Lepa ja haava uus elu: teadlaste läbimurre Eestist

Lepa ja haava uus elu: teadlaste läbimurre Eestist. 11.07.2024. Just see selgus TalTechi professori Jaan Kersi juhitud ja SA Keskkonnainvesteeringute Keskuse toetatud projekti „Eesti vähekasutatud puiduliikide kasutusvõimalused uutes spoonipõhistes toodetes“ värsketest tulemustest. Ligniini eemaldamist võib pidada edu saavutamise üheks teguriks. Kersi sõnul kasutati projekti käigus peamiselt nelja puiduliiki, milleks olid kask, haab, sanglepp ja hall lepp. „Kask oli projekti raames kõrge kvaliteediga referentsmaterjal, millega võrreldi teisi, madalama kvaliteediga puiduliike,“ ütles Kers. Uurimistöös määrati kõigepealt kindlaks kõnealuste puiduliikide füüsikalised omadused. „Katseliselt valiti nende mehaaniliste omaduste parandamiseks puidu tihendamise protsess, mida oleks tootmises võimalik ka juba olemasolevate seadmetega lihtsalt kasutada,“ selgitas professor. Peamisteks katsete käigus uuritud puitpolümeerkomposiitideks olid vineer ja spoonliimpuit. Ligniin kui võtmetegur Mida näitasid tulemused? Puidu tihendamisprotsessi ja selle tulemusel saadud spooni omaduste uurimisel selgus, et osaline ligniini eemaldamine puidust võib oluliselt hõlbustada selle tihendamist, aga aidata samas säilitada puidurakkude terviklikkust. Kõikide materjalide valmistamiseks kasutati spoonijääke, mis jäid üle vineeri valmistamisest | Foto: TalTech Kers lisas, et ligniini eemaldamise tulemusena säilitasid puiduproovid pärast niisketes tingimustes viibimist, vees leotamist ja ahjus kuivatamist mõõtmete parema stabiilsuse: „Tihendamise ajal osutus kasulikuks kombineerida omavahel ligniini eemaldamist ja suurt niiskusesisaldust, sest see vähendas mõõtmete taastumist kogumõõtmetest 70%-ni.“ Tulemused näitasid, et tihendamise ajal mängis ligniin puidurakuseina deformatsiooni taastumisel olulist rolli ning samuti aitas ligniin taastada korduval niiskumisel rakuseina algse kuju. Kui tihendatud spoonist oli eelnevalt eemaldatud ligniin, vähendas see tihendatud puidu niiskumisel algsete mõõtmete taastumist. „Kuna mõõtmete taastumist tihendatud puidu niiskumisel siiski esineb, jääb ligniini eemaldamise mõju selles aspektis väikeseks ja vaja on uurida ka teiste puidukomponentide mõju,“ märkis Kers. Lisaks täheldasid teadlased, et madala kvaliteediga puiduspoonide tihendamine ja nende kasutamine vineeri pinnakihtides suurendab oluliselt vineeri üldist tihedust. „Siiski saavutas kasevineerist suurema tiheduse ainult sanglepa kõikide tihendatud spoonidega vineer,“ tõdes Kers. Samuti täheldati tugevat positiivset korrelatsiooni vineeri tiheduse ja kruvi väljatõmbejõu vahel, mis oli kõigi erinevate puiduliikidega vineeritüüpide puhul samasugune. „Tulemused toetavad hüpoteesi, et pelgalt pinnaspoonide tihendamisega saavutatud suurem vineeritihedus parandab märkimisväärselt kruvi väljatõmbetugevust.“ Millise puiduliigi puhul on kruvi väljatõmbejõud kõrgeim? Kruvi väljatõmbejõud jäi kõrgeimaks kasevineeri ja tihendatud spoonikihtidest valmistatud sanglepavineeri puhul. Siiski, kui võrrelda kasevineeriga, suurendasid tihendatud pinnaspoonid märkimisväärselt haava- ja sanglepavineeri kruvi väljatõmbejõudu. Järeldus on, et vineeri pinnakihi tihedus mõjutab oluliselt vineeri pinnakõvadust. „Ülejäänud vineerikihtide tihedus ei suurendanud pinnakõvadust märkimisväärselt. Seevastu aitas tihendatud kihtide suurem arv vineeris suurendada kruvi väljatõmbejõudu,“ ütles Kers. See kasv on professori sõnul tingitud tihendatud puidu kokkusurutud kiududest ja kompaktsest struktuurist, mis tugevdavad kruvi keerme ja puidu vahelist ühendust: „Efekt muutub märgatavamaks, kui vineerikihtides on rohkem tihendatud spoonikihte. Tihendatud vineeri pinnakihtidel on suurem paindetugevus ja jäikus kui samasuguse paksusega tihendamata vineeril. Tihendatud vineeride pinnakaredus on jällegi madalam, kuid see ei mõjuta tihendamata ja tihendatud vineeride liimühenduse kvaliteeti.