Biotuotteiden ja biotekniikan laitos

Puumateriaalitiede

Professori Lauri Rautkarin johtaman tutkimusryhmän tavoitteena on kehittää uudenlaisia, ominaisuuksiltaan parempia ja ekologisesti kestäviä puutuotteita. Ryhmän tutkimusaiheisiin kuuluvat mm. lämpökäsittely- ja muiden modifiointimenetelmien kehittäminen, puumateriaalien ominaisuuksien parantaminen, mikrobiologiset sovellukset sekä puun rakenneosien kemiallisen koostumuksen tutkiminen.

Tutkimusaiheitamme

Puussa on polaarisia funktionaalisia ryhmiä, jotka vetävät vesimolekyylejä puoleensa ympäristöstään. Puuhun sitoutunut vesi vaikuttaa merkittävästi puumateriaalin ominaisuuksiin (lujuus, jäykkyys, mittapysyvyys, lahonkesto). Parempi ymmärrys puun ja veden vuorovaikutuksesta auttaa parantamaan puumateriaalin suorituskykyä rakennetussa ympäristössä
Ryhmämme tutkii miten puu vuorovaikuttaa vesimolekyylien kanssa eri olosuhteissa. Olemme kehittäneet menetelmiä vuorovaikutuksen tutkimiseen sorptiovaakalaitteistoilla. Perinteisten vesi-sorptiomittausten lisäksi olemme erikoistuneet hydroksyyliryhmien saavutettavuusmittaukseen deuterium-vaihtomenetelmällä. Tutkimme myös miten kosteuspitoisuus vaikuttaa soluseinän rakenteen muutoksiin mikro- ja nanotasolla uusimmilla Raman-kuvantamis- sekä röntgenhajontatekniikoilla.

Luonnollisena materiaalina puu, kuten myös muut selluloosapohjaiset biomateriaalit, ovat kemiallisesti heterogeenisiä. Ryhmämme analysoi kemiallista vaihtelevuutta makrotasolla (muutama millimetri tai enemmän) ja mikro- sekä solutasolla (muutama mikrometri tai vähemmän). Analyysiä tehdään yhdistämällä erilaisia kuvantamismenetelmiä, kuten konfokaalinen laserkeilaus, konfokaalinen Raman-kuvaus ja hyperspektrinen lähi-infrapunakuvaus. Yhdistämme myös kemiometriaan pohjautuvaa moniulotteista data-analyysiä, joka hyödyntää koko spektrialuetta kemiallisten eroavaisuuksien mittaamiseksi.
Olemme hyödyntäneet näitä menetelmiä useissa tutkimusaiheissa, kuten uuteaineiden jakautuminen männyn sydänpuussa tai asetylointikäsittelyn tehokkuus puun eri rakenneosissa.

Paikalliset puulajimme eivät yleensä sellaisenaan ole erityisen lahonkestäviä haastavissa ulkokäyttökohteissa ja biosidien käyttö puunsuoja-aineina on ympäristön näkökulmasta haastavaa. Vaihtoehtona puuta voidaan modifioida lämpökäsittelemällä, kemiallisesti tai muilla ympäristöystävällisillä menetelmillä. Modifioidulla puulla on parempi mittapysyvyys ja lahonkesto ja se on myrkytöntä elinkaarensa loppuun ja sen yli.
Tutkimusaiheinamme on erilaiset modifiointimenetelmät lämpökäsittelystä, tiheyden kasvattamiseen puristamalla ja kemiallisesta ja impregnointikäsittelystä pintakäsittelyihin, kuten hiiltämiseen ja biofilmi-pinnoitteisiin. Tutkimme käsittelyiden perustavanlaatuisia vaikutustapoja tehokkaimman vaikutuksen saavuttamiseksi paikallisille puulajeille. Laboratorioissamme on laaja valikoima menetelmiä anatomisten ja kemiallisten muutoksen havaitsemiseksi soluseinätasolla sekä puun ominaisuuksissa.

