Je možné ošetřit dřevo bez chemie?

Průmysl nátěrových hmot již dlouhou dobu vyvíjí stále se zlepšující nátěrové hmoty na dřevo. To bylo možné pouze díky nasměrování zdrojů do výzkumu a programů testování k objasnění základních mechanismů v pozadí a hlavních faktorů, které ovládají proces rozpadu dřeva, včetně procesů absorbce a desorbce vlhkosti, teplotních rozdílů, UV záření a útoků hub nebo hmyzu.

Jedná se o velmi křehkou rovnováhu. Na jedné straně potřebujeme zlepšit účinnost výrobků a na druhé jsme více a více omezováni v našem rozhodování o složkách, které použijeme k vyvinutí výrobků. Na poli biocidních přípravků jsme v minulých desetiletích byli svědky postupného stažení jedné látky za druhou z ekologických nebo zdravotních důvodů. Ve většině případů oprávněně - v případě sloučenin rtuti, PCP, Lindane a TBTN/TBTO - a dokonce starý dobrý CCA (chromátovaný arzeničnan mědi), který byl používán pro tlakové ošetření dřeva, je nyní nahrazován přijatelnějšími alternativami.

KOMPLIKUJÍCÍ LEGISLATIVA

Připravovaná směrnice o biocidních přípravcích má v úmyslu ještě více omezit jejich portfolio pro vývoj výrobků. Proto jsme nuceni využít všech našich schopností k vyvinutí takových nátěrových hmot na dřevo, které již nejsou založeny pouze na biocidních přípravcích pro dosažení požadovaného výkonu. Zažíváme také tlak na stažení nebo omezení úrovně mnoha jiných standardních složek nátěrových hmot, z nichž jsou nejvýznamnější skupinou ředidla neboli VOC všeobecně. V případě architektonických/dekorativních nátěrů je jedním z dlouholetých hlavních cílů snížení úrovně vystavení uživatelů organickým ředidlům - tzv. "syndrom OPS" neboli "poruchy vyvolané užíváním organických ředidel", který je ještě stále hlavním předmětem zájmu mnoha evropských zemí.

Směrnice o nebezpečných látkách (DPD) nás zavedením svého programu "Bezpečnosti práce a životního prostředí" (EHSC) nutí k dalšímu snižování obsahu aromatických uhlovodíků v lakovým benzínem ředitelných barvách. Co se týká kontroly emisí ředidel do životního prostředí, nedávný souhlas EU se směrnicí VOC povede k novým restrikcím obsahu VOC v dekorativních barvách a barvách používaných v autolakýrnictví definováním maximálního přípustného obsahu pro jednotlivé výrobní kategorie, které musí být splněny do roku 2007, a dalším restrikcím platným od roku 2010. Tyto legislativní procesy s konečnou platností urychlují vývoj směrem k nižšímu obsahu VOC ve výrobcích.

NAHRAZENÍ TRADIČNÍHO ZPŮSOBU

V souladu s péčí o nátěrové hmoty a výrobky se již několik desetiletí věnujeme hledání způsobu, jak snížit obsah organických ředidel v nátěrech na dřevo. V tomto směru se vyvinula dvojí strategie dalšího rozvoje. Jednou z nich je nahrazení tradičních lakovým benzínem ředitelných barev na bázi alkydové pryskyřice alternativou vodou ředitelných barev (WB). Jedná se o samozřejmé řešení a současné WB nátěry na dřevo - s vynikající trvanlivostí - vskutku získaly značný podíl na trhu v nordických zemích a ve Velké Británii, ačkoliv hlavně ve formě neprůhledných mořidel, které jsou založeny na bázi akrylátové disperze a alkydové emulze, umožňující, že se barvy mění z tmavších na světlejší odstíny.

Průkopníkem vývoje WB produktů jsou části společnosti - Sadolin, Cuprinol a Nordsjö, které mají silnou pozici na těchto trzích, zatímco tradiční produkty jsou ještě stále preferovány mnoha uživateli ve střední a jihovýchodní Evropě - obzvláště pro venkovní použití. Poněvadž jsou uživatelé venkovních nátěrů na dřevo celkem konzervativní zákazníci, výrobky WB nejsou propagovány jako takové, ale jsou spíše označovány jako "rychleschnoucí XXX" kvůli zakrytí zjevně neúnosné kombinace vodou ředitelného nátěru a dřeva.

Další strategií je zvýšení obsahu pevných látek v lakovým benzínem ředitelných produktech, čímž se sníží podíl VOC. Ve společnosti Akzo Nobel se tímto vývojem zabývá další její část - Sikkens. Je založen na patentované technologii na bázi pryskyřice s vysokým podílem pevných látek (dále HS technologie), která umožňuje vyvíjet vysoce kvalitní nátěry na dřevo s obsahem pevných látek až 75 % - ve srovnání s 30 až 50 % v tradičních produktech - s vynikající trvanlivostí.

