”Kemin i skidvalla”. Hämtat från kemilärarnas resurscentrum.

Att presentera skidvallans kemi låter sig inte göras så lätt. Ingen av de tillverkare KRC varit i kontakt med vill av konkurrensskäl yppa några hemligheter. Så fort man närmar sig intressanta frågeställningar tystnar det i andra änden av telefontråden… Efter idogt snokande kan vi dock presentera något av den kemiska bakgrunden till hur man konstruerar valla. Till stor del handlar dock vallning om fysikaliska egenskaper – men (som så många gånger) behövs det kemister för att tillverka ingredienserna och skapa den rätta blandningen…

Lite historia…

1673 skrev Johannes Scheffer i Argentoratensis Lapponiae att man bör belägga sina skidor med beck och harts. Det är kanske det första skriftliga omnämnandet av skidvalla. När Fridtjof Nansen i slutet av 1800-talet färdades på skidor över Grönlands isar använde han skidor med renhud på undersidan. Hudarna vändes med håren bakåt, vilket förhindrade att skidorna blev bakhala (tills hudarna blev infrusna i is…).

I slutet av 1860-talet började man tävla i backhoppning. Av naturliga skäl uppstod då behovet av skidvalla – för vem vågar åka nerför en backhoppningsbacke om man riskerar att tappa fart pga av dåligt före?! I slutet av 1800-talet fanns ett flertal personer som tillverkade egna specialvallor. Huvudingrediensen var alltid tjära, med varierande inblandning av kåda, stearin, linolja, talg, vaselin, grafit, salt, bivax, mm. Vallorna användes vid både utförs- och längdåkning för att ge skidorna ett bättre glid. Kunskapen om hur man vallar skidor vilade dock på empirisk grund. Ännu hade ingen gjort några försök till systematiska och vetenskapliga studier av hur vallning bör gå till.

Vallning blir vetenskap

Det blev Astra som 1942 tog sig an uppgiften att göra de första vetenskapliga studierna av skidvalla. På 40-talet övergick man i läkemedelsindustrin från utvinning av substanser ur naturprodukter till syntetiskt framställda föreningar. Tiden var därför mogen att överge de gamla tjärvallorna till förmån för renare och bättre definierade ingredienser. Man anställde den legendariske svenske skidåkaren Martin Matsbo, som genomförde tusentals tester av olika ingredienser, nu med petrokemiska produkter som bas.

Forskningen resulterade 1946 i lanseringen av Swix skidvalla, som tillverkades i tre olika färger för olika temperaturer. Tidigare hade alla vallor varit svarta, och de ”konstgjorda färgvallorna” mottogs till en början med stor skepsis. Men tack vare svenskarnas stora segrar i OS i St. Moritz 1948 fick den nya tidens valla sitt genombrott.

Skidvallans funktion

Den absolut viktigaste funktionen för en skidvalla är att ge ett bra glid och, vid klassisk längdåkning, bra fäste. Bra glid erhålls genom att ytan är tillräckligt slät (vilket minskar friktionen), tillräckligt hydrofob (vilket motverkar vidhäftning och nedisning), tillräckligt hård (så att snökristallerna inte kan tränga in i vallan) och tillräckligt smutsavvisande. Ytans struktur är också viktig, särskilt vid blött före.

Vid längdskidåkning med fristil vallas hela skidan enbart med glidvalla. Vid klassisk stil använder man även fästvalla under mitten av skidan. Bra fäste får man om vallan är så mjuk att snökristallerna kan tränga in i vallan under den tiondels sekund då skidan pressas mot snön när man skjuter ifrån. Men vallan får inte vara så mjuk att kristallerna inte lossnar när skidan förs framåt (se fig 1). Dessutom måste fästvallan vara plastisk (så att den snabbt återtar sin släta yta) och slitstark (så att den sitter kvar under hela tävlingen).

Ett bra fäste beror i stor utsträckning på skidans spann. Spannet är upphöjningen på skidans mitt, som gör att skidan under foten inte kommer i kontakt med snön när man står stilla på skidan (i utförsbacke eller vid stakning). Fästvallan påförs ungefär från hälen och framåt. Hur långt fästvallan skall appliceras beror på hur långt och högt spannet är, hur hård skidan är och hur hårt åkaren orkar trycka ner skidan.

Snö är inte bara snö…

Vid en ytlig betraktelse kan man kanske tycka att snö är ett homogent underlag. Tittar man närmre på snökristallerna märker man att snö kan se mycket olika ut. International Commission on Snow and Ice har utarbetat ett klassifikationssystem för snökristaller (se figur 2) , men det finns flera andra¹.

