Postadress: Besöksadress: Telefon:
Box 1026 Gjuterigatan 5 036‐10 10 00 (vx)
Nanocellulosa-baserade isoleringsmaterial
En studie om vad nanocellulosa-baserad isolering är, dess egenskaper ochmöjligheter i jämförelse med traditionella isolermaterial
Nanocellulose-based insulation materials
A study on the properties and possibilities of nanocellulose-based insulation incomparison to traditional insulation materials
Adam Marczak
Danilo Medenica
EXAMENSARBETE 2017
Byggnadsteknik
Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Byggnadsteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.
Vi vill tacka vår handledare Kjell Nero för sitt stora engagemang och intresse för ämnet. Ett stort tack riktas till samtliga respondenter som ställde upp för intervjuerna. Vi vill även tacka samtliga engagerade i BRIMEE-projekten för deras bemötande och möjligheten att närvara vid projektseminarier.
Examinator: Nasik Najar Handledare: Kjell Nero Omfattning: 15 hp
Abstract
Abstract
Purpose: The purpose of this study is to contribute with new knowledge about nanocellulose-based insulation products. It is an innovation that could potentially be applied as a building insulation material and possibly compete with today’s insulation materials. At this time, there is limited knowledge about nanocellulose-based insulation in the construction industry and with this study the interest should increase for nanocellulose-based insulation which may drive the research further in the field. The objective of the study is to demonstrate with focus on the environmental impact, constructional properties and economics whether nanocellulose-based insulation materials have the ability to compete with traditional insulation materials.
Method: Literature studies, interviews, document analysis and calculations have been the implemented research methods in order to achieve the objective of the study. Literature studies has been carried out on previous research within the subject which constituted the scientific basis for the work under the theoretical framework. Interviews with experts in the subject provides experience within different perspectives studied in this report. Document analysis has given the study reality linked information regarding the constructional properties of nanocellulose insulation. Theoretical U-value calculations have been performed on walls with mineral wool, nanocellulose aerogel and nanocellulose foam.
Findings: The study differentiates nanocellulose-based insulation into two categories; foam and aerogels. Nanocellulose foam could compete with the traditional insulation materials with regard to constructional properties and environmental perspectives, but not the economical since the cost of nanocellulose is too high. The price for nanocellulose foam could decrease to similar price levels as current materials when nanocellulose as a material begins to be applied in a greater extent. Both nanocellulose aerogel and nanocellulose foam are extracted from completely renewable sources, but in addition to that attribute, the insulation types are different in character. The study also shows that nanocellulose aerogel cannot compete with traditional insulation due to its high production cost.
Implications: The study’s conclusion is that there is an existing technique with the potential to develop a nanocellulose-based foam material that have the potential to compete with the traditional insulation materials used today. In order for a nanocellulose-based aerogel to be competetive the development of cost-effective production techniques is required and the study shows that this type cannot compete with traditional insulation materials today.
Limitations: The work was limited to deal with the three different perspectives; constructional properties, environment and economy when studying nanocellulose-insulation. The constructional properties have been given greater importance, because it is the properties that determines if the material can be applied as an insulation or not.
Keywords: constructional innovations, economy, environment, nanocellulose-aerogel, nanocellulose-based insulation, nanocellulose-foam.
Sammanfattning
Sammanfattning
Syfte: Syftet med arbetet är att bidra med ny kunskap om nanocellulosa-baserade isolerprodukter. Det är en ny innovation som skulle kunna tillämpas som byggisolering och möjligen konkurrera med de traditionella isolermaterial. Idag finns det begränsad kunskap kring nanocellulosa-baserad isolering inom byggbranschen och med denna studie ska intresset öka för nanocellulosa-baserad isolering vilket kan driva forskningen vidare inom området. Målet med arbetet är att med avseende på miljöpåverkan, byggtekniska egenskaper och ekonomi påvisa om nanocellulosa-baserade isolermaterial har förutsättningar att konkurrera med de traditionella isolermaterialen.
Metod: För att uppnå arbetets mål har metoderna litteraturstudie, intervjuer, dokumentanalys och beräkningar använts. Litteraturstudie har utförts på tidigare forskning inom ämnet vilket utgjorde den vetenskapliga grunden i det teoretiska ramverket. Intervjuer med sakkunniga personer inom ämnet bidrar med erfarenhet till de olika perspektiv som studerades i arbetet. Dokumentanalys har givit studien verklighetsförankrad information gällande nanocellulosa-isoleringens byggtekniska egenskaper. U-värdesberäkningar har utförts på väggar med mineralull, nanocellulosa-aerogel och nanocellulosa-skum.
Resultat: Studien särskiljer nanocellulosa-baserad isolering i två kategorier; skum- och aerogelform. Nanocellulosa-skum skulle kunna konkurrera med traditionella isoleringsmaterial ur enbart de byggtekniska och miljömässiga perspektiven men inte de ekonomiska då kostnaden för nanocellulosa fortfarande är för hög. Priset för nanocellulosa-skum skulle möjligen gå att minska till liknande prisnivåer som traditionella isoleringsmaterial befinner sig på när nanocellulosa som råvara börjar tillämpas i större utsträckning. Både nanocellulosa-aerogel och nanocellulosa-skum tas fram ut helt förnyelsebara källor men utöver den egenskapen är isoleringstyperna olika till sin karaktär. Studien påvisar även att nanocellulosa-baserad aerogel inte kan konkurrera med traditionella isoleringsmaterial på grund av sin höga kostnad.
Konsekvenser: Studiens slutsats är att det finns en befintlig teknik med potential att ta fram ett nanocellulosa-baserat skummaterial som har potential att konkurrera med de traditionella isoleringsmaterial som används idag. För att en nanocellulosa-baserad aerogellösning ska kunna konkurrera krävs utveckling av kostnadseffektiva framtagningstekniker och här påvisar studien att denna typ inte kan konkurrera med traditionella isoleringsmaterial idag.
Begränsningar: Arbetet begränsades till att studera nanocellulosa-isolering ur tre perspektiven; byggtekniska egenskaper, miljö och ekonomi. Större vikt har lagts vid byggtekniska egenskaper då egenskaperna är det som avgör om materialet kan vara tillämpbart som isolering eller inte.
Nyckelord: byggtekniska innovationer, ekonomi, miljö, nanocellulosa-aerogel, nanocellulosa-baserad byggisolering, nanocellulosa-skum.
Innehållsförteckning
Innehållsförteckning
1
Inledning ... 1
1.1 BAKGRUND ... 1 1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 1 1.3 MÅL OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 2 1.5 DISPOSITION ... 32
Metod och genomförande ... 4
2.1 UNDERSÖKNINGSSTRATEGI ... 4
2.2 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METODER FÖR DATAINSAMLING ... 4
2.3 VALDA METODER FÖR DATAINSAMLING ... 5
2.3.1 Litteraturstudier ... 5 2.3.2 Dokumentanalys ... 5 2.3.3 Intervjuer ... 6 2.4 ARBETSGÅNG ... 6 2.4.1 Litteraturstudier ... 6 2.4.2 Dokumentanalys ... 6 2.4.3 Intervjuer ... 6 2.4.4 Beräkningar ... 7 2.5 TROVÄRDIGHET ... 7
3
Teoretiskt ramverk ... 8
3.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI ... 8
3.2 NANOCELLULOSA-BASERAD ISOLERING ... 9
3.2.1 Nanocellulosa-isolering som aerogel ... 9
3.2.2 Nanocellulosa-isolering som skum ... 10
3.2.3 Värmeledningsförmåga för nanocellulosa-isolering ... 11
3.3 TRADITIONELLA ISOLERINGSMATERIAL OCH DESS EGENSKAPER ... 12
3.4 KOSTNADER FÖR NANOCELLULOSA-ISOLERING ... 12
Innehållsförteckning
3.6 INNOVATIONER I BYGGBRANSCHEN ... 13
3.7 SAMMANFATTNING AV VALDA TEORIER ... 14
4
Empiri ... 15
4.1 DOKUMENTANALYS:BRIMEE-PROJEKTET ... 15
4.1.1 Framtagning av nanocellulosa-baserad skumisolering ... 15
4.1.2 Nanocellulosa-baserad skumisolering - de byggtekniska egenskaperna ... 15
4.1.3 Nanocellulosa-baserad skumisolering - ekonomi ... 21
4.2 INTERVJU & PERSONLIG KOMMUNIKATION ... 22
4.2.1 Respondenter ... 22
4.2.2 Nanocellulosa-baserad isolering idag ... 22
4.2.3 Nanocellulosa-baserad isolering i jämförelse med traditionella isoleringsmaterial ... 23
4.2.4 Skum eller aerogel ... 23
4.2.5 Framtiden för nanocellulosa-baserade isolermaterial ... 24
4.2.6 Kostnaden för nanocellulosa ... 25
4.3 BERÄKNINGAR ... 26
4.3.1 U-värdeberäkningar ... 26
4.3.2 Resultat för beräkning ... 27
4.4 SAMMANFATTNING AV INSAMLAD EMPIRI ... 28
5
Analys och resultat ... 29
5.1 ANALYS ... 29
5.1.1 Nanocellulosa-baserad isolering ... 29
5.2 FRÅGESTÄLLNING 1 ... 32
5.3 FRÅGESTÄLLNING 2 ... 33
5.4 FRÅGESTÄLLNING 3 ... 33
5.5 KOPPLING TILL MÅLET ... 34
6
Diskussion och slutsatser ... 35
6.1 RESULTATDISKUSSION ... 35
6.2 METODDISKUSSION ... 35
6.3 BEGRÄNSNINGAR ... 36
Innehållsförteckning
6.5 FÖRSLAG TILL VIDARE FORSKNING ... 37
7
Referenser ... 38
8
Figurförteckning ... 42
9
Tabellförteckning ... 43
Inledning
1 Inledning
Detta examensarbete utförs under vårterminen 2017 inom området Byggnadsteknik. Examensarbetet om 15 hp, är det slutliga momentet i programmet Byggnadsutformning med arkitektur vid Jönköpings Tekniska högskola.
