Investigation of Some Chemical Properties of Kermes Oak (Quercus coccifera L.) Wood and Its Use in the Particleboard Production

Abstract

In this study, usage possibility of particles obtained from kermes oak (Quercus coccifera L.) wood in board production was investigated. Boards were produced from mixtures of kermes oak and brutian pine (Pinus brutia Ten.) particles. The ratios of kermes oak:brutian pine were 0:100, 25:75, 50:50, 75:25 and 100:0 in the experimental design of particleboards. Chemical and thermal properties of particles used were determined and their effects on the physical and mechanical properties of the produced boards were revealed. Kermes oak particles exhibited higher α-cellulose and hemicellulose contents, but lower extractive and lignin contents than the brutian pine particles. Main chemical component analysis was supported by FTIR analysis. It was observed that kermes oak particles were more acidic than brutian pine particles. Monosaccharides were rhamnose (0.34%), arabinose (0.84%), xylose (21.24%), mannose (2.04%), galactose (1.01%) and glucose (50.44%) in the kermes oak particles and arabinose (1.72%), xylose (7.89%), mannose (10.65%), galactose (2.11%) and glucose (46.50%) in the brutian pine particles. Kermes oak particles presented higher thermal stability compared to brutian pine particles. Water absorption and thickness swelling values of produced particleboards failed to meet the requirements of the TS-EN 312 standard. Modulus of elasticity, modulus of rupture and internal bond strength values of the boards produced with 25 and 50% kermes oak particles met the requirements for general-purpose particleboards used in dry conditions according to the TS-EN 312 standard.

Keywords

• Kermes oak,Brutian pine,GC,FTIR,TGA,particleboard,physical and mechanical properties

Kermes Meşesi (Quercus coccifera L.) Odununun Bazı Kimyasal Özelliklerinin İncelenmesi ve Yongalevha Üretiminde Değerlendirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, endüstriyel anlamda hammadde olabilecek nitelikteki kermes meşesi (Quercus coccifera L.) yongalarının levha üretiminde kullanım olanakları araştırılmıştır. Çalışmada üretilen levhaların deneysel tasarımında, kermes meşesi ile kızılçam (Pinus brutia Ten.) yongalarının %0, 25, 50, 75 ve 100 oranındaki karışımları kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan türlerin kimyasal ve termal özellikleri belirlenmiş ve bu özelliklerin üretilen levhaların fiziksel ve mekanik özellikleri üzerine etkileri değerlendirilmiştir. Kermes meşesi yongarında, kızılçam yongalarına göre daha yüksek miktarlarda α-selüloz ve hemiselüloz, daha düşük miktarlarda ekstraktif madde ve lignin tespit edilmiştir. Ana kimyasal bileşen analizleri FTIR analizleriyle desteklenmiştir.  Kermes meşesi yongalarının kızılçama göre daha asidik olduğu görülmüştür. Monosakkarit bileşimi kermes meşesi yongalarında ramnoz (%0.34), arabinoz (%0.84), ksiloz (%21.24), mannoz (%2.04), galaktoz (%1.01) ve glukoz (%50.44), kızılçam yongalarında ise arabinoz (%1.72), ksiloz (%7.89), mannoz (%10.65), galaktoz (%2.11) ve glukoz (%46.50) olarak belirlenmiştir. Kermes meşesi yongalarının kızılçama göre termal dayanıklılığının daha yüksek olduğu görülmüştür. Üretilen levhaların su alma ve kalınlığına şişme değerlerinin TS EN 312 standardının üstünde olduğu saptanmıştır. %25 ve %50 oranındaki kermes meşesi yongalarıyla üretilen levhaların kuru şartlarda genel amaçlı kullanılmaları yönünde elastikiyet modülü, eğilme direnci ve yüzeye dik çekme direnci değerlerinin TS EN 312 standardına uygun olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• Kermes meşesi,Kızılçam,GC,FTIR,TGA,yongalevha,fiziksel ve mekaniksel özellikler

