Improving of some Properties of Heat-treated Black Poplar (Populus nigra L.) Woods using Densification

Abstract

In this study, black poplar (Populus nigra L.) wood was subjected to heat treatment at 120, 160 and 200 oC, and then the samples were densified by pressing at a rate of 25% and 50%. FTIR spectra of the heat-treated samples revealed that there was no significant variation in the crystallinity index of the samples due to heat treatment. In the main decomposition stage of the TGA and DTG thermograms of the heat-treated samples, it was understood that the heat-treated samples lost less material than the control samples. TGA and DTG findings showed that with the increase of the temperature applied in the heat treatment, significant holocellulose loss occurred in the samples. When the physical and mechanical properties of the heat-treated and densified samples were evaluated, it was revealed that applying heat treatment before densification can be recommended if densified black poplar samples are used in environments where they can come into contact with water. For increase the possibility of using black poplar wood in load-bearing applications, outdoors (siding, park and garden furniture, etc.) or indoors (panel, parquet, sauna, furniture elements, etc.), also in partially fire-resistant structures, it can be recommended to use heat treatment and densification together.

Keywords

• Black poplar
• heat treatment
• densification
• properties

Isıl İşlem Görmüş Kara Kavak (Populus nigra L.) Odunlarının Bazı Özelliklerinin Yoğunlaştırma ile Geliştirilmesi

Öz

Bu çalışmada, kara kavak (Populus nigra L.) odunu 120, 160 ve 200 oC’lerde ısıl işleme tabi tutulmuş, devamında %25 ve %50 oranında presleme uygulamasıyla örneklere yoğunlaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem görmüş örneklerin FTIR spektrumları, örneklerin kristallik indeksinde ısıl işlemden kaynaklanan kayda değer bir farklılaşmanın oluşmadığını ortaya koymuştur. Isıl işlem görmüş örneklerin TGA ve DTG termogramlarındaki esas bozunma aşamasında, kontrol örneklerine göre daha düşük oranlarda madde kaybı oluştuğu anlaşılmıştır. TGA ve DTG bulguları, ısıl işlemde uygulanan sıcaklık derecesinin artışıyla örneklerde önemli düzeyde holoselüloz kaybı oluştuğunu göstermiştir. Isıl işlem görmüş ve yoğunlaştırılmış örneklerin fiziksel ve mekanik özellikleri değerlendirildiğinde, yoğunlaştırılmış kara kavak örneklerinin suyla temasa geçebileceği ortamlarda kullanılması durumunda, yoğunlaştırmadan önce ısıl işlem uygulanmasının önerilebileceği ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, kara kavak odununun taşıyıcı uygulamalar ile dış mekan (dış cephe kaplaması, park ve bahçe mobilyaları, vb.) veya iç mekanda (lambri, parke, sauna, mobilya elemanları, vb.), yine kısmen yanmaya dayanıklı yapılarda kullanılabilme olasılığını arttırmak için ısıl işlem ve yoğunlaştırma modifikasyon yöntemlerinin birlikte kullanılmasının önerilebileceği kanısına varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Kara kavak
• ısıl işlem
• yoğunlaştırma
• özellikler

