Kontrola lepidel z hlediska jejich trvanlivosti
Využívání lepených dřevěných prvků se dostává do popředí zájmů u projektantů navrhujících dřevěné konstrukce, a to hned z několika aspektů. Kromě estetického hlediska lepených nosných prvků lze zmínit především dobré parametry únosnosti při relativně nízké objemové hmotnosti, dále možnost provádět atypické tvary konstrukcí a v neposlední řadě hledisko vyšší objemové stálosti prvků v porovnání s rostlým dřevem. Pro splnění všech těchto zmíněných aspektů je důležitá samotná výroba těchto lepených prvků, při které se kontroluje splnění technických požadavků dané výrobcem lepidla...
1. Úvod
Využívání lepených dřevěných prvků se dostává do popředí zájmů u projektantů navrhujících dřevěné konstrukce, a to hned z několika aspektů. Kromě estetického hlediska lepených nosných prvků lze zmínit především dobré parametry únosnosti při relativně nízké objemové hmotnosti, dále možnost provádět atypické tvary konstrukcí a v neposlední řadě hledisko vyšší objemové stálosti prvků v porovnání s rostlým dřevem. Pro splnění všech těchto zmíněných aspektů je důležitá samotná výroba těchto lepených prvků, při které se kontroluje splnění technických požadavků dané výrobcem lepidla. Kontroluje se zejména směšovací poměr vícesložkových lepidel, doba sestavení odvíjející se od doby želatinace různých typů lepidel, čas a velikost zatížení dané sestavy prvku a teplota při lepení prvků (se zvyšující se teplotou se snižuje viskozita adheziva a snižuje se i rychlost vytvrzování). Lepidla v kapalném stavu musí vykazovat optimální hodnotu viskozity a vysokou hodnotu smáčivosti (resp. nízkou hodnotu kontaktního úhlu), čímž se zajistí kapilární tok adheziva do dřevěného adherendu. Neméně důležitým aspektem je také otázka dřeva jako adherendu, kdy za hlavní aspekty ovlivňující konečnou pevnost spoje lze považovat vlhkost dřeva a povrchové napětí dřeva, zčásti i jeho chemické složení.
Jednozačné určení mechanismu adheze mezi adherendem dřeva a lepidlem v současné době není přesně stanoveno, obecně se předpokládá zčásti mechanická vazba, a zčásti vazba chemická (specifikovaná kovalentní mezimolekulovou van der Waalsovou silou).
2. Experimentální část
Běžným hodnotícím kritériem lepeného spoje je posouzení smykové pevnosti spojů, ale pro komplexní hodnocení spolehlivosti lepidla hraje důležitou otázku únosnost lepeného spoje při jeho dlouhodobém zatížení. Lepený spoj nesmí vykazovat pod dlouhodobým zatížením jakékoliv známky porušení či jiný typ degradace, kterou by byla ovlivněna únosnost samotného prvku. Tato spolehlivost spoje je relativně známá u druhů lepidel s obsahem formaldehydu, u nových typů lepidel není jejich chování pod dlouhodobým namáháním známé.
Začínající experiment je zaměřen v obecné rovině na hodnocení lepidla z hlediska jeho životnosti a spolehlivosti. Pro experiment jsou vybrány lepidla jak na bázi formaldehydu, tak i lepidla novějšího charakteru, jako jsou lepidla epoxidová, PUR, isokyanátová ad. Tato lepidla budou postupně vystavována degradačním činitelům (cyklování v UV komoře, cyklické působení vlhkosti, teploty) ale i výše zmíněna únosnost spoje pod dlouhodobým zatížením. Za kritérium únosnosti spojů je vybrána smyková pevnost spoje a analytické ověření stupně degradace polymerního adheziva pomocí IR spektroskopie.
