Puun modifiointi

Puu on sellaisenaan moniin tarkoituksiin erinomainen materiaali. Sen säänkestävyys ei kuitenkaan yleensä riitä ulko-olosuhteissa, ja sisätiloissakaan kosteudenkestävyys ei ole aina riittävä. Myöskään kovuus ei esimerkiksi lattiapinnoissa ole aina riittävä ja kosteuden aiheuttamat mittamuutokset voivat olla haitallisia. Puuta materiaalina on siis parannettava. Kuivaus jo sinänsä parantaa monia puun käyttöominaisuuksia ja samoin monet pintakäsittelymenetelmät. Tervaus ja etenkin sen imeyttäminen hyvin puuhun oli joskus riittävä menetelmä, mutta aikojen kuluessa on kehitelty monenlaisia puun parannusmenetelmiä. Voidaan puhua puun modifioinnista. Tällaisia modifiointimenetelmiä ovat

• kyllästys

• lämpökäsittely

• puristus ja taivutus.
   

Tehtävät

Kyllästys
Puu altistuu kosteuden lisääntyessä sienituhoille ja myös erilaisille hyönteisvaurioille, mm. termiiteille. Kuivana se on pieninä dimensioina helposti syttyvää. Näitä ominaisuuksia on jo kauan pyritty muuttamaan kyllästyksellä. Sinistymäsieniä vastaan sahat käyttivät aikanaan paljon pentakloorfenolia, joka tunnetaan kauppanimenä KY-5. Sitä pidettiin aikanaan hyvin turvallisena aineena, vaikka todellisuus oli aivan muuta. Historia osoittaa, kuinka varovainen tulee olla erilaisten kemiallisten aineiden käytössä. Lahonkestävyyttä on pyritty parantamaan kyllästämällä kreosoottitervalla ja erilaisilla suoloilla. Arseeni ja kromi ovat osoittautuneet ympäristövaikutusten kannalta haitallisiksi, ja nykyisin vain kupari ja eräissä vaativissa tapauksissa kromin ja kuparin yhdistelmä ovat nykyisin yleisesti sallittuja kyllästeitä. Kyllästystä pyritään nykyisin korvaamaan suojaamalla puu kosteudelta, valitsemalla kestävämpi puulaji tai lämpökäsittelyllä.  Männyn sydänpuu on hyvin kestävää, samoin eräät lehtikuusilajit.

Tavoitteena on, että tiedetään, millä tavoin puun ominaisuuksia voidaan muuttaa kemiallisilla aineilla, mitä riskejä tähän sisältyy ja missä käsiteltyä puuta voi käyttää.

 

Lämpökäsittely
Puun ominaisuuksien muuttuminen korkeissa lämpötiloissa on tunnettu kauan. Kuumakuivaus muuttaa puun väriä ja pienentää kosteuselämistä. Viime vuosina on eri maissa ruvettu tarkemmin tutkimaan ja kehittään lämpökäsittelymenetelmiä. Näistä kerrotaan tarkemmin oppikirjan Puutuoteteollisuus 2 sivuilla 85-90.

Lämpökäsittelylaitos on laitteistoltaan periaatteessa kuumakuivaamo, ja prosessin ensimmäinen vaihe onkin kuumakuivaus, jossa puu kuivataan lähes nollakosteuteen. Sen jälkeen lämpötilaa nostetaan halutuista ominaisuuksista ja puulajista riippuen 180-250 °C:seen, jossa lämpötila pidetään muutaman tunnin. Sen jälkeen seuraa jäähdytys ja kosteuden tasaannutus käyttökohteen vaatimaan kosteuteen. Alkuaikojen suurimpia puutteita ovat olleet prosessin heikko hallinta, epätasainen lämpötila kuormassa ja puutteellinen kosteuden tasaannutus lopussa. Lämpöpuuyhdistys ry on rekisteröinyt Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen kehittämän Thermo Wood-menetelmän ja omistaa lisenssioikeudet.

Yleensä puun ominaisuuksien muutokset riippuvat painohäviöstä prosessissa. Se taas riippuu lämpötilan korkeudesta ja ajasta sekä puulajista. Värinmuutos kertoo ulkonaisesti myös ominaisuuksien muutoksista. Lämpökäsittely vähentää puun lujuusominaisuuksia, taivutuslujuutta jopa 30 %. Tavanomainen lujuuslajittelukone ei sovi lämpökäsitellyn puun lujuuslajitteluun, koska se lajittelee puun taipuman perusteella. Erityisesti lujuusarvot pienenevät puun kosteuden lisääntyessä. Pintakovuus ja jäykkyys voivat hieman kasvaa. Vedenimemiskyky vähenee ja tasapainokosteus  laskee jopa 40-50 % ja kosteuseläminen voi vähentyä jopa yli 50 %. Lämpökäsittely vähentää sinistäjä-, home- ja lahottajasienien vaikutusta lievissä olosuhteissa. (Tarkemmin ominaisuuksien muutoksista oppikirjan Puutuoteteollisuus 2 sivuilla 87—89). Käyttökokemusten kasvaessa ja prosessiohjausten parantuessa voidaan lämpökäsitellylle puulle löytää käsittelyasteen mukaan oikeat kohteet. Valmistuskapasiteetin kasvaessa myös kustannukset tulevat alenemaan. Joka tapauksessa lämpökäsittely on viime vuosikymmenellä parhaiten kehittyneitä puutuotealan innovaatioita.

 

Puristus ja taivutus
Puun ominaisuuksien parantaminen puristamalla on vanha menetelmä. Viime aikoina on taas tutkittu puristamista, kehitetty menetelmiä ja etsitty sopivia käyttökohteita. Puuta voidaan puristaa kylmillä työkaluilla, mutta puristuksessa kehittyy aina lämpöä. Yleensä kuitenkin työkaluja lämmitetään, jolloin voidaan käyttää hyvinkin korkeita lämpötiloja. Tällöin voidaan puhua myös lämpökäsittelystä.

Puun ominaisuuksien muuttuminen riippuu puristuspaineesta ja lämpötilasta sekä puulajista. Jos käytetään hyvin korkeita puristuspaineita, voidaan valmistaa monimuotoisia esineitä, vetimiä, kahvoja ym. Levyjen tai listojen pintaan voidaan muotoilla erilaisia kuvioita, esimerkiksi rottinkipunoksien jäljitelmiä.

Puristus parantaa helposti pintakovuutta (ks. taulukko puulajien tekniset ominaisuudet) paljonkin, jolloin siitä saadaan etua erikoisesti lattioissa mutta myös erilaisissa työtasoissa. Pinnan kosteuden imeminen ja myös kosteuseläminen vähenee, mistä on monissa kohteissa paljon hyötyä.

Puun taivutus on myös hyvin vanha menetelmä. Hevosvaljaiden luokki on tästä hyvä esimerkki. Maailmankuuluja ovat Thonet‘in wieniläistuolit, joissa massiivipuinen punapyökki on taivutettu hyvinkin pienillä taivutussäteillä. Taivutettuja rakenteita valmistetaan seuraavasti:

• Massiivisen puun taivutus

  • Ilman vannetta

  • Vanteella

• Laminoidut rakenteet

• Uritetut tai lovetut rakenteet

Massiivisen puun taivuttaminen on mahdollista, jos puu kosteus on yli 30 % ja lämpötila noin 70 °C. Tästä syystä puuta on haudottava kuumassa vedessä riittävän kauan. Taivutettaessa ilman tukevaa vannetta saavutetaan vain suhteellisen loivia kaaria. Koivupuun pienin taivutussäde (r) riippuu kappaleen paksuudesta (d) seuraavasti:

r = 20×d

Tukemalla kappale taivutettaessa ulkopinnaltaan vanteella saavutetaan noin neljä kertaa pienempiä taivutussäteitä. Massiivisten taivutettujen kappaleiden mittatarkkuus ei ole kovin hyvä ja ne pyrkivät taivutuksen jälkeen lievästi oikenemaan. Kappaleiden liitoksissa on käytettävä yleensä metallisia liittimiä, kuten kasausruuveja.

Massiivipuuta voidaan myös taivuttaa loiville kaarille mm. tuolien takajaloiksi suurtaajuuspuristimissa. Tällöin kosteuden on oltava noin 20 % ja hyvin tasainen. Suurtaajuuspuristimessa kappale taivutetaan muotoonsa, lämmitetään ja kuivataan.

Taivutettavat pienipoikkipintaiset tai ohuet kappaleet valmistetaan pääasiassa laminoimalla useita kerroksia paksuhkoa viilua päällekkäin. Laminointi tehdään yleensä korkeajaksolaitteella lämmitettävässä muotopuristimessa käyttäen urealiimoja. Jos viilun syyt joka kerroksessa ovat samansuuntaiset, näyttää kappale koneistuksen jälkeen kokopuusta taivutetulta. Taivutettuja huonekalujen osia valmistetaan nykyisin etupäässä muotopuristamalla. Menetelmässä liimataan kaksi tai useampia kerroksia paksuhkoa viilua päällekkäin tavallisesti korkeajaksolaitteella lämmitettävässä muotopuristimessa käyttäen mm. urealiimoja. Puristusta varten valmistetaan puusta tai vanerista taivutettavan kappaleen mukaiset muottikappaleet, joiden pintoihin kiinnitetään elektrodit. Suurjaksogeneraattorin kehittämässä nopeasti suuntaansa muuttavassa sähkökentässä puun ja liimamolekyylien liike kiihtyy. Tämä ilmenee lämpötilan nopeana kohoamisena liimasaumassa, jolloin sauman kovettuminen nopeutuu.

Laminointia käytetään paljon tuolin osien, kuten jalkojen, käsipuiden ja selkälevyjen valmistuksessa. Yhdessä tasossa kaarevat tuolien selkä- ja istuinlevyt tehdään yksinkertaisimmin kahdesta vanerikappaleesta, jotka liimataan vastakkain muotopuristimella vastakkain. Laminoitu rakenne on luja ja mitoiltaan tarkka. Menetelmä soveltuu suurten sarjojen valmistukseen.
 

Taivutuksen helpottamiseksi voidaan kappaleiden sisäpinta urittaa, jolloin varsin paksujenkin rakenteiden taivuttaminen on mahdollista.