‘GRØNNE’ BIOKOMPOSITTER TIL LOFTS-‐ OG VÆGELEMENTER – EN UNDERSØGELSE AF FUNKTIONELLE OG ÆSTETISKE POTENTIALER
Karen Marie Hasling 23. februar 2011 Designskolen Kolding 1
Hvad arbejder vi med? Baggrund og li3eraturstudier Realisering Frem8d
PROJEKTINTRODUKTION
1
TEASER
2
Hvad er en fiberkomposit? Hvad kan en fiberkomposit?
• Tilføre styrke 8l plas8k (deraf fiberforstærket plas8k) • Skabe le3e materialer med høj styrke (høj specifik styrke) • Frems8lles i en bred viKe af former
+
MATERIALE fiberkompositter
=
3
Hvad bliver fiberkomposi3er brugt 8l?
Krav 8l materialer: • Høj styrke • Lav vægt • Formbarhed Materialer bl.a. (fibre): • Glasfiber • Kulfiber • Kevlarfibre
MATERIALE fiberkompositter
4
Hvad ville fiberkomposi3er kunne? Fiber
Brudstyrke [MPa]
Tøjning [%]
Glas
100-‐150
1,0-‐2,0
p-‐Aramid (Kevlar)
425
3,4
Karbon
550
1,6
(73-‐100)
(17-‐46)
Bomuld
42-‐125
3-‐10
Silke
45-‐83
13-‐31
Uld
17-‐28
20-‐50
(PA6)
(Kilde: Harper et al. (2008): Handbook of Building Materials for Fire Protec@on)
MATERIALE fiberkompositter
5
Projektet vil vende forståelsen af komposi3er lidt på hovedet og gøre teks8let 8l en ak8v komponent og plasten 8l et redskab. Således kan en visuel eller grafisk fiberkomposit opstå
Konven8onelle fiberkomposi3er frems8lles oKe af materialer, der er ressourceforbrugende og svære at genanvende/ nedbryde. Projektet har anvendt materialer, med tanke på genanvendelse og nedbrydning såvel som på minimering af ressourceforbrug Fordelen ved at anvende disse materialer viser sig desuden også på en række andre områder.
FIBERKOMPOSITTER – en ny mening
6
Tesen i projektet med 8tlen ’Funk8onelle Fiberkomposi3er’ var, at det er muligt at udfordre andre egenskaber i fiberkomposi3er og derved at skabe grundlag for at materialet kan introduceres 8l nye markeder. • Ved at udny3e de muligheder der ligger i den teks8le konstruk8on i en fiberkomposi3er kan man skabe en merværdi. • Ved at integrere funk8onelle elementer i fiberkomposi3en kan man lave interak8ve eller intelligente materialer.
MASTERSPECIALE – funktionelle fiberkompositter
7
Konven8onelle fiberkomposi3er frems8lles oKe af materialer, der er ressourceforbrugende og svære at genanvende/ nedbryde, hvilket ikke er ønskværdigt. ”BiokomposiEer er fiberkomposiEer, hvor både fiber og matrix består af fornybare og nedbrydlige materialer”
Pavillion af 3xN, Louisiana 2010
MILJØMÆSSIGT ASPEKT
Hamp/PP-‐komposit (pultruderet)
Bildele i presseformet biokomposit
8
Anvendelsen af naturfibre i fiberkomposi3er er interessant og der forskes i, hvordan disse kan ersta3e ’konven8onelle fiberkomposicibre’ i bl.a. vindmøller. Naturfibre har fordelene af at: • have lavere vægcylde • ingen skadelige stoffer • er genanvendelige og nedbrydelige • har rela8vt høje styrke og s8vhedsegenskaber Natur har ulemperne at de: • let optager fugt (er hydrofile) • varierer i kvalitet • har en lav varmestabilitet MATERIALE – naturfibre
