Mechanical behaviour of hardwoods : effects from cellular and cell wall structures

• Syftet med den här avhandlingen var att undersöka mekaniska egenskaper hos olika arter av lövträd, och koppla egenskaperna till cell- och cellväggsstrukturen i materialet. Arterna som omfattades av undersökningen var Europeisk asp (Populus tremula), hybridasp (Populus tremula x Populus tremuloides) och ek (Quercus robur). Arterna inom familjen Populus, inklusive den snabbväxande hybridaspen, har på senare tid kommit att användas inom ett stort antal projekt inom genforskningen. Det har i sin tur ökat behovet av noggrannare bestämning av mekaniska egenskaper hos dessa arter. Ek har sedan tusentals år tillbaka varit ett populärt konstruktionsmaterial; något som har resulterat i ett stort antal arkeologiska ekfynd. Konservering av dessa inkluderar ofta dimensionsstabilisering med hjälp av polyetylen-glykol (PEG); en kemikalie som man vet påverkar de mekaniska egenskaperna. I vilken utstäckning detta sker är däremot inte helt klarlagt. Studien på euoropeisk asp och hybridasp inkluderade utveckling av en ny metod för provning av små juvenila prov i grönt tillstånd. Töjningsmätningar gjordes med hjälp av digital speckelfotografering (DSP). Axiell dragstyvhet och draghållfasthet var av speciellt intresse. Sämre mekaniska egenskaper hos hybridaspen korrelerade med medelvärden på densitet, som var lägre för hybriden än för den Europeiska aspen. Ek undersöktes i svällt tillstånd, där svällningen inducerades med hjälp av PEG (molekylvikt 600). Axiell dragstyvhet och draghållfasthet samt radiell tryckstyvhet och ytspänning undersöktes. Töjningsmätningar i axiell riktning gjordes med hjälp av videoextensiometer, medan töjning i radiell riktning gjordes med hjälp av DSP. Övrig karakterisering av materialet inkluderade scanning electron microscopy (SEM), röntgenmikrotomografi och wide angle X-ray scattering (WAXS) för bestämning av mikrofibrillvinkel. Axiell dragstyvhet och draghållfasthet påverkades bara marginellt av PEG-behandlingen. WAXS-mätningarna visade att mikrofibrillvinkeln i materialet var mycket liten. Därigenom blir de mekaniska egenskaperna i axiell riktning till stor del beroende av mikrofibrillerna, vilket samtidigt minimerar den mjukningseffekt som PEG-impregneringen har på cellväggsmatrisen. De mekaniska egenskaperna i radiell kompression påverkades däremot starkt negativt av impregneringen. Detta antogs bero på den försvagande och uppmjukande effekt som PEG:en har på de radiellt orienterade märgstrålarna i veden.

• The aim of this work was to investigate the mechanical properties of different hardwood species and relate the properties to the structure at the cellular and cell wall level. The species examined were European aspen (Populus tremula), hybrid aspen (Populus tremula x Populus tremuloides) and European oak (Quercus robur). The Populus species, including the fast-growing hybrid aspen, are used in a large number of projects using transgene technology, which also has raised the demand for a more extensive determination of mechanical properties of the species. Oak have been a popular construction material for thousands of years, esulting in a vast number of archaeological findings. Preservation of these often includes dimensional stabilization by polyethylene glycol (PEG), an impregnation agent which affects the mechanical properties. To which extent is not properly investigated, however. The study on European and hybrid aspen included development of a method for tensile testing of small, juvenile specimens in the green condition, where strain was measured using the digital speckle photography (DSP) technique. Mechanical performance of the species in terms of longitudinal tensile stiffness and strength were of special interest. Inferior mechanical properties of hybrid aspen corresponded well to mean values of density, which were lower for the hybrid aspen compared to European aspen. Oak was examined in the swollen state, where swelling was induced by PEG with molecular weight 600. Longitudinal tensile stiffness and strength as well as radial stiffness and yield strength in compression were compared. Longitudinal and radial strain was measured using video extensiometry and DSP, respectively. Additional characterization of the material included imaging from scanning electron microscopy (SEM), X-ray microtomography and determination of microfibril angle using wide angle X-ray scattering (WAXS). Tensile stiffness and strength in the axial direction were only slightly affected by PEG-impregnation. WAXS measurements showed that microfibril angles were close to zero which implicates that cell wall properties are strongly dependent on the microfibrils, and only marginally influenced by the plasticization effects from PEG on the lignin/hemicellulose matrix. In the radial direction, on the other hand, mechanical performance was strongly decreased by PEG-impregnation. This was believed to originate from softening of rays.

Ämnesord

LANTBRUKSVETENSKAPER  -- Lantbruksvetenskap, skogsbruk och fiske -- Trävetenskap (hsv//swe)

AGRICULTURAL SCIENCES  -- Agriculture, Forestry and Fisheries -- Wood Science (hsv//eng)

Nyckelord

Wood fibre and forest products

Träfiber- och virkeslära

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)