Issuu on Google+

‘GRØNNE’ BIOKOMPOSITTER TIL LOFTS- OG VÆGELEMENTER – en undersøgelse af funktionelle & æstetiske potentialer


FORORD 1. april 2011

Denne rapport er dokumentation for projektet ‘Grønne’ biokompositter til lofts- og vægelementer – en undersøgelse af funktionelle og æstetiske potentialer, der blev udført på Designskolen Kolding september til december 2011. Projektet er blevet udført af Karen Marie Hasling i samarbejde med Vibeke Riisberg og Joy Boutrup. Projektet har fungeret som et forprojekt, med det formål at danne et grundlag for et fremtidigt Ph.d.-projekt indenfor samme område. Projektet har derfor arbejdet med at materialisere konceptet i form af en række demonstrationsmodeller såvel som at forsøge at klarlægge en række problemstillinger med anvendelsen af dette materiale til den givne anvendelse. Projektet har været støttet af midler fra Center for Designforskning (Danish Centre for Design Research), der har gjort det muligt at lave denne forundersøgelse. Projektet kunne ikke være blevet realiseret uden hjælp fra Fiberlaboratoriet, Afdelingen for Materaleforskning (AFM) på Risø DTU, der har stillet materialer, maskiner og vejledning til rådighed. Her rettes specielt en tak til Tom Løgstrup Andersen og Jacob Christensen. DTU Fotonik og Søren Stentoft har været behjælpelige med refleksions- og farvemålinger. Sidst men ikke mindst en stor tak til Louise Ravnløkke og Hege Solberg, begge tekstildesignstuderende på Designskolen Kolding, der har hjulpet til at lave smukke og særegne tekstiler, der i deres natur, har skabt optimale vilkår for at blive videreført og oversat til et fiberkompositlaminat. Mere information om projektet kan findes på www.tekstilingenior.dk/graphic-composites

God læsning!

i


ii


1

FUNKTIONELLE POTENTIALER ÆSTETISKE POTENTIALER

9

KONKLUSION REFERENCER

29

INDHOLD

INDLEDNING FIBERKOMPOSITTER

4

19

32

iii


Den nuværende anvendelse af fiberkompositter bygger i høj grad på materialets evne til at opnå høj styrke kombineret med lav vægt samt formfleksibilitet. Imidlertid indehaver materialet et antal andre egenskaber, der kan drages fordel af, således at fiberkompositters identitet og anvendelsesområder vil kunne udvides og revurderes. Fiberkompositter består af en struktur af fibre indkapslet i plastik. Til high performance applikationer er materialevalget i og orienteringen af fibrene optimerede, så materialet opnår den styrke, der er ønsket. Heraf kommer også betegnelsen fiberforstærket plastik, der i høj grad retfærdiggør fiberens rolle i en fiberkomposit; altså at den forstærker plasten. Med denne betegnelse fremgår det tydeligere, at det er plasten, der er i fokus, mens fibre anvendes som et forstærkningsværktøj. Dette studie har haft til formål at vende denne forståelse på hovedet og anskue tekstilet som den aktive komponent, mens plasten anvendes som et redskab til at indkapsle og skåne tekstilerne fra det omkringværende miljø samt fiksere den tekstile struktur i en ønsket form og position. Hertil kommer, at det er muligt at lade de to komponenter interagere med hinanden, så plasten er med til at forstærke det tekstile udtryk. Ud fra denne betragtning opstår muligheden for at fremstille et alsidigt materiale, der medbringer stærke associationer fra tekstiler såsom hjemlighed og hygge, men i et beskyttet miljø. Det flytter i første omgang fokus fra ønsket om primært det stærke materiale, til at kunne skabe særegne og attraktive materialer, hvis udtryk og identitet først og fremmest bæres frem af den tekstile komponent; således skabes en visuel fiberkomposit. Set i et bredt perspektiv er størstedelen af overfladerne i bygninger, såsom vægge, lofter og gulve, der anvendes til at adskille rum og etager, passive elementer, dvs. ikke-bærende. Hertil kan tillige tilføjes eventuelle afskærmninger såsom skillevægge og persienner. Det store areal taget i betragtning besidder fladerne et enormt potentiale i forhold til at kunne genere et udtryk, skabe en stemning og give en oplevelse; et potentiale der kun i begrænset grad udnyttes i dag.

Hvor kom idéen fra? Idéen med at anskue og udnytte fiberkompositters visuelle potentialer blev udviklet i forbindelse med Karen Marie Haslings masterprojekt ’Funktionelle fiberkompositter’, der blev udført i et samarbejde mellem DTU Management og Risø DTU. Projektet forsøgte at udfordre egenskaber, der sjældent diskuteres rela-

1

INDLEDNING

Mod et paradigmeskift


tion til fiberkompositter. Masterprojektet tog udgangspunkt i, hvorledes det var muligt at integrere funktioner og funktionelle elementer, såsom solceller, lysdioder, elektriske kredsløb og varmefølsomme overflader i en fiberkomposit. Formålet med projektet var ikke at udvikle endelige forslag til, hvordan muligheden for integrationen af disse elementer kan anvendes, men mere at åbne op for at anvende fiberkompositter i andre sammenhænge end man ser i dag. Ved at forholde sig til materialet i en ny kontekst og til et andet marked blev en række parametre, der blev anset afgørende for en mulig fremtidig succes af materialet opstillet. Indenfor masterprojektets tidsramme og ud fra de krav, der forhånd var stillet. Masterprojektet var tænkt som en øjenåbner, der havde til formål at debattere nye anvendelsesaspekter for fiberkompositter til fremtidens materiale, men forholdte sig i begrænset omfang til den de krav og restriktioner der findes på en række områder for materialer anvendt i f.eks byggeriet.

Det bæredygtige aspekt i projektet Bæredygtighed er i disse år på alles læber og der er ingen tvivl om, at det er et område der ikke er til at komme udenom. Med fortsatte klimaforandringer, forurening, befolkningstilvækst og fortsat overforbrug af naturens ressourcer er det nødvendigt at finde alternative løsninger, hvis den levestandard vi har i dag skal bibeholdes. På et område som materialer er udviklingen hurtig og konstant og nye materialer opfindes, udvikles og optimeres i takt med stigende behov fra industrier, hvori materialerne skal anvendes. Materialer bliver i højere og højere grad udviklet specielt til et bestemt formål og skal derfor kunne yde noget særligt for at komme i betragtning. Selvom fiberkompositter bl.a. til vindmøller og til transportmidler kan være med til at skabe miljøvenlig energi og spare brændstof, er de materialer, der oftest anvendes i sig selv. Langt størstedelen af den industrielle produktion af fiberkompositter er med hærdeplaster, som matrix, hvilket gør dem svære at genanvende. Ydermere består de hærdeplaster der anvendes, i de mange tilfælde af giftige kemikalier, der kan skade, ikke bare under produktionen, men også under materialets levetid og i destruktionsfasen. Dette projekt har i stedet valgt at tage udgangspunkt i en bæredygtig termoplastisk resin(plast), der stiller andre krav til fremstillingsprocessen, men ikke på samme måde er problematisk for dets omgivelser. Derimod er den anvendte plastik, PLA

2


stadig under udvikling, hvilket ikke bare har gjort det nødvendigt at forholde sig til overgangen fra hærdeplast til termoplast, men også til, hvorvidt denne bæredygtige plastik kan tilfredsstille de krav, der er blevet sat.

Hvad har projektet indeholdt? I løbet af projekt er der blevet arbejdet med teori såvel som praksis og med det funktionelle såvel som det æstetiske potentiale i materialet. Som forprojekt var det ikke tanken at gå i dybden med de identificerede problemstillinger, der vil blive diskuteret, men at foretage en screening af de umiddelbare muligheder og begrænsninger der må forekomme, for på den måde at kunne danne et overblik over, hvorvidt materialet på sigt vil kunne fremstilles industrielt og kommercialiseres. Som udgangspunkt er hver problemstilling blevet behandlet separat, hvilket dog ikke har været muligt at følge i alle tilfælde, da nogle problemstillinger er koblede til hinanden. Forskning og udvikling i en række af problemstillingerne har haft fokus på andre anvendelser og kan derfor heller ikke garanteres være gyldige løsninger til dette materiale. Det har dog alligevel været anset aktuelt at inddrage resultater herfra, da det kan give en indikation indenfor den givne problemstilling.

Materialisering vha. demonstrationsmodeller

Æstetisk potentiale

Fig. 1.  Oversigt over områder og problemstillinger, der har været behandlet i projektet.

Funktionelt potentiale

Hygiejne Indeklima/ afdunstning

Brandhæmning

Nedbrydning af kemikalier

3


Kompositter bliver defineret som materialer bestående af flere separate faser. Ved at udnytte forskellige materialeegenskaber i faserne er det muligt at generere designede materialekombinationer, der kan opfylde de krav det stilles til en given applikation (Bunsell et al. 2005). I denne sammenhæng vil kompositten være sammensat af et emne, fiberen, der er omsluttet af matricen, plasten. Komposittens egenskaber gives ud fra en kombination af bl.a. egenskaberne for hver fase, volumenfordelingen og komposittens geometri (Callister 2007).

