• hőszigetelés
• hőszigetelő anyagok
• tulajdonságok

Kukoricaszár blokk hőszigetelésre

Fogalma

A kukoricaszár blokk egy mezőgazdasági hulladékból előállított, új építőanyag, amely a forgalomban lévő hagyományos, természetes hőszigetelő anyagokhoz hasonló tulajdonságú, azonban alapanyagából adódóan előállítási költsége jóval kisebb. Alapanyaga kukoricaszár mint mezőgazdasági hulladék, amelyet megfelelő méretűre történt aprítás után vízálló, tömbösítő ragasztóval kevernek, majd összepréselnek.

Története

Ismeretes, hogy az emberiség régóta igyekezett megoldani a mezőgazdasági melléktermékek – így a kukoricaszár – építőipari hasznosítását is. A népi építészetben gyakran előfordult, hogy veremházakban kukoricaszárral bélelték a gödör oldalfalát. Ilyenkor a sarokoszlopok vonalában ásónyomnyi mélységű árkot ástak, ebbe néhány centiméter vastag, kukoricaszárból font falat állítottak, amelynek felső végét a koszorúgerendához rögzítették. A gödör oldala és a földház fala között keletkezett üreget szalmával, szőlővenyigével, gazzal vagy más növényi anyagokkal töltötték ki, hogy a homok be ne folyhasson a bélelés anyagát képező növényi anyagok hézagai között.

Főleg Közép- és Kelet-Európa területén fordult elő, hogy a népi lakóházak, vályogházak vagy faházak falának külső felületét télen a learatott kukorica szárával takarták be, ezzel is némileg javítva a falszerkezet hőszigetelő képességét. A kukoricaszár építőipari hőszigetelő termékké fejlesztése azonban még évszázadokig váratott magára.

Az első próbálkozások őshazájában, az amerikai kontinensen történtek. Az amerikai lowa State University professzora, Orland Russel Sweeney úttörő munkát végzett a mezőgazdasági melléktermékek hasznosítása ügyében, s figyelmét a kukoricaszárban rejlő lehetőségek kötötték le.

Már az 1920-as években kísérletezett, hogy a kukoricaszárból papírt, cukrot és alkoholt készítsen, mígnem 1929-ben Dubuque (lowa, USA) városában megalapította a Maizewood Products Company nevezetű üzemét, ahol a kukoricaszárból a mesterséges faanyaghoz hasonló szigetelőlemezeket kezdett gyártani.

Üzemében a közeli farmerektől vásárolt kukoricaszárat feldarabolták, majd két órán keresztül főzték 100 psi (font per négyzethüvelyk), azaz nagyjából 700 kPa gőznyomás alatt. Ezt követően megmosták, megtisztították, és a növényi szálakat még apróbbra darabolták. Az így kapott alapanyagot átmosták, majd gyantával keverték, hogy a végterméknek víztaszító tulajdonságot biztosítsanak. Ezután finomszecskázó gépekkel újból feldarabolták, majd a terméket laza formában pihentették az utolsó gyártási lépcső előtt. Ennek során a nedves anyagot elterítették a formázó-gép felületén, és a felesleges vizet hagyták, hogy elpárologjon, mielőtt a nyersanyag a présgépbe került.

Ezt követően táblát formáztak belőle, amit 20 láb nagyságú (kb. 6 m) darabokra vágtak és kiszárítottak. A táblák széleinek egyenetlenségeit levágták, majd különféle nagyságúra feldarabolták őket.

Sweeney és kollégája, Lionel Kenneth Arnold számos publikációt jelentetett meg a kukoricaszárból készült termékek gyártásáról, tudományos érdeklődésüket azonban az anyagvizsgálatok nem kötötték le, inkább a műanyaggyártással és a szójaolaj hasznosításával kezdtek foglalkozni. Ekkor vásárolta meg a Maizewood céget a Celotex Company, s a kukoricaszárból készült termék gyártása is megszűnt. A második világháború után egy rövid ideig Csehszlovákiában gyártottak olyan, háromrétegű építőlemezt, amelynek középső rétege két farostlemez közé kasírozott kukoricacsutkából készült.

