Morphology of wood species affecting wood-thermoplastic interaction: Microstructure and mechanical adhesion

The main objective of the research presented here was to relate anatomical features of wood species that affect the interactions between polymeric phases and performance of wood plastic composites (WPC). These interactions were related to the probable interlocking volume and surface area for stress transfer in a WPC. Composites were produced from different wood species and analyzed using SEM (scanning electron microscopy). Results showed that wood species with high interfacial areas may increase mechanical interlocking, reflected in the viscous constant of the Maxwell model. A complicating factor was that the relation of cell wall thickness-lumen diameter and the interconnectivity between wood cells in a wood, affect the potential for cell collapse. When wood cells collapse, the penetration of the thermoplastic into the wood structure was almost always ceased. The collapse of wood cells during extrusion-injection molding processes reduced the potential surface for stress transfer between phases affecting the mechanical properties of composites. Undamaged wood cells may potentially be filled with HDPE thermoplastic enhancing modulus and increase the strength of WPC

Variabilidad de las propiedades físicas, morfológicas y térmicas de la fibra de corteza de Eucalyptus nitens

Se estudió la variabilidad en las propiedades morfológicas, físicas y térmicas de la fibra de corteza de Eucalyptus nitens (Deane & Maiden) en veinticuatro árboles procedentes de dos sitios y seis familias; mediante técnicas de microscopía óptica convencional, microscopía electrónica (SEM) y análisis termogravimétrico (TGA). Dichas propiedades son determinantes para que una fibra lignocelulósica alcance una posible aplicación industrial como material de refuerzo en una matriz termoplástica. Se detectaron diferencias estadísticas significativas en las propiedades de la fibra al analizar el sitio de procedencia de las muestras, la familia y la altura de fuste. Destacan en los resultados de propiedades físicas el espesor promedio de la capa de corteza (4.4 mm), su peso específico (0.757), sus propiedades morfológicas tales como razón longitud/diámetro de fibra (lf/df= 69.14) y presencia de fibra (45%) en este material. La estabilidad térmica de esta fibra natural hasta los 200ºC y la baja temperatura de fusión de termoplásticos como el polietileno de alta densidad (HDPE); indican que las fibras de corteza de esta especie son una buena opción para aplicarla como material de refuerzo en matrices termoplásticas. AbstractIt was studied the variability in morphological, physical and thermal properties of fiber bark of Eucalyptus nitens (Deane & Maiden) coming from twenty four trees, two sites and six families; using techniques such as conventional light microscopy, electron microscopy (SEM) and thermo-gravimetric analysis (TGA). Such properties are relevant for a lignocellulosic fiber to have a possible industrial application as reinforcement material in a thermoplastic matrix. Significant statistical differences were detected in the fiber properties by analyzing the site of origin of the samples, family and stem height. Standing out in the results of physical properties, the average thickness of the bark layer (4.4 mm), its Specific Gravity (0.757), its morphological properties such as length/diameter of fiber (lf/df= 69.14) and fiber presence (45%) in this material. The thermal stability of this natural fiber to 200ºC and low melting temperature of thermoplastics such as High Density Polyethylene (HDPE); indicate that the bark fibers of this species are a good option to apply as a reinforcement material in thermoplastics matrices

Polymer nanocomposites: Synthetic and natural fillers a review

This paper reviews current research, techniques for characterization and trends on the field of nanocomposites. Nanocomposites are new materials made with fillers which have nanosize. These materials have a big potential for applications in the automotive and aerospace industry as well as in construction, electrical applications and food packing. There is a tremendous interest for using bionanoparticles like cellulose microfibrils or whiskers to be applied in the new era of biocomposites

Propriedades nanomecânicas de Pinus Radiata D. Don para uso em produtos de alto valor / Nanomechanical properties of Pinus Radiata D. Don for use in high value products

