Utilization of temperature kinetics as a method to predict treatment intensity and corresponding treated wood quality : durability and mechanical properties of thermally modified wood

Wood heat treatment is an attractive alternative to improve decay resistance of wood species with low natural durability. However, this improvement of durability is realized at the expense of the mechanical resistance. Decay resistance and mechanical properties are strongly correlated to thermal degradation of wood cells wall components. Mass loss resulting from this degradation is a good indicator of treatment intensity and final treated wood properties. However, the introduction of a fast and accurate system for measuring this mass loss on an industrial scale is very difficult. Nowadays, many studies are conducted on the determination of control parameters which could be correlated with the treatment conditions and final heat treated wood quality such as decay resistance. The aim of this study is to investigate the relations between kinetics of temperature used during thermal treatment process representing heat treatment intensity, mass losses due to thermal degradation and conferred properties to heat treated wood. It might appear that relative area of treatment temperature curves is a good indicator of treatment intensity. Heat treatment with different treatment conditions (temperature-time) have been performed under vacuum, on four wood species (one hardwood and three softwoods) in order to obtain thermal degradation mass loses of 8, 10 and 12%. For each experiment, relative areas corresponding to temperature kinetics, mass loss, decay resistance and mechanical properties have been determined. Results highlight the statement that the temperature curves’ area constitutes a good indicator in the prediction of needed treatment intensity, to obtain required wood durability and mechanical properties such as bending resistance and Brinell hardness.LERMaB is supported by the French National Research Agency through the Laboratory of Excellence ARBRE (ANR-12- LABXARBRE-01), the authors gratefully acknowledge this ai

Improving the impregnability to the aqueous solutions of resinous heartwood : The case of Douglas Fir (Pseudotsuga Menziesii Franco)

Le Douglas sera la première essence résineuse en France dans les 10 ans à venir, avec des volumes commercialisables de l’ordre de 3 millions de m3/an. Sa valorisation par déroulage se heurte à deux caractéristiques défavorables de son duramen (une humidité à l’état vert proche du point de saturation des fibres (entre 30 et 40%) et une très mauvaise imprégnabilité à l’eau. Ceci rend ce bois très difficile et très long à chauffer par bouillottage avant déroulage. La matière ligneuse étant un bon isolant thermique, l’eau libre constitue généralement le milieu chauffant privilégié dans l’opération d’étuvage préalable au déroulage. Le temps de chauffe dans le cas du Douglas est doublé voire triplé par rapport à d’autres essences plus humides. Cela se traduit par un gaspillage énergétique et une immobilisation de stocks accrue. En vue d’améliorer la cinétique d’imprégnabilité de bois rond de Douglas, nous avons testés un certain nombre de modalités d’imprégnation à deux échelles différentes. À l’échelle de paillasse, des barreaux de 20 mm (R) x 20 mm (T) x 120 mm (L) prélevés dans le duramen, ont subis différents essais de trempage en faisant varier la température de l’eau, la durée du trempage, le type de refroidissement. Certaines modalités ont été répétés en plaçant le bain sous ultrason (fréquence 20 kHz, puissance 400 W) et pour d’autres en ajoutant un tensio-actif dans l’eau ou procéder à un séchage (thermique, naturel, vide) préalable des éprouvettes. Après chaque essai, la reprise d’eau a été quantifiée par double pesée. Nous avons montré un effet de bord répétable sur toutes les modalités mais aucune de celles-ci ne permet une amélioration significative de la reprise en eau du duramen sauf pour le cas du séchage préalable qui a profondément amélioré l’imprégnabilité. La transposition des traitements à l’échelle industrielle sur des billons de 50 cm de longueur et 20 cm de diamètre a montré l’efficacité du séchage préalable sur la capacité du bois d’être pénétré par l’eau, mais insuffisante pour améliorer significativement les conditions de déroulage. Le suivi de l’imprégnabilité par scanner à rayons X a confirmé la persistance de l’hétérogénéité de la répartition d’humidité sur toutes les modalités d’expériences réalisées. Les observations par microscopie confocale à balayage laser (CLSM) ont montré que le processus de séchage à 103°C, a généré des micro-fissures dans les parois cellulaires des ponctuations. Les essais de déroulage réalisés sur les billons issus des différentes modalités étudiées n’ont montré aucune différence de comportement aussi bien en termes d’efforts de coupe qu’en qualité des placages obtenusIn the ten next years, Douglas-fir will be the main softwood resource harvested in France. It its valorization by peeling comes up against two of its particularities that complicate boiling efficiency: (i) the heartwood has a MC near FSP (30 to 40%) i.e. there is near no free water into tracheid (ii) it is impossible to impregnate this heartwood at atmospheric pressure with water. As a result, wood material being a very efficient insulator material, boiling of Douglas-fir prior to peeling for veneer production will take a very long time, free water being the main medium allowing heat transfer into green wood. Wood is a good thermal insulator, free water is generally preferred in the heating operation steaming prior peeling. Heating time in the case of Douglas is doubled or tripled compared to others species. This results in wasted energy and increased immobilization stocks. In order to improve the kinetics of impregnability of Douglas heart wood, we tested a number of methods of impregnating at two different scales. At the bench scale, samples with 20 mm (R) x 20 mm (t) x 120 mm (L) taken from the heartwood, have suffered from various tests by varying the soaking water temperature, duration soaking, the type of cooling. Some terms were repeated by placing the bath in ultrasound (frequency 20 kHz, power 400 W) and others by adding a surfactant in water or to drying samples, (thermal, natural, vacuum) prior impregnation . After each test, the water uptake was quantified by double weighing. We showed a repeatable board effect across all categories but none of them allows a significant improvement in the water uptake heartwood except drying that profoundly improved the moisture content of samples. The transposition to the industrial scale processing on ridges (50 cm long and 20 cm in diameter) showed the effectiveness of prior drying on the ability of wood to be penetrated by the water, but insufficient to significantly improve the peeling conditions. X-ray scanner observations confirm the persistence of the heterogeneity of the moisture distribution across all categories of experiments. The confocal laser scanning microscopy (CLSM) showed that the drying process at 103 ° C, generated microcracks in the cell walls of the pits. The tests performed on the peeling logs from different modalities studied showed no difference in behavior both in terms of cutting forces and quality veneers obtaine