HS produkty, obzvláště v případě venkovního použití, ve stále větší míře nahrazují tradiční produkty, ačkoliv je jejich celkový tržní podíl nadále limitovaný - je to způsobeno konzervativním postojem uživatelů v tomto tržním segmentu. Technologie vysokého podílu pevných látek na vodní bázi (WBHS), která je předmětem této práce, umožnila kombinovat některé vlastnosti WB a HS technologií a tím sjednotila dvě vývojové strategie, které jsme sledovali během posledních desetiletí.

INOVATIVNÍ TECHNOLOGIE HYBRIDNÍHO POJIVA

Základní vývoj týkající se pryskyřice započal před více než dekádou v okamžiku, kdy byla podepsána dohoda o společném vývoji mezi společnostmi Hoechst-Perstorp ABA (později Perstorp-Clariant AB/Celanese Nordic AB) a Akzo Nobel. V roce 1996 tato kooperace vedla ke společné přihlášce k patentu na "technologie hybridního pojiva a její použití" (water-borne hybrid binder composition and use thereof), který jim byl později přidělen. Společně sponzorovaná doktorská práce na Univerzitě v Lundu dále přispěla k osvětlení základních rysů této technologie.

Nejvíce tradiční WB nátěry jsou založeny na disperzi polymeru různého druhu, jako např. akryláty, styren-akryláty, vinyl acetát nebo polymery tlaku (pressure polymers). Základní koncept technologie WBHS zahrnuje použití dostupné vody pro pokračovací fázi disperze polymeru za účelem emulgace druhotné pryskyřice. Tímto způsobem obdržíme hybridní pojivo se zvýšeným obsahem pevných látek (obsahující méně vody). Při zvýšení obsahu pevných látek obvykle dochází ke zvýšení viskozity na úroveň, která činí takto vyvinuté produkty neaplikovatelnými. Pokud využijeme invence patentu, je možné, za předpokladu důkladné optimalizace, vyrobit hybridní pryskyřici s obsahem pevných látek 70 - 80 % ve srovnání se 45 - 55 % u konvenčních WB pojiv, při udržení použitelné hladiny viskozity.

Patentovaná procedura rovněž nabízí široký rámec možností propojení velkého množství různých typů pryskyřice a chemie vytvrzování, což umožňuje upravit vlastnosti nátěrového filmu vyvinutého produktu tak, aby splňovaly specifické požadavky a konečný účel.

HYBRIDNÍ PRYSKYŘICE

V této studii jsme se soustředili na vývoj hybridních pryskyřic vhodných pro vysoce kvalitní nátěry na dřevo pro neprůmyslové aplikace a zabývali jsme se hlavně kombinací akrylátové disperze a na vzduchu schnoucí alkydové pryskyřice.

Klíčem ke kontrole počtu klíčových vlastností je volba optimálního poměru pryskyřice a distribuce velikostí částic. Technologie umožňuje také vytváření rozdílných struktur kapalné fáze, což ovlivní morfologii a tudíž také vlastnosti následného nátěrového filmu. Pro všechny WB systémy nátěrů je důležité kontrolovat vzájemný podíl fyzického sušení a uvolňování vody, což často ukazuje méně než optimální dobu zavadnutí/vlastnosti odvodnění. Vzorek na akrylátové bázi projevuje vysokou hladinu odpařování vody a vzorek na bázi alkydové emulze nízkou hladinu, zatímco se ukazuje, že hybridní pryskyřice mohou být do jisté míry navrženy na požadovanou hodnotu odpařování.

Nejdůležitější částí jsou však vlastnosti suchého nátěrového filmu. Zaprvé je potřeba zvolit vhodnou kombinaci s pryskyřicí, která by zajišťovala vysokou úroveň odolnosti vůči degradaci způsobenou UV zářením ze slunečního světla. Film musí být dostatečně flexibilní/roztažitelný, aby umožňoval dost podstatné rozpínavé, resp. smršťující pohyby dřevěného podkladu, aniž by docházelo k praskání a odlupování - obzvláště důležité, pokud je použit pro takzvaně "nestabilní" podklady. Na závěr je potřeba nalézt pryskyřičný systém s vysokou schopností penetrace do podkladu za účelem zajištění adheze a blokování průniku vody. Abychom toho dosáhli, je nutno nalézt vhodnou morfologii suchého filmu.

