Prispevek v pdf

Strokovni posvet Les iz preteklosti za prihodnost
13.5.2011, Cankarjev dom, Ljubljana.
LAMELIRANI LEPLJENCI IZ TERMIČNO MODIFICIRANEGA LESA
LAMINATED TIMBER FROM THERMALLY MODIFIED WOOD
Milan Šernek
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina C. VIII/34,
1000 Ljubljana, tel.: 01-320-3623; faks: 01-257-2297; milan.sernek@bf.uni-lj.si
POVZETEK
Različni alternativni načini uporabe lesnih ostankov lahko bistveno prispevajo k
zmanjševanju okoljskih problemov in tem ostankom povečajo dodano vrednost.
Utekočinjen les, ki ga pridobivamo iz lesnih ostankov, je obetaven naravni material za
izdelavo novih lepil. Cilj predstavljene raziskave je bil proučiti možnost lepljenja
termično modificiranega lesa z lepili, kjer je bil del sintetičnega melamin-ureaformaldehidnega lepila zamenjan z utekočinjenim lesom. Utekočinjen les je bil izdelan iz
topolove žagovine in dodan lepilni mešanici v različnih deležih od 0 % do 50 %.
Ugotovljeno je bilo, da je iz termično modificirane smrekovine in lepilne mešanice, ki je
vsebovala del utekočinjenega lesa in del melamin-urea-formaldehidnega lepila, možno
izdelati lamelirane lepljence, ki so primerni za izdelavo stavbnega pohištva. Novi
lamelirani lepljenci predstavljajo okolju prijazen proizvod za uporabo pri eko gradnji.
Ključne besede: lepljenje, les, melamin-urea-formaldehidno lepilo, utekočinjen les,
termična modifikacija
ABSTRACT
Novel ways of utilization of wood residues reduce the environmental problems, and
adds value to these by-products. Liquefied wood, which is made from wood residues, is
a promising natural material that can be used as a part of the adhesive formulation. The
objective of this research was to determine the bonding performance of laminated
timber, which was produced from the thermally modified wood and bonded with the
adhesive mixture in which part of the synthetic melamine-urea-formaldehyde adhesive
resin was replaced by liquefied wood. Liquefied wood was produced from poplar
sawdust and added to the adhesive mixture in different proportions, ranging from 0 % to
50 %. It was found that synthetic resin can, to a certain extent, be replaced by liquefied
wood without reducing the bonding performance. Novel laminated composites from
thermally modified wood, bonded with new types of adhesive, represent ecologically
friendly products for green construction.
Key words: bonding, wood, melamine-urea-formaldehyde adhesive, liquefied wood,
thermal modification
Strokovni posvet Les iz preteklosti za prihodnost
13.5.2011, Cankarjev dom, Ljubljana.
1. UVOD
Les je naraven material, zato je zaradi delovanja biotskih (lesne glive, insekti, bakterije) in
abiotskih (temperatura, vlaga, UV žarki) dejavnikov neobstojen in se relativno hitro razgradi.
Nekatere lesne vrste sicer imajo visoko naravno odpornost, številne pa ne, zato jih je potrebno
za dolgotrajno uporabo ustrezno zaščititi. S tega vidika lahko veliko dosežemo že z naravno
zaščito lesa, kamor spada pravilno ravnanje z lesom kot npr. pravilen čas sečnje, sprotno
spravilo lesa in čim hitrejša predelava. Zelo pomembna je tudi konstrukcijska zaščita, s katero
preprečimo, da les ni izpostavljen direktnemu močenju in ultravijolični svetlobi.
Velikokrat pa takšni načini zaščite lesa ne zadostujejo, zato les zaščitimo tudi z biocidi, katerih
uporaba sicer podaljša življenjsko dobo lesa za nekajkratno vrednost naravne trajnosti, vendar
pa klasična zaščitna biocidna sredstva predstavljajo nevarnost za ljudi in okolje. Zato so bile v
zadnjih letih razvite nekatere nove metode za zaščito lesa, ki so okolju in ljudem prijaznejše.
Mednje sodi tudi termična modifikacija lesa, ki je v primerjavi s kemično impregnacijo lesa z
zaščitnimi sredstvi manj učinkovita, toda bolj ekološko sprejemljiva, saj v les ne vnašamo
dodatnih kemičnih sredstev, enostavnejše pa je tudi odstranjevanje takega lesa po koncu
uporabe, saj ne vsebuje strupenih kemikalij.
