ln order to manage efficiently many ancient wooden buildings, which have been preserved as cultural properties in Korea, the internal state of wood members should be evaluated exactly and periodically by a NDE (non-destructive evaluation) method. A research project was planned to develop an X-ray CT (computed tomography) system as a NDE method for wood, which could be easily applied in field. This paper includes the first part of this project. First of all, to establish a measuring procedure of wood density using X-ray radiography, the correlation between X-ray intensity and the film brightness was evaluated. Also, initial X-ray intensity was quantified with various radiate conditions controlled by the tube voltage and tube current. And then, the effects of density, annual ring angle, and thickness on the mass attenuation coefficient of wood were examined. Finally, Beer's law was modified with the above results and adopted to calculate the density of wood. As a result of this study, the measuring procedure of wood density was established using a portable soft X-ray device and this procedure was verified with some small wood specimens. This results will he used valuably for the following researches to develop a portable X-ray CT system.
Kim, Chul-Ki;Kim, Kwang-Mo;Lee, Sang-Joon;Lee, Jun-Jae
Journal of the Korean Wood Science and Technology
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v.45
no.6
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pp.836-845
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2017
Gravimetric method is usually used to evaluate air-dry density, which is governing physical or mechanical properties of wood. Although it had high evaluation accuracy, the method is time consuming process. Thus, this study was conducted to estimate air-dry density of wood with high accuracy by using polychromatic X-ray and digital detector as alternative of gravimetric method. To quantify polychromatic X-ray projection for evaluating air-dry density, Lambert-Beer's law with the integral value of probability function was used. The integral value was used as weighting factor in the law, and it was determined by conducting simple test at various penetration depths and tube voltage. Mass attenuation coefficient (MAC) of wood also calculated by investigating polychromatic X-ray projection according to species, penetration depth and tube voltage. The species had not an effect on change of MAC. Finally, an air-dry density of wood was estimated by applying the integral value, MAC and Lambert-Beer's law to polychromatic X-ray projection. As an example, the relation of the integral value (${\alpha}$) according to penetration depth (t, cm) at tube voltage of 35 kV was ${\alpha}=-0.00091t{\times}0.0184$ while the regression of the MAC (${\mu}$, $cm^2/g$) was ${\mu}=0.5414{\exp}(-0.0734t)$. When calculation of root mean squared error (RMSE) was performed to check the estimation accuracy, RMSE at 35, 45 and 55 kV was 0.010, 0.013 and $0.009g/cm^3$, respectively. However, partial RMSE in relation to air-dry density was varied according to tube voltage. The partial RMSE below air-dry density of $0.41g/cm^3$ was $0.008g/cm^3$ when tube voltage of 35 kV was used. Meanwhile, the partial RMSE above air-dry density of $0.41g/cm^3$ decreased as tube voltage increased. It was conclude that the accuracy of estimation with polychromatic X-ray and digital detector was quite high if the integral value and MAC of wood were determined precisely or a condition of examination was chosen properly. It was seemed that the estimation of air-dry density by using polychromatic X-ray system can supplant the gravimetric method.
Radial variation of crystalline state in a stem of Chamaecyparis obtusa E. was examined by x-ray diffraction analyses. Relative crystallinity and degree of crystallite orientation showed significant differences between juvenile and adult wood. That is, Relative crystallinity increased with increasing the age from pith to about 20th annual ring, after which it reached a more or less constant value. On the other hand, degree of crystallite orientation decreased outward from pith to about 10 years and presented almost a constant value thereafter. Crystal width by Scherrer's equation did not show any significant differences between juvenile and adult wood. Therefore, it was considered that crystallinity index and degree of crystallite orientation by x-ray diffraction method could be used for evaluating wood quality.
X-ray diffractograms of the vessel elements and the wood fibers of Quercus variabilis BLUME were recorded and resolved into characteristic reflections of cellulose I. Some differences were observed in the ratio of integrated intensity and crystallinity index between vessel elements and wood fibers. Present results suggest that cellulose crystal structure in the hardwood species was varied with the elements of wood.
To provide further information for reutilization of the waste wood obtained after cultivating oak mushroom in Kangwon-do, the crystal structures of the waste wood were investigated and compared to those of normal woods by a series of x-ray diffraction analysis. The results obtained are as follows: 1. An x-ray diffraction diagram of cultivated wood for 5 years was same as that of typical cellulose with some orientation of cellulose crystallites, but that of cultivated wood for 8 years a random. 2. Crystallinity indices in normal and cultivated woods for 5 years ranged from 57% to 60%. In the cultivated wood for 8 years, however, the value showed about 40%. 3. Crystallite widths of cultivated woods for 5 years and for 8 years were 3 nm and 2.5 nm, respectively. 4. Intensity ratios of equatorial and meridional layers did not show any significant differences. From the above results, it is clear that the waste wood obtained after cultivating oak mush room for 5 years showed basically same crystal structures with normal wood. Therefore, we think that the waste wood may be used available for cellulosic material instead of normal wood.
