Mořská tráva jako netradiční tepelná izolace

Stavební průmysl je jedním z největších znečišťovatelů životního prostředí. Proto jsou v současné době hledány ekologičtější alternativy k tradičním tepelně izolačním materiálům. Konvenční materiály, jako je skelná vata, polystyren či polyuretan mají totiž často energeticky velmi náročnou výrobu z neobnovitelných surovin a problematická je i jejich likvidace či recyklace na konci životnosti. Využití přírodních organických materiálů v izolacích přináší několik výhod, které se týkají jak environmentálních, tak i technických aspektů. Je to především obnovitelnost zdrojů, nízká uhlíková stopa, biologická odbouratelnost a hygienická nezávadnost.

Obr. 1: Logo projektu

Některé přírodní tepelné izolace jsou používány tradičně, např. desky na bázi dřevěných vláken a částic, sláma, ovčí vlna, korek a podobně. V současnosti však jsou hledány i zcela nové, dosud nevyužívané biologické zdroje pro výrobu těchto izolací, například mořské řasy, mycelium, kokosová vlákna, rýžová a řepková sláma, popřípadě jsou testovány nové kombinace tradičních materiálů – například v konopném betonu. Mezinárodní projekt BIO4EEB (BIO Insulation Materials for Enhancing the Energy Performance of Buildings) (obr.1), financovaný EU, se zabývá právě těmito netradičními tepelnými izolacemi. V rámci projektu je vyvíjeno několik typů produktů na bázi bio-materiálů pro obytné stavby. Jedná se o panely z mořské trávy Posidonie mořské, polyelektrolytové komplexy (PECs) pro protipožární nátěry, okna z bio-polyuretanů (bio-PUR) a tepelně izolační pěny z bio-polyuretanu a polyaktidu (kyseliny polymléčné, PLA).

Český účastník projektu se zabývá zkoušením a ověřováním panelů z Posidonie mořské (Posidonia oceanica), známé také jako mořská tráva nebo „Neptunova tráva“. Jedná se o endemickou rostlinu, která ve velkém množství roste v mělkých vodách Středozemního moře. Tato tráva roste v písčitých kanálech blízko pobřeží v hloubce kolem 35 metrů pod hladinou moře a může dorůstat až do výšky 1,5 metru. Jedná se o chráněný druh. Tato ochrana se ale nevztahuje na neživé části rostliny, které jsou vyplavovány na pobřeží ve formě kulovitých vláknitých útvarů, nazývaných „Neptunovy koule“, nebo jako mohutné vrstvy odumřelých listů (obr. 2). Ty jsou obvykle považovány za odpadní materiál a jsou likvidovány na otevřených skládkách nebo kompostovány.

Obr. 2: Neptunovy koule (vlevo) a vrstva odumřelých listů Posidonie mořské (vpravo). Autor: Dimitris Poursanidis, staženo z www.grida.no

Neptunovy koule lze rozvláknit na jemná vlákna, která lze použít jako tepelnou izolaci v různých podobách. Volná vlákna jsou již komerčně dostupná, například pro vyplňování dutin. Sypná hmotnost vláken se pohybuje od 17 kg/m³ do 155 kg/m³ (podle úrovně zhutnění), jejich tepelná vodivost se pohybuje mezi 0,043 a 0,070 W/m·K (Hamdaoui et al., 2018). Testovány byly desky z těchto vláken, pojené epoxidovou pryskyřicí (částečně přírodního původu). Tyto desky, vyrobené z neošetřených vláken, měly velmi nízké mechanické vlastnosti, a proto autoři doporučili chemické ošetření vláken (pomocí hydroxidu sodného a silanizace) před jejich použitím (Garcia-Garcia et al., 2018).

Pro mrtvé listy mořské trávy však dosud nebylo nalezeno mnoho využití a byly dosud zkoumány pouze ojediněle. Suché listy Posidonie byly například pokusně použity jako izolace ploché střechy ve 14 obytných jednotkách na španělském ostrově Formentera. Vrstva tepelné izolace vyrobená z listů Posidonie měla sypnou hmotnost 185 kg/m³ a tepelnou vodivost λ = 0,044 W/m·K (Carmona et al., 2018).

V rámci projektu BIO4EEB byly vyrobeny desky ze suchých listů Posidonie, pojené epoxidovou pryskyřicí na rostlinné bázi (Obr. 3). Objemová hmotnost desek se pohybovala mezi 159 a 289 kg/m³ a součinitel tepelné vodivosti mezi 0,054 a 0,076 W/m.K (Obr. 4). Z grafu je zřejmé, že tepelná vodivost stoupá s rostoucí objemovou hmotností, nicméně nárůst tepelné vodivosti činí při 80% nárůstu objemové hmotnosti pouze 42 %, což znamená, že tepelně izolační schopnost zůstává zachována i při vyšších objemových hmotnostech.

