فناوری نانو در صنایع چوب
مقایسه نانو مواد هیدروکسیدکلسیم و هیدروکسید منیزیم در اسیدزدایی چوب های خشک تاریخی به روش غوطه وری
معصومه دیداری
حمید فرهمند بروجنی
عباس عابد اصفهانی
چکیده ایران با توجه به تمدن کهن خود، آثار تاریخی و فرهنگی بسیار زیادی دارد.
در بین این آثار ارزشمند که نیازمند تدابیر نگاهداشتی ویژه است، اشیاء چوبی فراوان دیده میشود، چوب که مادهای ناپایدار است، نیازمند نگاهداشت دقیق است اسیدی شدن از جمله آسیب هایی است که باعث تخریب چوب میشود.
در این پژوهش سعی شده با استفاده از فناوری جدید نانو) با توجه به ابعاد و ویژگی های نانو مواد( و با رعایت اصول نگاهداشتی، راهکار مرمتی کارآمد و به روزی برای اسیدزدایی چوبینههای تاریخی ارائه شود. نمونه چوب آزمایشی در این پروژه یک نمونه چوب مطالعاتی قدیمی مربوط به اوایل قرن دهم هجری )با pH حدود 3/98( است. چوب مذکور در قطعات هم اندازه برش خورد و با محلول نانو مواد هیدروکسیدکلسیم و هیدروکسید منیزیم، به شیوه غوطهوری اسید زدایی شد. پس از بررسی نتایج به دست آمده از آزمایشهای اسیدزدایی، مشخص شد درمان با نانو ذرات هیدروکسید منیزیم، خنثی سازی بهتری را در پی دارد، زیرا، عمق نفوذ بیشتر و یکنواختتری دارد، ذخیره قلیایی مناسبی بر جا میگذارد و چوب را در برابر آسیب های آتی مقاومتر میکند.
کلید واژه ها و موضوعات اصلی این مقاله : چوب، محافظت، اسید زدایی، نانو تکنولوژی، سلولز، هیدروکسید کلسیم، هیدروکسید منیزیم
مقدمه
چوب به عنوان يك ماده ارزشمند و يكي از موهبتهايي كه به سهولت در دسترس انسان قرار داده شده به لحاظ افزار خوري و شكلپذيري آسان و قابليت تبديل به انواع فرآوردهها، در همه اعصار، مزيتی چشمگیر بر سايرمواد جامد داشته است. چوب داراي تنوع وسيعي از نظر بافت، رنگ و چگالي است. در مقايسه با فوالد هم وزنش، مقدار بار بيشتري را تحمل ميكند. برخالف بسياري از مواد ديگر، در برابر مواد شيميايي ضعيف )رقيق( مقاوم، و عايق الكتريسيته وگرما است چوب بر خالف اين خصوصيات خوب و پر شمار، ميسوزد و می تواند در معرض حمله حشرات، قارچها 1 قرارگيرد. بر اثر تغييرات رطوبت و جانوران حفار دريایی محيط، هم كشيده و واکشیده ميشود و مقاومت آن در برابر نيروها در تمامي جهات يكسان نيست. چوب به لحاظ ساختار ويژه، مانند كليه مواد آلي مي تواند به آساني تحت تاثير عوامل مختلف و مخرب بيوتيك و آبيوتيك، تخريب )14 -10 :1386،ویلکینسون( .گردد امروزه با استفاده از فناوری روز میتوان معایب چوب را بر طرف و آن را اصالح کرد. از جمله ويژگيهايي که با استفاده از فناوري نانو افزايش مي‌يابد، پايداري در برابر رطوبت، پرتو فرابنفش، فساد ميکروبي و انواع ويژگيهاي ظاهري از قبيل سختي و مقاومت در برابر آتش است. امکانهاي جديد برای غلبه بر ويژگيهايي از چوب که موجب نامرغوبي آن ميشود عبارتند از: نفوذپذيري در برابر رطوبت، پوسيدگي ميکروبي، پوسيدگي در اثر دما، انواع جديدي از چسبها و روکشهاي سطحي با مقاومت افزايش يافته براي شرايط متفاوت رطوبتي و آب و هوايي، با استفاده از فناوری نانو ساخته شدهاست. چوب و کامپوزيتهاي چوبي، به ويژه در مصارف بيروني، اغلب در معرض تهاجمات باکتريايي مانند لکههاي آبي، کپک‌ها و قارچهاي نابود کننده چوب قراردارند. جلوگيري از تماس باکتريها با سطح چوب ميتواند روش مناسبي براي به حداقل رساندن تکثير کلونيهاي ميکروبي و يا تشکيل کپک در چوب باشد. اصالح سطح چوب با استفاده از نانو ذرات سيليکا، تکثير باکتريها و کلونيهاي قارچها را بهطور چشمگيري کاهش ميدهد. امروزه فناوريهاي نوين و نوظهور نويد بخش روشهاي درماني و حفاظتي كارآمد و موثر در مرمت آثار تاریخی هستند.