Amélioration de l'imprégnabilité aux solutions aqueuses des duramens des résineux : le cas du Douglas (Pseudotsuga Menziesii Franco)

In the ten next years, Douglas-fir will be the main softwood resource harvested in France. It its valorization by peeling comes up against two of its particularities that complicate boiling efficiency: (i) the heartwood has a MC near FSP (30 to 40%) i.e. there is near no free water into tracheid (ii) it is impossible to impregnate this heartwood at atmospheric pressure with water. As a result, wood material being a very efficient insulator material, boiling of Douglas-fir prior to peeling for veneer production will take a very long time, free water being the main medium allowing heat transfer into green wood. Wood is a good thermal insulator, free water is generally preferred in the heating operation steaming prior peeling. Heating time in the case of Douglas is doubled or tripled compared to others species. This results in wasted energy and increased immobilization stocks. In order to improve the kinetics of impregnability of Douglas heart wood, we tested a number of methods of impregnating at two different scales. At the bench scale, samples with 20 mm (R) x 20 mm (t) x 120 mm (L) taken from the heartwood, have suffered from various tests by varying the soaking water temperature, duration soaking, the type of cooling. Some terms were repeated by placing the bath in ultrasound (frequency 20 kHz, power 400 W) and others by adding a surfactant in water or to drying samples, (thermal, natural, vacuum) prior impregnation . After each test, the water uptake was quantified by double weighing. We showed a repeatable board effect across all categories but none of them allows a significant improvement in the water uptake heartwood except drying that profoundly improved the moisture content of samples. The transposition to the industrial scale processing on ridges (50 cm long and 20 cm in diameter) showed the effectiveness of prior drying on the ability of wood to be penetrated by the water, but insufficient to significantly improve the peeling conditions. X-ray scanner observations confirm the persistence of the heterogeneity of the moisture distribution across all categories of experiments. The confocal laser scanning microscopy (CLSM) showed that the drying process at 103 ° C, generated microcracks in the cell walls of the pits. The tests performed on the peeling logs from different modalities studied showed no difference in behavior both in terms of cutting forces and quality veneers obtainedLe Douglas sera la première essence résineuse en France dans les 10 ans à venir, avec des volumes commercialisables de l’ordre de 3 millions de m3/an. Sa valorisation par déroulage se heurte à deux caractéristiques défavorables de son duramen (une humidité à l’état vert proche du point de saturation des fibres (entre 30 et 40%) et une très mauvaise imprégnabilité à l’eau. Ceci rend ce bois très difficile et très long à chauffer par bouillottage avant déroulage. La matière ligneuse étant un bon isolant thermique, l’eau libre constitue généralement le milieu chauffant privilégié dans l’opération d’étuvage préalable au déroulage. Le temps de chauffe dans le cas du Douglas est doublé voire triplé par rapport à d’autres essences plus humides. Cela se traduit par un gaspillage énergétique et une immobilisation de stocks accrue. En vue d’améliorer la cinétique d’imprégnabilité de bois rond de Douglas, nous avons testés un certain nombre de modalités d’imprégnation à deux échelles différentes. À l’échelle de paillasse, des barreaux de 20 mm (R) x 20 mm (T) x 120 mm (L) prélevés dans le duramen, ont subis différents essais de trempage en faisant varier la température de l’eau, la durée du trempage, le type de refroidissement. Certaines modalités ont été répétés en plaçant le bain sous ultrason (fréquence 20 kHz, puissance 400 W) et pour d’autres en ajoutant un tensio-actif dans l’eau ou procéder à un séchage (thermique, naturel, vide) préalable des éprouvettes. Après chaque essai, la reprise d’eau a été quantifiée par double pesée. Nous avons montré un effet de bord répétable sur toutes les modalités mais aucune de celles-ci ne permet une amélioration significative de la reprise en eau du duramen sauf pour le cas du séchage préalable qui a profondément amélioré l’imprégnabilité. La transposition des traitements à l’échelle industrielle sur des billons de 50 cm de longueur et 20 cm de diamètre a montré l’efficacité du séchage préalable sur la capacité du bois d’être pénétré par l’eau, mais insuffisante pour améliorer significativement les conditions de déroulage. Le suivi de l’imprégnabilité par scanner à rayons X a confirmé la persistance de l’hétérogénéité de la répartition d’humidité sur toutes les modalités d’expériences réalisées. Les observations par microscopie confocale à balayage laser (CLSM) ont montré que le processus de séchage à 103°C, a généré des micro-fissures dans les parois cellulaires des ponctuations. Les essais de déroulage réalisés sur les billons issus des différentes modalités étudiées n’ont montré aucune différence de comportement aussi bien en termes d’efforts de coupe qu’en qualité des placages obtenu