Kestävästi hoidetussa metsässä kasvanut puu on erinomainen rakennusmateriaali sen painoon suhteutetun korkean lujuuden sekä hiilivarasto-ominaisuuden vuoksi. Puutuotteita on tarjolla laajasti erilaisilla ominaisuuksilla ja käyttökohteilla, kuten sahatavaratuotteet (esim. liimapuu, CLT), viilupohjaiset tuotteet (esim. vaneri ja viilupuu/Kerto-puu) sekä lastu- ja kuitupohjaiset tuotteet (esim. lastulevy, kuitulevy).
Ryhmämme tutkii puupohjaisten materiaalien ominaisuuksia ja käyttäytymistä, kuten uuteaineiden jakautumista ja niiden vaikutusta lahonkestoon, puupintojen antibakteerisuutta tai puun kosteuden vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin. Teemme yhteistyötä yritysten kanssa valmistusprosessien optimoimiseksi tai uusien prosessien kehittämiseksi puun tehokkaampaan käyttöön rakennetussa ympäristössä. Meillä on vahva osaaminen puun liimattavuuden analysointiin sekä puutuotteiden kehittämiseen uusiin käyttökohteisiin.

Sienirihmastokomposiittien käyttö rakennetussa ympäristössä on kasvava tutkimusalue niiden alhaisen hinnan takia sekä mahdollisuudesta käyttää kierrätettyjä raaka-aineita. Näissä komposiiteissa hyödynnetään sienirihmaston luonnollista kasvua alhaisen energian valmistusprosessina lisäten metsä- ja maatalousjätteiden sekä sivuvirtojen arvoa ja tuottaen kestävän kehityksen mukaisia vaihtoehtoja energiaintensiivisille synteettisille rakennusmateriaaleille.
Sienirihmastokomposiiteilla voi olla räätälöityjä ominaisuuksia niiden rakenteen ja valmistusprosessin mukaan. Niitä voi käyttää esimerkiksi rakennuskomponentteina tai pakkausmateriaaleina.

Microscopic image of wood piths — SEM-kuvassa puusoluseinän huokosia

Close-up of RAMAN imaging device, wood sample image at the background — Raman-kuvantamislaite

Thermally modified wood samples - Photo: Maija Kymäläinen — Lämpökäsiteltyjä puukappaleita

Wood veneer strips in a cup — Puuviiluja liimauskoestukseen

Different sized wood particles in glass bottles (Daniela Altgen) — Puujauheita

Videoita tutkimuksestamme

Esimerkiksi:

PerfectWood: Tutkimusprojekti kotimaisen puun ominaisuuksien parantamisesta, rahoittajana Business Finland + 7 yritystä (Aalto + VTT yhteisprojekti)
- 1.1.2024 → 31.12.2026
Waterwood: Mekaanisen rasituksen vaikutukset puun kosteudensitomiseen, rahoittajana Suomen Akatemia
- 1.9.2021 → 20.11.2025

Modification of wood veneer (EU/ERDF, 2016-2018)
Lasting wooden facades with surface charring - SurfaceMod (PintaMod; EU/ERDF, 2017-2018)
Colloidal lignin adhesives and coatings - COLIAD (Tekes 2016-2018)
Developing the ThermoWood process and products (EU/ERDF 2015-2017)

Puutieteen opetus

Opetuksemme aiheita ovat mm. puumateriaalitiede, puutuotteet ja valmistusprosessit sekä puutuotteiden elinkaariarviointi ja tarjoamme kursseja laajalle yleisölle, kuten Aallon eri alojen opiskelijoille, muiden koekakoulujen sekä Aallon Avoimen yliopiston opiskelijoille.

Lisätietoja kursseista ja opetuksesta täällä (ENG).

Oppimisen tueksi kehitämme jatkuvasti uusia opetusmateriaaleja sekä videoita, ks. esimerkkejä alla.

Täältä Youtube-kanavalta löytyy lisää videoita:

Aalto University - Wood Science