The Effects of Heat Treatment on the Some Properties of Beech and Oak Wood

Abstract

Wood has been used to many advantages such as their easy processing, strength values, and price in the many sectors. For all that, wood materials have many disadvantages such as high hidrofilic behavior, low thermal stability. The various treatment technics were used to overcome the disadvantages. The heat treatment of wood materials is one of the technics. The aim of this study was to determine the physical, thermal and mechanical properties of heat-treated wood at 180°C and 220°C for 8 h. After heat treatment process; mechanical properties such as flexural MOR and MOE, compression MOR and lap shear strength, physical properties such as density and water intake, thermal properties such as thermal stability with TGA were investigated. According to the obtained results, physical and mechanical properties of heat-treated wood materials decreased, and while temperature in the heat treatment was rising from 180°C to 220°C, physical and mechanical properties decreased more. Thermal stability was determined to increase with thermogravimetric analysis.

Keywords

• Wood,heat treatment,Wood modification,material characterization

Doğu Kayını ve Saplı Meşe Odunlarının Bazı Özellikleri Üzerine Isıl İşlemin Etkisi

Öz

Ahşap, birçok sektörde kolay işleme, mukavemet değerleri ve fiyat gibi birçok avantaj için kullanılmıştır. Tüm bunlar için, ahşap malzemelerin yüksek hidrofilik davranış, düşük termal kararlılık gibi birçok dezavantajı vardır. Dezavantajların azaltılması için çeşitli teknikler kullanılmıştır. Ahşap malzemelerin Isıl işlemi bu tekniklerden biridir. Bu çalışmanın amacı ısıl işlem görmüş ahşabın 180°C ve 220°C'de 8 saat muamelesi sonrasında termal ve mekanik özelliklerini araştırmaktır. Isıl işlem sonrası; Eğilme direnci ve modülü, basınç direnci ve yapışma direnci gibi mekanik özellikler, termogravimetrik analiz incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, ısıl işlem görmüş ahşap malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri düşmüştür ve ısıl işlem sıcaklığı 180°C'den 220 °C'ye yükselirken, fiziksel ve mekanik özelliklerdeki düşüş artmıştır. Termogravimetrik analiz sonrasında termal kararlılığın arttığı saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Odun,Isıl işlem,odun modifikasyonu,malzeme karekterizasyonu

References

1. Altgen, M., Hofmann, T., Militz, H. (2016). Wood moisture content during the thermal modification process affects the improvement in hygroscopicity of Scots pine sapwood. Wood Sci. Technol. 50, 1–15.
2. Araujo, S. O.,Vital, B. R., Oliveira, B., Cassia, A., Carneiro, O., Louranço, A. ve Pereira, H. (2016). Physical and mechanical properties of heat treated wood from Aspidosperma populifolium, Dipteryx odorata and Mimosa scabrella. Maderas Ciencia y tecnología, 18(1): 143-156.
3. Ayan, S. ve Ciritoğlu, H. H. (2012). Isıl İşlemin Ahşap Lamine Panellerin Bazı Fiziksel Özellikleri ve Vida Tutma Dayanımına Etkisinin Belirlenmesi. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 1(1): 35-46.
4. Aydemir, D., Gündüz, G., Altuntaş, E., Ertaş, M., Şahin, H. T. ve 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.
5. Bakar, B. F. A., Hızıroğlu, S. ve Tahir, P.M. (2013). Properties of some thermally modified wood species. Materials & Design, 43: 348-355.
6. Barcík, S., Gašparík, M., Razumov, E. (2015). Effect of temperature on the color changes of wood during thermal modification. Cellulose Chemistry and Technology, 49(9-10), 789-798.
7. Bekhta, P., Niemz, P. (2003). Effect of high temperature on the change in colour, dimensional stability and mechanical properties of spruce wood. Holzforschung, 57, 539–546.
8. Bourgois, J., Janin G, Guyonnet R. (1991). Measuring color: a method of studying and optimizing the chemical transformations of thermally-treated wood. Holzforschung, 45(5):377–82.

