Φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες θερμικά τροποποιημένου ξύλου

Abstract

In the frame of the present thesis dissertation, thermal modification of black pine wood (Pinus nigra) and poplar (Populus sp.) wood was conducted at a temperature of 180oC and 200oC, for 3, 5 and 7 hours in the presence of air and some of the most essential physical, chemical and mechanical properties of these materials were examined. It was observed that, as the intensity of heat treatment increases, the mass loss percentage of pine and poplar boards is increased due to the treatment, which is attributed to moisture loss of specimens and the degradation and loss of chemical wood components. After the treatment, the recovery rate of the initial weight of pine and poplar boards decreases, due to the reduced recovery of wood moisture content, while the equilibrium moisture content percentage, as well as the density of thermally modified samples of both species tends to decrease. Thermal modification considerably enhances the hygroscopic behavior of pine and poplar wood (adsorption, tangential-radial-longitudinal swelling percentages) and reduces in greater extent the swelling in tangential direction, compared to the radial one, contributing to the reduction of the anisotropy of wood. Increasing the treatment intensity, wood darkens and the index of L* decreases, referring to tangential, radial and cross-sectional surface of the specimens. The treatments increased the biological resistance of pine specimens against fungal attack of Coniofora puteana by 24.47% to 93.13%, compared to the control specimens, while against the action of the fungus Poria placenta the mass loss decreased by 28.75% - 68.46%. The mass loss percentage of poplar wood, because of the attack of Coriolus versicolor fungus decreased after treatment by 13.25% - 46.08% relatively to the control, and 31.98% - 64.72% against the action of Poria placenta fungus. Thermal modification did not effectively protect pine and poplar wood from mold growth, but contributed to a slowdown of its development. In the first stages of thermal treatments, the extractives presented a decrease, whereas as the duration and temperature of treatment increases, new extractives are formed. The lignin percentage recorded an increase to 180oC temperature treatments and even more at the treatments of 200oC. The percentage of holocellulose in all treatments was found to be lower in relation to the respective percentage of control, probably due to the intense decomposition of hemicelluloses. In the case of poplar wood, the holocellulose percentage marked slight reduction in the milder treatment, while increasing the duration and temperature, the percentage of holocellulose increased. The treatments of 180oC resulted in the improvement of pine bending strength, while treatments of 200oC temperature showed a decrease of 1.52% -16.97% in strength. The modulus of elasticity of pine specimens increased due to thermal treatment, regardless of the duration or temperature of treatment. In the case of poplar specimens, the resistance to bending forces decreased by 2.05% - 44.65% compared to control, due to the treatments. The elasticity of poplar samples decreased in all the cases of treatment (5.66% - 24.86%). The treatments of 180oC temperature increased the tangential hardness of pine wood by 6.58% - 15.13%, while in the treatments of 200oC this hardness improvement was limited to an increase of 4.20% and a reduction of 2.79% -13, 53% of hardness in subsequent treatments. The radial hardness was increased by 2.45% only in the milder treatment, while increasing the treatment intensity it decreased by a percentage between 1.36% and 30%. The tangential hardness of poplar modified at temperature of 180oC for 3 and 5 hours, decreased by 10.24% and 14.59%, respectively, while in the duration of 7 hours it grew by 2.35%, while at the treatments of 200oC it decreased again by 17.04 -26.05%. The radial hardness decreased by 2.81% - 11.06% at the treatments of 180oC (3 and 5 hours) and when the duration reached the 7 hours, it increased by 9.28%, while at the treatments of 200oC radial hardness levels of the specimens decreased by 2.68% - 18.86%. Treatments of 180oC (3, 5 and 7 hours) appeared to improve the impact bending strength of pine specimens by 41.81%, 27.59% and 7.33% respectively, compared to the control specimens, while the treatments of 200oC demonstrated a decrease of impact bending strength. All the treatments reduced the impact bending strength of poplar specimens, recording a decrease of 24.27% - 62.02%. Additionally, all the treatments raised the resistance levels to compressive forces of pine and poplar specimens, in relation to the control specimens. Only the milder treatment achieved to decrease the surface roughness of pine and poplar wood, while increasing the duration and temperature, the degree of roughness showed a strong increase compared to the control. After an exposure of 100 days of pine and poplar boards in external conditions, a similar degree of discoloration of control boards was observed in thermally modified boards, also demonstrated by the progress of L*, a* and b* of poplar and pine surfaces, which is probably attributed to leaching of the water soluble extractives. Wood also acquired a wilder look and new cracks appeared in the surface, while fungi infestation signs emerged most intensely in control and specimens of less intense treatments. The roughness of all of the exposed boards was found increased compared to the respective roughness values prior the exposure. The treatments of low intensity protected wood by reducing the roughness compared to the control, while treatments of higher intensity presented higher surface roughness values. Conclusively, the thermal treatment tends to enhance many crucial for the exploitation of these species attributes, greatly mitigates some of their major disadvantages and introduces these materials to an extensive range of applications of their potential future uses.

