هیچ چیز ارزشمند آسان بدست نمی آید.

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، واحد چالوس، دانشگاه آزاد اسلامی، چالوس، ایران

2 گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

3 گروه جنگلداری، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

10.22092/ijwpr.2026.371327.1819

چکیده

سابقه و هدف: الیاف سلولزی، به‌ویژه الیاف گیاهی، به دلیل ویژگی‌هایی مانند تجدیدپذیری، هزینه پایین تولید، وزن سبک و خواص مکانیکی مناسب، به‌عنوان جایگزین‌هایی پایدار برای مواد مصنوعی در صنایع کامپوزیت، خودروسازی و ساختمان‌سازی اهمیت یافته‌اند. گیاه بامبو با رشد سریع، ساختار فیبری منظم، استحکام بالا و زیست‌تخریب‌پذیری، منبعی برجسته برای کامپوزیت‌های زیستی است. دیواره سلولی بامبو عمدتاً از سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل شده است که میکروفیبریل‌های سلولز در ماتریکس انعطاف‌پذیر همی‌سلولز در لایه اولیه دیواره قرار دارد. بااین‌حال، آب‌دوستی ذاتی و چسبندگی ضعیف الیاف بامبو، چالش‌های مهمی را در کاربردهای کامپوزیتی ایجاد می‌کند که نیازمند اصلاحات شیمیایی و حرارتی است. هدف اصلی این پژوهش، ارزیابی اثربخشی روش‌های تیمار اصلاحی شامل اسید بوریک (H3BO3)، سود(NaOH)  و آب جوش بر خواص فیزیکی و ساختاری بامبو است. برای ارزیابی دقیق نتایج، از روش‌های طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شده است.
مواد و روش‌ها: نمونه‌های بامبو (Phyllostachys vivax)  پس از خشک شدن در هوای آزاد به قطعات با ابعاد ۳×۳ سانتی‌متری تقسیم شدند. نمونه‌ها در چهار گروه شاهد، تیمار با آب جوش (۶ ساعت غوطه‌وری در آب جوش)، اسید بوریک (۱ ساعت غوطه‌وری در محلول اسید بوریک ۶ درصد) و سود (۱۰ ساعت غوطه‌وری در محلول سود ۱ درصد) دسته‌بندی شدند. قبل از تیمار، نمونه‌ها در آون در دمای 2 ± 103 سانتی‌گراد خشک شده و جرم، حجم و جرم مخصوص آنها اندازه‌گیری شد. درصد واکشیدگی سطح و ضخامت با استفاده از تصاویر میکروسکوپ استریو و نرم‌افزار Image-J محاسبه گردید. درصد جذب آب در فواصل زمانی ۲۴، ۴۸ و ۷۲ ساعت و بعد هفتگی تا 4 هفته اندازه‌گیری ­شد. تغییرات ساختار مولکولی با FTIR و ریزساختار نمونه‌ها با تصاویرSEM مقایسه گردید.
