Erdészeti kutatás és mérnöki munka: Nemzetközi folyóirat

Kutatási cikk 2. kötet 4. szám

Miriam Rafailovich, 1

Ellenőrizze a Captchát

Sajnáljuk a kellemetlenséget: intézkedéseket teszünk annak érdekében, hogy megakadályozzuk a csaló űrlapok beküldését az extrakciók és az oldalfeltérképezők által. Kérjük, írja be a megfelelő Captcha szót az e-mail azonosító megtekintéséhez.

1 Nassau Megyei Héber Akadémia, USA
2 Wilson Area High School, Easton, USA
3 Plainedge Középiskola, Massapequa, USA
4 Anyagtudományi és Vegyészmérnöki Tanszék, Stony Brook Egyetem, USA

Levelezés: Miriam Rafailovich, Anyagtudományi és Vegyészmérnöki Tanszék, Stony Brook Egyetem, 100 Nicolls Rd, Stony Brook, 11794, USA, telefon: 1516 4589 011

Beérkezett: 2018. augusztus 02 Publikálva: 2018. augusztus 20

Idézet: Vilkas J, Lam PH, Jacobsen N és mtsai. A víz párolgásának és gyúlékonyságának dinamikája a közönséges „dogwood” (Cornus kousa) levélből. Erdő Res Eng Int J. 2018; 2 (4): 233-238. DOI: 10.15406/freij.2018.02.00055

A Cornus kousa (kutyafa) leveleit három különböző körülmények között vizsgálták, hogy képesek-e ellenállni az égésnek: friss, kemencében szárított és természetesen lehullott levelek. Különösen fontos volt az egyes levelek különböző felületi tulajdonságainak elemzése, és az epidermisz réteg speciális tulajdonságait optikai vízzel érintkező szög mikroszkóppal, optikai mikroszkóppal és konfokális mikroszkóppal határoztuk meg. A vízcseppek a kontaktusszögek mindegyikét mérve a levelek felszínére tolódtak el egy ideig, amíg a párolgás meg nem történt, ami elősegítette a levelek hidrofób és hidrofil tulajdonságainak megértését különböző körülmények között. Optikai és konfokális mikroszkóppal vizsgálták a levélhám topológiáját, nemcsak az epidermális rétegszerkezetek mikroanalízisén keresztül, hanem a különböző lefolyású és sima felületek 3D modelljén keresztül is. Lángvizsgálatokat végeztek a levelek pirolizálódási sebességének szembeállítására a három körülmény között. A Cornus kousa sajátosságainak megismerése, pontosabban a vízpárolgás és az éghetőség dinamikája, amely számos alkalmazásban hasznos, a futótűz megelőzésétől a kertészetig.

Kulcsszavak: Cornus kousa, levélszerkezet, levélfelületi tulajdonságok, a levelek gyúlékonysága

A falevelek különböző tulajdonságainak jellemzése és vizsgálata fontos szempont a különféle tudományos területeken. A levelek égési mechanizmusának ismerete szintén kritikus fontosságú, ha a levelekkel különféle cserjéseken dolgozunk. Ezek a tulajdonságok különösen fontosak a tűzvészek mérséklésének új módszereinek kidolgozásakor, mivel a levél fizikai és kémiai tulajdonságai az égés és a futótűz terjedésének fő előmozdítói. 1–4

Az Arbor Day Foundation szerint az amerikai nemzeti fa első három választása között a Dogwood faj a harmadik helyet szerezte meg. A fa őshonos az Egyesült Államokban, és ma az egyik legszebb, virágzó fának számít az amerikai cserjések között. 11 A Dogwood faj, a Cornus, tizenegy alfajra oszlik, amelyek közül kísérletünk a Cornus kousa alfajra irányult. 12,13 Ez a faj hatalmas földrajzi területen él, és általában Amerika keleti, közép-nyugati és déli régióiban, valamint Kínában, Japánban és Koreában található meg. Jól növekszik mind lakó-, mind városi környezetben, valamint vidéki és erdei területeken, és ezért érintkezésbe kerül nagy városi és vidéki népességcsoportokkal, valamint a védett természetes élőhelyek állatvilágával.