Obr. 3: Desky z Posidonie mořské

Obr. 4: Součinitel tepelné vodivosti λ desek z Posidonie mořské

Pevnost v tahu za ohybu desek se pohybuje od 0,7 do 2.8 MPa (Obr. 5). Pevnost roste s objemovou hmotností, jak je vidět na obr. 5 a pro desky s objemovou hmotností kolem 240 kg/m³ a vyšší přesahuje 2 MPa, což je hodnota pro tepelnou izolaci naprosto dostačující.

Obr. 5: Pevnost v tahu za ohybu desek z Posidonie mořské

Faktor difuzního odporu μ se pohybuje mezi 22 až 196 (metoda mokré misky) a mezi 36 až 178 (metoda suché misky). Relativně vysoká difuzní nepropustnost je způsobena především vrstvou nepropustné pryskyřice na povrchu desek.

Na deskách byly provedeny zkoušky ekotoxicity na řasy s negativním výsledkem, tj. materiál není pro řasy ekotoxický (Obr. 6). Při zkoušce odolnosti vůči plísním se bohužel ukázal častý problém přírodních materiálů – desky nebyly odolné vůči plísním a pro praktické použití bude tedy třeba materiál při výrobě nějakým způsobem proti plesnivění ošetřit (např. kyselinou boritou, popř. hydroxidem sodným).

Obr. 6: Zkouška ekotoxicity desek z Posidonie na řasy (zelená barva znamená růst řas)

Desky z Posidonie mořské se svými vlastnostmi blíží komerčním deskám na bází dřevěných vláken a mohou být tedy s úspěchem použity na zateplování buďto samostatně nebo jako součást sendvičových prefabrikovaných panelů. Podmínkou jejich použití je dořešení ochrany proti plísním a požáru. Pro praktické použití se jeví jako nejvhodnější desky s objemovými hmotnostmi kolem 240 kg/m³, které mají pevnost v tahu za ohybu vyšší než 1 MPa a jejich tepelná vodivost se pohybuje kolem 0,06 W/m.K.

Využití tohoto materiálů lze samozřejmě předpokládat zejména v oblasti kolem Středozemního moře (tedy v místech, kde se mořská tráva přirozeně vyskytuje), ale vzhledem k velkému objemu odumřelých zbytků se jeví zajímavé i testování tohoto materiálů v jiných klimatických podmínkách, a to zejména proto, že tepelně izolační materiály jsou velmi důležité v chladnějších oblastech. Z tohoto důvodu byla Česká republika vybrána jako jedna z oblastí, ve kterém bude tento materiál testován in-situ.

Obr. 7: Macerované cévní svazky odumřelých listů mořské trávy tzv. Neptunovy koule

Obr. 8: Neptunovy koule – detail

Článek byl vytvořen v rámci realizace Evropského projektu BIO4EEB.

Projekt je spolufinancován Evropskou unií. Vyjádřené názory a stanoviska v tomto článku jsou názory a stanovisky autorů a nemusí nutně odrážet názory Evropské unie nebo Evropské výkonné agentury pro zdraví a digitální oblast (HADEA). Evropská unie ani poskytovatel grantu za ně nenesou odpovědnost.

Obr. 9: Pohled na pobřeží s nánosy odumřelých částí mořské trávy

Literatura:

Carmona, C., Horrach, G., Oliver, C., Fodeza, F. J., & Munoz, J. (2018). Posidonia oceanica as thermal insulation: Determination of the minimum bulk density, according to project specifications, for its use as a building solution on a flat roof. Revista De La Construccion, 17(2), 250-257. https://doi.org/10.7764/rdlc.17.2.250

Garcia-Garcia, D., Quiles-Carrillo, L., Montanes, N., Fombuena, V., & Balart, R. (2018). Manufacturing and Characterization of Composite Fibreboards with Posidonia oceanica Wastes with an Environmentally-Friendly Binder from Epoxy Resin. Materials, 11(1), Article 35. https://doi.org/10.3390/ma11010035

Hamdaoui, O., Ibos, L., Mazioud, A., Safi, M., & Limam, O. (2018). Thermophysical characterization of Posidonia Oceanica marine fibers intended to be used as an insulation material in Mediterranean buildings. Construction and Building Materials, 180, 68-76. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.05.195