9
De fleste kommercielle fiberkomposi3er består af fiberforstærkede hærdeplaster. Fiberkomposi3er med en termoplas8sk matrix er stadig ikke almindeligt. Ved at anvende en termoplas@sk matrix er det muligt at: • genanvende polymermateriale • eKerforme og 8lføje overfladestrukturer • mindske proces8den (ved industriel skala) En termoplas8sk matrix er problema8sk da: • det er nødvendigt at opnå høje temperaturer (~200°C) for at smelte materialet og et højt tryk • smelteviskositeten er mærkbart højere end for hærdeplaster -‐> svært at fordele plas8kmateriale og det er derfor svært at opnå høje fiberfrak8oner. MATERIALE – termoplaster
10
Teks@l + transparent plas@k = fiberkomposit med synlig teks@l Poten8elt vil denne type materiale kunne anvendes i en bred viKe af situa8oner. Kan ersta3e ikke-‐bærende bygningsmaterialer både inden-‐ og udendørs såsom facader, skillevægge, paneler og loD-‐/ vægelemeter, interiør. Anvendelsesområet i projektet har været 8l loK-‐ og vægelementer 8l brug i nye sygehuse. 1. Aktuelt, da opførelsen kommer 8l at ske indenfor de næste år og omfanget af byggerierne er stort 2. Der s8lles generelt større krav 8l materialer i sundhedssektoren end i det resterende byggeri. ANVENDELSESMULIGHEDER – kontekst
11
Forhold: • Syge mennesker med lavt immunforsvar • Mange forskellige sygdomme • Miljø, hvor der kommer mange folk ud og ind • Undersøgelser har vist at 8-‐10% pådrager sig nye dårligdomme på hospitaler • Materialerne skal være robuste og holdbare • Materialerne skal kræve et minimum af rengøring • Prisen på materialerne må ikke overs8ge andre Det er syge mennesker, der i deres svageste øjeblik tages ud af faste rammer for at blive behandlet. Er det muligt at skabe et miljø, der føles hjemligt og trygt men sam@dig kan leve op @l de krav, der s@lles? SUNDHEDSSEKTOREN – forhold & krav
12
Områder: • Flammehæmning • Indeklima • Nedbrydning af rengøringskemikalier • Hygiejne
BAGGRUND - litteratur
13
DS/EN 13501-‐1+A1 – Brandklassifika8on af byggevarer og bygningsdele – Del 1: Klassifika8on ud fra resultater opnået ved prøvning af brandreak8on Mulige flammehæmningsmetoder • Flammehæmning af teks8l • Flammehæmning af matrix • Barriere Flammehæmning af teks@l • Naturfibre – i denne sammenhæng diskuteres cellulosefibre, alterna8vt også uld og silke • Almindeligvis holdbarhed vig8g parameter, bl.a. i rela8on 8l slid og vask. • Tilført som belægning eller imprægnering. • Vil påvirke vedhæKning mellem teks8l og resin. FLAMMEHÆMNING
14
Flammehæmning af matrix • Polyesterresin • Tilføres i smelten eller som copolymer • Mineraler,organiske forbindelser mm.
Barriere • Lamina i komposit, der ikke brænder så let, fx ved at forbruge meget energi • Metaller, keramik • Ikke hensigtsmæssigt, da det vil påvirke materialets æste8ske udtryk
FLAMMEHÆMNING
15
• Flammehæmmere, der går for at være miljøvenlige er som oKest intumescerende (skummende) • Består af letopløselige polyfosfatsalte • Ikke vandfast • Ikke egnet 8l imprægnering af teks8l 8l komposit • Indlejring af kondens, der kan forårsage skader • Ikke rumlig plads 8l opskumning af materiale. • Eksempler er Burnblock(DK) og Apyrum(SE) Grunde 8l at 8lsæ3e flammehæmmer i matricen: • Fiberfrak8onen, Vf~30% • Den fase, der først kommer i kontakt med ild Øverst: SEM-‐fotografi af krystalstruktur af Apyrum flammehæmmer (Hasling 2008) Nederst: Brændt prøve med Apyrum behandling (Hasling 2008)
FLAMMEHÆMNING - miljøvenlig
16
• Så vidt vides findes endnu ingen 8lfredss8llende miljøvenlig flammehæmmer 8l PLA (2011) • Flammehæmmer 8l PLA på forskningsstadiet anvender intumescerende fosfacorbindelser med organiske forbindelser som fx lignin og s8velse som kuldannende element (i kombina8on med APP(Ré8 et al. 2008). • Resultaterne (målt som LOI-‐værdi) er 8lfredss8llende, men ikke så gode som med en konven8onel kuldanner • Ved anvendelse af s8velse bliver materialet gul-‐brunligt
FLAMMEHÆMNING - miljøvenlig
17
Mennesket opholder sig ca. 90% af livet inden døre Et dårligt indeklima forårsager sundhedsimplika@oner Ca. 20% af en befolkning har helbredsproblemer relateret @l bygninger: Porøse materialer • Teks8l • Gipsplader Behandlinger • Maling • Lakering EX: Beton • Kan optage flyg8ge forbindelse såsom lim og plast • Flyveaske kan frigive ammoniak samt kulbrinteforbindelse fra slipolie
INDEKLIMA
18
• Med indkapsling af teks8lerne i en komposit vil de ikke længere være porøse. • Hverken fibre eller plast indeholder stoffer, der kan afgasse 8l omgivelserne i større omfang • Eventuelle behandlinger af teks8lerne vil være indkapslet i plas8k • Overfladen gør det umuligt for stoffer at sæ3e sig fast
• Hvordan reagerer overfladen på de flyg8ge forbindelser, der må findes i luKen fra andre materialer?
INDEKLIMA - biokompositter
19
Der er officielt ikke én standard, der beskriver kravene 8l sygehusrengøring, men i praksis anvendes: DS 2451-‐10 Styring af infek8onshygiejne i sundhedssektoren – Del 10: Krav 8l rengøring som vejledning i forhold 8l at sikre god hygiejne Rengøringen har: • primært 8l formål at serne smitstof fra overflade og forebygge spredning af mikroorganismer, der skaber risiko for infek8oner • 8l formål at vedligeholde inventar, vægge og gulve I sundhedssektoren anvendes hovedsageligt rengøringsar8kler baseret på vand, klor, detergenter (tensider, svagt alkaliske).
HYGIEJNE
20
“Rengøring på sygehuse får dumpekarakterer” Dagens Medicin, 6. februar 2010
• Ikke porøse materialer, hvor bakterier kan sæ3e sig • Materialer der kan renses med der rengøringsar8kler, der anvendes i sundhedssektoren • Overflader, der let kan tørres af/selvrensende • Et minimum af samlinger og sværulgængelige områder • Muligt visuelt at kunne se om materialerne er beskidte
HYGIEJNE - materialeønsker
21
Ved at indkapsle teks8let i en plast bibeholdes det teks8le udtryk, men porøsiteten forsvinder. Jævne laminatoverflader kan tørres af. Med en komposit kan man konstruere runde hjørner og integrerede sammenføjninger. er således nødvendigt at undersøge, hvordan Det materialerne, hovedsagligt plasten, reagerer på de rengøringsmidler der anvendes i sundhedssektoren. PLA er en: • polymer bestående af byggesten, der findes i naturen (mælkesyre). • polymer der anvendes i medicoindustrien 8l bl.a. in vivo-‐ applika8oner, da den kan nedbrydes i kroppen. NEDBRYDNING - rengøringsmidler
22
Hvilke kemikalier/stoffer er kri8ske i rela8on 8l PLA? • Undersøgelser har vist, at PLA i kroppen kan nedbrydes af alkaliske proteinaser (enzymer) i kombina8on med vand og varme – PLA nedbrydes ikke af cellulase og lipease (fx Tokiwa & Calabia, 2006; Vichaibun & Chulavatnatol, 2003). • Undersøgelser har vist, at PLA nedbrydes under alkaliske forhold (pH>7), hvor polymeren hydrolyseres (forsæbes) og molekylekæderne spli3es (Cam et al., 1994). • Overfladen ændres som et resultat af nedbrydningen, • Overfladen eroderer og de mekaniske egenskaber falder • Intensiv stråling og UV-‐stråling forårsager skade på molekylekæderne (Ho & Pome3o 1999). SEM af forskellige forstørrelser af poly(L-‐lac@de) film ældet i 0,01N NaOH ved 37°C (Cam et al. 1994)
Alle typer nedbrydning vil principielt påvirke de mekaniske egenskaber, men da nedbrydningen foregår på overfladen vil det ikke have nogen egentlig betydning
NEDBRYDNING - rengøringsmidler
23
Transparensen mindskes ved nedbrydning af molekyler og det visuelle indtryk af overfladen såvel som af materialet vil ændre sig. Procentvis lysgennemtrængning vs nedbrydnings@d af poly(L-‐ lac@de) film i 0,01N NaOH ved 37°C (Cam et al. 1994)
NEDBRYDNING – en visuel forandring?
24
Udgangspunkt: Plane laminater frems8llet i to forskellige produk8onsprocesser: I manuel termopresse – uden vakuum (vejledende forsøg) (DK) Sandwich med 2 lag PLA med teks8l imellem I automa@seret termopresse (Risø) Sandwich med 5 lag PLA med teks8l imellem Termopressen på Risø
REALISERING - fremstillingsprocedurer
25
Realiseringen havde bl.a. 8l formål at: • visualisere, hvordan forskellige teks8le konstruk8oner og behandlingsteknikker kommer 8l udtryk i en komposit. • undersøge, hvordan teks8let interagerer i en komposit i }t. farver, effekter, materialer, rumlighed
Der blev lagt vægt på, at designerne på forhånd ikke havde detaljeret kendskab 8l lamineringsprocessen – hvorfor? -‐ Samt at der blev arbejdet med forskellige materialer og teknikker for at danne et bredere kendskab og erfaringsgrundlag. REALISERING
26
Teks8lerne blev frems8llet af teks8ldesignstuderende: • Louise Ravnløkke (strik og tryk) • Hege Solberg (væv)
REALISERING
27
Som inspira8on 8l prøverne blev der taget udgangspunkt i naturelementerne: Ild – luk – jord – vand Med udgangspunkt i hospitalsmiljøet blev det vurderet, at inspira8on fra naturen, som alle kan relatere 8l, vil kunne skabe gode vilkår for at gøre folk raske og vel8lpasse. I designprocessen indgik således også farvning med naturmaterialer Bomuld – silke – uld – viskose Farvning – trykning – udbrænding -‐ lasercut Fosforiserende – folie – dextrin m.fl.
REALISERING - inspiration
28
REALISERING
29
Ved indkapsling udfordres udtrykket af teks8lerne i form af: • Farveændring • Skade/nedbrydning af materiale • Smeltning af teks8ler • Interak8on mellem teks8ler og teks8ler og matrix i forskellige lag
• Materialer der skrumper • velour der lægger sig ned
REALISERING – ændringer i udtryk
30
Varia8on af: Garn – tråddensitet i kæde og skud – bindinger -‐ farver • Undersøge materialetransparens • Undersøge ensartethed i materiale.
REALISERING – vævede tekstiler
31
Fibre vil i de fleste 8lfælde have højere smeltepunkter en resin af samme polymer. Med en procestemperatur TS(resin) < T(proces) < TS(fiber) vil begge faser bibeholdes. Fordele: • Le3ere at genanvende • Mekaniske egenskaber som komposit • Påføring af detaljer på ’usynligt teks8l’ Ulemper: • Samme brydningsindeks kan gøre teks8lerne ’usynlige’ • Svært at ramme den re3e procestemperatur MATERIALE PLA/PLA komposit
32
NUTID -> fremtid
33