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FTIR-ATR spectroscopic and FTIR-FPA microscopic investigations on panel board production processes using Grand fir (Abies grandis (Douglas ex D. Don) Lindl.) and European beech (Fagus sylvatica L.)

dc.contributor.advisorPolle, Andrea Prof. Dr.de
dc.contributor.authorMüller, Günter Stefande
dc.date.accessioned2008-06-17T15:12:12Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T11:01:54Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:12Zde
dc.date.issued2008-06-17de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B10E-4de
dc.description.abstractDie globale Erwärmung und der Klimawandel beeinflussen die Zusammensetzung der Wälder in Deutschland und erfordern den Umbau heimischer Waldbestände. Daraus ergeben sich als langfristige Ziele im Hinblick auf die Forstwirtschaft unter anderem der Umbau von Monokulturen zu nachhaltig bewirtschafteten Mischbeständen und die Erhöhung des Anteils von Laubgehölzen. Damit verbunden ist das kontinuierliche Anwachsen des Anteils der Buche (Fagus sylvatica L.). Des Weiteren gibt es eine wachsende Nachfrage für Biomasse aus Holz, was die Einführung schnell wachsender Arten mit hoher Stresstoleranz erfordert, mit dem Ziel, nachhaltigen Waldbau während des Klimawandels zu ermöglichen. Die Küstentanne (Abies grandis (Douglas ex D. Don) Lindl.) ist eine schnell wachsende, aber in Deutschland noch immer unbekannte Baumart. Da sie ökologisch mit heimischen Baumarten gut verträglich und bekannt für ihre Trockenheitstoleranz ist, hat sie das Potential, um in nachhaltig bewirtschaftete Forstbestände von Buche eingebracht zu werden. Es besteht jedoch wenig bis keine Erfahrung der Industrie in der Verarbeitung des Holzes von Buche und Küstentanne zu zusammengesetzten Holzwerkstoffen. Besonders für die industrielle Verwendung des Holzes ist das Wissen um die chemische Zusammensetzung von Rohmaterial, Zwischen- und Endprodukten von großer Wichtigkeit. Das übergreifende Ziel dieser Arbeit war es, unter Verwendung der Fourier transform infrarot (FTIR) attenuated total reflectance (ATR) Spektroskopie und der FTIR-Mikroskopie kombiniert mit einem Focal plane array Detektor (FPA) zur Information über Holzeigenschaften und chemische Veränderungen während der Entwicklung neuartiger Holzwerkstoffe aus Küstentanne und Buche beizutragen. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Arten von Lignin und Cellulose mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie charakterisiert. FTIR-ATR-spektroskopische Analysen von chemischen Veränderungen von Küstentanne und Buche während der Produktion zu neuartigen Holzwerkstoffen wurden durchgeführt, um die Kontrolle des Produktionsprozesses zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel war es, die FTIR-Mikroskopie als neue Methode zur bildlichen Darstellung der räumlichen Verteilung von chemischen Komponenten in Holz einzuführen. Um diese Ziele zu erreichen wurden neuartige Holzwerkstoffe wie mitteldichte Faserplatten (MDF), Holzfaserdämmstoffplatten und Spanplatten aus Küstentanne und Buche zur Verfügung gestellt und mit FTIR-ATR-Spektroskopie analysiert. Dies galt auch für Vollholz als Rohmaterial und Fasern und Spänen als Zwischenprodukte. Des Weiteren wurden die verwendeten Bindemittel wie Kartoffelpülpe und Kartoffelstärke, Melamin-Urea-Formaldehyd (MUF) und Urea-Formaldehyd (UF) -Harz, beide mit beigemischtem Paraffin, mit ATR untersucht. Um chemisch unterschiedliche Typen von Lignin und Cellulose zu bestimmen, wurden technisches und Klason Lignin ebenso wie industriell hergestellte Cellulose mit Hilfe von FTIR analysiert. Die erhaltenen Spektren wurden auf zwei unterschiedliche Arten ausgewertet. Zunächst wurden die Banden der FTIR-Spektren direkt interpretiert und, basierend auf veröffentlichten Daten, den mutmaßlichen chemischen Komponenten zugeordnet. Nachfolgend wurden die FTIR-Spektren mit multivariaten Methoden untersucht. Die Clusteranalyse wurde als unabhängige