FI80625B

FI80625B - Foerfarande foer att foerbaettra kvaliteten hos trae samt anvaendning av det foerbaettrade traeet.

Info

Publication number: FI80625B
Application number: FI860569A
Authority: FI
Inventors: Eberhard Giebeler; Gerhard Wilhelm
Original assignee: Ruetgerswerke Ag
Priority date: 1985-02-13
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1990-03-30
Also published as: EP0191196A1; FI80625C; US4678715A; DE3563321D1; ATE35103T1; EP0191196B1; JPS61188101A; FI860569A; DE3504898A1; FI860569A0

Description

1 80625

Menetelmä puun laadun parantamiseksi sekä parannetun puun käyttö FÖrfarande för att förbättra kvaliteten hos trä samt användning av det förbättrade träet

Keksintö kohdistuu menetelmään puun laadun parantamiseksi kohdistuu puun ulottuvuuksien pysyvyyden sekä sen resonanssi-ominaisuuksien suhteen.

Nämä ominaisuudet ovat erityisen merkityksellisiä, kun puuta käytetään kaikupohjien, kuten musiikki-instrumenttien, korkealaatuisten sähköakustisten laitteiden runkojen tai konserttisalien verhoamiseen käytettävien levyjen valmistamiseen. Näissä käyttösovellutuksissa käytetään toisaalta pelkästään kauan aikaa varastoitua, erityisesti valikoitua, nk. resonanssipuu-ta, jossa vuosirenkaat ovat muodostuneet mahdollisimman yhtenäisesti. Tällainen puu on hyvin harvinaista ja kallista. Toisaalta tavallisen puun ominaisuuksia pyritään parantamaan maalaamalla, kyllästämällä tai muulla tavalla käsittelemällä. Puun maalaamisella tai kyllästämisellä on vain kohtalainen vaikutus ulottuvuuksien pysyvyyteen, ja se heikentää lisäksi resonanssiominaisuuksia, koska tällöin puun huokoset ja kapillaarit tukkeutuvat, mikä alentaa akustisia ominaisuuksia. Käsiteltäessä puuta esimerkiksi patenttijulkaisun DE-PS 878 553 tai erityisesti patenttijulkaisun EP-B-0 018 446 mukaisesti päästään välttämättömään ulottuvuuksien pysyvyyteen siinäkin tapauksessa, ettei käsittelyn kohteena olevaa puuta ole erityisesti valikoitu eikä etukäteen vanhennettu, mutta tällöin kuitenkin akustiset ominaisuudet paranevat olennaisesti pelkästään siinä suhteessa, että resonanssiominaisuudet pysyvät paremmin vakaina kosteusolosuhteiden vaihtelusta johtuvien kutistumis- ja turpoamisilmiöiden pienenemisen seurauksena.

Näin ollen tämän keksinnön tehtävänä on saada aikaan menetelmä puun laadun parantamiseksi, jolla menetelmällä tavallista.

2 80625 edeltä käsin vanhentamatonta puuta käyttäen saavutetaan paremmat resonanssi- ja sointiominaisuudet, joihin vaihtelevat ympäristöominaisuudet eivät vaikuta ja jotka vastaavat vanhan, valikoidun resonanssipuun samoja ominaisuuksia.

Tämä tehtävä ratkaistaan patenttivaatimusten 1...5 mukaisella menetelmällä. Puuta, jonka laatua on parannettu tämän menetelmän mukaisesti, käytetään keksinnön mukaisesti kaikupohjien valmistamiseen.

Puun vanhentuessa tapahtuu kaksi ilmiötä:

Puun tietyt aineosat, etupäässä hemiselluloosa, hajoaa. Koska turpoamiskäyttäytyminen johtuu pääasiallisesti näistä aineista, niin tällöin ilmastollisista syistä johtuvat vaihtelut pienenevät.

Lisäksi esiintyy lisäksi puun tiettyä kovenemista. Resonanssi-ominaisuuksiltaan hyvän puun tapauksessa nämä ilmiöt etenevät siten, että puuhun muodostuu yhdenmukaisia, seinämiltään vahvistuneita kapillaareja, jotka loppujen lopuksi ovat ratkaisevia tasaisille, lähes vaimentamattomille värähtelyille, ja täten hyville sointiominaisuuksille.

Todettiin, että tätä monta vuotta kestävää, luonnollista prosessia voidaan nopeuttaa keinotekoisesti ja ohjata toivottuun suuntaan, mikäli reaktorissa saadaan samanaikaisesti, aikaan puun aineosien hajoaminen sekä polymeerien muodostuminen puun kapillaareissa, jolloin kuitenkin muodostuvaa polymeeriä syntyy niin pieniä määriä, että se pelkästään vahvistaa kapillaarien seinämiä, mutta ei missään tapauksessa tuki niitä; toisin sanoen kapillaarien seinämille saa muodostua ainoastaan polymeerin mono- tai oligomolekulaarisia kerroksia, eli kerroksia, jotka ovat niin ohuita, että ne helpottavat värähtelyjen etenemistä aiheuttamatta kuitenkaan tämän lisäksi äänen epätoivottua vaimenemista.

Tähän päästään keksinnön mukaisesti siten, että puun kapillaa- 3 80625 ritilöihin viedään pieniä määriä reaktiivisia lähtöaineita, jotka kykenevät reagoimaan keskenään ja puun aineosien kanssa duroplastisia eli kertamuovisia polymeerejä muodostaen, ja että näistä lähtöaineista muodostuu paineen alaisuudessa vastaavia polymeerejä samanaikaisesti tai kohta tämän jälkeen toteutetun lämpökäsittelyn seurauksena, kun taas tämän saman käsittelyn aikana puun muut, epästabiilit aineosat hajoavat.

Lähtömateriaalina keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään tavallista ydinpuuta, jossa ei ole halkeamia, ja jonka vesipitoisuus on korkeintaan 10 paino-%. Edullisin vesipitoisuus on 2...5 paino-%. Puulajilla ei ole merkitystä, joten myös halvasta poppeli-, kuusi- tai mäntypuusta voidaan valmistaa arvokasta, laadullisesti parempaa puuta. Lähtöaineena toimivan puun laatutasolle ei aseteta myöskään erityisiä vaatimuksia, lukuunottamatta kuitenkaan sitä, ettei siinä kuitenkaan saa olla karkeita virhekohtia, kuten oksanreikiä.

Duroplastisten polymeerien reaktiiviset lähtöaineet ovat mono-meerisiä kemiallisia aineita, jotka kykenevät reagoimaan lämpimässä muiden reaktiivisten lähtöaineiden tai puun aineosien kanssa duroplastisia polymeerejä muodostaen.

Esimerkkeinä tällaisista aineista, jotka kykenevät reagoimaan puun aineosien kanssa, mainittakoon aldehydit kuten formaldehydi tai asetaldehydi, ketonit, epikloorihydriini, akryylihap-po, maleiinihappo tai -anhydridi.

Muut reaktiiviset lähtöaineet kuten urea, furfuryylialkoholi, melamiini tai fenoli tai fenolin johdannaiset, kuten kresolit tai ksylenolit, tarvitsevat toiseksi reagoivaksi aineeksi aldehydin tai ketonin. Tässä tapauksessa nämä molemmat keskenään reagoivat lähtöaineet on saatava puun kapillaarien sisään. Reaktiivisina lähtöaineina käytetään mieluiten fenolia ja formaldehydiä.

