Lujempaa kuin teräs puun ominaisuuspotentiaali ja ominaisuuksien muokkaaminen



Samankaltaiset tiedostot
Puristetaan puusta vielä parempaa

Puun uudet mahdollisuudet rakentamisessa

Forest Knowledge Know how Well being. METLA Itä Suomen alueyksikkö Joensuu.

HAAPA PUUTUOTETEOLLISUUDESSA

Suomalainen ja ruotsalainen mänty rakennuspuusepän-, sisustus- ja huonekalutuotteiden raaka-aineena

Liimatut rakenteet pikkutukista

Hyvä tietää lämpöpuusta

Pohjoismaisen männyn ominaisuudet kilpaileviin havupuulajeihin ja muihin materiaaleihin verrattuna rakennuspuusepäntuotteissa

Harvennuspuun raaka-aineominaisuudet ja puutuotemahdollisuudet

HYVÄ TIETÄÄ LÄMPÖPUUSTA

Puun pinnan ominaisuuksien parantaminen eri menetelmillä

ThermoWood. ThermoWood - ominaisuudet. Taivutuslujuus hieman alentunut

MEKAANISET OMINAISUUDET

Uudistuvat puutuotearvoketjut ja puunhankintaratkaisut, PUU

Energiapuun puristuskuivaus

Markku Kortesmaa Rakenteiden mekaniikka, Vol. 40 No. 2, 2007, s

Puun kosteuskäyttäytyminen

HYVÄ TIETÄÄ LÄMPÖPUUSTA

Tulevaisuuden tukki, laadutus- ja lajittelutarpeet

Sitoutumista jo 45 vuotta! Laatupuuta jo vuodesta Pölkky Oy on kasvollinen perheyritys. Lapin metsätalouspäivät Levi 13.2.

KUNINGASPALKKI LIIMAPUU

Metsät ja puu biotalouden raaka-aineeksi. Agenda. 1. Biotalous, metsä ja puu 2. Puukuitu 3. Bioenergia 4.

PURO - Puuraaka-aineen määrän ja laadun optimointi metsänkasvatuksessa ja teollisuuden prosesseissa

Suomalainen ja ruotsalainen mänty rakennuspuusepän-, sisustus- ja huonekalutuotteiden raaka-aineena

SOLUSEINÄN KOOSTUMUS Puukuitujen soluseinät koostuvat lähinnä selluloosasta, hemiselluloosista ja ligniinistä.

Lumen teknisiä ominaisuuksia

Koskettamaton ultraäänimittaus puun mittaussovelluksia

Pelletöinti ja pelletin uudet raaka-aineet Valtimo

Energiapuun mittaus ja kosteus

T Puurakenteet 1 3 op

Sahatavara. Laatutavaraa suomalaisesta kuusesta ja männystä

PURO Puuraaka-aineen määrän ja laadun optimointi metsänkasvatuksessa ja teollisuuden prosesseissa. Annikki Mäkelä HY Metsäekologian laitos

Metsäenergian mahdollisuuudet Hake, pelletti, pilke

MEKAANISET OMINAISUUDET

Puu luovuttaa (desorptio) ilmaan kosteutta ja sitoo (adsorptio) ilmasta kosteutta.

SUORITUSTASOILMOITUS NRO. MW/PW/ /CPR/DOP 1 (5)

Luennon 3 oppimistavoitteet. Solulajit PUUSOLUT. Luennon 3 oppimistavoitteet. Puu Puun rakenne ja kemia

PURO - Puuraaka-aineen määrän ja laadun optimointi metsänkasvatuksessa ja teollisuuden prosesseissa

Puusolut ja solukot. Puu Puun rakenne ja kemia 2007 Henna Sundqvist, VTT

Puuhiilen tuotanto Suomessa mahdollisuudet ja haasteet

PIENEN PYÖREÄN PUUN KÄYTTÖ RAKENTAMISESSA

Biotalouden uudet tuotteet

Kuivausprosessin optimointi pellettituotannossa

Raerajalujittuminen LPK / Oulun yliopisto

TEKNINEN TIEDOTE Puun kosteuskäyttäytyminen

vuoden kaikkien kuukausien keskiarvoa. Tuonti Nettotuonti Vienti 11 98/1 99/1

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa elokuu Raakapuu. Metsäteollisuustuotteet. Metsäteollisuuden viennin arvo viisi prosenttia.

