SP Trätek – Kontenta
Spinnande väte
ger bilder av vatten
SP Sveriges T
Spinnande väte ger
bilder av vatten
Magnetic Resonance Imaging, MRI, är en metod som kan användas för mät-ning och visualisering av vatteninnehåll i olika material. Den är ursprungligen utvecklad för medicinska studier i olika vävnader i människokroppen, men är användbar även för studier av vatten-transport och fördelning i andra material som exempelvis betong, plast, kosme-tika, livsmedel och trä. MRI detekterar förekomsten av väte som är en av huvud-beståndsdelarna i vatten.
I en MRI-utrustning utsätts provmate-rialet för ett magnetiskt fält. I detta fält påverkas vatten genom att väteatomerna i vattnet har protoner som snurrar med en viss frekvens och riktar in sig i mag-netfältets riktning. När dessa protoner utsätts för en radiosignal med samma frekvens som protonerna snurrar med, uppstår resonans som gör att de byter riktning. När radiosignalen stängs av återgår protonerna till sitt jämviktstill-stånd i magnetfältet och skickar samti-digt ut en liten signal som utrustningen kan detektera. Denna signals intensitet är proportionell till mängden av vat-ten. Tekniken kan även skilja på olika tillstånd av vatten i ett material såsom
Magnetic Resonance Imaging, MRI
– Magnetkamera för avancerade studier av fukt i trä
Trä är ett hygroskopiskt material som tar upp vatten både i ång- och vätskeform. Fuktinnehållet i trä
på-verkar många av dess egenskaper såsom hållfasthet, svällning/krympning, deformationer och beständighet
mot mikrobiella angrepp. Det är därför mycket viktigt att kunna mäta och detektera fuktinnehåll,
fuktrörel-ser och fuktfördelning i trä både när träet är obehandlat, målat, limmat och på annat sätt behandlat.
Trätorkning är en central del i pro-duktionen av sågade trävaror eftersom torkningsprocessen i hög grad påverkar kvaliteten och produktionskostnaden. Detta har medfört att relativt mycket FoU-resurser har satsats på att förbättra den industriella torkningsprocessen genom t ex utveckling av simuleringsmodeller för trätorkning. Dessa simuleringsmodeller bygger på teoretiska modeller som beskriver kopplingarna mellan påfört torkningsklimat, fuktfl öden och
fördel-Fuktdynamiken i
torkande träyta
hårt bundet eller fritt rörligt i materialet. Genom att variera magnetfältets styr-ka över materialet styr-kan man detektera mängden vatten i olika positioner. Med hjälp av detta kan man erhålla en-, två eller tredimensionella bilder av vattnets fördelning i materialet.
Resultaten som presenteras i denna Kontenta är endimensionella bilder som visas som fuktprofi ler.
ning i tvärsnittet, spänningsuppbyggnad, energiåtgång etc. Simuleringsmodellerna måste verifi eras med mätningar innan de kan användas i industriell produktion för att där förbättra och optimera tork-ningen med avseende på kvalitet och kapacitet. Behovet av förbättringar hos simuleringsmodellerna ligger främst i beskrivningen av fukttransporten vid höga fuktkvoter och förhållandena in-vid en torkande virkesyta, därför har fuktförhållandena från rått till torrt studerats i tunna ytskikt (300 µm) hos torkande furu och gran med hjälp av högupplösande MRI-teknik. Mätningarna har visat att det under torkning av trä relativt snabbt bildas en tunn torr zon närmst ytan även kallad torrt skal. I detta torra skal är fuktkvoten under fi bermättnad även om fuktkvoten i medeltal i bulken är klart över fi bermättnad. Fuktransportprocessen i det torra skalet, några tiondelsmillime-ter, uppträder som en diffusionsprocess vilket styr uttorkningshastigheten trots att fuktkvoten i virket ligger klart över fi bermättnad och vattnet där inne rör sig med kapillär fukttransport.
