Blog
A kukoricaszár blokk – hulladékból épített hőszigetelés
A kukoricaszár blokk egy viszonylag friss fejlesztésű, természetes hőszigetelő anyag...
Mi is az a kukoricaszár blokk?
A kukoricaszár blokk egy viszonylag friss fejlesztésű, természetes hőszigetelő anyag, amelynek alapja a mezőgazdaságban keletkező kukoricaszár, azaz a betakarítás után visszamaradó növényi hulladék. Az eljárás lényege, hogy a megfelelő méretűre aprított szárat vízálló, tömbösítő ragasztóval keverik össze, majd présgéppel szilárd téglaformájú blokkokká sajtolják. Tulajdonságait tekintve a hagyományos természetes szigetelőanyagokhoz (pl. szalma, kender, gyapjú) hasonlít, ám alapanyaga miatt jóval olcsóbban előállítható.
A terméket Szűcs Imre fejlesztette ki, aki 2008-ban jelentette be a Magyar Szabadalmi Hivatalnál, a szabadalmat pedig 2009-ben tették közzé. Nemzetközi szabadalmi osztályozása: E04C2/10, B27N1/10, C04B18/24.
Előzmények: egy évszázados ötlet.
A kukoricaszár építőipari hasznosításának gondolata nem új keletű. A közép- és kelet-európai népi építészetben már régóta ismert volt, hogy a vályog- vagy faházak falát télen learatott kukoricaszárral takarták be, ezzel javítva a fal hőszigetelő képességét. A veremházaknál pedig a gödör oldalfalát gyakran kukoricaszárból font faltest bélelte, az üregeket pedig szalmával, gazzal vagy más növényi anyaggal töltötték ki.
Az amerikai kontinensen a huszadik század elején indultak komolyabb kísérletek. Az Iowa State University professzora, Orland Russel Sweeney (1884–1958) az 1920-as években papírt, cukrot és alkoholt is próbált előállítani kukoricaszárból, majd 1929-ben Dubuque városában (Iowa) megalapította a Maizewood Products Company nevű üzemet. Itt a szárat először feldarabolták, majd mintegy két órán át kb. 700 kPa gőznyomáson főzték, megtisztították, gyantával keverték a víztaszító hatás érdekében, finomra szecskázták, majd présgéppel táblákká formázták és kb. 6 méteres darabokra vágva szárították. A gyár működését a szójaolaj-alapú és műanyaggyártásra való átállás, majd a Celotex Company általi felvásárlás vetette véget.
A második világháború után rövid ideig Csehszlovákiában is gyártottak háromrétegű építőlemezt, melynek középső rétegét két farostlemez közé kasírozott kukoricacsutka alkotta. Az 1950-es években az amerikai R. L. Lewis fejlesztett ki egy hasonló elven működő szigetelőlemezt, amelyet alumíniumborítással láttak el az időjárás- és tűzállóság érdekében – ennek gyártásával azonban a nagy tárolási igény és az ingadozó éves termés miatt az 1960-as években felhagytak. Az 1970-es években ázsiai kutatók formaldehid kötőanyaggal kísérleteztek, de az így kapott lemezek hővezetési tényezője (0,096 W/m·K) messze elmaradt a ma elvárt szinttől.
Napjainkban a fa–műanyag kompozitok (Wood Plastic Composite) és a természetes rost-kompozitok (Natural Fiber Composite) kutatása is zajlik, ezek jellemzően újrahasznosított műanyagot (polietilén, polipropilén) kevernek valamilyen szerves rosttal. A kukoricaszárból készült blokkokhoz hasonló, önálló és kereskedelmi forgalomban elérhető termék azonban a mai napig nem jelent meg a piacon.
Az alapanyag: a kukoricaszár.
