Jan T. Benthien

Effects of Defibration Conditions on Mechanical and Physical Properties of Wood Fiber/High-Density Polyethylene Composites

Abstract Defibration conditions influence wood fiber characteristics and thereby properties of fiber-based materials. In this study, the effects of several defibration conditions on mechanical and physical properties of fiber-based wood-plastic composites (WPCs) are illustrated. Various WPCs were tested containing different thermo-mechanical pulps (TMPs) or groundwood pulp (GWP), whereby material composition (50 wt% wood fibers, 47 wt% polymer, 3 wt% coupling agent) and the production process (internal mixer, injection molder) were kept consistent. The data from the experiment revealed that differing defibration conditions led to statistically significant differences in the tested flexural, tensile, and impact properties as well as in the water absorption of WPC. Overall, the GWP and the TMP which was produced under the mildest defibration conditions performed best in fiber-based WPCs. Therefore, grinders and refiners may be equally suitable to produce pulp for WPC usage. As a side-effect within this study, the reinforcing effect of fiber application on flexural and tensile properties was on an extraordinarily high level.

Experimental determination of the compression resistance of differently shaped wood particles as influencing parameter on wood-reduced particleboard manufacturing

The price for industrial wood and, thus, particles for the manufacture of particleboard has been rising in the past and will be a topic of current interest in the future as economic growth is targeted at limited resources. One of the strategies to overcome this development is to reduce the amount of wood used for panel production. However, a simple reduction in the amount of wood used for panel manufacture leads to panels of lower density and, consequently, reduced properties. One approach to solving this problem is to re-engineer the particle mat structure to improve the panels’ density profile and, thus, meet required panel properties and at the same time lower board densities. As the particles’ compressibility is one of the main influencing parameters for density profile formation, it is the intention of this study to use a previously developed measurement method to give compression resistances of particles of various shapes and dimensions. It was found that the bulk density alone is not decisive for the particles’ compression resistance. The compression resistance derived from the change of particle shape is lower than that derived from wood substance compression. The compression resistance of large-sized particles was found to be higher than that of small-sized particles. It was concluded that a targeted combination of face and core layer particles improves the panels’ density profile.

Influence of material origin on the size distribution of wood particles for wood-plastic composite (WPC) manufacture

This paper presents results from sieve analysis and image analysis-based particle size measurement (FibreCube) of wood particles for the manufacture of wood-plastic composites. Wood of different origin (virgin Norway spruce, post-industrial particleboard residues, mixed waste wood) was used for particle manufacture. It was found that size distributions were different, although milling conditions were equal.

Investigation of the interrelations between defibration conditions, fiber size and medium-density fiberboard (MDF) properties

Defibration conditions and raw material properties affect wood fiber characteristics, and thereby the properties of fiber-based panels such as high-density fiberboard (HDF), medium-density fiberboard (MDF) and wood fiber insulation board. This study investigates the influence of steaming conditions (time and temperature), grinding disc distance, wood species (pine, beech, birch and poplar), method of refiner discharging (radial and tangential stock outlet) and wood chip size on fiber length and fiber length distribution, and further the influence of fiber size on MDF properties. Fiber lengths were determined applying the recently developed image analysis-based fiber size measuring system FibreCube. This system enables an automated and nearly complete mechanical separation of woolly-felted fiber samples prior to image acquisition, software-supported post-separation of overlapped-lying fibers at the beginning of image analysis, and flow line tracing-based length measurement. It was found that grinding disc distance and wood species are the most influential parameters on fiber length characteristics. Especially the content of undefibrated fiber bundles (shives) was found to strongly correlate with the grinding disc distance. Wood anatomical differences between hardwood and softwood were reflected clearly by the fiber length characteristics. Fiber size was found to be one of the parameters influencing panel properties. However, other fiber characteristics—in particular the chemical nature of the fiber, which is responsible for its wettability with water (thickness swelling) and glue (mechanical properties)—have to be considered as important influencing parameters on panel properties.

