Process optimization of thermal modification of Chilean Eucalyptus nitens plantation wood

by Maximilian Wentzel
Doctoral thesis
Date of Examination:2019-01-29
Date of issue:2019-02-22
Advisor:Prof. Dr. Holger Militz
Referee:PD Dr. Christian Brischke
Referee:Prof. Dr. Carsten Mai
Referee:Prof. Dr. Andrea Polle
Referee:Prof. Dr. Christian Ammer
Referee:Prof. Dr. Dr. František Hapla
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7281

 

 

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Abstract

English

Eucalyptus nitens is one of the most important fast growing plantation species in Chile. Currently it is mostly used for pulp and paper, but in recent years there has been a growing market for solid wood products to increase the economic returns, and an increasing interest on producing high quality materials from this species. Thermal modification technologies show potential to produce high quality material and have been used for other eucalypt species. Temperatures vary between 150 and 240°C and the limitation of oxygen content in the process is the most common feature of the thermal modifications currently available on the market. Main differences are the shielding gases used (steam or nitrogen for example) and the pressure applied to open or closed processes. Open processes work under atmospheric pressure, mostly use superheated steam, and are considered “dry processes”, as the wood moisture content (MC) decreases considerably during the process. Closed systems enable elevated pressure levels during the modification, which makes the modification process faster. They are considered “wet/moist processes”, as the MC during the process is higher than in the closed system. The elevated MC, in conjunction with the accumulation of carboxylic acids in the wood, has been suggested as the main cause of the accelerated degradation of the wood during these processes. However, it still remains unclear if the properties of thermally modified wood from open and closed processes are significantly different. These differences need to be explored to avoid the use of thermally modified wood with properties that do not fit for specific products or applications. To further understand the mechanism and the differences between these two types of modifications and to analyse the potential of E. nitens as thermally modified wood, the material was modified in a closed system under elevated pressure generated by steam and controlled relative humidity (30 and 100% RH) at temperatures between 150 and 170°C, and in an open system with a standard thermal modification procedure under saturated steam between 160 and 230°C. The chemical composition (hemicelluloses, cellulose, lignin, extractives, acetic acid, formic acid, total phenols, cellulose degree of polymerization and degree of crystallinity) was measured. Selected mechanical properties (modulus of elasticity (MOE), modulus of rupture (MOR), resistance to impact milling (RIM) and deflection and work in bending) were assessed and the influence of the chemical changes on these properties was analysed. Changes in wood anatomy during modification were examined and the reversible and irreversible effects of the hygroscopicity were investigated. All these properties were compared using the corrected mass loss (CML), which is the oven dry mass loss of extractive free wood, to analyse the differences/similarities between both thermal modification processes. The chemical changes made it possible to differentiate between open and closed system modifications, as the strongest differences between the modifications were specifically the hemicelluloses (xyloses), acid content and cellulose degree of polymerization. Even if the mechanical and anatomical properties showed no significant differences between the open and closed processes, MOR showed a strong correlation with those chemical changes, influencing the deflection and work in bending. These differences could be clearly be seen when comparing open and closed system modifications with similar CML. The differences between open and closed systems were also noticeable in the reversible changes in equilibrium moisture content (EMC) and volumetric swelling (Smax) after continuous water soaking cycles. These cycles partially lessened the reduction in EMC and Smax after the modification processes. This is related in the open system modification to the removal of the drying related effects of amorphous polymers, while the removal of the cell wall bulking effect was the main effect in the closed system modifications at high RH. These effects also influence the mechanical and chemical properties of the modified wood. It was shown in an experimental run that thermally modified E. nitens wood has the potential to be used for decking material, as it fulfils all the requirements regarding the surface hardness, anti-swelling efficiency (ASE), EMC, volumetric swelling, and abrasion resistance to be used as decking material. Overall, the results obtained in this study can be used as guidelines for the selection of the type of modification to be used for this species, which will depend on the desired properties of the final product and the quantity of material to be produced.
Keywords: Eucalyptus; thermally modified wood; mass loss; open system modification; closed system modification; extractives; structural polymers; modulus of elasticity (MOE); modulus of rupture (MOR); equilibrium moisture content (EMC); swelling

