MOLECULAR AND PHYSICAL CHARACTERISATION OF HEAT TREATED WOOD

Get Complete Project Material File(s) Now! »

Duurzaamheid ten opzichte van schimmelaantasting

Diverse organismen zijn in staat hout aan te tasten en schimmelaantasting is de belangrijkste vorm van microbiologische aantasting aangezien het kan leiden tot (een snelle) structurele afname van de sterkte. Een thermische behandeling blijkt een effectieve methode te zijn om de resistentie tegen schimmelaantasting te verbeteren. Thermisch behandeld radiata pine vertoont een duidelijk verbeterde weerstand tegen de bruinrotschimmel Coniophora puteana en enige weerstand tegen Poria placenta. Een hogere procestemperatuur en/of een langere procestijd tijdens de hydro-thermolyse blijkt een positief effect te hebben op de resistentie tegen C. puteana aantasting. Het effect op de resistentie tegen P. placenta was daarentegen beperkt. Thermisch behandeld radiata pine vertoont een beperkte resistentie tegen aantasting door de witrotschimmel Coriolus versicolor. Proces variaties tijdens de hydro-thermolyse blijken geen effect te hebben deze resistentie. Er is een duidelijk verschil in de resistentie tegen schimmelaantasting waargenomen tussen het spinthout en het kernhout van thermisch behandeld grenen. Het kernhout vertoont een grotere resistentie tegen aantasting door de bruinrotschimmels C. puteana en P. placenta maar ook tegen aantasting door de witrotschimmel C. versicolor.
Thermisch behandeld berken vertoont een verbeterde resistentie tegen C. puteana aantasting, met name als er hogere temperaturen tijdens de hydro-thermolyse zijn gebruikt. Een duidelijke verbetering van de duurzaamheid werd bereikt na blootstelling aan de witrotschimmel C. versicolor en met name Stereum hirsitum. Het effect van een hogere procestemperatuur tijdens de hydro-thermolyse op de aantasting door C. versicolor was in tegenstelling tot C. puteana slechts beperkt. Thermisch behandeld radiata pine en vuren zijn nog steeds gevoelig voor oppervlakteschimmels die op het houtoppervlak kunnen groeien, waarschijnlijk door de vorming van afbraakproducten van hemicellulose (o.a. suikermoleculen) tijdens de thermische behandeling. Opmerkelijk is de afwezigheid van blauwschimmels op het thermisch behandelde hout, met name omdat deze schimmels wel zijn waargenomen op de onbehandelde referentie monsters. Schimmelaantasting is een complex proces en hangt onder meer af van de schimmelsoort (bruinrot, witrot en/of zachtrot) en houtsoort, de houtstructuur, de (micro)omgeving, alsmede interactieve competitie tussen schimmels. Tijdens schimmelaantasting worden de belangrijkste houtcomponenten (cellulose, hemicellulose en lignine) gedepolymeriseerd en/of gemodificeerd om energie en metabolieten vrij te maken voor schimmelgroei. Andere belangrijke vereisten voor schimmelgroei zijn de aanwezigheid van water en zuurstof, een gunstige pH en temperatuur, de aanwezigheid van groeifactoren, en de afwezigheid van toxische inhoudsstoffen. Aangezien een thermische behandeling de resistentie tegen schimmelaantasting verbeterd moet het één of meerdere vereisten voor schimmelaantasting beïnvloeden. Mogelijke effecten van een thermische behandeling op de vereisten voor schimmelaantasting worden gedetailleerd behandeld in deel II van dit proefschrift.
Uit een vaste stof CP MAS 13C-NMR onderzoek is gebleken dat thermisch behandeld vuren zowel overeenkomsten als verschillen vertoont met onbehandeld grenen spint na blootstelling aan bruinrot- en witrotschimmels. Bruinrotschimmels blijken een voorkeur te hebben voor een aanval op de C4 en met name de C1 van de koolhydraten om de hoofdketen van cellulose en glucomannans open te breken. In onbehandeld grenen spint vindt deze aanval hoofdzakelijk plaats op de C4, het niet-gereduceerde einde van de glucose eenheid. Een aanval op de CH2OH groep die zich buiten de acetal ring bevindt, van de koolhydraten van thermisch behandeld vuren, is waargenomen maar minder duidelijk dan in het geval van het onbehandelde grenen. Opmerkelijk is de aanval op C3/C5, een indicatie van ringopening van de koolhydraten. Deze aanval is daarentegen niet waargenomen bij het grenen spint. De degradatie van lignine is beperkt tot demethoxylatie er is geen of nauwelijks sprake van een opening van de aromatische ring, zelf niet na blootstelling aan de witrotschimmel C. versicolor.
Blootstelling van thermisch behandeld hout aan schimmels in grondcontact vertoonde een aanval op de C1 en waarschijnlijk C4 van de carbohydrates zodat het cellulose en hemicellulose open gebroken en uiteindelijk gedepolymeriseerd wordt. Een aanval op de alcoholische CH2OH groep die zich buiten de acetal ring bevindt, is ook waargenomen. Opmerkelijk is de opening van de pyranosering in thermisch behandeld simaruba na grond contact, die niet is waargenomen in het onbehandelde simaruba. Demethoxylatie en enige ringopening van de aromatische structuur van lignine is waargenomen, zowel voor behandelde als onbehandelde houtsoorten.