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε θερμική τροποποίηση ξύλου μαύρης πεύκης (Pinus nigra) και λεύκης (Populus sp.) σε θερμοκρασία 180οC και 200οC, για 3, 5 και 7 ώρες, παρουσία αέρα και ελέγχθηκαν βασικής σημασίας φυσικές, χημικές και μηχανικές ιδιότητες. Παρατηρήθηκε ότι όσο η ένταση του χειρισμού αυξάνεται, τόσο το ποσοστό απώλειας μάζας των πλακών πεύκης και λεύκης εξαιτίας του χειρισμού αυξάνεται, η οποία οφείλεται στην απώλεια υγρασίας των δοκιμίων και της υποβάθμισης και απώλειας χημικών συστατικών του ξύλου. Μετά τον χειρισμό, το ποσοστό ανάκτησης του αρχικού βάρους των πλακών πεύκης και λεύκης μειώνεται, εξαιτίας της μειωμένης ανάκτησης υγρασίας, ενώ το ποσοστό ισοδύναμης περιεχόμενης υγρασίας η φαινομενική πυκνότητα των θερμικά τροποποιημένων δοκιμίων και των δύο ειδών μειώνεται. Ο θερμικός χειρισμός βελτιώνει σε μεγάλο βαθμό την υγροσκοπική συμπεριφορά πεύκης και λεύκης (προσρόφηση, εφαπτομενικη-ακτινική-κατά μήκος διόγκωση) και μειώνει περισσότερο τα επίπεδα διόγκωσης σε εφαπτομενική, σε σχέση με την ακτινική διεύθυνση, συμβάλλοντας στον περιορισμό της ανισοτροπίας του ξύλου. Όσο αυξάνει η ένταση του χειρισμού, το ξύλο σκουραίνει και ο δείκτης L* μειώνεται και στις τρεις επιφάνειες των δοκιμίων εφαπτομενικής, ακτινικής και εγκάρσιας τομής. Οι χειρισμοί βελτίωσαν σε ποσοστό 24,47% έως 93,13% τη βιολογική αντοχή των δοκιμίων πεύκης απέναντι σε προσβολή μυκήτων Coniofora puteana, σε σχέση με τον μάρτυρα, ενώ απέναντι στη δράση του μύκητα Poria placenta η απώλεια μειώθηκε κατά 28,75% - 68,46%. Το ποσοστό απώλειας μάζας της λεύκης εξαιτίας της προσβολής του Coriolus versicolor μειώνεται μετά τον χειρισμό κατά 13,25% - 46,08% σε σχέση με τον μάρτυρα, και κατά 31,98% - 64,72% απέναντι στη δράση του μύκητα Poria placenta. Η θερμική τροποποίηση δεν προστάτευσε αποτελεσματικά το ξύλο πεύκης και λεύκης από την ανάπτυξη ευρωτίασης, αλλά συνέβαλε στην επιβράδυνση της ανάπτυξή της. Στα πρώτα στάδια του θερμικού χειρισμού, τα εκχυλίσματα εμφανίζουν μείωση, ενώ όσο η διάρκεια και η θερμοκρασία χειρισμού αυξάνεται, σχηματίζονται νέα εκχυλίσματα. Το ποσοστό λιγνίνης αυξήθηκε στους χειρισμούς θερμοκρασίας 180οC και ακόμη περισσότερο στους χειρισμούς θερμοκρασίας 200οC. Το ποσοστό της ολοκυτταρίνης σε όλους τους χειρισμούς βρέθηκε χαμηλότερο, σε σχέση με το ποσοστό του μάρτυρα, γεγονός που οφείλεται στην έντονη αποσύνθεση ημικυτταρινών. Στην περίπτωση ξύλου λεύκης, το ποσοστό της ολοκυτταρίνης σημείωσε πολύ μικρή μείωση στον πιο ήπιο χειρισμό, ενώ αυξάνοντας διάρκεια και θερμοκρασία, το ποσοστό ολοκυτταρίνης σημειώνει αύξηση. Οι χειρισμοί θερμοκρασίας 180οC προκάλεσαν βελτίωση της αντοχής του πεύκου σε κάμψη, ενώ οι χειρισμοί θερμοκρασίας 200οC εμφάνισαν μείωση της αντοχής κατά 1,52%-16,97%. Η ελαστικότητα των δοκιμίων πεύκης σημείωσε αύξηση εξαιτίας του θερμικού χειρισμού, ανεξαρτήτως διάρκειας ή επιπέδου