Cellular level investigation of water interaction with acetylated and formalized wood
| Title: | Cellular level investigation of water interaction with acetylated and formalized wood |
| Author(s): | Teräväinen, Venla |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry |
| Degree program: | Master's Programme in Forest Sciences |
| Specialisation: | Forest Ecology and Management |
| Language: | Finnish |
| Acceptance year: | 2021 |
| Abstract: |
Asetyloidun ja formalisoidun männyn (Pinus sylvestris L.) pintapuun reagointia veden kanssa tutkittiin solutasolla. Muokkaamatonta puuta käytettiin vertailunäytteenä. Asetyloinnissa, etikkahappoanhydridin asetyyliryhmä sitoutui OH-ryhmän kanssa täyttäen soluseinää. Formalisointi puolestaan johti kahden hydroksyyliryhmän (OH) ja yhden metyyliryhmän ristisilloitukseen. Molemmat mekanismit estävät veden kanssa sitoutumiskykyisten OH-ryhmien määrää, mutta ei tiedetä kuinka paljon. Tutkimuksen avulla voidaan arvioida molempien käsittelyjen vaikutusta puun kosteuden sitoutumiseen.
Puun ominaisuuksien määrittämiseen tarvitaan tietoa solutason muutoksista. Puu on hygroskooppinen materiaali, joka pyrkii tasapainoon ympäristönsä kanssa. Tämä aiheuttaa muutoksia mittapysyvyyteen sekä sienten elinmahdollisuuksiin. OH-ryhmien määrä vaikuttaa puun kykyyn sitoa itseensä vettä. Asetyyli- ja metyyliryhmät sitovat OH-ryhmiä. Veden kanssa sitoutumiskykyisten OH-ryhmien määrää tutkittiin gravimetrisella arviolla, ja voidaan olettaa, että näiden OH-ryhmien määrä on yhteydessä ristisilloitukseen ja vesimolekyylien estämiseen.
Molemmat modifiointimenetelmät alensivat tasapainokosteutta ja sorptiohystereesiä. Asetyloinnin maksimi painoprosentin lisäys (17 %) vähensi kosteuspitoisuutta 15,63 %. Formalisoinnin maksimi painoprosentin lisäys (7,5 %) vähensi kosteuspitoisuutta 15,09 %. Asetylointi vähensi veden sorptiota suhteellisella kosteudella 0 ja 95 %, kun taas formalisointi vähensi tasapainokosteutta tasaisesti mutta vain suhteellisen kosteuspitoisuuden ollessa 20-95 %. Tämä johtui ristisilloituksen aiheuttamasta soluseinän polymeerien kasvaneesta jäykkyydestä. Sorptiohystereesi oli kaikilla näytteillä samanmuotoinen, mutta maksimaalinen hystereesikohta oli huomattavasti matalampi formalisoinnilla verrattuna muihin näytteisiin.
Modifioinnit vähensivät myös veden kanssa sitoutumiskykyisten hydroksyyliryhmien määrää. Asetyloitu puu vähensi veden kanssa sitoutumiskykyisten OH-ryhmien määrää eniten, johtuen sen korkeasta painoprosentin lisäyksestä (16 %). Veden kanssa sitoutumiskykyisten OH-ryhmien määrä laski tasaisesti asetyloinnilla, kun taas formalisoinnilla lasku oli nopeaa ja suoraviivaista. Tutkimuksen menetelmällä voidaan tarkastella molempien modifiointien veden sitomisesta kertovien OH-ryhmien määrää sekä niiden vaikutusta solutason rakenteellisiin muutoksiin.
Water interaction at cellular level has been investigated in Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood section of acetylated and paraformaldehyde-treated woodblocks. Unmodified wood samples were used as reference samples. Acetyl group from acetic anhydride bounded to H of OH sorption site whereas paraformaldehyde bound to the sorption site and also create a cross-linking. Both mechanisms cause hindrance towards the accessibility of available sorption site but up to what extent which is unknown. With our designed approach, we can estimate the moisture uptake in both treatments.
Knowledge of the cellular level changes is important to define wood physical properties. Wood is hygroscopic material which tend to reach to equilibrium moisture content. It causes dimensional instability and fungal degradation. The number of accessible OH sites correlates with wood’s ability to uptake moisture. Acetyl and methyl groups occupy the accessible sorption sites and limit the availability of free sites. Gravimetrical estimation of the available OH sites can relate to the effect of cross-linking and hindrance towards water molecules.
Both modification methods reduced the equilibrium moisture content (EMC) and the sorption hysteresis. Maximum WPG of acetylation (17%) reduced 15.63% moisture content (MC). Maximum formalization WPG (7,5%) reduced 15.09% MC. Acetylation reduced water sorption through the relative humidity (RH) range 0-95%, whereas formalization reduced water sorption steadily, but only above 20% RH. This difference was caused by the cross-linking, which increased the stiffness of the cell wall polymers. The shape of sorption hysteresis was similar in all the samples. Still, formalization reached the maximum hysteresis at a lower point related to the other samples.
Accessible sorption sites also reduced by modifications. Acetylated wood reduced the greatest amount of OH groups according to its high WPG value, 16%. The reduction of OH accessibility was steady with acetylation. In formalization, the reduction of accessible sorption sites was rapid and constant. With our developed method, we can precisely investigate the OH accessibility of both treatments, which can reveal the fundamental aspect of water uptake related to its structural changes at the cellular level.
|
| Keyword(s): | Acetylation Formalization Hydroxyl accessibility Hydroxyl group Modification Moisture content OH accessibility OH group Relative humidity Sorption hysteresis Sorption isotherm Weight percent gain |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Teravainen_Venla_tutkielma_2021.pdf | 13.33Mb |