References

1. Akerholm, M., Hinterstoisser, B. Salmen, L. (2004). Characterization of the crystalline structure of cellulose using static and dynamic FTIR spectroscopy. Carbohydrate research, 339(3), 569-578.
2. Akkılıç, H., Kaymakçı, A., Ünsal, Ö. (2014). Isıl işlem uygulanmış ahşap malzemenin dış cephe kaplaması olarak değerlendirilme potansiyeli, 7. Ulusal Çatı & Cephe Sempozyumu, 3– 4 Nisan, İstanbul, 1-9.
3. Ates, S., Akyildiz, M. H., Ozdemir, H. (2009). Effects of heat treatment on calabrian pine (Pinus brutia Ten.) wood. BioResources, 4(3), 1032-1043.
4. Ateş, S., Akyıldız, M. H., Özdemir, H., Gümüşkaya, E. (2010). Technological and chemical properties of chestnut (Castanea sativa Mill.) wood after heat treatment. Romanian Biotechnological Letters, 15(1), 4949-4958.
5. Aydemir, D., Gündüz, G. (2009). Ahşabın fiziksel, kimyasal, mekaniksel ve biyolojik özellikleri üzerine ısıyla muamelenin etkisi. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 11(15), 71-81.
6. Aydemir, D., Gündüz, G., Altuntaş, E., Ertaş, M., Şahin, H. T., Alma, M. H. (2011). Investigating changes in the chemical constituents and dimensional stability of heat-treated hornbeam and uludag fir wood. BioResources, 6(2), 1308-1321.
7. Aydemir, D., Bürüç, G., Bakır, K. (2019). Doğu kayını ve saplı meşe odunlarının bazı özellikleri üzerine ısıl işlemin etkisi. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 21(3), 713-721.
8. Bekhta, P., Niemz, P. (2003). Effect of high temperature on the change in color, dimensional stability and mechanical properties of spruce wood. Holzforschung, 57(5), 539-546.

