Hazánk klímája jelentős változáson esik át, aminek hatására várhatóan a hazai erdők fafajösszetétele is jelentősen megváltozik majd. A hazai faiparnak fel kell készülnie olyan alapanyagok használatára, amelyeket jelenleg gyengébb minőségűnek tartanak, és nem használnak. Cikkünkben bemutatunk több olyan kutatást, ami ezeknek a fafajoknak az emelt értékű hasznosítását szolgálják, faalapú szerkezeti alapanyagok formájában. A bemutatott példák jól illusztrálják azt a potenciált, ami ezekben a termékekben rejlik a hazai ipar számára.
A kutatási beszámoló az Alföldi Erdőkért Egyesület Kutatói Napján (2024. november 4.) került bemutatásra, az eseményre készült kiadványban (is) elérhető.
Szerzők: Bejó László és Ahmed Altaher Omer Ahmed – Soproni Egyetem, Alkalmazott Tudományi Intézet
BEVEZETÉS
A nemesnyárakat különböző fajok keresztezésével hozták létre. Ezek közül Magyarországon legjellemzőbb az ún. Euramerikai nyárak (Populus´ euramericana) csoportja, amelyeket Populus nigra és a Populus deltoides fajok keresztezésével hoztak létre, és amelyeknek számos fajtája létezik, melyek különböző jellemzőket mutatnak. Ezeknek a fajtáknak a nagy része jellemzően világosabb színű és homogénebb szerkezetű, mint a hazai nyárak; inkább a fenyő faanyagokra emlékeztetnek. Mivel a XX. sz. második felében kizárólag ezeket használták gyors növekedésű ültetvények telepítésére, jelenleg nagy mennyiségű nemes nyár alapanyag áll az ipar rendelkezésére.
Hazánk klímájának felmelegedése és aridifikációja miatt a faipar hagyományos alapanyagai (nemes tölgy, bükk, nemes nyár) egyre kevésbé képesek megélni; helyüket más, jelenleg kevéssé hasznosított fafajok (pl. cser, nyár, gyertyán) veszik át (Borovics és tsai. 2024). Magas vízigényük, valamint az őshonos fajokat preferáló szakpolitikai döntések folytán erdeinkben a nemes nyárak visszaszorulása várható. A hazai faipar számára jelentős kihívást fog jelenteni a jelenleg alul használt, gyengébbnek tartott alapanyagok hasznosítása.
A Soproni Egyetem Faipari Mérnöki és Kreatívipari Karának egyik fontos kutatási célkitűzése, hogy segítse a hazai ipar alkalmazkodását, felkészülését a változó alapanyagbázis hasznosítására. Vizsgáljuk az új alapanyagok műszaki paramétereit, tartósságát, és olyan innovatív anyagok és termékek fejlesztésén dolgozunk, amelyek a jövőben várható alapanyagok hasznosítását lehetővé teszik. Ennek része olyan teherviselő faalapú építőelemek fejlesztése, amelyek alul-hasznosított hazai alapanyagokból gyárthatók, jelentős hozzáadott értékkel.
CLT (kereszt-laminált építőlemez) hazai fafajokból
A közelmúltban fejeződött be egy jelentős kísérletsorozat, amely a hazai fafajok alkalmasságát vizsgálta CLT (Cross Laminated Timber) gyártására (Altaher és tsai. 2023).
Ez a termék, mely 3-17, keresztirányban elhelyezett tömör fa lamellából készül, jelenleg az egyik legnépszerűbb építőanyag Európa- és világszerte; éves értékesítési volumene 2023-ban 2,8 millió m3 volt (Liu és tsai. 2023). Népszerűségét nem kis mértékben a jelentős mennyiségű beépülő faanyagnak, és az abban tárolt, a légköri CO2-ból származó szénnek köszönheti.
A Németországban és Ausztriában kifejlesztett építőanyag jellemzően fenyő alapanyagból készül. A világszerte felhasznált mennyiség legnagyobb része egészen a közelmúltig ebből a régióból származott (Brandner és tsai 2016), azonban az alapanyagkészletek ma már nem tudják kielégíteni a jelentős igényt. Emiatt ma már egyre gyakoribb mindenhol a helyi alapanyagok használata, és egyre nagyobb az érdeklődés a lombos alapanyagok iránt is. Hazánkban korábban már történt próbálkozás CLT fejlesztésére nyár alapanyagból (Marko és tsai. 2014), de a kutatás eredményei csak részben voltak
biztatóak.
