Bonding of the hardwood species in different conditions

Ing. Ing. Tomáš Pipíška

Doctoral thesis

Lepení tvrdých dřev v rozličných podmínkách

Abstract:

Lepení tvrdých dřev je využíváno zejména ve výrobě nábytku. Zaměříme-li na masívní dřevo ve výrobě nábytku, tak desky z rostlého dřeva (lepené na hranu nebo plochu) jsou základním materiálem. V nábytkářství se využívá široká škála lepidel. Pro výrobu desek z rostlého dřeva se používají dvě základní skupiny lepidel, které mají rozdílné použití při různých teplotách (vytvrzované za studena a za tepla)Cíle této práce jsou rozděleny do dvou hlavních oblastí. První část je zaměřena na lepení tvrdých dřev v rozličných vlhkostech dřeva. Druhá oblast se zabývá vlivem cyklických změna vlhkosti a teploty vzduchu na vlastnosti lepených tvrdých dřev. Experimentální část sestává z několika studií vlastnosti lepení. Tyto studie jsou zaměřeny na smáčivost dřeva různými lepidly, vlastnosti lepení v rozdílných vlhkostech dřeva, rozměrové stabilitě dřeva v okolí lepené spáry, vlastnosti lepení po cyklických změnách podmínek prostředí. Nejdůležitější tvrdé dřeviny používané ve výrobě nábytku byly použity na testování Buk lesní (Fagus sylvatica L.) a Dub letní (Quercus robur L.). Bylo použito několik typů lepidel pro experimentální část této práce: Polyvinyl acetátové (PVAc), Polyuretanové (PUR), Močovino formaldehydové (UF), Melamin močovino formaldehydové (MUF).Smáčivost dřeva buku a dubu vykazuje rozdílné hodnoty. Nejlepší smáčivost byla naměřena na PUR lepidle. Voda a lepidla na bázi vody dosahovaly průměrných hodnot kontaktního uhlu kolem 60°. Měření kontaktního uhlu je prvotní jednoduché měření, smáčivost je pouze jednou z podmínek dobrých vlastností lepení. Smáčivost dřeva je výsledek pouze krátké interakce fyzikálních sil. Pro lepení dřeva je však také důležitý tlak v procesu lepení spojen s penetrací lepidla a tuhnutím nebo vytvrzováním lepidla. Vlastnosti lepidel na vzorcích buku a dubu lepených při rozdílných stupních vlhkosti dřeva vykazují rozdíly mezi dřevy, ale také mezi lepidly. Pokles kvality lepení byl pozorován na vzorcích lepených s vysokou a nízkou vlhkostí (18/2%) u lepidel PUR, UF, MUF. Dvě rozdílná PVAc lepidla od rozdílných výrobců vykazovala rozdílné hodnoty kvality lepení: PVAc-1 dosahovalo hodnot bez změny kvality lepení u dubu a PVAc-2 u buku. UF lepidla vykazovala výrazně nižších hodnot kvality lepení na vzorcích v porovnání s kontrolními vzorky. Rozměrové změny na příčném řezu byly zkoumány korelací digitálního obrazu a vykazovaly rozdíly: dubové vzorky bobtnaly a sesychaly méně v porovnání s bukovými. Vzorky lepené lepidly za tepla (UF, MUF) vykazovaly nižších hodnot rozměrových změn, než vzorky lepené PVAc a PUR lepidly. Maximální sesychání kontrolních vzorků bylo do 0,5%, bobtnání vzorků bylo větší, než sesychání a s vyšší rychlostí bobtnání. Cyklické změny okolných podmínek, teplota a relativní vzdušná vlhkost vykazovaly vliv na vlastnosti lepení. Lepení PVAc a MUF lepidly vykazovala výsledky beze změn u kontrolních a exponovaných vzorků. UF lepidlo vykazovalo pokles hodnot kvality lepení u buku a dubu po vystavení 8, 16, 24, 32 cyklům změn podmínek. Kvalita lepení po cyklických změnách prostředí vykazovala nižších hodnot u dřeva buku, lepeného PUR lepidlem. Lepší pochopení souvislosti mezi druhy dřev, lepidly, vlhkostí dřeva, tlakem při lepení, lisovací teplotou a vlastnostmi lepení, je důležitá pro výrobu desek z rostlého dřeva z tvrdých dřev. Táto práce ukazuje rozdílné pohledy na vlastnosti lepení tvrdých dřev. Práce se pokouší být nápomocná pro výrobce desek z rostlého dřeva.