ويژگي بارز اين فناوريها وابستگي آنها به علم روز است و كاربري آنها در حوزه هاي مختلف، از جمله حفاظت از ميراث فرهنگي، به خالقيت و وسعت دانش و توانائي متخصصان اين حوزه منوط است. از جمله اين فناوريها، نانو فناوري است كه توانايي بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانو متري) ملكولي( و بهره برداري از خواص و پديدههاي اين دست از مواد، ابزارها و سيستم هاي نوين است. امروزه چشمانداز روشني براي استفاده از قابليتهاي اين فناوري درحوزه حفاظت از ميراث فرهنگي وجود دارد” )عطاری،20 :1387(. نانو تکنولوژی نانوتکنولوژی عنوانی است که برای اولین بار توسط دکتر اریک درکسلر در سال 1986 در کتاب موتورهای آفرینش به کار برده شد. نانوتکنولوژی به مجموعه اقدامهایی اتالق میگردد که با آن میتوان تا با شناخت دقیق ماهیت مواد، ساختار و خواص آنها، به دقت کنترل شگفت آوری دست یافت. مقیاس نانو به مقیاس اتمها و مولکولها نزدیک است، پس میتوان گفت نانو تکنولوژی عبارت است از فناوری در سطوح اتمها، مولکولها، و ابر مولکولها در محدوده یک تا 100 نانومتر )سلیمی،1387(. مشخص نيست براي اولين بار چه زماني از مواد نانو سايز استفاده شده است. مشهور است كه در قرن چهارم ميالدی شيشه سازان رومي، شيشههايي حاوي فلزات نانو سايز ميساختند. يك محصول مصنوع از اين دوره، جام ليكورگوس است كه در موزه بريتانيا نگهداری میشود. اين جام كه صحنۀ مرگ پادشاه ليكورگوس را در بردارد، از شيشههاي آهكي كربنات سديم ساخته شده و حاوي نانو ذرات طال و نقره است. وقتي كه منبع نور داخل اين جام قرارگيرد، رنگ جام از سبز به قرمز پر رنگ تغيير ميكند. تنوع فوق العاده رنگهاي زيبا در پنجرههاي كليساهاي قرون وسطي، بدليل وجود نانو ذرات فلزي در اين شيشهها بوده است )پی پول و دیگران،26 – 6 :1385(. تاللو سرخ و طالئی کاشیهای زرین فام ایرانی نیز به دلیل پیبردن به خواص برخی مواد در مقیاس نانومتری و استفاده هوشیارانه از آن در تزئینات کاشی بوده است. ً ثابت شده که تاللو طالئی در کاشیهای زرین فام، اخیرا به دلیل استفاده از نانو ذرات نقره و تاللو سرخ، مربوط به نانو ذرات مس در لعاب کاشی است، که سرانجام سبب پیدایش اثرات کروماتیکی مختلف در این سفالها میشده است )کریمی،32 :1386(. در فرآيند ارائه يك پيشنهاد درماني، هدف، پيداكردن www.SID.ir Archive of SID دو فصلنامۀ علمی- پژوهشی، شماره اول ، بهار و تابستان 1390 نشریۀ مرمت، آثار و بافتهاي تاریخی، فرهنگی29 و استفاده موثر از مواد هماهنگ با مواد اوليه شيء يا بناي درمان شدهاست، چرا كه برگشتپذيري درمان به تنهائي كافي نيست، بلكه موادي كه در فرآيند درمان مورد استفاده قرار ميگيرند بايد با مواد سازنده هماهنگي داشته باشند و خود، چه در فرآيند استفاده و درمان اثر و چه در زماني كه به اقتضاي نياز اثر، بايد زدوده شود، موجب ايجاد آسيب نشود.
