Puun käsittely ligniinipohjaisella pinnoitteella : pinnoitteen kestävyyden tutkiminen

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia ligniinin soveltuvuutta puupinnoitteisiin. Työn toimeksiantajana toimi HAMK Tech -tutkimusyksikkö. Työssä käytettiin BioPiva-ligniiniä, joka oli erotettu kraft-ligniinistä LignoBoost-prosessilla. LignoSphere Company oli jatkojalostanut BioPiva-ligniinin pallomaisiksi ligniininanohiukkasiksi, jotka olivat kooltaan 200–500 nanometriä. Lisäksi tutkittavissa pinnoitteissa käytettiin pigmentteinä titaanidioksidia ja biohiiltä. Työn aluksi tehtiin kirjallisuuskatsaus, jossa käsiteltiin aiempia tutkimuksia, puupinnoitteita, ligniiniä, pinnoitteiden valmistusta, glyseroli-diglysidyylieetteriä sekä käytettyjä pigmenttejä. Kokeellisessa osuudessa valmistettiin erilaisia pinnoitteita ja tutkittiin niiden kestävyyttä erilaisien testien avulla. Tutkittavia pinnoitteita oli neljä, joista yksi oli kaupallinen pellavapuuöljy. Kolme muuta pinnoitetta valmistettiin itse ja ne kaikki sisälsivät ligniinipalloja, vettä, glyseroli-diglysidyylieetteriä sekä ammoniakkia. Kahteen pinnoitteeseen lisättiin pigmenttejä: yhteen titaanidioksidia ja biohiiltä, toiseen pelkästään titaanidioksidia ja yksi pinnoite jäi kokonaan ilman pigmenttejä. Pinnoitteille suoritettiin kaksi olosuhdemuutoskoetta (elastisuustesti ja xenonvalotesti), vedenläpäisevyystesti sekä kaksi mekaanisen kestävyyden testiä (hilaristikko ja lyijykynäkovuus). Testitulokset osoittivat, että pinnoitteita tulee kehittää lisää. Vedenläpäisevyystestin tuloksien perusteella pinnoitteet eivät olleet vettä hylkiviä. Mikäli pinnoitteiden halutaan hylkivän vettä, on tämän osalta reseptejä kehitettävä lisää. Mekaanisen kestävyyden testit osoittivat, että pinnoitteet olivat melko heikkoja ja helposti puusta irtoavia. Tulokset eivät kuitenkaan näissä testeissä olleet huonoimmat mahdolliset, joten pinnoitteilla on edelleen potentiaalia. Vaativimmat testit pinnoitteille olivat olosuhdemuutostestit, joiden tuloksista voidaan todeta, että pinnoitteet eivät ole valmiita kestämään suuria olosuhdevaihteluja ja kosteutta pitkällä aikavälillä. Tutkimuksista saatiin kuitenkin arvokasta tietoa pinnoitteiden tämänhetkisestä kestävyydestä. Opinnäytetyön tuloksia tullaan hyödyntämään tulevaisuudessa HAMK Tech -tutkimusyksikön hankkeissa. Ligniinillä ja ligniinipalloilla on aiempien tutkimusten mukaan lupaava tulevaisuuden näkymä erityisesti vihreässä siirtymässä ja mahdollisena fossiilisten raaka-aineiden korvaajina. Jatkossa on kuitenkin tarpeen suorittaa lisätutkimuksia ja kehittää pinnoitteiden reseptejä edelleen. Vedenläpäisevyys-, elastisuus- ja xenonvalotestien toistaminen pinnoitereseptin kehittämisen jälkeen voisi olla hyväksi, sillä näillä testeillä saadaan hyvä kuva mitä pinnoite kestää. Mikäli pinnoitteita halutaan kehittää kaupallisiksi ulkopinnoitteiksi tai -maaleiksi esimerkiksi ulkorakennuksiin, olisi todella tärkeää keskittää tutkimukset niiden olosuhdekestävyyteen.

The aim of this thesis was to study the suitability of lignin for wood coatings. The work was commissioned by the HAMK Tech research unit. The study utilized BioPiva lignin, which had been separeted from kraft lignin using the LignoBoost process. The BioPiva lignin had been further refined by the LignoSphere Company into spherical lignin nanoparticles, ranging in size from 200 to 500 nanometers. Additionally, titanium dioxide and biochar were used as pigments in the studied coatings. At the beginning of the work, a literature review was conducted, covering previous studies, wood coatings, lignin, coating preparation, glycerol diglycidyl ether, and the pigments used. In the experimental part, various coatings were prepared, and their durability was tested using different methods. Four coatings were examined, one of which was a commercial linseed oil-based coating. The other three coatings were prepared in-house, all containing lignin particles, water, glycerol diglycidyl ether, and ammonia. Two of those coatings were supplemented with pigments: one with titanium dioxide and biochar, another with only titanium dioxide, while one coating was left entirely without pigments. The coatings underwent two weathering tests (elasticity test and xenon light test), a water permeability test, and two mechanical durability tests (cross-cut adhesion test and pencil hardness test). The test results indicated that the coatings require further development. Based on the water permeability test results, the coatings were not water-repellent. If water repellency is desired, the formulations need to be improved. The mechanical durability tests showed that the coatings were relatively weak and easily detached from the wood surface. However, the results were not the worst possible, indicating that the coatings still have potential. The most demanding tests for the coatings were the weathering tests, which revealed that the coatings are not yet capable of withstanding large environmental fluctuations and moisture over extended periods. Nevertheless, the study provided valuable information on the current durability of the coatings. The findings of this thesis will be utilized in future projects in the HAMK Tech research unit. According to previous research, lignin and lignin particles have promising prospects, particularly in the green transition and as potential substitutes for fossil-based raw materials. However, further research and continued development of coating formulations are necessary. Repeating the water permeability, elasticity, and xenon light tests after refining the coating formulations could provide useful insights into the coatings’ durability. If these coatings are to be developed for commercial exterior applications, such as outdoor structures, it is essential to focus research efforts on their environmental resistance.