Hvad er en fiberkomposit? En fiberkomposit består af en fiberdel og en plastikdel. I en fiberkomposit bidrager fibrene til at give materialet styrke, mens plasten binder fibrene sammen og fordeler de belastninger der opstår i fibrene. Fibrene kan findes i bundter, i ordnede strukturer såsom vævede eller strikkede eller med en mere eller mindre tilfældig struktur som i nonwovens.

+ FIBER

= MATRIX

FIBERKOMPOSIT

Fig. 2.  Illustration af, hvordan en fiberkomposit er opbygget

Hvorfor er fiberkompositter interessante? Fiberkompositter er interessante fordi det er muligt at fremstille materialer med gode mekaniske egenskaber og dertilhørende lav vægt, overfladeegenskaber som den plast, man har anvendt som matrix og en formfleksibilitet, der giver en stor frihed i formgivning af materialet.

Hvor anvendes fiberkompositter? Fiberkompositter udmærker sig ved at kunne opnå stor styrke med en relativ lille vægt. Dét, kombineret med en stor grad af formfleksibilitet, gør materialerne attraktive til transportmidler, der derved kan spare brændstof som en effekt den lavere vægt. Eksempler på dette er flyvinger, bilkarroserier og interiørdele til rumskibe m.fl. Fiberkompositter kan desuden erstatte konstruktionsmaterialer som fx stål, aluminium og træ. I Danmark er det største marked for fiberkompositter vindmølle-vinger. Fælles for disse anvendelser er, at der stilles høje krav til materialernes mekaniske egenskaber

4


FIBERKOMPOSITTER Fig. 4.  Eksempler på anvendelser af fiberkompositter

Hvad er biokompositter? Konventionelle fiberkompositter fremstilles i høj grad af materialer, der er ressourceforbrugende og svære at genanvende eller nedbryde, hvilket er problematisk. Det gør det interessant at arbejde med et materiale, der forsøger at gøre op med dette. Biokompositter er fiberkompositter, hvor både fiber og matrix består af fornybare og nedbrydelige materialer og som derved kan siges at have en bæredygtig profil. Bæredygtige fiberkompositter er et område, hvori der forskes og udvikles intensivt, men de produkter og anvendelser, der er kommercielt tilgængelige, er sjældent visuelt attraktive. F.eks anvendes fibre, ofte grove og ublegede på bundtform eller i grove måttestrukturer indkapslet i en neutral eller gullig resin. Figur 3 viser to eksempler på industrialiserede biokompositter, men, som det er tilfældet for også almindelige fiberkompositter, er kernen ikke dets æstetiske potentialer, men styrke, formbarhed og lethed. Fig. 3.  Eksempler på nuværende anvendelser af biokompositter. Til venstre pultruderet hamp/PP, til højre bilkompomenter i ubekendt biokomposit Tegnestuen 3XN har sat fokus på fiberkompositter såvel som biokompositter og lavede i den forbindelse en pavillion af

5


naturfibre i kombination med en bio-resin. Pavillionen havde til formål at illustrere, hvilke muligheder der ligger i alternative og bæredygtige materialer; således anvendes også piezoelektriske elementer til at generere lys fra lysdioder og et stort areal er dækket med solceller. Den sløjfelignende form er konstrueret af en sandwich-biokomposit bestående af kork, hamp og en hærdeplast baseret på majs. Fig. 5.  3XNs pavillion i biokomposit (foto: 3XN)

Hvorfor naturfibre? I størstedelen af de fiberkompositter, der fremstilles og anvendes i dag, består fiberkomponenten af glas-, kul- eller aramidfibre såsom Kevlar. Dette skyldes hovedsagligt, at disse fibre har gode styrkeegenskaber, hvilket er ønsket indenfor de område fiberkompositter almindeligvis anvendes til i dag. Forskning indenfor naturfibre til fiberkompositter drives primært af ønsket om, at ville udfase anvendelsen af syntetiske fibre, er deres negative påvirkning på miljøet, være sig i hele materialets kredsløb fra en energikrævende produktion af ikke-fornybare ressourcer til en problematisk nedbrydningsproces. Det er herved også ønsket at reducere materialernes CO2-generering. Produktionen, anvendelsen og nedbrydningen af naturfibre fungerer grundlæggende som et lukket CO2-kredsløb, hvor energiforbruget ved fremstillingen er betragteligt lavere end for syntetiske fibre. Til fiberforstærkning anvende hovedsagligt plante- eller vegetabilske fibre, der kan kendetegnes ved at have en lavere vægt, er billigere at fremstille, har en øget genanvendelseskapacitet og skaber en forbedret sikkerhed, da der ikke findes skadelige stoffer i fibrene. Generelt er naturfibres mekaniske egenskaber gode og med en lavere densitet, er deres specifikke styrkeegenskaber særegne (med specifik styrke menes forholdet mellem styrke og vægt af et givent materiale). For at skabe en god kompositkvalitet skal resinen fordeles omkring fibrene så godt som muligt og i så vidt mulig grad skal luftindeslutninger undgås. Naturfibre er opbygget af cellulosemolekyler og denne molekylære struktur gør det lettere for resinen at blive absorberet i fiberen. Cellulosemolekyler er hydrofile og hygroskope, der gør at de kan optage fugt og større mængder vand, hvilket gør dem mere modtagelige overfor forurenende molekyler der følger med (Wool & Sun 2005). Adhesionsproblemer kan opstå, da cellulosefibre er hydrofile og de fleste resiner er hydrofobe, hvilket kan afhjælpes ved at anvende resiner, der er udviklet specielt til formålet (Aziz et al. 2005). Dertil hører, at de kortere fibre og ofte større porøsiteter i et tekstil af

6


I fremstillings- og håndteringsprocessen af materialet er plantefibermaterialer fordelagtige, eftersom de grundlæggende ikke forårsager allergiske reaktioner eller hudirritationer. Til sammenligning er glasfibre stive og uhåndterbare og specielt uslebne laminatkanter vil være skarpe med små glasfibre, der sætter sig i huden og skaber irritation og kløe. Bomuld er den mest velkendte naturfiber og kan med fordel anvendes i denne sammenhæng. Sammenlignet med at andre plantefibre såsom hør, ramie m.fl. har bomuld en højere densitet og lavere styrke, hvilket giver markant dårligere specifikke styrkeegenskaber. Dog kan finheden og jævnheden på bomuldsfibre frembringe finere og mere delikate materialer. TIl anvendelse i projektet påkræves ikke exceptionelle mekaniske egenskaber, hvorved er kan stille højere krav til fibermaterialets udseende. Ved at anvende bomuld er det desuden muligt at vælge ud fra et stort udvalg af kvaliteter.

Hærdeplaster og termoplaster Der findes overordnet set to forskellige slags plastik. Termoplaster, der bliver bløde og smelter ved højere temperaturer og hærdeplaster, hvor to komponenter kombineres og hærder (krydsbinder og bliver hårde). Termoplasters form kan ændres flere gange ved at tilføre materialet varme, mens formen på en hærdeplast er irreversibel ,når materialet har hærdet. I kompositindustrien er det mest almindeligt at anvende hærdeplaster, typisk af epoxy- eller umættede polyestertyper. Hærdeplaster kan være fordelagtigt i nogle sammenhænge bl.a. fordi produktionsprocessen kan udføres ved stuetemperaturer og fordi materialet ikke risikerer at smelte ved stigende temperaturer. PLA, der har været anvendt til dette projekt adskiller sig således ikke kun fra konventionelle resintyper ved at være bæredygtig, men i ligeså høj grad ved at være termoplastisk. At den anvendte resin er termoplastisk er dog også fordelagtigt i relation til bæredygtighedsaspektet, da det er muligt at genanvende termoplastiske polymermaterialer; enten ved kemisk regenerering eller ved, termisk, at suge resinen ud af fibrene. Et andet argument for at anvende en termoplastisk resin har også været, at det er muligt at efterforme et termoplastisk laminat. Det vil gøre det muligt at fremstille en større batch og efterfølgende forme eller tilføje detaljer såsom overfladestrukturer ud fra specifikke ønsker og behov. Med tanke på produktionsprocessen er det muligt at afkorte procestiden ved at anvende en termoplastisk

7

FIBERKOMPOSITTER

naturfibre vil gør det lettere for resinen at få fat.


resin. I modsætning til en hærdeplastproces, hvor det en hærdning kan variere fra 6 til 48 timer, er procestiden for en termoplast den tid det tager at varme materialet tilstrækkeligt op og presse det.

Fiberfraktion og mekaniske egenskaber Fiberfraktionen er et udtryk for andelen af fiber i en fiberkomposit og udtrykkes i procent i forhold til volumen eller vægt. Da komposittens styrke og stivhed er afhængig af forholdet mellem fiber og matrix, kan fiberfraktionen anvendes til at estimere komposittens styrke ud fra de anvendte materialer. Der findes en naturlig begrænsning i, hvor tæt det er muligt at pakke fibrene i en komposit og heraf, hvor stor en fiberfraktion det er muligt at opnå. For vævede tekstiler vil det, som et resultat af bindingerne, ikke være muligt at pakke fibrene tæt, hvorfor fiberfraktionen bliver mindre. For fiberkompositter, hvor de tekstile lamina består af fiberoplæg i én retning (unidirektionelle), vil det være nemmere at pakke lagene tættere og dermed opnå en høj fiberfraktion. Fiberfraktionen for plantefibre vil også være lavere, da fibrene ikke, som syntetiske fibre, vil være helt glatte. Termoplastiske polymerer har en højere viskositet og flyder derfor ikke så let som hærdeplaster, hvilket gør det nødvendigt, at anvende en større andel resin for at sikre, at der ikke kommer porøsiteter i laminaterne. Denne tendens kan mindskes ved at anvende hybridgarner, hvilket til dette projekt ikke har været relevant. I dette projektet tages der i fremstillingen ikke hensyn til materialets mekaniske egenskaber. Imidlertid er det nødvendigt at forholde sig til disse egenskaber, når materialets egnethed i relation til slidtage og potentiel brug vil skulle diskuteres på et senere tidspunkt.

8


Opførelsen af en række nye sygehuse har været udgangspunktet for projektet. Denne kontekst blev valgt ud fra, at det er et område, hvorpå der stilles store krav til materialer i form af holdbarhed, hygiejne og pris samtidig med, at det er et område i udvikling. Sygehuse anvendes af syge mennesker med lavt immunforsvar, der har en række forskellige sygdomme. Der er stor udskiftning i indlagte, ansatte og besøgende, hvilket skaber stor risiko for smitte. De anvendte materialer på sygehuse skal kræve et minimum af vedligeholdelse, hvilket skaber et behov for robusthed og holdbarhed ligeså vel som en hyppig, men let og effektiv rengøring. Dertil hører, at materialeprisen ikke må overstige andre materialer, der kunne være anvendt til samme formål. Sygehuse er et sted, hvor syge mennesker fanges i deres svageste øjeblik, hvor de tages ud af deres faste og trygge rammer for at blive behandlet. Det er derfor ønsket med projektet, at kunne være med til at skabe et miljø, der føles hjemligt og trygt og samtidig kan leve op til de krav, der stilles.

9

FUNKTIONELLE POTENTIALER

Kontekst


Miljøvenlig brandhæmning af biokompositter For at materialer som de pågældende biokompositter skal have potentiale indenfor industrielt design og byggeri, er det afgørende, at de kan leve op til de krav, der findes i forhold til materialets brandegenskaber. Det vil være med til at beskrive om materialet har en fremtid og kan få kommerciel succes. Selvom det som materialeudvikler kan skabe problemer og kræve modifikationer, er det dog samtidigt kun godt, at der findes krav, da de har til formål at sikre omgivelserne, i fald en brand skulle opstå. Afhængigt af, hvordan materialet udvikler sig og hermed, hvilke anvendelser der viser sig hensigtsmæssige, vil forskellige krav og standarder blive aktuelle. Indenfor byggeriet vil kravene således bl.a. afhænge af om biokompositterne vil kunne anvendes til bærende konstruktioner, hvilket vil kræve en yderlige udvikling af dets mekaniske egenskaber, eller om de i højere grad skal anvendes til ikke-bærende elementer. Dette projekt har taget udgangspunkt i at anvende biokompositterne til ikke-bærende formål såsom lofts- og vægelementer, skillevægge, paneler, hvor en standard som ‘DS/EN 13501-1+A1 – Brandklassifikation af byggevarer og bygningsdele – Del 1: Klassifikation ud fra resultater opnået ved prøvning af brandreaktion’ eller ‘DS 1065-1 Brandteknisk klassifikation. Byggematerialer’ kunne være gældende. Det har under projektforløbet ikke være muligt at teste materialernes brandegenskaber og de nærmere detaljer vedrørende standarden vil derfor ikke blive nærmere diskuteret. Fiberkompositter er komplekse materialer og det er derfor noget nær umuligt at forudse præcist, hvordan det vil reagere på en flammekilde. Hverken PLA eller en given anvendt plantefiber vil i sig selv kunne leve op til brandhæmningskravene. Teknisk set vil man kunne forbedre brandegenskaber på tre måder: ved at brandhæmme fiberdelen, ved at brandhæmme matricen eller ved at indlægge en brandhæmmendebarriere i kompositten En brandbarriere vil være et lamina i fiberkompositten, der ikke brænder så let, f.eks ved at forbruge meget energi under forbrændingsprocessen. Eksempler på sådanne materialer er metaller og keramik. Umiddelbart vil det dog ikke være hensigtsmæssigt for en række af de foreslåede anvendelser, da en barriere vil påvirke det æstetiske udtryk, idet det bl.a. vil gøre

10


Det vil være gavnligt at anvende fibre med gode brandhæmningsegenskaber, men det vil grundlæggende være mere funktionelt at sikre, at brandhæmningsegenskaberne for matricen er gode. Dette skyldes bl.a. at: • Fibervolumenfraktion i de givne materialer ligger omkring 30% og derfor vil have mindre betydning en matricen • Fibrene er indkapslet af matricen og vil ikke være det materiale flammerne i første omgang kommer i kontakt med. I tilfælde, hvor kun fibrene bidrog til en god brandhæmning, ville flammerne kunne vandre uforhindret gennem matricen. • Det i naturfibre ikke er muligt at integrere brandhæmningen i fiberen. Hvis brandhæmningen tilføres i form af et kemikalie som belægning eller imprægnering på tekstilet, vil det påvirke vedhæftningen mellem tekstil og resin i kompositten, hvilket ikke bare påvirker dens mekaniske egenskaber, men også kan have indflydelse på dens visuelle udtryk i form af urenheder og porøsiteter.

Flammehæmning af matrix En resin vil kunne forbedre sine brandhæmningsegenskaber enten ved at få integreret et brandhæmmende element i polymeren, som det tilfældet med f.eks. Trevira CS eller ved at tilsætte et brandhæmmende kemikalie til polymersmelten. Som det er tilfældet med Trevira CS, hvor en organisk fosforforbindelse er blevet co-polymeriseret med polyesteren, bliver funktionen forankret i fiberen på molekylært niveau. Således vil brandhæmningen ikke mindskes ved f.eks. vask eller brug og polymeren i sig selv er ikke skadelig. Da PLA ligeledes er en polyester kan man forestille sig, at en lignende co-polymerisation vil kunne forbedre polymerens brandhæmningsegenskaber. Mange miljøvenlige materialer, også PLA, er som allerede nævnt stadig på forsknings- og udviklingsstadiet og det er således nødvendigt at undersøge, hvordan materialerne interagerer med kemikalier til f.eks flammehæmning. Man kan sige, at markedet for materialerne stadig befinder sig i en stabiliseringsfase, hvor det er vigtigt at skabe viden om essentielle emner, såsom at kunne fremstille materialer med mekaniske egenskaber, der kan leve op til kravene, øge smelte- og glastransitionstemperaturen, øge effektiviteten mm. En stor gruppe af de kemikalier, der tidligere har været anvendt

11

FUNKTIONELLE POTENTIALER

materialet utransparent.


som brandhæmmere viste sig være stærkt kræftfremkaldende og skade arvemassen hos mennesker såvel som dyr. Halogenerede brandhæmmere, som de kaldes, er effektive og kunne tilsættes som additiv direkte til polymersmelten, hvilket gjorde det til en enkel og virkningsfuld måde at gøre materialer modstandsdygtige overfor brand. At flammehæmme miljøvenlige materialer med ikke-miljøvenlige kemikalier, vil være et paradoks man helst vil undgå. Selvom mange af de brandhæmmere der anvendes på markedet ikke er direkte sundhedsskadelige, er de færreste gode for miljøet ligeså lidt som for sundheden. De brandhæmmere der går som miljøvenlige, har nogle kraftige begrænsninger i forhold til mulige anvendelsesområder. Så vidt vides findes der stadig ingen optimale miljøvenlige brandhæmningsløsninger til PLA til dette formål. Dog er det værd at nævne nogle muligheder, der kunne være interessante: • Apyrum fra Deflamo AB og Burnblock bygger på samme miljøvenlige teknologi, hvor inorganiske fosforsalte kan tilsættes til et materiale. I vandige opløsninger har kemikalierne mest været anvendt til imprægnering af tekstiler, papir mm., men tørret salt kan potentielt tilsættes en smelte. Det kan dog være svært, at tørre saltet i en grad, det er nødvendigt for ikke at skade kvaliteten af resinen og afhængigt at, hvor meget kemikalie det er nødvendigt at tilsætte, vil det påvirke transparensen. Fosforsaltene er også letopløselige, hvilket gør brandhæmningsfunktionen sårbar overfor fugt, rengøringskemikalier mm. En opløsning af saltene vil skade overfladen og gøre den ru og ujævn, hvilket vil gøre det lettere for mikroorganismer at sætte sig fast og ændre lysreflektionen på overfladen (www.deflamo.se). • Et forskningsteam fra Laboratoire Procédés d’Elaboration des Revêtements Functionnels fra ENSCL i Frankrig har undersøgt brandhæmningsmuligheder med brug af organiske forbindelser som lignin og stivelse som kuldannende element i en intumiscerence brandhæmmer baseret på en organisk fosforforbindelse (Reti et al. 2008). Resultaterne, udtrykt ved LOI-værdier, varmefrigørelse (HRR) og massetab (MR) for ubehandlet PLA, PLA behandlet med en intumiscerende blanding med en almindelig kuldanner, pentaerythritol, og med hhv. lignin og stivelse som kuldannere i forholdet PLA60/ APP30/kuldanner10 har for både lignin og stivelse været tilfredsstillende. Desværre vil både lignin og stivelse tilføre resinen en brun-gullig farve, hvilket gør

