Vývoj nových deskových materiálů s využitím druhotných a recyklovaných surovin

V rámci projektu Výzkum, vývoj a inovace v nábytkářském průmyslu – CZ.01.1.02/0.0/0.0/15_007/0003592 podprojekt b) Ekologizace výroby pracuje řešitelská skupina ve složení Klastr českých nábytkářů, družstvo, Textilní zkušební ústav, s. p., Výzkumný a vývojový ústav dřevařský, s. p., a výrobní družstvo Dřevojas na vývoji sendvičových a překližovaných desek efektivně využívajících druhotné jakosti materiálů v dýhárenském a textilním průmyslu.

Projekt si klade za cíl vyvinout nové deskové materiály z recyklovaných a druhotných surovin, které bude možné použít jako plnohodnotnou náhradu za stávající systémy především pro jejich očekávané dobré mechanické vlastnosti – pevnost, nízkou hmotnost a zvukově izolační vlastnosti v interiéru. Výsledkem projektu jsou dvě nově vyvinuté desky s rozdílnými vlastnostmi:

1)    deska se zlepšenými mechanickými vlastnostmi,
2)    deska se zlepšenými akustickými vlastnostmi (sendvičový panel).

Projekt se rovněž zaměřuje na snížení úniku VOC látek do prostředí, zvýšení efektivity nanášení nátěrových hmot a na zlepšení výsledné odolnosti povrchů proti bakteriím s využitím metody navalování nátěrových hmot.

Překližovaná deska se zlepšenými mechanickými vlastnostmi

Výsledkem návrhu a vývoje je nová překližovaná deska se zlepšenými mechanickými vlastnostmi, která se skládá z pěti vrstev dýhových listů druhotné jakosti a ze skelné tkaniny vložené mezi krajní a sousední vrstvu z obou stran desky. Takto navržená skladba má pozitivní vliv na zlepšení mechanických vlastností, a to konkrétně pevnosti v ohybu, která je pro tento druh výrobku podstatná. V rámci vývoje bylo třeba ověřit pevnost lepeného spoje za použití dostupných lepidel ve spojení se skelnou tkaninou tak, aby přilnavost těchto různorodých materiálů byla co nejlepší a vytvořila pevný, nerozebíratelný spoj. Z pohledu ověřování dosažených vlastností se primárně prováděla zkouška lepeného spoje pro nalezení optimálního lepidla, které bude mít výbornou přilnavost se skelnou tkaninou. Série laboratorního ověřování ukázala, že optimálním na trhu dostupným řešením pro účely projektu je použití disperzního lepidla PVAc a jednosložkového PU. Obě lepidla vykazují také snížení ekologické stopy výroby bez použití zvýšené teploty při lisování.

Výroba překližovaných desek probíhala ve dvou stupních. První stupeň se zaměřil na určení optimální gramáže a vazby skelné tkaniny v rozmezí 80–360 g/m² s ohledem na přilnavost lepidla. Hodnocení dosažených technických vlastností se provádělo na laboratorních vzorcích podle současně platných technických norem, především podle ČSN EN 310 Desky ze dřeva. Stanovení modulu pružnosti v ohybu a pevnosti v ohybu a ČSN EN 314 Překližované desky. Kvalita lepení. Výsledné hodnoty procentuálních změn jednotlivých vlastností variant se skelnými tkaninami ve srovnání s referenčním vzorkem bez vložení skelné tkaniny uvádíme v tabulce 1. Jako celkově nejlepší byla vybrána skelná tkanina K 163 g/m², která vykázala nejvyšší součet zlepšení za všechny sledované mechanické vlastnosti dohromady.

Tabulka 1 Výsledné hodnoty procentuálních změn – zkouška podle ČSN EN 310

Druhý stupeň vycházel z nejlepších dosažených variant v rámci výsledků laboratorních vzorů. Na výrobu v poloprovozních podmínkách se na základě ověřených vlastností použilo PU lepidlo a textilní tkanina s gramáží 163 g/m². Tyto vyrobené překližované desky byly opět hodnoceny z pohledu dosažených technických vlastností podle ČSN EN 310 a ČSN 314. Procentuální zlepšení nově vyvinuté překližované desky ve srovnání s referenčním vzorkem je uvedeno v tabulce 2.

Tabulka 2 Procentuální zlepšení překližované desky se zlepšenými mechanickými vlastnostmi ve srovnání s referenčním vzorkem

Na základě provedeného vývoje v oblasti využitelnosti druhotné jakosti materiálů v dýhárenském a textilním průmyslu pro oblast použití jako překližovaného deskového materiálu s textilním armováním provedeného v rámci projektu Výzkum, vývoj a inovace v nábytkářském průmyslu – CZ.01.1.02/0.0/0.0/15_007/0003592 podprojekt b) Ekologizace výroby lze konstatovat:

•    Vložením skelné tkaniny do obou krajních vrstev překližky při výrobě lze docílit zlepšení mechanických vlastností.
•    Výsledné hodnoty pevnosti a modulu pružnosti v ohybu se u jednotlivých vzorků lišily podle orientace desky při zatížení (podélná/příčná).
•    Nejvyššího zlepšení součtu zkoumaných mechanických vlastností bylo docíleno použitím skelné textilie s gramáží 163 g/m² tkané způsobem „plátno“.
•    Použití PU lepidla zajišťuje dostatečnou pevnost lepeného spoje ve všech vrstvách při zachování nízké ekologické stopy výroby bez použití zvýšené teploty při lisování.

