FBBB 4.3 Biobaserade skivmaterial Experimentella undersökningar

Transkript

1 Projektrapport FBBB 4.3 Biobaserade skivmaterial Experimentella undersökningar Michael Dorn, Linneuniversitetet Helena Tuvendal, Södra skogsägarna Henrik Oxfall, Swerea Erik Serrano, Lunds Tekniska Högskolan Växjö, December 2018

2

3 Förord Rapporten är del av projektet Framtidens Byggande och Boende (FBBB), delprojekt 4.3 Biobaserade skivmaterial. I denna rapport presenteras resultatet av de mekaniska drag- och böjprov såsom DTMA analys. Materialet Durapulp, som tillverkas av Södra, är referensmaterialet i delprojektet. Provkroppar av Durapulp producerades med olika tillverkningsmetoder för att se skillnader i beteenden. Referensmaterialen är trä-baserade skivmaterial som anses vanligt förekommande i byggskeendet. I delprojektet deltog Projektet Framtidens biobaserade byggande och boende finansierades av Bioinnovation, projektnummer i

4

5 Innehållsförteckning 1 Introduktion 1 2 Material Durapulp Airlaid (AL) Våtformning (VF) Torrforming (TF) Referensmaterial 2 3 Provningsmetoder Tillverkning av provkropparna Materialprov Dragprov Böjprov DMTA Provade varianter 5 4 Resultat Dragprov Böjprov DMTA analys 10 5 Referenser 12 Bilaga A Samtliga resultat från dragprov 13 A.1 Torrformade material (TF) 14 A.2 Airlaid material (AL) 15 A.3 Våtformade material (VF) 20 A.4 Referensmaterial 22 Bilaga B Samtliga resultat från böjprov 29 B.1 Torrformade material (TF) 30 B.2 Airlaid material (AL) 31 B.3 Våtformade material (VF) 36 B.4 Referensmaterial 38 iii

6

7 1 Introduktion Rapporten är del av projektet Framtidens Byggande och Boende (FBBB), delprojekt 4.3 Biobaserat skivmaterial. Delprojektet har syfte att hitta användningsområden för biobaserade skivmaterial. Materialet Durapulp, som tillverkas av Södra, är referensmaterialet i delprojektet. I denna rapport presenteras tillgångssättet och resultatet av de mekaniska provningar som gjordes på DuraPulp och olika referensmaterial. Provkroppar av Durapulp producerades delvis i egen produktion med olika tillverkningsmetoder för att se skillnader i beteenden. Referensmaterialen är träbaserade skivmaterial som anses vanligt förekommande i byggskeendet. Mekaniska tests genomfördes genom drag- och böjprov för Durapulp och referensmaterialen. Dessutom genomfördes DTMA studier på Durapulp. 2 Material 2.1 Durapulp Det oaktiverade materialet (dvs material med osmält PLA) är en blandning av cellulosafibrer och PLA som blandas in i form av små fibrer. Andelen av de två beståndsdelarna kan varieras men inom projektet används genomgående en viktsandel på 30 % PLA. Blandningen bereds i verket och råmaterialet levereras ut till kunderna. Tre olika tillverkningsmetoder för DuraPulp provades, som kallas för airlaid, våtformning och torrformning. Det tillverkades provmaterial själva för varianterna airlaid och våtforming med samma råmaterialet för båda metoderna. Produktionen av varianten torrformning gjordes externet Airlaid (AL) Produktionen av materialet genomfördes i första steget genom homogenisering av materialet. Det oaktiverade materialet matas ut på ett transportband i form av en lång matta. Kartongbrickor med en storlek på ca 30 x 30 cm 2 lades under mattan för att enklare kunna lyfta ut enstaka brickor senare. Mattan fördes in i en ugn för att få bort eventuellt överskott av vatten. I samband med denna torkning noterades även en viss bindning med smält PLA på mattans yta. Brickorna togs sedan ut i produktionskedjans ände. Brickorna blir för tunna för vidare pressning till materialprov om proceduren endast genomförs en gång, varför kartongbrickor med det oaktiverade materialet matades igenom på transportbandet två eller tre gånger, den totala tjockleken kunde därmed ökas. Materialet fördes sedan in i pressugnen och en press-/temperaturcykel kördes. Materialet uppvisade olika egenskaper efter pressningen, beroende på materialtjockleken eller temperaturen i ugnen. Olika kombinationer av antal skikt och presscykler genomfördes, se översikten i Tabell 1. Materialblandningen med 30 % PLA var densamma. Varianterna skiljer sig åt vad gäller antalet skikt och hur skikten satts samman (manuellt eller 1

8 maskinellt) samt vad gäller presstiden. Två olika presscykler användes, vilka skiljer åt vad gäller presstiden: 30 bar i 45 s, 86 bar i 45(90) s, i samtliga fall var temperaturen 200 C i både övre och undre platta av pressverktyget. Tabell 1: Tillverkningsmetoder för torrformade skivmaterial. Variant Antal skikt Malningar Presscykel Vikt innan press 1 2 manuellt 1 kort ca 170 g 2 2 manuellt 1 lång ca 170 g 3 3 manuellt 2 kort ca 150 g 4 3 manuellt 2 lång ca 150 g 5 2 maskinellt 1 lång ca g 6 3 maskinellt 1 lång ca g Numreringen av skivorna, som användes för att skära ut provkroppar, är baserad på materialtillverkningsmetoden (variant enligt Tabell 1) och löpnummer (skiva 1 eller 2 då det tillverkades flera skivor med nominalt sett samma metod). Se Tabell 3 för en fullständig överblick Våtformning (VF) Det torra, oaktiverade materialet blandades med vatten för att få en massa som homogeniseras. Under tillverkningens första steg sugs större delen av vattnet bort. Temperaturen i verktyget var 60 C med ett tryck av 30 bar över en period av 60 s. Materialet placeras därefter i en het press och en viss press-/temperaturcykel körs. Därmed avgår vattnet i form av ånga samtidigt som PLA smälter och binder till cellulosan. Det cykliska trycket tillåter att ångan kan evakueras utan att bubblor bildas i materialet som kan leda till delaminering. Materialet tillverkades i form av så kallade brick-ark (ca 60 cm x 60 cm totalt) med fyra mindre brickor (ca 23 cm x 23 cm jämn yta) i varje. Sex stycken brick-ark producerades totalt, samtliga med 30 % PLA-andel. Numreringen är baserad på löpnummer för brick-arken (variant) och löpnummer för delbrickor (skiva 1 eller 2). Se Tabell 3 för en fullständig överblick Torrforming (TF) Den torrformade varianten tillverkades av en extern part utan anknytning till projektet. Produktionsprocessen beskrivs därmed inte i detalj här, men den är en form av våtformning med låg vattenhalt. Tillverkningen skedes maskinellt och automatiserat. Materialet levererades i form av skivor i format ca A4 (221 mm x 296 mm) och med tjockleken 3.2 mm. Ytorna var glatta på ovansidan och räfflade på baksidan. Numreringen är baserad på förutsättningen att materialtillverkningsmetoden var densamma för samtliga ark (variant) och löpnummer för respektive skiva (skiva 1 eller 2). Se Tabell 3 för en fullständig överblick. 2.2 Referensmaterial Flera olika material som finns i nuläget användning inom byggsektorn testates som referensmaterial. Syftet med detta är att möjliggöra för intressenten att jämföra med kända produkter och relatera egenskaper av DuraPulp till dem. 2

9 Tabell 2 ger en överblick över referensmaterialet samt hänvisning till tillverkarna (om möjligt) och respektive produktstandard. Tabell 2: Översikt av referensmaterial. Namn Tjockle Beteckning k (mm) enl. standard Standard Tillverkare Hårdboard 2,8 HB (DIN EN 622-2, 2004) Finnish fiberboard 1 Hårdboard oljehärdad 3,2 HB.H (DIN EN 622-2, 2004) Finnish fiberboard 2 Byggplywood P30 8,9 Moelven 3 Spånskiva Bygg 9,8 P2 Kronospan 4 OSB 11,2 OSB 3 (DIN EN 300, 2006) Kronospan 5 Furuplywood 4,1 Moelven 6 Björkplywood 3,6 Moelven 7 Flugplansplywood 1,1 MDF 4,1 MDF Moelven 8 3 Provningsmetoder 3.1 Tillverkning av provkropparna Alla provkroppar skars ut med hjälp av laserskärning. Laserskärning ger en glatt yta utan att fibrerna förstörs och det är dessutom en enkel metod som tillåter automatisering. Därmed säkerställdes att samtliga provkroppar hade samma mått och kvalitet. Alla provkroppar hade samma geometri, vilken bestämdes av geometrin för dragprov (se Figur 1). 3.2 Materialprov Dragprov Dragprov genomfördes enligt standarden för träbaserade kompositer (DIN EN , 2014). I den standarden hänvisas till användningen av provkroppar enligt ISO 527-2/1A (SS EN ISO 527-2, 2012), se Figur 1. Provkropparnas tjocklek skivor/produktguide- Skivor/Plywood/Snickeriplywood/?filters=Kategori%205;Bj%C3%B6rkplywood%7CKategori%201;P lywood%7c 7 skivor/produktguide- Skivor/Plywood/Snickeriplywood/?filters=Kategori%205;Bj%C3%B6rkplywood%7CKategori%201;P lywood%7c 8 3

10 varierade dock. Lokal mätning av töjning gjordes med två extensomtrar med en initiallängd LL 0 = 50 mm som applicerades på var sin sida av provkroppen. l1 = 80 mm l3 = 200 mm L = 115 mm r = 24 mm b1 = 10 mm b2 = 20 mm h = 4 mm L0 = 50 mm Figur 1: Geometri samt mått för provkroppar av typ ISO 527-2/1A (SS EN ISO 527-2, 2012) Böjprov Böjprov genomfördes enligt standarden för bestämning av böjegenskaper hos plaster (DIN EN ISO 178, 2013). Se Figur 2 för den generella försöksuppställningen. Rekommendationen enligt standarden följdes om den var möjligt. Längden LL bestämdes enligt rekommendationen för provserier tjockare än 1,5 mm. Längden för tunnare material satts till 24 mm. Radie RR 2 varierades enligt rekommendationen. Bredden hos alla provkroppar var 10 mm med undantag av referensmaterialet PlyBygg, Spån och OSB som hade en bredd av 20 mm. Förskjutningshastigheten följde rekommendationen i standarden. l = 80 +/-2 mm L = (16 +/-1)h mm R1 = 5 +/-0,2 mm R2 = 2/5 +/-0,2 mm h = 4 +/-0,2 mm b = 10 +/-0,2 mm Figur 2: Provningsgeometri samt mått för böjprovning enligt (DIN EN ISO 178, 2013) DMTA Dynamisk mekanisk termisk analys genomförde i single cantilever bending från -40 C till 175 C vid en frekvens på 1 Hz en temperaturökning på 2 C/min och en töjning på 0,1 %. 4

11 3.3 Provade varianter De olika provvariationerna är sammanställda i Tabell 3 för dragprovarna och Tabell 4 för böjprovarna. DTMA analys genomfördes på vissa av provariationerna och är markerade i Tabell 3. Tabell 3: Översikt av dragproverna med materialsammansättning, medel tjocklek och medeldensitet. material TF AL VF Referens beteckning antal prov tjocklek densitet DTMA mm g/cm 3 DP TF X DP TF X DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL X DP VF X DP VF X DP VF X DP VF X HB HB.H Ply P Ply P Spån OSB Ply Furu Ply Furu Ply Björk Ply Björk Ply Flyg Ply Flyg MDF

12 Tabell 4: Översikt av böjproverna med materialsammansättning, medel tjocklek och medeldensitet. material beteckning antal prov tjocklek densitet mm g/cm3 TF DP TF DP AL DP AL DP AL DP AL AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP VF VF DP VF DP VF DP VF HB HB.H Ply P Spån OSB Ply Furu Ply Björk Ply Flyg MDF Referens 4 Resultat 4.1 Dragprov Figur 3visar styvheten och hållfastheten i drag för de testade varianterna; resultat återfinns också i Tabell 5. Styvheten bestämdes genom linjär interpolation av mätta spännings- och lokala töjningsvärden; hållfasthet definierades som spännings vid maximal last; brotttöjningen definierades som töjning när den kraftiga lastavfall i slutet av försöken uppträde. De olika tillverkningsmetoderna visar tydliga skillnader vad gäller både styvhet och hållfasthet. Torrformade ger klart högst värden med ca 9,3 GPa i styvhet och 67,3 MPa draghållfasthet. Samtidigt är spridningen inom samma skiva mycket mindre jämfört med de andra materialen. Airlaid material visar stor spridning, både inom en skiva och mellan de olika skivorna. Styvheten ligger mellan 2,7 och 3,7 GPa; draghållfastheten mellan 18,3 och 24,5 MPa. Våtformade materialet visar mindre spridning och högre värden för styvhet (4,3 4,6 GPa) och hållfasthet (35,5 39,7 MPa). Medelvärden och spridning varierar väldigt mycket för referensmaterialen. 6

13 Tabell 5: Resultat från dragprovning: medelvärde (medel), standardavvikelse (SD) och variationskoefficient (COV) för styvhet, hållfasthet och brotttöjning. material TF AL VF Referens beteckning styvhet hållfasthet brotttöjning medel SD COV medel SD COV medel SD COV MPa MPa % MPa MPa % % % % DP TF DP TF DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP VF DP VF DP VF DP VF HB HB.H Ply P Ply P Spån OSB Ply Furu Ply Furu Ply Björk Ply Björk Ply Flyg Ply Flyg MDF a) styvhet 7

14 b) hållfasthet c) brottöjning Figur 3: Resultat från dragprovning för (a) styvhet, (b) hållfasthet, (c) brottöjning. 4.2 Böjprov Resultat från böjprovningarna sammanställs nedan i form av medelvärden samt statistisk utvärdering. Figur 4 visar styvheten och hållfastheten i böjning för de testade varianterna; resultat återfinns också Tabell 6. (Böj-)Styvheten bestämdes genom linjär interpolation av mätta kraft- och nedböjningsvärden (med maskinens förskjutning); hållfasthet definierades som (böj-)spänning vid maximal last; brotttöjningen definierades som töjning när den kraftiga lastavfall i slutet av försöken uppträde. De olika tillverkningsmetoderna visar tydliga skillnader vad gäller både styvhet och hållfasthet. Torrformade materialet ger klart högst värden med ca 7,1 GPa böjstyvhet och 97 MPa böjhållfasthet. Samtidigt är spridningen inom samma skiva mycket mindre jämfört med de andra materialen. Airlaid materialet visar större spridning inom samma skiva och stora skillnader mellan skivor. Böjstyvheten varierar mellan 1,5 och 3,2 GPa, hållfastheten mellan 38 och 51 MPa. Våtformade 8

15 materialet visar mindre spridning med styvheten mellan 3,1 och 3,9 GPA och hållfastheten mellan 51 och 61 MPa. Tabell 6: Resultat från böjprovning: medelvärde (medel), standardavvikelse (SD) och variationskoefficient (COV) för styvhet, hållfasthet och brotttöjning. material beteckning styvhet hållfasthet brotttöjning medel SD COV medel SD COV medel SD COV MPa MPa % MPa MPa % % TF DP TF DP AL DP AL DP AL DP AL AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP AL DP VF VF DP VF DP VF DP VF HB HB.H Ply P Spån OSB Ply Furu Ply Björk Ply Flyg MDF Referens a) styvhet 9

16 b) hållfasthet c) brottöjning Figur 4: Resultat från böjprovning för (a) styvhet, (b) hållfasthet, (c) brottöjning. 4.3 DMTA analys DMTA har använts för att undersöka hur styvheten i de 3 materialvalen varierar med temperaturen. Samtliga materialen har en nedgång i styvhet, EE, vid ca 50 C. Detta beror på att matrismaterialet, PLA, har en glasomvandlingstemperatur, TT gg, vid ca 65 C vilket får genom att identifiera maxvärdet på tan(δδ), se Figur 5, Figur 6 och Figur 7 för resultaten. De torrformade proverna (DP TF) uppvisar en något annorlunda beteende än övriga prover då nedgången i styvhet inte är lika tydlig. Detta härrör troligtvis från att de torrformade proverna initialt är mycket styvare och mer kompakta och därför får en större del av sina egenskaper från cellulosafibrerna och inte från den termoplastiska matrisen. Således påverkas dessa mindre av PLA:ns minskade styvhet i samband med glasomvandlingstemperaturen. 10

17 a) DP TF 1.1 b) DP TF 1.2 Figur 5: Resultat från DTMA analys för variationerna DP TF. Figur 6: Resultat från DTMA analys för variationen DP AL 6.1. a) DP VF 2.1 b) DP VF

18 c) DP VF 3.1 d) DP VF 3.2 Figur 7: Resultat från DTMA analys för variationerna DP VF. 5 Referenser DIN EN 13986, Wood-based panels for use in construction Characteristics, evaluation of conformity and marking. DIN Deutsches Institut für Normung e.v. DIN EN , Composites made from cellulose-based materials and thermoplastics (usually called wood-polymer composites (WPC) or natural fibre composites (NFC)) Part 1: Test methods for characterisation of compounds and products. DIN Deutsches Institut für Normung e.v. DIN EN 300, Oriented Strand Boards (OSB) Definitions, classification and specifications. DIN Deutsches Institut für Normung e.v. DIN EN 622-2, Fibreboards Specifications Part 2: Requirements for hardboards. DIN Deutsches Institut für Normung e.v. DIN EN ISO 178, Plastics Determination of flexural properties. DIN Deutsches Institut für Normung e.v. SS EN ISO 527-2, Plastics Determination of tensile properties Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. SIS, Swedish Standards Institute. 12

19 Bilaga A Samtliga resultat från dragprov 13

20 A.1 Torrformade material (TF) Figur 8: Resultat för DP TF 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 9: Resultat för DP TF 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 14

21 A.2 Airlaid material (AL) Figur 10: Resultat för DP AL 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 11: Resultat för DP AL 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 15

22 Figur 12: Resultat för DP AL 2.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 13: Resultat för DP AL 2.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 16

26 A.3 Våtformade material (VF) Figur 20: Resultat för DP VF 2.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 21: Resultat för DP VF 2.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 20

27 Figur 22: Resultat för DP VF 3.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 23: Resultat för DP VF 3.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 21

28 A.4 Referensmaterial Figur 24: Resultat för HB 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 25: Resultat för HB.H 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 22

29 Figur 26: Resultat för Plywood P30 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 27: Resultat för Plywood P30 1.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 23

30 Figur 28: Resultat för Spånskiva 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 29: Resultat för OSB 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 24

31 Figur 30: Resultat för Plywood furu 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 31: Resultat för Plywood furu 1.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 25

32 Figur 32: Resultat för Plywood björk 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 33: Resultat för Plywood björk 1.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 26

33 Figur 34: Resultat för flygplansplywood 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 35: Resultat för flygplansplywood 1.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 27

34 Figur 36: Resultat för MDF 1.1: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 28

35 Bilaga B Samtliga resultat från böjprov 29

36 B.1 Torrformade material (TF) Figur 37: Resultat för DP TF 1.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 30

37 B.2 Airlaid material (AL) Figur 38: Resultat för DP AL 1.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 39: Resultat för DP AL 1.4:spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 31

41 Figur 46: Resultat för DP AL 6.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 35

42 B.3 Våtformade material (VF) Figur 47: Resultat för DP VF 2.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 48: Resultat för DP VF 2.4: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 36

43 Figur 49: Resultat för DP VF 3.3: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 50: Resultat för DP VF 3.4: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 37

44 B.4 Referensmaterial Figur 51: Resultat för HB 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 52: Resultat för HB.H 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 38

45 Figur 53: Resultat för Plywood P30 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 54: Resultat för Spånskiva 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 39

46 Figur 55: Resultat för OSB 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 56: Resultat för Plywood furu 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 40

47 Figur 57: Resultat för Plywood björk 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre Figur 58: Resultat för flygplansplywood 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 41

48 Figur 59: Resultat för MDF 1.2: spännings-töjnings-diagram (övre vänster), styvhetsfördelning (övre 42

49

50 Fakulteten för teknik Växjö tel , fax