UV degradácia povlakovej krytiny na materiálovej báze m PVC

1. Úvod

Testované krytiny majú v technických listoch takmer totožné parametre, avšak pri realizácii experimentálnych meraní sa zistilo, že pevnostné charakteristiky sú výrazne rozdielne. Z toho dôvodu je nutné sa zaoberať optimalizáciou požiadaviek hodnotiacich kvalitu výrobku.

Hodnotenie strešných fólií podľa európskych noriem a dokumentov hodnotiacich kvalitu:

• EN 13956:2013 – Hydroizolačné pásy a fólie – plastové a pryžové pásy a fólie pre hydroizolácie striech – definície a charakteristiky,
• EAD 030351-00-0402 – Systém mechanicky kotvených pružných strešných hydroizolačných povlakov (od 29. 5. 2019 „ETAG 006“),
• MOAT 65 – Technická príručka UEAtc pre hodnotenie strešných hydroizolačných systémov z PVC.

Každý z týchto dokumentov hodnotí príslušnú kvalitu všetkých vlastností, ktoré má hydroizolačná fólia spĺňať. Pre uvedenie na trh, je dostačujúce, aby fólia spĺňala požiadavky skúšobnej normy EN 13956, kde sú kritéria vzhľadom na očakávanú životnosť nie úplne dostačujúce. Porovnanie pre hodnotenie starnutia po expozícii voči UV žiareniu sú uvedené v Tab. 1.

2. Testovanie materiálov – experimenty

a) Metodika zrýchleného testovania degradácie voči UV žiareniu – princíp testovania je, že vzorky sú vystavené rôznym hladinám svetla, tepla, relatívnej vlhkosti a vode za kontrolovaných podmienok. Testovanie polymérnych materiálov s použitím fluorescenčných svetelných zdrojov je stanovené v norme STN ISO 4892-3 (Metódy vystavovania účinkom laboratórnych svetelných zdrojov. Časť 3). Pre naše experimenty bola doba trvania vystavenia materiálov voči UV žiareniu 5000 hod.

Obr. 1 Prístroj simulujúci UV žiarenie – zrýchlené testovanie VU degradácie

Obr. 2 Pohľad na prebiehajúcu pevnostnú skúšku

b) Metodika merania pevnostných vlastností – testovanie pevnostných vlastností prebieha na základe normy STN EN 12311-2, kde skúšobná vzorka je ťahaná pri konštantnej rýchlosti až do jej pretrhnutia. Počas skúšky sa priebežne zaznamenáva ťahová sila a zodpovedajúce predĺženie skúšobnej vzorky, najlepšie za stáleho zaznamenávania najvyššej hodnoty.

Obr. 3 IR FTIR spektrometer NICOLET 8700™

c) Analýza chemických zmien na povrchu materiálu v dôsledku starnutia – Infračervená spektroskopia patrí do skupiny nedeštruktívnych analytických metód, keď skúmaná vzorka nie je analýzou nijak poškodená, a napriek tomu poskytuje informácie o svojom zložení. Získané hodnoty vibračných energií súvisia s pevnosťou chemických väzieb a tiež s molekulárnou geometriou a hmotnosťou jadier, čiže s molekulárnou štruktúrou. Tieto skutočnosti predurčujú infračervenú spektroskopiu ako vynikajúcu experimentálnu techniku, ktorá vedľa kvantitatívnej a kvalitatívnej analýzy hrá významnú rolu pri výskume molekulárnej dynamiky, chemických vlastností molekúl, vplyvu prostredia na analyzované molekuly a mnoho ďalších oblastí. Hoci infračervená spektroskopia je využívaná pri analýze makroskopických vzoriek, jej podstatou je interakcia mikročastíc (molekúl) tvoriacich túto makroskopickú vzorku s infračerveným žiarením. Pre korektný teoretický rozbor infračervenej spektroskopie je nutné použiť iba kvantovo-mechanický prístup, [1].

Samotný experiment prebiehal na niekoľkých typoch strešných hydroizolácií:

• Vzorka č. 1 – PVC-P – fólia vystužená polyesterovou vložkou, hr. 1,5 mm
• Vzorka č. 2 – PVC-P – fólia vystužená polyesterovou vložkou, hr. 1,5 mm
• Vzorka č. 3 – PVC-P – fólia je homogénna t.j. bez výstužnej mriežky, hr. 2,0 mm
• Vzorka č. 4 – PVC-P – fólia vystužená polyesterovou vložkou, hr. 1,5 mm
• Vzorka č. 5 – PVC-P – fólia vystužená polyesterovou vložkou, hr. 1,5 mm (dodaná až pred záverom testovania skúmaný priebeh do 2000 hod.)