Mechanische eigenschappen

De twee-staps thermische houtmodificatie vertoont een duidelijk effect op de mechanische eigenschappen van hout. De treksterkte parallel aan de vezelrichting neemt duidelijk af en de verwachting is dat dit ook geldt voor de afschuifsterkte. De druksterkte parallel aan de vezelrichting en de hardheid nemen daarentegen toe na thermische behandeling. De buigsterkte dat een combinatie is van de drie primaire sterkte-eigenschappen (trek -, druk- en afschuifsterkte), neemt af na thermische modificatie. Deze afname is echter minder groot dan de afname van de treksterkte. De elasticiteitsmodulus tijdens de buigsterktetest is toegenomen, terwijl de breukslagarbeid een enigszins grote afname vertoont na een thermische behandeling.
De mechanische eigenschappen van hout zijn sterk gecorreleerd aan het houtvochtgehalte. In dat opzicht levert thermische houtmodificatie een positieve bijdrage aan de mechanische eigenschappen aangezien thermisch behandeld hout minder hygroscopisch is en de (maximale) hoeveelheid gebonden water gereduceerd is.
De belangrijkste componenten van de celwand (cellulose, hemicellulose en lignine) dragen in verschillende mate bij aan de sterkte van hout. Degradatie en/of modificatie van deze componenten en microstructurele veranderingen tijdens thermische behandeling blijken de mechanische eigenschappen van hout te beïnvloeden. In deel II van dit proefschrift wordt hier nader op ingegaan.
Uit experimenten met vuren constructiehout blijkt dat de buigsterkte afneemt na thermische behandeling, veel meer dan in het geval van foutvrije proefstukken. Het effect van natuurlijke defecten zoals kwasten, harszakken, een afwijkende draadrichting en reactiehout, op de sterkte eigenschappen van hout blijkt te worden beïnvloedt door thermische behandeling. Thermisch behandeld hout vertoont een tamelijk grote en abrupte afname van de sterkte bij breuk, terwijl onbehandeld hout een meer gelijkmatige afname van de sterkte vertoont. De belasting die thermisch behandeld hout nog kan ondergaan na breuk is veel lager dan het onbehandeld hout. Dit fenomeen kan veroorzaakt worden door gebroken celwanden loodrecht op de vezelrichting. Verandering van de houtcomponenten kunnen ook een rol spelen, met name de degradatie van de koolhydraten en/of de kristallisatie van amorf cellulose (waardoor hout meer bros wordt). De doorbuiging tot breuk is veel lager voor thermisch behandeld hout en dit bevestigt het enigszins stijve en brosse karakter van thermisch behandeld hout. De elasticiteitsmodulus van constructiehout vertoont in tegenstelling tot de buigsterkte nog steeds een toename na thermische behandeling.
Het effect van een driejarige buitenexpositie op de sterkte eigenschappen van thermisch behandeld vuren was beperkt. Met name ten aanzien van de 5%-waarde waar de sterkte van hout in grote mate bepaald wordt door houtdefecten, blijkt dat de buitenexpositie de buigsterkte en elasticiteitsmodulus niet heeft veranderd.

READ  Concept of building performance evaluation and model study by reduced sequences

Innovatieve toepassingen van thermische modificatie

Het samendrukken van hout loodrecht op de vezelrichting is een methode om de dichtheid van hout te vergroten zodat mechanische eigenschappen zoals sterkte en stijfheid verbeterd worden. Een belangrijk nadeel van deze methode is het herstel van de oorspronkelijke afmetingen wanneer het verdichte hout wordt blootgesteld aan vocht (zwelling als gevolg van celwand bulking en het herstel van de oorspronkelijke celvorm). Aangezien thermische behandeling de dimensiestabiliteit van hout verbeterd zou het tevens een fixerend effect kunnen bewerkstelligen wanneer verdicht hout wordt blootgesteld aan vocht. Helaas is gebleken dat thermische behandeling een herstel van de celvorm niet kan voorkomen wanneer verdicht radiata pine wordt blootgesteld aan vocht. De betreffende verdichting was uitgevoerd voor (na hydro-thermolyse), tijdens (combinatie van verdichting en curing) en na de curing. In alle gevallen was een duidelijke celvormherstel van het verdichte radiata pine zichtbaar, alhoewel enige verbetering (minder zwelling) is waargenomen bij de proefstukken die verdicht zijn voor en tijdens de curing.