German

Eucalyptus nitens ist eine der wichtigsten schnell wachsenden Plantagenbaumarten in Chile. Sein Holz wird hauptsächlich für Zellstoff und Papier verwendet, seit einigen Jahren gibt es jedoch, durch ein steigendes Interesse an hochwertigen Produkten aus dieser Holzart, einen wachsenden Markt für Massivholzprodukte, wodurch finanzielle Erträge erhöht werden. Thermische Modifizierungstechnologien haben ihr Potenzial bei der Herstellung von qualitativ hochwertigem Material bereits unter Beweis gestellt und wurden schon für andere Eukalyptusarten (zum Beispiel Eucalyptus globulus) verwendet. Temperaturen zwischen 150 und 240 °C und die Begrenzung des Sauerstoffgehalts im Prozess sind die Charakteristika der thermischen Modifizierungen, die aktuell auf dem Markt verfügbar sind. Die Prozesse unterscheiden sich durch die verwendeten Arbeitsgase (zum Beispiel Wasserdampf oder Stickstoff) und den Druck, der in offenen oder geschlossenen Prozessen herrscht. Offene Verfahren arbeiten unter Atmosphärendruck und verwenden häufig überhitzten Wasserdampf. Diese Verfahren gelten als „Trockenprozesse“, da die Holzfeuchte während des Prozesses stark abnimmt. Geschlossene Systeme arbeiten mit Überdruck während der Modifikation, wodurch die Modifikationsdauer reduziert wird. Sie gelten als „Feucht-Prozesse“, da die Holzfeuchte während und nach des Prozesses höher ist als beim offenen Prozessen. Die erhöhte Holzfeuchte bei die geschlossene Prozessen, in Verbindung mit der Akkumulation von Carbonsäuren im Holz, wird als Hauptursachen für die beschleunigte Degradation des Holzes angesehen. Es ist jedoch ungeklärt, ob sich Eigenschaften von thermisch modifiziertem Holz aus offenen und geschlossenen Prozessen signifikant unterscheiden. Diese Unterschiede sollen in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, um eine den Eigenschaften entsprechende Verwendung und Anwendung von thermisch modifiziertem E. nitens Holz zukünftig zu gewährleisten. Um die Mechanismen und die Unterschiede zwischen diesen beiden Modifizierungssystemen besser zu verstehen, und das Potential von E. nitens als thermisch modifiziertes Holz zu analysieren, wurde das Material in einem geschlossenen und einem offenen System modifiziert. Beim geschlossenen Verfahren fand die Modifizierung unter hohem Druck, der durch Dampf erzeugt wurde, kontrollierter relativer Feuchtigkeit (30 und 100 % RH), und bei Temperaturen zwischen 150 und 170 °C statt; im offenen System erfolgte sie unter Sattdampf zwischen 160 und 230 °C. Die chemische Zusammensetzung (Hemicellulosen, Cellulose, Lignin, Extraktstoffe, Essigsäure, Ameisensäure, Phenole, Polymerisationsgrad der Cellulose und Kristallinitätsgrad) wurden analysiert. Ausgewählte mechanische Eigenschaften (Elastizitätsmodul (MOE), Biegefestigkeit (MOR), strukturelle Integrität und Durchbiegung und Biegearbeit) wurden bestimmt und der Einfluss chemischer Veränderungen auf diese Eigenschaften diskutiert. Veränderungen in der Holzanatomie nach der Modifikation wurden untersucht und die reversiblen und irreversiblen Effekte auf die Hygroskopizität näher betrachtet. Die so für beide Modifizierungsprozesse erhaltenen Materialkennwerte wurden unter Verwendung des korrigierten Massenverlusts (CML), der dem Masseverlust von extraktfreien Holz entspricht, verglichen. Chemischen Veränderungen zeigten am deutlichsten den Unterschied zwischen dem offenen und geschlossenen Prozess. Die Hemicellulosen (z.B. Xylose), der Säuregehalt und der Polymerisationsgrad der Cellulose unterschieden sich am stärksten. Auch wenn die mechanischen und anatomischen Eigenschaften keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Systemen aufwiesen, zeigte der Elastizitätsmodul eine Korrelation mit den chemischen Veränderungen, was die Durchbiegung und Biegearbeit beeinflusst und auf ein spröderes Holz nach Modifizierung im geschlossenen System hindeutet. Diese Unterschiede waren beim Vergleich offener und geschlossener Systemmodifikationen mit ähnlicher CML deutlich zu erkennen. Auch bei den reversiblen Änderungen der Gleichgewichtsfeuchte (EMC) und der volumetrischen Quellung (Smax) nach Wassersättigung und Trockungszyklen zeigten sich Unterschiede. Diese Zyklen verringerten teilweise den Einfluss der Modifizierung auf die EMC und Smax. Dies ist im offenen System bedingt durch die Entfernung der trocknungsbedingten Effekte von amorphen Polymeren, und beim geschlossenen Systen durch die Beseitigung des Zellwandfülleffekts bei hohem Druck. Die beschriebenen Effekte beeinflussen auch die mechanischen und chemischen Eigenschaften des modifizierten Holzes. Weiterhin wurde gezeigt, dass thermisch modifiziertes Holz von E. nitens das Potenzial hat, für Terrassendielen verwendet zu werden. Die Ergebnisse zeigten, dass dieses Material alle Anforderungen hinsichtlich Oberflächenhärte, Anti-Schwellungseffizienz (ASE), Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt, Volumenquellung und Abriebfestigkeit erfüllt. Es lässt sich somit sagen, dass sich die in dieser Studie erhaltenen Ergebnisse als Richtlinien für die Auswahl des Modifizierungssystems benutzen lassen, die von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts und der Menge des herzustellenden Materials abhängt.
 
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