Propustnost pro vodní páru u povrchových úprav dřeva na bázi nanotechnologií
Moderní dřevěná architektura a historické stavby často využívají dřevěných konstrukcí i v exteriéru. Dřevo samotné, i velká část materiálů na bázi dřeva, jsou materiály s relativně vysokou propustností pro vodní páry. Jako ochranu dřevěných konstrukcí proti biologickým škůdcům používáme různé prostředky založené na odlišných principiálních základech. Tato ochrana však zvyšuje nepropustnost dřevěných konstrukcí pro vodní páry, což ovlivňuje vlhkostní bilanci jednotlivých obvodových konstrukcí. Cílem příspěvku je přiblížit difúzní chování povrchových úprav a jejich vliv na propustnost pro vodní páru difuzí směřující skrze obvodové konstrukce se zaměřením na povrchové úpravy na bázi nanomateriálů.
1. Úvod
Dřevěné konstrukce jsou v současné době ve stavebnictví stále častěji využívány, a to jak pro nosné stavební konstrukce, tak i pro konstrukce povrchové, kompletační apod. Životnost a funkčnost dřevěných konstrukcí je značně ovlivněna mimo jiné teplotou a vlhkostí vzduchu. Speciálně exteriérové podmínky způsobují snižování životnosti dřevěných konstrukcí, a proto je nutno tyto části dřevěných konstrukcí chránit. Kromě v současné době nejčastěji využívaných ochranných prostředků se začínají objevovat i prostředky na bázi nanotechnologií, které fungují na jiných principech, než standardní ochranné prostředky.
2. Životnost dřeva
Dřevo je hygroskopický materiál, svou vlhkost mění v závislosti na teplotě a vlhkosti okolního vzduchu až dosáhne tzv. rovnovážné (sorpční) vlhkosti. Pokud se dřevěné konstrukce nacházejí v prostředí se zvýšenou vlhkostí, dřevo přijímá vlhkost ze svého okolí, a naopak v případě, kdy se dřevo nachází v prostředí sušším, pak vlhkost do okolí vrací. V případě přijímání vlhkosti buňky ve dřevě pohlcují vodu, zvětšují objem, dochází k bobtnání dřeva. Absorbování vlhkosti dřevem lze zabránit provedením opatření, která předcházejí vzniku nežádoucíh poruch, nebo je alespoň minimalizují.
Potřeba ochrany dřeva se netýká pouze moderních konstrukcí, ale i historicky významných objektů a jejich případné výzdoby, kde vlhkostní problémy mohou způsobovat degradaci především z pohledu znečištění prostředí, vzniku plísní, hub či dřevokazného hmyzu. V případě ochrany proti plísním je nutné zajistit ochranu proti bílé a hnědé hnilobě, která způsobuje nejrychlejší degradaci dřeva. Odolnost vůči negativním vlivům je u jednotlivých dřevin proměnná a tím pádem nelze jednoznačně určit přesnou dobu počátku degradace materiálu. Jako příklad nám může posloužit následující tabulka znázorňující odolnost různých druhů dřeva proti plísni
| Borovice lesní | Jedle stříbrná | Buk lesní | Kaštan jedlý |
|---|---|---|---|
| 3–4 | 4 | 5 | 2 |
| (1 velmi odolné, 2 trvanlivé, 3 středně odolné, 4 málo odolné, 5 neodolné) | |||
Pokud nedojde k ochraně dřevěných prvků, je vždy jejich oprava a záchrana náročná jak technologicky, tak i finančně. Z tohoto důvodu je nutné přistupovat k ochraně těchto jednotlivých prvků ideálně již v době jejich instalace na určené místo.