Bild av en människas huvud tagen med en medicinsk MRI-utrustning, även kallad magnetkamera. Medelfuktkvoten i ytskiktet, 0-300 μm, för furukärnved torkad vid 22°C och 55 % RF. Efter 1254 min höjdes RF till 100 % för uppfuktning. 120 100 80 60 40 20 0 Fuktkvot % 0 240 480 720 960 1200 1440 Tid (min)
Fuktbuffring i trä
Hur fördelar och rör sig
fukten i målade
träpaneler?
En obehandlad träpanel i utomhusmiljö tar upp och avger fukt relativt snabbt. Kortare perioder av kraftig uppfuktning klarar träet bra utan nämnvärda skador. En ytbehandling medför oftast att träpa-nelen tar upp och avger betydligt mindre fukt, hur ytbehandlingen inverkar beror på typ av ytbehandlingar såsom slam-färger, oljor, lasyrer och täckfärger samt varianter inom dessa. Beständigheten hos en målad träpanel påverkas starkt av på vilket sätt en ytbehandling förändrar fuktens rörelser. En ideal ytbehandling medför mycket liten fuktupptagning men medger samtidigt en riklig fuktavgivning om fukt ändå tagit sig in i panelen vid t ex ändträ, sprickor eller spikar. MRI kan här vara ett mycket användbart verk-tyg för att studera hur fukt fördelar sig i en träpanel med varierande ytbehandling vid stor fuktbelastning såsom slagregn samt därpå följande uttorkning vid god väderlek. Pågående utvecklingsarbete fokuserar på vattenburna täckfärger för träfasader vilket är en av de vanligaste typerna av ytbehandling. Detta forsk-nings- och utvecklingsarbete har redan lett till förbättrade ytbehandlingspro-dukter och metoder som i slutändan ger beständigare fasader med längre under-hållsintervall. Arbetet fortsätter för att ytterligare öka förståelsen och förbättra ytbehandlingens förmåga att skydda trä-et under lång tid.
Vart tar vattnet vägen
när en limfog härdar?
Vid industriell limning av träprodukter används oftast vattenburna limsystem. När limmet härdar och torkar sprids vatt-net i limfogen in i träet. Detta förlopp är en mycket viktig del i limprocessen som starkt påverkar limfogens styrka. Om till exempel vattnet i limmet sugs upp för snabbt av träet innan limfogen härdat fås
en torr limfog med mycket dålig vidhäft-ning vilket oftast ger delaminering. Med MRI-tekniken är det möjligt att studera vattnets spridning när limfogen härdar och torkar, man kan dessutom studera härdningsförloppet i limfogen. Studier av detta slag med hjälp av MRI-tekniken möjliggör utveckling av förbättrade lim-system och limningsprocesser som ger bättre prestanda hos limfogen och den färdiga träprodukten.
Fuktprofi ler i radiell riktning i furu. Träytan till vänster är utsatt för ett varierande klimat enligt det infällda mindre diagrammet. Bakom fuktprofi lerna syns träprovet.
Fuktprofi ler nära träyta som behandlats med en vattenburen akrylat t v i bilden. Röd kurva är efter vattenbegjutning i 120 timmar på den behandlade ytan, där vatten samlats mellan ytbehandling och träyta. Ytbehandlingen är ca 350 μm tjock. Fuktprofi len har lagts in i en mikroskopbild (ESEM) i samma skala.
MARWINGCA Sample F 2 Moisture Concentration [kg m 3] Distance [mm] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 8h 3h 1h 11h 19h 24h 100 80 60 40 20 0 RH [%] 0 4 8 12 16 20 24 Time [h] Trä är ett hygroskopiskt material och det
innebär att trä har kapacitet att ta upp och avge vatten. Denna egenskap kan utnytt-jas för att minska variationerna i relativ luftfuktighet inomhus och hjälpa till att reglera inomhusklimatet passivt. Egen-skapen att lagra vatten hos byggnadsma-terial kallas fuktbuffringskapacitet. Med MRI kan man mäta små förändringar i fuktinnehållet i trä och få en bild av fuktprofi len från den exponerade ytan och inåt. Fuktbuffringskapaciteten kan räknas från fuktprofi lerna och resulta-ten visade utmärkt korrelation med an-dra vedertagna metoder för bestämning av fuktbuffringskapaciteten. MRI fukt-profi ler gjorde möjligt att studera, inte bara mängden av transporterat vatten, utan också det aktiva djupet hos trä som samverkar med den omgivande fukten
i luften och hastigheten av växlingarna. Figuren ovan visar att dygnsvariationer i luftfuktigheten inomhus från 80 till
20 % RF kan ses ned till ca 2 mm djup i trä, men djupare än ca 10 mm syns inga förändringar alls.
