Effects of Nanoparticle Hexagonal Boron Nitride on the Mechanical Properties of Wood Materials

Abstract

This study aims to investigate the effects of nano-sized Hexagonal Boron Nitride (h-BN) impregnation on the modulus of elasticity (ISO 13061–4) and bending strength (ISO 13061-3) of Scots pine (Pinus sylvetsris L.), Anatolian chestnut (Castanea sativa M.) and Oriental spruce (Picea orientalis) wood. Scots pine impregnated with Nano-sized Hexagonal Boron Nitride (h-BN) at 1.5% concentration showed the highest retention values. Impregnation with h-BN led to an increase in density values ranging from 1.5% to 5% in all wood species. The impregnation process caused a decrease in bending strength for all types of wood. Compared to control samples, h-BN treatment reduced bending strength by 25% in Scots pine, 18.5% in spruce and 9% in chestnut wood. The lowest bending strength value was obtained in Spruce + h-BN (58.1 N/mm2), the highest in Chestnut control samples (89.6 N/mm2). Chestnut wood, which has a lower retention value, has shown variable values in terms of modulus of elasticity. The impregnation process caused a decrease in the modulus of elasticity values by 18% in Scots pine and 1% in spruce, while it caused an increase in chestnut. The lowest modulus of elasticity value was found in Scots Pine+h-BN (8530 MPa), the highest in Scots Pine control samples (10444 MPa).

Keywords

• Wood material
• bending strength
• modulus of elasticity
• impregnation
• nano hexagonal boron nitride

Nano Partiküllü Hegzagonal Bor Nitrür’ün Ağaç Malzemenin Mekanik Özelliklerine Etkileri

Abstract

Bu çalışma nano boyutlu Hegzagonal Bor Nitrür (h-BN) emdirmenin sarıçam (Pinus sylvetsris L.), Anadolu kestanesi (Castanea sativa M.) ve Doğu ladini (Picea orientalis) odunlarının elastikiyet modülü (ISO 13061–4) ve eğilme direnci (ISO 13061-3) üzerindeki etkilerini araştırmayı amaçlanmıştır. %1,5 konsantrasyonda nano boyutlu h-BN ile emprenye edilen sarıçam en yüksek tutma değerleri göstermiştir. h-BN ile emprenye, tüm ağaç türlerinde %1,5 ile %5 arasında değişen yoğunluk değerinde artış olmuştur. Emprenye işlemi, tüm ağaç türleri için eğilme direnci değerlerinde bir düşüşe neden olmuştur. Kontrol örnekleri ile karşılaştırıldığında, h-BN uygulaması sonrası eğilme direnci değerleri sarıçamda %25, ladinde %18.5 ve kestanede %9 azalmıştır. En düşük eğilme direnci değeri Ladin + h-BN’de (58,1 N/mm2), en yüksek Kestane kontrol örneklerinde (89,6 N/mm2) elde edilmiştir. Retensiyon değeri daha düşük olan kestane ağacı, elastikiyet açısından değişken değerler göstermiştir. Emprenye işlemi, elastikiyet modül değerlerinde sarıçamda %18, ladinde %1 oranında azalmaya neden olurken, kestanede artışa neden olmuştur. En düşük elastikiyet modülü değeri Sarıçam+h-BN’de (8530 MPa), en yüksek Sarıçam kontrol örneklerinde (10444 MPa) bulunmuştur.

Keywords

• Ağaç malzeme
• eğilme direnci
• elastikiyet modülü
• emprenye
• nano hegzagonal bor nitrür

References

1. Adanur, H., Fidan, M.S. and Yasar, S.S. (2017). The technological properties of oriental beech (Fagus orientalis L.) ımpregnated with boron compounds and natural materials, BioResources, 12(1), 1647–1661.
2. Akhtari, M. and Arefkhani, M. (2013). Study of Microscopy Properties of Wood Impregnated with Nanoparticles during Exposed to White-Rot Fungus, Agriculture Science Developments, 2(11), 116-119.
3. Archer, K. and Lebow, S. (2006). Wood preservation, Wood Process. Princ. Pract., pp: 297-338.
4. Ashori, A. (2013). Effects of nanoparticles on the mechanical properties of rice straw/polypropylene composites. Journal of Composite Materials, 47(2), 149-154. https://doi.org/10.1177/0021998312437234
5. Askerden, M. K., Akdemir, A., Karabörk, F. and Yazman, Ş. (2023). Nano Çinko Oksit Partikül Katılan Epoksi Kaplamaların Mekanik ve Antikorozif Özelliklerinin İncelenmesi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 28(1), 11-24. https://doi.org/10.17482/uumfd.1204841
6. ASTM-D 1413-07. (2007). Standard Test Method of Testing Wood Preservatives by Laboratory Soilblock Cultures, ASTM, USA, 1-9.
7. Aydemir, D., Civi, B., Alsan M., Can., A., Sivrikaya, H., Gunduz, G. and Wang., A. (2016). Mechanical, Morphological and Thermal Properties of Nano-Boron Nitride Treated Wood Materials, Maderas. Ciencia y Tecnología, 18(1), 19-32. https://doi.org/10.4067/S0718-221X2016005000003
8. Ayrilmis, N., Dundar, T., Kaymakci, A., Ozdemir, F., and Kwon, J. H. (2014). Mechanical and Thermal Properties of Wood-Plastic Composites Reinforced With Hexagonal Boron Nitride. Polymer composites, 35(1), 194-200. https://doi.org/10.1002/pc.22650

9. Bal, B.C. ve Bektaş, İ. (2018). Kayın ve kavak odunlarında fiziksel özelliklerle yoğunluk ilişkisinin belirlenmesi, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 1 (1), 1-10.
10. Bektaş, İ., Güler, C. and Baştürk, M.A. (2002). Principal mechanical properties of eastern beech wood (Fagus orientalis L.) naturally grown in Andırın northeastern mediterranean region of Turkey, Turk J Agric For, 26, 147–154.
11. Bozkurt, Y. ve Erdin, N. (1990). Ticarette kullanılan ağaçlarda fiziksel ve mekanik özellikler, İ.Ü., Orman Fakültesi Dergisi, Seri B, 40, 1. s. 6-24.
12. Bozkurt, Y. ve Erdin, N. (1995). Yoğunluk ile mekanik özellikler arasındaki ilişkiler, İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 45(2), 11-34.
13. Bozkurt, Y. ve Erdin, N. (2000). Odun anatomisi, İ.Ü. Orman Fak., Dilek Matbaası, İstanbul, 466:360. Bozkurt, Y., Göker, Y. ve Erdin, N., (1993). Emprenye tekniği, İ.Ü.Orman Fak. Yayınları, İstanbul, 3779 (425) :125, 135.
14. Evans, P.D., Michell, A.J. and Schmalzl, K. (1992). Studies of the degradation and protection of wood surfaces, Wood Sci. Technol., 26: 151-163.
15. Gan, W., Chen, C., Wang, Z., Pei, Y., Ping, W., Xiao, S., Dai, J., Yao, Y., He, S., Zhao, B., Das, S., Yang, B., Sunderland, P. B. and Hu, L. (2020). Fire-Resistant Structural Material Enabled by an Anisotropic Thermally Conductive Hexagonal Boron Nitride Coating. Adv. Funct. Mater. 30, 1909196, 1–9. https://doi.org/10.1002/adfm.201909196
16. Gümüş H., Aydemir D., Altuntas E., Kurt R. ve Imren E. (2020). Selüloz nanofibriller ve nano ölçekli titanyum dioksit takviyeli biyopolimer nanokompozitler: Çok kriterli karar verme yöntemleri ile en iyi nanokompozitlerin seçilmesi. Kompozit Malzemeler Dergisi 54(7): 923-935. https://doi.org/10.1177/0021998319870842
17. Gündüz, G., Aydemir, D. and Akgün, K. (2011). The effects of tannin and thermal treatment on physical and mechanical properties of laminated chestnut wood composites. BioResources, 6(2), 1543-1555. http://doi.org/10.15376/biores.6.2.1543-1555
18. Hon, D.N.S. and Shiraishi, N. (2001). Weathering and photochemistry of wood, In: wood and celluosic chemistry, ISBN-8247-0024-4, 514-914.
19. ISO 13061–1. (2021). Physical and mechanical properties of wood – Test methods for small clear wood specimens – Part 1: Determination of moisture content for physical and mechanical tests, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
20. ISO 13061–3. (2021). Physical and mechanical properties of wood – Test methods for small clear wood specimens – Part 3: Determination of ultimate strength in static bending, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
21. ISO 13061–4. (2021). Physical and mechanical properties of wood – Test methods for small clear wood specimens – Part 4: Determination of modulus of elasticity in static bending, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
22. Karaman, A., Yıldırım, M.N. and Yaşar Ş.Ş. (2019). Determination of Modulus of Elasticityand Bending Strength of Wood Material Impregnated with Nanoparticle Silicon Dioxide (SiO2), Turkish Journal of Forestry, 20(1), 50–56. https://doi.org/10.18182/tjf.462611.
23. Kartal, S.N., Green, F. and Clausen, C.A. (2009). Do the unique properties of nanometals affect leachability or efficacy against fungi and termites?, International Biodeterioration and Biodegradation, 63(4), 490–495. Erişim adresi: https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2009.01.007
24. Kollmann, F. and Cote, W.A. (1968). Principles of wood science and technology, Springer Verlag. Kretschmann, D.E. (2010). Mechanical properties of wood: Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. Chapter 5, Forest Products Laboratory - General Technical Report: Erişim adresi: https://doi.org/General Technical Report FPL-GTR-190
