UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA LESARSTVO
Aljaž KORDIŠ
LEPLJENJE LESA Z LEPILOM IZ ODPADNEGA POLISTIRENA
DIPLOMSKO DELO
Visokošolski strokovni študij - 1. stopnja
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA LESARSTVO
Aljaž KORDIŠ
LEPLJENJE LESA Z LEPILOM IZ ODPADNEGA POLISTIRENA
DIPLOMSKO DELO
Visokošolski strokovni študij - 1. stopnja
BONDING OF WOOD WITH THE ADHESIVE FROM WASTE POLYSTYRENE
B. SC. THESIS
Professional Study Programmes
Ljubljana, 2021
stopnja. Delo je bilo opravljeno na Oddelku za lesarstvo, Biotehniška fakulteta, Univerza v Ljubljani, v laboratorijih Katedre za lepljenje, lesne kompozite, obdelavo površin in konstruiranje.
Senat Oddelka za lesarstvo je za mentorja diplomskega dela imenoval prof. dr. Milana Šerneka, za recenzenta pa viš. pred. mag. Bogdana Šego.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednik:
Član:
Član:
Datum zagovora:
Aljaž Kordiš
ŠD Dv1
DK UDK 630*824.839
KG reciklaža, polistiren, dimetilformamid, lepljenje, lepilni spoj, optimizacija, strižna trdnost
AV KORDIŠ, Aljaž
SA ŠERNEK, Milan (mentor)/ŠEGA, Bogdan (recenzent) KZ SI-1000 Ljubljana, Rožna dolina c. VIII/34
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Visokošolski študijski program 1. stopnje Lesarsko inženirstvo
LI 2021
IN LEPLJENJE LESA Z LEPILOM IZ ODPADNEGA POLISTIRENA TD Diplomsko delo (Visokošolski strokovni študij - 1. stopnja)
OP VIII, 45 str., 3 pregl., 21 sl., 2 pril., 43 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Razvoj in produkcija plastičnih materialov sta od druge polovice 20. stoletja pa vse do danes močno narasla, to pa je s seboj prineslo velik ekološki problem. Iz leta v leto svet proizvede vedno več naravno obstojnih plastičnih odpadkov, ki se kopičijo v naravi. Ena izmed rešitev je njihova reciklaža in ponovna uporaba za izdelavo novih izdelkov ali polizdelkov. Reciklirana plastika, predvsem termoplasti, imajo potencial tudi v lesni panogi. V naši raziskavi smo iz odpadnih kavnih lončkov in žličk iz polistirena ter s topilom dimetilformamid izdelali lepilni mešanici za lepljenje lesa ter izdelali lepljence za ugotavljanje strižne trdnosti lepilnih spojev po standardu SIST EN 205:2016. Uporabili smo dve temperaturi stiskanja (150 °C in 120 °C) ter štiri načine temperiranja lepljencev pred odprtjem stiskalnice. S primerjavo različnih postopkov stiskanja smo ugotovili, da lepilo iz lončkov najvišjo trdnost doseže po ohladitvi lepljencev na 75 °C preden smo jih vzeli iz stiskalnice, medtem ko lepilo iz žličk najvišjo trdnost doseže po hlajenju lepljencev na 100 °C ali 25 °C. Ugotovili smo tudi, da se s hlajenjem lepljencev na nižjo temperaturo pred odprtjem stiskalnice bistveno zmanjša variabilnost rezultatov, kar priča o bolj zanesljivih lepilnih spojih.
Zahteve standarda SIST EN 204:2016 smo uspeli doseči z lepljencem, ki je bil zlepljen z lepilom iz lončkov pri temperaturi 150 °C in ohlajen na 75 °C preden smo ga vzeli iz stiskalnice.
ND Dv1
DC UDC 630*824.839
CX recycling, polystyrene, dimethylformamide, gluing, adhesive bond, optimization, shear strength
AU KORDIŠ, Aljaž
AA ŠERNEK, Milan (supervisor)/ŠEGA, Bogdan (reviewer) PP SI-1000 Ljubljana, Rožna dolina c. CIII/34
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Wood Science and Technology, Professional Study Programme in Wood Engineering
PY 2021
TY BONDING OF WOOD WITH THE ADHESIVE FROM WASTE POLYSTYRENE
DT B. Sc. Thesis (Professional Study Programmes) NO VIII, 45 p., 3 tab., 21 fig., 2 ann., 43 ref.
LA sl Al sl/en
AB Since the second half of the 20th century both the development and production of plastic materials have risen strongly, causing a significant ecological problem. Each year the world produces more and more naturally durable plastic waste, which is accumulating in nature. One of the solutions to ease its impact is to recycle and reuse it for new products and intermediate products. Recycled plastic, especially thermoplastic, has great potential in the wood industry. In our research we have used waste coffee cups and spoons made of polystyrene to make two adhesive mixtures, using dimethylformamide as a solvent. To establish the shear strength of adhesive bonds, we made bonded panels according to the instructions by standard SIST EN 205:2016. The idea was to optimize the temperature of hot pressing and to add a cooling procedure to ensure better joint shear strength, which is needed to reach the minimum criteria of the SIST EN 204:2016 standard. We used two temperatures for hot pressing (150 °C and 120 °C) and four ways of panel cooling in a closed press.
After trying out different procedures, we came to the conclusion that the best way to use a coffee cup adhesive is to cool it down to 75 °C, while for the spoon-based adhesive the best bonding method is to cool the joints down to 100 °C or 25 °C. We also found that by cooling the panels in a closed press the consistency of the results increases, which makes the adhesive more reliable. We managed to reach standard criteria with a sample which had been glued with coffee cup adhesive, hot pressed at 150 °C and cooled down to 75 °C before being taken out of the press.
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... II KEY WORDS DOCUMENTATION ... III KAZALO VSEBINE ... IV KAZALO SLIK ... VI KAZALO PREGLEDNIC ... VII KAZALO PRILOG ... VIII
1 UVOD ... 1
1.1 OPREDELITEV PROBLEMA ... 1
1.2 CILJ NALOGE ... 1
1.3 DELOVNE HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 3
2.1 SPLOŠEN PREGLED PLASTIKE ... 3
2.1.1 Razvrščanje plastike ... 4
2.1.2 Pozitivna plat plastike ... 4
2.1.3 Negativna plat plastike ... 6
2.2 UPORABA ODPADNE PLASTIKE ... 7
2.2.1 Zakopavanje odpadkov ... 7
2.2.2 Sežig odpadkov ... 8
2.2.3 Zmanjšanje produkcije plastičnih izdelkov ... 8
2.2.4 Ponovna uporaba ... 9
2.2.5 Recikliranje ... 9
2.2.5.1 Načelo 3R ... 10
2.3 UPORABA ODPADNE PLASTIKE V LESARSTVU ... 11
2.4 PREDHODNA RAZISKAVA KOT TEMELJ DIPLOMSKEGA DELA ... 13
2.5 POLISTIREN ... 14
2.6 DIMETILFORMAMID ... 16
2.7 UVRŠČANJE LEPLJENEGA LESA V TRAJNOSTNE RAZREDE ... 17
3 MATERIAL IN METODE ... 19
3.1 MATERIALI ... 19
3.1.1 Les ... 19
3.1.2 DMF ... 19
3.1.3 Polistiren ... 19
3.2 METODE DELA ... 20
3.2.1 Priprava suhe snovi ... 20
3.2.2 Izdelava lepilne mešanice ... 21
3.2.3 Izdelava preizkušancev za testiranje lepilnih spojev ... 22
3.2.3.1 Parametri stiskanja ... 22
3.2.3.2 Priprava lamel ... 23
3.2.3.3 Postopek lepljenja ... 23
3.2.3.4 Razžagovanje lepljencev v preizkušance ... 26
3.2.4 Ugotavljanje strižne trdnosti lepilnih spojev ... 28
4 REZULTATI IN RAZPRAVA ... 30
4.1 SPLOŠNA OPAŽANJA PRI POSTOPKU IZDELAVE LEPLJENCEV ... 30
4.2 STRIŽNA TRDNOST LEPILNIH SPOJEV IN DELEŽ LOMA PO LESU ... 31
4.3 POTENCIAL RABE LEPILA V PRAKSI ... 37
5 SKLEPI ... 38
6 POVZETEK ... 39
7 VIRI ... 41
Slika 1: Stiren (levo) in polistiren z molekulsko maso n (desno) (Polystyrene …, 2021) .. 15
Slika 2: Sinteza polistirena v treh korakih (Polymerization …, 2021) ... 16
Slika 3: Molekulska struktura dimetilformamida (N,N-Dimethylformamide, 2021) ... 16
Slika 4: Kavni lonček in žlički iz polistirena ... 19
Slika 5: Zdrobljene kavne žličke ... 20
Slika 6: Meritev mase lističev kavnih lončkov ... 21
Slika 7: Lepilni mešanici žličk (levo) in lončkov (desno) po dveh dneh od njune priprave 22 Slika 8: Stiskanje lepljencev v vroči stiskalnici ... 25
Slika 9: Naprava za merjenje temperature s pomočjo termočlenov ... 26
Slika 10: Lepljenci po vročem stiskanju... 26
Slika 11: Skica razžagovanja lepljenca v preizkušance za ugotavljanje strižne trdnosti lepilnih spojev ... 27
Slika 12: Skica preizkušanca za ugotavljanje strižne trdnosti lepilnih spojev ... 28
Slika 13: Preizkušanec vpet v čeljusti testirnega stroja ZWICK/Z005 ... 29
Slika 14: 75 % (levo) in 0 % (desno) lom po lesu ... 29
Slika 15: Temperatura lepilnega spoja med segrevanjem in ohlajanjem lepljenca Ž 150-75 ... 31
Slika 16: Strižna trdnost preizkušancev stiskanih pri 150 °C ... 33
Slika 17: Strižna trdnost preizkušancev stiskanih pri 120 °C ... 33
Slika 18: Strižna trdnost lepilnih spojev iz kavnih lončkov glede na temperaturo ohlajanja v zaprti stiskalnici ... 34
Slika 19: Strižna trdnost lepilnih spojev iz kavnih žličk glede na temperaturo ohlajanja v zaprti stiskalnici ... 35
Slika 20: Koeficient variacije rezultatov strižnega testa preizkušancev stiskanih pri 150 °C ... 36
Slika 21: Koeficient variacije rezultatov strižnega testa preizkušancev stiskanih pri 120 °C ... 36
Preglednica 1: Področja uporabe in klimatski pogoji glede na trajnostni razred
plastomernih lepil za lepljenje lesa za nekonstrukcijsko rabo ... 17 Preglednica 2: Način priprave preizkušancev za razvrščanje plastomernih lepil za lepljenje lesa za nekonstrukcijsko uporabo v trajnostne razrede in zahtevane strižne trdnosti spojev ... 18 Preglednica 3: Povprečna strižna trdnost in delež loma po lesu preizkušancev pri različnih pogojih stiskanja ... 32
PRILOGA A: Rezultati meritev in osnovna statistika strižne trdnosti spojev in deleža loma po lesu pri stiskanju lepljencev pri 150 °C
PRILOGA B: Rezultati meritev in osnovna statistika strižnih trdnosti spojev in deleža loma po lesu pri stiskanju lepljencev pri 120 °C
1 UVOD
1.1 OPREDELITEV PROBLEMA
Uporaba plastičnih izdelkov je v svetu izjemno razširjena, življenja brez njih pa si skoraj ne znamo predstavljati. Za plastiko je značilno predvsem njeno stroškovno učinkovito pridobivanje, predelava in vsestranska uporabnost, ki zvišuje življenjski standard. Plastiko smo dojemali kot enega najkoristnejših materialov, skozi leta uporabe pa se je človeštvo seznanilo z njenimi številnimi negativnimi posledicami. Zaradi sintetične zgradbe in počasnega razkrojnega procesa se kopiči čedalje več plastičnih odpadkov, ki onesnažujejo naše okolje.