References

1. Akman Y (1995). Türkiye Orman Vejetasyonu, Ankara Üniversitesi, Fen Fakültesi, Ankara.
2. Akyüz KC, Nemli G, Baharoğlu M, Zekoviç E (2010). Effects of Acidity of the Particles and Amount of Hardener on the Physical and Mechanical Properties of Particleboard Composite Bonded With Urea Formaldehyde. International Journal of Adhesion and Adhesives, 30(3): 166-169.
3. ASTM D1103 (1980). Standard test method for Alpha-cellulose in Wood. ASTM International, West Conshohocken, USA.
4. Aydın İ (2004). Çeşitli Ağaç Türlerinden Elde Edilen Kaplamaların Islanabilme Yeteneği ve Yapışma Direnci Üzerine Bazı Üretim Şartlarının Etkileri. Doktora Tezi, KTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Orman Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı, Trabzon.
5. Ayrilmis N, Buyuksari U, Avci E, Koc E (2009). Utilization of Pine (Pinus pinea L.) Cone in Manufacture of Wood Based Composite. Forest Ecology and Management, 259(1): 65-70.
6. Baharoğlu M, Nemli G, Sarı B, Birtürk T, Bardak S (2013). Effects of Anatomical and Chemical Properties of Wood on the Quality of Particleboard. Composites Part B: Engineering, 52:282-285.
7. Balaban M, Ucar G (2001). The Correlation of Wood Acidity to Its Solubility by Hot Water and Alkali. Holz als Roh- und Werkstoff, 59: 67-70. Barboutis JA, Philippou JL (2007). Evergreen Mediterranean Hardwoods as Particleboard Raw Material. Building and Environment, 42: 1183–1187.
8. Bekhta P, Hiziroglu S (2002). Theoretical Approach on Specific Surface Area of Wood Particles. Forest Product Journal, 52(4): 72-76.