A kutatás során 3 féle alapanyagból (műszárított és szilárdságilag osztályozott C24-es lucfenyő, műszárított bükk és nemes nyár pallók) készültek 3 rétegű CLT panelek, többféle kombinációban (1. táblázat). A panelek vastagsága 45 mm, táblaméretük 1000×600 mm volt. A panelek hideg-ragasztással készültek, szerkezeti poliuretán ragasztó alkalmazásával. Az elkészült lemezekből 10-10 db, 45x45x1000 mm méretű hajlító próbatest készült, amelyeket a MSZ EN 408:2010+A1:2012 szabvány előírásainak megfelelően hajlító vizsgálatnak vetettünk alá. Ennek során a próbatestek tönkremenetelének módját
is feljegyeztük. A hajlító próbatestek végéből kisebb próbatestek kerültek kialakításra, a sűrűség valamint a nedvességtartalom meghatározására (kiszárításos módszer.) A panelek és próbatestek kialakítását, valamint a hajlító vizsgálatot az 1. ábra szemlélteti.
A 2. ábra mutatja a különböző paneleken mért hajlítószilárdság értékeket. A rugalmassági modulusz (MOE) értékei hasonló tendenciákat mutattak, bár a különbségek kevésbé voltak kiugróak. Mint az eredményekből jól látható, a nyár CLT eredményei lényegesen meghaladták a hagyományos fenyő CLT szilárdságát és rugalmassági moduluszát.
A bükk panelek eredményei a vártnak megfelelően jóval meghaladták a fenyő és a nyár lemezek szilárdságát, és az eredmények nem voltak szignifikánsan gyengébbek, ha a középső lamellát nyár anyaggal helyettesítettük.
Érdekes módon a nyár középréteg alkalmazása valamelyest javította a fenyő panelek teherbírását. Ugyanakkor a fenyő középréteg alkalmazása jelentős szilárdságcsökkenést okozott a bükk lemezek esetében. Ennek az oka az, hogy ezeknek a próbatesteknek a nagy része ragasztóréteg-elválással ment tönkre, míg a többi kombináció esetében ez nem volt jellemző. Ennek a pontos oka ismeretlen, azonban vélhetőleg a két fafaj közötti nagyon jelentős sűrűségeltérésre vezethető vissza. A további elemzés azt is kimutatta, hogy erős pozitív korreláció van a lemezek átlagos sűrűsége, valamint azok hajlítószilárdsága között. Ez alól kivételt képeznek a BNB lemezek, aminek az oka egyértelműen a fent említett rétegelválás.
A kísérleti lemezeket összehasonlítva a piacon kapható különböző LSL anyagokkal megállapítottuk, hogy az összes kísérleti lemez megfelel egy alacsonyabb kategóriájú CLT lemez értékeinek, vagy meghaladja azokat. Különösen biztató a nyár alapanyag kiemelkedő teljesítménye.
Sajnos az eredmények nemes nyár alapanyagra vonatkoznak, így nem tudni, hogy a hazai nyár mennyire felelne meg a CLT gyártás céljaira. Szakmai körökben többen rámutatnak, hogy a hazai nyár műszaki és alaki tulajdonságai többnyire nem felelnek meg az ilyen jó minőségű alapanyag kritériumainak, míg mások látnak fantáziát benne. Ennek eldöntésére elsősorban a hazai nyár fűrészipari kihozatali vizsgálatára lenne szükség.
A kísérletek tovább folynak, de valószínű, hogy magasabb hozzáadott értékű építőanyagok gyártásával jobb eredmények érhetők el a hazai nyár hasznosítása tekintetében.
LVL (rétegelt furnér tartó) alul-hasznosított fafajokból
Az LVL (Laminated Veneer Lumber) egy másik nagyon sikeres fejlesztés, amely a 80-as években Észak-Amerikában indult útjára. A műszaki furnérokból készülő LVL tartó a rétegelt lemezre emlékeztet, azonban attól eltérően a furnér rétegek száliránya párhuzamos.
