Project

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Development of a natural UV-protection of wood surfaces by cellulose-rich layers

English title Development of a natural UV-protection of wood surfaces by cellulose-rich layers
Applicant Volkmer Thomas
Number 136627
Funding scheme NRP 66 Resource Wood
Research institution Berner Fachhochschule Dep. Architektur, Holz und Bau
Institution of higher education Berne University of Applied Sciences - BFH
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.04.2012 - 30.09.2015
Approved amount 273'928.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Organic Chemistry

Keywords (4)

surface stabilisation; UV-protection ; cellulose layer; delignification

Lay Summary (German)

Lead
UV-Selbstschutz von Holzoberflächen durch Cellulosefasern Unter Einwirkung von Sonnenlicht und Niederschlag werden Holzoberflächen oftmals rau und verfärben sich. Im Mittelpunkt des Projekts stehen die Möglichkeiten, die Verwitterungserscheinungen von Holz zu verhindern und so Holz gegenüber anderen Werkstoffen im Aussenbereich wettbewerbsfähiger zu machen.
Lay summary

Hintergrund
Beim Einsatz von Holz im Aussenbereich ist besonders dessen Oberfläche stark beansprucht. Je nach Art und Intensität der Einflussfaktoren kommt es dabei zum Abbau von Holzsubstanz oder zu deutlichen ästhetischen Veränderungen. Wesentlich ist dabei die photochemische Umwandlung des Lignins und ähnlicher, die Ultraviolettstrahlung absorbierender Holzin-haltsstoffe durch die Sonnenstrahlung. Bei dieser Reaktion werden die chromophoren Gruppen, die dem Holz seine natürliche Farbe geben, in wasserlösliche Substanzen umwan-delt, welche dann mit der Feuchtigkeit in Form von Regen oder Schnee ausgewaschen werden können. Die Holzoberflächen werden rau, verfärben sich stark, und Material wird abgebaut.

Ziel
Ziel des Projekts ist es, einen holzeigenen Schutz vor schädlichen Wirkungen der Ultravio-lettstrahlung (UV-Schutz) auf der Oberfläche des Holzes zu entwickeln und zu stabilisieren. Dieser Schutz lässt sich in erster Linie durch mehrere Schichten und Bündel von Cellulosefasern aufbauen. In einer ersten Phase des Projektes analysieren und bewerten die Forschenden verschiedene Möglichkeiten der Delignifizierung. Dabei beurteilen sie insbesondere die Tiefenwirkung des Ligninabbaus und die mechanischen und optischen Veränderungen auf der Oberfläche. In einer zweiten Phase des Projektes untersuchen sie, inwieweit die delignifizierte Oberfläche mechanisch stabilisiert und wasserabweisend werden kann. Dazu prüfen die Forschenden die Eignung einerseits von funktionalisierten Reagenzien und anderseits von polymeren Substanzen.

Bedeutung
Gelingt es den Forschenden, eine Methode zu entwickeln, die Holzoberflächen delignifiziert und gleichzeitig dauerhaft stabilisiert, dann wären diese bei Anwendungen von Holz im Aussenbereich besser geschützt. Dies könnte die Wettbewerbsfähigkeit des Werkstoffs Holz im Vergleich zu anderen Baumaterialien deutlich verbessern und folglich zu einem breiten Einsatz von Holz im Aussenbereich führen.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (French)

Lead
Autoprotection contre les UV des surfaces de bois grâce aux fibres de cellulose Exposées à la lumière du soleil et aux précipitations, les surfaces de bois deviennent souvent rugueuses et changent de couleur. Les possibilités de prévenir les marques des intempéries sur le bois pour le rendre plus concurrentiel face à d’autres matériaux en extérieur est le propos central du projet.
Lay summary

Contexte
Utilisé en extérieur, le bois est fortement sollicité, tout particulièrement en surface. En fonction du type et de l’intensité des facteurs d’influence, on assiste à une détérioration de la substance ligneuse ou à une nette modification esthétique. La transformation photochimique de la lignine et de constituants assimilables du bois qui absorbent les rayonnements ultraviolets joue un rôle essentiel dans ce processus. Au cours de cette réaction, les groupes chromophores qui confèrent au bois sa coloration naturelle se transforment en substances solubles à l’eau, ensuite évacuées par l’humidité de la pluie ou de la neige. Les surfaces du bois deviennent rugueuses, se décolorent fortement et le matériau se dégrade.