Számos vizsgálatot végeztek olyan növényeken, amelyek levélfelülete szuperhidrofób vagy hidrofil volt, például lótuszlevél, 14 de keveset tettek a közönséges növényi levelek esetében, amelyek nagyobb hatással vannak az általános populációra. A Weiss 15 a leveleken lévő vízcseppek érintkezési szögét vizsgálta a vízpotenciálhoz viszonyítva. Azonban viasz nélküli babnövényes leveleket, például Phaseolus vulgaris L. és Glycine max L. Merrill-t használtak, az egyetlen viszonylag viaszos növényi levél lucerna (Medicago sativa L.) volt. Bár a szerző azt állította, hogy valószínűleg azt kellett feltételeznie, hogy a lucerna levél viaszos felülete a levél felszínén lévő vízcseppeket befolyásolja, további vizsgálat nélkül meghagyták.

A levelek osztályozása és szelekciója

A mérésekhez és az összehasonlításhoz háromféle természetes Cornus kousa (Dogwood) levelet használtak: friss levelek, kemencében szárított levelek és lehullott levelek (természetesen szárított levelek). A friss és lehullott leveleket véletlenszerűen szedték. A kemencében szárított leveleket úgy készítették, hogy friss leveleket helyeztek a CIT Alcatel 2004A porszívóba 25 percig 90 ℃ és 400 mTorr hőmérsékleten.

A párolgás figyelemmel kísérése három csoportban

Minden friss, kemencében szárított és lehullott levél elülső és hátsó külsejére egy csepp ionmentesített vizet helyeztünk. A leveleket ezután egy KSV optikai érintkezési szögmérőre helyeztük, és a goniométeren tartottuk, amíg a csepp teljesen elpárolog. 3 percenként ellenőriztük a csepp bal és jobb szögét, amikor a levél felületén elpárolgott. A mérés leállt, amikor a készülék nem tudta folytatni a mérések pontos végrehajtását. A folyamatot megismételtük az egyes levelek elülső és hátsó oldalán.

Három csoport felületének mikroszintű vizsgálata

VK – X250K Keyence 3D lézermikroszkóppal optikai és 3D leképezési képeket készítettünk friss, kemencében szárított és lehullott levelek levélfelületéről. Képek háromféle levél elülső és hátsó oldalán készültek 10x és 20x-os nagyítással.

Lángpróba

Három friss, három kemencében szárított, három lehullott levelet tartottak propánüzemű lángfáklya alatt 2-3 cm lánggal 5 másodpercig. Ezután a lángot eltávolították, és feljegyezték a tűz oltásához szükséges időt.

Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (FTIR)

Az FTIR képeket friss, kemencében szárított és lehullott levelek elülső és hátsó oldalán készítették Perkin Elmer Frontier FT – IR spektrométerrel. Egy csillapított teljes visszaverődés tartozékot is alkalmaztak. Minden spektrumot átlagoltunk 32 felvétel alapján.

Statisztikai analízis

Az eredmények legalább 5 levél tesztelését jelentik minden kategóriában, amelyből kiszámították a szórásokat. A szignifikancia szinteket, amelyeket a p értékek jelölnek, kétfarkú hallgatók t – tesztjével számoltuk ki. Chi négyzet elemzést alkalmaztunk a cseppek volumetrikus és érintkezési szögváltozásainak lineáris funkcionális formákhoz való illesztésére és a változás sebességével kapcsolatos hibák levezetésére. .

