The influence of melamine treatment in combination with thermal modification on the properties and performance of native hardwoods

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Eigenschaften einheimischer Laubhölzer zu verbessern und potenzielle neue Verwendungen in Außenanwendungen zu finden, die zuvor für die meisten dieser Arten ungeeignet waren. Bestimmte Eigenschaften wie die Ästhetik, die Härte, die Schlagbiegefestigkeit, die Witterungsbeständigkeit und die Rissanfälligkeit sind Probleme der im Handel erhältlichen modifizierten Holzprodukte. Ziel war es, mögliche Lösungen für eine effizientere Nutzung der gut verfügbaren Ressource Buchenholz (Fagus sylvatica L.) und anderer Laubhölzer (Esche (Fraxinus excelsior L.), Linde (Tilia spp.) und Pappel (Populus spp.)) zu erarbeiten und die Kenntnisse über die Imprägnierung von Laubhölzern mit Melaminharz zu erweitern. In dieser Studie wurde zunächst der Aushärtungsprozess der Melaminharzbehandlung eingehend analysiert, da die Eigenschaften modifizierter Materialien von den Parametern des Behandlungsprozesses abhängen. Danach wurden die thermische Modifizierung mit Melaminharzbehandlung kombiniert und die resultierenden elastomechanischen und Bewitterungseigenschaften getestet. Der Einfluss der Härtungsparameter der Melaminharzbehandlung wurde analysiert, um die bestimmenden Faktoren für anwendbare Härtungsprozesse zu identifizieren. Ebenfalls von Interesse war, ob die verwendeten Kontrollmethoden korrekte Antworten darauf liefern, wie die Aushärtung die Materialeigenschaften beeinflusst. Eine Analyse mit dynamischer Differenzkalorimetrie könnte verwendet werden, um die Mindestanforderungen an Temperatur und Dauer für eine vollständige Aushärtung des Melaminharzes in Holz zu bestimmen. Der Stickstoffgehalt und die Stickstofffixierung des behandelten Holzes sollten Aufschluss über die Qualität der Aufnahme des Harzes in die Holzmatrix geben. Der Formaldehydgehalt und die Formaldehydemissionen sollten Auskunft über das gebildete Harznetzwerk geben und ob die Aushärtung abgeschlossen ist. Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie könnte verwendet werden, um das Harz in der Holzmatrix und den Zellwänden zu lokalisieren. Der Einfluss der Aushärtungsvariationen auf die mechanischen Eigenschaften wie Härte, Biegefestigkeit und Schlagbiegefestigkeit wurde ebenfalls untersucht. Weiterhin war es von Interesse, ob die Melaminharzbehandlung mit thermischer Modifizierung kombiniert werden kann. Die mechanischen Eigenschaften und die Witterungsbeständigkeit wurden untersucht. Die dynamische Differenzkalorimetrie zeigte, dass sie die Aushärtungseigenschaften von Melaminharz in Buchenholz gut bestimmt werden kann. Die Aushärtungsreaktion im Hochdrucktiegel setzte bei 110 °C ein und erreichte bei 135 °C ihr Maximum. Die Stickstofffixierung bestätigte, dass höhere Temperaturen und eine längere Aushärtung (> 110 ° C, 24 h) zu vollständig ausgehärtetem Harz führten. Hohe Feuchtigkeit während der Aushärtung beeinflusste die Fixierung negativ. Die Methode zur Bestimmung der Fixierung wirkte sich ebenfalls aus: Das Auswaschen in kaltem Wasser über einen längeren Zeitraum ergab genauere Ergebnisse als die Extraktion in heißem Wasser. Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie zeigte eine gleichmäßige Stickstoffverteilung über die Zellwandquerschnitte der mit Melamin behandelten Buche. In unter trockenen Bedingungen ausgehärteten Proben gab es mehr Mikrorisse als in unter Dampfatmosphäre ausgehärteten Proben. Die Aushärtung unter Dampfatmosphäre führte zu einem leicht erhöhten Harzanteil im Zelllumen im Vergleich zur Trockenhärtung. Die Härtung bei hoher Luftfeuchtigkeit führte des Weiteren zu einer geringeren Versprödung und zu geringeren Formaldehydemissionen als die trockene Aushärtung. Die Biegefestigkeit und die Härte wurden jedoch nicht durch die Aushärtungsbedingungen beeinflusst. Die Behandlung von thermisch modifiziertem Holz mit Melaminharz hatte eine geringere permanente Quellung nach Imprägnierung und Aushärtung zur Folge. Dies hing von der Wärmebehandlungsintensität ab und konnte die Härte, aber nicht die Schlagbiegefestigkeit, erhöhen. Die Bewitterungsbeständigkeit wurde positiv beeinflusst. Je nach Holzart wurden weniger oder kleinere Oberflächenrisse beobachtet. Die Versprödung des thermisch modifizierten Holzes wurde nicht beeinflusst. Einige nützliche Kontrollmethoden für die Aushärtung von Melaminharz in Harthölzern wurden etabliert. Die Testergebnisse dieser Studie sollten eine Grundlage für die Herstellung eines langlebigen Produkts aus nicht dauerhaften einheimischen Laubhölzern sein.