O Pinus radiata (Pinus Radiata D. Don), uma espécie de crescimento rápido no Chile, tem uma resistência mecânica inferior ao de outras coníferas utilizadas como madeira estrutural, mesmo bem abaixo de algumas madeiras chilenas com altas qualidades estruturais. O objetivo desta pesquisa foi estudar o efeito de um tratamento termo-higromecânico do tipo fluência sobre as propriedades nanomecânicas do pinheiro radiata. Os exemplares do tipo I foram adaptados de acordo com a ASTM D638-14, de plantações de rápido crescimento na região de Bío-Bío, Chile. O tratamento termo-higromecânico foi realizado sob condições controladas de carga, umidade e temperatura. Oito tratamentos com dois níveis de carga (por 30 minutos), duas condições de temperatura e dois tempos pós-tratamento foram estabelecidos para a avaliação das propriedades mecânicas finais do material tratado, basicamente o módulo de elasticidade em tensão determinado em uma máquina universal de testes. Usando um nanoindentador, as propriedades de dureza e módulo de elasticidade da camada S2 da parede celular e da lamela média foram caracterizadas na escala nanométrica. Os resultados mostraram um aumento no módulo de elasticidade das madeiras tratadas, com valores máximos nos exemplares submetidos à temperatura. As propriedades nanomecânicas da dureza mostraram maiores mudanças, particularmente no nível da lamela média. O tratamento termo-higromecânico pode melhorar as propriedades mecânicas da madeira e aumentar seu grau estrutural.

Fracturas en madera de Eucalyptus nitens: Efecto de las propiedades mecánicas a nivel ultraestructural y de la anatomía celular

Se realizó un estudio para indagar en las causas y posibles factores que originan la fractura en la estructura de la madera de Eucalyptus nitens. Para esto se examinó el comportamiento nanomecánico de la lamela media (LM), de las capas S1 y S2 de la pared celular. También se determinaron el número, área y diámetro de los vasos que están asociados a niveles de agrietamiento extremos (alto y bajo). Se estudiaron dos familias de Eucalyptus nitens procedentes de dos sitios de la 8va Región de Chile. Mediante el cálculo y análisis de la razón de ductilidad (E/H), se determinó que la LM es más quebradiza que la capa S1, y ésta a su vez más quebradiza que la capa S2; existiendo diferencias significativas en la ductilidad de estas capas. La LM y capa S1 se comportan como materiales resilientes, no así la capa S2. La diferencia en el módulo de resiliencia se relacionó con las mayores tensiones de corte que se presentaron en las interfaces LM/S2 y S1/S2. La caracterización de los vasos mostró que la familia con nivel de agrietamiento mayor, tiene mayor frecuencia, área y diámetro de vasos, los cuales contribuyen a la concentración de esfuerzos en la estructura celular de la madera. Los resultados evidenciaron que la capa S1 fue más débil que la capa S2 y LM dada la diferencia en resistencia entre ellas y que complementado con las tensiones internas que se generan en el proceso de crecimiento del árbol se producen las microgrietas. AbstractThis study was conducted to investigate the causes and posibles factors related to fractures in the cellular structure in Eucalyptus nitens. Nanomechanical cell wall properties at the middle lamella level (ML), S1 and S2 layers were evaluated. In addition, the area, and diameter of vessels were measured. These parameters were associated with extreme levels of cracking (high and low) in two Eucalyptus nitens families. e samples were taked from two sites of the 8th Region of Chile. The analysis of the ductility ratio (E/H) demonstrated that the ML is more brittle than the S1 layer; and the S1 is more brittle than S2 layer. The ML and S1 layer behave like resilient materials, but not the S2 layer. The diffrence in the modulus of resilience was related to higher shear stresses at the ML/S2 and at S1/S2 interfaces. The characterization of the vessels showed that the families with greater level of cracking have also lower frequency and greater area and diameter of vessels e S1 layer was weaker tan S2 layer and LM due to their difference in resistance between them and combined with the internal stresses might propagate the microcracks

Caracterización de propiedades mecánicas para segregar familias de Eucalyptus nitens por Nanoindentación en relación al grado de agrietamiento de las trozas