Reaktioon osallistuvien aineiden viemiseksi puun sisään on olemassa eri mahdollisuuksia: puu voidaan kyllästää reaktiivi- 4 80625 sen lähtöaineen liuoksella, joka on valmistettu veteen tai orgaaniseen liuottimeen, jonka jälkeen puu kuivataan, tai puuta, joka on tiukasti suljetun tilan sisällä, esimerkiksi kiedottu kalvon sisään, seisotetaan yhdessä yhden tai useamman kaasumaisen ja/tai höyrystyvän reaktiivisen aineen kanssa, jolloin tämä aine tai nämä aineet tunkeutuvat diffuusion seurauksena puun kapillaareihin. Molemmat menetelmät ovat erittäin aikaavieviä. Tästä syystä reaktiivinen lähtöaine tai -aineet saatetaan mieluiten tunkeutumaan puun sisään reaktorissa höyryfaasin avulla. Tämä voidaan toteuttaa siten, että puulla kerrostettuun reaktoriin imetään vakuumi, joka tämän jälkeen laukaistaan, jolloin vakuumin poistamiseksi reaktoriin johdettu kaasu on joko kaasumaista reaktiivista lähtöainetta tai reaktiivista lähtöainetta sisältävää inerttiä kantokaasua. Yksinkertaisimmassa suoritusmuodossa reaktiiviset aineosat lisätään reaktoriin puun kanssa samanaikaisesti, ne höyrystyvät reaktorin lämmitysvaiheen aikana ja tunkeutuvat puun kapillaareihin, mitä edesauttaa aiheutettu paine.

Mikäli puun sisään halutaan saada duroplastisen polymeerin kaksi keskenään reagoivaa, reaktiivista lähtöainetta, voidaan niiden antaa tunkeutua puuhun samanaikaisesti tai toisistaan erillään lämpötiloissa, jotka ovat näiden aineiden reaktio-kynnyksen alapuolella. Mieluiten käytettyjen reaktiivisten lähtöaineiden, fenolin ja formaldehydin, tapauksessa päästään puun laadun erityisen huomattavaan parantumiseen siten, että puun ensimmäisessä käsittelyvaiheessa puuta ja siitä laskien noin 2 paino-% fenolia lämmitetään reaktorissa noin 80 °c lämpötilaan, jonka jälkeen reaktorissa vallitseva paine alennetaan 25...100 millibariin, vakuumi poistetaan noin 15 minuutin kuluttua typellä, painetta lasketaan uudestaan, ja sitten jälleen 10...15 minuutin kuluttua paine palautetaan ennalleen aina 10 tilavuusprosenttia kaasumaista formaldehydiä sisältävällä typellä. Tämän jälkeen reaktori kuumennetaan alueella 140...200 °C olevaan lämpötilaan, ja reaktorissa vallitseva paine nostetaan loppuarvoon 3...15 bar edeltä käsin lämmitetyn typen avulla. Toivottujen paine- ja lämpötila-arvojen saavuttamisen jälkeen näitä reaktio-olosuhteita pidetään vielä yllä 5 80625 0,5...8 tuntia. Tämän jälkeen paine palautetaan ennalleen ja laadullisesti täten parannettua puuta voidaan jäähtymisen jälkeen jatkokäsiteliä suoraan kaikupohjien valmistamista varten.

Tämän paine-lämpö-käsittelyn aikana puun hydrolysoituvat aineosat, etupäässä hemiselluloosat hajoavat. Reaktiotuotteina muodostuu tällöin muun muassa myös happoja, esimerkiksi muura-hais- tai etikkahappoa, jotka puolestaan katalysoivat formaldehydin ja fenolin välistä kondensasatioreaktiota. Tämän seurauksena kondensaatioreaktio etenee mieluiten kapillaarien seinämillä. Muut reaktiotuotteet, kuten furfuryylialkoholi tai fenoliset komponentit, voivat puolestaan reagoida ja muodostaa ristisidoksia kapillaareihin tunkeutuneen formaldehydin kanssa. Koska nämä aineet muodostavat ristisidoksia keksinnön mukaisissa olosuhteissa vielä niin kauan, kun ne ovat puukui-tujen ja -kapillaarien seinämien sisällä, saavat nekin aikaan kapillaarien seinämien vahvistumista ja kovettumista, jolloin värähtelyominaisuudet paranevat. Täten saadaan muodostetuksi laadullisesti parannettua, vahvistettua puuta, joka ilmastollisista vaihteluista riippumatta vastaa ääneen liittyvien ominaisuuksiensa puolesta vanhoja, hyviä musiikki-instrumentteja. Näitä akustisia ominaisuuksia voidaan edelleen parantaa, mikäli paine- ja lämpötilakäsittelyn aikana puuhun vaikuttaa värähtelyjä, joiden taajuus on alueella 16...4000 Hz.