رمز حيات، قابلیت باز درماني است. بنابر اين استفاده از روشهايي با چنين خصوصياتي در تداوم حياط يك اثر تاريخي و هنري همواره الزم است. از آنجا كه هر اثر تاريخي و هنري، منحصر به فرد شمرده میشود، راه حلهاي درمان و حفاظت از آن نيز ً قابل تعميم به مواد مخصوص به خود آن است و لزوما ديگر نيست. پس داشتن يك متدولوژي روشن براي شناخت مشكالت اثر و ارزيابي قابليت گزينههاي موجود براي درمان آن، و نیز فراهم كردن شرايطي كه در آن بتوان سرعت مكانيسم تخريب طبيعي و غير قابل اجتناب اثر را كه سرانجام موجب نابودي مواد سازنده آن ميشود كند كرد، بهترين اقدام ممكن است )عطاری،20 :1387(. سلولز و چگونگی تخريب آن چوب به عنوان ماده خام آلي ناهمگن، از عناصر اصلي كربن، اكسیژن، نيتروژن و تركيبات سفيدهاي تشكيل شده است. از اين عناصر اصلي، اتصاالت شيميائي با تركيبات مختلف توليد مي شود كه تركيبات اصلي و جانبي چوب را تشكيل مي دهند. از تركيبات اصلي مي توان هولو سلولز و ليگنين، و از تركيبات جانبي ميتوان چربي، روغن، موم، صمغ، نشاسته، قند، مواد معدني، تانن و رنگ و نيز آلكالوئيد را نام برد )عنایتی،15 -16 :1385(. هولوسلولزها در واقع شامل سلولز و پلي اوز هستند )عنایتی،17 :1385(. سلولز فراوانترين ماده آلی در سطح زمين است که در تمام گياهان خشكی و به صورت فيبری وجود دارد. مقدار سلولز در چوب نرمال تقريبا ثابت است، 42 ± 2 درصد )اف سو،82 :1386(. گذشت زمان سبب تغيير در ويژگيهاي فيزيكي و شيميايي الياف سلولزي مي شود كه عموما 2 ناميده ميشود. “كهنگي طبيعي” فرآیند كهنه شدن، همان تجزيه و تخريب سلولز در طول زمان است. علل اين تجزيه و تخريب كه ناشي از فرآيند بازيابي الياف سلولز و يا ناشي از محيط است، متعدد بوده و عبارت است از: دما، نور، رطوبت، آلودگيهاي محيطي، زيست مخربها، ناخالصيها، مواد اضافي و غیره. هريك از اين عوامل ذكر شده به گونهای سبب تجزيه و تخريب سلولز ميشود. با اين همه، مكانيسمهاي اصلي تجزيه را ميتوان به سه دسته كلي تقسيم كرد:
واكنش هيدروليز، واكنش اكسيداسيون، واكنش اتصال عرضي، كه هيدروليز كاتاليز شده با عوامل اسيدي مهمترين عامل تجزيه سلولز است. نتيجه حاصل از واكنشهاي ذكر شده، شكسته شدن و تجزيه زنجيرهاي سلولزي و سرانجام دپليمريزاسيون سلولز است كه كاهش مقاومت فيزيكي الياف را می توان به آن نسبت داد )دهقانی،1387(.
اسيدزدایی اسيدزدايي به عنوان يك عمل مرمتي – حفاظتي و به معناي باال بردنpH و زدودن حالت اسيدي و نیز مقاوم كردن شيء ضعيف شده در برابر عوامل مخرب است. “اسيد، كاتاليزور تخریب هيدروليزي مولكولهاي پليمر سلولز است كه طول زنجير آن را كاهش ميدهد. حتي يك شكست كوچك زنجير براي هر مولكول سبب كاهش قابل توجه خواص فيزيكي ميشود. قلياهاي ضعيف غلظت اسيد و ميزان واكنشهاي هيدروليز اسيدي را كاهش ميدهند” )Kohler,2008(.
