Polylactic acid as a binder for lignocellulosic-based insulation materials

by Aldo Joao Cárdenas Oscanoa
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-11-12
Date of issue:2025-11-26
Advisor:PD Dr. Markus Euring
Referee:PD Dr. Markus Euring
Referee:Prof. Dr. Holger Militz
Referee:Prof. Dr. Carsten Mai
Referee:Prof. Dr. Kai Zhang
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11655

 

 

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Abstract

English

This research explores the possible application of a renewable binder in the development of flexible insulation materials derived from lignocellulosic sources. These materials, based on lignocellulosic fibers, can be produced from wood sources, such as hardwoods and softwoods, as well as from non-wood sources like kapok fibers. Given the current emphasis in the wood-products industry on substituting non-renewable binders such as polymethylene diphenyl-diisocyanate (pMDI) and melamine urea formaldehyde (MUF), this research also aims to contribute to the exploration of the potential of using polylactic acid (PLA) as a binder in flexible insulation materials produced with natural fibers and binders. In order to deepen the understanding of the performance of the materials produced with natural fibers and binders, four research studies were conducted, resulting in four publications; 1. Discovering Natural Fiber-Insulation Boards and Natural Adhesives, focused on a Polylactic Acid (PLA) Application – a Review This work presents a comprehensive overview of research centered around insulation products produced from natural fibers and natural adhesives, with a particular focus on polylactic acid (PLA). The study is grounded on the growing concern about the excessive use of petroleum-based resources, prompting scientists to shift their attention towards enhancing the use of natural-origin and renewable resources. The discussion extends to the increasing interest in natural-fiber insulation boards and the role of natural adhesives in supporting these boards to create a wholly eco-friendly product. Additionally, the performance of these natural-fiber insulation materials is typically evaluated through various mechanical and physical properties, including bending, compression, tensile strength, density, water absorption, and thermal conductivity, as well as the technical standards involved. The literature referenced in the study identifies a range of plant-based fibers, particularly wood fibers, alongside natural adhesive sources such as lignin, tannins, and proteins. 2. Wood-fiber insulation boards (WFIB) produced with hardwood and softwoods species and polylactic acid (PLA) fibers as a binder: This study addresses the variability in natural fiber properties by producing flexible insulation boards from different wood species—pine and spruce (softwoods), and beech and birch (hardwoods)—with densities of 80 kg/m³, 100 kg/m³, and 120 kg/m³ using the hot press method. Bicomponent fibers, made of two concentric layers of polylactic acid (PLA), were employed as a renewable-origin binder at a 10 % (w/w, dry basis) proportion. Various technological properties, including short-term water absorption, compression strength, and thermal performance, were assessed. The density of WFIB significantly affects water absorption, compression strength, and thermal conductivity, with all these properties increasing as density increases. Insulation boards produced from hardwood fibers showed higher values for water absorption and compression strength compared to those made with softwoods. The insulation boards produced with softwoods with a density of 80 kg/m3 displayed lower thermal conductivities than those composed of hardwoods. This research highlights the promising potential of producing flexible wood fiber insulation boards utilizing natural and renewable fibers and binders. 3. Wood‑fiber insulation boards produced with polylactic acid as a binder by hot press and hot air: In this research, wood fiber insulation boards (WFIB) were created using polylactic acid (PLA), a renewable and natural-origin binding agent, employing two techniques: hot pressing (HP) and hot air (HA). Boards with densities of 60 kg/m3, 80 kg/m3, and 100 kg/m3, along with PLA concentrations of 5 %, 10 %, and 15 %, were fabricated using both the hot press (HP) and hot air (HA) processes in order to evaluate and understand the effects of all these variables on insulation boards performance. The WFIBs were assessed in their physical properties, including density and short-term water absorption, as well as their mechanical property of compression resistance. Moreover, thermal characteristics such as thermal conductivity and thermogravimetric analysis (TGA) were evaluated. The wood and PLA fibers underwent examination with a scanning electron microscope (SEM) and an optical microscope. For the WFIBs produced, the density values correlate with trends in water absorption, compression strength, and thermal conductivity. The addition of polylactic acid (PLA) enhances the mechanical property of compression strength and improves the physical property of short-term water resistance. In conclusion, wood fiber insulation boards (WFIB) were successfully produced using polylactic acid (PLA) as a binder through both hot press (HP) and hot air (HA) techniques, achieving remarkably low thermal conductivity values that are on par with those of commercial products. 4. Lightweight Natural Fiber Insulation Boards Produced with Kapok Fiber (Ceiba pentandra) and Polylactic Acid or Bicomponent Fiber as a Binder This research focuses on the development of lightweight insulation panels composed of kapok fibers and bound with either PLA or bicomponent fiber. The panels were manufactured using a hot-air process, with kapok fibers making up 95% of the composition and the binder comprising 5%. This composition and process result in remarkably low densities of 10 kg/m3, 15 kg/m3, and 20 kg/m3. The study evaluates technological attributes including density, porosity, water absorption, wettability, compression strength, and thermal conductivity of these panels, comparing them to commercially available glass wool. Findings indicate a direct correlation between water absorption rates and density, suggesting that denser materials tend to absorb more water. All measured short-term water absorption values are below 1 kg/m2, meeting commercial standards. This performance is attributed to the samples' low density and high porosity, along with the natural hydrophobic wax coating on the kapok fiber's cell wall. Similar results are observed in wettability tests, as the kapok fiber boards demonstrate a higher water resistance upon contact. When considering compression as a mechanical property, the binder type and density levels do not significantly influence compression characteristics at the tested low densities. Additionally, the thermal conductivity of the kapok-based panels aligns with commercial standards.
Keywords: polylactic acid; kapok; insulation materials; thermal conductivity; lignocellulosic fibers

