Effect of extractives on the weathering resistance of mulberry wood

Abstract

The aim of this study is to determine the weathering resistance of mulberry tree (Morus spp.) wood extractives against natural weathering factors, especially UV light. For this purpose, mulberry wood samples were first extracted with cyclohexane/ethanol (2/1), then acetone/water (7/3), and finally with water for a total of 21 days in three stages. Extracted and unextracted samples were exposed to natural outdoor conditions for 6 months in 2 different areas which were close to the sea and far from the sea. Moisture content, color and surface roughness measurements, surface chemistry (ATR-FTIR), and macroscopic evaluation of the samples were made 1, 3 and 6 months after starting the test. In the results, the extraction process increased the initial surface roughness of the samples by approximately 50% and lightened the color by 4%. It was found that the moisture content of the samples increased as the weathering test period of the samples increased, the extracted samples had more moisture than the unextracted samples, and the samples in the area close to the sea had more moisture than the samples kept in the area far from the sea. The surface roughness of the unextracted samples during the weathering test was higher than the extracted samples. The roughness of the unextracted samples kept away from the sea was found to be higher than the samples kept near the sea. The ∆L* values of the weathered samples tended to increase as the test time increased in the first 3 months, but then decreased, whereas the ∆a* and ∆b* values tended to decrease. The total color change (∆E*) between the first month and six months was found to be lower in the unextracted samples compared to the extracted samples. Surface chemistry analyses supported the color change in the samples, and showed that the lignin of the samples degraded from the first month of weathering period.

Keywords

• Mulberry
• natural weathering
• color change
• extractives
• roughness

Ekstraktiflerin dut odununun dış ortam dayanımına etkisi

Öz

Öz – Bu çalışmada amaç, dut ağacı (Morus spp.) odun ekstraktiflerinin toprak üstü kullanım yerlerinde maruz kalabileceği UV ışığı başta olmak üzere dış ortamın bozundurucu faktörlerine karşı dayanıklılığının belirlenmesidir. Bu amaçla dut odun örnekleri öncelikli olarak sikloheksan/etanol (2/1) ardından aseton/su (7/3) ve son olarak da su ile toplam 21 gün boyunca üç aşamalı ekstraksiyona maruz bırakılmıştır. Ekstrakte edilen ve edilmeyen örnekler, denize yakın ve denize uzak 2 farklı alanda 6 ay süresince doğal dış ortam koşullarına bırakılmıştır. Örneklerin teste başladıktan 1, 3 ve 6 ay sonra rutubet miktarı, renk ve yüzey pürüzlülük ölçümleri, yüzey kimyası (ATR-FTIR) ve makroskopik açıdan değerlendirilmesi yapılmıştır. Sonuçlarda ekstraksiyon işlemi örneklerin başlangıç yüzey pürüzlülüğünü yaklaşık %50 oranında arttırmış ve rengini %4 oranında açılmasına neden olmuştur. Örneklerin yaşlandırma test süresi uzadıkça rutubet miktarının arttığı, ekstrakte edilen örneklerin ekstrakte edilmeyen örneklere, denize yakın alanda bekletilen örneklerin denizden uzaktaki alanda bekletilen örneklere kıyasla daha fazla rutubet miktarına sahip olduğu bulunmuştur. Ekstrakte edilmeyen örneklerde, yaşlandırma test süresince meydana gelen yüzey pürüzlülüğü, ekstrakte edilen örneklere kıyasla daha fazla olmuştur. Denizden uzak alanda bekletilen ekstrakte edilmeyen örneklerin pürüzlülüğü, denize yakın alanda bekletilen örneklere kıyasla daha fazla bulunmuştur. Yaşlandırılan örneklerde, test süresinin ilk 3 ayında ∆L* değerlerinde artma, daha sonra azalma, buna karşın ∆a* ve ∆b* değerlerinde ise azalma eğilimi gözlenmiştir. 1. ay ile 6. ay arasında toplam renk değişimindeki (∆E*) değişim ekstrakte edilmeyen örneklerde ekstrakte edilen örneklere kıyasla daha az bulunmuştur. Yüzey kimyası analizleri, örneklerdeki renk değişimini desteklemekle birlikte örneklerin lignininde yaşlanmanın ilk aşamasından itibaren bozunmalar olduğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Dut
• yaşlandırma testi
• renk değişimi
• ekstraktif
• pürüzlülük

