Xamk kehittämässä kevyitä ja kestäviä puutuotteita

Kevyempien, kestävämpien ja ympäristöystävällisempien tuotteiden kehittäminen tukee Etelä-Savolle tärkeää puutuote- ja komposiittiteollisuutta ja auttaa vähentämään erityisesti rakentamisen ympäristövaikutuksia.

Wood-AI- ja Nanotomo-hankkeet ovat hyviä esimerkkejä teollisuutta tukevasta soveltavasta perustutkimuksesta. Niissä tehdään tiivistä yhteistyötä Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun kampusten välillä ja teollisuuden kanssa.

Vähähiilisen rakentamisen edistäminen on yksi keskeinen keino taistella ilmastonmuutosta vastaan. Puun käyttö sitoo hiiltä rakennuksiin, joten puurakentamisen ja siinä käytettävien puumateriaalien merkitys on vahvistunut viime aikoina.

Suurin osa kestävistä ja teknisesti pitkälle kehitetyistä insinööripuutuotteista syntyy liimaamalla puuta eri muodoissaan yhteen tai muihin materiaaleihin. Tällä periaatteella valmistetaan viilupohjaisia tuotteita (LVL, vaneri), sahatavaraan perustuvia tuotteita (CLT, liimapuurakenteet) ja muita erilaisia kuitupohjaisia komposiitteja ja levytuotteita.

Kestävästi kasvatetun puumateriaalin ja energiatehokkaiden prosessien lisäksi liimatuissa ja eri materiaaleja yhdistävissä tuotteissa täytyy tarkastella kaikkia niiden sisältämiä raaka-aineita. Erityisesti synteettisille hartseille ja liimoille on kova tarve löytää ympäristöä vähemmän kuormittavia ratkaisuja. Uusia ratkaisuja on jo nähtävissä mm. ligniiniä, tanniinia tai soijaa raaka-aineena käyttävien liimojen kehityksessä, mutta myös muita uusia ratkaisuja on kehitteillä.

Uusi liima ei suinkaan riitä

Pelkästään uusien liimojen kehittäminen tai korvaavien raaka-aineiden löytäminen ei ole kuitenkaan yksistään ratkaisu, koska liima itsessään ei ole koskaan lopputuote. Liima muodostaa vuorovaikutuksessa puun ja mahdollisen muun materiaalin kanssa lujan ja kestävän liitoksen.

Liimasauman syntymisen kannalta on olennaista liiman ja materiaalin vuorovaikutus. Liitoksen muodostumisprosessiin ja sitä kautta tuotteen lujuusominaisuuksiin vaikuttavat materiaalien lisäksi mm. valmistuksessa käytettävät parametrit ja erityisesti tuotteen käyttöiän aikana erilaiset kuormittavat ympäristötekijät.

Liimasauman lujuus todennetaan lujuustestauksella. On osoitettu, että liiman imeytymisellä puuhun on suuri merkitys. Toisaalta ei ole saavutettu yksimielisyyttä siitä, miten syvälle liiman tulisi tunkeutua tai millainen pinnan optimaalinen topografia (karheus) tulisi olla. jne. Vaikka liimausta on tutkittu pitkään eri materiaalitieteen aloilla, liimaukseen liittyvä tutkimustyö jatkuu aktiivisesti ympäri maailmaa.

Huipputason testauslaitteet tarpeen

Xamkissakin panostetaan puutuotteiden ja komposiittien liimauksen kehittämiseen kahdessa hankkeessa: Wood-AI ja Nanotomo. Hankkeita rahoittavat Etelä-Savon maakuntaliitto Euroopan aluekehitysrahastosta ja teollisuus. Uusien liimojen kehitys vaati nopeita ja resurssitehokaita testauslaitteita sekä pinnan ja tuotteen kuvantamisen menetelmiä.

Wood-AI-hankkeessa Savonlinnaan Kuitulaboratoriolle on hankittu ABES-laite (Automated Bonding Evaluation System) joka mahdollistaa nopean liimasauman testauksen ja liimaukseen vaikuttavien tekijöiden (esim. puristusparametrit, lämpötila, paine sekä erilaisten liimojen ja puumateriaalin vaihtelut) kartoittamisen. Laitteella voidaan nopeasti valmistaa liimasauma kahden puukappaleen välille ja lujuustestata se välittömästi. ABES-testaus on tehokasta, se säästää paljon aikaa ja koemateriaalia verrattuna tavanomaisiin testausmenetelmiin.

Kesällä 2020 alkaneessa Nanotomo-hankkeessa Mikkelin Mikpolis-tutkimusyksikköön hankitaan mikrotomografialaite, jolla voidaan 3d-kuvantaa materiaaleja hyvin tarkasti. Tämä mahdollistaa mm. liimasauman laadun ja ominaisuuksien tutkimisen kappaletta rikkomatta. Näin pystytään esimerkiksi tutkimaan mihin ja kuinka syvälle liima tunkeutuu puusolukossa, ja mitkä tekijät siihen vaikuttavat sekä esiintyykö liitoksessa tai puurakenteessa esimerkiksi vaurioita tai halkeamia.

Hiili- ja lasikuituakin tutkitaan

Nanotomo-hankkeessa tutkitaan puutuotteiden lisäksi muita komposiittimateriaaleja, mm. hiili- ja lasikuitua. Kuitupohjaisten komposiittituotteiden lujuus, ovat ne sitten luonnonkuituja tai teollisesti valmistettuja, perustuu kuitujen rakenteeseen ja ne noudattavat samoja lainalaisuuksia. Niistä voidaan erottaa komposiitin perusosat – lujuuden tuova kuitu ja kuidut toisiinsa sitova matriisi – hartsi, tai liima. Kasvava puukin on pohjimmiltaan ligniinin ja pitkien selluloosakuitujen muodostama komposiitti.

Tuotteiden lujuus kasvaa ja niiden ominaisuudet hallitaan, kun raaka-aine hajotetaan osiin, lajitellaan, suunnataan hallitusti ja yhdistetään lopulta liiman avulla komposiittituotteeksi. Koska tuotteiden rakenne syntyy niiden valmistusprosessissa, raaka-aineen ominaisuuksien ymmärtäminen, siinä olevat virheet ja valmistusprosessissa muodostuvat poikkeamat vaikuttavat merkittävästi lopputuotteen ominaisuuksiin.