11.11.2010

Puun pinnan ominaisuuksien

parantaminen eri menetelmillä

Aalto-yliopisto

Teknillinen korkeakoulu

Puunjalostustekniikan laitos

Jatko-opiskelija DI Lauri Rautkari

11.11.2010Lauri Rautkari

2

Sisällys

• Johdanto• Puun modifiointi

• Työn tavoitteet

• Puun puristaminen• Puun pehmenemisen teoriaa

• Koko puun puristus

• Puun pinnan puristus

• Tulokset

• Yhteenveto

11.11.2010Lauri Rautkari

3

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

11.11.2010Lauri Rautkari

4

Johdanto: Puun modifiointi

Puun modifiointi:• Kemiallinen modifiointi

• Puun lämpökäsittely

• Pinnan modifiointi

• Puun impregnointi

• Ominaisuuksien parantaminen mm:• Mekaaniset ominaisuudet

• Muotopysyvyys

• Biologinen kestävyys

• Jne.

11.11.2010Lauri Rautkari

5

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

11.11.2010Lauri Rautkari

6

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)

(Lähde: Blomberg et al., 2006)

11.11.2010Lauri Rautkari

7

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

11.11.2010Lauri Rautkari

8

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 %

(Lähde: Rehm ja Raatz, 2005)

MDF →

← Kuusen

poikkileikkaus

11.11.2010Lauri Rautkari

9

Johdanto: Miksi pintapuristus?

Koko puun puristuksessa kantavuus heikkenee ja taipuma kasvaa,

vaikka puun tiheys ja mekaaniset ominaisuudet kasvavat

(Lähde: Pennala, 1992)

6

2bhM Momenttikapasiteetti = “kantavuus”

11 h 11

5,02 h 22

6

11 M

12

12 M

Puuta puristetaan kasaan 50%, jolloin

taivutuslujuus kasvaa ~ 100%, mutta

kantavuus heikkenee 50%

11.11.2010Lauri Rautkari

10

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)

11.11.2010

Tuloksia

Pintapuristus kitkalla

11.11.2010Lauri Rautkari

12

Tuloksia:

Pintapuristus kitkalla• Lineaarinen värähtely

(A=3mm, f=100Hz)

• Prosessiaika 12 s + jäähdytys

11.11.2010Lauri Rautkari

13

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

11.11.2010Lauri Rautkari

14

Tuloksia:

Pintapuristus kitkalla

Pintapuristus:

• Puristettu yksipuolisella puristimella

(T=150 ºC, t=12s) (1)

• Kitkan avulla (T~150 ºC, t=12s) (2)

1

2

11.11.2010

Tuloksia

Kokonaan puristettu puu laminoitu käsittelemättömän puun pinnalle

11.11.2010Lauri Rautkari

16

Tuloksia:

VTC-prosessi + laminointi

11.11.2010Lauri Rautkari

17

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

11.11.2010Lauri Rautkari

18

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%)

11.11.2010Lauri Rautkari

19

Laminointi

1 kerros 1,5mm

2 kerrosta 1,5mm

11.11.2010Lauri Rautkari

20

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

11.11.2010Lauri Rautkari

21

Alustavia kovuus tuloksia

0

10

20

30

40

50

60

250 500 750 1000 1250

Applied force (N)

HB

(N

/mm

2)

ref single double

11.11.2010

Tuloksia

Pintapuristus lämmitetyllä levyllä

11.11.2010Lauri Rautkari

23

Tuloksia:

• Voidaan simuloida

jatkuvaitoimistapuristinta

• Puristusvoimaa / lämpötilaa

/nopeutta / aikaa voidaan

säätää

• Puristuksen päätteeksi

nopea jäähdytys (~30 s)

11.11.2010Lauri Rautkari

24

Tuloksia: Prosessimuuttujat

11.11.2010Lauri Rautkari

25

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)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Position [mm]

Den

sit

y [

kg

/mm

2]

11.11.2010Lauri Rautkari

26

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

11.11.2010Lauri Rautkari

27

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-thermal-compressed 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