A kukorica (Zea mays) a pázsitfűfélék családjába tartozó lágy szárú növény, amelynek őshazája az amerikai kontinens, Európába a gyarmatosítás idején került. Ma az egyik legnagyobb területen termesztett szántóföldi növényünk – csak Magyarországon mintegy 1,2 millió hektáron termesztik, jellemzően szemestakarmányként és silókukoricaként hasznosítva.
Magyarország legfontosabb, szántóföldön termesztett növényei (FAO, 2009-es termelési adatok):
| A termény neve | Termelés (t, 2009) |
|---|---|
| Búza | 4 419 163 |
| Kukorica | 7 528 380 |
| Árpa | 1 063 881 |
| Rozs | 72 531 |
| Zab | 111 144 |
| Napraforgó | 1 256 185 |
| Repce | 579 365 |
| Burgonya | 560 615 |
| Cukorrépa | 737 014 |
A kukoricatermesztésből származó melléktermék mennyisége minden más mezőgazdasági melléktermékét felülmúlja – ezzel együtt a hasznosítása a legkevésbé megoldott.
Fontosabb mezőgazdasági melléktermékek Magyarországon (2004-es adatok):
| A melléktermék neve | Mennyiség (t, 2004) |
|---|---|
| Búzaszalma | 3 910 000 |
| Árpaszalma | 922 000 |
| Kukoricaszár | 10 780 000 |
| Kukoricacsutka | 90 000 |
| Kukoricacsuhé | 180 000 |
| Cukorrépa maradék | 935 000 |
A kukoricaszár összetétele nagyjából 38–45% cellulózt, 19–26% hemicellulózt, 17–26% lignint és 6% hamut tartalmaz:
A kukoricaszár összetétele:
- Cellulóz: 45%
- Hemicellulóz: 26%
- Lignin: 23%
- Hamu: 6%
A learatott szár állati takarmányozásra csak korlátozottan alkalmas, mivel a késői betakarítás miatt a növény tápanyagban elszegényedik. A megtermelt mennyiség jelentős részét ma jellemzően felszecskázva a talajba forgatják vissza – ez javítja a talajszerkezetet és kálium-utánpótlást biztosít, ugyanakkor a nagy cellulóztartalom miatt szénhidráthatást is okozhat, amit csak jelentős nitrogén-műtrágyázással lehet ellensúlyozni. A másik elterjedt, de kevésbé környezetbarát hasznosítási mód az elégetés, amely nagy CO₂-kibocsátással jár, a bioetanol-előállítás pedig a szár alacsony (jellemzően 80% alatti) etanolhozama miatt nem igazán gazdaságos. Mindez alátámasztja, hogy a kukoricaszár építőipari felhasználása valódi, kiaknázatlan lehetőséget jelent.
A kötőanyag.
A kukoricaszár blokk kötőanyaga faragasztó, amely az MSZ EN 204 szabvány szerint D3 vízállósági osztályba tartozik. Ez azt jelenti, hogy belső térben ott is alkalmazható, ahol gyakori a folyó víz vagy a kondenzvíz rövid ideig tartó hatása, illetve ahol tartósan magas a relatív páratartalom; kültéren pedig ott, ahol a szerkezetet védi valami az időjárás közvetlen hatásaitól.
A ragasztó kötőanyaga poli-vinil-acetát polimer 5%-os vizes diszperziója, amelyet 30 kg-os műanyag kannában forgalmaznak. Ideális tárolási hőmérséklete +5 és +25 °C között van, így tárolva a termék 12 hónapig használható fel. 15 °C alatt nem javasolt a felhasználása, fagyállósága viszont –30 °C-ig terjed. A termék nehezen gyullad, tűz esetén vízzel, habbal, szén-dioxiddal és száraz porral is olltható. Nem minősül veszélyes anyagnak, szállításkor nem igényel külön jelölést, és tilos élővízbe vagy csatornahálózatba engedni.
A gyártás folyamata.
A gyártás – a fejlesztő dokumentációja szerint – öt fő lépésből áll: aprítás, keverés, kötőanyag hozzákeverése, formázás (préselés) és szárítás.