German

Diese Forschungsarbeit untersucht die potenzielle Anwendung eines erneuerbaren Bindemittels in flexiblen Dämmstoffen, die aus lignozellulosehaltigen Rohstoffen hergestellt werden. Solche Materialien basieren auf Lignozellulosefasern und können sowohl aus Holzquellen wie Laub- und Nadelholz als auch aus Nichtholzquellen wie Kapokfasern gewonnen werden. Vor dem Hintergrund, dass die Holzindustrie derzeit verstärkt darauf abzielt, nicht erneuerbare Bindemittel wie Polymethylendiphenyldiisocyanat (pMDI) und Melaminharnstoff-Formaldehyd (MUF) zu substituieren, soll diese Arbeit auch das Potenzial der Verwendung von Polymilchsäure (PLA) als Bindemittel in flexiblen Dämmstoffen aus natürlichen Fasern erforschen. Um das Verständnis der Leistungsfähigkeit der mit Naturfasern und Bindemitteln hergestellten Materialien zu vertiefen, wurden vier Forschungsstudien durchgeführt, die in vier Publikationen führten: 1. Die Entdeckung von Naturfaser-Dämmplatten und Naturklebstoffen mit Schwerpunkt auf Polymilchsäure (PLA) – Ein Überblick Diese Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über die Forschung zu Dämmstoffen aus Naturfasern und Naturklebstoffen, mit besonderem Fokus auf Polymilchsäure (PLA). Sie basiert auf der zunehmenden Besorgnis über den übermäßigen Einsatz erdölbasierter Ressourcen, der Wissenschaftler dazu veranlasst, verstärkt natürliche und erneuerbare Rohstoffe zu erforschen. Die Diskussion umfasst das wachsende Interesse an Naturfaserdämmplatten und die Rolle natürlicher Klebstoffe bei der Herstellung vollständig umweltfreundlicher Produkte. Die Leistungsbewertung dieser Dämmstoffe erfolgt üblicherweise anhand mechanischer und physikalischer Eigenschaften wie Biege-, Druck- und Zugfestigkeit, Dichte, Wasseraufnahme und Wärmeleitfähigkeit sowie unter Berücksichtigung der relevanten technischen Normen. Die Literatur verweist auf eine Vielzahl pflanzenbasierter Fasern, insbesondere Holzfasern, sowie auf natürliche Klebstoffquellen wie Lignin, Gerbstoffe und Proteine. 2. Holzfaserdämmplatten aus Laub- und Nadelhölzern mit Polymilchsäurefasern (PLA) als Bindemittel Da Naturfasern eine hohe Variabilität aufweisen, wurden in dieser Studie flexible Dämmplatten aus verschiedenen Holzarten – Kiefer und Fichte (Nadelholz) sowie Buche und Birke (Laubholz) – mit Dichten von 80 kg/m³, 100 kg/m³ und 120 kg/m³ im Heißpressverfahren hergestellt. Als Bindemittel kamen Bikomponentenfasern aus zwei konzentrischen Schichten von PLA in einer Konzentration von 10 % (w/w, Trockenbasis) zum Einsatz. Es wurden technologische Eigenschaften wie kurzfristige Wasseraufnahme, Druckfestigkeit und thermisches Verhalten untersucht. Die Dichte hatte einen signifikanten Einfluss auf Wasseraufnahme, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit; alle Eigenschaften nahmen mit steigender Dichte zu. Dämmplatten aus Laubholzfasern zeigten höhere Werte bei Wasseraufnahme und Druckfestigkeit als solche aus Nadelholz. Dämmplatten aus Nadelholz mit 80 kg/m³ wiesen eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die aus Laubholz. Diese Ergebnisse unterstreichen das vielversprechende Potenzial zur Herstellung flexibler Holzfaserdämmplatten aus natürlichen und erneuerbaren Rohstoffen. 