250000 200000 150000 100000 50000 0
SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut SP Trätek
Adress Besöksadress Telefon Telefax
Box 857, 501 15 BORÅS Brinellgatan 4 010- 516 50 00 (alla kontor) 033-13 55 02 Box 5609, 114 86 STOCKHOLM Drottning Kristinas väg 67 08-411 83 35 Videum Science Park, 351 96 VÄXJÖ Lückligs plats 1 0470-72 89 40 Skeria 2, 931 77 SKELLEFTEÅ Laboratorgränd 2 0910-70 14 76
www.sp.se/tratek
Kontaktpersoner
Jan Ekstedt, tel 010-516 62 03, jan.ekstedt@sp.se
Magdalena Sterley, tel 010-516 62 20, magdalena.sterley@sp.se
Anders Rosenkilde, tel 08-411 16 40, anders.rosenkilde@bic.nu
(tidigare vid SP Trätek) nu BIC - Byggsektorns InnovationsCentrum
SP
INFO 2007:66
Mer att läsa
Berglind H., Ekstedt J., Rosenkilde A., Salin J-G., McDonald P., Bennett G., Keddie J.L., Brands G. and P. Jokinen. 2003. Mag-netic Resonance Imaging of wood at its interface with glue coating and air. Final report to EC MARWINGCA. Trätek P0305014. ISSN 1102-1071.
Ekstedt, J., A. Rosenkilde, S. Hameury, M. Sterley and H. Berglind. 2007. Measurement of moisture content profi les in coated and uncoated Scots Pine using Magnetic Resonance Imaging. COST E 53 Conference - Quality Control for Wood and Wood Products, Warsaw, Poland, 15-17 October 2007.
Hameury, S. 2006. The hygrothermal inertia of Massive Timber Constructions. Doctoral Thesis. KTH Architecture and the Built Environment, Stockholm Sweden. ISSN 0349-5752.
Hameury, S. and M. Sterley. 2006. Magnetic resonance imaging of moisture distribution in Pinus sylvestris L. exposed to daily indoor relative humidity fl uctuations. Wood Material Science and Engineering, 2006,1, pp:116-126.
Rosenkilde, A., Gorce J-P. and A. Barry. 2004. Measurement of moisture content profi les during drying of Scots pine using mag-netic resonance imaging. Holzforschung, 58, 138-142.
Rosenkilde, A., and P. Glover. 2002. High resolution measurement of the surface layer moisture content during drying of wood using a novel magnetic resonance imaging technique. Holzforschung, 56, 312–317.
Det fi nns även behov av att studera hur fukten i en limmad träprodukt fördelar sig vid uppfuktning och uttorkning. En ofördelaktig fuktfördelning kan ge
upp-hov till stora spänningar och delamine-ring. Höga fuktnivåer i en limmad kon-struktion kan förutom delaminering ge problem med biologisk nedbrytning
vil-ket leder till kraftigt försämrad hållfast-het. Genom att studera fuktupptagning och uttorkning kan man dra slutsatser om hur limfogarna påverkas.
Lim som torkar och härdar på en glasskiva. Signalen längst till vänster är från en markeringstejp, övriga profi ler visar hur signalen från limmet minskar med tiden vartefter limmet torkar och härdar.
Limfog mellan trä och glas. Längst till vänster signal från markeringstejpen. Profi lerna visar hur limfogen torkar och härdar med tiden samt hur limmet penetrerar träet.
700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 Intensity (a.u.) 0 500 1000 1500 2000 Position (microns) glue glass air 17 minutes 34 51 68 85 119 170 255 425 850 17 minutes 51 119 170 255 850 Intensity (a.u.) 0 500 1000 1500 2000 Position (microns) glue glass wood elastomer