نتایج: بررسی‌های فیزیکی نشان داد که نمونه‌های شاهد پس از خشک شدن در آون، کاهش متوسطی را در جرم (38/8%) و حجم (91/3%) تجربه کردند. نمونه‌های تیمار شده با آب جوش و هیدروکسید سدیم به دلیل کاهش چشمگیر حجم و جرم ناشی از تجزیه مواد استخراجی، افزایش چگالی نشان دادند. در مقابل، تیمار اسید بوریک با کاهش جرم کمتر و افزایش حجم 80/6% همراه بود که منجر به کاهش چگالی گردید. نتایج جذب آب پس از ۲۸ روز غوطه‌وری نشان داد که تمامی تیمارهای حرارتی و شیمیایی، درصد جذب آب را افزایش داده‌اند. تیمار بوریک اسید به دلیل خاصیت رطوبت‌جذبی بور، بیشترین جذب آب و تیمار سود به دلیل حذف لیگنین و همی‌سلولز، افزایش تخلخل را نشان دادند. در مورد واکشیدگی، تیمارهای آب جوش و سود آن را افزایش دادند، اما تیمار بوریک اسید به دلیل تشکیل پیوندهای عرضی، درصد واکشیدگی را به‌طور مؤثری کاهش داد. نتایج FTIR نشان داد که هیدروکسید سدیم باعث تخریب همی‌سلولز و لیگنین شده است. در طیف اسید بوریک، کاهش شدت پیک گروه هیدروکسیل و ظهور پیک‌های جدید مربوط به پیوندهای عرضیB-O مشاهده شد. تصاویر SEM، ساختار فشرده در نمونه شاهد و به ترتیب افزایش جزئی تخلخل در آب جوش، رسوب بور در تیمار اسید بوریک و تخلخل بالا در تیمار هیدروکسید سدیم را تأیید کردند. این مشاهدات، تأثیر اسید بوریک در جذب آب بالا و واکشیدگی کم و تأثیر هیدروکسید سدیم در واکشیدگی زیاد و چسبندگی بهتر را به‌خوبی نشان دادند.
نتیجه‌گیری: این پژوهش ثابت کرد که تیمارهای شیمیایی و حرارتی به‌طور مؤثری ساختار دیواره سلولی بامبو را تغییر می‌دهند. تیمار اسید بوریک با کاهش چشمگیر واکشیدگی (با وجود افزایش جذب آب)، پایداری ابعادی مطلوبی را برای کاربردهای سازه‌ای بامبو (به‌عنوان مسلح کننده) در بتن فراهم می‌کند. در مقابل، هیدروکسید سدیم با افزایش واکشیدگی و تخلخل، چسبندگی الیاف به ماتریس کامپوزیت را بهبود می‌بخشد. این نتایج به‌طور جامع توسط آنالیزهای طیفی و میکروسکوپی تأیید شدند. این یافته‌ها چالش‌های آب‌دوستی الیاف گیاهی را برطرف کرده و ظرفیت بالای بامبو را در کامپوزیت‌های زیستی برجسته می‌کنند. تحقیقات آینده باید بر ترکیب بهینه تیمارها و ارزیابی صنعتی محصولات تمرکز کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-Adil, M.M., Parvez, M.M.H., Rupom, S.M.N., Tasnim, T., Islam, M.S., Gafur, M.A., Mesbah, M.B. and Ahmed, I., 2024. Physical and thermal properties analysis of bamboo and rattan fiber reinforced polymer composite. Results in Engineering22, p.102084. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.10 2084
-Avci, A., Eker, A.A., Bodur, M.S. and Candan, Z., 2023. Water absorption characterization of boron compounds-reinforced PLA/flax fiber sustainable composite. International journal of biological macromolecules233, p.123546. https://doi.org/10. 1016/j.ijbiomac.2023.123546
-Baharuddin, N., Lee, S., Uyup, M.A. and Tahir, P.M., 2022. Effect of preservative treatment on physical and mechanical properties of bamboo (Gigantochloa scortechinii) strips. BioResources17(3), p.5129. DOI: 10.15376/biores.17.3.5129-5145
-Behera, D., Pattnaik, S.S., Nanda, D., Mishra, P.P., Manna, S. and Behera, A.K., 2025. A review on bamboo fiber reinforced composites and their potential applications. Emergent Materials8(1), pp.157-172. https://doi.org/10.1007/s42247-024-00832-9
-Chen, L.Y., Meng, X.G., Yu, W.W., Zhang, Y.L., Gan, Z.Y. and Yang, C., 2023. Efficient separation of cellulose from bamboo by organic alkali. Cellulose30(3), pp.1369-1379. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04969-w
-Chen, X., Wang, X., Gu, S., Huang, A. and Cheng, H., 2025. Effects of alkali treatment on the bending and fracture behavior of biomaterial bamboo. Polymer Testing143, p.108715. https://doi.org/10.1016/j. polymertesting.2025.108715
