اثر تيمار حرارتي و اشباع اوليه چوب نراد با بوراكس بر مقاومت به آتش و رفتار حرارتي

The effect of heat treatment and primary impregnation of Fir wood with borax on the fire resistance and thermal behavior

سابقه و هدف: چوب به دليل زيبايي و در عين حال داشتن مقاومت بالا كاربردهاي متعددي دارد؛ اما معايبي دارد كه مصرف آن را محدود مي‌كند. اصلاح چوب دانشي براي بهبود ويژگي‌هاي نامطلوب چوب است. اصلاح حرارتي چوب روش مفيدي براي بهبود ثبات ابعاد و افزايش مقاومت زيستي آن است. با اصلاح حرارتي مقاومت چوب در برابر آتش كاهش مي‌يابد. آتش‌گيري از معايب عمده چوب است. مواد ليگنوسلولزي به دليل بسپارهاي ديواره سلولي مي‌سوزند. واكنش‌هاي پيروليز با افزايش دما پيش رفته و گازهاي قابل اشتعال آزاد مي‌شود. اشباع اوليه چوب با تركيبات بور، راهكاري براي كاهش آتش‌گيري چوب‌ تيمار حرارتي شده است. تركيبات بور براي كندسوز كردن مواد سلولزي كارايي دارد. همچنين تركيبات بور مقرون به صرفه، در دسترس، دوستدار محيط زيست و ايمن است. پژوهش حاضر با هدف بررسي اثر تيمار حرارتي و اشباع اوليه چوب نراد با بوراكس بر مقاومت به آتش و رفتار حرارتي و ثبات ابعاد آن انجام شد. مواد و روش‌ها: نمونه‌ها به ابعاد (شعاعي)20× (مماسي)100× (طولي)150 ميلي‌متر تهيه شد و با محلول آبي بوراكس با غلظت 7% به مدت 40 دقيقه در سيلندر تحت فشار 4 بار اشباع شد. تيمار حرارتي خشك در 2 سطح دماي◦C 170 و◦C 190 و زمان 3 ساعت در آون صورت گرفت. شاخص‌هاي مقاومت به آتش شامل زمان شعله‌وري، زمان افروختگي، سطح كربونيزه و كاهش جرم مطابق استاندارد ISO 11925 بررسي شد. رفتار حرارتي با تكنيك‌ آناليز وزن‌ سنجي ‌حرارتي (TGA) و گرماسنجي پويشي افتراقي (DSC) در اتمسفر هوا با سرعت روبش گرمايي 10 درجه سانتي‌گراد بر دقيقه از دماي اتاق تا ◦C600 بررسي شد. ثبات ابعاد نمونه-ها با آزمون غوطه‌‌وري بلند ‌مدت محاسبه شد. يافته‌ها: با اعمال تيمار حرارتي، نمونه‌ها كاهش جرم پيدا كرد. در نمونه پيش اشباع شده با بوراكس، كاهش جرم ناشي از تيمارهاي حرارتي كاهش يافت. تيمار حرارتي سبب كاهش زمان شعله‌وري شد. بوراكس سبب تاخير در نقطه اشتعال چوب تيمار حرارتي شده گرديد. ترموگرام‌هاي TGA نشان داد زغال باقي‌مانده در نمونه‌ اشباع شده با بوراكس- تيمار حرارتي شده بيشتر از تيمارهاي حرارتي بود. زغال همچون عايقي عمل كرده و از انتشار حرارت جلوگيري كرد. ترموگرام‌هاي DSC نشان داد در نمونه‌ اشباع شده با بوراكس- تيمار حرارتي شده نسبت به نمونه تيمار حرارتي شده، سرعت تشكيل فرآورده‌هاي فرار به بيشينه مقدار خود در دماي كمتري رسيد. بوراكس با قرارگيري در معرض حرارت، لايه شيشه‌اي تشكيل داده و از اين طريق انتقال جرم گازهاي قابل اشتعال را كاهش داد. نتايج غوطه‌وري بلند مدت نشان داد تيمار حرارتي با كاهش آبدوستي نمونه‌ها سبب كاهش واكشيدگي حجمي و جذب آب گرديد. اشباع اوليه نمونه‌ها با بوراكس سبب افزايش آبدوستي و افزايش واكشيدگي حجمي و جذب آب شد. نتيجه‌گيري: چوب تيمار حرارتي شده مستعد آتش‌گيري شد و مقاومت آن در برابر آتش كاهش يافت. اشباع اوليه چوب نراد با بوراكس سبب تاخير در نقطه اشتعال و زمان افروختگي و در نتيجه سبب افزايش مقاومت آن به آتش شد. سطح كربونيزه و كاهش جرم در نمونه اشباع شده با بوراكس- تيمار حرارتي شده از ساير تيمارها كمتر بود. آناليز حرارتي نمونه‌ها حاكي از آن بود كه نمونه تيمار حرارتي شده در مقايسه با نمونه‌ اشباع شده با بوراكس- تيمار حرارتي شده، كاهش جرم ناگهاني داشت. بوراكس سبب افزايش مقاومت به تخريب حرارتي چوب اصلاح حرارتي شده، گرديد و با تغيير مسير پيروليز چوب، سبب جلوگيري از گسترش شعله مي-گردد؛ به بيان ديگر بوراكس دماي تخريب حداكثر را كاهش داد. اشباع اوليه چوب نراد با بوراكس و تيمار حرارتي آن، سبب كاهش ثبات ابعاد در مقايسه با نمونه تيمار حرارتي شده گرديد.