Seis familias de Eucalyptus nitens provenientes de dos suelos, arcilloso y trumao, localizados en la 8va Región de Chile, fueron estudiadas para seleccionar aquellas familias con menor grado de agrietamiento. Serelacionaron parámetros de agrietamiento evaluados a mesoescala con las propiedades nanomecánicas en un elemento de volumen representativo de estos árboles. Para segregar las familias se analizó el porcentaje deárea de grietas de estos árboles junto a la razón de ductilidad (E/H) obtenidos del módulo de elasticidad (E) y dureza (H) mediante la técnica de nanoindentación y el módulo de resiliencia (ur) ambos en la lamela media y capa S2 de la pared celular. Además, se determinó la diferencia entre el módulo de resiliencia entre la lamela media y la capa S2 (Δur), como un indicador de la tensión interfacial que induce fracturas principalmente en la capa S1 de la estructura celular de la madera. La nanocaracterización permitió establecer que la lamela media es más débil y susceptible a generar microgrietas que se propagan hasta ser visibles formando grietas mayores. El parámetro Δur entre la lamela media y capa S2 mostró ser menor en las familias 2 y 5. Estas familias presentaron menores niveles de tensión de corte en la interface de la capa S2-lamela media, por lo tanto, la cantidad de microgrietas, existiendo una buena relación con el porcentaje de grietas medidos en las familias de Eucalyptus nitens. De acuerdo a esto, las familias segregadas con bajo grado de tensión interfacial a nivel celular y bajo nivel de agrietamiento a mesoescala, fueron las familia 2 y 5.Six Eucalyptus nitens families from two soils in the 8th Region of Chile, clay and trumao, were studied to select families with lower degree of cracking. Cracking parameters evaluated at mesoscale, next tonanomechanical properties of the celular structure, were related in a representative volumen element of these tree, such as percentage of cracked area of trees relating them to the ductility ratio (E/H) obtained ofvalues of modulus of elasticity (E) and hardness (H) by nanoindentation and the modulus of resilience (ur) of the middle lamella and S2-layer of the cell wall were analyzed. Furthermore, it was determined that thedifference between the modulus of resilience (Δur) of the middle lamella with the S2-layer is a good indicator of the interfacial stress inducing fractures in the S1-layer. Using nanocharacterization it was established thatthe middle lamella is more brittle and susceptible to generate microcracks that spread to meso scale. The Δur between the middle lamella and S2 layer shown to be lower in families 2 and 5. These families showed to havelower levels of shear stress at the interface between the middle lamella and S2-layer, therefore the amount of microcracks that occur is lower, there is a good relationship with the percentage of measured cracks inthese families of Eucalyptus nitens. According these findings, the families that show low degree of interfacial tensión at celular level and low cracks index were family 2 and family 5

Caracterización nanomecánica de la estructura celular y anatómica de Eucalyptus nitens y su relación con la frecuencia de grietas y rajaduras en madera redonda

El objetivo de este trabajo fue localizar el mínimo volumen en árboles de E. nitens que caracterice el comportamiento mecánico y anatómico para un muestreo no destructivo. Los árboles fueron cortados desde Mulchén y Yungay en la región del Bío-Bío. Se establecieron relaciones entre las propiedades nanomecánicas y la anatomía de la madera con el agrietamiento y las fracturas mayores (rajaduras). Se obtuvieron los parámetros razón de ductilidad (E/H) y módulo de resiliencia (ur), medidos en la capa S2 y lamela media. Los resultados mostraron que el volumen representativo de los árboles de E. nitens se encontraban a 3 metros de altura desde la base de los árboles y desde el anillo 5 al 7. Al mismo tiempo, se logró establecer que la lamela media es más frágil que la capa S2 de la pared celular. Se determinó una relación entre la caracterización de los vasos y el nivel de agrietamiento de la madera. Esto es, a mayor área y diámetro de los vasos y a menor número de éstos, el nivel de agrietamiento fue mayor. Las grietas se concentraron principalmente en los primeros metros de altura del árbol, existiendo una buena relación con el E/H de la lamela media, que mostró un cambio significativo a los 3 metros de altura. Las grietas en los anillos de crecimiento se centraron notoriamente en madera de temprana y en los anillos del 5 al 7 (desde médula a corteza). AbstractThe aim of this study was to define the minimum volumen in trees of E. nitens that characterize the mechanical and anatomy behavior for non-destructive sampling. The trees were cut from sites located in Mulchen and Yungay in the region of Bío Bío. Relationships were found between nano-mechanical properties, wood anatomy and wood cracks and fractures. The response variables were the ductility ratio (E/H) and the modulus of resilience (ur), in the S2 layer and middle lamella. The results showed that the representative volume, from E. nitens families is at 3 meter high from base of the trees and between the 5th to 7th annual rings. Also, it was established that the middle lamella is more brittle than the S2 layer. Relationship between the vessels morphology and the level of the wood cracking was observed. A high area of vessels, a high vessel diameter and a small frequency of them, resulted in high cracking. The cracks were mainly concentrated in the first meters of tree, were we found a good relationship of this response variable with the E/H ratio for the middle lamella; there was a significant change of this ratio at 3 meters high. Cracks were evident on earlywood and from the 5th to the 7th annual rings

