Příčiny a způsoby degradace plastů ve stavebnictví

S prvními syntetickými polymery se setkáváme už na konci 19. století. Ty nejstarší vznikaly jako levnější a dostupnější náhrada luxusních přírodních materiálů (hedvábí, slonoviny a želvoviny), které byly stále žádanější, avšak stále méně dostupné. Polymery byly ceněné pro své užitné vlastnosti a ve srovnání s výrobky z přírodních materiálů i pro svou nízkou cenu. Původně se vyráběly jako levné náhražky, od nichž nikdo velkou trvanlivost neočekával, ani nežádal. Ty nejstarší také neobsahovaly žádné stabilizační přísady, UV absorbéry apod. V průběhu doby vzniklo a stále vzniká mnoho nových polymerů (viz tab. 1). V současné době se vyrábí ohromná škála polymerních materiálů, které jsou většinou modifikované pro konkrétní použití a obsahují řadu přísad, které zvyšují jejich odolnost proti působení okolního prostředí.

Hlavní příčiny degradace polymerních materiálů

Průběh degradace polymerů je poněkud záludný. V časném stadiu stárnutí, ještě před vznikem viditelných projevů degradace, dochází uvnitř polymeru k malým fyzikálně-chemickým změnám, které jsou nevratné a pro další stabilitu materiálu mají zásadní význam. Materiál se dlouho jeví zdánlivě v dobré kondici. Degradace začne být viditelná náhle, až po určité („indukční“) době. Ta se pro různé materiály liší, např. pro acetáty celulózy – filmové podložky je indukční doba cca 40 let (za předpokladu uložení v běžných podmínkách neregulovaného vnitřního prostředí).

Degradace polymerních materiálů je proces ovlivňovaný jak vnitřními faktory (chemické složení, způsob zpracování materiálu, technologie výroby předmětu), tak vnějšími faktory (agresivita prostředí, mechanické namáhání, způsob a míra používání předmětu). V běžném atmosférickém prostředí k degradaci polymerů přispívají hlavně teplota, kyslík a ozon, světlo a UV záření, vlhkost a atmosférické polutanty. V některých případech je nezanedbatelný i vliv mikroorganismů.

Příčiny degradace syntetických polymerů tedy mohou být různé, ale většinou zde působí více faktorů současně a často se jedná o synergický efekt. Nejrychleji stárnou zejména nejstarší materiály, které neobsahují žádné ochranné přísady jako antioxidanty, UV absorbéry a stabilizátory. U některých materiálů může být příčinou degradace už povaha samotného materiálu – příkladem je nitrocelulóza, jejíž rozpad je nevyhnutelný a lze jej pouze do jisté míry zpomalit.

V průběhu stárnutí se v první řadě mění chemické složení polymerů. Dlouhé polymerní řetězce se štěpí na kratší fragmenty, anebo naopak vytvářejí trojrozměrnou síť (olejopryskyřičné laky), časem se ztrácí přídavné látky (těkají změkčovadla, stabilizátory, spotřebovávají se antioxidanty), působením vody nebo organických rozpouštědel mohou některé polymery bobtnat, nebo naopak ztrátou vázané vlhkosti křehnou a nenávratně se rozpadají (např. kaseinformaldehyd). V důsledku chemických změn se mění i fyzikální vlastnosti a vzhled předmětu, který se nakonec může rozpadnout až na fragmenty.

Projevem degradace polymerů může být:

• Křehnutí – ztrátou změkčovadel (změkčovadla běžně tvoří 30–50 % hmoty měkčeného polymeru).
• Výkvěty na povrchu – depozice degradačních produktů nebo „vypocování“ přídavných látek na povrch; tzv. „voskování“ – štěpení polymerních řetězců v povrchové vrstvě.
• Trhlinky v povrchové vrstvě – fyzikální změny amorfních polymerů (např. plexiskla) v důsledku hydrolytického štěpení, nebo projev degradace kaučuku v důsledku působení ozonu (tzv. „sloní kůže“).
• Deformace – v důsledku sorpce a desorpce vody plnivy; v důsledku bobtnání působením organických rozpouštědel; tvarovou pamětí polymerů v souvislosti s jejich výrobní technologií.
• Odlupování, uvolňování částic plniva nebo výztuže u laminovaných materiálů, …

Polymery jako součásti budov

Polymerní materiály se stále více uplatňují v řadě oblastí stavebnictví. Stavební průmysl v současnosti spotřebovává více než 20 % celosvětové produkce polymerů. Často se jedná o recyklované materiály, ale také vzniká řada velmi sofistikovaných, tzv. „taylor made“ polymerů, které vynikají konkrétními užitnými vlastnostmi (např. pevností, lehkostí, odolností vůči chemikáliím, …), pro něž jsou v některých odvětvích stavebnictví velmi žádané ať již samotné, nebo jako součást kompozitních materiálů. Je evidentní, že v tomto případě se již nejedná o levné náhražky, naopak cena těchto materiálů bývá dosti vysoká.

