FI123381B - Menetelmä puumateriaalin parantamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ PUUMATERIAALIN PARANTAMISEKSI

Keksintö koskee synteettistä polymeeriä sisältävän puun valmistusmenetelmää, jossa puukappaleeseen imeytetään nestettä, jossa on polymeroituvaa ainetta, ja polymeroituva aine polymeroidaan pitämällä imeytetty puukappale lämpötilaa säätävien pintojen välissä suljetussa tilassa.

Useiden puulajien teknistä käyttöä rajoittaa niiden luonnollinen pehmeys. Puuaineksen pehmeys kuten sen muutkin mekaaniset lujuusominaisuudet johtuvat puun mikrorakenteesta. Tämä on eri puulajeilla hyvin erilainen. Kaikki puulajit koostuvat pääasiassa run-gonsuuntaisista ontoista soluista eli puukuiduista, joiden koko ja rakenne vaihtelevat puulajeitta! n. Mitä suurempia puun soluontelot ovat suhteessa solun kokoon, sitä pehmeämmästä ja heikommasta puuaineksesta voidaan puhua. Biologisesta alkuperästä johtuen puupinta on lisäksi arka likaantumiselle, kulutukselle ja mikro-organismien aiheuttamille vahingoille, etenkin kosteissa tiloissa ja vaihtelevissa sääolosuhteissa. Lisäksi puumateriaalien käyttöä vähentää materiaalin palonarkuus.

Eri puulajien ja myös samankin puulajin eri osien, pinta-ja sydänpuun sekä kevät-ja ke-säpuun, permeabiliteetti eli nesteiden läpäisykyky vaihtelee niin paljon, että materiaalin käsiteltävyyttä ja siitä saatavia tasaisia kovuus-ja muut ominaisuuksia on vaikea tai jopa mahdoton saavuttaa. Puun anisotrooppisella rakenteella on siten tärkeä merkitys tuotteen soveltuvuuteen esimerkiksi lattianpäällysteiden pintamateriaaliksi. Anisotrooppisella rakenteella tarkoitetaan puun erilaisia rakenne-ja lujuusominaisuuksia säteen-, tangentin-ja pituussuunnassa. Puumateriaali työstetään usein sattumanvaraisesti siten, että tuotteiden pinnan suunta on usein sama kuin vuosirenkaiden tangentin suunta. Tällöin pinnassa esiintyy kohtalaisen suuria alueita huonosti kyllästyvää pehmeää kevätpuuta ja hyvin kyllästyvää kesäpuuta. Tämä ongelma on yleistä kyllästettäessä havupuita, joiden ohutsei-nämäiset kevätpuusolut ovat yleensä huonommin kyllästyviä kuin jo muutenkin kovempi kesäpuusolukko.

Yksi tärkeimmistä puumateriaalien käyttöön liittyvistä ominaisuuksista on sen säilyvyys niin sisä- kuin ulkotiloissakin. Koska puu on luonnonpolymeeri, sitä hajottavat monet biologiset eliöt ja tuholaiset, pääasiassa sienet, mikrobit ja hyönteiset. Lahoamisella tarkoitetaan 2 puuaineksen hajoamista osittain tai kokonaan sienten ja/tai mikrobien vaikutuksesta. Lahottajasienet ovat suojaamattomien puiden pahimpia hajottajia ja tuhoajia, sillä niissä on lahottajia kaikille puun rakennekomponenteille Tämän seurauksena puupinnan ulkonäkö sekä rakenne muuttuvat ja sen ominaisuudet heikkenevät.

Näiden lisäksi puumateriaalin rasitteina ovat erilaiset ilmasto-olosuhteet, kuten lämpö, kosteus, vesi, saasteet ja sekä näkyvä että UV-valo, Esimerkiksi valon vaikutuksesta puun pinta kellastuu ja tummenee jopa sisätilasovelluksissa. Tämä pinnan kellastuminen ja tummuminen voi kuitenkin olla seurausta ainakin kolmesta syystä. Ensinnäkin ja todennäköisemmin sisätiloissa värinmuutos johtuu puun sisältämien aineiden hapettumisesta ilman organismien läsnäoloa. Herkimmin puun peruskomponenteista UV-säteilyile reagoi ligniini, johon arvioiden mukaan 80 - 95 % puuhun absorboituneesta valosta kohdistuu. Kaksi muuta mahdollisuutta liittyvät lahottajaorganismien ja puun rakennetta muuttavien mikrobien vaikutukseen. Homesienet ovat haitallisempia eläville puille kuin puutavaralle, sillä ne aiheuttavat lähinnä värivikoja, koska ne käyttävät hyväkseen puun vesiliukoisia uuteaineita, tärkkelystä ja sokeria. Pahin puun tuhoaja on kuitenkin kaikkien edellä mainittujen tekijöiden yhteisvaikutus.

Puumateriaalin palonesto on myös sen laajempaa sisätilakäyttöä rajoittava. Useilta tuotteilta vaaditaan tiettyä palonestotasoa ennen käyttöön hyväksymistä. Tällaisia käyttökohteita ovat nk. julkiset tilat, kuten hotellit, sairaalat, teatterit, museot, julkiset virastot jne. Näissä kohteissa esimerkiksi puisten lattianpäällysteiden käyttö on hyvin rajoitettua. Puu-materiaalien polymeroinnissa palonestoaineilta vaaditaan korkeaa hajaantumislämpötilaa, pientä haihtuvuutta, olematonta vaikutusta polymeerien mekaanisiin ominaisuuksiin, hyvää UV-säteilyn kestoa ja myrkyttömyyttä. Käsittelyssä ne eivät hajotessaan muodosta myrkyllisiä kaasuja ja lopputuote on myrkytön.

Polymerointiin eli aineiden saattamiseen kiinteäksi puumateriaalin sisällä liittyy ongelma. Miten polymerointi voidaan suorittaa siten, että tyhjä tila täyttyy mahdollisimman tasaisesti ilman, että materiaalin ominaisuudet siitä kärsivät? Polymerointia heikentää usein se, että käytetään suurempimolekyylisiä oligomeerejä, esipolymeerejä tai polymeerejä, jotka polymeroinnissa pyrkivät ulos puumateriaalista. Erityisen vaikeita suurimolekyylisillä aineilla kyllästettäviä ovat esimerkiksi suomalaisen koivun ja männyn pintaosat.

3

Pienimolekyylisiä yhdisteitä eli monomeerejä käytettäessä törmätään polymerointivaihees-sa myös muihin ongelmiin. Näistä suurin on yhdisteiden haihtuvuus polymeroinnin aikana. Tämä aiheuttaa suuria taloudellisia menetyksiä, tuotteen lopputuloksen huononemista sekä työsuojelu- ja ympäristöongelmia. Haihtuminen saattaa olla eri liuoskäsittelyjen sekä kyllästys- ja polymerointiprosessin aikana noin 50 % puumateriaaliin imeytyneistä yhdisteistä, avoimessa järjestelmässä jopa 90 %.

Usein polymeroinnin yhteydessä materiaali palaa, muuttaa väritystään, halkeilee tai muuten menettää yleisiä teknisiä käyttöominaisuuksiaan. Esimerkiksi puumateriaalien tärkeitä käyttöominaisuuksia ovat puumainen ulkonäkö, lujuusominaisuuden tasaisuus, työstettä-vyys, hiottavuus, liimattavuus ja pintakäsiteltävyys. Yhtenä tärkeänä käsiteltävyysasiana ei sovi unohtaa myöskään materiaalin hävitettävyyttä.