Entwicklung leichter Holzwerkstoffe unter Anwendung definierter Spanorientierung und Partikelmorphologie - Schlussbericht zum Teilvorhaben 1

[Aufgabenstellung] Vor dem Hintergrund der Forderung stofflicher Auf- und Verarbeitung nachwachsender Roh- und Reststoffe zu biobasierten Produkten, war die Entwicklung einer dreischichtigen dichtereduzierten Spanplatte, die trotz einer Dichte von unter 500 kg/m3 die Festigkeitseigenschaften konventioneller Spanplatte erfullt, Ziel des Projektes. Unter Spanplatte ist hier ein nach EN 309 definierter Plattenwerkstoff zu verstehen, der aus Holzspanen verschiedenen Ursprungs (Rundholz, Sageabfalle oder Altholz) hergestellt wird und die in EN 312 fur den Plattentyp P2 festgelegten Produkteigenschaften erfullt. Die jahrliche Produktionsleistung an Spanplatten betragt laut dem Jahresbericht 2016-2017 des Europaischen Holzwerkstoffverbandes (kurz EPF fur engl. European Panel Federation) in 2016 allein fur Deutschland 5,5 Millionen m3. Eine Reduktion des Holzeinsatzes bei ansonsten gleichem Produktionsvolumen und Produkteigenschaften wurde eine Steigerung der Materialeffizienz bedeuten und somit helfen, Ressourcen zu schonen. Bei perspektivisch steigender Nachfrage nach Holz - aufgrund der Erschliesung neuer und Ausweitung bestehender Anwendungsfelder von Holz als Rohstoff- und Energiequelle sowie der Angleichung des weltweiten Konsumverhaltens auf westliches Niveau - konnte der reduzierte Holzeinsatz zur Spanplattenherstellung einen Beitrag zur langfristigen Sicherung der Rohstoffversorgung leisten. Mit dem Projektziel werden somit die forderpolitischen Ziele des Bundesministeriums fur Ernahrung und Landwirtschaft (BMEL) verfolgt. Neben der langfristigen Sicherstellung der Rohstoffversorgung und Effizienzsteigerung, kann eine Reduktion der Dichte konventioneller Spanplatten von ca. 650 kg/m3 auf unter 500 kg/m3 aus unternehmerischer Perspektive weiter die Absicht verfolgen, Platten mit einem geringen Gewicht fur Leichtbauanwendungen anzubieten. Aufgrund der engen Korrelation zwischen Plattendichte und mechanischen Platteneigenschaften ist eine simple Reduktion des Holzeinsatzes zur Reduktion Plattendichte nicht moglich. Soll eine Dichtereduktion unter Erhalt der Festigkeitseigenschaften konventioneller Platten erreicht werden, so sind Masnahmen zur Kompensation der Eigenschaftsverschlechterung zu ergreifen. [...] In diesem Projekt wurde beabsichtig, die mit Dichtereduktion gegenuber konventionell hergestellten Spanplatten einhergehenden Festigkeitseinbusen uber 1. den Einsatz von Spanen innovativer Geometrie und/oder 2. die Veranderung der Spanorientierung zu kompensieren. Idee war hierbei, dass uber die Geometrie (negative Korrelation zwischen Schuttdichte und Verdichtungswiderstand) bzw. die Orientierung (hohere Druckfestigkeit von Holz in longitudinaler als in tangentialer oder radialer Holzrichtung) der eingesetzten Spane ein Anstieg des Verdichtungswiderstandes der Mittelschicht zu erzielen. Trotz einer geringeren Mittelschichtdichte sollten so Platten vergleichbarer Deckschichtdichten und entsprechend unveranderter Eigenschaften hergestellt werden konnen. Erganzend zur Untersuchung des Einflusses der Spangeometrie und der Spanausrichtung auf die Eigenschaften von dichtereduzierten Spanplatten wurden weiter der Einfluss des Klebstoffanteils in Deck- und Mittelschicht sowie die Effekte von flachigen Spanen als Deckschichtmaterial untersucht.

Size distribution of wood particles for extruded particleboard production determined by sieve analysis and image analysis-based particle size measurement

Three wood particle types of different origin [knife ring flaker (KRF), hammer mill (HM), sawmill plant] for the manufacture of extruded particleboards were characterized by conventional sieve analysis and image analysis-based particle size measurement. Sieve analysis was performed following two different approaches (on-site, off-site). Image analysis-based measurement was done applying the so-called QICPIC apparatus from Sympatec GmbH (Clausthal-Zellerfeld, Germany). It was found that the size distributions of particles derived from timber production (sawdust) were different in comparison to those of KRF or HM manufacture.