Az LVL vastagabb, mint a rétegelt lemez (jellemzően 40-50 mm), és a hosszmérete is jóval nagyobb (általában 5-6 m, de akár a 13 métert is elérheti vagy meghaladhatja.) Európában először Finnországban kezdték gyártani, de ma már több gyártó is kínál LVL tartókat, melyek többnyire lucfenyőből készülnek, de nemrégiben a német Pollmeier cég nagy sikerrel vezette be a bükk LVL tartókat az európai piacon (Hakkarainen 2020)
Hazai kutatók több ízben is foglalkoztak LVL fejlesztéssel (Németh és tsai. 2004, Vilpponen és tsai. 2014), azonban a kísérletek biztató eredményei ellenére a hazai ipar egyelőre nem kezdett el érdeklődni a termék iránt. Nemrégiben újra elkezdődtek az LVL kutatások a Soproni Egyetemen, ezúttal kimondottan az alul-hasznosított fafajokra koncentrálva.
A kísérletek során I-214 olasznyár és csertölgy kombinációjával hoztunk létre különböző LVL lemezeket, és vizsgáltuk azok tulajdonságait. A lemezek gyártása során többféle rétegelrendezés készült 2,8 mm vastag nyár és 1,4 mm vastag cserfurnér, és kétféle szerkezeti ragasztóanyag (melamin-karbamid-formaldehid MUF, valamint metilén-difenil-diizocianát PMDI) felhasználásával, valamint lépcsőzetes présdiagrammal.
A lemezek lapmérete 40×40 cm, vastagsága 14 mm volt. A 3. ábra szemlélteti az elkészült kombinációkat. A tiszta nyár (N) és tiszta cser (Cs) lemezek MUF ragasztóval készültek; a kombinált lemezek (K1 és K2) MUF és PMDI ragasztós változatban is elkészültek. Az N jelű lemezből két példány is készült. Az alkalmazott préselési hőmérséklet 140 °C, a teljes présidő padig 13 perc volt mindkét ragasztó esetében.
A mechanikai tulajdonságok vizsgálatához a 400×400 mm lapméretű lemezekből 19 mm széles próbatesteket alakítottunk ki, így a próbatestek mérete 14x19x400 mm volt.
A próbatesteket univerzális anyagvizsgáló gépen, 3 pontos hajlítással vizsgáltuk, az MSZ EN 310:1999 szabvány szerint. 360 mm-es támaszközzel. A vizsgálat előtt a próbatestek tömegét is megmértük, így a sűrűségük is kiszámítható volt.
A 2. táblázat foglalja össze a legfontosabb mérési eredményeket. A várakozásnak megfelelően a legjobb eredményeket a cser LVL hozta, igen kis szórás mellett, ami a sok vékony réteg miatt nem meglepő. A nyár lemezek szilárdsága jócskán elmarad a csertől.
Nagyon jó volt a kombinált lemezek teljesítménye is, különösen a K2-es lemez, ahol a csertölgy a külső rétegekben található. A PMDI ragasztóval készült K1-es lemez szilárdsága a vártnál magasabb – ez vélhetően nem elsősorban a ragasztóanyagnak köszönhető, hanem a lemez magasabb sűrűségének (ami a véletlenszerűen kiválogatott, jobb minőségű furnéroktól ered. Ha a sűrűség hatását figyelmen kívül hagyjuk, akkor mindkét alkalmazott ragasztóanyag hasonlóan jó eredményeket hozott.
Fontos eredmény, hogy az összes lemez átlagos szilárdsági értéke jóval meghaladja az alapanyag szilárdságát. Ennek oka a jó minőségű alapanyag mellett a gyártási folyamat során létrejövő tömörödés és a ragasztóanyag szilárdító hatása. Ennél is fontosabb, hogy a szórásértékek konzisztensen alacsonyak, 10% alattiak. Ez szintén a faalapú anyagokra jellemző, mivel az alapanyagban található fahibák és gyengébb minőségű részek a szerkezetben szétoszlanak, és így konzisztensebb, megbízhatóbb tulajdonságok jönnek létre, ezért az LVL gerendák karakterisztikus szilárdsági értéke jellemzően az alapanyag 2-szerese, vagy annál is magasabb értéket vehet fel.