Japanese red pine (Pinus densiflora S. et. Z.) decayed by brown-rot fungi Tyromyces palustris and Gloeophyllum trabeum were subjected to X-ray diffraction analysis and infrared spectral examinations. Pine woods decayed by T. palustris showed the increase of relative crystallinity in the initial stage of degradation. When the weight loss was above 30%, then the crystallinity went down slowly. In contrast, the wood samples degraded by G. trabeum showed the decrease of crystallinity from the beginning stage of decay. The changes of crystallinity in brown-rotted woods suggested that the degradation rate of crystalline cellulose was varied with the brown rot fungal species. X-ray diffraction analyses also indicated that crystalline cellulose was much more slowly broken down than the amorphous one. The most notable difference in the IR spectra of the brown-rotted wood samples was that the adsorption band centered at 1,730$cm^{-1}$ was significantly diminished in the decayed wood. indicating the degradation of hemicellulose by brown-rot fungi. However, no marked changes of intensities at 1,000, 1,060 and 1,040$cm^{-1}$ were observed in the brown rotted wood samples, suggesting that crystal line cellulose was resistant against the attack by brown rot fungi.
Crystal structure of tension, opposite and lateral wood of Platanus orientalis L. were analysed in some aspects of crystallinity index, crystallite size, d-spacing of (200) and (004), and integrated intensity ratios with X-ray diffraction method. Crystallinity index and crystallite width in tension wood appeared somewhat larger than opposite or lateral wood. However, d-spacing and integrated intensity ratios were nearly identical irrespective of tension, opposite, and lateral wood.
The phase transformation from cellulose I into cellulose II in woods by way of Na-cellulose I was examined by x-ray diffraction analysis.The formation of Na-cellulose I in woods increased with the increase of treating time in alkali solution. When compression wood was treated with 20% NaOH solution at room temperature for 1 day, the x-ray diagram showed only Na-cellulose I. On the other hand, the x-ray diagram of tension wood showed a mixture of cellulose I and Na-cellulose I. Cellulose I of tension wood could not be transformed completely into Na-cellulose I even after 10-day treatment, but was transformed into Na-cellulose I after 30-day treatment. Na-cellulose I of compression and tension woods was converted to the cellulose I pattern and the mixture of cellulose I and cellulose II, respectively, after washing with water and drying at 20℃. Cellulose I regenerated from Na-cellulose I in wood could not be converted to cellulose II by delignification. Thus, it revealed that the delignification of the alkali-treated wood did not affect their cellulose structures. From the results, therefore, it can be concluded that lignin in woods prevents the formation of the stable Na-cellulose I and the conversion from cellulose I to cellulose II. This means that the conversion of chain polarity of wood cellulose hardly occurs during mercerization because cellulose microfibrils are fixed by lignin which not to be intermingled.
X-ray transit materials with straight path and the its intensity is proportional to the density of materials. Therefore, X-ray has been extensively used as a nondestructive evaluation (NDE) method in various fields. This study was carried out for development of a portable X-ray CT (computed-tomography) system to detect deteriorations of wood members in buildings. Based on the results of our previous study, a procedure of CT image reconstruction was established In order to verify the applicability of developed system, CT images of three wood disks were reconstructed by newly developed procedure and compared with the prototypes. From the results of this study, it was shown that the newly developed system could be used not only to determine the shape, size, and position of defects, but also to find the density distribution in cross section of wood structure members. The density distribution may be utilized to clarify the reason of wood deterioration and to provide the preventive method on how to treat or repair wood buildings. Because it was initial stage of system development, there were some limitations concerned with measuring equipment and image reconstruction algorithm. Especially, measuring time including equipment setup time was longer and measuring accuracy was lower than we expected. Therefore, we planned some additional studies on improvement of equipment and algorithm to enhance the capability of X-ray CT system.
For visual inspection-based wood identification, optical microscopy techniques typically require a relatively large sample size, and a scanning electron microscope requires a clean surface. These novel techniques experience limitations for objects with highly limited sampling capabilities such as important and registered wooden cultural properties. Synchrotron X-ray microtomography (SR-µCT) has been suggested as an effective alternative to avoid such limitations and various other imaging issues. In this study, four pieces of wood fragments from wooden members used in the Manseru pavilion of Bongjeongsa temple in Andong, Korea, wereused for identification. Three-dimensional microstructural images were reconstructed from these small wood samples using SR-µCT at SPring-8. From the analysis of the reconstructed images, the samples were identified as Zelkova serrata, Quercus sect. Cerris, and Pinus koraiensis. The images displayed sufficient spatial resolution to clearly observe the anatomical features of each species. In addition, the three-dimensional imaging allowed unlimited image processing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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