Advanced Materials Araldite 2015 TUOTESELOSTE

VAIHTOEHTOISTEN MAARAKENNUSMATERIAALIEN MEKAANISET OMINAISUUDET UUMA2-vuosiseminaari, Elina Lätti

Metsästä energiaa Puupolttoaineet ja metsäenergia

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa, maaliskuu 2008

Puun arvoketjujen laskenta kehittyy - CASE: Sahauskustannusten laskenta

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa joulukuu Puun tuonti päätyi lähes ennätyslukemiin vuonna Metsäteollisuustuotteiden

Advanced Materials Araldite TUOTESELOSTE

Harjoitus 11. Betonin lujuudenkehityksen arviointi

PUUNJALOSTUS, PUUTAVARALAJIT, MITTA JA LAATUVAATIMUKSET OSIO 6

RATA Betonisiltojen lujuusongelmat. Jani Meriläinen

STANDARDIEN EN84 JA EN113 MUKAAN TESTATUN VESILASIKYLLÄSTETYN MÄN- NYN PAINOHÄVIÖ JA PURISTUSLUJUUS

Puutuoteteollisuuden tulevaisuus. Suomalais-Venäläinen Päättäjien Metsäfoorumi Ole Salvén, Metsäliiton Puutuoteteollisuus

Energiapuun kuivaaminen - Erilaiset menetelmät. Ismo Makkonen, Metsäenergiatutkija

puusta 44 prosenttia oli koivua. Raaka- ja jätepuuta vietiin tammikuussa ulkomaille 0,1 miljoonaa kuutiometriä. Vienti oli pääasiassa havupuuta.

Puuta rikkomattomat mittausmenetelmät. Jukka Antikainen

Betonin lujuus ja rakenteiden kantavuus. Betoniteollisuuden kesäkokous Hämeenlinna prof. Anssi Laaksonen

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

Puun eri osat. Puusta pintaa syvemmältä. Puun eri osat. Rungon solukko huolehtii nestevirtauksesta

Puuraaka-aineen alueelliset laatuerot ja soveltuvuus

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa, toukokuu 2012

Suomen metsäteollisuuden tuotanto- ja puunkäyttönäkymät vuonna 2020

Mäntyöljykyllästys vaihtoehto kreosootille?

Metsäteollisuuden ja talouden tulevaisuus Suomessa vuoteen 2020

KESTÄVIÄ PUUTUOTTEITA

Liimapuun valmistus ja laadunvalvonta

Uusi suoritustasoilmoitus sisältää seuraavat muutokset teknisiin tunnuslukuihin: - Taivutuslujuuden korotus 70 MPa:sta 75 MPa:han

Puutuotteiden kierrätys

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa, helmikuu 2014

Arvio Suomen puunjalostuksen tuotannosta ja puunkäytöstä vuoteen 2020

Puunkäyt. Finnish Forest Research Institute

Johanna Tikkanen, TkT

Puun ominaisuudet PUUAINEKSEN OMINAISUUDET PUUAINEKSEN OMINAISUUDET. Puu Puun rakenne ja kemia

PUUN MODIFIOINTIMENETELMÄT

MC-160SA Elektroninen kosteusmittari puulle ja rakennusmateriaalille KÄYTTÖOHJE FIN

Liimattu mabashira -tutkimus

thermowood 3 Thermowood Parantunut kestävyys Pidempi käyttöikä Muotopysyvyys Tasainen väri Ympäristöystävällinen materiaali