The objective of this study was to improve the properties of native hardwoods and find potential new applications in exposed environments that had previously been unsuitable for most of these species. Certain properties such as the aesthetics, hardness, impact bending strength, weathering resistance, and crack susceptibility are issues of the commercially available modified wood products. It was the aim of this study to prepare potential solutions for using the readily available resource beech wood (Fagus sylvatica L.) and other hardwoods (ash (Fraxinus excelsior L.), lime (Tilia spp.) and poplar (Populus spp.)) more efficiently and expand the knowledge about impregnation modification of hardwoods with melamine resin. In this study, the curing process of melamine resin treatment was analyzed in depth first, because the properties of modified materials depend on the parameters of the treatment process. Then, thermal modification and melamine resin treatment were combined, and the resulting elasto-mechanical and weathering properties were assessed. The influence of the curing parameters of melamine resin treatment were analyzed to identify the determining factors for viable curing processes. It was also of interest if the control methods used would yield correct answers on how curing influences the material properties. Analyses with differential scanning calorimetry could be used to determine the minimum requirements of temperature and duration for complete resin curing in wood. The nitrogen content and fixation in the treated wood should give information about the quality of the incorporation of the resin in the wood matrix. The formaldehyde content and emissions should also provide information about whether the curing is complete and about the formed resin network. Scanning electron microscopy in combination with energy dispersive X-ray spectroscopy could be used to locate the resin in the wood matrix and the cell walls. The influence of the curing variations on the mechanical properties such as hardness, bending strength, and impact bending strength were also investigated. Furthermore, it was of interest if the melamine resin treatment could be combined with thermal modification. The mechanical properties and the weathering performance were investigated. The differential scanning calorimetry revealed to be well capable to determine the curing characteristics of melamine resin in solid beech wood. The curing reaction would onset at 110 °C and peak at 135 °C in a high-pressure crucible. The nitrogen fixation confirmed that higher temperatures and longer curing (>110 °C, 24 h) led to completely cured resin. High humidity while curing negatively influenced the fixation. The method to determine the fixation also had an effect: Leaching in cold water over a longer period gave more accurate results than extraction in hot water. Scanning electron microscopy in combination with energy dispersive X-ray spectroscopy revealed an even nitrogen distribution across the cell walls of melamine-treated beech. There were more microcracks in dry-cured specimens than in steam-cured specimens. Steam curing led to slightly increased allocation of resin in the cell lumen, compared to dry curing. High humidity curing resulted in lower embrittlement and lower formaldehyde emissions than dry curing. The bending strength and hardness, however, were not influenced by the curing conditions. Treating thermally modified wood with melamine resin resulted in lower bulking after impregnation and curing. This depended on the thermal treatment intensity and was nonetheless able to increase the hardness, but not the impact bending strength. The weathering performance was positively influenced. Depending on the wood species, lesser or smaller surface cracks were observed. The embrittlement of the thermally modified wood was not influenced. Some useful control methods for the curing of melamine resin in hardwoods were established. The test results of this study should be a basis to create a long-lasting product from non-durable native hardwoods.