Effect of heat and steam on color and brightness in cylindrical densification of black poplar (Populus nigra L.) wood

Abstract

Wood material has a wide range of usage areas due to many positive properties of its structure. Improving their properties will expand their usage areas and ensure this natural material is preferred. Surface densification is one of the methods applied to improve the properties of wood materials. In this study, the densification of cylindrical turned black poplar (Populus nigra L.) wood species was carried out on a lathe using a densification apparatus designed and manufactured for this purpose. Specimens without heat treatment and specimens heat treated at 160°C for 3 hours were used in the experiments. The surface densification process was applied with a spindle rotation speed of 800 rpm, densification depths of 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm and 2.0 mm at 4 different depths and a feed rate of 0.02 mm at each spindle revolution. In the surface densification process, 3 Bar hot steam and 600°C dry air were applied to the sample. Brightness and color measurements were performed after densification. The steam and temperature applied during heat treatment and surface densification caused a decrease in tangential and radial surfaces brightness values. Steam and temperature applied during surface densification caused a decrease in (L) and (b)values and (a) increase in the value of color.

Keywords

• Heat treatment
• populus
• brightness
• color
• cylindrical densification

Karakavak (Populus nigra L.) odununun silindirik yoğunlaştırılmasında sıcaklık ve buharın renk ve parlaklığa etkisi

Abstract

Ağaç malzemeler olumlu çok sayıda özelliğinden dolayı geçmişten günümüze çok sayıda alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Özelliklerini iyileştirmek, kullanım alanlarının genişlemesine ve doğal olan bu malzemenin tercih edilmesini sağlayacaktır. Ağaç malzemenin özelliklerinin daha iyi hale getirmek için uygulanan yöntemlerden birisi yüzey yoğunlaştırma işlemidir. Bu çalışmada silindir şeklindeki tornalanmış karakavak (Populus nigra L.) ağaç türünün yoğunlaştırılması bu amaç için tasarlanarak imalatı yapılmış olan yoğunlaştırma aparatı kullanılarak torna tezgahında gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem uygulanmamış ve 160 °C sıcaklıkta 3 saat boyunca ısıl işlem uygulanmış numuneler denemelerde kullanılmıştır. İş mili dönüş hızı 800 dev/dk, yoğunlaştırma derinlikleri 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm ve 2.0 mm olmak üzere 4 farklı derinlik ve ilerleme hızı olarak iş milinin her devrinde 0.02 mm ilerleme sağlanarak yüzey yoğunlaştırma işlemi uygulanmıştır. Yüzey yoğunlaştırma işleminde numune üzerine 3 Barlık sıcak buhar ve 600°C kuru hava uygulanmıştır. Yoğunlaştırma sonrası parlaklık ve renk ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem ve yüzey yoğunlaştırma esnasında uygulanan buhar ve sıcaklık teğet ve radyal parlaklık değerlerinde düşme meydana gelmesine neden olmuştur. Yüzey yoğunlaştırma esnasında uygulanan buhar ve sıcaklık renkte L ve b değerinde düşme, a değerinde yükselmeye yol açmıştır.