statistische Methode verwendet, um die intrinsischen Verhältnisse der Proben aufgrund ihrer spektralen Heterogenität zu analysieren. Des Weiteren wurde die Hauptkomponentenanalyse (PCA) verwendet um die Wellenzahlen der spektralen Hauptkomponenten zu identifizieren, die für die Unterschiede zwischen den Spektren verantwortlich sind. Die FTIR-Mikroskopie mit einem Focal plane array (FPA) Detektor wurde verwendet, um die Verteilung der chemischen Komponenten in Holzschnitten von Küstentanne und Buche zu untersuchen. Die erhaltenen spektralen Daten wurden mit zwei unabhängigen Methoden ausgewertet. Um Lignin und Cellulose im Image darzustellen, wurde der typische Wellenzahlbereich für Lignin (1530-1490 cm-1) oder für Cellulose (1390-1350 cm-1) integriert. Die zweite, so genannte Korrelationsmethode, wurde als neue Methode zur Auswertung des FPA Datensatzes angewandt. Die Spektren einer FPA Messung wurden mit einem ATR Referenzspektrum der jeweilig interessierenden chemischen Komponente korreliert. Für beide Auswertungsmethoden wurden die resultierenden FTIR-FPA Images als farbkodierte Bilder dargestellt, welche die räumliche Verteilung der jeweiligen Komponente zeigten. Nachfolgend wurden die FPA Images mit der Raster-transmissionselektronenmikroskopie (STEM) als einer unabhängigen optischen Methode validiert. Lignin wurde mit Quecksilber markiert und indirekt durch die Bestimmung des Quecksilbers in Früh- und Spätholzzellen von Vollholzschnitten der Küstentanne mit STEM-EDX bestimmt. EDX-Mappings wurden für eine ähnliche Fläche der Probe aufgenommen wie für die FPA-Messungen, aber mit wesentlich höherer Auflösung. Des Weiteren wurden TEM-EDX Punktmessung en durchgeführt, um den Ligningehalt in den einzelnen Zellabschnitten zu analysieren. Spektroskopische Analysen des Produktionsprozesses von Rohholz der Küstentanne und der Buche zu unterschiedlichen Holzwerkstoffplatten zeigten Veränderungen in den ATR-Spektren in Abhängigkeit vom jeweiligen Produktionsschritt. Unterschiede in den Absorbance Units, der Position der Banden und der Bandenzahl konnten nachgewiesen und Lignin und Holocellulose zugeordnet werden. Verglichen zu den Zwischenprodukten modifizierte das zugegebene Bindemittel die chemischen Verbindungen in den MDF und Spanplatten. Dies war z.B. in signifikanten Abweichungen der Methyl- und Methylengruppe (2938, 2882 cm-1) sichtbar, die durch das beigegebene Paraffin verursacht wurden. Sekundäre Amide wurden als Derivate von MUF und UF-Harz in MDF und Spanplatten identifiziert. Spektren der Holzfaserdämmstoffplatten enthüllten chemische Veränderungen besonders in der O-H Bande der Kohlenhydrate, was die Unterscheidung konventioneller Trocknung von Trocknung durch Mikrowellen ermöglichte. Die Zugaben von Klebern auf erneuerbarer Pflanzenbasis verminderte die spektrale Absorption der daraus resultierenden Produkte, was signifikant mit der Höhe des zugegebenen Bindemittels korrelierte. Clusteranalysen und PCA als unabhängige Methoden ermöglichten die Unterscheidung von Laub- und Nadelholz, dem Rohstoff Holz und dem Endprodukt. Aus den Untersuchungsergebnissen zu den Produktionsschritten von Holzwerkstoffplatten aus Buche und Küstentanne kann man schließen, dass die FTIR-Spektroskopie kombiniert mit multivariater Datenanalyse verwendet werden kann, um die Optimierung und Kontrolle von Produktionsprozessen zu unterstützen. Des Weiteren ermöglicht die Technik die Qualitätskontrolle neuartiger Holzwerkstoffplatten, wie auch die von anderen Holzprodukten. Zusätze auf petrochemischer und biologischer Basis können spektroskopisch bestimmt und voneinander getrennt werden. Einflüsse auf das Holz, verursacht durch den jeweiligen Produktionsprozess, sind nachweisbar. Des Weiteren wurde die beschriebene Technik dazu verwendet, signifikante Abweichungen in den Spektren der unterschiedlichen Typen von Lignin zu identifizieren, die in unterschiedlichen Positionen der Banden und deren Anzahl sichtbar wurden. Dies