NÁTĚRY PRO VENKOVNÍ POUŽITÍ

Poté, co jsme se naučili používat technologii hybridní pryskyřice, začali jsme se zabývat vyvíjením prototypních průhledných i neprůhledných nátěrů na dřevo s obsahem tuhých látek mezi 60 - 70 % a jejich srovnáním s běžně dostupnými výrobky. Výsledky prokázaly, že použitím této technologie můžeme eliminovat množství omezení u vlastností současných vodou ředitelných (WB) produktů a produktů na bázi ředidla s obsahem tuhých látek (SBHS) při současném udržení jejich atraktivních vlastností. Specifické vlastnosti jakéhokoli produktu založeného na této technologii se samozřejmě budou lišit nejen v závislosti na zvoleném druhu hybridní pryskyřice, ale také na parametrech vývoje.

> Aplikační vlastnosti

Reologický profil může být přizpůsoben pro splnění požadovaných aplikačních vlastností - v rozmezí od vodových mořidel na dřevo až po tixotropní nátěry pro vysoké zatížení, které umožňují aplikaci 100 mikrometrů suchého filmu na nátěr. Tímto způsobem můžeme obdržet jednovrstvé krytí i pro aplikace, kde standardní nátěry na dřevo toho nejsou schopny.

> Penetrace

Většina WB nátěrů na dřevo je v otázce průniku do podkladu podřízena svému SB protějšku. Jedná se o zřejmou nevýhodu, nejen kvůli tomu, že nevhodná mokrá nebo suchá adheze může vést k předčasnému odlupování, ale také proto, že tato vlastnost hraje důležitou roli ochrany před dalšími způsoby porušení povlaku. Někdo by mohl říci, že jakýkoli nátěrový materiál, který zmizí při penetraci do dřevěného podkladu spíše než aby zůstal na povrchu a vytvořil štít proti slunci a dešti, je pouhým plýtváním, avšak není tomu tak.

Projektové práce v britském BRE ukázaly, že velká část pravidelného slunečního svitu proniká celých 75 až 100 mikrometrů do (nenatřeného) vzorku dřeva, ve kterém způsobí obvyklou degradaci ligninu. Tudíž penetrace první vrstvy může být použita k přenosu UV absorbérů a složek HALS (světelné stabilizátory na základě stíněných aminů, hindered amine light stabiliser) - spolu s biocidními přípravky, které ochrání dřevo skrze zničení hub nebo hmyzu - tam, kde budou potřeba.

Další výhodou pronikajícího nátěru je omezení průniku vody pomocí zaplnění částí, které více absorbují, zvláště v případě jehličnatého bělového dřeva, které je méně trvanlivé, poskytuje rozměrovou stabilitu, a tedy jistým způsobem kompenzuje zvýšené použití nekvalitního nebo rychle vypěstovaného dřeva ve stavebnictví. Nátěry na bázi ředidla s obsahem tuhých látek (SBHS) umožňují velmi dobrý laterální průnik do jehličnatého dřeva s hloubkou penetrace 150 až 200 mikrometrů.

Když je rozpustné barvivo aplikováno na povrch špalku skotské borovice, který je následně nařezán a prozkoumán pod světelným mikroskopem, výsledky ukazují hladinu laterálního průniku podobnou hladině SBHS produktu (nějakých 180 mikrometrů). Srovnatelná hloubka penetrace je dosažitelná s WB mořidly (obvykle s obsahem méně než 10 % tuhých látek), ale v případě WBHS produktu, kde obsah pevných látek překračuje 50 %, se jedná o dodatečnou výhodu efektu výplně prázdných míst, který napomáhá blokování průniku vody do podkladu.

> Test vstřebání kapaliny

Pro posouzení schopnosti WBHS nátěrů blokovat průnik kapaliny byly vyhodnoceny tři různé verze neprůhledného WBHS mořidla na dřevo dle EN 927-5 a jako reference byl použit výběr komerčních WB a SB neprůhledných mořidel na dřevo. Byly aplikovány dva nátěry stejného výrobku na zkušebním vzorku, jak je vymezeno ve standardu, a bylo dosaženo tloušťky suchého filmu v rozmezí 80 mikrometrů až k 180 mikrometrů v případě WBHS produktů. Mořidla WBHS prokázaly velmi dobrou účinnost s výsledky od 45 do 50 g/m2, což je ještě méně než třetina navrhovaného limitu 175 g/m2 pro vyhovění prvotřídnímu dřevu a srovnatelné s hodnotami obdrženými u vysoce kvalitních produktů na bázi organického ředidla.

> Propustnost vodních par

Zatímco bychom rádi omezili vstřebávání vody v kapalném skupenství, "prodyšný" nátěrový systém - otevřený transmisi vodních par - je preferovanou volbou pro nejvíce venkovních aplikací na zdivo a také na dřevo, protože snižuje riziko vody uchycené vevnitř v podkladu. Pro méně trvanlivé druhy dřeva, jako například smrk a borovice, udržení hladiny vlhkosti pod 18 - 20 % je celkem zásadní, protože se jedná o dolní hranici rozvinutí hniloby způsobené houbou třídy Basidiomycetes.

Tři vzorky neprůhledného WBHS mořidla byly testovány podle EN/ISO 7783-1 a přinesly hodnoty PAM 100 (propustnost vodních par měřená při 100 mikrometrů tloušťce suchého filmu) v rozmezí od 3,3 do 3,7. To je podobné výsledkům obdrženým u vysoce kvalitních nátěrů pro fasády, zatímco reference nátěrů SB dosahují hodnoty PAM 100 nad 10,0.

TESTOVÁNÍ ŽIVOTNOSTI

Společnost Akzo Nobel vedla mnoho let testování urychlené expozice v jisté oblasti ve švýcarských Alpách ve výšce 1400 metrů nad hladinou moře. Panely o rozměrech 14 x 100 cm byly vystaveny pod úhlem 45° směrem k jihu a meteorologická data byla dostupná v blízko umístěné meteorologické stanici. Na tomto místě jsou natřené panely vystavovány vysoké úrovni UV záření a srážkám a také celkem zásadním a rychlým změnám teploty povrchu. V průběhu rána mohou být pokryty sněhem, který později roztaje vlivem slunce, dosáhne během dne teploty povrchu až 70 °C a následně zmrzne znovu ve večerních hodinách. Ačkoli se povětrnostní podmínky rok od roku liší, stanovili jsme průměrný faktor zrychlení mezi 2 a 3 ve srovnání se "standardní" expozicí v západní Evropě.

Panely jsou dvakrát ročně zhodnoceny, co se týká eroze, odlupování, praskání a všeobecného vzhledu podle ISO 4628, doplněné o měření lesku. Dvě varianty průhledného WBHS mořidla aplikovaného ve dvou vrstvách byly porovnány se standardními hybridními mořidly WB a SB s obsahem tuhých látek a prokázaly perfektní výkon a velmi dobrou kondici po třech letech expozice, což odpovídá životnosti 7 - 8 let. Podle očekávání, neprůhledné varianty dokazují dokonce ještě vyšší účinnost a životnost.

ZNETVOŘENÍ V DŮSLEDKU POVRCHOVÉ PLÍSNĚ

V posledních letech začíná být znetvoření venkovních povrchů plísněmi hub nebo řasami čím dál větším problémem v různých částech Evropy. Konkrétní příčina nebyla dosud určena, ale jako možné důvody byly citovány globální oteplování/skleníkový efekt, "zemědělské znečištění" z nadměrného používání přírodních hnojiv (hnůj), bujení nových/jiných druhů hub a samozřejmě nedostatek produktů obsahujících "staré dobré" biocidy jako PCP nebo sloučeniny rtuti.

Zůstává faktem, že vysoce účinné nátěrové systémy na dřevo ve zvýšené míře ukazují neadekvátní životnost kvůli předčasnému selhání ochrany proti znetvoření povrchu v jednotlivém bodě, zatímco nátěrový film jako takový je v dobrém stavu. Ačkoli WBHS produkty zajistí skutečně nadprůměrnou ochranu díky výborným penetračním vlastnostem a nízkou absorpci kapalné vody, naše společnost uskutečnila projekt, který má pomoci zvolit optimální kombinaci biocidů, aby čelila tomuto problému.

Zpočátku testování probíhalo v laboratoři na filtračním papíře podle IBRG procedury, a poté byly nejúspěšnější kombinace vystaveny na naší stanici na západním pobřeží Norska, kde dochází k rapidnímu znetvoření v důsledku vysoké úrovně srážek. Referenční nátěr (2023) - komerční WB neprůhledné mořidlo na dřevo - ukazuje silné poškození povrchu houbami po pouhých 12 měsících expozice, zatímco WBHS protějšek (2012) je stále v dobrém stavu.

NAŠLO SE ŘEŠENÍ

Komplexní testování formou laboratorní a venkovní expozice ukázalo, že je možné za účelem vyvinutí vysoce účinných venkovních nátěrů na dřevo nalézt mnoho potenciálních výhod, které nabízí nová WBHS technologie na bázi hybridní pryskyřice ve srovnání s jinými ekologicky nezávadnými typy pryskyřice. Současný projekt také posloužil k demonstraci životaschopnosti tohoto konceptu jako slibné platformy pro vývoj širšího rámce unikátních, vysoce účinných, poddajných nátěrových produktů založených na této technologii.

J. H. Olsen
manažer výzkumu a vývoje pro skandinávské země společnosti AkzoNobel