Föreläsning i kursen Konstruktionsmaterial (MPA001): Trä som material

Transkript

1 Föreläsning i kursen Konstruktionsmaterial (MPA001): Trä som material Träets byggnad Mekaniska egenskaper hos trä Trä och fukt Komprimerat trä Jag ska prata om en komposit bestående av organiska polymerer trä. Trä har en avancerad byggnad för en stark och materialsnål uppbyggnad. Jämför uppbyggnaden med en bunt sugrör. Trä består av tre komponenter: cellulosa 45 % hemicellulosa 25 % lignin 30 % analogi med armerad betong: cellulosa motsvarar armeringsjärn (dragstyrka), lignin gruset (tryckhållfasthet), hemicellulosa cement (bindemedel). Cellulosa är en polysackarid med långa ogrenade kedjor av upp till glukosenheter. Hemicellulosa är också en polysackarid som också mest består av glukos, men även andra sockerarter. Molekylerna är grenade och består bara av något hundratal sockerenheter. Lignin är oligopolymer av aromatiska kolväten (bensenringar) med korsbunden, ganska komplicerad uppbyggnad. Alla tre ämnena är termoplastiska och helt eller delvis amorfa (ej kristallina, saknar smältpunkt) med glastransitionstemperatur på drygt 200ºC, väsentligt lägre i fuktigt tillstånd. Man kan inte smälta trä, men göra det böjligt och formbart. Hemicellulosa (mest) och cellulosa sväller och krymper med fukthalten. Cellulosa, hemicellulosa och lignin bygger upp mikrofibriller som bygger upp cellvägg. Bygger upp non-woven struktur med olika laminerade skikt som tillsammans utgör cellvägg. De olika skikten skiljer sig beträffande sammansättning och mikrofibrillvinkel. Det dominerande skiktet har hög halt cellulosa och fibriller orienterade i fiberns längdriktning. Fibrillorienteringen gör att nästan alla fuktrörelser sker tvärs längsriktningen och gör cellväggen starkare i längsriktning. Det finns två slags fibrer vårveds- och sommarvedsfibrer. Vårvedsfibrer är tunnväggiga och sommarvedsfibrer tjockväggiga. Sommarved armerar, liksom märgstrålar. Krympning: axiellt <1 %, radiellt ~4 %, tangentiellt ~8 %. Krympningen densitetsberoende. Krympning ger spänningar Komposit uppbyggnad på flera nivåer: sammansättning, cellskikt, celler, sommar-vårved., ger styrka.

2 cellulosa vårved hemicellulosa mikrofibriller cellväggsskikt vedceller årsringar sommarved lignin Trädets armering - sommarved och märgstrålar Märgstråle Sommarvedsband Man skiljer på fiber-, partikel- och skumkompositer (cellulära) (kap 25): Trä är huvudsakligen en fiberkomposit. Cellväggen är en fiberkomposit. Trä består av fibrer, fiberväggen består av fibriller. Tvärs fiberriktningen är trä dock en skumkomposit. Träets byggnad gör det till ett starkt byggnadsmaterial: cellulosafibrer hälften så starka som kolfiber, fibriller ännu starkare. uppbyggnaden utnyttjar materialet effektivt. Men: Trädet producerar inte ett konstruktionsmaterial utan en mast som ska få upp grenar och grönmassa så högt upp som möjligt. Det handlar om återvinning. Problem: Trädet är rått trämaterial är torra hållf blir då bättre men man får problem med fuktrörelser, spänningar, deformation och sprickor Trädet har inte lämplig form för människans konstruktioner Kvistar ger fiberstörningar. Trädet är självreparerande, men lagningarna försämrar virket exempel reaktionved (tjurved). Kontentan är att trä är heterogent, det är ett dåligt definierat material. Egenskaperna, även mekaniska, är svåra att prognostisera. Konstruktionsvirke är mycket svagare än felfri ved. Man måste överdimensionera för att få säkerhet

3 Vägen till bättre konstruktionsmaterial av trä: sönderdela och bygg upp på nytt. Ger mindre spridning och bättre kontroll. Exempel: limträ, fanerträ, I-balk, Fe-wood (träkompositer, engineered wood products, EWP). Ett annat sätt att få trä mer ingenjörsmässigt: komprimering enligt CaLignum-metoden. Isostatisk pressning under gummimembran i Quintuspress. Volymen minskar beroende på densiteten. Mekaniska egenskaper förbättras, särskilt påtagligt hårdhet och repmotstånd. Kontenta Trä är: starkt i förhållande till massan heterogent långt ifrån ett material med definierade egenskaper anisotropt - olika egenskaper i axiell, radiell och tangentiell riktning reologiskt - kryper hygroskopiskt - fuktinnehåll och volym påverkas av luftfuktighet brännbart - behåller dock hållfasthet längre än t.ex. stål. Det finns stora möjligheter att göra trä till ett ingenjörsmaterial. Tryckhållfasthetens densitetsberoende (MPa) σ // = σ s// (ρ/ρ s ) σ / = σ s/ (ρ/ρ s ) ρ (kg m -3 )

4 Limträ Fanerträ (LVL) I-balk Engineered Wood Products (EWP) Komprimering av furu Före Efter 150 µm 150 µm

5 Mekaniska egenskaper hos CaLignum-trä jämfört med okomprimerat trä Furu Asp Ask 1-σ komp /σ (%) Drag Tryck, ax Tryck, tang Tryck, rad Böj Slag Brinell-hårdhet (kp/mm 2 ) Furu blir hårt som ek, ek blir dubbelt så hårt

6 Jämförelse med andra material 0 Furu CaLignum-furu Ek CaLignum-ek Termoplaster Bly Tenn Härdplaster Stål Brinell Koppar 40 Brinell Brinellhårdhet kp/mm

7

8