نشریه جنگل و فرآورده های چوب

نشریه جنگل و فرآورده های چوب

بررسی تأثیر پلاسمای تخلیة مانع دی‌الکتریک بر عملکرد پوشش‌های پلی‌یورتان شفاف و رنگدانه‌دار روی سطوح چوبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج،ایران.
2 مؤسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی - وزارت جهاد کشاورزی، ایران.
3 سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران.
10.22059/jfwp.2026.415736.1395
چکیده
مقدمه: پوشش­دهی سطح چوب معمولاً به منظور بهبود خواص ظاهری، ارتقای عملکرد سطحی و در نتیجه افزایش طول عمر سازه­ های چوبی انجام می­ شود. با این حال، مسئله اصلی این است که اغلب پوشش ­ها پس از قرار گرفتن در معرض رطوبت و شرایط محل مصرف، از سطح چوب جدا شده و موجب کاهش خواص فیزیکی و مکانیکی سازه می­ شوند. هدف اصلی این تحقیق، اصلاح سطح چوب با استفاده از فناوری نوین پلاسما است؛ به گونه ­ای که دوام پوشش­های محافظتی برای کاربردهای داخلی و خارجی افزایش یابد و از جداشدگی زودهنگام آنها جلوگیری شود.
روش پژوهش: در این پژوهش از دو نوع پوشش محافظتی پلی ­یورتان شفاف و رنگی (سفید) برای پوشش سطح چوب استفاده شد. سطوح چوب راش (Fagus sylvatica) پیش از پوشش­دهی، با کمک پیش ­تیمار پلاسمای تخلیه مانع دی­ الکتریک (DBD) در محیط گاز نیتروژن و در زمان­ه ای مختلف ۳۰، ۶۰، ۱۲۰ و ۲۴۰ ثانیه تیمار شدند. پس از اعمال تیمارها، آزمون ­های مختلف فیزیکوشیمیایی و مکانیکی مانند طیف­سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه با بازتاب کلی تضعیف­ شده (ATR-FTIR) برای بررسی تغییرات شیمیایی سطح، رنگسنجی برای ارزیابی تغییرات بصری و رنگی سطح، زبریسنجی برای اندازه ­گیری تغییرات مورفولوژی سطح و آزمون مقاومت سایشی برای بررسی دوام مکانیکی پوشش­ ها روی سطوح پوشش ­داده­ شده و پوشش­ نخورده انجام گرفت.
یافته ­ها: نتایج پژوهش نشان داد که پیش ­تیمار پلاسما باعث افزایش زبری سطح چوب می­ شود، هرچند تأثیر چشمگیری بر عوامل رنگی سطح نداشته است. عمده ­ترین تغییرات در مؤلفه ­های رنگی سطح چوب متأثر از نوع پوشش بود و پلی­ یورتان رنگی بیشترین تأثیر را در این زمینه نشان داد. همچنین میزان زبری روی پوشش­ های رنگی تا حدودی بیشتر از پوشش شفاف بود. از نظر خواص مکانیکی، اعمال پیش­تیمار پلاسما موجب کاهش ضریب سایش در تمام پوشش ­های پلی­یورتانی روی چوب راش شد که نشا ن­دهنده بهبود مقاومت در برابر سایش و افزایش دوام پوشش است. نتایج طیف­ سنجی ATR-FTIR نیز تغییرات شیمیایی سطح چوب پیش­ تیمارشده و حضور موفق پوشش پلی­ یورتان را تأیید کرد.
نتیجه­ گیری: در مجموع، پیش­ تیمار پلاسما در زمان و شرایط بهینه، با اصلاح مورفولوژی سطح چوب و بدون تأثیر منفی بر خواص زیبایی ­شناختی، موجب افزایش دوام هر دو نوع پوشش پلی­ یورتان (شفاف و رنگی) شد. از آنجا که رنگدانه ­های موجود در پلی­ یورتان رنگی و اهمیت زیبایی­ شناختی پوشش­ های شفاف با اثر هم ­افزای فناوری پلاسما ترکیب می­ شوند، پتانسیل کاربرد این پوشش ­ها در مصارف داخلی و خارجی مانند کفپوش ­ها، مبلمان فضای بیرونی و صنایع دکوراتیو و تزئینی به ­طور چشمگیری افزایش می ­یابد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of dielectric barrier discharge plasma treatment on the performance of clear and pigmented polyurethane coatings on wood surfaces

