Uvolňování změkčovadel a nekompatibilní kombinace materiálů

Výrobci stavebních materiálů uvádějí na trh neustále nové či modifikované výrobky. Nové materiály jsou převážně výsledkem postupujícího pokroku v oblasti materiálového výzkumu a hledají si místo na trhu jako určitá náhrada tradičních materiálů.

Střešní konstrukce je složena z několika funkčních vrstev a z hlediska jejich primární funkce jsou kladeny požadavky na jejich materiálovou bázi. Z tohoto důvodu se ve střešním plášti, až na některé výjimky, nelze vyhnout kombinaci několika materiálů. Mezi nekompatibilní patří kombinace oxidovaného asfaltu a povlakové krytiny na bázi PVC-P či kombinace expandovaného polystyrenu EPS a povlakové krytiny na bázi PVC-P.

Problém degradace
Degradace povlakových krytin na bázi PVC-P je často výsledkem zrychleného uvolňování změkčovadel. Faktory ovlivňující uvolňování změkčovadel ze struktury PVC-P materiálu lze rozdělit na vnější a vnitřní. Hlavním vnějším faktorem je teplota, která způsobuje exponenciální nárůst rychlosti degradace. Dále jsou to chemické vlivy a mikroorganismy, jakož i to, s jakým typem média je povlaková krytina ve vzájemném kontaktu – ať už je to vzduch, kapalina nebo pevná látka.

Je přirozené, že v praxi můžeme pozorovat rozdílné chování fólií od různých výrobců na témže podkladě a v týchž podmínkách. Vnitřní faktory, které ovlivňují uvolňování změkčovadel ze struktury PVC-P materiálu, souvisejí s molekulovými charakteristikami změkčovadel. Důležité jsou tři molekulové charakteristiky změkčovadel, které mohou ovlivnit jejich retenci: molekulová hmotnost změkčovadla, linearita změkčovadla a polarita změkčovadla. Mobilita změkčovadel je jedním z hlavních faktorů difuze změkčovadel ze struktury polymeru a závisí na molekulové hmotnosti změkčovadla. Menší molekulová hmotnost změkčovadla znamená jeho větší prchavost a difuzi. Zvyšováním molekulové hmotnosti se zvyšuje retence změkčovadel, protože se zvyšuje jejich molekulová hmotnost a velikost molekul, což ztěžuje difuzi změkčovadel ze struktury polymeru na povrch fólie na bázi PVC-P. Změkčovadla s vyšší molekulovou hmotností však mají sníženou kompatibilitu a efektivnost při plastifikačním procesu.

Linearita nebo rozvětvenost změkčovadel souvisí s tvarem jejich molekulární struktury. Index větvení je procentuální celkový počet atomů uhlíku obsažených v postranních částech řetězce. Větší index větvení se rovná nižší linearitě molekulární struktury změkčovadel. Obecně lineární ftaláty nemigrují tak snadno jako rozvětvená změkčovadla (například DOP – di-2-etylhexylftalát). [1] Tato poznámka je správná, berou-li se v úvahu pouze prchavé ztráty změkčovadla. Lineární změkčovadlo je méně prchavé, a proto prospěšnější než rozvětvené, pokud je PVC použito v exterié­ru a bez ochranné krycí vrstvy [1]. Při migraci změkčovadel do kapaliny nebo do pevné látky mohou však mít rozvětvená změkčovadla (obr. 1) menší ztráty než lineár­ní.

Srovnání se dá provést na dvou typech změkčovadel, která migrují do pevné látky (obr. 2). Změkčovadla DOP a DOA (dioktyladipát) mají podobnou molekulovou hmotnost (molekulová hmotnost DOP a DOA je 390, resp.  371). Změkčovadlo DOA má však asi dvakrát vyšší migraci než DOP, protože DOA je vysoce lineární a DOP je rozvětvené změkčovadlo. Kdyby se k výrobě fólie na bázi PVC-P použilo změkčovadlo, které má vysoký stupeň větvení, fólie bude mít horší vlastnosti a životnost při nízkých teplotách. Když poklesne teplota vzduchu, fólie na bázi PVC-P ztuhne a zkřehne. Proto mohou mít velmi rozvětvená změkčovadla určitá omezení při použití při nižších teplotách. Jsou však odolnější proti extrémně kyselému a žíravému prostředí. Výhodou vyššího větvení je zpomalení migrace změkčovadla do kapaliny a pevné látky. Pozitivní je i zvýšení odolnosti proti chemické hydrolýze a biodegradaci. Uvedené poznatky pocházejí z výzkumu, který byl věnován sice vlastnostem geofólií, ale některé informace jsou aplikovatelné i na střešní hydroizolační fólie.