3. Vyhodnotenie experimentov

Vyhodnocovanie experimentov bolo evidované každých 1000 hodín a následné výsledky boli vyhodnocované porovnávacou metódou.

3.1 Úbytok hmotnosti vplyvom UV degradácie

Graf č. 1 zobrazuje porovnanie – celkové priemerné hodnoty úbytku hmotnosti. Vzorky č. 1 a vzorky č. 2 sú kvalitatívne z tých lepších na našom trhu. Vzorka č. 3 je PVC-P fólia, používaná k opracovaniu detailov (bez výstužnej mriežky) môžeme pozorovať, že má najmenší podiel samotného percentuálneho úbytku hmotnosti. Jej UV stálosť je z toho dôvodu vyššia, keďže sa používa k opracovaniu najnamáhavejších detailov strešného plášťa. Vzorka č. 4 je výrobca, ktorým sú často v stavebnej praxi nahrádzané kvalitnejšie materiály navrhnuté projektantom. Môžeme sledovať, že úbytok hmotnosti tohto materiálu je dvojnásobný. Úbytok hmotnosti má priamy vplyv na zmenu fyzikálnych vlastností, ktorou je napr. pevnostná charakteristika.

Graf 1 Priemerný úbytok hmotnosti pre všetky testované typy hydroizolácie PVC-P

3.2 Pevnostná skúška

Z prístroja pre UV degradáciu boli postupne vyberané vzorky pre realizáciu pevnostnej skúšky po 1000 hod, 2000 hod, 3000 hod, 4000 hod a 5000 hod. Rovnako bola skúška vykonaná aj na vzorkách bez UV degradácie. Pre realizáciu pevnostnej skúšky podľa STN EN 12311-2 je nutné pripraviť 5 ks vzoriek z testovaného typu.

Graf č. 2 reprezentuje pohľad na jednotlivé vlastnosti povlakovej krytiny bez a s výstužnou mriežkou pri vzorkách, ktoré neboli vystavené UV žiareniu a vzorkám s UV degradáciou v maxime a to 5000 hodín. Vzhľadom na to, že vlastnosti týkajúceho sa predĺženia a maximálnej možnej ťahovej sile, môžu nabádať k používaniu v praxi povlakové krytiny bez výstužnej mriežky aj na bežné rovinné plochy je irelevantné. Nakoľko sekundárna funkcia výstužnej mriežky odoláva voči nárazom, lokálnemu prerazeniu a súdržnosti samotného materiálu v prípade poruchy. Z toho dôvodu je použitie nevystuženej povlakovej krytiny odporúčané len v prípade opracovania detailov.

Graf 2 Porovnanie pevnostných vlastností (vzorky č. 1.x s výstužnou mriežkou a vzorky č. 3.x bez výstužnej mriežky) bez UV degradácie a s UV degradáciou 5000 hodín v QUV prístroji

Graf č. 3 porovnáva povlakové krytiny, ktoré sú častokrát alternované v realizácii. Testované krytiny majú v technických materiálových listoch takmer totožné parametre, avšak pri realizácii experimentálnych meraní sa zistilo, že pevnostné charakteristiky týchto krytín sú výrazne rozdielne. Kvalitnejšia povlaková krytina (V1) po vystavení degradácii UV žiarením v prístroji po 5000 hodinách má lepšie mechanické vlastnosti ako nová povlaková krytina nižšej akosti (V4).

Graf 3 Porovnanie pevnostných vlastností (vzorky č. 1.x a 4.x s výstužnou mriežkou) bez UV degradácie a s UV degradáciou 5000 hodín v QUV prístroji

3.3 Infračervená spektroskopia – analýza chemických zmien na povrchu materiálu

Infračervené spektrá jednotlivých vzoriek boli nasnímané na infračervenom spektrometri NICOLET 8700™ (fy Thermo Scientific, Madison, WI, USA) v strednej infračervenej oblasti (4000–650 cm⁻¹) technikou ATR (Attenuated Total Reflection) s použitím Ge ako optického materiálu. Pracovalo sa s rozlíšením 4 cm⁻¹ a počet scanov pre merania sa pohyboval v rozmedzí 32–64. Pre infračervené spektrá získané technikou ATR v prípade použitia Ge kryštálu platí, že maximálny prienik infračerveného lúča do materiálu je 0.66 µm pri vlnočte 1100 cm⁻¹.