Seuraavissa esimerkeissä havainnollistetaan tämän keksinnön mukaisesti parannetun puun akustisten ominaisuuksien paranemista, ja näin ollen täten parannetun puun erityistä soveltuvuutta kaikupohjien valmistamiseen.

Esimerkki 1 3 mm paksuinen kuusipuinen sahavanerikappale, jonka ulottuvuudet ovat 600 x 300 mm, jossa pintakuviointi kulkee samansuuntaisena pituussuunnan kanssa ja kohtisuoraan poikkileikkausta vastaan (säteittäisleikkaus), ja jossa vuosirenkaiden etäisyys toisistaan on noin 2 mm, kuivataan 5 prosentin kosteuspitoi- 6 80625 suuteen ja kuumennetaan 15 minuutin ajan autoklaavissa 170 °C lämpötilassa. Lämpöä kantavana aineena toimii kuumennettu typpikaasu, joka on puristettu 9 bar paineeseen. Autoklaaviin sijoitetaan puun kanssa samanaikaisesti kahdessa erillisessä astiassa 37-prosenttista formaldehydiliuosta ja fenolia riittävä määrä kylläisen kaasufaasin aikaansaamiseksi. Edelleen 45 minuutin kuluttua paine alennetaan 15 minuutin aikana ilmanpaineen suuruiseksi, inerttikaasun kiertokulku katkaistaan ja näytteet otetaan ulos autoklaavista, (näyte 1.1). Seisottami-sen jälkeen (14 vuorokautta 20 °C lämpötilassa, ilmankosteuden ollessa 60 %) näitä näytteitä verrataan käsittelemättömiin vertailunäytteisiin. Vertailunäytteet on kulloinkin saatu viereisestä säteittäisleikkauksesta, joten niiden pintakuvi-ointi ja kaikki muutkin asiaan vaikuttavat ominaisuudet vastaavat täysin parantamismenetelmässä käytetyn lähtömateriaalin ominaisuuksia, (näyte 2.1). Näitä näytteitä verrataan edelleen sellaisiin näytteisiin, jotka ovat käyneet läpi saman lämpö-ja painekäsittelyn, kuitenkin ilman fenolia ja formaldehydiä, (näyte 3.1).

Näytteiden akustisten ominaisuuksien tutkiminen suoritetaan taivutusvärähtelyn mittalaitteella normiin DIN 53440 perustuen. Näytteet jännitetään yksipuolisesti ja saatetaan sähkömag-neettisesti värähtelemään näytteen päälle liimatun pienen metallilevyn avulla. Vapaasti värähtelevä pituus on 180 mm.

7 80625

Tulokset Näyte Tiheys Resonanssi- E-moduuli E/$> Häviö- 9 taajuus tekijä __[kg/m3j [Hz] ‘ 1010fN/m3 ‘ 106 fm2/s^ 1.1 480 112 1,36 28,3 0,0082 697 1,38 28,7 0,0089 1955 1,37 ’ 28,5 0,012 1.2 465 109 1,26 27,1 0,0085 687 1,28 27,4 0,0086 1920 1,26 27,1 0,01 1.3 450 106 1,18 26,2 0,0092 657 1,15 25,5 0,011 1835 1,14 25,3 0,013 Lämmön avulla käsitellyn ja duroplastisten polymeerien reaktiivisilla lähtöaineilla kyllästetyn näytteen (1.1) tiheys kasvaa noin 2 %. Taivutusjoustavuusmoduli on kasvanut noin 10...20 %. Häviötekijä on parantunut hieman käsittelemättömään näytteeseen 1.2 verrattuna. Värähdysaaltojen leviämisnopeuteen ratkaisevimmin vaikuttava, joustavuusmodulin ja tiheyden välinen suhde on suurin näytteellä 1.1. Resonanssitaajuudet ovat samoin siirtyneet suurempiin arvoihin.