نویسندگان English

Afsaneh Topa 1
Hadi Gholamiyan 1
Akbar Mastouri 1
Saleh Rostami 2
Rozbeh Abbaszadeh 3
1 Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Iran.
2 Agricultural Engineering Research Institute, Iran.
3 Department of Agriculture Iranian Research Organization for Science and Technology, Iran.
چکیده English

Introduction: Wood surface coating is usually done to improve the appearance, improve surface performance and thus increase the lifespan of wooden structures. However, the main problem is that most coatings are separated from the wood surface after exposure to humidity and site conditions, reducing the physical and mechanical properties of the structure. The main objective of this research is to modify the wood surface using modern plasma technology; in such a way that the durability of protective coatings for indoor and outdoor applications is increased and their premature separation is prevented.
Method: In this research, two types of transparent and colored (white) polyurethane protective coatings were used to cover the wood surface. Beech (Fagus sylvatica) wood surfaces were treated with dielectric barrier discharge (DBD) plasma pretreatment in a nitrogen gas environment for different times of 30, 60, 120 and 240 seconds before coating. After the treatments, various physicochemical and mechanical tests such as attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) were performed to investigate the chemical changes of the surface, colorimetry to evaluate the visual and color changes of the surface, roughness to measure the changes in surface morphology, and abrasion resistance testing to investigate the mechanical durability of the coatings on coated and uncoated surfaces.
Results: The results of the study showed that plasma pretreatment increased the roughness of the wood surface, although it did not have a significant effect on the color factors of the surface. The main changes in the color components of the wood surface were affected by the type of coating, and colored polyurethane showed the greatest effect in this regard. Also, the roughness on colored coatings was somewhat higher than on clear coatings. In terms of mechanical properties, plasma pretreatment reduced the wear coefficient in all polyurethane coatings on beech wood, which indicates improved wear resistance and increased durability of the coating. The ATR-FTIR spectroscopy results also confirmed the chemical changes of the pretreated wood surface and the successful presence of the polyurethane coating.
Conclusion: Overall, plasma pretreatment at optimal time and conditions increased the durability of both types of polyurethane coatings (clear and colored) by modifying the wood surface morphology without negatively affecting the aesthetic properties. Since the pigments present in colored polyurethane and the aesthetic importance of clear coatings are combined with the synergistic effect of plasma technology, the potential for the application of these coatings in interior and exterior applications such as flooring, outdoor furniture, and decorative and ornamental industries is significantly increased.

