Puristetaan puusta vielä parempaa

Transkriptio

1 Puristetaan puusta vielä parempaa Veikko Möttönen PUU-ohjelman loppuseminaari

2 ESITYKSEN SISÄLTÖ Puun ominaisuuksien modifiointi Puunsuojaus mäntyöljyllä Tutkimustuloksia: puun lujuus ja vedenkestävyys Mäntyöljykyllästys painekyllästyksen vaihtoehtona Puristus- ja lämpömodifiointi puutuotteiden ominaisuuksien parantamiseksi Tutkimustuloksia: puristusaste ja tiheys Arvioita sovelluskohteista ja teollisista ratkaisuista Puun modifioinnin haasteita tutkimuksen kannalta

3 PUUN OMINAISUUKSIEN MODIFIOINTI Fysikaaliset, kemialliset tai muut puun kemiallista rakennetta muuttavat ei-biosidiset menetelmät, joilla vaikutetaan puun ominaisuuksiin Modifiointi ei saa lisätä puun haitallisuutta ihmisille tai ympäristölle eikä sen hävittäminen saa aiheuttaa suurempaa ympäristövaikutusta kuin modifioimattoman puun hävittäminenkään (Hill 2006: Wood modification: chemical, thermal and other processes)

4 PUUN OMINAISUUKSIEN MODIFIOINTI Puun modifioinnilla tavoitellaan mm.: Parempaa lahonsuojausta Parempaa mittapysyvyyttä Suurempaa lujuutta, kovuutta, kulutuskestävyyttä Parempaa ulkonäköä Puupinnan toiminnallisia ominaisuuksia, esim. vedenhylkivyys, vedenkesto, UV-kesto Modifioitaessa jotkut ominaisuudet yleensä myös heikkenevät Puun modifiointitutkimuksina PUU-ohjelmassa on tutkittu puunsuojausta mäntyöljykyllästyksellä ja puun lujuuden ja kestävyyden parantamista puristus- ja lämpömodifioinnin avulla

5 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Taustaa: Mäntyöljy (crude tall oil) on rasvahappojen, hartsihappojen ja saippuoitumattomien yhdisteiden (sterolit, vahat ja hiilihydr.) seos, jota saadaan sulfaattiselluloosateollisuuden sivutuotteena, käytetään joko energiantuotantoon tai jalosteiksi Mäntyöljy on potentiaalinen luonnonmukainen puunsuoja-aine esim. piha- ja puutarharakentamisessa Ympäristöystävällisempi ja luonnonmukaisempi vaihtoehto CCA-, CC-, ja C-yhdisteillä (biosideillä) tehtävälle painekyllästykselle

6 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Tavoitteet: Tutkia mäntyöljykyllästyskäsittelyn vaikutusta puun lahonkestävyyteen, lujuusominaisuuksiin sekä veden- ja säänkestävyyteen

7 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ TOLPPATUOTTEIDEN LUJUUS Aineistot: Ydinkeskeiset sahatolpat 50 x 50 mm ja 100 x 100 mm Sorvitolpat läpimitaltaan 80 ja 120 mm

8 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Käsittelyt lujuustesteihin: 1. Mäntyöljykyllästys - alhainen viskositeetti 2. Mäntyöljykyllästys korkea viskositeetti 3. AB luokan painekyllästys kuparikyllästeellä 4. Käsittelemätön puu Kaksi alaryhmää 1. Suoraan taivutustestiin 2. Taivutustestit säärasitustestin jälkeen Säärasitustesti: 1-vaihe: T 10 C, RH 95 %, 36 t 2-vaihe: T 40 C, RH 15 %, 12 t Yht. 7 sykliä = 14 vrk Mäntyöljykäsittelyt tehtiin Ekopine Oy:n kyllästysprosessilla, jossa puutavara kuivataan kuumassa mäntyöljyliuoksessa. Prosessiin kuuluu myös lämpökäsittely mäntyöljyn kiinnittymisen tehostamiseksi,

9 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Lujuustestit: Taivutuskimmokerroin ja -lujuus (EN 408): 3 l ( F ) 2 - F1 3a a 3 E m, g = 3 [ ( ) - ( ) ] ( ) bh af f m 2 W = max w 2 - w 1 4l l

10 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Taivutusmurtolujuus - MOR Taivutuskimmokerroin - MOE Sahatolpilla mäntyöljykäsittely heikensi murtolujuutta 4-16 % (50 mm) ja 7-23 % (100 mm) käsittelemättömiin tolppiin verrattuna Sorvitolpilla mäntyöljykäsittely heikensi murtolujuutta % (80 mm) ja 9-23 % (120 mm) käsittelemättömiin tolppiin verrattuna