Vízcseppek elpárologtatása a levelek elülső és hátsó felületén

Az érintkezési szög mérései alapján figyelemre méltó volt, hogy a friss levél elülső része hidrofil, míg a hátsó oldala inkább hidrofób. A lehullott levél elülső és hátsó oldala egyaránt hidrofil volt. Tekintettel arra, hogy ez a két levélfajta volt a két természetben előforduló típus, a felszíni energiateljesítmény ezen felfedezése bebizonyította, hogy egy vízalapú égésgátló spray kifejlesztése a futótűz terjedésének megakadályozására nagyon ígéretes volt. Az eredmények alapján az oldat könnyen nedvesedhet, és felszívódik a friss levelek elülső oldalán, valamint a lehullott levelek mindkét oldalán. A friss levél cseppje a levél felső és alsó hámjának viaszos bevonatának volt köszönhető. Mivel a lehullott levél hasonló „tűzött” hatású volt, valószínű volt, hogy a viaszos réteg a lebomló levélen is jelen volt.

Fontos megjegyezni az eredményeket csoportként összehasonlító megfigyeléseket. Noha a kemencében szárított levél vízcseppje a felület hidrofób tulajdonságát mutatta, különbözött a friss és lehullott levelekre gyakorolt „vízcseppek” hatásától. 16 Ez valószínűleg azt jelentette, hogy az egyes leveleken különböző vastagságú viaszos kutikularéteg volt jelen. Ez az elmélet egy lehetséges magyarázat arra, hogy a lehullott levél miért volt hidrofil vízzel érintkezési szöggel, valamint egyre nagyobb átlagos vízcsepppárolgási sebességgel. Más szavakkal, mivel a lehullott levél bomlott, már nem töltötte fel viaszos kutikularétegét, és ezért nem volt képes szabályozni a bevitt víz mennyiségét, mint a friss és a kemencében szárított levelek. Másrészt a friss levelet alig kevesebb, mint 24 órával azelőtt szedték le a fáról, és a fához még rögzített levél vízzel való érintkezésének szögét nagyon pontosan ábrázolták. Ezért az a tény, hogy a friss levél hátsó oldala hidrofóbabb és képesebb volt

A kemenceszárítás vízveszteségének tömege

Öt különböző levélméretű levélmintát használtunk a standard levél vízmennyiségének felmérésére, a levél szárítás előtti és utáni átlagos tömegét a 3. táblázatban mutatjuk be, és a standard eltéréseket kiszámítottuk és a 3A. Ábrán mutatjuk be. Megállapították azonban, hogy átlagosan a levelek 68,28% vízből álltak. A víztartalom változása az FTIR spektrumból is látható volt. A 3400 cm – 1 körüli csúcs, amely a víznek felel meg, 17 volt mind a három levéltípusnál. Ennek a csúcsnak az intenzitása volt a legmagasabb a friss levél elülső és hátsó oldalán, ami a legmagasabb víztartalmat jelzi a friss levelekben. A kemencében szárított levelek víztartalma a levél mindkét oldalán hasonló, mert ellenőrzött és extrém körülmények között szárították. Ami a lehullott levelet illeti, bár az elülső oldalon valamivel magasabb a víztartalom, mint a hátoldalon, mindkettő lényegesen kevésbé volt összehasonlítva a friss levélével. A 3. táblázat jelentős szerepet játszott az 5.1 eredményekben azáltal, hogy segített megérteni a kemencében szárított levél felületi tulajdonságait. Ezenkívül a vízveszteség mértéke segíthet az 5.3.