3. Ochranné vrstvy dřevěných konstrukcí
Ochranné povrchové vrstvy obvodových plášťů chrání dřevěné konstrukce, zabraňují difuzi vodních par dovnitř a prodlužují tak životnost konstrukcí. Provedené povrchové vrstvy ovšem nejsou schopny propouštět vodní páry z vnitřní strany směrem do vnějšího prostředí. U povrchových vrstev tak často dochází k jejich poškození vodní parou, která se snaží ze samotné konstrukce dostat do vnějšího prostředí. K difúzi vodní páry navíc nedochází pouze ze srážkových vod, ale ze vzduchu obecně. K difúzi vodních par skrze konstrukci z exteriéru dochází pouze tehdy, jestliže teplota venkovního vzduchu je vyšší, než teplota vnitřního vzduchu, tzn. pouze v letním období. V našich klimatických podmínkách však po dobu větší části roku, kdy teploty v interiérech budov jsou vyšší, než v exteriéru, dochází k difúzi vodní páry skrze obvodové konstrukce z interiéru do exteriéru. Ochranné nátěry na straně exteriéru mají zabránit smáčení obvodové konstrukce srážkovou vodou. S ohledem na výše uvedené však musejí mít nízký difúzní odpor.
Princip ochranných povrchových vrstev dřevěných konstrukcí je založený na různých principiálních základech (fyzikální působení, chemické a prvkové složení, způsob nanášení atd.). Je třeba dbát na zamezení možných příčin vzniku poruch způsobených difuzí vodních par a je nutné vhodně zvolit ochrannou vrstvu dřevěných konstrukcí. Zkoumáním vhodných aplikací povrchových úprav lze docílit prodloužení životnosti, zlepšit tepelnětechnické a vlhkostní vlastnosti a také vlastnosti estetické. Pro zajištění spolehlivosti a dlouhodobé životnosti konstrukcí a staveb po dobu jejich předpokládané životnosti je nutné zkoumat různé metody povrchových úprav dřevěných konstrukcí.
4. Ochrana dřeva přírodními materiály a materiály na chemické bázi
Mezi základní metody ochrany dřeva před vlhkostí patří impregnace a různé ochranné nátěry (lazury, oleje apod.). Tyto ochranné prostředky fungují na principu nasycování savých materiálů přírodními nebo chemickými látkami. Jedná se o běžně dostupnou a nejrozšířenější ochranu dřevěných konstrukcí, která ve větší míře zabraňuje prostupu vodních par. Mezi základní impregnační materiály patří:
- chemické látky (např. lignofix),
- přírodní látky (pryskyřice, vosk)
5. Látky na principu nanotechnologií
V posledním desetiletí došlo k rozšíření využívání nanomateriálů na ochranu povrchu rozličných druhů nejen stavebních materiálů. Jednalo se např. o ochranu pohřebních maleb a historicky významných textů před chemickou degradací. Co se týče dřevěných konstrukcí a zdobných prvků, je jejich ochrana pomocí nanočástic novou oblastí využití. Nanotechnologie lze s výhodou využít pro ochranu před degradačními činiteli, jako jsou chemické reakce, biocidní činitelé či tepelně-vlhkostní problematika. Výhodou těchto produktů je jejich životnost a nízká toxicita. V případě využití běžně používaných ochranných prostředků je nutné jejich pravidelné obnovování, aby byly zachovány jejich ochranné vlastnosti a zároveň je zde negativní aspekt vlivu na zdravotní nezávadnost prostředí vlivem uvolňování toxických látek. Toto u produktů na bázi nanotechnologií, aspoň podle doposud známých výsledků, odpadá.
Obr. č. 1 Ochrana dřevěného povrchu za pomocí nanočástic
Nanoprodukty jsou vyrobeny z nanočástic, jejichž rozměry se pohybují v rozmezí nanometrů (1 nanometr je 10−9 m), což je přibližně velikost pěti až deseti atomů. Jedná se tedy o částice menší než 100 nm. Látky na principu nanotechnologie sloužící k ochraně povrchů stavebních konstrukcí obsahují nejčastěji nanočástice oxidu křemíku, stříbra, titanu či jiných základních prvků. V případě oxidu titaničitého dochází k produkci hydroxilových radikálů anionty superoxidu a molekul peroxidu vodíku, které zneškodňují celou řadu mikroorganismů. Nosičem při nanášení nanočástic na podkladovou vrstvu je voda, alkohol či jiná rozpouštědla. Tyto látky vytváří ochranný hydrofóbní povrch, který je chemicky vázaný na podklad pomocí Van der Waalsových sil. Van der Waalsovy síly jsou interakce působící mezi libovolnými molekulami popřípadě atomy. Jejich velikost závisí na vzájemné vzdálenosti.
