Project

Back to overview

Modified Nanofibrillated Cellulose in Wood Coatings

English title Modified Nanofibrillated Cellulose in Wood Coatings
Applicant Zimmermann Tanja
Number 136558
Funding scheme NRP 66 Resource Wood
Research institution Empa Wood Laboratory
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.01.2012 - 31.12.2015
Approved amount 431'944.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Chemical Engineering

Keywords (3)

chemical modification; wood coating; nanofibrillated cellulose

Lay Summary (German)

Lead
Cellulose-Nanofibrillen in Holzbeschichtungen Die Forschenden in diesem Projekt gehen der Frage nach, inwieweit Cellulose-Nanofibrillen - aus Zellstoff isolierte, lange und hauchdünne Fasern - die Ge-brauchstauglichkeit und Qualität von Holzbeschichtungen verbessern können.
Lay summary

Hintergrund
Ausreichende Witterungsbeständigkeit und ansprechende Optik sind Grundvoraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz von Beschichtungen auf Holz im Aussenbereich. Umweltein-flüsse wie Lichtstrahlung, Feuchtigkeit, Hagel oder Mikroorganismen beschädigen die Beschichtung und führen früher oder später zu deren Versagen. Besonders transparente und teiltransparente Systeme sind nicht genügend beständig und verursachen hohe Kosten, weil sie zu häufig erneuert werden müssen. Neue Möglichkeiten, um Holzbeschichtungssysteme qualitativ zu verbessern, könnten Cellulose-Nanofibrillen aufgrund ihrer guten mechanischer Kennwerte und anderer Vorteile wie Transparenz bieten.

Ziel
Ziel des Projektes ist es, die Eignung von Cellulose-Nanofibrillen als funktionelle Komponen-ten in Holzbeschichtungen zu testen. Folgende Fragen stehen dabei im Mittelpunkt: Können die Fibrillen die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessern? Können die Cellulose-Nanofibrillen die Rolle einer Trägersubstanz übernehmen, an die ausgewählte Wirkstoffe angelagert werden? Organische Biozide oder Nanomaterialien wie Metalloxide könnten beispielsweise Wirkstoffe sein, die an das Fibrillennetzwerk angebunden werden. Damit liessen sich diese Wirkstoffe in der Beschichtungsmatrix besser verteilen und zuverläs-siger einbetten.
Die Forschenden wählen die erfolgversprechendsten Varianten der Cellulose-Nanofibrillen aus, bringen diese in verschiedene Formulierungen ein und testen die Eigenschaften der Beschichtung im Hinblick auf ihre Funktionalität.

Bedeutung
Das Forschungsprojekt wird neues Wissen über den möglichen Einsatz, die Eignung und die Funktion reiner oder modifizierter Cellulose-Nanofibrillen in Holzbeschichtungen bereitstel-len. Eine erfolgreiche Anwendung der Cellulose-Nanofibrillen kann Beschichtungen ge-brauchstauglicher und beständiger machen. Dies würde Renovationszyklen verlängern, Kosten verringern und Umweltbelastungen reduzieren.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (French)

Lead
Nanofibrilles de cellulose dans les revêtements de surfaces en bois Les chercheurs de ce projet étudient dans quelle mesure les nanofibrilles de cellulose - fibres longues et très fines isolées depuis la cellulose -, peuvent améliorer le fonctionnement et la qualité de revêtements de surfaces en bois.
Lay summary

Contexte
Une résistance suffisante aux intempéries et un aspect attrayant sont des conditions impératives à l’emploi réussi de revêtements de bois en extérieur. Les influences climatiques tels que le rayonnement lumineux, l’humidité, la grêle ou les microorganismes abîment le revêtement, entraînant tôt ou tard sa destruction. En particulier les systèmes transparents ou partiellement transparents présentent une résistance insuffisante et doivent être fréquemment remplacés, ce qui entraîne des coûts élevés. Grâce à leurs bonnes caractéristiques mécaniques et à d’autres avantages, comme la transparence, les nanofibrilles de cellulose pourraient ouvrir de nouvelles voies pour améliorer la qualité des systèmes de revêtement en bois.

