CZ34594U1

CZ34594U1 - Materiál na bázi dubového dřeva a dílec pro výrobu exteriérových lepených dřevěných konstrukcí jej obsahující

Info

Publication number: CZ34594U1
Application number: CZ2020-38115U
Authority: CZ
Inventors: Jakub Kaloč; Tomáš Holeček; Přemysl Šedivka; Ondřej Dvořák; David Novák; Miloš Pánek; Aleš Zeidler; Jaromír Hradecký
Original assignee: Česká zemědělská univerzita v Praze; Matrix A.S.
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2020-11-30

Description

Materiál na bázi dubového dřeva a dílec pro výrobu exteriérových lepených dřevěných konstrukcí jej obsahující

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká povrchové chemické modifikace jádrového dřeva dubu se zvýšenou adhezí a zlepšenou pevností lepeného spoje. Je využitelné pro konstrukční a nekonstrukční účely s požadavky na zvýšenou pevnost a rozměrovou stálost lepeného dřeva dubu zejména v exteriéru, ale s možností využití také v interiéru.

Dosavadní stav techniky

Dub je kruhovitě pórovité dřevina, která se skládá z jádra a běle. Rozdíl mezi jádrem a bělí je patrný díky odlišnému zbarvení, kdy tmavě hnědě zbarvené jádro obsahuje vysoký podíl taninů a extraktivní látky. Běl tyto látky obsahuje v nižších koncentracích, proto je pro něj typická světle žlutá barva. Díky vysokému obsahu taninů a dalších extraktivních látek má jádrové dřevo dubu vysokou odolnost vůči působení biotických činitelů (dřevokazné houby, plísně, dřevokazný hmyz) a dlouhou životnost v exteriérových aplikacích i bez využití chemické ochrany fimgicidními a insekticidními látkami. Dřevo dubu má také díky poměrně vysoké hustotě i dobré mechanické vlastnosti. Proto je jádrové dřevo dubu vhodné pro uplatnění pro konstrukční (mosty, rozhledny, konstrukce krovů, přístřešky skladových prostor) a nekonstrukční (altány, pergoly, přístřešky fotbalových hřišť, odpaliště golfových hřišť, houpačky, prolézačky a další prvky na dětských hřištích, okenní hranolky, oplocení) aplikace v exteriéru. Pro zvýšení pevnosti, únosnosti, rozměrové stálosti a také možnosti tvorby velkorozměrových nosných konstrukcí je vhodné dřevo dubu lepit. Lepení je však problematické z důvodu možné reakce lepidel s kyselými taniny aadheze je snížena také nerovným povrchem způsobeným komplikovanou morfologickou strukturou dubového dřeva s velkými otevřenými cévami. Z tohoto důvodu jev současné době dřevo dubu využíváno zejména na lepené prvky v interiéru se stabilní vlhkostí a již podstatně méně pro lepené prvky vystavené atmosférickým vlivům v exteriéru, kde dochází ke zvýšenému namáhání lepeného spoje způsobenému rozměrovými změnami dubového dřeva spojenými s výraznějšími změnami jeho vlhkosti.

Cílem předkládaného technického řešení je zlepšení adheze dubového dřeva pro lepené spoje.

Podstata technického řešení

Předkládané technické řešení se týká chemické modifikace povrchu dubového jádrového dřeva, určeného k lepení. Touto cílenou chemickou modifikací dojde k neutralizaci kyselých taninů a extraktivních látek jádra dřeva dubu, případně k jejich bariérové izolaci, a tím se u povrchu dřeva zvýší adhese a dojde ke zlepšené vzájemné interakci chemických vazeb dřeva dubu a adhesiva. Zároveň nedojde k narušení chemického složení adhesiva během vytvrzování. Optimálně dojde i ke snížení nerovnosti povrchu dubového dřeva, způsobeného otevřenými cévami jarního dřeva, čímž se opět zlepší pevnost lepeného spoje. Nedochází přitom k výraznějšímu poškození povrchových vrstev dubového dřeva modifikační chemickou látkou, a tím ani k narušení lepeného spoje v samotném lepeném materiálu - adherendu.

Chemicky modifikovaný materiál je na bázi jádrového dřeva dubu pro konstrukční (mosty, rozhledny, konstrukce krovů, přístřešky skladových prostor) a nekonstrukční (altány, pergoly, přístřešky fotbalových hřišť, odpaliště golfových hřišť, houpačky, prolézačky, okenní hranolky, oplocení) aplikace v exteriéru. Možné je také využití v interiéru pro prvky s požadovanou zvýšenou pevností a rozměrovou stabilitou. Může se jednat o stavebně-truhlářské výrobky (okna, dveře, schodiště).

-1 CZ 34594 UI

Na povrch lamely, desky, fošny z jádrového dřeva dubu je nátěrem nebo postřikem aplikována modifikační látka na akrylátové bázi o sušině 7 hmota. % se stopovou příměsí (0,01 až 0,1 % hmotnostního podílu) l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a se stopovou příměsí (0,001 až 0,003 % hmotnostního podílu) ethanolaminu. Akrylátová penetrační vrstva se na povrch dubového dřeva aplikuje neředěná v množství 80 až 140 g na 1 m² plochy dřeva, optimálně 120 g na 1 m² plochy dřeva. Celkové množství akrylátové penetrační vrstvy po vysušení je tedy v rozmezí 5,6 až 9,8 g na 1 m² plochy dřeva, optimálně 8,4 g na 1 m² plochy dřeva. S výhodou se akrylátová penetrační vrstva se na povrch dubového dřeva aplikuje dále již neředěná. Aplikovaná akrylátová penetrační vrstva (neředěná nebo její dále zředěný vodný roztok) se nechá samovolně penetrovat do povrchu jádrového dřeva dubu do hloubky 0,1 až 2 mm (dle množství použitého roztoku). Poté je nutné přetření pryžovým válcem, tkaninou nebo jinou vhodnou technologií, která vtlačí vysychající akrylátovou penetrační vrstvu do otevřených cév dubového dřeva. Vytvrzením penetrace dojde k izolaci kyselých taninů a dalších extraktivních látek v povrchových vrstvách modifikovaného dubového dřeva. Zároveň jeho vysušením dochází k částečnému vyplnění otevřených cév dubového dřeva a tím snížení nerovností povrchů určených k lepení. Celkovým výsledkem je zlepšená adheze adhesiva a tím zvýšení pevnosti lepeného spoje z dubového jádrového dřeva v exteriérových aplikacích pro nosné, ale i nenosné konstrukce, které vyžadují zvýšenou rozměrovou a tvarovou stálost. Lepení pouze jádrového dřeva je podmínkou pro zvýšenou bio-odolnost hotového výrobku, protože bělové dřevo dubu je řazeno k netrvanlivým druhům dřeva náchylným na bio-znehodnocení dřevokaznými houbami anebo hmyzem.

Předmětem předkládaného technického řešení je tedy materiál na bázi dubového dřeva, který obsahuje vrstvu masivního dubového jádrového dřeva, na které je umístěna akrylátová penetrační vrstva o celkové sušině 7 hmota. %, obsahující akrylátový polymer, přičemž akrylátová penetrační vrstva dále obsahuje od 0,01 do 0,1 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a od 0,001 do 0,003 hmota. % ethanolaminu.

Akrylátovým polymerem se rozumí polymer derivátu kyseliny akrylové, který je vybraný ze skupiny zahrnující metakrylát, methylmetakrylát, ethylakrylát, 2-ethylhexylakrylát, (hydroxyethyl)methakrylát, butylakrylát, butylmetakrylát, akrylonitril; popřípadě jeho kopolymer s monomery s výhodou na bázi styrenu. Jako akrylátový polymer lze použít komerčně dostupnou penetraci určenou na porézní materiály, například „Hloubkovou penetraci od firmy Soudal, obohacenou o l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazin a ethanolamin ve výše uvedených poměrech.

Ve výhodném provedení je akrylátovým polymerem polyakrylát a polymethylmetakrylát.

V jednom provedení obsahuje akrylátová penetrační vrstva od 99,897 do 99,989 hmota. % akrylátového polymeru, od 0,01 do 0,1 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a od 0,001 do 0,003 hmota. % ethanolaminu.

V jednom provedení obsahuje akrylátová penetrační vrstva 99,928 hmota. % akrylátového polymeru, 0,07 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a 0,002 hmota. % ethanolaminu.

V jiném provedení obsahuje akrylátová penetrační vrstva 99,9292 hmota. % akrylátového polymeru, 0,069 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a 0,0018 hmota. % ethanolaminu

Vrstva masivního dubového jádrového dřeva je s výhodou vybraná ze skupiny zahrnující dubové desky, lamely, fošny, hranoly, okenní hranolky a dubové biodesky.

- 2 CZ 34594 UI

V jednom výhodném provedení má vrstva masivního dubového jádrového dřeva tloušťku alespoň 6 mm, s výhodou má tloušťku od 10 mm do 150 mm, výhodněji od 15 mm do 45 mm.

V jednom provedení je tloušťka akrylátové penetrační vrstvy po zaschnutí v rozmezí od 5 pm do 30 pm, s výhodou od 8 pm do 10 pm.

