MMA-impregnoidun selluloosakomposiitin ominaisuudet ja rakenne – valmistettu delignifioimalla, in situ polymeroinnilla ja kuumapuristuksella

Over the past decades, interest in biomaterials has grown rapidly. Natural fibre reinforced composites offer some great advantages such as wide availability, renewability, and biodegradability but lack of some other properties such as durability, good moisture resistance and dimensional stability. Wood has a strong cellulose reinforcement structure, which is often broken to individual fibres in wood polymer composites. The motivation of this work was to study if the natural cellulose reinforcement structure of wood could be kept intact and harnessed in wood polymer composites. The objective was to build and examine the properties and structure of a methyl methacrylate impregnated cellulose scaffold. The methods used on birch wood veneer were partial Na2SO3-NaOH-delignification, impregnation of MMA, radical polymerisation in situ, and hot-pressing. Density, dimensional stability, moisture, and extractive content of the samples were examined and analysed. Scanning electron microscopy was used to examine the cross-section surface and composition of the wood polymer composites. Dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) was used to obtain storage modulus of the different samples. These methods were successful and they resulted in wood polymer composite sheets, which had a 85 % decrease in moisture content, impregnation weight gain of over 100 %, and a 130 % increase in density compared to non-modified wood. In SEM images it was observed that delignification significantly improved the impregnation rate in lumen and vessel spaces, which resulted in a non-porous structure. It was found that with an anhydrous impregnation the dimensions of samples were close to originals, which could indicate successful cell wall impregnation. Hot-pressing samples further improved density and reduced moisture content. These methods could be used to build a more in-plane isotropic cellulose-based composite.Kiinnostus biomateriaaleihin on kasvanut viime vuosikymmenien aikana. Luonnonkuiduilla vahvistetuilla komposiiteilla on paljon etuja, kuten hyvä saatavuus, uusiutuvat raaka-aineet ja biohajoavuus. Niiltä puuttuu kuitenkin joitain tärkeitä ominaisuuksia kuten kulutuksen kestävyys ja kosteuden sieto. Puulla on vahva selluloosapohjainen lujiterakenne, joka puupolymeerikomposiiteissa usein rikotaan yksittäisiksi kuiduiksi. Tämän työn motivaatio oli tutkia, voiko puun luonnollisen selluloosarakenteen säilyttää ehjänä ja voiko sitä hyödyntää sellaisenaan lujitteena puupolymeerikomposiiteissa. Työn tavoite oli valmistaa polymetyylimetakrylaatilla kyllästetty selluloosarakenne ja tutkia sen ominaisuuksia ja rakennetta. Koivuviilun muokkaukseen käytettiin seuraavia metodeja: Na2SO3-NaOH delignifiointi, selluloosarakenteen kyllästys MMA:lla, in situ radikaalipolymerointi ja puun tiivistäminen kuumapuristimella. Puun tiheys, dimensioiden stabiilisuus, kosteus- ja uuteainepitoisuus määritettiin ja analysoitiin. Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tutkittiin materiaalien poikkileikkauksien pintarakenteita ja koostumusta. Materiaaleille tehtiin lisäksi dynaaminen mekaaninen lämpöanalyysi (DMTA), jolla määritettiin kappaleiden varastointimoduuli. Tutkituilla metodeilla valmistettiin onnistuneesti puupolymeerikomposiittilevyjä, joilla oli 85% alhaisempi kosteuspitoisuus, yli 100% nousu painossa ja 130% suurempi tiheys verrattuna muokkaamattomaan koivuviiluun. SEM kuvissa havaittiin että delignifiointi paransi huomattavasti MMA:n kyllästymistä puun solu- ja putkilo-onteloissa, ja syntynyt rakenne oli tiivis, eikä huokoinen. Havaittiin että vedettömän kyllästämisen avulla viilun dimensiot pysyivät lähes alkuperäisinä. Dimensioiden stabiilisuus voi indikoida, että MMA on kyllästänyt myös puun soluseinät. Puukomposiitin kuumapuristaminen tihensi materiaalia ja vähensi kosteuspitoisuutta entisestään. Näillä metodeilla on mahdollista valmistaa tasoisotrooppisempi selluloosapohjainen komposiitti