Az LVL kísérletek folytatódnak; jelenleg folyamatban van a hazai nyár furnérok beszerzése kimondottan ebből az alapanyagból készülő LVL tartókkal való kísérletezés céljából. Az alkalmazott ragasztóanyagok körét is kiszélesítjük, illetve előkészületben van egy együttműködés az LVL ipari gyártásával kapcsolatban.
LSL (rétegelt szálforgács tartó) hazai alapanyagból
A fejlesztések harmadik fontos iránya az ún. LSL (Laminated Strand Lumber) tartók fejlesztése. Ezek a tartók az OSB-hez használt hosszú-forgácsokhoz (ún. strandekhez) hasonló alapanyagokból épülnek fel, azonban az OSB-vel ellentétben a strandek orientációja mindenhol hosszirányú, így itt is egy fűrészáru helyettesítésére alkalmas terméket kapunk. Európában ez a termék kevésbé ismert, de Észak-Amerikában több, mint 300.000 m3, elsősorban fenyő és lágylombos anyagból készülő LSL-t állítanak elő és használnak fel évente (Hasan és tsai 2023.)
A Soproni Egyetemen 2023-ban kezdődtek el az LSL kifejlesztésével kapcsolatos kutatások. Ennek során először vegyes OSB strandekkel kezdtünk el kísérletezni, az optimális préselési paraméterek kiválasztása céljából. Ennek során kikísérleteztük az optimális ragasztóanyag-mennyiséget, célsűrűség értéket és présidőt egy 30 mm vastag, 400×400 mm lapméretű LSL számára.
A 2024-es évben elkezdődött a hazai- és nemes nyár strandek, valamint az abból készíthető építőipari anyagok vizsgálata és összehasonlítása. A kísérletekben használt strandeket a Swiss Krono Kft. vásárosnaményi üzeme gyártották le, amihez több, mint 1000 m3 (kb. 30 szállítmány) rönköt különítettek el mind hazai, mind nemes nyár anyagból. A cég által biztosított, szárított strandek nedvességtartalma kb. 4%. A DNS vizsgálatok eredményei alapján a nemesnyár strandek Populus nigra és Populus deltoides mintázatot mutatnak (tehát valamilyen Populus´ euramericana hibridnek felelnek meg), míg a hazai nyár strandek nemesítetlen Populus nigra alapanyagból készültek.
A projekt keretében a hazai és nemes strandek és strandalapú anyagok többféle tulajdonságát vizsgáljuk, beleértve:
− A strandek színjellemzőit;
− A strandek morfológiai tulajdonságait;
− A strandek nedvesíthetőségét és ragaszthatóságát;
− A nyár OSB fizikai és mechanikai jellemzőit;
− A nyár LSL fizikai és mechanikai jellemzőit
A kísérletek nagy része már lezajlott, jelenleg a strandalapú anyagok tulajdonságainak a vizsgálata, illetve az eredmények értékelése zajlik. Ebben a cikkben a strandek színinger jellemzőinek összehasonlítását tudjuk bemutatni.
Több, mint 300 véletlenszerűen kiválasztott strand vizsgálata történt meg mindkét alapanyagból, melyeken strandenként 5-5 színmérést végeztünk a korai és a késői pásztán. A CIELAB színkoordináták mérése minden megjelölt mérési helyen, mindegyik stranden, egy SPECTROPHOTOMETER d-2600CM műszer segítségével történt.
A 4. ábra mutatja a világosságmérés eredményeit, az 5. ábra pedig a piros színezetet.
A sárga színezet ehhez nagyon hasonló tendenciát mutat. Az eredményekből látható, hogy a hazai nyár korai pásztája világosabb, míg a kései pászta sötétebb, mint a nemes nyár esetében. A színtelítettségnél is hasonló tendenciát lehet megfigyelni. A teljes színinger-különbség (∆E*) értéke a korai pásztánál 2,675, ami észrevehető, de kis mértékű különbség, a kései pásztánál pedig 9,946, azaz nagy különbségnek számít.
Az eredményekből az látható, hogy a hazai nyár nem feltétlenül sötétebb (mivel a világosabb korai pászta aránya jóval magasabb strandeken belül), azonban a nagyobb színeltérések, nagyobb kontraszt miatt a hazai nyárból gyártott OSB és LSL várhatóan tarkább lesz, mint a nemes nyár esetében.
