Light Scattering Effects in Transparent Wood Biocomposites

• Transparent wood (TW) shows interesting optical properties and offers a sustainable alternative to petroleum-based polymer glasses. The influence of the TW internal structure (e.g. fiber alignment, volume fraction of cellulose, lignin content, defects from preparation process) on the optical properties is poorly understood, which limits its use in various applications. It is also true for transparent cellulose biocomposites in general. In this thesis, eco-friendly TW biocomposites are investigated. The work focuses on experimental characterization, structure-optical property relationships and possibilities to quantify such relationships.                  TWs made of delignified wood substrates with longitudinal direction of the tree parallel to the specimen surface are prepared. Relationships between anisotropic scattering and fiber alignment are studied by scattering angle measurement. Anisotropic photons distributions are compared between two fiber directions and various sample thicknesses. Next, attenuation coefficients (related to the anisotropic diffusion coefficients and absorption coefficient) for TWs are obtained by combining the photon diffusion equation with total transmittance measurements. The results indicate strong influence from the air gaps between wood substrate phase and polymer in the lumen pores on the scattering. Beside the airgaps between wood substrate and polymer, refractive index mismatch between polymer and wood substrate strongly influences the scattering. Thus, immersion liquid method (based on the total transmittance measurement) combined with a light transmission model (based on Fresnel reflection theory) is applied to estimate the refractive index of the delignified wood substrate. This facilitates TW design (i.e. the proper polymer selection for various applications) and modelling of the optical properties of delignified wood based transparent materials. Finally, extinction coefficients, Rayleigh scattering and absorption coefficients of TW are extracted from photon budget measurements combined with a light diffusion model developed. With higher volume fraction of cellulose, all these parameters are increased, although polymer-cellulose refractive index mismatch is the dominating factor controlling transmittance. The strong forward scattering in TW is analysed, and Rayleigh scattering has a strong effect on haze. The influence of lignin content on the absorption coefficient is also discussed.

• Transparent trä (TW) har intressanta optiska egenskaper och erbjuder ett hållbart alternativ till petroleumbaserade polymerer. Förståelsen för inverkan av mikrostruktur hos TW (t.ex. fiberinriktning, volymandel av cellulosa, ligninhalt, defekter från beredningsprocessen) på de optiska egenskaperna är ofullständig, vilket begränsar dess användning i olika tillämpningar. Det gäller också generellt för transparenta cellulosabiokompositer. I denna avhandling studeras miljövänliga TW biokompositer, med fokus på experimentell karakterisering, samband mellan struktur och optiska egenskaper samt möjligheterna att kvantifiera sådana samband.                TW baserade på delignifierade träsubstrat har i denna studie trädets fiberriktning parallell med provytan. Samband mellan anisotrop ljusspridning och fiberorientering studeras genom mätning av spridningsvinkel. Anisotropa fotonfördelningar jämförs mellan två fiberriktningar och olika provtjocklekar. Därefter erhålls koefficienter för ”attenuering” (försvagning), som är relaterade till de anisotropa diffusionskoefficienterna och absorptionskoefficienten för TW. De bestäms genom att kombinera en modell för fotondiffusion med mätningar av total optisk transmittans. Resultaten indikerar en stark påverkan på ljusspridningen av luftspalter mellan träsubstrat och polymer i lumen, som är en form av debondsprickor. Utöver debondsprickor mellan träsubstrat och polymer, så påverkas ljusspridningen även av skillnaden i brytningsindex mellan polymer och träsubstrat. Av det skälet utvecklas en metod för att mäta brytningsindex hos träsubstratet. Det porösa substratet sänks ned i en vätska med känt brytningsindex och optisk transmittans mäts och kombineras med en modell för ljustransmission baserad på fresnelreflektion. Goda data för träsubstratets brytningsindex underlättar vid formgivning av TW biokompositer (dvs. rätt polymerval för olika applikationer) och är också viktigt för modellering av de optiska egenskaperna hos transparenta material från delignifierat trä. I avhandlingens sista del kombineras en modell för ljusdiffusion med systematiska mätningar av ljusspridning, reflektion och transmittans hos olika materialprover. Data för ”extinktionskoefficienter”, Rayleigh-spridning och absorptionskoefficienter kan bestämmas, liksom hela fotonbudgeten för materialet. Med högre volymfraktion av cellulosa ökar värdena för alla dessa parametrar, även om skillnaden i brytningsindex mellan polymer och cellulosa är den dominerande faktorn som styr transmittansen. Den starka ljusspridningen framåt (”haze”) i TW analyseras, och även Rayleighspridningen har en stor effekt på ljusspridning. Ligninhaltens inverkan på absorptionskoefficienten diskuteras också.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Industriell bioteknik -- Biomaterial (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Industrial Biotechnology -- Bio Materials (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Kompositmaterial och -teknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Composite Science and Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Transparent wood

cellulose

biocomposite

light transmission

anisotropic scattering

Rayleigh scattering

photon budget

photon diffusion theory

light-transparent wood interaction

Transparent trä

cellulosa

biokomposit

ljustransmission

anisotropisk spridning

Rayleigh-spridning

fotonbudget

fotondiffusionsteori

ljus-transparent trä interaktion

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)