-Chen, H., Wu, J., Shi, J., Wang, G. and Zhang, W., 2022. Dimensional Stability and Mold Resistance of Bamboo Slivers Treated by Alkali. BioResources, 17(2). 10.15376/biores.17.2.2827-2848. DOI: 10.15 376/biores.17.2.2827-2848
-Cheng, Z., Mu, C., Li, X., Cheng, W., Cai, M., Wu, C., Jiang, J., Fang, H., Bai, Y., Zheng, H. and Geng, R., 2023. Single-cell transcriptome atlas reveals spatiotemporal developmental trajectories in the basal roots of moso bamboo (Phyllostachys edulis). Horticulture Research10(8), p.uhad122. https://doi.org/10.1093/hr/uhad122
-Duan, C., Meng, M., Huang, H., Wang, H., Zhang, Q., Gan, W., Ding, H., Zhang, J., Tang, X. and Pan, C., 2023. Performance and characterization of bamboo-based activated carbon prepared by boric acid activation. Materials Chemistry and Physics295, p.127130. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys. 2022.127130
-Elseify, L.A., Midani, M., El-Badawy, A. and Jawaid, M., 2021. Natural fibers in the automotive industry. In: Manufacturing Automotive Components from Sustainable Natural Fiber Composites. SpringerBriefs in Materials. Springer, Singapore, pp.1–10. DOI: 10.1007/978-3-030-83025-0_1
-Ghavami, K., 2005. Bamboo as reinforcement in structural concrete elements. Cement and concrete composites27(6), pp.637-649. https://doi.org/ 10.1016/j.cemconcomp.2004.06.002
-Geremew, A., De Winne, P., Demissie, T.A. and De Backer, H., 2024. Surface modification of bamboo fibers through alkaline treatment: Morphological and physical characterization for composite reinforcement. Journal of Engineered Fibers and Fabrics19, p.15589250241248764. https://doi.org/ 10.1177/1558925024124876
-Guo, F., Zhang, X., Yang, R., Salmén, L. and Yu, Y., 2021. Hygroscopicity, degradation and thermal stability of isolated bamboo fibers and parenchyma cells upon moderate heat treatment. Cellulose, 28(13), pp.8867-8876. https://doi.org/10.1007/ s10570-021-04050-y
-Guo, H., Zhang, C., Zhou, X., Chen, J., Yu, L., Li, H. and Wang, X., 2023. Boron-based mildew preventive and ultraviolet absorbent modification of waterborne polyurethane coatings on laminated bamboo. Coatings13(4), p.687. https://doi.org /10.3390/coatings13040687
-Hill, C., Altgen, M. and Rautkari, L., 2021. Thermal modification of wood—A review: Chemical changes and hygroscopicity. Journal of materials science56(11), pp.6581-6614. https://doi.org/ 10.1007/s10853-020-05722-z
-Han, J., Li, J., Zhang, W., Yao, S., Yu, X., Yu, X., Guo, X., He, S., Guo, D. and Lu, Y., 2025. Nature-inspired tooth-mimetic bamboo hierarchical composites with superhard, waterproof, and stain-resistant protective structures. Advanced Composites and Hybrid Materials8(5), pp.1-17. https://doi. org/10.1007/s42114-025-01428-5
-Hasanagić, R., Mujanić, S., Alibašić, N., Suljadžić, A., Koričić, H., Fathi, L. and Bahmani, M., 2024, June. Analysis of the Hygroscopicity of Thermally Modified Wood: Alterations, Characterizations, and Implications for Enhanced Performance. In International Symposium on Innovative and Interdisciplinary Applications of Advanced Technologies (pp. 670-682). Cham: Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-71694-2_46
-Javadian A, Wielopolski M, Smith IF, Hebel DE. Bond-behavior study of newly developed bamboo-composite reinforcement in concrete. Construction and building materials. 2016 Sep 30;122:110-7. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.06.084
-Karimah, A., Ridho, M.R., Munawar, S.S., Adi, D.S., Damayanti, R., Subiyanto, B., Fatriasari, W. and Fudholi, A., 2021. A review on natural fibers for development of eco-friendly bio-composite: characteristics, and utilizations. Journal of materials research and technology13, pp.2442-2458. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.06.014