12


Det kan således vise sig at være lettere sagt end gjort at finde en brandhæmmende løsning, der ikke samtidig har en yderst negativ indvirkning på transparensen, som må anses være én af de vigtigere for dette materiale.

Hvad er et godt indeklima? Livet igennem befinder mennesket sig, ifølge studier, 90% inden døre, hvilket gør det vigtigt og nødvendigt at forholde sig til og diskutere de forskellige måder, hvorpå man kan blive negativt påvirket det indendørsmiljø. Det er et felt som opnår stigende opmærksomhed, da effekten af et dårligt indeklima har en række sundhedsimplikationer. Således indikerer studier foretaget af det amerikanske Environmental Protection Agency (EPA), at omkring 20% af befolkningen har helbredsrelaterede problemer forbundet til ’Sick Building Syndrom’ og ’Building Related Illness’. Indeklimaet kan påvirkes af parametre såsom f.eks. lys, akustik og luftkvalitet. I relation til dette projekt er der blevet fokuseret på muligheden for at øge luftkvaliteten på en række punkter, som grundlæggende bygger på vigtigheden i at anvende materialer, der ikke indeholder stoffer, der er skadelige for den menneskelige organisme. Selv små mængder af kemiske stoffer tilsat et materiale eller produkt under fremstillingsprocessen vil kunne udskilles i løbet af dets brugsfase. Eksempler på tilsætningsstoffer, der kan uddunste er lim, plastik (f.eks. PVC), maling m.fl. I forhold til bygningsmaterialer anvendt til indendørsbrug er det derfor vigtigt, at de ikke indeholder stoffer, der uddunster og ophober sig i luften. Porøse materialer kan også bevirke en risiko for et dårligt indeklima, da løse partikler, i lighed med volatile gasser, kan irritere, genere og skade kroppen gennem luftvejene og huden. Tekstiler, især fremstillet af uld og plantefibre, er porøse, bl.a. som et resultat en begrænset fiberlængde og en stor overlapning af løse fibre, der ved brug og slid afgives til omgivelserne. Anvendelse af tekstil til indendørs brug, f.eks i form af akustiske skillevægge, kan derfor resultere i et højere niveau af løse fiberpartikler i luften.

Standardisering og mærkning

Fig. 6.  Det danske indeklimamærke

Der findes fra Det Danske Indeklima Selskab en Indeklimamærkning, der har til formål at kvantificere, hvor længe stoffer og partikler fra materialer og produkter, ud fra en standardiseret test, vil findes i luften og dermed påvirke omgivelserne. Stan-

13

FUNKTIONELLE POTENTIALER

svær at anvende til dette materiale.


darden og mærkningen har til formål at gøre det lettere for producenter at udvikle og fremstille mere indeklimavenlige produkter, at gøre det lettere for forbrugeren at udvælge mere indeklimavenlige produkter, samt at give et værktøj til bedre at kunne forstå implikationerne af produkter og materialer i bygninger. Det er blevet anset nødvendigt at skabe et værktøj, der kan kvantificere og værdisætte luftkvalitet og dermed skabe et grundlag for at sammenligne forskellige produkter i forskellige scenarier. I følge standarden kan luftkvaliteten således udtrykkes som en tidsværdi, der beskriver, hvor længe et stof eller en række stoffer i et materiale afsondrer i en sådan grad, at det skader luftkvaliteten og dermed indeklimaet.

Tekstiler og indeklimaet Indretningstekstiler er traditionelt en del af indretningen i form af sengetøj, gardiner, møbelstof og i nogle gulvtæpper. Tekstiler har positiv indvirkning på akustik, indgår som dekorative elementer og tilfører rummene en særlig form for genkendelig materialitet. Indretningstekstiler kan således medvirke til at skabe ’tryghed’ og atmosfære. Imidlertid er tekstiler materialer, der kan afgive store mængder frie fibre, hvilket er problematisk, da det skaber støv, som kan være til gene både i form af øget behov for rengøring og irritation af luftveje. Ydermere kan skidt og mikroorganismer sætte sig fast i tekstilernes porøsiteter. Af disse grunde er især gardiner og møbelstof på vej ud af sygehusene som et resultat af skærpede krav til hygiejne, frygt for resistente bakterier og nedskæringer i ressourcer anvendt på vask og vedligeholdelse. Ikke kun tekstiler er problematiske for indeklimaet. Gipsplader er i deres natur porøse og kan derfor på en række punkter diskuteres på lige vilkår som tekstil. Dertil hører, at de fleste behandlinger, malinger og lakeringer indeholder kemikalier og flygtige forbindelser, der et givet stykke tid efter påføringen vil påvirke luftkvaliteten i omgivelserne. Således indeholder plaster, i særdeleshed hærdeplaster og PVC, kemikalier, der vil komme ud i luften.

Biokompositter og indeklimaet Med ønsket om at bibeholde en tekstil ’følelse’ i omgivelserne, er æstetiske og dekorative biokompositter ideelle. Ved at indkapsle tekstiler i en transparent matrix vil de ikke længere være porøse, men fortsat være tydelige. Ved at anvende bæredygtige råmaterialer i både fiber og matrix, findes ingen stoffer, der i større omfang kan afgasse til omgivelserne. Eventuelle kemikalier, anvendt til behandling af tekstilet for at gøre ma-

14


En sidste detalje, der gør biokompositter fordelagtige er, at laminaternes overfladestrukturer kan designes så skidt, støv og bakterier ikke kan sætte sig fast.

Hygiejne i sundhedssektoren God hygiejne er altafgørende for, at den helbredsfremmende praksis, sygehuse er ansvarlige for, er succesfuld. Syge mennesker med dårligt immunforsvar er ekstra modtagelige overfor smitsomme sygdomme. På sygehuse findes et utal forskellige sygdomme, som kan overføres mellem patienter gennem personale, luft og inventar. Således viser en undersøgelser, at 8-10% af indlagte patienter pådrager sig ekstra sygdomme som et resultat af dårlig hygiejne på sygehusene (’Nye materialer til sygehuse, 2010). En god rengøring samt, materialer og objekter, der kan facilitere dette, er derfor vigtig for at sygehuse kan udføre deres egentlige funktion.

Fig. 7.  Eksempler på, hvordan de eksisterende sygehuse er indrettet. Til venstre en sygestue, i midten et bade værelse og til højre et indgangsparti. Rengøringen i sundhedssektoren har primært til formål at fjerne smitstof fra overflade, og forebygge spredning af mikroorganismer, der skaber risiko for infektioner, men også at vedligeholde inventar, vægge og gulve mm. Ydermere kan rengøringen opdeles i risikofaktorer såsom spild og forurening med blod, sekret og ekskret samt ophobning af støv, affald og løst snavs. Inventar og materialer på sygehuse skal kunne modstå intensivt brug og påvirkning over en lang årrække. Således skal materialer kunne klare mekaniske belastning og ældning ligeså vel som gentagen rengøring, der kan forringe de mekaniske egenskaber såvel som materialernes visuelle udtryk. Materialerne skal derfor kunne modstå en vedholdende rengøring med de rengørinsartikler, der anvendes på sygehuse ligesåvel som mekaniske belastninger.

15

FUNKTIONELLE POTENTIALER

terialet attraktivt, vil blive anvendt i meget begrænset omgang og ydermere være afskærmet af matricen.


Krav, standarder og ønsker Sygehusene er ikke fra højere sted underlagt specifikke standarder, men standarden ’DS 2451-10 Styring af infektionshygiejne i sundhedssektoren – Del 10: Krav til rengøring som vejledning i forhold til at sikre god hygiejne’ følges i mange tilfælde. For at facilitere rengøringen er det optimalt at anvende ikke-porøse materialer og overflader, der let kan tørres vaf eller er selvrensende og have et minimum af samlinger og sværttilgængelige områder, som det kan være svært eller tidskrævende at rengøre.