9. Bektaş İ (1997). Kızılçam (Pinus brutia ten.) Odununun Teknolojik Özellikleri ve Yörelere Göre Değişimi. Doktora Tezi, İÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Orman Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul.
10. Cao B, Tschirner U, Ramaswamy S, Webb A (1997). A Rapid Modified Gas Chromatographic Method for Carbohydrate Analysis of Wood Pulps. TAPPI Journal, 80(9): 193-197.
11. Dill I, Salnikow J, Kraepelin G, (1984). Hydroxyproline-rich Protein Material in Wood and Lignin of Fagus sylvatica. Applied and Environmental Microbiology, 48(6): 1259–1261.
12. Ebringerova A, Kramar A, Domansky R (1972). Glucomannan From the Hornbeam Wood (Carpinus betulus L.). Holzforhung, 26 (3): 89-92. Evrendilek F, Doygun H (2000). Assessing Major Ecosystem Types and the Challenge of Sustainability in Turkey. Environmental Management, 26(5): 479-489.
13. Fengel D, Wegener G (1984). Wood Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Walter de Gruyter Verlag, Berlin, Germany.
14. Gönültaş O (2008). Fıstık Çamı (Pinus pinea) Kozalak, Odun ve İbrelerinin Kimyasal Karakterizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, İÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Orman Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul.
15. Göksel E (1984). Kızılçamın Lif Morfolojisi ve Odunundan Selülozu Elde Etme Olanakları Üzerine Araştırmalar, İstanbul Üniversitesi Yayın No:3204, Orman Fakültesi Yayın No:364, İstanbul.
16. Guler C, Bektas I, Kalaycioglu H (2006). The Experimental Particleboard Manufacture from Sunflower Stalks (Helianthus annuus L.) and Calabrian Pine (Pinus brutia Ten.). Forest Products Journal, 56(4), 56-60.
17. Guler C. (2015). Production of Particleboards from Licorice (Glycyrrhiza glabra) and European Black Pine (Pinus Nigra Arnold) Wood Particles. Scientific Research and Essays, 10(7), 273-278.
18. Johns WE, Niazi KA (1980). Effect of pH and Buffering Capacity of Wood on the Gelation Time of Urea-Formaldehyde Resin. Wood and Fiber Science, 12(4): 255-263.
19. Joseleau JP, Imai T, Kuroda K, Ruel K (2004). Detection in Situ and Characterization of Lignin in the G-layer of Tension Wood Fibres of Populus deltoids. Planta, 219(2): 338-345.
20. Kaya B, Aladağ C (2009). Maki ve Garig Topluluklarının Türkiye'deki Yayılış Alanları ve Ekolojik Özelliklerinin İncelenmesi. SÜ Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 22: 67–80.
21. Khedari J, Nankongnab N, Hirunlabh J, Teekasap S (2004). New Low-cost Insulation Particleboards from Mixture of Durian Peel and Coconut Coir. Building and Environment, 39(1): 59-65.
22. Kılıç A, Sarıusta SE, Hafızoğlu H (2010). Sarıçam, Karaçam ve Kızılçam Basınç Odununun Kimyasal Yapısı. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 12(18): 33-39.
23. Kırcı H (1991). Alkali Sülfit Antrakinon Etanol (ASAE) Yöntemiyle Kızılçam (Pinus brutia Ten.) Odunundan Kağıt Hamuru Üretim Koşullarının Belirlenmesi. Doktora Tezi, KTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Orman Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı, Trabzon.
24. Lacroix A (1973a). Manufacture of Hardboards with Four Species from Mediterranean Countries. Gembloux: Rapport d’Activite Station de Technologie Forestiere, 151–171.
25. Lacroix A (1973b). Manufacture of Particleboards with Four Species from Mediterranean Countries. Gembloux: Rapport d’Activite Station de Technologie Forestiere, 81–121.
26. Li GY, Huang AM, Qin TF Huang LH (2010). FTIR Studies of Masson Pine Wood Decayed by Brown-rot Fungi. Spectroscopy and Spectral Analysis, 30(8): 2133–2136.
27. Liang CY, Bassett KH, McGinnes EA, Marchessault RH (1960). Infrared Spectra of Crystalline Polysaccharides; VII. Thin Wood Sections. Tappi, 43(12): 1017-1024.
28. Luna ML, Murace MA, Robledo GL Saparrat MCN (2012). Characterization of Schinopsis haenkeana Wood Decayed by Phellinus chaquensis (Basidiomycota, Hymenochaetales). IAWA Journal, 33(1): 91–104.
29. Lykidis C, Grigoriou A, Barboutis I (2014). Utilisation of Wood Biomass Residues from Fruit Tree Branches, Evergreen Hardwood Shrubs and Greek Fir Wood as Raw Materials for Particleboard Production. Part A. Mechanical Properties. Wood Material Science & Engineering, 9(4): 202-208.
30. Mahato K, Goswami S, Ambarkar A (2014). Morphology and Mechanical Properties of Sisal Fibre/vinyl Ester Composites. Fibers and Polymers, 15(6): 1310-1320.
31. Meszaros E, Jakab E, Varhegyi G (2007). TG/MS, Py-GC/MS and THMGC/MS Study of the Composition and Thermal Behavior of Extractive Components of Robinia pseudoacacia. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 79(1): 61-70.
32. Moslemi AA (1974). Particleboard, Vol. 1: Materials. Southern Illinois University Press, Carbondale, Illinois.
33. Nemli G, Aydin A (2007). Evaluation of the Physical and Mechanical Properties of Particleboard Made from the Needle Litter of Pinus pinaster. Industrial Crops and Products, 26: 252–258.
34. Nemli G, Colakoglu G (2005). Effects of Mimosa Bark Usage on Some Properties of Particleboard. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 29:227–230.
35. Nemli G, Kirci H, Temiz A (2004a). Influence of Impregnating Wood Particles with Mimosa Bark Extract on Some Properties of Particleboard. Industrial Crops and Products, 20:339–344.