Předmětem předkládaného technického řešení je dále dílec pro výrobu exteriérových dřevěných konstrukcí, který obsahuje materiál na bázi dubového jádrového dřeva podle předkládaného technického řešení, upravený do tvaru v podstatě kvádru, jehož nejkratší hrana má délku alespoň 6 mm.

S výhodou je akrylátová penetrační vrstva na dílci pro výrobu exteriérových dřevěných konstrukcí podle předkládaného technického řešení umístěna na jedné, dvou, třech nebo čtyřech podélných plochách dílce. Může být umístěna i na všech vnějších plochách dílce.

Materiál z dubového jádrového dřeva podle předkládaného technického řešení se vyznačuje zvýšenou adhesí pro aplikaci lepidel a je vhodný pro použití v exteriéru, zejména na mostech, rozhlednách, přístřešcích, oplocení, okenních hranolkách, dveřích, altánech či lavičkách vystavených povětrnostním vlivům bez kontaktu se zemí a vzlínající vlhkostí ze země.

Objasnění výkresů

Obr. 1: Axonometrický nákres dílce pro výrobu exteriérových dřevěných konstrukcí, který sestává z vrstvy 1 masivního dubového jádrového dřeva a penetrační vrstvy 2.

Obr. 2: Smyková pevnost materiálu ošetřeného a neošetřeného chemickou modifikační vrstvou dle předkládaného technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1: Lepený lamelový nosník

Pro výrobu lepeného lamelového nosníku jsou využity lamely z jádrového dřeva dubu o rozměrech 2 x 15 x 250 cm spojované na větší požadovanou délku pomocí spoje na mikro-ozub. Na lamely v požadovaném celkovém délkovém rozměru byla následně nanesena povrchová modifikační látka - akrylátová penetrační vrstva 2 pro případné využití v exteriéru. Akrylátová penetrační vrstva 2 byla na spodní lamelu nanášena pouze na jednu její stranu, na kterou bude nalepována druhá následující lamela. Na všechny ostatní lamely, krom vrchní lamely, byla nanášena na obě jejich strany, aby došlo k vytvoření spoje s lepší adhesí z obou stran lepeného nosníku. Na vrchní lamelu byla akrylátová penetrační vrstva 2 dle předkládaného řešení aplikována pouze na stranu přiléhající k další lamele a vrchní část lamely tvořící povrch nosníku již nebyla modifikována. Akrylátová penetrační vrstva 2 byla tvořena 99,928 hmota. % polyakrylátu (hloubková akrylátová penetrace od firmy Soudal), 0,07 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a 0,002 hmota. % ethanolaminu, a byla na lamely nanášena jako 7% vodný roztok (hmotnostní obsah vody v roztoku byl 93 %). Roztok akrylátové penetrační vrstvy 2 byl na lamely aplikován v množství 120 g roztoku na 1 m² plochy dřeva. Následně byla penetrační vrstva ponechána zaschnout. Po zaschnutí byla tloušťka penetrační vrstvy na povrchu lamely 10 pm (měřeno konfokálním laserovým scanovacím mikroskopem). Takto upravené a modifikované lamely z dubového dřeva byly použity na výrobu lepeného nosníku, který vykazoval větší ohybovou pevnost ve srovnání s nosníkem vyrobeným z dubových lamel bez povrchové modifikace.

-3CZ 34594 UI

Příklad 2: Lepený okenní hranol

Pro výrobu lepeného okenního hranolu ze tří lamel byly použity lamely z jádrového dřeva dubu o rozměrech 2,4 x 8 x 150 cm spojované případně na větší požadovanou délku pomocí spoje na mikro-ozub případně kráceny. Na lamely v požadovaném celkovém délkovém rozměru byla nanesena povrchová modifikační látka - akrylátová penetrační vrstva 2 - dle předkládaného technického řešení. Tato akrylátová penetrační vrstva obsahovala 99,9292 hmota. % polymethylmetakryláta, 0,069 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a 0,0018 hmota. % ethanolaminu. Modifikační látka byla na spodní lamelu nanesena pouze na jednu její stranu, na kterou byla následně nalepena středová lamela. Na středovou lamelu byla modifikační látka nanesena na obě její strany, aby došlo k vytvoření spoje s lepší adhesí z obou stran lepeného okenního hranolu. Na vrchní lamelu byla modifikační látka dle předkládaného řešení aplikována pouze na stranu přiléhající ke středové lamele a vrchní část lamely tvořící povrch okenního hranolu již nebyla modifikována. Akrylátová penetrační vrstva byla na lamely nanášena jako 7% vodný roztok (hmotnostní obsah vody v roztoku byl 93 %). Roztok akrylátové penetrační vrstvy byl na lamely aplikován v množství 100 g roztoku na 1 m² plochy dřeva. Následně byla penetrační vrstva ponechána zaschnout. Po zaschnutí byla tloušťka penetrační vrstvy na povrchu lamely 8 pm (měřeno konfokálním laserovým scanovacím mikroskopem). Takto upravené a modifikované lamely z dubového dřeva lze využít na výrobu okenních hranolů pro lepené okna (tzv. „Eurookna“) s větší rozměrovou stálostí díky pevnějšímu lepenému spoji dosaženému povrchovou modifikací dubového dřeva ve srovnání s okenním hranolem vyrobeným z dubových lamel bez povrchové modifikace.