1. Aprítás
Az első lépés a nyersanyagként szolgáló kukoricaszár finomra szecskázása. A megfelelő szemcseméret meghatározása kényes egyensúly kérdése: a túl nagy darabok esetén a kötőanyag nem éri el a teljes felületet, így a végtermék rostszerkezete egyenetlen lesz és sok légrés marad benne. Túl apró aprítéknál viszont a megnövekedett fajlagos felület miatt aránytalanul nagy mennyiségű ragasztóra volna szükség. A gyártó kísérletei alapján a 3–5 cm közötti mérettartomány bizonyult ideálisnak: ez teszi lehetővé, hogy a kötőanyag egyenletesen bevonja az aprítékot, és megfelelő préselés mellett szinte tökéletesen felvegye a présforma alakját.
2. Keverés
A keverés célja, hogy a lehető leggazdaságosabb kötőanyag-arányt lehessen elérni. A 3–5 cm közötti száraz aprítékot egyenletesen, a szemcsék szétosztályozódását elkerülve kell összekeverni, ami 2–3 percet vesz igénybe. Nagy teljesítményű kézikeverő használatával az alapanyag homogénebbé és jobban préselhetővé válik.
3. Kötőanyag hozzákeverése
A keverési arány meghatározásánál a legfontosabb szempont a stabil kötés biztosítása az apríték szemcséi között. A gyártó tapasztalata szerint 10 kg megkevert aprítékhoz 0,4 kg faragasztó szükséges (10:0,4 arány), amelyet a keverék sűrűségéből és a hézagosságból számítottak ki. Gyakorlatban ez azt jelenti, hogy egy 60×30×30 cm-es blokk esetén – ahol a kész tégla tömege 12 kg – kb. 0,5 kg ragasztóra van szükség. A keverési idő az egyszerre feldolgozott mennyiségtől függ: egyetlen blokk esetén 5–8 perc, nagyobb mennyiség és teljesítményesebb keverő esetén ez természetesen változhat.
4. Préselés
A préselés a gyártási folyamat legfontosabb lépése. A tapasztalatok szerint egy téglához 140–160 liter aprítékra van szükség, amelyet nagy hidraulikus préssel nyomnak össze a végleges, kb. 30 cm-es méretre. A rendelkezésre álló présgép legfeljebb 4 tonna (40 kN) erőt fejt ki, ami felületegységre vetítve 0,2 N/mm². Ezzel a technológiával állítják elő a 60×30×30 cm-es kukoricaszár blokkokat.
5. Szárítás és tárolás
A frissen sajtolt tégláknak préselés után száradási időre van szükségük. Tavasszal, nyáron és kora ősszel, 10 °C feletti hőmérsékleten a természetes száradás szellős helyen két nap alatt lezajlik – minél melegebb van, a termék annál gyorsabban szárad. Hidegebb időben ezzel szemben gondoskodni kell a mesterséges szárításról, mivel 5 °C alatt a folyamat akár 3–4 napig is elhúzódhat.
A kész blokk fedett helyen bárhol tárolható, könnyen alakítható: fűrészelhető, hornyolható, szegezhető és csavarozható is.
Anyagtulajdonságok.