Keywords

• Isıl işlem
• kavak
• parlaklık
• renk
• silindirik yoğunlaştırma

References

1. Ayata, U., Cavus, V., (2018), Amerikan ceviz, Amerikan meşesi ve kırmızı Amerikan meşesi odunlarında renk ve parlaklık üzerine ısıl işlemin (ThermoWood® metot) etkisi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 6(4), 546 – 553. DOI:10.21923/jesd.383624.
2. Ayata, U., (2020), Ayous odununun bazı teknolojik özelliklerinin belirlenmesi ve ısıl işlemden sonra renk ve parlaklık özellikleri, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 3 (1), 22-33. DOI:10.33725/mamad.724596
3. Ayata, U., Bal, B.C. (2021), Kopie, fukadi ve porsuk ağaç türlerinde renk, parlaklık ve shore D sertlik üzerine ısıl işlemin etkisi, Hoca Ahmet Yesevi, 5. Uluslararası Bilimsel Araştırmalar Kongresi, 5-6 Kasım 2021, Nahçıvan Devlet Üniversitesi, Azerbaycan, 166-180.
4. Ayata, U., (2022), Isıl işlem görmüş Hindistan cevizi odununda bazı yüzey özelliklerinin incelenmesi, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 5(1), 8-16. DOI:10.33725/mamad.1116999.
5. Aytin, A., Korkut, S., Çakıcıer, N., (2015), Yabani kiraz odununda bazı yüzey karakteristikleri üzerine ThermoWood® yöntemi ile ısıl işlemin etkisi, Selçuk Üniversitesi Selçuk-Teknik Dergisi, Özel Sayı :1, UMK 2015, 3. Ulusal Mobilya Kongresi, Konya, 539-554.
6. Bekhta, P., Krystofiak, T., (2016), The influence of short-term thermo-mechanical densification on the surface wettability of wood veneers, Maderas Cienc. y Tecnol., 18 (1), 79–90. DOI: 10.4067/S0718-221X2016005000008.
7. Bekhta, P., Proszyk, S., Krystofiak, T., Sedliacik, J., Novak, I., Mamonova, M., (2017), Effects of short-term thermomechanical densification on the structure and properties of wood veneers, Wood Material Science and Engineering, 12 (1), 40–54. DOI:10.1080/17480272.2015.1009488.
8. Berns, R.S., (2000), Billmeyer and Saltzman’s Principles of Color Technology, John Wiley & Sons, New York, 3rd Edition, 78-81.

