Fuktegenskaper och kemisk sammansättning för nedbrutet Accoya-trä

Abstract

Wood is one of the oldest building materials, which have recently gained more focus in aneffort to reach net zero emissions. The mechanical properties of wood are dependent on the moisture content, and a high moisture content can also lead to biological attacks from decay fungi. To avoid biological attacks the wood must be protected from moisture, and a traditional method is to pressure impregnate the wood with toxic substances. However, environmental and ecological demands have created a demand for new sustainable methods. Acetylated wood, which is wood that has been modified with acetic anhydride, is an example of a more sustainable method to protect the wood. Acetyl groups from the acetic anhydride replaces the hydroxyl groups in the wood which decreases the wood's ability to bind water
molecules to the cell wall, causing the equilibrium moisture content to become lower. The acetyl groups also take up more space in the cell wall, which combined with a lower equilibrium moisture content makes it harder for decay fungi to decompose the wood.

This master thesis examined moisture properties and chemical composition of Accoya, a brand of commercially made acetylated wood. Accoya stakes have been exposed in a field test in Greece for 10 years after which no visual degradation could be observed, however it suffered a loss of ~30% in mechanical properties. This work is based on experimental tests conducted at Building Materials, Faculty of Engineering, Lund University and at Wood, Nature and Biomass, University of Copenhagen during the spring of 2023. Maximal moisture content and maximal cell-wall moisture content was examined by using Differential Scanning
Calorimetry, DSC. The hydroxyl availability was investigated using Dynamic Vapor
Sorption, DVS. Attenuated Total Reflection - Fourier Transformation Infrared spectroscopy, ATR-FTIR, was used to examine the chemical composition of the wood by looking at the acetyl content, and lastly desorption isotherms were created to examine moisture properties in the hygroscopic range. Material was used from four different heights from the exposed stake, with the purpose to find out if the properties differed for the different heights.

Maximal moisture content varied between 90-200% and the cell-wall moisture content
varied between 3-21%, however no strong correlation was found in regard to the materials height in the stake. The hydroxyl accessibility was found to be between 1.4-1.7 mmol/g, showing no correlation between the different heights. There were no signs of correlation between cell-wall moisture content and acetyl content. When the acetyl content was plotted against the position in the stake, the material showed a greater spread than the control group. The desorption isotherms showed that the sample material contained a larger moisture content compared to the control.

The conclusion of this study is that the moisture properties slightly varied for the different sample heights, and that there was a larger spread in the results compared to the control group. This indicates that fungi decay has started, or that the decay is concentrated in small areas.

Popular Abstract (Swedish)

Accoya: virket som motstår rötsvamparna

Att använda trä som byggnadsmaterial har en lång tradition i Sverige, då tillgången är god. Nu
har det återigen fått ett större fokus i hopp om att minska byggsektorns klimatpåverkan. För att
utöka träets användning måste dess problem med fukt begränsas, där det största problemet är
rötsvampar som bryter ned träet och gör det svagare. En vanlig metod är att tryckimpregnera
träet med kemikalier som är giftiga för organismerna som bryter ned träet, men en del av dessa
har även visat sig vara skadliga för andra organismer, och för oss människor. Därför riktas fokus
mot nya metoder som utan dessa nackdelar kan ge samma resultat.

För att rötsvampar ska kunna bryta ned trä så behöver de fukt, syre, näring och en gynnsam
temperatur. Syre finns på de flesta platser där virket används, näring finns i form av trä och
temperaturen är vad det är där träet används. Den lättaste faktorn att begränsa blir därmed fukten,
och det är precis det acetylering gör. Det är en kemisk process som innebär att träet reagerar med
ättiksyraanhydrid, och bildar då acetylerat trä och restprodukten ättiksyra. Acetylgrupper binder
till cellväggarna i träet och ger träet ett betydligt bättre motstånd mot rötsvampar. Det når den
högsta beständighetsklassen mot svampnedbrytning och kan därmed användas i fuktigare
miljöer.

Accoya är en kommersiell produkt av acetylerat trä och tillverkas av ett företag som heter
Accsys Technologies. Det har forskats mycket på acetylerat trä under de senaste åren, med syfte
att undersöka dess egenskaper. Ett sådant forskningsprojekt är ett fältförsök i Grekland, där
stavar av Accoya blev exponerade i mark. Stavarna blev undersökta efter 1, 5 och 10 år utifrån
synlig nedbrytning och hållfasthetsegenskaper. Provstavarna visade ingen synlig nedbrytning
men träet hade blivit svagare, ett tecken på att något har förändrats i materialet. Detta har skapat
ett stort intresse bland forskare som nu vill undersöka hur det kommer sig. Vårt arbete grundar
sig på detta fältförsök, då vi fick möjligheten att studera en sådan stav av Accoya noggrannare,
och undersöka om och på vilket sätt materialet förändrats av exponeringen i mark. En hypotes är
att stavarna har blivit avacetylerade, det vill säga att acetylgrupperna har avlägsnats och därmed
har virket fått ett högre fuktupptag igen. Eftersom träets fuktinnehåll påverkar de mekaniska
egenskaperna skulle detta, förutom rötsvampsnedbrytning, kunna vara en anledning till de
förändrade hållfasthetsegenskaperna.

Vi undersökte provstavens fuktegenskaper ända ned till molekylnivå, med hjälp av avancerade
mätinstrument. Det visade sig att stavens fuktegenskaper varierade en hel del, där material från
två närliggande områden kunde ha stora skillnader i fuktegenskaper. Provmaterialet hade
generellt något ökat fuktupptag och en större spridning i egenskaper jämfört med Accoya som
inte blivit exponerat i fältförsök. Detta tyder på att träet har blivit angripet av rötsvampar som har
börjat bryta ned träet, om än väldigt lokalt.

• author: Nilsson, Isak and Holmberg, Jakob
• supervisor: Maria Fredriksson
• organization: Division of Building Materials
• course: VBMM01 20231
• year: 2023
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Acetylerat, trä, Accoya, barrträd, tall, Pinus radiata, fuktkvot, hydroxyltillgänglighet, acetylinnhåll, desorptionsisoterm, rötsvampar, fuktegenskaper
• report number: 5132
• other publication id: LUTVDG/TVBM-23/5132-SE
• language: Swedish
• id: 9121747
• date added to LUP: 2023-06-20 09:46:01
• date last changed: 2023-06-20 09:46:01