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