Color change and surface chemistry of nano cerium-oxide treated wood after accelerated weathering

Abstract

Wood as a natural biological polymer has significant advantages compared to other building materials. However, it has to be impregnated or surface coated since it does not have a resistant structure in outdoor conditions. In this study, Scots pine (Pinus sylvestris L.) samples were treated with nano cerium oxide (CeO2) at 0.1%, 0.2%, 0.5%, 0.7%, 1%, 2%, 3%, 4% and 5% concentrations, and then were exposed to accelerated weathering. Color changes and surface chemistry were determined after 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24, 48, 72, 96, 120, 144 and 168 hours of weathering period. Tanalith-E was used as a reference chemical at the same concentration levels. The efficiency of cerium oxide treated samples was compared with the samples treated with Tanalith-E. Thus, the potential of cerium oxide to improve the surface properties of wood exposed to outdoor conditions, instead of a reference chemical, was evaluated. As a result of the study, the surface properties of the samples treated with cerium oxide and Tanalith-E were better protected in comparison to the control samples. Initial weathering periods had a greater impact on surface properties. It was found that cerium oxide showed similar results to the copper-based wood preservative.

Keywords

• Nano cerium oxide (CeO2)
• accelerated weathering
• color changes
• surface chemistry

Nano seryum-oksit ile muamele edilen odunun hızlandırılmış yaşlandırma testi sonrasında renk ve yüzey kimyasındaki değişimi

Abstract

Doğal biyolojik polimer olan ahşap malzemenin, diğer yapı malzemelerine kıyasla önemli avantajları bulunmaktadır. Ancak ahşap malzeme, dış ortam koşullarında dayanıklı bir yapıya sahip olmadığı için mutlaka emprenye edilerek veya çeşitli üst yüzey işlemleri yapılarak kullanılmalıdır. Bu çalışmada, sarıçam (Pinus sylvestris L.) örnekleri %0,1; %0,2; %0,5; %0,7; %1; %2; %3; %4 ve %5 konsantrasyonda nano seryum oksit (CeO2) ile muamele edilmiş ve örneklerin hızlandırılmış yaşlandırma testi sonrasında renk değişimi ile yüzey kimyasındaki değişim araştırılmıştır. Hızlandırılmış yaşlandırma testine maruz bırakılan örneklerde başlangıçtan sonra 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24, 48, 72, 96, 120, 144 ve 168 saatte renk ve yüzey kimyasındaki değişim belirlenmiştir. Seryum oksidin etkinliği aynı konsantrasyon değerlerinde hazırlanan Tanalith-E çözeltisi ile muamele edilen örnekler ile kıyaslanmıştır. Böylece, seryum oksidin dış ortama maruz kalan ahşap malzemenin yüzey özelliklerinin iyileştirilmesinde, referans maddeye kıyasla kullanılabilirliği değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda, seryum oksit ve Tanalith-E ile muamele edilen örneklerde kontrol örneklerine kıyasla yüzey özellikleri korunmuştur. Araştırılan yüzey özelliklerindeki değişim en fazla, yaşlandırma testinin ilk saatlerinde gözlenmiş, seryum oksidin bakır bazlı emprenye maddesine (Tanalith-E) benzer sonuçlar verdiği bulunmuştur.

Keywords

• Nano seryum oksit (CeO2)
• hızlandırılmış yaşlandırma
• renk değişimi
• yüzey kimyası

