Träindustriella tillämpningar av NMR-teknik - Förstudie Projektledare: Owe Lindgren

Projektmedarbetare: Johan Oja

Intressent: Trelleborgs forskningsstiftelse Bakgrund

För ett normalt sågverk motsvarar råvarukostnaden 70% av produktionskostnaden. Detta gör det naturligtvis mycket viktigt att utnyttja råvaran så effektivt som möjligt. Därför är det intressant att kunna mäta råvarans egenskaper och utnyttja denna information till att styra processen. Till detta krävs metoder för oförstörande mätning av träets, det vill säga stockens eller den sågade varans inre egenskaper.

Datortomografi

Hittills har de mest framgångsrika metoderna att göra oförstörande mätningar på trä varit gammastrålnings- och röntgenbaserade. Med hjälp av röntgenbaserad datortomografi kan man mäta densitetsvaritioner i ett tvärsnitt av till exempel en stock figur nedan.

Exempel på en datortomografibild av en granstock. Ljusa områden motsvarar hög densitet, mörka områden låg densitet.

Möjligheten att göra oförstörande mätningar har gjort datortomografen till ett mycket effektivt forskningsinstrument. Vid Luleå tekniska universitet, Institutionen i Skellefteå har man med hjälp av datortomografi bland annat skapat Stambanken, en världsunik stockdatabas bestående av tomograferade stockar. Datortomografi har även gjort det möjligt att undersöka

fuktvandring i trä och att skapa sågsimuleringsverktyg. Data från Stambanken har också varit en mycket viktig del i utvecklingen av en utrustning för industriell röntgen av sågtimmer som idag finns implementerad i industrin

Datortomografen är alltså en etablerad teknik inom träforskningen. Nackdelen med datortomografen är att den ”bara” kan mäta densitet. Det går därför inte att med hjälp av datortomografi skilja på om en densitetsförhöjning verkligen beror på att träet har högre densitet eller om det är fuktkvoten som är förhöjd. En alternativ teknik är NMR

(kärnspinnresonans). På samma sätt som vid datortomografi kan man med hjälp av NMR göra oförstörande, bildgivande mätningar av inre egenskaper i till exempel en stock figur nedan.

Exempel på en NMR-bild av en furustock. Ljusa områden motsvarar hög förekomst av väteatomer, mörka områden liten förekomst.

Beskrivning av NMR

NMR är en vanlig teknik i medicinska tillämpningar och utnyttjar det faktum att atomkärnor med ett udda antal protoner och/eller neutroner har ett spinn som ger upphov till ett

magnetiskt moment. Normalt studerar man dock endast väteatomer beroende på dels att väte är ett vanligt grundämne, dels att väteatomens kärna är känslig för påverkan. Det magnetiska momentet gör att atomkärnan uppför sig som en stavmagnet. När ett yttre magnetfält läggs på rättar därför atomkärnorna in sig efter magnetfältet. Atomkärnorna har även en

resonansfrekvens som är proportionell mot det yttre, pålagda magnetfältet. Detta innebär att man genom att sända ut en radiosignal med samma frekvens som atomkärnans

resonansfrekvens kan få atomkärnorna att ”vrida” sig så att deras magnetiska moment avviker från det yttre magnetfältets riktning. När radiosignalen stängs av återgår atomkärnorna till ursprungsläget, det vill säga de rättar på nytt in sig efter det yttre magnetfältet. När

atomkärnorna återgår till ursprungsläget sänder de ut en radiosignal som mäts och analyseras.

Det är denna, från atomkärnorna utsända signal som ger den egentliga informationen.

Signalens intensitet och dess avklingningsförlopp beror av mängden atomkärnor per volymsenhet, typ av kemisk bindning etc.

Genom att lägga in en gradient i det yttre magnetfältet kan man se till att atomkärnorna får olika resonansfrekvens beroende på var i det undersökta objektet de befinner sig. Det gör att man genom att ändra radiosignalens frekvens kan välja vilket område man ska studera och på så sätt kan man även bygga upp en 3D-bild av det studerade objektet. Dessutom kan man få ytterligare information genom att pulsa radiosignalen på olika sätt. På så sätt kan man göra flera olika mätningar för varje volymselement och därefter utvärdera mätresultaten med hjälp av multivariat statistik.

En styrka hos NMR tekniken är att det är möjligt att mäta både densitet och fuktkvot hos trä.

Andra fördelar med NMR är att man inte använder sig av joniserande strålning och att NMR-utrustningen inte innehåller några rörliga delar. När det gäller att använda NMR för att mäta på sågtimmer eller sågad vara i industriell miljö finns det även tydliga nackdelar. Först och främst är NMR-tekniken relativt långsam, man har mätt på trä med en hastighet av upp till 10 bilder/sekund. Andra nackdelar är att fruset vatten uppträder på ett helt annat sätt i NMR-bilder och att det inte får finnas något magnetiskt material i det undersökta objektet.

De flesta tillämpningarna av NMR för mätning på trä gäller fuktstudier. När det gäller

utveckling av industriella metoder för att mäta inre egenskaper hos sågtimmer eller sågad vara har relativt lite gjorts. Möjligheten att kombinera NMR och datortomografi för att mäta på trä är heller inte närmare undersökt.

Syfte

Projektets syfte är att undersöka möjligheten att använda NMR för oförstörande mätningar av olika egenskaper hos trä, både för industriellt bruk och för forskningstillämpningar. De analysmöjligheter som multivariat statistik och multivariat bildbehandling ger kommer särskilt att beaktas inom projektet.

Genomförande och resultat

1. Kartläggning av forskningsområdet – litteraturstudie.

2. Orienterande experimentella undersökningar

3. Fördjupad studie av den mest lovande tillämpningen

Samma område i stocken avbildat med fyra olika NMR-sekvenser:

1. Spin echo (T1) 2. Fast spin echo 3. Spin echo (T2) 4. Proton density weighted.

Resultatet från en principalkomponentanalys av NMR-bilderna i figuren. Bilderna visar scoreplottar för de fyra principalkompåonenterna.

Förstudien visar att det finns många metoder att korrelera NMR-signaler och fuktinnehåll i olika material. Här har konventionella FID-, multivariata statistik-, T1- och T2-mätningar genomförts för att få en uppfattning om vilken eller vilka mätparametrar som passar mätningar på trämaterialet bäst.

Ett antal mätningar för korrelation mellan fuktinnehåll och FID-kurvor har genomförts. I nedanstående figur visas hur väl man kan prediktera träets fuktkvot med hjälp av de registrerade NMR-signalerna.

0

Samband mellan registrerad och beräknad fuktkvot.

Slutsatserna från förstudien är att:

• NMR-tekniken är intressant som ersättning eller komplement till röntgenbaserad mätning.

• Det behövs mer erfarenhet av mätning på trä för att hitta de NMR-sekvenser som ger mest information.

• I framtida projekt är det intressant att även använda fast-fas NMR-utrustning för att göra mer detaljerade mätningar framför allt i kärnveden.

• NMR är en utmärkt teknik för att mäta fuktinnehåll i trä. Den klarar av att mäta fuktinnehållet i trä med god noggrannhet både över- och under fibermättnadspunkten vilket är ytterst ovanligt. Man kan också även mäta träets densitet. Tekniken har stora fördelar genom att den är oförstörande, ej har kontakt med materialet och går att göra i tre dimensioner utan rörliga delar.

Artiklar

Lindgren, O. 2006. Träindustriella tillämpningar av NMR-teknik – slutrapport

Lindgren, O. 1996.NMR – Nuclear magnetic resonance – for non-destructive wood moisture content measurements. 10th International Symposium on NDT of Wood, Sopron, Hungary

Ekonomi

Protokollsbilaga 6, beslutsdatum 2000-09-08

P 5 Projekt nr 15

Budget (kkr) Utfall (kkr)