Materiaalien kyllästykseen käytettyjä aineita polymeroidaan usein lämmön, säteilyn tai valon avulla. Polymerointireaktio on eksoterminen eli lämpöä tuottava prosessi. Tämä aiheuttaa esimerkiksi puuperäisillä aineilla usein halkeilemista, väri-ja mittamuutoksia sekä palamista. Lämpötila eksotermisessa reaktiossa nousee hyvin korkeaksi. Jo tunnetuilla menetelmillä tätä on pyritty estämään polymeroimalla materiaalia avoimesti kuumien lämpö-levyjen välissä, ks. patenttijulkaisu FI-44946. Lämpölevyt toimivat reaktion käynnistäjinä sekä jäähdyttäjinä. Menetelmän heikkoutena on hallita reaktion sisäistä tasaisuutta varsinkin paksuilla ja paljon aineita läpäisevillä materiaaleilla. Tämä johtaa ominaisuuksien tasaisuuden menetykseen, halkeiluun ja värieroihin sekä polymerointiin käytettyjen aineiden haihtumisesta johtuvaan suureen hukkaan. Menetelmä on siten tuotantokustannuksiltaan kallis sekä työturvallisuusriski.

Eräs tapa hallita polymerointireaktioita on käyttää säteilyä initioimaan polymerointia. Kemikaalien haihtumista on pyritty estämään lisäämällä esimerkiksi monomeerien joukkoon nopeasti geeliytyviä divinyyliyhdisteitä. Käyttämällä additiopolymeerejä voidaan materiaalia käsitellä tällöin säteilytysmenetelmillä kuten esimerkiksi gammasäteilytyksellä tai elektro-nipommituksella. Menetelmän käyttäminen tehdasmittakaavassa on kallista laite- ja käyttökustannuksiltaan ja sen suunnitteleminen puumateriaaleille, erityisesti levymäisille ohut-tuotteille ja viilumaisille materiaaleille, vaatii suuria laitteita ja kustannuksia. Lisäksi säteilyn käyttö lisää huomattavasti työturvallisuusriskejä ja on täten ympäristöriski.

4

On olemassa myös menetelmä, ks. Fl -patenttijulkaisu 44945, jossa synteettistä polymeeriä sisältävä puu valmistetaan katalysaattorin ja lämmön avulla, jolloin polymerointireaktio on hidastettu konjugoiduilla tyydyttymättömillä rasvahapoilla, kolme kaksoissidosta sisältävillä terpeeneillä tai niiden johdannaisilla. Tämänkaltaisten hidastimien käytöllä on haittana, että ne saattavat reagoida eri tavalla eri materiaalien kanssa.

On käytetty myös menetelmää, ks. Fl -94607, jossa materiaalia lämmitetään erilaisin po-lymeroituvien aineiden avulla suljetussa systeemissä kuumalla vedellä. Menetelmän heikkoutena on sen soveltaminen puumateriaaleille, erityisesti levymäisille tuotteille ja viilumai-sille materiaaleille. Lisäksi puumateriaalien erilaisen vedenimeytymisen johdosta materiaalien prosessinjälkeinen kuivaaminen aiheuttaa ongelmia materiaalien käyttöominaisuuksissa. Materiaalit halkeilevat, muuttavat mittojaan, väritystään ja siten ulkonäköään samalla heikentäen niiden lujuusominaisuuksia. Tästä johtuen ko. prosessi vaatii suuria ja kalliita prosessilaitteita jälkikäsittelyssä ja tuotehukka kasvaa suureksi tehden tuotteista taloudellisesti vähemmän kannattavia.

On myös käytetty menetelmiä, joissa viilaavilla kaasuilla ja vesihöyryllä lämmitetään kappaleita reaktion alulle saamiseksi ja jäähdyttämiseksi, ks. Fl-patentti 500070. Virtaavia kaasuja käytettäessä syntyy paljon haitallista kaasujen ja kemikaalien haihtumista. Tämä aiheuttaa epätasaista kovettumista ja ulkonäköongelmia. Kaasujen talteenottojärjestelmät ovat kalliita ja nämä yhdessä nostavat prosessin hintaa ja heikentävät sen kannattavuutta. Lisäksi haihtuminen aiheuttaa työskentelyssä työturvallisuus-ja työsuojeluongelmia. Höyryä käytettäessä prosessilaitteiden ja tuotteiden pintoihin syntyy epäpuhtauksia, sakkaa ja pursotteita. Nämä aiheuttavat puhdistusongelmia, prosessihäiriöitä, irrotusongelmia sekä tuotteiden jälkikäsittelyssä suurta hukkaa tuotteen mittojen ja ulkonäön muuttuessa.

On myös käytetty menetelmiä, joissa kyllästettyjä kappaleita käsitellään lämmönsiirtones-teillä. DE-julkaisussa 1792051 esitetään glykolin käyttöä lämmönsiirtonesteenä. SE-julkaisussa 405329 käytetään polyetyleeniglykolia. Menetelmät aiheuttavat käsitellyille tuotteille jälkikäsittelyongelmia, esim. liimattaessa ja pintakäsiteltäessä. Glykolijäämät estävät esimerkiksi lakkojen tarttuvuuden tuotteiden liima-ja käyttöpintoihin. Emulgaattorien käyttö heikentää lämmönjohtavuutta. Syntyy epätasaisesti kovettuneita tuotteita sekä vaara, että prosessi ylikuumenee. Ylikuumeneminen aiheuttaa poikkeamia tuotteiden mitoissa, halkeilua, palamista ja värimuutoksia. Prosessinhallinta vaikeutuu epätasaisen kovettumi 5 sen johdosta, jolloin syntyneet epäpuhtaudet haittaavat prosessilaitteiden toimivuutta ja lisäävät puhdistustarvetta. Hitaan prosessin pursotteet tuotteiden eri pinnoissa vaikeuttavat tuotteiden jälkikäsittelyä, lisäävät hukkaa ja prosessi on siten taloudellisesti vähemmän kannattava.

Esillä olevan menetelmän tarkoituksena on poistaa edellä mainitut haitat ja aikaansaada mahdollisimman yksinkertainen, ympäristöystävällinen, työturvallinen ja tuotantokustannuksiltaan edullisempi menetelmä puumateriaalien ominaisuuksien, esimerkiksi kovuuden parantamiseksi. Kuten edellä mainittiin, keksintö koskee menetelmää synteettistä polymeeriä sisältävän puun valmistamiseksi, jolloin puukappaleeseen imeytetään nestettä, jossa on polymeroituvaa ainetta, ja polymeroituva aine polymeroidaan pitämällä imeytetty puukappale lämpötilaa säätävien pintojen välissä suljetussa tilassa. Keksinnölle on pääasiassa tunnusomaista, että polymeroinnin aikana imeytetty puukappale pidetään ylipaineessa. Keksinnön mukaisessa paineistetussa systeemissä olosuhteita kuten polymeroin-tilämpötilaa ja polymeroituvien aineiden pysymistä puussa, voidaan siten kontrolloida samalla kun lämpötilaa säätävien pintojen ja suljetun tilan avulla aikaansaadaan ja hallitaan eksoterminen polymerointireaktio.

Erään suoritusmuodon mukaan ylipaine aikaansaadaan sijoittamalla imeytetty puu, edullisesti lämpötilaa säätävine pintoineen, tiiviiseen tilaan ja nostamalla tilan lämpötilaa ja/tai syöttämällä siihen väliainetta. Tiivis tila aikaansaadaan esim. asettamalla tiivis este, jonka materiaali on valittu esim. metallista, kumista, puusta, lasista, muovista tai näiden yhdistelmästä, puukappaleen ulkopuolelle lämpöä säätävien pintojen väliin. Tiivis tila voi myös ympäröidä puukappaletta ja lämpötilaa säätäviä pintoja.

Paineen alentaminen tiiviissä tilassa saadaan esimerkiksi aikaan antamalla turhan ylipaineen purkautua pois suljetusta systeemistä ylipaine- tai varaventtiilien avulla. Polymeroinnin aikana tiiviin tilan ylipaine saadaan edullisimmin aikaan inerttikaasun avulla. Tällaisena toimii esimerkiksi typpikaasu. Kaasu estää samalla polymerointiprosessin aikana ilman hapen haitallista vaikutusta polymerointireaktioon.

