Edmone Roffael

Volatile organic compounds and formaldehyde in nature, wood and wood based panels

The emission of terpene compounds from vegetation is subject to seasonal and diurnal variations. Due to oxidation of terpene compounds simple aldehydes like formaldehyde can be formed. Insofar formaldehyde is an ubiquitous chemical. Due to its high reactivity it has a short half-life time.Wood and wood-based panels emit a low, but still detectable, amount of formaldehyde. The emission depends on exogenic (temperature, relative humidity, air exchange level) and endogenic (wood species, binder level, binder type, production conditions, etc.) factors.With the aging of boards formaldehyde release declines tremendously to reach very low level. Nevertheless, with low fuming binders wood-based panels with formaldehyde emission close to that of untreated wood can be prepared. Non-formaldehyde volatile organic compounds (VOCs) can be released from wood and wood-based panels. The emission rate depends on the wood species as well as on the boundary conditions (drying, storage, etc.). In the case of wood-based panels it depends also on the production factors as well as on the storage conditions. Methods to assess VOCs have been developed and regulations regarding the limits of emission values are under way. ZusammenfassungDie Freisetzung von Terpenen aus der Vegetation hängt von der Tages- und Jahreszeit ab. Durch Oxidation bilden sich aus den Terpenverbindungen einfache Aldehyde wie Formaldehyd. Insoweit entsteht Formaldehyd auch durch Reaktionen, die in der Natur stattfinden. Wegen seiner hohen Reaktivität hat Formaldehyd eine kurze Halbwertzeit.Holz und Holzwerkstoffe geben geringe, aber dennoch nachweisbare, Mengen an Formaldehyd ab. Die Emission von Formaldehyd hängt von einer Reihe endogener (Holz, Bindemittelanteil, Produktionsbedingungen, etc.) und exogener (Temperatur, relative Luftfeuchte, Luftwechselzahl, etc.) Faktoren ab.Die Freisetzung von Formaldehyd nimmt durch Alterung von Holzwerkstoffen erheblich ab. Mit den heutigen Bindemitteln lassen sich Holzwerkstoffe herstellen, deren Formaldehydabgabe der von unbehandeltem Holz weitgehend entspricht.Weitere flüchtige organische Verbindungen (VOCs) können aus Holz und Holzwerkstoffen in geringen Mengen entweichen. Die Emissionsrate hängt von der Holzart ab und ist je nach Lagerungs- und Trocknungsbedingungen unterschiedlich. Bei den Holzwerkstoffen ist sie auch von den Produktionsfaktoren sowie von den Lagerungsbedingungen abhängig. Methoden zur Erfassung flüchtiger organischer Verbindungen wurden entwickelt und Bestimmungen zur Festlegung von Grenzwerten werden derzeit erarbeitet.

Extraktstoffe in Eiche und ihr Einfluß auf die Verleimbarkeit mit alkalischen Phenol-Formaldehydharzen