But
Le projet vise à développer et à stabiliser une protection qui soit inhérente au bois et agisse sur sa surface pour le prémunir des effets délétères du rayonnement ultraviolet (protection UV). Cette protection se constitue avant tout par l’application de plusieurs couches et faisceaux de fibres de cellulose. Dans une première phase du projet, les chercheurs analysent et évaluent différentes possibilités de délignification. Ils observent en tout premier lieu les effets en profondeur produits par la détérioration de la lignine et les modifications mécaniques et optiques qui s’opèrent en surface. Dans une seconde phase du projet, ils étudient dans quelle mesure la surface délignifiée peut être stabilisée mécaniquement et rendue étanche. A cette fin, ils examinent l’adéquation d’une part des réactifs fonctionnalisés et d’autre part de celle de substances polymères.

Portée
Si les chercheurs réussissent à mettre au point une méthode qui délignifie les surfaces du bois tout en les stabilisant durablement, celles-ci seraient mieux protégées pour les usages en extérieur. Ceci pourrait nettement améliorer la compétitivité du matériau bois en comparaison aux autres matériaux de construction et se traduire par une utilisation plus répandue du bois en extérieur.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (English)

Lead
Natural UV protection of wood surfaces through cellulose fibres Wood surfaces often become coarse and discoloured when exposed to sunlight and rain. This project focuses on ways to prevent damage to wood through weathering and thus make wood more competitive in relation to other materials for external use.
Lay summary

Background
Wood used in the exteriors of buildings generally suffers most on the surface. Depending on the type and intensity of the factors affecting it, the result may be degradation of the wood substance or significant aesthetic alterations. Central to this process is the photochemical transformation of lignin and similar wood components through sunlight. In this reaction, the chromophore groups that give the wood its natural colour are transformed into substances that are soluble in water and subsequently washed out with the moisture, be it rain or snow. The wood surfaces become coarse and strongly discoloured and the material is degraded.

Aim
The aim of the project is to develop and stabilise a natural protection against the harmful effects of ultraviolet radiation (UV protection) on the surface of wood. Such protection can primarily be achieved through layers and wads of cellulose fibres. In an initial phase, the researchers analyse different possibilities of delignification. In particular, they assess the deep effects of lignin degradation and the mechanical and optical changes to the surface. In a second phase, they study to what extent the delignified surface can be mechanically stabilised and made water-repellant. For this purpose, they test the suitability of functionalised reagents, on the one hand, and polymeric substances, on the other.

Significance
Should the researchers succeed in developing a method to delignify wood surfaces and at the same time to permanently stabilise them, such surfaces would be better protected in the exteriors of buildings. This could increase the competitiveness of wood in relation to other building materials and lead to a wider use of wood in the exteriors of buildings.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Loss of tensile strength in cellulose tissue on the surface of spruce (Picea abies)
Volkmer Thomas (2013), Loss of tensile strength in cellulose tissue on the surface of spruce (Picea abies), in Polymerdegradation and Stability, 98(6), 1118-1125.

Collaboration

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

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Cost FP0904&FP1006 International Workshop, Characterization of modified wood in relation to wood bonding and coating performance Talk given at a conference Surface qualification of weathered wood 16.10.2013 Rogla, Slovenia Volkmer Thomas; Noel Marion; Strautmann Jean;
18th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams Talk given at a conference Outdoor weathering as a step in an efficient wood surface protection 15.09.2013 Kusadasi, Turkey Strautmann Jean; Noel Marion; Volkmer Thomas;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Other activities Outdoor weathering as a step in an efficient wood surface protection International 2013
Other activities Surface qualification of weathered wood International 2013

Abstract

Unprotected wood as organic material gets photo-chemical degraded during outdoor exposure which is one of the draw backs of wood in comparison to other materials. In the composition of wood lignin is one of the most light sensitive substances. The idea of the proposed project is to set up a cellulose based UV-protection layer to create a natural UV-shield in order to prevent an inhomogeneous discoloration and surface degradation during outdoor applications. In a first step the lignin on the surface gets removed due to its oxidative sensitivity. This will be done by photo-chemical, pure chemical or enzymatic procedures. After the delignification a cellulose layer stays on the surface and interacts as an UV-protection shield. The lignin removal and the change of the surface properties will be characterized. The optical analysis will be done with different microscopic procedures (REM, AFM, Light microscopy). By using the FTIR spectroscopy the chemical changes in the surface gets controlled. And for a practical application the color change and roughness development will be measured as well. The second step of the treatment focus on the stabilization of the surface. There are several options to fix the cellulose fibers and protect the surface for erosion. A possibility is the impregnation of the substrate with different agents to hydrophobize the surface and to increase the mechanical strength. The two step treatment leads to a functionalized wood surface which is applicable to all wood products in outdoor use like facades, terrace boards, car ports and others.
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