11 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ LIIMAPALKKITUOTTEIDEN VEDENKESTÄVYYS Veden absorptio upotuskokeessa: Käsittelyt veden absorptiotesteihin (liimapalkit, N=20/käsittely) Mäntyöljykyllästys, raaka-aine mäntyä AB luokan painekyllästys kuparikyllästeellä, raaka-aine mäntyä Käsittelemättömät, raaka-aine kuusta

12 Kosteussuhde, % PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Vesiabsorptiokoe (8 viikkoa) ja kappaleiden kuivuminen: Käsittelemätön Painekyllästys Mäntyöjlykyllästys Mäntyöljykyllästetyt liimapalkit imivät vettä selvästi vähemmän kuin painekyllästetyt tai kyllästämättömät Max kosteussuhde: mäntyöljy 22,7 %, painekyllästetty 71,0 % käsittelemätön 58,4 % Päivämäärä Upotuksen jälkeen mäntyöljykyllästetyt myös kuivuivat nopeasti alle 20 % kosteussuhteen

13 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Olosuhdetestit : Upotuskokeen jälkeen liimapalkkikappaleiden käsittelyä jatkettiin olosuhdekaapissa vaihtelevissa lämpö- ja kosteusoloissa Dimensioita (pituus, leveys, paksuus) ja massaa mitattiin säännöllisesti olosuhdetestin aikana

14 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Paksuuden ja leveyden muutos olosuhdetestissä

15 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Päätelmät 1: Mäntyöljykäsittely heikentää tolppien lujuutta (käsittely korkeassa lämpötilassa => materiaali haurastuu) Mäntyöljykäsittely parantaa puun vedenhylkivyyttä huomattavasti verrattuna käsittelemättömään tai painekyllästettyyn puuhun Jos kappaleen päät on suojattu, pysyy mäntyöljykyllästetty puu märissäkin olosuhteissa niin kuivana, että lahottajasienten kasvu ei ole mahdollista

16 PUUNSUOJAUS MÄNTYÖLJYLLÄ Päätelmät 2 - Mäntyöljykyllästys painekyllästyksen vaihtoehtona: Lahonsuojaus biosideillä perustuu niiden kykyyn estää lahottajasienten infektoitumista ja kasvua, ne eivät estä veden imeytymistä puuhun Kemiallisella modifioinnilla (myrkyttömällä käsittelyllä) ei voida estää lahottajasienen infektoitumista ja lahoamisen etenemistä kokonaan kuten biosideillä, mutta sillä voidaan hidastaa tai estää puun kostuminen lahonsuojauksen tavoitteena mahdollisimman tehokkaan ja kestävän vedenhylkimiskyvyn saavuttaminen Jatkotutkimusten haasteena vettähylkivien modifiointikemikaalien ominaisuuksien kehittäminen: parempi kiinnittyminen ja huuhtoutumisen estäminen pidempi käyttöikä

17 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI Taustaa: Puu alkaa pehmetä lähestyttäessä sen komponenttien lasisiirtymälämpötilaa Puuta voidaan puristaa kasaan paineen, lämmön ja kosteuden avulla, jolloin huokostila vähenee ja tiheys kasvaa Puristaminen voisi mahdollistaa myös kevyiden puulajien (esim. haapa n. 390 kg/m 3, mänty 420 kg/m 3 ) hyödyntämisen tuotteissa joissa vaaditaan mekaanista lujuutta, kovuutta ja kulutuskestävyyttä (esim. lattia- ja huonekalutuotteet) Menetelmä ei ole yleistynyt sahatavaran jatkojalostuksessa, koska puun käyttäytyminen prosessissa ja sen jälkeen ei ole täysin hallinnassa ja teollisia sovelluksia on tarjolla vain vähän

18 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI Tavoite: Tutkia teollisen mittakaavan modifiointimenetelmää, jossa massiivipuun kuivaukseen ja mekaaniseen puristuskäsittelyyn lämmön ja kosteuden avulla on yhdistetty jälkikäsittelynä lämpökäsittely puristustilan stabiloimiseksi Tutkia modifiointimenetelmän ja sen eri prosessiparametrien vaikutusta puristusasteeseen ja sen pysyvyyteen, puristuksen suuntaisen tiheysprofiilin muodostumiseen ja halkeiluun

