Nekompatibilita medzi EPS polystyrénom a povlakovou krytinou na báze PVC-P
Úvod
Stavebný trh sa neustále dopĺňa novými materiálmi. Nové materiály v stavebníctve znamenajú prevažne progresívny pokrok v oblasti materiálového výskumu, alebo si aspoň hľadajú nové miesto na trhu, ako určitá náhrada tradičných materiálov. Strešná konštrukcia pozostáva z viacerých funkčných vrstiev a ich primárna funkcia kladie požiadavky na ich materiálovú bázu. Preto je v strešnom plášti nemožné, až na niektoré výnimky, vyhnúť sa kombinácii materiálov.
Používanie povlakových krytín na báze PVC-P môžeme datovať najmä od druhej polovice 70.rokov minulého storočia. Predpokladalo sa, že použitím tohto materiálu pre povlakové krytiny, budú odstránené všetky poruchy z hľadiska hydroizolačnej techniky. Skutočnosť je iná a môžeme konštatovať, že sa vyskytujú ,,nové" poruchy. Problematika takýchto krytín je vysoko aktuálna a od 90. rokov minulého storočia nadobudla nové rozmery v dôsledku otvorenia sa zahraničnému trhu. Na základe týchto skutočností smerujem môj prebiehajúci a plánovaný výskum k problematike povlakovej krytiny plochých striech z PVC-P.
Degradácia ako dôsledok nekompatibility
Degradácia povlakových krytín na báze PVC-P v spojitosti s EPS polystyrénom znamená zmenu fyzikálno–mechanických vlastnosti materiálu. Na jestvujúcich strešných plášťoch sa nachádzajú poruchy, ktoré signalizujú závažnosť problému (obr.1). Zmena fyzikálno–mechanických vlastnosti materiálu je podnietená uvoľňovaním zmäkčovadiel zo štruktúru PVC-P hmoty. Migrácia zmäkčovadiel obsahuje difúziu zmäkčovadla v rámci polyméru a transport z povrchu polyméru do okolitého média [1]. Migrácia nastáva v prípade, že PVC-P je v priamom kontakte s iným polymérom a zmäkčovadlá migrujú do tohto materiálu [2]. Uvoľňovanie zmäkčovadiel z PVC-P do iného polymérneho materiálu je možné, ak odpor na rozhraní dvoch materiálov neje príliš vysoký a zmäkčovadlo je viac kompatibilné s primajúcim materiálom [3]. Účinok migrácie zmäkčovadiel sa prejaví na primajúcom materiáli, ale aj na mechanických vlastnostiach samotnej hmoty PVC-P.
Zamedziť nepriaznivej interakcii medzi nekompatibilnými materiálmi je možné pomocou separačnej geotextílie min. 200g/m2. Norma na stanovenie min. hodnoty separácie medzi EPS a PVC-P však neexistuje. V experimente sme použili separačnú geotextíliu PES 300g/m2. Ide o porovnanie správania sa povlakovej krytiny na báze PVC-P vystuženej PES výstužnou sieťkou, ak je uskladnená v nasledovných kombináciách:
- priamy kontakt s EPS polystyrénom,
- kontakt separovaný separačnou geotextíliou PES 300g/m2,
- kontakt separovaný separačnou geotextíliou PES 300g/m2 s pridaním 15ml vody.
Meranie nekompatibility
Pre urýchlenie degradačného procesu boli vzorky fólie na báze PVC-P uskladnené po dobu 90 dní v teplovzdušnej sušiarni (obr. 2) s nútenou cirkuláciou vzduchu pri konštantnej teplote 60°C v uvedených kombináciách.
Meranie nepredstavuje simuláciu reálnych klimatických podmienok. Je založené na porovnaní správania sa fólií na báze PVC-P pri kontakte s nekompatibilnými materiálmi a bez kontaktu. Vzorky fólií PVC-P boli pred vložením do sušiarne podrobené meraniu hmotnosti, priečnych a pozdĺžnych rozmerov a hrúbky. Vzorka EPS polystyrénu je taktiež podrobená meraniu hmotnosti a hrúbky. Po 90-dňovom starnúcom cykle pri teplote 60°C boli vzorky vybrané zo sušiarne, oddelené a ponechané 24hodín pred zahájením skúšok.
