Hodnotenie požiarnych vlastností drevotrieskových dosiek s obsahom odpadových plastov z automobilov

Úvod

Drevo-plastové kompozity sú produktom, ktorý zohráva dôležitú úlohu vo svete výroby, konštrukcie a dizajnov. Najčastejšie sú drevoplastové kompozity vyrábane spojením drevnej hmoty a termoplastu, ako je polyetylén (PE), polypropylén (PP) a polyvinylchlorid (PVC) [1]. Výsledný produkt je povrchovo podobný prírodnému drevu, ale vnútorná štruktúra je vylepšená o zvýšenú tvrdosť, rezistenciu voči oderu, pevnosť v tlaku, ohybe a biologickú degradáciu [2]. Vďaka ich unikátnosti a odolnosti ponúkajú flexibilné možnosti pre inžinierov a dizajnérov. Kompozity sa často využívajú v priemysle, na výrobu lietadiel, pre priemyslové technológie, lodné stavby a ľahké konštrukcie. Drevo-plastové kompozity, ktoré sú výsledkom spojenia prírodných drevných vlákien a plastických materiálov, majú množstvo výhod v porovnaní s inými konvenčnými materiálmi a aj so samotnými drevnými kompozitmi. Drevo veľmi ľahko absorbuje vodu a vlhkosť, je ľahko napadnuteľné hubami, dokáže napúčať, a tým dochádza k jeho degradácii. Avšak v kombinácii s iným materiálom, napr. s gumou (drevo-guma kompozity) dosiahne oveľa lepšie vlastnosti [3]. Použitím gumy v drevotrieskových paneloch môže dôjsť k poklesu niektorých mechanických vlastností, avšak Ayrilmis et al. [4] uvádzajú zlepšenie hydrofóbnych vlastností. Použitím plastov v drevných kompozitoch dochádza k zníženiu ich požiarnej odolnosti, plastový materiál zvyšuje obsah chemického tepla [5], no zlepšujú sa iné vlastností. Spojením polypropylénu s prírodnými vláknami dochádza k zvýšeniu tepelnej stálosti, odolnosť voči UV žiareniu a rezistencie pri kyslých dažďoch v porovnaní s drevnými kompozitmi. Takéto produkty sa bežne využívajú v stavebníctve, ako strešné krytiny alebo rezivo na vonkajšie terasy [2].

V automobilovom priemysle sú plastové komponenty najdôležitejším konštrukčným materiálom. Je to pre ich nízku cenu a hmotnosť, beznáterový farebný povrch s rôznym stupňom lesku, pevnosť konštrukčných kompozitov, tvrdosť a odolnosť voči nízkym teplotám. Exteriérové časti osobného automobilu, ako sú nárazníky, maska chladiča, predné svetlá, interiérové časti, ako palubná doska, sedadlá, obloženie dverí a strechy a kufor, sú vyrobené z plastov [6]. Pri výrobe jedného automobilu sa použije až 13 rôznych druhov plastov. Tie najpoužívanejšie tvoria až 66 %. Medzi túto trojicu patria: PP (32 %), PU – polyuretán (17 %) a PVC (16 %) [7].

Množstvo rozličných druhov plastov v automobilovom priemysle narastá neustále, tým pádom je vhodné nájsť efektívnejšie separačné metódy a technológie. Keďže každý z týchto materiálov má odlišné chemické zloženie, je potrebné každý plast recyklovať vhodným spôsobom. Jednou z možností je materiálová recyklácia, použiť plast ako súčasť nového produktu.

Táto práca ponúka inovatívne riešenie, a to spojenie odpadových plastov z automobilov a prírodných drevných vlákien do nových kompozitných materiálov – drevotrieskových dosák, ktoré obsahujú plastové plnidlo. Ako už bolo spomenuté, plast zvyšuje obsah chemického tepla a znižuje požiarnu odolnosť drevných kompozitov, z toho dôvodu bolo cieľom tejto práce vyhodnotiť vplyv plastového plnidla, odpadu z automobilov (lakované, nelakované nárazníky, palivové nádrže), na vybrané požiarno-technické vlastnosti kompozitov drevo-plast.

Experimentálna časť

Materiál

Plastový materiál:P lakované (PP), nelakované nárazníky (PP) a palivové nádrže (PE) boli získané od firmy Aluex, s.r.o., Zvolen. Jednotlivé plasty boli podrvené pomocou drviča plastov v dielňach Technickej univerzity vo Zvolene na frakciu od 1 do 4 mm. Jednotlivé plasty pochádzali z viacerých autovrakov, preto nie je uvedený bližší popis materiálu a laku.

Drevné častice, pripravené z čerstvej smrekovej guľatiny, boli v experimente spracované v spoločnosti Kronospan, s.r.o, Zvolen, SR. Rozmery častíc bežne používaných pre stredovú vrstvu a vybraných na výrobu jednovrstvových drevotrieskových dosiek boli od 0,25 do 4,0 mm. Častice sa vysušili na obsah vlhkosti 4 %.

Zloženie adhéznej zmesi: Močovino-formaldehydová (UF) živica Kronores CB 1100 F (Diakol Strážske s.r.o., Strážske, Slovensko), lepidlo, ktoré bolo použité na spojenie drevených častíc a drvenej gumy má obsah pevnej látky 67,1 %, viskozitu 460 mPa·s, čas kondenzácie 55 sekúnd a hodnotu pH 8,6. Do lepiacej zmesi bol pridaný dusičnan amónny NH4NO3 (47 %) ako tvrdidlo. Parafín, použitý ako 35 % hmotnosti vodnej emulzie, bol aplikovaný na častice v množstvách 0,6 %.

Metodika

Výroba drevotrieskových dosiek s obsahom plastov

Na lisovanie jednovrstvových drevotrieskových dosiek s prídavkom drveného plastu (10, 15 a 20 %) bola použitá UF živica. Adhézna zmes bola pridaná k časticiam v množstve 11 % hmotnosti. Jednovrstvová drevotriesková doska s plastovým plnidlom mala rozmery 360 mm × 280 mm × 15 mm a bola pripravená v laboratóriách Technickej univerzity vo Zvolene. Obsah vlhkosti častíc zmiešaných s UF živicami bol 9,5 %. Drevotrieskové dosky boli pripravené bežnou technológiou, t.j. najprv predlisovaním časticových rohoží za studena na 1 MPa a následným lisovaním za tepla v tlaku (laboratórny lis CBJ 100-11, TOS, Rakovník, bývalá ČSSR) pri maximálnej teplote lisovanie dosiek v lise 230 °C, maximálny lisovací tlak 6,50 MPa a celkový lisovací čas 356 s, ktorý musel byť dlhší ako pri bežnej výrobe celodrevených drevotrieskových dosiek z dôvodu prítomnosti drvených odpadových plastov. Bolo vyrobených 6 dosiek z každého druhu (tabuľka 1) [8, 9].

Stanovenie teploty vznietenia

Teplota vznietenia sa učí podľa ISO 871 [11]. Táto norma špecifikuje laboratórnu metódu na stanovenie teploty vzplanutia a vznietenia v teplovzdušnej peci. Princíp skúšky spočíva v zahrievaní vzorky pri rozdielnych teplotách bez použitia otvoreného ohňa. Teplotný profil sa meria pomocou 0,5mm termočlánkov a zaznamenáva sa pomocou záznamníka údajov ALMEMO® 710. Teplota vznietenia sa zaznamenáva najnižšou teplotou vzduchu, pri ktorej sa vzorka zapáli počas 10 minút. Celkovo sa skúška opakovala päť krát na každú vzorku.

Stanovenie rýchlosti odhorievania materiálu

Skúmali sa požiarne vlastnosti podľa normy ISO 11925-2 [12], čo zahŕňalo meranie rýchlosti hmotnostného horenia za použitia zariadenia s elektronickou váhou (presnou na dve desatinné miesta), kovovým držiakom vzoriek, ťažidlom, kovovým nosičom sálavého tepla a 1000 W infračerveného ohrievača. Riešenie spočívalo v umiestnení vzorky v držiaku vzdialenej 30 mm od teplého zdroja a následnom meraní rozdielu hmotnosti každých 10 s počas 600 s. Tepelný tok infračerveného ohrievača bol stanovený na 30 kW/m2. Vypočítaná bola absolútna rýchlosť horenia ʋ za stanovený časový interval pomocou vzťahovej rovnice:

ʋ = (δ(τ) − δ(τ + ∆τ))/∆τ

(1.1)

kde je

ʋabsolútna rýchlosť horenia [%·s−1],
δ(τ)hmotnosť vzorky vzorky v čase (τ) [%],
δ(τ + Δτ)hmotnosť vzorky vzorky v čase (τ + ∆τ) [%],
Δτčasový interval, v ktorom boli zaznamenané hodnoty hmotnosti [s].

Výsledky a diskusia

Stanovením hodnoty teploty a času vznietenia vzoriek získavame dôležité informácie, ktoré sa používajú na posúdenie požiarnych vlastností materiálov využívajúcich v stavebnom priemysle. Aby sa dosiahla najvyššia požiarna odolnosť, je potrebné, aby bola čo najvyššia teplota a čas do vznietenia experimentálnych vzoriek. Tabuľka 2 uvádza výsledky experimentov pre drevotrieskové dosky s obsahom troch druhov plastov s rôznou koncentráciou. U dosiek s plastovým plnidlom bol dosiahnutý kratší čas a vyššie teploty vznietenia v porovnaní s DTD. Horľavejší materiál predstavujú DTD s obsahom lakovaných nárazníkov v porovnaní s DTD s nelakovanými nárazníkmi. So zvyšujúcou koncentráciou plnidla sa čas do vznietenia zvyšoval u vzoriek DTD s obsahom palivových nádrží. U DTD s obsahom nárazníkov bol čas do vznietenia, s vyššou koncentráciou plnidla, nižší. Mancel et al. (2022) hodnotili drevné kompozity s 10, 15 a 20% podielom plnidla z odpadových pneumatík, resp. odpadovej gumy (zmes koberčekov a tesnení), pričom dosiahli čas do vznietenia od 298 s do 302 s pre DTD s pneumatikami a od 318 s do 352 s pre DTD s gumou.

Teplota vznietenia sa pohybovala od 430,0 °C (DTD) do 442,7 °C (L20). Vo všeobecnosti mali DTD s obsahom plastového plnidla vyššie hodnoty tejto charakteristiky v porovnaní s DTD. U DTD s obsahom lakovaných nárazníkov sa teplota vznietenia so zvyšovaním koncentrácie plnidla zvyšovala (pravdepodobne z dôvodu prítomnosti laku), u palivových nádrží a nelakovaných nárazníkov sa významne nemenila.

Na základe výsledkov stanovenia rýchlosti odhorievania materiálu (obrázok 1) môžeme konštatovať, že maximálna rýchlosť odhorievania sa pohybovala v rozmedzí 30 s do 120 s. Najnižší čas do iniciácie bol nameraný u vzorky N20 (27 s) a najvyšší u vzorky P10 (45 s). V prípade DTD s obsahom nelakovaných nárazníkov a palivových nádrží čas do vznietenia úmerne klesal so zvyšujúcou sa koncentráciou plastovej drte v kompozite. Výnimku tvoria vzorky lakovaných nárazníkov L10 a L20, ktoré majú rovnaký čas do iniciácie. Porovnaním drevotrieskových dosiek s obsahom plastov z lakovaných, nelakovaných nárazníkov a palivových nádrží je možné vidieť, že drevotrieskové dosky s obsahom drte z palivových nádrži dosiahli najvyššiu rýchlosť odhorievania P10 (0,2714 %·s−1.) Pri DTD s obsahom lakovaných nárazníkov a palivových nádrží sa s rastúcou koncentráciou plastového plnidla rýchlosť odhorievania znižovala a u DTD s obsahom nelakovaných nárazníkov sa rýchlosť odhorievania zvyšovala.

Závery

Posúdenie požiarnych vlastností materiálov, ktoré sa používajú v stavebnom priemysle je dôležité pre zabezpečenie bezpečnosti zdravia osôb a majetku. V tejto práci sa hodnotila teplota vznietenia a rýchlosť odhorievania drevných kompozitných materiálov – drevotrieskových dosák (DTD) s rôznou koncentráciou (10, 15 a 20 %) odpadových plastov z automobilov (lakovaných (L), nelakovaných (N) nárazníkov, palivových nádrží (P)). Na základe dosiahnutých výsledkov možno konštatovať, že:

so zvyšujúcou sa koncentráciou lakovaných a nelakovaných nárazníkov v DTD sa priemerný čas do vznietenia znižoval. Opačný trend bol dosiahnutý u DTD s obsahom palivových nádrží.
teplota vznietenia sa u vzoriek DTD s obsahom palivových nádrží a nelakovaných nárazníkov takmer nemenila a u DTD s obsahom lakovaných nárazníkov sa zvyšovala.
rýchlosť odhorievania materiálu sa pohybovala od 30 do 120 s. Najnižší čas do iniciácie bol nameraný u vzorky N20 (27 s) a najvyšší u vzorky P10 (45 s). DTD s 10% obsahom drte z palivových nádrži dosiahli najvyššiu rýchlosť odhorievania (0,271 %·s−1).