Edullisesti ylipaine pidetään niin suurena, että se estää nesteen tai sen muodostaman kaasun ulospääsemisen imeytetystä puukappaleesta, edullisimmin suurempana kuin käytettävän nesteen ja/tai sen oleellisten komponenttien nesteen höyrypaine. Tyypillisesti yli 6 paine pidetään arvossa 200 - 500 kPa (2-5 bar), edullisimmin arvossa 300 - 400 kPa (3 -4 bar). Kun eksoterminen polymerointi pyrkii nostamaan ylipainetta, se voidaan rajoittaa tai vähentää tiiviiseen tilaan kytketyn purkausventtiilin avulla. Kun ylipainetta vähennetään, poistuu samalla eksotermisen polymeroinnin tuottama lämpö.

Puumateriaalien käyttökohteita, joissa selvimmin tulevat esiin materiaalin kovuusominai-suudet, palonkesto sekä ulkonäkö, ovat rakennustarvikkeiden pintamateriaalit, kuten lattianpäällysteet, mekaanisen metsäteollisuuden levytuotteet, kuten vanerit, lastulevyt, OSB-levyt, kuitulevyt sekä erilaiset yhdistelmälevyt (yksi- ja monikerroslevyt) ja lisäksi porras- ja pöytäpinnat. Käyttökohteita, joissa materiaalin ominaisuuksilta vaaditaan lisäksi sään ja biologista sekä mekaanista kestävyyttä, ovat esimerkiksi ulkotiloissa käytetyt tuotteet, kuten esimerkiksi puutarhojen kalusteet, vedenalaiset ja kaivosten tukimateriaalit, seinien julkisivumateriaalit sekä junaratojen palkit. Design-kohteissa voidaan myös hyödyntää materiaalien syvä- tai osavärjäystä.

Käytetty puumateriaali voi olla mikä tahansa puumateriaali, mutta puumateriaalien ominaisuuksien, kuten kovuuden kannalta hyödynnetään vähemmän kaupallisesti hyödynnettyjä pehmeitä puumateriaaleja, kuten vaikeasti käsiteltäviä lehtipuita ja havupuita.

Kun puun imukyky on ratkaisevana kriteerinä, puukappaleen materiaali valitaan edullisesti seuraavista lajeista; punatammi, punapyökki, douglaskuusi, punaseetri, ponderosamänty, koivu, valkokuusi, lehtikuusi, leppä, hemlokki, mänty (pintapuu), engelmanninkuusi ja vaahtera.

Suomalaisista puulajeista koivu, haapa, leppä ja mänty sekä ulkomaalaisista noin sata puulajia kilpailee erityisesti kovuusominaisuuksiensa ansiosta tasapäisesti nykyisin tunnetuimpien kovien puulajien, kuten kirsikka, saarni, pyökki ja tammi, kanssa.

Puumateriaalin oikean työstötavan valinta (sahaus, leikkaus tai sorvaus) on tärkeä. Keksintö hyödyntää nimittäin puun epähomogeenisuudesta johtuvia lujuus- ja kyllästyvyysomi-naisuuksia. Asetettaessa tuotetta esimerkiksi lattianpäällysteiden pinnaksi pinnan rakenne työstetään pinnan epähomogeenisuuden kannalta rungonsuuntaisesti ja asennetaan se tuotteen pintaan siten, että kovuuden ja pinnan homogeenisuuden kannalta edullisin sä-teensuuntainen sivu on tuotteen pintana. Tällöin pintaa vastaan liki kohtisuorassa ovat 7 vuosikasvainten sekä kesäpuun että kevätpuun rengaskehät. Pinnassa esiintyy näin tilleinä juovina tukeva kesäpuusolukko ja pehmeämpi kevätpuusolukko.

Puumateriaalien anisotrooppisia ominaisuuksia ja niiden parhaita ominaisuuksia voidaan hyödyntää suorittamalla puumateriaalin työstöt parhain menetelmin leikkaamalla, sorvaamalla tai sahaamalla. Myös työstösuunta vaikuttaa imeytymiseen ja siten tuotteen ominaisuuksiin. On edullista työstää puukappale siten, että sen pinnalla näkyvien vuosirenkaiden määrä on mahdollisimman suuri (säteen suunnan asettaminen pinnan suuntaiseksi, oikean puulajikohtaisen taloudellisen työstösuunnan vaaliminen). Ennen imeytystä puukappale tai sen raakapuu voidaan esikäsitellä rikkomalla osittain sen solurakennetta, edullisesti läpäisemällä piikillä, veitsellä tai laserilla.

Puumateriaalin ulkonäköön voidaan myös vaikuttaa oikealla esikäsittelyllä. Puumateriaalia voidaan tasata menetelmään sopivaksi siten, että materiaalia esilämmitetään tunnettujen menetelmien avulla sopivaan työstölämpötilaan. Tunnettuina menetelminä ovat kuuma vesi, höyry, kuumat kaasut jne. Haudontalämpötilaa ja -aikaa säätelemällä saavutetaan myös pinnan laadun kannalta paras mahdollinen työstölaatu. Kokeellisesti on osoitettu, että pyöreän puun haudontalämpötilana voidaan parhaiten hyödyntää 80 - 90 °C:n lämpötiloja ja haudonta-aikoina 10-30 tunnin haudonta-aikoja. Puumateriaali vaatii useimmiten kuitenkin materiaalin esilämmityksen noin 8 tuntia noin 60 °C:isessa vedessä. Lehtipuilla saavutetaan keksinnön kaltaiseen menetelmään soveltuva käyttökelpoinen värisävy siten, että tummempi tasainen sävy syntyy 88 °C:n lämmössä ja 20 - 30 tunnin haudonnassa, vaaleampi tasainen värisävy syntyy taas noin 80 °C:n lämpötilassa ja 15 - 30 tunnin haudonnassa. Sovellettaessa aikoja ja lämpötiloja yllä mainituin prosessiarvoin, puumateriaalin värisävyissä ei esiinny pintaosan ja sydänosan välillä värieroja. Puumateriaalin tarvitsema lämpötila ja haudontaan riittävä aika ovat kuitenkin riippuvaisia puun laadusta, johon vaikuttavat eniten mm. kasvupaikka, ikä ja kaatoajankohta.

Esikäsittely lämmittämällä tapahtuu yleisesti edullisesti pitämällä puukappale tai sen raakapuu korotetussa lämpötilassa 70-100 °C, edullisesti em. lämpötilassa 80 - 90 °C. Esi-käsittelyaika on edullisesti noin 15-30 tuntia, edullisimmin noin 10 -15 tuntia.

Puun kovuuteen ja sen yleisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa täyttämällä puun solukot ja solunseinien tyhjät osat mahdollisimman homogeenisesti aineilla, joita voidaan saattaa δ kiinteään muotoon. Muiden materiaalin tyhjät tilat täytetään edellä mainituilla aineilla. Täyttäminen voidaan tehdä impregnoimalla materiaali suljetussa tilassa nesteillä, jotka voidaan polymeroida materiaalin sisällä. Ongelmana puumateriaaleilla on saada nestemäiset aineet tunkeutumaan mahdollisimman homogeenisesti materiaalin sisälle. Puumateriaaleilla nesteiden läpäisevyys eli permeabiliteetti vaihtelee suuresti puumateriaalin eri puulajeilla kasvupaikan, leikkuutavan, iän ja puumateriaalin eri osien välillä merkittävästi. Tästä johtuen nesteitä huonommin läpäiseviä puulajeja usein kyllästetään polymeroituvaa ainetta sisältävällä nesteellä ali- ja / tai ylipaineen avulla. Keksinnön avulla voidaan imeytymis-määriä säädellä kullekin puulajeille ja tuotteille erikseen. Tällä tavoin toimittaessa voidaan saavuttaa riittävät puun ominaisuudet ja samalla säästää kalliiden kemikaalien käyttöä. Painon ja imeytymismäärien hallintaan keksinnössä käytetään tyypillisesti autoklaavin, kyllästyssylinterin tai kyllästyssäiliön vaakaa. Puulajien ja puutuoteyhdistelmien käsittelyyn kyllästyksen aikana käytetään jokaiselle tuotteelle sopivaa ky 11 ästys reseptiä. Näin toimittaessa voidaan säästää turhien ominaisuuksien sekä kalliiden lisäaineiden käyttöä.