Abstract:

There are two types of wood joints in making solid wood panels for furniture fabrication; edge glued or face glued panels. Therefore, bonding of the hardwood species as the common wood species for furniture is an essential topic to be explored to improve the furniture manufacturing and product qualities. In addition, there is a wide range of adhesives that are suitable for the furniture industry. These adhesives can be categorized into two groups depending on the press temperatures, which are a cold or a hot condition.The aims of this study can be divided into two major parts. The first part was to focus on the bonding properties of hardwood species at different moisture content (MC). The second part was to investigate the influence of cyclic changes of different relative humidity and temperatures on the bonding properties of the hardwoods.To achieve these intentions, this study consists of several experimental parts to investigate the bonding properties. These investigations focused on the wettability of various types of adhesives, bonding properties in different MC range, the dimensional stability of the wood near to the bondline, bonding properties after exposure in the environmental conditions. The main hardwood species: European beech (Fagus sylvatica L.) and English oak (Quercus robur L.) used in the furniture manufacturing were practiced in this study. Different types of adhesives such as Polyvinyl acetate (PVAc), Polyurethane (PUR), Urea formaldehyde (UF), and Melamine urea formaldehyde (MUF) were used in experimental part.The wettability measurement is one of the tests to evaluate the bonding properties and was conducted by a contact angle measurement test. This test reflects short-range physical forces interactions between an adhesive and an interface of the substrate (wood). There was a different wettability behavior between the beech and oak wood species depending on the adhesive used. The lowest contact angle was observed for the PUR adhesive, regardless of the wood species. Water and water-based adhesives have an average contact angle of about 60°. Contact angle measurement is a first hand measurement method but wettability of wood surface is only one condition foriiiappropriate bonding properties. The pressure is important during the bonding related with penetration and solidification or curing of the adhesive.Both wood species and adhesive types had greatly influenced the bonding properties at different MC levels. Decreased in the bonding quality was observed between the high and low (18/2%) MC specimens for PUR, UF, and MUF adhesives. In addition, there was different behaviors observed between the two PVAc adhesives from the two manufacturers. For instance, the PVAc-1 showed no significant changes for oak wood and similar effect was found for the PVAc-2 on the beech wood. Overall, the UF adhesive showed the weakest bonding quality on all specimens except the control samples.The study on the dimensional changes on the cross section area of the wood by a digital image correlation revealed that the oak wood had the lowest swelling and shrinkage when compared to the beech wood. Adhesives that were pressed at a higher temperature (UF, MUF) showed smaller dimensional changes than PVAc and PUR adhesives. The maximum shrinkage on the control specimens was 0.5%. The shrinkage values 2% were more than the swelling values 1% with a higher speed of swelling.Different environmental conditions influenced the overall bonding properties. The bonding quality on beech and oak wood after 8, 16, 24 and 32 cycles of exposition was reduced when bonded with the UF adhesive. Similarly, bonded with the PUR adhesive also decreased the bonding quality of beech wood. Meanwhile, the PVAc and MUF adhesives showed no changes between the control and exposed specimens.It is vital for manufacturing the solid wood panels from hardwood species to better understanding the interaction between wood species, adhesives, MCs, press temperature, and b

Abstract:

onding properties. The results in this study revealed different observations on the bonding properties of hardwood species and will be beneficial information for furniture manufacturers that use solid wood panels.

Keywords

Kvalita lepení, Lepená spára, Měření kontaktního úhlu, Korelace digitálního obrazu, Rozměrová stabilita, Lisováni za tepla, Vlhkost dřeva, Dub, Porušení dřeva, Buk, Smáčivost

Keywords

Beech, Bonding quality, Bondline, Contact angle measurement, Digital Image Correlation (DIC), Dimensional stability, Hot pressing, Moisture content (MC), Oak, Wood failure, Wettability

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 10. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Dr. Ing. Pavel Král

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme:
Furniture Technology