ermöglichte die Unterscheidung von technischem und säureunlöslichem Lignin durch direkte Spektreninterpretation. FTIR-ATR Messungen der unterschiedlichen Typen von Cellulose resultierten in ähnlichen Spektren. Trotz dieser sehr geringen spektralen Heterogenität war es mit Hilfe der Clusteranalyse möglich, innerhalb der Lignin- und Celluloseproben die Spektren getrennt darzustellen. Die FTIR-FPA-Mikroskopie wurde zur Lokalisierung der chemischen Komponenten in Vollholz von Küstentanne und Buche verwendet. Die räumliche Verteilung der Cellulose war homogen, jedoch wurden Bereiche mit etwas erhöhtem Cellulosegehalt identifiziert. Dies galt für beide Baumarten. Hohe Ligningehalte wurden besonders in der Mittellamelle, den Zellecken und den Holzstrahlen nachgewiesen. Die STEM-EDX-Mappings, verwendet um die räumliche Verteilung von Lignin in holzigen Zellen mit hoher Auflösung darzustellen, bestätigten die durch die FTIR-Mikroskopie erhaltenen Ergebnisse. Dies traf auch für die TEM-EDX Einzelpunktmessungen zu, mit denen der größte Ligningehalt in der Mittellamelle nachgewiesen werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur erweiterten Anwendung der FTIR-spektroskopischen Techniken in der Holzverarbeitung und zur Qualitätskontrolle bei. Dies eröffnet neue Felder der Anwendungsmöglichkeiten der FTIR-Technik, besonders für Untersuchung von Holzprodukten auf herkömmlicher und biologischer Basis. Die Ergebnisse befürworten, dass die Küstentanne für die Verwertung in neuartigen Holzprodukten geeignet ist und können dazu beitragen, ein Anreiz für die Forstwirtschaft zum vermehrten Anbau dieser Baumart zu sein.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.htmlde
dc.titleFTIR-ATR spectroscopic and FTIR-FPA microscopic investigations on panel board production processes using Grand fir (Abies grandis (Douglas ex D. Don) Lindl.) and European beech (Fagus sylvatica L.)de
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedFTIR-ATR spektroskopische und FTIR-FPA mikroskopische Untersuchungen an Produktionsprozessen von Holzwerkstoffplatten aus Küstentanne (Abies grandis) und Rotbuche (Fagus sylvatica L.)de
dc.contributor.refereePolle, Andrea Prof. Dr.de
dc.date.examination2008-06-06de
dc.subject.dnb580 Pflanzen (Botanik)de
dc.description.abstractengGlobal warming and climate change affect the composition of German forests and require the reconstruction of domestic forest stands. As a consequence, long-term goals of forestry are the reconstruction of monospecific forests into mixed stands with an increase of broad leaved tree species. Therefore, the ratio of European beech (Fagus sylvatica L.) is continuously increasing. Furthermore, there is rising demand of woody biomass, which requires introduction of species with high growth potential and stress tolerance to enable sustainable cultivation in a changing climate. Grand fir (Abies grandis (Douglas ex D. Don) Lindl.) is a fast growing but nation-wide still unknown tree species. Since it is ecologically compatible with the domestic tree species and is known to be drought tolerant, it offers the potential to being introduced into sustainable forest stands with beech. However, there is little to no experience of industry in processing wood of Grand fir to derived timber products. Especially for industrial wood use, knowledge on the chemical composition of raw materials, intermediate and final products is of great importance. The overarching goal of this thesis was to contribute information on wood properties and chemical changes during the development of innovative wood-based panels of Grand fir and European beech using Fourier transform infrared (FTIR) attenuated total reflectance (ATR) spectroscopy and FTIR microscopy combined with a focal plane array detector (FPA). For this purpose, different types of lignin and cellulose were characterized by means of FTIR spectroscopy. FTIR-ATR analyses of chemical modifications of Grand fir and beech wood during processing