9. 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, 307–314. DOI: 10.1007/s10086-003-0566-2.
10. Budakçi, M., Pelit, H., Sönmez, A., Korkmaz, M., (2016), The effects of densification and heat post-treatment on hardness and morphological properties of wood materials, BioResources., 11(3), 7822–7838. DOI:10.15376/biores.11.3.7822-7838.
11. Chen, Y., Fan, Y.M., Gao, J.M., Stark, N.M., (2012), The effect of heat treatment on the chemical and color change of black locust (Robinia pseudoacacia) wood flour, BioResources, 7(1), 1157-1170.
12. Esteves, B., Marques, A. V., Domingos, I., Pereira, H., (2008), Heat-induced colour changes of pine (Pinus pinaster) and eucalypt (Eucalyptus globulus) wood. Wood Science and Technology, 42(5), 369- 384
13. Fleischhauer, R., Hartig, J.U., Haller, P., Kaliske, M., (2019), Moisture-dependent thermo-mechanical constitutive modeling of wood, Engineering Computations, 36(1), 2–24. DOI:10.1108/EC-09-2017-0368.
14. Gao, Z., Huang, R., Chang, J., Li, R., Wu, Y., (2019), Effects of pressurized superheated-steam heat treatment on set recovery and mechanical properties of surface-compressed wood, BioResources, 14(1), 1718–1730. DOI:10.15376/biores.14.1.1718-1730.
15. Gürleyen, L., (1998), Mobilyada kullanılan masif ağaç malzemelerde yüzey düzlüğünün karşılaştırılması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek lisans tezi, Ankara.
16. ISO 13061-1 (2014), 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
17. ISO 13061-2 (2014), Wood-determination of Density for Physical and Mechanical Tests, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
18. ISO 2813 (2014): Paints and varnishes - Determination of gloss value at 20 degrees, 60 degrees and 85 degrees, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland
19. Kariz, M., Kuzman, M.K., Sernek, M., Hughes, M., Rautkari, L., Kamke, F.A., Kutnar, A., (2017), Influence of temperature of thermal treatment on surface densification of spruce, European Journal of Wood and Wood Products, 75, 113–123. DOI:10.1007/s00107-016-1052-z.
20. Kaya, Z., Sofuoğlu, S. D., (2023a), Silindirik yoğunlaştırmada sıvama makarası kullanımı; masif ağaçta (Karaçam) yoğunlaştırılma sonrası sertlik, parlaklık ve yüzey pürüzlülüğü değişimi, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 6(1), 14-25. DOI:10.33725/mamad.1260723.
21. Kaya, Z., Sofuoğlu, S. D., (2023b), Use of spinning roller in cylindrical densification; spring back in black poplar, larch and cedar of Lebanon after densification, Bilge International Journal of Science and Technology Research, 7(2), 117-127. DOI:10.30516/bilgesci.1278745.
22. Koç, E., Pelit, H., (2022), Ağaç malzeme yüzeylerine uygulanan poliüretan verniklerin parlaklığına ısıl işlem yöntemi ve işlem sıcaklığının etkisi, Ormancılık Araştırma Dergisi, Karok 2021, 238-246. DOI: 10.17568/ogmoad.1090092.
23. Korkut, S., Kocaefe, S., (2009), Isıl İşlemin Odun Özellikleri Üzerine Etkisi, Düzce Üniversitesi, Düzce Üniversitesi Orman Fakültesi Orman. Dergisi, 5(2), 11–34.
24. Korkut, D.S., Hiziroglu, S., Aytin, A., (2013), Effect of heat treatment on surface characteristics of wild cherry wood, BioResources, 8 (2), 1582-1590.
25. Laskowska, L., (2017), The influence of process parameters on the density profile and hardness of surface-densified birch wood (Betula pendula Roth), BioResources, 12(3), 6011–6023. DOI:10.15376/biores.12.3.6011-6023.
26. Laskowska, A., (2020), The influence of ultraviolet radiation on the colour of thermo-mechanically modified beech and oak wood, Maderas Cienc. y Tecnol. 22(1). DOI:10.4067/S0718-221X2020005000106.
27. De Moura, L.F., Santos, D.V.B.D., Brito, J.O., (2014), Effect of heat treatment on color, weight loss, specific gravity and equilibrium moisture content of two low market valued tropical woods, Wood Research, 59(2), 253-264.
28. Neyses, B., Karlsson, O., Sandberg, D., (2020), The effect of ionic liquid and superbase pre-treatment on the spring-back, set-recovery and Brinell hardness of surface-densified Scots pine, Holzforschung, 74(3), 303–312. DOI:10.1515/hf-2019-0158.
29. Özcan, A., (2008), Kağıt Yüzey Pürüzlülüğünün L*a*b* Değerleri Üzerine Etkisinin Belirlenmesi, İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 7 (14), 53-61.