Az 1950-es években az amerikai R. L. Lewis fejlesztett ki olyan szigetelőlemezt, melynek egyik alkotóelemét a kukoricaszár adta. Az előzetes kezelés során a kukoricaszárakról a leveleket és a külső, viaszos rétegét eltávolították, rovarriasztó anyaggal lepermetezték, furnérlemezre kasírozzák, majd alumíniumborítással látták el, ami biztosította időjárás- és tűzállóságát. A táblákat rögzítőelem nélkül, horonyeresztékes kapcsolattal lehetett illeszteni, kötőanyaga műanyag volt. Az éves termés ingadozása, a rövid betakarítási idő és a viszonylag nagy tárolási igények miatt azonban gyártása nem tűnt gazdaságosnak, így készítésével az 1960-as években felhagytak.

Az 1970-es években ismét felvetődött az ötlet a kukoricacsutkából készült építőlemezek készítésére. Főleg ázsiai kutatók vizsgáltak a kukoricacsutkából és formaldehid kötőanyagból készült szigetelőlemezeket, amelyeknél jó szilárdsági tulajdonságokat, de viszonylag gyenge (0,096 W/m x K) hőszigetelő képességet állapítottak meg.

Jelenleg is folynak kutatások szerves alapú kompozit anyagokkal kapcsolatban. Léteznek fa-műanyag-kompozit (Wood Plastic Composite, WPC) és természetes rost-kompozit (Natural Fiber Composite, NFC) anyagok is. Gyártásuk során legtöbbször újrahasznosított műanyagot (polietilén, polipropilén) és valamilyen szerves anyagot (fa, kukoricaszár, növényi rostok) használnak különféle százalékos összetételben.

Mindezeket összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a 20. század első harmadától léteztek ugyan próbálkozások a kukoricaszár építőipari hasznosításával kapcsolatban, s néhány termék forgalomba is került, de a későbbiekben ismertetendő, kukoricaszárból készült blokkokhoz hasonló termék máig nem jelent meg a piacon. Egyediségét és eredetiségét igazolja, hogy feltalálója, Szűcs Imre a terméket 2008-ban a Magyar Szabadalmi Hivatalban bejelentette.

Alapanyaga

A kukorica (Zea mays) a pázsitfűfélék családjába tartozó lágy szárú növény, őshazája az amerikai kontinens. Európába a gyarmatosítás ideje alatt került, azóta az egyik legfontosabb, hatalmas területeken termesztett szántóföldi növényünk. Jellemző hasznosítási módja a szemestakarmány és a silókukoricaként való felhasználás.

Csak Magyarországon kb. 1,2 millió hektáron termesztenek kukoricát. Látható, hogy a többi fontosabb mezőgazdasági melléktermékkel összehasonlítva a kukoricatermesztésből származó anyagok számítanak a legjelentősebbnek, ráadásul a többi melléktermékkel ellentétben a kukoricaszár hasznosítása a legkevésbé megoldott.

A szakirodalomban fellelhető információk alapján a kukoricaszár összetételét tekintve 38-45% cellulózt (1000—1500 szőlőcukoregységből álló fonalszerkezetű óriásmolekula), 19-26% hemicellulózt (cellulózkísérő anyag), 17-26% lignint (faanyag) és 6% hamut tartalmaz. A kukoricaszár állati takarmányozásra csak kismértékben alkalmas, ugyanis a késői betakarítás miatt a szár elöregszik, tápanyagokban szegény.