Neste, jossa on polymeroituvaa ainetta, imeytetään edullisesti puukappaleeseen ali- ja/tai ylipaineen avulla. Tällöin imeytys tapahtuu tyypillisesti evakuoimalla puukappale ja imeyttämällä neste siihen normaalipaineessa tai syöttämällä neste siihen ylipaineella. Kyllästykseen sopivien eri puulajien kyllästysmäärät voivat vaihdella 50 - 500 kg/m3. Lopputuotteesta, yllä mainitusta kovuusrajasta ja taloudellisesta prosessista riippuen ainemäärät ovat edullisesti 50 - 500 kg/m3.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä polymeroituva aine voidaan imeyttää puumateriaaliin sellaisenaan, liuoksen, dispersion tai muun seoksen muodossa. Pääasia on, että polymeroituva aine ja käsiteltävä materiaali ovat nesteitä läpäiseviä / imeviä. Imeytys tapahtuu edullisesti suojakaasussa, edullisimmin inerttikaasussa. Polymeroituvaa ainetta sisältävän nesteen viskositeettia voidaan tarvittaessa säädellä lisäaineella.

Erään sovellutusmuodon mukaan neste, jossa on polymeroituvaa ainetta, sisältää puun lisäainetta, joka on valittu antimikrobisista aineista, palonkestävyyttä parantavista aineista ja väriaineista.

Haluttaessa parantaa puumateriaalin materiaalin palonkestävyyttä voidaan käyttää erilaisia kaasufaasissa toimivia palonestoaineita, kiinteän faasin mekanismia, fysikaalista toi- g mintamallia tai kemiallista toimintamallia. Kaasufaasissa toimivien aineiden teho perustuu polymeerin palamisketjuun kohdistuvalla vaikutuksella jo termisen hajoamisen aikana. Pa-lonestoaineet muodostavat radikaaliloukkuja katkaisten palamisketjun ennen radikaalien eksotermista reaktiota hapen kanssa. Reaktiotuotteet jäävät siten puumateriaalin pintakerrokseen estäen palamista.

1) Kiinteän faasin mekanismilla palonestoaine toimii kemiallisessa vuorovaikutuksessa palonestoaineen ja polymeerin välillä usein silloittamalla molekyylirakenteen. Vuorovaikutus tapahtuu polymeerin termisen hajoamislämpötilan alapuolella. Silloitus lisää kovalentti-sia sidoksia ja se hidastaa näin ollen pyrolysoitumista.

2) Fysikaalisessa toimintamallissa palonestoaineet toimivat fysikaalisesti sekä kaasumaisessa että kiinteässä faasissa. Kaasufaasissa on merkitystä palonestoainemolekyylien lämpökapasiteetilla, höyrystymisenergialla ja endotermisen rakenteen pilkkoutumisella. Kiinteässä faasissa tietyt hapot synnyttävät hiiltyvän pinnan vapauttaen kaasufaasiin vesihöyryä. Vesihöyryt jäähdyttävät palavia kaasuja. Hiiltymisen ollessa endoterminen reaktio se jäähdyttää puumateriaalia ja hidastaa termistä hajoamista. Palonestoaine muodostaa myös materiaalin pinnalle kiinteän kalvon, joka estää palavien kaasujen haihtumista.

3) Kemiallisessa toimintamallissa palonestoaineet toimivat kemiallisesti sekä kaasumaisessa että kiinteässä faasissa. Kaasufaasissa ne katkaisevat paloketjun sitomalla vapaat vetyatomit ja estämällä niiden reagoinnin happimolekyylien kanssa. Kiinteässä faasissa palonestoaineiden hapot katalysoivat hiiltymistä aiheuttavan dehydraation. Palonestoaine voi myös ohjata termistä hajoamista, ettei synny hajoamistuotteena polttoainetta liekille.

Palonestoaineita ovat erilaiset metalliyhdisteet tai organohalogeeniyhdisteet. Niitä on noin 350 ja niiden lisäksi aineiden yhdisteet ja yhdistelmät, esimerkiksi alumiinihydroksidi (ATH), funktionaaliset palonestoaineet, jotka voidaan polymeroida osaksi muovien polymeeriket-jua. Niiden pysyvyys paranee ja materiaalista tulee yhtenäisempää. Hyviä tuloksia on saavutettu nk. estyneillä amiineilla (NOR-hindered amines), joiden molekyyliketjussa ovat peräkkäin typpi N, happi O ja radikaaliryhmä R. Funktionaalisten palonestoaineiden hyöty saavutetaan jo pienillä pitoisuuksilla eivätkä ne vaikuta lopputuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin. Fosforipohjaiset palonestoaineet toimivat joko kiinteässä tai kaasumaisessa faa- 10 sissa sekä kemiallisesti että fyysisesti. Tällaisia ovat fosfiinioksidi ja ammoniumpolyfosfaat-ti kiinteässä faasissa ja trifenyylifosfaatti ja trifenyylifosfiinioksidi kaasufaasissa.

Puumateriaalien värjäykseen voidaan käyttää orgaanisia tai synteettisiä orgaanisia väriaineita. Orgaaniset luonnonväriaineet muodostuvat hiiliyhdisteistä. Väriaineet voivat olla luonnosta saatuja joko eläin- tai kasvimaailmasta. Orgaaniset täyspigmentit ovat pigmenttejä, jotka ovat kauttaaltaan väriainetta. Orgaaniset substraattipigmentit puolestaan saadaan aikaan sekoittamalla vesiliukoinen väriaine kiinteään, reagoimattomaan aineeseen (esim. saveen), jotta väristä saadaan kiinteää.

Orgaanisia luonnonväriaineita ovat mm. seepia ja intiankeltainen. Tavallisimpia luonnonaineiden kromoforeja ovat kinoni, metyleenikinoni, oksatsoni, laktoni, atsoryhmä ja karbo-nyyliryhmä. Synteettiset orgaaniset aineet koostuvat laboratorioissa valmistetuista hiiliyhdisteistä, joita ei sellaisenaan esiinny luonnossa. Varhaisimmat synteettiset väriaineet tehtiin kivihiiIitervasta ja ne kestivät huonosti valoa. Nykyään värien tekemiseen käytetään petrokemikaaleista johdettuja pigmenttejä - pigmentit valmistetaan raakaöljystä ja pää-komponentteina ovat bentseeni, tolueeni, ksyleeni, naftaleeni ja etyleeni.

Erilaisia kemiallisia luokkia ovat monoatso, diatso, ftalosyaani, kinakridoni ja polysykliset pigmentit. Edelleen erilaisia luokkia muodostavat pigmenttivärit, reaktiovärit, happovärit, kyyppivärit, rikkivärit, dispersiovärit, suorat värit, kationiset värit, naftolivärit. Atsoyhdisteet ovat yhdisteitä, joissa kaksi typpiatomia muodostaa atsoryhmän. Atsovärit jaetaan mono-, dis- ja polyatsoyhdisteisiin. Atsovärit voidaan ryhmitellä mm. monoatsoihin (naftolit, aryliidit (asetoaryliidit ja naftaniliidit]), atsokondensaatioväreihin, happovärjäysaineiden liukenemattomiin suoloihin, diatsoväreihin (diaryylit, pyratsolonivärit). Muita värejä ovat mm. aniliini-keltainen, krysoidiini, heliantiii, kongopunainen, timanttimusta. Atsovärit voidaan ryhmitellä mm. monoatsoihin (naflolit, aryliidit [asetoaryliidit ja naftaniliidit]), atsokondensaatioväreihin, happovärjäysaineiden liukenemattomiin suoloihin, disatsoväreihin (diaryylit, pyratsolonivärit).