Näytteisiin koputettaessa (koputtamiskoe) näyte 1.1 kuulostaa kirkkaammalta ja vähemmän vaimentuneelta kuin näytteet 1.2 ja 1.3. Tämä psykoakustinen vaikutus on myös havaittavissa siinä tapauksessa, että vastaavasti käsitellyistä puumateriaaleista valmistetaan jousi- ja näppäilyinstrumenttien pohjiin reso-nanssikansi. Vastaavasti valmistetut instrumentit vastaavat äänen laadultaan korkea-arvoisia, vanhoja instrumentteja. Ilman kosteuden ja muiden ilmasto-olosuhteiden muutokset eivät vaikuta sointiominaisuuksiin.

8 80625

Esimerkki 2

Puunäytteitä käsitellään analogisesti esimerkissä 1.1 kuvatulla tavalla lämmön avulla fenolin ja formaldehydin läsnäollessa, jolloin kuitenkin käsittelyolosuhteita muutetaan seuraavasti : käsittelyaika 75 min. käsittelylämpötila 190 °C paine 11 bar

Ominaisuuksiltaan täten parannettuja näytteitä (2.1) verrataan käsittelemättömiin vertailunäytteisiin (2.2).

Näyte Tiheys Resonanssi- E-moduuli E/$> Häviö- f taajuus tekijä

K'".3] I frzj I -106Cn2/s2J

2>1 435 114 1,23 28,3 0,0076 715 1,21 27,8 0,0098 1990 1,19 27,3 0,009 2·2 400 Hl 1 ,06 26,5 0,0089 696 1,05 26,2 0,009 1940 1,04 26 0,01

Suuntauksena on, että myös 190 °C lämpötilassa päästään samaan, suhteeseen E/$ kohdistuvaan paranemisvaikutukseen kuin esimerkissä 1. Koputtamiskokeessa näyte 2.1 kuulostaa kirkkaammalta kuin näyte 2.2, mutta myös kirkkaammalta kuin näyte 1.1.

Esimerkki 3

Redwood-puinen näyte käsitellään esimerkin 1 tavoin (näyte 3.1). Käsittelemättömällä puulla (3.2) toteutetussa vertailevassa akustisessa tutkimuksessa saadaan seuraavat arvot: Näyte Tiheys Resonanssi- E-moduuli E/y f taajuus tekijä 9 80625 [kg/m3J [HzJ ·1010[ν/ιπ^ ‘106 [m2/s2J_ 3.1 435 86 0,84 19,3 0,0064 544 0,85 19,5 0,013 1509 0,83 19,1 0,0086 2900 0,8 18,4 0,0096 3.2 400 74 0,56 14 0,0096 478 0,6 15 0,0079 1360 0,62 15,5 0,0076 2620 0,58 14,5 0,0088

Esimerkki 4

Seetripuinen näyte käsitellään esimerkissä 1 kuvatulla tavalla (4.1). Vertailunäyte käy läpi saman paine- ja lämpökäsittelyn, mutta ilman fenolia ja formaldehydiä. Tämän puhtaasti lämmön avulla toteutetun parantamisprosessin jälkeen vertailunäytettä seisotetaan 7 vuorokautta 80 °C lämpötilassa, fenolilla ja formaldehydillä kyllästetyssä ilmakehässä, näiden komponenttien molekulaarisen adsorption mahdollistamiseksi. Tämän jälkeen tätä näytettä kuumennetaan 8 tuntia 120 °C lämpötilassa kylläisessä fenoli-, formaldehydi- ja etikkahappoilmakehässä (näyte 4.2). Näytteitä 4.1 ja 4.2 verrataan akustisesti käsittelemättömään nollanäytteeseen (4.3). Taivutusvärähtelymitta-ukset toteutetaan koesauvoilla, joiden ulottuvuudet ovat 3 mm x 10 mm x 200 mm.