Přiklad 3: Zvýšená pevnost lepeného spoje při využití modifikovaného jádrového dřeva dubu ve srovnání s nemodifikovaným jádrovým dřevem dubu.

Modifikované lamely dřeva dubu dle Příkladu 1 byly slepeny za použití polyuretanového jednosložkového lepidla a následně vystaveny testům smykové pevnosti dle ČSN EN 302. Zkušební tělesa byla před smykovou zkouškou vystavena 6 h vroucí vodě a následně 4 h studené vodě dle požadavků normy pro využití v exteriéru. Zkušební tělesa slepená z dvou tenkých lamel o rozměrech 150 x 20 x 5 mm s plochou namáhanou ve smyku 20 x 20 mm vytvořenou nařezáním z obou stran až po lepenou spáru byla konci upnuta do čelistí trhacího stroje. Následně se čelisti trhacího stroje začaly od sebe vzdalovat, až došlo k narušení zkušební plochy smykovým namáháním. Na základě vztahu síla potřebná k narušení (N) / plocha (mm²) bylo vypočítáno smykové namáhání v MPa. Na základě vyhodnocení lze vidět, že spoje z povrchově modifikovaného jádrového dřeva dubu vykazovaly vyšší pevnost ve srovnání s nemodifikovaným jádrovým dřevem dubu (Obr. 2).

Průmyslová využitelnost

Průmyslová využitelnost předkládaného technického řešení tkví ve zlepšení adheze materiálu jádra dubového dřeva, jehož rovinný povrch je povrchově modifikován, díky čemuž je neutralizován vliv taninů a extraktivních látek v povrchové vrstvě dřeva a zároveň je částečně snížena nerovnost povrchů vyplněním otevřených cév dubového dřeva, a použitého lepidla. Materiál s takto chemicky upraveným povrchem je zejména vhodný pro použití v exteriérech, například na mostech obsahujících lepené lamelové nosníky, rozhlednách, přístřešcích, oplocení, okenních hranolkách, altánech či lavičkách vystavených povětrnostním vlivům bez kontaktu se zemí a vzlínající vlhkostí ze země.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Materiál na bázi dubového dřeva, vyznačený tím, že obsahuje vrstvu (1) masivního dubového jádrového dřeva, na které je umístěna akrylátová penetrační vrstva (2), obsahující akrylátový polymer, přičemž akrylátová penetrační vrstva (2) dále obsahuje od 0,01 do 0,1 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a od 0,001 do 0,003 hmota. % ethanolaminu.
2. Materiál podle nároku 1, vyznačený tím, že akrylátová penetrační vrstva (2) sestává z 99,897 až 99,989 hmota. % akrylátového polymeru, 0,01 až 0,1 hmota. % l,3,5-tris(2-hydroxyethyl)hexahydro-l,3,5-triazinu a 0,001 až 0,003 hmota. % ethanolaminu.
3. Materiál podle kteréhokoliv z nároků 1 a 2, vyznačený tím, že vrstva (1) masivního dubového jádrového dřeva má tloušťku alespoň 6 mm.
4. Materiál podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačený tím, že tloušťka akrylátové penetrační vrstvy (2) po zaschnutí je v rozmezí od 5 pm do 30 pm, s výhodou od 8 pm do 10 pm.
5. Dílec pro výrobu exteriérových lepených dřevěných konstrukcí, vyznačený tím, že obsahuje materiál na bázi dubového dřeva podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 4, upravený do tvaru v podstatě kvádru, jehož nejkratší hrana má délku alespoň 6 mm.
6. Dílec pro výrobu exteriérových lepených dřevěných konstrukcí podle nároku 5, vyznačený tím, že akrylátová penetrační vrstva (2) je umístěna na jedné, dvou, třech nebo čtyřech podélných plochách dílce.