θερμοκρασίας χειρισμού. Στα δοκίμια λεύκης η αντοχή σε δυνάμεις κάμψης μειώθηκε εξαιτίας του χειρισμού κατά 2,05%-44,65% σε σύγκριση με τον μάρτυρα. Η ελαστικότητα των δοκιμίων λεύκης σημείωσε μείωση σε όλες τις περιπτώσεις θερμικού χειρισμού (5,66%- 24,86%). Στους χειρισμούς θερμοκρασίας 180οC η εφαπτομενική σκληρότητα πεύκης αυξάνεται κατά 6,58% - 15,13%, ενώ σε χειρισμούς θερμοκρασίας 200οC η βελτίωση περιορίζεται καταγράφοντας αύξηση σκληρότητας κατά 4,20% και μείωση σκληρότητας στους επόμενους χειρισμούς (2,79%-13,53%). Η ακτινική σκληρότητα αυξήθηκε κατά 2,45% μόνο στον ηπιότερο χειρισμό, ενώ αυξάνοντας την ένταση μειώθηκε μεταξύ 1,36% και 30%. Η εφαπτομενική σκληρότητα της τροποποιημένης λεύκης σε θερμοκρασία 180οC για 3 και 5 ώρες, μειώθηκε κατά 10,24% και 14,59% και στις 7 ώρες αυξήθηκε κατά 2,35%, ενώ χειρισμοί θερμοκρασίας 200οC την μείωσαν κατά 17,04%-26,05%. Η ακτινική σκληρότητα μειώθηκε κατά 2,81%- 11,06% σε χειρισμούς θερμοκρασίας 180οC (3 και 5 ώρες) και η διάρκεια 7 ωρών την αύξησε κατά 9,28%, ενώ θερμοκρασία 200οC μείωσε τα επίπεδα ακτινικής σκληρότητας των δοκιμίων κατά 2,68% - 18,86%. Οι χειρισμοί θερμοκρασίας 180οC φαίνεται να βελτιώνουν την αντοχή των δοκιμίων πεύκης σε δυνάμεις κρούσης, σε σχέση με τον μάρτυρα, κατά 41,81%, 27,59% και 7,33%, ενώ οι χειρισμοί θερμοκρασίας 200οC την μειώνουν σε σχέση με τον μάρτυρα. Όλοι οι χειρισμοί μείωσαν την αντοχή των δοκιμίων λεύκης σε δυνάμεις κρούσης, καταγράφοντας μείωση 24,27%-62,02%. Όλοι οι χειρισμοί αύξησαν τα επίπεδα αντοχής πεύκης και λεύκης σε δυνάμεις θλίψης σε σχέση με τον μάρτυρα. Μόνο οι ηπιότεροι χειρισμοί μείωσαν ελαφρώς την τραχύτητα επιφάνειας πεύκης και λέυκης, ενώ αυξάνοντας τη διάρκεια και την θερμοκρασία, ο βαθμός τραχύτητας παρουσιάζει έντονη αύξηση σε σχέση με τον μάρτυρα. Μετά από 100 ημέρες έκθεσης των πλακών πεύκης και λεύκης σε εξωτερικές συνθήκες, παρατηρήθηκε παρόμοιος βαθμός αποχρωματισμού των πλακών μάρτυρα σε σχέση με αυτόν των θερμικά τροποποιημένων πλακών, που αποδεικνύεται και από την πορεία των δεικτών L*, a* και b* των επιφανειών λεύκης και πεύκης, γεγονός που πιθανόν οφείλεται στην έκπλυση των υδατοδιαλυτών εκχυλισμάτων, το ξύλο απέκτησε πιο άγρια όψη, εμφανίστηκαν νέες ρωγμές στο ξύλο και εμφανίστηκαν σημάδια προσβολής μυκήτων πιο έντονα στον μάρτυρα και στους μικρότερης έντασης χειρισμούς. Η τραχύτητα όλων των πλακών βρέθηκε αυξημένη σε σχέση με τις τιμές τραχύτητας προ έκθεσης. Οι μικρής έντασης χειρισμοί έδρασαν προστατευτικά στο ξύλο μειώνοντας την τραχύτητα σε σύγκριση με τον μάρτυρα, ενώ οι μεγαλύτερης έντασης χειρισμοί παρουσίασαν επιφάνειες υψηλότερης τραχύτητας. Συμπερασματικά, ο θερμικός χειρισμός βελτιώνει πολλές κρίσιμες για την αξιοποίηση αυτών των ειδών ιδιότητες, αμβλύνει σε μεγάλο βαθμό κάποια από τα σημαντικότερα μειονεκτήματά τους και τα εισάγει σε ένα εκτενές εύρος εφαρμογών μελλοντικής χρήσης τους.