A

Figur 2. Klassificering av snökristaller ¹.

tt ”snö inte bara är snö” märks inte minst i de språk som talas av folk i snörika områden. Samiskan² har t ex mer än hundra ord för att beskriva snön. Orden beskriver snömängden, snöns konsistens, dess bärighet, snöytan, olika slags skid- och slädföre, det orörda snötäcket, spår av olika slag, rimfrost och snö på buskar och träd, men även också barmarksfläckar, snösmältning och snöfläckar på sommaren.

Ur ett kemiskt perspektiv kan man säga att nysnö består av vassa och spetsiga kristaller. Dessa kristaller är inte termodynamiskt stabila (kvoten yta/volym är stor) och kommer därför gradvis att omvandlas till mer runda former via gasfas. Denna omvandling går långsammare ju kallare det är. En glidvalla för nysnö måste därför vara hård för att motstå inträngning, medan en glidvalla för kornig snö är mjukare. Vid låga temperaturer måste man också ha hård valla, eftersom snökristallerna då är hårda.

Den största utmaning en vallningstekniker kan ställas inför är att välja fästvalla vid nysnö och temperaturer precis kring 0 C. Nysnön kräver hård fästvalla samtidigt som den gamla, mjuka och rundkorniga snön kräver en mjuk valla för att få fäste. Vid denna temperatur ger ytterst små temperaturförändringar stora förändringar i iskristallernas struktur. Bara några tiondels graders temperatursänkning kan göra kristallerna så hårda att de kräver en flera gånger hårdare valla. Det är under denna typ av förhållanden som man i svarta rubriker har kunnat läsa att skidåkare ”vallat bort sig”.

I förbigående kan nämnas att omvandlingen av snökristallerna från spetsiga till runda former är en av orsakerna till laviner. Jordvärmen som avges från marken isoleras av snötäcket, vilket gör att det kan bli relativt varmt närmast marken. När snön närmast marken blir kornig istället för spetsig lossnar hela snötäcket och rasar nerför branta bergspartier.

Vallning och friktion

Glidvallans viktigaste uppgift är att skapa låg friktion. Den viktigaste förklaringen till att skidor glider lättare på snö än på t ex sand är de mikroskopiska mängder flytande vatten som bildas av friktionsvärmen. Detta vatten fungerar som smörjning mellan skidan och snön. Vid lägre temperaturer bildas mindre vatten, vilket försämrar glidet. Det bästa glidet har man vid -4 C. Vid lägre temperaturer ökar friktionen och är vid ca -80 C lika stor som för sand.

Olika typer av snö ger också stora skillnader i friktion. Gammal, grovkornig snö ger ungefär hälften så stor friktion som nysnö. Friktionen kan även vara hastighetsberoende. På nysnö ökar friktionen vid ökad hastighet, medan friktionen mot gammal snö inte varierar med hastigheten.

Vatten fungerar således som smörjmedel vid skidåkning. Men vattnet kan även ställa till problem. Ju mer vatten som finns mellan snön och skidan, desto mer märkbar blir vidhäftningen mellan vattnet och skidan. Man talar om ”sugföre”. För att motverka detta måste vallan vara hydrofob och ha ett mönster som skapar luftfickor som kan bryta vattenhinnan. En viktig del av vallningen är därför att skapa detta speciella mönster, genom att slipa ytan (vilket också är en halv vetenskap…).

Vid blöta och isiga fören måste man ibland använda klistervallor som fästvalla, som är mjukare än vanliga vallor, men som håller längre. För att vallan skall fästa bra på skidan använder man ofta en grundvalla, som fäster extra bra på skidans plastyta. Den får dock inte fästa så hårt att den inte går att ta bort…

Ingredienser i skidvalla

Att tillverka universalvalla som ger glid resp. fäste vid alla typer av före har länge varit en dröm. I så fall måste man hitta en blandning som;

• förändrar hårdhet när snötemperaturen förändras (speciellt känslig måste den vara vid temperaturer kring noll, se nedan)

• förändrar hårdhet när snökristallernas struktur ändras.

Att hitta en valla som har egenskaper som punkt 1 är inte så svårt, men att samtidigt uppfylla punkt 2 ter sig, med idag kända ingredienser, som omöjligt.

När man skall välja valla måste man ta hänsyn till flera faktorer:

• Vid minusgrader i luften : snöstrukturen och snötemperaturen.

• Vid plusgrader i luften : snöstrukturen, snöns vatteninnehåll och luftfuktigheten.

För att vallan ska få önskade egenskaper (hårdhet, hydrofobitet, elasticitet, hållfasthet, friktionskoefficient, osv) tillverkas vallan bl a av följande ingredienser:

• Paraffiner

• Mikrokristallina vaxer

• Syntetiska vaxer

• Hartser (i klistervallor)

• Fluorokarboner

Paraffinerna består av ogrenade kolvätekedjor (C₂₀ – C₃₅) med smältpunkter mellan 46 och 62 C, utvunna genom destillation av olja.

