Diss. (sammanfattning) Uppsala : Sveriges lantbruksuniversitet, 2004. / Härtill 4 uppsatser.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs 1703 „Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken – Methoden zur betrieblichen und überbetrieblichen Planung für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe“ durchgeführt. Es wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie der Holzkomponente von Holz-Kunststoff-Kompositen (Wood Plastic Composites – WPC) untersucht. Die Ergebnisse wurden bereits anderswo publiziert bzw. zur Publikation eingereicht (insgesamt vier Publikationen) und werden innerhalb individueller Kapitel der vorliegenden Arbeit wiedergegeben. WPC vereinen die Eigenschaften von Holz als Füllstoff mit den Eigenschaften von Polymeren als Matrixmaterial. Aktuelle Literatur und Forschungsarbeiten wurden gesichtet, um Möglichkeiten zu identifizieren, wie WPC zu einer effizienten Ressourcennutzung beitragen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vielzahl von Abfall- und Nebenprodukten aus Holz- und Agrarwirtschaft zur Herstellung von WPC verwendet werden kann, z.B. Sägespäne, Reststoffe aus der Plattenproduktion und Schlämme aus der Faserstoffproduktion. Darüber hinaus können auch Kunststoff-Rezyklate und Biokunststoffe als Rohstoff dienen. Für die Eigenschaften von WPC spielt die Morphologie der Holzkomponente – Fasern oder Partikel – eine entscheidende Rolle. Während der Verarbeitung von WPC treten hohe Temperaturen und Scherkräfte auf, welche zur Zerkleinerung der Holzkomponente führen. Um die Zerkleinerung während der Verarbeitung analysieren zu können, wurde die Eignung der Partikel¬charakterisierung mittels dynamischer Bildanalyse zur Größenbestimmung von WPC-Füllstoffen geprüft. Dafür wurden Holzpartikel aus der Polymermatrix gelöst und ihre Morphologie vor und nach der Verarbeitung verglichen. Es zeigte sich, dass eine Auswertung bezüglich der längenbasierten Größenverteilung am besten geeignet ist, um Prozess-Effekte zu analysieren, da Partikel an beiden Enden der Größenverteilung gut abgebildet werden. Die Effekte von Prozessparametern wie Holzanteil, Beschickungsmethode, Vorwärmen des Holzes, Polymerviskosität, Rotor-/Schneckendrehzahl, Förderrate und Schneckenkonfiguration auf die Holzzerkleinerung wurden untersucht. Dazu wurden Fichtenholz-Partikel (Picea abies) entweder unter Verwendung eines Innenmischers oder eines Doppelschnecken-Extruders mit Polypropylen (PP) compoundiert. Zur Bestimmung des Einflusses der Polymerviskosität wurden verschiedene Sorten PP und schwachverzweigtes Polyethylen (HDPE) verwendet, welche sich in ihrem Schmelzflussindex (melt flow rate – MFR) unterscheiden. Nach dem Compoundieren betrug die Partikelgröße nur noch < 3 % der ursprünglichen Größe. Bei den PP-Kompositen nahm die Partikelzerkleinerung sowohl im Innenmischer als auch im Extruder mit zunehmendem Holzanteil zu. Auch eine zunehmende Anzahl an Knetelementen im Schneckenprofil führte zu einer stärkeren Partikelzerstörung. Bei den HDPE-Kompositen war der Einfluss des Holzanteils nur gering. Wurden die Holzpartikel und das Polymer dem Prozess gleichzeitig zugeführt, war die Partikelzerstörung intensiver als wenn die Partikel dem bereits geschmolzenen Polymer zugegeben wurden. Auch ein Vorwärmen der Partikel führte zu einer stärkeren Zerkleinerung. Die Zerkleinerung konnte unter Verwendung eines Matrixpolymers mit hohem MFR reduziert werden. Zum einen variierte der Einfluss der Förderrate mit der Schneckendrehzahl, zum anderen variierte der Einfluss von Förderrate und Schneckendrehzahl auch mit dem Holzanteil. Da die Bedingungen des Compoundierprozesses im Labormaßstab üblicherweise nicht mit Bedingungen im Industriemaßstab vergleichbar sind, wurden die Prozessparameter an einem Labor-Extruder so gewählt, dass sie industrielle Bedingungen imitieren. Die Einkürzung von Kiefernholzfasern (Pinus radiata) wurde mit der Einkürzung von Glasfasern verglichen, da diese ein Standardmaterial in der industriellen Kompositfertigung darstellen. Mittels sogenannter „Dead-stop“-Versuche und Probennahme entlang der Extruderschnecken wurde der Einfluss von Schneckenkonfiguration, Schneckendrehzahl und Förderrate analysiert. Prozesseinstellungen, die einen geringeren Anteil an spezifischer mechanischer Energie ins Material eintrugen, sowie eine schonende Schneckenkonfiguration verzögerten die Fasereinkürzung entlang der Extruderschnecken. Für eingangs längere Glasfasern war dieser Effekt ausgeprägter als für eingangs kürzere Holzfasern. Die Faserlänge im Endprodukt zeigte jedoch keine Unterschiede bezüglich der Prozesseinstellungen. Glasfasern zeigten deutlichere Unterschiede in der Faserlänge aufgrund der Schneckenkonfiguration als Holzfasern. Diese spiegelten sich auch in den mechanischen Eigenschaften wieder: ein aggressiveres Schneckenprofil resultierte in geringeren Festigkeiten bei den Glasfaser-Kompositen, jedoch nicht bei den Holzfaser-Kompositen.

