ärmebehandlat trä n Egenskaper och användningsområden

Transkript

1 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ 1 LTU SKELLEFTEÅ ärmebehandlat trä n Egenskaper och användningsområden n

2 2 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ Egenskaper värmebehandlat trä Foto: Union Wood När trä värmebehandlas sker en rad kemiska och fysikaliska förändringar av materialet. Syftet med värmebehandlingen var ursprungligen ett sätt att öka den biologiska beständigheten och formstabiliteten hos trä. De olika processer som är utvecklade för värmebehandling fungerar för alla träslag men största egenskapsförbättringen får man genom att behandla mindre beständiga träslag t ex gran och björk. En annan effekt av värmebehandlingen är förändringen av färg, en egenskap som gör normalt ljusa träslag intressanta att användas i möbler och inredningar. Andra effekter av värmebehandlingen är att trämaterialet blir sprödare, får lägre densitet och att hållfastheten minskar vilket inverkar på materialets användningsområden. Även limning, ytbehandling och bearbetning påverkas av värmebehandlingen. Alltså, värmebehandlat trä skiljer sig ganska avsevärt från vanligt trä, både vad gäller egenskaper och bearbetning. De mest slående förändringarna är den brunaktiga kulören, den minskade fuktupptagningen i luft och därmed sammanhängande svällning och krympning, d.v.s. materialet blir mera formstabilt vid fuktvariation. I utsatta miljöer blir värmebehandlat trä även mera beständigt genom en process där inga miljöfarliga kemikalier används. Färg Vid värmebehandling startar en nedbrytning av trä och dess kemiska beståndsdelar, främst hemicellulosan. Nedbrytningsprodukterna reagerar därefter vidare med t ex karamellisering, vilket bidrar till den bruna färgen. Den färg som varje träslag får skiljer sig lite åt men beror främst på temperatur och tid vid behandlingen. Ju högre temperatur och ju längre tid vid denna temperatur, desto mörkare brunt blir träet. Detta gör det möjligt att färgstyra trä till önskad nyans för olika produkter i processen utan att betsa eller tillföra pigment i oljor som man behandlar ytan med. Färgen på värmebehandlat trä blir genomgående i hela materialet med mycket liten skillnad mellan ytan och inre delar. Detta gör det enkelt att klyva fram ämnen eller slipa ytor utan att få synbara färgskiftningar. Erfarenheter av värmebehandlat trä visar att slutfärgen beror på om materialet är helt obehandlat, oljat eller lackat. En oljad värmebehandlad träyta får exempelvis en mycket mörkare färgton än en obehandlad yta. En annan fråga är färgens beständighet i olika miljöer. Som allt trä påverkas färgen med tiden av solljus och oxidation. Det är särskilt den ultravioletta delen av ljuset som bleker färgen men det finns sätt att behandla ytan för att färgblekningen ska gå långsammare. Eller kanske man i stället önskar en grånad obehandlad träyta som ändå är motståndskraftig mot mögel och biologisk nedbrytning!

3 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ 3 Färgöversikt För att visa färgförändringarna hos några värmebehandlade svenska träslag har de behandlats vid två temperaturer 185 och 200 grader med termowoodprocessen. Detta motsvarar Thermo-S och Thermo-D för lövträ enligt ThermoWood Associations klassificering. Generellt kan man säga att man får större färgförändring på lövträ än för barrträ vid samma temperatur. Därför behandlas barrträ vid något högre temperatur än lövträ. Gran Gran 185 C Gran 200 C Ask Ask 185 C Ask 200 C Björk Björk 185 C Björk 200 C Bok Bok 185 C Bok 200 C Ek Ek 185 C Ek 200 C