Rengøring af materiale Som det tidligere er blevet omtalt vil indkapslingen fjerne den tekstile porøsitet, der ellers har været problematisk. Desuden kan overfladestrukturen designes, så den er let at rengøre. En selvrensende effekt er ikke blevet undersøgt, men vil potentielt kunne tilføjes ved at belægge overfladen med titaniumoxid. En af de helt store fordele ved fiberkompositter er netop muligheden for at forme materialet til et specifikt formål, hvilket gør det muligt at undgå hjørner og uhensigtsmæssige samlinger.

Nedbrydning af kemiske stoffer I sundhedssektoren anvendes hovedsagligt rengøringsartikler baseret på vand, klor og detergenter og er altså ikke meget anderledes end husholdningsrengøringsmidler. Det afgørende er, hvordan materialet, i praksis plasten, reagerer overfor kemikalierne. PLA er en polymer, der består af byggesten af mælkesyre, der findes i naturen, hvor der også findes organismer der kan nedbryde det, bl.a. i kroppen. Det udnyttes f.eks. i medicoindustrien, hvor PLA anvendes til in vivo-applikationer, da polymeren langsomt kan nedbrydes i kroppen. PLA kan betegnes at være en nedbrydelig polymer, idet den under de rette komposteringsforhold kan nedbrydes fuldstændigt. Det vil dog ikke være hensigtsmæssigt at anvende en polymer, der hurtigt nedbrydes og dette er blevet undersøgt i relation til PLA og med hvilke kemiske stoffer PLA vil nedbrydes. PLA er en polyester og vil som andre polymerer af denne type kunne nedbrydes under en række forskellige forhold. Polyestre kan generelt nedbrydes af vand, men nedbrydningsraten vil så langsom, at det oftest ikke vil have nogen praktisk betydning. Hvis plasten udelukkende skal anvendes i et vandigt miljø er det

16


Som en ’biologisk polymer’ kan PLA nedbrydes af alkaliske proteinaser (enzymer, der kan nedbryde proteiner) i kombination med vand og varme. PLA nedbrydes ikke af hverken cellulase og lipease (enzymer der kan nedbryde hhv. celluloser og fedtstoffer) (bl.a. Tokiwa & Calabia 2006; Vichaibun & Chulavatnatol 2003) Alle typer nedbrydning vil principielt have indvirkning på materialets mekaniske egenskaber, men da nedbrydningen hovedsagligt sker i en begrænset dybde på laminaternes overflade, vil det ikke have en betydning i praksis. Ved nedbrydning vil overfladens visuelle udtryk ændre sig idet materialets transparens vil mindskes og en ellers farveløs og gennemsigtig plastik vil begynde at forekomme mælket. En dårlig transparens skabes af lysbrydende emner såsom urenheder eller aggregater, der har et anderledes brydningsindex end den amorfe fase. Når molekylerne nedbrydes skabes sfærulitter i den amorfe struktur, hvorved krystalliniteten stiger (Cam et al. 1995).

Fig. 8.  SEM af forskellige forstørrelser af poly(L-lactide) film ældet i 0,01N NaOH ved 37°C (Cam et al. 1995) Der ikke er blevet foretaget eksperimenter i projektet, der påviser, hvordan forskellige kemikalier virker på dette materiale, men ud fra ovenstående betragtninger er den umiddelbare konklusion, at rengøringsmidler og andre potentielt nedbrydende kilder i anvendelsesmiljøet, ikke vil være i stand til at skade materialet i en sådan grad, at det påvirke materialets anvendelsespotentiale.

17

FUNKTIONELLE POTENTIALER

dog noget der skal tages hensyn til. PLA vil nedbrydes under alkaliske forhold (pH>7), hvor polymeren hydrolyseres og molekylekæderne splittes i esterbindingen (Cam et al. 1995). Konsekvensen heraf vil f.eks. være at overfladen ændrer karakter og langsomt vil erodere. Ligeledes vil intensiv stråling, specielt UV-stråling, forårsage skade på molekylekæderne (Ho & Pometto 1999).


18


Ved at anvende et transparent matrixmateriale skabes komposittens visuelle udtryk først og fremmest af det øverste tekstile lamina i kombination med overfladens struktur. Med transparente og semitransparente tekstiler er det desuden muligt at skabe en værdi gennem interaktionen mellem forskellige tekstile lamina. Der tidligere har været begrænset interesse i at udforske fiberkompositters visuelle potentialer ved at tillægge de tekstile lamina en rolle, og derfor er umiddelbart grundlæggende undersøgelser i, hvorledes det er muligt, at overføre almene tekstiltekniske processer og detaljeringsmuligheder fra en konventionel tekstilkontekst til integrering i fiberkompositter, nødvendige. Der findes her en række forskellige procesmuligheder til fremstilling af fiberkompositter. For at afgrænse undersøgelsesrummet blev der fokuseret på en enkelt form for produktionsproces med en enkelt type matrix. Med tekstilerne som eneste variable var det herved muligt, på et senere tidspunkt, at skabe et grundlag for at udføre et systematisk studie af potentialerne i forskellige tekstilteknikker, tekstiler og interaktion herimellem.

Detaljering Tekstilerne anvendt til studierne blev designet med det udgangspunkt, at de skulle kunne illustrere de muligheder og begrænsninger, der opstår ved at flytte tekstiler fra deres almene kontekst til indlaminering i en plastisk matrix. Tekstilerne blev som udgangspunkt designet uden forudgående kendskab til indlamineringsprocessen og der blev derfor heller ikke taget specifikt hensyn hertil. Dette afsæt vil derfor også kunne være med til at illustrere, hvilke udfordringer der kan ligge i at kombinere en traditionel tekstilforarbejdnings- og designdisciplin med frem-

19

ÆSTETISKE POTENTIALER

I projektet hævdes det, at det er muligt at give fiberkompositlaminaterne en æstetisk værdi, der gør dem interessante at anvende i nye sammenhænge. Hvad der udgør den æstetiske værdi, kan være svær at definere, da æstetik ikke er håndgribeligt og i høj grad vil afhænge af brugeren eller iagttageren af det, der skal give den æstetiske værdi. Dog kan en æstetisk værdi forståes som en værdi der opstår ved, at iagttageren påskønner og genererer en positiv følelse overfor et objekt med ændret udtryk. En æstetisk værdi kan således i denne sammenhæng kobles til et øget fokus på de muligheder der ligger i de tekstile lamina i en fiberkomposit. Da den æstetiske værdi er et subjektivt begreb, vil dets størrelse dog i høj grad afhænge af, om iagttageren sætter pris på objektet eller forandringen af objektets visuelle udtryk.


stillingen af fiberkompositlaminater. Det kan være interessant, fordi det beskriver en sandsynlig situation, hvori discipliner med forskellige forudsætninger tvinges til at samarbejde. Således kan man forestille sig, at det er en fordel at tekstildesigneren har kendskab til, hvordan fiberkompositterne fremstilles og hvilke ting de udsættes for under processen.

Inspiration Med tanke på det anvendelsesmiljø, der blev taget udgangspunkt i, blev der lagt vægt på, at tekstiler såvel som laminater skulle kunne skabe en rolig, hjemlig og tryg følelse og forsøge at skabe et modsvar til den sterile og uvelkomne stemning man ellers kan opleve på sygehuse. Patienter har derimod behov for omgivelser, der kan stimulere helbredelse og gøre en mulig traumatisk indlæggelse til en god oplevelse. Naturen kan alle relatere til og tekstilerne er derfor blev designet med inspiration heri. Jord, ild, vand og luft blev brugt som grundpæle i arbejdet med at oversætte indtryk opstået heraf til et tekstilt udtryk. At have naturen som inspirationskilde syntes også i god tråd med projektet fokus på at anvende bæredygtige materialer.

Fig. 9.  Inspirationskilder (Foto: Louise Ravnløkke)

Et studie i flere dele Materialiseringen og udviklingsprocessen inkluderede design af strikkede og vævede konstruktioner såvel som et fokus på efterbehandling i form af tryk, hvilket naturligt opdelte projektet i forskellige kategorier: • En kategori, der udforskede strikkonstruktioner i form af grovhed, farver og garner i kombination med tryk og de teknikker der er knyttet hertil. • En kategori der tog udgangspunkt i vævkonstruktioner og, hvorpå tråddensiteter, garner og bindinger i en væv kan influere transparensen i et laminat.

20


Fig. 10.  Generering af mønster og farver vha. naturlige virkemidler i form af hyldebær (foto: Louise Ravnløkke)

Af samme grund blev farvepalletten bl.a. udviklet ved at indfarve med naturlige farvestoffer, der efterfølgende blev oversat til lignende reaktive farvestoffer. Med henblik på bæredygtighed ville det have været optimalt at anvende naturlige farvestoffer til de færdige prøver, hvilket dog ikke blev anset for realistisk, da disse har svært ved at leve op til de krav der kan stilles til f.eks. lysægthed samtidig med at de er industrielt uhensigtsmæssige.