References

1. Anderson, E.L., Pawlak, Z., Owen, N.L., Feist, W.C. (1991). Infrared Studies Of Wood Weathering. Part I: Softwoods”, Applied Spectroscopy, 45(4), 641–647.
2. Arpaci, Ş. S. (2020). Çeşitli odun türlerinin dış ortam koşullarında ultraviyole ışınlarına karşı dayanımlarının belirlenmesi (Master's thesis, BTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü).
3. ASTM G154-12a, Standard Practice For Operating Fluorescent Ultraviolet (UV) Lamp Apparatus For Exposure Of Nonmetallic Materials.
4. Bozkurt, A., Göker, Y., Erdin N. (1993). Emprenye Tekniği. İstanbul, İstanbul Üniversitesi.
5. Cogulet, A., Blanchet, P., & Landry, V. (2016). Wood Degradation Under Uv İrradiation: A Lignin Characterization. Journal of Photochemistry And Photobiology B: Biology, 158, 184-191
6. Decker, C., Biry, S. And Zahouily, K., 1995. Photostabilisation Of Organic Coatings. Polym. Degrad. Stab., 49: 111–119.
7. Derbyshire, H., Miller, E. R. (1981). The Photodegradation Of Wood During Solar İrradiation. Holz Roh Werkstoff Journal, 39(8), 341-350.
8. Feist, W.C., Hon, D.N.S. (1984). Chemistry Of Weathering And Protection, The Chemistry Of Solid Wood, Advances İn Chemistry Series, 207, 401-451

9. Gençer, A. (2014). Anorganik nanopartiküller içeren ultraviyole koruyucu sert kaplamalar (Master's thesis, Akdeniz Universitesi Fen Bilimleri Enstitüsü).
10. https://www.palmerholland.com/Assets/User/Documents/Product/41964/4279/MIT M02712.pdf
11. Kartal, S.N. (1992). Odun Degradasyonunda Güneş Işığı Ve Su Etkileri, İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 42,169-176.
12. Kılıç A., Hafızoğlu H. (2007). Açık Hava Koşullarının Ağaç Malzemenin Kimyasal Yapısında Meydana Getirdiği Değişimler Ve Alınacak Önlemler. Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi,2, 175-183.
13. Mosher, B. P., Wu, C., Sun, T. And Zeng, T. 2006. J. Non-Cryst. Solids, 352: 3295.
14. NanoBYK3810 ürün bilgi formu., Erişim: 12 Haziran 2018.
15. Temiz, A. (2005). Benzetilmiş Dış Hava Koşullarının Emprenyeli Ağaç Malzemeye Etkileri, (Doktora Tezi), Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
16. Temiz, A., Terziev, N., Eikenes, M., & Hafren, J. (2007). Effect Of Accelerated Weathering On Surface Chemistry Of Modified Wood. Applied Surface Science, 253(12), 5355-5362.
17. Temiz, A., Yildiz, U.C., Aydin, I., Eikenes, M., Alfredsen, G., Colakoglu, G. (2005). Surface Roughness And Color Characteristics Of Wood Treated With Preservatives After Accelerated Weathering Test, Applied Surface Science, 250, 35-42.
18. Tomak, E.D. (2011). Masif Odundan Bor Bileşiklerinin Yıkanmasını Önlemede Yağlı Isıl İşlemin Ve Emülsiyon Teknikleri İle Emprenye İşleminin Etkisi, (Doktora Tezi), Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
19. Ustaömer, D. (2008). Çeşitli Yanmayı Geciktirici Kimyasal Maddelerle Muamele Edilerek Üretilmiş Orta Yoğunluktaki Lif levhaların (Mdf) Özelliklerindeki Değişimlerin Belirlenmesi, (Doktora Tezi), Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
20. Williams, R. S. (2005). Weathering Of Wood. Handbook Of Wood Chemistry And Wood Composites, 7, 139-185.
21. Yazıcı, A. Ö. (2019). Ahşap malzemenin fotodegradasyona karşı dayanıklılığının tanen ve nano metal oksitler ile arttırılması (Master's thesis, BTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü).
22. Yildiz, Ü.C. (2005). Odun Koruma Ders Notları (Basılmamış). Trabzon: Karadeniz Teknik Üniversitesi, Orman Fakültesi
23. Zhang, J., Kamdem, P.D., Temiz, A. (2009). “Weathering Of Copper–Amine Treated Wood”, Applied Surface Science, 256, 842–846.