Wood modifications for valued-added applications using nanotechnology-based approaches

• Main Author: Cai, Xiaolin
• Other Authors: Riedl, Bernard
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Université Laval 2007
• Subjects: SD 121 UL 2007; Peuplier > Traitement; Nanomatériaux > Propriétés; Produits du bois; Valeur ajoutée; Bois > Conservation
• Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.11794/19711

Le développement de produits en bois transformés et ayant de la valeur ajoutée présente une occasion importante de bénéficier des ressources naturelles canadiennes pour l'industrie des produits en bois. Optimiser l’emploi de la ressource de la forêt par l'amélioration des traitements est une bonne manière d’ajouter une valeur ajoutée aux produits en bois. Nos objectifs ont visé le marché des produits d'application de plancher par un procédé approprié de modification du bois de mauvaise qualité. La combinaison de l'imprégnation, de la nanotechnologie et de l’utilisation de produits chimiques est une approche prometteuse pour améliorer les propriétés du bois telles que la dureté, la résistance à l'abrasion et la stabilité dimensionnelle. L'application de la nanotechnologie dans ce projet a fourni une nouvelle méthodologie pour développer des produits à valeur ajoutée pour l'industrie des produits en bois. Les nanocomposites en bois et polymère ont été préparés à partir du bois massif de peuplier (Populus tremuloides), de la résine hydrosoluble de type mélamine-urée-formaldéhyde (MUF), et de nanoargiles de silicates d'aluminium, appelées ‘montmorillonites’. Des nanoargiles hydrophiles et hydrophobes de montmorillonite ont été ajoutés aux MUF. La dispersion des nanoargiles est d’importance cruciale pour maximiser l'avantage de cet ajout de nanoparticules. À cette fin, les nanoargiles de montmorillonite ont été broyées et rectifiés avec un moulin à billes avant d'être mélangés à de la résine MUF et imprégnées dans le bois. Le bois a été imprégné de résine MUF, qui a polymérisé in situ dans certaines conditions. L'influence des nanoparticules de montmorillonite sur le comportement du bois suite au traitement avec de la résine MUF et les propriétés de visco-élasticité ont été étudiées par la calorimétrie à balayage différentiel (DSC) et l'analyse de DMTA (analyse thermique mécanique dynamique). Des améliorations significatives des propriétés physiques et mécaniques, telles que la dureté, la résistance à l'abrasion et le module d'élasticité (MOE) ont été obtenues pour les spécimens imprégnés de mélanges de résine MUF et de résines nanoargile-MUF. Des améliorations significatives de résistance à l'eau et de stabilité dimensionnelle ont été obtenues pour le bois traité par nanorenfort/MUF. L'efficacité antigonflante (ASE) a été améliorée de 63.3% à 125.6% pour le bois traité par nanorenfort/MUF. L'interactions à l’interface et la morphologie entre les nanorenforts, le MUF et le bois sur les propriétés physiques et mécaniques des nanocomposites en bois ont été étudiées en utilisant la spectroscopie des électrons de rayon-X, la microscopie électronique à balayage (SEM), la microscopie électronique de transmission (TEM), la microscopie à force atomique (AFM) et les méthodes de microanalyse de sonde électronique (EPMA). Les propriétés améliorées des bois ont pu être attribuées aux propriétés inhérentes aussi bien qu’à au meilleures interactions à l’interface du bois, de la MUF et des nanoparticules. Le traitement de moulin à billes a favorisé la dispersion des nanorenforts dans le bois, mais a décomposé les groupes fonctionnels sur la surface des nanoargiles hydrophobes, ce qui a été nuisible pour la liaison entre le nanorenfort et la matrice de MUF. Suite à l’acquisition d’images de la microsonde de fluorescence de rayons-X, les images de la distribution d’aluminium, élément uniquement présent dans l’argile, ont été analysées à l’aide du logiciel Wincell. En comparant ces images et les micrographies de microscopie conventionnelle à rayons-X, il a été constaté que les renforts de montmorillonite sont distribués de façon non-homogène dans la lamelle moyenne, la lamelle moyenne composée, la paroi primaire et le mur secondaire. Ces éléments fonctionnent comme des filtres qui ont capturé les nanoparticules de montmorillonite dans les régions amorphes c’est-à-dire non – cristallines de la paroi cellulaire. On a aussi observé l'adhérence entre la montmorillonite et la résine MUF par microscopie AFM. On a constaté que les groupes fonctionnels à la surface des montmorillonites hydrophobes jouent un rôle important de comptabilisation entre la montmorillonite nanoargile et la résine MUF, ce qui exerce une influence forte sur les propriétés physique et mécaniques des nanocomposites en bois/ nanoargile/MUF. === The development of value-added wood products from low-quality resource through innovative technology presents an excellent opportunity to maximize the value from the forest resource and thus contributes to the global competitiveness of the wood industry in Canada. To combine nanotechnology with chemical impregnation technique becomes particularly appealing to improve some value-added wood attributes such as wood surface hardness, abrasion resistance and dimensional stability. The combination of nanotechnology with the traditional impregnation technique has provided a new approach to improve the wood quality attributes of critical importance to value-added applications. In this study, wood polymer nanocomposites were prepared from solid aspen (Populus tremuloides) wood, water-soluble melamine-urea-formaldehyde (MUF) resin, and montmorillonite aluminium silicate nanoclays. Both hydrophilic and hydrophobic montmorillonite nanoclays were introduced to the system. The dispersion of nanoclay is crucial for completely utilizing the concept of nanoparticles. To do so, the montmorillonite nanoclays were ground with a ball-mill before being mixed with MUF resin and impregnated into the aspen wood. The wood samples were impregnated with resin, which polymerized in situ under specific conditions. The influence of the montmorillonite nanoparticles on the curing behaviour of MUF resin and visco-elasticity properties were investigated using differential scanning calorimetry (DSC) and dynamical mechanical thermal analysis (DMTA). Significant improvements in wood physical and mechanical properties, such as surface hardness, abrasion resistance, modulus of elasticity (MOE) were observed for the specimens impregnated with MUF resin and nanoclay-MUF resin mixtures. Significant improvements in water repellence and dimensional stabilities were also found for the nanofiller/MUF treated wood. The antiswelling efficiency (ASE) was improved from 63.3% to 125.6% for the nanofiller/MUF treated wood. This study also examined the influence of the interphase interactions and morphology between the nanofillers, MUF and wood on the physical and mechanical properties of the resulting wood-polymer nanocomposites using X-ray electron spectroscopy, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), atomic force microscope (AFM) and electron probe micro-analysis (EPMA). The improved wood properties could be ascribed to inherent properties as well as better interphase interactions between the wood, MUF and nanofillers. Ball-mill treatment favoured the dispersion of the nanofillers into the wood, but broke down functional groups on the hydrophobic nanoclay surface, which was detrimental for the bonding between the nanofiller and MUF matrix. The montmorillonite nanoclay coverage rate on the nanofiller/MUF wood nanocomposite surface was further investigated using the Wincell software analysis of the images of aluminium distribution. By duplicatine the image of aluminium distribution to the part was observed, it was found that the distribution of montmorillonite nanoclay looks like a network along the layer of ML (middle lamella), M (compound middle lamella), P (primary wall), S1 (secondary wall 1). These parts function like a sieve which captured the montmorillonite nanoparticles in the amorphous substance. The adhesion between montmorillonite and MUF resin was observed with AFM. It was confirmed that the functional groups of the organophilic montmorillonites play an important role on the compatibility between montmorillonite nanoclay and MUF resin, have strong influence on the physical/mechanical properties of the nanoclay/MUF wood nanocomposites.