Na povrchu materiálu vznikne z nanočástic (z molekul) hydrofóbní povrch (odpuzující vodu). Obsahuje takové nanočástice (molekuly), které nenesou žádný náboj. V molekule převažují nepolární vazby a tvoří tak s vodou jen málo nebo žádné vodíkové můstky, proto se ve vodě nerozpouštějí. Patří mezi ně například uhlovodíky.
![Obr. č. 2 SEM obrázky neošetřeného dřeva a dřeva s aplikovaným TiO₂: a) neošetřený zimní dub s malým zvětšením struktury, z100_; b) neošetřený zimní dub s velkým zvětšením struktury, z17k; c) TiO₂-ošetřený zimní dub s malým zvětšením struktury, z100; d) TiO₂-ošetřený zimní dub s velkým zvětšením struktury, z17k. V obrázku d) je možné pozorovat strukturu dřeva, která je pokrytá tenkou vrstvou nanočástic. Měřítko v obr. a) a c) je 100 nm v obrázku b) a d) je 300 nm [2]](/docu/clanky/0121/012129o3.jpg)
Obr. č. 2 SEM obrázky neošetřeného dřeva a dřeva s aplikovaným TiO2: a) neošetřený zimní dub s malým zvětšením struktury, z100_; b) neošetřený zimní dub s velkým zvětšením struktury, z17k; c) TiO2-ošetřený zimní dub s malým zvětšením struktury, z100; d) TiO2-ošetřený zimní dub s velkým zvětšením struktury, z17k. V obrázku d) je možné pozorovat strukturu dřeva, která je pokrytá tenkou vrstvou nanočástic. Měřítko v obr. a) a c) je 100 nm v obrázku b) a d) je 300 nm [2]
V testech, na osmi vzorcích dřeva různých druhů byl aplikován TiO2. Poté byly pozorovány reakce na plíseň a její stupeň kolonizace. Byly zkoušeny vzorky jak ošetřené a neošetřené oxidem titaničitým po dobu 50 dnů. Vzorky ošetřené oxidem titaničitým nebyly napadeny houbovými zárodky, kdežto v případě neošetřených vzorků byl stupeň kolonizace v rozmezí 60–80 % podle druhu dřeva. Aby bylo možné pozorovat rozdíly ve struktuře zkoumaných materiálů po aplikaci nanočástic, byly provedeny snímky zimního dubu, kde bylo možné pozorovat v menším a větším přiblížení, jak bude povrch materiálu změněn a zda je rozložení nanočástic pravidelné.
6. Propustnost pro páru u ochranných vrstev na bázi nanotechnologií
![Obr. č. 3 Pohled na hermeticky uzavřenou měřící komoru v průběhu měření, kde na 6 vzorcích byly měřeny faktory difuzního odporu nanotextilií podle normy [3]](/docu/clanky/0121/012129o5.jpg)
Obr. č. 3 Pohled na hermeticky uzavřenou měřící komoru v průběhu měření, kde na 6 vzorcích byly měřeny faktory difuzního odporu nanotextilií podle normy [3]
Na fakultě stavební ČVUT v Praze byla v rámci Centra pro nanotechnologie ve stavebnictví (společný projekt Katedry konstrukcí pozemních staveb, Katedry fyziky a Katedry mechaniky) zkoušena propustnost nanotextilií pro vodní páry. Jednalo se o experimentální testy základního výzkumu se zaměřením na dlouhodobou ochranu povrchů stavebních konstrukcí před negativními vlivy vnějšího prostředí.