19 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI MATERIAALI JA MENETELMÄT Rauduskoivu (Betula pendula Roth) ja haapa (Populus tremula L.) Sahatavara 40 mm 100 mm 2700 mm Process Compression Thermal modification Starting of compression Target degree of compression Birch G Green 10% - Birch G + TM Green 10% 3 hours at 190 C Birch MC20 At 20% MC 10% - Birch MC20 + TM At 20% MC 10% 3 hours at 190 C Aspen G Green 30% - (Aspen G + TM* Green 30% 3 hours at 190 C) Aspen MC20 At 20% MC 30% - (Aspen MC20 + TM* At 20% MC 30% 3 hours at 190 C) G=puristus aloitettu tuoreesta puusta, MC20=puristus aloitettu 20% kosteudessa, TM=lämpökäsittely * = tulokset haapapuun lämpökäsittelytesteistä valmistuvat myöhemmin

20 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI MATERIAALI JA MENETELMÄT Modifioinnit tehtiin Korwensuun Konetehdas Oy:n pilottilaitteella Laitteella voidaan yhdistää hydraulinen puristus, kuumakuivaus ja lämpökäsittely Tavoiteltu puristusaste Koivu 10 % Haapa 30 % Puristuksen aloitusvaihe Tuoreesta alkaen tai 20 % kosteuteen kuivatusta

21 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI TULOKSET Koivu, 0 Koivu, G Koivu, MC20 Koivu, 0 Koivu, G+TM Koivu, MC20+TM Haapa, 0 Haapa, G Haapa, MC20 G = puristus aloitettu tuoreella puulla, MC20 = puristus aloitettu 20 %:n kosteussuhteessa, TM = käsittely sisälsi lämpömodifioinnin

22 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI TULOKSET PURISTUSASTE, HALKEILU Process Degree of compressio n Poisson s ratio Surface checks End checks Internal checks Mean Max Mean Max Mean Max Birch G Birch G + TM Birch MC Birch MC20 + TM Aspen G Aspen G + TM Aspen MC Aspen MC20 + TM G = puristus aloitettu tuoreella puulla, MC20 = puristus aloitettu 20 %:n kosteussuhteessa, TM = käsittely sisälsi lämpömodifioinnin Lähtökosteus vaikutti saavutettuun puristusasteeseen erityisesti haavalla Lämpökäsittely mahdollisti tavoitellun puristusasteen saavuttamisen koivulla Tuoreena aloitettu puristus lisäsi halkeilua Haapa halkeili enemmän kuin koivu

23 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI Tiheysprofiili

24 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI Puupinnan spektrimittausten perusteella laskettu väriero (ΔE*) eri tavoin modifiointikäsiteltyjen ja ilmakuivatun sahatavaran välillä eri syvyyksillä paksuussuunnassa. ΔE* on dimensioton suure, minimissään noin 2 yksikön suuruinen väriero on silmin havaittava. TP = puristettu aloitettu tuoreena, P 20 % = puristus aloitettu 20 %:n kosteudessa, LK = lämpökäsittely.

25 PURISTUS- JA LÄMPÖMODIFIOINTI ARVIOITA SOVELLUSKOHTEISTA Prosessiparametreillä ja jälkikäsittelyllä voidaan vaikuttaa puristus- ja lämpömodifoidun puun ominaisuuksiin ja niiden pysyvyteen menetelmä mahdollistaa periaatteessa esim. alhaisen tiheyden puumateriaalin käyttämisen sille aiemmin soveltumattomissa kohteissa Jatkotutkimuksissa selvitettävä modifioidun puun käyttäytyminen erilaissa sille soveltuvissa tuotteissa (esim. kovuus ja kulutuskestävyys lattia ja huonekalutuotteissa), puristusvaikutuksen palautumisen minimoiminen pitkällä aikavälillä erilaisissa käyttöolosuhteissa sekä tuotannon kustannustehokkuus

26 PUUN MODIFIOINNIN HAASTEITA TUTKIMUKSEN KANNALTA Puun modifioinnin suurimmat haasteet: lahonkestävyys, mittapysyvyys, lujuusominaisuudet, kustannustehokkuus Puun modifioinnin tutkimus ja kehittäminen näiden ominaisuuksien parantamiseksi on välttämätöntä puumateriaalin kilpailukyvyn parantamiseksi Puu on kuitenkin edullisessa asemassa materiaalien välisessä kilpailussa, koska se on uusiutuva ja ympäristöystävällinen materiaali

27 Kiitos