S to okoljsko problematiko, ki je dandanes v svetu še posebej aktualna, se ukvarjajo številne organizacije in znanstveniki. Mnogi raziskovalci poskušajo najti različne načine njenega recikliranja in ponovne uporabe. Nekaj raziskav je bilo med drugim opravljenih tudi na področju recikliranja termoplastičnih polimerov, ki predstavljajo zanimiv potencial tudi za izdelavo lepil za les.
Ena izmed teh raziskav je obravnavala možnosti uporabe odpadnega polistirena (iz žličk in lončkov za kavo) za izdelavo lepilnih mešanic za lepljenje lesa. Slednja je pokazala, da je izmed petih uporabljenih topil za pripravo lepilnih mešanic obetajoče topilo dimetilformamid (DMF). Zato je smiselno obetajoči lepilni mešanici modificirati in optimizirati parametre stiskanja z namenom doseganja kakovosti zlepljenosti, ki ustreza standardnim zahtevam za plastomerna lepila za nekonstrukcijsko uporabo.
1.2 CILJ NALOGE
Cilj raziskave je s topilom DMF pripraviti različne lepilne mešanice polistirena iz odpadnih plastičnih žličk in lončkov za kavo ter jih uporabiti za izdelavo lepila za lepljenje lesa. Pri lepljenju bomo spreminjali temperaturo stiskanja in način hlajenja lepljencev v zaprti stiskalnici, da bi dosegli čim večjo kakovost zlepljenosti. Cilj naloge je, da vsaj z eno od lepilnih mešanic pri določenih parametrih stiskanja dosežemo standardno določeno minimalno strižno trdnost.
1.3 DELOVNE HIPOTEZE
Predvidevamo, da imata temperatura stiskanja in način hlajenja lepljenca poglavitno vlogo pri nastanku kakovostnega lepilnega spoja iz termoplastičnega polistirena. Višja temperatura pospeši izparevanje topila iz lepilne mešanice, medtem ko hlajenje vpliva na trdnostne lastnosti polimera in s tem lepilnega spoja.
Predpostavljamo, da bodo lepilni spoji, ki jih bomo po postopku vročega stiskanja v stiskalnici še dodatno ohladili na nižjo temperaturo, dosegli višjo strižno trdnost od tistih, ki jih bomo iz stiskalnice vzeli takoj po poteku faze vročega stiskanja. Naša hipoteza je, da se trdnost lepilnega spoja občutno izboljša takrat, ko temperatura lepilnega spoja pade pod točko steklastega prehoda, ki v primeru polistirena znaša okoli 100 °C.
2 PREGLED OBJAV
2.1 SPLOŠEN PREGLED PLASTIKE
Človeštvo pozna plastiko že več kot stoletje. Izum prvega popolnoma sintetičnega materiala sega v leto 1907, ko je belgijsko-ameriški kemik in izumitelj Leo Hendrik Baekeland pod visokim tlakom in temperaturo zmešal fenol s formaldehidom. Izdelal je prvi sintetični duromer, poimenovan bakelit. Nihče ni pričakoval, da bo njegov izum popolnoma preoblikoval svet, zato ne preseneča, da je dandanes znan kot oče plastične industrije (Achilias in sod., 2012; Pelley, 2018).
Razmah produkcije in uporabe plastičnih izdelkov in posledično pričetek kopičenja njenih odpadkov se je pričel v 50-ih letih prejšnjega stoletja. Sprožila ga je kombinacija dejavnikov, med katere prištevamo predvsem nagel porast svetovne populacije po drugi svetovni vojni ter želja ljudi po boljšem in kvalitetnejšem življenju (Achilias in sod., 2012). Leta 1950 je bilo na svetu proizvedene 1,5 milijonov ton plastike, v zadnjih desetletjih pa se je proizvodnja močno povečala. Leta 2015 je ta vrednost znašala že kar 322 milijonov ton (Plastični …, 2018).
S pojmom plastika ne označujemo samo enega določenega materiala, temveč ta zajema širok spekter materialov, ki se medsebojno razlikujejo po njihovih lastnostih, sestavi in strukturi (Pintarič T. in Pintarič F., 2017). Izraz plastika izhaja iz grške besede »plastikos« in pomeni sposobnost plastičnega preoblikovanja materiala v fazi predelave oziroma izdelave. Tak material lahko stiskamo, brizgamo, vlivamo ali ekstrudiramo v raznorazne oblike, po ohladitvi pa le-to ohranijo (Plastics …, 2020).
Plastika je v bistvu drug izraz za sintetične polimere. Gre za snovi, zgrajene iz dolgih makromolekul, ki so sestavljene iz ponavljajočih se osnovnih enot, imenovanih monomeri.
Izraz polimer izhaja iz dveh grških besed: »poly« (mnogo) in »meros« (enota, del). Verige polimerov lahko vsebujejo več tisoč osnovnih enot, njihov osnovni sestavni element pa je ogljik (C). Slednjega plastična industrija pridobiva predvsem iz fosilnih goriv, torej nafte in zemeljskega plina. V teoriji bi lahko ogljik pridobivali tudi iz drugih surovin, kot sta oglje in les, ali pa celo iz atmosferskega ogljikovega dioksida, vendar njihova izraba ni ekonomična. Predelava fosilnih goriv v polimere je precej bolj enostavna in cenejša (Pintarič T. in Pintarič F., 2017).
V osnovi ločimo tri vrste reakcijskih procesov formiranja polimerov: stopenjska polimerizacija, polikondenzacija in adicijska polimerizacija.
Adicijska polimerizacija je najpreprostejša oblika nastanka polimerov. Gre za pripajanje nenasičenih monomernih molekul k rastoči polimerni verigi. Drugače velja za stopenjsko polimerizacijo, kjer je proces malce bolj zapleten. Tu se spajajo monomeri z več funkcionalnimi skupinami, torej z več mesti, kjer lahko poteče reakcija. Posledično lahko v
zmesi že nastale polimerne verige dodatno reagirajo z ostalimi verigami, kar povzroči nastanek velikih polimernih makromolekul (Petrič, 2008). Polikondenzacija je proces, pri katerem se vsaj dva različna monomera preko reakcijsko sposobnih skupin spojita, ob tem pa se kot stranski produkt izloči nizkomolekularni produkt, kot sta na primer voda ali amonijak. Tipični predstavniki polimerizacije so poliamidi, poliestri in polikarbonati (Pintarič T. in Pintarič F., 2017).
2.1.1 Razvrščanje plastike
Plastični materiali se med seboj zelo razlikujejo. Plastiko lahko kategoriziramo na različne načine, eden najbolj uporabnih med njimi je delitev na termoplaste, duroplaste ter elastomere.
Glavna značilnost termoplastičnih mas je, da se s povišanjem temperature lahko zmehčajo ali utekočinijo, ob ohlajanju pa utrdijo. Njihova prednost pred ostalimi je reciklaža oziroma večkratna predelava, slabost pa neodpornost na povišano temperaturo, saj se hitro pričnejo mehčati, ob tem pa izgubijo svoje mehanske lastnosti. V svetu so termoplasti najbolj razširjena skupina plastičnih mas, med najbolj popularnimi pa so polietilen (PE), polipropilen (PP), polistiren (PS) in polivinil klorid (PVC). Glede na strukturo so termoplasti linearni razvejani polimeri (Pintarič T. in Pintarič F., 2017).
V nasprotju s termoplasti so duromeri nezmožni mehčanja in taljenja pri višjih temperaturah, zato je njihov potencial reciklaže bistveno manjši. Nesposobnost večkratnega plastičnega preoblikovanja je posledica njihove notranje zgradbe. Makromolekule so bolj ali manj zamrežene, povezujejo pa jih močne kovalentne vezi. Takšni materiali so trdi, krhki in togi.