Fremstilling Til fremstillingen af laminaterne blev anvendt to forskellige fremstillingsprocesser, der hver fremstillede en type fiberkomposit. I begge tilfælde blev oplægget udsat for 190°C i 5 min. I en almindelig varmepresse uden vakuum var det muligt at lave tyndere laminater fremstillet af et enkelt eller to lag tekstilt lamina mellem to lag PLA. Pressen kunne varme materialet fra én side af gangen og gav laminater med glatte overflader og en svagt skyet farve skabt af porøsiteter som resultat af den manglende vakuum. Dertil var det muligt at lave laminaterne så tynde, at de bibeholdte en stor grad af bøjelighed efter lamineringen I en industrialiseret varmepresse med vakuum var det muligt at fremstille laminater med en tykkelse på 2-2,5mm. I pressen blev materialet først opvarmet i vakuum og efterfølgende presset. Laminaterne fremstillet med denne produktionsmetode har en svagt rillet overfladestruktur præget af den slipfolie der anvendes mellem pressemoduler og materiale, men plasten er til gengæld helt transparent, da andelen af porøsiteter er minimeret.

Overordnede resultater En vifte af forskellige tekstiler, behandlinger og kombinationer af disse blev indlamineret med anvendelse af begge produktionsprocesser. Førstnævnte produktionsproces blev primært anvendt til at danne overblik over, hvordan materialerne reagerede på opvarmning. Der blev også lavet færdige prøver i varmepressen; disse vil dog ikke blive diskuteret her. Gennemgående var det muligt at skabe fiberkompositlaminater med et stærkt visuelt udtryk, hvor det var muligt at bibeholde det tekstile input på trods af indkapsling og påvirkning af varme

21

ÆSTETISKE POTENTIALER

Med det overordnede fokus at skabe et bæredygtigt produkt var det generelle valg af fibermateriale, i den udstrækning det var muligt, naturmaterialer såsom bomuld, bambus-viskose, uld og silke.


og tryk. Det blev påvist at fine såvel som grove strukturer er velegnede og den rumlige fornemmelse skabt af tekstilernes struktur ikke ødelægges.

Vævede strukturer For at demonstrere den store forskellighed, det er muligt at opnå med integreringen af dekorative tekstiler i et laminater, fokuserede en del af prøverne på vævede tekstiler, hvori selve mønstringen af tekstilerne skabes af bindingerne i den valgte konstruktion. Tekstilerne blev vævet på en håndvæv med et begrænset antal skafter. Således blev der også lagt vægt på, at tekstilerne i deres enkle form og med det spil der kunne dannes ud fra disse bindinger skulle kunne skabe en forståelse for, hvordan denne tekstilkonstruktion sammenspiller med og udtrykker sig ved integrering i en plastik. Samtidig var det ønsket at undersøge, hvordan variationer af denne grundvæv kom til udtryk i det færdige laminat. Der blev derfor arbejdet med forskellige trådtætheder i både kæde- og skudretning, forskellige bindinger og forskellige materialer og farver i skudtråden. Forskellige trådtætheder blev undersøgt for at opnå en forståelse for, hvorledes denne påvirker transparensen af materialet og hvor stor en indvirkning trådtætheden og heraf konstruktionens fleksibilitet spiller ind på ensartetheden og kvaliteten af det færdige laminat. Forskellige bindinger og bindingsformationer blev anvendt for at skabe en viden om, hvor stor en grad af synlig detaljering det var muligt at opnå og om bindingerne blev udtrykt gennem plasten. Forskellige materialer, både mht. farve og grovhed, blev undersøgt med henblik på at se, hvilket effekt dette har på de færdige laminaters udtryk. Et ubleget bambus-viskosegarn blev anvendt til kædetråde til alle prøverne, mens der som skudtråde blev anvendt ubleget bambus-viskosegarn, bomuldsgarn i lyseblå, mørkeblå og mørkegrå samt et mørkegråt chenillegarn.

Fig. 11.  Udvalgte prøver, hvor vævede strukturer er blevet indkapslet (foto: Karen Marie Hasling)

22


Efter en lang række forsøg og fremstilling af laminater var det muligt at erfare på hvilke områder, biokompositfremstillingen gik friktionsfrit og hvilke områder, der behøver mere omtanke og flere undersøgelser. Som resultat af opvarmningen forekom det, at nogle materialer tog skade. Dette skabte imidlertid i nogle tilfælde interessante uforudsete effekter (se figur 12). I et tekstil med et mønster i udbrændt viskose blev kanterne langs udbrændingen f.eks. termisk nedbrudte i fremstillingsprocessen. Under udbrændingen udsættes fibrene for en kemisk nedbrydning og fiberområderne nær udbrændingen påvirkes også til en vis grad af dette, hvilket gør dem mindre modstandsdygtige overfor høje temperaturer (billede til højre).I et tilfælde, hvor et trykt polyester nonwoven lag blev anvendt som øverst aktive tekstillamina, smeltede dette under fremstillingen og trykfarven spredte sig ud i matrixmaterialet. Ydermere skiftede trykket farve, hvilket forstærkede forandringen (billede til venstre).

Fig. 12.  Eksempler på forandringer i laminaterne som konsekvens af varmepåvirkningen (foto: Louise Ravnløkke) Det forekom tydeligt, hvordan tekstil og resin interagerede med hinanden og hvordan det er muligt at fremme den tekstile rumlighed og taktile følelse med indkapslingen. Ved at arbejde med forskellige antal PLA overfladelamina (og dermed afstanden fra overflade til tekstil), var det muligt at skabe forskellige dybder i materialet, der netop kan understrege strukturer og konstruktion i tekstilet. Således var det også muligt at styrke rumligheden i laminater, hvor flere synlige og aktive tekstile lamina blev anvendt. I stedet for at anbringe alle tekstile lamina mellem de samme PLA lamina og i stedet fordele dem ud på hele oplægningen blev oplægget ikke bare mere homogent, men PLA lagene sikrede en afstand mellem tekstilerne, der styrkede hver enkelt tekstils udtryk og samtidig formåede at skabe et spil mellem tekstilerne og mellem tekstil og matrix. Da nogle af materialerne var varmefølsomme forekom det, at materialerne ikke skrumpede identisk. Samtidigt kunne det

23

ÆSTETISKE POTENTIALER

Iagttagelser


være svært at styre enkeltliggende, tynde tekstiler, eftersom den smeltede plast vil have en tendens til at skabe vrid og forskydninger i oplægningen. Begge tendenser vil i nogen grad kunne undgås ved at anvende en ramme, hvori samtlige lag fikseres. Ved indlaminering i en polymermatrix forandres tekstilets udtryk og overflade. Den tredimensionelle struktur i tekstilet påvirkes af trykket under lamineringen og bliver mindre udpræget. Dertil kommer, at tekstilets farve, som resultat af et ændret brydningsindeks, vil optræde anderledes. Således forekommer tekstilet ‘vådt’ og med en intensivering i dets farver. For at undersøge dette blev en række indfarvede tekstiler indlaminerede og deres farveændringer vurderet. Vurderingen blev foretaget kvalitativt ved at sammenligne identiske tekstiler med og uden laminering og kvantiativt ved at måle reflektionsspektret af farve for indkapslede og ikke-indkapslede tekstilprøver. De målte tekstiler var farvet med naturlige farvestoffer og indkapslet mellem 2 lag PLA og processeret i varmepresse uden Uden plast

Med plast

Gul silketrikot (0.425;0.459;0.116)

(0.428;0.447;0.125)

(0.455;0.348;0.198)

(0.315;0.329;0.356)

(0.378;0.379;0.243)

(0.374;0.382;0.244)

(0.359;0.364;0.277)

(0.379;0.368;0.253)

(0.344;0.347;0.309)

(0.350;0.354;0.295)

(0.388;0.379;0.253)

(0.399;0.378;0.223)

(0.326;0.344;0.330)

(0.331;0.350;0.319)

Rød silke

Gul silke

Beige silke

Beige bomuld

Brun bomuld

Fig. 13.  Farvekoordinater i CIE farverummet for 7 udvalgte prøver (x;y;z)

24

Ufarvet uld


Der blev fremstillet prøver med både velour og fløjl, hvor det viste sig svært at styre, hvordan hårene lagde sig, og derved også, hvordan lyset blev reflekteret. Ydermere mindskedes den tredimensionalitet som velour og fløjl ellers har og i modsætning til andre prøver, forsvandt den ’blødhed’ og glans som normalt kendetegner disse typer tekstil.

Fig. 14.  Eksempler på fremstillede laminater ved at anvende forskellige tekstilteknikker - flere eksempler kan findes på sidste side (foto: Karen Marie Hasling)

25

ÆSTETISKE POTENTIALER

vakuum. Således kan en ændring af farvestoffernes kemiske sammensætning være skabt af varmepåvirkningen og den manglende vakuum kan have skabt porøsiteter, der har haft indvirkning på farveoplevelsen i laminaterne.


Overfladestrukturering Fiberkompositter anvendes ofte i en ikke-synlig kontekst, hvor overfladen som dekoration sjældent overvejes, men med anvendelsen af synlige fiberkompositter er overfladens udtryk essentiel. Prøverne der fremstilles i dette projekt er let prægede af den Teflondug, der sørger for, at plasten ikke fastsætter sig i presseformen. Dette kunne således både være ønsket at eliminere denne struktur, eftersom den forstyrrer udtrykket fra tekstilet eller modsat understrege tekstilet såvel som skabe et udtryk med overfladstruktureringen alene. Således vil man kunne styre lysets refleksion med overfladestrukturen, så det er muligt at definere materialets gennemsigtighed og simulere andre materialer med kompositten. Forskellige strukturer vil have indvirkning på en række faktorer i forhold til, hvor egnet overfladen er til en given anvendelse. En glat overflade vil være lettere at gøre ren og vil derfor være mere egnet til hygiejniske formål, hvor smuds og bakterier ikke må kunne fastsætte sig. Modsat vil en glat overflade være mere modtagelig overfor ridser og skrammer. Produktionsmæssigt kan nogle overflader også være svære at fremstille tilfredsstillende; både fordi de kan være svære at skille fra pressemodulerne og fordi det kan være svært at få de tekstile lag til at distribuere sig ud i detaljer på overfladen. Projekt har ikke inkludert eksperimenter vedrørende overfladestruktureringen. Overfladestruktureringen som et æstetisk fænomen har endnu ikke været udforsket dybdegående, men en primær undersøgelse er blevet foretaget af Hasling (2010). Undersøgelsen var ikke systematisk og blev ikke vurderet eller yderligere undersøgt ud fra faktorer såsom netop hygiejne og slidtage, men den søgte at skabe et overblik over potentialet i at anvende definerede overfladestrukturer i materialet. Undersøgelsen blev foretaget for at vise, hvor store struktureringer det er muligt at lave og det blev derfor ikke undersøgt, hvordan en jævnere og glattere overflade vil fremstå.

Fig. 15.  To laminatprøver med overfladestrukturering. Til venstre ses en træimitation, mens strukturen til højre imiterer en bobleformation (foto: Karen Marie Hasling)

26


Den generelle tendens for undersøgelsen var, at det var muligt at opnå en stor detaljeringsgrad i overfladestruktureringen og tekstilets struktur var synlig på laminatoverfladen i alle strukturerne. For struktureringer med et højt højde-bredde forhold havde tekstilet besværligheder ved at lægge sig tæt på laminatets overflade. Dette skabte et indtryk af en mindre jævn flade med varierende glans som et resultat af den heterogene fordeling af fiber og plastik i kompositten. Det var desuden svært både at opnå en god for- og bagside og for strukturer med mange detaljer blev der skabt belastninger i tekstilet.

Indkapsling af filtre og film Ikke bare tekstiler er interessante at kunne indkapsle, men også andre plane strukturer, der kan tilføre en funktion til laminatet. Potentialet i at indkapsle andre materialer blev efterprøvet med to forskellige film; en lysdiffraktionsfilm og et lysfilter, der blev indlamineret ud fra begge beskrevne fremstillingsmetoder. Da filmene, modsat tekstilerne, er ikke-porøse, blev en bedre vedhæftning på forhånd afhjulpet ved at skære parallelle snit i filmene. Procestemperaturen oversteg ikke filtrenes smeltepunkter og de smeltede derfor ikke, men vedhæftningen mellem film og resin var dårlig, hvilket fik materialet til at delaminere. Vedhæftningen vil dog kunne forbedres betydeligt ved at perforere filmen, så at det er muligt for resinen at vandre igennem og derved indkapsle filmen. Det ville nødvendiggøre en form for mønstring, der bl.a. vil kunne styres ud fra dimensionerne i perforeringen for at sikre, at ikke for store områder med fri film blotlægges i laminaternes kanter, da det vil forårsage en delaminering af materialet. Filmens transparens og lysdiffraktion ændrede sig med indlamineringen, hvilket antageligt skyldes at materialet har relakseret (skrumpet) som et resultat af varmepåvirkningen. Ydermere påvirkede laminatoverfladen lysdiffraktionen i filteret.

Et monomateriale laminat Et monomaterielt laminat består af samme materiale i både fiber og resin; en effekt der er mulig for termoplastiske polymerer, der kan ekstruderes til fibre ligeså vel som findes som resin. Monomaterialer er interessante, fordi de kan være nemmere at genanvende. Ydermere er det muligt at skabe et tilnærmelsesvist transparent materiale ved at anvende to faser med det samme brydningsindeks. I den perfekte monomaterielle fiberkomposit vil fiberdelen ikke være synlig, men i praksis vil den

27

ÆSTETISKE POTENTIALER

Strukturerne, der blev anvendt til undersøgelsen var rumlige genskabelser af todimensionelle illustrationer af tredimensionelle objekter fra naturen såsom sten, klippe og træ.


nærmere forekomme glasagtig eller som glasnudler i vand. Man vil derved kunne fremstille laminater med en nær ved usynlig fiberdel, men med en styrke som var det et almindeligt laminat. Desuden er det muligt at integrere funktioner og effekter, hvad enten de er æstetiske eller funktionelle i eller på tekstilkonstruktionen, som vil synes at ’svæve’ frit i resinen efter indkapslingen. Monomaterielle laminater kan konstrueres, fordi smeltetemperaturen af en fiber vil være højere end for en resin af det samme materiale, eftersom ekstruderingen og efterfølgende strækning ensretter polymerkæderne og øger krystalliniteten, hvilket både giver et højere smeltepunkt og en større styrke. For at kunne fremstille et monomaterielt laminat skal procestemperaturen derfor ligge mellem smeltetemperaturen for resinen og smeltetemperaturen for fiberen. Det forsøgt at fremstille et PLA/PLA-monomateriale ved at anvende de generelt anvendte PLA-plader i kombination med en ufarvet PLA væv. Fremstillingen blev holdt identisk med tidligere processer (190°C, 5 min.) for at sikre, at resinen blev tilstrækkelig varm. De tynde laminater, fremstillet i varmepressen, blev monomaterielle kompositter idet fiberen ikke smeltede under fremstillingen. Imidlertid var varmepåvirkningen i den kontrollerede proces for stor, så fibrene smeltede fuldstændigt under fremstillingen. Det færdige laminat herfra lignede således en plade af ren PLA-resin. Selvom det ikke lykkedes at fremstille et gyldigt monomaterielt laminat i den store presse er det alligevel værd at betragte denne mulighed nøjere og det ikke entydige succesfulde resultat er nærmere et udtryk for en forkert fremstillingsproces end en ikke eksistende reel mulighed.

28


Funktionelle potentialer Undersøgelsen af de funktionelle potentialer blev foretaget som et litteraturstudie, hvor resultater fra eksisterende studier blev diskuteret ud fra pågældende problemstillinger. I forhold til funktioner defineret ud fra PLAs egenskaber har det således haft betydning, at PLA hovedsagligt har fundet anvendelse indenfor indpaknings- og emballageindustrien og medicoindustrien, hvor der stilles andre krav til f.eks. holdbarhed og brandegenskaber. Således kræver det yderligere undersøgelser, at eftervise at disse egenskaber kan opfyldes for PLA til denne anvendelse. Det giver dog et fingerpeg om detaljer og områder, der er aktuelle og vigtige at overveje. Brandhæmmende egenskaber kan tilføres et materiale på forskellige måder, men vil i de fleste tilfælde ændre på dets visuelle udtryk, hvilket i denne sammenhæng ikke er ønsket. Miljøvenlige brandhæmmere til PLA på forskningsstadiet gør plasten gulbrun, hvilket ikke vil kunne finde anvendelse til de æstetiske biokompositter, der er blevet præsenteret og diskuteret med dette projekt. Også brandhæmmere uden en specifik miljøvenlig eller bæredygtig profil vil kunne ændre på materialets udseende idet relativt store mængder skal tilsættes for at virke optimalt efter hensigten. Indeklimaet et område, der får større og større opmærksomhed idet det anerkendes, hvor stor en indvirkning det kan have på livskvalitet, arbejdsvilkår og i denne sammenhæng hygiejne og rengøring. Relateret til materialer er det bl.a. gavnligt at diskutere, hvilke og omfanget af de stoffer og kemikalier, der findes i materialerne og kan afdunstre eller på anden vis afgives ved

29

KONKLUSION

Efter udførelsen af projektet er det tid til at reflektere over, hvorvidt de informationer der er blevet generet kan anvendes til at argumentere for, hvorfor dette område ’æstetiske og dekorative biokompositter’ har yderligere potentiale, og vil kunne udvikles på industriel basis og finde en bredere anvendelse. Formålet med projektet var at lave en bred undersøgelse af en række forskellige problemfelter, der blev anset essentielle i forhold til at gøre materialet konkurrencedygtigt og overhovedet anvendeligt på markedet. Som udgangspunkt blev projektet inddelt i to skarpt afskilte dele, hvoraf de funktionelle potentialer’ søgte at afdække aktuelle tekniske problemstillinger og hvor de ’æstetiske potentialer’ søgte at materialisere og illustrere, hvilke visuelle muligheder der ligger i materialet. Indledningsvis blev fiberkompositter og de anvendte materialers egenskaber og anvendelser præsenteret og diskuteret med det formål at give et indblik i materialet.


brug. Tekstiler er problematiske idet de kan være særdeles støvende og tillige være svære og tidskrævende at rengøre, hvilket man gerne vil undgå på sygehuse, hvor hygiejnen skal være god. Æstetiske biokompositter indeholder ikke skadelige stoffer og formår at bevare en synlig tekstil komponent; dog indkapslet i en bæredygtig plastik, hvilket anses være optimalt for indeklimaet såvel som for hygiejnen, idet det vil være svært for bakterier og andre mikroorganismer at sætte sig fast i eller på biokompositoverfladerne. Flere undersøgelser viser, at plastens overflade vil ændre sig som et resultat af ældning, hvad enten det er kemisk, fysisk eller radiativ nedbrydning m.fl. Udover at overfladen kan blive porøs, vil den blive mælket og materialets transparens falde. Disse studier forholder sig til tynde PLA-film og det vil derfor være interessant at foretage en lignende undersøgelse, for tykkere laminater.

Æstetiske potentialer Undersøgelsen af de æstetiske potentialer blev foretaget som et praktisk studie, der bredt forsøgte at afdække muligheder i visuelle biokompositter og hvordan forskellige tekstiltekniske redskaber blev repræsenteret på tekstil indkapslet som en del af en biokomposit. Overordnet set var materialiseringen positiv og gav et godt og mangeartet billede af, hvordan man kan arbejde for at få gode resultater. Laminaterne, hvor det visuelle indtryk blev skabt af at arbejde med vævekonstruktioner, strikkemønstre og bearbejdning i form af farvning og trykning, formåede at skabe en god forbindelse mellem det frie og fleksible tekstil og tekstilet indkapslet i en transparent plastik. På den måde vil det altså være muligt at bibeholde tekstiler i miljøer, hvor der ellers stilles høje krav til indeklima og hygiejne, ved anvende det som den ene komponent i den synlig biokomposit. Der foreligger dog en opgave i at få erfaring og indsamle viden omkring, hvordan materialer og kemikalier interagerer under lamineringsprocessen for at undgå, at materialerne skades eller mister en tiltænkt effekt. Det vil også kunne anbefales at foretage yderligere studier i, hvordan farve og glans ændrer sig for, hvis muligt, at kunne forudse, hvordan den endelige farve med hjælp af kvantificerede redskaber. En mulig overfladestrukturering med laminater fremstillet i et tidligere projekt, er mulig og vil gøre det muligt at lave laminater med overflader designet til et givent formål. Der ligger dog også her en opgave i at undersøge, hvilke begrænsninger og muligheder der ligger i graden af mønster og interaktionen med tekstilerne i laminatet.

30


Sidst diskuteres muligheden for at lave en fiberkomposit, hvor fiber og resin er af samme materiale, hvilket er muligt for termoplaster. Det lykkedes dog ikke i dette projekt at lave et perfekt monomaterielt laminat, eftersom både fiber og resin smeltede fuldstændigt i fremstillingsprocessen.

I et perspektiv Vi har i projektet taget udgangspunkt i at anvende biopolymeren PLA som resin ud fra ønsket om at illustrere mulighederne for at fremstille et miljøvenligt materiale. Imidlertid er PLA stadig under udvikling og det kan være svært at få kommercielle PLAtyper til at leve op til de krav, der er blevet stillet. PLA udviser et stort potentiale, men det kan mange år før dets egenskaber indenfor mekanik og termodynamik kan konkurrere med de termoplastiske polymerer, der har været kommercielt tilgængelige de sidste 50 år. Det kan derfor være nødvendigt at overveje andre alternativer, såsom PET, der dog ikke fremstilles ud fra fornybare ressourcer, men kan genanvendes ved at nedbryde polymeren kemisk. Den kritiske del her vil være, at facilitere en genanvendelse, som ikke er besværlig, hvis polymeren er blandet med andre polymerer og materialer. Ved at anvende sygehusmiljøet som case har det været nødvendigt at forholde sig til de strenge krav og standarder, der sikrer at det er muligt at opretholde et indeklima og en hygiejne, der gør det muligt for patienter at blive helbredte og raske. Dog vil det også være givende, at opstille scenarier for anvendelse af materialet i andre miljøer, hvor der er andre og måske færre krav, da det potentielt vil kunne åbne døre og gøre en eventuel demoibrugtagningsfase lettere. Den overordnede konklusion på projektet må være, at der ligger nogle helt åbenlyse muligheder i at udforske dette materiale yderligere for at udvikle og styrke konceptet og gøre det til et konkurrencedygtigt og kommercielt tilgængeligt materiale. Der er dog stadig en branche bestående traditionsrige virksomheder, der skal overbevises om, at fiberkompositter har et æstetisk potentiale, at det kan være en fordel at anvende en termoplastisk resin og ikke mindst, at materialer med et bæredygtigt aspekt vil være afgørende i fremtiden.

31

KONKLUSION

Filtre og film vil kunne integreres, hvis der heri tilføres en perforering, der gør det muligt for matricen at vandre igennem og skabe en god vedhæftning. Det skal dog medberegnes, at filtre og film i mange tilfælde er termoplastiske materialer, der relakserer ved opvarmning og derfor kan miste deres egentlige funktion.


Aziz, S. H., Ansell, M. P., Clarke, S. J. and Panteny, S. R., 2005. Modified polyester resins for natural fibre composites. Composites Science and Technology, 65 (3-4), pp. 525-535 Baillie, Caroline (2004): Green Composites – Polymer composites and the environment, Woodhead Publishing Bunsell, A.R. & Renard, J. (2005): Fundamentals of Fiber Reinforced Composite Materials, IOP Publishing Ltd. Callister Jr., William D. (2007): Materials Science and Engineering: an Introduction, John Wiley & Sons, Inc. Cam, D.; Hyon, S.-H. & Ikada, Y. (1995). Degradation of high molecular weight poly(L-lactide) in alkaline medium, Biomaterials 16: 833-843 Copinet, A.; Bertrand, C.; Govindin, S.; Coma, V.; Couturier, Y. (2004). Effects of ultraviolet light (315 nm), temperature and relative humidity on the degradation of polylactic acid plastic films. Chemosphere 55: 763–773 Danish Society of Indoor Climate: Introduction to the Principles behind the Indoor Climate Label, August 2000 Danish Society of Indoor Climate: Standard Test Method for Determination of the Indoor-Relevant Time-Value by Chemical Analysis and Sensory Evaluation 2nd edition, appr. 20.01.03 Danish Society of Indoor Climate: Standard Test Method for the Determination of Particle Emission from Building Products, 1st edition, 21.10.97 Fact Sheet: Toxic Chemicals in Building Materials - An Overview for Health Care Organizations, Global Health and Safety Initiative, May 2008 Godt indeklima i fremtidens byggeri, seminar, Dansk Arkitekturcenter, 07.12.10 Hasling, K.M (2010). Functional Fiber Composites. Masterspeciale ved DTU Management, Danmarks Tekniske Universitet. Ho, K.-L. G.; Pometto, A.L. (1999). Effects of Electron-Beam Irradiation and Ultraviolet Light (365nm) on Polylactic Acid Plastic Films. Journal of Environmental Polymer Degradation, vol. 7, No. 2. 93-100 Oksman, K.; Skrifvars, M.; Selin, J.-F. (2003): Natural fibres as reinforcement in polylactic acid (PLA) composites, Composites Science and Technology 63: 1317-1324

32


Tokiwa, Y. & Calabia, P.B (2006). Biodegradability and biodegradation of poly(lactide). Applied Microbiological Biotechnology 72:244–251 Vichaibun, V. & Chulavatnatol, M. (2003). A New Assay for the Enzymatic Degradation of Polylactic Acid ScienceAsia 29: 297300 Wilkie, C.A. & Morgan, A.B: Fire Retardancy of Polymeric Materials 2nd Edition. CRC Press Wool, R.P & Sun, X.S. (2005): Bio‐Based Polymers and Composites, Elsevier www.deflamo.se

33

REFERENCER

Réti, C.; Casetta, M.; Duquesne, S.; Bourbigot, S. & Delobel, R. (2008). Flammability properties of intumescent PLA including starch and lignin. Polymers for Advanced Technologies 19: 628– 635


Fig. 16.  Eksempler pĂĽ fremstillede laminater ved at anvende forskellige tekstilteknikker (foto: Karen Marie Hasling)

34



/Groenne_biokompositter_Haslin