Vaxer³ är en grupp ämnen som skiljer sig från fetter genom att vara hårdare, skörare och mindre kladdiga. Det finns både animaliska, vegetabiliska och syntetiska vaxer, samt vaxer som utvinns ur olja. De animaliska och vegetabiliska vaxerna består mestadels av estrar med högre molmassa än fetter. Alkoholdelen är inte glycerol, som i fett, utan är antingen är en sterol eller en fettalkohol med mer än 12 kol. I industriella tillämpningar används nästan uteslutande petroleumvaxer, som delas in i två grupper; paraffinvaxer och mikrokristallina vaxer. Paraffinvaxer består av ogrenade, mättade kolvätekedjor (C₂₅ – C₅₀) som utvinns t ex genom utkylning ur dieseloljor. Mikrokristallina vaxer skiljer sig från paraffinvaxer genom att de bildar mindre och mer oregelbundna kristaller, har högre smältpunkt (63 – 92 C) och viskositet och är hårdare. De används mest i medicinska och kosmetiska tillämpningar, men även i skidvalla. Microkristallina vaxer utvinns ur tyngre petroleumfraktioner än paraffinvaxer.

Syntetiska vaxer kan tillverkas på olika sätt. Antingen genom polymerisation av eten till lagom långa och grenade polyetenmolekyler⁴ (C_100- ) eller genom den sk. Fischer-Tropsch-processen (FT-vax). FT-processen utvecklades i Tyskland på 1940-talet, för att tillverka kolvätebränslen. Av kol och vatten tillverkas först syntesgas⁵ (blandning av kolmonoxid och vätgas), enligt formeln: C + H₂O  CO + H₂.

Sedan får kolmonoxiden reagera med ett överskott av vätgas på en katalysator av järnoxid och bilda kolvätekedjor av olika längd enligt formeln: n CO + (2n+1) H₂  C_nH_2n+2 + n H₂O.

Paraffinerna och vaxerna utgör stommen i all skidvalla. Hur de blandas beror på hur hård valla man önskar få. Mer vax ger hårdare valla. Vid tillverkning av klister använder man istället olika syntetiska hartser. Harts definieras som naturliga eller syntetiska ämnen som består av ickekristallina och viskösa föreningar. Idag används uteslutande syntetiska hartser. Fluorokarboner tillsätts för att göra vallan mer hydrofob.

Fluorokarboner har på senare år börjat användas i stor utsträckning. Det beror på deras mycket låga friktionskoefficienter. (Jämför t ex med teflon som har den lägsta friktionen av alla idag kända ämnen. teflon har två fluor på varje kolatom.) Teflon är inert och blandar sig inte med paraffiner och vaxer. Man måste därför använda fluorokarboner med lägre fluorhalt (men KRC har talat med någon tillverkare som säger sig använda teflonpulver i sin valla…).

Fluorokarboner kan tillverkas på flera olika sätt, t ex genom direkt fluorering av paraffiner med fluorgas, vilket dock är en svårhanterlig process. Istället tillverkas fluororganiska föreningar ofta genom elektrolys av kolföreningar i vattenfri vätefluorid. En tillverkare anger Wurtz-reaktion som ett steg i sin produktion. Den innebär hopkoppling av två kolkedjor (i detta fall fluorerade kolkedjor) genom reaktion med metalliskt natrium. Möjligen⁶ kan man på detta sätt skapa längre fluorokarbonmolekyler eller förena en fluorokarbon med en paraffin. Ju högre fluorhalt, desto mer vattenavvisande är de – och dyrare. En liten burk kan kosta nästan 1000 kr!!!

Tillsatser och annat ”hokus pokus”

Utöver ovanstående tillsätts olika ämnen för att öka vallans prestanda, men också som försäljningsargument, en inte helt obetydlig faktor. Många tillverkare tillsätter t ex grafit och vissa av dem hävdar att det ger högre värmeledningsförmåga (vilket gör att snön inte smälter lika lätt – bra vid temperaturer nära noll), minskar den statiska elektriciteten (vilket skulle göra att mindre smuts attraheras till skidan) och fungerar som smörjmedel (grafit kan ju smörja åtminstone fasta kroppar…). Att dessa egenskaper fungerar i skidvalla har dock inte kunnat bevisas vetenskapligt. Av produktnamn som ”black magic” kan man kanske dra slutsatsen att vallaindustrin ibland använder sig av hokus-pokus-metoden.

Skidvallning är ju också mer empirisk än deduktiv till sin natur, eftersom det i verkligheten inte går att kontrollera alla de faktorer som påverkar glidet under skidan. Inför stora lopp använder landslagen provåkare som kör banan på skidor som vallats på olika sätt. På så sätt tar man reda på hur man bör valla bäst just denna dag – men man måste ta hänsyn till hur förhållandena kommer förändras under de närmaste timmarna.

