Wood impregnation with bark polyphenols

Abstract

Wood impregnation with alkaline extracted polyphenols from Norway spruce (Picea abies) bark was studied in this master thesis. Wood bark is an important side stream of forestry. Compared to stem wood, bark contains large amounts of extractives, like tannins and other polyphenols, which protect wood naturally. Bark is utilized often directly as energy, but chemicals extracted from it can be also used in many other applications. Alkaline extraction is an efficient way to extract polyphenols from bark.

Chemicals are absorbed into wood structure under high pressures in pressure impregnation of wood. Those chemicals protect wood for instance from microbial attack. Many of the chemicals used in pressure impregnation of wood are non-renewable and harmful but they can be replaced by renewable ones.

Pressure impregnation process of Scots pine (Pinus sylvestris) using a polyphenol-rich alkaline extract, black liquor, from Norway spruce bark as preservative was optimized in the experimental part of this work. Best results in laboratory scale experiments were achieved with steaming pre-treatment and carrying out impregnation for 120 minutes in 9 bar pressure. Impregnation experiments were performed also with silver birch (Betula pendula), which was possible to impregnate using lower pressures than for Scots pine. Most of the impregnation occurred vertically along the wood cells. Black liquor fractionated to lower molecular size fractions with membrane separation was however efficient in terms of tangential and radial penetration in the impregnation. The biggest challenge in the experiments was the water solubility of the polyphenols since most of them were leached out during leaching experiments. Mould resistance of impregnated wood was also bad, impregnation did not inhibit the mould growth in the surfaces of the wood.

Tässä diplomityössä tutkittiin puun kyllästämistä metsäkuusen (Picea abies) kuoresta alkaliuutolla erotetuilla polyfenoleilla. Puun kuori on metsäteollisuuden tärkeä sivuvirta. Runkopuuhun verrattuna kuori sisältää runsaasti uuteaineita, kuten tanniineja ja muita polyfenoleita, jotka suojaavat puuta luonnollisesti. Kuori hyödynnetään usein suoraan energiana, mutta siitä erotettuja kemikaaleja voidaan käyttää myös moniin muihin tarkoituksiin. Alkaliuutto on tehokas menetelmä kuoren polyfenolien talteenottoon.

Puun painekyllästyksessä puun rakenteeseen imeytetään paineen vaikutuksesta kemikaaleja, jotka suojaavat puuta esimerkiksi mikrobeilta. Monet painekyllästykseen käytettävät kemikaalit ovat uusiutumattomia ja haitallisia, mutta niitä voidaan korvata biopohjaisilla kemikaaleilla.

Työn kokeellisessa osassa optimoitiin metsämännyn (Pinus sylvestris) pintapuun painekyllästysprosessia käyttäen metsäkuusen kuoren alkaliuutosta saatua mustalipeää, joka sisältää isoilta osin tanniineja. Laboratoriomittakaavan kokeiden perusteella parhaat kyllästystulokset saatiin hörytysesikäsittelyllä ja kyllästämällä puuta 120 minuutin ajan 9 bar paineessa. Kyllästyskokeita tehtiin myös rauduskoivulle (Betula pendula), jota oli mahdollista kyllästää tehokkaasti myös alemmissa paineissa verrattuna metsämäntyyn. Kokeiden perusteella suurin osa kyllästymisestä tapahtui solukon myötäisesti. Membraanierotuksella pienempiä molekyylejä sisältäväksi fraktioitu mustalipeä osoittautui kuitenkin tehokkaaksi myös puun kyllästämiseen solukkoa vasten. Isoimpana haasteena laboratoriokokeiden perusteella oli tanniinien vesiliukoisuus, ja suurin osa kyllästysaineesta liukeni uuttokokeissa. Myös kyllästettyjen palikoiden homeensietokyky oli huono, eikä kyllästäminen estänyt homeen kasvua puun pinnalla.