Fuktdiffusion i träbaserade skivor

8911051 Liu Tong, Birgit Östman Fuktdiffusion i träbaserade skivor Några data Trätek INSTITUTET FOR TRATEKNISK FORSKNING

Liu Tong Birgit Ostman FUKTDIFFU5I0N I TRÄBA5ERADE SKIVOR - Några data TräteknikCentrum, Rapport P 8911051 Nyckelord composite materials diffusion coefficient moisture movement panel products sorption wood based panels Stockholm november 1989

I N N E H Å L L S F Ö R T E C K N I N G Sid SAMMANFATTNING INLEDNING - BAKGRUND 4 Teoretisk bakgrund 4 PROVNINGSMETODIK - SORPTION 5 DIFFUSIVITET - DATA 7 JÄMFÖRELSE MED ANDRA DATA 12 SLUTSATSER 15 REFERENSER 16

SAMMANFATTNING Diffusiviteten för några olika träbaserade skivor har uppmätts med den s k sorptionsmetoden. Resultaten redovisas dels som diffusivitet, D, baserad på skivmaterialets fukthalt, dels som diffusivitet, <S, baserad på luftens fukthalt. Båda uttrycks i samma enhet, m2/s, men har olika storleksordning varför det är viktigt att ange vilken som avses. I byggnadsfysikaliska sammanhang föredras i allmänhet S, men S kräver kännedom om sorptionsisotermen för att kunna beräknas ur sorptionsdata. Resultaten jämförs med litteraturdata och visar god överensstämmelse. Sorptionsmetoden kan därför vara ett alternativ t i l l den vanligare s k koppmetoden. Sorptionsmetoden är enklare rent experimentellt men kräver mer beräkningar som behöver preciseras för att ge tillräcklig noggrannhet. Bland annat inverkar det s k övergångsmotståndet vid ytan. Overgångsmotståndet kan f n inte separeras från den totalt uppmätta diffusionen.

INLEDNING - BAKGRUND Fuktdiffusion genom skivor har främst betydelse i klimatavskiljande konstruktioner. Ofta är det önskvärt att skivorna är diffusionsöppna för att underlätta uttorkning av byggfukt och inifrån kommande fukt och för att undvika skadlig kondens, ökande isolertjocklekar har accentuerat problemet. Diffusionen av vattenånga är av störst intresse i det allmänna fallet. Hur stor den ar beror på flera faktorer, t ex materialets porositet och andelen öppna porer, f u k t h a l t och temperatur. Då det gäller träbaserade skivor i n verkar även parametrar som limtyp, eventuella tillsatser och ytbehandling. I en tidigare studie av olika provningsmetoder redovisades resultat för fyra material: massivt trä samt tre olika skivtyper (Liu 1988). Dessa material hade provats enligt både den traditionella s k koppmetoden och enligt en nyare mer oprövad teknik, den s k sorptionsmetoden. Ytterligare några skivtyper har provats med sorptionsmetoden. Dessa nya data redovisas här tillsammans med motsvarande tidigare redovisade data för att ge en översikt. Dessutom sammanställs data från andra studier av träbaserade skivor. Teoretisk bakgrund Trä och träbaserade skivor är anisotropa material, d v s de har mer eller mindre olika struktur och olika egenskaper i materialets olika riktningar. För massivt trä är skillnaderna särskilt stora mellan longitudinell riktning och tangentiell/radiell riktning. För skivor är det i stället skillnader mellan genom skivans plan och i skivans plan. Diffusionen av vattenånga definieras för varje riktning som funktion av fukthalten genom ekvationen: ^ = i L (d4w) (1) i t å X 6 X där w är fukthalten i materialet, kg/m^ t " tiden, s D " diffusiviteten baserad på m^/s fuktinnehållet i materialet X " riktning i materialet Ekvationen kan också skrivas: 6t 57 ^ 6t där v är fukthalt i luften, kq/m^ 6 " diffusiviteten baserad på m^/s fukthalt i luften D och i kan räknas om sinsemellan då sorptionsisotermen för materialet är känd. De anges i samma enhet men har olika numeriskt värde, varför det all tid klart måste anges vilken diffusivitet som avses. Ibland används andra namn, t ex ånggenomsläpplighet för L (SS 02 15 82). I standarden definieras också begreppet ånggenomgångsmotstånd, z = d/^, där d är materialets tjocklek. Anggenomgångsmotståndet anges i s/m (tidigare ofta som mm Hg"h*m2/g). Ur byggnadsfysikalisk synpunkt torde diffusivitet baserad på luftens fukthalt, d v s ^, vara att föredra.