Vnímání polymerních materiálů se v průběhu času změnilo. V řadě případů jsou přijímány jako plnohodnotná varianta ke klasickým materiálům, v některých případech dokonce jako jediná možnost (např. PVC trubky pro odvod vody do kanalizace). U běžných polymerů vnímáme jejich výhody (např. jednoduchou údržbu a dobré izolační vlastnosti u plastových oken), ale málokdy posuzujeme jejich životnost, která je ve srovnání s klasickými materiály (dřevo, kov) stále nízká a spolu s ohledem na cenu práce nakonec tyto stavební prvky zdražuje.

V procesu obnovy historických budov se s největší pravděpodobností neuplatní moderní konstrukční materiály, jako např. plastbeton, ale existuje řada materiálů na bázi syntetických polymerů, které se i v tomto případě používají, dále materiály, které by bez důsledného památkového dozoru použity být mohly, a také řada takových, které jsou už od počátku součástí budov relativně moderních, ale v současné době už památkově chráněných.

Krytiny

Hlavně na drobných lidových stavbách často dosluhuje břidlice, někdy i eternit. Nejlevnější (a lehčí) náhražkou jsou asfaltové šindele (bonnské, kanadské, …), které se však esteticky nepodobají ani eternitu, ani břidlici; stárnou poměrně rychle a velmi nepěkně. (První fází je „plešatění“, kdy se z povrchu odrolí kamínky).

Pro eternit existují v současné době esteticky víceméně plnohodnotné náhrady (vláknocementové desky bez azbestu). Pokud jsou však vlákna celulózová a desky nemají hydrofobní povrchovou vrstvu, vlákna sorbují vlhkost, bobtnají, anebo se srážejí, což poměrně brzy způsobuje praskání desek. Náhražky břidlice jsou vždy problematické. Přírodní břidlice je drahý a relativně těžký materiál – zatěžuje historický krov i kapsu investora. Její náhražky na trhu jsou většinou kompozitní materiály. V lepším případě obsahují mletou přírodní břidlici, která je pojena polymerem – směsí PE a PP. Existují i celoplastové náhražky břidlice na bázi recyklovaného PVC. I když všechny výše zmíněné krytiny jsou černé, plněné sazemi, nepochybně obsahují i stabilizační přísady a do určité míry jsou tedy proti působení UV chráněny, stejně degradují. Je jen otázkou času, kdy se degradace projeví. Nejdříve se projeví estetické změny (u tmavých polymerů většinou světlý povrch), později nastávají i změny mechanické (snížení pevnosti, vznik drobných trhlinek, …). Samostatnou kapitolou jsou plastové náhražky břidlice vyráběné pouze z polyolefinů (polypropylenu a polyetylenu). Co se odolnosti materiálu týče, bude obdobná jako u výše zmíněných krytin, estetická stránka těchto výrobků je však natolik specifická, že jakékoli použití na historickou budovu vylučuje. Pro úplnost: existují i střešní tašky z plexiskla (MMA) k prosvětlení střechy. Časem zestárnou, poškrábou se, zmatní a zkřehnou. Oproti taškám skleněným, které se také vyrábějí, nemají snad žádnou výhodnější vlastnost.

Výhodou všech těchto náhražkových materiálů je nízká cena a malá váha, nevýhodou je většinou vzhled odlišný od originálu, barevné změny, které působením UV časem vznikají, změny mechanických vlastností v čase a vysoká hořlavost. Záruky na materiál se u většiny těchto krytin pohybují od 5 do 15 let, výjimečně 20 let. Jeden z výrobců uvádí záruku 22 let, ovšem za předpokladu, že teplota nepřekročí 60 °C, což v létě na šedočerné ploše střechy splnit nelze.

