Investigation of the effects of raw material density and molecular weight of phenolic binders on the properties of lightweight panels based on Paulownia wood

Konrad Adenauer Stiffung

Zusammenfassung Diese Dissertation befasst sich mit unterschiedlichen Produktionsprozessbedingungen von Spanplatten (SBs), insbesondere mit der neuen Holzart Kiri (Paulownia tomentosa) mit verschiedenen Klebstoffen und deren Einfluss auf die Eigenschaften von Spanplatten. Der Kiri-Baum ist ein extrem schnell wachsender, ringporiger Baum mit einer geringen Dichte von ca. 350 kg m-3 und wird hauptsächlich in Plantagen angebaut. Ausgehend davon konzentrierte sich diese Studie auf die Herstellung von leichten Spanplatten unter 500 kg m-3. Im ersten Teil der Studie wurden leichte Spanplatten mit einer angestrebten Dichte von 300 kg m-3 und 400 kg m-3 mit drei Holzarten hergestellt, darunter Kiri-Holz niedriger Dichte (Paulownia tomentosa), Kiefernholz mittlerer Dichte (Pinus sylvestris) und Buche hoher Dichte (Fagus sylvatica L.). Buchenstrands verkleben jedoch bei diesen niedrigen Plattendichten wegen des niedrigen Verdichtungsverhältnisses nicht miteinander. Die Kohäsion von Buchenspanplatten war für weitere Tests unzureichend, was auf das Fehlen von Verleimungskontaktpunkten der hochdichten Buchenstrands bei niedriger Plattendichte zurückzuführen ist. Die größere Oberfläche von Kiri SBs führte zu einem steilen vertikalen Dichteprofil und verbesserten mechanischen Eigenschaften, einschließlich Biegefestigkeit (MOR), Elastizitätsmodul (MOE) und innere Quezugfestigkeit (IB). Mit zunehmender Gesamtoberfläche der Spanmatte nimmt jedoch auch die Dickenquellung von Kiri SBs zu, da ein höheres Verdichtungsverhältnis zu akkumulierten spring-back-Effekten führt. In der zweiten Phase der Forschung wurden SBs mit PF-Harz mit niedrigem (LMW) und hohem Molekulargewicht (HMW) bei einem Mischungsverhältnis von 50-50% gemischt. LMW wirkt nicht nur als Modifizierungschemikalie, sondern auch als Klebstoff. SBs aus Kiriholz wurden mit Dichten von 400 kg m-3 und 500 kg m-3 hergestellt. Bei der angestrebten Dichte von 400 kg m-3 waren der Bruchmodul (MOR) und der Elastizitätsmodul (MOE) von SBs, die LMW PF-Harz enthielten, bei beiden Klebstoffgehalten etwas höher als die von HMW PF. Innere Haftfestigkeit (IB), Schraubenauszugswiderstand (SWR) und Dickenquellung (TS) von SB, die LMW PF enthalten, waren bei 10% Klebstoffgehalt signifikant höher als die von HMW PF, und die Unterschiede nahmen leicht ab, als der Klebstoffgehalt auf 20% stieg. Bei 500 kg m-3 Zieldichte waren MOR und MOE von SB für beide PF ungefähr ähnlich, während IB von SB, die LMW PF enthielten, etwa doppelt so hoch war wie die von SB, die mit HMW PF verklebt waren. Dieser Effekt wurde bei 10% Klebstoffgehalt beobachtet, war jedoch bei 20% Klebstoffgehalt ausgeprägter. Der TS von SB wurde bei SWR durch LMW PF im Vergleich zu HMW PF bei beiden Klebstoffgehalten um etwa 100% (bei 20% Klebstoffgehalt) und 50% (bei 10% Klebstoffgehalt) erhöht. Die verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kiri-SBs auf der Basis von LMW PF könnten mit einer Versteifung der Zellwandmatrix, einer tieferen Penetration und einer größeren Harzflächenabdeckung zusammenhängen. Eine weitere Charakterisierung der LMW- und HMW PF-Harzgranulate wurde mit verschiedenen Methoden durchgeführt: (1) Röntgenmikrotomographie (2) REM-Rasterelektronenmikroskopie (3) Wasserdichte und Filterpapiere zielen darauf ab, den Mechanismus der Harzausdehnung und -penetration zu untersuchen. Die Verbesserung der inneren Haftfestigkeit und der Dickenquellung von Kiri-SBs auf der Basis von LMW PF-Harz ist eng mit den Ausdehnungs- und Penetrationsfähigkeiten niedriger Harzmoleküle verbunden, die mit einem hohen Verdichtungsverhältnis der Kiri-Stränge verbunden sind, was zu einer besseren Bindungsqualität führt. In der dritten Phase der Forschung wurde ein innovatives leichtes VSB durch Kombination mit Kiri- und Birkenfurnieren auf der Oberfläche und im Inneren der Platte hergestellt, um die mechanischen Eigenschaften der Platte zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten, dass die MOR- und MOE-Werte von VSB nicht nur die Anforderung für OSB\4, sondern auch die Anforderung für Sperrholz erfüllen. Im Gegensatz dazu war die innere Haftfestigkeit reduziert, was darauf zurückzuführen ist, dass kein Leim auf die Furnieroberfläche gegeben wurde, was zu keiner Verbindungsbildung zwischen Strands und Furnieren führte. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften könnten der Verleimungsverstärkung zwischen Furnieren und Strands zugeschrieben werden, zudem wurde die Längsmaserung der Furniere parallel zur Orientierung der Strands angeordnet. Die vierte Forschungsphase untersucht das Verdichtungsverhalten von Holzspänen aus verschiedenen Holzarten in Verbindung mit Phenol-Formaldehyd (PF) mit unterschiedlichem Molekulargewicht. Es wurden Spanplatten mit einer Zieldichte von 500 kg m-3 aus Kiri-, Buchen- und Kiefernholzstrands hergestellt, die mit nieder- und hochmolekularem PF-Harz gemischt wurden. Der IB-Wert von Kiri SBs mit LMW PF-Harz war zehnmal höher als der von Kiefer und Buche. Auch die Biegeeigenschaften und der Schraubenauszugswiderstand nahmen linear mit dem Verdichtungsverhältnis zu beide Harze. HMW PF-Harz kann nur so lange zur IB-Leistung beitragen, bis ein bestimmtes Niveau des Verdichtungsverhältnisses (CR) erreicht ist, wohingegen LMW PF-Harz beginnt, Bindungskontakte herzustellen, wenn das Verdichtungsverhältnis höher als 1,0 geht, was zu verformten Holzzellwänden auf der Spanoberfläche führt. Die entstandene Verformung auf der Spanoberfläche verursacht mehr Kontaktpunkte zwischen den Spänen, was zu einer effektiveren Leimausnutzung führt.

Abstract This thesis focuses on different production process conditions of strand boards (SBs), especially with wood species (Paulownia tomentosa) by various adhesive binders (pMDI) and their influence on the properties of strand boards. The kiri tree is an extremely fast-growing, ring-porous tree with a low density of about 280 kg m-3 and it is mainly grown in plantations. Based on that, this study focused on the production of lightweight strand boards under 500 kg m-3. In the first part of the study, lightweight strand boards were produced at a target density of 300 kg m-3 and 400 kg m-3 with three wood species including low-density kiri wood (Paulownia tomentosa), medium-density pine wood (Pinus sylvestris) and high-density beech (Fagus sylvatica L.). However, beech strands did not glue together at these low board densities because of the low compaction ratio. The cohesion of beech strand boards was insufficient for further testing, which is attributed to the lack of bonding contact points for a high-density wood strand at low board density. The higher surface area of kiri SBs only indirectly led to a steep vertical density profile and improved mechanical properties including modulus of rupture (MOR), modulus of elasticity (MOE) and internal bond strength (IB). However, as the total surface area of strand mat increases, the thickness swelling of kiri SBs increases because a higher compaction ratio causes spring-back effects. In the second phase of the research, strands were blended with low (LMW) and high molecular weight (HMW) PF resin and its mixture 50-50%. LMW acts not only as a treatment agent but also as an adhesive. SBs from kiri timber were produced with densities of 400 kg m-3 and 500 kg m-3. At target density 400 kg m-3, the modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) of SBs containing LMW PF resin were slightly higher than those of HMW PF at both adhesive contents. Internal bond (IB), screw withdrawal resistance (SWR) and thickness swelling (TS) of SBs containing LMW PF were significantly higher than those of HMW PF at 10% adhesive content and the differences slightly decreased as the adhesive content increased to 20%. At 500 kg m-3 target density, MOR and MOE of SBs for both PF were approximately similar, while IB of SBs containing LMW PF was about two times as high as that of SBs bonded with HMW PF. This effect was observed at 10% adhesive content but was more pronounced with 20% adhesive content. TS of SBs containing LMW PF was reduced by about 100% (at 20% adhesive content) and 50% (at 10% adhesive content) compared to SBs containing HMW PF. The improved physical and mechanical properties of kiri SBs based on LMW PF might be associated with cell wall matrix stiffening, deeper penetration and larger resin area coverage. Further characterization of LMW and HMW PF resin granules were implemented with various methods: (1) X-ray microtomography (2) SEM scanning electron microscopy (3) water-proof and filter papers aim to investigate the mechanism of resin expansion and penetration. The enhancement in the internal bond strength and the reduction of thickness swelling of kiri SBs based on LMW PF resin is highly linked to the expansion and penetration abilities of low resin molecules, which are associated with a high compaction ratio of kiri strands resulting in better bonding quality. At the third phase of the research, an innovative lightweight VSB was manufactured by combining kiri and birch veneers on the surface and inside the panel in order to enhance the mechanical properties of the panel. The results revealed that the MOR and MOE values of VSB meet not only the requirement for OSB\4 but also the requirement for plywood. In contrast, the internal bond strength was reduced, which is attributed to no glue applied on the veneer surface resulting in a weak bonding formation between strands and veneers. The improved mechanical properties might be assigned to the bonding reinforcement between veneers and strands, moreover, the longitudinal grain of veneer was arranged parallel with the orientation of strands. The fourth phase of research investigated the compaction behavior of wood strands from different wood species associated with different molecular weight phenol-formaldehyde (PF). Strand boards were manufactured at a target density of 500 kg m-3 from kiri, beech, pine strands blended with low and high molecular weight PF resin. The IB value of kiri SBs containing LMW PF resin was ten times higher than those of pine and beech. Also, bending properties and screw withdrawal resistance increased linearly with the compaction ratio for both resins. HMW PF resin can only contribute to IB performance until a certain level of compaction ratio (CR) is reached, whereas LMW PF resin starts producing bonding contacts if the compaction ratio goes higher than 1.0 resulting in deformed wood cells on the strand surface. The deformation on the strand surface occurred causing more contact points between strands, which leads to more effective glue utilization. In the fifth phase of research, the effects of pressing time on the properties and formaldehyde emission of strand boards treated with different molecular weight PF resin were investigated. No clear impact of resin molecular weight and pressing time were observed for bending strength and water-related properties. IB of SBs based on LMW PF was significantly higher than those of HMW PF; however, IB value decreased considerably with increasing press time. The formaldehyde emission decreased linearly with the increasing press time, which might be attributed to the progressive condensation of the resin.

2023-01-11