3. Holzfaserdämmplatten mit Polymilchsäure als Bindemittel hergestellt durch Heißpressen und Heißluftverfahren In dieser Studie wurden Holzfaserdämmplatten (WFIB) unter Verwendung von Polymilchsäure (PLA) als erneuerbarem Bindemittel mittels zweier Verfahren hergestellt: Heißpressen (HP) und Heißluft (HA). Dabei wurden Platten mit Dichten von 60 kg/m³, 80 kg/m³ und 100 kg/m³ sowie PLA-Konzentrationen von 5 %, 10 % und 15 % gefertigt, um den Einfluss dieser Variablen auf die Leistung der Dämmplatten zu untersuchen. Holz- und PLA-Fasern wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Lichtmikroskopie analysiert. Die WFIBs wurden hinsichtlich physikalischer Eigenschaften wie Dichte und kurzfristiger Wasseraufnahme sowie mechanischer Eigenschaften wie Druckfestigkeit bewertet. Zudem erfolgte eine Untersuchung der thermischen Eigenschaften, darunter Wärmeleitfähigkeit und thermogravimetrische Analyse (TGA). Die Ergebnisse zeigten, dass die Dichte mit Wasseraufnahme, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit korreliert. Die Zugabe von PLA verbesserte die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Druckfestigkeit, und erhöhte die kurzfristige Wasserbeständigkeit. Zusammenfassend konnten Holzfaserdämmplatten mit PLA als Bindemittel erfolgreich mittels Heißpressen und Heißluftverfahren hergestellt werden, wobei sie niedrige Wärmeleitfähigkeiten erzielten, die mit kommerziellen Produkten vergleichbar sind. 4. Leichte Dämmplatten aus Kapokfasern (Ceiba pentandra) mit Polymilchsäure oder Bikomponentenfasern als Bindemittel Die Studie widmet sich der Entwicklung leichter Dämmplatten aus Kapokfasern, die mittels Heißluftverfahren hergestellt wurden. Die Zusammensetzung umfasst 95 % Kapokfasern und 5 % Polymilchsäure oder Bikomponentenfasern als Bindemittel. So entstanden Platten mit bemerkenswert niedrigen Dichten von 10 kg/m³, 15 kg/m³ und 20 kg/m³. Die Untersuchung umfasste technologische Eigenschaften wie Dichte, Porosität, Wasseraufnahme, Benetzbarkeit, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit, welche mit handelsüblicher Glaswolle verglichen wurden. Es wurde eine direkte Korrelation zwischen Wasseraufnahme und Dichte festgestellt, wobei dichtere Materialien mehr Wasser aufnehmen. Alle gemessenen Kurzzeit-Wasserabsorptionswerte lagen unter 1 kg/m² und erfüllen somit kommerzielle Standards. Diese Leistung wird auf die geringe Dichte, die hohe Porosität sowie die natürliche hydrophobe Wachsbeschichtung der Kapokfaserzellwand zurückgeführt. Die Benetzbarkeitstests zeigten eine erhöhte Wasserresistenz der Kapokplatten. Hinsichtlich der Druckfestigkeit hatten Bindemitteltyp und Dichte bei den niedrigen getesteten Dichten keinen signifikanten Einfluss. Die Wärmeleitfähigkeit der Kapokplatten entsprach ebenfalls den gängigen kommerziellen Standards.
 
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