Izolace

Pro tepelnou izolaci staveb se kromě minerální vaty běžně používají desky z pěnového polystyrenu, z tvrdé polyuretanové nebo polyisokyanurátové (PIR) pěny, anebo v současnosti nejefektivnější izolační desky z fenolické pěny. Tyto materiály jsou poměrně odolné, většinou jsou to desky nebo bloky potažené hliníkovou fólií a ve stavbě jsou omítkou chráněné před klimatickými vlivy i před UV. Pokud je izolace řemeslně dobře provedená, funguje i po desítkách let. V oblasti památkově chráněných budov však mají tyto izolace minimální využití. Naprosto vyloučené jsou pak stříkané polyuretanové pěny pro izolaci historických krovů.

Další oblastí použití polymerů ve stavebnictví jsou hydroizolační fólie. Izolace proti zemní vlhkosti jsou většinou na bázi PVC. V zemi nejsou vystaveny světlu, ani vysokým teplotám. Degradují tedy minimálně a fungují po desítky let. Naopak životnost střešních izolačních fólií (většinou rovněž na bázi PVC) je daleko menší – obvykle se udává maximálně 20 let. Zlepšení by mohl přinést recyklovaný polyvinylbutyral, který má extrémní odolnost proti světlu a UV záření a nyní se z něj nově vyrábějí i střešní hydroizolační fólie.

Plastová okna

Používání plastových oken je v současné době velmi rozšířené. Okenní profily jsou kompozitní výrobky, velmi složité výlisky z plastu v kombinaci s kovem. Na trhu je řada výrobků lišících se profilem i materiálem, a tedy i kvalitou a cenou. Všechny jsou na bázi PVC. Ty nejlevnější obsahují běžná změkčovadla, dražší jsou vnitřně měkčeny přídavkem 10–20 % chlorovaného polyetylenu nebo elastomerních akrylátů; pro větší odolnost UV a pro okna s barevnými povrchy se používá PVC koextrudovaný s MMA. Ze složení okenního profilu se logicky odvíjí i jeho životnost. Nejrychleji stárne PVC s obsahem klasických změkčovadel, která postupně těkají, ale i dražší výrobky (vnitřně měkčené kopolymerací s PE) ve srovnání s klasickými materiály, jakými je např. dřevo nebo kov, stárnou rychle. U těch nejkvalitnějších udává výrobce životnost 50 let. Polymer začne časem na povrchu „křídovat“ a současně se začínají měnit jeho mechanické vlastnosti – křehne a rozpadá se. V tom okamžiku začíná jeho kompletní destrukce. Kromě kování nelze plastová okna opravovat – natírat a vykytovat jako okna dřevěná, a s ohledem na složitou strukturu profilu kov–plast není možné je ani recyklovat. Nejen že jsou pro historické budovy nevyhovující z estetického hlediska, ale jako nerecyklovatelné jsou i neekologické.

Plastová potrubí

Plastové okapy a svody jsou rovněž na bázi PVC. Životnost je tedy obdobná jako životnost jiných výrobků z PVC. V současné době existují různé, technologicky velmi propracované systémy plastových okapů a svodů v široké škále barev. Jejich pořizovací cena je často stejná, nebo i vyšší než cena klasických klempířských výrobků, ale cena jejich instalace i údržby je ve srovnání s klasickými okapy zanedbatelná a estetický dojem je natolik dobrý, že občas zmate i nepřizpůsobivého sběrače mědi.

Pro úplnost je třeba zmínit i běžné používání tlakových hadic z velmi odolného vysokohustotního polyetylenu (HDPE) a trubek z polypropylenu (PP, PPR) pro rozvody vody a trubek z houževnatého PVC pro rozvody odpadu.

Podlahové krytiny

Kromě klasických materiálů pro podlahy, jakými jsou dřevo, korek, kámen a keramika, se v minulosti (cca do 60. let minulého století) běžně používal tzv. xylolit (licí hmota nebo desky). I když se nejedná o polymer, lze jej považovat za moderní, syntetický materiál. Je to hmota, která vzniká smícháním kysličníku hořečnatého a roztoku chloridu hořečnatého, jemných pilin a minerálních pigmentů. Ačkoli nesnáší dobře vlhko a horko a vyžaduje poměrně pracnou a stálou údržbu (voskování), používala se převážně na podlahy kuchyní. Opravování xylolitu je obtížné a pro funkční prostory v podstatě nemá smysl.

