MDF Recycling: Recovering fibres from fibreboards for further material utilisation with a focus on the chemical and morphological alteration of the recovered fibres

by Fahriye Yağmur Bütün Buschalsky
Cumulative thesis
Date of Examination:2022-08-19
Date of issue:2023-02-01
Advisor:Prof. Dr. Carsten Mai
Referee:Prof. Dr. Carsten Mai
Referee:Prof. Dr. Stergios Adamopoulos
Referee:Prof. Dr. Ursula Kües
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9695

 

 

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Format:PDF
Description:Cumulative dissertation - Fahriye Yağmur Bütün Buschalsky

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Abstract

English

The present research was performed within the scopes of the DFG Research Training Group 1703 “Resource Efficiency in Interorganizational Networks” and AiF Project GmbH (project No. 16KN065229), which aims at developing a new fibreboard recycling technique based on thermo-hydrolytic disintegration by focusing on the further material usage of the waste fibreboards while preserving the fibrous morphology of the wood element and increasing the added-value compared to combustion (energy recovery). The results have been gathered in total as six manuscripts for being published or are submitted for publishing elsewhere. Medium density fibreboard (MDF) is uniform, dense, smooth, and free of knots and grain patterns, and is an excellent substitute for solid wood in many applications. As the name suggests, the MDF has density range between 500 to 800 kg m-3 and is manufactured by hot-press consolidation with a thermo-setting adhesive resulting in an entire inter-fibre bonding of the fine lignocellulosic fibres. MDF is the second most important wood-based panel (WBP) after particleboard, hence, the global MDF production has reached above 90 million m3 in 2017 and 2018. MDF tends to be used in indoor applications such as furniture, laminate flooring and panelling. It is estimated that nearly 50 million m3 of waste MDF was generated across the world in 2016 alone. Alternative approaches for the disposal of this waste are missing and need to be considered, such as recycling the waste into further value-added uses. However, a commercially viable method for MDF recycling has not been found yet. Additionally, energy recovery (combustion for energy production) is not an option in many EU countries, due to the lack of sufficient incinerator capacity for burning waste MDF. Therefore, large volumes of MDF must have accumulated across Europe. Furthermore, introducing the recovered fibres back into the MDF manufacturing as a raw material requires careful control to avoid upsetting the process or affecting the board quality. In order to preserve the fibrous morphology of the recovered lignocellulosic fibre material, while releasing the fibres from the thermosetting resin matrix, the thermo-hydrolytic disintegration process would be the best option. Thus, in this thesis, the thermo-hydrolytic disintegration process has been chosen as the main technique for recovering the wood fibres from waste fibreboards. As a result of this disintegration process, recovered fibres (RF) and disintegration water (DW) were obtained. Obtained recovered fibres, when compared to virgin fibres (VF), were found to be shortened which could be attributed to the disintegration conditions and have altered chemical properties resulting in higher pH and formaldehyde emissions due to the remaining resin. Moreover, RF were further utilized for manufacturing either new MDF panels or wood polymer composites (WPC). When utilized for manufacturing new MDF, even the utilisation of 100 % RF did not cause significantly lower strength properties than that of panels made of 100 % VF. However, introducing the screw press process for drying the RF after the disintegration caused decreased strength properties compared to the original MDF panels containing VF. Although, mixing screw-pressed and air-dried RF with VF improved these properties, the strength of the panels containing solely VF were not achieved. Furthermore, WPC formulations containing RF exhibited improved mechanical and water-related properties, even though they provided similar physico-mechanical results to those containing VF. The study has also shown that obtained DW exhibited higher pH values, N as well as formaldehyde contents while containing significant levels of reducing sugar and equivalents when compared to demineralized water. The findings of this dissertation not only make several scientific contributions to the current literature, but also suggest utilizing RF obtained after the thermo-hydrolytic disintegration of waste MDF for manufacturing new MDF and WPC to ensure a more efficient utilization of these wood resources. Further research might be carried out to explore how different mixing proportions of RF and VF effect the strength properties of these possible utilisation areas, especially new MDF.
Keywords: MDF; Fibreboard; recycling; Wood Based Panels; WPC; Wood Polymer Composites; recovered fibres; formaldehyde emission; fibre morphology; Themo-hydrolytic disintegration; mechanical properties; physical properties