1.1 Bakgrund
Nya material hyser allt större intresse för att minska miljöpåverkan och höja energieffektiviteten i byggsektorn där byggnader är en av de huvudfaktorerna som bidrar till den globala energiförbrukningen. Byggnadernas energiförbrukning har ökat till liknande nivåer som för transportsektorn eller industrin och idag står byggnader för ungefär 24 procent av den totala energikonsumtionen i världen (Lombard, Ortiz & Pout, 2008). Det är därför viktigt att försöka minska energiförbrukningen inom byggindustrin genom att hitta nya åtgärder (Pacheco Torgal, Buratti, Kalaiselvam, Granqvist & Ivanov, 2016). Detta kan antingen utföras genom en ökad användning av biobaserade, återvinningsbara och lätta material vid byggnation eller genom att energiförbrukningen minskas under en byggnads livslängd med hjälp av nya material och innovationer som förbättrar isolerings-egenskaperna (RISE, 2015).
Nanocellulosa är ett helt biobaserat material som utvinns ur cellulosa - en kolhydrat som är huvudkomponenten i uppbyggnaden av träd och växter och därmed den vanligaste organiska substansen i naturen (Dufresne, 2013). Nanocellulosan har varit känd sedan 1970 men tillverkning av denna komponent har varit allt för energikrävande och därav för dyr för att nå någon större kommersiell framgång. Energiförbrukningen vid tillverkning har sen dess kunnat minska med totalt 98 procent och öppnat upp för en rad nya intressanta tillämpningar (Klemm et al., 2011). Nanocellulosan har nu framgångsrikt använts inom medicin, papper- och kemiindustrier och har blivit allt mer aktuell inom nya tillämpningsområden, även byggsektorn (Innventia, u.å.).
Nanocellulosa kommer i denna rapport att förkortas och refereras till som NC.
1.2 Problembeskrivning
Byggandet måste bli bättre och billigare, och där har biomassan stor potential. Andra utvecklingslinjer är att utveckla kombinationer med intelligenta produkter från fibersidan - exempelvis just NC (Lagerström, 2013). För till 2021 måste alla nybyggda bostadshus vara nollenergihus eller plusenergihus i enlighet med de nya EU-direktiv (Boverket, 2015) och det krävs ett helt nytt sätt att tänka, då dagens byggsystem kommer få det svårt att klara de tekniska och ekonomiska kraven (Lagerström, 2013). Syftet med dessa EU-direktiv är att skapa ett driv på forskningsinstitut och företag för att främja utvecklingen av nya lösningar för mer energieffektivt byggande och en möjlighet kan vara nya material med väsentligt bättre byggtekniska egenskaper än de traditionella (Boverket, 2015).
NC har åberopats som ett lovande material med potential att ersätta ett antal av material som idag tas fram ur icke förnyelsebara källor (RISE, 2015). Forskningen och investeringen i sektorn växer bland forskningsinstitut som svenska RISE (Mynewsdesk, 2016) men också profitdrivna storkoncerner som norska Borregaard (Borregaard, 2014).
Inledning
Ett nytt förslag är NC:s tillämpning som isoleringsmaterial där appliceringen av NC i skum eller aerogel kan skapa ett helt nytt kapitel i värmeisoleringsbranschen (Pacheco Torgal et al. 2016). NC-aerogel har i laboratoriska undersökningar, utöver sin miljövänlighet, påvisat en mycket låg värmeledningsförmåga, λ=0,018 W/m·K (Jiménez-Saelices, Seantier, Cathala & Grohens, 2017), där cellulosans högporösa struktur underlättar värmeisoleringsegenskaper (Bendahou, D., Bendahou, A., Seantier, Grohens & Kaddami, 2015).
Svenska forskningsinstitutet RISE fastslog i sin 2015–2025 strategi som mål att vid 2025 ha möjliggjort industriell produktion av högpresterande material med bas i NC. Ett av de främsta utvecklingsområden som belyses i denna strategi är utvecklingen av just NC-baserad isolering (RISE, 2015). Det finns dock inga kommersiellt tillgängliga produkter av denna typ idag och kunskapen om vad NC-baserade isolermaterial är och hur dessa förhåller sig till dagens mest använda isolermaterial är fortfarande begränsad (Baetens, Jelle & Gustavsen, 2011). Därför kommer detta arbete rikta sig mot att definiera vad ett NC-baserat isoleringsmaterial är, dess framgångsmöjligheter respektive svårigheter samt undersöka om det kan konkurrera med traditionella isoleringsmaterial.
1.3 Mål och frågeställningar
Målet med examensarbetet är att med avseende på miljöpåverkan, byggtekniska egenskaper och ekonomi påvisa om NC-baserade isolermaterial har förutsättningar att konkurrera med de traditionella isolermaterialen. Detta mål uppnås genom att besvara följande frågeställningar:
Frågeställning 1: Vad är NC-baserad isolering och vad har det för egenskaper?
Frågeställning 2: Vilka problem finns vid tillämpning av NC som ett isoleringsmaterial?
Frågeställning 3: Vilka fördelar och nackdelar finns det med NC-baserad isolering jämfört med traditionell isolering?
1.4 Avgränsningar
Studien kommer enbart behandla faktorer direkt kopplade till ämnet byggteknik och på så sätt behandla element inom byggbranschens intresse som materialens värmekonduktivitet, fuktsäkerhet, brandmotstånd, beständighet, lufttäthet, emissionsegenskaper, isolerförmåga, ljudisolering och livslängd.
I detta arbete menas cellplast och mineralull som traditionella isoleringsmaterial, andra isoleringstyper kommer inte behandlas i arbetet.
Studien särskiljer inte på olika typer av NC som CNF (cellulose nanofibers) eller CNC (nanocrystalline cellulose) utan behandlar och generaliserar de olika typerna under begreppet NC.
Inledning
1.5 Disposition
Kapitel två redovisar de valda metoderna och strategierna som användes under arbetets gång för insamling av empirisk data för att kunna besvara de angivna frågeställningarna
I kapitel tre presenteras det teoretiska ramverket där presenterade teorier är en vetenskaplig grund för arbetet.
I det fjärde kapitlet sammanställs och redovisas empirin som har samlats in med hjälp av de metoder som presenterades i kapitel två.
Det femte kapitlet är analys och resultat som syftar till att sammanställa och belysa det viktigaste resultatet från empirin och det teoretiska ramverket. Efter sammanställningen av resultatet besvaras frågeställningarna i slutet av kapitlet.
Kapitel sex är det avslutande kapitlet som är diskussion och slutsatser, där arbetet utvärderas och slutsatser dras kring NC-isolering. Slutligen ges förslag till vidare forskning inom det studerade ämnet.
Metod och genomförande
2
Metod och genomförande
Kapitlet redovisar de metoder och undersökningsstrategier som har valts för datainsamling och hur de har använts under projektets arbetsgång. Kapitlet avslutas med en diskussion kring rapportens trovärdighet med val av metod i fokus.
2.1 Undersökningsstrategi
Studiens mål uppnås genom en blandning av kvantitativ och kvalitativ undersökning som åstadkoms med semistrukturerade intervjuer, litteraturstudie, dokumentanalys och beräkningar.
Problemet som studeras i detta arbete är i sig ganska komplext och då är kvalitativ metod mest lämpad för att skapa en djupare förståelse för NC och dess egenskaper, då det är möjligt att beskriva och analysera karaktärsegenskaper hos ett fenomen med hjälp av en kvalitativ forskningsmetod (Blomkvist & Hallin, 2014).