درمان قليايي سلولز سبب جلوگيري ازكاهش درجه پليمريزاسيون و بهبود اتصالهاي .)Toth et al, 2003: 513-515( “ميشود عرضي بايد دقت کرد كه در پروسه اسيد زدايي نباید از قلياهاي قوي و يا از مدت زمان طوالني جهت اسيدزدايي استفاده كرد، زيرا”اسيد زدايي قوي ميتواند به خاطر شکستن حلقه گلوكز بدون آب در زنجيره سلولز، فرآيند تخريب .)Bicchieri et al ,2006: 1186-1192( “بخشد سرعت را ساختمان كريستالي سلولز با قلیاهاي قوي تخريب می شود که طي آن، ماده قليايي سبب واكشيدگي شده و ساختمان سلولز را به طور غير قابل بازگشتي تخريب ميکند.
آزمایشها برای بررسی تاثیر عوامل قلیایی در اندازه نانو، در چوبهای خشک تاریخی، تاثیر روش اسید زدایی غیر آبی، دیسپرسیون الکلی نانو ذرات هیدروکسید کلسیم و منیزیم با یکدیگر، و نیز با روشهای معمول اسید زدایی غیر آبی آمونیاک و هیدروکسید باریم مقایسه شد. در اینجا از هیدروکسیدهای قلیایی فلزی استفاده شد زیرا هیدروکسیدهای قلیایی فلزی سبب افزایش چگالی، افزایش پایداری در برابر عوامل مخرب شیمیایی، افزایش مقاومت کششی، استحکام بیشتر، صاف و هموار شدن الیاف سلولزی میشوند. www.SID.ir Archive of SID مقایسه نانو مواد هیدروکسیدکلسیم و هیدروکسید منیزیم30 …. در اسیدزدایی چوبهای خشک برای اسیدزدایی از شیوههای مختلف میتوان استفاده کرد که در اینجا شیوه غوطهوری با مدت زمان 3 روز مورد آزمایش قرارگرفت. 1.آمادهسازی نمونهها “پیش بینی زندگی واقعی از روی نتایج آزمایشگاهی کار آسانی نیست و افزون بر این، باید در نظر داشت که این گونه آزمایشها در سامانههای ک ً امال بستهای انجام میشود که ً تحت تاثیر یک یا دو عامل است. این شکاف بزرگ صرفا بین دانش و دنیای واقعی، تاثیراتی مهم بر جای گذاشته ً دانشمند باید بین نمونه های دنیای واقعی و است.
معموال نمونههای استاندارد آزمایشگاهی یکی را برگزیند. نتایجی که از گروه اول به دست میآید بندرت تکرار پذیر است، اما دسته دوم نتایج تکرارپذیری در اختیار میگذارد که به راحتی نمیتوان آن را به اشیای نگاهداشتی تکرار نشدنی واقعی نسبت داد” )میونز ویناس، 1388(. در گام اول باید نمونه آزمایشی تهیه و آماده سازی شود، که برای آن، نمونه از چوب مورد نظر تهیه و به طور مصنوعی پير سازی، و سپس مواد مختلف روی آن آزموده و مقایسه میشود. برای اینکه نتیجه بهتری به دستآید، از یک تکه نمونه چوب قدیمی مطالعاتی استفاده شد که بر اساس نظر کارشناسان، از روی شواهد فن شناسی اثر، مربوط به اوایل قرن دهم هجری بود آزمایش گونه شناسی انجام، و نوع چوب چنار تشخیص داده شد. بر روی این تکه چوب ” طبق یک روش استاندارد”)Gindle et al, 2002: 3209(. تست اندازه گیری pH انجام شد. pH بدست آمده حدود 3/98 بود که این رقم نشاندهنده یک میزان اسیدیته باال برای این نمونه بود. برای انجام آزمون ها قطعه چوب قدیمی اندازهگیری شد. نمونهها با اندازههای مساوی برش خورد و قطعات نمونه آماده شدند.