Colour changes due to heat treatment

The wood colour after the first treatment stage (hydro- thermolysis) varied from light to dark brown, caused by the formation of quinones (described in Chapter 4) or the caramellisation of holocellulose components (described in Chapter 5). An increase of the treatment temperature changed the colour into a darker tinge. Most of the colour changes occurred during the hydro-thermolysis, whereas treatment of wood specimens without the first treatment stage (only the curing) resulted in a light brown colour, much lighter than after the hydro-thermolysis. The colour change also depends on the timber used and is correlated to the density of the wood since the colour is becoming darker with an increasing density. The colour of the wood surface is slightly darker than the colour of the inner wood giving a lighter colour after planing. During heat treatment, extraction and/or diffusion of dark brown reaction products occurred and were depleted at the wood surface. Some timber species with a high resin content like Scots pine showed resin spots on the surface after treatment. Dipping treated wood specimens in water resulted in an emission of a brown component, indicating a polar characteristic. This emission has also been noticed when treated timber was painted with waterborne paint systems, resulting in light brown spots in the paint layer. This was not observed for solvent borne paint systems.
During the first microscopic analysis of several wood species after the hydro-thermolysis treatment stage it was noticed that the colour of the cell wall changes from white to brown. This colour change involved the compound middle lamella and the secondary cell wall. This is believed to be due to the formation of reaction products in the cell wall or to the diffusion of such reaction products within the cell wall.

Light microscopic analysis

Unfortunately it was not possible to prepare light microscopic slices using an embedding method. However, after the hydro-thermolysis stage the wood structure is still rather soft and not brittle, and it is not expected that this will lead to slicing artefacts. The typical effects of the hydro-thermolysis treatment on the anatomical wood structure are discussed below. Due to an apparent decrease of the visual wood quality (cracks, collaps and/or deformation), no light microscopic observations were made after the hydro-thermolysis treatment of fresh (or pre-soaked) timber.

Liquid full hydro-thermolysis treatment of shipping dry softwood

The liquid full hydro-thermolysis treatment of shipping dry Scots pine and Norway spruce reveals tangential cracks in the latewood section (Fig. 2.2a). Both timber species were characterized by very narrow annual rings (approximately 1 mm per annual ring) and an abrupt transition from earlywood into latewood. During treatment large stresses must have occurred between the earlywood and latewood tracheids due to differences in shrinkage/swelling behaviour, resulting in these tangential cracks. In Norway spruce specimens with wider annual rings (2.5-3 mm per annual ring) and a gradual transition from earlywood to latewood, no tangential cracks were observed (Fig. 2.2b).

Table of contents :

1 Introduction
1.1 Wood modification
1.2 The Plato treatment
1.3 Objectives and limitations
PART I MOLECULAR AND PHYSICAL CHARACTERISATION OF HEAT TREATED WOOD
2 Microstructural and physical aspects of heat-treated softwoods
2.1 Introduction
2.2 Materials and Methods
2.3 Results and discussion
2.4 Conclusions
3 Microstructural and physical aspects of heat-treated hardwoods
3.1 Introduction
3.2 Materials and Methods
3.3 Results and discussion
3.4 Conclusions
4 A solid-state 13C-NMR study of heat-treated wood
4.1 Introduction
4.2 Materials and Methods
4.3 Results and discussion
4.4 Conclusions
5 Chemical analysis of heat-treated softwoods
5.1 Introduction
5.2 Materials and Methods
5.3 Results and discussion
5.4 Conclusions
PART II PROPERTIES OF HEAT-TREATED WOOD
6 Durability of heat-treated wood against fungal decay
6.1 Introduction
6.2 Materials and methods
6.3 Results
6.4 Discussion
6.5 Conclusions
7 Correlation of 13C-NMR analysis with fungal decay tests: Basidiomycetes
7.1 Introduction
7.2 Materials and Methods
7.3 Results and discussion
7.4 Conclusions
8 Correlation of 13C-NMR analysis with fungal decay tests: Ground contact tests
8.1 Introduction
8.2 Materials and methods
8.3 Results and discussion
8.4 Conclusions
9 Strength properties of heat-treated softwoods
9.1 Introduction
9.2 Materials and methods
9.3 Results
9.4 Discussion
9.5 Conclusions
10 mechanical properties of heat-treated full size construction timber
10.1 Introduction
10.2 Materials and methods
10.3 Results
10.4 Discussion
10.5 Conclusions
Summary of Part II
PART III INNOVATIVE APPLICATIONS OF THERMAL MODIFICATION
11 Semi-isostatic densification of heat-treated radiata pine
11.1 Introduction
11.2 Materials and methods
11.3 Results
11.4 Discussion
11.5 Conclusions
12 Vibration welding of heat-treated wood
12.1 Introduction
12.2 Materials and methods
12.3 Results and discussion
12.4 Conclusions
13 The effect of heat treatment on the properties of particleboard
13.1 Introduction
13.2 Materials and methods
13.3 Results and discussion
13.4 Conclusions
14 Utilisation potential and perspectives
14.1 Material properties
14.2 Dimensions and wood quality
14.3 Environmental profile
14.4 Market aspects
Reference list

GET THE COMPLETE PROJECT

Related Posts