و سایر خواص سطحی بستر را نیز بهبود می­دهند. مواد فلوره و نانوذرات از رایج‌ترین مواد در این زمینه هستند. باوجوداین، مقاومت در برابر تخریب مکانیکی، رطوبتی و مسئله زیست‌محیطی در ارتباط با سطوح فوق­آبگریز بسیار حائز اهمیت است. موم­های طبیعی یکی از مواد کارآمد و سالم برای ایجاد پوشش فوق آبگریز بادوام با زیست سازگاری بالا مطرح هستند. در این تحقیق از نانو سیلیکای اصلاح شده با مواد الکیلی غیر فلوئوره در حضور رزین اپوکسی برای ایجاد سطوح فوق آبگریز روی چوب توس (Betula pendula) استفاده شده است. همچنین، از موم گیاهی نخل کارنابا برای افزایش خودتمیزشوندگی و پایداری زاویه تماس در شرایط آسیب مکانیکی، رطوبتی و محیط­های مخرب به‌طور مقایسه­ای استفاده شده است.
مواد و روش­ها: از دودسیل­تری کلروسیلان در حضور حلال تولوئن برای عامل‌دار و هیدروفوب کردن نانو سیلیکا استفاده شد. از فرمولاسیون حاوی 2 درصد نانو سیلیکای اصلاح شده و مقداری رزین اپوکسی به روش اسپره برای پوشش­دهی و فوق­آبگریز کردن چوب توس استفاده گردید. همچنین، از مقدار بهینه­ موم نخل برزیلی کارنابا (موم گیاهی) به عنوان عامل تقویت‌کننده و مقاوم­ساز برای ساخت پوشش نانوهیبریدی استفاده شد. دوام و پایداری به تخریب مکانیکی (سایش سمباده، ضربه آب) و شرایط پرمخاطره (اسیدی، قلیایی، اشعه فرابنفش و حلال) بررسی گردید. در نهایت ظرفیت خودتمیزشوندگی سطوح چوبی فراوری شده، به روش­های متفاوت کیفی (سطح شیب‌دار) و کمی (قطره‌گذاری) با استفاده از مایعات مصرفی خوراکی ارزیابی شد.
یافته­ها: هر دو نوع نانو پوشش کامپوزیتی (بدون موم) و هیبریدی (حاوی موم) سبب ایجاد ماهیت فوق آبگریزی روی چوب توس شدند. افزودن مقدار بهینه از موم کارنابا به ساختار نانو پوشش بر پایه اپوکسی، منجر به زاویه تماس 170 درجه و زاویه لغزش کمتر از 3 درجه قطره آب می­شود. علاوه بر این، افزودن موم کارنابا سبب پایداری و استحکام سطوح فوق آب­گریز در شرایط پرمخاطره آبی و مکانیکی (سایش سمباده) شد. بالاترین میزان پایداری در محیط­های پرمخاطره مربوط به نانو پوشش هیبریدی بود. بالاترین میزان زاویه تماس برای آب انار و کمترین برای شیر مشاهده شد. همچنین، ظرفیت خودتمیزشوندگی با انواع نوشیدنی نوشابه زرد و مشکی بر روی سطح فوق آبگریز موفقیت‌آمیز بود.
نتیجه‌گیری: استفاده از موم کارنابا سبب افزایش زاویه تماس و کاهش زاویه لغزش شد. استفاده از موم کارنابا سبب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی و ضدآبی پوشش فوق آبگریز شد. ماهیت شیمیایی موم درون پوشش نانو هیبریدی دلیل برتری پوشش فوق آبگریز روی چوب است. سطح فوق­آب­گریز ساخته شده با پوشش نانوهیبریدی در حضور موم کارنابا دارای ظرفیت خودتمیزشوندگی، زیست سازگاری و پایداری در شرایط سرویس بوده و برای حفاظت از انواع سطوح عمومی در زمینه مواد غذایی، به‌ویژه مواد لیگنوسلولزی مانند چوب و کاغذ می‌تواند استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-Bayer, I.S., Fragouli, D.,  Martorana, P.J.,  Martiradonna, L.,  Cingolani, R. and  Athanassiou, A., 2011. Solvent resistant superhydrophobic films from self-emulsifying carnauba wax–alcohol emulsions Soft Matter. 7: 7939-7943, 10.1039/C1SM05710C.
-Celik, N., Torun, I., Ruzi, M., Esidir, A. and Onses, M.S., 2020. Fabrication of robust superhydrophobic surfaces by one-step spray coating: Evaporation driven self-assembly of wax and nanoparticles into hierarchical structures. Chemical Engineering Journal. 396: 125230.
-Chang, H., Tu, K. and Wang, Liu, J., 2015. Fabrication of mechanically durable superhydrophobic wood surfaces using polydimethylsiloxane and silica nanoparticles. RSC Adv.5: 30647–30653.
-Cho, Y.J., Jang, H., Lee, K.S. and Kim, D.R., 2015. Direct growth of cerium oxide nanorods on diverse substrates for superhydrophobicity and corrosion resistance. Applied Surface Science. 340: 96–101
-Donath, S., Militz, H. and Mai, C., 2006. Creating water-repellent effects on wood by treatment with silanes. Holzforschung. 60: 40–46.
-Durret, J., Szkutnik, P.D., Frolet, N., Labau, S. and Gourgon, C., 2018. Superhydrophobic polymeric films with hierarchical structures produced by nanoimprint (NIL) and plasma roughening. Applied Surface Science.  445: 97-106.
