Lepilo iz fruktoze in arašidnega proteina: prihodnost večslojnega parketa?

Kaj je raziskava dejansko pokazala?

Obnovljive surovine ne pomagajo, če lepilo potrebuje previsoko temperaturo ali slabo prenaša vodo.

Velik del vezanih lesnih izdelkov je tradicionalno izdelan z lepilnimi sistemi na osnovi formaldehida. Razvoj formulacij brez formaldehida je zato pomemben za proizvodnjo in notranjo uporabo, vendar mora novo lepilo hkrati izpolniti zahteve glede trdnosti, odpornosti proti vlagi, viskoznosti, skladiščenja in hitrosti stiskanja.

Sladkorji so obnovljive in široko dostopne surovine. Pri segrevanju lahko tvorijo reaktivne furanske in karbonilne spojine ter se vključijo v utrjeno mrežo. Težava številnih saharidnih lepil je visoka temperatura ali dolg čas utrjevanja. Industrijske parne stiskalnice pogosto delujejo pod približno 150 °C, medtem ko so prejšnji sistemi potrebovali še višje temperature.

Fruktoza je reaktiven reducirajoči sladkor, vendar sama po sebi ne reši vseh težav. V kombinaciji s p-toluensulfonsko kislino lahko nastanejo netopne snovi in previsoka začetna viskoznost. Raziskovalci so zato iskali formulacijo, ki ostane obvladljiva, ne prebije skozi furnir in po vročem stiskanju prenese suh ter moker strižni preskus.

Za parket je formaldehid samo ena od tem. Končna plošča mora prenesti ponavljajoče se spremembe vlage in temperature, talno gretje, strižne napetosti med sloji ter dolgo življenjsko dobo. Dober začetni rezultat v vezani plošči je potreben korak, ne končni dokaz.

Od primerjave petih sladkorjev do optimalne trislojne vezane plošče.

V prvi fazi so pripravili lepila iz saharoze, fruktoze, glukoze, riboze in maltoze z amonijevim dihidrogenfosfatom (ADP). Vsa so imela 80 mas. % suhe snovi in so bila sintetizirana tri ure pri 90 °C. Med primerjanimi sladkorji je zahteve uporabljenega standarda dosegla fruktozna osnova.

Optimalna formulacija je uporabila masno razmerje fruktoza : ADP 80 : 20, 10 % TsOH in 80 mas. % suhe snovi. Po triurni sintezi pri 90 °C so osnovo zmešali z arašidnim proteinom v objavljenem razmerju FAT : PP 4 : 1 ter dodali 5 % metilendifenil diizocianata (MDI).

Arašidni protein je imel vlogo polnila in reaktivne beljakovinske komponente. Po avtorskem povzetku je zmanjšal prebijanje lepila skozi furnir ter izboljšal vezavo. MDI je bil utrjevalec, ki je dodatno povezal hidroksilne in aminne funkcionalne skupine.

Izdelali so trislojno vezano ploščo. Lepilo so nanašali z 180 g/m² in vroče stiskali pri 150 °C deset minut. Nato so merili suho ter mokro strižno trdnost. Primarni članek navaja skladnost z GB/T 9846-2015; meja 0,70 MPa je meja, ki jo članek in povezane objave uporabljajo za to primerjavo, ne pa evropska certifikacija parketa.

Pretvorba fruktoze, Maillardova reakcija in MDI skupaj gradijo utrjeno mrežo.

ADP in TsOH delujeta kot katalitični komponenti pri pretvorbi fruktoze. Segrevanje spodbuja dehidracijo in nastanek reaktivnih spojin, med njimi furanskih struktur. Karamelizacijske poti povezujejo produkte razgradnje sladkorja, medtem ko Maillardova reakcija vključuje karbonilne skupine sladkornih produktov in aminne skupine arašidnega proteina.

Primarni članek mehanizem povzema kot kombinacijo pretvorbenih, Maillardovih, karamelizacijskih in adicijskih reakcij. Ni korektno vsega skrčiti na eno samo »naravno Maillardovo lepilo«, saj utrjena mreža nastaja po več vzporednih poteh.

MDI vsebuje izocianatne skupine, ki reagirajo z nukleofilnimi skupinami v lesu, sladkornih produktih in proteinu. S tem izboljša mreženje in odpornost proti vodi. Prav ta sestavina pa je razlog, da izdelka ne moremo imenovati povsem biološkega ali brez sintetičnih kemikalij.

Ko voda doseže lepilni spoj, oslabi vodikove vezi in lahko poveča gibljivost hidrofilnih delov. Gosta kovalentno povezana mreža omejuje ta učinek. Mokra strižna trdnost zato pove več o uporabnosti lepila kot samo rezultat v suhem, vendar en mokri protokol še ni enak letom ponavljajočega se vlaženja in sušenja.

Mokra trdnost 0,97 MPa je močan laboratorijski rezultat z jasno kemijsko omejitvijo.

Optimalna PP/FAT-formulacija je dosegla suho strižno trdnost 1,02 MPa in mokro strižno trdnost 0,97 MPa. Obe vrednosti sta nad mejo 0,70 MPa, ki jo avtorji uporabljajo pri sklicu na GB/T 9846-2015. Mokra vrednost je le približno pet odstotkov pod suho, kar v uporabljenem laboratorijskem protokolu kaže dobro ohranitev vezi po izpostavitvi vodi.

Rezultata ni dovoljeno predstavljati kot evropsko odobritev ali kot neposredno skladnost parketa. Standard se nanaša na vezano ploščo, vzorec pa je bil trislojen in izdelan pri točno določenem nanosu ter ciklu vročega stiskanja.

Pomemben dosežek je znižanje učinkovitega stiskanja na 150 °C. Čas deset minut pa je lahko dolg glede na industrijski takt, posebej pri večjih ali debelejših elementih. Članek ne prikazuje pilotne proizvodnje, stroška, življenjske dobe tekočega lepila ali hitrosti utrjevanja v realni neprekinjeni liniji.

Izraz »formaldehidno prosto« opisuje sestavo sistema in je utemeljen. Ne dokazuje ničelnih vseh hlapnih organskih spojin, ničelnih emisij MDI-povezanih produktov ali splošne zdravstvene varnosti brez ločenih meritev.

Najbližja povezava s parketom je lepljena sredica večslojne deske.

Večslojni parket pogosto uporablja križno orientirane lesene sloje ali vezano sredico. Lepilo med njimi mora prenesti strižne napetosti, ki nastajajo ob različnih smereh krčenja in nabrekanja. Tehnologija iz raziskave je zato vsebinsko povezana s konstrukcijo talne deske, čeprav dejanski parket ni bil izdelan.

Za talno gretje bi bilo treba preveriti številne cikle med nizko in povišano temperaturo pri različnih relativnih vlažnostih. Pomembni so delaminacija, lezenje spoja pod stalno napetostjo, ravnost deske, toplotni upor celotne konstrukcije in odziv po lokalnem omočenju spojev.

Proizvajalec mora poznati tudi združljivost lepila z vrstami lesa in proizvodnimi površinami. Hrastovi ekstraktivi, smolnati iglavci, gost furnir ali toplotno modificiran les lahko spremenijo omakanje in vezavo. Rezultat na uporabljeni vezani plošči se zato ne prenese avtomatsko na vsako parketno konstrukcijo.

Morebitna prednost bi bila večji delež obnovljivih surovin in izločitev formaldehidne komponente. Za pošteno okoljsko trditev pa potrebujemo masno bilanco, energijo triurne sinteze in desetminutnega stiskanja, izvor arašidnega proteina, vpliv MDI ter analizo življenjskega cikla.

Kaj je že dokazano in kaj še ne?

Hitrejši cikel, manj MDI in dolgotrajno preskušanje bi pokazali industrijsko vrednost.

Prva razvojna naloga je krajši vroči cikel pri enaki mokri trdnosti. Smiselno bi bilo preizkusiti različne temperature, debeline, nanose in vlago furnirja ter poročati čas do zadostne trdnosti. Hkrati bi bilo treba meriti viskoznost in stabilnost skozi realno obdobje skladiščenja.

Drugi cilj je zmanjševanje ali nadomestitev 5 % MDI, ne da bi se izgubila odpornost proti vodi. Popolnoma bio-osnovana različica bi potrebovala drugačen učinkoviti utrjevalec in ponovno celovito varnostno ter mehansko validacijo; iz trenutne formulacije je ni mogoče razglasiti.

Za večslojni parket je potreben pilotni element z obrabnim slojem, sredico in spodnjim furnirjem. Preskusni program naj vključuje klimatske cikle, talno gretje, strižno lezenje, razslojevanje po lokalnem omočenju, emisije komore in dolgoročno ravnost. Šele nato bi bilo mogoče primerjati sistem s komercialnimi lepili po zmogljivosti, strošku in okoljskem profilu.

Praktični odgovori brez laboratorijskega žargona.

Izvirna znanstvena objava