PROVNINGSMETODIK - SORPTION För att studera diffusion av vattenånga genom skivmaterial används vanligen den s k koppmetoden varav det finns flera varianter, t ex den svenska standardmetoden SS 02 15 82. Ett alternativ som studerats i ett tidigare arbete är s k sorptionsmetodik (Liu 1987 och 1988). Sorptionsmetodik innebär att provets viktändring registreras med jämna tidsintervall vid konditionering från jämvikt vid ett klimat till jämvikt vid ett annat. Vanligen tätas provens kanter så att diffusionen bestäms för en riktning i taget. Medeldiffusiviteten, Dgy, bestäms genom (Crank): Dav = 0,0492. "-2 (3) (t)i/2 där L är provets längd i diffusionsriktningen m (t)2/2 " tiden t i l l hälften av viktökningen s t i l l jämvikt uppnåtts MedeJvärdet av Dgy för adsorption och desorption används, om möjligt, för att förbättra noggrannheten. Medeldiffusiviteten kan enligt Stamm (Siau 1984) anses vara den "sanna diffusiviteten" vid fuktkvoten u: där u = U2 + 2/3 (U2 - ui) (4) u^ och U2 är den lägre respektive högre jämviktsfuktkvoten före och efter en sorptionstest. Diffusiviteten S kan därefter beräknas om sorptionsisotermen är känd (Liu 1988). Sorptionsisotermen ger materialets jämviktsfuktkvot, u, som funktion av relativa luftfuktigheten,< >. Sambandet mellan diffusiviteterna J och D kan uttryckas som: Si = D Z du (5) ^ vs d<f) där Vg är ånghalten i luft vid mättnad (kg/m-') " trämaterialets torrdensitet (kg/m^) ^ " sorptionsisotermens lutning dt Provmaterialen utgjordes av kommersiella träbaserade standardskivor. De redovisas i tabell 1. Provbitarna kanttätades med neoprenlim och aluminiumfolie, som tidigare visat sig vara ångtätt (Liu 1987).

TABELL 1. Provmaterial. Tjocklek Densitet Provstorlek (helt torr) mm kg/m^ mm Fiberskivor: Halvhård (våt process) 12,1 690 80 X 60 MDF (torr process) 9,8 710 120 X 100 Hård board (våt process) 6,2 870 120 X 100 Porös board (våt process) 12,9 210 120 X 100 Spånskivor (torr process): Ureaharts (UF) 12,0 610 80 X 60 Urea-melaminharts (UMF) 12,1 650 120 X 100 Fenolharts (PF) 11,9 670 120 X 100 Plywood: Fenolharts (PF) 12,0 420 80 X 60 Massivt trä: Furusplint 10,0 520 0 78 Provningsklimaten redovisas i tabell 2. Proverna var indelade i två grupper, A och B, som konditionerades samtidigt i olika konditioneringsrum. TABELL 2. Provningsklimat vid 20 "C. Material grupp A B 65 _ förkonditionering 31 80 65 % RH 65 65 II 90 93 II 65 It Proverna förkonditionerades t i l l jämvikt vid 65 % RH och 20 "C från ett t o r r a r e k l i m a t. Därefter placerades de d i r e k t i nästa k l i m a t och vägdes regelbundet, först varje dag, sedan med längre intervall t i l l jämvikt. Mellan varje nytt klimat återkonditionerades proven t i l l 65 % RH, 20 "C, för att jämföra adsorption och desorption och för att få ett medelvärde härav för bättre precision i beräkningarna.

DIFFUSIVITET - DATA Diffusiviteten, D, genom skivans plan, baserad på fukthalten i skivmaterialet redovisas i figur 1 för samtliga provade skivor. I figur 2 ges även diffusiviteten,s» baserad på fukthalten i luften för de skivor där även sorptionsisotermen uppmätts, se figur 3. Det framgår att det finns skillnader för fiberskivor främst beroende på densitet, för spånskivor beroende på typ av bindemedel och att diffusiviteten för plywood är jämförelsevis låg. Ovannämnda data avser medeldiffusiviteten vid adsorption och desorption. Generellt sett är diffusiviteten högre vid desorption än vid adsorption, vilket framgår av tabell 3. Diffusiviteten i skivans plan har också uppmätts i några fall (genom att skivyta och två kanter tätats). Därvid har de båda riktningarna i planet åtskiljts. För fiberskivor och spånskivor kan man tala om en tillverkningsriktning och en tvärsriktning, för plywood är antalet skikt (ply) i ena riktningen alltid större. Resultaten i figur 4 visar att fiberskivor verkar ha störst skillnad mellan de två riktningarna i planet, vilket kan förklaras av den våta processtekniken som riktar fibrerna något. Vanlig spånskiva där spånen ströas torrt har mindre skillnader. Diffusiviteten i skivans plan är för samtliga provade skivor ca 10 gånger större än diffusiviteten genom skivans plan. Denna skillnad tycks dock vara mindre än skillnaden mellan longitudinell och tangentiell/radiell riktning hos massivt trä, också i figur 4.

Förstoringar: D. 10"' m2/s D. 10"' m2/s 2i ' \ - Fiberskivor porös Fiberskivor halvh&rd 50 60 70 halvhird hörd RF 90 % 100 0, 10"' m2/s D. 10"' fn^/s Spånskivor Spånskivor UF-lim UMF ^-^ n = -t ^ f=lpf So 60 70 80 90 % 100 RF 10 D, 10"' (Tf/s D. 10"" m2/s Plywood Trä Plywood Trä 4 Furusplint (tong) I 21- Furusplint (tång) Plywood 30 60 70 80 90 o/o 100 Plywood Sb 70 80 90 % 100 RF Fi^urJ.. Diffusivitet, D, baserad på fukthalten i akivmterialet vid olika relativa luftfuktigheter. Data för sorption genom skivans plan.

1.5 5,10"^ mvs KO Spanskiva UF-lim Halvhård 0.5 fiberskiva - RF 1 50 60 70 80 % 90 15 5.10"^ mvs 1 ' ' ' \ ' 1 ' IX) Furusplinrt (+ang) / 0^ / Plywood»- " Oi) 90 60 70 80 % ^ Figur 2. Diffusivitet, S, baserad på fukthalten i luften vid olika relativa luftfuktigheter. Data för sorption genom skivans plan (Liu 1988).

10 30 fuktkvot, % 29 20 Furusplint (tång) la 10 HalvhÄrd fiberskiva RF % 90 100 Figur 3. Sorptionsisotermer vid 20 "C för några av de provade materialen (Liu 1988). D, 10'^ m2/s 10 D. 10"''. (n2/s i skivans pion i skivans plan SpAnskiva HalvhÄrd fiberskiva 4h UF-lim genom skivans plan genom skivans plan so 60 70 RF 90 % 90 90 30 D, 10"' m2/s _ D. 10"". m2/s 90 I r Plywood 20 Furusplint i skivans plan 10 h genom skivans plan RF fang/rad 50 60 70 80 % 90»/o 90 Figur 4. Diffusivitet D (baserad på fukthalten i skivan) i skivans plan (två riktningar) och genom skivans plan.