Zaradi negorljivosti in dobre dimenzijske stabilnosti so koristni predvsem v elektrotehniki.
Med pomembne duromere spadajo: formaldehidne smole, melaminske smole, poliepoksidne smole, zamreženi poliestri in podobno (Petrič, 2008).
Elastomeri so po svoji zgradbi večinoma amorfni polimeri, zaznamuje pa jih sposobnost velike elastične deformacije. V neobremenjenem stanju so makromolekule zavite v klobčič, s povečevanjem natezne sile pa se verige raztegnejo, plastično deformacijo pa zavira njihovo zamreženje. Po prenehanju obremenitve se elastomeri povrnejo v začetno stanje (Petrič, 2008).
2.1.2 Pozitivna plat plastike
Čeprav se je plastika pojavila že v prejšnjem tisočletju, jo številni imenujejo kar material tretjega tisočletja. Razlogov za to je več. Po svoje je plastika s seboj prinesla novo industrijsko revolucijo, saj je po volumnu in vrednosti svetovne proizvodnje že dobrih 20 let pred jeklom (Pintarič T. in Pintarič F., 2017). Vrednost njenega trga naj bi v letu 2019 znašala 450,88 milijard ameriških dolarjev, do leta 2027 pa naj bi ta narasla na 579,19 milijard (Plastic Market …, 2020). Največja proizvajalka plastike na svetu je Kitajska in
obsega 31 % vse globalne produkcije. Sledi združba NAFTA (Kanada, ZDA in Mehika) z 19 % (Distribution …, 2020). V ZDA je plastična industrija na 3. mestu, zaposluje pa približno 1,4 milijone ljudi (Plastics …, 2021). Podobno je v EU, kjer je v plastični industriji zaposlenih približno 1,56 milijonov ljudi, kot dejavnost pa se po svoji industrijski vrednosti uvršča na skupno 7. mesto (Plastics …, 2020). Statistični podatki nakazujejo, da plastična industrija močno pripomore h globalni ekonomiji, kar pa ni presenetljivo, saj plastiko zaznamujejo številne pozitivne lastnosti.
Med najpomembnejše spada njena dolga življenjska doba, ki je lahko, ob preudarni in večkratni rabi, zelo koristna in okolju prijazna. V tem primeru predstavlja odlično alternativo ostalim materialom s krajšo življenjsko dobo, kar pa pomeni manj porabljene energije za nove izdelke in manj odpadkov. V nasprotnem primeru, torej ob enkratni uporabi, pa je dolga življenjska doba plastike prej breme kot korist (Miller, 2020).
Druga pomembna prednost je njena enostavna produkcija in relativno nizek ekološki odtis.
Za proizvodnjo plastičnih materialov se porabi manj energije kot za predelavo nekaterih drugih, kot so na primer aluminij, papir, karton in jeklo. Ti dejavniki se odražajo tudi v njeni nizki ceni, kar še dodatno pripomore k večji dostopnosti in uporabi (Kissinger in sod., 2013;
Miller, 2020).
V skupino plastičnih materialov uvrščamo več tisoč različnih vrst sintetičnih materialov, ki se medsebojno razlikujejo po sestavi in lastnostih. Posledično plastika nudi širok spekter uporabe, od enostavnih embalažnih izdelkov do kompleksnih komponent visoke tehnologije.
Najdemo jo v elektroniki (vezja, upori, kondenzatorji), medicini (aparature, nadomestni deli telesa, …), avtomobilski in vesoljski industriji, informatiki in podobno (Pintarič T. in Pintarič F., 2017).
Pomembna lastnost plastičnih materialov je tudi njihova inertnost in kemična odpornost, kar se s pridom izkorišča v embalažni industriji. S tem se zagotovi varnost in obstojnost živil, pa tudi drugih, na zunanje dejavnike občutljivih surovin (npr. darovana kri v medicini, …).
Prav zaradi pestre izbire plastičnih materialov lahko dosežemo ustrezno zaščito raznoraznih produktov. Poleg embalažne se veliko plastike uporablja tudi v gradbeni industriji. Ker je odlično odporna na korozijo, je idealna za izdelavo cevi, ki se lahko uporabljajo v sladki in slani vodi, v laboratorijske namene in podobno (The Benefits …, 2021).
Določene vrste plastike lahko dosegajo odlične mehanske lastnosti. Dober primer je natezna trdnost na enoto mase, ki je lahko kar 80-krat večja kot pri jeklu (Pintarič T. in Pintarič F., 2017). Posledično je plastika popularna izbira tudi v transportni industriji. Zaradi njene odpornosti na udarce in korozijo ter predvsem nizke mase, se obsežno uporablja za sestavne komponente avtomobilov, tovornjakov in drugih prevoznih sredstev, tudi v aeronavtiki.
Plastika transportnim sredstvom precej znižuje maso, ta pa pomembno vpliva na izkoristek
fosilnih goriv. Izraba goriva je tako bolj gospodarna, intenzivnost onesnaževanja okolja z izpušnimi plini pa nižja. Enako velja za plastično embalažo, ki s svojo nizko maso precej manj obremenjuje tranzitni promet kot ostali, težji materiali (The Benefits …, 2021).
2.1.3 Negativna plat plastike
Ko je govora o slabih lastnostih plastike, večina najprej pomisli na odpadno embalažo, ki se kopiči v naravnem okolju, a vendar je problem precej obsežnejši kot se zdi. Pravzaprav se prva težava plastičnih mas pojavi že v fazi njihovega nastanka. Plastika je tipično izdelana iz fosilnih goriv, ki spadajo v skupino neobnovljivih virov. Večinoma se v ta namen izrabljata nafta in zemeljski plin. Približno 4 % letne produkcije fosilnih goriv se uporabi za predelavo v plastične materiale. Poleg tega celotni produkcijski proces plastike porabi tudi velike količine vode. Pravimo, da ima plastika velik vodni odtis. Zanimiva je predvsem študija iz leta 2011, izvedena pod okriljem Water Footprint Network-a, ki je pokazala, da je za izdelavo ene plastenke za vodo potrebnih dobrih 5 litrov vode. To pomeni, da za izdelavo plastenke porabimo več vode, kot je dejansko spravimo v njo, v večini primerov pa ta nato po enkratni uporabi konča v smeteh (Miller, 2020; Olson-Sawyer in Madel, 2020).
Druga slabost plastike je njena trpežnost in obstojnost v naravi. Ker masovna produkcija plastike traja približno 70 let, njena časovna obstojnost v okolju ni popolnoma jasna. Velika večina plastičnih izdelkov ni biološko razgradljivih, strokovnjaki pa so mnenja, da se takšni odpadki v okolju obdržijo več sto let, če ne celo tisočletje. Po nekaterih navedbah naj bi se plastične ribiške mreže, odvržene ali izgubljene na odprtih morjih, ohranile tudi do 600 let, dokler postopoma ne razpadejo. Podobno velja za plastenke, katerih trajnost ocenjujejo na približno 450 let (Hopewell in sod., 2009; Miller, 2020).
V tesni povezavi z biološko obstojnostjo plastike je povezan problem kopičenja plastičnih odpadkov v okolju. Problematična je predvsem embalaža za enkratno uporabo za hrano in pijačo, ki je v uporabi tako rekoč le nekaj minut, predenj jo dokončno zavržemo, ta pa največkrat konča v rekah ali oceanih. Raziskovalci so ugotovili, da približno 80 % vseh odpadkov v oceanih predstavlja plastika, od tega največji delež ravno embalaža za enkratno uporabo, kot so na primer plastenke, plastični jedilni pribor, slamice in ovitki za hrano. Kljub prizadevanjem za zmanjšanje onesnaževanja, vsako leto v oceanih konča približno 8 milijonov ton plastičnih odpadkov. Ob takem tempu naj bi do leta 2050 v oceanih glede na maso plavalo več plastike kot rib (Morales-Caselles in sod., 2021; Olson-Sawyer in Madel, 2020). Kopičenje takšnih odpadkov v morju in njihova degradacija na manjše delce pomembno vpliva na življenje in zdravje morskih organizmov. Ti lahko ob prekomernem zaužitju plastičnih mas poginejo, ali pa se znajdejo na trgovinskih policah, posledično pa ljudje preko morske hrane vnašamo mikroplastične substance v lastna telesa. Pri več kot 90 % testiranih Američanov je bila zaznana prisotnost Bisfenola A (kratica BPA), ki se
uporablja za izdelavo polikarbonatne plastike. Po nekaterih navedbah strokovnjakov naj bi bili ljudje ob povečani vsebnosti Bisfenola A bolj dovzetni za kardiovaskularna obolenja in sladkorno bolezen (Grossman, 2013).
Z mikroplastiko označujemo delce, ki v dolžino merijo manj kot 5 mm in so posledica plastičnega onesnaženja. Deli se na primarno in sekundarno mikroplastiko. Primarna v okolje vstopi direktno kot posledica uporabe ali obrabe (npr. abrazija med pranjem sintetičnega tekstila, odplake produktov osebne nege in podobno). V skupino sekundarne mikroplastike uvrščamo mikroplastiko, ki nastane kot posledica mehanske degradacije večjih kosov plastike. Slednja razpade zaradi destruktivnih sil abiotskih dejavnikov, med katere uvrščamo abrazijo vetra in valov, pa tudi UV svetlobo sonca. Ker mikroplastika ni biorazgradljiva, se ta nabira praktično v vseh kotičkih sveta – v oceanih, sladkovodnih ekosistemih, zemlji in zraku ter kot že rečeno pomembno vpliva na zdravstveno stanje organizmov (Rogers, 2020).
Številni vidijo rešitev v recikliranju plastičnih odpadkov, česar pa ne moremo početi v nedogled, kot to na primer lahko prakticiramo s kovinami. Plastika ima omejeno količino ciklov reciklaže, odvisno predvsem od njene vrste in tipa izdelka. V večini primerov lahko plastiko recikliramo le enkrat, obstajajo pa tudi skupine, kjer ta proces ni izvedljiv.