Obr. 2 Vztah mezi molekulovou hmotností, linearitou změkčovadel a jejich ztrátami do pevné látky [1]

Obr. 3 Vypařování a extrakce změkčovadel z PVC-P fólie [8]

Ztráty změkčovadel vznikají vypařováním, migrací, omýváním, hydrolýzou, mikroorganismy [2]. Vypařování je důležité pro jižní země, ale ne pro severní Evropu [2]. Představuje ztrátu změkčovadel do okolního plynného skupenství (nejčastěji vzduch) [3]. Migrace změkčovadel obsahuje difuzi změkčovadla v rámci polymeru a transport z povrchu polymeru do okolního média [4]. Migrace nastává v případě, že PVC-P je v přímém kontaktu s jiným polymerem a změkčovadla migrují do tohoto materiálu [3]. Ztráty změkčovadel však mohou vznikat i extrakcí, a to v případě, že je velikost molekuly extrakční kapaliny dost malá na to, aby pronikla do polymerní struktury PVC (obr. 3). Hlavním mechanismem je rozptýlení extraktantu v PVC-P, rozpuštění a následné šíření společně s rozpuštěnými změkčovadly na povrch PVC-P [1]. Extrakce je jev, během něhož nastává ztráta změkčovadel do okolního tekutého média [3].

Degradace při kontaktu s nekompatibilním materiálem
Změkčovadla z povlakových krytin na bázi PVC-P se do jiného polymerního materiálu uvolňují, když odpor na rozhraní dvou materiálů není příliš vysoký a změkčovadlo je kompatibilnější s přijímajícím materiálem [1]. Účinek migrace změkčovadel se projeví na přijímajícím materiálu, ale také na mechanických vlastnostech PVC-P. Přímý kontakt měkčených plastů s asfaltem, dehtem nebo pěnovým polystyrenem vede po určité době k vzájemné chemické reakci s převážně škodlivými následky. Je tak jednoznačné, že monomerní změkčovadla migrují do dalších substancí, například do polystyrenu [2]. Přímému kontaktu těchto dvou materiálů se doporučuje zabránit geotextilií. Výrobci střešních povlakových krytin doporučují použít geotextilii s plošnou hmotností v rozpětí od 200 do 300 g/m². Přímý kontakt vede nejen k degradaci fólie na bázi PVC-P (tvrdnutí, křehnutí), ale podle praktických zkušeností i k degradaci samotné tepelné izolace z pěnového polystyrenu EPS. Pěnový polystyren degraduje (sublimuje) a podle zkušeností z praxe v reál­ném případě po čase expozice 5 let ztrácí 5 mm z původní tloušťky. V případě kontaktu fólie na bázi PVC-P s asfaltem bude monomerní změkčovadlo migrovat z fólie PVC-P do asfaltu, což způsobí, že materiál PVC-P ztvrdne a zkřehne. Zda a do jaké míry to způsobí změny ve vlastnostech fólie, to závisí na dalších faktorech. Jsou to hlavně typ polymeru, složení (plniva, změkčovadla a ostatní přídavné látky) a také podmínky expozice. Nárůst teploty při skladování způsobuje exponenciální nárůst v rychlosti reakce, zatímco ve stejném čase to usnadňuje penetraci asfaltu do plastu [5].

Podle ČSN EN 13956: 2006 Hydroizolační pásy a fólie. Plastové a gumové pásy pro hydroizolaci střech. Definice a charakteristiky lze střešní fólie klasifikovat jako kompatibilní s asfaltem, pokud po 28 dnech skladování v přímém kontaktu s asfaltem představuje procentuální ztráta hmotnosti pásů hodnotu menší nebo rovnou 5 %. Dlouhodobý kontakt fólií v přímém styku s asfaltem však vede v případě některých typů střešních fólií i ke změně tahových vlastností. V ČSN EN 13956 jsou proto střešní fólie klasifikovány jako kompatibilní s asfaltem, pokud po 28 dnech skladování v přímém kontaktu s asfaltem je změna Youngova modulu menší nebo rovna 50 % v případě pásů s vnitřní vrstvou nebo podkladem. V normě se rovněž uvádí, že na základě zkušeností se pásy s netkaným podkladem s plošnou hmotností nejméně nebo rovnou150 g/m2, který zabraňuje styku s hydroizolační membránou, považují za slučitelné s asfaltem.