Pre svetlú aj tmavú stranu sa zhodne pozorovali zmeny prevažne v oblasti aromatických/násobných, resp. NH– väzieb. Pre svetlú vrstvu, ktorá je pravdepodobne stabilizovaná nejakým typom UV stabilizátora sa pozorovala tvorba a nárast obsahu polyénových štruktúr (pás pri cca 1637 cm⁻¹, C=C– väzby) až po vyše 3000 hodinách starnutia, pričom najprv pravdepodobne dochádza k eliminácii tohto stabilizátora a až keď sa jeho účinok vytratí, započne dehydrochlorácia PVC, sprevádzaná tvorbou C=C štruktúr (Graf 4).

Graf 4 Vzorka V4, svetlá strana, oblasť valenčných vibrácií (vľavo) a deformačných vibrácií (vpravo)

V spektrách svetlej vrstvy krytiny V1 sa pozorovali len malé, nevýrazné zmeny v oblasti –OH valenčných (3700–3100 cm⁻¹) a –OH deformačných väzieb (1690–1620 cm⁻¹). Mierny nárast absorbancie v týchto oblastiach je spôsobený nárastom obsahu intramolekulových –OH väzieb (naviazanie vlhkosti). V spektrách vzoriek starnutých 3000, 4000 a 5000 hodín sa takisto objavuje malý, nevýrazný pás s maximom pri 3300 cm⁻¹, pochádzajúci pravdepodobne z reakcie stabilizátora s niektorou zo zložiek zmesi, zodpovedajúci väzbe –NH, (Graf 5).

Graf 5 Vzorka V1, svetlá strana, oblasť valenčných vibrácií (vľavo) a deformačných vibrácií (vpravo)

IR spektroskopia nám svojím záverom potvrdzuje prítomnosť a úbytok UV stabilizátorov, ktoré majú priamo vplyv na mechanické vlastnosti, ktoré sú uvádzané v predchádzajúcich kapitolách. Najväčšie zmeny sú prezentované na vzorke č. V4, kde je rovnako potvrdený aj najväčší úbytok hmotnosti a najväčšia strata pevnostných vlastností. IR spektroskopia bola realizovaná aj na tmavej neožarovanej strane UV žiarením, ktorá nám dáva priestor do budúcnosti sa rovnako zaoberať nie len degradáciou vplyvom UV žiarenia, ale rovnako aj starnutiu za tepla.

4. Záver

Cieľom nebolo overovanie parametrov povlakových krytín uvádzaných v technickej špecifikácii, ale porovnávanie vlastností jednotlivých vzoriek medzi sebou, avšak ak sú materiály alternované na základe ceny aj napriek rovnakým parametrom nemusí to byť v prípade realizátora, investora vhodná náhrada. Primárnym cieľom bola experimentálna analýza povlakových hydroizolačných krytín z hľadiska pôsobenia UV žiarenia a vlhkosti v komore pre urýchlené starnutie materiálov. Následne boli vykonané sekundárne merania a to hmotnostná, pevnostná a chemická analýza skúšaných vzoriek. Na základe získaných poznatkov z jednotlivých experimentov je vhodné sa zaoberať optimalizáciou metodiky, ktorá hodnotí kvalitu materiálov a splnenie kvalitatívnych požiadaviek, ktoré dovoľujú uvádzať na trh nové materiály, riadiť sa a zvážiť sprísnenie podmienok podľa dokumentov ETAG 006 resp. MOAT 65, keďže experimentálnymi meraniami bola dokázaná kvalitatívna odlišnosť.

Poďakovanie

Tento článok bol podporený vedeckou grantovou agentúrou MŠVVŠ SR a SAV VEGA 1/0396/21.

Literatúra

1. Kania Patrik, Infračervená spektrometrie, VŠCHT Praha [online]. [cit. 02.11.2021]. Dostupné:
   https://www.vscht.cz/files/uzel/0005766/Infra%C4%8Derven%C3%A1+spektrometrie.pdf?redirected
2. STN EN 12311-2 Hydroizolačné pásy a fólie. Stanovenie ťahových vlastností. Časť 2: Plastové a gumové pásy a fólie na hydroizoláciu striech
3. EAD 030351-00-0402 – Systém mechanicky kotvených pružných strešných hydroizolačných povlakov (od 29. 5. 2019 „ETAG 006“)
4. MOAT 65 – Technická príručka UEAtc pre hodnotenie strešných hydroizolačných systémov z PVC.