Strength-related properties of two wood adhesive systems at different temperatures : a methodological study using dynamic mechanical analysis (DMA)

Bruken av limtre og krysslimt tre i byggebransjen har auka betydeleg i seinare tid. Dette har opna opp for nye konstruksjonsmoglegheiter, mykje på grunn av treet si høge styrke i forhold til eigenvekt. Det byggjast stadig lengre spenn og høgare konstruksjonar, og Noreg har i dag fleire verdsleiande byggjeprosjekt i limtre og krysslimt tre. Samstundes som bruken av limtre og krysslimt tre aukar, aukar også viktigheita av å kunne analysere og kontrollere eigenskapane til desse konstruksjonane ved ulike temperaturar. Forsking viser at dei styrkerelaterte eigenskapane til materialet vil variere ved ulike temperaturar. Det er derfor naudsynt å ha god innsikt i både treet og limet sine termiske eigenskapar for å kunne føreseie korleis konstruksjonen vil reagere i ein brannsituasjon. I denne oppgåva har det største fokuset vore på limet som vert brukt i dagens limtrekonstruksjonar. Det har vorte utført målingar for å kunne analysere dei termiske eigenskapane til dei to limtypane melamin-urea-formaldehyd (MUF) og polyuretan (PUR) ved bruk av dynamisk mekanisk analyse (DMA) ved NIBIO på Ås. Gjennom metodeutvikling ved tre ulike metodar, vart det funne ein som gjer det mogleg å analysere dei viskoelastiske og termiske eigenskapane til limet mellom to overlappskomponentar av gran. Metode 3 var den mest eigna av dei tre metodane, og resultata frå denne er derfor vekta høgst i konklusjonen i denne oppgåva. Det har vorte prøvd ut to ulike overlapp på 3 millimeter og 5 millimeter. Her har resultata vist at materialstivheita aukar med auka limareal. Prøveobjekt har vorte produsert og påført dynamiske pulserande krefter i DMA. Desse kreftene har resultert i skjerspenningar i limfuga i prøveobjektet, som vidare har gjeve resultat og faktorar som har gjeve grunnlag for å kunne analysere styrkeeigenskapar og skilnadar i dei to limtypane på eit detaljert nivå mellom 30 °C og 240 °C. Resultat frå målingane i denne oppgåva har vist at MUF-limet som er brukt her er betydeleg meir termisk stabilt enn PUR-limet. MUF beheldt store delar av si stivheit gjennom det valte temperaturområdet, medan stivheita til PUR vart sterkt redusert. Årsaka til desse skilnadane vert i oppgåva anteke å vere eit resultat av at MUF har høgare grad av sterk tverrbinding i molekylstrukturen enn PUR. Forsking har vist til liknande resultat ved testing av MUF- og PUR-lim. Ved standard branntesting av limtre viser resultata at PUR-lim smeltar og gir stor grad av delaminering og auka forkolingshastighet, medan MUF-lim ikkje smeltar og gir liten til ingen grad av delaminering. Sjølvsløkking er også erfart ved bruk av MUF-lim. Samla viser resultat frå målingar og forskingslitteratur at val av lim har betydning for kor lenge limtrekonstruksjonar kan tilfredsstille påkravd bereevne og stabilitet i ein brannsituasjon (R-tid). Denne tida bør verte kortare enn vanleg innbrenningstid tilseier som følgje av at limet smeltar.The use of glued laminated timber (glulam) and cross-laminated timber (CLT) in the construction industry has increased significantliy over the last years. This has resulted in new opportunities for construction, largely because of the high strength of wood compared to its weight. The spans are getting longer and the hights of constructions are getting higher. Today, Norway has some of the world-leading construction projects in glulam and CLT. While the use of glulam and cross-laminated timber increases, the importance of knowledge about how to analyse and control the properties of these constructions at different temperatures increases as well. Research shows that the strength-related properties of the material will vary at different temperatures. Therefore it is essential to have knowledge about the thermal properties of both the wood and adhesive, in order to predict how the contruction will react in a fire situation. The biggest focus for this thesis is on the adhesive that is used in today’s glulam constructions. Measurements have been made to analyse the thermal properties of the two adhesive systems melamine-urea-formaldehyde (MUF) and polyurethane (PUR) using dynamic mechanical analysis (DMA) at NIBIO at Ås. Through methodological study with three different methods, it was found one that makes it possible to analyze the viscoelastic and thermal properties of the glue between two overlap components of spruce. The third method turned out to be the most suitable of the three methods, and the results from this method are therefore weighted the most in the conclusions of this thesis. Two different overlaps of 3 millimeters and 5 millimeters have been tried out. The results have shown that the stiffness of the material increases with increasing adhesive area. Samples have been produced and applied to dynamic oscillating forces in the DMA. These have resulted in shear stresses in the adhesive layer of the samples, which gave results that can be used to analyze the strength-related properties and differences in the two adhesive systems in detail between 30 °C and 240 °C. The results have shown that the used MUF adhesive is consideably more thermally stable than the PUR adhesive. MUF retained much of its stiffness through the selected temperature range, while the stiffness of PUR was greatly reduced. The reason for these differences is assumed to be a result of the fact that MUF has a higher degree of strong cross-linking in the molecular structure than PUR. Research has shown similar results for MUF and PUR adhesives. In standard fire tests of glulam, the results show that PUR melts and gives a high degree of delamination and increased charring rate, while MUF does not melt and give little or no degree of delamination. Self extinguishing has also been experienced for glulam with MUF. The overall results shows that the choice of adhesive is important for how long glulam can obtain the required carrying ability and stability in a fire situation. This should be shorter than the normal charring rate estimates due to the melting of adhesives.M-B