V rámci testů bylo měřeno několik nanotextilií na bázi polyvinylalkoholu (PVA) o různém stupni stabilizace a gramáže, které by mohly být využívány pro ochranu povrchů dřevěných konstrukcí. Výsledkem tohoto experimentu (obr. č. 3) byl ten fakt, že hmotností úbytky jednotlivých vzorků byly přibližně stejné (měřeno metodou wet cup podle normy ČSN EN ISO 12572 [3]), což nabádá k závěru, že povrchové úpravy na bázi nanovláken mohou poskytovat dostatečnou a dlouho trvající ochranu povrchu dřevěných konstrukcí (díky nanočásticím s biocidními účinky) a současně s faktorem difuzního odporu blížícího se jedné, tedy μ = 1.
7. Závěr
Z výše uvedených informací lze vyvodit závěr, že aplikace produktů na bázi nanotechnologií vede ke zlepšení požadovaných vlastností týkajících se snížení propustnosti povrchové vrstvy dřeva pro vodní páry a za účelem prodloužení životnosti povrchových vrstev a celých konstrukcí. Je nutné vždy pro daný požadavek stanovit činitele, který je na to vhodný. Stejně jako tomu bylo v případě ochrany dřeva před plísní za pomoci oxidu titaničitého.
Výše uvedené informace jsou pouze prvotními dílčími poznatky pocházející z rešerší zahraničních zdrojů a z prvních prováděných experimentů základního výzkumu v rámci Centra pro nanotechnologie ve stavebnictví při ČVUT. Jedním z cílů našeho výzkumu je vytvořit ochranné vrstvy na bázi nanovláken, které neuzavřou povrch chráněného materiálu, výrazně prodlouží životnost ochranných vrstev včetně estetického vzhledu, umožní prostup vodních par a zároveň budou mít různorodé požadované vlastnosti. Mezi takové lze například přirovnat z vnější strany hydrofobní vlastnosti a z vnitřní vrstvy hydrofilní, kde by membrána vytvořená z nanovláken byla propustná - dovolovala by pronikání vodní páry z materiálu, ale zabraňovala by průniku nežádoucích látek do konstrukce. Nanotextilie by neuzavřely nasákavé materiály jako je dřevo, ale jen chránilo daný materiál od okolního prostředí.
V následujícím období bychom se chtěli podrobně věnovat v rámci Centra pro nanotechnologie ve stavebnictví při ČVUT pokračování v tomto výzkumu týkajícího se nanotextilií a jejich využití pro ochranu, zlepšení vlastností a prodloužení životnosti moderních, ale i historických dřevěných konstrukcí. Cílem je ověřit nejenom výše zmíněné vlastnosti a životnost takto ochráněných dřevěných konstrukcí, ale velmi podstatným bodem bude i technologie nanášení (aplikace) ochranných vrstev na bázi nanotextilií na podkladní chráněné konstrukce.
8. Použité zdroje
- [1] Sferagroup – companies. I.C.I.F., DOMI, ARCOBALEGNO. Sferagroup – companies [online]. 2003, 2014 [cit. 2014-03-26]. Dostupné z: http://www.sfera-group.it
- [2] DE FILPO, Giovanni, Anna Maria PALERMO, Francesca RACHIELE a Fiore Pasquale NICOLETTA. Preventing fungal growth in wood by titanium dioxide nanoparticles.Preventing fungal growth in wood by titanium dioxide nanoparticles. 2013, č. 85, 217–222.
- [3] ČSN EN ISO 12572 Tepelně vlhkostní chování stavebních materiálů a výrobků – Stanovení prostupu vodní páry (2002)
Modern wooden architecture and historic buildings often use wooden structures and exterior. Wood itself a large part of wood-based materials are materials having relatively high permeability to water vapor. To protect wooden structures use various resources based on different basic foundations. This protection, however, increases the tightness of wooden structures for water vapor, which can affect the moisture balance of the peripheral structures. This paper aims to bring listeners the behavior of surface treatments and their effect on permeability to water vapor diffusion directed through the building envelope with a focus on finishing based nanomaterials.