11 TABELL 3. Diffusivitet D genom skivans plan vid adsorption och desorption samt medelvärde (baserat på fukthalt i materialet). Material Diffusivitet 10-10 m2/s Klimatintervall, % RH vid 20 "C 31/65 65/80 65/90 65/93 Halvhård board adsorp 0,72 1,00 1,35 1,54 desorp 0,99 1,30 1,67 1,87 medel 0,85 1,13 1,51 1,71 MDF adsorp 0,35 0,50 0,68 0,77 desorp 0,50 0,65 0,84 0,95 medel 0,43 0,58 0,76 0,86 Hård board adsorp 0,18 0,25 0,34 0,39 desorp 0,25 0,33 0,42 0,47 medel 0,22 0,29 0,38 0,43 Porös board adsorp 3,0 4,2 5,7 6,2 desorp 4,1 5,7 7,0 7,9 medel 3,6 4,9 6,3 7,0 UF spånskiva adsorp 0,26 0,73 0,84 0,93 desorp 0,51 1,31 1,56 1,69 medel 0,39 1,02 1,22 1,31 UMF spånskiva adsorp 0,05 0,07 0,09 0,10 desorp 0,07 0,11 0,13 0,16 medel 0,06 0,09 0,11 0,13 PF spånskiva adsorp 0,03 0,04 0,06 0,07 desorp 0,05 0,07 0,09 0,10 medel 0,04 0,06 0,07 0,08 Plywood PF adsorp 0,17 0,22 0,30 0,34 desorp 0,25 0,36 0,45 0,52 medel 0,21 0,28 0,37 0,43 Furusplint adsorp 26,5 26,1 24,7 24,5 (long) desorp 28,7 27,8 26,1 25,4 medel 27,6 27,0 25,4 25,0 Furusplint adsorp 0,34 0,45 0,68 0,74 (tang/rad) desorp 0,39 0,66 0,89 0,95 medel 0,37 0,55 0,79 0,84

12 JÄMFÖRELSE MED ANDRA DATA Det finns förhållandevis få direkta studier av diffusiviteten hos träbaserade skivor (Bristow; Lehmann; Schultz and Kelly; Tveit). Några sammanställningar finns (Liu 1986; Nevander och Elmarsson; Roman; Träinformation) liksom mer punktvisa data (Andersson; Lundgren). Nyligen har flertalet av dessa data sammanställts på ett utmärkt och överskådligt sätt (Nilsson) tillsammans med ytterligare några mer svåråtkomliga data. Några exempel ges i figur 5. I figur 6 jämförs Nilssons litteratur data med de data som presenteras i denna rapport (och som delvis härrör från Liu 1988). Det framgår klart att även dessa data ligger i samma inter vall. Diffusiviteten mätt med sorptionsmetodik och koppmetodik har samma stor leksordning, men mätt med sorption verkar fukthaltsberoendet vara större. En orsak kan vara att det inte är exakt samma storheter som mätts. Sorption är en transient diffusionsprocess, som även inkluderar s k spänningsutjämning (stress relaxation). Koppmetoden, å andra sidan, är en ren diffusionsprocess under konstanta betingelser. Hur detta påverkar förloppen är f n inte känt. Liknande skillnader har observerats i andra studier som refereras av Liu (1986, 1988). Dessutom spelar troligen övergångsmotstånd vid ytan en viss roll. Dessa kan ännu inte kvantifleras, men intressanta studier pågår för att bestämma deras inverkan (Wadsö). I tabell 4 har ytterligare några litteraturdata sammanställts (Gaze m f l ). De inkluderar andra skivtyper, plywood, waferboard och gipsskivor där det i övrigt finns få studier. För plywood verkar variationerna vara stora, vil ket kan bero både på träslag och på hur väl limmet är fördelat över ytan i de olika limskikten. Fukttransporten kan även anges som ånggenomgångsmotstånd, vilket är den enhet som rekommenderas i Svensk Standard. Värdet uttryckt i denna enhet är beroende av materialets tjocklek, som därför måste anges.