De kvantitativa metoder som förekommit i arbetet är beräkningar och analys av mätvärden mellan NC-baserade isolermaterial och dess traditionella motsvarigheter där data erhålls från dokumentanalysen och litteraturstudien. Fördelen med att använda en kvantitativ metod för ett sådant här fall är att det ger en god översikt av fenomenet (Blomkvist & Hallin, 2014). Beräkningar genomfördes som en avslutande del för insamlingen av empiri. Syftet med beräkningarna var att påvisa de tekniska för- och nackdelarna med NC-isolering enligt en kvantitativ metod.
Semistrukturerade intervjuer och dokumentanalys har fullföljts för att få en mer djupgående empiri. Semistrukturerade intervjuer har genomförts via telefon och mailkontakt med noga utvalda forskare och leverantörer. Intervjuer gav goda möjligheter till vidare diskussion beroende på respondentens svar, vilket är en viktig dimension inom kvalitativ forskning (Blomkvist & Hallin, 2014).
Dokumentanalys har genomförts för att erhålla mätvärden och empiri från dokument och alternativa källor som inte klassas som vetenskapliga referenser och vars innebörder inte finns i explicit skrift (Berg, 2003). Litteraturstudien utfördes kontinuerligt under hela arbetets gång för att vara á jour med den senaste forskningen.
2.2
Koppling mellan frågeställningar och metoder för
datainsamling
Nedan presenteras vilka metoder som har använts för att besvara respektive frågeställning
Frågeställning 1
Vad är NC-baserad isolering och vad har det för egenskaper?
Denna frågeställning besvaras med hjälp av en litteraturstudie, intervjuer och dokumentanalys. Metoderna ger en klar bild över vad NC-baserad isolering egentligen är och vilka egenskaper den har. Litteraturstudien har utförts på nyligen publicerad forskning för att skapa djupare syn i hur detta material kan användas i nuläget och ge grundläggande kunskap inför de resterande frågeställningarna i arbetet. Semistrukturerade intervjuer har genomförts med sakkunniga forskare från forskningsinstitut, företag och organisationer kopplade till utvecklingen av NC.
Metod och genomförande
Dokumentanalysen baseras till stor del på publicerade rapporter från BRIMEE-projektet som presenterar NC-isoleringens olika byggtekniska egenskaper uppmätta i verkliga förhållanden.
Frågeställning 2
Vilka problem finns vid tillämpning av NC som ett isoleringsmaterial?
Denna frågeställning besvaras med hjälp av en litteraturstudie, dokumentanalys och intervjuer. Tillvägagångssättet är snarlikt metoderna för frågeställning 1 och har använts för att presentera de svårigheterna som finns idag för NC-baserade isolerprodukter. Intervjuerna har genomförts med forskningsinstitut samt företag med kompetens inom NC-branschen för att bekräfta återkommande mönster från dokumentanalysen och litteraturstudien.
Frågeställning 3
Vilka fördelar och nackdelar finns det med NC-baserad isolering jämfört med traditionell isolering?
Denna frågeställning besvaras med hjälp av en dokumentanalys, litteraturstudie, intervjuer och beräkningar för att på ett tydligt vis jämföra de olika isoleringsmaterialen. Mätdata samlad för att besvara frågeställning 1 & 2 ligger till grund för genomförandet av denna jämförelse.
2.3 Valda metoder för datainsamling
Nedan presenteras de datainsamlingsmetoder som använts i studien. 2.3.1 Litteraturstudier
Under studiens gång har en litteraturstudie genomförts. Litteraturstudie syftar till att utföras på antingen tryckta eller elektroniska källor som kan vara i form av forskningsrapporter, vetenskapliga artiklar och avhandlingar (Davidson & Patel, 2011). Den insamlade litteraturen agerar som en kunskapsbas för både utformningen av intervjufrågorna samt hur och var dokument och mätvärden ska samlas in för vidare analys. Vidare angav litteraturstudien var forskningsfronten befinner sig för ämnet samt underbyggde påståenden och data som erhålls genom andra metoder i denna studie. Litteraturstudien inrymmer även förklaringar av teorier och begrepp som återkommer under arbetets gång (Blomkvist & Hallin, 2014).
2.3.2 Dokumentanalys
Dokumentanalys är en metod där olika slags dokument analyseras för insamling av empiriskt material. Exempel på dokument är labbrapporter, officiella dokument och dokument från kommersiella organisationer. Vilka dokument som samlas in beror främst på syftet och frågeställningarna (Blomkvist & Hallin, 2014). En fördel med data som fås från dokument är att den har en direkt verklighetskoppling och att det har skapats utifrån ett speciellt syfte oberoende av vad forskning inom området påvisat. Eftersom dokumentet kan ha uppkommit för andra ändamål var det viktigt att ha ett kritiskt förhållningssätt till innehållet och granska innehållet ordentligt innan ett beslut tas för att använda det som empiri (Davidson & Patel, 2011).
Metod och genomförande
2.3.3 Intervjuer
Vid intresse av att utveckla en fördjupad förståelse för ett fenomen och upptäcka nya dimensioner av det som studeras är intervjuer lämpligt att användas (Blomkvist & Hallin, 2014). Inom uppsatser är semistrukturerade intervjuer vanliga som egentligen betyder att intervjun som sådan är i hög grad strukturerad medan själva frågorna är i låg grad strukturerade. Detta resulterar i mer öppna frågor som öppnar upp möjligheten för utförligare svar (Trost, 2010).
Vid detta arbete användes semistrukturerade intervjuer med strukturerade intervjuplaner och möjlighet till följdfrågor. Frågorna strukturerades på olika sätt, från väldigt enkla och öppna till komplexa och stängda för att erhålla ett konkret svar. För specifika intervjuplaner se Bilaga 1.
2.4 Arbetsgång
Kapitlet beskriver i detalj de olika metodernas tillämpning för att besvara frågeställningar för detta arbete.
2.4.1 Litteraturstudier
Litteraturstudie var en vital del av arbetsgången. Med avseende på faktum att NC är ett väldigt aktuellt ämne inom forskningsvärlden tillkommer det nya artiklar fortlöpande vilket är anledningen till att litteraturstudien och sökandet efter nya källor har fortsatt kontinuerligt genom arbetets gång. Litteraturstudier har gjorts på olika artiklar och publikationer för att kunna vidga kunskapen om problemet och erhålla information som var till grund för målet och frågeställningarna. Databaser som användes för litteratursökningen var Scopus, ScienceDirect, Google Scholar och ResearchGate. Sökord som använts var: nanocellulose as building thermal insulation material, nanocellulose aerogels, nanocellulose foams, nanocellulose thermal properties.
2.4.2 Dokumentanalys
Dokument, presentationer och rapporter om NC-baserade isolermaterial har begärts ut från projektkoordinatorer vid projekt där NC har tillämpats som isolering i någon form. Med dessa dokument har materialets isoleringsegenskaper kartlagts och styrkt teorierna från litteraturstudien. Flertal EU-finansierade projekt har på eget initiativ publicerat dokument på sina hemsidor. Kompletterande material har tillhandahållits genom allmän internetsökning samt genom teknisk support från kommersiella organisationer och återförsäljare. Kärnan till dokumentanalysen vid detta arbete utgörs av dokument publicerade av deltagare i det EU-finansierade BRIMEE-projektet. Analyserade dokument bifogas som bilagor, se Bilaga 3-11.
2.4.3 Intervjuer
Utformningen av varje intervjuplan har skett individuellt, det vill säga olika respondenter har fått olika frågor beroende på dess akademiska bakgrund och det forskningsområde de är anslutna till. Detta har gjorts med hänseende till att behålla hög kvalité på intervjuerna samtidigt som intervjuplanen utformats för att besvara frågeställningar. Samtliga intervjuplaner bifogas, se Bilaga 1.
Intervjuerna har genomförts via telefon samt i form av mailkontakt. Samtliga respondenter har erhållit en intervjuplan minst 24 timmar innan intervjuns genomförande för att ge dem möjlighet att förbereda sig samt få en inblick i studien. Med intervjuplaner skickades alltid en beskrivning av arbetet med det satta målet.
Metod och genomförande
Samtliga intervjuer har spelats in efter godkännande från respondenterna. Inspelningarna sparas för att transkriberas och sedan sammanställas. De skriftliga sammanställningarna skickades till respondenterna för auktorisering. Samtliga sammanställningar bifogas, se Bilaga 2.
En kompletterande del till intervjuerna var personlig kommunikation. Med det avses mail eller telefonkontakt med forskare och leverantörer som inte kunde ställa upp på en fullskalig intervju men svarade istället på enskilda frågor kopplade till deras område. Personlig kommunikation sammanfattas i dokument som bifogas med övriga sammanställningar, se Bilaga 2.
2.4.4 Beräkningar
U-värdeberäkningar har utförts på tre olika väggkonstruktioner, en innehållande mineralull och två teoretiska konstruktioner med NC-isolering. För U-värdeberäkningarna har beräkningsmetoder från Praktisk Byggnadsfysik av Sandin (2010) använts. Beräkningsmetoderna som användes för att räkna fram ett slutligt U-värde för respektive vägg var U-U-värdesmetoden och λ-värdesmetoden. Data som beräkningarna baseras på erhålls ur litteraturstudie och dokumentanalys. Fullständiga beräkningar bifogas, se Bilaga 12.