25. Kurtoğlu, A. (1984). Ağaç malzemenin kimyasal olmayan yolla korunması olanakları, İ.Ü. Orman Fakültesi Dergisi, İstanbul, Seri B, 4(34): 27-29.
26. Kurtoğlu, A. (2000). Ağaç malzeme yüzey işlemleri, Genel Bilgiler, İ.Ü. Orman Fak. Orman End. Müh. Böl., Çantay Matbaacılık, 1:1.
27. Malkoçoğlu, A. (1994). Doğu kayını (Fagus orientalis L.) odununun teknolojik özellikleri (Doktora tezi). Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
28. Moon, R.J., Schueneman, G. T. and Simonsen, J. (2016). Overview of Cellulose Nanomaterials, Their Capabilities and Applications. Jom, 68(9), 2383–2394. Erişim adresi: https://doi.org/10.1007/s11837-016-2018-7
29. Örs, Y. ve Keskin, H. (2001). Ağaç Malzeme Bilgisi, Atlas Yayın Dağıtım, Baskı. ISBN:975-6574-01-1, İstanbul, 33-34. Örs, Y., Atar, M. ve Peker H. (1999). Çeşitli emprenye ve üst yüzey işlem maddelerinin sarıçam ve kestane odununun yanma özelliklerine etkileri, Tr. J. of Agriculture and Forestry 2, 541-549.
30. Perçin, O. andAtar, M. (2018). Combustion properties of ımpregnated and heat-treated wood material, Journal of Polytechnic, 0900(4), 839–845. Erişim adresi: https://doi.org/10.2339/politeknik.453808
31. Pizzi, A. (2008). Tannins: major sources, properties and applications. in Monomers, polymers and composites from renewable resources (pp. 179-199). Elsevier.
32. Sandberg, D., Kutnar, A. and Mantanis, G. (2017). Wood modification technologies – A review, Forest- Biogeosciences and Forestry, 10(6): 895-908.
33. Simsek, H., Baysal, E., Yilmaz, M. and Culha, F. (2013). Some Mechanıcal Propertıes of Wood Impregnated wıth Envıronmentally-Frıendly Boron and Copper Based Chemıcals. Wood Research 58(3), 495–504.
34. SPSS 22.0 (2013). İstatistik Programı, Sun Microsystems, Inc., Network Circle, Santa Clara, CA, USA. Şen, S. (2001). Bitki Fenollerinin Odun Koruma Etkinliklerinin Belirlenmesi (Doktora tezi). Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, s300.
35. Taghiyari, H.R., Rassam, G., Sani, Y.L. and Karimi, A. (2012). Effects of nano-silver impregnation on some mechanical properties of ice-blasted wood specimens, Journal of Tropical Forest Science, 24(1), 83–88.
36. Thelandersson, S. and Larsen, H.J. (2003). Timber Engineering; Wiley & Sons Ltd.: Hoboken, NJ, USA, 496p, ISBN 978-0-470-84469-4
37. URL-1 (2017). US EPA, Overview of Wood Preservative Chemicals. Erişim adresi: https://www.epa.gov/ingredients-used-pesticide-products/overviewwoodpreservative-chemicals.
38. Usta, İ. (1993). Türkiye ağaç malzeme emprenye endüstrisinin bugünkü durumu ve geliştirilmesine ilişkin öneriler (Yüksek lisans tezi). Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Ens., Ankara, 139 s.
39. Yaşar, M. (2014). Doğal ve yapay koruyucu maddeler ile muamele edilmiş ahşap malzemenin bazı özelliklerine açık hava şartlarının etkisi (Yüksek lisans tezi). Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
40. Yaşar, M. and Altunok. M. (2019). Some physical and mechanical properties of ımpregnated chestnut wood with natural and chemical agent exposed to outdoor conditions. Journal of Polytechnic, 22(2), 399-406. doi:10.2339/politeknik.404006.
41. Yaşar, M., Yaşar, Ş.Ş., Fidan, M.S., Ertaş, M. ve Altunok, M. (2017). Doğal ve kimyasal emprenye maddeleri ile emprenye edilen sedir (Cedrus Libani A.Rich.) odununun direnç özelliklerinin tespiti. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 6(3), 463–470. Erişim adresi: http://dergipark.gov.tr/duzceitbd/issue/33124/363871