Background and objectives: The wood is used for its aesthetic appearance and at the same time its high mechanical strength, but it also has some disadvantages that limit its application. Wood modification is a science to improve undesirable properties of wood. Thermal modification is a useful method to develop dimensional stability and biological resistance. Heat treatment degrades the fire resistance of wood. The main disadvantage of wood is its flammability. Lignocellulosics burn because the cell wall polymers undergo pyrolysis reactions with increasing temperature to give off flammable gasses. Primary impregnation of wood with borates has been found to reduce flammability of thermally modified wood. Boron compounds work efficiently as fire retardant for cellulosic materials. Boron compounds are recognized as inexpensive, easily applicable and environmentally safe preservatives. The aim of this study was to investigate the effect of heat treatment and primary impregnation of Fir wood with borax on the fire resistance, thermal behavior and dimensional stability. Materials and methods: Specimens were prepared to dimensions of 150 (L) ×100 (T) ×20 (R) mm and were impregnated with %7 aqueous solution of borax for 40 minutes at the pressure of 4 bar. Heat treatment was carried out at the temperatures of 170 ◦C and 190 ◦C in oven for 3 hours. Specimens were prepared according to ISO 11925 standard specifications to measure fire retarding properties including ignition time, glowing time, carbonized area and mass loss within the burning process. Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) were carried out under air at a heating rate of 10 °C/min. The temperature was heated from the room temperature up to 600 °C. Long-term dimensional stability were measured. Results: Heat treatment of specimens caused mass loss. The impregnation of wood with borax reduced the mass loss during heat treatment. Heat treatment decreased ignition time. Borax postponed the ignition time of thermally modified wood.TGA thermograms showed that residual char amount was increased in borax preimpregnated-heat treated specimens compared with thermally modified specimens. Char provided insulation and also inhibited propagation of heat. DSC thermograms determined that for borax preimpregnated-heat treated specimens rate of formation of the volatile products reached its maximum at a lower temperature in comparison to thermally modified specimens. During the heat exposure borax formed glassy films on the wood that may inhibit mass transfer of combustible gases. Long-term immersion results confirmed that volumetric swelling and water absorption of thermally modified specimens decreased due to enhancement of hydrophobicity. Volumetric swelling and water absorption of borax preimpregnated specimens increased due to enhancement of hydrophylicity. Conclusion: Thermally modified wood was susceptible to burning and its fire resistance was decreased. Primary impregnation of Fir wood with borax postponed ignition time and glowing time and eventually increased fire resistance. The lowest carbonized area and mass loss was obtained in borax preimpregnated-heat treated specimens. Thermal analysis showed sharp mass loss for thermally modified wood in comparison to borax preimpregnated-heat treated specimens. Borax increased the resistance of thermally modified wood to thermal degradation and altered pyrolysis route of wood and leaded to the inhibiton of the flame spread. In other words borax decreased the Tmax (maximum degradation temperature). Borax preimpregnated-heat treated specimens of Fir wood decreased dimensional stability in comparison to thermally modified wood.