Hodnocení barevnosti a chromoforních struktur termicky modifikovaných exotických dřev

Bc. Ondřej Šárovec

Master's thesis

Evaluation of chromaticity and chromophoric structures of thermally modified exotic woods

Abstract:

Tato práce sleduje vliv teploty termické modifikace na vybrané optické vlastnosti exotických dřev, jejichž hodnoty nám poskytují informace pro obecnou charakterizaci chromoforních struktur a jejich kvantitativní zhodnocení. Tyto části molekul způsobují barevnost materiálu a jejich tvorba je ovlivněna například právě tepelnými reakcemi, v důsledku degradace amorfních částí polysacharidů a extraktivních látek. Hodnoceny byly referenční a termicky modifikované vzorky (při 180, 200 a 220 °C) španělského cedru (Cedrala odorata), iroka (Chlorophora excelsa), merbau (Intsia spp.), meranti (Shorea spp.), padouku (Pterocarpus soyauxii) a teaku (Tectona grandis). Na těchto vzorcích probíhalo spektroskopické měření parametrů (L, a, b) barevného prostoru CIE Lab a měření UV-Vis difúzní reflektance (parametry k/s, žlutost Y a ISO jas). Z naměřených údajů byly dopočteny hodnoty totální barevné diference ΔE a reverze jasu (PCN). Ze vzorků těchto dřev byla zároveň získána jejich extraktiva rozpustná v acetonu, etanolu a etanol-toluenu a bylo stanoveno jejich množství (hm.% z původního vzorku dřeva). Na vzorcích jednotlivých extraktiv probíhalo taktéž měření parametrů (L, a, b) barevného prostoru CIE Lab a indexu žlutosti Yi pomocí UV-VIS spektrofotometru a opět byly dopočteny hodnoty totální barevné diference ΔE. Veškeré naměřené a dopočítané hodnoty byly zpracovány pomocí programu MS Excel a statisticky vyhodnoceny v softwaru TIBCO Statistica - verze 14. S rostoucí teplotou termické modifikace ztrácí vzorky jas, tmavnou a narůstá jejich celková barevná změna ΔE, s výjimkou merbau mezi 200 a 220 °. Podobný průběh UV-Vis DR spekter má padouk, merbau a teak při teplotě 200 a 220 °C. Nejvíce extraktiv (mastných a pryskyřičných kyselin a sterolů) bylo u referenčních vzorků získáno při extrakci v acetonu. U zbylých teplot byl nejvyšší zisk při extrakci v etanolu, jež izoluje především třísloviny, glykosidy či barviva. Aplikací shlukové analýzy v rámci PCA na tři hlavní komponenty bylo získáno 5 shluků. Shluky 1, 2, 4 a 5 tvoří zejména referenční a termicky modifikované vzorky při 180 °C. Shluk 3 je tvořen dvanácti vzorky, z většiny termicky modifikovanými teplotou 200 a 220 °C. Statisticky bylo prokázáno, že žlutost dřev (Y) má velmi vysokou závislost s jasem (L). Závislost byla pozorována i mezi žlutostí (Y) a indexem žlutosti extraktiv získaných v acetonu Yi(Ac), jejichž vztah byl popsán rovnicí.

Abstract:

This work investigates the effect of thermal modification temperature on selected optical properties of exotic woods, whose values provide information for general characterization of chromophoric structures and their quantitative evaluation. These parts of the molecules cause the colour of the material and their formation is influenced, for example, by thermal reactions, due to the degradation of amorphous parts of polysaccharides and extractives. Reference and thermally modified samples (at 180, 200 and 220 °C) of Spanish cedar (Cedrala odorata), iroko (Chlorophora excelsa), merbau (Intsia spp.), meranti (Shorea spp.), padouk (Pterocarpus soyauxii) and teak (Tectona grandis) were evaluated. Spectroscopic measurements of CIE Lab color space parameters (L, a, b) and UV-Vis diffuse reflectance measurements (k/s, Y-yellowing and ISO brightness parameters) were performed on these samples. From the measured data, the values of total colour difference ΔE and brightness reversion (PCN) were calculated. At the same time, acetone, ethanol and ethanol-toluene soluble extracts were obtained from the wood samples and their amount (mass % of the original wood sample) was determined. Measurements of the parameters (L, a, b) of the CIE Lab colour space and the yellowness index Yi were also carried out on the samples of each extractant using a UV-VIS spectrophotometer and again the values of the total colour difference ΔE were calculated. All the measured and calculated values were processed using MS Excel and statistically evaluated using TIBCO Statistica version 14 software. As the thermal modification temperature increases, the samples lose brightness, darken and their overall colour change ΔE increases, except for merbau between 200 and 220°.Similar UV-Vis DR spectra are observed for padauk, merbau and teak at 200 and 220°C. Most of the extractives (fatty and resin acids and sterols) were obtained in the reference samples when extracted in acetone. At the remaining temperatures, the highest yields were obtained when extracted in ethanol, which isolates mainly tannins, glycosides or dyes. By applying cluster analysis within PCA to the three principal components, 5 clusters were obtained. Clusters 1, 2, 4 and 5 consist mainly of reference and thermally modified samples at 180 °C. Cluster 3 consists of twelve samples, mostly thermally modified at 200 and 220 °C. It was statistically shown that the yellowness of the trees (Y) has a very high dependence with the brightness (L). A dependence was also observed between the yellowness (Y) and the yellowness index of extracts obtained in acetone Yi(Ac), whose relationship was described by Eq.

Keywords

extraktiva, chromofory, totální barevná diference, UV-Vis difúzní reflektance, tropické dřevo

Keywords

UV-Vis diffuse reflectance, chromophores, tropical wood, extractives, total color difference

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 23. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Tereza Jurczyková, PhD.
• Reader: František Kačík, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Master programme:
Wood Engineering