Efecto de la tasa de compresión en la morfología de grietas de debobinado para chapas de Eucalyptus nitens

El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de tres tasas de compresión (TC) en la morfología de grietas de debobinado en chapas de Eucalyptus nitens para la fabricación de tableros contrachapados. Chapas secas se obtuvieron desde un proceso de debobinado, con 1.8 mm de espesor a tres tasas de compresión TC1=0.5 %; TC2=3.5 % y TC3=5 %, las que se consiguieron ajustando la barra de presión y el cuchillo del torno debobinador marca Cremona de una planta de contrachapados del sur de Chile. Se obtuvieron probetas en forma aleatoria de los tres tipos de chapas procesadas. Fotografías fueron tomadas en el espesor de las chapas para el posterior procesamiento de imágenes. En el análisis morfológico de las grietas se evalúo: largo, área y frecuencia en las probetas para las tres tasas de compresión estudiadas. El análisis morfológico de imágenes mostró que existe una disminución del largo y profundidad de las grietas, así como también del área de grietas, cuando se aumenta la tasa de compresión. Diferencias significativas fueron halladas entre los niveles 0.5 % y 5 % de tasa de compresión. Esto implica que al aumentar la tasa de compresión, a través de un ajuste que involucra una menor distancia entre la barra de presión y el cuchillo debobinador, se obtienen chapas de mejor calidad, más rígidas y con una reducción del agrietamiento superficial en el tablero final. Abstract The objective of this study was to evaluate the effect of three nose bar pressure (TC) in the morphology of the lathe checks in Eucalyptus nitens veneers for the manufacture of plywood. Dried veneers were obtained from a peeling process, 1.8 mm thick three nose bar pressure TC1= 0.5%, TC2andTC3= 3.5%= 5%, which were obtained by adjusting the pressure bar and peeling knife of Cremona the in a plywood plant in southern Chile. Samples were obtained randomly from the three types of veneers processed. Photographs were taken in the veneer thickness for subsequent image processing. In the morphological analysis of the cracks was evaluated: length, area and frequency in the samples for the three nose bar pressure studied. Morphological analysis of images showed that a decrease in the length and depth of the lathe check, as well as the area, when the nose bar pressure increases. Significant differences were found between 0.5%and 5%levels of nose bar pressure. This implies that increasing the nose bar pressure, through a setting that involves a smaller distance between the pressure bar and peeling knife, you get better quality veneers, more rigid and with a reduction of surface cracking in the final plywood

Caracterización mecánica y morfológica de termoplásticos reciclados espumados reforzados con sub productos de madera