Puumateriaalin biologista kestävyyttä voidaan parantaa mikrobinvastaisilla aineilla, mutta syntyvän polymeerin ja edellä mainittujen yhdisteiden yhteisvaikutus on yleensä tarpeeksi mikrobinvastainen.

11

Neste, jossa on polymeroituvaa ainetta, voi sisältää orgaanista, veteen liukenematonta liuotinta, joka edistää monomeerien ja/tai esipolymeerien liukenemista ja reaktiota.

Polymeroituva aine voi olla periaatteessa mikä tahansa aine, joka polymeroituu tai silloit-tuu puumateriaalin sisällä olevaksi polymeerituotteeksi. Polymeroituva aine on tyypillisesti valittu ryhmästä, johon kuuluvat polymeerejä muodostavat monomeerit, oligomeerit, esipo-lymeerit tai niiden keskinäinen tai ulkoinen seos.

Polymeroituva aine voidaan valita kertamuovien ryhmästä, johon kuuluvat akryyli-monomeerit kuten akryyli- ja metakryylihapot, akryyli- ja metakryyliesterit, akryylinitriili ja akryyliamidit, styreenimonomeerit kuten styreeni, a-metyylistyreeni ja divinyylibentseeni, vinyyli-ja vinylideenimonomeerit kuten vinyyli- ja vinylideenihalogenidit, vinyylieetterit ja vinyyliesterit, aldehydimonomeerit kuten formaldehydi ja asetaldehydi, polyalkeenioksidit kuten polyetyleenioksidi ja polypropyleenioksidi, sekä rengasmaiset laktamit ja laktonit. Tällöin edullinen polymeroituva aine on akryyli-, styreeni-tai vinyylipolymeeri.

Polymeroituva aine voidaan myös valita kestomuovisten esipolymeerien ryhmästä, johon kuuluvat fenoli-, urea- ja melamiiniformaldehydituotteet, polyuretaanit, epoksidit, silikonitja tyydyttämättömät polyesterit. Edullisimmin polymeroituva aine on valittu ryhmästä, johon kuuluvat tyydyttämättömän polyesterin ja styreeni- tai akryylimonomeerin kovettuva seos.

Haluttaessa kovettaa tai muuttaa ja parantaa puumateriaalin kovettamisen jälkeisiä ulkonäkö-, käsittely-, säänkesto- tai lujuusominaisuuksia polymeroimalla siihen kyllästettyä ainetta on edullista lisätä polymeroivaan aineeseen silloitusreagenssia. Tämä voi olla tavallinen monomeeri, joka muodostaa ketjun esipolymeerien välillä, tai monifunktionaalinen monomeeri, joka meerinä toimiessaan reagoi edelleen ja kiinnittää polymeeriketjut toisiinsa.

Polymerointi suoritetaan edullisimmin käyttämällä katalysaattoria tai initiaattoria. Käytettäessä tyydyttämättömiä monomeerejä ja / tai esipolymeerejä polymerontia panee alulle nk. initiaation. Initiaattoreita ovat vapaita radikaaleja synnytävä radikaali-initiaattori, anioneja synnyttävä anoninen initiaation tai kationeja synnyttävä kationinen initiaattori. Näistä tärkein initiaation on radikaali-initiaattori.

12

Tyypillisiä radikaali-initiaattoreita ovat peroksidit, kuten diasyyliperoksidit, asetyylialkydisul-fonyyliperoksidit, diaIkyyIiperoksidikarbonaatit, tert.-alkyyliperoksidiesterit, OO-tert.-alkyyli- O-alkyylimonoperoksidikarbonaatit, di-(tert.-alkyyliperoksidi)ketaalit, di-tert.-alkyyliperoksidit, tert.-alkyylihydroksidit, ketoniperoksidit, ja silyyliperoksidit. Peroksidit, jotka polymeroinnissa hajoavat initioiviksi radikaaleiksi, on lueteltu edellä alenevan ha-joamistendenssin mukaisesti. Tyypillisiä peroksideja ovat di-n-propyyliperoksidikarbonaatti, dilauroyyliperoksidi, diasetyyliperoksidi, dibentsoyyliperoksidi, dikumyyliperoksidi ja di-tert.-butyy I i peroksid i.

Muita radikaali-initiaattoreita ovat atsotyyppiset initiaationi, kuten 2,2' -atsobis-(( 2,4-dimetyyli))pentaniininitriili, 2,2'-atsobis-isobutyronitriili ja 1-(tert.amyyliatso)sykloheksaani-karbonitriili.

Keksinnössä voidaan käyttää myös ns. fotoinitiaattoreita, jotka valon vaikutuksesta hajoavat polymerointia initioiviksi radikaaleiksi.

Kun puumateriaali on kyllästetty polymeroituvilla ja osin ei-polymeroituvilla aineilla, kyllästetty ja polymeroituva materiaali suojataan ennen polymerointiprosessia materiaaliin, jolla estetään polymeroituvien aineiden tarttuminen prosessilaitteisiin kuitenkin siten, että materiaali el estä puumateriaalin jälkikäsittelyä. Tällaisia materiaaleja ovat esimerkiksi erilaiset pinnoitetut metalli- lasi-, puu- tai kumilevyt tai erilaiset käsitellyt paperit tai kankaat.

Polymeroituva aine polymeroidaan tyypillisesti pitämällä imeytetty puukappale lämpötilassa, joka on tarpeeksi korkea polymeroinnin aikaansaamiseksi, mutta puukappaleen materiaalin hajoamislämpötilan alapuolella. Erään sovellutusmuodon mukaan polymerointiläm-pötila pidetään välillä 40 - 200 °C, edullisesti välillä 100 - 200 °C. Polymerointilämpötilaa voidaan rajoittaa käyttämällä hitaasti hajoavaa initiaattoria ja / tai polymerointihidastinta.

Kuten edellä mainittiin, polymeroituva aine polymeroidaan pitämällä imeytetty puukappale ylipaineessa lämpöä säätävien pintojen välissä. On edullista pitää imeytetty puukappale samalla ylipaineessa olevassa väliaineessa ja puristuksessa lämpötilaa säätävien pintojen välissä. Pinnat toimivat silloin oikean polymerointilämpötilan säätäjänä niin, että polyme-rointi sujuu puumateriaalin hajoamatta. Lämpötilaa säätävät pinnat myötäilevät oleellisesti puukappaleen pintoja ja ovat edullisesti litteitä.

13

Polymerointiprosessi on eksoterminen ja voi aiheuttaa ylikuumenemista, joka vaurioittaa sekä polymeerin että käsiteltävän puumateriaalin. Polymerointireaktion aiheuttama ylikuumeneminen estetään edullisesti jäähdyttämällä ja painetta säätelemällä lämpötilaa säätävät pinnat, joiden väliin puumateriaali on suljetusti asetettu.

Tyypillisesti polymeroituva aine polymeroidaan pitämällä imeytetty puukappale lämpötilaa säätävien pintojen välissä, jotka ovat lämpöä hyvin johtavasta materiaalista valmistettujen elementtien pintoja. Elementit on erään toimivan sovellutusmuodon mukaan valmistettu lämpöä hyvin johtavasta materiaalista kuten metallista. Elementteihin on tyypillisesti järjestetty kanavat, joihin johdetaan lämpöä säätävää väliainetta, kuten öljyä tai vettä.

Tällöin elementtien kanaviin johdetaan polymeroinnin alussa lämmittävää väliainetta, jotta reaktio lähtisi alkuun, ja polymeroinnin eksotermisessa vaiheessa jäähdyttävää väliainetta, jottei monomeeri kiehuisi ja/tai puumateriaali tuhoutuisi. Tällöin lämmittävällä väliaineella pidetään lämpöä säätävien pintojen lämpötila välillä 40 - 200 °C, edullisesti välillä 100 -200 °C.

