Curing characteristics of lignin-phenol-formaldehyde resins for OSB panel

Abstract

OSB-levy on suunnattu suurlastulevy, jossa lastut on liimattu ja puristettu yhteen lämpö-kovetteisilla hartseilla. Lämmittäessä vesipohjaista hartsia, veden haihtuminen ja hartsin ristisilloittumisreaktio tapahtuvat samanaikaisesti. Hartsi muodostaa kovan ja monimut-kaisen, monidimensionaalisen rakenteen. Tätä prosessia kutsutaan hartsin kovettumiseksi. OSB-levyissä lastut liimataan yleensä fenoli-formaldehydi (PF) hartseilla, jotka sisältävät myrkyllistä fenolia. Ympäristöystävällisempiä ja myrkyttömämpiä ligniini-fenoli-formal-dehydi (LPF) hartseja on valmistettu korvaamalla osa fenolista puupohjaisella ligniinillä. OSB-levyt ovat uusi käyttökohde LPF-hartseille. LPF-hartsit eivät ole yhtä reaktiivisia kuin PF-hartsit ligniinin suuresta molekyylikoosta johtuen. LPF-hartsit tarvitsevat myös korkeamman puristuslämpötilan ja -ajan kuin PF-hartsit. Tämän diplomityön tarkoituksena on karakterisoida LPF-hartsien kovettumista ja määrit-tää millä hartsin synteesiparametreillä ja ominaisuuksilla on suurin vaikutus hartsin ko-vettumiseen ja puristetun OSB-levyn ominaisuuksiin. Kahdeksan LPF-hartsia eri syntee-siparametreillä ja referenssi PF-hartsi syntetisoitiin. Synteesimuuttujat olivat formaldehy-din moolisuhde fenoliin, urean ja NaOH:n määrä ja NaOH:n määrä synteesin ensimmäi-sessä vaiheessa. Hartsien ominaisuudet analysoitiin ja hartsien kovettumista tutkittiin DSC:llä (Differential Scanning Calorimetry), DMTA:lla (Dynamic Mechanical Thermal Analysis), TMA:lla (Thermomechanical Analysis) ja oskilloivalla levy-levy reometrillä. Hartseista puristettiin OSB-levyt, joiden ominaisuudet analysoitiin myös. Tulosten korre-laatioita tutkittiin pääkomponenttianalyysillä (PCA). Osittaista pienimmän neliösumman regressioanalyysillä (PLS) selvitettiin tärkeimmät hartsin synteesimuuttujat ja hartsien ominaisuudet, jotka vaikuttivat eniten OSB-levyjen ominaisuuksiin. Urealla ja moolisuhteella oli suurin vaikutus levyjen ominaisuuksiin. Geeliaika ja B-aika olivat tärkeimmät indikaattorit OSB-levyjen vahvuudesta. LPF-hartseista valmistetut OSB-levyt osoittautuivat yhtä vahvoiksi kuin PF-levyt lujuusmittausten osalta, mutta LPF-levyt turposivat PF-levyjä enemmän. Jotta LPF-levyjen turpoamaa voitaisiin paran-taa, tulisi urean tai moolisuhteen määrää levyssä optimoida, sillä näillä oli suurin vaikutus hartsin geeliaikaan, viskositeettiin ja B-aikaan, joilla puolestaan oli suurin vaikutus levyn turpoamaan. LPF-hartsien kovettumisen tutkiminen on haasteellista hartsien suuren vesi-pitoisuuden vuoksi. TMA ja DMTA eivät soveltuneet analyysimenetelmiksi hartsien suu-ren vesipitoisuuden vuoksi. Nestemäisten fenolihartsien kovettumisen analytiikka vaatii lisäkehitystä. LPF-hartsit kovettuivat hyvin ja niistä saatiin puristettua lujia OSB-levyjä. LPF-hartsit ovat potentiaalisia korvaajia fossiilipohjaisille PF-hartseille OSB-levyjen val-mistuksessa.

Oriented strand board (OSB) is a wood-based composite material constructed from wood chips that are glued and pressed together with thermosetting resins. When heat and pressure are introduced to a water-based resin in OSB panel pressing, the water is evaporated, and the resin goes through a complex crosslinking reaction producing a solid high dimensional network structure. This process is called curing. OSB panels are usually glued with phenol-formaldehyde (PF) resins which include toxic phenol. Wood-based lignin have been applied to replace phenol in PF resins to produce more environmentally friendly and less toxic lignin-phenol-formaldehyde (LPF) resins. LPF resins have been widely applied in plywood manufacturing but their application in OSB panels is relatively new. Generally, LPF resins are slower to cure and require longer pressing times and temperatures than PF resins due to lignin’s large molecular size. This thesis aims on characterizing the LPF resin curing phenomenon and determining which resin synthesis parameters have the major effect on the curing process and produced OSB panel strength. Eight LPF resins were produced with different synthesis parameters. Variables for synthesis were formaldehyde-to-phenol molar ratio, urea and NaOH percentages and the amount of NaOH added in the first step of the resin synthesis. LPF resin properties were analyzed and the curing was studied with DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMTA (Dynamic Mechanical Thermal Analysis), TMA (Thermomechanical Analysis), and oscillating plate-plate rheometer. The interactions between resin synthesis parameters, resin analysis and OSB panel analysis results were studied with PCA (Principal Component Analysis). PLS (Partial Least Square) regression was applied to find the main explanatory variables for resin analysis results and panel results. Urea and molar ratio showed to be the most important synthesis parameters because they had effect on many properties of the resins. From resin analysis methods gel time and B-time showed to be the most informative indicators of the OSB panel strength properties. LPF based OSB panels have larger thickness swell than PF based panels but the internal bond of LPF panels was close to PF panels. To improve the thickness swell of LPF resins, urea or molar ratio in the resin should be optimized because they are the main explanatory variables for gel time, viscosity and B-time, which are the main explanatory variables for thickness swell. All in all, it was found that the curing analysis of LPF resins is difficult due to high water content of the resins. TMA and DMTA showed not to be suitable for phenolic resins due to their high water content. The analysis development needs more research. All in all, LPF resins are cured effectively to produce strong OSB panels. LPF resins are very promising alternatives for fossil-based PF resins in OSB manufacturing.