Pressurized hot water extraction as a modification method for solid wood
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2023-10-06
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
94 + app. 62
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 140/2023
Abstract
Pressurized hot water extraction (HWE) of the wood utilizes high-temperature water kept in liquid form with pressure. The simultaneous obtainment of hemicellulose-based carbohydrates and treatment of the solid wood is a notable advantage of HWE treatment, but it has only limited effects on the material properties compared to the thermal modification traditionally used to produce durable timber. Finding solutions to the limitations could enable the development of novel wood products. In this thesis, a broad range of HWE treatment conditions was applied to wood samples of varying sizes. Both the effects of increasing wood size and important material properties such as hygroscopicity and resistance against wood-inhabiting fungi were studied. The aim was to improve understanding of the properties of HWE treated wood in view of its potential in engineered products and to evaluate the underlying mechanisms. The studies showed that the HWE treatment efficiency differences between sample sizes were mainly caused by the higher amount of water and acetone soluble degradation products that remained in wood with larger dimensions. Furthermore, water soluble degradation products accumulated on the wood surface and were removable via leaching or surface planing. The removal of these degradation products with either approach was shown to improve the resistance of HWE treated wood against discolouration by mould fungi. Prior to first drying, HWE treatment did not considerably change the water-saturated dimensions of the wood as degraded components were replaced with water. The first drying and resoaking resulted in a shrinkage in the saturated dimensions. This restriction in the reswelling of the cell walls was enhanced by a longer treatment time. Hydroxyl accessibility of the wood was assessed by measuring the mass loss caused by the reprotonation of deuterated samples. The effects of first drying could not be assigned solely to the variations in the sorption site density. The results suggested that the cell wall space formed during HWE treatment partially closes due to first drying and does not fully reopen upon resoaking. Therefore, diffusion of modification agents and subsequent esterification was tested as an approach to improve the properties of HWE treated wood. Successful esterification and cell wall bulking were confirmed, but the method's efficiency in improving durability varied between tested wood-decaying fungi. The results of this thesis offer new insights into the characteristics of HWE treated wood and potential solutions to improve its dimensional stability and resistance against wood-inhabiting fungi. The thesis also provides the groundwork for future studies regarding the material properties of wood modified with HWE treatment.Kuumavesiuuttossa (HWE) puuta käsitellään kuumassa vedessä, joka pidetään paineen avulla nestemäisessä olomuodossa. HWE-käsittely mahdollistaa hemiselluloosapohjaisten hiilihydraattien uuttamisen ja puumateriaalin käsittelyn samanaikaisesti, mutta ei paranna merkittävästi materiaalin ominaisuuksia verrattuna lämpökäsittelyyn, jota on perinteisesti käytetty kestävän puutavaran tuotannossa. Ratkaisujen löytyminen rajoitteisiin mahdollistaisi uusien menetelmien hyödyntämisen puutuotteiden kehityksessä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin HWEkäsittelyn vaikutuksia erikokoisiin puunäytteisiin eri uutto-olosuhteissa. Työssä tutkittiin sekä puun koon vaikutuksia että tärkeitä materiaaliominaisuuksia kuten hygroskooppisuutta ja vastustuskykyä sienten aiheuttamia vahinkoja vastaan. Tavoitteena oli edistää HWE-käsitellyn puun ominaisuuksien tuntemusta ja arvioida ominaisuuksien taustalla olevia mekanismeja. Tutkimukset osoittivat, että puun koosta aiheutuvat erot HWE-käsittelyn tehokkuudessa johtuivat pääasiassa vesi- ja asetoniliukoisten hajoamistuotteiden suuremmasta määrästä isommissa puunäytteissä. Vesiliukoiset hajoamistuotteet kertyivät puun pintakerrokseen, josta ne pystytään poistamaan vesiliuotuksella tai pintakerroksen höyläyksellä. Kummankin menetelmän osoitettiin parantavan HWE-käsitellyn puun kykyä vastustaa homesienten aiheuttamaa värjäytymistä. Ennen ensimmäistä kuivattamista vesikyllästetyn puun mitat eivät muuttuneet merkittävästi HWE-käsittelyn seurauksena, koska käsittelyn aikana hajonneet komponentit korvaantuivat vedellä. Kyllästetyt mitat kutistuivat selvästi ensimmäisen kuivauksen ja uudelleenkyllästyksen seurauksena. Pidempi uuttoaika tehosti puun soluseinien uudelleenturpoamisen rajoittumista. Puun vapaiden hydroksyyliryhmien määrä mitattiin massan alenemasta, joka aiheutuu deuteroitujen näytteiden reprotonoimisesta. Tulokset osoittivat, että ensimmäisen kuivauksen aiheuttamat muutokset eivät liity ainoastaan vapaiden sorptioryhmien määrän vaihteluihin. Koska HWE-käsittelyn aikana soluseiniin muodostuva tila sulkeutuu osittain ensimmäisen kuivatuksen seurauksena eikä avaudu kokonaan uudelleenturvotuksen seurauksena, modifiointiaineiden diffuusiota ja esterifiointia testattiin mahdollisuutena parantaa HWE-käsitellyn puun ominaisuuksia. Esterifiointi ja keinotekoinen paisuttaminen toteutettiin onnistuneesti, mutta käsitellyn puun lahoamiskestävyys vaihteli testattujen lahottajasienilajien välillä. Tämän väitöskirjan tulokset tarjoavat uusia näkemyksiä HWE-käsitellystä puusta sekä mahdollisista lähestymistavoista, joilla voidaan lisätä käsitellyn puun mittapysyvyyttä ja vastustuskykyä sienten aiheuttamia vahinkoja vastaan. Tämä väitöskirja myös pohjustaa tulevia tutkimuksia HWE-käsittelyn puun ominaisuuksista.Description
Supervising professor
Rautkari, Lauri, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Altgen, Michael, Dr., Nibio, Norwegian Institute of Bioeconomy Research, NorwayBelt, Tiina, Dr., Luke, Natural Resources Institute Finland, Finland
Keywords
durability, heat treatment, hydrolysis, wood-water relations, wood modification, kestävyys, lämpökäsittely, hydrolyysi, puun ja veden vuorovaikutus, puun modifiointi
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Kyyrö S, Altgen M, Rautkari L (2022) Pressurized hot water extraction of Scots pine sapwood: Effect of wood size on obtained treatment products. Biomass Conversion and Biorefinery 12:5019─5029.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202211306723DOI: 10.1007/s13399-020-00927-3 View at publisher
-
[Publication 2]: Kyyrö S, Altgen M, Seppäläinen H, Belt T, Rautkari L (2021) Effect of drying on the hydroxyl accessibility and sorption properties of pressurized hot water extracted wood. Wood Science and Technology 55:1203─1220.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109089094DOI: 10.1007/s00226-021-01307-4 View at publisher
-
[Publication 3]: Kyyrö S, Altgen M, Belt T, Seppäläinen H, Brischke C, Heinze P, Militz H, Rautkari L (2022) Effect of pressurized hot water extraction and esterification on the moisture properties and decay resistance of Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood. Holzforschung 76:916─928.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202210196098DOI: 10.1515/hf-2022-0100 View at publisher
-
[Publication 4]: Kyyrö S, Altgen M, Belt T, Seppäläinen H, Brischke C, Heinze P, Militz H, Rautkari L (2023) Effect of pressurized hot water extraction on the resistance of Scots pine sapwood against mould fungi. Holzforschung 77:348─355.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202305082998DOI: 10.1515/hf-2022-0190 View at publisher