7.8. táblázat. Magyarország legfontosabb, szántóföldön termesztett növényei

7.9. táblázat. Pontosabb mezőgazdasági melléktermékek Magyarországon

A vetésterület közel 5%-án összegyűjtendő kukoricaszárat leggyakrabban felszecskázzák, és trágyázásra használják. A visszaforgatott kukoricaszár elvileg javítja a talajszerkezetet és jelentős mennyiségű tápanyagot ad a földnek (pl. a gabonanövény által felvett kálium 40%-át), amit az utónövény a következő évben hasznosítani tud, azonban a nagy cellulóztartalmú kukoricaszár talajba juttatása káros, ún. szénhidráthatást válthat ki, ami csak nagy mennyiségű nitrogéntartalmú műtrágyával ellensúlyozható.

A kukoricaszár másik elterjedt – kevésbé környezetbarát – hasznosítási módja a biomasszaként való elégetés, ami nagy mennyiségű C0₂-kibocsátással jár. Az elégetéshez ráadásul betakarítani, majd pelletálni vagy brikettálni kell, ami szintén nagy költséget jelent. Felvetődött a bioüzemanyag alapanyagaként való hasznosítási lehetősége is, azonban nagy mennyiségű (>80%) etanol kinyerése a kukoricaszárból nehézkes. Ráadásul – lévén a bioüzemanyag is végső soron elégetésre kerül, ami szintén C0₂-kibocsátással jár – továbbra sem jelentheti feltétlenül a legkörnyezetkímélőbb felhasználási módot.

Az elmondottakból leszűrhetjük tehát a következtetést, hogy az évente óriási mennyiségben keletkező kukoricaszár – mint mezőgazdasági melléktermék – hasznosítása nem megoldott, sőt, indokolt, és gazdasági előnyei miatt egyenesen szükségszerű. Ennek egyik lehetősége a kukoricaszár építőipari felhasználása.

Kötőanyaga

A kukoricaszár blokk kötőanyaga faragasztó, A ragasztóanyag az MSZ EN 204 szabvány szerinti D3 vízállósági csoportba sorolandó. Belső térben olyan helyen alkalmazható, ahol gyakori a folyó víz, a kondenzvíz rövid ideig tartó hatása, vagy hosszabb időn át nagyobb a relatív légnedvesség. Kültéri felhasználása olyan esetekben megengedett, ahol a szerkezet az időjárás közvetlen hatásai ellen védett. Műszaki adatlapja szerint nagy szilárdságú kötést, oldószerekkel és nagy hőmérséklettel szembeni ellenállást biztosít.

A ragasztó kötőanyaga polivinil-acetát polimer 5%-os vizes diszperziója. Műanyag kannás kiszerelésű, 30 kg-os csomagokban kapható. Ideális tárolási hőmérséklete +5-25 °C, az így tárolt termék 12 hónapig használható fel. 15 °C alatt nem szabad használni, bár -30 °C-ig fagyálló! A termék nehezen gyullad, a terméket tartalmazó anyag oltható vízzel, habbal, szén-dioxiddal és száraz porral is. Személyekre vonatkozó óvintézkedések nincsenek, csatornahálózatba és élővízbe önteni nem szabad! Nem minősül veszélyes árunak, ezért szállításkor jelölést nem igényel. Le-bomlására vonatkozó adatokat nem állnak rendelkezésre.

Gyártása

A kukoricaszár blokk anyagi összetételéről és gyártástechnológiájáról szóló dokumentumot (Szabó Zoltán: Kukoricaszár tégla — Innovációs projekt, Homatech Kft., 2009) a feltaláló jutatta el a szerzőhöz. Az alább közölteken kívül egyéb információkat (pl. saját kísérleteiről készült jegyzőkönyvek) nem hozott nyilvánosságra. Az említett tanulmány szerint a kukoricaszár blokk előállítása öt lépésben történik: aprítás, keverés, kötőanyag-hozzákeverés, formázás (préselés) és szárítás.

A) Aprítás

Első lépés az alapanyagként használt, megfelelően finomra szecskázott apríték előállítása. Az aprítás során figyelembe kell venni, hogy túl nagy apríték esetén a keverés és a préselés nem eredményes. A túl nagy részekre nem jut teljes felületen kötő- vagy ragasztóanyag, így a szilárdsága, belső összetartó képessége elégtelen lesz, egyenetlen lesz a rostszerkezet, sok lesz a rostok közötti légrés.

Az apríték méretének csökkentése a préselés szempontjából kedvező, de túl kis apríték esetén a kötő vagy ragasztóanyag felhasználás túlzottan megnő, mivel ennek a fajlagos felülete jelentősen nagyobb lesz, s így vele együtt a kötőanyag-szükséglete is.

Ezért mindezek figyelembevételével a gyártó próbálgatással optimalizálta az apríték ideális méreteit. Kísérleteik azt mutatták, hogy a 3-5 cm közti mérettartomány a legmegfelelőbb, mert ekkor képes a kötő-ragasztó anyag egyenletesen bevonni az aprítékot, és az – megfelelő préserő esetén – szinte tökéletesen felveszi a présforma alakját. Az apríték előállításához különböző aprító-, ill. komposztáló berendezéseket használtak.

B) Keverés

A keverés a téglák előállításának nagyon fontos eleme, mert ezáltal lehet elérni a leggazdaságosabb kötőanyagarányt. A 3-5 cm közti száraz aprítékot egyenletesen, a szétosztályozódás elkerülésével kell elkeverni. A keverési időt 2-3 percben határozták meg. Nagy teljesítményű kézikeverő alkalmazásával az alapanyag préselhetővé, homogénné válik.

C) Kötőanyag hozzákeverése

A keverési arány meghatározásánál a legfontosabb szempont a stabil kötés biztosítása az alapanyag részecskéi között. A gyártó 10 kg megkevert aprítékhoz 0,4 kg faragasztót adagolt. Ez az arány (10:0,4) a keveréksűrűségből és a testsűrűségből számított hézagosságból határozható meg.

Ez azt jelenti, hogy a 60 x 30 x 30 cm-es blokkméret esetén a blokk súlya 12 kg, és ehhez a mennyiséghez 0,5 kg ragasztó szükséges. A keverési idő az egyszerre keverendő anyagmennyiségtől függ. A gyártó által végzett vizsgálatok alapján, ha egyszerre egy elemet készítünk, akkor a keverési idő 5-8 perc. Természetesen nagyobb keverő és több alapanyag esetén ez az idő változhat.

D) Préselés

A kukoricaszár tégla előállításának legfontosabb lépése a préselés. A gyártó előzetes kísérletei alapján meghatározta, hogy egy téglához kb. 140-160 1 aprítékra van szükség. A préseléshez több speciális berendezést készített. A legalkalmasabbnak a legnagyobb hidraulikus prés bizonyult, ami képes 160 1 aprítékot kötő anyaggal együtt 30 cm-re összenyomni. Az így kapott prototípusok megfelelnek az építkezésre.

A rendelkezésre álló max. préserő 4 t (40 kN), vagyis felületegységre vetítve 0,2 N/mm². Ezzel állította elő a gyártó a 60x30x30 cm-es kukoricaszár blokkokat.

E) Szárítás és tárolás

A frissen készült tégláknak préselés után száradási időt kell biztosítani. Tavasszal, nyáron és kora ősszel a természetes száradás szellős helyen, 10 °C feletti hőmérséklet esetén két nap alatt lezajlik. Természetesen minél melegebb van, a végtermék annál hamarabb szárad. Hidegebb léghőmérséklet esetén meg kell oldani a szárítást, ugyanis 5 °C alatt a száradási idő már 3-4 napig is eltarthat. A késztermék fedett helyen bárhol tárolható, könnyedén alakítható, fűrészelhető, hornyolható, szegezhető, csavarozható.

Tulajdonságai és alkalmazási lehetőségei

A kukoricaszár blokk jelenleg nem kapható kereskedelmi forgalomban. A győri Széchenyi István Egyetem Építőanyag vizsgálati és Épületfizikai Laboratóriumban 2009-2012 között végzett kísérletek alapján azonban megállapíthatjuk, hogy a kukoricaszár blokk az anyagtulajdonságai alapján jól hasznosítható szigetelőanyagnak tűnik.