9. Beram, A., Yaşar, S. (2018). NaOH ile modifiye edilmiş kızılçam (Pinus brutia Ten.) yongalarının levha üretimindeki performansı. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(2), 187-196.
10. Blomberg, J., Persson, B. (2004). Plastic deformation in small clear pieces of Scots pine (Pinus sylvestris) during densification with the CaLignum process. Journal of Wood Science, 50(4), 307-314.
11. Blomberg, J. (2006). Mechanical and physical properties of semi-isostatically densified wood. (Ph.D. Thesis, Lulea University of Technology)
12. Boonstra, M. J. (2008). Two Stage Thermal Modification of Wood. (Ph.D., Ghent University and Universite Henry Poincare)
13. Bozkurt, Y., Erdin, N. (1995). Yoğunluk ile mekanik özellikler arasındaki ilişkiler. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 45(2), 11-34.
14. Bozkurt, Y., Erdin, N. (1997). Ağaç teknolojisi ders kitabı. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Yayınları.
15. Bozkurt, Y., Erdin, N. (2000). Odun anatomisi. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Yayınları.
16. Bürüç, G., Aydemir, D. ve Bakır, K. (2019). Doğu kayını ve saplı meşe odunlarının bazı özellikleri üzerine ısıl işlemin etkisi. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 21(3), 713-721.
17. Esteves, B. M., Pereira, H. (2009). Wood modification by heat treatment: A review, BioResources, 4, 340–404.
18. Esteves, B., Marques, A. V., Domingos, I., Pereira, H. (2007). Influence of steam heating on the properties of pine (Pinus pinaster) and eucalypt (Eucalyptus globulus) wood. Wood Science and Technology, 41(3), 193-207.
19. Evans, R., Newman, R. H., Roick, U. C., Suckling, I. D., Wallis, A. F. (1995). Changes in cellulose crystallinity during kraft pulping. Comparison of infrared, X-ray diffraction and solid state NMR results. Holzforschung-International Journal of the Biology, Chemistry, Physics and Technology of Wood, 49(6), 498-504.
20. Fengel, D., Wegener, G. (1984). Wood chemistry, ultrastructure, reactions. Walter de Gruyter Verlag, Berlin, Germany.
21. Gaudet, M., Jorge, V., Paolucci, I., Beritognolo, I., Scarascia Mugnozza, G., Sabatti, M. (2008). Genetic linkage maps of Populus nigra L. including AFLPs, SSRs, SNPs, and sex trait. Tree Genetics and Genomes, 4, 25–36.
22. Güller, B. (2012). Effects of heat treatment on density, dimensional stability and color of Pinus nigra wood. African Journal of Biotechnology, 11(9), 2204-2209.
23. Hassan, M. L., Rowell, R. M., Fadl, N. A., Yacoub, S. F., Christainsen, A. W. (2000). Thermoplasticization of bagasse. I. Preparation and characterization of esterified bagasse fibers. Journal of Applied Polymer Science, 76(4), 561-574.
24. Hill, C. A. S. (2006). Wood modification: chemical, thermal and other processes. Chichester, England. John Wiley & Sons Ltd.
25. Icel, B., Guler, G., Isleyen, O., Beram, A., Mutlubas, M. (2015). Effects of industrial heat treatment on the properties of spruce and pine woods. BioResources, 10(3), 5140-5158.
26. Icel, B., Beram, A. (2017). Effects of industrial heat treatment on some physical and mechanical properties of iroko wood. Drvna industrija, 68(3), 229-2369.
27. ITWA (2003). ThermoWood handbook. Helsinki. International ThermoWood Association Publisher.
28. Kahraman, T., Kahraman, F. K., Karakaya, S., Karahan, A., Ünsal, G., Karatay, H., Toplu, F. (2011). Türkiye’de karakavakta (Populus nigra L.) ıslah çalışmaları ‘fidanlık aşaması sonuçları’. T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı Kavak ve Hızlı Gelişen Orman Ağaçları Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü, Teknik Bülten No: 210, İzmit, Türkiye.
29. Kamdem, P. (2002). Heat treatment: can it replace preservatives? CWPA (Canadian Wood Preservation Association) Proceedings, 122-131.
30. Karakaş, G. (2008). Ahlât (Pyrus elaeagnifolia Pall.) Odununun fiziksel ve mekanik özellikleri üzerinde ısıl işlemin etkisi. (Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi)
31. Kataoka, Y., Kondo, T. (1998). FTIR microscopic analysis of changing cellulose crystalline structure during wood cell wall formation. Macromolecules, 31(3), 760-764.
32. Kol, H.Ş. (2010). Characteristics of heat-treated Turkish pine and fir wood after ThermoWood processing. Journal of Environmental Biology, 31(6), 1007-1011.
33. Korkut, D. S., Korkut, S., Bekar, İ., Budakçı, M., Dilik, T., Çakıcıer, N. (2008). The effects of heat treatment on the physical properties and surface roughness of Turkish Hazel (Corylus colurna L.) wood. International Journal of Molecular Sciences, 9; 1772–1783.
34. Korkut, S. (2009). Gürgen yapraklı kayacık (Ostrya carpinifolia scop.) odununun bazı mekanik özelikleri üzerine ısıl işlem sıcaklık ve süresinin etkisi. Düzce Üniversitesi Ormancılık Dergisi, 5(1), 121-130.
35. Korkut, S., Kocaefe, D. (2009). Isıl işlemin odun özellikleri üzerine etkisi. Düzce Üniversitesi Ormancılık Dergisi, 5(2), 11-34.
36. Kutnar, A., Sernek, M. (2007). Densification of wood. Zbornik Gozdarstva in Lesarstva, 82, 53–62.