“ Millisel materjalil on suurem kandevõime? Kui materjali paksusel ei ole mõõdupiiranguid ja vineer töötab paindekoormusel, on Kersi sõnul soovitatav vineeri tootmiseks kasutada tihendamata spoone: „Tihendamata vineerid tagavad tänu suuremale paksusele ja jäikusele ka suurema kandevõime.“ Kui kasutada vineeri tootmisel tihendatud vineere, siis suurendavad tihendusprotsessi materjalikulu, pundumine ja mõõtmete stabiilsusega seonduvad probleemid ka üldist materjalikulu. Seetõttu on läbini tihendatud spoonikihtidest valmistatud vineeril olulisi eeliseid tihendatud pinnaspoonidega vineeri ees. “Spooni tihendades on mõttekam asetada konstruktsioonimaterjal tõmbe- ja survekoormuse tingimustesse, sest nendes olukordades valitseb tugevuse ja paksuse vahel pöördvõrdeline seos. Kui kasutada tihendatud spoone ainult vineeri ülemistes ja alumistes kihtides, võib see suurendada sarnaselt läbinisti tihendatud vineeriga vastupidavust paindekoormuste suhtes, kuid vähendada materjalikulu. Kihtide arvu optimeerimine võib vähendada kandevõime kadu. Selle väikese kompromissiga on võimalik toota vineeri väiksemate paksusmõõtudega või kui võrrelda sama paksusega tihendamata spoonidest valmistatud vineeriga, siis vineeri, mis näitab suuremat paindetugevust, kandevõimet ja suuremat elastsusmoodulit – ning seda ilma tootmisprotsessi muutmata,“ loetles Kers. Kokkuvõtvalt saab Kersi sõnul öelda, et projekt tõestas, kuidas vähemväärtuslikuks peetavaid sangleppa, halli leppa ja haaba on puidu tihendamise ja erinevate kihtidega kombineerimise tulemusel võimalik kasutada edukalt puitkomposiitmaterjalides (vineer ja spoonliimpuit): „Spooni tootmisest üle jäävaid ribaspoonijääke on aga võimalik edukalt kasutada spoonliimpuidu tootmisel.“ Uurimisrühma kuulusid lisaks professor Jaan Kersile professor Heikko Kallakas, teadur Anti Rohumaa, insener Kärt Kängsepp, doktorant-nooremteadurid Tolgay Akkurt ja Catherine Kilumets ning tehnik Margus Kangur. Mis puitu Eestis milleks kasutatakse? Tänasel päeval kasutatakse Eestis puitkomposiitide valmistamiseks lehtpuiduliikidest vaid kaske ning okaspuiduliikidest kuuske ja mändi. Okaspuidu kõrge hinna ja kättesaadavuse halvenemise tõttu püütakse ehituslikes konstruktsioonides kasutada suure tihedusega lehtpuiduliike (pööki, tamme), põhjuseks nende suuremehaaniline tugevus. Samas on suure tihedusega puiduliikide varud piiratud. Kasepalki ja kasepakku kasutab toorainena spooni- ja vineeritööstus, kus võib tootmismahtude kiire kasvu tõttu tekkida raskusi tooraine kättesaadavusega. Viimastel aastatel on hüppeliselt kasvanud kasepalgi turuhind, mis vähendab tootmise kasumlikkust ja raskendab konkureerimist välisturgudel. Samas on Eestis kasutamata kaks korda odavama hinnaga puitmaterjal (haab, hall lepp, sanglepp), mis võiks asendada puitkomposiitides kasepuitu. (NB! Kasega võrreldes on madalakvaliteedilise puidu kasutamist pärssivaks teguriks väiksem tihedus, kõvadus ja nõrgemad mehaanilised omadused.) Viimastel aastatel on kohaliku puittooraine ehk ümarpalgi ühikuhind oluliselt tõusnud, mistõttu on tekkinud vajadus uurida võimalusi madalakvaliteedilise ja seni vähekasutatud puiduliikide (haab, hall lepp, sanglepp) kasutamiseks puitkomposiitide tootmise toorainena. Madalakvaliteedilise tooraine puhul on õhukeste puidulehtede lõikamisel probleemiks palkide ühe- ja kahesuunaline kõverus, mis vähendab väikese ladvadiameetriga (15–24 cm) palkide korral väljatulekut. Kas teadsid? 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 materjaliomaduseks, kuna see on tugevas korrelatsioonis puidu tugevusomadustega.