Hodnocení změn krystalinity celulózy v termicky ošetřeném dřevě

Jakub Ťoupal

Bachelor's thesis

Assessment of cellulose crystallinity changes in thermally treated wood

Abstract:

Jednou z metod na ochranu dřeva je termická modifikace, která využívá působení zvýšené teploty. Dochází tak k chemickým změnám hlavních složek dřeva, zároveň se mění mechanické a fyzikální vlastnosti. Tato bakalářská práce se zaměřuje na hodnocení změn krystalinity celulózy lipového dřeva vlivem termické modifikace. V práci je uvedena historie termické modifikace a jaké výrobní postupy se používají dnes. Dále práce obsahuje kapitoly o změnách fyzikálních a mechanických vlastností termicky modifikovaného dřeva oproti dřevu neošetřenému či teoretický rozbor změn v chemické struktuře dřeva způsobený vlivem rostoucí teploty, převážně pak změn ve struktuře celulózy a s tím související hodnocení stupně její krystalinity pomocí různých instrumentálních metod. Pro zpracování praktické části byly využity 2 sady lipového dřeva o různých hustotách (lípa X = 485 kg·m-3, lípa Y = 541 kg·m-3). Sada obsahovala vždy referenční vzorek, vzorek modifikovaný při 165 ˚C a 210 ˚C. Každý vzorek dřeva bylo nutné nejprve dezintegrovat, homogenizovat a extrahovat ho v ethanol-toluenové směsi. Dalším krokem byla izolace celulózy dle Seiferta, vytvoření celulózové pelety a analýza pomocí FT-IR spektroskopie. Dle výsledků, krystalická část celulózy ve dřevě vlivem termické modifikace opravdu vzrostla. Výsledky TCI (celkového indexu krystalinity) byly u vzorku lípy X: 1,63 (ref. vzorek), 1,76 (165 ˚C) a 1,83 (210 ˚C). Výsledky LOI (indexu laterárního řádu) byly u vzorku Y: 0,68 (ref. vzorek), 0,72 (165 ˚C) a 0,95 (210 ˚C). Tyto hodnoty nám dokazují, že nastala degradace hemicelulóz a méně uspořádané oblasti celulózy, a tím pádem došlo k nárůstu krystalinity. Taktéž získané výsledky potvrdily a objasnily snížení některých fyzikálně-mechanických vlastností těchto vzorků termicky modifikovaného dřeva, které byly již dříve zkoumány. Jak je známo, termicky modifikované dřevo se jako konstrukční dřevo nevyužívá, ale je odolnější vůči biotickým a abiotickým činitelům. A protože je rostlé lipové dřevo málo odolné vůči napadení červotočem, je termická modifikace velmi vhodným způsobem jeho ochrany.

Abstract:

One method of wood protection is thermal modification, which uses the effect of elevated temperature. This results in chemical changes to the main components of the wood, while at the same time mechanical and physical properties are changed. This bachelor thesis focuses on the evaluation of changes in the crystallinity of lime wood cellulose due to thermal modification. The history of thermal modification and what production processes are used today are presented in the thesis. Furthermore, the thesis contains chapters on the changes in physical and mechanical properties of thermally modified wood compared to untreated wood or theoretical analysis of changes in the chemical structure of wood caused by the influence of increasing temperature, mainly changes in the structure of cellulose and the related assessment of the degree of its crystallinity using various instrumental methods. Two sets of linden wood of different densities (linden X = 485 kg·m-3, linden Y = 541 kg·m-3) were used for the practical part. The set always contained a reference sample, a sample modified at 165 ˚C and 210 ˚C. Each wood sample had to be first disintegrated, homogenized and extracted in an ethanol-toluene mixture. The next step was the isolation of cellulose according to Seifert, formation of cellulose pellet and analysis by FT-IR spectroscopy. According to the results, the crystalline part of cellulose in wood really increased due to thermal modification. The results of TCI (total crystallinity index) were 1.63 (ref. sample), 1.76 (165 ˚C) and 1.83 (210 ˚C) for the lime X sample. The LOI (lateral order index) results for sample Y were: 0.68 (ref. sample), 0.72 (165 ˚C) and 0.95 (210 ˚C). These values show us that there was degradation of hemicelluloses and less ordered regions of cellulose and hence an increase in crystallinity. Also, the results obtained confirmed and clarified the reduction of some physico-mechanical properties of these thermally modified wood samples, which were previously investigated. As is known, thermally modified wood is not used as structural wood, but it is more resistant to biotic and abiotic agents. And since the growing lime wood is not very resistant to worm infestation, thermal modification is a very suitable way to protect it.

Keywords

termická modifikace, celulóza, stupeň krystalinity, infračervená spektroskopie

Keywords

thermal modification, cellulose, degree of crystallinity, infrared spectroscopy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 4. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Tereza Jurczyková, PhD.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Bachelor programme / specializace:
Wood Technology / Wood Processing