Bio-based composites from agricultural residues and other waste materials

Ing. Petr Klímek

Doctoral thesis

Abstract:

Hlavním cílem této dizertační práce je navrhnout několik typů dřevotřískových desek z alternativních materiálů jako jsou například bioodpady, odpady, zbytky z rostlin apod. Dizertační práce dává ucelený přehled formou literárního přehledu, který se zabývá obdobnou tématikou. V první části, literárná zdroje jsou shrnuty a ekologický, rovněž pak ekonomická diskuze dat zjištěných z literárního přehledu je diskutována. Následně mechanické vlastnosti desek získané z literárního přehledu jsou shromážděny a sumarizovány tak aby daly přehled o tom, které vlastnosti mají být vylepšeny s ohledem na různé typy dřevotřískových desek. Toto objektivní srovnání, běžné pro obor vývoje materiálů, dokázalo, že především dřevotřískové desky ze stonků rostlin, větví dřeva a některých odpadů mohou při určitých podmínkách konkurovat klasickým dřevotrískovým deskám. V další části dizertační práce je uveden vlastní návrh a postup vývoje dřevotřísek ze zdrojů dostupných ve střední Evropě. 16 typů dřevotřísek je vyvinuto ze stonků rostlin: Mužák prorostlý (Silphium perfoliatum), Slunečnice roční (Helianthus annuus), Ozdobnice čínské (Miscanthus x gigantheus) a Topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Tyto dřevotřískové desky jsou specifikovány jejich mechanickými vlastnostmi a je specifikován především efekt množství a typu lepidla. Použitý materiál pro výrobu je pak rovněž specifikován chemickým složením a to množstvím celulosy, ligninu a hemicelulosy. Navíc je popsána mikroskopická struktura dřevotřískové desky vyrobené z Ozdobnice čínské pomocí elektronové mikroskopie. V druhé části dizertační práce jsou popsány mechanicaké a fyzikální vlastnisti dřevotřískových desek vyrobených z odpadů a bio-odpadů. Jako první, mechanicaké vlastnosti dřevotřískové desky s třískamy nahrazenými mlátem (odpad pivovarů) jsou specifikovány. Rovněž v tomto případě je mláto specifikováno chemickým složením a to množstvím celulosy, hemicelulóz a ligninu. Mikroskopická struktura desky je pak popsána snímky elektronové mikroskopie. Jako další je vyrobena a zkoumána dřevotřísková deska s čáesticemi nahrazenými PET recyklátem. Předmětem výzkumu je především vliv plasmatické úpravy povrchu PET částic na mechanické vlastnosti desek s jejich přídavkem. V tomto výzkumu, krom standardních zkoušek mechanické specifikace desek a elektronové mikroskopie jejich struktury, elektronová spektrometrie (XPS) a chemiluminescence je použita pro měření chemické aktivity povrchu plasmaticky upravených a neupravených PET částic. Poslední publikace pak popisuje fyzikální a mechanické vlastnosti desek vyrobených z recyklovaného dřeva získaného z okenních rámů. Je zkoumán především vliv obsahu barvou kontaminovaných částic na fyzikální a mechanické vlastnosti desek. S ohledem na praktické výsledky, jedním z nejdůležitějších výsledků je, že desky vyrobené ze stonků rostlin splnily požadavky normy EN 312 pro obecné použití v suchém prostředí. Nevýhodou těchto desek byla nížší pevnot v ohybu. S ohledem na tyto výsledky byla vyvinuta deska, která má povrchovou vrstvu tvořenou smrkovými částicemi a jádro ze z částic získané z rostliny Mužáku prorostlého (Silphium perfoliatum). Díky této kombinaci tat deska má vzhled jako klasická dřevotřísková deska. Rovněž dřevotřísková deska s 10-ti procentní příměsí mláta splnila požadavky normy EN 312 pro obecné použití v suchých podmínkách. Zároveň výsledky elektronové mikroskopie nazančily že pozice mlátových částic je zodpověná za snížní vlastností desek. Elektronová mikroskopie indentifikovala srozdíly struktury i u další desky vyrobené z Ozdobnice č

Abstract:

ínské, která rovněž splnila minimální standardní požadavky na mechanické vlastnosti. Pro zlepšení lepení částic v kompozitech byla navrhnuta povrchová úprava materiálu plasmou. V prvním pokusu, plasmaticky pravené bukové dřevo bylo lepeno PVAC lepidlem. Výsledky prokázaly, že plasmatická úprava výrazně zvyšuje pevnost lepení dřeva. Z tohoto důvodu, ta samá úprava byla použita na částice PET, které nahradily v určitém poměru dřevo v dřevotřískových deskách. Plasmatická aktivace napomohla zlepšit vlastnosti lepení v kompozicu, jelikož pevnost v tahu kolmo na plochu desky vyrobené z plasmaticky upravených PET částic zůstaly nezměny. S ohledem na obě tyto publikace se můžeme domnívat, že plasmatická úprava částic, může zvýšit mechanické vlastnsoti desek vyrobených z alternativních materiálů. V poslední části dizertační práce bylo dokázáno, že dřevotřísky mohou být vyrobeny z recyklovaného dřeva okenních rámů a jejich vlastnosti jsou stejná jako těch, které jsou vyrobené ze smrkového dřeva. Zajímaostí zde bylo především pak bobtnání desek, která bylo s největší pravděpodobností sníženo díky částicím pokrytých barvou. Toto bylo dokázáno formou mikromechanického hodnocení bobtnání formou optického měření deformací (DIC).

Abstract:

The main goal of the dissertation is to suggest several types of bio-based composites, notably particleboards, made from alternative materials (bio-waste, waste, plants´ residues) as an alternative to the currently produced wooden particleboards. The thesis provides a review and synthesis of the state-of-the-art literature. In the first part the literature is summarized and basic economical and ecological aspects of wood replacements for particleboards by using alternative materials are discussed. Further, mechanical properties data of suggested alternative particleboards are compiled, to give state-of-art insights in alternative particleboards developments. In the state-of-art, the compiled literature data are analysed through Ashby plots and give suggestions on what particleboards properties should be optimized. This evauationhave also proved that particleboards made from plants stalks, wood prunings and other wastes eg. waste tea leaves, peanut hulls, walnut shells could be economically viable alternative for the industry. The second part of this dissertation is concerned with designing and developing particleboards from the alternative resources available in Central Europe: (1) In total, 16 types of particleboards were produced from stalks coming from cup plants, Miscanthus, sunflower and topinambour. These particleboards are specified by standard mechanical tests and the effects of resin content and resin type were studied. Also chemical analysis were performed to determine the cellulose, hemicellulose and lignin contents. Structure of the Miscanthus particleboard were characterized by scanning electron microscopy (SEM). (2) Particleboards were also made and evaluated with different wastes. Particleboard made from BSG (Brewer´s spent grain) were characterized by their mechanical properties, chemical comosition and microscopic structure (SEM). Further, polyethylene terephtalate (PET) waste was added to wooden particleboards. Here, in addition to mechanical properties also microscopic structure and bond failures were analysed using SEM, with air-plasma treated PET particles studied by chemiluminescence and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for their altered surface chemistry. The final section presents eight particleboard types made from recovered painted wood, as reclaimed from window frames. The effect of painted particles on the physical and mechanical properties were evaluated. With respect to possible applications the most important finding is that all particleboards from plants stalks fulfilled minimal requirements of class P1 in EN 312, which is for general purposes in dry conditions. Furthermore, a three-layer particleboard with spruce surface layers, and a core-layer made from cup-plant would provide a regular appearance of the panel surfaces. Particleboards having 10 % BSG also fulfilled the P1 requirements of EN 312. The particle-particle bonding was found to be a weak point in a entire internal bonding systém. To improve internal bonding experiments with plasma-treated beech wood particles bonded by PVAc was performed. Results have shown a significant improvment of internal bonding due to the plasma treatment. Consequently, the identical plasma treatment was applied to PET particles, which were mixed with wood in the particleboards. Bonding was here improved as well, with the IB higher compared to the untreated control. It was shown that plasma treatment has potential to compensate for declined IB of particleboards using alternative sources. In final part of this thesis, particleboards from reclaimed wood from painted window frames were produced. Results have shown that particleboards using painted-reclaimed wood as well as cleaned reclaimed wood deliver a performance comparable with regular wooden particleboards, as well as reduced thickness swelling.

Keywords

kompozity, odpad, výroba, účinné zemědělství, zbytky rostlin, bio-kompozity, dřevotřísková deska, mechanické vlastnosti

Keywords

resource efficiency, manufacturing, Bio-composite, particleboard, composites, cleaner production, agriculture, residues, mechanical properties, waste

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 11. 2016

Thesis defence

• Supervisor: prof. Dr. Rupert Wimmer
• Reader: Martin Böhm, Ph.D., doc. Ing., Marius Catalin Barbu, externi, Johannes Konnerth, externi

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Wood-Working Engineering / Wood Processing and Timber Technology