4 4 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ Beständighet Den naturliga beständigheten hos trä varierat stort mellan olika träslag och beror främst på förekomst av mer eller mindre fungicida extraktivämnen i kärnveden. Kraven på beständighet varierar beroende på hur trä ska användas, särskilt i utomhusexponerade produkter. Standarden EN definierar fem riskklasser med avseende på biologiska angrepp för trä eller träbaserade produkter och i EN definieras motsvarande för massivt trä. T ex klassas impregnerat virke mot dessa definitioner och för NTR klass AB gäller skyddet för användning i riskklass 3. Den naturliga beständigheten för olika träslag finns angiven i standarden EN där träslagen delas in i fem klasser från mycket beständig till ej beständig. I standarden EN 460 kan man avgöra vilka krav på beständigheten som ställs för olika riskklasser. Denna standard behövs också för att förstå hur värmebehandlat trä ska klassas och användas. Vid värmebehandling av trä ökar beständigheten hos det behandlade träet. Ju högre temperatur behandlingen görs vid, desto bättre blir beständigheten. Samtidigt minskar dock styrkan så det gäller att göra en avvägning av behandlingstemperatur för att få den beständighet man vill ha utan att tappa allt för mycket i styrka. Nedanstående tabell baseras på EN 460 för att ge en översikt över några träslag och hur de kan användas i utsatta miljöer. Det finns vissa förbehåll vad gäller värmebehandlat trä, dels har inte beständighetstester genom lab- och fältstudier gjorts under särskilt lång tid ännu och framför allt bara på ett fåtal träslag. Nu pågår även forskning när det gäller påväxt av mögel på trä torkat och värmebehandlat vid lika temperaturer. Även här finns resultat som indikerar att värmebehandlat trä får mindre mögelangrepp är vanligt trä. Värmebehandlat Exempel på Beständig Riskklass Situations Fuktkvot trä Träslag hetsklass EN EN beskrivning obeh. trä Thermo-S av al, Al, ask, asp, 5 ej beständigt 1 Ovan mark Ständigt asp, björk, lönn björk, bok, (torrt) under 18% lönn Thermo-D av asp, Alm, furu, gran, 4, (5) 2 Ovan mark, Stundtals björk lärk något beständigt skyddat, risk över 20% för väta Thermo-S av furu Furu 3 3 Ovan mark, ej Frekvent och gran (kärnved), måttligt beständigt skyddat över 20% (ThermoWood) lärk, valnöt Thermo-D av furu, Ek, western 2 4 I mark- eller Ständigt gran, ask red cedar beständigt vattenkontakt över 20% (ThermoWood, Scheiding et al. 2005) Thermo-D av bok Teak, iroko, 1 5 I saltvatten Ständigt enligt indikation av robinia mycket beständigt kontakt över 20% Scheiding et al Material från WTT-processen är ännu inte lika mycket undersökt som ThermoWood men preliminära resultat indikerar likartad beständighet enligt standarden En 350-1: Furu, gran 160 C 4 Något beständig Furu 180 C Gran 180 C 1-2 (kärna,split) Mycket beständig, beständig 2-3 (splint,kärna) Beständigt, måttligt beständigt Generellt visar lövträ den största beständighetsförbättringen. Fortsatt forskning pågår.

5 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ 5 Formstabilitet Trä är inte formstabilt i miljöer där luftens fuktighet varierar. Denna egenskap beror på att vedcellens väggar absorberar vatten och sväller och krymper när fuktigheten ökar eller minskar. Material med denna egenskap kallas hygroskopiska och då finns det ett samband mellan den relativa luftfuktigheten och fuktkvoten för materialet i jämvikt med luftens fuktighet. Detta värde, jämviktsfuktkvoten beror också på temperatur, träslag och till viss del även den fuktiga miljö materialet utsatts för tidigare. Jämviktsfuktkvoten för värmebehandlat trä beror på behandlingens temperatur och tid: Generellt gäller att ju högre temperatur trä utsätts för desto lägre blir jämviktsfuktkvoten. Detta betyder i sin tur att värmebehandlat trä sväller och krymper mindre än vanligt trä, eftersom fuktupptagningen blir mindre i fuktig luft. Värmebehandlat trä är därför mera formstabilt och man kan komma ner till halverade svällningsoch krympningsvärden. Tester visar även att den ökade formstabiliteten har en positiv inverkan vid målning, eftersom färgfilmen utsätts för mindre påfrestningar. För ThermoWood klasserna Thermo-S (Stability) och Thermo-D (Durability) betyder det att D klassen är något mera formstabil än S klassen. Eftersom även beständigheten förbättras med ökad behandlingstemperatur, blir resultatet att såväl beständighet som formstabiliteten förbättras, samtidigt försämras dock styrkan och sprödheten tilltar. Värmebehandling innebär med andra ord en balansgång mellan beständighet, färg, formstabilitet, styrka, styvhet och sprödhet. E G E N S K A P FORMSTABILITET BESTÄNDIGHET FÄRGFÖRÄNDRING STYRKA SPRÖDHET STYVHET FUKTUPPTAGNING VATTENABSORPTION O M T E M P E R AT U R E N Ö K A R ÖKAR ÖKAR ÖKAR MINSKAR ÖKAR RELATIVT OPÅVERKAD MINSKAR I FUKTIG LUFT BEROR PÅ TRÄSLAG OCH VEDTYP