2.1. Výběr lepidel
Pro ověření analýzy různých druhů adheziv bylo přistoupeno k vyhotovení sady tzv. referenčních stávajících lepidel. Pro tyto účely byly vybrány běžně používané typy lepidel na bázi formaldehydu, konkrétně dvousložková lepidla melamín-močovino formaldehydové (dále jen MUF) a fenol-rezorcín formaldehydové (dále jen PRF). Dodavatelem všech lepidel byla firma AkzoNobel.
2.2. Smyková pevnost lepeného spoje
Lepení zkušebních vzorků bukového dřeva (Fagus sylvatica L.) tzv. tenkou vrstvou lepidla bylo prováděno podle zkušebního normativního předpisu ČSN EN 302-1. U zkoušky smykové pevnosti je předepsáno vystavit zkušební tělesa do pěti expozičních tříd A1 až A5, kdy třída A1 je třídou referenční při okrajových podmínkách θi = 20±2 ºC a φi = 65±5 %, a třídy A2–A5 se liší rozdílným vlhkostním zatížením. U lepidel byl navíc zjišťován i vliv poměru plnění, jaký má vliv odklon plnění lepidla/tužidla na výsledné pevnostní charakteristiky. Veškeré pevnostní charakteristiky byly zkoušeny na přístroji Testometric M350-20CT s digitálním záznamem průběhu zkoušky. Pro přesné určení způsobu porušení, zdali se jedná o ztrátu vnitřní soudržnosti stejnorodých molekul (kohezi) či různorodých molekul (adhezi), se u každého porušeného vzorku stanovuje procentuální odhad poškozené smykové plochy. Za doplňkový nástroj specifikující způsob porušení byla zvolena mikroskopie, a to jak světelná s digitálním výstupem obrazu, tak i rastrovací elektronová (REM).
2.3. Infračervená absorpční spektroskopie
Infračervená absorpční spektroskopie je analytická metoda určena pro identifikaci a strukturní charakteristiku organických i anorganických sloučenin. Patří mezi tech niky molekulové spektroskopie, která poskytuje informace o vazebných poměrech v molekule na základě vibračních a rotačních pohybů. K absorpci infračerveného záření určité frekvence dochází pouze v případě, že se během vibrace, resp. rotace probíhající se stejnou frekvencí mění některá ze složek dipólového momentu molekuly.
K analýze se užívá svazek elektromagnetického záření ve střední infračervené oblasti o vlnočtu 4000–400 cm−1, což odpovídá vlnové délce 2–20 μm. Vibrace atomu mohou být valenční nebo deformační, podle toho, zda se mění vazebná délka anebo dochází ke změnám mezivazebných úhlů.
Výstupem měření je spektrogram. Spektrogram lze rozdělit na dvě pásma. První pásmo na vlnočtu 4000–1400 cm−1 je charakteristickou oblastí převážně valenčních vibrací, a to zejména organických funkčních skupin. Deformační vibrace se většinou vyskytují na vlnočtu nižším než 1400 cm−1, v tzv. oblasti otisku palce (fingerprint).
3. Výsledky a diskuze zkoušek
3.1. Výsledky smykových pevností
Výsledky smykových pevností byly tedy stanoveny pro výše uvedená lepidla, navíc u dvousložkových lepidel byl ověřován vliv nižších poměrů mísení oproti doporučení výrobce. Veškeré výsledky smykových zkoušek jsou uvedeny v tabulce č. 1 [3]:
| Lepidlo | Expoziční třída | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | ||||||
| fV [MPa] | Poškození dřeva [%] | fV [MPa] | Poškození dřeva [%] | fV [MPa] | Poškození dřeva [%] | fV [MPa] | Poškození dřeva [%] | fV [MPa] | Poškození dřeva [%] | |
| MUF ref 100:20 | 13,6 | 43 | 8,7 | 80 | 10,6 | 37 | 6,2 | 20 | 8,0 | 33 |
| MUF 100:16 | 13,1 | 60 | 9,4 | 40 | 9,9 | 40 | 5,2*) | 50 | 8,0 | 37 |
| MUF 100:10 | 10,7 | 37 | 7,4 | 20 | 10,2 | 11 | 4,7*) | 40 | 6,1 | 25 |
| PRF ref 100:25 | 12,6 | 62 | 8,8 | 26 | 9,3 | 64 | 7,4 | 20 | 8,1 | 42 |
| PRF 100:20 | 12,0 | 57 | 8,0 | 25 | 6,5*) | 61 | 5,4*) | 60 | 5,2*) | 22 |
| PRF 100:12,5 | 12,7 | 63 | 8,2 | 36 | 9,6 | 53 | 7,5 | 33 | 8,4 | 22 |
| *) nesplňuje požadavek na zatřídění lepidla typu I dle ČSN EN 301 | ||||||||||
Graf 1 Porovnání dosažených průměrných pevností v jednotlivých expozicích stanovených normou ČSN EN 302-1 pro lepidlo typu MUF s různým poměrem mísení
Graf 2 Porovnání dosažených průměrných pevností v jednotlivých expozicích stanovených normou ČSN EN 302-1 pro lepidlo typu PRF s různým poměrem mísení
Graf 3 Průběh pracovního diagramu v expozici A1 pro lepidla typu MUF (CASCO Adhesives)
Zhodnocením výsledků obou vybraných lepidel dle dosažených pevnostních charakteristik lze obě lepidla zatřídit do typu I dle EN 301. Z grafického znázornění dosažených smykových charakteristik je zřejmé, že i přes dvojnásobný počet zkušebních těles oproti požadavkům normy vycházely poměrně velké směrodatné odchylky souborů měřění. Tento fakt může být způsoben vnesenou chybou přírpavy vzorků (v laboratorních podmínkách byl lisovací tlak vyvozován přes šrouby utahované momentovým klíčem), ale může vycházet i z podstaty stolařského vymezení smykové plochy (plátu) prořezem slepeného sestavy. Problémem vnesené chyby a komaprací zkušebních metod EN 302-1:1992 a ASTM D 905 – 98 se zabývá [1]. U obou druhů lepidel byl prokázán klesající trend pevností v závislosti na vlhkostním zatížení v daných třídách A2–A5. Rovněž z grafického znázornění vyplývá, že díky velké variabilitě možných imperfekcí dané výrobou či přípravou vzorků nebyl u obou lepidel potvrzen předpokládající klesající trend pevností vlivem nedodržení směšovacího poměru lepidlo/tvrdidlo, a to i přes maximální rozdíl činící 50 % oproti deklarovanému poměru. V grafu č. 3 je patrný průběh zatěžování referenčního vzorku ve třídě A1 lepeného vzorku lepidlem MUF.
Obr. 2 Pohled na rozhraní lepidla a dřeva na smykové ploše, přítomnost dřeňových paprsků, trhlina ve vrstvě lepidla, zv. 300×
Obr. 1 Pohled na tracheje buku včetně perforací a přítomností teček na stěnách, poškozená pravidelná struktura elementů dřeva, zv. 300×
Hodnocením procenta porušení dřeva lze definovat způsob porušení vzorků. Se zvyšujícím se procentem porušení dřeva se namáhaná smyková oblast porušuje ztrátou kohezních sil adherendu, tudíž adheze spoje vykazuje vyšší únosnost a lze ji považovat za spolehlivou. Kvalitativně se spoj lepidla/adherendu posuzuje charakteristikou hloubky penetrace lepidla do kapilární struktury dřevní hmoty. Důkaz přítomnosti lepidla v lumenech buněk, v buněčných stěnách či paprscích se provádí pomocí fluorescenčního mikroskopu. V této části experimentu nebylo přistoupeno ke kvalitativnímu hodnocení, ale ověřila se struktura poškozené smykové plochy pomocí rastrovací elektronové mikroskopie.