2.سنتز نانو ذرات هیدروکسید کلسیم برای سنتز نانو ذرات هیدروکسید کلسیم از روش پلی 3 استفاده شد، بدین ترتیب که ابتدا پودر H2O2.CaCl2 در ال 90 o حل شد. سپس محلول آبی اتیلن گليکول در دمای c NaOH به عنوان عامل رسوب دهنده تهیه شد. ابتدا محلول H2O2 .CaCl2 و اتیلنگلیکول در بالن ته صافی ریخته، روی هیتر همزن قرار داده، در حین حرارت توسط مگنت به شدت همزده شد. زمانی که دمای محلول به حدود 90 0 o درجه سليسيوس رسید، محلول آبی NaOH با دمای c 8 درجه سليسيوس به صورت قطره قطره به آن افزوده شد. در طول واکنش، اکسیژن محیط توسط گاز ازت حذف میشد، طی واکنش سعی شد دما از 90 درجه سليسيوس پایین تر نیاید، زیرا دمای واکنش یکی از عوامل مهم تاثیر گذار بر روی اندازه، خواص و ویژگیهای نانو ذرات است.
پس از پایان واکنش، محصول واکنش 5 دقيقه در دمای 90 درجه به شدت به همزده، یا در واقع 5 دقیقه پیر سازی شد.
عواملی مانند دمای واکنش، غلظت واکنشگرها، نسبت موالر، اندازه قطرات، فاصله زمانی بين قطرات و زمان پیر سازی بر روی اندازه، شکل و خواص نانو ذرات بسیار موثر هستند. پس از ته نشین شدن محصول واکنش، محلول رویی دور ریخته، و رسوب باقیمانده، در پنج نوبت با آب مقطر شسته و سانتریفوژ شد تا محصوالت فرعی و اتیلن گلیکول آن جدا شود. پس از آن رسوب حاصله در دستگاه اولتراسونیک لخته زدایی شد و سپس رسوب به دست 120o قرارگرفت آمده به مدت 6 ساعت در آون در دمای c .)Salvadori et al, 2001: 2371( تصوير1. نانو ذرات سنتز شده ) نگارنده( تصوير2 . تصویر SEM نانو ذرات Ca(OH)2 ) با بزرگنمایی 32000 ، FE-SEM :نوع ،SEM: philips XL20دستگاه مشخصات ،برابر محل آزمایش: اصفهان( www.SID.ir Archive of SID دو فصلنامۀ علمی- پژوهشی، شماره اول ، بهار و تابستان 1390 نشریۀ مرمت، آثار و بافتهاي تاریخی، فرهنگی31 بعد از خشک شدن رسوب حاصله، برای تشخیص اندازه ذرات رسوب، از آن تصویر SEM گرفته شد، که در آن ذرات بین 100 تا 300 نانومتر دیده شدند )که تصویر SEM آن با بزرگنمایی 32000 برابر در ذیل آمده است(.
- تهیه نانوذرات هیدروکسید منیزیم نانو ذرات هیدروکسید منیزیم برای آزمایش، به صورت پودر از شرکت سیگما آلدریچ امریکا خریداری شد.مشخصات پودر نانو هیدروکسید منیزیم عبارت است از :
CASBO9 – 42 – 8Mg(OH)2 ; FW58.33 mp350c; d2,36 Nanopowder; <100 nm 99.9% metalsbasis Product of USA 4. محلولهای اسیدزدا موادی که قرار بود نسبت به یکدیگر مقایسه شوند عبارت بودند از : آمونیاک- هیدروکسید باریم- هیدروکسید کلسیم- هیدروکسید منیزیم- نانو ذرات هیدروکسید کلسیم و نانو ذرات هیدروکسید منیزیم، که محلولهای آنها ساخته شد.
برای اسید زدایی چوب، نمیتوان از قلیاهایی با pH باال استفاده کرد. زیرا ” قلیاهای با 12> pHسبب تخریب شدید الیاف سلولزی میشوند” . ( www.cmu.edu/acrc/alkaline – damag. html ) در ساخت محلول ها وجه اشتراک بین آنها، pH تقریبا یکسان آنها در نظر گرفته شد.