Näyte Tiheys Resonanssi- E-moduuli E/y Häviö- f taajuus tekijä 10 80625 _M|3J| N _ 4.1 375 319 0,670 17,8 0,0056 875 0,630 16,8 0,0089 1745 0,665 17,7 0,0086 2970 0,72 19,2 0,0090 4.2 375 295 0,525 14,0 0,005 800 0,482 12,8 0,0065 1600 0,507 13,5 0,0080 2725 0,537 14,3 0,0080 4140 0,550 14,6 0,0370 4.3 380 315 0,626 16,47 0,0041 855 0,590 15,5 0,0067 1710 0,610 16,0 0,0078 2850 0,630 16,5 0,0080

Esimerkki 5

Kuusipuista resonanssipuuta käsitellään esimerkin 2 vertailu-näytteen tavoin 11 bar paineessa ja 190 °C lämpötilassa 75 minuuttia, a. puhtaassa inerttikaasun ilmakehässä (näyte 5.1) b. inerttikaasun ilmakehässä, joka sisälsi 2 tilavuus-% formaldehydiä (näyte 5.2)

Akustisessa tutkimuksessa käsittelemättömään näytteeseen (5.3) verrattuna, taivutusvärähtelymittauksissa näytteillä, joiden ulottuvuudet ovat 4 mm x 10 mm x 200 mm, saadaan seuraavat arvot: Näyte Tiheys Resonanssi- E-moduuli E/j> Häviö- $ taajuus tekijä 11 80625 frg/m3J [HzJ ·1010Γν/ιπ3 '106[m2/sy 5.1 455 543 1,09 24,0 0,011 1480 1,02 22,4 0,010 2870 1,01 22,2 0,011 4780 1,01 22,2 0,041 5.2 45C 547 1,11 24,5 0,007 1490 1,05 23,3 0,010 2900 1,02 < 22,6 0,010 4820 1,03 23,0 0,04 5.3 510 542 1,22 23,9 0,009 1470 1,14 22,3 0,010 2830 1,1 21,5 0,013 4715 1,11 21,7 0,050

Claims

1. Menetelmä puun laadun parantamiseksi, tunnettu siitä, että sinä aikana kun 0,1...2,5 paino-% puun kuivapainosta duroplastisia polymeerejä muodostavia reaktiivisia lähtöaineita saatetaan tunkeutumaan puun kapillaareihin, tai kohta tämän tunkeutumisen jälkeen, puuta, jonka vesipitoisuus ei ylitä 10 paino-%, käsitellään 170...200 °C lämpötilassa ja 3...15 bar paineessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktiiviset lähtöaineet laitetaan reaktoriin puun kanssa, ne höyrystyvät reaktorin lämmitysvaiheen aikana ja tunkeutuvat puun kapillaareihin reaktoriin aiheutetun paineen myötävaikutuksella.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puuta käsitellään vakuumikammioon imetyssä vakuu-missa, paine tasataap kaasumaisella furfuryylialkoholilla, fenolilla tai fenolijohdannaisella, tai fenolilla tai fenolia sisältävällä kantokaasulla, jonka jälkeen puuta käsitellään uudestaan vakuumissa, paine tasataan toisella kerralla kaasu- > maisella aldehydillä tai aldehydiä sisältävällä kantokaasulla, jonka jälkeen puuta käsitellään 0,5...8 tunnin ajan 170...200 °C lämpötilassa ja 3...15 bar paineessa. f

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1...3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puun paine- ja lämpökäsittelyn aikana puuhun annetaan vaikuttaa värähtelyjä, joiden taajuus on alueella 16...4000 Hz.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1...4 mukaisesti laadultaan parannetun puun käyttö kaikupohjien valmistamiseen. ♦ » n 80625