Luennon 2 oppimistavoitteet RUNGON RAKENNE PUU. Elävä puu ja puuaineksen muodostuminen. Puu Puun rakenne ja kemia

Puun modifioinnin historia, nykytila ja tulevaisuus

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa, joulukuu 2007

Puun lämpökäsittely Petteri Torniainen Mikkelin ammattikorkeakoulu ympäristötekniikan instituutti YTI

PUULÄMMITTÄJÄN TIETOLAARI KULLAA

TORREFACTION - UUDET VERKOTTUNEET BIOJALOSTAMOT EUROOPAN PELTO- JA METSÄBIOMASSAN ENERGIAKANTAJIKSI. Varastointi/säänkestokokeet Timo Järvinen VTT

Mineraalitäyteaineet komposiiteissa

Ympäristötekijöiden vaikutus puun ja puukuitujen ominaisuuksiin

SILTATEKNIIKAN PÄIVÄT

Nanomateriaalien mahdollisuudet ja riskit Näkökohtia, muutoksia vuoden 2008 jälkeen?

Suomen piensahojen lukumäärä ja puunkäyttö vähentyivät merkittävästi viime vuosikymmenellä

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa, lokakuu 2012

Valitse Kuhmo Oy. ja voit luottaa laatuun

Suomen Akatemia käynnisti keväällä 1998 puu

Sään- ja lahonkestävyys. Martti Venäläinen ja Anni Harju Punkaharjun toimipaikka

ThermoWood käsikirja

Metsäteollisuuden ulkomaankauppa, lokakuu 2014

Transkriptio:

Lujempaa kuin teräs puun ominaisuuspotentiaali ja ominaisuuksien muokkaaminen Henrik Heräjärvi Metsäntutkimuslaitos Lieksan PUUAKATEMIA seminaari Puunkäytön laaja-alaistaminen 20.-21.5.2014, Lieksa

Esityksen sisältö 1. Mitä puu on ja miten rakenne vaikuttaa lujuusominaisuuksiin? 4. Kilpailukykytekijöiden hyödyntäminen - kohtaavatko teoria ja käytäntö puun lujuuden hyödyntämisessä? LUJUUS 2. Puun lujuuspotentiaali 3. Puun ominaisuuksien muokkaaminen Case 1: mäntyöljykyllästys Case 2: yhdistetty puristus- ja lämpömodifiointi 2

Puu tunnetaan hyvin kuitutasolle asti Käytettävissä olevan tiedon ja osaamisen määrä vähenee siirryttäessä pienempiin tarkasteluelementteihin 3

Mitä puu on? Puusolun rakennusaineet: 50 % hiiltä 44 % happea 6 % vetyä 0,2-0,3 % tuhkaa < 0,1 % typpeä Mikrofibrillikulma (MFA) Kuutiometrissä puuta on 200-250 kg hiilihydraatteja jotka on sidottu fotosynteesissä ottamalla ilmasta n. 800 kg hiilidioksidia, sivutuotteena syntyy happea. Alkuperäiskuva: Panshin & de Zeeuw (1980) 4

Puun mikrovaihtelun hyödyntäminen? Soluseinän osien kimmokerroin, E (GPa), teoreettisia arvoja E E S 3 68 3 S 2 S 1 71 42 3 2 Vrt.: Teräs n. 200 GPa Alumiini n. 70 GPa Primääriseinä 25 1,5 Lähde: De Magistris (2004) 5