El objetivo del presente estudio fue observar la morfología y caracterizar las propiedades mecánicas de materiales compuestos de madera y plásticos reciclados espumados. Se mezcló polietileno de alta densidad reciclado con fibra de madera de Pinus radiata D.Don (pino radiata) de 60 mesh. Las concentraciones de fibra fueron de 15 y 25% en peso, el polímero se espumó con un agente químico ACA (azodicarbonamida) y se utilizó anhídrido maleico MAPE (Epolene E-20) como agente de acoplamiento. Los compuestos se obtuvieron usando un proceso de extrusión en un equipo doble tornillo. Los resultados demostraron que el agente acoplamiento tuvo un efecto positivo sobre la adherencia del polímero reciclado y la fibra de madera. La densidad de los compuestos disminuyó con el agente espumante y las propiedades mecánicas de dureza, impacto, módulo de elasticidad en flexión y tracción fueron superiores para los compuestos no espumados. Se concluyó que al aumentar la concentración de fibra aumentaron las propiedades mecánicas de los compuestos a excepción de la tenacidad que al incorporar el agente espumante disminuyó ligeramente. AbstractThe objective of the present study was to observe the morphology and characterize the mechanical properties of wood plastic composite foams. Recycled high density polyethylene was mixed with Pinus radiata D. Don (radiata pine) wood fiber of 60 mesh. The fiber concentrations were 15 and 25% by weight. The compounds were foamed with a chemical agent ACA (azodicabonamide) and MAPE (Epolene E-20) was used as a coupling agent. The composites were obtained by twin– screw extrusion. The results showed that the coupling agent had a positive effect on the adhesion of the recycled polymer and wood fiber. The density of the compounds decreased with blowing agent and the mechanical properties of hardness, impact, modulus of elasticity in bending and tension were higher for unfoamed composites. It was concluded that increasing the concentration of fiber increases the mechanical properties with the exception of impact resistance of the compounds that by incorporating the blowing agent decreased slightly

Determinación de un elemento de volumen representativo de probetas de tablero tensado

El objetivo de este estudio fue definir un elemento de volumen representativo para caracterizar las propiedades mecánicas de probetas de tableros tensados de Pinus radiata D. Don y de Eucalyptus nitens. La determinación del elemento de volumen representativo permitió identificar la sección más pequeña de las probetas que presenta las particularidades de este material compuesto y por consiguiente, representa a la probeta en su conjunto. Para esto, las propiedades nanomecánicas de las paredes celulares y lamela media fueron determinadas por nanoindentaciones. Este estudio se desarrolló en dos etapas. En la primera etapa, el anillo de crecimiento representativo de las piezas de madera bajo compresión perpendicular a la fibra, fue determinado. En la segunda etapa, el tablón representativo de la probeta de tablero tensado sometido a compresión a largo plazo, fue determinado. Los resultados de la primera etapa, mostraron que no existe una tendencia específica de las propiedades nanomecánicas a través de los anillos de crecimiento en la sección transversal de las piezas de Pinus radiata y Eucalyptus nitens bajo compresión perpendicular a la fibra. En la segunda etapa, se estableció que los esfuerzos de compresión a largo plazo en la probeta de tablero tensado principalmente afectaron las propiedades nanomecánicas de la estructura celular de los tablones exterior y central de la probeta. Lo anterior permitió establecer que el elemento de volumen representativo de una probeta de tablero tensado se localizó en la madera temprana del anillo de crecimiento más alejado a la médula en la sección transversal del tablón central. AbstractThe aim of this study was to define a representative volume element to characterize the mechanical properties of stress-laminated deck specimens of radiata pine and Eucalyptus nitens. The determination of the representative volume element allowed to identify the smallest representative section of the stress-laminated deck. For this, the nanomechanical properties of the cell walls and middle lamellas were determined by nanoindentations. This study was conducted in two phases. In the first phase, the growth ring representative of the pieces of wood under compression perpendicular to the grain was determined. In the second phase, the board representative of the stress-laminated deck specimens subjected to long-term compression loads and variable environmental conditions was determined. The results obtained in the first phase of the study showed that there was no specific tendency of the nanomechanical properties through growth rings in the cross-section of Pinus radiata and Eucalyptus nitens specimens subjected to compression loads perpendicular to the grain. In the second phase of the study, it was found that long-term compression loads in stress-laminated deck specimens mainly affect the mechanical properties of the cellular structure of exterior and central boards. Finally, the representative volume element in a stress-laminated deck specimen was found in the earlywood of the growth ring farthest to the pith in the cross section of the central board