to novel derived timber products were accomplished to enable the control of production processes. A further goal was to introduce FTIR microscopy as a novel method for illustrating the spatial distribution of chemical components in wood tissue. To address these goals, novel wood-based panels, such as medium density fiberboards (MDF), insulating wood fiberboards and particleboards, composed of beech and Grand fir solid wood were produced and analyzed by FTIR-ATR spectroscopy. This held true for solid wood as raw material and fibers and particles as intermediate wood products. Furthermore, binders, such as potato pulp and potato starch, melamine-urea-formaldehyde (MUF) - and urea-formaldehyde (UF) -resin, both admixed with paraffin, were investigated with ATR. To characterize chemically different types of lignin and cellulose, technical and acid-insoluble Klason lignin as well as industrial produced cellulose were analyzed by means of FTIR-ATR. The obtained spectra were evaluated in two different ways; first, the bands of the FTIR spectra were interpreted directly and tentatively assigned to chemical compounds, based on published data. Subsequently, the FTIR-ATR spectra were investigated with multivariate methods. Cluster analysis as an unsupervised and unbiased statistical method was used to analyze the intrinsic relationships of the samples, based on their spectral heterogeneity. Furthermore, principle component analysis (PCA) was applied to identify wavenumbers of the main spectral components responsible for differences between the spectra. FTIR microscopy combined with a focal plane array (FPA) detector was used to analyze the localization of chemical components in wood sections of Grand fir and European beech. The obtained spectral data were evaluated with two independent methods. To image lignin and cellulose a wavenumber range typical for lignin (1530-1490 cm-1) or for cellulose (1390-1350 cm-1) was integrated. The second method, called correlation method, was applied as novel method for evaluating the FPA data set. The spectra of one FPA measurement were correlated with a pure ATR reference spectrum of the chemical component of interest. For both evaluation methods, the resulting FTIR-FPA images were illustrated in color coded images, respectively, revealing the spatial distribution of the component of interest. Subsequently, the FPA images were validated by Scanning transmission electron microscopy (STEM) combined with Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) as an independent optical method. Lignin was labeled with mercury (Hg) and detected indirectly by determining Hg in early and latewood cells of Grand fir solid wood sections with STEM-EDX. EDX-mappings were recorded for the similar sample area as for the FPA measurements, but with much higher resolution. Furthermore, TEM-EDX point measurements were generated to analyze the lignin content in different cell compartments. Spectroscopic analyses on the processing of Grand fir and beech solid wood to different types of wood-based panels revealed changes in the recorded ATR spectra, depending on the particular production step. In general, differences in the absorbance units, band positions or number of bands were identified and tentatively assigned to lignin and holocellulose. In the medium dense fiberboards (MDF) and particleboards, the added binder and heat treatment during the pressing process modified the chemical compounds in the plates compared to the intermediate wood products. This was visible e.g. in significant deviations of the methyl- and methylene groups (2938, 2882 cm-1) caused by the admixed paraffin. Secondary amides as derivatives of the MUF- and UF resin were identifiable in MDF and particleboards. Spectra of the insulating wood fiberboards revealed chemical modifications especially at the O-H association band of carbohydrates, which enabled the differentiation of conventional and microwave drying of the fiber mats. Additions