Reinforcement of Wood-based materials

Ing. Samuel Kramár

Doctoral thesis

Vystužovanie materiálov na báze dreva

Abstract:

Materiály na báze dreva môžu byť vystužené za účelom homogenizácie izotropných mechanických vlastností a zníženia variability zapríčinenej prirodzenými chybami alebo jednoducho pre ich zlepšenie. Typ výstuže musí byť navrhnutý podľa účelu použitia. Táto práca sa nezameriava na konkrétny produkt ale stanovuje požiadavku, aby nový materiál zniesol vyššie zaťaženie než ten pôvodný. Niekoľko spôsobov a materiálov bolo použitých k preskúmaniu možností pre preglejku, nosník a drevotrieskovú dosku. Čadičové a uhlíkové vlákna boli použité ako výstuž. Tieto vlákna boli utkané do plátnovej, keprovej a jednosmernej tkaniny. Ako matice boli testované epoxidová, polymérne emulzná, polyvinyl acetátová, melamín-močovino formaldehydová, fenol-rezorcinol formaldehydová a polyuretánová živica. Výskum je rozdelený do článkov a každý z nich sa zaoberá konkrétnym problémom a používa špecifické materiály. Čadičovými vláknami vystužená epoxidová živica bola prichytená na vonkajšie plochy bukovej preglejky. Vystužujúci efekt bol preskúmaný na čisto tlakovej a ťahovej strane. Výsledky potvrdili dôležitosť oboch strán. Tlaková výstuž zvyšuje modul pružnosti, kým ťahová zvyšuje pevnosť v ohybe. Hrubá výstuž má však tendenciu k delaminácii z ťahovej strany. Alternatíva s tenkou bukovou preglejkou a čadičovými vláknami vystuženou polyvinyl acetátovou živicou nepreukázala delamináciu, ale vysokú ťažnosť ktorá dokázala absorbovať veľa energie spôsobenej statickým a dynamickým zaťažením. Drevotriesková doska bola použitá k testovaniu čadičovej mriežky a vplyvu jej uloženia vo vzťahu k povrchu dosky. Potvrdilo sa, že mriežka významne zlepšuje ohybové mechanické vlastnosti a čím bližšie je k povrchu, tým výraznejšie je zlepšenie. Avšak čadičová mriežka vykazovala nízku adhéziu s melamín-močovino formaldehydovou živicou čo umožnilo kĺzanie nití. Vlnitý tvar bol vyvinutý na spevnie drevených nosníkov. Tento tvar bol flexibilný v priečnom smere a tiež zväčšil kontaktnú plochu s nosníkom. Preto nebola pozorovaná žiadna delaminácia vplyvom ohybového napätia alebo napätia vzniknutého z oscilujúcej vlhkosti. Rovná výstuž však bola delaminovaná v oboch prípadoch. Nakoniec boli všetky živice porovnané pre pevnosť spoja s čadičovými vláknami a niektoré perspektívne matice ako fenol-rezorcinol formaldehyd a polyuertán boli odporučené pre vystužovanie dreva.

Abstract:

Wood-based materials can be reinforced in order to homogenize isotropic mechanical properties and decrease variability due to natural defects or simply in order to improve mechanical properties. The type of reinforcement has to be designed according to the final application. This thesis does not focus on some specific product but sets a requirement that final material should withstand a higher load than original wood-based material. Several methods and materials were used to investigate possibilities for plywood, beam, and particleboard. Basalt and carbon fibers were used as a reinforcement. These fibers were woven as plain, twilled and unidirectional fabric. As a matrix, epoxy, polymeric emulsion, polyvinyl acetate, melamine-urea formaldehyde, phenol-resorcinol formaldehyde, and polyurethane resin were tested. Research is divided into articles and each of them deals with a particular problem and uses specific materials. Basalt fabric reinforced epoxy resin was externally mounted on beech plywood and strengthening effect on solely compression and tension side was investigated. Results proved that both sides are important and compression and tension reinforcement increase the modulus of elasticity and bending strength respectively. However, thick reinforcement tent to delaminate from the tension side. Alternatives with thin beech plywood and basalt fiber-reinforced polyvinyl acetate resin did not show delamination but high ductility that could absorb a lot energy caused by the static and dynamic load. Particleboard was used as a base material to test the effect of basalt scrim as well as the effect of scrim position in relation to the panel surface. It was confirmed that scrim significantly improved flexural mechanical properties and the closer to surface scrim was, the higher was an improvement. However, basalt scrim showed low adhesion with melamine-urea formaldehyde that allowed some slippage of yarns. A corrugated shape was developed for timber beams. This shape was flexible in a transverse direction as well as had an enlarged contact area with a beam. Therefore, no delamination due to flexural load and load induced by cyclic moisture was observed. However, flat reinforcement did delaminate in both cases. Finally, all resins were compared for bond strength with basalt fibers and some perspective matrices such as phenol-resorcinol formaldehyde and polyurethane were recommended for wood reinforcement.

Keywords

Čadičové vlákna, Uhlíkové vlákna, Materiály na báze dreva, Výstuž

Keywords

Wood-based materials, Basalt fibers, Carbon fibers, Reinforcement

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 2. 2020

Thesis defence

• Supervisor: doc. Dr. Ing. Pavel Král

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

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