Při srovnání s referenčním vzorkem bez skelné tkaniny vidíme, že u gramáže 80 g/m² tkané způsobem kepr a u obou variant gramáže 163 g/m² došlo u všech vlastností ke zlepšení všech zkoumaných mechanických vlastností. Zároveň je však z výsledků laboratorního měření patrné, že není možné stanovit jediný typ tkaniny, který by ve všech ohledech nejvíce zlepšil všechny stanovené vlastnosti. Bylo proto nutné vybrat takovou tkaninu, která vykáže nejvyšší součet zlepšení za všechny sledované mechanické vlastnosti dohromady. Touto optikou se jako celkově nejlepší jeví varianta 163 g/m² tkaná způsobem kepr.

Deska se zlepšenými akustickými vlastnostmi (sendvičový panel)

Zaměření projektu na vývoj sendvičového panelu se zlepšenými akustickými vlastnostmi z překližované desky s vnitřním armováním skelnou tkaninou vedl k myšlence využitelnosti druhotné textilní suroviny, která vzniká recyklací například starých oděvů, bytového textilu, čalounění nebo odpadu v textilních podnicích. Tyto materiálové zdroje a novodobé technologie umožnily výrobu sendvičového materiálu, jehož vnější část s mechanickou funkcí sestává z nosné překližované desky se zlepšenými mechanickými vlastnostmi, kdy přední část je perforována kruhovými otvory, které slouží ke zlepšení absorpce zvukového vlnění jádrem. Akustické vlastnosti desky zajišťuje vnitřní část, účinné jádro z netkané textilie. Nosný (zadní vnější) deskový materiál se může lišit podle požadavků na jeho pevnost, stabilitu, odolnost proti hoření či další charakteristiky.

Stejně jako v případě desky se zlepšenými mechanickými vlastnostmi bylo také zde třeba nalézt optimální lepidlo, které bude mít vhodnou přilnavost při pojení dřeva a netkané textilie ve formě slisované desky. Na základě laboratorních vzorků a jejich následného vyhodnocení bylo vybráno jednosložkové PU lepidlo, které prokázalo nejlepší schopnost lepení netkané textilie a dřevěného povrchu překližky.

Pro úspěch z hlediska zlepšení akustických vlastností byl dalším důležitým krokem nalezení optimálního materiálového složení netkané textilie a její hustoty. Pro účely projektu a s přihlédnutím k dostupnosti na trhu byly zvoleny dvě varianty netkané textilie s odlišným materiálovým složením a hustotou. Tyto materiály se v rámci laboratorních vzorků hodnotily z pohledu zvukové pohltivosti s perforací 0 %, 9 % a 20 % (vztaženo na plochu desky).

Tabulka 3 Parametry netkané textilie

Zvukovou pohltivost, tedy schopnost pohlcovat dopadající zvuk, uvádíme pro oba materiály jednotlivých netkaných textilií v tabulce 4. Netkaná textilie s gramáží 2400 g/m² vykazuje vyšší vážený součinitel zvukové pohltivosti, ať už je přední část vnější strany desky opatřena perforací 0 %, 9 % nebo 20 %. Tato netkaná textilie má bezesporu lepší vlastnosti, avšak z pohledu dostupnosti, a hlavně možné opakovatelné recyklovatelnosti upřednostňujeme netkanou textilii z PES s gramáží 2000 g/m². Její materiálové složení, 100 % PES, znamená jednodušší recyklovatelnost tohoto materiálově homogenního jádra ve srovnání s prvně zmíněnou netkanou textilií, jež se skládá z PES, bavlny a bikomponentních vláken (BICO).

Tabulka 4 Vážený činitel zvukové pohltivosti netkaných textilií při různém podílu perforace povrchové desky, zkouška podle ČSN ISO 10534-1

Druhá etapa vývoje se u vybraného typu netkané textilie zaměřila na další velmi důležitý parametr, jímž je podíl perforace. Pro naše účely byla volena perforace 0 %, 15 %, 30 % a 100 %.

Základní akustické vlastnosti vyrobeného sendvičového panelu byly ověřovány podle technické normy ČSN EN ISO 11654 Akustika – Absorbéry zvuku používané v budovách – Hodnocení zvukové pohltivosti (viz tabulka č. 6). Různé varianty perforace se porovnávaly zejména podle normy ČSN EN ISO 10140-2 Akustika – Laboratorní měření zvukové izolace stavebních konstrukcí – Část 2: Měření vzduchové neprůzvučnosti (viz tabulka č. 5).