Na odhalenie prípadných zmien boli použité nasledovné skúšky:
- stanovenie ťahových vlastností (pevnosť, predĺženie, modul pružnosti),
- stanovenie rozmerovej stálosti,
- stanovenie ohybnosti pri nízkych teplotách,
- stanovenie hrúbky a hmotnosti,
Vzorky EPS polystyrénu, ktoré boli použité v uvedených kombináciách, boli taktiež podrobené meraniu hmotnosti a hrúbky.
Nekompatibilita medzi EPS polystyrénom a povlakovou krytinou na báze PVC-P
Nekompatibilita EPS polystyrénu a fólií na báze PVC-P je spôsobená vylučovanými zmäkčovadlami. Zmäkčovadlá, ktoré migrujú z hmoty PVC-P napádajú jemné steny bunečnej štruktúry EPS polystyrénu (obr.3). Zmäkčovadlá tvoria približne 30% hmoty PVC-P. Zvyčajne sa jedná o monomérne zmäkčovadlá ako sú ftaláty (estery kyseliny ftalovej). Tento typ zmäkčovadiel je do hmoty vmiešaný počas plastifikačného procesu. Zmäkčovadlá nie sú s PVC hmotou chemicky viazané a preto môžu za určitých podmienok hmotu PVC-P opustiť. Množstvo vylúčených zmäkčovadiel závisí od teploty a povahy okolitého prostredia. Niektoré z bežne používaných zmäkčovadiel majú tendenciu migrovať do expandovaného alebo extrudovaného polystyrénu.
Keďže teplota svetlého povrchu jednoplášťovej plochej strechy s povlakovou krytinou na báze PVC-P môže v letných mesiacoch dosiahnuť maximálnu teplotu 60°C, (graf č.1) sú vzorky vystavene tejto teplote 90 dní. V reálnych klimatických podmienkach sa dá povrchová teplota 60°C namerať rádovo v desiatkach hodín za rok.
Teplota spôsobuje exponenciálny nárast v rýchlosti migrácie zmäkčovadiel do pevnej látky. Tie opúšťajú povlakovú krytinu na báze PVC-P a spôsobujú zmenu mechanicko-fyzikálnych ale i chemických vlastností PVC-P.
Zistené a pozorované zmeny PVC-P fólie a EPS polystyrénu
Po 90 dňovom cykle sú vzorky vybrané zo sušiarne a pred meraním sa nechajú stabilizovať. Vizuálnou kontrolou nepozorujeme žiadne zmeny na povrchu fólie z PVC-P avšak vizuálne zmeny na EPS polystyréne, ktorý bol v priamom kontakte s fóliou, sú zjavné. Zmäkčovadlá migrujúce z PVC-P do EPS spoja obidva materiály (obr.4) a vytvoria lepkavú lesklú vrstvu na povrchu EPS (obr.5). Hrúbka EPS polystyrénu sa zmenila z pôvodných 99,83mm na 95,02mm. Ide teda o pokles cca. 5mm po dobe 90dní pri teplote 60°C. Podobnú zmenu hrúbky v rovnakej priamej kombinácii sme zaznamenali na plochej jednoplášťovej streche po dobe expozície 5 rokov.
Dôležité sú aj zmeny mechanických vlastností fólie. Z grafu č.2 je zrejmé, že pridaním separačnej geotextílie dosiahneme zníženie degradácie vyvolanej nekompatibilitou. Graf č.2 znázorňuje zmenu modulu pružnosti E1-2 a predstavuje tuhnutie fólie. Modul E1-2 bol nameraný medzi 1 a 2% predĺžením vzorky pri rýchlosti 1,25mm/min. Fólia separovaná od EPS polystyrénu dosahuje hodnotu E1-2 = 45,12 MPa. Fólia, ktorá bola v priamom styku s EPS polystyrénom dosiahla hodnotu E1-2 = 47,93 MPa. Pridaním 15ml vody do kombinácie spôsobilo, že účinnosť separačnej geotextílie sa znížila. Fólia dosiahla hodnotu modulu E1-2 = 46,32 MPa. Je teda pozorovaný určitý nárast v module pružnosti, ktorý však do tejto doby, nie je sprevádzaný žiadnym viditeľným náznakom degradácie.