ZusammenfassungDie Untersuchungen betrafen den Einfluß der Extraktstoffe im Eichenholz auf die Verleimbarkeit von Eichenspänen mit den alkalischen Phenol-Formaldehydharzen. Die Ergebnisse lassen deutlich werden, daß in einigen Fällen zwischen jungem und altem Eichenholz große Unterschiede sowohl im Extraktstoffgehalt als auch im pH-Wert der Extrakte bestehen, die zu unterschiedlichen Bindungsfestigkeiten, insbesondere Kochfestigkeiten (V 100-Wert), bei der Verleimung von Spänen des jungen und alten Eichenholzes mit alkalischen Phenol-Formal-dehydharzen führen. Alteiche besitzt im allgemeinen einen höheren Gehalt an Extraktstoffen mit niedrigerem pH-Wert als Jungeiche und ist demzufolge schwerer verleimbar. Weiterhin besitzen Extrakte des alten Eichenholzes eine höhere Pufferkapazität. Durch teilweises Auswaschen der Extraktstoffe mit kochendem Wasser läßt sich zwar eine dentliche Verbesserung der Verleimbarkeit des jungen bzw. alten Eichenholzes feststellen, jedoch bleiben die physikalisch-technologischen Eigenschaften der Platten deutlich hinter denen der unter denselben Beleimungs- und Preßbedingungen auf der Basis von Kiefernholzschneidspänen hergestellten Platten zurück.Die Unterschiede zwischen den Spänen des jungen bzw. alten Eichenholzes gehen nach der Extraktion mit kochendem Wasser teilweise verloren. Bei der Extraktion mit einem alkalischen Reagenz, wie z. B. Natriumcarbonat, wobei mehr als 20% des alten Eichenholzes bzw, über 10% des jungen Eichenholzes in Lösung gehen, sind noch kaum Unterschiede zwischen jungem und altem Eichenholz in bezug auf die Verleimbarkeit mit alkalischen Phenolharzen deutlich feststellbar.Die Zugabe von Natriumhydroxid vor dem Beleimen mit Phenolharzen (3% auf atro Holz bezogen) bewirkt eine deutliche Verbesserung der Verleimbarkeit von Eichenspänen und führt zu Spanplatten, die einen sehr niedrigen Dickenquellungswert (etwa 4% nach 2 h bzw, 8% nach 24 h) aufweisen.SummaryThe influence of extractives in oak wood on the gluing of oak particles with alkaline phenolic-formaldehyde-resins was investigated. The results show that old trees mostly have a higher content of extractives with a lower pH-value than younger trees of the same species. Moreover, extractives of old oak trees show a higher puffering capacity. In these cases, particles of old oak were found to be more difficult to bond with alkaline phenolic-formaldehyde-resins than those of young oak. In general, extraction of oak particles with boiling water favourably affects the gluability of oak particles. However, the transverse tensile strength of particleboard consisting of pine chips could not be reached. After extraction with water, only small differences between young and old oak were detectible as regards the bonding behaviour towards alkaline phenolic resins. Extraction with 1-n sodium carbonate solution instead of water causes a further improvement in the gluability of oak, using alkaline phenolic-formaldehyde-resins. After extraction with this reagent no significant differences in the bonding behaviour between young and old oak could be found. The addition of sodium hydroxide (3% related to dry wood) considerably improves the gluability of oak particles and furnishes particle boards with very low thickness swelling (4% after 2 h and 8% after 24 h, respectively).

Einfluß thermischer Behandlung auf Cellulose

ZusammenfassungDie Veränderung der übermolekularen Struktur und einiger physikalischer und chemischer Eigenschaften von Cellulose bei thermischer Behandlung wurde quantitativ erfaßt. Die Ergebnisse zeigen, daß der mit der Röntgen-Methode gemessene Ordnungszustand der Cellulose bei thermischer Behandlung zuerst ansteigt, um dann abzufallen. Ähnlich verhält sich der α-Cellulosegehalt; der DP-Wert und der Weißgehalt zeigen dagegen eine stetige Abnahme.SummaryChanges in the supermolecular structure, the content of α-cellulose, the degree of polymerisation and the degree of whiteness after thermal treatment of cellulose up to a temperature of 220° C were measured quantitatively. The results showed that the state of order, in terms of X-ray cristallinity, at first increased and subsequently decreased. It turned out that the change in the content of α-cellulose was similar, whereas the DP and the whiteness continuously decreased due to the thermal treatment.