References

1. Anşin, R. ve Özkan, Z. C. (1993). Tohumlu bitkiler (Spermatophyta) odunsu taksonlar. Karadeniz Teknik Üniversitesi, Orman Fakültesi, Genel Yayın, 167, Trabzon
2. Ayata, Ü., Çavuş, V., Bal, B. C., ve Efe, F. T. (2018). Dut, doğu çınarı, kızılçam ve sedir ağaç türlerinde janka sertlik değerinin belirlenmesi, 2. Uluslararası Bilimsel Çalışmalarda Yenilikçi Yaklaşımlar Sempozyumu, (pp.1490-1494).Samsun, Türkiye.
3. Erdin, N., Bozkurt, Y. (2013). Odun Anatomisi, İstanbul Üniversitesi Yayın No:5145.
4. Chang, T. C., Chang, H. T., Wu, C. L. Ve Chang, S. T. (2010). Influences of extractives on the photodegradation of wood. Polymer Degradation and Stability, 95(4), 516-521.
5. Chang, T. C., Lin, H. Y., Wang, S. Y. ve Chang, S. T. (2014). Study on inhibition mechanisms of light-induced wood radicals by Acacia confusa heartwood extracts. Polymer degradation and stability, 105, 42-47.
6. Chang, T. C., Hsiao, N. C., Yu, P. C. ve Chang, S. T. (2015). Exploitation of Acacia confusa heartwood extract as natural photostabilizers. Wood Science and Technology, 49(4), 811-823.
7. Chang, T. C. ve Chang, S. T. (2017). Multiple photostabilization actions of heartwood extract from Acacia confusa. Wood Science and Technology, 51(5), 1133-1153.
8. Cavus, V. (2021). Weathering performance of mulberry wood with UV varnish applied and its mechanical properties. BioResources, 16(4), 6791.

