Χημική τροποποίηση επιφανειών προϊόντων ξύλου και παρασκευή σανίδων κόντρα πλακέ με τη χρήση υπολειμμάτων καφέ
Creators: name: Παπαθανασίου, Αθανάσιος Μιλτιάδη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Υπολείμματα κόκκων καφέ
Χημική τροποποίηση επιφανειών ξύλου
Υδροφοβικότητα
Spent coffee grounds
Chemical modification of wood substrates
Hydrophobicity

description: Η παγκόσμια βιομηχανία του καφέ, παράγει κάθε χρόνο εκατομμύρια τόνους αποβλήτων και παραπροϊόντων που αποτελούν εξαιρετικές πηγές αξιοποιήσιμων υλικών. Στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας, τα υπολείμματα κόκκων του καφέ (Spent Coffee Grounds, SCGs) που αποτελούν και το κύριο απόβλητο της κατανάλωσης καφέ, αποτελούν μία πολύ ενδιαφέρουσα πρώτη ύλη για την παραγωγή νέων προϊόντων. Η πλούσια χημική σύσταση του καφέ, κυρίως οι φαινολικές ενώσεις και οι πολυσακχαρίτες που εμπεριέχονται στη δομή του, μπορούν να έχουν εφαρμογή και αν αξιοποιηθούν κατάλληλα να αποτελέσουν σπουδαίες επιχειρηματικές ευκαιρίες για πολλές βιομηχανίες. Ο στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας ήταν η ενσωμάτωση των υπολειμμάτων καφέ στην διαδικασία παραγωγής σανίδων κόντρα πλακέ και η χημική τροποποίηση των επιφανειών διάφορων προϊόντων της βιομηχανίας ξύλου με σκοπό την απόδοση υδροφοβικών ιδιοτήτων. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματοποιήθηκε μία προσπάθεια για την αξιοποίηση των SCGs στη σύνθεση ρητινών φαινόλης – φορμαλδεΰδης (PF), οι οποίες στη συνέχεια θα χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή σανίδων κόντρα πλακέ (plywood). Οι αρχικές δοκιμές για απευθείας ενσωμάτωση των υπολειμμάτων καφέ στη σύνθεση των φαινολικών ρητινών αποδείχθηκε ότι προσέδιδαν αρνητικές ιδιότητες στη δομή της ρητίνης προκαλώντας συσσωματώματα, τα οποία παρέμειναν σχεδόν αδιάλυτα καθ’ όλη τη διάρκεια σύνθεσης. Η αξιοποίηση των SCGs έγινε τελικά με την ενσωμάτωσή τους στο μείγμα της ρητίνης με το σκληρυντικό αλεύρι πριν την επάλειψη των ξυλόφυλλων. Τα SCGs χρησιμοποιήθηκαν ως επιπλέον πληρωτικό υλικό στο μείγμα της κόλλας ή ως υποκατάστατο του σκληρυντικού αλευριού σε διάφορα ποσοστά. Συνολικά παράχθηκαν εννέα (9) σανίδες κόντρα πλακέ τριών στρωμάτων με το δασοπονικό είδος έλατο (Spruce), οι οποίες αναλύθηκαν και σε αυτές μετρήθηκαν οι δυνάμεις διατμήσεως, σύμφωνα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα μέσω δύο τεστ καταπονήσεως. Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενδιαφέροντα για όλες τις σανίδες, καθώς όπως παρατηρήθηκε τα SCGs αυξάνουν τις δυνάμεις διάτμησης και συνολικά μειώνουν το κόστος παραγωγής των σανίδων όταν χρησιμοποιούνται ως υποκατάστατο του αλευριού. Συγκεκριμένα, οι δύο σανίδες στις οποίες τα υπολείμματα καφέ χρησιμοποιήθηκαν ως πληρωτικό υλικό με ποσοστό 8.1% στο μείγμα ρητίνης και με αντικατάσταση του αλευριού 50%, με ποσοστό 6.7% στο μείγμα ρητίνης, είχαν με διαφορά τα καλύτερα αποτελέσματα, καθώς παρατηρήθηκε αύξηση έως και 29% στις δυνάμεις διάτμησης και στα δύο τεστ καταπονήσεως. Το δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας πραγματεύεται τη χημική τροποποίηση της επιφάνειας τριών προϊόντων της βιομηχανίας ξύλου για την απόδοση υδροφοβικών ιδιοτήτων. Τα προϊόντα αυτά είναι η ινοσανίδα μέτριας πυκνότητας (Medium Density Fiberboard, MDF), το κόντρα πλακέ από το είδος έλατο (Spruce) και το κόντρα πλακέ από το δασοπονικό είδος σημύδας (Birch). Η χημική τροποποίηση των επιφανειών πραγματοποιήθηκε με τέσσερις πειραματικές διαδικασίες, οι οποίες αποτελούνταν αρχικά από την αντίδραση ενός σιλανίου, του γ-αμινοπρόπυλο-τριμεθοξυσιλανίου (γ-APTES) με τις υδροξυλικές ομάδες της κυτταρίνης στην επιφάνεια του ξύλου, σχηματίζοντας μία μικροδομή και στη συνέχεια τροποποίηση αυτής της δομής με τα αντιδραστήρια λαουρική αλδεΰδη και λαουρικό οξύ αντίστοιχα. Η υδροφοβικότητα των τροποποιημένων επιφανειών των τριών προϊόντων αξιολογήθηκε με τη μέτρηση της γωνίας επαφής μίας σταγόνας που τοποθετήθηκε στην επιφάνειά τους στη διάρκεια 5 λεπτών. Οι πειραματικές διαδικασίες σχεδιάσθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε ο σκοπός τους να είναι η διαδοχική βελτιστοποίηση της διαδικασίας ώστε να μπορέσει να καθιερωθεί ένας εύκολος και μη επεμβατικός τρόπος χημικής τροποποίησης, με την ελάχιστη καταπόνηση στη δομή του ξύλου και με απώτερο σκοπό τη χρήση και εφαρμογή σε βιομηχανικό επίπεδο. Λόγω των ιδιαιτεροτήτων των διαφορετικών επιφανειών από