Az eredményeket árnyalja, hogy a hazai nyár strandekből előállított LSL lemezek a hőpréselés hatására erőteljesen megbarnultak, így, bár a hazai nyár strandek nem sötétebbek, a belőlük készülő termék színére ez nem feltétlenül igaz (6. ábra)
ÖSSZEFOGLALÁS
A bemutatott példák illusztrálják, hogy a magas hozzáadott értékű szerkezeti alapanyagok gyártása lehetőséget kínál a jelenleg alul-hasznosított hazai faanyagok hasznosítására. További kísérletekre és kutatásokra van szükség az optimális tulajdonságú, hazai nyárból, csertölgyből és egyéb, a jövőben meghatározóvá váló alapanyagokból készült, piacképes építőanyagok kifejlesztésére, és piaci bevezetésének előkészítésére. E kutatások jelenleg is folyamatban vannak a Soproni Egyetemen.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
Ez a kutatás a „TKP2021-NKTA-43” számú projekt keretében, az Innovációs és Technológiai Minisztérium Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból nyújtott támogatásával, a TKP2021-NKTA pályázati program finanszírozásában valósult meg. Az alapanyagokat a BEK-Holz Kft., a JAF Holz Ungarn Kft. és a Swiss-Krono Kft. bocsátotta rendelkezésre. A kísérletekben közreműködtek, és a kutatás sikeréhez hozzájárultak: Dr. Alpár Tibor, Kozelka János, Mohammad Fakhori, Kun Gábor, Báder Mátyás és Takáts Dávid. A szerzők hálásan köszönik Dr. Benke Attila és Dr. Cseke Klára segítségét az alapanyag-fajták DNS-alapú azonosításában.
FELHASZNÁLT IRODALOM
- Borovics A., E. Kiraly and P. Kottek. 2024. Projection of the Carbon Balance of the Hungarian Forestry and Wood Industry Sector Using the Forest Industry Carbon Model. Forests 2024, 15, 600. doi: 10.3390/f15040600
- Brandner, R., G. Flatscher, A. Ringhofer, G. Schickhofer, and A. Thiel, 2016. Cross laminated timber (CLT): overview and development. Eur. J. Wood Wood Prod. 74(3):331–351, doi: 10.1007/s00107-015-0999-5.
- Hakkarainen, J. 2020. LVL Handbook Europe. 2nd ed. Federation of the Finnish Woodworking Industries. 226 pp. ISBN 978-952-94-2347-7
- Hasan, K.M.F., M. Bak, A.A. Altaher, J. Garab, P.G. Horváth, L. Bejó, T. Alpár 2022. Laminated strand lumber (LSL) potential of Hungarian and Central European hardwoods: a review. Eur. J. Wood Wood Prod. 82(2):245-264
- Liu, M. T. Huzita, A. Murano, C. S. Goh, and C. Kayo, 2023. Economic Ripple Effects Analysis of Cross-Laminated Timber Manufacturing in Japan. Forests 14(3):492, doi: 10.3390/f14030492.
- Marko, G., L. Bejo, and P. Takats. 2016. Cross-laminated timber made of Hungarian raw materials. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 123, p. 012059, doi: 10.1088/1757899X/123/1/012059.
- MSZ EN 310:1999; Fa alapanyagú lemezek. A hajlítószilárdság és a hajlítási rugalmassági tényező meghatározása. Magyar Szabványügyi Testület, Bp. 8 old.
- MSZ EN 408:2010+A1:2012. Faszerkezetek. Szerkezeti fa és rétegelt-ragasztott fa. Egyes fizikai és mechanikai tulajdonságok meghatározása. Magyar Szabványügyi Testület, Bp. 39 old.
- Németh J., Szabadhegyi, Gy., Kovácsvölgyi G. 2004. LVL (Laminated Veneer Lumber) típusú, furnér alapú, szerkezeti célú anyagok előállítása hazai kitermelésből származó nyár klónok alapanyagbázisán. Faipar 52(3):6-9
- Vilpponen, E., Komán Sz., Bejó L. 2014. Nemesnyárból készült LVL mechanikai tulajdonságainak javítása lombos fafajokból készült furnérrétegekkel, I. rész: Roncsolásmentes vizsgálat és a tulajdonságok modellezése. Faipar 62(1):24-30.
forrás: Alföldi Erdőkért Egyesület Kutatói Nap kiadvány, 2024
