Sihtasutus Keskkonnainvesteeringute Keskuse projekti RE.4.08.22-0012 uuringuaruanne - Tallinna Tehnikaülikool

Failid

11-10830-1 11.06.2024 Väljaminev kiri.asice2183 KB

Sisu (failidest)

EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Sihtasutus Keskkonnainvesteeringute Keskuse projekti RE.4.08.22-0012 uuringuaruanne 11.06.2024 Uuringu toetaja andmed Rakendusüksus: Sihtasutus Keskkonnainvesteeringute Keskus Taotlusvoor: Keskkonnaprogrammi metsanduse programm metsandus 2022 - 14.02.2022-31.03.2022. Meede: RE.4.8 Metsandus Valdkond, millesse projekt panustab: RE.4.8.2 Metsandus Abikõlblikkuse algus ja lõpp: 01.07.2022 - 17.06.2024 Uuringu autorid  Jaan Kers, PhD, professor, labori juhataja, projektis on ülesanneteks finantsjuhtimine ja materjalide tellimine. Osalemine tööpakettides TP1 ja TP9.  Heikko Kallakas, PhD, professor, projektis on projektijuht ja vastutab tööde koordineerimise ja raporteerimise eest. Osalemine tööpakettides TP9 ja TP10.  Anti Rohumaa, PhD, teadur, projektis osaleb tööpakettide TP2, TP3, TP4, TP5, TP6, TP7, TP8 elluviimisel.  Kärt Kängsepp, insener, projektis osaleb tööpakettide TP6 ja TP8 elluviimisel.  Tolgay Akkurt, doktorant-nooremteadur, projektis osaleb tööpakettide TP4, TP5, TP7, TP8 elluviimisel.  Catherine Kilumets, doktorant-nooremteadur, projektis osaleb tööpakettide TP2, TP3, TP5, TP6 elluviimisel.  Margus Kangur, tehnik, projektis osaleb tööpakettide TP2, TP3, TP4, TP5, TP6, TP7 elluviimisel. Autorite tänu Uuringu läbiviimist toetas Keskkonnainvesteeringute Keskus. Tallinna Tehnikaülikool Telefon: 620 2910 E-post: [email protected] Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn SISUKORD Tabelite loetelu ..................................................................................................... 3 Jooniste loetelu ..................................................................................................... 4 Lühendid .............................................................................................................. 5 Sissejuhatus ......................................................................................................... 6 1. Projekti tulemusena valminud uuringu selgitus ...................................................... 8 1.1. Publikatsioonide ülevaade ........................................................................... 10 1.2. Projekti tulemusena valminud mitmekihiline puitkomposiitmaterjal .................. 12 1.3. Infrastruktuuri objektide arv ....................................................................... 13 2. Projektis teostatud tegevused tööpakettide lõikes ................................................ 14 2.1. TP1. Projektis kasutatava materjali hankimine ............................................... 14 2.2. TP2. Erinevate vähekasutatud ja madalakvaliteedilise lehtpuiduliikide eeltöötlemisparameetrid .................................................................................... 15 2.2.1. Puiduliikide tihedused ........................................................................... 15 2.2.2. Puiduliikide mehaanilised omadused ....................................................... 16 2.2.3. Eeltöötlusparameetrid spoonitreimiseks .................................................. 18 2.3. TP3. Erinevate vähekasutatud ja madalakvaliteedilise lehtpuiduliikide lõiketöötlemine ja kuivatus ................................................................................ 19 2.3.1. Spooni treimisparameetrite uurimine ...................................................... 19 2.3.2. Spooni kuivatusprotsessi parameetrid ..................................................... 20 2.4. TP4. Spooni ümardamisjääkide töötlemine ribaspooniks .................................. 22 2.4.1. Spoonijääkide töötlemine ...................................................................... 22 2.4.2. Ribaspoonist plaatmaterjali väljatöötamine .............................................. 24 2.5. TP5. Puidu tugevusomaduste ja vastupidavuse parendamine ........................... 26 2.5.1. Puidu tihendamise uurimine ................................................................... 26 2.5.2. Spooni tihedus ..................................................................................... 26 2.5.3. Spooni Pinnaomadused ......................................................................... 27 2.5.4. Spooni Mehaanilised omadused .............................................................. 29 2.5.5. Mõõtmete stabiilsus .............................................................................. 30 2.6. TP6. Vähekasutatud puidu liimimisomaduste uurimine .................................... 31 2.6.1. Spoonide liimimikulu ja omaduste uurimine ............................................. 31 2.6.2. Spoonijääkidest valmistatud materjali liimimise uurimine .......................... 32 2.6.3. Liimimisprotsessi arendamine ................................................................ 33 2.7. TP7. Kihilise puitpolümeerkomposiitmaterjali disain optimaalsete tugevusomaduste saavutamiseks ................................................................................................. 39 2.7.1. Kolm erinevat vineeri struktuuri ............................................................. 40 2.7.2. Viis erinevat vineeri struktuuri ............................................................... 40 2.8. TP8. Kihiliste puitpolümeerkomposiitmaterjalide omaduste karakteriseerimine... 42 2.8.1. Tihendatud haava ja sanglepa vineeride tihedus ....................................... 42 2.8.2. Mehaanilised omadused ........................................................................ 43 2.8.3. Spoonijääkidest valmistatud puitkomposiitide omadused ........................... 48 2.9. TP9. Projekti administreerimine ................................................................... 50 2.10. TP10. Projektis vajaminevate seadmete hankimine ....................................... 50 2.11. TP11. Üldkululõiv palgakuludelt.................................................................. 50 Kokkuvõte .......................................................................................................... 51 Kasutatud kirjandus ............................................................................................ 53 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES TABELITE LOETELU Tabel 1. Erineva paksusega spooni kuivatusajad (Akkurt et al. 2024) ........................ 21 Tabel 2. Puitplaatide valmistamisparameetrid ning puitplaatide arv iga materjali tüübi kohta (Kalju 2024) .............................................................................................. 25 Tabel 3. Erinevatest puiduliikidest valmistatud vineeride liimikulu (Kallakas et al. 2024) ......................................................................................................................... 32 Tabel 4. Iga valmistatud materjali liimikulu g/m2 kohta, koos standardhälbega (Kalju 2024) ................................................................................................................ 32 Tabel 5. Erinevate liimitussüsteemide plussid (Kängsepp 2023) ................................ 34 Tabel 6. Erinevate liimitussüsteemide miinused (Kängsepp 2023) ............................. 35 Tabel 7. Morfoloogiline maatriks liimitussüsteemile (Kängsepp 2023)......................... 37 Tabel 8. Vineeride ladumisskeemid (Kallakas et al. 2024)......................................... 40 Tabel 9. Täiendatud vineeride ladumisskeemid (Akkurt et al. 2024) ........................... 41 Tabel 10. Vineeride liimühenduse tugevus (Akkurt et al. 2024) ................................. 46 Tabel 11. Spoonijääkidest valmistatud LVL-P, LVL-C ja vineeri materjali tasakaaluniiskus katsetamisel, liimikulu, tihedus ja nihketugevus (Kalju 2024) ................................... 48 Tabel 12. Spoonijääkidest valmistatud LVL-P, LVL-C ja vineeri paindetugevuse ja elastusmooduli tulemused (Kalju 2024) ................................................................. 49 3 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES JOONISTE LOETELU Joonis 1. Puiduliikide tihedused ............................................................................. 15 Joonis 2. Puiduliikide paindetugevused ................................................................... 16 Joonis 3. Puiduliikide tõmbetugevused ................................................................... 17 Joonis 4. Puiduliikide surveomadused .................................................................... 18 Joonis 5. Eeltöötluse ja treimisparameetrite uurimise lõpptulem ................................ 20 Joonis 6. 3,2 mm spooni kuivamiskõver vastavalt kuivatusajale ................................ 22 Joonis 7. TalTech Puidutehnoloogia laboris treispoonitootmisel tekkinud puidujäätmed (Kalju 2024) ....................................................................................................... 23 Joonis 8. Spoonide õmblemine termoliimiga (Kalju 2024) ......................................... 24 Joonis 9. LVL-C plaat, kus 4. ja 6. spoonikiht asetsevad risti (Kalju 2024) .................. 25 Joonis 10. Spooni tihedus enne ja pärast tihendamisprotsessi ................................... 27 Joonis 11. Spooni pinnakaredus enne ja pärast tihendamisprotsessi .......................... 28 Joonis 12. Spooni kontaktnurk enne ja pärast tihendamisprotsessi ............................ 28 Joonis 13. Spooni pinnakõvadus enne ja pärast tihendamisprotsessi .......................... 29 Joonis 14. Spooni tõmbetugevus enne ja pärast tihendamisprotsessi ......................... 30 Joonis 15. Spooni dimensionaalne stabiilsus (set-recovery: SR) enne ja pärast 50% ligniini eemaldust (Kilumets et al. 2024) .......................................................................... 30 Joonis 16. Liimitussüsteemi kõrgeim abstraktsioon – must kast (Kängsepp 2023) ....... 36 Joonis 17. Projekteeritud liimi ekstruuderi seade (Kängsepp 2023) ............................ 39 Joonis 18. Vineeride skeemid (Kallakas et al. 2024)................................................. 40 Joonis 19. Vineeritüüpide keskmised tihedused (Kallakas et al. 2024) ........................ 42 Joonis 20. Viie erineva vineeritüübi keskmised tihedused (Akkurt et al. 2024) ............ 43 Joonis 21. Vineeride pinnakõvadused (Kallakas et al. 2024) ..................................... 44 Joonis 22. Vineeride kruviväljatõmbe tugevus (Kallakas et al. 2024).......................... 45 Joonis 23. Vineeride paindetugevused ja maksimaalsed paindejõud (Akkurt et al. 2024) ......................................................................................................................... 