Les že stoletja uporabljamo kot naravni material za notranjo in zunanjo uporabo. V zadnjih desetletjih sta se svetovno povpraševanje in uporaba znatno povečala zaradi njegove razpoložljivosti, obnovljivostji, nizke cene, enostavne obdelave, sprejemljivih mehanskih lastnosti, videza ter okoljskih in zdravstvenih vidikov (minimalno onesnaževanje/emisije) in še bi lahko naštevali. V gradbeništvu je uporaba lesa urejena s standardi požarne in okoljske varnosti, saj obstajajo nekatera tveganja, povezana z lastnostmi lesa, kot sta njegova vnetljivost in potencial za širjenja ognja, kar lahko znatno ogrozi konstrukcijo in zdravje ljudi zaradi dima in strupenih plinov, ki nastanejo pri gorenju. Prav zato je zaščita lesa pred gorenjem pomembna iz strukturnih, okoljskih in varnostnih razlogov.

Piroliza je proces, pri katerem materiali razpadejo zaradi izpostavitve toploti. Pri lesenih konstrukcijah lahko domnevamo, da se začne v razmeroma ozkem pasu zunanje površine lesenega elementa, pravokotno na izpostavljeno lice materiala. Obnašanje lesa v stiku z ognjem je odvisno od več dejavnikov, kot je npr. razpodelitev deležev glavnih sestavin lesa (celuloze, hemiceluloze in lignina), saj ti pri gorenju razpadajo v različnih temperaturnih območjih. Hemiceluloza in celuloza sta tisti, ki pri tem sprostita večji del vnetljivih hlapnih snovi, lignin pa manj in prav zato so vrste z visoko vsebnostjo lignina termično bolj stabilne, še posebej zato, ker lignin tvori tudi večje količine oglja. Drugi pomemben vidik je vsebnost vlage v materialu, saj ta lahko zakasni trenutek vžiga lesa, če je vsebnost višja. Tudi vrsta lesa ima vpliv na termično oksidativno razgradnjo lesa, pri čemer je les iglavcev bolj dovzeten za vžig in oksidacijo kot les listavcev, saj je njegova površina bolj dostopna kisiku, kar pospešuje hitrost razgradnje.

Najpogostejša protipožarna zaščita za lesene konstrukcije so nizkocenovne organske in anorganske spojine, v zmeseh s sprejemljivim učinkom. Nekatere od teh kemikalij, kot tudi produkti njihovega gorenja, pa so zelo strupene snovi, zato je njihova uporaba urejena z zahtevami požarne varnosti gradbišč, ki urejata uporabo zdravju ljudi škodljivih reagentov, ter surovin, ki se uporabljajo v gradbeništvu. Potrebno pa je vedeti, da z zaviralci gorenja les impregniramo ali pa jih nanašamo kot premaze, ti pa imajo kratko življenjsko dobo in so manj odporni na zunanje dejavnike in vremenske vplive, obenem pa spreminjajo strukturo in naravni videz lesa. Prav zato je potrebno premaze in impregnacije konstantno obnavljati in tako zagotoviti dolgotrajno zaščito.

Posledično se raziskave na področju ognjevarnih in negorljivih izdelkov za lesne materiale usmerjajo v proizvodnjo nestrupenih in okolju prijaznih sestavin, pridobljenih iz naravnih in obnovljivih virov, ki bodo postopoma nadomestile klasične izdelke in formulacije, bi dlje časa nudile ustrezno zaščito, hkrati pa ohranile estetske lastnosti lesa. Ker sta vžig in gorenje lesa površinska procesa, so najpogostejši načini požarne zaščite površinske obdelave s premaznimi sistemi (intumescentni premazi) in impregnacije z zaviralci gorenja.

Intumescentni premazi so komercialne formulacije, ki vsebujejo donorje kislin, donorje ogljika ali spumifične spojine. Glavne pomanjkljivosti teh izdelkov so nestabilnost pri izpostavljenosti zunanjim razmeram, kar skrajša življenjsko dobo izdelkov, in nastajanje strupenih razpadnih produktov med gorenjem. Impregnacijo lesa z raztopinami za zaviranje gorenja pa v splošnem izvedemo z anorganskimi in/ali organskimi snovmi, ki upočasnjujejo procese vžiga in gorenja površinskih plasti lesa. Uporaba borovih in formaldehidnih sistemov se je dramatično zmanjšala zaradi vse večje ozaveščenosti o okoljskih tveganjih in varnosti potrošnikov, poleg tega pa lahko anorganske soli negativno vplivajo na značilnosti lesa s povečanjem higroskopnosti ter zmanjšanjem trdnosti.

Danes so formulacije zaviralcev gorenja, ki vsebujejo dodatke fosforja, dušika ali silikona, priznane kot rešitev za probleme vnetljivosti in okoljske varnosti. Sinergično kombinacijo zaviralcev ognja na osnovi dušika in fosforja pa vidimo kot primeren način za izboljšanje formulacij. Potrebujemo pa nove tehnologije za izboljšanje fiksacije impregniranih kemikalij v strukturo materiala. Obdelave s plazmo v normalni atmosferi so lahko primeren način za izboljšanje impregnacije in življenjske dobe izdelkov. Poleg tega ima nanotehnologija potencial za premagovanje glavnih težav v zvezi z impregnacijo in dolgoročno fiksacijo zaviralcev gorenja v lesu. Zaradi majhnosti delcev, ki lahko prodrejo globoko v strukturo lesa, in zaradi svoje velike specifične površine se namreč izognejo izpiranju ali izločanju na površino v obliki soli, ali propadanju zaradi vremenskih vplivov.

Razvoj učinkovitejših procesov biorafinerije pa ponuja priložnost za proizvodnjo biomaterialov, ki bi lahko bili »zelena« možnost za pripravo prihodnjih zaviralcev gorenja. Številne spojine na biotski osnovi imajo dokazano izjemno sposobnost tvorjenja oglja. To pomeni, da lahko delujejo kot izolacijska pregrada, ki z zmanjšanjem difuzije kisika in toplote ter zaviranjem nadaljnjega izhlapevanja gorljivih produktov med gorenjem ščitijo osnovni material. Kombinacija teh spojin na biotski osnovi z izdelki, ki vsebujejo fosfor in dušik, je učinkovit način za izboljšanje delovanja trenutnih sistemov za zaviranje gorenja. Potrebujemo pa nadaljnje raziskave, da bi izboljšali združljivost takih sistemov z lesom in vezavo nanj, da bi omejili učinke toplotne razgradnje med procesi gorenja.

René Herrera Díaz, raziskovalec v InnoRenew CoE

REFERENCE

• Costes, L., Laoutid, F., Brohez, S., & Dubois, P. (2017). Bio-based flame retardants: When nature meets fire protection. Materials Science and Engineering: R: Reports, 117, 1-25.
• Mensah, R. A., Jiang, L., Renner, J. S., & Xu, Q. (2022). Characterisation of the fire behaviour of wood: From pyrolysis to fire retardant mechanisms. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1-16.
• Montanari, C., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Sustainable wood nanotechnologies for wood composites processed by in-situ polymerization. Frontiers in Chemistry, 9, 483.
• Popescu, C. M., & Pfriem, A. (2020). Treatments and modification to improve the reaction to fire of wood and wood based products—An overview. Fire and Materials, 44(1), 100-111.
• Vakhitova, L. N. (2019). Fire retardant nanocoating for wood protection. In Nanotechnology in Eco-efficient Construction (pp. 361-391). Woodhead Publishing.