6 6 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ Obehandlad gran Värmebehandlad gran Källa: LTU MS-P Kemiska reaktioner För att förstå de fysikaliska förändringarna som värmebehandlingen ger hos trä är det viktigt att relatera dessa till vissa kemiska reaktioner under processen. De huvudsakliga byggstenarna i materialet trä är cellulosa, hemicellulosa (dessa molekyler är stora, uppbyggda av socker och stärkelse som bildas i fotosyntesen) och lignin. När trä värmebehandlas sker en nedbrytning av dessa kemiska ämnen i olika omfattning beroende på materialets temperatur. Då bildas nya ämnen som ger de förändrade egenskaper vi känner till om värmebehandlat trä. Dessa kemiska reaktioner tilltar med temperaturen liksom den nedbrytning som faktiskt sker och som t ex ger sig till känna som en minskning av densiteten. Det är främst hemicellulosan som bryts ner vid värmebehandling. Redan vid ca 100 grader börjar ättiksyra bildas, socker fälls ut i veden och reagerar vidare till ämnen som både ger brun färg och en karaktäristisk något bränd lukt. Lignin mjuknar redan under 100 grader och bidrar även till färgförändringen. Vid högre temperaturer bryts ligninet ner till fria radikaler som kan ge upphov till nya kolväteföreningar, t ex vissa fenoliska ämnen. Cellulosan är den stabilaste molekylen och börjar brytas ned först vid ca 200 grader i den sura miljö som uppstår. Dessa kemiska reaktioner är mycket komplexa och inte i alla delar kända. Det är dock genom dessa reaktioner trä får de förändrade egenskaper som gör att man kan tala om termisk modifiering d.v.s. ett material som tillförts nya egenskaper genom värmebehandling. Mekaniska egenskaper De mekaniska egenskaperna styrka (hållfasthet), styvhet, sprödhet och hårdhet förändras när trä värmebehandlas. Dels minskar densiteten med 5-15 % dels minskar styrkan i cellväggarna p.g.a. nedbrytningen av främst hemicellulosa. En annan faktor som påverkar styrkan negativt är att kådan förångas i barrträ och att därigenom särskilt kvistarna bli spröda och död kvist lätt lossnar. Styrkereduktionen beror främst på behandlingstemperatur så att ju högre temperatur desto mera reduceras styrkan upp till 50 % reduktion beroende på träslag och kviststruktur har uppmätts. Av samma skäl blir träet sprödare, vilket märks vid all mekanisk bearbetning. Böjhållfasthet Böjhållfastheten hos ett material påverkas väldigt mycket av fiberriktningen i förhållande till belastningsriktningen och värmebehandlat trä är extra känsligt för detta. Särskilt mycket påverkas hållfastheten om det finns kvist i det böjda området. Eftersom böjhållfastheten hos furu och gran kan minska med % vid värmebehandling rekommenderas inte värmebehandlat trä i bärande konstruktioner.