37. Martinka, J., Hroncova, E., Chrebet, T., Balog, K. (2014). The influence of spruce wood heat treatment on its thermal stability and burning process. European Journal of Wood and Wood Products, 72(4), 477-486.
38. Mayes, D. and Oksanen, O. (2002). Thermowood handbook. Finland. Joint Publication Finnforest.
39. Mészáros, E., Jakab, E., Várhegyi, G. (2007). TG/MS, Py-GC/MS and THM-GC/MS study of the composition and thermal behavior of extractive components of Robinia pseudoacacia. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 79(1-2), 61-70.
40. Örs, Y., Keskin, H. (2008). Ağaç Malzeme Teknolojisi. Ankara. Gazi Kitabevi.
41. Pelit, H. (2014). Yoğunlaştırma ve ısıl işlemin doğu kayını ve sarıçamın bazı teknolojik özellikleriyle üst yüzey işlemlerine etkisi. (Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü)
42. Pelit, H., Sönmez, A. (2015). Termo-mekanik yoğunlaştırma ve ısıl işlemin doğu kayını (Fagus Orientalis L.) odununun bazı fiziksel özelliklerine etkisi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 3(1), 2-8.
43. Pelit, H., Budakçı, M., Sönmez, A. (2018). Density and some mechanical properties of densified and heat post-treated Uludağ fir, linden and black poplar woods. European Journal of Wood and Wood Products, 76(1), 79-87.
44. Perçin, O. (2012). Isıl işlemin lamine ahşap malzemenin bazı teknolojik özelliklerine etkilerinin incelenmesi. Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
45. Rathmacher, G., Niggemann, M., Kohnen, M., Ziegenhagen, B., Bialozyt, R. (2010). Short distance gene flow in Populus nigra L. accounts for small scale spatial genetic structures: Implications for in situ conservation measures. Conserv. Genet., 11, 1327–1338.
46. Rautkari, L., Properzi, M., Pichelin, F., Hughes, M. (2010). Properties and set-recovery of surface densified Norway spruce and European beech. Wood Science and Technology, 44(4), 679–691.
47. Sefil, Y. (2010). ThermoWood yöntemiyle ısıl işlem uygulanmış göknar ve kayın odunlarının fiziksel ve mekanik özellikleri. (Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü)
48. Tabarsa, T., Chui, Y. H. (1997). Effects of hot-pressing on properties of white spruce. Forest Products Journal, 47(5), 71-76.
49. Thurner, F., Mann, U. (1981). Kinetic investigation of wood pyrolysis. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 20(3), 482-488.
50. Tjeerdsma, B. F., Militz, H. (2005). Chemical changes in hydrothermal treated wood: FTIR analysis of combined hydrothermal and dry heat-treated wood. Holz als roh-und Werkstoff, 63(2), 102-111.
51. Tosun, M. (2021). Termo-mekanik yoğunlaştırmanın masif ağaç malzemenin işlenme özellikleri üzerine etkisi. (Yüksek Lisans Tezi, Kütahya Dumlupınar Üniversitesi)
52. TS 2470, (1976). Odunda fiziksel ve mekanik deneyler için numune alma metotları ve genel özellikleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
53. TS 2472, (1976). Odunda fiziksel ve mekanik deneyler için birim hacim ağırlığı tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
54. TS 2474, (1976). Odunun statik eğilme dayanımının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
55. TS 2478, (1976). Odunun statik eğilmede elastikiyet modülünün tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
56. TS 2595, (1977). Odunun liflere paralel doğrultuda basınç dayanımı tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
57. TS 4084, (1983). Odunda radyal ve teğet doğrultuda şişmenin tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
58. TS 53, (1981). Odunun fiziksel özelliklerini tayin için numune alma, muayene ve deney metotları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
59. TS EN 317, (1999). Yonga levhalar ve lif levhalar - su içerisine daldırma işleminden sonra boyutsal tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
60. Ulker, O., Imirzi, O. and Burdurlu, E. (2012). The effect of densification temperature on some physical and mechanical properties of Scots pine (Pinus sylvestris L.) BioResources, 7(4), 5581-5592.
61. Yaşar, S., Uz, A., Beram, A. (2020). Isıl işlem görmüş kızılçam (Pinus brutia Ten.) yongalarından üretilen levhaların bazı özellikleri. Bilge International Journal of Science and Technology Research, 4(1), 14-20.
62. Yıldız, S. (2002). Isıl işlem uygulanan doğu kayını ve doğu ladini odunlarının fiziksel, mekanik, teknolojik ve kimyasal özellikleri. (Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi)
63. Yıldız, S., Gezer, E. D., Yıldız, U. C. (2006). Mechanical and chemical behavior of spruce wood modified by heat. Building and Environment, 41(12), 1762-1766.
64. Yıldız, S., Gümüskaya, E. (2007). The effects of thermal modification on crystalline structure of cellulose in soft and hardwood. Building and Environment, 42(1), 62-67.
65. Zhang, N., Xu, M., Cai, L. (2019). Improvement of mechanical, humidity resistance and thermal properties of heat-treated rubber wood by impregnation of SiO2 precursor. Scientific reports, 9(1), 982.