A győri Széchenyi István Egyetem Építőanyagvizsgálati és Épületfizikai Laboratóriumában 2009 és 2012 között végzett vizsgálatok szerint a kukoricaszár blokk anyagtulajdonságai a következők:
| Tulajdonság | Jel | Mértékegység | Érték |
|---|---|---|---|
| Testsűrűség | ρ | kg/m³ | 117–225 |
| Nyomószilárdság | σ_nyomó | kPa | 17–193 |
| Húzószilárdság | σ_húzó | kPa | 2,4–295 |
| Hajlítószilárdság | σ_hajlító | kPa | 171–433 |
| Fajhő | c | J/kg·K | – |
| Vízfelvétel (rövid idejű) | W | kg/m² | 4,82 |
| Vízfelvétel (hosszú idejű) | W | V/V%; m/m% | 37; 186 |
| Hővezetési tényező | λ | W/m·K | 0,045–0,055 |
| Páradiffúziós ellenállási szám | μ | – | – |
| Páradiffúziós tényező | – | mg/Pa·h·m | – |
| Gyulladási hőmérséklet | T | °C | – |
| Tűzvédelmi osztály | – | – | E |
A hővezetési tényező (0,045–0,055 W/m·K) alapján az anyag kiváló hőszigetelő képességgel rendelkezik, ráadásul kis dinamikai merevsége miatt úsztatott födémek hő- és hangszigetelésére is alkalmas lehet – ehhez azonban a tartós terhelés alatti alakváltozását még alaposabban vizsgálni kellene.
A vízfelvétele a többi természetes szigetelőanyaghoz (pl. fagyapot, pamut, gyapjú) képest kedvezőbb, azaz kisebb. Szilárdsági szempontból a rostra merőleges húzó- és nyomószilárdsága elmarad a többi szigetelőanyagétól, míg a rosttal párhuzamos húzó- és hajlítószilárdsága nagyobb azoknál. Ezek a paraméterek nem teszik alkalmassá arra, hogy nagy teherbírású szerkezeti elemek (pl. teherhordó fal, nagy fesztávú födém) készüljenek belőle – vázkitöltő falazatként vagy legfeljebb 1-2 szintes épületek teherhordó falaként azonban szóba jöhet.
Előnyök, korlátok és lehetséges felhasználási területek.
Lehetséges felhasználási módok:
- zárófödémek, padlásfödémek hőszigetelése;
- úsztatott födémek hő- és hangszigetelése (megfelelő technológiai szigeteléssel együtt alkalmazva);
- tetőtér-beépítések szigetelése, szarufák vagy fogópárok közötti kitöltés (megfelelő párazárással kiegészítve);
- könnyűszerkezetes válaszfalak vázkitöltő eleme, esetleg kiegészítő hangszigetelés lakáselválasztó falak között;
- gipszkarton burkolattal kombinálva a felületi egyenetlenségek eltakarása;
- önálló, összeépíthető szerkezeti elemekből álló rendszer, ahol egy esztétikai funkciójú burkolat (pl. kasírozott építőlemez) egészíti ki.
Korlátok:
- jelenleg nem kapható kereskedelmi forgalomban, gyártása manufaktúra jellegű;
- hiányoznak a vonatkozó műszaki szabályozások és a bővebb szakirodalmi háttér;
- az építésztervezők körében kevéssé ismert, ami bizalmatlanságot szül az új, ismeretlen építőanyaggal szemben;
- a méretpontosság a gyártástechnológia jelenlegi állapota miatt még ingadozó lehet, bár ez fejlesztéssel (pl. gépesítéssel) könnyen orvosolható;
- a mai napig egyetlen épületbe sem építették be, még kísérleti jelleggel sem.
Összegzés:
A kukoricaszár blokk jó példája annak, hogyan válhat egy évente óriási mennyiségben keletkező, jelenleg alig hasznosított mezőgazdasági melléktermékből – Magyarországon önmagában közel 11 millió tonnányi kukoricaszárból – környezetbarát és versenyképes építőanyag. Kiváló hőszigetelő képessége, kedvező vízfelvétele és könnyű megmunkálhatósága alapján ígéretes alternatívája lehet a hagyományos természetes szigetelőanyagoknak, ugyanakkor a piaci megjelenéshez még szabványosításra, alaposabb anyagvizsgálatokra és nem utolsósorban gyakorlati (épületbe épített) tapasztalatokra volna szükség.
A cikk a kukoricaszár blokkról szóló szakirodalmi leírások és a győri Széchenyi István Egyetem laboratóriumi vizsgálati adatai alapján készült.