V současné době jsou často používané krytiny, které svým povrchem sice klasické materiály imitují, ale jejichž základním materiálem je měkčené PVC (tzv. vinyl). Může se jednat o laminátové plovoucí podlahy nebo o měkké krytiny ve formě vícevrstvé fólie. V historických budovách a v kultivovaných interiérech se obvykle nevyskytují. Samozřejmě, že životností ani esteticky nemohou klasickým materiálům konkurovat, jsou však levné, lehce aplikovatelné, vyžadují minimální údržbu a v případě potřeby jsou relativně snadno odstranitelné.

Nábytek vnitřní i venkovní

Už od 30. let minulého století se některé syntetické materiály používaly pro výrobu různých úchytek a doplňků nábytku. Jednalo se o nitrocelulózu nebo acetát celulózy, které měly imitovat rohovinu nebo želvovinu, později bakelit nebo kaseinformaldehyd (galalit), který někdy imitoval perleť. Celulóza i její deriváty časem degradují za vzniku kyseliny dusičné nebo octové. Degradaci těchto materiálů za normálních podmínek zastavit nelze, jediným řešením je vytvoření kopie těchto doplňků z jiných, trvanlivějších syntetických pryskyřic (např. z polyesterové pryskyřice).

Přibližně od poloviny minulého století se polymerní materiály stávaly pro výrobu nábytku stále důležitější. Často se používaly ve formě kompozitů – dřevotřísky pojené různými syntetickými pryskyřicemi, na odolné povrchy (např. pracovní desky kuchyňského nábytku) se používaly fenolické papírové lamináty (tzv. umakart) nebo lamináty na bázi močovino-formaldehydových pryskyřic. Tyto lamináty jsou velmi trvanlivé, a pokud neutrpí nějaké mechanické poškození, přetrvávají v dobré kondici desítky let, stejně jako předměty z bakelitu.

Syntetické polymery se od poloviny minulého století běžně používaly také pro výrobu čalouněného nábytku. Polyuretanové pěny (molitan) na polstrování a syntetické textilie (hlavně různé typy viskózy) na potahy nábytku a na závěsy, … Pěnový polyuretan degraduje poměrně rychle, nevratně a velmi nepěkně. Měkne a rozpadá se za vzniku kyselých degradačních produktů. Je to spotřební materiál pro výrobky, od nichž se dlouhá životnost neočekává. Rozhodně není vhodný pro opravy cenného historického nábytku.

Už v roce 1950 vzniklo první sklolaminátové křeslo. Laminátový nábytek se vyrábí stále (např. sedadla v tramvajích) a je téměř nezničitelný. Lisovaný sedací nábytek z plastů se vyrábí v široké škále materiálů i cen, od drahých designových kousků z karbonu a z polykarbonátu, které jsou velmi trvanlivé a mají vynikající užitné vlastnosti, až po levná zahradní křesílka z recyklovaných materiálů – převážně z PVC, která se po několika sezonách na slunci prostě rozpadnou.

Povrchové úpravy nábytku

Nejstarší nátěry a politury na dřevo byly na bázi přírodních terpenických pryskyřic a oleje (fermeže). Za moderní prostředky už považujeme nitrocelulózové nátěry (přelom 19. a 20. století) i nátěry na bázi fenolických, modifikovaných fenolických, alkydových a modifikovaných přírodních pryskyřic, které byly běžné už v první polovině minulého století. Později k nim přibyly nátěrové hmoty na bázi vinylacetátu, akrylových pryskyřic, epoxidů a polyuretanů (a samozřejmě i jejich kopolymerů). Nitrolaky byly pro vysoký lesk velmi oblíbené, ale časem žloutnou a ve spojení s některými kovy vytvářejí kyselý gel, který přispívá ke korozi kovu. Při renovaci povrchů natřených nitrolakem je proto lepší volit jiný materiál. Velmi dlouho byly (a dosud jsou) pro nábytkovou tvorbu a pro dřevěná obložení používány alkydové laky. Pro obnovu historických alkydových nátěrů v současné době existuje dobrá alternativa – alkydový lak obdobných parametrů jako kvalitní alkydové laky z 30. a 40. let minulého století, vyvinutý speciálně pro obnovu vily Tugendhat (https://www.synpo.cz/restauratorstvi).

