Investigation of Urea-Melamine-Formaldehyde (UMF) resin penetration in Medium-Density Fiberboard (MDF) by High Resolution Confocal Laser Scanning Microscopy

Abstract

A confocal laser scanning microscope (CLSM) was used to investigate the distribution and penetration of urea-melamine-formaldehyde (UMF) resin in the fiber when injected through blowline blending in a medium density fiberboard (MDF) pilot plant. Samples were prepared with respect to industrial parameters and were collected at the dryer’s end. The samples were later dyed in a Dye Star-Brilliant Red solution (0.01%) and rinsed with distilled water to remove excess. The samples were scanned with the CLSM to build three-dimensional reconstructions of MDF fiber cross-sections. With proper lenses and optimized CLSM settings, it was possible to obtain fiber reconstructions with a resolution greater than the laser wave length (514 nm). The Zeiss CLSM built-in software image analyzer enabled to rebuild them in rotation on any of the three axes with up to 64 images per rotation. The resin penetration sites were identified using this software option. The penetration sites were numerous and well dispersed. The largest openings (lumen, pits and cracks) were responsible for most of the resin lost by over-penetration. The presence of resin in the cell walls (detected with the CLSM) proves their porosity without giving much information about the resin concentration. Finally, the atomic force microscope (AFM) enabled to recreate the finest surface details for these fibers samples. It was found that the fibrils aggregates orientation and size can influence the resin penetration and distribution.

It was concluded that the porous structure of wood fibers and their affinity to water enable the resin to penetrate through capillary force. This phenomenon is stimulated by the high pressure, saturated steam, turbulent flow and heat. When injected in the pilot plant blowline, UMF resin was uniformly distributed over the fiber surface (22.5% coverage). The resin penetration was however important and also occurred in nanometric defaults of the wood fibers. Thus, industrial panels made out of very porous, damaged or small fibers will need more resin to fill the gaps in order to make a strong board.

Zusammenfassung

Mit Hilfe eines konfokalen Laserscanning-Mikroskops (CLSM) wurde die Verteilung und Eindringung von Harnstoff-Melamin-Formaldehydharz (UMF) in die Holzfasern bei einer Beleimung mit dem Blowline-Verfahren in einer Versuchsanlage untersucht. Die Proben wurden wie in der Praxis üblich hergestellt und nach dem Trocknen entnommen. Danach wurden die Proben in einer Dye Star-Brillant Red Lösung (0.01%) gebleicht und zur Entfernung von Rückständen mit destilliertem Wasser gespült. Zur dreidimensionalen Rekonstruktion von MDF-Faserquerschnitten wurden die Proben mit dem CLSM gescannt. Mittels geeigneter Linsen und optimalen CLSM-Einstellungen war es möglich, die Fasern mit einer höheren Auflösung als der Laserwellenlänge (514 nm) zu rekonstruieren. Mit der eingebauten CLSM Bildanalyse-Software von Zeiss konnten die Fasern unter einem beliebigen Winkel dargestellt werden. Damit konnten die zahlreichen und gut verteilten Eindringstellen des Harzes bestimmt werden. Die größten Öffnungen (Lumen, Tüpfel und Risse) waren aufgrund der großen Eindringmenge überwiegend für den Harzverlust verantwortlich. Das Auftreten von Harz in den Zellwänden (mit dem CLSM bestimmt) belegt deren Porosität, wobei nur wenig Aussagen zur Harzkonzentration möglich sind. Mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) konnten die kleinsten Oberflächendetails für diese Faserproben nachgebildet werden. Es stellte sich heraus, dass die Richtung und die Größe der Fibrillenaggregate das Eindringen und die Verteilung von Harz beeinflussen können.

Daraus lässt sich schließen, dass das Harz wegen der porösen Struktur der Holzfasern und deren Wasseraffinität aufgrund von Kapillarkräften eindringen kann. Hoher Druck, gesättigter Dampf, turbulente Strömung und Wärme tragen dazu bei. Beim Einsprühen in die Blowline-Versuchsanlage verteilte sich das UMF-Harz gleichmäßig über die Faseroberfläche (22.5% Abdeckung). Einen großen Einfluss hatte die Eindringung auch in kleine Öffnungen im Nanobereich. Folglich benötigen industriell hergestellte Platten aus sehr porösen, beschädigten oder kleinen Fasern mehr Harz, um die Lücken zu füllen und um eine stabile Platte herstellen zu können.