Compression of Beech Wood in Order to Improve Its Properties

Ing. Radim Rousek

Doctoral thesis

Lisování bukového dřeva za účelem zlepšení jeho vlastností

Abstract:

Lisování dřeva je účinná modifikační metoda, která zlepšuje především pevnost a tvrdost dřeva. Takto upravené dřevo je ekologický přírodní produkt, pokud nejsou použity žádné chemikálie nebo umělé pryskyřice. Přestože tato technologie je známá již desítky let, stabilizace slisovaného tvaru stále není zcela vyřešena. Když je dřevo slisováno, má následně tendenci zvětšovat svou tloušťku během otevírání lisu. Říká se tomu odpružení. Když je zhuštěné dřevo vystaveno vlhkosti, vrací se téměř do původního tvaru před lisováním. Tato vlastnost se nazývá paměťový efekt nebo obnovení původního tvaru. Odpružení a paměťový efekt lze minimalizovat optimalizací lisovacího procesu a následnou stabilizační úpravou. Na druhou stranu účinná stabilizační úprava, jako je například tepelná úprava dřeva, může mít negativní vliv na mechanické vlastnosti. Řešením by mohla být šetrnější úprava pařením při nižších teplotách, která má menší negativní dopad na hlavní strukturální složky dřeva. Aby bylo možné proces optimalizovat, je nutné porozumět tomu, jak parametry procesu ovlivňují vlastnosti a chování materiálu, mikrostrukturu a chemické reakce ve zhuštěném dřevě. S využitím nových poznatků lze vyvinout nové metody zhušťování dřeva. Nejvhodnější dřevinou pro zhušťování, která je ve střední Evropě běžně dostupná, je buk lesní (Fagus sylvatica L.). Toto dřevo bylo hlavním materiálem použitým v tomto výzkumu. Rychlá metoda výroby zhuštěného dřeva pro použití v interiéru je lisování v otevřeném systému, při kterém může vlhkost během procesu unikat. Byla ověřována hypotéza, že dřevo lze tímto způsobem zhutnit bez ochlazování během lisování a dřevo zůstane stlačené bez jakéhokoli odpružení. Cílem bylo najít optimální parametry pro dosažení takového výsledku, což se nakonec podařilo. Hypotéza, že takový materiál může mít homogenní hustotu, se však nepotvrdila. Další ověřovanou hypotézou, formulovanou na základě výsledků, bylo, že zhuštěné dřevo může mít stejnoměrnou hustotu bez výskytu trhlin v mikrostruktuře, když je dobře plastifikované dřevo stlačeno na vysokou hustotu. Cílem bylo dobře plastifikovat dřevo pomocí mikrovln, následně jej stlačit v radiálním nebo tangenciálním směru a pod zatížením pomalu vysušit (polouzavřený systém). Tato hypotéza byla potvrzena a tangenciální směr se ukázal být vhodnější pro zhušťování bukového dřeva. Využití zhuštěného dřeva v nově navržených výrobcích by se mohlo zlepšit, pokud by byly lisovány díly v požadovaném tvaru. Tvarovatelnost běžného dřeva ve formě je však omezená. Poddajnost dřeva by mohla být zvýšena podélným stlačením. Pokud by se to zkombinovalo s příčným lisováním ve formě, výsledkem by mohl být vysoce zhuštěný produkt s komplikovaným tvarem a dobrými mechanickými vlastnostmi, což byla další hypotéza. Cílem výzkumu bylo porovnat tento postup s dalšími pěti způsoby tvarování dřeva. I tato hypotéza se nakonec potvrdila. Pokud se předpokládá využití zhuštěného dřeva ve vlhkých podmínkách, je zapotřebí následná stabilizace, která je účinná, ale šetrná. Nejslibnější metodou bez negativního dopadu na strukturální složky dřeva se jeví stabilizace v syté páře při 90°C. Byla ověřována hypotéza, že touto úpravou lze dosáhnout stabilizace slisovaného tvaru pro použití ve vlhkých podmínkách. Cílem bylo připravit matematický model eliminace paměťového efektu v čase a experimentálně jej ověřit. Byla provedena rozsáhlá chemická analýza zhuštěného dřeva stabilizovaného v těchto podmínkách různě dlouhou dobu, aby bylo možné porozumět chemickým změnám, které ve dřevě probíhají. Zhuštěn