-Lee, G.Z.X., Looi, D.T.W., Choo, C.S. and Tsang, H.H., 2022. A reconnaissance study on tensile strength of bamboo based on global database. Materials Today: Proceedings, 64, pp. 1109-1115. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022. 06.047
-Lee, H.P., Kureemun, U., Ravandi, M. and Teo, W.S., 2020. Performance of interlaminar flax-carbon hybrids under bending. Procedia Manufacturing, 43, pp.658-665. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020. 02.134
-Liu, T., 2023. Improvements in the physical properties and decay resistance of bamboo materials via modification with boric acid and borax. Bioresources18(1), p.100. DOI:10.15376/ biores.18.1.100-110
-Liu, Y., Li, H., Feng, Z., Ge, L., Li, R. and Liu, S., 2024. Study on the interfacial bonding properties between alkali-treated bamboo fibers and high-performance seawater sea-sand concrete. Construction and Building Materials426, p.136190. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2024.136190
-Li, Z.Z., Luan, Y., Hu, J.B., Fang, C.H., Liu, L.T., Ma, Y.F., Liu, Y. and Fei, B.H., 2022. Bamboo heat treatments and their effects on bamboo properties. Construction and Building Materials331, p.127320. https://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2022.127320
-Li, J., Liu, Y., Zhang, J., Sun, X., Li, M., Yu, C., Han, Z., Wei, P. and Liu, T., 2025. Enhanced fire-retardant, smoke-suppressing, and ultra-strong mechanical properties of non-adhesive laminated wood through borate ion crosslinking. Industrial Crops and Products224, p.120412. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.120412
-Ma, Q.H., 2024. Lignin biosynthesis and its diversified roles in disease resistance. Genes15(3), p.295. https://doi.org/10.3390/genes15030295
-Madyira, D.M. and Olatunji, K.O., 2025. Alkali Pretreatment of Lignocellulose Feedstock Improves Morphological Structure and Biomethane Yield. Sustainability (2071-1050)17(2).
-Mahanto, B.S. and Pradhan, G., 2021. Bamboo fiber reinforced bio-composites for industrial applications: a review. Current Advances in Mechanical Engineering: Select Proceedings of ICRAMERD 2020, pp.881-889. https://doi.org/10. 1007/978-981-33-4795-3_81
-Martijanti, M., Sutarno, S. and Juwono, A.L., 2021. Polymer composite fabrication reinforced with bamboo fiber for particle board product raw material application. Polymers13(24), p.4377. https://doi. org/10.3390/polym13244377
-Massaguni, M., Djafar, Z., Zulkifli, R. and Arma, L.H., 2025. Enhancing mechanical strength of bamboo parring (Gigantochloa Atter) fiber with alkaline treatment for flame-retardant composite. Discover Materials5(1), p.136. https://doi.org/10.1007/ s43939-025-00295-7
-Mwanja, C.K., Terziev, N., Ishengoma, R., Banana, A. and Kalanzi, F., 2024. Fungal degradation of bamboo treated with crude lake salt and a mixture of borax and boric acid. Advances in Bamboo Science8, p.100092. https://doi.org/10.1016/j. bamboo.2024.100092
-Qi, Y., Zhou, Z., Xu, R., Dong, Y., Zhang, Z. and Liu, M., 2023. Effect of NaOH pretreatment on permeability and surface properties of three wood species. ACS omega8(43), pp.40362-40374. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04745
-Shu-nong, L.I., Ya-mei, Z.H.A.N.G., Yang-lun, Y.U. and Wen-ji, Y.U., 2023. Effect of boiling treatment on physical and mechanical properties of moso bamboo. Chinese Journal of Wood Science and Technology35(3), pp.59-64. DOI:10.12326/j.2096- 9694.2020158   