of plant-based renewable adhesives diminished the spectral absorbance of the resulting products and were significantly correlated with the amount of added binder. Cluster analysis and PCA as multivariate methods enabled a differentiation between hard- and softwood, raw material and final product. Based on the results obtained during the investigations on panel board processing of beech and Grand fir, it is concluded that FTIR spectroscopy combined with multivariate data analysis can be used to support the optimization and control of production processes. Petro-chemical and bio-based additives can be determined and separated, as well as the influences of the particular production processes on the chemical composition of wood. Thus, the technique enables quality control of innovative wood-based panels as well as that of other wood products. Furthermore, the FTIR-ATR technique was used to identify significant deviations in the spectra of different lignin types, visible in different band positions and a varying number of bands. This enabled the separation of technical and acid-insoluble lignin by direct spectra interpretation. FTIR-ATR measurements of the different types of cellulose resulted in similar spectra. Despite very low spectral heterogeneity evaluation by cluster analysis enabled a separation of the lignin and cellulose, respectively. FTIR-FPA microscopy was used to investigate the localization of chemical components in solid wood sections of Grand fir and European beech. The spatial distribution of cellulose was homogenously. However, areas with slightly higher accumulation of cellulose were identifiable. This held true for both tree species. High lignin contents were detected especially in the area of the middle lamellae, the angles of the cells and in the wood rays. STEM-EDX mappings, used for illustrating the spatial distribution of lignin in woody cell walls at high resolution, confirmed the results obtained by FTIR microscopy. This held true for the TEM-EDX point measurements, which identified the highest lignin content in the compound middle lamellae. The results of this thesis contribute to widen the application of FTIR spectroscopic techniques in wood processing and for quality control. This opens new fields of FTIR application, particularly in investigating the processing of conventional and bio-based wood products. The results support that Grand fir is suitable for utilization in derived timber products industry for novel products and may contribute to stimulate an increased cultivation of this tree species in domestic forestry.de
dc.contributor.coRefereeSchütz, Stefan Prof. Dr.de
dc.subject.topicForest Sciences and Forest Ecologyde
dc.subject.gerBindemittelde
dc.subject.gerCellulosede
dc.subject.gerClusteranalysede
dc.subject.gerEuropäische Normungde
dc.subject.gerFTIR-ATR Spektroskopiede
dc.subject.gerFTIR-FPA Mikroskopiede
dc.subject.gerFocal plane array Detektorde
dc.subject.gerHolzfaserdämmstoffplattede
dc.subject.gerLaubholzde
dc.subject.gerLigninde
dc.subject.gerMDFde
dc.subject.gerMitteldichte Faserplattede
dc.subject.gerNachwachsende Rohstoffede
dc.subject.gerNadelholzde
dc.subject.gerSpanplattede
dc.subject.gerSTEMde
dc.subject.engAdhesivesde
dc.subject.engCellulosede
dc.subject.engCluster analysisde
dc.subject.engEuropean standardizationde
dc.subject.engFocal plane array detectorde
dc.subject.engFTIR-ATR spectroscopyde
dc.subject.engFTIR-FPA microscopyde
dc.subject.engHardwoodde
dc.subject.engInsulating wood fiberboardde
dc.subject.engLigninde
dc.subject.engMedium density fiberboardde
dc.subject.engMDFde
dc.subject.engParticleboardde
dc.subject.engPCAde
dc.subject.engRenewable resourcesde
dc.subject.engSoftwoodde
dc.subject.engSTEMde
dc.subject.bk48de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1819-1de
dc.identifier.purlwebdoc-1819de
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.identifier.ppn617896232de


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