-Lee, J.A. and McCarthy, T.J., 2007. Polymer surface modification topography effects leading to extreme wettability behavior. Macromolecules 40: 3965–3969.
-Li, C., Sun,Y., Cheng, M. and Sun, S., Hu, S. 2018. Fabrication and characterization of a TiO2/polysiloxane resin composite coating with fullthickness super-hydrophobicity. Chemical Engineering Journal. 333:361–369
-Liu, F., Gao, Z., Zang, D., Wang, C. and Li, J., 2015. Mechanical stability of superhydrophobic epoxy/silica coating for better water resistance of wood. Holzforschung 69: 367–374.
-Liu, F., Wang, S., Zhang, M., Ma, M., Wang, C. and Li, J., 2013. Improvement of mechanical robustness of the superhydrophobic wood surface by coating PVA/SiO2 composite polymer. Applied Surface Science. 280: 686-692.
-Mastouri, A., Azadfallah, M., Tarmian, A. and efhamisisi, D., 2018. The effect of cerium dioxide nanoparticles on the physical properties of polyurethane clear coating. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 8(4): 645-656, (In Persian).
-Mastouri, A., Efhamisisi, D., Shirmohammadli, Y. and Oladi, R., 2021. Physicochemical Properties of Thermally Treated Poplar Wood (OHT) in Silicone and Rapeseed Oils: A Comparative Study. Journal of Building Engineering. 43: 102511.  https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102511
-Mastouri, A., Efhamisisi, D., Tarmian, A., Boukherroub, R., Lexa, M., Karami, E. and Frigione, M., 2024. Sustainable superhydrophobic and self-cleaning wood via wax within Epoxy/PDMS nano-composite coatings: Durability related to surface morphology. Progress in Organic Coatings. 186, 107951. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2023.107951
Mastouri-M, A., Azadfallah, M., Tarmian, A. and Efhamisisi, D., 2020. Nano-cerium dioxide synergistic potential on abrasion resistance and surface properties of polyurethane-nanocomposite coatings for aesthetic and precious decorative applications on wood. Journal of Coatings Technology and Research. 17: 6. 1559–1570. https://doi.org/10.1007/s11998-020-00374-9
-Meng, L.Y. and Park, S.J., 2014. Superhydrophobic carbon-based materials: a review of synthesis, structure, and applications. Carbon Letters 15(2): 89-104.
-Naderizadeh,S., Dante,S., Picone, P., Carlo, M. D., Carzino, R., Athanassiou, A. and Bayer. I.S. 2020. Bioresin-based superhydrophobic coatings with reduced bacterial adhesion. Journal of Colloid and Interface Science. 574: 20-32. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.04.031.
-Pakzad, H., Liravi, M., Moosavi, A., Nouri-Borujerdi, A. and Najafkhani, H., 2020. Fabrication of durable superhydrophobic surfaces using PDMS and beeswax for drag reduction of internal turbulent flow. Applied Surface Science. 513: 145754.
-Reinprecht, L., 2016. Wood deterioration, protection and maintenance. John Wiley & Sons. 376.
-Ren, T., 2019. One-step fabrication of robust superhydrophobic coatings with corrosion resistance by a self-curing epoxy-resin-based adhesive. Surface and Coatings Technology. 380: 125086.
-Sun, T., Feng, L., Gao, X. and Jiang, L., 2005. Bioinspired surfaces with special wettability. Accounts of Chemical Research. 38: 644–652.
-Torun, I., Ruzi, M., Er, F. and Onses, M.S., 2019. Superhydrophobic coatings made from biocompatible polydimethylsiloxane and natural wax. Progress in Organic Coatings. 136: 105279, https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2019.105279.
-Tu, K., Wang, X., Kong, L., Chang, H. and Liu, J., 2016. Fabrication of robust, damage-tolerant superhydrophobic coatings on naturally micro-grooved wood surfaces. RSC Adv. 6: 701–707.
-Tu, K.; Wang, X.; Kong, L. and Guan, H., 2018. Facile preparation of mechanically durable, self-healing and multifunctional superhydrophobic surfaces on solid wood. Materials & Design. 140: 30–36.
-Tuong, V.M., Huyen, N.V., Kien, N.T. and Dien, N.V., 2019. Durable Epoxy@ZnO Coating for Improvement of Hydrophobicity and Color Stability of Wood. Polymers. 11: 1388.
-Wang, D., Huang, J., Guo, Zh. and Liu, W., 2021. Durable mixed edible wax coating with stretching superhydrophobicity. Journal of Materials Chemistry A. 9: 1495–1499.
-Wang, S., Liu, C., Liu, G., Zhang, M., Li, J. and Wang, C., 2011. Fabrication of superhydrophobic wood surface by a sol-gel process. Applied Surface Science. 258: 806–810.
-Wang, T., Lu, Z., Wang, X.Q., Zhang, Z., Zhang, Q., Yan, B. and Wang, Y.,  2021. A compound of ZnO/PDMS with photocatalytic, self-cleaning and antibacterial properties prepared via two-step method. Applied Surface Science. 550: 149286.
-Zhao, X., Hu, T. and Zhang, J., 2018. Superhydrophobic coatings with high repellency to daily consumed liquid foods based on food grade waxes. Journal of Colloid and Interface Science. 515: 255–263.