30. Özen, R., Sonmez, A., (1990), Ahşap yuzeyler için hazırlanan verniklerin fiziksel, kimyasal ve mekanik etkilere karşı dayanaklıkları, Doğa Türk Tarım ve Ormancılık, 1428-1436.
31. Parvis Navi, D.S., (2012), Thermo-Hydro-Mechanical Wood Processing, EPFL Press. DOI:10.1520/mnl10496m.
32. Pelit, H., Budakçı, M., Sönmez, A., Burdurlu, E., (2015), Surface roughness and brightness of scots pine (Pinus sylvestris) applied with water-based varnish after densification and heat treatment, Journal of Wood Science, 61, 586–594. DOI:10.1007/s10086-015-1506-7.
33. Poncsak, S., Kocaefe, D., Bouazara, M., Pichette, A., (2006), Effect of high-temperature treatment on the mechanical properties of birch (Betula papyrifera), Wood Science and Technology, 40(8), 647-663.
34. Pertuzzatti, A., Missio, A.L., de Cademartori, P.H.G., Santini, E.J., Haselein, C.R., Berger, C., Gatto, D.A., Tondi, G., (2018), Effect of process parameters in the thermomechanical densification of pinus elliottii and eucalyptus grandis fast-growing wood, BioResources. 13(1), 1576–1590. DOI:10.15376/biores.13.1.1576-1590.
35. 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, 679–691. DOI:10.1007/s00226-009-0291-0.
36. Salca, E.A., Kobori, H., Inagaki, T., Kojima, Y., Suzuki, S., (2016), Effect of heat treatment on colour changes of black alder and beech veneers, Journal of Wood Science, 62(4), 297-304. DOI: 10.1007/s10086-016-1558-3.
37. Salca, E., Brasov, U.T., Bekhta, P., (2021), Effects of thermo-mechanical densification applied to veneers of fast-growing species to produce value-added plywood panels, Cutting-edge Research in Agricultural Sciences, 9, 161–177. DOI:10.9734/bpi/cras/v9/8628D.
38. Sandberg, D., Kutnar, A., Karlsson, O., Jones, D., (2021), Wood modification technologies : principles, sustainability, and the need for innovation, CRC Press, Taylor and Francis.
39. Scharf, A., Lemoine, A., Neyses, B., Sandberg, D., (2023), The effect of the growth ring orientation on spring-back and set-recovery in surface-densified, Holzforschung, 77(6), 394-406. DOI:10.1515/hf-2023-0004.
40. Sofuoglu, S.D., (2022), Effect of thermo-mechanical densification on brightness and hardness in wood, Turkish Journal of Engineering Research and Education, 1, 15–19.
41. Sofuoglu, S.D., Tosun, M., Atilgan, A., (2023), Determination of the machining characteristics of Uludağ fir (Abies nordmanniana Mattf.) densified by compressing, Wood Material Science & Engineering, 18(3), 841-851. DOI:10.1080/17480272.2022.2080586.
42. Söğütlü, C., (2005), Bazı faktörlerin zımparalanmış ağaç malzeme yüzey pürüzlülüğüne etkisi, Politeknik, 8(4), 345–350.
43. Söğütlü, C., Sönmez, A., (2006). Color changing effect of UV rays on some local wood species treated with various shielding agents, Gazi University Journal of the Faculty of Architecture and Engineering, 21(1), 151-159.
44. Şenol, S., Budakci, M., (2016), Nechanical wood modificiation methods, Mugla Journal of Science and Technology, 2(2), 53–59. DOI:10.22531/muglajsci.283619.
45. Şenol, S., (2018), Termo- Vibro - Mekanik (TVM) işlem görmüş bazı ağaç malzemelerin fiziksel, mekanik ve teknolojik özelliklerinin belirlenmesi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi, Düzce.
46. Şenol, S., Budakci, M., (2019), Effect of Thermo-Vibro-Mechanic® densification process on the gloss and hardness values of some wood materials, BioResources, 14(4), 9611–9627. DOI:10.15376/biores.14.4.9611-9627.
47. Tenorio, C., Moya, R., Navarro-Mora, A., (2021), Flooring characteristics of thermomechanical densified wood from three hardwood tropical species in Costa Rica. Maderas, Ciencia y Tecnología, 23(16), 1–12. DOI:10.4067/s0718-221x2021000100416.
48. Tosun, M., Sofuoğlu, S.D., (2021), Ağaç malzemenin sıkıştırılarak yoğunlaştırılması konusunda yapılan çalışmalar, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 4(1), 91–102. DOI:10.33725/mamad.911947.
49. Türk, M., (2021), Eyong, jequtiba ve koto ağaç türlerinde renk, parlaklık ve shore D sertlik değerleri üzerine ısıl işlemin etkisi, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 4(1), 51-60. DOI: 10.33725/mamad.928381.
50. Wehsener, J., Bremer, M., Haller, P., Fischer, S., (2023), Bending tests of delignified and densified poplar, Wood Material Science & Engineering, 18(1), 42–50. DOI:10.1080/17480272.2022.2134049.