7 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ 7 Styvhet och sprödhet Styvheten för värmebehandlat trä påverkas inte i samma omfattning som många av de andra mekaniska egenskaperna. I vissa fall har man till och med noterat en ökad styvhet, även om i de flesta fall styvheten minskar med cirka 5 %. Däremot får man en märkbart ökad sprödhet som märks främst vid mekanisk bearbetning samt vid spikning och skruvning. En sågad yta som ska målas bör dock hyvlas eller borstas för att avlägsna ytfnas som lätt lossnar p.g.a. sprödheten. Slag-, skjuv- och klyvhållfasthet För dessa typer av mekaniska egenskaper inverkar den ökande sprödheten negativt på egenskaperna. Det beror på att sammanhållningen mellan cellerna minskar när ligninet bryts ner. Man kan ibland notera att ett släpp mellan årsringarna i ytan av en hyvlad planka, vilket beror på samma fenomen. Vid en belastning som verkar längs cellerna (skjuvning) eller tvärs cellerna (klyvning) kan därför styrkereduktionen blir ganska påtaglig, ca %. Som en följd av detta rekommenderas förborrning vid skruvning och spikning nära ändytor Hårdhet Hårdheten d.v.s. motstånd mot intryckning på en yta hos värmebehandlat trä påverkas inte så mycket. Det finns resultat som både visar på ökad hårdhet hos furu, men också på minskad eller oförändrad hårdhet hos andra träslag. Värmeledningsförmåga Värmebehandlat trä får lägre densitet och blir därmed porösare. En följd av detta är att materialet innehåller mera luft vilket är positivt för den värmeisolerande förmågan. Värmeledningsförmågan minskar därför med ca % jämfört med obehandlat trä. Foto: SWM-WOOD Foto: Suomen Lämpöpuu Oy Foto: SWM-WOOD

8 8 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ Emissioner och lukt Emissioner av flyktiga organiska ämnen (VOC) från trä kan i vissa fall vålla problem i inomhusmiljöer. Då är det främst terpener i barrträ, ett lösningsmedel i extraktivämnena, som förångas och avges till luften. För värmebehandlat trä förhåller det sig lite annorlunda: Terpenerna förångas i processen men samtidigt nybildas andra ämnen som ger sig tillkänna som lukt t ex ättiksyra och furfural. När man emellertid mäter emissionerna från värmebehandlat trä och jämför med obehandlat trä, visar det sig att värmebehandlat trä ger ifrån sig totalt mindre av organiska ämnen. Det som sitter i längst är den karaktäristiska något brända lukten, som ändå avtar ganska snabbt och försvinner vid ytbehandling. Kåda Kåda är ett extraktivämne i barrträ d.v.s. ämnen som kan lösas ut på kemisk väg utan att vedstrukturen ändras. När temperaturen höjs under värmebehandlingen mjuknar kådan och tränger ut mot ytorna, särskilt omkring döda kvistar. Därefter förångas de flyktiga terpenerna, fett- och hartssyrorna och kvar blir ett fast ämne som inte utsöndras vid användning, inte ens i en bastupanel. Bearbetning Eftersom värmebehandlat trä blir sprödare påverkas den mekaniska bearbetningen i vissa fall. Sågning: Vissa urslag i kanter kan förekomma i mindre omfattning, det rekommenderas därför att använda skärpta verktyg generellt. Man kan även notera att sågspånet blir finare och ställer högre krav på effektiv utsugning. Hyvling: Presstrycket från matarvalsarna kan behöva minskas för att undvika att kupade brädor spricker längs efter. I övrigt kan en god ytfinish erhållas. Eftersom kåda saknas får man renare verktyg och mindre slitage än med vanligt trä. Putsning & svarvning: Inga särskilda problem har noterats. Putsdammet blir dock mycket fint vilket ställer krav på god utsugning, munskydd och skyddsglasögon. Man bör dock påpeka att värmebehandlat trä inte innehåller några kända giftiga ämnen. Det enda problem man kan råka ut för är att stickor i huden är svåra att avlägsna eftersom stickan är spröd och bryts lätt av så att någon del blir kvar och irriterar. Limning De egenskaper hos värmebehandlat trä som inverkar på limbarheten är den minskade vattenupptagningen och därmed torkningen av limfogen med vattenbaserade limtyper. Erfarenheter från limningsförsök med PVAc, Polyuretan (PU), Fenol-resorsinol (RF), Isocynat emulsion (EPI) och Melaminurea-formaldehyd (MUF) fungerade som för vanligt trä, utom i ett viktigt fall: PVAc-lim. Detta vattenbaserade lim kräver en väsentligt längre press- och härdningstid. Ämnen som först limmats med MUF har uppvisat intakt limfog även efter värmebehandlingen. En viss vaksamhet bör iakttas med PU-lim eftersom härdningen kräver vatten som det generellt finns mindre av i värmebehandlat trä. LTU MS-P LTU PD