-Tan, C., Liu, D., Chen, X., Huang, M., Huang, Y., Zhang, X., Yang, R., Guo, F. and Yu, Y., 2025. Fungi-resistant bamboo scrimber with enhanced dimensional stability and mechanical properties through in situ deposition of copper-based particles. Industrial Crops and Products224, p.120331. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024. 120331
-Tariq, M., Khushnood, R.A., Babar, Z.B. and Basit, M.A., 2024. Evaluating the potential of chemically modified bamboo for sustainable and green construction. Journal of Building Engineering86, p.108634. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.108 634
-Thimmegowda, D.Y., Hindi, J., Markunti, G.B. and Kakunje, M., 2025. Enhancement of Mechanical Properties of Natural Fiber Reinforced Polymer Composites Using Different Approaches—A Review. Journal of Composites Science9(5), p.220. . https://doi.org/10.3390/jcs9050220
-Wang, Y., Eljamal, R., Nomura, T., Minami, E. and Kawamoto, H., 2025. Thermal reactivities of hemicellulose and cellulose and demineralization effects on their reactivities in cell walls of various softwood and hardwood species. Journal of Wood Science71(1), p.39. https://doi.org/10.1186/s10086-025-02216-x
-Wang, J., Sun, L., Chu, Y.Y., Ou, Y.Q., Liang, B.W., Shan, Z.J., Han, C.B. and Yan, H., 2024. Alkaline–Acidic Sodium Chlorite Pretreatment of Bamboo Powder for Preparation of Excellent Mechanical, Transparent, and Biodegradable Films. Polymers, 16(23), p.3361. https://doi.org/10.3390/polym1623 3361
-Wu, J., Yixiu, Z., Zhong, T., Zhang, W. and Chen, H., 2023. Bamboo slivers with high strength and toughness prepared by alkali treatment at a proper temperature. Journal of Wood Science69(1), p.13. https://doi.org/10.1186/s10086-023-02084-3
-Xu H, Giannetti A, SugiyamaY, Zheng W, Schneider R, Watanabe Y, Oda Y,Persson S. 2022 Secondary cell wallpatterning—connecting the dots, pits andhelices. Open Biol. 12: 210208. https://doi.org/ 10.1098/rsob.210208
-Yadav, M. and Mathur, A., 2021. Bamboo as a sustainable material in the construction industry: An overview. Materials today: proceedings43, pp.2872-2876. https://doi.org/10.1016/j.matpr. 2021. 01.125
-Yang, X., Pang, X., Liu, X., Yang, S. and Li, X., 2023. Determining the pore structure and radial variability of moso bamboo (Phyllostachys edulis). Wood Science and Technology57(2), pp.345-357. https://doi.org/10.1007/s00226-022-01451-5
-Yusof, N.M., Hua, L.S., Tahir, P.M., James, R.M.S., Al-Edrus, S.S.O., Dahali, R., Roseley, A.S.M., Fatriasari, W., Kristak, L., Lubis, M.A.R. and Reh, R., 2023. Effects of boric acid pretreatment on the properties of four selected Malaysian bamboo strips. Forests14(2), p.196. https://doi.org/10.3390/ f14020196
-Zhao, Z., Qin, C., Piao, X., Yan, Y., Cao, Y., Wang, Z. and Jin, C., 2024. Improving the hydrophobicity, dimensional stability and mold resistance of bamboo by paraffin/microcrystalline wax/stearic acid modification. Construction and Building Materials414, p.134902. https://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2024.134902
-Zhao, Y., Xie, X., Wang, X., Mao, S. and Li, Y., 2024. In situ retention of lignin-rich bamboo green effectively improves the surface properties of flattened bamboo. International Journal of Biological Macromolecules264, p.130411. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.130411
-Zhu, J. and Yang, L., 2025. Progress in the Study of Dry Shrinkage Deformation and Drying Stress of Raw Bamboo. BioResources20(1). DOI: 10.15376 / biores.20.1.Zhu