9. Çakıroğlu, E. O., Demir, A. ve Aydın, İ. (2018). Bazı Ahşap Türlerinin En Düzgün Yüzeyleri İçin CNC İşlem Bıçaklarının Belirlenmesi, Uluslararası Artvin Sempozyumu, (pp.201-213). Artvin, Türkiye.
10. Derbyshire, H., Miller, E. R. ve Turkulin, H. (1996). Investigations into the photodegradation of wood using microtensile testing. Holz als Roh-und Werkstoff, 55(5), 287-291.
11. Erdoğan, Ü. ve Pırlak, L. (2005). Ükemizde dut (Morus spp.) üretimi ve değerlendirilmesi. Alatarım, 4(2), 38-43.
12. Evans, P., Chowdhury, M. J., Mathews, B., Schmalzl, K., Ayer, S., Kiguchi, M., ve Kataoka, Y. (2005). Weathering and surface protection of wood. Handbook of environmental degradation of materials, 277-297.
13. Feist, W. C. ve Hon, D. N. S. (1984). Chemistry of weathering and protection. R. Rowell (Ed.), The chemistry of solid wood, American Chemical Society, Washington, DC, pp. 401-451.
14. Gönültaş, O. (2013). Doğu Ladini (Picea orientalis) ve Meşe (Quercus spp.) Kabukları Taneninin Biotutkal Üretiminde Kullanılması (Doktora Tezi). Erişim adresi: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp
15. Gündüz, G., Yıldırım, N., Şirin, G. ve Onat, S. M. (2009). Ak Dut Agacının Anatomik, Kimyasal, Fiziksel ve Mekanik Özellikleri. Düzce Üniversitesi Orman Fakültesi Ormancılık Dergisi, 5(1), 131-149.
16. Gürleyen, T., Güler, C. ve Ünsal, Ö. (2017). Bazı Ağaç Türlerine Uygulanan Janka Sertlik Direncinde Isıl İşlemin (Thermowood) Etkisi. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 6(3), 876-888.
17. Kocaefe, D. ve Saha, S. (2012). Comparison of the protection effectiveness of acrylic polyurethane coatings containing bark extracts on three heat-treated North American wood species: Surface degradation. Applied surface science, 258(13), 5283-5290.
18. Müller U., Rätzsch M., Schwanninger M., Steiner M., Zöbl H. (2003) Yellowing and IR-changes of spruce wood as result of UV-irradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 69, 97–105.
19. Nzokou, P. ve Kamdem, D. P. (2006). Influence of wood extractives on the photo‐discoloration of wood surfaces exposed to artificial weathering. Color Research & Application, 31(5), 425-434.
20. Pandey, K. K. (2005). A note on the influence of extractives on the photo-discoloration and photo-degradation of wood. Polymer degradation and stability, 87(2), 375-379.
21. Peng, Y., Wang, Y., Chen, P., Wang, W. ve Cao, J. (2020). Enhancing weathering resistance of wood by using bark extractives as natural photostabilizers in polyurethane-acrylate coating. Progress in Organic Coatings, 145, 105665.
22. Saha, S., Kocaefe, D., Krause, C., Boluk, Y. ve Pichette, A. (2013). Enhancing exterior durability of heat-treated jack pine by photo-stabilization by acrylic polyurethane coating using bark extract. Part 2: Wetting characteristics and fluorescence microscopy analysis. Progress in Organic Coatings, 76(2-3), 504-512.
23. Saha, S., Kocaefe, D., Boluk, Y. ve Pichette, A. (2011). Enhancing exterior durability of jack pine by photo-stabilization of acrylic polyurethane coating using bark extract. Part 1: Effect of UV on color change and ATR–FT-IR analysis. Progress in Organic Coatings, 70(4), 376-382.
24. Şen, S. ve Yalçın, M. (2010). Türkiye Denizlerinde Bazı Tropik Ve Yerli Ağaç Türlerinde Oluşan Tahribatın İncelenmesi. III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi, (pp. 1631-1638), Trabzon, Türkiye.
25. Şirin, G., ve Gündüz, G. (2019). Ak Dut Ağacı Dal ve Gövde Odununun Anatomik Açıdan Karşılaştırmalı Analizi. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10(1), 84-89.
26. Tomak, E. D., Arican, F., Gonultas, O. Ve Parmak, E. D. S. (2018a). Influence of tannin containing coatings on weathering resistance of wood: Water based transparent and opaque coatings. Polymer Degradation and Stability, 151, 152-159.
27. Tomak, E. D., Yazici, O. A., Parmak, E. D. S. ve Gonultas, O. (2018). Influence of tannin containing coatings on weathering resistance of wood: combination with zinc and cerium oxide nanoparticles. Polymer Degradation and Stability, 152, 289-296.
28. Tondi, G., Schnabel, T., Wieland, S. Ve Petutschnigg, A. (2013). Surface properties of tannin treated wood during natural and artificial weathering. International Wood Products Journal, 4(3), 150-157.
29. Tondi, G., Palanti, S., Wieland, S., Thevenon, M.F., Petutschnigg, A. ve Schnabel T. (2012). Durability of Tannin-Boron-Treated Timber, Bioresources, 7(4), 5138-5151.
30. Uysal, B. ve Kurt, Ş. (2005). Dimensional stability of laminated veneer lumbers manufactured By using different adhesives after the steam test. Gazi University Journal of Science, 18(4), 681-691.
31. Williams, R. S. (2005). Weathering of wood. Handbook of wood chemistry and wood composites, 7, 139-185.
32. Yalcin, M. ve Ceylan, H. (2017). The effects of tannins on adhesion strength and surface roughness of varnished wood after accelerated weathering. Journal of Coatings Technology and Research, 14(1), 185-193.