Mikrofibrillikulman (MFA) vaikutus puukuidun ja leikkeen vetolujuuteen tensile Tensile strength stress [MPa] 100 80 60 40 20 Compression wood Spruce Fiber Tissue 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 strain [-] Lähde: Burgert & Frühmann (2004) Huomaa akselien skaalat! MFA ~45 b) tensile Tensile strength stress [MPa] 600 500 400 300 200 100 Vetolujuuksia [MPa] - Betoni 3 - Alumiini 40-50 - Hius 380 - Bambu 350-500 - Rakenneteräs 400-550 - Hämähäkinseitti 1000 - Grafeeni 130 000 Latewood Spruce Fiber Tissue 0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 strain [-] MFA ~10 a) 6

Puun solutyyppejä Nuorpuu 0,1 mm Aikuinen kevätpuu Kuvat: Pekka Saranpää Lylypuu Aikuinen kesäpuu 7

Eri solutyyppien lujuus? 100 tensile Vetolujuus strength [MPa] [MPa] 80 60 40 20 Kesäpuu Kevätpuu Jännitys-venymä -käyrät märälle kuusipuulle (0,2 mm paksut leikkeet) Lylypuu 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Muodonmuutos strain [%] [%] Lähde: Burgert (2004) 8

Kierteisyys Kierteisyys aiheuttaa muotopysyvyys- ja lujuusongelmia sahatavarassa, mutta on jäykkyys- ja lujuusetu pyöreässä puussa 9

Estämällä soluseinämän kuivauksen aikainen mikrohalkeilu voidaan puun lujuus tuplata Lähde: Thuvander et al. (2001) Kuva: Henrik Heräjärvi 10

Lajittelu Koneellisella lujuuslajittelulla saadaan ennustettua kappaleiden lujuus 40 MPa:iin saakka; puurakenteiden suunnitteluohjeissa puhutaan havusahatavaralla C50-luokasta ja lehtipuusahatavaralla luokista D70:een saakka Tarkemmalla lajittelulla havusahatavarasta (koivusta puhumattakaan) saisi eroteltua nykyistä korkeampia lujuuksia Lähde: Hanhijärvi ym. (2005). VTT Publications 568

Ilman kosteuden ja lämpötilan vaikutus puun tasapainokosteuteen (EMC) Lähde: Wood Handbook 12

Puun kosteus vs. lujuusominaisuudet Puun ominaisuuksien muutos-% per kosteuden muutos-%, lähtötilanne 12 % suhteellinen kosteus Ominaisuus Muutos-% Syiden suuntainen puristuslujuus 5 Syitä vastaan kohtisuora puristuslujuus 5 Syiden suuntainen taivutuslujuus 4 Syiden suuntainen leikkauslujuus 3 Syiden suuntainen vetolujuus 2,5 Syitä vastaan kohtisuora vetolujuus 2 Syiden suuntainen kimmokerroin 1,5 Puun kosteussuhteen tai tasapainokosteuden alentaminen parantaa monia lujuusominaisuuksia merkittävästi 13

Case 1: Mäntyöljykyllästyksellä vedenpitävää puuta Käsittelyt veden absorptiotesteihin (liimapalkit, N=20/käsittely) Mäntyöljykyllästys, raaka-aine mäntyä AB luokan painekyllästys kuparikyllästeellä, raaka-aine mäntyä Kuva: Erkki Oksanen, Metla Käsittelemättömät, raaka-aine kuusta Näytteiden poikkileikkauspinnat käsitelty venelakalla eli veden imeytyminen vain lappeiden ja syrjien kautta

Vesiabsorptio ja desorptio upotuskokeessa

Case 2: Yhdistetty puristus- ja lämpömodifiointi Tausta Puu pehmenee lähestyttäessä sen komponenttien lasisiirtymälämpötilaa Puuta voidaan puristaa kasaan, jolloin huokostila vähenee ja tiheys kasvaa Puristaminen mahdollistaisi myös kevyiden puulajien hyödyntämisen tuotteissa, joissa vaaditaan mekaanista lujuutta, kovuutta ja kulutuskestävyyttä (esim. lattiapäällysteet ja huonekalut) Menetelmä ei ole yleistynyt sahatavaran jatkojalostuksessa, koska puun käyttäytyminen prosessissa ja sen jälkeen ei ole täysin hallinnassa Tavoite: Tutkia teollisen mittakaavan modifiointimenetelmää, jossa puun kuivaukseen ja mekaaniseen puristuskäsittelyyn on lisätty lämpökäsittely puristustilan stabiloimiseksi Tutkia modifiointimenetelmän ja prosessiparametrien vaikutusta puristusasteeseen sekä puristuksen suuntaisen tiheysprofiilin muodostumiseen (Hankkeessa pitkä lista muitakin tutkittavia muuttujia )