Termična modifikacija lesa poteka v komorah pri temperaturah med 150 °C in 260 °C in pri
zmanjšani prisotnosti kisika. Pri tem se lesu spremeni struktura in kemična sestava. Celične
stene lesa so sestavljene predvsem iz polimerov (celuloza, hemiceluloze in lignin), ki vsebujejo
hidroksilne skupine. To so reaktivne skupine v lesu in mesta na katera se veže voda v procesu
navlaževanja lesa. Pri termični modifikaciji se lesni polimeri v celični steni delno spremenijo
zaradi cepljenja verig polimerov, ponovnega zamreževanja in zmanjševanja števila hidroksilnih
skupin. To povzroči manjšo interakcijo takega lesa z vodo ter posledično manjše dimenzijske
spremembe lesa, hkrati pa poveča odpornost proti glivam in škodljivcem.
Termična modifikacija lesa poteka na več načinov, ki se med seboj razlikujejo v številu korakov,
deležu kisika ali drugih plinov v atmosferi med postopkom modifikacije, temperaturi, času
trajanja postopka ter vlažnosti lesa na začetku modifikacije. Najpogosteje uporabljeni postopki
termične modifikacije lesa v Evropi so: Plato postopek (PLATO BV, Nizozemska);
ThermoWood postopek (Stora, Finnforest, Finska); Retification postopek (NOW New Option
Wood, Francija); Bois perdure (BCI-MBS, Francija) in OHT (Oil-heat treatment) postopek
(Menz Holz, Nemčija).
Termično modificiran les ima poleg povečane odpornosti proti glivam in insektom izboljšano
dimenzijsko stabilnost. Modificiramo predvsem cenejše, manj odporne vrste lesa in jim s tem
povečamo možnosti uporabe. Ker se lesu zaradi termične modifikacije poslabšajo določene
mehanske lastnosti, termično modificiran les redkeje uporabljamo za konstrukcijske namene,
prevladuje pa uporaba za zunanje stenske in talne obloge, vrtno pohištvo, ograje, obloge
mostov, notranje obloge savn, vhodna vrata in okna.
Pri uporabi modificiranega lesa za okna, vrata, notranje in vrtno pohištvo se je pojavila potreba
po lepljenju elementov. Lepljenje termično modificiranega lesa pa je lahko težavno zaradi
povečanega deleža ekstraktivnih snovi in produktov modifikacije na površini lesa, delno
spremenjene kemične sestave lesa, nižje ravnovesne vlažnosti lesa, znižane vrednosti pH lesa
ter manjšega števila reaktivnih skupin v lesu. Prve raziskave so pokazale, da se termično
modificiran les kvalitetno lepi z večino industrijskih lepil vendar je potrebno pri nekaterih
prilagoditi postopek lepljenja in/ali modificirati lepilo.
V nadaljevanju je predstavljeno lepljenje termično modificiranega lesa z lepilnimi mešanicami,
ki so vsebovale melamin-urea-formaldehidno lepilo in različne deleže utekočinjenega lesa.
Utekočinjen les je produkt termokemijske reakcije med lesom oziroma lesnimi ostanki,
reagentom in katalizatorjem ter je zaradi polimerne sestave in večjega števila prostih reaktivnih
funkcionalnih mest potencialno primeren material za izdelavo lepil.
Strokovni posvet Les iz preteklosti za prihodnost
13.5.2011, Cankarjev dom, Ljubljana.
2. RAZISKOVALNI DEL
Termična modifikacija smrekovine
Za stavbno pohištvo se najpogosteje uporablja smrekovina, ki pa naravno ni zelo odporna, zato
smo jo pred lepljenjem termično modificirali. Termična modifikacija smrekovega lesa, ki je bil
razžagan in nato posušen na vlažnost 12 %, je bila izvedena po postopku »Wood Treatment
Technology«.
Izdelava lepilnih mešanic
Pripravili smo lepilne mešanice, pri katerih smo spreminjali razmerje med melamin-ureaformaldehidnim (MUF) lepilom in utekočinjenim lesom (UL). Cilj je bil razviti lepilno mešanico, ki
bo zadostila kriterijem za hladno lepljenje pri tem pa uporabiti čim večji delež UL in čim manjši
delež MUF lepila. Hladno lepljenje je sicer bistveno daljše kot vroče lepljenje, vendar je z
ekološkega vidika prednostno, saj lepljencev ni potrebno segrevati in ne porabimo energije.
Lepljenje termično modificirane smrekovine
Nato smo zlepili 24 trislojnih lepljencev: polovico iz nemodificirane smrekovine in polovico iz
termično modificirane (TM) smrekovine (Preglednica 1). Lamele so bile debeline 28 mm, širine
95 mm in dolžine 1,9 m. Lepili smo 24 ur pri naslednjih parametrih: vlažnost lesa 8-10 %, nanos
lepila 250 g/m2, temperatura 20 °C in tlak 8 barov.
Preglednica 1: Sestava uporabljenih lepilnih mešanic in število lepljencev iz smrekovine ter
termično (TM) modificirane smrekovine.
Table 1: Composition of adhesive mixtures and number of bonded specimens from spruce and
thermally modified (TM) spruce.
Oznaka preskušanca
Delež MUF lepila (%)
Delež UL (%)
Smrekovina
TM smrekovina
A
100
0
2
2
B
95
5
2
2
C
85
15
2
2
D
75
25
2
2
E
65
35
2
2
F
50
50
2
2
Ugotavljanje strižne trdnosti lepilnih spojev
Iz vsakega lepljenca smo izžagali po štiri preskušance z dimenzijami 40 mm x 40 mm x 84 mm
za ugotavljanje strižne trdnosti. Preskušance smo klimatizirali 7 dni v komori s standardno
klimo ((20 ± 2) °C in RZV (65 ±5) %). Strižno trdnost lepilnega spoja smo ugotavljali po
standardu EN 392 z univerzalnim testirnim strojem Zwick Z100.
Ugotavljanje delaminacije lepilnih spojev
Delaminacijski preskus lepljencev smo izvajali po standardu EN 391. Iz vsakega lepljenca smo
izžagali dva preskušanca dimenzij 84 mm x 95 mm x 75 mm. Izmerili smo dolžino lepilnih
spojev na obeh prečnih prerezih za vsak preskušanec, jih nato vstavili v posodo in jih zalili z
vodo. Posodo smo postavili v tlačno komoro, kjer smo najprej vzpostavili in 30 minut vzdrževali
podtlak p = -0,85 bar. Potem smo povečali tlak na 7 bar in ga vzdrževali 2 uri. Nato smo
preskušance vzeli iz tlačne komore in jih postavili v sušilno komoro s temperaturo 70 °C, kjer
smo jih posušili na maso pred preskušanjem. Potem smo z elektronskim kljunastim merilom
Strokovni posvet Les iz preteklosti za prihodnost
13.5.2011, Cankarjev dom, Ljubljana.
izmerili dolžino razslojitve vsakega lepilnega spoja na prečni ploskvi in izračunali skupno
delaminacijo in maksimalno delaminacijo.
Ugotavljanje modula elastičnosti in upogibne trdnosti lameliranih lepljencev
Modul elastičnosti in upogibno trdnost lameliranih lepljencev smo ugotavljali s testirnim strojem
Zwick Z100 na osnovi štiri točkovnega upogiba po standardu EN 408. Preskušanci so bili
dolžine 1,9 m in preseka 84 mm x 95 mm in smo jih pred testom klimatizirali v standardni klimi.
3. REZULTATI IN RAZPRAVA
Strižna trdnost lepilnih spojev
Standard EN 386 za lepljeni lameliran les zahteva, da je strižna trdnost (fv) lepilnega spoja vsaj
4 N/mm2, če je lom (%) po lesu 100 % oziroma še večjo strižno trdnost, če je lom po lesu nižji
(% = 144 – 9 * f v). Kriterije standarda so izpolnjevali preskušanci A, B in D v primeru lepljenja
smrekovine ter preskušanec B v primeru lepljenja termično modificirane smrekovine
(Preglednica 2).
Preglednica 2: Strižna trdnost in delež loma po lesu lepljencev iz smrekovine ter termično
(TM) modificirane smrekovine.
Table 2: Shear strength and wood failure of the specimens from spruce and thermally modified
(TM) spruce.
Oznaka
preskušanca
Delež UL v MUF Smrekovina TM smrekovina
lepilu (%)
fv (N/mm2)
Smrekovina TM smrekovina
Lom po lesu (%)
A
0
6.2
6.0
98
83
B
5
6.2
5.9
100
94
C
15
6.2
5.6
86
90
D
25
5.8
5.4
97
75
E
35
5.3
5.6
88
87
F
50
6.0
5.4
89
88
Delaminacija lepilnih spojev
Poleg kriterijev za strižno trdnost in lom po lesu pa morajo lepljenci, ki bi bili namenjeni za
konstrukcijsko uporabo, izkazovati tudi zadostno odpornost proti delaminaciji. Glede na zahteve
standarda EN 386 (metoda B) je lahko skupna delaminacija lepilnih spojev največ 4 %,
maksimalna delaminacija pa največ 40 %. Ugotovili smo, da so te zahteve izpolnjevali
preskušanci A, B, C in E v primeru lepljenja smrekovine ter preskušanci A, B in C v primeru
lepljenja termično modificirane smrekovine (Preglednica 3).
Strokovni posvet Les iz preteklosti za prihodnost
13.5.2011, Cankarjev dom, Ljubljana.
Preglednica 3: Delaminacija lepilnega spoja lepljencev iz smrekovine ter termično (TM)
modificirane smrekovine.
Table 3: Delamination of adhesive bond of the specimens from spruce and thermally modified
(TM) spruce.
Oznaka
preskušanca
Delež UL v MUF Smrekovina TM smrekovina
lepilu (%)
Skupna delaminacija (%)
Smrekovina TM smrekovina
Maksimalna delaminacija (%)
A
0
0.0
0.0
0.0
0.0
B
5
0.0
2.0
0.0
3.4
C
15
0.0
1.6
0.0
2.1
D
25
6.0
23.8
7.3
19.0
E
35
3.2
18.7
4.6
18.1
F
50
14.1
66.0
12.5
46.3
Modul elastičnosti in upogibna trdnost lameliranih lepljencev
Modul elastičnosti preskušancev iz termično modificirane smrekovine je bil v povprečju
podoben modulu elastičnosti preskušancev iz nemodificirane smrekovine. Nekoliko bolj pa je
termična modifikacija vplivala na zmanjšanje upogibne trdnosti preskušancev (Preglednica 4).
Takšni rezultati so bili pričakovani, saj je znano, da se zaradi termične modifikacije lesa najbolj
zmanjšata upogibna trdnost ter udarna žilavost, medtem ko je vpliv na modul elastičnosti
negativen vendar manj izrazit. Lepilna mešanica ni imela bistvenega vpliva na obe proučevani
mehanski lastnosti preskušancev, saj lom ni potekla po lepilnem spoju.
Preglednica 4: Modul elastičnosti in upogibna trdnost lepljencev iz smrekovine ter termično
(TM) modificirane smrekovine.
Table 4: Modulus of elasticity and bending strength of the specimens from spruce and
thermally modified (TM) spruce.
Oznaka
preskušanca
Delež UL v MUF Smrekovina TM smrekovina
lepilu (%)
Em (N/mm2)
Smrekovina TM smrekovina
fm (N/mm2)
A
0
10661
12692
62.8
54.3
B
5
13953
14606
48.0
53.1
C
15
15047
12552
61.5
35.8
D
25
11428
12513
58.1
46.9
E
35
13223
12035
51.4
42.5
F
50
14601
12786
80.0
61.4
4. ZAKLJUČKI
Rezultati raziskave so pokazali, da je iz termično modificirane smrekovine in lepilne mešanice
iz melamin-urea-formaldehidnega lepila ter utekočinjenega lesa, možno izdelati lamelirani
lepljenec, ki bi bil primeren za izdelavo stavbnega pohištva kot so okenski podboji in okenska
krila (Slika 1), medtem ko tak lepljenec ne izpolnjuje standardnih zahtev za konstrukcijsko
uporabo. Za kakovostno lepljenje so bile primerne samo tiste lepilne mešanice, ki so vsebovale
nižji delež dodatka utekočinjenega lesa (5 %). Uporaba v konstrukcijske namene je omejena
tudi zato, ker se lesu zaradi termične modifikacije zmanjša upogibna trdnost.
Strokovni posvet Les iz preteklosti za prihodnost
13.5.2011, Cankarjev dom, Ljubljana.
Slika 1: Primer uporabe lameliranega lepljenca za izdelavo oken: svetla barva - nemodificirane
lamele, temna barva - termično modificirane lamele.
Figure 1: Example of usage of laminated timber for windows: light colour – unmodified
lamellas, dark colour – thermally modified lamellas.
5. ZAHVALA
Avtor se zahvaljuje asistentu Mirku Karižu za pomoč pri izvedbi raziskave.
6. LITERATURA IN VIRI
EN 386 (2002) Glued laminated timber - Performance requirements and minimum production.
EN 391 (2001) Glued laminated timber - Delamination test of glue lines.
EN 392 (1995) Glued laminated timber - Shear test of glue lines.
EN 408 (2003) Timber structures – Structural timber and glued laminated timber –
Determination of some physical and mechanical properties.
Kariž M, Šernek M (2010) Bonding of heat-treated spruce with phenol-formaldehyde adhesive.
Journal of adhesion science and technology, 24(9): 1703-1716.
Kariž M, Šernek M (2008) Lepljenje termično modificiranega lesa, Les, 60(7/8): 275-282.
Kubojima Y, Okano T, Ohta M (2000) Bending strength and toughness of heat-treated wood.
Journal of Wood Science, 46:8-15.
Šernek M, Boonstra M, Pizzi A, Despres A, Gerardin P (2008) Bonding performance of heat
treated wood with structural adhesives. Holz als Roh und Werkstoff, 66(3):173-180.
Ugovšek A, Kariž M, Šernek M (2010) Bonding of beech wood with an adhesive mixture made
of liquefied wood and phenolic resin. V: The 4th conference on hardwood research and
utilisation in Europe; Németh R (Ur.), Teischinger A (Ur.) Sopron, 64-68.