هیدروکسید باریم و آمونیاک به صورت عموما محلولهای غیرآبی، مانند آمونیاک – متانول و هیدروکسید باریم – متانول استفاده می شوند. در این آزمون محلولهای غیرآبی اسیدزدای معمول)آمونیاک و هیدروکسید باریم( با نانومواد )دیسپرسیون الکلی نانو هیدروکسید کلسیم و منیزیم( مقایسه شدند.همزمان محلولهای ماکرو )هیدروکسید کلسیم و هیدروکسید منیزیم( نیز با آنها مقایسه شد در این پروژه اسیدزدایی به روش غوطهوری انجام شد.
- آزمون اسیدزدایی محلولهای ساخته شده که pH آنها بین 10 /6 تا 11 بود)pH محلول هیدروکسید منیزیم باالتر از10/6 نمیرود( بر روی نمونه چوبهای آزمون به کار برده شدند. در این آزمون از روش غوطهوری به دو صورت انجام شد، به این ترتیب که یک نمونه بصورت کامل در محلول اسیدزدا غوطه ور، و از نمونه دیگر چوب، فقط قسمت ابتدایی آن ) 1/3 ابتدایی نمونه چوب( در محلول قرار داده شد.
در این مقایسه 6 محلول با pH بین 10/ 6 تا 11 انتخاب شدند ) محلول آمونیاک– متانول، محلول هیدروکسید باریم – متانول، محلول آبی هیدروکسید کلسیم، محلول آبی هیدروکسید منیزیم، دیسپرسیون الکلی نانو ذرات هیدروکسید کلسیم و دیسپرسیون الکلی نانو ذرات هیدروکسید منیزیم(. سپس نمونهها در این مواد به مدت 3 روز )Giorgi et al ,2006( به دو شیوه غوطهوری کامل و غوطهوری 1/3 ارتفاع، قرار داده شدند. برای مقایسه میزان نفوذ این مواد و تغییر pH در عمقهای مختلف، نمونهها از وسط برش داده شدند و در فضاهای: سطح تا 1 میلی متری زیر سطح – 1 تا 3 میلی متری زیر سطح – 4 تا 6 میلی متری زیر سطح – 7 تا 9 میلی متری زیر سطح – 9 تا 11 میلی متری زیر سطح – 15 تا 16 میلی متری زیر سطح و بیشتر از 16 میلیمتری زیر سطح با pH متر دیجیتالی pH سنجی شد، که نتایج آن در جدولهای زیر آمده است. برای اینکه میزان عمق نفوذ بهتر تشخیص داده شود، 3 نمونه انتخاب، و از فضاهاي مختلف زير سطح آنها تصویر SEM گرفته شد:
ادامه را از فایل زیر دانلود کنید .
دانلود فایل pdf
مطالب مرتبط با موضوع نانو :
- Hydrophobe
آب‌گریز یا هیدروفوب برای محافظت از چوب - نانو چوب
انواع رنگ و محافظ رنگ چوب - زایکوسیل نانو
نانو در دکوراسیون و صنعت ساختمان - نانوپوششی برای محافظت از رنگ اپوکسی در تانکرهانانو اپوکسی
- ساختمان کوچک : فناوری نانو باعث تاخت و تاز در صنعت ساخت و ساز می شودساختمان کوچک : فناوری نانو باعث تاخت و تاز در صنعت ساخت و ساز می شود نویسنده: { فربد حیدری } Farbod Heidari – دوشنبه ۱ آبان ۱۳٩۱ ساختمان کوچک : فناوری نانو باعث تاخت و تاز در صنعت ساخت و ساز می شود حرف من : نانو تکنولوژی راه خود را در صنعت ساختمان… بیشتر بخوانید: ساختمان کوچک : فناوری نانو باعث تاخت و تاز در صنعت ساخت و ساز می شود
- فناوری نانو در صنایع چوبفناوری نانو در صنایع چوب ، فناوری نانو در صنایع چوب ، چوب، محافظت، اسید زدایی، نانو تکنولوژی، سلولز، هیدروکسید کلسیم، هیدروکسید منیزیم