Govorimo o t. i. downcycling-u, kar pomeni, da se kakovost plastike ob vsaki ponovni uporabi poslabša. Med procesom segrevanja se namreč verige polimerov skrajšajo, kar povzroči zmanjšanje mehanskih lastnosti plastike (Young, 2021).
2.2 UPORABA ODPADNE PLASTIKE
Večina ljudi po uporabi plastičnih izdelkov in njihovem zavrženju pozabi na odpadke in se ne obremenjuje s tem, kje le-ti končajo, obenem pa zapravlja denar za nove plastične produkte, namesto ponovne uporabe starih. Vsak bi se moral vprašati, kaj se zgodi s plastiko po tem, ko enkrat konča v smeteh in kaj lahko posamezniki storimo, da bo njihov delež čim manjši.
2.2.1 Zakopavanje odpadkov
Zakopavanje plastičnih odpadkov pod zemljo oziroma »Landfill« je ena pogostejših opcij, ki se jih poslužujejo številne države. Gre za konvencionalen pristop, ki pa vsekakor ni optimalen. Prostora za njihovo odlaganje je vse manj, zato se jih države poskušajo znebiti z izvažanjem v tujino, kjer pa njihova usoda ni jasna (odlaganje v morje ipd.). Poleg tega odlaganje odpadkov v zemljo ni zdravo. Tudi strogo urejena odlagališča na dolgi rok ne zagotavljajo varnosti. Ob postopni degradaciji plastike je možen nastanek stranskih
produktov in sproščanje aditivov, ki lahko povzročijo onesnaženje zemlje in podtalnice.
Hkrati je z vidika krožnega gospodarstva ta način upravljanja z odpadki nesprejemljiv.
Zakopavanje plastike pod zemljo onemogoča njeno ponovno uporabo oziroma reciklažo, zato govorimo o t. i. linearnem toku materiala (izdelava, uporaba, odpad) (Hopewell in sod., 2009). V EU je zakopavanje odpadkov v odlagališča pod zemljo na drugem mestu. Leta 2015 je ta delež znašal 31 % (Plastični …, 2018).
2.2.2 Sežig odpadkov
S sežiganjem lahko države v določeni meri izkoriščajo energijo, ki je shranjena v plastičnih odpadkih. Slednja se uporabi za proizvajanje električne ali toplotne energije, obenem pa se zmanjša potreba po prostoru za zakop odpadkov. Ta oblika ravnanja z odpadki je primerna predvsem za visoko mešane plastične odpadke, kjer je njihova separacija težko izvedljiva, kar onemogoča proces reciklaže.
Po drugi strani se s sežiganjem v atmosfero sproščajo velike količine izpušnih plinov, zato je ta oblika ravnanja z odpadki zdaleč od idealne. Gre za tvegano početje, ki mora biti pod nadzorom, saj se ob gorenju različnih plastičnih mas z raznimi aditivi lahko sproščajo nevarne in toksične hlapne snovi. V EU je leta 2015 v sežigalnicah zgorelo 39 % vseh plastičnih odpadkov, kar je največ izmed vseh oblik ravnanja z odpadki (Hopewell in sod., 2009; Plastični …, 2018).
2.2.3 Zmanjšanje produkcije plastičnih izdelkov
Številni strokovnjaki opozarjajo, da bi lahko za zmanjšanje količine plastičnih odpadkov veliko storili že pri samem viru njihovega nastanka. Kot v svoji raziskavi navajajo Gonzalez- Fernandez in sod. (2021), je manjša poraba plastike ključnega pomena za lažje kontroliranje onesnaženja v rekah in morjih. Z reduciranjem plastične embalaže bi se občutno zmanjšal generirani volumen odpadkov.
Vendar pa v marsikaterih primerih podjetja zaradi težnje po preseganju konkurence in želje po pridobivanju novih in ohranjanju obstoječih kupcev izrabljajo embalažo sebi v prid. Za zagotavljanje dobrega marketinga, estetskega videza in drugih koristi, se pogosto porabi več plastične embalaže kot je te dejansko potrebno (Hopewell in sod., 2009). Res pa je tudi, da nekatera podjetja pridobivajo na svojem imenu na način, kjer svoje izdelke pakirajo v reciklirano embalažo oziroma embalažo iz obnovljivih, biotsko razgradljivih materialov.
2.2.4 Ponovna uporaba
Ponovna uporaba plastičnih izdelkov za isti ali drugačen namen je ena izmed najbolj promoviranih oblik upravljanja z odpadno plastično embalažo. Namesto enkratne uporabe, ki po nepotrebnem obremenjuje okolje, lahko ljudje le-to uporabimo večkrat. Tako na primer plastenke ponovno napolnimo s pijačo, lahko z njimi zalivamo rastline ali pa jih uporabimo na druge, inovativne načine. Podobno velja za plastične nakupovalne vrečke, ki jih namesto nakupa novih večkrat uporabimo ob nakupovanju v trgovini. Na ta način potrošniki privarčujemo, hkrati pa okolja ne zalagamo z odpadno plastiko, kakor bi ga sicer. Zanimiva je tudi situacija na trgu, kjer najdemo nekatere organizacije, ki na različne načine vzpodbujajo ponovno uporabo plastičnih izdelkov. Eden izmed takšnih primerov je spletna aplikacija Refill, kjer uporabniki poiščejo lokacije, kjer lahko brezplačno ponovno napolnijo svoje plastenke ali kozarčke za kavo, prejmejo popuste ob ponovni uporabi lastne embalaže za hrano in podobno. Na takšen način različne iniciative ozaveščajo družbo o problematiki plastičnih odpadkov in poskušajo spremeniti njeno mišljenje in odnos do le-teh (About …, 2020).
2.2.5 Recikliranje
Izmed vseh načinov manipulacije s plastičnimi odpadki se zdi recikliranje le-teh opcija z največjim potencialom. S terminom recikliranje ne zajamemo enotnega procesa, temveč je ta precej bolj kompleksen in včasih nejasen, saj zajema širok nabor postopkov in aktivnosti.
V osnovi recikliranje polimernih mas delimo na štiri različne načine: primarno, sekundarno, terciarno in kvartarno reciklažo (Hopewell in sod., 2009).
Primarni postopek se imenuje tudi postopek zaprte zanke, saj ta omogoča predelavo plastičnih odpadkov na enako kakovostno raven, kakršno so imeli izdelki ob svojem nastanku. To pomeni, da reciklirana plastika ohrani svoje mehanske lastnosti in jo lahko v teoriji uporabimo za izvirni izdelek. Gre za zelo priljubljen postopek predelave, ki se nanaša predvsem na čiste, ne-kontaminirane termoplaste iste vrste. V realnosti so takšni primeri redki, saj proizvajalci plastične embalaže uporabljajo široko paleto različnih vrst polimerov, pogosto v kombinaciji z drugimi materiali, kot so papir, kovine, pigmenti, črnila in adhezivna sredstva. Najbolj poznan postopek primarne predelave je reciklaža plastenk za vodo, najpogosteje izdelanih iz polietilen tereftalat-a (PET) (Hopewell in sod., 2009).
Postopka primarne in sekundarne reciklaže spadata v skupino mehanskega recikliranja, vendar pa je njuna medsebojna ločnica predvsem končna kakovost recikliranega polimera.
Postopek mehanske reciklaže se začne s separacijo plastike od drugih materialov, kot so aluminij, papir ipd., nato sledi še sortiranje po tipu odpadnega polimera. Plastika je nato
zmleta na manjše koščke, imenovane tudi granulat, ki so za tem ponovno sortirani in prekontrolirani pred zadnjo fazo – ekstruzijo pri povišani temperaturi. Slabost sekundarne mehanske predelave se kaže predvsem v konstantnem slabšanju lastnosti polimernih mas z vsakim ponavljajočim se ciklom reciklaže, kar je odraz zmanjšanja molekulske mase reciklirane polimerne smole oziroma skrajšanje makromolekulskih verig. Posledično s takšnim postopkom reciklaža v enake izdelke ni mogoča, se pa lahko reciklirani polimeri uporabijo v drug namen. Primer je reciklaža PET plastenk v poliester (Hopewell in sod., 2009; Achilias in sod., 2012).
Terciarno reciklažo imenujemo tudi kemična reciklaža. Gre za proces, pri katerem se izvede popolna depolimerizacija polimerov v monomere oziroma delna depolimerizacija na oligomere in ostale kemijske substance. Prednost postopka je v regeneraciji petrokemičnih sestavin polimerov, ki se lahko uporabijo za ponovno polimerizacijo plastike ali drugih sintetičnih materialov. Žal pa v praksi tak postopek ni ekonomičen, saj je cena fosilnih goriv in posledično njihova predelava v plastične mase nižja od kemično recikliranih petrokemikalij (Hopewell in sod., 2009; Achilias in sod., 2012).
Zadnja, kvartarna reciklaža, je sinonim za energetsko izrabo plastičnih odpadkov s sežiganjem, kar je podrobneje opisano že v poglavju 2.2.2.
2.2.5.1 Načelo 3R
Princip 3R združuje tri načine manipulacije z odpadki: zmanjšanje porabe (reduce), ponovna uporaba (reuse) ter recikliranje (recycle). 3R je ciljno usmerjen v trajnostni razvoj, ljudi pa nagovarja h kritičnemu razmišljanju o porabi in ravnanju z odpadki. Cilj načela je, da se izraba naravnih resursov minimizira na račun gospodarne uporabe in recikliranja ter da se zaloge naravnih bogastev zagotovijo tudi prihajajočim rodovom. 3R pomembno vpliva tudi na manjši volumen generiranih odpadkov in njihovo kopičenje na deponijah in v ekosistemih, obenem pa se z večanjem potrebe po recikliranju ljudem odpirajo nove zaposlitvene možnosti. Sistem 3R je zasnovan tako, da se generacija odpadkov poskuša v največji možni meri omejiti še pred njihovim nastankom. Kvaliteta izdelkov naj bi zagotavljala učinkovito večkratno uporabo, s čimer se hkrati zmanjša potreba po novih izdelkih. Ko se jim uporabnost naposled le izteče, sledi reciklaža, v kolikor je ta mogoča.
Več izdelkov kot reduciramo, recikliramo ali ponovno uporabimo, manj odpadkov ostane na deponijah in v sežigalnicah (Samiha, 2013).
2.3 UPORABA ODPADNE PLASTIKE V LESARSTVU
Les zaradi svoje naravne obnovljivosti in biotske razgradljivosti čedalje bolj pridobiva na pomenu, kar vzpodbuja rast panoge. Skupaj z njo se iz leta v leto povečuje poraba lepil za lepljenje lesa in lesnih kompozitov. Že vrsto let so najbolj pogosta formaldehidna lepila, ki utrdijo ob izpostavitvi visokim temperaturam. Slaba stran teh lepil je sproščanje emisij prostega formaldehida iz končnih izdelkov, kar škoduje zdravju. Posledično se zahteve po zmanjšanju emisij ostrijo, raziskovalci pa poskušajo najti okolju prijaznejšo rešitev.
Potencialna alternativa formaldehidnim lepilom bi lahko v nekaterih primerih lepljenja lesa bila talilna lepila, ki večinoma utrjujejo fizikalno, torej s sproščanjem hlapnih snovi iz lepilne mešanice ob povišani temperaturi. Talilna lepila ne oddajajo škodljivih hlapnih emisij, ko je lepljen proizvod v končni uporabi. Za namen proizvodnje talilnih lepil se v določeni meri lahko uporabijo tudi nekateri termoplastični polimeri, reciklirani iz odpadne plastike.
Posledično se odpadki, ki bi sicer končali na deponijah ali v okolju, uporabijo za ljudem neškodljiva adhezivna sredstva (Šernek in sod., 2020).
Recikliranje odpadne plastike za lepljenje lesa in lesnih kompozitov je tematika, ki ni popolnoma nova, temveč so se s tem izzivom soočili že številni raziskovalci, med katerimi so nekateri prišli do zelo obetavnih rezultatov. Eskander in sod. (2018) so s kombiniranjem zračno suhih riževih stebel in reciklirane polistirenske pene uspeli izdelati kompozit (HWC), kateremu so dodali še zaviralce ognja (cinkov borat ter magnezijev hidroksid). Stiskanje v hidravlični stiskalnici je trajalo 10 minut pri temperaturi 170 °C in tlaku 40 kPa.
Navedenemu kompozitu so nato v svoji raziskavi določili mehanske, protipožarne in termične lastnosti. Ugotovili so, da so dobre mehanske lastnosti kompozita pogojene predvsem z dobro interakcijo polnila (riževih stebel) in polimerne matrice, homogeno strukturo ter njuno medsebojno adhezijo. Prav tako so prišli do spoznanja, da se z dodajanjem protipožarnih sredstev (fire retardants) natezna trdnost kompozita poveča, vendar le do omejene količine (10 g magnezijevega hidroksida na 100 g HWC). Prevelika količina dodatkov namreč podre homogeno strukturo polimera in polnila, prav tako je mogoča aglomeracija delcev, ti pa zmanjšujejo mehansko odpornost kompozita.
Podoben kompozit so izdelali tudi Chun in sod. (2018), le da so namesto riževih stebel uporabili vlakna koruznega ličja, brez dodatkov retardantov. Polistirensko peno so reciklirali s pomočjo acetona, ki se dobro obnese kot topilno sredstvo. Stiskanje lesno-plastičnega kompozita (WPC) je potekalo pri temperaturi 190 °C in tlaku 100 kPa, in sicer v treh korakih:
4 minute predsegrevanja, 1 minuta stiskanja ter hlajenje na 50 °C. Z nadaljnjimi testi so ugotovili, da se natezna trdnost, modul elastičnosti in termična stabilnost povečujejo z večanjem deleža vlaken koruznega ličja. Po drugi strani pa se na račun taistih vlaken povečata absorptivnost vode in hitrost termičnega razpada. Z alkalnim tretiranjem kompozita pa jim je uspelo omenjene lastnosti še izboljšati. Natezna trdnost kompozita je tako dosegla
vrednost 17 MPa, kar sicer še ne dosega nivoja komercialnih kompozitov, so pa rezultati vsekakor vzpodbudni.
V raziskavi, ki so jo opravili Cui in sod. (2010), so namesto tradicionalnih adhezivnih sredstev za izdelavo vezanih plošč uporabili reciklirane plastične nakupovalne vrečke, izdelane iz polietilena, polipropilena, polivinil klorida in polistirena. Vezane plošče so izdelali pri različnih pogojih stiskanja in testirali vpliv količine plastike, ki ob vročem stiskanju tvori viskozen lepilni film. Ugotovili so, da je idealna količina plastičnega materiala v lepilnem spoju 100 g/m2. Najboljšo trdnost lepilnih spojev so dosegli pri temperaturi 150 °C po šestih minutah stiskanja. Višanje temperature stiskanja ali podaljševanje časa stiskanja negativno vpliva na trdnost lepilnih spojev. Slednja je v idealnih pogojih dosegla minimalne zahteve mednarodnega standarda, obenem pa so bile emisije formaldehida nične.
Poletto (2017) je raziskoval potencial uporabe recikliranega ekspandiranega polistirena (EPS) za izdelavo kompozita v kombinaciji z odpadno lesno moko. Zanimal ga je vpliv povečevanja deleža lesne moke na statično in dinamično mehansko trdnost in morfološke značilnosti kompozita. Poleg navedenih dveh komponent je v kompozitno mešanico dodal tudi poli (stiren-ko-maleinski anhidrid) oligomer (SMA), ki je služil kot spojitveno sredstvo (coupling agent). Rezultati so pokazali, da se z večanjem deleža lesne moke mehanske lastnosti kompozitov občutno poslabšajo, drugače pa velja za kompozite z dodatkom SMA.
Slednjim so se mehanske lastnosti izboljšale, morfološka analiza pa je pokazala, da je SMA pripomogel k boljši medsebojni adheziji matrice in polnilnega sredstva. Ta naj bi bila posledica formiranja kemijskih vezi med hidroksilnimi skupinami lesne moke in skupinami maleinskega anhidrida spojitvenega sredstva.
Podobno raziskavo so izvedli Adhikary in sod. (2008), kjer so namesto polistirena v svojem lesno-plastičnem kompozitu uporabili polietilen visoke gostote (HDPE). V analizi so primerjali dimenzijsko stabilnost in mehanske lastnosti kompozita iz recikliranega in novega polimera. Prav tako so kompozitu dodali spojitveno sredstvo MAPP (maleinski anhidrid polipropilena) in preverili njegov vpliv na trdnostne lastnosti. Kompozit so najprej 4 minute stiskali pri 200 °C in tlaku 1 MPa, sledilo je 5 minut stiskanja pri tlaku 5 MPa, za konec pa še dodatnih 5 min pri tlaku 5 MPa v hladni stiskalnici. Končni rezultati so razkrili, da se kompozit dobro obnaša v vlažnih razmerah, kjer ima odlično dimenzijsko stabilnost, dodatek MAPP pa slednjo še poveča. Ugotovili so tudi, da se upogibna in natezna trdnost recikliranega in originalnega HDPE poglavitno ne razlikujeta, se pa ob 3-5 % dodatku MAPP občutno izboljšata. Končni sklep raziskave je bil, da se stabilnost in trdnost kompozita lahko bistveno izboljšata ob povečanju deleža polimerov ali pa ob dodajanju spojitvenih sredstev.
Dotun in sod. (2018) so iz iveri in recikliranega polietilen tereftalata (PET) uspeli izdelati iverne plošče z različnimi masnimi razmerji polimerov in iverja. Namen raziskave je bil, da ugotovijo, katera izmed kombinacij dosega najboljše fizikalne in mehanske lastnosti.
Ugotavljali so gostoto, absorpcijo vode, debelinski nabrek ter modul elastičnosti in upogibno trdnost. Ugotovili so, da se s povečevanjem deleža polimerov (od 10 % pa vse do 50 %) veča tudi gostota iverne plošče, obratno pa velja za absorpcijo vode in debelinski nabrek. Slednja se zaradi manjšega masnega deleža iveri zmanjšata, kar kompozitu zagotavlja ugodnejše fizikalne lastnosti, ki ustrezajo mednarodnim standardom za notranjo uporabo. Slabše rezultate so dosegli pri preverjanju mehanske trdnosti iverne plošče, izmed katerih se je najbolje obnesel kompozit z masnim razmerjem 1:1. Najvišja izmerjena upogibna trdnost plošče je znašala 9,03 MPa. Končna ugotovitev je bila, da so plošče z vidika mehanskih lastnosti sicer lahko uporabljene v zaprtih in suhih prostorih, vendar se te ne smejo uporabljati v gradbene oziroma katerekoli druge namene, kjer bi lahko prišlo do večjih obremenitev. Vsekakor pa so se izrazito bolje obnesle iverne plošče z večjim deležem reciklirane plastike.
Iz pregleda izbranih raziskav je razvidno, da ima odpadna plastika v lesarstvu velik potencial. Termoplasti so se izkazali za obetavno sestavino pri izdelavi lesno-plastičnih kompozitov, ki so v kombinaciji z naravnimi sestavinami (lesna moka, vlakna) mehansko ojačani in okolju prijaznejši. Podobno velja za termoplastična lepila iz reciklirane plastike, ki predstavljajo alternativo konvencionalnim formaldehidnim lepilom. Vsekakor pa so na obeh področjih potrebne dodatne raziskave za izpopolnitev lastnosti za morebitno komercialno uporabo.