Idag är den största delen av textilierna antingen olje-(60 %) eller bomullsbaserade (30 %). Det är enbart en liten del som är baserade på träfibrer. Ett ökande behov av förnyelsebara textilier föreligger. Samtidigt är ett minskade pappersbehov en drivkraft till att använda de existerande pappersmaskinerna till att tillverka icke vävda textilliknande material. Till skillnad från vävda material kan materialet tillverkas direkt istället för att först tillverka trådar från fibrer. Möjligheter att ta fram textillika material av cellulosafibrer undersöktes. Dynamiska ark gjorda av en blandning av barrmassa och en blandning av barr- och lövmassa med 0, 55 och 70 vikt% polymjölksyra, PLA, tillverkades. Arken pressades ihop två och två med ett mellanlager av Expancel mikrosfärer och bindemedel. Mowilith DM 105 och Primal LT-2949 Emulsion användes som bindemedel. En jämförelse gjordes med ark med enbart bindemedel som mellanlager.   En subjektiv utvärdering av vilket förhållande mellan Expancel mikrosfärer och bindemedel som var bäst lämpad gjordes. För utvärderingen ytbehandlades ett standard papper med 70 vikt% PLA. Den sats med högst koncentration av Expancel mikrosfärer som band bra till bindemedelet valdes. Draghållfastheten testades genom dragprovning enligt ISO 1924-2:1994 men med endast 5 prover istället för 10.  Dragprovningen visade att tillsatsen av Expancel mikrosfärer ökade töjningen hos materialet. Materialen med högst koncentration av PLA gav den mjukaste känslan men också lägst styrka. / Today the main parts of textiles are either oil (60 %) or cotton based (30 %). It is only a small portion which is based on wood fibres. An increasing demand of renewable textiles is forthcoming. At the same time a decreasing demand of paper is one of the motivation of using the existing paper machines to produce nonwoven textile-like materials. Unlike woven fabrics the fabric can be manufactured directly rather than first producing yarn from fibres. Possibilities of developing a textile-like material of cellulose fibres were investigated. Dynamic lab sheets made of a mix of softwood pulp and a mix of softwood and birch pulp with 0, 55 and 70 weight % Poly(lactic acid), PLA, were manufactured. The sheets was pressed together two and two with a middle layer of Expancel microspheres and binder. Mowilith DM 105 and Primal LT-2949 emulsion were used as binders. A comparison was made between sheets with only binder as the middle layer.   A subjective evaluation of which ratio between Expancel microspheres and binder material was best suited was made. For the evaluation a paper containing 70 weight% PLA was coated. The batch with highest concentration of Expancel microspheres, which bonded well to the binder, was chosen. The tensile strength was measured according to ISO 1924-2:1994 but with only 5 test samples instead of 10. The tensile tests showed that with Expancel microspheres resulted in increase of elongation of the material. The materials with the highest concentration of PLA had softest feeling but also lowest strength.

Wood fibres can be used as reinforcement in plastics for load carrying purposes. Some advantages compared with conventional man-made fibres are that wood fibres come from a renewable resource, have high specific stiffness and strength, are generally less hazardous to health, biodegradable, and can be manufactured at low cost and high volumes. A clear disadvantage with cellulose-based materials for structural use is their dimensional instability in humid environments. The hygroelastic properties are of high importance in materials development of improved wood-fibre composites. This work deals with the stiffness and hygroexpansion of wood fibres for composite materials. The long-term aim is to design engineered wood fibre composites based on better basic knowledge of wood fibres. Mechanistic models have been used to link the fibrous microstructure with macroscopic composite engineering properties. The properties have been characterized experimentally for various wood-fibre composites and their fibre-mat preforms, by means of curvature measurements at various levels of relative humidity, as well as tensile and compressive tests. From these test results and microstructural characterization, the longitudinal Young’s modulus and transverse coefficient of hygroexpansion of wood fibres were identified by inverse modelling. Some effects of various pulp processes and fibre modifications on the elastic properties of the fibre were observed, illustrating how the mixed experimental-modelling approaches can be used in more efficient materials screening and selection. An improved micromechanical analysis for wood-fibre composites has been presented. The model is more appropriate to combine with laminate analogy, to link fibre properties on the microscale to the macroscopic composite properties and vice versa. It also offers the possibility to include the effects of ultrastructure since it can account for an arbitrary number of phases. An approach to model ultrastructure-fibre property relations has been demonstrated. It includes analytical modelling of multilayered cylindrical fibres as well as finite element modelling of fibres with irregular geometry characterized with microscopy. Both approaches are useful and could be combined with experiments to reveal insights that can pave way for a firmer link between the wood fibre ultrastructure and wood fibre properties. / QC 20100914

Diss. (sammanfattning) Umeå : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 4 uppsatser.

Les bétons légers, formés des fibres de bois et d’une pâte de ciment Portland, constituent une nouvelle alternative à explorer pour réduire l’impact environnemental des bâtiments. Ils sont utilisés dans la construction durable, comme des éléments secondaires, pour leurs performances thermiques, hydriques et mécaniques. Cependant, la généralisation de leur utilisation dans le bâtiment ne sera rendue possible sans résoudre certains verrous scientifiques liés à leur caractérisation et à leur formulation. Le présent travail s’inscrit dans cet objectif. Il s’agit de contribuer à la caractérisation de ces bétons légers à base des fibres de bois à travers l’expérience et la modélisation. Le module d’Young et la résistance à la rupture ont été mesurés par des tests de flexion et de compression. Un modèle numérique a été également développé pour prédire le comportement des éprouvettes en flexion et la réponse structurale des systèmes de coffrage permanent. La méthodologie numérique permet ainsi d’aider dans le choix des paramètres optimums pour une meilleure conception des panneaux de coffrage destinés à la construction. L’étude du comportement hygrothermique du matériau de construction bois-ciment a été abordée en s’appuyant sur l’expérience et la simulation. Les équations des transferts couplés de chaleur et d’humidité d’un milieu poreux ont été implémentées dans le logiciel Comsol Multiphysics®. En dernier, le modèle développé a été appliqué et validé sur plusieurs réponses dynamiques issues des tests hygrothermiques réalisés en interne. Les mesures des propriétés physico-thermique du matériau composite bois-ciment ont été ensuite intégrées dans le code Abaqus via une routine utilisateur Umatht dans l’objectif de simuler le comportement thermique à hautes températures des panneaux composites bois-ciment. Les profils des températures sont évalués et comparés à ceux des tests de carbonisation réalisés, à l’aide d’un panneau rayonnant, sur des échantillons exposés à un flux de chaleur uniforme de 6kW/m2. Les simulations montrent que le modèle développé est capable de prédire les profils de températures, la zone et la profondeur de la couche du charbon durant l’exposition au feu / Lightweight concretes made from wood fibres and Portland cement paste are a new alternative for the reduction of the environmental impact of buildings. They are used in sustainable constructions as secondary elements for their thermal, hydric and mechanical performance. However, the generalisation of their use is not possible without resolving certain scientific obstacles related to their characterisation. Hence the aim of the present work, which is to contribute towards their characterisation through experimentation and numerical simulation. The Young's modulus and tensile strength were measured through flexural and compression tests. A numerical model has also been developed to predict the behaviour of specimens under bending test as well as their structural response when used as permanent formwork. In particular, the model helps to choose the optimum parameters for a better design of the formwork system. The study of the hygrothermal behaviour of the wood-cement material was carried out using both experimental work and simulation. The equations of coupled heat and moisture transfers for a porous medium have been implemented in the Comsol Multiphysics® software. The developed model has been applied and validated on several dynamic responses resulting from hygro-thermal tests carried out in the laboratory. The obtained physico-thermal properties of the wood-cement composite material were then incorporated into the Abaqus code via a Umatht user subroutine to simulate its high temperature behavior. The temperature profiles are evaluated and compared with the charring tests performed using a radiant panel on samples exposed to a uniform heat flux of 6kW/m². The simulations show that the developed model is able to predict the temperature profiles, the area and the depth of the charred layer during fire exposure

Dans cette étude, les propriétés mécanique et la microstructure du polyéthylène à haute densité (PEHD)/ fibres de bois (Pinmaritime) ont été caractérisés. Le comportement en traction et en flexion 4 points de composites fibres de bois/polyéthylène(WPC) avec et sans additif a été étudié en utilisant des mesures de champs par stéréo-corrélation d’image numériques. Nousavons tout d’abord comparé les mesures de déformation longitudinale par stéréo-corrélation d’image à celles mesurées parextensométrie mécanique au cours d’un essai de traction simple uni-axial. Les valeurs de déformation macroscopiquemesurées sont comparables à celles obtenues par extensométrie mécanique classique. Quatre formulations ont été testées(avec ou sans l'additif et avec 10% ou 30% de bois) au travers des essais de traction et flexion 4 points en utilisant laméthode par stéréo-corrélation d’image. Nous avons pu ainsi corréler la visualisation combinée des images enregistrées parles caméras au comportement mécanique ainsi qu’aux modifications des surfaces des composites. Les résultats ont montréque les singularités au niveau de la surface des échantillons ainsi que la présence des fibres de bois (dans les proportionsutilisées durant nos essais) n’ont pas d’effets sur la qualité du composite. La stéréo corrélation d’images nous permet d’avoirune information précise sur le cisaillement tant d’un point de vue quantitatif que qualitatif. L’essai cyclique a été utilisé pouranalyser l’endommagement du composite. Les courbes en traction et flexion ont montré un comportement global non linéaire. Le module d’élasticité (MOE) est évalué par la tangente à l’origine d’un modèle de Maxwell-Binhgam ajusté paroptimisation sur les courbes expérimentales. Les cartographies fausses couleurs du champ de déformation du WPC ont étéprésentées. D’autre part, on a analysé le comportement endommageable et le degré d’hétérogénéité pour différentspourcentages de bois à l’aide des valeurs de l’écart type spatial du champ de déformation longitudinale. Par cette technique,nous avons également pu étudier les propriétés mécaniques en traction et en compression à partir d’un essai de flexion 4points. Le second objectif était d’améliorer la performance des liaisons entre les fibres de bois hydrophiles polaires et lamatrice plastique de PEHD hydrophobe non polaire. Pour cette raison, la fibre de bois a été traitée par anhydride maléique depolyéthylène (MAPE) (greffage par copolymérisation) et acétylée (greffage de chaine de carbone). Dans cette partie, nousavons étudié l’effet de MAPE ainsi que la longueur de la chaine de carbone greffée sur les propriétés mécaniques du WPC.Par ailleurs, nous avons pu observer et caractériser la morphologie à l’interface fibre de bois/HDPE du WPC greffé enutilisant un microscope électronique à balayage (MEB). / Firstly we have compared longitudinal strenght obtained by stereo correlation with mechanical extensometer forthe same tests. It is shown that macroscopic values of the longitudinal strain are closed to those measured bymechanical extensometers using standard mechanical tests. Four injected WPC formulations (with or withoutadditive and with 10% or 30% of wood) are consider. WPC surface particularities and wood fibers distributionon samples have no effect on WPC mechanical performances. Also 3D digital image correlation givesinformations on Tensile performances (from quality and quantity point of view). Cyclic tensile tests have beenperformed in order to analyse the damage of material. A non-linear behaviour is shown. The Modulus ofElasticity (MOE) is provided by a Maxwell-Bingham model fitted to the experimental tensile curves. Color mapsof the spatial strain distribution are commented. Moreover, the damage behaviour and the degree ofheterogeneity for several percentages of fibre wood-based WPC are analysed thanks to the spatial standarddeviation of the longitudinal strain field. With this technology it was possible to study of the mechanicalproperties in tensile and compression during four bending test. The second objective was to improve the linkbetween PEHD matrix and wood fibres because of the incompatibility between the polar hydrophilic wood fibresand the non-polar hydrophobic polyethylene. For this reason, the wood fibre was treated by maleic polyethyleneanhydride (MAPE) (grafting by copolymerization) and was acetylated (grafting of carbon chain). In this part, theeffect on the mechanical properties, of maleic anhydride modified polyethylene (MAPE) and of the length of thecarbon chain graft (CCG) between a (HDPE) matrix and wood fiber is studied. Furthermore, Scanning ElectronMicroscope (SEM) is used to characterize the morphology of the wood fibre / HDPE matrix interface forspecimens with carbon chain grafted.