9 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ 9 Ytbehandling av exteriöra produkter. Ytbehandling När det gäller ytbehandling av värmebehandlat trä för exteriör användning finns en del att tänka på. Man har ju att göra med ett modifierat material som inte i alla stycken beter sig som vanligt trä. Första fråga är vad man vill uppnå med valet av värmebehandlat trä å ena sidan möjligen ett längre serviceintervall med en målad yta, å andra sidan kan man vilja framhäva det estetiska värdet genom att använda en transparent ytbehandling. I båda fallen får man glädje av den förbättrade beständigheten hos värmebehandlat trä. Generellt gäller att traditionella ytbehandlingar har goda förutsättningar att fungera även för värmebehandlat trä i vissa fall med smärre korrigeringar. Fördelar Vid ytbehandling av värmebehandlat trä får man en fördel av att materialet är mera formstabilt vid fuktvariation vilket gör att färgfilmen belastas mindre. Det förbättrade motståndet mot röta och mögel är en fördel som gäller även helt obehandlat värmebehandlat trä. Eftersom kådan har förångats minskar även risken för genomslag i färgfilmen över kvistar och kärnved. Dessa egenskaper ger förutsättningar för en ytbehandling med längre hållbarhet med minskat och antagligen enklare underhåll som följd. Att observera Liksom annat trä så grånar värmebehandlat trä när det utsätts för solljus. Det betyder att man får en grånad yta med en transparent ytbehandling som inte stoppar ljusets ultravioletta komponent. En åtgärd kan vara att tillsätta ett pigment i samma nyans som det värmebehandlade träet eller ett UV-skyddsmedel i lasyren eller oljan om det verkligen är den bruna färgen man eftersträvar. Man bör notera att vattenlösliga träskyddsmedel och ytbehandlingar tas upp och torkar långsammare för värmebehandlat trä. En annan egenskap hos en värmebehandlad sågad yta är att den blir sprödare, vilket gör att ytliga fiberresningar lätt lossnar och därmed ger ett sämre underlag för ett målat färgskikt. Därför rekommenderas att ytan hyvlas eller borstas innan ytbehandling. Mögel på trä utomhus har blivit ett växande problem. Värmebehandlat trä har i sig själv en mindre benägenhet att angripas av mögel, men ska materialet ytbehandlas gäller att ytbehandlingen i sig inte tillför en grogrund för mögelpåväxt. Därför bör det också finnas något antimögelmedel i ytbehandlingen. Erfarenheten visar på en ökad åtgång av primer vid ytbehandling av värmebehandlat trä. Eftersom primen därigenom tränger in bättre ger detta ytterligare ett förbättrat träskydd. Värmebehandlat trä som inte ytbehandlas alls kommer att gråna som annat trä, däremot gör den förbättrade formstabiliteten att risken för ytsprickor minskar.