2.4 PREDHODNA RAZISKAVA KOT TEMELJ DIPLOMSKEGA DELA
V skupino raziskav, kjer raziskovalci proučujejo možnost uporabe odpadne plastike v lesni panogi, spada tudi ta, ki so jo opravili Šernek in sod. (2020). V njej so proučevali možnost izrabe odpadne plastike za izdelavo lepil za lepljenje lesa. Zanimalo jih je, ali lahko iz recikliranega polistirena, ki so ga pridobili iz odpadnih kavnih lončkov in žličk, izdelajo lepilno mešanico, ki bi ustrezala minimalnim zahtevam za uporabo plastomernih lepil v notranjih prostorih. Lepilne mešanice so pripravili z raztapljanjem plastike v petih različnih topilih: aceton, dimetilformamid (DMF), butil acetat, tetrahidrofuran (THF) in limonen.
Skupno so pripravili 10 lepilnih mešanic, pol iz lončkov in pol iz žličk. Sledilo je lepljenje bukovih lamel in 10-minutno stiskanje v vroči stiskalnici pri temperaturi 150 °C in tlaku 12 barov. Za tem so opravili preliminarno analizo, kjer so s strižnim testom v skladu s standardom SIST EN 205:2016 ugotavljali trdnost lepilnih spojev. Rezultati so pokazali, da se je najbolje obneslo topilo DMF, pri čemer je izstopala predvsem lepilna mešanica z žličkami. Z njo so dosegli povprečno strižno trdnost v vrednosti 6,5 MPa, kar pa še vedno ne zadošča standardnim zahtevam. Nekoliko slabša trdnost je bila ugotovljena pri
preizkušancih, zlepljenih z lepilom iz odpadnih lončkov (3,8 MPa), omembe vredna pa je tudi lepilna mešanica lončkov in limonena, katerih strižna trdnost lepilnih spojev je znašala 3,3 MPa. Ostale mešanice so se izkazale za zelo neučinkovite, saj so v povprečju razpadle že med razžagovanjem lepljencev oziroma pred izvedbo strižnega preizkusa. Prav tako so ugotovili, da je lepljenje pri sobni temperaturi neizvedljivo, saj se je kljub večdnevnem stiskanju v lepilnem spoju še vedno obdržal del topila, kar je ustvarilo le delno utrjen spoj.
Prišli so do spoznanja, da je povišana temperatura stiskanja ključnega pomena, saj se pri tem pospeši proces izhlapevanja in izparevanja topila, obenem pa se plastika zmehča, kar zagotovi boljšo razporeditev lepila po površini. Po drugi strani pa prav zmehčanje plastike pomeni neutrjen lepilni spoj takoj po vročem stiskanju. Tak lepilni spoj dokončno utrdi šele po njegovi ohladitvi. Poleg tega obstaja nevarnost, da se v fazi hlajenja generirajo napetosti v lesu, ki so posledica temperaturnega in vlažnostnega gradienta. V kolikor so te napetosti velike, lahko povzročijo razslojitev lepilnega spoja in razpad lepljenca.
Omenjena raziskava je služila kot izhodišče našemu raziskovalnemu delu, kjer smo poskušali optimizirati parametre stiskanja in postopek hlajenja lepljencev v želji, da dosežemo minimalne zahteve standarda za plastomerna lepila. Diplomsko delo je nadaljevanje raziskave, ki so jo opravili prof. dr. Milan Šernek in strokovni sodelavci (Šernek in sod., 2020).
2.5 POLISTIREN
Polistiren spada v skupino najbolj priljubljenih in široko uporabljenih termoplastov in je nepogrešljiv člen marsikatere branže. Gre za aromatski polimer stirena, ki ga lahko zapišemo s kemijsko označbo C6H5CH=CH2. Stiren je pri sobni temperaturi brezbarvna, vnetljiva tekočina, ki zavre pri temperaturi 145 °C in zamrzne pri -30,6 °C. Ima tendenco spontane polimerizacije, če se ta ne skladišči ob dodatku inhibitorjev. Gre za kemikalijo, ki je lahko toksična, če jo zaužijemo ali vdihujemo, v kontaktu s kožo ali očmi pa povzroča draženje.
Vsebuje dvojne vezi med dvema atomoma ogljika, kakor je prikazano na sliki 1. Ob prisotnosti katalizatorjev ali iniciatorjev ta vez razpade in se veže na ogljikov atom drugega monomera, ta na tretjega in tako naprej (Styrene, 2020). Pravimo, da poteče polimerizacija prostih radikalov, ob tem pa nastane polistiren. Reakcija je prikazana na sliki 2, sestavljajo pa jo trije koraki. Prvi je t. i. sprožitev (initiation), kjer iniciator razpade na par radikalov R˙, slednji pa se veže na stirenov monomer. Posledica je visoka reaktivnost monomera, kar sproži fazo rasti verige (propagation). Začne se adicija ostalih monomerov, pri čemer lahko nastane polimer z več tisoč osnovnimi delci. Končna faza se imenuje prekinitev (termination), pri kateri pride do prenehanja rasti polimera s kombiniranjem oziroma združenjem dveh radikalov, kar rezultira v eni sami polimerni molekuli (Boodhoo in Jachuck, 2000).
Slika 1: Stiren (levo) in polistiren z molekulsko maso n (desno) (Polystyrene …, 2021)
Polistiren je zelo raznovrsten polimer. V trdnem stanju je trd, krhek in transparenten, ob dodatku kolorantov in aditivov pa se mu lastnosti spreminjajo. Zaznamujejo ga velike fenilne skupine oziroma benzenski obroči, ki so pritrjeni na vsakem drugem ogljikovem atomu osnovne polimerne verige. Ti preprečujejo zlaganje verig v urejeno strukturo, zato je polistiren amorfen material (Petrič, 2008). Uporablja se v različnih oblikah, tako v trdnem kot penastem stanju. Zaradi svoje inertnosti in nereaktivnosti se uporablja v medicini in embalažni industriji, še posebej za lončke, posode za hrano, žličke in podobno. Popularen je v transportnem sektorju, saj s svojo nizko gostoto in čvrstostjo zagotavlja dobro zaščito proti udarcem in vibracijam, zato ga številni uporabljajo pri pakiranju krhkih in občutljivih predmetov. Ob dodatku butadiena nastane ojačana različica polistirena, bolj poznana z označbo HIPS (high impact polystyrene). Zaradi povečane trdnosti in nizke mase je uporaben predvsem v avtomobilski industriji in elektrotehniki, kjer pomembno vlogo igra tudi estetika. Uporablja se pri izdelavi monitorjev, televizij in ostalih izolacijskih komponent IT opreme (Polystyrene, 2018; What is …, 2021). Zelo poznana je oblika ekspandiranega polistirena (EPS), ki se s pridom izkorišča v gradbeništvu. Visok delež zraka, ki je v procesu ekspanzije ostal ujet v polistirenski peni, daje materialu odlične toplotne in zvočne izolacijske lastnosti, zato se redno uporablja v fasadnih sistemih. Podobno velja za ekstrudirani polistiren (XPS), katerega zaprta celična struktura zagotavlja majhno vodoprepustnost, zato je še posebej uporaben za izolacijo streh, talnih plošč, zidov v zemlji in podobno (Jus, 2014).
Polistiren pa je na žalost tudi eden izrazitejših onesnaževalcev našega planeta. Zaradi svoje biotske nerazgradljivosti in dobre obstojnosti je požel veliko kritik s strani naravovarstvenikov in raziskovalcev. Slednji opozarjajo na kopičenje odpadkov, ki so posledica predvsem izrabe prehrambne embalaže za enkratno uporabo, katere velik del predstavlja prav polistiren. Rešitve vidijo predvsem v recikliranju odpadkov in proizvodnji biorazgradljive embalaže, zato je opravljanje raziskav na tem področju še toliko bolj pomembno.
Slika 2: Sinteza polistirena v treh korakih (Polymerization …, 2021)
2.6 DIMETILFORMAMID
Dimetilformamid (DMF) je organska kemijska spojina, ki jo lahko zapišemo z molekulsko formulo C3H7NO (Slika 3). Gre za brezbarvno tekočino z rahlim vonjem po aminu, ki zamrzne pri temperaturi -61 °C in zavre pri 153 °C. Pri temperaturi 20 °C znaša njena gostota 0,95 g/cm3 in dosega pH vrednost 7. DMF se dobro meša z vodo in večino organskih tekočin, zato je kot polarno topilo obsežno uporabljen v različnih industrijah, med drugim tudi plastični in farmacevtski. Z njegovo pomočjo izdelujejo razna adhezivna sredstva, pesticidne in epoksidne formulacije, vršijo separacijo acetilena, 1,3-butadiena in raznih alifatskih ogljikovodikov. Uporablja se za sintezo peptidov, za produkcijo akrilnih vlaken ter poliuretanskih smol za sintetično usnje in podobno (Long in sod., 2001).
Slika 3: Molekulska struktura dimetilformamida (N,N-Dimethylformamide, 2021)
Pri delu s topilom DMF je potrebna ustrezna zaščita proti zdravju škodljivim dejavnikom.
Kemikalija ob stiku z očmi povzroča draženje, lahko pa tudi hude poškodbe, če topila takoj ne izpiramo s svežo vodo. V stiku s kožo lahko povzroči pordelost, edem, pruritis ali
bolečine, z vdihavanjem pa kašelj, bolečine, dušenje in težave z dihanjem. DMF je strupen tudi ob zaužitju, zastrupitev pa vpliva na osrednje živčevje, kar lahko povzroči konvulzije in izgubo zavesti. Prav zato je pri delu obvezna uporaba ustreznih zaščitnih rokavic, zaščitne obleke, očal, maske ali druge oblike zaščite obraza.