Méretállandósági vizsgálatok alapján arra következtethetünk, hogy kis hőingadozásnak, ill. páratartalom-változásnak kitett környezetben (pl. épületek belső, fűtött terében) nagy biztonsággal alkalmazható. Nagyobb hőmérsékletnek, ül. nagy hőingadozásnak kitett helyeken csak nagyobb mérettűrésekkel szabad alkalmazni! Meg kell jegyezni, hogy a méretváltozások nagy részben a gyártástechnológia pontatlanságaiból eredhettek. A hiányosságokat annak fejlesztésével (pl. gépesítés) könnyedén ki lehet küszöbölni.

Szilárdsági tulajdonságai közül a rostra merőleges húzószilárdsága, ül. nyomószilárdsága bizonyult a többi szigetelőanyagéhoz képest kisebbnek, míg rosttal párhuzamos húzószilárdsága, valamint hajlítószilárdsága nagyobbnak. Szilárdsági paraméterei semmiképp sem teszik alkalmassá arra, hogy nagy teherbírású szerkezet készülhessen belőle (pl. többszintes épület teherhordó fala, nagy fesztávú födémek, áthidalók), azonban a szalmabálához hasonlóan vázkitöltő falként vagy kisebb szintszám (1-2) esetén akár teherhordó falként is alkalmazható lehet.

Kiváló hőszigetelő képessége alapján egyértelműen indokolt hőszigetelő anyagként való használata. Szilárdsági tulajdonságai és kiváló hőszigetelő képessége alapján elképzelhető zárófödémek, padlásfödémek hőszigeteléseként való alkalmazása. Kisebb sűrűség esetén farostlemezre kasírozva – nagyobb sűrűség (ezzel együtt nagyobb nyomószilárdság) esetén akár kasírozás nélkül is – alkalmas lehet járható padlástér hőszigetelésére is.

Ugyancsak alkalmazható lehet – a kenderszálhoz és a gyapjúhoz hasonlóan – tetőtér-beépítések szigetelésére, szarufák vagy fogópárok közti szigetelésre, természetesen megfelelő nedvesség elleni védelem (párazárás) együttes alkalmazásával.

Mindezeken túl a kukoricaszár blokk gipszkarton burkolattal ellátva, ami eltakarhatná felületi egyenetlenségeit, alkalmas lehet könnyűszerelt válaszfalakban vázkitöltő falként. Beépíthető esetleg kiegészítő hangszigetelésként válaszfalakban vagy lakáselválasztó falak közé. Elképzelhető továbbá összeépíthető elemekből álló önálló szerkezetként akár építőlemezre kasírozva vagy azzal burkolva, ahol az építőlemez burkolatnak csupán esztétikai funkciója lenne.

Kiváló hőszigetelő képessége, ill kis dinamikai merevsége alapján a kukoricaszár blokk alkalmazása lehetséges úsztatott födémek hő- és/vagy hangszigetelésére is (természetesen itt is a megfelelő technológiai szigetelés egyidejű alkalmazásával). Ahhoz viszont, hogy biztonsággal beépíthető legyen, meg kell vizsgálni tartós terhelés alatti lassú alakváltozását is.

Sajnálatos módon a kukoricaszár blokk mind ez ideig egyetlen épületbe sem lett beépítve, még kísérleti jelleggel sem. Ez elsősorban annak tulajdonítható, hogy az anyag az építésztervezők számára kevéssé ismert, gyártása pedig jelenleg manufaktúra jellegű. A kukoricaszár blokk további hátránya a vonatkozó műszaki szabályozások és a szakirodalom hiányossága, valamint az új, ismeretlen építőanyagokkal szembeni bizalmatlanság.

7.10. táblázat. A kukoricaszár blokk legfontosabb anyagtulajdonságai