τα τρία προϊόντα ξύλου, με τη διαδικασία βελτιστοποίησης επιλέχθηκε ως βέλτιστη η πειραματική διαδικασία 2 με τον συνδυασμό γ-APTES και λαουρική αλδεΰδη, αποδίδοντας τα καλύτερα αποτελέσματα γωνιών επαφής και για τα τρία προϊόντα. Περιληπτικά, η πειραματική διαδικασία 2 αποτελούνταν από διαδοχικά στάδια όπως η βύθιση των δοκιμίων σε καθαρό διάλυμα 99% γ-APTES και η ξήρανση των δοκιμίων σε φούρνο υψηλής θερμοκρασίας για την επίτευξη του πρώτου σταδίου τροποποίησης. Στη συνέχεια, ακολούθησε η βύθιση των δοκιμίων σε αιθανολικά διαλύματα συγκέντρωσης 0.01 Μ λαουρικής αλδεΰδης και λαουρικού οξέος αντίστοιχα και τέλος, η τοποθέτηση των δοκιμίων σε φούρνο για την τελική ξήρανση τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η πειραματική διαδικασία 2 είχε την μεγαλύτερη επίδραση συνολικά στα προϊόντα MDF και Birch, όπου σε σύγκριση με τις επιφάνειες αναφοράς, η γωνία επαφής έφτασε έως τις 139° και 142° αντίστοιχα.
description: With coffee being one of the most consumed beverages in the world, large quantities of by-products are generated, which are toxic and represent serious environmental problems. Coffee silverskin and spent coffee grounds (SCGs) are two of the main coffee industry by-products. These by-products consist of high-value organic matter content, that can be exploited and acculturated into the general idea of the circular economy. The rich chemical composition of coffee, with the high content of phenolic compounds, polysaccharides and proteins can add high technological value to SCGs and turn them into marketable and reusable products. In this dissertation, the main aim was the possible use of SCGs as a filler for the production of plywood and secondly, the fabrication of hydrophobic surfaces on different wood substrates. The present postgraduate dissertation is composed of two parts. The first part begins by examining the use of SCGs for the synthesis of phenolic resins (PF) that are used for the production of plywood as an adhesive. Due to problems with the dissolution of SCGs during the resin’s synthesis, the initial tests for the incorporation of SCGs were unsatisfactory. However, the spent coffee grounds finally got incorporated inside the resin's glue mix before the veneers' coating during production. The glue mix consists of water, the adhesive, which is the phenolic resin, and finally, the flour which acts as a hardener for the whole system. SCGs were used as a filler for the glue mix with the substitution of the flour that is used as a hardener, or with the on-top addition of different percentages. In total 9 plywood boards were produced and tested for their mechanical properties. The evaluation of the results showed that the board with 8.1% of SCGs as an on top addition inside the glue mix and the board with 6.1% SCGs as a 50% flour substitute were the two boards that had by far the best shear strengths and overall better properties compared to the reference board with no SCGs. In the second part of the dissertation, a study about the chemical modification of wood surfaces is presented. The chemical modifications have aimed at simple immersion methods of wood with immediate results. Furthermore, the chemical modifications that were accomplished in the context of this study were aimed at the fabrication of a hydrophobic surface for three products of the wood industry. The wood substrates that were modified were Medium Density Fiberboard (MDF), plywood made from Spruce, and plywood made from Birch. The hydrophobic surfaces were created using two different materials. In detail, a silane hierarchical structure on the wood surface was created firstly by using the chemical component γ-aminopropyl-triethoxysilane (γ-APTES), and then there was a modification with lauric aldehyde and lauric acid respectively. The hydrophobic surfaces that were fabricated with four different processes were evaluated by measuring the contact angle of a water droplet over a period of 5 minutes. Interestingly, even with the difficulties of the roughness of the wood substrates, the results were surprisingly good. The most remarkable result to emerge from the study was that of the process 2 for the modification of the surface on all three products with γ-APTES and lauryl aldehyde. The contact angles of the droplets reached 139° for the MDF and 142° for the birch which is close to superhydrophobic limits.