Zum Recycling von Span- und MDF-Platten

ZusammenfassungIm Teil 1 der Arbeit (Franke und Roffael 1998) wurde über die Auswirkung der Thermohydrolyse von UF-gebundenen Span- und MDF-Platten auf die Ausbeute, den Bindemittelabbau, den pH-Wert und den Pentosangehalt berichtet. Es wurde festgestellt, daß infolge der Thermohydrolyse der pH-Wert der wässerigen Auszüge von Span-und MDF-Platten zunimmt und ihre Pufferkapazität gegen Alkali abnimmt. Ferner zeigte sich, daß die UF-Harze eine relativ hohe Hydrolyseresistenz aufweisen. In diesem Teil der Arbeit wurde die Formaldehydabgabe, ermittelt nach der WKI-Flaschen-Methode, bei unterschiedlichen thermischen Behandlungen der Proben untersucht. Weiterhin wurde der Einfluß der thermischen Behandlung von zerkleinerten Platten auf die Ammoniakabgabe und den pH-Wert ermittelt. Zum Vergleich wurden Kiefernspäne aus Rundholz in die Untersuchungen einbezogen.AbstractIn part 1 of the work (Franke and Roffael 1998) investigations were carried out on the influence of thermal hydrolysis of UF-bonded particle- and medium density fibreboards (MDF). The degradation of UF-resins was followed up, the change of the pH-value in the water extractives, the yield and the pentosan content of the lignocellulosic material were also assessed. Due to thermal hydrolysis the pH-value of water extractives increases and their alkaline buffering capacity decreases? Moreover, it was shown that UF-resins have a relatively high resistance towards hydrolysis. In this part of the work investigations were conducted on the formaldehyde release at different test temperatures. Further, the influence of thermal treatment of the disintegrated baords on the ammonia release was assessed. Moreover, the change of the pH-value of the extractives was determined. For comparison particles from round pinewood were included in the investigation.

Über die Eignung von thermo-mechanischem und chemo-thermo-mechanischem Holzstoff (TMP und CTMP) aus Buchen- und Kiefernholz für die Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF)

ZusammenfassungZu Beginn der Arbeit wird über den Kenntnisstand bei der Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) berichtet. Im Anschluß daran werden Ergebnisse von Untersuchungen zum Aufschluß von Buchen- und Kiefernholz nach dem TMP- und CTMP-Verfahren unter verschiedenen Bedingungen aufgezeigt. An den hergestellten Fasern wurden verschiedene physikalischchemische Untersuchungen vorgenommen, die zu folgenden Schlußfolgerungen geführt haben: Innerhalb des TMP-Verfahrens nimmt der chemische und biologische Sauerstoffbedarf (CSB und BSB5) mit steigender Aufschlußtemperatur zu. Die Abwasserbelastung bei der CTMP-Herstellung ist generell höher als bei der TMP-Herstellung, der Unterschied in der Abwasserbelastung ist bei hohen Aufschlußtemperaturen relativ gering.Die Ergebnisse zeigen ferner, daß der CTMP-Aufschluß anscheinend schonender als der TMP-Aufschluß verläuft, da der damit erhaltene Stoff generell größere Faserlängen, insbesondere bei Buchenholz, aufweist. Der Aufschluß nach dem CTMP-Verfahren führt zur vermehrten Abspaltung von Acetylgruppen und zur Bildung von Acetationen gegenüber dem TMP-Verfahren, die Abgabe an Essigsäure aus dem nach dem CTMP-Verfahren hergestellten Stoff ist entsprechend höher. Auch innerhalb des TMP-Verfahrens werden mit zunehmender Aufschlußtemperatur mehr Acetylgruppen abgespalten. Weiterhin wurde festgestellt, daß der pH-Wert des TMP-Stoffes und dessen Pufferkapazität gegen Alkali mit zunehmender Aufschlußtemperatur ab- bzw. zunehmen. Entsprechend erhöht sich die Abgabe an flüchtigen Säuren aus dem Faserstoff mit steigender Aufschlußtemperatur, generell geben die CTMP-Stoffe mehr flüchtige Säuren ab als die TMP-Stoffe.Aus den unter verschiedenen Aufschlußbedingungen hergestellten Stoffen wurden MDF hergestellt, deren Eigenschaften in den folgenden Mitteilungen beschrieben werden.AbstractA condensed review on the state of the art of the producton of medium density fibreboards is given. Thereafter, results of investigations on pulping beech and pine wood under differnet conditions according to the TMP- and CTMP-process are presented. The pulps derived from both wood species were analysed for some of their physical and chemical properties. The results reveal: Within the TMP- and CTMP-process, both the chemical and biological oxygen demand increase with increasing pulping temperature. In general, however, waste water from the CTMP-process has higher chemical and biological oxygen demand. The CTMP-process seems to be milder than the TMP-process as it leads to pulps with higher fibre length, especially in case of beech. The content of acetyle groups is much lower in CTMP-pulps than in TMP-pulps, CTMP-pulps emit also more acetic acid than TMP-pulps. With increasing pulping temperature the pH-value decreases and the buffering capacity towards alkali increases. MDF were prepared from TMP- and CTMP-pulps and their properties were evaluated. The results are included in the next parts of the publication.