Na porovnanie nameraných hodnôt sme odmerali aj modul pružnosti E1-2 pre fóliu na báze PVC-P, ktorá bola odobraná z nemenovanej strechy. Fólia bola zabudovaná v jednoplášťovej plochej streche v priamom kontakte s EPS polystyrénom po dobu cca. 5 rokov bez separačnej geotextílie. Trvalá vlhkosť na rozhraní PVC-P fólie a EPS polystyrénu a vznikajúca pleseň (obr.6) sa zrejme taktiež postarali o zmenu mechanicko – fyzikálnych vlastností fólie. Ako vidieť na grafe č.2, fólia z reálnej strechy má modul pružnosti E1-2 = 58,25 MPa. Znamená to, že reálne klimatické podmienky počas 5 rokov sú náročnejšie ako starnutie vzorky počas 90dní pri teplote 60°C. Samozrejme netreba zabúdať, že na degradácii sa podieľajú aj iné vplyvy (UV – žiarenie, mikroorganizmy, striedanie teplôt ...).
Na vzorkách boli zistené rozmerové zmeny v podobe zmraštenia. Najväčšie zmraštenie o 0,45% v priečnom smere sme zaznamenali na fólii, ktorá síce bola separovaná od EPS polystyrénu, ale do kombinácie sme pridali 15ml vody. Fólia v priamom kontakte vykazovala hodnoty zmraštenia 0,43%. Uvedené zmraštenia však určite nie sú konečné. Sú merané po 90 dňoch na vzorkách o rozmeroch 22,5 x 22,5 mm.
Meranie ohybnosti pri nízkych teplotách ukázalo, že všetky vzorky, ktoré boli vložené do sušiarne po dobu 90 dní, vyhoveli v teste ohybnosti pri teplote -30°C. Vzorka fólie, ktorá bola zabudovaná v jednoplášťovej plochej streche v priamom kontakte s EPS polystyrénom po dobu cca. 5 rokov bez separačnej geotextílie však v skúške ohybnosti nevyhovela (obr.7).
Pôvodná hrúbka fólií použitých v experimente bola 1,5mm. Najväčší pokles hrúbky o 4,7 % bol pozorovaný v priamej kombinácii PVC-P fólie a EPS polystyrénu. Použitie suchej separačnej PES geotextílie 300g/m2 znížilo úbytok v hrúbky fólie. Fólia vykázala pokles hrúbky o 2,53%. Účinnosť separačnej PES geotextílie 300g/m2, ktorá bola nasiaknutá 15 ml vody sa očakávane znížila a jej nižšia účinnosť spôsobila aj pokles v hrúbky fólie o 3,4%. Na grafe č.3 vidíme percentuálne zmeny hrúbky EPS polystyrénu.
Jedným z výsledkov migrácie zmäkčovadiel je pokles v hmotnosti jednotlivých vzoriek fólií. Najväčší pokles hmotnosti bol opäť zaznamenaný u vzorky PVC-P fólie , ktorá bola v priamom kontakte s EPS polystyrénom. Pokles dosiahol 2,79 %. Hlavný podiel na zmene hmotnosti majú zmäkčovadlá, ktoré hmotu PVC-P opúšťajú a to vyparovaním do okolitého prostredia alebo migráciou do EPS polystyrénu. Ich vzájomný pomer je predmetom ďalšieho skúmania. Migrácia zmäkčovadiel teda spôsobila nárast hmotnosti vzorky EPS polystyrénu a to o 2,23%. V ostatných kombináciách kde bola použitá separačná geotextília je pozorovaný pokles hmotnosti o 0,6%. Voda pridaná do kombinácie sa počas degradačného cyklu odparila a nezmenila výslednú hmotnosť EPS polystyrénu..