German

Die vorliegende Studie wurde im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs 1703 "Ressourceneffizienz in interorganisatorischen Netzwerken" und der AiF Project GmbH (Projekt Nr. 16KN065229) durchgeführt und verfolgt das Ziel der Entwicklung eines neuen Faserplattenrecyclingverfahrens auf Basis eines thermohydrolytischen Aufschlusses. Dabei lag der Fokus auf der stofflichen Weiternutzung der Altfaserplatten bei gleichzeitiger Erhaltung der Fasermorphologie des Holzelements sowie der Erhöhung der Wertschöpfung gegenüber der Verbrennung (energetische Verwertung). Die Ergebnisse wurden in insgesamt sechs Manuskripten zusammengetragen, die zur Veröffentlichung bestimmt sind oder zur Veröffentlichung an anderer Stelle eingereicht wurden. Mitteldichte Faserplatten (MDF) sind uniform, dicht, glatt und frei von Ästen und Maserungen und stellen in vielen Anwendungsbereichen einen leistungsfähigen Ersatz für Massivholz dar. Dem Namen entsprechend weist MDF eine Dichte zwischen 500 und 800 kg m-3 auf und wird durch Heißpressen mit einem wärmehärtenden Klebstoff hergestellt, welcher zu einer vollständigen Bindung der feinen Lignocellulosefasern untereinander führt. MDF ist auf dem Weltmarkt nach Spanplatten die zweitwichtigste Holzwerkstoffplatte, mit einer jährlichen Produktionsmenge von über 90 Mio. m3 in den Jahren 2017 und 2018. MDF wird in der Regel für Innenanwendungen wie Möbel, Laminatböden und Verkleidungen verwendet. Allein im Jahr 2016 fielen weltweit schätzungsweise fast 50 Mio. m3 MDF-Abfälle an. Für die Entsorgung dieser Abfälle müssen alternative Ansätze, wie z.B. das Recycling der Abfälle für andere Einsatzzwecke, in Betracht gezogen werden, wobei jedoch bisher noch keine wirtschaftlich tragfähige Methode für dieses Vorhaben verfügbar ist. Darüber hinaus ist die energetische Verwertung von MDF-Abfällen (Verbrennung zur Energieerzeugung) in vielen EU-Ländern keine Option, da nicht genügend Verbrennungskapazitäten zur Verfügung stehen. Dies hat eine Ansammlung großer MDF-Mengen innerhalb Europas zur Folge. Weiterhin erfordert die Rückführung der wiedergewonnenen Fasern als Rohstoff in die MDF-Herstellung eine sorgfältige Kontrolle, damit der Prozess nicht gestört oder die Qualität der Platten beeinträchtigt wird. Um die faserige Morphologie des zurückgewonnenen lignozellulosehaltigen Materials zu erhalten und gleichzeitig die Fasern aus der wärmehärtenden Harzmatrix zu lösen, erscheint das thermohydrolytische Aufschlussverfahren als beste Option, weshalb dieses innerhalb der vorliegenden Studie als Haupttechnik zur Rückgewinnung der Holzfasern aus Altfaserplatten gewählt wurde. Als Ergebnis dieses Aufschlussverfahrens wurden rückgewonnenen Fasern (RF) und Aufschlusswasser (DW) gewonnen. Die RF waren im Vergleich zu den Frischfasern (VF) aufgrund der Aufschlussbedingungen verkürzt und wiesen veränderte chemische Eigenschaften auf, welche anhand eines höheren pH-Werts sowie der Freisetzung von Formaldehydemissionen aufgrund des verbleibenden Harzes charakterisiert werden konnten. Darüber hinaus wurden RF zur Herstellung von neuen MDF-Platten oder von Holz-Polymer-Verbundwerkstoffen (WPC) weiterverwendet. Bei der Herstellung ersterer führte selbst die Verwendung von 100 % RF bei Lufttrocknung nicht zu wesentlich geringeren Festigkeitseigenschaften als bei Platten aus 100 % VF. Der Einsatz des Schneckenpressverfahrens zur Trocknung der RF nach dem Aufschluss hingegen führte zu einer Verringerung der Festigkeitseigenschaften im Vergleich zu den ursprünglichen MDF-Platten mit VF. Obwohl durch die Mischung von gepressten und luftgetrockneten RF mit VF diese Eigenschaften verbessert werden konnten, wurde die Festigkeit der Platten, die nur VF enthielten, nicht erreicht. Darüber hinaus wiesen WPC-Formulierungen, die RF enthielten, bessere mechanische und wasserbezogene Eigenschaften auf, obwohl sie ähnliche physikalisch-mechanische Ergebnisse lieferten wie die Formulierungen, die VF enthielten. Die Studie hat auch gezeigt, dass das gewonnene DW im Vergleich zu entmineralisiertem Wasser höhere pH-Werte, N- und Formaldehyd-Gehalte aufweist und gleichzeitig signifikante Mengen an reduzierenden Zuckeräquivalenten enthält. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern nicht nur mehrere wissenschaftliche Beiträge zur aktuellen Literatur, sondern geben auch Anlass zu der Empfehlung, die nach dem thermohydrolytischen Aufschluss von MDF-Abfällen gewonnenen RF zur Herstellung neuer MDF und WPC zu verwenden, um eine effizientere Nutzung dieser Holzressourcen zu gewährleisten. Weitere Forschungsarbeiten könnten durchgeführt werden, um zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Mischungsverhältnisse von RF und VF auf die Festigkeitseigenschaften dieser möglichen Verwendungsbereiche, insbesondere neuer MDF, auswirken.
 
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