Einfluß der Rohdichte auf das Quellungsverhalten von phenolharzgebundenen Spanplatten

ZusammenfassungEinschichtige phenolformaldehydharzgebundene Spanplatten aus Kiefernholz, mit 60 mm Dicke, deren Rohdichte sich über einen großen Bereich (0,51 bis 0,94 g/cm3) erstreckt, wurden ohne Zugabe eines Hydrophobierungsmittels hergestellt und in ausgedehnten Untersuchungen auf ihre Quelleigenschaften hin geprüft. Die Ergebnisse zeigen, daß im allgemeinen die Dickenquellung mit zunehmender Rohdichte ansteigt, während die Wasseraufnahme in derselben Richtung eine Abuahme aufweist. Durch Aufstellen von Kurven, die den zeitlichen Ablauf der Dickenquellung zum Ausdruck bringen, konnte bewiesen werden, daß mit zunehmender Rohdichte, insbesondere im Bereich über 0,8 g/cm3, die Quellung von Spanplatten langsamer, wird. Die Versuche haben weiterhin ergeben, daß das Verhältnis Dickenquellung zu Wasseraufnahme im Bereich niedriger Rohdichten zwischen 0,51 bis 0,70 g/cm3 über einen großen, Zeitraum mehr oder weniger konstant bleibt, um nachher geringfügig abzufallen. Aus den Ergebnissen ging gleichzeitig hervor, daß die Wasseraufnahme nach Erreichen eines Endzustandes der Dickenquellung weiterhin ansteigt. Der zu Beginn des Quellungsvorganges im Bereich höherer Rohdichten eintretende Anstieg des Verhältnisses Dickenquellung zu Wasseraufnahme (q/w) ist sehr wahrscheinlich auf das Bestreben der Spanplatten, in diesem Rohdichtebereich die inneren Spannungen abzubauen, zurückzuführen.SummaryOne-layer particle boards (60 mm thick), covering a wide range of density (0,51–0,94 g/cm3), were prepared in the laboratory by using phenolformaldehyd resin as a binder. The boards were tested for their swelling behaviour in water at 20°C. The results show that increasing density leads, to an increase in the thickness swelling after reaching equilibrium conditions, whereas the water absorption decreases in the same direction. Curves showing the rate of increase of thickness swelling of these boards led to the conclusion that increasing density, especially in the range above 0,80 g/cm3, affected the water repellency at the first stage of swelling due to the low diffusion rate of water. Furthermore, it was found that the ratio of thickness swelling to water absorption for particle boards of low density remains at first more or less constant and then decreases gradually. Particle boards of high density show a somewhat different behaviour. The ratio of thickness swelling to water absorption increases at the first stage of swelling, reaches a maximum and then decreases. Furthermore, it was found that the water absorption continued to increase after reaching a maximum of thickness swelling.

Über die Acidität einheimischer Holzarten

Zielsetzung Das Holz tritt über seine chemischen Eigenschaften wie pH-Wert, Pufferkapazität (Acidität) und über seine Inhaltsstoffe in Wechselwirkung mit dem Bindemittel und nimmt mithin Einfluß auf die Verleimungsqualität. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, die Acidität von Spänen aus den wichtigsten einheimischen Hölzern (Buche, Eiche, Fichte und Kiefer) zu untersuchen, zumal bekannt ist, daß sich Späne dieser Hölzer bei der Verleimung unterschiedlich verhalten.Summary The acidity of wood chips from beech, oak, pine and spruce was evaluated by measuring the pH-value of cold water extractives, the buffering capacity of the extractives towards alkali. Moreover, the amount of volatile acids (formic and acetic acid) was also estimated using the flask method procedure used for the determination of formaldehyde release. The results reveal that extracts of chips from different wood species show different pH-values and a widely differing buffering capacity of the extractives. Moreover, it was found that the emission of formic acid is much higher from softwoods (pine and spruce) compared to hardwoods (beech and oak). The nature of volatile acids in wood seems to impact the shape of the titration curves of the wood extractives.