Improving the properties of wood by surface densification

Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-11-21
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 64
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 133/2014
Abstract
Mechanical properties generally correlate positively with wood density and, therefore, it might be beneficial to increase the density of otherwise low-density wood species to improve certain characteristics. The aim of the dissertation was to examine the possibility to improve wood properties, such as hardness, by increasing the density of wood, a modification method referred to as 'densification'. The purpose was to target the densification at the very surface of wood, where the property improvements are most needed. Surface densified wood would be suitable in applications where the surface is generally exposed to use, such as flooring or worktops. An increase in density was obtained by reducing the porosity of wood by compressing the structure in a laboratory scale hot press. Densification was targeted at the surface by heating only one plate in the press and utilising wood of relatively low moisture content to inhibit the softening of the sample throughout the thickness. It was discovered that during surface densification the deformation occurs mainly in the earlywood cells close to the heated plate. The density profile development can be controlled by the parameters used in the densification process. Furthermore, the process parameters and density profile formation correlate directly with property changes, such as hardness, which was almost doubled by surface densification. Microscopic analysis with SEM suggested that no significant damage occurs in the cell wall during densification. The densified state tends to recover when exposed to high humidity. However, a minor part of the densification was considered permanent and irrecoverable after water soaking - most likely due to rearrangement of the molecular bonds and viscoelastic flow of the matrix during densification. Recovery of the densified state was significantly reduced by thermally modifying the samples after densification. Both, densification and thermal modification reduce the hygroscopicity of wood. In addition, hysteresis was reduced after repeated humidity cycles, possibly resulting from relaxation of the inner stresses which were developed during densification as well as during thermal modification. The knowledge obtained through this dissertation enhances optimization of the wood densification process for desired property improvements. The results provided knowledge of solid wood behaviour under compression and at high temperature, as well as, behaviour of modified wood in changing humidity conditions.

Puun mekaaniset ominaisuudet korreloivat positiivisesti puun tiheyden kanssa. Alhaisen tiheyden puulajien laatua voitaisiinkin parantaa tiheyttä lisäämällä. Väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia massiivipuun tiheyden lisäämistä puun pinnalla, jossa ominaisuudet, kuten pinnan kovuus, ovat erityisen tärkeät. Pinnalta tiheä puu voisi sopia kohteisiin, jossa etenkin pinta on kulutuksen kohteena, kuten lattiat ja työtasot. Väitöskirjatyössä puun tiheyttä lisättiin puristamalla puun huokoista rakennetta kasaan kuumapuristimella. Puristuminen kohdennettiin yhdelle pinnalle lämmittämällä vain toinen puoli puristimessa ja käyttämällä kohtuullisen kuivaa puuta, jolloin lämmön vaikutuksesta puu muovautui vain toiselta pinnalta.  Tulokset osoittivat, että tiheys kasvoi läheltä lämmitettyä pintaa ja tiheysprofiilin muodostumista pystytään kontrolloimaan muuttamalla puristusprosessin parametreja, kuten lämpötilaa tai puristimen sulkeutumisaikaa. Tiheysprofiilin muoto sekä prosessiparametrit korreloivat hyvin puun ominaisuuksien kanssa, kuten pinnan kovuuden, joka lähes kaksinkertaistui puristetulla pinnalla. Mikroskooppitutkimus osoitti, että pintapuristus ei aiheuta merkittäviä halkeamia soluseiniin. Puristettu tila ei ole sellaisenaan pysyvä, vaan palautuu vedelle altistettaessa. Pieni osa puristuksesta ei kuitenkaan palautunut vedessä uitettaessa, vaan oli pysyvää - todennäköisesti molekyylisidosten uudelleen järjestäytymisen sekä ligniinin muovautumisen takia. Puristuksen palautuminen saatiin vähennettyä merkittävästi lämpökäsittelemällä puuta puristuksen jälkeen. Sekä puristaminen että lämpökäsittely vähensivät kosteuden sitoutumista puuhun. Lisäksi hystereesi pieneni kosteussyklejä toistettaessa, mikä johtui todennäköisesti purkautuvista sisäisistä jännityksistä, jotka olivat syntyneet sekä puristuksen että lämpökäsittelyn aikana. Väitöskirjatyössä saadut tutkimustulokset edistävät merkittävästi puun puristusprosessin suunnittelun optimointia haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Tutkimustulokset lisäsivät ymmärrystä puun käyttäytymisestä puristuksessa ja korkeassa lämpötilassa sekä modifioidun puun käyttäytymisestä vaihtelevassa ilmankosteudessa.
Description
Supervising professor
Hughes, Mark, Professor, Aalto University, Department of Forest Products Technology, Finland
Thesis advisor
Rautkari, Lauri, Assistant Professor, Aalto University, Department of Forest Products Technology, Finland
Keywords
densification, surface densification, thermal modification, wood modification, lämpökäsittely, pinnan modifiointi, puun modifiointi, tiheyden kasvattaminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Lauri Rautkari, Kristiina Laine, Nick Laflin, and Mark Hughes. 2011. Surface modification of Scots pine: the effect of process parameters on the through thickness density profile. Journal of Materials Science, volume 46, number 14, pages 4780-4786. DOI 10.1007/s10853-011-5388-9.
  • [Publication 2]: Kristiina Laine, Lauri Rautkari, and Mark Hughes. 2013. The effect of process parameters on the hardness of surface densified Scots pine solid wood. European Journal of Wood and Wood Products, volume 71, number 1, pages 13-16. DOI 10.1007/s00107-012-0649-0.
  • [Publication 3]: K. Laine, T. Antikainen, L. Rautkari, and M. Hughes. 2013. Analysing density profile characteristics of surface densified solid wood using computational approach. International Wood Products Journal, volume 4, number 3, pages 144-149. DOI 10.1179/2042645313Y.0000000031.
  • [Publication 4]: Tiina Belt, Lauri Rautkari, Kristiina Laine, and Callum A. S. Hill. 2013. Cupping behaviour of surface densified Scots pine wood: the effect of process parameters and correlation with density profile characteristics. Journal of Materials Science, volume 48, number 18, pages 6426-6430. DOI 10.1007/s10853-013-7443-1.
  • [Publication 5]: Kristiina Laine, Kristoffer Segerholm, Magnus Wålinder, Lauri Rautkari, Graham Ormondroyd, Mark Hughes, and Dennis Jones. 2014. Micromorphological studies of surface densified wood. Journal of Materials Science, volume 49, number 5, pages 2027-2034. DOI 10.1007/s10853-013-7890-8.
  • [Publication 6]: Kristiina Laine, Lauri Rautkari, Mark Hughes, and Andreja Kutnar. 2013. Reducing the set-recovery of surface densified solid Scots pine wood by hydrothermal post-treatment. European Journal of Wood and Wood Products, volume 71, number 1, pages 17-23. DOI 10.1007/s00107-012-0647-2.
  • [Publication 7]: Kristiina Laine, Tiina Belt, Lauri Rautkari, James Ramsay, Callum A. S. Hill, and Mark Hughes. 2013. Measuring the thickness swelling and set-recovery of densified and thermally modified Scots pine solid wood. Journal of Materials Science, volume 48, number 24, pages 8530-8538. DOI 10.1007/s10853-013-7671-4.
  • [Publication 8]: Callum A. S. Hill, James Ramsay, Barbara Keating, Kristiina Laine, Lauri Rautkari, Mark Hughes, and Bastien Constant. 2012. The water vapour sorption properties of thermally modified and densified wood. Journal of Materials Science, volume 47, number 7, pages 3191-3197. DOI 10.1007/s10853-011-6154-8.
Citation