Monitoring of fibre dimensions after a novel wood-plastic compounding approach

Fibre length and width development were monitored for a novel procedure of combined wood chip defibration and wood-polymer compounding as well as further process steps for the production of wood fibre-based composites by applying an image analysis-based particle size measuring technique. While fibre dimension was maintained at a common level after refiner compounding, pelletizing was found to reduce both fibre length and width to about 50% of its initial dimension after refiner compounding. Subsequent injection moulding led to an additional fibre length reduction.

Stiffness modelling of particles in the core layer for the manufacturing of wood-reduced particleboard

A great demand for wood material has led to an increase in the price of industrial wood in the past and will raise it even further in future. Industry and research have reacted to this increasing price of wood, for example, by developing weight-reduced particleboard. One approach to achieve this reduction in weight is to use suitable chip geometries in the core layer instead of lightweight, resource-saving filling materials. The geometry of the chips in the core layer must have a high compression resistance here to reach the desired apparent density profile. For this purpose, particle geometries were analysed with regard to this property within a project for the development of weight-reduced particleboards. After determining the curve of the compression resistance, it was possible to establish an equivalent spring stiffness model for different chip geometries to characterise the geometry during compression. Merely due to a low bulk density for chips in the core layer, it is not possible to increase the spring stiffness and hence to reach a required apparent density profile. Only compression of the chips leads to a rapid increase in spring stiffness.

Effect of wood species, digester conditions, and defibrator disc distance on wettability of fiberboard

Wettability of medium density fiberboard (MDF) surface affects paint or adhesive application and is, thus, of importance in the course of furniture manufacturing. This study investigated the effects of wood species, digester conditions and defibrator disc distance on the wettability properties. It was found that the wettability of the MDF significantly decreased with increasing the defibrator disc distance and increased with the increment in the severity of the digestion conditions. The highest wettability was found for samples made of beech wood having an average contact angle value of 74.5°, followed by poplar wood (76.5°), birch wood (79.7°), the mixture (1:1) of scots pine and beech wood (82.9°), and scots pine wood (86.4°), respectively.

Zusammenhang von Spanqualität und Platteneigenschaften: Eine Untersuchung von Spänen verschiedener Hersteller

Die Eigenschaften von Spanplatten werden unter anderem von der Qualitat der eingesetzten Deck- und Mittelschichtspane beeinflusst. Neben anderen Merkmalen ist die Spangrose - genauer die Partikelgrosenverteilung - eine wichtige Einflussgrose fur die Spanqualitat. Bestimmt wird die Partikelgrose vornehmlich mit Hilfe der Siebanalyse, da deren Durchfuhrung einfach ist und technisch mit der Fraktionierung des erzeugten Spangutes in Deck- und Mittelschichtspane in der industriellen Praxis vergleichbar ist. Mit dem Ziel Zusammenhange zwischen der Spanqualitat und den Platteneigenschaften aufzeigen zu konnen, wurden an Deck- und Mittelschichtspanen verschiedener Hersteller ausgewahlte Qualitatscharakteristika (z.B. Partikelgrosenverteilung nach Siebanalyse) bestimmt sowie aus diesen Spanen dreischichtige Prufspanplatten mit einer Dichte von 650 kg/m3 hergestellt und deren physikalische und mechanische Eigenschaften bestimmt. Anhand der untersuchten Charakteristika konnte gezeigt werden, dass Spane verschiedener Hersteller sich insbesondere in ihrer Partikelgrosenverteilung sowie Schuttdichte voneinander unterscheiden. Gleichwohl unterschieden sich die Eigenschaften der Spanplatten aus Spanen verschiedener Hersteller haufig signifikant. Im Fall der Biegeeigenschaften wurde die Partikelgrosenverteilung der Deckschichtpartikel als wichtige Einflussgrose gefunden. Mit dem Vorhandensein groberer Partikel in der Deckschicht wurden hohere Biegeeigenschaften gemessen. Die Querzugfestigkeit wurde als weniger von der Partikelgrose in der Mittelschicht, sondern vielmehr mit der Dichte des zur Spanherstellung verwendeten Holzes in Verbindung gebracht. Die Dickenquellung scheint weniger mit der Partikelgrose, sondern vielmehr mit dem zur Spanherstellung eingesetzten Altholzanteils in Verbindung zu stehen.