Developing microscopic method for quick observing of wood/coating interphase and penetration of alkyd priming oils in to spruce and pine

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2013

Department

Puunjalostustekniikan laitos

Major/Subject

Puutekniikka

Mcode

Puu-28

Degree programme

Language

en

Pages

iv + 80 s. + liitt. 44

Series

Abstract

The aim of this study was to further develop a sample preparation technique for fluorescence microscopy to establish a fast and reliable way to observe coating penetration in to wood, and to observe penetration of two commercial alkyd coatings (waterborne and solvent borne) in to softwoods spruce and pine. Different preparation techniques were tested to optimize the sample quality of thin sections required by fluorescence microscopy: blade angles, wetting and embedding of the specimen, cutting methods, staining of the coating and the wood sections with different dyes, dehydration by heat and alcohol, mounting with glycerol and resin. The samples were analysed with an epi-fluorescence microscope and a confocal laser scanning microscope (CLSM). Similar application was investigated with the FTIR-spectroscopy and Raman spectroscopy to find out usefulness of these techniques. The preparation technique of 10-60 -µm thick softwood sample sections for fluorescence microscopy was developed ideal for sliding microtome with steel blades, and available equipment: an epi-fluorescence microscope with excitation band 450-490 nm, beam splitting mirror of 510 nm and emission filter band 515-560 nm, and for a CLSM with argon-ion laser. The greatest challenges were presented by the investigated non-pigmented priming oils with low solid content. They were difficult to distinguish from the wood material, had practically no fluorescent properties, but deep penetration ability. By colouring either the coating before application or the thin section of wood after cutting with the microtome the contrast was enhanced. The selection of the dye was matched with the available light sources: the best contrast of the tested stains was achieved with Safranin O. The alkyd coatings with 18% solid content penetrated at deepest through two growth rings. The waterborne alkyd on spruce left almost all broken cells on the surface filled. The priming oils with 12% solid content penetrated aggressively to the rays and through the whole section. Overall penetration was deeper on pine and with the solvent borne alkyd. The epi-fluorescence microscope provides a fast and efficient method for observing penetration, though the detecting of the non-pigmented systems requires more preparation work than that of pigmented products. The CLSM is a slower method, but provides imaging also in z-direction. Staining wood sections by immersing, rinsing the extra dye off with first water then ethanol and finally mounting the section with a drop of glycerol and a visit on a hot plate are all necessary, but potentially harmful, stages.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää metodiikka, jolla fluoresenssimikroskopiaa voitaisiin hyödyntää helppona mutta luotettavana menetelmänä puu/pinnoite rajapintojen tutkimisessa. Lisäksi tutkittiin kahden alkydi pohjusteen, vesi- ja liuotinohenteinen, imeytymistä kuusessa ja männyssä. Epi-fluoresenssimikroskooppi vaati ohuita 10-20 µm paksuja leikkeitä, konfokaali laserkeilausmikroskoopille (confocal laser scanning microscope, CLSM) käyvät paksummatkin. Eri tekniikoita testattiin kaikissa näytteenvalmistuksen vaiheissa laadun ja kontrastin optimoimiseksi: teräkulmia, leikkaus menetelmiä, esivalmisteluja, pinnoitteen ja puun värjäystä, veden ja ylimääräisen värin poisto menetelmiä, kiinnitys vaihtoehtoja ym. Näytteet analysoitiin epi-fluoresenssimikroskoopilla ja CLSM:llä. Samoilla pohjusteilla pinnoitettuja näytteitä tutkittiin FT-IR spektroskoopilla ja Raman spektroskoopilla näiden tutkimusmenetelmien käyttökelpoisuuden selvittämiseksi. Näytteet valmistettiin käytettävän laitteiston kanssa yhteensopivaksi: epi-fluoresenssi mikroskooppi varustettuna viritysaallonpituuksilla 450-490 nm, säteen jakavalla peilillä 510 nm ja emissio suodattimelta 515-560 nm, ja CLSM argon-ioni laserilla. Suurin haasteista oli kiintoainepitoisuudeltaan 12 prosenttisten pigmentoimattomien pohjusteiden paikantaminen puumateriaalista. Ne eivät fluoresoineet, mutta imeytyivät syvälle. Kontrastia saatiin parannettua värjäämällä joko pinnoite tai leike fluoresoivalla väriaineella. Laitteidemme kanssa parhaiten toimi Safraniini O. Alkydipohjuste 18 % kiintoainepitoisuudella tunkeutui syvimmillään kahden vuosirenkaan läpi. Vesiohenteinen alkydi kuusessa täytti lähes kaikki pinnan rikkoutuneet solut. Pohjusteet 12 % kiintoainepitoisuudella tunkeutui aggressiivisesti säteitä pitkin läpi koko leikkeen. Yleisesti liuotinohenteinen pinnoite imeytyi syvemmälle kuin vesiohenteinen, ja molemmat imeytyivät syvemmälle männyssä kuin kuusessa. Epi-fluoresenssi mikroskooppi tarjoaa nopean ja tehokkaan menetelmän puun ja pinnoitteen rajapinnan tutkimiseen. CLSM on hitaampi menetelmä, mutta tarjoaa kuvantamismahdollisuuden myös z-akselin suunnassa. Näytteenvalmistuksessa leikkeen värjäys, ylimääräisen värin huuhtelu ensin vedellä ja sitten etanolilla, sekä kiinnitys glyserolilla olivat kaikki tarpeellisia työvaiheita, mutta helposti vahingoittivat näytteitä. Leikkeitä täytyi käsitellä varoen.

Description

Supervisor

Hughes, Mark

Thesis advisor

Rohumaa, Anti

Keywords

fluorecence spectroscopy, fluoresenssi mikroskopia, confocal laser scanning microscope, mikrotomi, raman spectroscopy, leike, fluorescent stains, fluoresointi, wood sectioning, väriaine, microtome, puun pinnoitus, wood coating, imeytyminen, coating penetration, alkydi, alkyd coating, pohjuste, Raman spektroskopia, FT-IR spektroskopia,

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859619

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM