Transparent trä biokompositer (TW) är en ny attraktiv klass av biokomposit. De är uppbyggda av delignifierat trä som impregnerats med en polymer med matchande brytningsindexet. TW kan skräddarsys för inom ett brett spektrum av funktionella, optiska och mekaniska egenskaper. Eftersom de är biobaserade ses de dessutom som ett möjligt material som kan ersätta andra, mer miljöpåverkande material, inom olika sektorer, däribland byggnadsindustrin. Till skillnad från de funktionella egenskaperna har det mekaniska beteendet hos dessa biokompositer dock inte undersökts särskilt ingående. Syftet med denna avhandling är därför att utöka den nuvarande kunskapen om det mekaniska beteendet av dessa material genom att använda två olika mekanisk karakterisering metoder av TW och vanligt trä som referensmaterial. TW framställdes genom impregnering av delignifierade björkfaner med PMMA. Den mekaniska karakteriseringen utfördes med hjälp av olika metoder. Elastiska modulen och böjhållfastheten i tvärriktningen studerades med hjälp av fyrpunktsböjningprov. Resultaten visade en förbättring för båda egenskaperna jämfört med vanligt björkträ. Brottet vinkelrätt mot fibern (TR-systemet) undersöktes genom att utföra in situ fyrpunktsböjningstester på prover med en kant-spricka i ett svepelektronmikroskop för att observera hur sprickorna fortplantar sig i den komplexa mikrostrukturen. En anmärkningsvärd förbättring (cirka 175 procent) av brottsstyrkan konstaterades jämfört med vanligt trä. Dessutom användes DIC-teknik (digital image correlation) på fyrpunktsböjningstesterna, med kant-spricka, för att studera spänningsfältet under spricktillväxten, särskilt bildandet av brottprocesszonen (FPZ) runt sprickspetsen. Därefter föreslogs en ekvation som beskriver kohesionslagen för båda materialen baserat på experimentella observationer som i slutändan kan användas för sprickmekaniska simuleringar. Slutligen visades kort hur man kan använda de uppmätta mekaniska egenskaperna hos den nya TW för materialval för tekniska tillämpningar. / Transparent wood (TW) biocomposites are a new attractive class of materials. They are based on a delignified wood template impregnated by a refractive index-matching polymer. TWs can be tailored in order to show a wide range of functional, optical, and mechanical properties. Moreover, being biobased, they are seen as a possible key material to replace more environmentally impactful materials in various sectors including the construction industry. However, unlike the functional properties, the mechanical behaviour of this class of materials has been poorly investigated. Therefore, in this thesis, the aim was to extend the current knowledge about the mechanical response of these materials by using a two-step mechanical characterization on TW and native wood as reference material. The analysed TW biocomposite was prepared by impregnation of delignified birch veneers by PMMA. The mechanical characterization was carried out using different techniques. The Young’s modulus and the flexural strength along the transverse direction were studied by four-point bending tests. The results showed an improvement for both properties compared to native birch wood. The fracture perpendicular to the grain (TR system) was investigated by performing in situ single-edge-notched four-point bending tests onto a scanning electron microscope to observe how the cracks propagate in this complex microstructure. A remarkable improvement (about 175 percent) in fracture toughness was found compared to the native wood. Furthermore, the in situ single-edge-notched four-point bending test was also applied, together with the digital image correlation (DIC) technique, to study the strain field during the crack growth, specifically the formation of the fracture process zone (FPZ) around the crack tip. Then, an equation describing the cohesive law was proposed for both materials based on experimental observations that can be ultimately used for fracture mechanics simulations. Finally, it was briefly shown how to make use of the measured mechanical properties of the novel TW for material selection for engineering applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-313116 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Arcieri, Nicolò |
| Publisher | KTH, Fiber- och polymerteknologi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2022:034 |
Page generated in 0.003 seconds