کلیدواژه‌ها English

Beech wood
Colored (white) polyurethane
Plasma pretreatment (DBD)
Transparent polyurethane
Wear index
[1] Nath, S.K. (2017). Use Wood—Combat Climate Change. In Wood is good: Current trends and future prospects in wood utilization (pp. 469-478). Springer Singapore.
[2] Gholamiyan, H., Gholampoor, B., Mastouri, A. & Hosseinpourpia, R. (2025). Surface properties of oak wood (Quercus castaneifolia) coated with polyester reinforced with ceramic nanoparticles using a plasma deposition technique. Journal of Coatings Technology and Research, 1-9. https://doi.org/10.1007/s11998-024-01015-2
[3] Ncube, E. (2008). Use of a simple abrasive-wear resistance test device to assess the suitability of selected hardwoods for wood flooring. Scientific Research and Essays, 3(5), 168-173.
[4] Gholamiyan, H. (2019). Studying the effect of corona treatment on improving the mechanical properties of nitrocellulose and polyurethane coatings used in wooden furniture. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, (3). (In Persian)
[5] Mastouri, A., Efhamisisi, D. & Tarmian, A. (2024). Sustainable superhydrophobic and self-cleaning wood via wax within Epoxy/PDMS nano-composite coatings: Durability related to surface morphology. Progress in Organic Coatings, 186, 107951. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2023.107951
[6] Blanchet, P. & Pepin, S. (2021). Trends in chemical wood surface improvements and modifications: A review of the last five years. Coatings, 11(12), 1514. https://doi.org/10.3390/coatings11121514
[7] Youssefi, R., Maier, J. & Scheffknecht, G. (2021). Experimental investigations on plasma-assisted wood pellet ignition for the start-up of biomass-fired power stations. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 138, 110522. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110522
[8] Gholamiyan, H., Gholampoor, B. & Hosseinpourpia, R. (2022). Application of waterborne acrylic and solvent-borne polyester coatings on plasma-treated fir (Abies alba M.) wood. Materials, 15(1), 370. https://doi.org/10.3390/ma15010370
[9] Pillai, R.R. & Thomas, V. (2023). Plasma Surface Engineering of Natural and Sustainable Polymeric Derivatives and Their Potential Applications. Polymers, 15(2), 400. https://doi.org/10.3390/polym15020400
[10] Wu, S. (2017). Polymer interface and adhesion. Routledge.
[11] Sarmadi, M. & Denes, F. (1996). Surface modification of polymers under cold plasma conditions. Tappi Journal, 79(8), 189-204.
[12] Odrášková, M., Zahoranová, A., Tiňo, R. & Černák, M. (2008). Plasma activation of wood surface by diffuse coplanar surface barrier discharge. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 28(2), 203-211. https://doi.org/10.1007/s11090-008-9121-3
[13] Wolkenhauer, A., Avramidis, G., Hauswald, E., Militz, H. & Viöl, W. (2009). Sanding vs. plasma treatment of aged wood: A comparison with respect to surface energy. International Journal of Adhesion and Adhesives, 29(1), 18-22. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2008.01.004
[14] Avramidis, G., Militz, H., Avar, I., Viöl, W. & Wolkenhauer, A. (2012). Improved absorption characteristics of thermally modified beech veneer produced by plasma treatment. European Journal of Wood and Wood Products, 70(5), 545-549. https://doi.org/10.1007/s00107-011-0578-6
[15] Gonultas, O. & Candan, Z. (2018). Chemical characterization and FTIR spectroscopy of thermally compressed eucalyptus wood panels. Maderas: Ciencia y Tecnología, 20, 431-442. https://doi.org/10.4067/S0718-221X2018005030301
[16] Oertel, G. (Ed.) (1994). Polyurethane handbook (2nd ed.). Hanser Publishers.
[17] Mastouri, A., Efhamisisi, D., Shirmohammadli, Y. & Oladi, R. (2021). Physicochemical properties of thermally treated poplar wood in silicone and rapeseed oils: A comparative study. Journal of Building Engineering, 43, 102511. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102511
[18] Primc, G. & Mozetič, M. (2024). Surface modification of polymers by plasma treatment for appropriate adhesion of coatings. Materials, 17(7), 1494. https://doi.org/10.3390/ma17071494
[19] Avramidis, G., Hauswald, E., Militz, H. & Viöl, W. (2009). Plasma treatment of wood and its effect on surface chemistry. Wood Science and Technology, 43, 261-271. https://doi.org/10.1007/s00226-008-0231-5
[20] Randall, D. & Lee, S. (2002). The polyurethanes book. Wiley.
[21] Skoog, D.A., Holler, F.J. & Crouch, S.R. (2018). Principles of instrumental analysis (6th ed.). Cengage Learning.
[22] Acda, M.N., Devera, E.E., Cabangon, R.J. & Ramos, H.J. (2012). Effects of plasma modification on adhesion properties of wood. International Journal of Adhesion and Adhesives, 32, 70-75. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2011.10.003
[23] Wicks Jr, Z.W., Jones, F.N., Pappas, S.P. & Wicks, D.A. (2007). Organic coatings: science and technology. John Wiley & Sons.
[24] Bierwagen, G. (2011). Film formation in coatings. Progress in Organic Coatings, 72(3), 428-437. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2011.05.012
[25] Fengel, D. & Wegener, G. (1989). Wood: Chemistry, ultrastructure, reactions. Walter de Gruyter.
[26] Mittal, K.L. (2013). Adhesion measurement of films and coatings (2nd ed.).
[27] Podgorski, L., Rouxhet, L. & Gérardin, P. (2015). Surface modification of wood by plasma treatment for improved adhesion. International Journal of Adhesion and Adhesives, 62, 15-22. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2015.06.010
[28] Bahrami, M., Taghiyari, H.R. & Schmidt, O. (2020). Effect of polyurethane coatings on the mechanical and surface properties of wood. Coatings, 10(2), 168. https://doi.org/10.3390/coatings10020168
[29] Rashvand, M. & Ranjbar, Z. (2014). Degradation and stabilization of an aromatic polyurethane coating during an artificial aging test via FTIR spectroscopy. Materials and Corrosion, 65(1), 76-81. https://doi.org/10.1002/maco.201206797
[30] Bizjak Štrus, N., Kelar Tučeková, Z., Brodňanský, D. et al. (2026). DCSBD plasma treatment as an alternative to commercial surface degreasing agents before applying wood coatings. Cellulose, 33, 3587-3600. https://doi.org/10.1007/s10570-026-06000-0

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 24 مرداد 1405