Pásy s netkaným podkladem by měly být na základě uvedeného vhodné k separaci PVC-P fólií od asfaltu. V praxi se běžně používá separační geotextilie o plošné hmotnosti 300 g/m². V tomto případě je ještě zajímavé zamyslet se nad otázkou, jaký druh separační geotextilie použít. Na stavebním trhu se nacházejí PE geotextilie, PP geotextilie a také jejich kombinace. Separace PVC-P fólií od asfaltu pomocí PP geotextilie je však na základě zkušeností z praxe nevhodná. K problematice separace PVC-P fólií od polystyrenu se v ČSN EN 13956 žádná doporučení nenacházejí.

Obr. 4 Umístění vzorků v sušárně	Obr. 5 Vzorek fólie z PVC-P v přímém kontaktu s expandovaným polystyrenem EPS

Srovnávací experiment
Zda degradaci materiálů reálně ovlivňuje jejich vzájemná nekompaktibilita, můžeme ověřit experimentem, který vylučuje působení jiných vlivů (slunečné záření, vlhkost, mikroorganismy). Fólie na bázi PVC-P byla uložena na 90 dnů do teplovzdušné sušárny (obr. 4) s nucenou cirkulací vzduchu při konstantní teplotě 60 °C v těchto kombinacích:

• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou uskladněná bez přímého kontaktu s nekompatibilním materiálem,
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v přímém kontaktu s nekompatibilním materiálem (EPS polystyren) (obr. 5),
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci se separační geotextilií s plošnou hmotností 300 g/m², vloženou mezi zkoumané materiály (EPS polystyren a fólie PVC-P),
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci se separační geotextilií s plošnou hmotností 300 g/m², vloženou mezi zkoumané materiály (EPS polystyren a fólie PVC-P) a nasáknutou vodou (simulace stavu zatečení vody do střešního pláště).

Tyto kombinace se shodují se skladbou jednoplášťové ploché střechy s tepelnou izolací na bázi polystyrenu EPS 100 (tloušťka 100 mm) a s povlakovou krytinou na bázi PVC-P. Protože vytvořené kombinace byly umístěny v sušárně společně s dalšími kombinacemi, bylo nutné zabezpečit, aby se prchavé látky z PVC-P fólií odváděly z prostoru sušárny. Případný vliv polystyrenu na bázi EPS na měřené kombinace, které nebyly ve styku s nekompatibilním materiálem, byl odstraněn vytvořením ocelové nádoby. Vzduchotěsnou a obvodově utěsněnou nádobou (obr. 6) se zabezpečilo, že vzorek polystyrenu EPS ovlivnil jen danou kombinaci (obr. 7).

Obr. 6 Detail utěsnění okrajů ocelové nádoby	Obr. 7 Ocelová nádoba s těsněním pro zamezení vlivu EPS polystyrenu na ostatní kombinace
Obr. 8 Vzorek fólie z PVC-P v přímém kontaktu s oxidovaným asfaltovým pásem	Obr. 9 Vzorek fólie z PVC-P v přímém kontaktu s XPS polystyrenem

Stejně byla ověřena i nekompaktibilita s asfaltem. Byly vytvořeny tyto kombinace:

• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v přímém kontaktu s nekompatibilním asfaltem (oxidované asfaltové pásy) (obr. 8),
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci se separační geotextilií s plošnou hmotností 300 g/m², vloženou mezi zkoumané materiály asfalt a fólii PVC-P,
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci se separační geotextilií s plošnou hmotností 300 g/m², vloženou mezi zkoumané materiály asfalt a fólii PVC-P a nasáknutou vodou (simulace stavu zatečení vody do střešního pláště),
• PVC-P fólie homogenní s nakašírovanou netkanou PES textilií s plošnou hmotností 300 g/m² uskladněná bez přímého kontaktu s nekompatibilním materiálem,
• PVC-P fólie homogenní s nakašírovanou netkanou PES textilií s plošnou hmotností 300 g/m², volně položenou na nekompatibilní asfalt (oxidované asfaltové pásy);
• PVC-P fólie homogenní s nakašírovanou netkanou PES textilií s plošnou hmotností 300 g/m², natavenou na nekompatibilní asfalt (oxidované asfaltové pásy); tato kombinace odpovídá skladbě ploché střechy s obráceným pořadím vrstev; zkoumala se kompatibilita PVC-P s XPS polystyrenem,
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci v přímém kontaktu s nekompatibilním materiálem (XPS polystyren) (obr. 9);
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci se separační geotextilií s plošnou hmotností 300 g/m², vloženou mezi zkoumané materiály (XPS polystyren a fólie PVC-P);
• PVC-P fólie vyztužená PES nosnou vložkou, uskladněná v kombinaci se separační geotextilií s plošnou hmotností 300 g/m², vloženou mezi zkoumané materiály (XPS polystyren a fólie PVC-P) a nasáknutou vodou (simulace podtékání dešťové vody pod vrstvu tepelné izolace).

Metodika experimentu
Měření nepředstavuje simulaci reálných klimatických podmínek. Zakládá se na porovnání chování fólií na bázi PVC-P při kontaktu s nekompatibilními materiály a bez kontaktu. Vzorky fólií PVC-P byly před vložením do sušárny zváženy a byly změřeny jejich příčné a podélné rozměry (obr. 10), jakož i tloušťka. Vzorek EPS polystyrenu byl stejně podroben měření hmotnosti a tloušťky. Po 90denním stárnoucím cyklu při teplotě 60 °C byly vzorky vyjmuty ze sušárny, odděleny a nechaly se 24 hodin před začátkem zkoušek odstát.
Vzorky fólií na bázi PVC-P byly po stárnoucím cyklu podrobeny těmto zkouškám:

• stanovení tahových vlastností (pevnost, prodloužení, modul pružnosti),
• stanovení rozměrové stálosti,
• stanovení ohybnosti při nízkých teplotách,
• stanovení tloušťky a hmotnosti,
• stanovení vodotěsnosti.

Vzorky fólií na bázi EPS polystyrenu a oxidovaného asfaltového pásu, které byly použity v některých kombinacích, budou po stárnoucím cyklu podrobeny opět měření hmotnosti a tloušťky.

Zajímavou částí zkoušek je především IR spektrální analýza vybraných vzorků fólií na bázi PVC-P. Infračervená spektroskopie je optická metoda, vhodná především pro kvalitativní analýzu organických a v omezené míře i anorganických látek. Použití IR spektroskopie může v budoucnosti napomoci k odhalení případných příčin poruch povlakových krytin na bázi PVC-P [6].

Závěr
K dokázání a stanovení příčiny poruch, které jsou výsledkem vzájemné nekompatibility materiálů ve střešním souvrství, je nutné otestovat více kombinací. Cílem je porovnat chování fólií na různých podkladech. Výsledky mohou pomoci vysvětlit příčiny vzniku jednotlivých typů poruch, které jsou v praxi běžné a jsou pozorovány již několik let.

TEXT: Ing. Stanislav Šutliak
OBRÁZKY a FOTO: archiv autora

Autor je doktorand na Katedře konstrukcí pozemních staveb Fakulty stavební STU v Bratislavě.

Literatura
1.    Stark, T.: et al. Plasticizer retention in PVC geomembranes. (on-line, cit: 2010-04-04). Dostupné na internetu: <http://www.geomembrane.org/TechPapers/PlastReten40769-6370.pdf>.
2.    Pastuska, G.: Roof coverings made of PVC sheetings – The effect of plasticizers on lifetime and service performance. (on-line, cit: 2010-04-04). Dostupné na internetu: <http://docserver.nrca.net/pdfs/technical/300.pdf>.
3.    Kovacic, T., Mrklic, Z.: The kinetic parameters for the evaporation of plasticizers from plasticized poly(vinyl chloride). In: Thermochimica Acta, 2002, roč. 381, č. 1, s. 49–60.
4.    Ekelund, M.: et al. Long-term performance of poly(vinyl chloride) cables. Part 2. Migration of plasticizer. In: Polymer Degradation and Stability, 2008, roč. 93, č. 9, s. 1 704–1 710.
5.    Glück, L. Einwirkung von Bitumen auf Kunststoff-Dach- und Dichtungsbahnen. In: Bauphysik, 2004, roč. 26, č. 2. s. 86–93.
6.    Stuchlík, M., Müllerová, J.: Možnosti IR spektrometrie při analýze hydroizolačních fólií. (on-line, cit: 2011-04-04). Dostupné na internetu: <http://www.izolace.cz/downloads/STUCHLIK.pdf>.
7.    Šutliak, S.: Nekompatibilné kombinácie materiálov plochých striech. In: Střechy, fasády, izolace, 2012, roč. 19, č. 3, s. 65–67.
8.    http://www.extruflexonline.co.uk/Plasticizers_&_Durability.pdf
9.    http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/irc/ctus/ctus-n30.html

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.