Development of transparent wood-based optical diffusers through the vacuum infusion process

The demand for sustainable materials has increased with time, attempting a search of substitutes for non-renewable resources. Bio-based materials, which provide low-impact and renewable alternatives, have become the focus of a lot of research and recently, in less than two decades, in the state of the art, transparent wood has emerged as a material that combines the renewable nature of wood with optical transparency, making it a promising technology for the use as an optical diffuser. Wood's hierarchical structure is deeply related to its optical and mechanical qualities. The material's mechanical behaviour and refractive index are determined by the chemical composition of the cell wall. Light absorption is eliminated during transparent wood manufacture by the selective removal of lignin's chromophore groups, and the diffusing property is finally generated by the infiltration of a polymer with a refractive index matching that of the wood structure. The lignin-retaining bleaching method used in this work targets lignin's chromophore groups specifically while maintaining the structural integrity of the wood. Through 13C Cross-polarisation Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, the bleaching procedure is verified to remove the chromophore while leaving the lignin intact. Optical measurements with an integrating sphere revealed high transmittance (>80%) and haze (>90%), indicating the material's viability for light diffusion applications. Transparent wood is suitable for structural applications needing optical clarity as mechanical testing shows that its strength and toughness have been maintained. In the state of the art, research about an industrial method to produce transparent wood optical diffuser devices is missing. This PhD thesis focuses on modifying the vacuum infusion process for transparent wood fabrication, attempting to overcome the challenges that emerge in the adaptation of an existing industrial method to a new application. The results show that vacuum infusion presents a critical potential for the manufacture of transparent wood devices. Different system configurations based on the various setups of the process were attempted on bleached wood veneers, and polymer infiltration resulted, through a trial-and-error process, considerably successful, opening the way to further optimisation to remove still-remaining imperfections. This PhD thesis serves as a starting point for the creation of a scalable industrial process that can be useful not only for the manufacture of transparent wood optical devices, but also for other composite materials that have potential to be produced with the vacuum infusion process. An additional study investigates the compounding of detoxified asbestos cement as a filler in polylactic acid (PLA) composites. This research contributes with the thesis's emphasis on environmentally friendly materials, attempting the reuse of a material that has been treated to eliminate its toxic characteristic in composite production as a filler for sustainability purposes. The findings demonstrate how one of the asbestos's samples demonstrates a catalytic decomposition behaviour that could be useful to diminish the carbon footprint for depolymerisation processes. Overall, this PhD work attempts to further advance research in composite manufacturing by adapting an already vastly diffused industrial process to a new production setting and by using appropriately modified natural materials as a filler or as a structure that can give a new device a novel physical phenomenon.

La domanda di materiali sostenibili è aumentata nel tempo, spingendo alla ricerca di sostituti alle risorse non rinnovabili. I materiali a base biologica, che offrono alternative a basso impatto e rinnovabili, sono diventati oggetto di numerose ricerche e, recentemente, in meno di due decenni, lo stato dell'arte ha visto l'emergere del legno trasparente come materiale che combina la natura rinnovabile del legno con la trasparenza ottica, rendendolo una tecnologia promettente per un uso come diffusore ottico. La struttura gerarchica del legno è profondamente correlata alle sue qualità ottiche e meccaniche. Il comportamento meccanico e l'indice di rifrazione del materiale sono determinati dalla composizione chimica della parete cellulare. L'assorbimento della luce viene eliminato durante la produzione del legno trasparente mediante la rimozione selettiva dei gruppi cromofori della lignina, e la proprietà di diffusione viene infine generata dall'infiltrazione di un polimero con un indice di rifrazione corrispondente a quello della struttura del legno. Il metodo di sbiancamento utilizzato in questo lavoro agisce specificamente sui gruppi cromofori della lignina in modo da conservarla, mantenendo intatta l'integrità strutturale del legno. Attraverso la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare al carbonio 13 a polarizzazione incrociata e spinning ad angolo magico, è stato verificato che la procedura di sbiancamento rimuove i gruppi cromofori lasciando intatta la lignina. Le misure ottiche effettuate con una sfera integratrice hanno rivelato un'elevata trasmittanza (>80%) e haze (>90%), indicando l'idoneità del materiale per applicazioni di diffusione della luce. Il legno trasparente è adatto per applicazioni strutturali che richiedono chiarezza ottica, poiché i test meccanici dimostrano che la sua resistenza e tenacità sono state mantenute. Allo stato attuale della tecnica mancano ricerche su un metodo industriale per la produzione di diffusori ottici in legno trasparente. Questa tesi di dottorato si concentra sulla modifica del processo di infusione sottovuoto per la fabbricazione di legno trasparente, per tentare di superare le sfide che emergono nell'adattamento di un metodo industriale esistente a una nuova applicazione. I risultati mostrano che l'infusione sottovuoto presenta un potenziale critico per la produzione di dispositivi in legno trasparente. Sono state sperimentate diverse configurazioni di sistema del processo di infusione su impiallacciature di legno sbiancato e, attraverso un processo di prova ed errore, l'infiltrazione del polimero ha avuto un notevole successo, aprendo la strada a un'ulteriore ottimizzazione per eliminare le imperfezioni ancora presenti. Questa tesi di dottorato funge da punto di partenza per la creazione di un processo industriale scalabile che può essere utile non solo per la produzione di dispositivi ottici in legno trasparente, ma anche per altri materiali compositi che hanno il potenziale per essere prodotti con il processo di infusione sottovuoto. Uno studio aggiuntivo indaga l'aggiunta dell'amianto deattivato come riempitivo in acido polilattico (PLA). Questa ricerca contribuisce con l'enfasi della tesi sui materiali ecocompatibili, tentando il riutilizzo di un materiale che è stato trattato per eliminare la sua caratteristica tossica nella produzione di compositi per scopi di sostenibilità. I risultati dimostrano come uno dei campioni di amianto mostri un comportamento di decomposizione catalitica che potrebbe essere utile per ridurre il carbon footprint dei processi di depolimerizzazione. Nel complesso, questo lavoro di dottorato cerca di far progredire ulteriormente la ricerca nella produzione di compositi, adattando un processo industriale a un nuovo contesto produttivo e utilizzando materiali naturali come riempitivo o come struttura in grado di conferire a un nuovo dispositivo un fenomeno fisico innovativo.