13 ^[lö^mvs] ^Do-^mVsJ y Saarlmaa 8. / Rautiainen(B88) Porös board ^Tveit(1966) Hard board y _L Tveit(1966) Lehmann(1972) 4 + ^ ^ 370 Asfalt i mpr. Saarlmaa & Rautlainen(1988) \_ Lehmann(1972) S ^4^^^ J e2z> Bristowdgee) _ ^ ' J Asfatt Impr. -" g^^^^;^^0')**^rdad Lundgren(1967) 25 50 75 100 RF [ /.] Figur 5. Litteraturdata för porösa och hårda fiberskivor sammanställda av Nilsson (1988). S(id'mVs) SpQnskivQ L(u (1988) J(10"*mVs) Sp&nskivo W Kopontn (1985) Saarlmaa 1 ^ Rautlalrwn(19B8) \y Tv«lt (1966) J L»hmann(1972) %^ Lundgren (1967) koppmetod sorption 0,5 Andtrsson0985) JCS Jordanason t Sjöbarg (»86) 20 40 60 80»O 20 40 60 80 100 ^ ^T HalvhArd b 1.*- Liu 11988 1.6 Halvhård board, Saarlmaa i / Rautlaln*n(1988) 1^ 1.0 f 08 TveH(1966) \ Lehmann(1972) 0.6 Lundgran (1967) sorption 0.44- RF [ /.] ^ : röst^c^faltlmpr. 950^Asfaltlmpr. pp ^.,,] 25 50 75 100 Figur 6. Diffusivitetsdata från denna studie (t.v.) jämförda med litteraturdata sammanställda av Nilsson (1988).

14 TABELL 4. Litteraturdata. Ski vtyp Diffusivitet,S, 10-^ m2/s Gaze Schultz Roman Nevander o. Nilsson o. Kelly Elmarsson 1) 2) 1) 3) Denna studie Plywood interiör exteriör formskiva PF-lim RF-lim UF-lim PVAc-lim Utan lim Ospec. 0,1-2,2 0,02-0,44 2-10 0,68 1,3 1,0 1,7 0,67 0,1-0,5 Fiberskivor por 1)3 a asfaltimpr medelhård hård " oljehärd 1-9 0,4-2,5 0,5-1 0,14-0,4 0,10-0,22 2,6 1,3 0,32 0,14 4-8 1,5-2,5 0,2-0,3 0,5-8 2-3 0,2-2 0,03-1 /v 0,1 0,3-1,2 Spånskivor 0,3-2,7 0,52 0,1-1,3 0,2-1,4 Waferboard 0,02-0,15 Cementspånskiva 0,63 Cementfiberskiva 0,38-0,44 Träullsskiva 3-9 Mineralull 15 kg/m^ 24 Mineralull 200 kg/m^ 8 Gipsskiva 4,5 Trä 0,2-4 0,2-1,3 (tang) 1) Omräknat från ånggenomgångsmotstånd. 2) "- "konduktivitetskoefficienter". 3) Intervall för litteraturdata sammanställda av Nilsson.

15 SLUTSATSER Fuktdiffusiviteten i träbaserade skivor är beroende av relativa luftfuktigheten, vilket gäller för flertalet material. För träbaserade skivor har dessutom densitet och limtyp en relativt stor inverkan. Fukttransporten uttryckt som ånggenomgångsmotstånd (s/m) är tjockleksberoende. För fiberskivor som tillverkas inom ett brett densitetsintervall har densiteten störst betydelse. Tillsatser och behandlingar, t ex oljehärdning, inverkar också. För spånskivor verkar limtypen ha störst betydelse, så att fenolharts och melaminharts ger lägre diffusivitet än ureaharts. För plywood har också limtypen stor betydelse, men variationerna verkar vara större, troligen beroende på hur väl limmet täcker ytan mellan de olika fanérskikten. Fenolhartslimmad plywood (som dominerar i Sverige) har låg diffusivitet, i allmänhet lägre än motsvarande trä. Fuktdiffusionen i skivans plan är ca 10 gånger större än genom skivans plan (vid densiteter 400-700 kg/m^). Denna skillnad är dock mindre än skillnaden mellan radiell/tangentiell och longitudinell riktning i massivt trä. Olika provningsmetoder och variationer mellan de provade materialen försvårar jämförelser mellan olika publicerade data, men resultaten är ändå förhållandevis samstämmiga. Denna studie har visat att fuktdiffusiviteten kan bestämmas genom sorption som ett alternativ t i l l den vanligare koppmetoden. Sorptionsmetoden är enklare och kan ge tillförlitliga data om tillräckligt antal mätpunkter ( k l i mat) används. Även fukthaltsberoendet kan bestämmas på detta sätt. Hysteresiseffekter bör hållas under kontroll. Vidare bör provkropparna inte vara för små för att undvika stora ytövergångsmotstånd. Overgångsmotståndens inverkan behöver kvantifieras för olika diffusionsprocesser såsom sorption och koppmetodik, vilket bör leda t i l l en bättre förståelse av observerade skillnader. En lämplig provningsmetodik för sorption föreslås i denna studie och vi rekommenderar att metoden studeras vidare. TACK Ove Söderström, Trätek, har bidragit med värdefulla synpunkter under arbetets gång ocn på rapporten, för vilket vi tackar honom varmt.

16 REFERENSER Andersson, A-C: Verification of calculation methods for moisture transport in porous building materials. Swedish Council for Building Research D6:1985. Bristow, 3.A.: Vattenånggenomgång genom (1968). fiberskivor. WCL-meddelande nr 40 B Crank, J.: The mathematics of diffusion. Second Edition. Clarendon Press, Oxford (1975). Gaze, A.3.: Permeablitiy of timber and timber based products. TRADA, Research Report 6/86 (1986). Koponen, H: Dependences of moisture diffusion coefficients on wood and wooden panels on moisture content and wood properties. Rapper och trä, No 12, 740-745 (1985). Lehmann, W.F.: Moisture-stability relationships in wood-based composite boards. For. Prod. 3. Vol. 22, No. 7, 53-59 (1972). Liu Tong: Moisture Transport in Wood and Wood-based Panels - A Literature Survey. TräteknikCentrum Rapport P 8609056 (1986). Liu Tong: Muisture Transport in Wood and Wood-based Panels - A Pre-study of Sorption Methods. TräteknikCentrum Rapport P 8712078 (1987). Liu Tong: Moisture Transport in Wood and Wood-based Panels - Comparison of the Cup and Sorption Methods. TräteknikCentrum Rapport I 8802014 (1988). Lundgren, S.A.: Träskivor som byggnadsmaterial, Del 1. Doktorsavhandling, Nyköping (1967). Nevander, L.E. och Elmarsson, B.: Fukthandbok. Svensk Byggtjänst (1981). Nilsson, L-0.: Fukttransportegenskaper hos trä och träbaserade skivor - en byggnadsfysikalisk inventering och analys av kunskaper och kunskapsbehov. CTH, Avd för Byggnadsmaterial, Publ P-88:4 (1988). Roman, B.: Byggskivor. Svensk Byggtjänst, Rapport nr 16 (1984). Schultz, T.P. and Kelly, M.W.: Steady state diffusion of moisture through plywood. Wood Science, Vol. 13, No. 1, 14-17 (1980). Siau, 3.F.: Transport processes in wood. Springer Verlag (1984). Svensk Standard SS 02 15 82: Byggmaterial - Provning - Vattenånggenomgångsmotstånd (1980). Träinformation, Stockholm: Träfasader (1977). Tveit, A.: Measurement of moisture sorption and moisture permeability of porous materials. Norges Byggforskning, Rapport 45 (1966). Wadsö, L.: The sorption method, old and new ideas. LTH, Byggnadsmateriallära, Rapport TVBM-3040 (1989).

Detta digitala dokument skapades med anslag från Stiftelsen Nils och Dortlii Troédssons forskningsfond Box 5609,114 86 STOCKHOLM Besöksadress: Drottning Kristinas väg 67 Telefon: 08-14 53 00 Telex: 144 45 tratek s Telefax: 08-11 61 88 Huvudenhet med kansli Trätekn i kcentr u m INSTITUTET FOR TRATEKNISK FORSKNING Asenvägen 9,552 58 JÖNKÖPING Telefon: 036-12 60 41 Telefax: 036-16 87 98 ISSN 0283-4634 93187 SKELLEFTEÅ Besöksadress: Bockholmsvägen Telefon: 0910-652 00 Telex: 650 31 expolar s Telefax: 0910-652 65