On myös edullista säädellä kunkin materiaalin riittävien ominaisuuksien mukaisia ainemääriä. Inerttikaasun, kuten typen, paine on säädettävä siten, että polymeroituva aine sekä materiaaliin, kuten puuhun jäljelle jäänyt vesi ei kiehu ko. lämpötilassa.

Kun polymerointiprosessi on loppuunsaatettu, mahdollinen ylipaineen aikaansaamiseksi johdettu paine poistetaan ja puumateriaali siirretään seuraavaan prosessivaiheeseen. Ylipaineen poisto suoritetaan hallitusti siten, että paineen purkaminen ei aiheuta puumateriaalille laadullisia ongelmia. Tämä tapahtuu siten, että oikean prosessiajan kuluttua, poly-meroituneen materiaalin paine alennetaan hitaasti ennen puristinlevyjen avautumista ja siirretään seuraavaan prosessivaiheeseen.

Prosessilaitteet puhdistetaan harjaamalla, puhaltamalla tai muuten mekaanisesti mahdollisista epäpuhtauksista. Tällaisella menettelyllä mahdollisesti syntyneet muovipurseet ja muut epäpuhtaudet poistetaan polymerointilaitteiston pinnalta. Toimilaitteet ovat puhtaita seuravaa polymerointia varten. Prosessista poistuneet nestemäiset kemikaalit kerätään talteen keräilyastioihin ja palautetaan uudelleen kyllästysprosessiin.

14

Kun varsinainen poiymerointiprosessi on viety loppuun, on edullista suorittaa puumateriaalissa olevalle polymerointituotteelle nk. jälkipolymerointiprosessi. Tämän tarkoituksena on minimoida mahdollisten materiaaliin sitoutuneiden emissioiden määrä sekä jäähdyttää tuotteet ennen jatkokäsittelyjä. Jälkipolymerointi aikaansaadaan edullisesti lämmöllä.

Edellä olevan keksinnön ansiosta puumateriaali säilyttää hyvin muotonsa, kovuus tulee paljon tasaisemmaksi, uusia vaikeasti kyllästyviä puulajeja voidaan hyödyntää korkeamman jalostusasteen tuotteiksi. Ei tarvita erillistä jälkityöstöä erilaisten tuotetta muuttavien tai prosessissa käytettävien aineiden ja lisäaineiden johdosta. Kemikaalien haihtuminen on minimoitu. Laitteisto soveltuu sekä levymäisten että pienempienkin tuotteiden valmistukseen ja tuotantoprosessissa käytetyt laitteet ovat standardilaitteita. Prosessi on työturvallinen ja sillä voidaan saavuttaa avoimiin järjestelmiin nähden huomattavat kustannussäästöt.

Puumateriaalien polymeroinnin ja eri ominaisuuksien parhaat tulokset saavutetaan mahdollisimman homogeenisen kyllästyksen ja hyvin hallitun polymerointiprosessin avulla. Kuten aikaisemmin on todettu, puumateriaalin epähomogeeninen rakenne vaikeuttaa parhaiden tulosten saavuttamista. Kyllästyksen kannalta eri puulajien tuntemus, oikeaoppinen esikäsittely, työstäminen, oikeiden aineseosten valinta ja hallittu kyllästysohjelma ovat lopputuloksen kannalta avainasemassa.

Eri puulajien tuntemus helpottaa ymmärtämään samankin puulajin sisäisiä rakenteellisia eroavaisuuksia ja valitsemaan materiaalista vain oikeat alueet käsittelyyn. Puumateriaalin hallitulla esikäsittelyllä saadaan esille taas puulajin työstöä ja ulkonäköä parhaiten palvelevia laadullisia ominaisuuksia.

Kyllästysprosessissa keskeisiä elementtejä ovat käytetty kyllästystäpä, puulajien per-meabiliteetin tuntemus eri rakenneosissa, paine, paineenkäsittelyn aika, tarvittava kylläs-tysmäärä sekä oikean impregnointimäärän seuranta.

Polymeroinnissa oikeiden polymerointiolosuhteiden hallinta on avainasemassa. Taloudellisuuden ja kilpailukyvyn kannalta oleellista on kalliiden kyllästysaineiden hävikin minimoiminen. Tämä tarkoittaa tekniseltä kannalta oikeaoppisen suljetun systeemin hallintaa. Hai- 15 littu polymerointi saavutetaan suljetussa systeemissä oikealla puulajikohtaisella polyme-rointilämpötilalla ja -ajalla.

Eri puulajit ja niiden sisäiset permeabiliteettierot vaikuttavat kyllästysaineiden määrään. Lisäksi haluttu mahdollisimman tasainen lopputuotteen laatu vaatii oikean imeytyksen säätöä. Eri puulajit kyllästyvät eri tavoin. Maailman puulajeista (esimerkiksi lähde Industrial Timber Preservation vuodelta 1979 / 391 eri puulajia) voidaan erottaa kyllästyvyyden ja käsiteltävyyden kannalta hyvin nesteitä läpäisevät puulajit (17 %), yleisesti tai usein nesteiden läpäisyä vastustavat puulajit (17 %), nesteiden läpäisyä vastustavat puulajit (23 %) ja kyllästymättömät puulajit (43 %). Puulajien luonnollista kovuutta taas voidaan arvioida seuraavasti: Hyvin kovat puulajit (16 %), kovat puulajit (18 %), yleensä kovat puulajit (19 %), ei-kovat puulajit (26 %) ja hauraat puulajit (21 %).

Kyllästyvyyden ja polymeroinnin kannalta täytyy ottaa huomioon sekä puunmateriaalin läh-töominaisuudet että imeyttämällä ja polymeroimalla saatavat lisäominaisuudet. Ei ole taloudellisesti kannattavaa käsitellä jo riittävän kovia puulajeja, eikä myöskään liian suuria ainemääriä imeviä puulajeja. Kovuuden kannalta yleisesti on ajateltu, että lopputuotteen hyvänä kovuutena pidetään tammen kovuutta. Sen Brinell-kovuus on n. 3 N/mm2. Sitä kovemmat tuotteet valitaan vaativiin kohteisiin ja sitä alhaisempien kovuuksien käyttö on muussa massatuotannossa.

Keksinnön kannalta sopivia puulajeja vaativiin ja arvokkaisiin käyttöolosuhteisiin voidaan hyödyntää yllämainituista 391 puulajista vähintään 31 % eli noin 86 puulajia, mikäli kriteerinä on taloudellinen ja kilpailukykyinen prosessi ja vähintään tammen kovuus.

Normaalissa avoimessa kyllästys- ja polymerointiprosessissa ainemäärien haihtumisesta johtuva hävikki saattaa nousta aina 90 prosenttiin puumateriaaliin imeytyneestä määrästä. Keskimäärin hävikin määrä on 75 - 80 prosenttia. Keksinnön kannalta voidaan suljetun systeemin avulla vähentää haihtumisesta johtuvaa hävikkiä merkittävästi.