But
L’objectif du projet est de tester si les nanofibrilles de cellulose se prêtent à être des composantes fonctionnelles des revêtements en bois. A cet égard, quelques questions clés se posent. Les nanofibrilles de cellulose peuvent-elles améliorer les propriétés mécaniques du revêtement? Peuvent-elles jouer le rôle de support de fixation de principes actifs sélectionnés?
Des biocides organiques ou des nanomatériaux, tels que les oxydes de métaux, sont des principes actifs pouvant se lier au réseau de fibrilles. Ils seraient ainsi mieux répartis et plus sûrement intégrés à la matrice du revêtement.
Les chercheurs sélectionnent les variantes les plus prometteuses de nanofibrilles de cellulose, les intègrent à différentes formules et testent les propriétés du revêtement au regard de sa fonctionnalité.

Portée
Le projet de recherche apportera de nouvelles connaissances sur les possibilités d’utilisation, l’aptitude et le fonctionnement de nanofibrilles de cellulose, pures ou modifiées, dans les revêtements en bois. L’application réussie des nanofibrilles de cellulose peut accroître la fonctionnalité et la résistance des revêtements. Il en résulterait une prolongation des cycles de rénovation, une baisse des coûts et une réduction de la pollution.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (English)

Lead
Cellulose nanofibrils in wood coatings Researchers in this project are studying to what extent cellulose nanofibrils-long, very thin fibres-can improve the usability and quality of wood coatings.
Lay summary

Background
Wood coatings used in the exteriors of buildings must be sufficiently weatherproof and optically pleasing. Environmental influences such as light rays, dampness, hail or microorgan-isms damage the coating and sooner or later cause it fail. Transparent and semi-transparent systems, in particular, are not durable enough and frequently need to be replaced, incurring high costs. Thanks to their good mechanical properties and other advantages, e.g. transparen-cy, cellulose nanofibrils could offer new possibilities for improving the quality of wood coating systems.

Aim
The aim of the project is to test the suitability of cellulose nanofibrils as functional compo-nents in wood coatings. The focus will be on the following questions: Can cellulose nanofibrils improve the mechanical properties of the coating? Can they take on the role of a carrier substance for selected agents? Organic biocides or nanomaterials such as metal oxides, for example, can be attached as agents to the fibril network. As a result, these agents could be better distributed and more reliably embedded in the coating matrix.
The researchers select the most promising variants of cellulose nanofibrils, include them in different formulations and test the properties of the coating in view of its new functionality.

Significance
The research project will provide new insights on the potential use, suitability and function of pure or modified cellulose nanofibrils in wood coatings. The successful application of cellulose nanofibrils can improve the usability and durability of coatings. This would lead to longer renovation cycles, cut costs and reduce negative environmental impacts.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Nanofibrillated Cellulose as Novel Component in Exterior Wood Coatings – A Feasibility Study
Grüneberger Franziska, Künniger Tina, Zimmermann Tanja, Arnold Martin (2014), Nanofibrillated Cellulose as Novel Component in Exterior Wood Coatings – A Feasibility Study.
Nanofibrillated cellulose in wood coatings: mechanical properties of free composite films
Grüneberger Franziska, Künniger Tina, Zimmermann Tanja, Arnold Martin Reinhard (2014), Nanofibrillated cellulose in wood coatings: mechanical properties of free composite films, in Journal of Materials Science, 49(18), 6437-6448.
Rheology of nanofibrillated cellulose/acrylate systems for coating applications
Grüneberger Franziska, Künniger Tina, Zimmermann Tanja, Arnold Martin (2013), Rheology of nanofibrillated cellulose/acrylate systems for coating applications, in Cellulose, 21(3), 1313-1326.
Nanofibrillated cellulose in wood coatings: Dispersion andstabilization of ZnO as UV absorber
Grüneberger Franziska, Künniger Tina, Huch Anja, Zimmermann Tanja, Arnold Martin, Nanofibrillated cellulose in wood coatings: Dispersion andstabilization of ZnO as UV absorber, in Progress in Organic Coatings, 2015(87), 112-121.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
COST Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Exchange of personnel