V tejto práci bola zistená vyššia horľavosť DTD s obsahom odpadových plastov z automobilov. Vlastnosti niektorých DTD s obsahom plastov mali porovnateľné požiarne vlastnosti ako bežná DTD, napríklad DTD s 10% obsahom lakovaných či nelakovaných nárazníkov. Ich horľavosť sa významne nemenila. Bežne sa v komerčne používaných DTD nachádza určité percento plastu z dôvodu využívania recyklovaného dreva. DTD s obsahom automobilového plastu by sa taktiež mohli využívať v nábytkárskom či stavebnom priemysle. Pre zvýšenie požiarnej odolnosti by bolo vhodné aplikovať retardéry horenia (napríklad grafit) do povrchových vrstiev, respektíve pridávať tieto látky medzi drevné častice pred lisovaním drevného kompozitu.

Poďakovanie

Táto práca vznikla v rámci projektov a finančnej podpory Agentúry na výskum a vývoj na základe zmluvy č. APVV-22-0034 (50 %), vedeckej grantovej agentúry Ministerstva školstva, výskumu, vývoja a mládeže SR VEGA 1/0027/24 (20 %), v rámci projektu združenia univerzít, UNIVNET č. zmluvy 0201/0082/19 a jeho finančnej podpory, financované Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR (20 %) a ako výsledok riešenia projektu IPA (Interná projektová agentúra) TUZVO č. 3/2023 – Výskum vybraných fyzikálnych vlastností nových drevoplastových kompozitov (10 %).

Literatúra

Tabarsa, T. Khanjanzadeh, H., Pirayesh, H.: Manufacturing of wood-plastic composite from completely recycled materials. Key engineering materials, 2011, Vol. 471-472, pp. 62–66. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.471-472.62.
Renner J.S., Mensah, R.A., Jiang, L., Xu, Q., Das, O., Berto, F.: Fire Behavior of Wood-Based Composite Materials. Polymers, 2021, Vol. 13, No. 24.
Mancel, V., Čabalová, I., Krilek, J., Réh, R., Zachar, M., Jurczyková, T.: Fire resistance evaluation of new wooden composites containing waste rubber from automobiles. Polymers, 2022, Vol. 14, No. 20.
https://doi.org/10.3390/polym13244352.
Ayrilmis, N., Buyuksari, U., Avci, E.: Utilization of waste tire rubber in manufacture of oriented strandboard. Waste Management, 2009, Vol. 29, No. 9, pp. 2553–2557. https://doi.org/10.1080/10426910902769376.
Papadopolus, A.N.: Advances in wood composites. Polymers, 2020, Vol. 12, No. 1. https://doi.org/10.3390/polym12010048.
Paulíková, A.: Štúdia recyklácie starých vozidiel – dezintegračné a separačné technológie. In Rusko, M., Balog, K. (Eds.) 2007: Manažérstvo životného prostredia 2007, 711–727 zo VII. konferencie so zahraničnou účasťou konanej 5. až 6. 1. 2007 v Jaslovských Bohuniciach.
Panda, A., Orendáč, P.: Analýza materiálov používaných v automobilovom priemysle. Trendy a inovatívne prístupy v podnikových procesoch, 2015, roč. 18, 8 s.
Krilek, J., Čabalová, I., Réh, R., Melicherčík, J., Mancel, V.: Drevotriesková kompozitná doska na báze gumy a spôsob jej výroby: patentová prihláška č. 67-2022. 2024a.
Krilek, J., Čabalová, I., Réh, R., Melicherčík, J., Mancel, V.: Drevotriesková kompozitná doska na báze plastu a spôsob jej výroby: patentová prihláška č. 66-2022. 2024b.
ISO 871: 2022. Plastics – Determination of ignition temperature using a hot-air furnace.
ISO 11925-2:2020. Reaction to fire tests — Ignitability of products subjected to direct impingement of flame – Part 2: Single-flame source test.