9. Chotikhun, A. and Hiziroglu, S. (2016). Measurement of dimensional stability of heat treated southern red oak (Quercus falcata Michx.). Measurement, 87, 99-103.
10. Ding, T., Gu, L. ve Li, T. (2011). Influence of steam pressure on physical and mechanical properties of heat-treated Mongolian pine lumber, Eur. J. Wood Prod, 69: 121–126.
11. Estaves, B.,Marques, A. V., Domingosl, I. ve Pereira, H. (2013). Chemıcal changes of heat treated pıne and eucalypt wood monıtored by FTIR. Maderas Ciencia y tecnología, 15(2): 245 – 258.
12. Gündüz G, Korkut S, Aydemir D, Bekar Í (2009). The Density, Compression Strength and Surface Hardness of Heat Treated Hornbeam (Carpinus betulas) Wood. Maderas Ciencia y Tecnología, 10(1): 61-70.
13. Gündüz G, Korkut S, Sevim Korkut D. (2007). The effects of heat treatment on physical and technological properties and surface roughness of Camiyanı Black Pine (Pinus nigra Arn. subsp. pallasiana var. pallasiana) wood. Biores Technol. 99:2275–80
14. Gündüz G, Niemz P, Aydemir D. (2008). Changes in specific gravity and equilibrium moisture content in heat-treated fir (Abies nordmanniana subsp. bornmulleriana Mattf.) wood. Dry Technol. 26(9):1135–9.
15. Gündüz, G. Aydemir, D., Kaygin, B. and Aytekın, A. (2009a). The effect of treatment time on dimensionally stability, moisture content and mechanical properties of heat treated anatolian chestnut (Castanea sativa Mill.) wood. Wood Research, 54 (2), 117-126.
16. Hill C. A. S. (2006). Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes, John Wiley & Sons, Chichester, UK, 260 p.
17. İçel, B. ve Şimşek, Y. (2017). Isıl işlem görmüş ladin ve dişbudak odunlarının mikroskobik görüntüleri üzerine değerlendirmeler. SDÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2: 414 – 420.
18. Källbom, S., Rautkari, L., Wålinder, M., Johansson, L.S., Campbell, J.M., Segerholm, K., Jones, D., Laine, K. (2016). Water vapour sorption characteristics and surface chemical composition of thermally modified spruce (Picea abies karst). Int. Wood Prod. J. 7, 116–123.
19. Kamdem, D.P., Pizzi, A., Guyonnet, R. Jermannaud, A. (1999). Durability of Heat-treatedWood, IRG/WP 99, 40145, p. 15.
20. Kaygin, B., Gündüz, G. and Aydemir, D. (2009a). Some Physical Properties of Heat-Treated Paulownia (Paulownia elongata) Wood. Drying Technology, 27 (1), 89-93.
21. Kaygin, B., Gündüz, G. and Aydemir, D. (2009b). The effect of mass loss on mechanic properties of heat-treated paulownia wood. Wood Research, 54 (2), 101-108.
22. Kesik, H.I., Korkut, S., Hiziroglu, S. and Sevik, H. (2014). An evaluation of properties of four heat treated wood species. Industrial Crops and Products, 60, 60-65.
23. Kocaefe, D.,Huang, X., Kocaefe, Y. ve Boluk, B. (2012). Quantitive characterization of chemical degradation of heat – treated wood surfaces during artificial weathering using XPS. Surface and Interface Analysis, s. 639-649.
24. Kol, H. Ş. (2010). Characteristics of heat-treated turkish pine and fir wood after thermowood processing. Journal of Environmental Biology, 31(6): 1007-1011.
25. Li, X., Cai, Z., Mou, Q., Wu, Yi. ve Liu, Y. (2011). Effects of heat treatment on some physical properties of Douglas Fir (Pseudotsuga menziesii) wood. Advanced materials research, Vols. 197-198, 90-95.
26. Martinka, J., Hroncová, 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.
27. Nuopponen, M., Vuorinen, T., Jämsä, S., Viitaniemi, P. (2005). Thermal Modifications in Softwood Studied by FT-IR and UV Resonance Raman Spectroscopies. J. Wood Chem. Technol. 24, 13–26.
28. Obataya, E., Tanaka, F., Norimoto, M., Tomita, B. (2000). Hygroscopicity of heat-treated wood 1. Effects of after-treatments on the hygroscopicity of heat-treated wood. J Wood Sci. 46:77–87.
29. Özan, Z. E., Onat, S. M. Aydemir, D. (2017). Sarıçam ve uludağ göknar odunlarının bazı özellikleri üzerine termal muamelenin etkileri. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 19(1): 187-193.
30. Özçiftçi, A., Altun, S. ve Yapıcı, F. (2009). Isıl işlem uygulamasının ağaç malzemenin teknolojik özelliklerine etkisi. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Karabük Üniversitesi, 13 15 Mayıs 2009, s. 1-2.
31. Perçin, O. Uzun, O. (2014). Isıl işlem uygulanmış bazı ağaç malzemelerde yapışma direncinin belirlenmesi. SDÜ Orman Fakültesi Dergisi, 15: 72-76.
32. Srinivas, K., ,Pandey, K. K. (2012). Effect of heat treatment on color changes, dimensional stability, and mechanical properties of wood. Journal of Wood Chemistry and Technology, 32(4), 304-316.
33. Tjeerdsma, B.F., Boonstra, M., Pizzi, A., Tekely, P., Militz, H. (1998). Characterisation of thermally modified wood: Molecular reasons for wood performance improvement. Holz Als Roh-Und Werkst. 56, 149–153.
34. 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 Werkst. 63, 102–111.
35. TS 2471, (1976). Odunda mekanik ve fiziksel deneyler için rutubet miktarı tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
36. TS 2471, (1976). Odunda mekanik ve fiziksel deneyler için rutubet miktarı tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
37. TS 2474, (2005). Odunun statik eğilmede dayanımının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
38. TS 2474, (2005). Odunun statik eğilmede dayanımının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
39. TS 2595, (1977). Odunun liflere paralel doğrultuda basınç dayanımı tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
40. TS 4084, (1983). Odunda radyal teğet doğrultuda şişmenin tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
41. TS 53, (2005). Odunun fiziksel özeliklerini tayin için numune alma, muayene ve deney metotları. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
42. TS EN 392, (1999). Yapıştırılmış lamine kereste–Yapıştırılmış tabakaların makaslama deneyi, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
43. Viitaniemi, P. (1997). Decay-resistant wood created in a heating process. Industrial Horizons, 23: 77-85.
44. Windeisen, E., Strobel, C., Wegener, G. (2007). Chemical changes during the production of thermo-treated beech wood. Wood Sci. Technol. 41, 523–536.
45. Won, K. R., Kim, T. H., Hwang, K. K., Chong, S. H., Hong, N. E., Byeon, H. S. (2012). Effect of heat treatment on the bending strength and hardness of wood. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 40(5), 303-310.
46. Yıldız, S., Yıldız, Ü. Tomak, E. D. (2011). The effects of natural weathering on the properties of heat – treated alder wood. Bio Resources, 6(3): 2504-2521.
47. 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.