Puun pinnan ominaisuuksien parantaminen eri menetelmillä Aalto-yliopisto Teknillinen korkeakoulu Puunjalostustekniikan laitos Jatko-opiskelija DI
Sisällys Johdanto Puun modifiointi Työn tavoitteet Puun puristaminen Puun pehmenemisen teoriaa Koko puun puristus Puun pinnan puristus Tulokset Yhteenveto 2
Taustaani Perusopinnot, DI kevät 2007, TKK Jatko-opinnot 2007-2011 "Pääaine": Puutuotetekniikka, TKK/Puunjalostustekniikan laitos "Sivuaine": Puurakentaminen, TKK/Arkkitehtuurinlaitos Tutkijavaihto: 06/2007-05/2008, Sveitsi, Biel Tutkijavaihto: 01/2009 08/2009, USA, Oregon Väitöskirjan aihe Puun pinnan modifiointi eri tekniikoilla 3
Johdanto: Puun modifiointi Puun modifiointi: Kemiallinen modifiointi Puun lämpökäsittely Pinnan modifiointi Puun impregnointi Ominaisuuksien parantaminen mm: Mekaaniset ominaisuudet Muotopysyvyys Biologinen kestävyys Jne. 4
Johdanto: Väitöskirjan tavoitteet Parantaa pinnan kovuutta Ilman, että puun paksuus oleellisesti pienenee Parantaa pinnan veden sietokykyä Sulkeutuneet solut Uuteainekerros pinnassa Vertailla eri pinnan puristustapoja Kitkan avulla Pintapuristus kuumennetulla levyllä Kokonaan puristettu puu laminoitu käsittelemättömän puun pinnalle 5
Johdanto: Puun pehmeämisen teoriaa Puu pehmenee tietyissä olosuhteissa, kun Tg ylittyy (glass transition temperature) Riittävä lämpötila ja kosteus Muuten soluseiniin tulee halkeamia (Lähde: Salmén, 1990) 6 (Lähde: Blomberg et al., 2006)
Johdanto: Teoriaa, koko puun puristus Puu on huokoista, joten sen voi teoriassa puristaa kunnes huokoisuus on 0 % Puun suurin mahdollinen tiheys on soluseinän tiheys ~ 1500kg/m³ (mc 0%) Toiset puulajit puristuvat kasaan enemmän kuin toiset 7
Johdanto: Teoriaa, puun pintapuristus Vain puun pinta puristettu kasaan Vain puun pinnan ominaisuudet paranevat Ominaisuuksien paraneminen on suoraan verrannoillinen puristusasteeseen Puun alkukosteus on oltava alhainen < 15 % Kuusen poikkileikkaus MDF 8 (Lähde: Rehm ja Raatz, 2005)
Johdanto: Miksi pintapuristus? Koko puun puristuksessa kantavuus heikkenee ja taipuma kasvaa, vaikka puun tiheys ja mekaaniset ominaisuudet kasvavat Momenttikapasiteetti = kantavuus h1 1 1 1 h2 0,5 2 2 M 1 1 6 M 2 1 12 M bh 2 6 Puuta puristetaan kasaan 50%, jolloin taivutuslujuus kasvaa ~ 100%, mutta kantavuus heikkenee 50% 9 (Lähde: Pennala, 1992)
Puristuksen palautuminen kosteissa olosuhteissa ja sen eliminointi 1. Puristettu 110 ºC, ei lämpökäsittelyä 2. Puristettu 110 ºC, 2h lämpökäsittely 110 ºC 3. Puristettu 150 ºC, ei lämpökäsittelyä 4. Puristettu 150 ºC, 2h lämpökäsittely at 150 ºC (Lämpökäsittely RH 100%) (Lähde: Navi et al. 2004) 10
Tuloksia Pintapuristus kitkalla
Tuloksia: Pintapuristus kitkalla Lineaarinen värähtely (A=3mm, f=100hz) Prosessiaika 12 s + jäähdytys 12
Tuloksia: Pintapuristus kitkalla Kovuus ja vedensieto esitetty puustapäivillä 2008 Paranee oleelisesti FT-IR mittauksilla ei oleellisia kemiallisia muutoksia pinnassa XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) mittauksilla löydettiin ohut uuteainekerros 13
Tuloksia: Pintapuristus kitkalla Pintapuristus: Puristettu yksipuolisella puristimella (T=150 ºC, t=12s) (1) 1 Kitkan avulla (T~150 ºC, t=12s) (2) 2 14
Tuloksia Kokonaan puristettu puu laminoitu käsittelemättömän puun pinnalle
Tuloksia: VTC-prosessi + laminointi 16
Tuloksia: VTC-prosessi + laminointi Viscoelastic thermal compression (VTC) prosessi: Puu (mc 12%) pehmennetään kylläisessä vesihöyryssä (8,6 bar, 175ºC, 180s) 1. vaiheen puristus 1,3 MPa, 175ºC, 120s Vesihöyryn vapautus, 30 s puun kuivaus 175ºC, 230s 2. vaiheen puristus kunnes haluttu tiheys (säädetään mekaanisilla vasteilla) kevyt lämpökäsittely (200 ºC, t ~30s) Jäähdytys alle 100 ºC, 60s Koko prosessi ~11 min + kannen asennus 17
Tuloksia: VTC-prosessi + laminointi Hybridi poppeli 5.5 mm 1.5mm 370 kg/m³ 1220 kg/m³ (mc = 0%) Douglas kuusi 4 mm 1.5mm 460 kg/m³ 1140kg/m³ (mc = 0%) 18