Moderní výtvarná díla

Samostatnou kapitolou jsou pak moderní výtvarná díla z polymerních materiálů, pořízená investory do veřejných budov s vidinou reprezentace a současně „trvalé hodnoty“. Ve srovnání s díly z klasických materiálů stárnou daleko rychleji a ve zkracujících se intervalech vyžadují velmi nákladné restaurování. Příkladem může být Panamarenkův létající stroj „Umbilly I“, dílo, které v r. 1976 zakoupila Technická univerzita v Eindhovenu. Model fantastického létajícího stroje byl vytvořen z lehkých plastů a z různých kovových součástek, které pocházely většinou z bicyklů. Nejdříve byl umístěn ve vstupní hale univerzity, kde v nevhodných a nestálých podmínkách dosti trpěl. Již v roce 1988 bylo nutné dílo nákladně restaurovat. Cena restaurování Umbilly v očích studentů i pedagogů značně zkompromitovala. Od té doby se dílo stěhuje po různých lokacích v areálu univerzity a je stále častěji a nákladněji restaurováno… K zachování uměleckých děl z polymerních materiálů lze přispět citlivou preventivní konzervací – úpravou parametrů prostředí, v němž jsou uchovávána, ale proces jejich degradace zastavit nelze. Čím dál častěji také stojíme před otázkou, zda je vůbec možné je restaurovat nebo konzervovat, a jestliže ano, tak jak a jaký proces ještě může být označen jako konzervace nebo restaurování.

Tab. 1: Data počátků průmyslové výroby polymerů

Pozn.: V pravém sloupci jsou zdůrazněny polymery užívané jako stavební materiály nebo běžné součásti základního vybavení budov.

Obr. 1: Antoine Pevsner, Hlava ženy, 1923, Hirshhorn Museum and Sculpture Garden, Smithsonian Institution, Washington, D.C. Postup degradace trojrozměrného uměleckého předmětu z nitrocelulózy od svého vzniku do 60. let 20. století. Převzato z: Sid Perkins, Long Live Plastics, Science News, November 8, 2008, s. 34.

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory MK ČR v rámci institucionálního financování dlouhodobého koncepčního rozvoje výzkumné organizace Národní technické muzeum (DKRVO, MK000023299).

Literatura

1. Feller R. L.: Aspects of chemical research in conservation: the deterioration process; JAIC Vol. 33 No. 02, 1994.
2. Bridson J. A.: Plastics Materials, Butterworth Heinemann 1999 (7th edition), ISBN 0 7506 4132 0.
3. Doležel Břetislav: Odolnost plastů a pryží; SNTL 1991; v edici Makromolekulární látky sv. 32.
4. Ducháček Vratislav: Polymery – výroba, vlastnosti, zpracování, použití; VŠCHT v Praze 2006, ISBN 80-7080-617-6.
5. Kaner Jake, Ioras Florin, Ratnasingam Jega: Performance and Stability of Historic Casein Formaldehyde; e-plastory, 2017, Nr. 4; ISSN 2190-9598; http://e-plastory.com/index.php/e-plastory/article/view/Kaner/35
6. Prokopová Irena: Makromolekulární chemie; VŠCHT v Praze 2007; ISBN 978-80-7080-662-3.
7. Shashoua Yvonne: Conservation of Plastics; vyd. Elsevier 2008; ISBN 978-0-7506-6-495-0.
8. Williams Gareth, Assistant Curator: Plastic, Pop and Mass-produced Design in the V&A's Collections; Conservation Journal, October 1996, Issue 21; http://www.vam.ac.uk/content/journals/conservation-journal/issue-21/
9. Kopecká Ivana: Identifikace materiálu sbírkových předmětů ze syntetických polymerů. Fórum pro konzervátory-restaurátory, 2021, roč. XI, ISSN (Print) 1805-0050, ISBN 978-80-87896-98-3, s. 68-75.
10. Kopecká Ivana, Svobodová Eva: Otázky možné konzervace a restaurování polymerních materiálů. Zprávy památkové péče, roč. 80, č. 1 (2020), s. 106–112.
11. Beerkens Lydia: Ready for také off – again: Panamarenko´s „Umbilly 1“ (1976); Art d´aujourd´hui - patrimoine de demain (Conservation et restauration des oeuvres contemporaines); p. 57–73; 13es journées de la SFIIC, Paris, 24-26 juin 2009, ISBN 2-905430-16-8.

Článek byl původně publikován ve sborníku Společnosti pro technologie ochrany památek STOP (2022) a dále pak autorkou a redakcí upraven pro čtenáře TZB-info. Děkujeme.