Tabulka 5 Vážená laboratorní vzduchová neprůzvučnost R_w podle ČSN EN ISO 10140-2

Tabulka 6 Vážený koeficient zvukové pohltivosti α_w podle ČSN EN ISO 11654

Nejvhodnější řešení bylo vybráno podle sumy zlepšení v jednotlivých vlastnostech a také podle průběhu akustického účinku při různých frekvencích. Vážená laboratorní vzduchová neprůzvučnost podle ČSN EN ISO 10140-2 byla nejlepší u perforace 15 % a dále 30 %. Naopak tomu je u váženého koeficientu zvukové pohltivosti αw podle ČSN EN ISO 11654, kde nacházíme nejlepší výsledek u perforace 30 % a 15 %. Naměřený výsledek v obou případech odpovídá klasifikační třídě normy ČSN EN ISO 11654 jako D – pohltivý. Obecně lze říci, že zvuková pohltivost se zlepšila vůči tabulkové hodnotě u všech vzorků z málo pohltivé (E) na pohltivé (D). Pro srovnání uveďme, že například dřevotřísková deska je klasifikována třídou E – málo pohltivá.

Na základě provedeného vývoje v oblasti využitelnosti druhotné suroviny a recyklovaných materiálů v textilním průmyslu pro oblast použití jako sendvičového panelu s textilní výplní provedeného v rámci projektu Výzkum, vývoj a inovace v nábytkářském průmyslu – CZ.01.1.02/0.0/0.0/15_007/0003592 podprojekt b) Ekologizace výroby lze konstatovat:

•    Vyšší plocha perforace nepřináší vždy lepší hodnoty zvukové pohltivosti nebo neprůzvučnosti, naopak je nutno použít vhodný poměr perforace pro dosažení nejlepšího výsledku.
•    Nejvyšší hodnota váženého koeficientu zvukové pohltivosti podle ČSN EN ISO 11654 byla naměřena při perforaci 15 % a 30 % plochy.
•    Zvuková pohltivost podle ČSN EN ISO 11654 se zlepšila vůči tabulkové hodnotě u všech vzorků z málo pohltivé (E) na pohltivé (D).
•    Nejvyšší hodnota neprůzvučnosti podle ČSN EN ISO 10140-2 byla naměřena u varianty s 15% perforací povrchové překližky. Ačkoliv vykazovala o 1 dB horší hodnotu vážené laboratorní vzduchové neprůzvučnosti oproti variantě s 30% perforací plochy, měla příznivější průběh hodnot při různých frekvencích.

Možnosti praktického využití nově vyvinutých materiálů

Překližovaná deska s textilním armováním
•    Vzhledem ke svým vlastnostem jde o adekvátní náhradu konstrukčních deskových materiálů určených do suchého prostředí, jako jsou zejména OSB deska a překližka.
•    Můžeme mluvit o stavebním a konstrukčním deskovém materiálu o stejné hmotnosti a vyšší pevnosti, nebo o stejné pevnosti a nižší hmotnosti ve srovnání s běžnou produkcí.
•    Snížením množství použitého dřeva na výrobu lze dosáhnout úspory nákladů na dopravu a skladování a také nižší hmotnosti výsledného výrobku.
•    Inovací došlo ke zlepšení mechanických vlastností původního materiálu (běžná překližka), a to za využití odpadního nebo druhotného materiálu při výrobě (dýhy nízké kvality a nedostatečných rozměrů).

Sendvičový panel
•    Tento výrobek je možné definovat jako akustický dělicí a obkladový deskový materiál pro akustickou izolaci a absorpci zvuku v interiéru.
•    Je zde možnost využít široké množství nosného deskového materiálu podle požadavků na jeho pevnost a případné konstrukční nároky.
•    Povrch desky má široké možnosti estetického uplatnění i při současném dodržení procentuální perforace pro udržení požadovaných akustických vlastností.
•    Výhodu představuje možnost zlepšení akustických vlastností daného prostoru použitím materiálu, který má zároveň konstrukční pevnost, a to vše při využití odpadního nebo druhotného materiálu (netkané textilie z recyklovaných vláken).

Překližovaná deska s textilním armováním a sendvičový panel je navržen tak, aby jejich výroba byla možná na běžně dostupných technologií včetně dodatečného obrábění – odpadají tím investiční náklady na speciální technologii a úpravu stávající infrastruktury.

Autori: Ing. Vítězslav Gaja, Ph.D., Ing. Alena Capíková, Ing. Matěj Švehlík
Textilní zkušební ústav, s.p. v Brně
Kontakty: gaja@tzu.cz, capikova@tzu.cz
Foto: archiv autorů