University of Oulu

Characterization of thermally modified wood by NMR spectroscopy : microstructure and moisture components

Saved in:
Author: Kekkonen, Päivi1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Science, Department of Physics and Chemistry, Physics
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526206127
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2014
Publish Date: 2014-11-11
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium GO101, Linnanmaa, on 21 November 2014, at 12 noon
Tutor: Docent Ville-Veikko Telkki
Professor Jukka Jokisaari
Reviewer: Professor Sirkka-Liisa Maunu
Professor István Furó
Opponent: Professor Daniel Topgaard
Description:

Abstract

Wood is an essential material that has many applications in the fields of engineering and especially in the forest industry, which is particularly important in Fennoscandia. Among the various modification methods for wood, thermal modification has grown substantially over the past decades. It is an environmentally friendly method for increasing the lifetime and usability of timber. The aim of this thesis is to characterize the properties of thermally modified wood as well as to obtain new information on the changes taking place in pinewood due to the thermal modification process.

Several NMR methods were used to gain information on the effect of thermal modification on the microstructure and moisture components of Pinus sylvestris pinewood. Pinewood samples thermally modified at different temperatures were studied and compared to corresponding unmodified wood samples. Diffusion of water and methane was studied using pulsed-field-gradient stimulated-echo measurements to determine the highly anisotropic size distribution of pores in different cell structures of pinewood. NMR cryoporometry and relaxometry measurements were conducted to gain information on the amounts and environments of both the bound and free water absorbed into the wood samples. Cryoporometry measurements resulted in an upper limit value for the size of bound water sites and the combination of cryoporometry and relaxometry data enabled the size determination of cell wall micropores. Magnetic resonance imaging was used to visualize the spatial distribution of absorbed free water in the studied samples. Together these methods give a broad overall picture of the effects of the modification process.

The results of this work give new insight into the microstructure of thermally modified pinewood and its relationship to moisture, which is of importance for both wood science as well as industry. The applicability of the NMR techniques used here to the study of wood is also proven in this work. Using the techniques developed, it is possible to determine the optimal modification temperature, which is high enough to obtain the desired effects, but low enough not to destroy the microstructure of wood.

see all

Tiivistelmä

Puuta pystytään hyödyntämään useilla eri aloilla ja se on materiaalina tärkeä etenkin Fennoskandiassa merkittävälle metsäteollisuudelle. Useiden erilaisten puun käsittelymenetelmien joukossa lämpökäsittely on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan viime vuosikymmeninä. Kyseessä on ympäristöystävällinen menetelmä, jolla voidaan pidentää puun käyttöikää sekä käytettävyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tämän väitöskirjan päämääränä on ollut lämpökäsitellyn puun ominaisuuksien tutkiminen ja uuden tiedon saaminen puussa lämpökäsittelyprosessin myötä tapahtuvista muutoksista.

Työssä käytettiin useita eri NMR-menetelmiä lämpökäsitellyn mäntypuun (Pinus sylvestris) mikrorakenteen sekä puussa olevan kosteuden aiheuttamien vaikutusten tutkimiseksi. Työssä tutkittiin eri lämpötiloissa käsiteltyjä mäntypuunäytteitä, joita verrattiin vastaaviin käsittelemättömiin näytteisiin. Veden ja metaanin diffuusiota tutkittiin PGSTE-menetelmällä puun erittäin anisotrooppisen solurakenteen sisältämien huokosten mittojen määrittämiseksi. NMR-kryoporometria- ja -relaksometriamittaukset antoivat tietoa puuhun imeytyneen sidotun ja vapaan veden määrästä ja esiintymisympäristöstä. Kryoporometria-mittausten tuloksista saatiin yläraja sidotun veden esiintymispaikkojen koolle, ja kryoporometria- ja relaksometriamittausten tuottaman tiedon yhdistäminen mahdollisti soluseinämien mikrohuokosten koon määrittämisen. Magneettikuvausta käytettiin näytteisiin absorboituneen veden avaruudellisen jakauman määrittämiseen. Käytetyt menetelmät tarjoavat laajan kokonaiskuvan lämpökäsittelyprosessin vaikutuksista puulle.

Tämän työn tulokset antavat puutiedettä ja -teollisuutta hyödyttävää uutta tietoa lämpökäsitellyn männyn mikrorakenteesta sekä sen suhteesta kosteuteen. Väitöskirja myös osoittaa käytettyjen NMR-menetelmien soveltuvan hyvin puun tutkimiseen. Tämän tutkimuksen myötä kehitettyjen menetelmien avulla voidaan määrittää mm. optimaalinen lämpökäsittelylämpötila, joka on riittävän korkea haluttujen ominaisuuksien kannalta aiheuttamatta kuitenkaan puun mikrorakenteen hajoamista.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-0612-7
ISBN Print: 978-952-62-0611-0
Issue: 636
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.