Dessutom skall man hålla i minnet att vallan inte betyder allt. Först och främst beror resultatet naturligtvis på skidlöparens kondition och åkstil. Men utrustningen gör sitt till. Enligt en svensk, stor skidåkare beror 60% på bra skidor, 20% på bra valla och 20% på vilken ytstruktur vallan har.

För praktiska instruktioner om vallningsteknik hänvisar vi till litteratur på området – KRC utger sig inte för att vara expert! Man behöver inte vara elitåkare för att uppleva att en bra vallning ökar nöjet…

På nästa sida hittar du några experimentförslag…

Referenser

[1] Jakob Vaage, Skismøringens historie, Swix Sport International, 1977

[2] Telefonsamtal med anonyma kemister hos flera tillverkare.

[3] Material från div. vallaproducenter⁷.

[4] Instruktionshäften från Svenska Skidförbundet

• Grundläggande utrustning och vallning, CeWe-förlaget⁸, 1996

• Valla för glid och fäste, CeWe-förlagetError: Reference source not found, 1996

• Valla rätt med Magnar, CeWe-förlagetError: Reference source not found, 1991

Förslag på laborationer om valla

Naturligtvis finns det inget bättre än att pröva vallans funktion i verkligheten. Testa att åka skidor på en ovallad och en vallad skida och upplev skillnaden. Vid nysnö, blött före eller vid mycket låg temperatur torde man ha störst problem med glidet. Testa även att skapa fäste med olika typer av fästvalla. Om man använder en fästvalla för grovkornig snö och temperatur kring noll (dvs en mjuk fästvalla) vid nysnö och köldgrader, borde snön fastna under skidorna. Om man gör tvärtom (använder fästvalla för nysnö och köldgrader vid temp. kring noll) borde man inte få något fäste alls.

Saknar man snö kan man göra laboratorieförsök. Vi ger här inga fullständiga laborationsbeskrivningar, utan snarare labidéer.

• Testa vallans hydrofobitet. När vallatillverkare mäter hur hydrofob vallan är smälter de ut ett tunt lager valla i botten av en kristallisationsskål och mäter hur mycket vatten man behöver tillsätta för att täcka hela botten. Eftersom det är svårt att få bort vallan från glaset, föreslår vi att man istället använder plastmuggar. Smält ut en klick valla i botten av en plastmugg i vattenbad. (Valla för blötföre har ofta låg smältpunkt och är mycket hydrofob.) Använd byrett eller graderade pipetter och jämför hur mycket vatten som behövs för att täcka botten av en ”ovallad” och en ”vallad” plastmugg (mer vatten i den vallade muggen). Som ytterligare försök skulle man kunna använda ett lösningsmedel (t ex cyklohexan) och jämföra hur mycket som behövs för att täcka botten. (Mindre antal droppar cyklohexan i den vallade muggen. Det är dock svårare att avgöra antalet droppar eftersom cyklohexan har lägre ytspänning och flyter ut.) Man skulle även kunna testa skillnaden mellan en vanlig paraffinvalla och en fluorokarbonvalla. Låt eleverna komma med hypoteser före försöket!

• Testa vallans hårdhet. Det enklaste sättet att testa vallans hårdhet torde vara att trycka i vallan med en spik. Eftersom hårdheten varierar stort är det ganska lätt att känna skillnad. En mer vetenskaplig metod skulle kunna vara att ställa uppochnedvända vallaburkar på en spikspets och mäta hur långt spiken tränger in på en viss tid. Om man först diskuterar lite grundteori med eleverna (om snöns hårdhet och glid- resp. fästvallans funktion) borde eleverna själva kunna dra slutsatser. Köp några olika sorters valla och täck för burkens sidor så att det inte framgår vilken sort det är. Alternativt kan man smälta ner vallan i olika provrör. Låt eleverna fundera ut vilken som är vilken av följande kombinationer:

• Glidvalla för blötföre (mjuk) vs. glidvalla för köldgrader (hård)

• Glidvalla för nysnö (hård) vs. glidvalla för kornig snö (mjuk) för samma temperatur

• Fästvalla (mjuk) vs glidvalla (hård) för samma temperatur.

1 Se http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/class/class.htm

2 Se http://www.sametinget.se/sapmi/sprak.html

3 På KRC:s hemsida finns länkar till fördjupad läsning om vaxer under rubriken Kemiklipp -> Kemin i skidvalla.

4 Jmf polyetentillverkning. Se KRC:s material Från Raff till Rengöring.

5 Jmf syntesgastillverkning i Stenungsund i KRC:s material Från Raff till Rengöring.

6 Eftersom tillverkarna är så förtegna nödgas vi spekulera lite grann…

7 Div skid- och vallalänkar finns på KRC:s hemsida http://www.krc.su.se/frameset.asp?sida=/kemiklipp/valla.asp