Három csoport felületének mikroszintű vizsgálata

A levelek felületének domborzatának 3D képalkotása bebizonyította, hogy a különböző levelek epidermiszén változó szintű viaszos kutikulák találhatók. Amint a 4. ábra mutatja, a trichrom alakja és felületi szerkezete mindhárom levéltípusnál ugyanaz maradt. Így a levelek trichromszerkezetét sem a kemence szárítási folyamata, sem a természetes bomlási folyamat nem befolyásolta. Mind az 5A, mind a 6A ábrákon a dudorokra és a tüskékre hasonlító szerkezetek viaszos kutikulák voltak. 18,19 Ezenkívül bebizonyosodott, hogy a 6A. Ábra aktívabb struktúrákra hasonlít, ami korrelál az 5.1. Állítással, miszerint a Cornus kousa levél hátoldalának természeténél fogva viaszosabb kutikulák vannak, mint az elején. Ezenkívül nyilvánvaló volt, hogy a kemence szárítási folyamata miatt a víz elpárolgott a mezofillrétegből, ami arra kényszerítette a levelet, hogy összenyomódjon és kialakítsa az 5C. Ábrán látható krátereket, amelyek hasonlítottak a xylemek fennmaradó vénaszerkezetére és a maradék viaszos anyag egyenletes bevonatára. kutikularéteg. 20 Ezenkívül ennek az elméletnek a keretein belül volt, hogy a lehullott levél viaszos kutikularétege részben lebomlott, és ezért életképes elemzés volt a részben látott textúrák miatt is, amelyek hasonlítottak a viaszos kutikulákra és a xylem kráterszerkezetekre az ábrán. 5E.

Lángpróba

Az égési tesztek azt mutatták, hogy a kemencében szárított levelek és a lehullott levelek azonos ütemben égtek, amint azt a 4. táblázat mutatja. A friss levelek sokkal jobban ellenálltak a lángnak, mint az előző kettő. A kemencében szárított levél és a természetesen szárított levél esetében az 5.2. És az 5.3. Ábra kimutatta, hogy mindkettőnek vízvesztesége van. Ezért mindkét esetben a maradék víz teljesen elveszett az égést megindító másodpercek alatt. A lángpróba eredményei alapján látható volt, hogy a víz jelentős volt a levél tűzállósági mechanizmusában. A víz a levél tömegének több mint 68,28% -át tette ki, és ennek következtében korrelált a levél égésgátló tulajdonságával (7. ábra).

1.ábra A DI vízszárítási folyamat érintkezési szögének mérése a levélfelületeken: (A) és (B) a friss levél elülső és hátsó oldala volt; (C) és (D) a kemencében szárított levél elülső és hátsó oldala volt; (E) és (F) a lehullott levél elülső és hátsó oldala volt. Sárga vonalak jelzik a DI vízcsepp magasságát és sugarát.

2. ábra A cseppek térfogatának és az érintkezési szögnek az időbeli változása a különböző levélfelületeken: (A) és (C) a levelek elülső oldala volt; (B) és (D) a levelek hátsó oldala volt; (E) oszlopdiagram a cseppek térfogatának csökkenő sebességéről; (F) oszlopdiagram a víz érintkezési szögének csökkenő sebességéről.

3. ábra (A) oszlopdiagram a levelek tömegéhez szárítás előtt és után; (B) FTIR spektrum a friss, kemencében szárított és lehullott levelek elülső és hátsó oldalán.

4. ábra Trichrom optikai mikroszkóp képei háromféle levélen: (A) friss levél; B) kemencében szárított levél; és (C) lehullott levél.

5. ábra Optikai mikroszkóp képek és 3D leképezések a levélfelületek elülső oldalán: (A) és (B) friss levélre vonatkoztak; (C) és (D) kemencében szárított levelekre vonatkoznak; (E) és (F) hullott levélre vonatkoztak.

6. ábraOptikai mikroszkóp képek és 3D leképezések a levélfelületek hátsó oldalán: (A) és (B) friss levélre vonatkoztak; (C) és (D) kemencében szárított levelekre vonatkoznak; (E) és (F) hullott levélre vonatkoztak.

7. ábra Oszlopdiagram, amely a friss, kemencében szárított és lehullott levelek kiégése előtti időt mutatja.

Csepp mennyiségének csökkenése
(mL/perc)

Csökkenő érintkezési szög
(fok/perc)