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Wiener Holzschutz Tage 2015 Talk given at a conference Nanofibrillierte Zellulose (NFC) in Holzbeschichtungen 24.11.2015 Vienna, Austria Künniger Tina;
9. Colloquium (ETH, EMPA, BOKU Vienna, Wood Kplus Holz) “Next Generation Biobased Materials“ (Wien 07./08.09.) Talk given at a conference Nanofibrillated Cellulose as Additive for Wood Coatings 07.09.2015 Wien, Austria Grüneberger Franziska;
COST Action FP1105 Meeting “ Functional wood and cellulose-based materials” (31.08.-01.09., Zürich) Talk given at a conference Nanofibrillated Cellulose as Additive for Wood Coatings 31.08.2015 Zürich, Switzerland Grüneberger Franziska;
12th International Conference on Materials Chemistry (MC12), 20.-23.07.2015 York/UK Talk given at a conference Potential of Nanofibrillated Cellulose as Stabilizer in Miniemulsion Polymerization: A Feasibility Study 20.07.2015 York, Great Britain and Northern Ireland Grüneberger Franziska;
European Polymer Congress EPF, 21.-24.06.2015 Dresden/Germany Talk given at a conference Potential of Nanofibrillated Cellulose as Stabilizer in Miniemulsion Polymerization: A Feasibility Study 21.06.2015 Dresden, Germany Grüneberger Franziska;
PRA’s 9th International Woodcoatings Congress Talk given at a conference Nanofibrillated Cellulose as Novel Component in Exterior Wood Coatings – A Feasibility Study 14.10.2014 Amsterdam, Netherlands Grüneberger Franziska;
ETCC 2014 Talk given at a conference Nanofibrillated cellulose in wood coatings - a feasibility study 03.09.2014 Köln, Germany Künniger Tina;
2014 TAPPI Int. Conference on Nanotechnology for Renewable Materials Poster Nanofibrillated Cellulose for Exterior Wood Coatings – A Feasibility Study 23.06.2014 Vancouver/Canada, Canada Grüneberger Franziska;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Montagskolloquium ETHZ 07.12.2015 Zürich, Switzerland Künniger Tina;
S‐win Swiss Wood Innovation Network 22.01.2015 Empa Dübendorf, Switzerland Grüneberger Franziska;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
150638 Empa/Eawag NMR Spektrometer, Aufrüstung mit einem Probenkopf des Typs Prodigy Cryo 01.04.2014 R'EQUIP

Abstract

A sufficient weathering durability as well as an attractive visual appearance of wood coatings are basic requirements for a successful use of wood as a construction material, especially for outdoor applications. Impacts like UV light, rain and humidity, hailstorms or microorganisms can damage the coating and lead to insufficient renovation intervals with high costs.Related to these issues, nanotechnology offers good opportunities to improve the efficiency of coating systems. This project aims to investigate the use of modified nanofibrillated cellulose (NFC) as an additional component in wood coatings to improve properties like •UV resistance•Water resistance•Abrasion resistance •Flexibility (for resistance e.g. against cracking or damage by hail)•Resistance against micro-organismsresulting in longer durability and better performance of the coating systems.Within the planned research period of 36 months, work will be divided in three main parts. The first part of the research project will deal with the modification and functionalization of NFC to compatibilize it with the polymer matrix of the coating and/or act as a carrier sub-stance for other nano-sized components like metal oxides. In the second part of the project, unmodified and modified NFC will be dispersed in different coating polymer matrices to form nanocomposite films and test different mechanical properties as well as properties like transparency or antimicrobial effect. The projects third part will deal with the performance of NFC reinforced coatings on wood samples. Promising modified NFC in exemplary coating formulations will be tested on wood surfaces regarding the suitability for the intended use.The research project will provide a yet unmatched knowledge about possible uses, suitability and functionality of unmodified and modified NFC in wood coatings. A successful use of NFC in wood coatings would not only represent a revolutionary improvement of the coating performance, but also result in a reduction of costs and environmental burden.Positive results will be transferred quickly into the industry by follow-up projects.
-