3.2. Infračervená absorpční spektroskopie
Adheziva pro dřevěné konstrukční lepené spoje jsou polymerní látky a pro tyto jsou vhodné dvě měřící techniky, a to odrazová metoda ATR (Attenuated Total Reflectance) tzv. zeslabená totální reflektance a metoda transmisní. ATR metoda se v našem případě při hodnocení spekter lepidel používá na vzorcích v práškové formě, nebo v případě, že nelze prášek připravit, lze touto metodou měřit i dostatečně silnou vrstvu ztvrdlého lepidla. Transmisní metodu lze použít v případě možnosti přípravy samonosné fólie (tenké vrstvy lepidla) nebo slisováním prášku do tablety smícháním s KBr, který lze považovat v této oblasti za inaktivní materiál. Připravené vzorky lepidel byly změřeny vhodnou metodou tak, aby spektrogramy obsahovali co nejméně šumů. Spektrogramy studovaných lepidel jsou zobrazeny v absorbančním módu na následujících obrázcích č. 3–6.
Obr. 3 Spektrogram lepidla MUF v poměru mísení 100:20
Obr. 4 Spektrogram lepidla PRF v poměru mísení 100:25
Obr. 5 Spektrogram lepidla PUR
Obr. 6 Spektrogram lepidla PVAc
4. Závěr
Cílem příspěvku bylo na referenčních typech lepidel (PRF, MUF) provést základní hodnocení dle normativních požadavků, tj. zatřídění typu lepidla I, II dle minimálních hodnot smykových pevností dané EN 301. Bylo ověřeno, že tato lepidla splňují dané poaždavky, navíc byly ověřeny i vlivy různých směšovacích poměrů lepidla/tužidla, která nevykázala ve všech expozičních třídách předpokládaný trend snižujících se středních hodnot smykových pevností. Tato lepidla byla vybrána pro svoji relativně dlouhou dobu, po kterou jsou používána, čímž je ověřena i jejich dlouhodobá spolehlivost vůči degradačním činitelům. V následujících etapách řešení projektu budou použita lepidla ostatní, novodobá, která se vystaví zrychleným testům trvanlivosti a bude sledována jejich spolehlivost a životnost, aby mohla tato lepidla být certifikována pro novodobé nosné lepené prvky. Na všech zkušebních vzorcích bude provedeno měření pomocí IR spektroskopie, kterou se bude sledovat stav degradace polymerního adheziva vlivem degradace UV zářením, zvýšenou teplotou či cyklickým působením vlhkosti bez zátěžě a pod dlouhodobým zatížením.
Poděkování
Výsledky uvedené v příspěvku byly vytvořeny za finanční podpory projektu GAČR P104/11/1557 Komplexní hodnocení trvanlivosti lepených dřevěných prvků.
Literatura
- [1] Karlsson, S., and Wong, M. Experimental evaluation of the test methods EN 302-1 and ASTM D905 for wood-adhesive bonds. Technical report.
- [2] EN 302-1:1992 E. Adhesives for load-bearing timber structures – Test methods – Part 1: Determination of bond strength in longitudinal tensile shear. European Committee for Standardization.
- [3] Nová, Šárka. Hodnocení kvality lepidel pro dřevěné konstrukční materiály : diplomová práce. Brno, 2011. 81 s. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební.
Adhesives used for timber are more rigid and more durable than wood, but also have much greater resistance to water. Despite this fact the way of using of different synthetic resins influences design of these members in different service classes. Phenol-formaldehyde (PF), resorcinol-formaldehyde (RF), phenol-resorcinol-formaldehyde (PRF) resins are generally used as a binder for exterior grade members production. Melamine-formaldehyde (MF) and Melamine-urea-formaldehyde resin is slightly less durable than these above. Products bonded with polyvinyl acetate (PVAc) and protein-based adhesives will not withstand prolonged exposure to water or repeated high–low moisture content cycling in bonds of high density woods. Some isocyanate, epoxy, polyurethane, and cross-linked polyvinyl acetate adhesives are durable enough to use on lower density species even under exterior conditions. This paper deals with different types of adhesive from the durability point of view by comparing strength properties, and considering the possibility of IR analyzing.