10 10 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ Foto: Suomen Lämpöpuu Oy Foto: Finnforest Träfasader Värmebehandlat trä har egenskaper som gör att fuktabsorbationen är mindre jämfört med obehandlat trä. Det betyder att vissa vattenbaserade ytbehandlingar torkar långsammare. Med rätt utförd behandling uppnås en god vidhäftning och ett beständigt resultat. Några olika alternativ för användning av värmebehandlat trä i fasader är: Obestruken: Värmebehandlat trä grånar med tiden men behåller ändå en bättre formstabilitet och beständighet mot röt- och mögelangrepp. Erfarenheter från lång tids användning är dock begränsade idag. Lasyr: Detta är den vanligaste metoden på de referensobjekt som visas av företag som tillämpar ThermoWood principen. Lasyren kan vara transparent eller pigmenterad beroende på om man vill undvika gråning. Täckande färg: Erfarenheten och undersökningar visar att värmebehandlat trä kan målas med täckande färg med god vidhäftning. Underhållsintervallen motsvarande dubbla tiden mot pigmenterad lasyr erhålls tack vare den goda formstabiliteten och förbättrat UV skydd. Om värmebehandlat trä kan klassas som stabilt enligt EN kan tjockare färgfilm ( mikrometer) påföras vilket ytterligare minskar kraven på underhåll. Den finska ThermoWood Association har i samarbete med färgindustrin samlat erfarenheter av ytbehandlingar av värmebehandlat trä, vilket resulterat i rekommenderade produkter från t ex Teknos, AKZO NOBEL, Tikkurila, Sadolin&Sikkens. Trädgård och veranda För att skydda mot sprickbildning och kapillär fuktuppsugning bör värmebehandlat trä skyddas med en ytbehandling. Direkt markkontakt bör undvikas och till ytor med stort slitage, t ex trall används färger med hög torrhalt och hög absorbtionsförmåga som ger ett tunt ytskikt. Regelbundet underhåll och rengöring beroende på exponering förlänger naturligtvis livslängden hos materialet. Eftersom trä i dessa tillämpningar ofta utsätts för regn och smältande snö är olja en bra ytbehandling på samma sätt som för impregnerat trä. Om man eftersträvar den bruna färgen bör även oljan vara pigmenterad. LTU PD Thermo-D Gran

11 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ 11 Värmebehandlat trä Vackert, modifierat och miljövänligt Metoder för värmebehandling Det finns flera processer som används för att värmebehandla trä. Gemensamt är att man höjer temperaturen på träet samtidigt som man skapar en relativt syrefri miljö för att undvika antändning. I Skandinavien finns främst två likartade processer: Thermowood processen utvecklad i Finland och WTT processen utvecklad i Danmark. ThermoWood processen: 1. Torkning och värmebehandling i överhettad vattenånga vid 1 atm. 2. Torkning vid temperatur över 100 grader 3. Värmebehandling vid grader 4. Nedkylning och återfuktning till 4-6 % fuktkvot 5. Etablerade klassningar Thermo-S (Stability) och Thermo-D (Durability) WTT processen: 1. Torkning och värmebehandling i autoklav i mättad eller nära mättad ångmiljö 2. Torkning i vattenånga under tryck 3. Värmebehandling i grader * 4. Nedkylning * Undersökningar indikerar att denna process ger liknande reaktioner i träet som thermowood processen fast vid en ca 30 grader lägre temperatur vad gäller beständighet och färg. Här pågår dock fortsatt forskning. Användning: Exteriört (Miljövänligt, beständigt och formstabilt) Dörrar Fönster Fasadbeklädnad Trädäck Utemöbler Staket och plank Lekparker Interiört (Utseende, formstabilitet, låga emissioner) Panel Golv Köksinredningar Badrums- och bastuinredningar Musikinstrument Prydnadsartiklar Träsnideri och hantverk Ytterligare information: [pdf] ThermoWood Handbook HT Wood Januari 2010 Tom Morén, LTU Fotografier LTU Margot Sehlstedt-Persson Patrik Degerman

12 12 LTU SKELLEFTEÅ - VÄRMEBEHANDLAT TRÄ KORTFAKTA: VÄRMEBEHANDLAT TRÄ Vackert, modifierat och miljövänligt Varför värmebehandla? Modifiera egenskaperna Miljövänligt träskydd Nya tillämpningar för trä Ökat värde Ersätter tropiska träslag Förädla mindre värdefulla träslag Egenskaper? Färgen blir brun rakt igenom Beständigheten ökar 1-3 klasser enligt EN350-1 Slaghållfastheten minskar Värmeledningsförmågan minskar Jämviktsfuktkvoten minskar, kan halveras Emissioner minskar totalt Styvheten minskar något Hårdheten relativt oförändrad Formstabiliteten ökar Densiteten minskar Böjhållfastheten minskar Kåda kokar ur Tom Morén, LTU-Skellefteå, Skellefteå. Tel: