Ko sedite na klopi v kakšnem parku, se verjetno zlepa ne vprašate, iz česa je sestavljena. Morda zato, ker mislite, da je pač lesena – in ne morete vedeti, da gre v resnici za tako imenovani lesno-plastični kompozit (angl. wood-plastic composite – WPC). V industriji in tudi v vsakdanjem življenju je delež izdelkov iz kompozitov vse večji, v prihodnosti pa jim – tudi zaradi velikega povpraševanja po njih v tako močnih industrijah, kot sta denimo avtomobilska in vojaška – napovedujejo nadaljnji razcvet.

Kompoziti so pomembno področje raziskovanja tudi na raziskovalnem inštitutu InnoRenew CoE, ena od raziskovalnih skupin inštituta se ne nazadnje imenuje Kompoziti iz obnovljivih materialov. Trije raziskovalci iz te skupine raziskujejo možnosti, kako bi lastnosti lesno-plastičnih kompozitov še izboljšali. A začetek te zgodbe sega v ZDA, v čas pred ustanovitvijo InnoRenew CoE.

Leta 2012 so v ZDA zagnali projekt NEWBio (The Northeast Woody / Warm-season Biomass Consortium), pri katerem so se posvetili uporabi lignocelulozne biomase za bioenergijo in bioproizvode. Raziskovali so na področjih pogonskih goriv, ​​biokemičnih izdelkov in bioproizvodov, vključili pa so tudi izobraževanje, in se osredotočili na lesnate rastline in trajnice (hitrorastočo grmičasto vrbo, proso in miskant) ter tehnologije, s katerimi bi te surovine predelali v izdelke.

Sečnja hitrorastoče grmičaste vrbe. Foto: Jaka Gašper Pečnik

V okviru projekta so na širokem področju severovzhodne Amerike (v Pensilvaniji, New Yorku, Ohiu, New Jerseyju in Zahodni Virginiji) uporabili vzorčna zemljišča, na katerih so posadili rastline, namenjene za surovino pri poskusih. Izbrali so obrobna in neobdelana zemljišča, ki niso bila predvidena za kmetijsko dejavnost.

Projekt, vreden okoli deset milijonov dolarjev, se je v ZDA končal leta 2018, ena od začrtanih smeri raziskovanj pa se je nato pod vodstvom dr. Davida B. DeVallancea nadaljevala v okviru projekta InnoRenew v Sloveniji.

Dr. DeVallance je pri projektu NEWBio sodeloval na področju izobraževanja; na Univerzi v Zahodni Virginiji (West Virginia University) je v tem okviru vodil izobraževanje o bioenergiji in biotehniki. Poleg tega je bil tudi del raziskovalne skupine, ki se je med drugim posvečala vrednotenju rabe vrbovine v lesno-plastičnih kompozitih.

»Ko sem odšel z Univerze v Zahodni Virginiji, so bile raziskave glede lesno-plastičnih kompozitov iz toreficiranega in netoreficiranega lesa hitrorastoče grmičaste vrbe šele v povojih,« pravi dr. DeVallance. »Odločili smo se, da delo nadaljujemo na InnoRenew CoE v okviru skupine Kompoziti iz obnovljivih materialov. Še posebej smo si želeli proučiti mehanske, toplotne in vodoodporne lastnosti lesno-plastičnih kompozitov, izdelanih iz mešanic vrbovine (toreficirane in netoreficirane) in polipropilena.«

Biokompozit je kompozit, ki je sestavljen iz dveh ali več materialov, ti pa vključujejo najmanj eno naravno sestavino. Materiali iz naravnih virov (vlakna, delci) v kombinaciji s polimeri običajno delujejo kot ojačitve ali polnila, s čimer nastajajo kompoziti, prilagojeni določenim namenom uporabe. Povpraševanje po (bio)kompozitih se zato v različnih dejavnostih in industrijah – še posebej v avtomobilski, vojaški in vesoljski – strmo povečuje.

Lesno-plastični kompoziti se pogosto uporabljajo za ograje, zunanje pohodne površine in vse pogosteje tudi za druge gradbene elemente ali predmete, kot so denimo klopi v parkih, korita za rože in letne kuhinje, pri katerih kombinacija plastike in lesa prinaša želene učinke. Les se plastiki dodaja, da bi izboljšal njene lastnosti pa tudi zaradi trajnostnega vidika, saj porabo plastike s tem zmanjšamo za trideset do petdeset odstotkov.

Peleti, narejeni iz lesno-plastičnega kompozita (WPC). Photo: Jaka Gašper Pečnik

V slovenski ekipi, ki jo poleg dr. DeVallancea sestavljata še Jaka Gašper Pečnik in dr. Matthew Schwarzkopf, pa bi pri raziskavah, ki jih trenutno izvajajo, radi kakovost oziroma uporabnost takih biokompozitov z dodajanjem toreficiranega lesa še izpopolnili. Torefikacija je termični postopek obdelovanja lesa (pri temperaturi od 200 do 300 °C), pri katerem les doseže višje kalorične vrednosti, postane lažji, bolj drobljiv in bolj hidrofoben kot neobdelan les. Uporaba takega materiala pri pripravi WPC obeta izboljšanje termičnih in vodoodpornih lastnosti.

Pripravljanje mešanice iz navadnega in toreficiranega lesa ter plastike. Foto: Jaka Gašper Pečnik

Raziskovalci vzorce pri tej raziskavi pripravljajo iz lesa hitrorastoče grmičaste vrbe, pridelane v Pensilvaniji, ki so ga zmleli in s pomočjo cevne peči toreficirali pri dveh različnih temperaturah (225 in 300 °C). Material so nato zmešali s polipropilenom, pri čemer so spreminjali razmerje lesa in polimera. WPC so izdelali z ekstruderjem (iztiskalnica za polimerne materiale) z dvojnim rotacijskim vijakom in ga oblikovali v majhne kroglice, pelete. Te pelete so nato stisnili v kompaktne vzorce za testiranje mehanskih in fizikalnih lastnosti.

Ekstruder za izdelavo WPC z vodno kadjo ter z napravo za izdelavo peletov. Foto: Jaka Gašper Pečnik

»Izhajamo iz tega, da je toreficiran les bolj hidrofoben kot neobdelan les in da je s torefikacijskim postopkom mogoče doseči boljšo vezavo in večjo trdnost. In ker je toreficiran les bolj hidrofoben, je večja tudi odpornost na vlago,« pravi dr. DeVallance.

Čeprav so sredi raziskav, so do nekaterih rezultatov že prišli. Ugotovili so, da se upogibna trdnost in elastičnost z dodajanjem toreficirane vrbovine zmanjšujeta, pri čemer je zmanjšanje prožnostnega modula najopaznejše pri uporabi lesa, toreficiranega pri najvišji temperaturi (300 C). Pri nateznih testih pa se je izkazalo, da se natezna trdnost vzorca z dodajanjem toreficiranega lesa sicer zmanjšuje, medtem ko se njegove elastične lastnosti nekoliko izboljšujejo. Poleg tega so kompoziti, ki imajo med komponentami les, toreficiran pri 300 °C, dosegli višjo vodoodpornost (manjšo absorpcijo vode), ki se je večala glede na delež dodanega toreficiranega lesa.

Vzorci, pripravljeni za testiranje nateznih mehanskih lastnosti. Foto: Jaka Gašper Pečnik

Doslej so opravili preizkuse z eno sorto vrbe (Millbrook), toreficirano pri dveh različnih temperaturah, sedaj pa že pripravljajo nove vzorce za nova testiranja, ki bodo vsebovali les dveh drugih sort vrb (Fabius in Fish Creek). Poleg mehanskih, fizikalnih in absorpcijskih lastnosti materialov bodo proučevali še učinek ponovnega mletja materiala, s čimer bodo lahko ovrednotili, kakšne so možnosti za recikliranje oziroma ponovno uporabo takšnega materiala.

Upajo, da bodo te preliminarne raziskave, ki jih bodo predvidoma zaključili v letošnjem avgustu, pripeljale do novih nacionalnih in evropskih sredstev, kar bi omogočilo nadaljevanje raziskav. Rezultati bi namreč utegnili biti izjemno dragoceni za gospodarstvo, še posebej v gradbeništvu (za lesno-plastične plošče), avtomobilski industriji (za armaturne plošče) in za vsa podjetja, ki proizvajajo plastične izdelke in polizdelke (za polnilo).