36. Nemli G, Hiziroglu S, Usta M, Serin Z, Ozdemir T, Kalaycıoglu H (2004b). Effect of Residue Type and Tannin Content on Properties of Particleboard Manufactured from Black Locust. Forest Products Journal, 54 (2): 36–40.
37. Nemli G, Yildiz S, Gezer ED (2008). The Potential for Using the Needle Litter of Scotch Pine (Pinus sylvestris L.) as a Raw Material for Particleboard Manufacturing. Bioresource Technology, 99: 6054–6058.
38. Öner N, Aslan S (2002). Technological Properties and Possible Uses of Trembling Poplar (Populus tremula L.) Wood. SDÜ Orman Fakultesi Dergisi, 1(1):135-146.
39. Özdemir H, Uçar MB (2016). Kızılçam Ağaç Kabuklarından Elde Edilen Tanenin Tutkal Olarak Değerlendirilebilmesi. Electronic Journal Of Vocational Colleges, 6(4): 11-20.
40. Pandey KK (1999). Study of Chemical Structure of Soft and Hardwood and Wood Polymers by FTIR Spectroscopy. Journal of Applied Polymer Science, 71(12): 1969- 1975.
41. Pandey KK (2005). Study of the Effect of Photo-irradiation on the Surface Chemistry of Wood. Polymer Degradation and Stability, 90(1): 9-20.
42. Pasillias CN, Voulgaridis EV (1999). Water Repellant Efficiency of Organic Solvent Extractives from Aleppo Pine Leaves and Bark Applied to Wood. Holzforschung, 53:151–155.
43. Popescu CM, Vasile C, Popescu MC, Singurel G (2006). Degradation of Lime Wood Painting Supports II–spectal Characterisation. Cellulose Chemistry and Technology, 40(8):649–658.
44. Regel CV (1963). Türkiye’nin Flora Ve Vejetasyonuna Genel Bir Bakış. EÜ Monografiler Serisi N: 1, İzmir.
45. Sinha E, Rout SK (2009). Influence of Fibre-surface Treatment on Structural, Thermal and Mechanical Properties of Jute Fibre and Its Composite. Bulletin of Materials Science, 32(1): 65-76.
46. Taş HH, Sevinçli Y (2015). Properties of Particleboard Produced from Red Pine (Pinus brutia) Chips and Lavender Stems. BioResources, 10(4): 7865-7876.
47. Thurner F, Mann U (1981). Kinetic Investigation of Wood Pyrolysis. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 20(3): 482-488.
48. Timell TE (1960). Isolation of Hardwood Glucomannans. Svensk Papperstid, 63(15): 472-476.
49. Timell TE (1967). Recent Progress in the Chemistry of Wood Hemicelluloses. Wood Science and Technology, 1(1): 45-70.
50. Timell TE, Jabbar Mian A. (1960). Studies on Ginkgo biloba L. III. the Constitution of a Glucomannan from The Wood. Svensk Papperstid, 63: 884-888.
51. Tolvaj L, Faix O (1995). Artificial Ageing of Wood Monitored by DRIFT Spectroscopy and CIE L*a*b Color Measurements 1. Effect of UV Light. Holzforschung, 49: 397–404.
52. TS EN 310 (1999). Ahşap Esaslı Levhalar-Eğilme Dayanımı ve Eğilme Elastikiyet Modülünün Tayini. TSE, Ankara.
53. TS EN 312 (2012). Yonga Levhalar – Özellikler. TSE, Ankara.
54. TS EN 317 (1999). Yonga Levhalar ve Lif Levhalar-Su İçerisine Daldırma İşleminden Sonra Kalınlığına Şişme Tayini. TSE, Ankara.
55. TS EN 319 (1999). Yonga Levhalar ve Lif Levhalar-Levha Yüzeyine Dik Çekme Dayanımının Tayini. TSE, Ankara.
56. Tsoumis G, Kezos N, Fanariotou E, Voulgaridis E, Passialis C (1988). Characteristics of Briarwood. Holzforschung, 42(2):71–77.
57. Tsuboi M (1957). Infrared Spectrum and Crystal Structure of Cellulose. Journal of Polymer Science, 25(109): 159-171.
58. Wise EL, Karl HL (1962). Cellulose and Hemicellulose in Pulp and Paper Science and Technology. Libby, C.E. (Ed.), Vol:1, Mc Graw Hill Book Co., New York.
59. Yasar S (2014). Spectrophotometric Determination of Monosaccharide Composition of Wood (Pinus brutia Ten.) Using Artificial Neural Network Modelling. Asian Journal of Chemistry, 26(18): 6084-6088.
60. Yasar S, Guntekin E, Cengiz M, Tanriverdi H (2010a). The Correlation of Chemical Characteristics and UF-Resin Ratios to Physical and Mechanical Properties of Particleboard Manufactured from Vine Prunings. Scientific Research and Essays, 5(8): 737-741.
61. Yasar S, Guller B, Baydar H (2010b). Studies on Carbohydrate, Lignin Contents and Some Fiber Properties of Sesame (Sesamum indicum L.), Cotton (Gossypium hirsutum L.) and Poppy (Papaver somniferum L.) Stalks. SDÜ Orman Fakultesi Dergisi, 1(1): 56-66.
62. Yaşar S (2018a). Ilgın (Tamarix parviflora) Hemiselülozlarının Oktanoil, Dekanoil ve Lauroil Klorür ile Esterlenmesi. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(1): 91-97.
63. Yaşar S (2018b). Volatile Acid Content of Some Maquis Species, Journal of Bartin Faculty of Forestry, 20(1): 67-72.
64. Yaşar S, Ceviz AU, Karatepe Y (2016a). Laurus nobilis, Vitex agnus-castus ve Tamarix parviflora Türlerinin Kimyasal İçeriği ve Fenolik Ekstraktiflerinin İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 20(2): 182-187.
65. Yaşar S, Demir F, Karatepe Y (2016b). Bazı Maki Türlerinin Kimyasal İçeriği ve Fenolik Ekstraktifleri Üzerine Araştırmalar. Turkish Journal of Forestry, 17(2): 187-193.
66. Yaşar S, Beram A, Güler G (2017). Kermes Meşesi (Quercus coccifera L.) Odunu Fenolik Ekstraktifleri. MAKÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 8( Özel Sayı 1): 73-78.
67. Yaşar S, Kılınç G (2018). Palmitoil, Stearoil ve Oleoil Klorür ile Esterlenmiş Kermes Meşesi (Quercus coccifera L.) Hemiselülozlarının Kimyasal Karakterizasyonu. Turkish Journal of Forestry, 19(1): 98-102.