DMF ni le strupena, temveč tudi gorljiva tekočina, pri tem pa se sprošča para, ki je težja od zraka. Posledično se razširja v bližini tal, z zrakom pa lahko tvori eksplozivne zmesi. Poleg tega lahko v primeru požara nastanejo različni nevarni produkti zgorevanja: dušikovi oksidi, ogljikov monoksid, ogljikov dioksid, formaldehid, sečnina in amini. Pravilno skladiščenje ob odsotnosti virov vžiga je zato bistvenega pomena (Varnostni list, 2020).
2.7 UVRŠČANJE LEPLJENEGA LESA V TRAJNOSTNE RAZREDE
Namen raziskave je bil, da po optimizaciji procesa lepljena proučimo trdnost lepilnih spojev po izpostavitvi v standardni klimi. Predhodna raziskava je pokazala, da lepilo iz polistirena in topila DMF ne dosega minimalne vrednosti, ki bi dovoljevala komercialno uporabo v suhih klimatskih pogojih.
Pogoje in področja uporabe termoplastičnih lepil za les za nekonstrukcijsko rabo določa standard SIST EN 204:2016. Sem spada tudi lepilna mešanica iz polistirena, zato smo končne rezultate obravnavali v skladu z njegovimi smernicami. Standard razvršča nekonstrukcijska plastomerna lepila za les v štiri trajnostne razrede (od D1 do D4). Vsak trajnostni razred določa klimatske pogoje in področja uporabe lepil (Preglednica 1).
Preglednica 1: Področja uporabe in klimatski pogoji glede na trajnostni razred plastomernih lepil za lepljenje lesa za nekonstrukcijsko rabo
TRAJNOSTNI
RAZRED PRIMER KLIMATSKIH POGOJEV IN PODROČJE UPORABE D1 Notranja uporaba, kjer je ravnovesna vlažnost lesa ur < 15 %
D2 Notranja uporaba z občasnimi kratkotrajnimi izpostavitvami kondenzirani vodi in/ali občasno visoki RZV, kjer je ravnovesna vlažnost lesa ur < 18 % D3 Notranja uporaba s pogostimi kratkotrajnimi izpostavitvami tekoči in kondenzirani vodi in/ali visoki RZV. Zunanja uporaba v pokritih prostorih D4 Notranja uporaba s pogostimi dolgotrajnimi izpostavitvami tekoči in
kondenzirani vodi. Zunanja uporaba, kjer so izdelki izpostavljeni neposrednim vremenskim vplivom, so pa površinsko zaščiteni
Vsako lepilo mora za uvrstitev v določen trajnostni razred izpolnjevati predpisane zahteve.
V standardu so definirane minimalne vrednosti trdnosti, ki jih mora doseči lepilni spoj pri
predpisanih pogojih testiranja. Z večanjem trajnostnih razredov se povečuje tudi intenzivnost testirnih pogojev (Preglednica 2).
Preglednica 2: Način priprave preizkušancev za razvrščanje plastomernih lepil za lepljenje lesa za nekonstrukcijsko uporabo v trajnostne razrede in zahtevane strižne trdnosti spojev
NAČIN PRIPRAVE
PREIZKUŠANCEV Trdnost lepilnega spoja v N/mm2 Trajnostni razred
Št. Trajanje in pogoji D1 D2 D3 D4 1 7 dni v standardni klimi ≥ 10 ≥ 10 ≥ 10 ≥ 10 2 7 dni v standardni klimi
/ ≥ 8 / /
3 ure v vodi s T = 20 ± 5 °C 7 dni v standardni klimi 3 7 dni v standardni klimi
/ / ≥ 2 ≥ 4
4 dni v vodi pri T = 20 ± 5
°C 4
7 dni v standardni klimi
/ / ≥ 8 /
4 dni v vodi pri T = 20 ± 5
°C
7 dni v standardni klimi 5
7 dni v standardni klimi
/ / / ≥ 4
6 ur v vreli vodi
2 uri v vodi s T = 20 ± 5 °C
Pravila izdelave preizkušancev in ugotavljanje natezne strižne trdnosti spojev s preklopom navaja standard SIST EN 205:2016, ki je podrobneje opisan v poglavju 3.2. S preračunom povprečnih vrednosti strižnih trdnosti lepilnih spojev vsaj dvajsetih preizkušancev lahko nato ugotavljamo njihovo skladnost z zahtevami standarda SIST EN 204:2016.
3 MATERIAL IN METODE 3.1 MATERIALI
3.1.1 Les
Za izdelavo lamel smo uporabili les navadne bukve (Fagus sylvatica L.), ki smo ga klimatizirali v prostoru s temperaturo 20 °C in relativno zračno vlažnostjo 65 %. Povprečna gostota bukovine pri takšnih pogojih znaša okoli 680 kg/m3, ravnovesna vlažnost pa približno 12 %.
3.1.2 DMF
DMF se je po dosedanjih raziskavah izkazal za najbolj perspektivno topilo odpadnega polistirena, zato smo ga izbrali tudi za našo raziskavo. Uporabili smo 99,8 % topilo proizvajalca Carl Roth GmbH + Co KG.
3.1.3 Polistiren
Suho snov lepila je predstavljal reciklirani polistiren. Za pridobitev slednjega smo uporabili čiste odpadne kavne lončke in žličke, ki se uporabljajo v kavnih avtomatih in pripomorejo k velikemu deležu plastičnih odpadkov. Kavne žličke so bile prozorne, izdelane iz čistega polistirena, medtem ko so bili lončki zaradi dodatkov barvil obarvani rjavo.
Slika 4: Kavni lonček in žlički iz polistirena
3.2 METODE DELA
Cilj eksperimenta je bil, da z optimizacijo parametrov stiskanja dosežemo kar se da najboljše trdnostne lastnosti lepilnega spoja. Dosedanja maksimalna trdnost lepilnega spoja pri strižnem testu je znašala 6,5 MPa. Naš cilj je bil, da dosežemo vsaj vrednost 10 MPa, kar bi po standardu za termoplastična lepila za les naše lepilo uvrstilo v trajnostni razred D1.
3.2.1 Priprava suhe snovi
Za eksperiment je bilo najprej potrebno pripraviti suho snov za lepilno mešanico. Za ta namen smo uporabili očiščene odpadne kavne lončke in žličke. Pred samo pripravo mešanice je bilo potrebno le-te spremeniti v tako obliko, ki bi zagotavljala kar se da hitro in enostavno mešanje in raztapljanje v topilu DMF. Kavne žličke smo zaradi njihove večje trdote najprej nalomili na manjše kose, nato pa te s pomočjo topega predmeta strli na še manjše koščke.
Na koncu smo z uporabo mlinčka za sladkor te koščke zmleli v prahu podobno snov ter jo shranili v čisto plastično posodico. Pri tem smo pazili, da med postopkom mletja ni prišlo do kontaminacije suhe snovi. Pri kavnih lončkih isti postopek ni prišel v poštev, saj je njihova trdota precej nižja od trdote žličk. Za razliko od mletja, smo lončke s škarjami zgolj narezali v majhne trakove. Tudi tu smo pazili, da med rezanjem in shranjevanjem ni prišlo do stika z umazanijo. Ko sta bili obe suhi snovi pripravljeni, smo lahko pričeli z naslednjim korakom.
Slika 5: Zdrobljene kavne žličke
3.2.2 Izdelava lepilne mešanice
Pri pripravi lepilne mešanice smo imeli opravka s topilom DMF, zato smo pred samim pričetkom zagotovili ustrezne pogoje za lastno varnost pri delu. Topilo DMF je namreč vnetljivo, draži kožo in dihala, prav tako je nevaren njegov stik z očmi itd. Pri eksperimentu smo zato uporabili zaščitna očala, zaščitne rokavice, zaščitno masko ter haljo.
Pri pripravi lepilne mešanice smo sledili enakemu postopku, kot je bil izveden pri predhodni raziskavi. S tem smo zagotovili pogoje, ki omogočajo korektno primerjavo obeh eksperimentov. Upoštevali smo dejstvo, da je lepilna mešanica sestavljena iz suhe snovi in topila, ki sta v enakem masnem razmerju (1:1).
Slika 6: Meritev mase lističev kavnih lončkov
Najprej smo pripravili lepilno mešanico iz zdrobljenih kavnih žličk. V stekleno posodico smo stresli prej pripravljeni prah ter s tehtnico stehtali neto vrednost mase. Ta je znašala 106,9 g. V taisto posodo smo nato dolili topilo DMF, katerega masa je znašala 107,1 g.
Razliko dveh desetink grama smo zanemarili. Enak postopek smo nato ponovili še za suho snov iz trakov odpadnih kavnih lončkov. Masa teh je znašala 98,3 g, identična pa je bila tudi masa dodanega topila. Ko sta bili obe lepilni mešanici zatehtani, smo ju v časovnem razponu ene ure večkrat premešali s steklenimi palčkami, obenem pa opazovali, kaj se dogaja z obema raztopinama.
Med mešanjem smo takoj opazili, da je raztopina iz lončkov precej bolj viskozna od tiste z žličkami. Potrebno je bilo bolj intenzivno mešanje, tako da je topilo karseda dobro prodrlo med vse lističe. Po približno 45-ih minutah je večina lističev razpadla v gosto in visoko viskozno snov. Pri žličkah je bila viskoznost nekoliko nižja, kar je omogočalo malce lažje mešanje. Razlog za to tiči predvsem v strukturnih lastnostih suhe snovi. Prah zmletih žličk
je zajemal precej manjšo prostornino kot lističi lončkov, kar pomeni, da je bilo vmesnega zraka precej manj, hkrati je bila večja tudi specifična površina delcev. Po drugi strani je bil nasipni volumen lističev iz kavnih lončkov precej večji, kar je močno otežilo postopek raztapljanja, saj topilo ni prodrlo do vseh delcev hkrati.