Laminointi 1 kerros 1,5mm 2 kerrosta 1,5mm 19
Alustavia tuloksia (Hybridi poppeli) Kovuus mittaukset (Soveltaen EN 1534 ja JIS Z 2101) Painauman syvyys mitattu F = 250N, 500N, 750N, 1000N ja 1250N D = Pallon halkaisija h = painauman syvyys 20
Alustavia kovuus tuloksia 60 50 HB (N/mm 2 ) 40 30 20 10 0 250 500 750 1000 1250 Applied force (N) ref single double 21
Tuloksia Pintapuristus lämmitetyllä levyllä
Tuloksia: Voidaan simuloida jatkuvaitoimistapuristinta Puristusvoimaa / lämpötilaa /nopeutta / aikaa voidaan säätää Puristuksen päätteeksi nopea jäähdytys (~30 s) 23
Tuloksia: Prosessimuuttujat 24
Density [kg/mm 2 ] Tuloksia: Tiheysprofiilin vaihtelut Erilainen prosessi Erilainen tiheysprofiili 48 erillaista prosessia simuloitu Tulokset tullaan julkaisemaan lähiaikoina RH75% - 20mm - 150 C - 0.5 min + 10 min (n=1) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Position [mm] 25
Yhteenveto Massiivipuun pinnan ominaisuuksia voidaan parantaa erilaisilla pinnan puristusmenetelmillä: Puristus kitkan avulla Erittäin sileä pinta, suhteellisen kova pinta, mutta lämpötila vaikea kontrolloida Laminoimalla pintaan puristettu ohut lamelli Erittäin kova pinta, mutta tarvitaan liimaa Pintapuristus lämmitetyllä levyllä Prosessi helppo kontrolloida, saavutetaan suhteellisen kova pinta, mutta uuteainetäpliä pinnassa Kaikkien edellämainittujen puristetut tuotteet pitää lämpökäsitellä tai muuten modifioida, jotta puristus ei palaudu kosteissa olosuhteissa 26
Lähteet: Blomberg J, Persson B, Bexell U (2006) Effects of semi-isostatic densification on anatomy and cell-shape recovery on soaking. Holzforschung 60: 322-331 Laine K (2010) Wood surface densification by compression: Analysing the effect of process parameters. M.Sc. Thesis. Aalto University, School of science and technology Navi P, Girardet F, Heger F (2004) Effect of Thermo-Hydro treatments on mechanical behaviour and chemical compositions of densified wood. COST E37 workshop, Reinbek, Germany Pennala E (1992) Lujuusopin perusteet. Otatieto, Espoo, Finland Rautkari L, Properzi M, Pichelin F, Hughes M (2010) Properties and set-recovery of surface densified Norway spruce and European beech. Wood Science and Technology, 44:679 691 Rautkari L, Hughes M, Kamke F A (2010) A Preliminary study into the properties of laminated viscoelastic-thermalcompressed wood. In: Proceedings of the 5th European Conference on Wood Modification, Riga, Latvia Rautkari L, Kutnar A, Hughes M, Kamke F A (2010) Wood surface densification using different methods. In: Proceedings of the 11th world conference on timber engineering, Riva del Garda, Italy Rautkari L, Hughes M, Properzi M, Pichelin F (2010) Properties and chemical changes of surface densified wood. In: Proceedings of the 11th world conference on timber engineering, Riva del Garda, Italy Rautkari L, Kamke F A, Hughes M (2010) Potential error in density profile measurements for wood composites. European Journal of Wood and Wood Products, DOI: 10.1007/s00107-010-0419-9 Kamke F, Rautkari L (2009) Modified wood veneer for structural applications. In: Proceedings of the 4th International Symposium on Veneer Processing and Products, Espoo, Finland Rautkari L, Hughes M (2009) Eliminating set-recovery in densified wood using a steam heat-treatment process. In: Proceedings of the 4th European Conference on Wood Modification, Stockholm, Sweden Rautkari L, Properzi M, Pichelin F, Hughes M (2009) Surface modification of wood using friction. Wood Science and Technology, 43:291 299 Rautkari L, Properzi M, Pichelin F, Hughes M (2008) An innovative thermo densification method for wooden surfaces. In: Proceedings of the 10th world conference on timber engineering, Miyazaki, Japan Salmén L, (1990) On the interaction between moisture and wood fibre materials. Mat. Res. Soc. Symp. 193-201 27