2.5 Trovärdighet
För att nå god validitet har en litteraturstudie genomförts parallellt med framtagning av intervjufrågorna. Intervjuer har skett med personer och företag som har en anknytning till NC. Samtidigt har litteraturstudien handlat om det ämnesområde som frågeställningarna anger och passande teorier har använts. Vid varje frågeställning har det arbetats med triangulering, det vill säga två eller fler metoder har använts för att komma fram till svaren på forskningsfrågorna (Trost, 2010).
Reliabilitet för arbetet har uppnåtts genom att tolka det empiriska materialet entydigt. Vidare har reliabiliteten för detta arbete säkerställts genom att intervjuerna granskats av författarna ett flertal gånger. Intervjuerna har spelats in och anteckningar har sammanställts efter varje tillfälle för att inte missa viktig information. En sammanställning av telefonintervjuerna har skickats tillbaka till respondenterna för att säkerställa att svaren har uppfattats korrekt. Intervjuer via mejl har arkiverats på ett lämpligt vis.
Utöver detta har det teoretiska ramverket tagits fram genom vetenskapliga referenser med trovärdigt innehåll och har gett kunskap för att besvara de angivna frågeställningarna.
Teoretiskt ramverk Vilka fördelar och nackdelar finns det med NC‐baserad isolering jämfört med traditionell isolering? NC-baserad isolering Kostnader för NC-isolering Byggsektorns miljöpåverkan Traditionella isoleringsmaterial och dess egenskaper
3 Teoretiskt
ramverk
I kapitlet presenteras fem olika teorier; NC-baserad isolering, Traditionella isoleringsmaterial och dess egenskaper, Kostnader för NC-isolering, Byggsektorns miljöpåverkan samt Innovationer i Byggbranschen. Dessa teorier utgör en vetenskaplig bakgrund till arbetets frågeställningar.
3.1 Koppling mellan frågeställningar och teori
Figur 1 illustrerar kopplingen mellan teorierna och frågeställningarna.Figur 1. Koppling mellan frågeställningar och teori (Marczak & Medenica, 2017). Vad är NC‐baserad isolering och vad har det för egenskaper? NC-baserad isolering Vilka problem finns vid tillämpning av NC som ett isoleringsmaterial? NC-baserad isolering Kostnader för NC-isolering Innovationer i byggbranschen
Teoretiskt ramverk
Figur 2. Tre potentiella sätt att applicera nano-isoleringsmaterial som värmeisolering för en betongvägg (Jelle, 2011).
3.2 Nanocellulosa-baserad isolering
NC:s användning som byggnadsisolering är idag i komposit-form. Där kan NC-baserad isolering delas in i två huvudgrupper: i form av skum eller i form av aerogel (Salas, Nypelö, Rodriguez-Abreu, Carrillo & Rojas, 2014; Pacheco Torgal, et. al, 2016).
NC är miljövänlig och återvinningsbart material med en låg värmeledningsförmåga (Pacheco Torgal, et. al, 2016). De termiska- och mekaniska egenskaperna för en NC-komposit är lämpliga vid applikationer som värmeisolering i väggar där en låg värmeledningsförmåga kan utnyttjas till fullo (Wicklein et al., 2015).
Figur 2 illustrerar tre exempel för användning av isolermaterial i väggar, där NC-baserade isolermaterialet betecknas som NIM.
3.2.1 Nanocellulosa-isolering som aerogel
Den första framtagna aerogelen var en silica-aerogel utvecklad av S.S. Kistler år 1931, dock började den intensiva forskningen för att finna nya aerogeler först vid 1970-talet. Sedan dess har oorganiska aerogeler studerats och börjat tillämpas inom olika områden, bland annat som värmeisoleringsmaterial för byggnader. I samband med begreppet hållbart samhälle har riktningen för forskningen reviderats mot att skapa biologiska aerogeler från förnyelsebara resurser. NC-aerogel är ett sådant exempel – en aerogel som erhålls från förnyelsebara anlag där inga skadliga lösningsmedel krävs under framställningen (Sehaqui, Zhou & Berglund, 2011).
De biologiska aerogelerna är en ny generation av aerogeler som är framställda från polysackarider. Polysackarid är en typ av kolhydrat (Nationalencyklopedin, 2017) och den mest förekommande polysackariden i världen är just cellulosa. Denna polysackarid präglas av egenskaper som förnyelsebarhet, biologisk kompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet. I samband med ökad oro över riskerna med den globala uppvärmningen är dessa egenskaper skälen till varför just de förnyelsebara biologiska aerogeler från cellulosa och NC har utvecklats under det senaste decenniet (Jiménez-Saelicas et al., 2017; Bendahou et al., 2015).
Teoretiskt ramverk
NC-baserade aerogeler har även fått ökad uppmärksamhet för sin förmåga att anpassas till att ha bättre fysikaliska och mekaniska egenskaper jämfört med aerogeler där framställningen sker genom oorganiska material som kiseldioxid och kol (Silva, Habibi, Colodette, Elder & Lucia, 2012). Ett exempel är att NC som isolermaterial i aerogelform kan repellera vatten och skulle kunna tillämpas på de yttre sidorna av husväggar för att skydda byggnader mot fuktangrepp (Pacheco Torgal, 2017). Silica-aerogeler som används kommersiellt idag är i sin struktur väldigt ömtåliga (Baetens et al., 2011) till skillnad från NC-aerogeler vars ursprungliga struktur ger upphov till ett betydligt starkare material (Sehaqui et al., 2011). Aerogeler har dessutom påvisat potentialen att minska energiförbrukningen med 30 procent samt sänka CO2-utsläppen
med 25 procent jämfört med de traditionella isoleringsmaterialen som används (Wong, Kaymak, Tingaut, Brunner & Koebel, 2015).
På grund av detta betraktas NC-aerogeler (som illustreras i Figur 3) som ett lovande material för tillämpning som högpresterande värmeisolering i byggnader (Baetens et al., 2011).
3.2.2 Nanocellulosa-isolering som skum
NC är ett bio-baserat material som har stor potential att användas inom byggindustrin eller förpackningsindustrin som styva skummaterial respektive paneler (Yildirim, 2016). Då skummaterial idag framställs främst av petroleumbaserade produkter har forskningen börjat fokusera på att skapa skummaterial av förnyelsebara och mer hållbara resurser som NC. NC-baserat skum har visat på en hög porositet, fördelaktiga mekaniska egenskaper, goda termiska egenskaper och en god biologisk kompabilitet, vilket utmärker sig vid användning av NC-skum som värmeisolering (Chen et al., 2016). Bara förmågan att kunna skapa ett kompositmaterial med NC som ger god värmeisolering, utesluter användning av petroleum och har ett lägre CO2-avtryck
vilket är utmärkt för dagens miljömedvetna tillvägagångssätt (Yildirim, 2016).
NC-skum kan även förekomma i form av ett kompositmaterial där NC och grafenoxid utgör materialbasen för framställningen av skummet. Då NC är ett biopolymer-baserat material som utvinns från trä måste dess dåliga brandmotstånd beaktas för att kunna användas som isoleringsmaterial. Grafenoxiden som används tillsammans med NC för kompositskummet förser materialet med ett mycket bättre brandmotstånd och utökade mekaniska egenskaper. Kompositskummet är mekaniskt styvt vilket betyder att förutom potentialen att värmeisolera kan materialet vara bärande och hålla emot avsevärda laster (Wicklein et al., 2015).
Teoretiskt ramverk
Skummet bestående av NC och grafenoxid framtogs och dess mekaniska egenskaper undersöktes av Wicklein et al. (2015). Under studien erhölls ett maxvärde på 570 KPa som E-modul för materialet vid 50 procent relativt fuktighet och 23 grader som är ett bevis på att skum gjorda av bland annat NC har goda möjligheter till att även vara bärande vid användning som isoleringsmaterial. När skumisoleringen utsattes för en högre relativ fuktighet på 85 procent och 30 grader minskade E-modulen till 300 KPa, vilket betyder att skummet behåller mer än hälften av sin ursprungliga styrka (Wicklein et al., 2015).
Figur 4 illustrerar den potentiella minskningen av isoleringstjockleken vid användning av nanokompositskummet innehållande NC och grafenoxid jämfört med cellplast.
3.2.3 Värmeledningsförmåga för nanocellulosa-isolering
En av de viktigaste byggtekniska egenskaperna för isolering är värmekonduktiviteten som betecknas med λ-värde (Boverket, 2012).