16

Yleisesti käytetyillä kyllästysmenetelmillä aineiden imeytymismäärät N kg/m3 ja avoimessa polymeroinnissa polymerointijäämät B/ kg/m3 sekä suljetun systeemin C/kg/m3 polyme-roinnin polymeerijäämät ovat esimerkiksi keskimäärin seuraavanlaisia: N kg/m3 B/ kg/m3 % Cl kg/m3 % • koivu 450-550 100- 130 22-24 250-350 55-64 • leppä 450-550 100- 130 22-24 230-340 51 -62 • haapa 550-650 100- 120 18-34 250-350 45-54 • mänty ( pintapuu) 300 - 450 65- 115 22-26 160 - 250 53 - 56 • punapyökki 250-450 50- 77 17- 20 140-260 56 -58 • punatammi 150-325 20- 65 13-20 180-200 55-62 • kirsikka 450-550 100- 120 22-34 240-340 53-62 • saarni 450-550 100- 120 22-34 230-330 51 -60 • vaahtera 450-550 100- 130 22-24 250-350 56-64 • lehtikuusi 150-200 25 - 60 17-30 80- 130 53-65* • douglaskuusi 50- 135 10- 20 20- 15 25 - 75 50-56* • hemlokki 200-400 50- 100 25 100-270 50-68 • Engelmanninkuusi 150-270 30- 70 20-26 70-150 47-56* • punaseetri 130-350 20-100 15-22 50-230 38-66* • ponderosamänty 300-490 50-110 17-22 150-270 50-55 • valkokuusi 90-120 20 - 35 22-29 50- 90 56-75*

Keskiarvo, % 23,4 56,4

Keskimäärä, kg/m3 348,6

Taulukon kyllästysmäärien arvojen vaihtelurajat syntyvät saman puulajin erojen perusteella. Tähdellä merkityt puulajit ovat usein vaikeasti kyllästyviä sekä niiden sisäiset kyllästy-vyyserot ovat suuria.

Kuten taulukon arvoista voidaan huomata, keksintö parantaa polymeroinnin jäämiä n. 2-3 -kertaisesti avoimeen systeemiin verrattuna. Lopullisten jäämämäärien erot syntyvät saman 17 puulajin keksintöön soveltuvien eri rakenneosien epähomogeenisesta kyllästyvyydestä sekä eri ympäristötekijöistä.

Taloudelliselta kannalta voidaan keksinnön katsoa säästävän kemikaalikustannuksia avoimiin polymerointijärjestelmiin verrattuna keskimäärin 100 - 200 kg/m3. Tuotantokustannukset vähenevät vastaavasti 25 - 35 %. Sama kovuuden tai muiden ominaisuuksien yhdistelmä saavutetaan siis 25 - 35 % vähemmillä liuosmäärillä. Lisäksi keksintö tasaa eri puulajien jäämämäärät, eikä puulajien eri osissa erotu niin selvästi epähomogeenisesti käsiteltyjä alueita.

Tuotannon kemikaalikulutus on keskimäärin 350 kg/m3 ja kustannuslOOO - 2000 euroa/m3. Käytettäessä avointa polymerointijärjestelmää systeemistä haihtuu keskimäärin 270 kg/m3, mutta keksinnön mukaista suljettua polymerointijärjestelmää käytettäessä puulajista ja halutun tuotteen ominaisuuksista vain enintään 150 kg/m3. Sama lopputulos saavutetaan 120 kg/m3 pienemmällä ainemäärällä ja 350 - 800 euroa/m3 pienemmin kustannuksin. Lisäksi tuotteiden laatu on tasaisempi kuin avoimessa polymerointijärjestelmässä.

Seuraavassa esitetään suoritusesimerkki, jonka tarkoituksena on vain valaista edellä esitettyä keksintöä.

Esimerkki:

Normaali 4' x 8 ' koivuvanerituote, jonka pintaviilu/-viilut on esikäsitelty siten, että sen värisävy on haudonnan avulla saatu mahdollisimman tasaiseksi ja rakenteen pintaan on synnytetty mikroskooppisia murtumia ja pinnan rakenne on asetettu oikeaan suuntaan vanerin liimauksen aikana vanerin pintaan. Vanerituote ladotaan kyllästystä varten suunniteltuihin laitteisiin.

Vanerituote käsitellään liuosseoksella, jossa on 90 % akryylimonomeeriä tai esipolymeeriä sekä silloitusaineita noin 9-9,5 % ja katalyyttiä 0,5-1,0 %. Käsittelyn onnistumiseksi tuotteen painoa mitataan jatkuvasti käsittelyn aikana. Mikäli tuotteelle halutaan palon-suojaominaisuuksia, lisätään palonsuoja-ainetta, esimerkiksi erilaisia veteen liukenemattomia yhdisteitä noin 1 - 2 %. Mikäli tämän lisäksi käsiteltävä tuote halutaan värjätä, voidaan kyllästysseokseen lisätä veteen liukenemattomia orgaanisia väriaineita.

18

Kyllästyksen jälkeen vanerituote pakataan polymerointia varten erityiseen pakettiin ja syötetään kuumapuristimeen. Kuumapuristimeen syötön jälkeen puristinlevyjen ympärille asetetaan suljettua systeemiä varten sivuttaiset ilmatiiviit suojat ja puristin lasketaan alas. Suljettuun systeemiin syötetään ylipaineistusta varten inerttikaasua, jolloin systeemin ylipaine nousee noin arvoon 300 kPa (3 bar). Puristimen lämpötila nostetaan arvoon noin 120 °C. Eksotermisen polymerointiprosessin käynnistyessä puristimen suljetun systeemin sisäinen paine alkaa nousta, jolloin paineen tasoa pidetään riittävän korkeana, jottei tapahdu kemikaalien ulospurkautumista levyn päistä. Paineen kasvaessa liian suureksi, voidaan painetta vähentää varoventtiilin avulla.

Kovetusaika vaihtelee käsiteltävän aineen paksuudesta ja koosta sekä sisään syötetyn aineen määrästä riippuen. Kun on käsitelty vain vanerituotteen pintakerros ja mahdollisimman lyhyt matka vanerin sivu- ja päätysuunnasta, voidaan polymerointiprosessi keskeyttää noin 20 - 30 minuutin kuluttua.

Puristinlevyt ja sivusuojat nostetaan ylös ja komposiittituote syötetään jälkikäsittelyproses-siin. Puristimen pinnat puhdistetaan ja puristimeen syötetään uusi erä polymeroitavaksi. Jälkikäsittelyn aikana vanerilevy pidetään esimerkiksi + 50°C:n lämpötilassa 3-4 tuntia, minkä jälkeen vaneri on valmis jatkokäsiteltäväksi.

Lopputulokseksi syntyy menetelmän avulla tuote, jonka kovuusarvot ovat normaaliin vastaavaan puulajiin nähden 5-10 -kertaisia, hyvin nesteitä läpäisevillä puulajeilla jopa 10 -20 -kertaisia. Puun kovuuden vertailuna käytetään usein Brinell- kovuusarvoa ja esimerkiksi lattiapäällystealalla tammen kovuutta, joka on n. 3,0 N/mm2. Normaalin koivupuun Brinell-kovuus on n. 2,0 - 2,6 N/mm2 ja menetelmän mukaisen käsittelyn jälkeen 10,0 - 25 N/mm2, jopa 50 N/mm2, suomalaisen männyn kovuus on n. 1,6 -1,7 N/mm2 ja käsittelyn jälkeen 3,5 - 7,0 N/mm2, suomalaisen haavan kovuus on n. 1,3-1,4 N/mm2 ja käsittelyko-vuus 8,0 -13,0 N/mm2 ja kotimaisen lepän kovuus on n. 1,2 -1,3 N/mm2 ja käsittelykovuus 5,0 -10,0 N/mm2. Ulkomaisista puulajeista mainittakoon punapyökki, jonka Brinell-kovuus on käsittelemättömänä n. 2,6 - 3,3 N/mm2 ja käsittelyn jälkeen 6,0 - 9,0 N/mm2, punatammen kovuus ennen käsittelyä on n. 3,0 N/mm2 ja käsiteltynä n. 7,0 -10,0 N/mm2, hemlokin kovuus on n. 1,2-1,3 N/mm2 ja käsiteltynä 7,0 - 9,0 N/mm2, douglaskuusen kovuus on n. 1,15-1,40 N/mm2ja käsiteltynä 3,5 - 4,0 N/mm2 ja basswoodin kovuus on n. 1,26 N/mm2 19 ja käsittelyn kovuus 8,0 -10,0 N/mm2. Puiden kovuusarvojen hajonta johtuu puumateriaalin luonnollisesta epähomogeenisuudesta ja erilaisesta nesteiden läpäisykyvystä esimerkiksi puun pinta- ja sydänosien välillä.

