aalto1 untyped-item.component.html
Structure-property relationships in modified wood laminates: effects of delignification, densification, and polymer impregnation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
70
Series
Abstract
In recent years, several studies have shown the advantageous effects of delignification and densification on wood properties. Structure-retaining delignification can be utilized to selectively remove matrix components while still preserving the aligned cellulose architecture of native wood, which can be harnessed for its high mechanical properties and potential for functionalization. When combined with densification, delignified wood has been reported to exhibit exceptional mechanical performance, but water-induced dimensional instability remains a significant drawback. In order to address these challenges related to moisture susceptibility, recent research has explored combining delignification, densification, and resin impregnation for the development of strong and dimensionally stable wood composites. While formaldehyde-based resins have been commonly used for this purpose, they present significant health and environmental concerns. Furthermore, delignification and impregnation of bulk wood are time-consuming processes, which limits their scalability and uniformity of results.
The objective of this thesis was to address these challenges by using spruce and birch veneers as substrates for the production of wood-based composite laminates. A process that combined alkaline sulphite delignification, methyl methacrylate (MMA) im-pregnation, in situ radical polymerisation, hot-pressing, and lamination was investigated. The mechanical performance of the composites was characterized by three-point bending, and dimensional stability was assessed by conditioning under humid conditions.
The results revealed a species-dependent delignification efficiency of the alkaline sul-phite treatment, with birch samples reaching significantly higher delignification weight loss percentage than spruce samples. For both wood species, the process was success-fully used to produce composites that exhibited higher density, improved mechanical performance, and better dimensional stability compared to non-modified counterparts. Nevertheless, variability in final properties was observed, which was attributed to in-consistencies in polymer impregnation and retention during hot pressing.
Viime vuosien aikana lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet delignifioinnin ja tiheyden lisäämisen hyödylliset vaikutukset puun ominaisuuksiin. Rakenteen säilyttävän delignifioinnin avulla voidaan liuottaa valikoivasti matriisikomponentteja säilyttäen samalla puun luonnollisen selluloosarakenteen, jota voidaan hyödyntää sen korkeiden mekaanisten ominaisuuksien ja funktionalisointimahdollisuuksien ansiosta. Aikaisemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että delignifioinnilla ja tiheyden lisäämisellä voidaan tuottaa puumateriaaleja, joilla on erinomainen mekaaninen suorituskyky, mutta ne ovat olleet myös alttiitta kosteuden aiheuttamille mittasuhteiden muutoksille. Näiden haasteiden valossa viimeaikaisissa tutkimuksissa on onnistuttu valmistamaan vahvoja ja mittasuhteiltaan pysyviä puukomposiitteja prosesseilla, jotka yhdistävät delignifioinnin, tiheyden lisäämisen ja hartsikyllästyksen. Tähän tarkoitukseen on yleisesti käytetty formaldehydipohjaisia hartseja, mutta niihin liittyy merkittäviä terveys- ja ympäristöriskejä. Lisäksi puun delignifiointi ja kyllästäminen ovat aikaa vieviä prosesseja, mikä rajoittaa niiden skaalautuvuutta ja käsittelyn tasalaatuisuutta.
Tämän työn tarkoituksena on ratkaista näitä haasteita käyttämällä kuusi- ja koivuviiluja puupohjaisten laminaattikomposiittien valmistukseen. Komposiittien valmistukseen sovellettiin menetelmää, joka koostui emäksisestä sulfiittidelignifioinnista, metyylimetakrylaatti (MMA) kyllästämisestä, in situ radikaalipolymeroinnista, puun tiivistämisestä kuumapuristuksella ja laminoinnista. Komposiittien mekaaninen suorituskyky määritettiin kolmipistetaivutuskokeilla ja mittapysyvyyttä arvioitiin kosteissa olosuhteissa.
Tulokset osoittavat, että emäksisen sulfiittidelignifioinnin tehokkuudella on lajikohtaisia eroja, sillä koivuviilujen delignifioinnin avulla saavutettu massahäviöprosentti oli merkittävästi suurempi kuin kuusiviiluilla. Molemmista puulajeista valmistetut laminaattikomposiitit osoittivat korkeampaa tiheyttä, mekaanista suorituskykyä ja mittapysyvyyttä muokkaamattomiin materiaaleihin verrattuna. Lopullisissa ominaisuuksissa huomattiin kuitenkin vaihtelua, mikä johtui pääasiassa epätasaisesta MMA-kyllästämisestä ja sen pysyvyydestä kuumapuristuksen aikana.