Värmeledningsförmågan i NC-aerogeler och NC-baserade skum beror på ett antal faktorer, både interna och externa, som kan beskrivas enligt formeln (Jiménez-Saelicas et al., 2017):
λ = λsolid + λgas + λrad λsolid = värmeledningsförmågan i fast tillstånd λgas = gasledningen inom materialet
λrad = strålningsvärmeöverföring inom materialets porer
Vid en undersökning genomförd av Jiménez-Salicas et al. (2017) har olika framställningsmetoder av NC-aerogeler testats och resulterade i olika värmeledningsförmågor. Det lägsta erhållna λ-värdet för NC-aerogelen var 0,018 W/m·K (Jiménez-Salicas et al., 2017). Vid ett annat försök utfört av Bendahou et al. (2015) gjordes en kombination av cellulosamikrofibrer, cellulosans nanofibrer och nanozeoliter vilket gav aerogelen inställningsbar värmeledningsförmåga. Värmeledningsförmågan för hybridmaterialet kom ned som lägst till λ=0,018 W/m·K (Bendahou et al., 2015). Under sin användningstid som isoleringsmaterial finns det ingenting som tyder på att värmeledningsförmågan för en aerogel förändras med tiden som det gör för andra isoleringsmaterial, till exempel vakuumisolering (Jelle, 2011).
Figur 4. Illustration av hur väggens tjocklek kan minskas vid användning av NC-skum (Wicklein, et al., 2015).
Teoretiskt ramverk
Värmekonduktivitet för nanokompositskummet som presenterades i teorikapitel 3.2.2 hävdas kunna sänkas till 0,015 W/m·K, vilket är betydligt lägre än de skum som används för isolering idag (Wicklein et al., 2015).
3.3 Traditionella isoleringsmaterial och dess egenskaper
Isolering är världens enklaste recept för att spara energi i alla typer av livsmiljöer (Isover, u.å). Där är cellplast och mineralull två av de vanligast förekommande byggnadsisoleringsmaterialen som används idag (Jelle, 2011).Cellplasten innehåller luft vilket bidrar till dess låga vikt och den lätta strukturen möjliggör formning och skärning för att skapa plats för pelare eller elledningar utan att förlora alternativt försämra sina isoleringsegenskaper. Dess termiska konduktivitet varierar med temperatur, vattenhalt och masstäthet – det typiska λ-värdet ligger mellan 0,030 och 0,040 W/m·K (Jelle, 2011). Det går inte att återvinna cellplastmaterial då denna tas fram av petroleum, en ändlig naturresurs. Därmed är även förbränningen av materialet en mer komplex process och måste göras under kontrollerade förhållanden. Materialet är relativt dyrt och kräver exakt tillskärning för att undvika springor (Hållahus, u.å).
Mineralull tillverkas av granit alternativt sand och behöver därför mycket energi vid tillverkningen eftersom smältningen av sten sker under mycket höga temperaturer (Ekobyggportalen, u.å). Även om mineralull tillverkas till viss del av returglas betraktas materialet som framställt av lagrade naturresurser (Hållahus, u.å). Mineralullens värmekonduktivitet beror på densiteten och hamnar mellan λ=0,030– 0,039 W/m·K (Burström, 2001). Mineralull är ett billigt och hanterbart isoleringsmaterial men om fukt tränger genom materialet kan det orsaka svampangrepp och därför kräver mineralullslösningar en invändig ångspärr (Hållahus, u.å).
3.4 Kostnader för nanocellulosa-isolering
För att NC-baserad isolering ska börja tillämpas inom fler områden måste produktionskostnaderna sänkas och svårigheterna med användning av biologiskt nedbrytbara material behöver lösas (Bendahou, 2015). Det finns idag kommersiellt tillgängliga aerogeler med goda termiska egenskaper men priserna för dessa är väldigt höga (Lakatos, 2017). Kostnadsmässigt finns en stor klyfta mellan högpresterande isolermaterial och traditionella material. En aerogel kostar idag ungefär 2 600 kr/m2
där motsvarande traditionella isolermaterial går upp emot 140 kr/m2 (Cuce, E., Cuce,
P.M., Wood, Riffat, 2014). NC som aerogel är ett innovativt alternativ men kostnaden för aerogeler är fortfarande höga för en kostnadskänslig bransch som byggbranschen och därför dominerar fortfarande lågkostnadsprodukter och traditionella isoleringsmaterial på grund av sin rimliga kostnad (Baetens et al., 2011).
Kostnader måste därför sänkas kraftigt för att aerogeler ska kunna växa inom byggbranschen och bli ett utbrett värmeisoleringsmaterial (Jelle, 2011).
3.5 Byggsektorns miljöpåverkan
Byggsektorn är den delsektor som bidrar främst till användningen av miljöfarliga kemiska produkter, vilket illustreras i Figur 5. Produkter som klassas som miljö- eller hälsofarliga vid byggverksamhet är bland annat isoleringsmaterial (Boverket, 2016).
Teoretiskt ramverk
Förutom användning av miljö- och hälsofarliga ämnen står byggsektorn för nästan 40 procent av Sveriges totala energianvändning. Ungefär 55 procent av byggsektorns energianvändning går till uppvärmning, vilket leder till att det exempelvis tilläggsisoleras i byggnader för att minska energiförbrukningen (Energimyndigheten, 2015). Isolering av bostäder och kommersiella lokaler är en av de mest kostnadseffektiva åtgärderna för att reducera energiförbrukningen men när dagens traditionella isoleringsmaterial används som tilläggsisolering för att uppnå eftertraktade förhållanden resulterar det i tjockare väggar med flera isoleringsskikt. Detta leder i sin tur till mer komplicerade byggnadsdetaljer, en negativ nettoarea och tyngre bärande konstruktioner (Baetens et al., 2011; Cuce et al., 2014). Därför eftersöks nya högpresterande isoleringsmaterial baserade på förnyelsebara resurser för att kunna förbättra byggnadernas energieffektivitet som inte påverkar byggnadens design och detaljer lika avsevärt (Wicklein et al., 2015; Cuce et al., 2014).
3.6 Innovationer i byggbranschen
Innovationer har längre betraktats som en av nyckelfaktorerna till ekonomisk tillväxt, konkurrenskraft och hög levnadsstandard (Ozorhon, 2013). Byggföretag måste använda sig av innovationer för att vinna upphandlingar och förbättra den ekonomiska vinsten från respektive projekt, men innovationer bidrar också till en ökad effektivitet inom företaget (Blayse & Manley, 2004). Eftersom marknaden blir alltmer konkurrensutsatt är innovationer ett avgörande fenomen som förbättrar produktiviteten och skapar konkurrensfördelar (Kamal, Yusof & Iranmanesh, 2016). Trots fördelarna med innovationer har byggbranschen blivit kritiserad för dess låga effektivitet och låga innovationsvilja i jämförelse med andra branscher (Ozorhon, Abbott, Aouad, 2014). Enligt Harty (2008) tar byggbranschen del av innovationer på ett reaktivt sätt, vilket betyder att de flesta innovationerna uppkommer på grund av externa behov, till exempel kundkrav. Det finns dessutom flera barriärer i byggbranschen som hindrar innovationer från att börja användas, vilket är attityder och institutioner men även industriella hinder, i form av en traditionell byggprocess och en konservativ kultur (Vennström & Eriksson, 2010).
Figur 5. Den totala användningen av miljöfarliga kemiska produkter från bygg- och fastighetssektorn i tusen ton från svensk produktion (Boverket, 2016).
Teoretiskt ramverk
Traditionella
isoleringsmaterial och dess egenskaper Innovationer i byggbranschen NC-baserad isolering Kostnader för NC-isolering Byggsektorns miljöpåverkan
3.7 Sammanfattning av valda teorier
Samtliga teorier med undantag av ”Traditionella isoleringsmaterial och dess egenskaper” och ’’innovationer i byggbranschen’’ kan kopplas till varandra (se Figur 6). Hållbart är ett uttryck som förekommer för nya isoleringsmaterial och fokus ligger på att undersöka punkter som ekonomin, miljöpåverkan och de byggtekniska egenskaperna för isoleringsmaterialen. De punkterna är inte helt beroende av varandra men är vitala för att nå ett tydligt slutresultat. Teorin ” Traditionella isoleringsmaterial och dess egenskaper” är en översiktlig teori som ställer NC mot dess traditionella motsvarigheter och beskriver hur NC-baserade material förhåller sig till dessa. Slutligen avslutas teoretiska ramverket med teorin ”Innovationer i byggbranscher” som presenterar en översiktlig och allmän inställning till nya tekniker i byggsektorn.
Hållbart isolermaterial
Empiri
4 Empiri
I detta kapitel redovisas all insamlad empiriska data. Den har uppdelats enligt de olika metodvalen presenterade i tidigare avsnitt. Kapitlet redovisar sammanfattningar för de intervjuer och dokumentanalyser som genomförts samt presenterar resultat för beräkningar.
4.1 Dokumentanalys: BRIMEE-projektet
En applikation av NC-baserad skumisolering som huvud- och tilläggsisolering studeras utifrån dokument och labbrapporter från EU-finansierade BRIMEE-projektet (2013–2017). Vid BRIMEE-projektet genomfördes en rad prov för att bestämma NC-skumisoleringens byggtekniska egenskaper som värmekonduktivitet, ljudabsorbering, brand- och fuktmotstånd samt emissionsegenskaper. Analyserade dokument bifogas och refereras till som separata bilagor.
4.1.1 Framtagning av nanocellulosa-baserad skumisolering
Framtagningen av NC-baserade skumpaneler baseras på teknik utvecklad av Melodea Ltd. och genomförs av SILCART, ett företag med expertisområde inom bland annat flexibla ytskikt för isolerings-paneler. NC-panelerna, som har beteckningen NCC Foam Panel, består av lignocelluloshaltiga material från NC, pappersavfall samt naturligt tillsatsmedlet i form av bio-resin (Bilaga 3).
Framtagningsprocess kan beskrivas i 5 steg;
1. Blandning av råmaterial och tillsatsmedel samt skummandet av materialet 2. Upphällning i former
3. Frysning i -20 °C
4. Utbyte av lösningsmedel
5. Torkning i ugn, under 3 timmar i 120 °C
Därefter erhålls skumpaneler i önskad form, i detta fall som A2-paneler med dimensionerna 400 x 600 x 10 mm. Foto på slutmaterialet presenteras som Figur 7 (Bilaga 3).
De färdiga skumpanelerna användes sedan som isoleringsmaterial i olika väggkonstruktioner (Bilaga 3).
4.1.2 Nanocellulosa-baserad skumisolering - de byggtekniska egenskaperna
Under BRIMEE-projektet genomfördes tester av NCC Foam Panels byggtekniska egenskaper som betraktas väsentliga för huruvida en sådan produkt skulle kunna introduceras kommersiellt.
Empiri
Värmeledningsförmåga
Värmeledningsförmågan mättes i enlighet med standarden SIST EN 12667:2002 med värmeflödesmetoden. Första uppmätningen genomfördes i verkliga förhållanden i Brno demon under oktober 2015. För att erhålla ett trovärdigt resultat undersöktes fem prover med olika dimensioner, tjocklekar och densitet. Tabell 1 presenterar erhållna värden från mätningen vid demon i Brno, Tjeckien (Bilaga 4).
Ur följande experiment sattes medelvärdet för värmekonduktivitet hos NCC Foam till; λ=0,0406 W/m·K vid en medeltemperatur på 12,2 °C (Bilaga 4).
I november 2016 genomfördes nya mätningar på en ny sats av NCC Foam. Panelernas värmeledningsförmåga mättes efter samma standarder (SIST EN 12667:2002) som i experimentet från oktober 2015 dock i labbmiljö. Erhållna resultat presenteras i Tabell 2.
Ur följande experiment sattes medelvärdet för värmekonduktivitet hos NCC Foam till; λ=0,035 W/m·K vid en medeltemperatur på 11,2 °C (Bilaga 5).
Ljudabsorberingsförmåga
Ljudabsorberingsförmågan mättes under BRIMEE-projektet i enlighet med standarden SIST EN ISO 10534-1:2002. Mätningar genomfördes vid två olika tillfällen med två olika satser av NCC Foam (november 2015 respektive augusti 2016). Vid respektive mätning användes 3 prover för att erhålla trovärdigt medelvärde. Satsernas skikttjocklek var 10mm. Erhållna resultat för medelabsorptionsförmågan presenteras i Tabell 3 och 4.
Dimension (mm) Densitet (kg/m3) Tjocklek (mm) Medel temp. (°C) Värmemotstånd (m2K/W) Värmekonduktivitet (W/m∙K) 345 x 250 88,3 9,4 12,4 0,228 0,0414 349 x 248 82,3 10,2 12,0 0,236 0,0432 345 x 253 96,3 7,5 12,5 0,208 0,0361 345 x 250 94,5 8,9 12,2 0,223 0,0399 344 x 248 87,0 9,7 12,1 0,226 0,0426 Dimension (mm) Densitet (kg/m3) Tjocklek (mm) Medel temp. (°C) Värmemotstånd (m2K/W) Värmekonduktivitet (W/m∙K) 370 x 330 69,2 9,25 11,2 0,252 0,037 575 x 365 50,3 8,3 11,1 0,243 0,034 575 x 365 47,9 8,8 11,4 0,249 0,035
Tabell 1. Erhållna resultat vid uppmätning av värmeledningsförmågan vid BRIMEE-projektet under mätningen genomförd oktober 2015 (Bilaga 4).
Tabell 2. Erhållna resultat vid uppmätning av värmeledningsförmågan vid BRIMEE-projektet under mätningen genomförd november 2016 (Bilaga 5).
Empiri
Figur 8 sammanför de uppmätta medelvärdena från november 2015 och augusti 2016 i en grafisk presentation.
Figur 8. Medelvärde på ljudabsorptionen med avseende på frekvens för NCC Foam under BRIMEE-projektet. Uppmätning från november 2015 presenteras i blått, uppmätning från augusti 2016 i rött (Figur av Marczak & Medenica, 2017, baserat på data från BRIMEE (Bilaga 4 & 5))
Tabell 3. Medelvärde på ljudabsorptionen för NCC Foam sats 1, mätning från november 2015 (Bilaga 4).
Tabell 4. Medelvärde på ljudabsorptionen för NCC Foam, sats 2, mätning från augusti 2016 (Bilaga 5).
Empiri
I Figur 9 presenteras en jämförelse mellan ljudabsorberingsförmågan för NCC Foam och de traditionella isoleringsmaterialen cellplast och mineralull. Data för ljudabsorptionskoefficienten för cellplast och mineralull baseras på forskningsrapporten Sound absorption coefficients of granular materials av Sikora och Turkiewicz (2010). Ljudkoefficienten för samtliga material i figuren gäller då materialets skikttjocklek är 10 mm.
Brandsäkerhet
Brandsäkerhetsprövning genomfördes i enlighet med gällande EU-standarder. EN 11925-2 är en brandteknisk prövning för antändlighet vid direkt påverkan av enkel låga (appliceras med 45° lutning mot material med en låga med värmeeffekt 0,8kW) och användes för att ge inblick i NCC Foams brandklass (Warringtonfiregent, u.å). Två typer av NCC Foam användes för detta test. Första typen blev impregnerat med brandskyddsmedel som gav skummet en svart nyans, varav namngivningen - NCC Foam Black. Andra typen var ren NCC Foam utan brandbromsande tillsatsmedel.
Test för euroklass E:
För att uppnå euroklass E enligt det europeiska systemet för Euroklasser krävs att flamman inte sprider sig på materialet mer än 150mm inom 20 sekunder efter 15 sekunders exponering mot öppen låga (Warringtonfiregent, u.å). Vid BRIMEEs test av NCC Foam Black nådde flamman 40mm när materialytan
Figur 9. Medelvärde på ljudabsorptionen med avseende på frekvens för NCC Foam, mineralull och cellplast. Uppmätning av 10mm NCC Foam från november 2015 presenteras i blått, uppmätning från augusti 2016 i rött. Ljudabsorptionen för 10mm cellplast i grönt och 10mm mineralull i gult
(Figur av Marczak & Medenica, 2017, baserat på data från BRIMEE (Bilaga 4 & 5) och Sikora & Turkiewicz, 2010).
Empiri
exponerades mot lågan, respektive 80mm när materialkanten exponerades under den angivna tiden. Materialet klarar alltså kraven för euroklass E (Bilaga 6).
Under testet av NCC Foam utan brandbromsande medel nådde flamman 150mm inom 9 sekunder när materialytan exponerades mot lågan, respektive efter 12 sekunder när materialkanten exponerades mot flamman. NCC Foam utan brandbromsande tillsats klarar alltså inte euroklass E och blir därför placerad i den lägsta euroklassen - F.
Test för euroklass B, C och D:
Kraven för att uppnå euroklass B, C och D enligt standarden EN 11925-2 skiljer sig mot kraven för euroklass E på följande sätt: Flamman får inte sprida sig på materialet mer än 150mm inom 60 sekunder efter 30 sekunders exponering mot öppen låga (Warringtonfiregent, u.å). Utöver test enligt standarden EN11925-2 krävs ytterligare undersökningar som måste genomföras (SBI – Single burning item enligt standard EN 13823). På grund av att denna metod kräver en större kvantitet av materialet än som fanns tillgängligt kunde SBI-testet inte genomföras vid BRIMEE-projektet och en högre euroklass kunde ej certifieras. Man genomförde likväl provningen med enkel låga (EN 11925-2) där flamman spred sig som mest 60 mm vilket innebär att NCC Foam Black klarar euroklass B gentemot standard EN 11925-2. För en officiell certifiering måste SBI-test utföras (Bilaga 6).
Tabell 5 summerar resultat från de två uppmätningarna vid BRIMEE-projektet samt presenterar euroklasser för traditionella isoleringsmaterial som berörs i detta examensarbete (Isover, 2013).