Po približno eni uri po formiranju obeh mešanic smo stekleni posodi zatesnili s pokrovčkoma in s tem preprečili uhajanje topila ter ju postavili v digestorij za 2 dni.
Slika 7: Lepilni mešanici žličk (levo) in lončkov (desno) po dveh dneh od njune priprave
3.2.3 Izdelava preizkušancev za testiranje lepilnih spojev
Pri izvedbi eksperimentalnega dela smo sledili direktivam standarda SIST EN 205:2016 z naslovom Lepila – Lepila za les za nekonstrukcijsko uporabo – Ugotavljanje natezno-strižne trdnosti spojev s preklopom (Adhesives – Wood adhesives for non-structural applications – Determination of tensile shear strength of lap joints).
3.2.3.1 Parametri stiskanja
Prvi korak, ki ga navaja omenjeni standard, je priprava lamel, zato je bilo najprej potrebno določiti njihovo količino oziroma definirati vse testne kombinacije lepljenja. V ta namen smo določili parametre stiskanja in različne postopke ohlajanja lepljencev v zaprti stiskalnici, ki smo jih želeli testirati. Odločili smo se za dve temperaturi stiskanja (Ts) in 4 različne načine odvzema lepljencev iz stiskalnice/ohlajanja lepljencev (Tk), medtem ko sta bila specifični tlak (p) in čas vročega stiskanja (t) fiksno določena. Načine lepljenja smo zapisali na sledeč način:
Ts = 150 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 150 °C
Ts = 150 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 100 °C
Ts = 150 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 75 °C
Ts = 150 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 25 °C (sobna temperatura)
Ts = 120 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 120 °C
Ts = 120 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 100 °C
Ts = 120 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 75 °C
Ts = 120 °C; p = 12 bar; t = 10 min; Tk = 25 °C (sobna temperatura)
Iz zgornjega zapisa je razvidno, da smo za eksperiment izbrali 8 različnih načinov stiskanja lamel. Ker je bilo potrebno preizkus izvesti z lepilom iz žličk in lončkov, se je število kombnacij lepljenja še podvojilo, to pa pomeni, da je končno število potrebnih lamel za izvedbo eksperimenta znašalo 32.
3.2.3.2 Priprava lamel
Nato smo začeli s pripravo lamel, ki smo jo izvedli v skladu s standardom SIST EN 205:2016. Slednji navaja, da je za eksperiment najprej potrebno pripraviti kondicionirane bukove lamele z radialno oziroma polradialno orientiranostjo ter s povprečno gostoto (700 ± 50) kg/m3 pri vlažnosti (12 ± 1) %. Dolžina lamele mora biti večkratnik dolžine 300 mm, širina naj bi znaša približno 130 mm, debelina pa (5 ± 0,1) mm. Lamele je potrebno pred lepljenjem vsaj 7 dni kondicionirati v standardni klimi pri temperaturi (20 ± 2) °C in relativni zračni vlažnosti (65 ± 5) %. Lamele smo izdelali iz bukovega lesa, njihova velikost pa je znašala 600 mm x 130 mm x 5 mm. Bili smo pozorni na to, da je kot med braniko in površino lepljenja znašal med 30° in 90°. Površino za lepljenje smo poskobljali tik pred nanosom lepilne mešanice, tako da je bila ta brez prahu in ostalih nečistoč. Med pripravo smo pazili, da se površin, predvidenih za lepilni spoj, nismo dotikali in s tem zagotovili njihovo čistost. Vsi moteči dejavniki namreč pripomorejo k slabši adheziji lepilnega spoja in posledično slabši trdnosti.
3.2.3.3 Postopek lepljenja
Pred pričetkom lepljenja smo lamele ustrezno orientirali in na njih zapisali oznake pogojev stiskanja. Oznaka je simbolizirala vrsto uporabljenega lepila, temperaturo stiskanja ter temperaturo lepilnega spoja po odvzemu iz stiskalnice (npr. Ž 150-100). Za tem smo lepilni mešanici še enkrat dobro premešali, nato pa na tehtnici odmerili zahtevano maso nanosa za en lepilni spoj in sicer kar direktno na izbrano lamelo. Maso smo preračunali po predpostavki, da mora nanos lepila znašati 200 g/m2. Velikost ene lepilne površine je znašala 0,078 m2 (600 mm x 130 mm), iz tega pa smo lahko preračunali zahtevani dejanski nanos.
Ta je znašal 15,6 grama.
𝑚𝑚𝑚𝑚= 𝑚𝑚 ×𝐴𝐴𝑚𝑚 … (1) - ml - Masa lepila za en lepilni spoj [g]
- Al - Površina lepilne ploskve [m2] - m - Nanos lepila [g/m2]
Po zatehtanju lepilne mešanice smo le-to kar se da hitro poskušali nanesti na lamelo. Opazili smo, da je proces izhlapevanja topila iz lepilne mešanice zelo intenziven, saj je ta utrjevala že v fazi njenega enakomernega razporejanja po površini. Zato smo obema mešanicama dodali več topila in sicer tako, da je končno razmerje topila in suhe snovi znašalo 2:1. Nanos lepilne mešanice smo z 200 g/m2 povečali na 300 g/m2, tako da je absolutna masa suhe snovi (polistirena) na lepilni površini ostala nespremenjena (100 g/m2).
Po ponovnem preračunu dejanskega nanosa na eno lamelo, ki je znašal 23,4 g, smo izvedli postopek nanosa lepilne mešanice na lamelo. Ta je bila zaradi povečane vsebnosti topil manj viskozna, njeno razporejanje po površini je bilo lažje in kar je najpomembneje, imeli smo dovolj časa za nanos lepilne mešanice, ne da bi ta začela utrjevati. Lepilo smo po površini razporedili s čisto in tanko leseno lamelo. Ta postopek smo ponovili za vsako kombinacijo parametrov stiskanja posebej.
Pred stiskanjem lamel v vroči stiskalnici z električnim segrevanjem smo preračunali dejanski tlak stiskalnice. Pri določanju le-tega smo morali biti pozorni, da tlaka bata stiskalnice pb ne enačimo s specifičnim tlakom stiskanja plošče ps. Specifični tlak stiskanja nam pove, kolikšen tlak je potreben, da ploščo optimalno stisnemo. Njegova vrednost je po navadi povezana z gostoto lesne vrste. Večja kot je gostota, večji tlak stiskanja uporabimo. V našem primeru smo stiskali bukove lamele, specifični tlak stiskanja pa smo prevzeli po predhodni raziskavi, kjer je znašal 12 barov. Iz fizikalnih zakonov vemo, da je tlak razmerje med silo in površino. Bat s svojo površino in silo F pritiska na grelno ploščo, preko katere enaka sila pritiska na površino lepljenca. Ker je sila pritiskanja konstantna, površini bata stiskalnice ter lamel pa se razlikujeta, sta drugačni tudi vrednosti tlakov. Dejanski tlak stiskalnice smo preračunali z enačbo 2, ta pa je na koncu znašal 93,6 barov. Ker smo vselej stiskali po dva vzorca skupaj (Ž + L), smo v enačbi upoštevali dvakratnik površine lamele. Za površino stiskalnice smo uporabili ploščino bata stiskalnice, ki je znašala 0,02 m2.
𝑝𝑝𝑏𝑏 = 𝑝𝑝𝑠𝑠× 𝐴𝐴𝑚𝑚
𝐴𝐴𝐴𝐴 … (2)
- pb - Dejanski tlak stiskalnice [bar]
- ps - Specifični tlak stiskanja [bar]
- Al - Površina lepljencev [m2]
- As - Površina bata stiskalnice [m2]
Stiskalnico smo nato segreli na 150 °C ter prilagodili tlak stiskanja na preračunanih 93,6 barov. Za tem smo pričeli s stiskanjem. Po dva lepljenca smo previdno položili v stiskalnico in ju stisnili, obenem pa s pametnim telefonom štopali čas desetih minut. Po poteku časa stiskanja je sledila faza ohlajana, razen pri lepljencih s temperaturo odvzema 150 °C oziroma 120 °C.
Z ohlajanjem stiskalnice smo poskušali imitirati princip delovanja kontinuirane stiskalnice, ki lahko v zaključni fazi stiskanja poleg segrevanja vključuje tudi ohlajanje lepljenca. Ker te v praksi nismo imeli na voljo, smo eksperiment izvedi tako, da smo po poteku 10-ih minut stiskanja pri začetni temperaturi stiskalnico ugasnili, ta pa se je počasi pričela ohlajati. Po ohladitvi lepilnega spoja na ustrezno temperaturo smo odprli stiskalnico in iz nje vzeli lepljence.
Za zagotovitev točne temperature odvzema lepljencev iz stiskalnice (t. j. pri temperaturah 75 °C in 100 °C) smo uporabili termočlen tipa J (železo in konstantan). Z njim smo lahko na stotinko natančno izmerili temperaturo v lepilnem spoju in se tako približali optimalnim pogojem, ki smo jih zastavili pred izvedbo eksperimenta. Pri vzorcih s temperaturo odvzema 25 °C (sobna temperatura) uporaba termočlenov ni bila potrebna. Stiskalnico smo preprosto izklopili in jo čez noč pustili zaprto, v tem času pa se je ohladila na zahtevano temperaturo.
Stiskanje smo najprej opravili za vzorce s temperaturo stiskanja 150 °C, nato pa še za 120 °C.
Slika 8: Stiskanje lepljencev v vroči stiskalnici
Termočlen je zaprti krog dveh različnih kovin in dveh spojev. Ko enega od spojev izpostavimo povišani temperaturi, se pričneta segrevati tudi obe kovini. Razlika v toplotni prevodnosti obeh kovin povzroči nastanek temperaturnega gradienta, ki se direktno pretvori v električno polje. Temu pojavu pravimo tudi Seebeck-ov efekt (Molki, 2010).
