Abstract
Relatively mild thermal treatments of wood according to a two step process which leads to improved dimensional stability and improved timber performance were investigated by solid phase CP-MAS 13C-NMR to understand at molecular level the reasons for the improvements reported. All the occurrences described appear to be the consequence of reactions which are known in wood chemistry. These are the formation of acetic acid liberated from the hemicelluloses, which further catalyses carbohydrates cleavage, causing a reduction of degree of polymerisation of the carbohydrates. Acid catalysed degradation results in the formation of formaldehyde, furfural and other aldehydes as well as some lignin cleavage at Cα and O4 and believed to cause some aldehyde production from lignin units Cγ, all occurring in the first reaction step. Lignin autocondensation through the cleaved, positively charged benzylic Cα to form some methylene bridges presumably starts already to occur in this first phase. The increase in the number of free reactive sites on the aromatic ring of some lignin units already occurs in this phase but continues into the next.
In the second treatment step completion of the autocondensation of lignin is believed to occur through the formation of methylene bridges connecting aromatic rings. The aromatic nuclei sites are released by demethoxylation and through the cleaved, positively charged benzylic Cα. Reactions of some of the aldehyde groups formed in the first step phase occur with lignin aromatic nuclei sites to connect aromatic rings through methylene bridges.
The extent of these reactions is mild, but nonetheless they lead to an increase in cross-linking with consequent improvement in dimensional stability and decreased hygroscopicity of wood.
Zusammenfassung
Relativ milde thermische Behandlung von Holz nach einem Zwei-Stufen-Verfahren führt zu verbesserter Dimensionsstabilität. Diese verbesserte Schnittholzqualität wurde mit Hilfe der Festphasen NMR untersucht, um die Urachen dafür auf molekularem Niveau zu verstehen. Alle Erscheinungen erweisen sich als Folge von in der Holzchemie bekannten chemischen Reaktionen. Diese sind: Freisetzen von Essigsäure aus den Polyosen, wodurch dann Spaltungen von Polysacchariden katalysiert werden, die zu einer Erniedrigung des Polymerisationsgrades führen. Die Säure-katalysierte Spaltung führt zur Bildung von Formaldehyd, Furfural und anderen Aldehyden sowie zu einigen Ligninspaltungen an Cα und O4. Diese wiederum führen vermutlich zur Bildung einiger Aldehyde aus Lignin-Einheiten (Cχ).
Alle diese Reaktionen laufen innerhalb der ersten Stufe ab. Auch eine weitere Kondensation des Lignins über abgespaltene, positiv geladene Benzyl-Bruchstücke (Cα) und Methylenbrücken findet wahrscheinlich innerhalb der ersten Phase statt. Ebenso der Anstieg von reaktiven Seitengruppen der aromatischen Ringe einiger Lignineinheiten beginnt in dieser ersten Stufen und setzt sich in der nächsten fort.
In der zweiten Behandlungsstufe setzt sich, wie die Autoren annehmen, die Autokondensation des Lignins über Methylenbrücken fort, wobei Seitengruppen der Benzolkerne durch Demethoxylierung abgespalten werden und positiv geladene Benzyleinheiten (Cα) entstehen. Einige der in der ersten Phase freihesetzten Aldehyde vernetzen die aromatischen Ringe des Lignins weiter über Methylenbrücken. Das Ausmaß dieser Reaktionen ist gering, führt aber dennoch zu einer Zunahme der Quervernetzung und infolge davon zu verbesserter Dimensionsstabilität und verringerter hygroskopischer Eigenschaft des Holzes.
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4 References
Armines (1981a) French patent 81-16463, No. 2-512-053; 1981b: European patent No. 0-073-714; 1985: USA patent No. 4,553,978
Bobleter O, Binder H (1980) Dynamischer hydrothermaler Abbau von Holz. Holzforschung 34 (2): 48–51
Bourgois J, Guyonnet R (1988) Characterization and analysis of torrified wood. Wood Sci. Technol. 22: 143–155
Burmester A (1973) Einfluß einer Wärme-Druck-Behandlung halbtrockenen Holzes auf seine Formbeständigkeit. Holz Roh-Werkstoff 31: 237–243
Burmester A (1975) Zur Dimensionsstabilisierung von Holz. Holz Roh- Werkstoff 33: 333–335
Burmester A, Wille WE (1976) Quellungsverminderung von Holz in Teilbereichen der relativen Luftfeuchtigkeit. Holz Roh- Werkstoff. 34: 87–90
Burtscher E, Bobleter O (1987) Chromatographie analysis of biomass reaction products produced by hydrothermolysis of Poplar wood. J. Chromat. 390: 410–412
Dietrichs HH, Sinner M, Puls J (1978) Potential of Steaming Hardwoods and Straw for Feed and Food Production. Holzforschung 32 (6): 193–199
Ellis S, Paszner L (1994) Activated selfbonding of wood and agricultural residues. Holzforschung 48 (suppl): 82–90
Fengel D, Wegener G (1989) Wood: chemistry, ultrastructure, reactions. W. de Gruyter, Berlijn New York. 613p
Giebeler E (1983) Dimensionsstabilisierung von Holz durch eine Feuchte/Wärme/Druck-Behandlung, Holz Roh-Werkstoff 41: 87–94
Goyal GC, Lora JH (1991) Kinetics of delignification and lignin characteristics in autocatalyzed organosolv pulping of hard-woods. Proc. Int. Symp. Wood Pulp. Chem., Melbourne, Australia, vol. 1: 205–212
Hillis WE (1984) High temperature and chemical effects on wood stability. Wood Sci. Technol. 18: 281–293
Holz-Zentralblatt, 1996, 129, 2034
Kollmann F (1963) Über das Sorptionsverhalten wärmebehandelter Hölzer. Holz Roh- Werkstoff 21: 77–85
Kollmann F, Fengel D (1965) Änderungen der chemischen Zusammensetzung von Holz durch thermische Behandlung. Holz Roh- Werkstoff 23: 461–468
Noack D (1969) Über die Heißwasserbehandlung von Rotbuchenholz im Temperaturbereich von 100 bis 180 °C. Holzforschung Holzverwertung 21: 118–124
Runkel ROH (1951) Zur Kenntnis des thermoplastischen Verhaltens von Holz. Holz Roh- Werkstoff 9: 41–53
Runkel ROH, Witt H (1953) Zur Kenntnis des thermoplastischen Verhaltens von Holz. Holz Roh Werkstoff 11: 457–461
Ruyter HP (1989) European patent Appl. No. 89-203170.9
Seborg RM, Tarkow H, Stamm AJ (1953) Effect of heat upon the dimensional stabilisation of wood. J. For. Prod. Res. Soc. 3 (9): 59–67
Sjöström E (1981) Wood chemistry: Fundamentals and Applications. Academic Press, Inc. San Diego. 293p
Stamm AJ (1956) Thermal Degradation of Wood and Cellulose. Ind. Eng. Chem. 48 (5): 413–417
Tjeerdsma BF (1998): FTIR characterisation of thermal modified wood. PH.D. Thesis, University of Wageningen, The Netherlands
van Zuylen A (1995) Platonische lifde voor hout. Chemisch magazine 212–213, May
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Tjeerdsma, B.F., Boonstra, M., Pizzi, A. et al. Characterisation of thermally modified wood: molecular reasons for wood performance improvement. Holz als Roh-und Werkstoff 56, 149–153 (1998). https://doi.org/10.1007/s001070050287
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DOI: https://doi.org/10.1007/s001070050287