47 4 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES LÜHENDID Lühend Selgitus LVL spoonliimpuit tervetest spoonidest valmistatud spoonliimpuit, kus 4. ja 6. LVL-C spoonikiht on teiste spoonikihtide suhtes liimitud risti asetusega väikestest ehk õmmeldud spoonidest valmistatud LVL-C_Õ spoonliimpuit, kus 4. ja 6. spoonikiht on teiste spoonikihtide suhtes liimitud risti asetusega tervetest spoonidest valmistatud spoonliimpuit, kus kõik LVL-P spoonikihid on üksteise suhtes liimitud paralleelselt ühes puidukiu suunas väikestest ehk õmmeldud spoonidest valmistatud LVL-P_Õ spoonliimpuit, kus kõik spoonikihid on üksteise suhtes liimitud paralleelselt ühes puidukiu suunas 5 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES SISSEJUHATUS Põhja-Euroopas omavad spoon ja spoonipõhised tooted olulist rolli lehtpuuliikide säästval kasutamisel. Kliimamuutustega seotud murede taustal keskendutakse ka Euroopas vähekasutatud ja madalama kvaliteediga puiduliikide väärindamisele ja kasutusele võtmisele. Kask on juba laialdaselt kasutusel spoonipõhiste toodete valmistamisel, kuid madalama väärtusega puiduliigid, nagu hall lepp, sanglepp ja haab, pole spoonipõhistes toodetes laialdaselt kasutust leidnud. Põhjus ei peitu mitte ressursside kättesaadavuses, vaid puidu madalamas kvaliteedis võrreldes kasega. Näiteks vineeri mehaanilised omadused (paindetugevus ja paindeelastsusmoodul) sõltuvad puiduliigist, puidu kvaliteedist, puidu niiskusest, tihedusest, struktuurist, spoonikihtide arvust, spooni paksusest ja liimühendusest. Puidu tihedust peetakse tavaliselt kõige olulisemaks materjali omaduseks, kuna see on tugevas korrelatsioonis puidu tugevusomadustega. Okaspuidu kõrge hinna ja kättesaadavuse halvenemise tõttu püütakse ehituslikes konstruktsioonides kasutada suure tihedusega lehtpuiduliike (pöök, tamm) nende suure mehaanilise tugevuse tõttu. Samas on ka suure tihedusega puiduliikide varud piiratud. Puitpolümeerkomposiitmaterjalide (edaspidi puitkomposiitide) valmistamiseks kasutatakse Eestis lehtpuiduliikidest kaske ja okaspuiduliikidest kuuske ja mändi. Viimastel aastatel on kohaliku puittooraine (ümarpalgid) ühikuhind oluliselt tõusnud, mistõttu on vajadus uurida võimalusi madalakvaliteedilise ja seni vähekasutatud puiduliikide (haab, hall lepp, sanglepp) kasutamiseks toorainena puitkomposiitide tootmisel. Madalakvaliteedilise tooraine puhul on õhukeste puidulehtede lõikamisel probleemiks palkide kõverus (ühe- ja kahesuunaline kõverus), mis vähendab väikese ladva diameetriga (15–24 cm) palkide korral väljatulekut. Kasepalki ja kasepakku kasutab toorainena spooni- ja vineeritööstus, kus tootmismahtude kiire kasvu tõttu võib tekkida raskusi tooraine kättesaadavusega. Viimaste aastate hüppelise kasepalgi turuhindade kasv vähendab tootmise kasumlikkust ja raskendab konkureerimist välisturgudel. Samas on Eestis kasutamata kaks korda odavama hinnaga puitmaterjal (haab, hall lepp, sanglepp), mis võiksid puitkomposiitides leida kasutust kasepuidu asemel. Kasega võrreldes on madalakvaliteedilise puidu kasutamist pärssivaks teguriks väiksem tihedus, kõvadus ja nõrgemad mehaanilised omadused. Projekti eesmärgiks on uurida Eesti puidutööstuses seni vähekasutatud, kohalike madalakvaliteediliste lehtpuuliikide (sh. haab, hall lepp, sanglepp) kasutatavust uudsetes ja mitmekihilistes puitkomposiitides. Selle eesmärgi saavutamiseks viidi läbi rida uuringuid, mis aitasid mõista ja leida lahendusi vähe kasutatud puiduliikide edasise 6 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES väärindamisega seotud probleemidele. Antud uuringus vastatakse järgnevatele olulistele küsimustele: millised on vähekasutatud puiduliikide mehaanilised omadused; kuidas mõjutavad tehnoloogilise protsessi parameetrid erinevatest puiduliikidest valmistatud spooni kvaliteeti; kuidas on võimalik parendada spooni omadusi läbi spooni tihendamise, millised tihendamisega seotud parameetrid on kriitilised optimaalsete omadustega spooni saamiseks; millised on eri puiduliikide ja tihendatud spooni kriitilised pinnaomadused liimimisel; kuidas saavutada optimaalsed tugevusomadused kihilistes puitkomposiitmaterjalides, mis põhinevad vähe kasutatud ja madala kvaliteediga puiduliikide ja tihendatud spoonide kombineerimisel? 7 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 1. PROJEKTI TULEMUSENA VALMINUD UURINGU SELGITUS Projektis uuriti Eesti puidutööstuses seni vähe kasutust leidnud kuid Eesti metsades kasvavate madalakvaliteediliste lehtpuuliikide (sh. haab, hall lepp, sanglepp) kasutatavust uudsetes ja mitmekihilistes puitkomposiitides. Kuna puiduomadused sõltuvad kasvukohast ja aastaajast, siis selgitati uurimistöö käigus kõigepealt välja väheväärtusliku puidu mehaanilised ja füüsikalised omadused. Tehtud tööde ülevaade on toodud aruande alapeatükkides 2.1 ja 2.2. Seejärel uuriti erinevate spoonipõhise puitkomposiitide nagu vineer ja spoonliimpuit valmistamist nendest puiduliikidest. Spoonipõhiste puitkomposiitide valmistamiseks selgitati kõigepealt välja spoonitöötluse parameetrid. Treimisparameetrite (eeltöötluse temperatuur, surveaste, treitera teritusnurk) kindlaks määramiseks treiti laboris kontrollitud tingimustel erineva paksusega spooni lehedd. Seejärel mõõdeti spoonide paksused ja hinnati pinnakvaliteeti (pinnakaredust). Tulemustest selgus, et madalama tihedusega puiduliigid nagu haab vajavad külmemaid eeltöötluse parameetreid ühtlase ja siledama spoonipinna saamiseks. Näiteks võib välja tuua, et haava puhul on oluline saavutada spoonipaku temperatuur < 0 °C, et spooni treimisel maksimeerida väljatulek ja saada parimate omadustega spoonipind. Lähtudes puiduliikidest ja spoonipaksustest määrati kindlaks spooni kuivatamisajad. Selleks teostati katsed spoonikuivatis, kus spoonilehe kuivatamise käigus mõõdeti spooniniiskuse vähenemist kuivatusaja jooksul automatiseeritud kaalumisega. Tulemustest selgus, et väiksema tihedusega haavaspooni kuivatusaeg oli kõige pikem ning tihedamal kasepuidul oli see teistest lühem. Tööde täpsem kirjeldus ja tulemused on toodud aruande alapeatükis 2.3. Kui spooni valmistamise protsessi tehnoloogilised parameetrid olid välja selgitatud, siis hakati madalama kvaliteediga puiduliikide spoonide omadusi parandama. Selleks kasutati puidu tihendamisprotsessi, kus spoone pressiti hüdraulilises pressis kõrgemate survetega, et saavutada suurem tihedus ja seeläbi parem pinnakvaliteet ja kõrgem tugevus. Kuna on teada, et tihendatud puidu puhul on üheks suurimaks probleemiks selle mõõtmete stabiilsus peale tihendamist kokkupuutel õhuniiskusega. Selleks uuriti tihendatud puidu mõõtmete püsivust niiskes keskkonnas ja võimalusi selle parendamiseks. Selleks vaadeldi puidu rakustruktuuri ja tegeleti ligniini, tselluloosi ja hemitsellulooside modifitseerimisega. Eesmärgiks oli selgitada välja, mis mõjutab tihendatud puidu mõõtmete stabiilsust kõige enam ja kuidas oleks võimalik tagada tihendatud puidu suurem stabiilsus. Seejärel uuriti 8 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES puidu tihendamisprotsessi parameetreid nagu spooni niiskus, pressimissurve ja -aeg. Tihendusprotsessis kasutati kahte tehnoloogiat rullpressi ja tasapinnaliste plaatidega pressi. Töös võeti eesmärgiks tihendada 50% spooni nominaalpaksusest. Peale tihendamist määrati tihendatud spooni pinnaomadused ja puidu tihedus. Täpsem tööde kirjeldus ja tulemused on toodud aruande alapeatükis 2.5. Spoonitootmisel jääb üle palju ribaspoonijääki, mis erineva paksuse tõttu ei sobi kvaliteetse vineeri valmistamiseks, sest selleks on vaja ühtlase 1,5mm paksusega lehti. Antud uurimustöös oli üheks eesmärgiks uurida spoonipaku ümardamisjääkide kasutamist näiteks vineeri sisemistes kihtides ja ka liimspoonpuidu valmistamisel. Spoonipaku ümardamine on esimene tööoperatsioon spooni väljatuleku suurendamiseks ja ühtlase paksuse tagamiseks järgneval treimisel. Vineeri ja liimspoonpuidust katsekehade valmistamiseks õmmeldi spooni treimisest ülejäänud ribaspoonid kokku liimitati, külm ning kuumpressiti puitkomposiitideks. Selgitati välja ribaspoonijääkidest valmistatud materjali tootmisparameetrid, liimikulu ja tugevusomadused võrreldes tervetest spoonidest valmistatud materjalidega. Täpsemad tegevused ja tulemused on toodud aruande alapeatükis 2.4. Madalakvaliteedilise puidu liimimisomaduste uurimisel oli eesmärgiks selgitada välja tihendatud puidu liimikulu spoonipõhiste materjalide valmistamisel. Madalakvaliteedilistest puiduliikidest vineeri valmistamisel mõõdeti liimikulu enne ja peale tihendamisprotsessi. Tulemustest selgus, et kui tihendamata haava spoonil oli suure pinnakareduse tõttu väga suur liimikulu, siis peale spooni tihendamist vähenes liimikulu märgatavalt, sest puidu pinnakaredus vähenes ja pinnakõvadus suurenes. Lisaks uuriti erinevaid liimimiprotsesse madalakvaliteedilise puiduliikide liimimisel. Kõige levinum liimimisprotsessiks on liimi peale kandmine valtsidega. See protsess aga sõltub palju spooni kuivatamisel tekkida võivast lainelisusest ja pinnakvaliteedist. Selleks arendati antud projekti raames välja laboratoorne liimiekstruuderseade, millega on võimalik liimi peale kanda madala kvaliteediga puiduliikide spoonidele sõltumata nende pinnakvaliteedist. Täpsemad tegevuste ja tulemuste kirjeldused on toodud aruande alapeatükis 2.6. Erinevate madalakvaliteediliste puiduliikide kasutusvõimalusi puitmaterjalides uuriti spoonipõhistes toodetes nagu vineer ja liimspoonpuit. Vineeris katsetati madalakvaliteediliste puiduliikidest tihendatud spoonide asetus vineeri ladumisskeemis (pinnaspoonina ja kõigis kihtides). Uurimustöös selgitati välja, kui palju paranevad madalakvaliteedilisest puiduliigist valmistatud vineeri omadused, kui selle alumine ja ülemine pinnakiht on tihendatud spoonist võrrelduna vineeriga, kus kõik kihid on tihendatud spoonist. Selleks määrati kindlaks vineeri füüsikalis-mehaanilised omadused: 9 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES tihedus, paindetugevus, pinnakõvadus ja kruviväljatõmbe tugevus. Tulemustest selgus, et vineeri alumise ja ülemise pinnakihi asendamine tihendatud spooniga parandab märgatavalt madalakvaliteedilisest puidust valmistatud vineeri tugevusomadusi. Kokkuvõtteks võib öelda, et antud töös katsetatud madalama kvaliteediga väheväärtuslike puiduliike on võimalik edukalt kasutada puitkomposiitide valmistamisel. Tihendamisprotsess annab võimaluse nende madalakvaliteediliste lehtpuiduliikide palju suuremaks kasutamiseks erinevates ehitus- ja transpordisektori rakendustes. 1.1. PUBLIKATSIOONIDE ÜLEVAADE Projekti tulemused on avaldatud eelretsenseeritud teadusartiklites ja bakalaureuse- ja magistritöödes. Uurimisprojekti tulemusel on koostatud 3 teadusartiklit, mis on esitatud avaldamiseks teadusajakirjadesse ning on hetkel retsenseerimisel. Esimene teadusartikkel "Effect of Lignin on Veneer Densification and Set-Recovery" on esitatud eelretsenseeritud teadusajakirja „Construction and Building Materials“, Elsevieri kirjastuses (Kilumets et al. 2024). Selles artiklis uuritakse erinevate madalakvaliteediliste puiduliikide spooni tihendamisprotsessi ja tihendatud spooni omadusi. Teine teadusartikkel „The Effect of Hardwood Veneer Densification on Plywood Density, Surface Hardness, and Screw Withdrawal Capacity“ on esitatud eelretsenseeritud teadusajakirja „Forests“, MDPI kirjastuses (Kallakas et al. 2024). Selles teadusartiklis uuriti eri puiduliikidest tihendatud spoonide kasutamist vineeri pinnaspoonis ja kõikides kihtides võrrelduna tihendamata spoonidest valmistatud vineeridega. Artiklis määratakse kindlaks erinevate puiduliikide spooni tihendamise mõju vineeri tihedusele, pinnakõvadusele ja kruviväljatõmbe tugevusele. Kolmas teadusartikkel „Enhancing the Bending Strength, Load-Carrying Capacity and Material Efficiency of Aspen and Black Alder Plywood through Thermo- mechanical Densification of Face Veneers“ on esitatud eelretsenseeritud teadusajakirja „Construction and Building Materials“, Elsevieri kirjastuses (Akkurt et al. 2024). Selles artiklis uuriti erinevatest madalakvaliteedilistest puiduliikidest valmistatud erineva paksusega spoonide kasutamist vineeri erinevates kihtides. Vineerist katsekehade valmistamiseks kasutati nendest puiduliikidest valmistatud tihendamata ja tihendatud spoone alumises ja ülemises pinnakihis. Määrati kindlaks vineeri paindekoormus ja liimühenduse kvaliteet. Lisaks teadusartiklitele on osa projekti tulemustest avaldatud bakalaureusetöös „Spoonijääkide taaskasutamine spoonliimpuit-toodete valmistamisel“ (Kalju 2024). Selles lõputöös uuriti spoonitootmisest ülejäävate ribaspoonide kasutamist spoonliimpuidu 10 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES valmistamisel. Uurimisprojekti tulemusena on valminud ja kaitstud kaks magistritööd. Esimeses magistritöös „Kruvi väljatõmbetugevuse ja pinnakõvaduse parendamine vineeri pinnaspoonide tihendamise teel“ (Mühls 2024) uuriti madalakvaliteediliste puiduliikide pinnaspoonide tihendamise mõju kruviväljatõmbe tugevusele ja pinnakõvadusele. Teises magistritöös „Liimitusseadme projekteerimine Puidutehnoloogia laborile“ (Kängsepp 2023) arendati välja spetsiaalne liimitusseade madalakvaliteediliste puiduliikide liimimiseks. Lisaks valminud publikatsioonidele ja lõputöödele on projekti tulemusi esitatud mitmetel rahvusvahelistel teaduskonverentsidel: 1. Tolgay Akkurt osales rahvusvahelisel teaduskonverentsil WSE2022- 18th Annual Meeting of the Northern European Network for Wood Science and Engineering, Goettingen, Germany, 21.09.2022 kuni 22.09.2022. Ettekande teemaks oli „Screw withdrawal capacity of aspen and black alder plywoods compared to birch plywood in 3 principal directions“. 2. Catherine Kilumets osales 2023. aasta Forest Products Society (FPS) rahvusvahelisel konverentsil Morgantownis, USAs, 6.–8. juunil 2023, kus ta esitas posterettekande teemal "Effect of Lignin on Veneer Densification and Set- Recovery". 3. 28. augustist kuni 1. septembrini 2023 toimus Madeiral, Funchalis 5th International Conference on Structural Integrity (ICSI2023), kus rääkis Tolgay Akkurt teemal “Use of low-quality wood species by densification in load bearing veneer-based composites”. 4. 3 projekti ettekandega osaleti teaduskonverentsil 19th Annual Meeting of the Northern European Network for Wood Science and Engineering (WSE2023) Oslos, Norras, 10.–12. oktoobril 2023, kus Tolgay Akkurt käsitles “The effect of Using densified Low-Quality veneers in plywood production as an alternative to birch plywood”, Catherine Kilumets rääkis “Effect of Lignin on Veneer Densification and Set-Recovery”, ning Kärt Kängsepp esines postriga nimega “Designing a One-Sided Glue Spreader for a Lab-Scale Plywood Production” 5. Tolgay Akkurt osales 13. rahvusvahelisel konverentsil "Wood Science and Engineering In The Third Millennium” (ICWSE 2023) Brasovis, Rumeenias, 2.–4. novembril 2023, keskendudes projekti teemale nimega “Use of Low-Quality wood species by densification in load bearing veneer-based composites”. 11 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 1.2. PROJEKTI TULEMUSENA VALMINUD MITMEKIHILINE PUITKOMPOSIITMATERJAL Projekti töö tulemusena arendati välja tihendatud ja tihendamata spoonidega mitmekihilised puitkomposiidid ehk vineerid, mida võrreldi tihendamata vineeride ja standardse kasevineeriga. Katsetati tihendatud spooni kasutamist erinevates vineeri kihtides: pinnaspoonina ja sisekihtides. Töö käigus valmistati vineerid, millel olid tihendatud pinnaspoonid või sisekihid. Lisaks katsetati vineeris erinevaid kihipaksuseid, kus esimesel versioonil tihendati 2,6 mm paksune haavaspoon paksuseni 1,5 mm ja 3,0 mm paksused haavaspoonid tihendati kuni 1,5 mm paksuseni, Tihendatud haavaspoone kasutati haavavineeri pinnaspoonidena. Kolmandal materjalil tihendati sanglepa 3,0 mm paksusega spoon 1,5 mm paksuseni ja kasutati seejärel sanglepavineeri pinnaspoonidena. Kõiki 3 materjali võrreldi tihendamata kase-, haava- ja sanglepa spoonist valmistatud vineeri omadustega. Kokku valmistati 8 erineva kombinatsiooniga mitmekihilist puitkomposiitmaterjali ehk vineeri, mis on esitatud aruande alapeatükis 2.7 (Joonis 18, Tabel 8 ja Tabel 9). Tulemused on esitatud kahes teadusartiklis (Akkurt et al. 2024; Kallakas et al. 2024) ja ühes magistritöös (Mühls 2024). Tihendatud spoonist pinnakihiga vineerid näitasid suuremat tugevust võrreldes tihendamata spoonidest valmistatud vineeridega ning pinnakõvaduse osas näitasid nii tihendatud spoonist pinnakihiga haavavineer kui ka sanglepavineer suuremat pinnakõvadust kui tihendamata spoonist pinnakihiga kasevineer. Kruvi väljatõmbetugevus suurenes samuti tihendatud spoonist vineeride puhul, kusjuures sanglepa tulemused olid kasevineeri omadustele lähedased. et suurendada tugevusomadusi. Selleks et optimeerid materjalikasutust ja suurendada haava ja sanglepa vineeri tugevusomadusi tuleks tihendatud spooni kasutada ainult vineeri pinnakihtides. Töö teise eesmärgina uuriti spoonijäätmete ehk ribaspooni kasutamist uudsete spoonliimpuidu (Laminated veneer lumber - LVL) valmistamiseks. Selle tulemusena valmistati kolm erineva kihtide kombinatsiooniga puitkomposiiti, mis on kirjeldatud alapeatükis 2.4 (vt Tabel 2) ja tulemused on esitatud bakalaureusetöös (Kalju 2024). Spoonijääkide kasutusvõimaluste uurimisel töötati välja kolm erinevat materjali, mis jaotati omakorda kahte gruppi (kokku 6 erinevat materjaligruppi). Töö tulemusena valmistati kasespooni ümardamisjääkidest fenoolliimiga (Prefere) 12 mm paksune (9- kihiline) LVL-P, LVL-C ja vineer, kusjuures igas grupis valmistati pooled komposiitmaterjalid suurematest spooni ümardamisjääkidest ja pooled komposiitmaterjalid väikestest spooni ümardamisjääkidest. Kitsad ribaspoonijäägid 12 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES õmmeldi omavahel termoliimiga sobiliku suurusega spoonilehtedeks ning uuriti, kas väikesemõõtmeliste spoonijääkide kasutamine mõjutab puitkomposiidi mehaanilisi omadusi. Spoonliimpuidu valmistusprotsessi kirjeldus ja katsetustulemused on esitatud bakalaureustöös „Spoonijääkide taaskasutamine spoonliimpuit-toodete valmistamisel“ (Kalju 2024). 1.3. INFRASTRUKTUURI OBJEKTIDE ARV Projekti toetuse eest ei soetatud uusi seadmeid. Projekti käigus arendati magistritöö tulemusena välja liimiekstruuder erinevatest puiduliikidest valmistatud spooni liimimiseks. Lisaks arendati välja ka spetsiaalne kuumutuse ja jahutusega puidu tihendamissüsteem. Koostöös Raute Oyj-ga välja tehnosüsteem kuivati keskkonnaniiskuse jälgimiseks spoonikuivatusel. 13 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2. PROJEKTIS TEOSTATUD TEGEVUSED TÖÖPAKETTIDE LÕIKES 2.1. TP1. PROJEKTIS KASUTATAVA MATERJALI HANKIMINE Projekti käigus hangiti koostöös Riigimetsa Majandamise Keskusega (RMK) lehtpuiduliikidest palgid, mis olid pärit erinevatelt raielankidelt ja kasvukohtadelt. Eesmärk oli hankida kõik puiduliigid (haab, sanglepp, hall lepp ja kask) samaaegselt ja samast kasvukohast. Esimene puitmaterjalikoorem hangiti Oktoobris 2022 Järvselja metskonnast. Sellel raielangil olid puistu keskmised vanused puiduliigiti järgmised: hall lepp 26 aastat, sanglepp 65 aastat, haab 65 aastat ja kask 55 aastat. Järgmine koorem puitmaterjali hangiti Jaanuaris 2023 Ämarist, Harju maakonnast RMK raielangilt. Sellel raielangil olid puistu vanused puiduliigiti järgmised: kask 59 aastat, haab 59 aastat, sanglepp 62 aastat ja hall lepp 52 aastat. Treispooni valmistamiseks kasutatud puitmaterjalidel määrati füüsikalised omadused, mis on toodud järgnevas alapeatükis 2.2. Lisaks puitmaterjalile hangiti projektis ka spoonipõhiste materjalide valmistamiseks vajaminevad liimid. Vineeri valmistamiseks kasutati tööstuses juba laialdaselt kasutatavad fenoolformaldehüüdliimi, mis hangiti ettevõttelt Prefere Resins Finland Oy. Projektis kasutatud puitmaterjali ja liimi hankimiseks projektivahendeid ei kasutatud. 14 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.2. TP2. ERINEVATE VÄHEKASUTATUD JA MADALAKVALITEEDILISE LEHTPUIDULIIKIDE EELTÖÖTLEMISPARAMEETRID 2.2.1. PUIDULIIKIDE TIHEDUSED Puidu kvaliteedi hindamisel määrati kõigepealt kasutatavate puiduliikide tihedused. Kuna puidu tihedus on otseselt seotud ka tugevusomadustega, siis tiheduse määramine annab ülevaate olemasoleva puiduressursi kvaliteedist ja aluse edasisteks uuringuteks. Puiduliikide tihedust uuriti kahel eri aastaajal (oktoober, jaanuar) ning eri kasvukohtadest langetatud puidust tarnitud palkidel. Oktoobris (2022) langetatud palkide asukoht oli Järvselja, Tartumaa (Sihtasutus Järvselja Õppe- ja Katsemetskond) ning jaanuaris langetatud ümarmaterjal (2023) pärines Ämarist Lääne-Harjumaalt (RMK). Puiduliikide tihedused on toodud Joonis 1. Nagu jooniselt näha, on kase tihedus kõige suurem. Näiteks on jaanuaris katsetatud haavapuidu tihedus ca 23% väiksem kasepuidu tihedusest. Huvitav on aga see, et ülejäänud puiduliikide (haab, sanglepp ja hall lepp) tihedused on väga sarnased. Kui vaadata erinevate langetusaegade ja kasvukohtade mõju puidu tihedusele, siis märkimisväärset erinevust näha ei ole. 800 700 600 Density, kg/m3 500 400 300 200 100 0 2022, 2023, 2022, 2023, 2022, 2023, 2022, 2023, oktoober jaanuar oktoober jaanuar oktoober jaanuar oktoober jaanuar Birch Aspen Grey alder Black alder Joonis 1. Puiduliikide tihedused 15 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.2.2. PUIDULIIKIDE MEHAANILISED OMADUSED Antud projektis määrati kindlaks uuringus kasutatud puiduliikide mehaanilised omadused nagu puidu paindetugevus ja tõmbetugevus. Selleks et saaks teha järeldusi materjalide valmistamise parameetrite valimiseks tuli välja selgitada kui palju puidu omadused erinevad üksteisest. PAINDETUGEVUS Paindetugevus on oluline tugevusnäitaja puidust konstruktsioonmaterjalide valmistamiseks. Pprojektis kasutatud puiduliikide paindetugevused on toodud Joonis 2. Selgelt on näha, et suure tihedusega kasepuit on kõige suurema paindetugevusega. Huvitav on aga näha, et haab ja sanglepp on sarnase keskmise paindetugevusega. Teistest puiduliikidest väiksema keskmise paindetugevusega on hall lepp. Samas tuleb märkida, et kui paindetugevuste keskväärtuste varieerumisest tulenevad einevused ei ole puiduliigiti märkimisväärsed kui seda hinnata standardhälbe põhjal. Peamine erinevus paindetugevustes tuleb välja võrdluses kasepuiduga, mis on teistes projektis kasutatud lehtpuiduliikidest suurema tugevusega (25% suurem haavast, 42% suurem hall lepast ja 27% suurem sanglepast). Paindekatsete tulemused annavad hea lähtealuse nende madalakvaliteediliste puiduliikide mehaaniliste omaduste parandamiseks läbi puidu tihendamisprotsessi. 120 100 Bending strength, MPa 80 60 40 20 0 Birch Aspen Grey alder Black alder Joonis 2. Puiduliikide paindetugevused TÕMBEOMADUSED Tõmbetugevus üks olulisi puidu tugevusnäitajaid (Joonis 3). Tähelepanuväärne on, et just puidu tõmbetugevuse katsetulemustes esinesid suuremad erinevused kui painde või survetugevusel. Ka siin on näha, et kasel on teistes puiduliikidest suurem tõmbetugevus, keskmise väärtusega 155 MPa, mis on suurem nii haavast (45%), hall lepast (53%) kui 16 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES ka sanglepast (31%). Puidu painde- ja tõmbetugevusomaduste teadmine võimaldab arhitektidel ja inseneridel teha vajalikke tugevusarvutusi, et lehtpuitu mitmekesisemalt kasutada. See võimaldab arendada uuenduslikke puitkonstruktsioone, mis kasutaksid ära looduslikust kasvukohast ja puiduehitusest tulenevat puidu tugevust ja jäikust. Puidupõhiste komposiitide väljatöötamisel on tõmbetugevuse määramine nende materjalide jõudluse parandamiseks hädavajalik, sest võimaldab luua uusi komposiite madalakvaliteedilistest puiduliikidest, mis suudavad paremini jäljendada või ületada naturaalpuidu omadusi. 180 160 Tensile strength, MPa 140 120 100 80 60 40 20 0 Birch Aspen Grey alder Black alder Joonis 3. Puiduliikide tõmbetugevused SURVEOMADUSED Puidu survetugevus on oluline tugevusnäitaja konstruktsioonimaterjalide projekteerimisel, ja valmistamisel. Erinevate projektis kasutatud puiduliikide survetugevused on toodud Joonis 4. Projektis kasutatud puiduliikide survetugevused näitavad sarnast trendi painde ja tõmbeomadustega, kus kask on kõike suurema tugevusega ja vähem tihedad puiduliigid väiksema survetugevusega. Huvitava tulemusena võib välja tuua haavapuidu veidi kõrgemat survetugevust kui halli lepal ja haaval (13% suurem hall lepast ja 14% suurem sanglepast). Huvipakkuv tulemus on, et sanglepp ja hall lepp on sarnase survetugevusega kuigi sanglepp on veidi suurema tihedusega. Puidu tugevusomadused sõletuvad kasvukohast ja aastaajast, millal puu on metsas langetatud. 17 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 60 50 Compression strength, MPa 40 30 20 10 0 Birch Aspen Grey alder Black alder Joonis 4. Puiduliikide surveomadused 2.2.3. EELTÖÖTLUSPARAMEETRID SPOONITREIMISEKS Ühtlase spooni tootmiseks on vaja spoonipakke eelnevalt töödelda (plastifitseerida) suurema niiskuse ja kõrgema temperatuuriga. Eeltöötlusparameetrid sõltuvad puiduliigist, tihedusest, kuid ka puidu struktuurist. Varasematest uuringutest on teada kasepaku eeltöötlusparameetrid hea kvaliteediga kasespooni saamiseks. Halli lepa, sanglepa ja haavapuidu eeltöötluse parameetrite kohta enne treimist on aga teaduskirjanduses infot vähe. Peamiselt on teada nende eeltöötlusparameetrid höövelspooni valmistamiseks. Baltikumis ja Põhjamaades nendest lehtpuiduliikidest treispooni ei toodeta, kuid autoritele teada olevalt on mõned ettevõtted neid tootmises katsetatud, kuid selle kohta avalik info puudub. Seega uuriti antud projekti käigus sobivaid tootmisparameetreid just sanglepa, halli lepa ja haava spooni treimiseks. Uurimistöö käigus selgus, et kuigi sanglepa ja halli lepa tihedused on väiksemad kase omast, siis treimisparameetrid nendel puiduliikidel on kasega väga sarnased, sest enamasti sobis neile sama või siis 5-10 °C madalam leotustemperatuur madalam leotus temperatuur ühtlase paksuse ja pinnakvaliteediga spooni treimiseks. Suur erinevus tekkis hoopis haava puidu puhul, kus kasega sama leotustemperatuur põhjustab suurt pinnakaredust ning väga palju lahtisi kiudusid. Ühtlase kvaliteediga spooni treimine muutub veelgi keerulisemaks, kui soovitav spoonipaksus väheneb. Väiksemate spoonipaksuste korral < 1 mm väheneb haavaspoonist väljatulek hüppeliselt. Uurimustöö käigus tehti kindlaks, et optimaalne leotustemperatuur kase, sanglepa, halli lepa ja haava puhul 1,5 mm spoonipaksuse treimiseks on 40°C. Leotusaeg peaks olema vähemalt 24 h ning paksemate spoonipaksuste (üle 2 mm ning kuni 3 mm) treimisel 18 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES soovitavalt 72 h. Spoonitreimisparameetrid on toodud projekti raames valminud teadusartiklites ja lõputöödes (Akkurt et al. 2024; Kallakas et al. 2024; Kilumets et al. 2024; Mühls 2024). Haava puhul on tulemused hoopis vastupidised. Näiteks 3 mm haavaspooni treimiseks sobib 24 h kestev ja 40 °C temperatuuriga leotustsükkel. Samas parem pinnakvaliteedi saamiseks ning väiksemate spoonipaksuste treimiseks on vaja temperatuuri langetada märkimisväärselt. Haavapaku eeltöötlusparameetreid uuriti vahemikus 16°C kuni -15°C. Tulemustest selgus, et kõige paremad haavapaku eeltöötlusparameetrid õhukese <1 mm spooni treimiseks on -15°C (paku konditsioneerimise aeg 10 päeva). Selliselt läbikülmunud spoonipakust on võimalik saada ühtlast ja siledat haavaspooni ning spooniväljatulek treimisel on maksimaalne. Seega sobiks näiteks madala tihedusega haavast spooni treimiseks talvised külmad ajad, kus haavapuidu langetamisel ja ladustamisel on keskmine õhutemperatuur -15°C kraadi. 2.3. TP3. ERINEVATE VÄHEKASUTATUD JA MADALAKVALITEEDILISE LEHTPUIDULIIKIDE LÕIKETÖÖTLEMINE JA KUIVATUS 2.3.1. SPOONI TREIMISPARAMEETRITE UURIMINE Spooni treimisparameetrite uurimisel kasutati tööstuslikku Raute spoonitreipinki (3HV66, Raute Oyj, Lahti, Soome), mis võimaldab tagada täpselt samad parameetrid nagu kasutatakse spooni treimiseks tööstuslikult. Selgitati välja sobivaimad treimise parameetrid erinevatel puiduliikidel ja spoonipaksustele, mis määravad spooni väljatuleku ja omadused. Nendeks parameetriteks on treitera teritusnurk, surveaste ja paku pöörlemiskiirus. Antud projektis uuriti treimisparameetreid erinevatest puiduliikidest 3 erineva paksusega (1,5 mm, 2,6 mm ja 3,0 mm) spooni treimiseks. Projekti tulemusena selgitati välja, et 1,5 mm, 2,6 mm ja 3,0 mm paksuste haava, sanglepa ja hall lepa spoonide treimiseks on parim kasutada treiteranurka 19°. Kasest 1,5 mm paksuse spooni treimiseks on parim kasutada treitera nurka 21°. Nende spooni paksuste puhul andis parima tulemuse spoonitreimise kiirus 60 m/min. Siin tuleb aga täheldada, et kuna meil ei olnud tegemist laboris automaatliiniga, siis kasutati väiksemat spoonitreimiskiirust kui tootmises kasutatav ca 300 m/min. Erinevatel spoonipaksustel tuli kasutada erinevaid survejoonlaua surveastmeid. Haavast 2,6 mm paksuse spooni treimsiel oli parim tulemus surveastmega 5,87%, 3.0 mm paksuse spooni treimisel oli parim surveaste haava ja sanglepa puhul 7,45% ja kasest 1.5 mm spooni treimisel oli parim surveaste 14,84%. Siit 19 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES on ka selgelt näha, et tihedamal puiduliigil on vaja suuremat surveastet kui madalama tihedusega puiduliikidel. Spoonitreimise parameetrite valiku tulemused on esitatud avaldatavates teadusartiklites (Akkurt et al. 2024; Kallakas et al. 2024; Kilumets et al. 2024). Kui vähendada spoonipaksust <1 mm, siis selgus, et haava puhul oli kõige keerulisem saavutada ühtlast spoonipaksust. Nagu eelnevas peatükis toodud, siis haavapuit vajab eeltöötluseks madalaid temperatuure. Lisaks on haaval ka vaja teisi spoonitreimise parameetreid. Peamised parameetrid, mida õhema haavaspooni puhul uuriti, oli surveaste ja spooni treimiskiirus. Projektis katsetati mitmeid erinevaid surveastmeid vahemikus - 16.67% kuni 10.71% ning katsete tulemusena selgus, et parim spoonikvaliteet ja väljatulek saavutati 6,67% surveastme juures. Teise parameetrina uuriti spooni treimiskiirust. Vahemikus 30 kuni 60 m/min. Selle tulemusena selgus, et haava puhul sobivad hoopis väiksemad treimiskiirused ja parima tulemuse andis 30 m/min spooni treimiskiirus. Parima surveastme ja kiiruse juures tehtud katsete tulemused on kujutatud Joonis 5. ESIMESED KATSED LÕPPTULEM Joonis 5. Eeltöötluse ja treimisparameetrite uurimise lõpptulem 2.3.2. SPOONI KUIVATUSPROTSESSI PARAMEETRID Eelnevalt treiti erineva paksusega spoonid, millele järgnevalt uuriti kuivatusaegasid. Haava-, sanglepa- ja kasespoonid treiti paksusega 1,5 mm. Lisaks treiti sanglepaspoonid 20 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES paksusega 3,0 mm ning haava spoonid paksustega 2,6 mm ja 3,0 mm. Nende spoonikuivatusajad on toodud Tabel 1. Spoonide niiskus peale kuivatust sõltub, millist liimi kasutatakse nendest spoonidest vineeri valmistamsel. Kõige enam kasutatakse vineeri valmistamiseks fenoolliime. Fenoolliimide puhul peab spooni niiskus jääma vahemikku 4 ± 1,5 % (soovitud keskmine spooni niiskus on 4,5 %). Pinnaspooni niiskus võib olla natuke kõrgem (kuni 6 %) vineeri sisemiste kihtide spooni niiskusest. Spoonliimpuidu puhul on suurema paksusega (tavaliselt 3,2 mm) spoonide niiskuseks 3-5 %. Kasevineeris valdavalt kasutatava väikese paksusega spooni (tavaliselt 1,5 mm) tõttu toimub kuivamine kiiresti ning kuivatusaega mõõdetakse minutites, olenevalt materjalist, kuivatitüübist ja režiimist tavaliselt piirides 5-10 min. Õhukese spooni kuivatamine võtab aega alla 3 min, kuid paksema spooni kuivatamine võtab umbes 2 korda rohkem aega. Kuivatamisaega mõjutavad tegurid sõltuvad puiduliigist, spoonipaksusest ja kuivati tööst. Neist olulisemad on kuivatusõhu temperatuur, kuivatusõhu suhteline niiskus ja õhu kiirus spooni pinnal, spooni niiskussisaldus kuivamise ajal, spooni lõplik niiskus, spooni paksus, puiduliik, puiduraku struktuur, mahukaal, pindmine ja sisemine kiht. Kask on loomult tihedam ning oli 10% madalama niiskussisaldusega, seega kuivatusaeg oli ka lühem. Tabel 1. Erineva paksusega spooni kuivatusajad (Akkurt et al. 2024) Spooni paksus, mm Puiduliigid 1,5 2,6 3,0 Haab (Aspen) 170 s 360 s 420 s Sanglepp (Black alder) 160 s - 390 s Halllepp (Grey alder) - - 390 s Kask (Birch) 150 s - 360 s 21 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 1250 1150 1050 950 Mass (g) 850 750 Birch 650 Aspen 550 450 Grey alder Black alder 350 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Time (s) Joonis 6. 3,2 mm spooni kuivamiskõver vastavalt kuivatusajale 2.4. TP4. SPOONI ÜMARDAMISJÄÄKIDE TÖÖTLEMINE RIBASPOONIKS 2.4.1. SPOONIJÄÄKIDE TÖÖTLEMINE Kõikide materjalide valmistamiseks kasutati kuni 1,5 mm paksuseid kasepuidust spoonijääke, mis jäid üle vineeri valmistamisest. Vajalikud spoonijäägid saadi kase treimisest järele jäänud spoonitükkidest ja ümardusjäätmetest (Joonis 7). Antud töös valiti materjalide valmistamiseks visuaalse vaatluse tulemusena spoonijääkide hulgast välja kahe erineva kvaliteediga spoone – ühte tüüpi spoonid, mis olid terved ja piisavalt pinnadefektide vabad, sobides seega kasutamiseks pealmiste spoonidena ning teist tüüpi spoonid, mis olid visuaalselt vähem kvaliteetsemad (oksakohtadega jms), kuid sobisid kasutamiseks vahespoonidena. 22 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Joonis 7. TalTech Puidutehnoloogia laboris treispoonitootmisel tekkinud puidujäätmed (Kalju 2024) Osa spoonijääke oli sobivas mõõdus, et valmistada 420 x 420 mm mõõtmetega plaatmaterjale, kuid osa spoonijääke oli väiksema mõõduga ning neid oli tarvis töödelda ribaspooniks. Väikesed spoonijäägid ühendati (õmmeldi) omavahel termoliimiga ning käsimasinaga Kuper HFZ4 sobiliku suurusega spoonilehteks kokku (Joonis 8). Osal spoonidel oli suur lainelisus ning käsimasinaga Kuper HFZ4 ühendamisel ribaspooniks läks paljud spoonitükid siiski uuesti katki. Seega kasutati ühe meetodina ka spoonide ühendamiseks maalriteibitükke, mis fikseerisid spooni asendi ning võimaldasid ribaspooni sööta liimitamiseks liimivaltsidega. Töös uuriti, kas väikesemõõtmeliste (õmmeldud) spoonijääkide kasutus mõjutab sellest valmistatud spoonliimpuidu või vineeri mehaanilisi omadusi. 23 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Joonis 8. Spoonide õmblemine termoliimiga (Kalju 2024) 2.4.2. RIBASPOONIST PLAATMATERJALI VÄLJATÖÖTAMINE Antud töös valmistati kokku kolme eri tüüpi materjali: LVL-P, LVL-C materjal ning vineeri. Sobivate materjalide valimisel lähtuti sellest, et kuna LVL materjali kasutatakse laialdaselt ehitustalade materjalina, siis ei ole tarvis selle valmistamiseks kasutada rohkem kui 420 mm laiusega spoone. Lisaks on spoonikihtide paralleelse asetusega juba tagatud puidule piisavalt suured tugevusomadused ja vahespoonide kvaliteet ei pea vastama pealmiste spoonide kvaliteedile, mis tähendab, et LVL materjali tootmiseks saab ära kasutada erinevaid spoonijääke nii oksakohtadega kui ka väiksemate tükkidena. Esimesele valmistatud LVL-P tüüpi materjalile oli iseloomulik kõikide spoonikihtide asetus üksteise suhtes paralleelselt ja teisele LVL-C tüüpi materjalile oli iseloomulik 4. ja 6. spoonikihi risti asetus võrreldes ülejäänud spoonikihtidega (Joonis 9). LVL plaatide kahte erinevat tüüpi valmistamise eesmärgiks oli hiljem katsetamisega vaadelda, millised erinevused mehaanilistes omadustes on märgatavad nii spoonikihtide eri asetuse kui ka tervete ja õmmeldud spoonide kasutamise tõttu. 24 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Joonis 9. LVL-C plaat, kus 4. ja 6. spoonikiht asetsevad risti (Kalju 2024) Vineeri valmistati kontrollmaterjalina LVL materjalile lisaks, kuna selle valmistamisprotsess on ülekontrollitud ning usaldusväärne. Vineeri ja LVL materjaliga samade füüsikaliste ja mehaaniliste katsete läbi tegemine võimaldab hiljem seega analüüsida LVL materjali katsetulemuste usaldusväärust ja õigsust. Katsetulemuste paremaks omavaheliseks analüüsimiseks valmistati kõik materjalid ühtemoodi puitplaatide kujul. Kõik valmistatud puitplaadid olid paksusega vähemalt 12 mm ja koosnesid üheksast spoonikihist. Iga materjali grupp koosnes kolmest plaadist ning kokku valmistati antud töös kuus vineeriplaati ja kakskümmend neli spoonliimpuitplaati (Tabel 2). Antud projekti tegevuste raames on valminud bakalaureusetöö, kus on protsess täpsemalt seletatud (Kalju 2024). Tabel 2. Puitplaatide valmistamisparameetrid ning puitplaatide arv iga materjali tüübi kohta (Kalju 2024) Puitplaatide valmistamisparameetrid Spoonide paksus Spoonikihtide arv Külmpressimine Kuumpressimine 1,5 mm 9 10 min 1 MPa 9 min 1,8 MPa Valmistatud puitplaatide arv LVL-P LVL-C Vineer Terved Õmmeldud Terved Õmmeldud Terved spoonid Õmmeldud spoonid spoonid spoonid spoonid spoonid 6 6 6 6 3 3 KOKKU 30 25 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.5. TP5. PUIDU TUGEVUSOMADUSTE JA VASTUPIDAVUSE PARENDAMINE 2.5.1. PUIDU TIHENDAMISE UURIMINE Antud tööpaketis uuriti, kuidas tõsta madalama tihedusega ja vähekasutatud puiduliikide tugevusomadusi nende tihendamise teel. Tavaliselt kasutatakse puidu maksimaalse kokkusurutavuse saavutamiseks, kas kõrgeid temperatuure või suurt niiskust. Varasemad teadusuuringud on keskendunud peamiselt kõrgetele temperatuuridele (>150 °C), et saavutada puidu dimensionaalset stabiilsust. Kuid sellise meetodiga halvenevad tihti puidu mehaanilised omadused. Selle vältimiseks keskenduti antud uuringus suuremale puiduniiskusele (20 %). Niiskuse saavutamiseks kasutati kahte erinevat meetodit: spoonide ühtlane konditsioneerimine puiduniiskuseni 20 % (chamber conditioned), ja spooni kuivatamine puiduniiskuseni 20 % kohe pärast spooni treimist (dryer conditioned). Samuti uuriti temperatuuri mõju (80 °C, 100 °C, 120 °C) tihendamisele, et leida kõige optimaalsem temperatuur suure puiduniiskusega kombineerituna. Tihendamise surve ja pressimisaeg jäid muutumatuks (6 MPa ja 15 min). 2.5.2. SPOONI TIHEDUS Mõlema meetodi korral olid kontrollproovid kõige väiksema tihedusega (Joonis 10). Haava ja kase puhul suurendas kõrgem temperatuur tihedust mõlemal viisil 20 % niiskuseni viidud spoonides. Kuivatatud proovide puhul tõi kõrgem tihendamise temperatuur (120 °C) kaasa kase puhul keskmise tiheduse 960 kg/m³, mis oli 15 % suurem kui haava puhul samal temperatuuril. Kontroll-haavaproovide tihedus oli 432 kg/m³ ja 120°C juures tõusis see 831 kg/m³-ni, mis on 92 % kasv. Sanglepa puhul oli kummaski meetodis tiheduse kasv ebaühtlane: 80 °C ja 100 °C juures ei suurenenud tihedus oluliselt. Halli lepa puhul oli kuivatatud proovi tihedus 100 °C juures tunduvalt suurem kui 120 °C juures. 26 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 1200 Dryer conditioned Chamber conditioned 1000 Density, kg/m3 800 600 400 200 0 80°C 80°C 80°C 80°C 100°C 120°C 100°C 120°C 100°C 120°C 100°C 120°C Control Control Control Control Aspen Birch Black alder Grey alder Joonis 10. Spooni tihedus enne ja pärast tihendamisprotsessi 2.5.3. SPOONI PINNAOMADUSED Nii kliimakambri kui ka kuivati tingimustes olid tihendamata kontrollproovidest kõige karedama pinnaga haab, millele järgnes hall lepp, ja kõige siledamad olid sanglepp ja kask, mis olid ligikaudu kaks korda siledama pinnaga kui haab (Joonis 11). Tihendamine 80 °C juures muutis haavapinna kolm korda siledamaks kui kontrollproovil kambri tingimustes ja 30 % siledamaks kuivati tingimustes, kuid see ei olnud veel võrreldav kasega. Tihendamine 100 °C juures muutis kõigi puiduliikide pinnakaredused sarnaseks, vahemikus 7-8,2 Ra, mis viitab sellele, et kõrgem temperatuur ei ole majanduslikult otstarbekas. Kokkuvõttes näitavad katseandmed, et 100 °C juures tihendamine on majanduslikult kõige otstarbekam, kuna selle temperatuuriga saadud tulemused on paremad kui tihendamata kase omad kõigi madalama kvaliteediga liikide puhul (sanglepp, hall lepp ja haab). 27 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 35 Dryer conditioned Chamber conditioned 30 25 20 Ra, µm 15 10 5 0 80 °C 80 °C 80 °C 80 °C 100 °C 120 °C 100 °C 120 °C 100 °C 120 °C 100 °C 120 °C Control Control Control Control Aspen Birch Black alder Grey alder Joonis 11. Spooni pinnakaredus enne ja pärast tihendamisprotsessi Kliimakambri tingimustes oli kõige suurema kontaktnurgaga puiduliik pärast 40 sekundit kask (Joonis 12). Halli lepa puhul oli suurim erinevus 80 °C ja 100 °C vahel, mis viitab sellele, et 100 °C tihendamine on soodsam, kuna see suurendab kõigi liikide, välja arvatud haava, hüdrofoobsust. Kuivati tingimustes olid parimad hüdrofoobsemad tulemused saavutatud haava puhul 120 °C ja 100 °C juures. 80 °C juures näitas parimaid tulemusi kask. Kokkuvõttes on tihendamine kõrgematel temperatuuridel (eriti 100 °C juures) kasulik kõigi katses kasutatud puiduliikide puhul, parandades nende hüdrofoobsust ja vähendades pinnakaredust. 90 Dryer conditioned Chamber conditioned 80 70 Contact angle, ° 60 50 40 30 20 10 0 80 °C 80 °C 80 °C 80 °C 100 °C 120 °C 100 °C 120 °C 100 °C 120 °C 100 °C 120 °C Control Control Control Control Aspen Birch Black alder Grey alder Joonis 12. Spooni kontaktnurk enne ja pärast tihendamisprotsessi 28 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.5.4. SPOONI MEHAANILISED OMADUSED Tihendamistemperatuuri tõusuga suureneb spooni kõvadus märgatavalt (Joonis 13). Kõige suurem puidukõvadus tihendamise tulemusel ilmnes kuivatimeetodil valmistatud halli lepa puhul, kus 120 °C juures oli tulemus 230 % suurem kui kontrollproovil, suurenedes 17,5- lt 57,8 MPa-ni. Kliimakambrimeetodiga oli parim pinnakõvadus 120 °C haaval, tõustes 18,7-lt 41,8 MPa-ni (124 %). 100 °C juures oli kuivatimeetodil parim tulemus kasel (48,6 MPa), järgnes haab (34,4 MPa). Standardhälbed olid suuresti erinevad ja selle põhjus seisnes selles, et pärast tihendamist oli vineeri niiskus ebaühtlane, mis mõjutas vineeri paksust. Kliimakambrimeetodil andid kõige paremad pinnakõvaduse tulemused haaval (46,8 MPa) ning kasel (32,1 MPa). 90 Dryer conditioning Chamber conditioning 80 70 60 HB, MPa 50 40 30 20 10 0 Birch Birch Birch Birch Black alder Black alder Black alder Black alder Grey alder Grey alder Grey alder Aspen Grey alder Aspen Aspen Aspen Control 80 °C 100 °C 120 °C Joonis 13. Spooni pinnakõvadus enne ja pärast tihendamisprotsessi Antud katse käigus uuriti spooni tõmbetugevust ristikiudu (Joonis 14), mis oleneb kui treilõhede sügavusest. Kontrollproovide põhjal võib järeldada, et haab on kõige madalama tõmbetugevusega – katsekehade lõikamisel giljotiiniga läksid katsekehad juba katki. Puidu tihendamise käigus tugevus kasvas, eriti märkimisväärselt 120 °C juures. Aga arvestades suuri standardhälbeid, andis 100 °C usaldusväärsemaid tulemusi, tõstes madalama tihedusega vähe kasutatud puiduliikide tugevusomadusi (haab, hall lepp ja sanglepp) vähemalt kaks korda. 29 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 9 8 7 6 Strength, MPa 5 4 3 2 1 0 Control Control Control Control 120°C 80°C 100°C 120°C 80°C 100°C 80°C 100°C 120°C 80°C 100°C 120°C Birch Aspen Black alder Grey alder Joonis 14. Spooni tõmbetugevus enne ja pärast tihendamisprotsessi 2.5.5. MÕÕTMETE STABIILSUS Jätkates 100 °C tihendamise ja kliimakambris konditsioneerimisega, uuriti tihendatud spooni dimensionaalset stabiilsust. Tihendatud puit taastab oma esialgse kuju kokkupuutel niiskusega (nimetatakse set-recoveryks). Selle põhjustes ei olda kindlad kumb puidu koostisosa mängib suuremat rolli – kas poolkristalliline tselluloos või ligniin. Uuringus eemaldati kase, haava ja halli lepa 3.2 mm spoonidest 50% ligniini kasutades happelist naatriumkloriidilahust. 180 4,0 SR Recovered thickness Densified thickness SR, %, after 24h water soak 160 3,5 Veneer thickness, mm 140 3,0 120 2,5 100 2,0 80 1,5 60 40 1,0 20 0,5 0 0,0 65% RH 90% RH 65% RH 90% RH 65% RH 90% RH 65% RH 90% RH 65% RH 90% RH 65% RH 90% RH Undelignified Delignified Undelignified Delignified Undelignified Delignified Birch Aspen Grey alder Joonis 15. Spooni dimensionaalne stabiilsus (set-recovery: SR) enne ja pärast 50% ligniini eemaldust (Kilumets et al. 2024) 30 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Ligniini eemaldamine koos järgneva tihendamisega kõrgema puiduniiskuse juures suurendas saadud puidu tihedust vastavalt 89 %, 148 % ja 146 % kasel, haaval ja hallil lepal. Ligniini eemaldamine koos niiskuse suurendamisega tihendamise ajal andis parimad tulemused, eriti haava puhul, millel oli kõrge kokkusurutavus (60%) ja tiheduse suurenemine 148 %, samas kui set-recovery oli madalam, 72 %. Ligniini puidust eemaldamine ja tihendamine minimeeris set-recoveryt kõigi puuliikide puhul vahemikus 71-86 %, samal ajal saavutasid kontrollkatsed täieliku kuju taastumise (100 %). Uuringu tulemused viitavad sellele, et nendes tingimustes mängib suuremat rolli puidus sisalduv ligniin. Täpsemad tulemused on toodud avaldamisel olevas teadusartiklis (Kilumets et al. 2024). 2.6. TP6. VÄHEKASUTATUD PUIDU LIIMIMISOMADUSTE UURIMINE 2.6.1. SPOONIDE LIIMIMIKULU JA OMADUSTE UURIMINE Eelnevalt oli kindlaks tehtud, et spooni pinnakvaliteedid olid väga erinevad ja madalama tihedusega puiduliikidel oli pinnakaredus suurem. Eriti oli pinnakaredust näha haavaspoonidel. Sellest lähtuvalt uuriti ka nende spoonide liimimisomadusi. Peamine näitaja tööstuse jaoks on liimikulu, sest see tõstab toote hinda. Liimikulu uuriti vineeride valmistamisel tihendamata ja tihendatud spoonidest. Eesmärk oli vaadata, kas tihendamisprotsess suudab vähendada liimikulu madalakvaliteedilistest spoonidest valmistatud vineeridel. Selle uurimiseks valmistati vineerid: tihendamata spoonist (UN), tihendatud pinnaspooniga (FVD) ja kõikides kihtides tihendatud spoonidega (AVD). Vineeride skeemid on toodud Joonis 18. Liimikulud varieerusid sõltuvalt kasutatud puiduliigist, spoonipaksusest ja sellest, kas tihendamist rakendati. Madalaim liimikulu täheldati 9 mm UN mittetihendatud kasevineeril, mille keskmine liimikulu oli 160 g/m². Seevastu kõrgeim liimikulu esines sanglepa vineeris, keskmiselt 173 g/m². Sama paksusega vineeride puhul olid kase ja sanglepa tihendatud pinnaspoonidega (FVD) vineerid sarnase liimi tarbimisega, keskmiselt 159 g/m² haaval ja 160 g/m² sanglepa puhul. Kuna liimi kanti peale liimirulliga ja pealmist kihti ei liimitud, olid liimikulud tulemused peaaegu samad. Kuid kui tihendatud spoone kasutati kõigis kihtides (AVD), vähenes liimikulu oluliselt kõigi vineeride puhul. Kõikides kihtides tihendatud spoonidega haava ja sanglepa vineerid näitasid vastavalt keskmist liimikulu 136 g/m² ja 133 g/m². Seega võib öelda, et madalakvaliteediliste 31 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES puiduliikide tihendamine vähendab oluliselt nende pinnakaredust ja sellest tulenevat liimikulu. Juba ainult pinnaspooni tihendamisega saavutati sanglepa ja haava spoonide pugul sarnande keskmine liimikulu kase vineeriga. Täpsemad töö tulemused on toodud selle projekti raames valminud teadusartiklis (Kallakas et al. 2024). Tabel 3. Erinevatest puiduliikidest valmistatud vineeride liimikulu (Kallakas et al. 2024) Puiduliik Vineeri tüüp Liimikulu, g/m² Kask UN 160 (± 10.6) UN 173 (± 7.5) Sanglepp FVD 160 (± 7.2) AVD 133 (± 2.2) UN 165 (± 10.9) Haab FVD 159 (± 19.3) AVD 136 (± 7.2) 2.6.2. SPOONIJÄÄKIDEST VALMISTATUD MATERJALI LIIMIMISE UURIMINE Tootmises tekkivatest spoonijääkide kasutust uuriti vineeri ja spoonliimpuidu (LVL) valmistamise eesmärgiga. Projekti raames uuriti millised on liimikulu erinevused terve spoonilehe ja spoonijääkidest õmmeldud spoonide vahel nendes LVL ja vineeri valmistamisel. Tulemused on toodud Tabel 4. Tabel 4. Iga valmistatud materjali liimikulu g/m2 kohta, koos standardhälbega (Kalju 2024) Keskmine Minimaalne Maksimaalne Standardhälve, Materjal liimikulu, liimikulu, liimikulu, g/m2 g/m2 g/m2 g/m2 LVL-P 155 142 177 6 LVL-P_Õ 154 137 218 8 LVL-C 161 139 167 4 LVL-C_Õ 152 150 188 6 VINEER 164 152 179 10 VINEER_Õ 161 149 177 9 32 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Liimitootja Prefere poolt oli etteantud kasespoonide liimimiseks eeldatav liimikogus vahemikus 150 – 165 g/m2. Antud projekti uurimustöös jäävad valmistatud vineeride liimikulu väärtused vahemikku 154 – 164 g/m2, mis vastavad liimitootja Prefere eeldatud liimikogusele kasespooni puhul. Kõige suurem liimikulu, üle 161 g/m2, oli vineeril ja LVL- C plaatidel. Nendest tulemustest lähtub, et spoonijääkide kasutamisel ei esine märkimisväärseid erinevusi liimikulus ja seega saab nendel kasutada samu liimimisparameetreid. Selle uurimuse raames on valminud bakalaureuse töö, kus on toodud täpsem töö seletus ja analüüs (Kalju 2024). 2.6.3. LIIMIMISPROTSESSI ARENDAMINE Kuna olemasolev liimimiseprotsess liimivaltsidega sõltub palju puidupinna uuriti antud projektiraames võimalusi arendada ja katsetada ekstruuderitüüpi liimipealekandmiseviisi, selleks et spoonipinna liimiga katmine ei sõltuks niipalju pinnakvaliteedist ja saavutada ühtlasem liimikulu. Kuigi valtsi meetodiga liimi pealekandmisel on palju plusse, on sellel ka miinuseid. Näiteks peavad spoonid liimitamiseks väga ühtlase kvaliteediga, rullide vahel võib puruneda juba väikese lainelisusega spoon. Kui vaadelda spooni liimiga katmist majanduslikust ja säästvast aspektist, siis tuleks liimi kasutada võimalikult vähe, nii et säiliksid vajalikud tugevus- ja vastupidavusomadused. Seetõttu võeti ülesandeks liimiseadet, mis sobiks madalama kvaliteediga ja halvemate pinnaomadustega liimimiseks. Selleks teostati projekti raames arendustöö liimiseadme magistritööna (Kängsepp 2023). Kõigepealt tehti kindlaks, mis on erinevate liimimisseadmete plussid (Tabel 5) ja miinused ( Tabel 6). Tulemuste põhjal otsustati valida vedel-ekstrusioon meetod madalakvaliteediliste puiduliikide spoonide liimimiseks. 33 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Tabel 5. Erinevate liimitussüsteemide plussid (Kängsepp 2023) Vedel- Valts Kardin Vahtekstrusioon Pihustus ektrusioon Saab liimitada eri Saab liimitada eri Saab liimitada eri Saab liimitada eri Usaldusväärne paksusega spooni paksusega spooni paksusega spooni paksusega spooni korraga. korraga. korraga. korraga. Masin on Sobib ka CLT ja Sobib ka CLT ja Sobib ka CLT ja Sobib ka CLT ja kompaktne ja LVL-I LVL-I LVL-I LVL-I võtab vähe liimitamiseks liimitamiseks liimitamiseks liimitamiseks ruumi Suhteliselt väike Väike liimikulu ja Väiksem liimikulu Väiksem liimikulu Esmane liimikulu ja kasutatud liim ja kasutatud liim ja kasutatud liim investeering on kasutatud liim suunatakse suunatakse suunatakse madal suunatakse süsteemi tagasi süsteemi tagasi süsteemi tagasi süsteemi tagasi Rullide vahe Saab liimitada Saab liimitada Saab liimitada Saab liimitada annab märku, kui "lainelist" "lainelist" "lainelist" "lainelist" spoon on vale materjali materjali materjali materjali mõõduga Suhteliselt puhas Suhteliselt puhas Lihtne hooldada protsess protsess Liimi hulka on Seade on lihtsa lihtne reguleerida konstruktsiooniga Liimi aurustumise ala väiksem kui teistel protsessidel, seega võib liimituse ja pressimise vaheline aeg olla pikem kui teistel meetoditel Sobib suurele viskoossusvahemi kule 34 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Tabel 6. Erinevate liimitussüsteemide miinused (Kängsepp 2023) Valts Kardin Vahtekstrusioon Vedel-ektrusioon Pihustus Mitmed tegurid võivad tekitada kardinasse Suurem Avade Avade augud, jättes spoonile Liimi liimikogus ummistumine võib ummistumine võib liimitamata alad ebaühtlane kui teistel teha liimituse teha liimituse (vales vahekorras jaotus meetoditel ebaühtlaseks ebaühtlaseks segatud liim, õhutõmme jne) Aeglane algus - Avade erineva Liimi Otsikute Otsikute ummistumine paksustega filtreerimissüsteem ummistumine teeb ummistumine teeb võib teha spooni puhul peab olema hea ja hoolduse hoolduse liimituse tuleb liimis ei tohi olla mulle keeruliseks keeruliseks ebaühtlaseks seadistust muuta Spoon peab olema väga ühtlane Täpse liimikoguse Otsikute (lame). saavutamine Esmane investeering Esmane ummistumine Ebaühtluse liimireservuaari kõrge investeering kõrge teeb hoolduse korral võib laiuses võib olla keeruliseks spoon keeruline kergelt puruneda Raske Esmane märgata Liimi viskoossus peab Liimi omadused investeering liimitamata olema täpne halvenevad kiiresti kõrge alasid Töö piirkond Liimi vajab retsirkuleerimiseks puhastust, on vaja enne liimist kuna liim vaht eemaldada pritsib Lihtsustamaks projekteerimise lähteülesannet, võib kujutada ülesannet musta kasti diagrammina. Musta kasti diagramm näitab kogu süsteemi kõrgeimat abstraktsiooni. Nooled, mis lähevad musta kasti kujutavad süsteemi sisendeid ja nool kastist välja näitab süsteemi väljundit. Must kast (Joonis 16) kujutab siinkohal projekteeritava süsteemi 35 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES peamist eesmärki. Sisendid on nii kliendi poolt saadud esmased nõuded kui ka energiavajadus, mis on vajalik seadme töötamiseks. Väljundiks on liimitatud materjal. Joonis 16. Liimitussüsteemi kõrgeim abstraktsioon – must kast (Kängsepp 2023) 36 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES MORFOLOOGILINE MAATRIKS Kui musta kasti diagramm näitas süsteemi peamist eesmärki või peafunktsiooni, siis morfoloogiline skeem või korrastusskeem näitab maatriksi abil erinevaid lahendusi valitud alafunktsioonidele. Maatriks on aluseks lõpliku lahenduse väljatöötamiseks kombineerides osafunktsioonide lahendusi omavahel nii, et leitakse tellijale ja projekteerijale kõige rahuldavam lõpplahendus. Liimitamise osa-eesmärgid on näidatud Tabel 7. Tabel 7. Morfoloogiline maatriks liimitussüsteemile (Kängsepp 2023). Lahendusvariandid nr. Alafunktsioon 1 2 3 4 5 liigutatav roteeritav süsteem Spooni jõudmine manuaalne (inimene liimitusjaam ehk 1. konveier robot liigutab spooni erinevate liimitamiseni viib liimitusjaamani) liimitusjaam liigub operatsioonide vahel spooni juurde manuaalne (pintsli 2. Liimi jõudmine spoonini liimikardin liimiprits valts liimiribad või rulliga pealekanne) perforeeritud plaat liimikogust jälgitakse "kleepsu" või liimireservuaar on Liimi ühtlane jagunemine mitu liimi sissevoolu 3. hajutamaks liimi voolumõõturiga ja kahepoolse teibi pikem, kui spoonil liimituspeasse väljalaset kohandatakse vastavalt süsteem liimituseavad manuaalne (kõik ühekordne süsteem, puhastusaine puhastusaine süsteemi osad on peale iga liimitust valatakse 4. Süsteemi puhastamine pumbatakse süsteemist harjade süsteem võimalik kraani all ära visatakse liimised manuaalselt läbi pesta) osad minema süsteemi raskussensoriga klapp Liimijoa manuaalne klapp Start/stopp teatud 5. (avab/suleb vastavalt roteeritav klapp liimijuga on katteta avamine/lukustamine (inimene avab/suleb) aja tagant liimi kogusele) 37 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES LIIMIEKSTRUUDERI PROJEKTEERIMINE Edasi pandi paika disainiparameetrid ja hakati otsima parimat lahendust. Valituks osutus liimiekstrusioonil põhinev süsteem, kuna selle liimitusmeetodi liimikulu on kõige väiksem ja pealekanne ühtlane. Esmaste parameetrite teadasaamiseks viidi läbi katsed, mille jaoks ehitati kolm prototüüpi. Esimene oli 900 mm lai ja 4 mm liimitusavadega, teine oli 450mm lai ja 2,5 mm avadega ja kolmas oli muudatus teisest prototüübist. Kõik prototüübid näitasid, et liimi ühtlane jaotus on väljakutse ja liiga viskoosne liim ei lähe väikestest avadest läbi. Ehk tuleb väga täpselt jälgida liimitootja juhendeid. Peale katsetamist uuriti teooriat ja sarnaseid tooteid, et leida lahendus liimi ebaühtlasele jaotusele. Projekteeritud seadele pandi rohkem liimi sissevoolutorusid kui prototüüpidel. Liimitaja pea sisse pandi perforeeritud plaat, mis aeglustab liimi voolu ja aitab liimi paremini jagada. Töö käigus valiti ka materjalid masina osadele ja tehti arvutused pumba valikuks. Masina raam ehitatakse Al-profiilidest Minitec, sest Al-profiilidel saab teisi masina osasid mugavalt liigutada, liimitaja pea ja liimikogumisvann tulevad roostevabast terasest, sest see sobib liimisesse keskkonda (Joonis 17). Voolikute ühendused tehakse Cam-lock kiirliitmikega, et oleks mugav liimitaja reservuaari masina küljest võtta, nt. pesemiseks. Pump valiti voolikpump (peristaltiline), mis suudab ühtlaselt pumbata nii suuri kui ka väikeseid koguseid. Ühtlase jaotuse tagab ka pumba ja konveieri õiged kiirused. Töösse ei jõudnud konveieri projekteerimine ja liimiavasid kattev klapp, mis tehakse edaspidi. 38 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Joonis 17. Projekteeritud liimi ekstruuderi seade (Kängsepp 2023) 2.7. TP7. KIHILISE PUITPOLÜMEERKOMPOSIITMATERJALI DISAIN OPTIMAALSETE TUGEVUSOMADUSTE SAAVUTAMISEKS Projekti käigus arendati välja erinevad kombinatsioonid spoonipõhistele toodetele nagu vineer ja LVL. Eesmärk oli katsetada madala kvaliteediliste puiduliikide kasutamist nendes toodetes ja selgitada välja, kuidas näiteks parendatud omadustega tihendatud spoonikihid mõjutavad vineeri omadusi. Selleks arendati välja erineva struktuuriga vineerid. Eesmärk oli disainida optimaalse tugevusega vineerid, mis saavutaksid vähemalt kasevineeriga sarnased tulemused haava ja sanglepa spoone kasutades. Kuna puidu tihendamise protsess on lisaetapp tööstuses ja paindetugevus sõltub peamiselt pinnaspoonikihist, siis seati kõigepealt eesmärgiks kasutada tihendatud spoone pinnakihtides. Võrdlusena kasutati neid ka kõikides teistes kihtides. Eesmärk oli vaadata, kas on võimalik juba ka 39 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES ühe tihendatud spoonikihiga saavutada sarnaseid tugevusomadusi kasevineeriga. Selleks töötati välja erinevad vineeride struktuurid, mis on kirjeldatud allpool peatükkides. 2.7.1. KOLM ERINEVAT VINEERI STRUKTUURI Vineeri ladumisviisid töötati välja kasutades standardset spoonide ristiliimimise meetodit. Kõigepealt katsetati kolm erinevat ladumisskeemi tihendatud spoonide kasutamiseks vineeris. Tüüp I vineer toimib kontrollproovina, mis on valmistatud 1,5 mm paksusest tihendamata spoonidest. Tüüpide II ja III vineeride puhul on need kasutatud 3,0 mm paksustest tihendatud ja tihendamata pinnaspooni kihtidest (Joonis 18, Tabel 8). Täpsemad tulemused on avaldatud teadusajakirjas (Kallakas et al. 2024). Lisaks on need tulemused kaitstud ka magistritööna (Mühls 2024). Joonis 18. Vineeride skeemid (Kallakas et al. 2024) Tabel 8. Vineeride ladumisskeemid (Kallakas et al. 2024) Vineeri tüüp Tähis Ladumisskeem Tihendamata UN N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5 Pinnakiht tihendatud FVD D3.0→1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5- D3.0→1.5 D3.0→1.5- D3.0→1.5- D3.0→1.5- D3.0→1.5- D3.0→1.5- Kõik kihid tihendatud AVD D3.0→1.5- D3.0→1.5 2.7.2. VIIS ERINEVAT VINEERI STRUKTUURI Järgmisena lisati juurde ka 2,6 mm paksuseid spoone ja võrreldi nende ladumisskeeme. Kokku valmistati viis erinevat tüüpi vineeri, mis koosnesid seitsmest kihist. Nende vineeritüüpide üksikasjalik kirjeldus on esitatud Tabel 9. Vineeritüüpide II ja III puhul moodustati pealmised kihid, õmmeldes kokku kuus väikest tihendatud spooni, millest igaühe paksus oli 1,5 mm, tulemuseks 200 mm x 300 mm suurused pealmise kihi spoonilehed. Nendes näidistes olid keskmised kihid valmistatud ühest 200 mm x 300 mm x 1,5 mm tihendamata spoonist. Tüüp I vineer oli kontrollkatsekeha, mis oli suuruselt identne tüüpidega II ja III, kuid erinevus seisnes selles, et pealmised kihid olid valmistatud tihendamata spoonist. Haavavineeri puhul kasutati kahte tüüpi tihendatud spoone, mille paksus vähenes algselt 2,6 mm-lt või 3,0 mm-lt 1,5 mm-ni. Tüüpide IV ja V vineerid 40 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES valmistati kasutades tihendatud spoonide algset paksust enne tihendamist. Tulemuseks olid 12 mm paksused vineerid. Seda tehti võrdluseks 9 mm vineeridega, millel olid tihendatut pinnaspoonid. Täpsemad tulemused on kirjutatud teadusartiklis, mis on esitatud teadusajakirja avaldamiseks (Akkurt et al. 2024). Tabel 9. Täiendatud vineeride ladumisskeemid (Akkurt et al. 2024) Vineeri tüüp Ladumisskeem I N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5 II D2.6→1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5- D2.6→1.5 III D3.0→1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5- D3.0→1.5 IV N2.6-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N2.6 V N3.0-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N1.5-N3.0 41 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.8. TP8. KIHILISTE PUITPOLÜMEERKOMPOSIITMATERJALIDE OMADUSTE KARAKTERISEERIMINE 2.8.1. TIHENDATUD HAAVA JA SANGLEPA VINEERIDE TIHEDUS Eelnevalt valmistatud madalama kvaliteediga puiduliikidest vineeridel määrati kindlaks, missuguse tihedusega vineere on võimalik nendest saada. Järgmisena uuritu, kui palju muutub vineeri tihedus, kui sinna lisada juurde tihendatud spoonikihte. Erinevatest lehtpuuliikidest ja tihendatud spoonikihtidega valmistatud vineerproovid on näidatud Joonis 19. Tulemused näitavad, et vineeri tihedust mõjutab oluliselt (p<0,017) kasutatud lehtpuuliik. Spooni tihendamine suurendab selgelt haava ja sanglepa vineeri tihedust. Ootuspäraselt saavutati suurim tihedus siis, kui kõik vineeri kihid olid tihendatud, sest kõik spoonid olid siis suurema tihedusega. Sanglepa FVD ja AVD vineerid paistavad silma sarnase või isegi suurema tiheduse kui UN kasevineer (vastavalt 822,98 kg/m³ ja 896,73 kg/m³ sanglepal võrreldes 824,30 kg/m³ kasevineeril). Lisaks näitas sanglepa AVD vineer 72,43 kg/m³ suuremat (p=0,005) tihedust kui UN kasevineer. Haava- ja sanglepa vineerproovide puhul ilmnesid kõikide erinevate vineeritüüpide tihedustes märkimisväärsed erinevused (p<0,017), mis tõestab, et puidu tihendamine avaldab vineeri tihedusele olulist mõju. See on loogiline, arvestades, et suurem tihendatud vineerikihtide arv vineeripaneelis suurendab ka kogu paneeli tihedust. Täpsemad tulemused on toodud hetkel avaldamisel olevas teadusartiklis (Kallakas et al. 2024) Joonis 19. Vineeritüüpide keskmised tihedused (Kallakas et al. 2024) 42 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Edasi uuriti viie eelnevalt arendatud vineeritüübi (Tabel 9) tihedusi. Tulemused on välja toodud Joonis 20. Nende vineeritüüpide puhul andsid väikseima tiheduse haava tüüp IV vineerproovid 517 kg/m³, samas kui suurim tihedus oli sanglepa tüüpi III vineerproovides, 846 kg/m³. Tulemustest selgus, et haavavineeri tihedus tihendatud pealmiste kihtidega spoonide korral (2,6 mm ja 3,0 mm tihendatud kuni 1,5 mm) oli oluliselt suurem kui haava vineeril, millel olid tihendamata kihid (1,5 mm). Sarnast tendentsi täheldati ka sanglepa vineeride puhul. See näitab hästi tihendatud spoonikihtide lisamise olulist mõju vineeri lõplikule tihedusele. Täpsemad tulemused on toodud avaldamisel olevas teadusartiklis (Akkurt et al. 2024). Aspen Black alder Birch 900 800 700 Density, kg/m³ 600 500 400 300 200 100 0 I II III IV V I III V I Aspen Black Alder Birch Plywood type Joonis 20. Viie erineva vineeritüübi keskmised tihedused (Akkurt et al. 2024) 2.8.2. MEHAANILISED OMADUSED PINNAKÕVADUS Pinnakõvaduse juures on näha trendi, kus tihendatud spoonide lisamine vineeri tõstab oluliselt (p<0,017) vineeri pinnakõvadust võrreldes tihendamata UN vineeriga (Joonis 21). FVD haava ja sanglepa vineeri pinnakõvadus oli vastavalt 65 % ja 93 % suurem kui UN vineeril. Seda olulist pinnakõvaduse muutust tihendamise tulemusena võib seostada rakkude ja kiudude luumenite sulgumise ning treilõhede kokkusurumisega. Siiski ei täheldatud, et pinnakõvadus oleks oluliselt (p>0,5) suurenenud võrreldes FVD vineeriga, kui kõik vineeri kihid olid tihendatud (AVD). Seda võib seletada pinnakõvaduse mõõtmise meetodiga, kus kõvadust mõõdetakse ainult vineer ühelt poolt, mistõttu teised kihid ei mõjuta oluliselt vineeri pinnakõvadust. 43 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Kui võrrelda madala kvaliteediga puiduliikidest tihendamise teel valmistatud vineeri kõvadust tihendamata spoonsit kasevineeri (UN) kõvadusega, siis tihendamine suurendab märkimisväärselt puidu pinnakõvadust, saavutades või isegi ületades kasevineeri pinna kõvaduse (Joonis 21). Haava FVD vineeril oli kasevineeriga sarnane pinnakõvadus (p=0,041), samas kui AVD proovid näitasid veidi suuremat pinnakõvadust kui kasevineeril (p=0,013). Sanglepa FVD ja AVD vineeriproovid omasid aga märkimisväärselt (p<0,017) suuremat pinnakõvadust kui UN kasevineeril. Nendest tulemustest selgub, et puidu tihendamisega on võimalik olulise määralt parandada madalakvaliteedilise puidu pinnakõvadust. See on väga oluline konstruktsioonmaterjalide puhul, eriti just põrandalaudade või plaatide puhul, kus pinnakõvadus suurendab kraape- ja kulumiskindlust. Täpsemad tulemused on toodud avaldamisel olevas teadusartiklis (Kallakas et al. 2024). Joonis 21. Vineeride pinnakõvadused (Kallakas et al. 2024) KRUVIVÄLJATÕMBE TUGEVUS Kruviväljatõmbe tugevus on oluline tugevusnäitaja just konstruktsioonplaatide juures, kus on oluline kruviühenduste vastupidavus välistele jõududele. Peamiseks probleemiks madalama kvaliteediga puiduliikidel on nende ebapiisav kruviühenduste tugevus. Seetõttu uuriti siin projektis kruviväljatõmbe tugevust ja puidu tihendamise mõju selle parandamisel. Tulemustest on näha, et spooni tihendamine omab positiivset mõju nii kruvi väljatõmbe tugevuse osas (Joonis 22). Sanglepa puhul (AVD vineeritüüp) saavutati tihendamise tulemusel kõrgeim kruvi väljatõmbamise koormus (1997,79 N) ja vastupidavus (59,38 N/mm²). Siiski ei ole see oluliselt suurem (p=0,022) võrreldes kase UN (mitte-tihendatud) vineeri kruvide väljatõmbe tugevusega (57,87 N/mm²). 44 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Oluline tähelepanek on see, et täiendavate tihendatud kihtide lisamine sanglepa vineerile ei parandanud märkimisväärselt kruviväljatõmbamise tugevust, vaid ainult 5,74 N/mm² võrra (FVD võrreldes AVD vineeriga), mis ei olnud statistiliselt oluline (p=0,140). Seevastu maksimaalse kruvi väljatõmbamise koormuse osas on AVD vineeril selgelt märkimisväärselt (p<0,017) suurem maksimaalne koormus võrreldes FVD vineeriga. Tulemustest võib järeldada, et tihendatud pinnaspoonidega on võimalik oluliselt parandada vineeri kruviväljatõmbe tugevust. Tihendatud pinnaspooni lisamine vineerile suurendas 35% ja 16% kruvi väljatõmbetugevust vastavalt sanglepa ja haava FVD vineeride puhul võrrelduna UN vineeriga. Veelgi paremaid tulemusi saavutati, kui kõik spoonikihid olid tihendatud, siis kasvas kruvide väljatõmbetugevus vastavalt 50% sanglepa AVD ja 38% haava AVD vineeride puhul võrreldes UN vineeriga. Täpsemad tulemused on toodud avaldamisel olevas teadusartiklis (Kallakas et al. 2024). Joonis 22. Vineeride kruviväljatõmbe tugevus (Kallakas et al. 2024) LIIMÜHENDUSE TUGEVUS Standardne vineer ja tihendatud pinnaspoonidega vineer läbisid liimühenduse tugevuse testid. Tulemused on kokku võetud Tabel 10. Katsetulemused näitasid, et spooni tihendamise ja vineeri liimühenduse tugevuse vahel ei esinenud olulist seost. Täheldatud erinevused liimühenduse tugevuses osutusid oluliseks ainult erinevate puiduliikide puhul, kusjuures kasevineer näitas suurimat liimühenduse tugevust (keskmiselt 2,23 MPa) ja haavavineer madalaimat (keskmiselt 1,53 MPa). Pigem võib öelda, et liimühenduse kvaliteet sõltub rohkem liimikulust, mis oli algselt erinevatel puiduliikidel erinevad ja ka tihendatud ha tihendamata spoonidega vineeridel erinevad. Täpsemad tulemused on toodud avaldamisel olevas teadusartiklis (Akkurt et al. 2024). 45 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES Tabel 10. Vineeride liimühenduse tugevus (Akkurt et al. 2024) Puiduliik Vineeri tüüp Keskmine tugevus, (MPa) StDev, (MPa) I 1.72 0.28 II 1.53 0.38 Haab III 1.78 0.02 IV 1.59 0.39 V 1.29 0.23 I 1.76 0.33 Sanglepp III 1.90 0.03 V 1.84 0.32 Kask I 2.29 0.39 PAINDETUGEVUS Paindetugevus on üks peamisi tugevusnäitajaid vineeridel kasutamiseks ehituskonstruktsioonides. Mitmeid trende võib täheldada paindetugevuse (σ) ja maksimaalse jõu (Fmax) võrdluse tulemustest (Joonis 23). Esiteks, erinevate puiduliikide kontrollproovide (tüüp I) hulgas näitas kasevineer kõige suuremat paindetugevust (σ = 123 MPa) ja maksimaalset jõudu (Fmax = 1437 N), samas kui haab näitas keskmiselt madalaimaid väärtusi (σ = 82,7 MPa ja Fmax = 946 N). Teiseks, tihendatud pealmiste spoonikihtide kasutamine suurendas oluliselt tüüp II ja tüüp III haavavineeride paindetugevust vastavalt 13 % ja 26 % võrreldes tüüp I haava kontrollproovidega, millel olid tihendamata spoonikihid. Sama trend kehtis ka sanglepa vineeriproovide puhul, kui võrreldi tüüp III ja tüüp I vineere. Lisaks, mida suurem on pinnaspooni tihendamise aste, seda suurem on tugevuse kasv tüüp II ja tüüp III haava vineeride puhul. Näiteks pealmiste kihtide tihendamine 2,6 mm ja 3,0 mm spooni paksustelt kuni 1,5 mm spooni paksuseni suurendas tugevust vastavalt 13 % ja 26 % võrreldes tüüp I vineeridega. Paindetulemuste põhjal täheldati suurimat paindetugevust (σ) tüüp III vineerides nii haava kui ka sanglepa puhul, samas kui suurimad Fmax väärtused saadi tüüp V vineeridest. Tulemused näitavad, et spoonide tihendamine suurendab märkimisväärselt tugevust ja Fmax võrreldes kontrollproovidega (tüüp I), mille paksus on sama kui tihendatud spooniga katsekehadel. Siiski, kuigi paindetugevus suureneb, on vineeride kandevõime võrreldes 46 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES kontrollproovidega (tüüp V), mille paksus on 12 mm ja mille pinnaspoonid on tihendamata, oluliselt vähenenud. Lisaks, võrreldes tüüp III sanglepa vineeri standardse tüüp I kase vineeriga, näitas sanglepp keskmiselt suuremat paindetugevust kui kask, kuid erinevus ei olnud statistiliselt oluline. Siiski, samade vineeride puhul näitasid Fmax ja elastsusmooduli võrdlused, et sanglepp saavutas oluliselt kõrgemad tulemused võrreldes tüüp I kase vineeriga. Kokkuvõttes võib öelda, et projekti tulemused näitasid suuremat paindetugevust tihendatud spoonidega vineeridel sama paksuse juures. Kuid, kui mõõtmete piiranguid pole ja vineer puutub kokku paindekoormustega, on parem kasutada tihendamata spoonikihte vineeri tootmiseks. See tuleneb sellest, et tihendamata spoonikihid pakuvad suuremat kandevõimet tänu suuremale paksusele ja inertsimomendile, mis on võrdeline paksuse ruumalaga. Vineeri tootmise seisukohalt suureneb materjalikasutus, kui kasutatakse tihendatud spoonikihte, arvestades puidu tihendamise protsessi materjalikulu, energiavajadusi, pundumist ja mõõtmete ebastabiilsust. Puuduvad selged eelised vineeris kõikide spoonikihtide tihendamiseks. Täpsemad tulemused on toodud hetkel avaldamisel olevas teadusartiklis (Akkurt et al. 2024). Joonis 23. Vineeride paindetugevused ja maksimaalsed paindejõud (Akkurt et al. 2024) 47 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.8.3. SPOONIJÄÄKIDEST VALMISTATUD PUITKOMPOSIITIDE OMADUSED Projektis analüüsiti 1,5 mm paksusega väikestest ja suurtest kasespoonijääkidest (ribaspoonist) fenoolliimiga (Prefere) valmistatud 12 mm LVL-P, LVL-C ja vineeri materjali füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi. Töös määrati puitkomposiitide tasakaaluniiskus, tihedus (EN 322), liimühenduse kvaliteet /nihketugevus (EN 314-1, EN 314-2) ning paindetugevus ja paindeelastsumoodul (EN 310) kahes eri katsekeha katseasendis (tasapinnaline ja servapidi). (Kalju 2024) Liimikulu, tiheduse ja nihketugevuse tulemused näitasid standardseid väärtuseid, mis näitab, et valmistatud materjali valmistamise protsess laboris oli kvaliteetne ning spoonijääkidest ribaspoonide kasutamine ei halvendanud omadusi. Tulemused on väljatoodud alljärgnevalt Tabel 11, kus tähistus „Õ“ – märgib kokku ühendatud väikeseid e õmmeldud spoonijääke. Liimühenduste kvaliteeti kontrolliti materjalidel, kus spoonikihid asetsesid ka ristisuunas (seega LVL-P katsekehad jäid kõrvale) ning kõikidel katsekehadel kontrolliti katsekehade kõige keskmiseid spoonikihte. (Kalju 2024) Tabel 11. Spoonijääkidest valmistatud LVL-P, LVL-C ja vineeri materjali tasakaaluniiskus katsetamisel, liimikulu, tihedus ja nihketugevus (Kalju 2024) Nihketugevus, Materjal Niiskus, % Liimikulu, g/m2 Tihedus, kg/m3 N/mm2 LVL-P 155 744 - LVL-P_Õ 154 740 - LVL-C 161 741 1,95 8,76 LVL-C_Õ 152 761 2,19 VINEER 164 763 2,3 VINEER_Õ 161 772 2 Suurimad paindetugevuse ja paindeelastusmooduli väärtused saavutati tasapinnaliselt asetsenud katsekehade hulgas ja kõige väiksemad tulemused servpaindel. Samuti katsetati katsekehasid pikisuunaliselt ja ristisuunaliselt pealmise spoonikihiga, kus ka parimad tulemused saavutati pikisuunalistel katsekehadel ja halvimad ristisuunalistel katsekehadel. Paindetugevuse ja paindeelastusmooduli väärtused on esitatud Tabel 12, kus märgistus tähendab järgnevat: 48 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES ll – pealmise spoonikihi puidusüü suund on pikisuunas katsekehaga; ⟂ - pealmine spoonikihi puidusüü suund on ristisuunas katsekeha pikkusega. (Kalju 2024) Tabel 12. Spoonijääkidest valmistatud LVL-P, LVL-C ja vineeri paindetugevuse ja elastusmooduli tulemused (Kalju 2024) Paindetugevus, N/mm2 Elastsusmoodul, N/mm2 Tasapinnaline Servpainde- Tasapinnaline Servpainde- Materjal katsekeha katsekeha katsekeha katsekeha ll ⟂ ll ⟂ ll ⟂ ll ⟂ LVL-P 171,8 13,6 85,7 11,4 18 512,6 829,7 - - LVL-P_Õ 166,3 12,5 87,9 9,1 17 778,5 880,5 - - LVL-C 135,9 25,3 91,0 41,5 15 446,1 1496,0 5204,1 3121,0 LVL-C_Õ 139,6 23,4 87,5 42,0 15 373,5 1434,5 5092,7 3377,6 VINEER 116,7 78,4 - - 11 835,6 6771,6 - - VINEER_Õ 115,8 76,4 - - 12 731,9 6525,6 - - Kuna vineeri põhiline kasutusala on kui plaatmaterjal, siis ei viidud selle materjalitüübiga läbi servpainde katsetusi. Küll aga tehti servpainde katsetusi LVL materjalidega, kuna seda materjali kasutatakse ka ehituses nt talana. LVL-P materjali puhul ei ole elastusmooduli tulemusi võimalik esitada katsetamisel andmete ülesmärkimisel tehtud inimliku vea tõttu. (Kalju 2024) Tulemused näitasid, et õmmeldud spoonide kasutust vahespoonidena materjalides ei mõjutanud märkimisväärselt materjali vastupanu paindele. Kõik erinevad muutused katsetulemustes olid põhjustatud vaid spoonikihtide asetusest ning puidukiu suunast katsekehadel. Statistilise analüüsi tulemusena (t-test) ei leitud erinevate katsegruppide vahel statistiliselt märkimisväärseid erinevusi, st ei olnud vahet, kas materjal oli valmistatud väikestest õmmeldud spoonijääkidest (ribaspoon) või suurema mõõtmetega spoonijääkidest. Detailse ja põhjaliku tulemuste esituse ja analüüsiga saab tutvuda bakalaureusetöös „Spoonijääkide taaskasutamine spoonliimpuit-toodete valmistamisel“. (Kalju 2024) 49 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES 2.9. TP9. PROJEKTI ADMINISTREERIMINE Projektis oli projektijuhi poolt jagatud töö teostamine põhitäitjate vahel vastavalt tööpakettide järgi, kus iga tööpaketi eest vastutas vähemalt üks põhitäitja. Projektijuht koordineeris kõikide tööpakettide täitmis ja tema poolt oli iga kahe nädala tagant korraldatud projekti koosolekud kus arutati projektis tööpakettide tegevusi ja nende täitmist. Tööde teostamisel osalesid ka bakalaureuse-, magistri- ja doktoriõppe tudengid, kes said läbi projekti teostada oma lõputöid. Projekti finantspoole, kuludokumentide ja tööajatabelite täitmise korraldas TalTech raamatupidamisosakond. Projektijuht vastutas andmete kogumise eest ja koordineeris projekti tulemuste esitamist ning lõppraporti kirjutamist. 2.10. TP10. PROJEKTIS VAJAMINEVATE SEADMETE HANKIMINE Selles projektis ei hangitud uusi seadmeid projekti toetuse eest. Projekti käigus projekteeriti uus liimiekstruuder, mis on toodud aruandes 2.6. Projekti käigus projekteeriti ka uued kuumutus- ja jahutussüsteemiga pressplaadid puidu tihendusprotsessi täpseks kontrollimiseks ning täiustati spoonikuivatuse niiskusemääramise süsteemi. 2.11. TP11. ÜLDKULULÕIV PALGAKULUDELT Vastavalt ülikooli üldkulu eraldise eeskirjale maksti üldkululõivuks 15% palgakuludelt, mis on väljatoodud eraldi tegevusena projektis. 50 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES KOKKUVÕTE Projekti eesmärgiks oli Eestis vähekasutatud ja madalakvaliteediliste puiduliikide väärindamine uutes puitkomposiitides. Projekti käigus kasutati peamiselt nelja erinevat puiduliiki: kask, haab, sanglepp ja hall lepp. Kask oli projektis kõrge kvaliteediga referentsmaterjal, millega teisi madalama kvaliteediga puiduliike võrreldi. Kõigepealt määrati kindlaks nende puiduliikide füüsikalised omadused. Katseliselt valiti nende mehaaniliste omaduste parandamiseks puidu tihendamise protsess, mida oleks ka tootmises võimalik lihtsalt kasutada juba olemasolevate seadmetega. Peamiseks puitpolümeerkomposiitideks antud projektis olid vineer ja spoonliimpuit. Puidu tihendamisprotsessi ja sellest valmistatud tihendatud spooni omaduste uurimise selgus, et puidust ligniini eemaldamine võib oluliselt hõlbustada puidu tihendamist, säilitades samal ajal puidurakkude terviklikkuse. Ligniini eemaldamise tulemusena säilitasid puiduproovid pärast niisketes tingimustes viibimist, vees leotamist ja ahjus kuivatamist (madalam mõõtmete taastumine, SR) parema mõõtmete stabiilsuse. Ligniini eemaldamise kombineerimine suure niiskusesisaldusega tihendamise ajal osutus kasulikuks, vähendades mõõtmete taastumist kogumõõtmetest 70%-ni. Tulemused kinnitavad ligniini rolli puidurakuseina deformatsiooni taastumisel tihendamise ajal ja rakuseina algse kuju taastamisel uuesti niiskumisel. Mõõtmete taastumise tihendatud puidu niiskumisel vähenes tihendatud spoonil, millest oli ligniin eelnevalt eemaldatud. Kuna mõõtmete taastumine tihendatud puidu niiskumisel siiski esineb jääb ligniini eemaldamise mõju selles aspektis väikeseks ja vaja on uurida ka hemitselluloosi mõju. Tihendatud spoonide kombineerimisel vineeris täheldati, et madala kvaliteediga puiduspoonide tihendamine ja nende kasutamine vineeri pinnakihtides suurendab oluliselt vineeri üldist tihedust. Siiski saavutas ainult sanglepa kõikide tihendatud spoonidega vineer suurema tiheduse kui kasevineer. Täheldati statistiliselt olulist positiivset korrelatsiooni (r = 0.776 ja p < 0.05) vineeri tiheduse ja kruvi väljatõmbejõu vahel, mis püsis samasugune kõigi erinevate puiduliikidega vineeritüüpide puhul. Tulemused toetavad hüpoteesi, et ainult pinnaspoonide tihendamisega saavutatud suurem vineeri tihedus parandab märkimisväärselt kruvi väljatõmbetugevust. Sellegipoolest jäi kruvi väljatõmbejõud kõrgeimaks kasevineeri ja tihendatud spoonikihtidest valmistatud sanglepa vineeri puhul. Siiski suurendasid tihendatud pinnaspoonid märkimisväärselt haava ja sanglepa vineeri kruvi väljatõmbejõudu võrreldes kasevineeriga. Järeldati, et vineeri pinnakihi tihedus mõjutab oluliselt vineeri pinnakõvadust. Ülejäänud vineerikihtide tihedus ei näidanud märkimisväärset panust pinnakõvadusse. Seevastu, 51 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES suurem arv tihendatud kihte vineeris andis märkimisväärse panuse kruvi väljatõmbejõu suurenemisse. See kasv on tingitud tihendatud puidus kokkusurutud kiududest ja kompaktsest struktuurist, mis tugevdavad ühendust kruvi keerme ja puidu vahel. See efekt muutub märgatavamaks, kui vineeri kihtides on rohkem tihendatud spoonikihte. Tihendatud vineeri pinnakihid suurendavad paindetugevust ja jäikust võrreldes samasuguse paksusega tihendamata vineeriga. Tihendatud vineeridel oli madalam pinnakaredus, kuid see ei mõjutanud tihendamata ja tihendatud vineeride liimühenduse kvaliteeti. Kui materjali paksusel ei ole mõõdupiiranguid ja vineer töötab paindekoormusele, on soovitatav vineeri tootmiseks kasutada tihendamata spoone. Seda seetõttu, et tihendamata vineerid tagavad suurema kandevõime tänu suuremale paksusele ja jäikusele. Vineeri tootmisel suureneb materjalikulu tihendatud vineeride kasutamisel, arvestades tihendusprotsessi materjalikulu, pundumise ja mõõtmete stabiilsuse probleeme. Seetõttu on läbini tihendatud spoonikihtidest valmistatud vineeril olulisi eeliseid tihendatud pinnaspoonidega vineeri ees. Spooni tihendamine töötab paremini konstruktsioonimaterjali töötamisel tõmbe- ja survekoormuse tingimustes, kuna tugevus nendes olukordades on pöördvõrdeline paksusega. Tihendatud spoonide kasutamine ainult vineeri ülemistes ja alumistes kihtides võib suurendada vastupidavust paindekoormustele sarnaselt kõigi kihtide tihendatud vineeriga, kuid on väiksema materjalikuluga. Kihtide arvu optimeerimine võib vähendada kandevõime kadu. Selle väikese kompromissiga on võimalik toota vineeri väiksemate paksusmõõtudega või vineeri, mis näitab suuremat paindetugevust, kandevõimet ja suuremat elastsusmoodulit võrreldes sama paksusega tihendamata spoonidest valmistatud vineeriga, ilma tootmisprotsessi muutmata. Tervetest spoonijääkidest valmistatud spoonliimpuidust katsekehadel ei olnud võrreldes väikestest spoonijääkidest (ehk õmmeldud spoonidest) valmistatud katsekehadega märkimisväärseid erinevusi tugevuskatsete tulemustes. Ka vineerist katsekehad näitasid võrreldes vineeri käsiraamatus (Latvijas Finieris) esitatud andmetega sarnaseid katsetulemusi. Kokkuvõtteks võib öelda, et projektile seatud eesmärgid said täidetud. Projekti tulemusena tõestati, et madala kvaliteedilisi puiduliike nagu sanglepp, hall lepp ja haab on läbi puidu tihendamise ja erinevate kihtidega kombineerimise võimalik edukalt kasutada puitkomposiitmaterjalides (vineer ja spoonliimpuit). Spoonitootmisel ülejäävaid ribaspooni jääke on võimalik edukalt kasutada spoonliimpuidu tootmisel. 52 EESTI VÄHEKASUTATUD PUIDULIIKIDE KASUTUSVÕIMALUSED UUTES SPOONIPÕHISTES TOODETES KASUTATUD KIRJANDUS Akkurt, Tolgay, Anti Rohumaa, Heikko Kallakas, Alexander Scharf, and Jaan Kers. 2024. ‘Enhancing the Bending Strength, Load-Carrying Capacity and Material Efficiency of Aspen and Black Alder Plywood through Thermo-Mechanical Densification of Face Veneers’. Construction and Building Materials. Kalju, Loretta. 2024. ‘SPOONIJÄÄKIDE TAASKASUTAMINE SPOONLIIMPUIT-TOODETE VALMISTAMISEL’. Bachelors thesis, Tallinn University of Technology, Tallinn. Kallakas, Heikko, Tolgay Akkurt, Alexander Scharf, Fred Mühls, Anti Rohumaa, and Jaan Kers. 2024. ‘The Effect of Hardwood Veneer Densification on Plywood Density, Surface Hardness, and Screw Withdrawal Capacity’. Preprints. doi: 10.20944/PREPRINTS202406.0401.V1. Kängsepp, Kärt. 2023. ‘LIIMITUSSEADME PROJEKTEERIMINE PUIDUTEHNOLOOGIA LABORILE’. Master’s thesis, Tallinn University of Technology, Tallinn. Kilumets, Catherine, Heikko Kallakas, Sally Ralph, J. Y. Zhu, Christopher G. Hunt, Anti Rohumaa, and Jaan Kers. 2024. ‘Effect of Lignin on Veneer Densification and Set- Recovery’. Construction and Building Materials. Mühls, Fred. 2024. ‘ENHANCING PLYWOOD SCREW WITHDRAWAL STRENGTH AND SURFACE HARDNESS PROPERTIES WITH DENSIFICATION OF FACE VENEERS’. Master’s thesis, Tallinn University of Technology, Tallinn. 53

Allikas: Tallinna Tehnikaülikool dokumendiregister →