Puristus- ja lämpömodifiointi Puulajit: Koivu ja haapa Kuvat: Veikko Möttönen 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 esikuivatusta

Puristus- ja lämpömodifiointi Koivu, 0 Koivu, G Koivu, MC20 Kuva: Veikko Möttönen Koivu, 0 Koivu, G+TM Koivu, MC20+TM Haapa, 0 Haapa, G Haapa, MC20 G = puristus aloitettu tuoreella puulla, MC20 = puristus aloitettu 20 % kosteussuhteessa, TM = käsittely sisälsi lämpömodifioinnin

Koivu Koivu, puristettu tuoreena Koivu, puristettu esikuivauksen (20 %) jälkeen 0,7 0,7 0,6 0,6 Tiheys, g/cm 3 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Tangentiaalisahattu Radiaalisahattu Tiheys, g/cm 3 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Tangentiaalisahattu Radiaalisahattu 0 0 10 20 30 40 50 0 0 10 20 30 40 50 Suhteellinen etäisyys saheen pinnasta, % Suhteellinen etäisyys saheen pinnasta, % Tasainen tiheysprofiili Esikuivattu puu puristuu radiaalisahattuna enemmän kuin tangentiaalisahattuna

Haapa Tihentymä 10-20 % syvyydellä pinnasta (1-3 mm) => höyläyksellä kova (n. tammea vastaava tiheys) pinta esiin Tangentiaalisahattu Radiaalisahattu

Mitä puristus- tai lämpömodifiointi vaikuttaa puun mekaniikkaan: case haapa Myös veto- ja leikkauslujuus heikkenevät hieman lämpökäsittelyssä Lämpömodifioidun puun keskeinen haaste on sen lasittuminen => hauraus Lähde: Heräjärvi ym. (2006). Metsä- ja hybridihaapa sahatavaran ja jatkojalosteiden raaka-aineena. Metlan työraportteja 31. 102 s.

Lopuksi: kohtaavatko teoria ja käytäntö puun lujuuden hyödyntämisessä? Yritystä on: Nanotuotteissa metsästetään mikrofibrillien lujuuspotentiaalia Solujen mikrofibrillikulmaan ja kevät- kesäpuuosuuksiin voidaan vaikuttaa a) perimän jalostuksella, b) metsänkasvatuksella Pieni mikrofibrillikulma => puusolun vetolujuus suurempi kuin rakenneteräksen Mittausta / lajittelua pitäisi parantaa, jotta sahatavaran huippulaadut saataisiin hyötykäyttöön Älykäs kuivaus => mikro- ja makrohalkeilun hallinta Modifiointi => puun tasapainokosteuden alentaminen, tiheyden kasvattaminen, biodegradaation esto, jne. Puutiede ei ole rakettitiedettä vaan PALJON HAASTAVAMPAA! 22

Lisätiedot Henrik Heräjärvi Metsäntutkimuslaitos, Joensuun yksikkö Henrik.Herajarvi@metla.fi 050-391 3037 www.metla.fi Heräjärvi, H., Kettunen, L. & Murtovaara, I. 2014. (toim.). Uudistuvat puutuotearvoketjut ja puunhankintaratkaisut (PUU) Tutkimus- ja kehittämisohjelman keskeiset tulokset. http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2014/mwp284.htm