Záver
Množstvo výhod, ktoré prináša používanie povlakových krytín na báze PVC.P v skladbách plochých striech je stavebnej verejnosti dobre známe. Taktiež používanie tepelného izolantu EPS polystyrénu má svoje opodstatnené výhody. Používanie týchto dvoch materiálov má však svoje zásady. Je zaujímavé, že okrem technologických pravidiel neexistuje norma, ktorá by upravovala separáciu týchto dvoch materiálov. Na plochých strechách sa aj naďalej stretáme s rozmanitým prejavom porúch v spojitosti s nekompatibilitou PVC-P fólií a EPS polystyrénu. Nie vždy je fólia, ktorá bola uskladnená v priamom kontakte s EPS polystyrénom, neschopná plniť hydroizolačnú úlohu. V neposlednom rade je teda odolnosť PVC-P fólií závislá na jej celkovom zložení, ktorú má v rukách samotný výrobca. Našou cieľom je objasniť dôvod a zistiť rozsah degradačných zmien v spojitosti s materiálovou nekompatibilitou spomínaných stavebných materiálov striech. Uvedené zmeny môžu pôsobiť zanedbateľne avšak už z nameraných dát vyplýva, že 90 dňovým cyklom sme nedosiahli parametre fólie, ktorá bola zabudovaná po dobu 5 rokov. Naša pozornosť sa teda upriamuje na predĺženie starnúceho cyklu na 180 dní.
Literatúra
[1] EKELUND, M., et al. Long-term performance of poly(vinyl chloride) cables : Part 2: Migration of plasticizer. , roč.93, č.9/2008, ISSN 0141-3910. s. 1704-1710.
[2] KOVACIC, T., MRKLIC, Z.: The kinetic parameters for the evaporation of plasticizers from plasticized poly(vinyl chloride). , roč.381, č.1/2002, ISSN 0040-6031.
s. 49-60.
[3] STARK, T., et al.Plasticizer retention in pvc geomembranes. [online]. [cit: 2010-04-04]. Dostupné na internete: <http://www.geomembrane.org/TechPapers/PlastReten40769-6370.pdf>.
[4] Šutliak, S.: Nekompatibilné kombinácie materiálov plochých striech. In Strechy, fasády, izolace, ročník 19, č.3/2012. Ostrava. Ringier Axel Springer CZ a.s. 2012. ISSN 1212-0111. s. 65-67.
[5] VAITKUS, S., et al. Experimental Analysis of Structure and Deformation Mechanisms
of Expanded Polystyrene (EPS) Slabs. Materials science (Medžiagotyra). roč. 12, č. 4. 2006. ISSN 1392–1320, s. 323-327.
[6] WINANDY, J.E., BARNES, H.M., FALK, R.H.: Summer temperatures of roof assemblies using western redcedar, wood-thermoplastic composite, or fiberglass shingles. [online]. [cit: 2012-04-04]. Dostupné na internete: <http://fwrc.msstate.edu/pubs/9674.pdf>.
Graf č. 1 Priemerné ročné povrchové teploty na čiernom a bielom povrchu striech [6]
Graf č. 2 Zmena modulu pružnosti E1-2 po dobe expozície 90 dní pri teplote 60°C v porovnaní so vzorkou z reálnej strechy
Graf č. 3 Záporná zmena hrúbky EPS polystyrénu po dobe expozície 90 dní pri teplote 60°C
Obr. 1 Degradácia fólie z PVC-P v dôsledku priameho styku s polystyrénom po dobe expozície 6 rokov (p. Krupka)
Obr. 2 Teplovzdušná sušiareň s nútenou cirkuláciou vzduchu a umiestnenie vzoriek
Obr. 3 Makroštruktúra EPS polystyrénu [5]
br. 4 Migrujúce zmäkčovadlá spoja obidva materiály
Obr. 5 Lesklý lepkavý povrch EPS polystyrénu (vľavo) a povrch EPS bez zmien (vpravo)
Obr. 6 Vzorka PVC-P fólie, ktorá bola uskladnená bez separačnej geotextílie priamo na EPS po dobu 5 rokov, vznikajúca pleseň na spodnej strane a pozostatok roztopeného EPS polystyrénu
Obr. 7 Vzorka PVC-P fólie, ktorá bola uskladnená bez separačnej geotextílie priamo na EPS po dobu 5 rokov, skúškou ohybnosti pri -30°C neprešla