Menetelmällä valmistettu tuote säilyttää hyvin puun luonnollisen kauneuden, tuotteen kulutuskestävyys paranee oleellisesti, sen laajeneminen muuttuu tasaiseksi ja pituuslaajene-minen vähenee, pinnan hankausominaisuudet paranevat huomattavasti, tuotetta voidaan hioa, työstää, liimata ja pintakäsitellä kaikilla tunnetuilla menetelmillä, tuotteen valonsieto-kyky paranee oleellisesti, tuotteen palonkesto sopii L-luokan julkisiin kohteisiin, tuotteen vedenkestävyysominaisuudet paranevat (veden imeytymisen määrä ja nopeus vähenevät oleellisesti, tuotteen stabiilius lisääntyy ja isotrooppisuus sekä homogeenisuus paranevat, kosteuseläminen pinnan suunnassa minimoituu), tuotetta voidaan värjätä joko syvävär-jäyksenä tai osittaisvärjäyksenä ja näin syntyneessä tuotteessa näkyy puun luonnollinen rakenne, tuotteen biologinen vastustuskyky paranee, tuotteen lämmönjohtokyky (fys.); lämmönjohtavuus (kem.) paranevat, tuotteen lujuus kasvaa (taivutusjäykkyys, taivutuksen kestävyys, taivutusmurtolujuus, vääntöjäykkyys ja vääntölujuus, iskulujuus, iskunkestävyys, iskusitkeys, iskuvastus, läpilyöntikestävyys ja puristuksenkestävyys).

Lisäksi menetelmä soveltuu hyvin viilujen, lamellien, massiivipuiden ja pyöreiden puutuotteiden valmistukseen sekä levymäisten tuotteiden, kuten vanereiden, OSB-levyjen, lastulevyjen, MDF-levyjen, massiivisten yksikerros- tai monikerroslevyjen jne. valmistukseen. Menetelmä soveltuu levytuotteiden, kuten esimerkiksi vaneripintojen ja -päiden sää-, valo-, palo- tai biologiseen suojaukseen. Menetelmä soveltuu massiivipuiden pintojen tai päiden sää-, valo-, palosuojaukseen tai biologiseen suojaukseen. Menetelmää voidaan hyödyntää yhdistelmätuotteiden valmistuksessa ja tuotekehittelyssä. Käyttökohteita ovat esimerkiksi kiviteollisuus, autoteollisuus, muoviteollisuus ja tekstiiliteollisuus.

Menetelmä on teollisesti toteutettavissa sekä turvallinen, ympäristöystävällinen ja taloudellisesti kannattava verrattuna muihin menetelmiin. Keksintö vähentää haitallista kemikaalien haihtumista ja samalla parantaa esimerkiksi puumateriaalien käsittelyssä käytettyjen po-lymeroituvien aineiden jäämiä n. 2 - 3 -kertaisesti avoimeen ja painottomaan systeemiin verrattuna. Taloudelliselta kannalta voidaan keksinnön katsoa säästävän kemikaalikustan-nuksia avoimiin polymerointijärjestelmiin verrattuna keskimäärin 100 - 200 kg/m3. Vastaavasti keksinnön avulla voidaan valmistuksen tuotantokustannuksia alentaa puulajista riip 20 puen 20 - 50 %, keskimäärin 25 - 35 %. Sama kovuuden tai muiden ominaisuuksien yhdistelmä saavutetaan avoimiin tuotantojärjestelmiin verrattuna siis 20 - 35 % vähemmillä liuosmäärillä. Lisäksi keksintö tasaa eri puulajeihin sitoutuneet jäämämäärät, eikä puulajien eri osissa erotu niin selvästi epähomogeenisesti käsiteltyjä alueita.

Claims (9)

1 Puumateriaalin ominaisuuksien parantamiseksi kehitetty menetelmä, tunnettu siitä, että ennen imeytystä puukappale tai sen raakapuuta on esikäsitelty nestetunkeutu-man eli permeabiliteetin parantamiseksi rikkomalla sen solurakennetta käsittelemällä puukappaletta tai sen raakapuuta lämmittämällä tai mekaanisesti ja että puukappaleen tai sen raakapuun sisälle imeytetään nestemäinen synteettinen polymeroitu-va aine ja että polymerointi suoritetaan imeytyksen jälkeen samassa tiiviissä tilassa, joka on saatu aikaan asettamalla tiivis este puukappaleen ulkopuolelle lämpöä säätävien pintojen väliin tai ympäröimällä tiiviillä tilalla puukappaletta ja lämpötilaa säätäviä pintoja.

2 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että tiiviiseen tilaan on muodostettu sekä säädettävä ylipaine väliaineella, edullisesti kaasu, että prosessien olosuhteiden kokonaisvaltainen hallinta erilaisilla väliaineilla, edullisesti neste, höyry, kaasu tai säteily, ja että ylipainetta vähentämällä poistetaan eksotermisen polymerointireaktion tuottamaa lämpöä tai sitä muuttamalla säädetään prosessin lämpötilaa sekä samalla säädellään erityisesti puumateriaalin ominaisuuksia prosessin olosuhteita ja polymeroituvien aineiden pysymistä puussa erilaisia väliaineita sekä niiden määriä muuttamalla.

3 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ennen imeytystä puukappale tai sen raakapuuta esikäsitellään nestetunkeutuman parantamiseksi rikkomalla osittain sen solurakennetta edullisesti ennen työstämistä tai sen jälkeen piikillä, veitsellä tai laserilla tai työstämisen yhteydessä edullisesti sahaamalla, leikkaamalla ja sorvaamalla.

4 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennen imeytystä puukappale tai sen raakapuu esikäsitellään erityisesti nestetunkeutuman parantamiseksi ennen työstämistä tai sen jälkeen lämmittämällä, edullisesti kuuman veden, höyryn tai kuuman kaasun avulla.

5 Jokin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että esikäsittely lämmittämällä tapahtuu ennen työstämistä tai sen jälkeen pitämällä puu kappale tai sen raakapuu korotetussa lämpötilassa 70 - 250 °C, edullisesti haudottaessa lämpötilassa 80 - 90 °C 15 - 30 tuntia, edullisesti 10-15 tuntia, haudottaessa tai esikäsiteltäessä korkeimmissa lämpötiloissa 90 - 250 °C lyhentävät vastaavasti käsittelyaikaa.

6 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tasomainen tai muotoiltu puukappale on muotoiltu anistrooppisen leikkuusuuntansa mukaan siten, että sen pinnalla säteittäin näkyvien vuosirenkaiden määrä on per-meabiliteetin ja puun ominaisuuksien parantamiseksi mahdollisimman suuri.

7 Jonkin patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, jossa polymeroituvalla aineella imeytetyn puukappaleen polymerointi suoritetaan lämpöä säätävien pintojen välissä, jotka ovat lämpöä hyvin johtavasta materiaalista valmistettujen elementtien pintoja, jotka elementit on valmistettu metallista, tunnettu siitä, että lämpöä hyvin johtavasta materiaalista valmistettuihin elementteihin on järjestetty kanavat, joihin johdetaan lämpöä sekä prosessia ja puun ominaisuuksia säätävää väliainetta.

8 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tiivis tila aikaansaadaan esim. asettamalla tiivis este, jonka materiaali on valittu esim. metallista, kumista, puusta, lasista, muovista tai näiden yhdistelmästä, puukappaleen ulkopuolelle lämpöä säätävien pintojen väliin.

9 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että lämpöä johtavat puristavat sekä puukappaleita tiiviinä ja kasassa erillään pitävät pinnat myötäilevät muodoltaan polymeroitavan puukappaleen pintoja kappaleen muodon mukaisesti jolloin kappaleen pinnan muoto on edullisesti litteä, kaareva tai kolmi-ulotteisesti kaareva.