Emissionsegenskaper
Två skilda test av NCC Foams emissionsegenskaper genomfördes under BRIMEE-projektet i enlighet med teststandarden prEN 16516 och analyserades sedan enligt standarderna ISO 16000-3 och ISO 16000-6. Luftprovtagningen och analys utfördes följaktligen vid dag 3, 7, 9 och 28 efter installation av prover i testkammaren (Bilaga 7; Bilaga 8).
Resultaten analyserades sedan enligt AgBB-schemat - ett schema av den tyska kommittén för hälsorelaterad utvärdering av byggprodukter, där riktlinjer och restriktioner har satts för emissionsutsläpp från byggmaterial (Eurofins.com, 2016). För utförlig presentation av vad AgBB-schemat är och vad använda parametrarna i schemat beskriver, se Bilaga 7.
Material Euroklass
NCC Foam (Ej impregnerad) F
NCC Foam Black E (B)
Mineralull A
Cellplast F
Tabell 5. Euroklasser för olika isoleringsmaterial baserat på data från BRIMEE (Bilaga 6) och Isover (2013).
Empiri
Första testet av NCC Foam påvisade generellt låga emissionsegenskaper men klarade inte av AgBB-testet på grund av för höga utsläpp av fenol vid mätdag 28. Detta åtgärdades till andra testet genom utbyte av flamskyddsmedlet (Bilaga 7). Andra testet av NCC Foam med nytt flamskyddsmedel klarade samtliga krav i enlighet med AgBB-schemat (Bilaga 8). Resultat från BRIMEE:s andra mätning presenteras i Tabell 6 med motsvarande resultat för isolerprodukter av mineralull (Rockwool, 2012) och cellplast (Styropor, 2009) som genomfördes av externa institut. – ikonen indikerar vid vilken mätdag det godtagbara emissionsvärdet erhölls för respektive material. Enbart NCC Foam från den andra prövningen presenteras i Tabell 6. NCC Foam betecknas som NCC, mineralull som MU och cellplast som EPS.
Fuktbromsande egenskaper
Tester av materialets fuktmotstånd och vattenabsorberande egenskaper utfördes i enlighet med tre olika standarder:
BS EN 1609 – Bestämning av vattenabsorption vid partiell nedsänkning i vatten.
BS EN 12086 – Bestämning av permeabilitet för vattenånga.
BS EN 12087 – Bestämning av vattenabsorption vid långvarig nedsänkning i vatten.
För testerna används två satser av NCC Foam Panel, ren NCC-Foam respektive NCC Foam Black (Bilaga 9; Bilaga 10).
Med dimensioner på 170 x 250 mm och en tjocklek på 11 mm utsattes NCC-Foam för ett vattenabsorptionstest (BS EN 1609), där materialet låg i vatten under 24 timmar. Efter ett dygn hade materialet nästan helt löst upp sig i vattnet. När materialet lyftes ur sönderdelades det helt och resterande tester enligt standarderna gick inte fullfölja på Parameter NCC EPS MU NCC EPS MU NCC EPS MU NCC EPS MU
TVOC *
SVOC
R‐värde *
VOC utan LCI * *
Cancerogens
Dag 3 Dag 7 Dag 9 Dag 28
Tabell 6. Uppnådda krav på emissionsegenskaper för olika isoleringsmaterial enligt AgBB-Schemat baserat på data från BRIMEE (Bilaga 8), Rockwool (2012) och Styropor (2009).
* = Sätts då det analyserade dokumentet inte anger under vilken mätdag det krävda värdet nåddes, då antas att det var under mätning som skedde dag 28 eftersom materialet är godkänt enl. AgBB.
Empiri
grund av dess skick efter korttidstestet (Bilaga 9).
Dimensioner för NCC Foam Black var 170 x 250 mm och en tjocklek på 12 mm. NCC Foam Black testades på samma sätt som NCC Foam och klarade korttidsabsorptionstestet vilket ledde till att alla tester kunde utföras på materialet enligt de resterande standarderna. Nedan följer en jämförelse av NCC-skummen och traditionella isoleringsmaterial med avseende på de fuktbromsande egenskaperna (Bilaga 10). I Tabell 7 presenteras de erhållna värden från testerna, där NCC-Foam och NCC Foam Black ställs mot cellplast samt mineralull. Data för cellplast och mineralull har hämtats ur forskningsrapporten Durability Evaluation of External
Thermal Insulation Composite Systems: Frequency Assessment of Thermal Shocks av
Daniotti, Cecconi, Paolini och Galliano, (2013) samt företaget Achfoam.com, (2009).
4.1.3 Nanocellulosa-baserad skumisolering - ekonomi
Under BRIMEE-seminariet (Circular Economy in the building construction sector. NCC as a generator of an eco- economy in building industry - Warszawa, 2017) presenterades det ekonomiska resultatet för framtagningen av NCC Foam Panels där analys utförts för att utvärdera kostnaderna. Två analyser utfördes vid BRIMEE-projektet – en av kostnaderna för den existerande pilotanläggningen, respektive en för kostnaderna för en potentiell industrialiserad anläggning (Bilaga 11). Resultat presenteras i Tabell 8.
Vid analysen av det ekonomiska resultatet belystes materialkostnaderna. Specifika kostnadsfördelningen för olika komponenter för framtagning av NCC Foam väggpanel i den industrialiserade-anläggning presenteras i Figur 10.
Material Densitet (kg/m3) Diffusionsmotståndsfakt or för vattenånga, μ Kortsiktig vattenabsorption (% av volym) NCC Foam 35 92 48 NCC Foam Black 170 121 44 Cellplast 30 50 4 Mineralull 146 1,2 ‐ Pilot‐ anläggning (€/m2) Industrialiserad‐ anläggning (€/m2) Årliga anläggningskostnader 2,71 0,27 Årlig driftkostnad ‐ Löner 125,36 1,99 Årlig driftkostnad ‐ Materialkostnader 44,28 43,70 Årlig driftkostnad ‐ Energianvändning 2,56 1,76 TOTALT: 174,91 €/m2 47,72 €/m2
Tabell 8. Ekonomiskt resultat för framtagning av NCC Foam panel (Tabell av Marczak & Medenica, 2017, baserat på data från BRIMEE (Bilaga 11).
Tabell 7. Fuktbromsande egenskaper för de testade NCC-skummen, cellplast och mineralull. (Tabell av Marczak & Medenica, 2017, baserat på data från BRIMEE (Bilaga 9 & 10), Daniotti, Cecconi, Paolini & Galliano (2013) och ACHfoam (2009)).
Empiri
4.2 Intervju & personlig kommunikation
Följande kapitel presenterar en sammanställning av intervjuer och personlig kommunikation som utfördes med sakkunniga forskare och leverantörer med expertis inom NC-sektorn. Respondenter presenteras nedan – för utförlig presentation av respondenter samt fullständiga sammanfattningar och sammanställningar av intervjuer och personlig kommunikation, se Bilaga 2.
4.2.1 Respondenter
Grundare, Melodea Ltd, Luleå.
Forskningsingenjör, Cellutech, Stockholm. Forskare, Swerea IVF, Göteborg.
Vice-president & CTO, CelluForce, Quebec. Projektledare, Holmen AB, Iggesund
Respondent 1 Respondent 2 Respondent 3 Respondent 4 Respondent 5
Respondent 6 Teknisk support, PAROC, Skövde. 4.2.2 Nanocellulosa-baserad isolering idag
Tillfrågade respondenter påpekar att det idag inte finns en färdig isolerprodukt på marknaden som är NC-baserad och används inom byggbranschen.
Respondent 2 som är forskningsingenjör vid Cellutech börjar med att konstatera att byggbranschen aldrig har varit en bransch som hoppat på nya forskningstrender snabbast och menar att det ekonomiska incitamentet blandat med prestandan som ett sådant skum har idag kan vara anledningen till att det inte finns mer intresse för materialet i kommersiella organisationer. Respondent 2 menar istället att det är enklare att introducera NC i andra byggtekniska produkter som limmer, färger och beläggningsämnen då industrier som utvecklar dessa produkter är mer öppna och vana vid sådana innovationer.
Respondent 1 (grundare till Melodea Ltd) berättar att vid BRIMEE-projektet var enbart 10 procent av skummet ren NC och det resterande materialet var pappersavfall, vilket påverkar materialets egenskaper men sänker priset betydligt.
Figur 10. Specificerade materialkostnader för en väggpanel med NCC foam panel-isolering enligt kalkylering för den industrialiserade anläggningen för produktion av NCC Foam Panel (Enligt Bilaga 11, översatt av Marczak & Medenica, 2017)
Empiri
Respondent 2 bekräftar detta när han berättar att materialet Cellufoam™ (NC-baserat skum utvecklat av CelluTech) till stor del består av NC eller cellulosa på något sätt, men att det används andra material för att skapa den slutliga produkten. Det är därför viktigt att förstå att NC-baserade ämnen inte består av 100 procent ren NC utan en blandning med andra material, påpekar både respondent 1 och respondent 2.