Abstract:

é dřevo bylo úspěšně stabilizováno podle matematického modelu. Chemické změny byly mírné a degradace celulózy nebyla prokázána, takže hypotéza byla potvrzena. Tvarované a zhuštěné dřevěné díly, které jsou dobře stabilizované pro použití ve vlhkých podmínkách, mohou mít mnohem širší využití v nově navržených výrobcích. Bylo navrženo několik možností praktického využití lisovaného dřeva a tyto možnosti jsou dále diskutovány.

Abstract:

Wood densification is an effective modification method which mainly improves wood strength and hardness. The resulting product still remains environmentally friendly and natural if no chemicals or artificial resins are used. Although this technology has been known for decades, stabilisation of compressive deformation is still a challenge. When wood is compressed and subsequently unloaded, it tends to increase in thickness while the press is opening – a spring-back effect occurs. And if the densified wood is exposed to moisture, the wood thickness can recover almost entirely. This is called a memory effect or compression set recovery. To minimise or avoid both effects an optimised densification process with a proper post-treatment is needed. However, an effective post-treatment, for example heat treatment, can have negative effects on mechanical properties. The solution could be a mild treatment like steaming at lower temperatures with a minimum impact on structural compounds in wood. It is necessary to understand the effect of the process parameters on properties, behaviour, microstructure and chemical reactions in densified wood in order to optimise the process. Using the new knowledge, new methods of wood densification can be developed. The most suitable wood for densification and widely available in central Europe is beech (Fagus sylvatica L.). This wood was the main material used in this research. A fast method to produce densified wood for indoor applications is compression in an open system where moisture can escape during the process. The hypothesis is that wood can be densified this way without cooling under load and the wood remains compressed without any spring-back. The aim, which was finally achieved, was to find optimal parameters for such results. However, the hypothesis that such material can have uniform density was not proved. Another hypothesis based on the previous results was that wood can reach uniform density, possibly without cracks in microstructure, when well plasticised wood is highly compressed. The aim was to plasticise wood with microwaves, to compress it subsequently in the radial or tangential direction, and to dry it slowly under load (semi-closed system). This hypothesis was proved and the tangential direction was found to be more suitable for the densification of beech wood. The utilisation of densified wood in newly designed products could be increased if wooden components were produced in desired shapes. However, shaping of natural wood in a mould is limited. Wood pliability could be increased by longitudinal compression; additionally, combining this method with transversal compression in a mould could lead to a strong densified product with a complicated shape and good mechanical properties, which was another hypothesis. By comparing this method with other five wood shaping methods, this hypothesis was finally confirmed. If a strong densified product is supposed to be used in wet conditions, an effective and mild post-treatment is needed. The most promising method without a negative impact on structural compounds of wood seems to be the treatment in saturated steam at 90°C. The hypothesis was that densified wood with no compression set recovery in wet conditions can be achieved by such treatment. The aim was to prepare a mathematical model of eliminating the memory effect in time and to verify it experimentally. An extensive chemical analysis of densified wood stabilised in such conditions for various times was carried out to understand the chemical changes occurring. Densified wood was successfully stabilised according to the model. The chemical changes were mild with no evidence of cellulose degradation, proving thus the hypothesis. Shaped densified wood components which are well stabilised for wet condition applications can have a much wider utilisation in newly designed products. Some examples of possible utilisation are suggested and further discussed.

Keywords

buk, modifikace dřeva, zhušťování, lisování, rozměrová stabilita, ohybová pevnost

Keywords

compression, dimensional stability, beech wood, modification, densification, bending strength

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2022

Thesis defence

• Supervisor: prof. Dr. Ing. Petr Horáček

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

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