4.2.3 Nanocellulosa-baserad isolering i jämförelse med traditionella isoleringsmaterial
När Respondent 1 tillfrågas om NCC Foam’s uppmätta och relativt höga
värmekonduktivitet (medelvärdet sattes till λ=0,0406 W/m·K vid första mätningen) vid BRIMEE-projektet, anmärker han bestämt att ett material som NCC Foam idag inte kan jämföras med produkter som vart etablerade på marknaden i årtionden.
Du jämför ett material som just kommit ut ur laboratorienivå med någonting som varit i produktion i åratal, man får inte göra den jämförelsen, det är som jämföra äpplen och päron. Får vi hålla på att utveckla det här i en stund till så kommer detta naturligtvis att förändras – säger respondent 1.
Respondent 3 som forskar vid forskningsinstitutet SWEREA påpekar att en av NC:s främsta fördelar är möjligheten att genom kemisk modifiering erhålla egenskaper skräddarsydda efter önskemål. Även andra respondenter anmärker detta, exempelvis respondent 2:
Det som är värt att belysa, är vi har i grunden en välkänd kemi bakom
nanocellulosan. Man kan modifiera fibrerna på ett sätt som man inte kan göra med andra polymermaterial – berättar respondent 2.
Respondent 2 berättar att de även har testat Cellutechs egna NC-skum, Cellufoam™ som ett isoleringsmaterial och har bland annat mätt upp ett λ-värde till 0,033 W/m·K. Respondent 2 poängterar dock att detta är ett värde uppmätt i labb-miljö där det inte testats enligt någon standard och tillägger att hur man tillverkar skummaterialet kan ha stor påverkan på det erhållna λ-värdet.
Vid frågan om brandegenskaper är både respondent 1 och respondent 2 optimistiska. Respondent 2 påvisar att det idag finns många kända system för att motverka bränder i bio-material som NC och tror att NC-baserad isolerings framtida brandegenskaper kan vara bättre än traditionella material som cellplast och polyuretanskum. Respondent 1 berättar istället om NCC Furan Stiff Foam, som är en NCC Foam variant berikad med furan, ett medel som gör att skummet inte kunde antändas och fick exceptionella brandbromsande egenskaper.
4.2.4 Skum eller aerogel
Till skillnaden från NC-baserade isoleringmaterial finns idag en färdig kommersiell aerogel-produkt som används som isolering. PAROC säljer aerogel-isoleringen i Sverige framtagen av amerikanska Aspen Aerogels teknik och går under namnet Paroc Spaceloft. Detta isoleringsmaterial har ett utomordentligt λ-värde på 0,015 W/ m·K. Dock finns en huvudsaklig nackdel som respondent 6 (PAROC) belyser;
Vi kan göra en enkel jämförelse där man tar ett u-värde med i prisjämförelsen. Paroc eXtra 95mm lambda 0,036 kontra Paroc Spaceloft lambda 0,015
Empiri
U-värde 95mm stenull heltäckande 0,356 W/m2·K
Pris: 61,05:-/m2
U-värde 4 lager 10mm Paroc Spaceloft 0,353 W/m2·K
Pris: 3005,20:-/m2
Tänk er då att man ska uppnå Boverkets byggregler med U-värden ner mot 0,10 då priset blir tredubbelt. – Skriver respondent 6.
Priset per kvadratmeter av detta aerogel-baserade isoleringsmaterial ligger alltså på över 3000kr per kvadratmeter. Respondent 2 vid Cellutech menar således att det är i dagsläget orimligt att använda aerogeler som isolering inom bygg i större skala då framställningen av NC-baserade aerogeler är så dyr att det kommer bli svårt att kommersialisera det som isolering inom byggsektorn. När respondent 1 tillfrågas om aerogeler medger han att Melodea undersöker olika aerogellösningar och dess tillämpningar, även i isolerings-sammanhang.
Enligt respondent 3 kan just priset beaktas som en av de huvudsakliga bromsande faktorerna. När han tillfrågas om vad som skulle kunna accelerera utvecklingen av NC-baserade aerogeler inom bygg svarar han;
When research will find an answer how to remove water from nanocellulose hydrogels in a fast and economical way, hence, producing aerogels, this material (alone or mixed with other components) can be used in 3D printing of house walls/insulation elements – påstår respondent 3.
Även respondent 4, CTO vid CelluForce, påpekar att man är medveten om försöken att implementera NC som en aerogelisolering men att CelluForce inte försökte utveckla ett isoleringsmaterial just med avseende på det ekonomiska incitamentet och har därmed dragit slutsatsen att detta skulle vara en oövervinnlig barriär vid försök av introduktion till marknaden.
Respondent 2 tror istället att Cellutech skulle kunna utveckla ett skummaterial, istället för en aerogel, som skulle kunna konkurrera med polymera skummaterial både med avseende på pris och egenskaper.
Respondent 1 presenterar en skiljaktig vy på det ekonomiska besväret och menar att termen ’dyrt material’ är felaktig och att man istället bör säga ’att det kostar mycket pengar’. Respondent 1 tror att om man kan få ut tillräckligt mycket ur ett material så kommer många fler välja att investera för att erhålla en bra prestanda. Han påpekar samtidigt att vi måste vara medvetna om att alla har ett ekonomiskt ansvar och för att förvänta sig att någon lägger ut en större peng för ett material ligger det ett stort ansvar på utvecklaren att skapa en väldigt bra produkt.
4.2.5 Framtiden för nanocellulosa-baserade isolermaterial
Respondent 3 påpekar att en av NC-baserade isoleringsmaterials största fördelar är att det kan förmedla goda termiska- och ljudabsorberande egenskaper samtidigt som materialet förblir fullt biobaserat. Respondent 2 framställer att ju fler användningsområden NC får i den kommersiella sektorn desto större anläggningar kommer byggas för effektivare framtagning av detta material vilket således kommer bidra till att priset på NC sänks.
Empiri
Då kommer man se mer ”bulkiga” applikationer, som skummer, kompositmaterial men fram till dess kommer man se nischapplikationer – Förklarar respondent 2.
Respondent 2 fortsätter med att påpeka att lagar som snart träder i kraft i EU förbjuder användningen av vissa material och kommer öka potentialen av användning av nya material och innovationer, exempelvis produkter baserade på NC. Idag vet inte industrier tillräckligt mycket om möjligheterna som finns med NC-baserade produkter och därför kan de inte förutse fördelarna och vinsten som materialet skulle bidra med inom vissa applikationer, påstår respondent 3.
3D-Printning
Det som ofta lyfts fram är NC:s goda mekaniska egenskaper. Både respondent 1 och respondent 3 ser NC-baserade byggmaterial som det framtida bläcket som skulle kunna tillämpas i 3D-printning av byggelement men även av hela byggnationer. Enligt respondent 1 kan just 3D-printning vara NC:s stora chans i byggnadsbranschens. Han berättar att de vid Melodea har två doktorandstudenter som forskar på ämnet idag och erhåller intressanta resultat. Han menar att NC kan modifieras till att ha bärande, isolerande, brandskyddande och yttäckande egenskaper men även bli optiskt transparent och genom detta bli ett framtidsmaterial som kan revolutionera byggnadstekniken. På grund av sin väldigt flexibla karaktär är ämnet perfekt för tillämpning i 3D-printing. I dagsläget finns det inte material som kombinerar isolerings-egenskaper med bärförmåga på det sätt som NC gör, påpekar respondent 1.
Det är inte en skiva, det är inte en balk utan du kommer kunna 3D-printa vilken struktur du vill och det blir inget skräp utan du 3D-printar bara det du vill ha, för i framtiden kan vi inte hålla på att slösa massa och lämna avfall inom byggandet –
Resonerar respondent 1.
Utöver detta påpekar respondent 1 att NC är ett biologiskt nedbrytbart material framtaget ur förnyelsebara källor med 0 procents CO2-fotavtryck. Den
nedbrytbara karaktären som NC-baserade isolermaterial har är även en nackdel då det måste beaktas att materialet kan börja mögla eller brytas ned efter några år, men enligt respondent 1 och respondent 2 finns det flera tänkbara teknologier och strategier att hindra nedbrytningen på.
4.2.6 Kostnaden för nanocellulosa
Både respondent 1 och respondent 2 påpekar att NC i dagsläget är ett kostsamt material vilket är en av de största svårigheter för att nå en bredare kommersiell framgång - däremot finns inte ett exakt pris att delge på detta material för tillfället. Även respondent 5, projektledare för utvecklingen av NC-anläggningen vid Holmen AB, anser att det i nuläget inte går att bestämma ett pris och resonerar på följande sätt:
Jag kan tyvärr inte säga något om prisbilden för nanocellulosan från vår
demoanläggning i Örnsköldsvik. Dels för att ev. prisbild är konfidentiell i nuläget, men framförallt för att det just är en demoanläggning (den säger inte så mycket om en framtida fullskalig prisbild) - Skriver respondent 5.
