Zmrzlý kouř, tuhý kouř, pevný vzduch - to jsou slangové výrazy označující skupinu materiálů, kterým se budeme v tomto článku věnovat. Tyto materiály nesou označení aerogely. Ačkoli se nejedná o skupinu úplně nových materiálů, jejich vývoj a potenciální využití jsou stále předmětem intenzivního výzkumu.
Historie a vývoj aerogelů
Již v roce 1931 se Samuelu Stephensovi Kistlerovi povedlo připravit první materiály nesoucí označení aerogel. Kistler přišel s myšlenkou, že gely jsou složeny ze dvou složek, z kapalné fáze a jisté sítě tvořené pevnou látkou. Aby svou hypotézu ověřil, rozhodl se, že nahradí kapalnou složku plynem tak, aby zůstala zachována síť tvořená pevnou látkou. První pokusy však dopadly neúspěchem. Při běžném sušení na vzduchu docházelo k popraskání gelu, snížení jeho objemu a celkové destrukci sítě, což je způsobeno kapilárními silami.
Kistler tedy přišel s myšlenkou, že správné vysušení gelů by mohlo probíhat za podmínek, kdy se odstraní rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází. Těmito podmínkami jsou nadkritické podmínky, tj. stav, kdy je systém podroben vysokému tlaku a teplotě. Dalším poznatkem bylo to, že v klasickém gelu je vhodné nejprve nahradit vodu alkoholem a teprve potom gel podrobit vysokému tlaku a teplotě. To byly první poznatky učiněné v oboru přípravy aerogelů a Kistler si tím vysloužil pracovní pozici ve firmě Monsanto Corporation. Nicméně, na několik desítek let to bylo vše, co bylo v oboru zjištěno.
Obnovený zájem a moderní vývoj
V sedmdesátých letech došlo opět k otevření kapitoly aerogelů. Významnou měrou se na dalším vývoji podílel Stanislaus Teichner, který studoval možnosti uložení raketového paliva a kyslíku v porézních materiálech. Společně se svým studentem doktorského studia přišli na metodu, jak urychlit přípravu aerogelů. Klasické křemičitany, které k tvorbě gelů používal Kistler, nahradili alkoxysilany, přesněji tetramethylorthosilikátem. Jeho hydrolýzou v roztoku methanolu získali gel v jediném kroku přípravy. Následný postup úpravy za nadkritických podmínek zůstal stejný.
V osmdesátých letech byl ve vědecké skupině Arlona Hunta nahrazen toxický tetramethylorthosilikát (TMOS) bezpečnějším tetraethylorthosilikátem (TEOS). Současně vědci z Microstructured Materials Group zjistili, že alkohol je možno nahradit kapalným oxidem uhličitým. Téhož poznatku bylo učiněno i ve firmě BASF. Výhodou CO2 bylo to, že během přípravy nedocházelo k výbuchům.
Čtěte také: Průvodce kročejovou izolací
Vlastnosti aerogelů
Proč si však aerogely vysloužily takový zájem ze strany vědců? V první řadě se jedná o materiály porézní, křehké, ale například i průsvitné. Velkou výhodou jsou jejich tepelně-izolační vlastnosti. Z mechanických vlastností je možno uvést to, že mohou udržet mnohonásobně vyšší hmotnost, než sami váží. Zajímavé je například zjištění, že hustota materiálů bývá v řádech desetin až tisícin gramů na mililitr, což je zhruba 10-1000x méně než u vody. Na druhou stranu, jak už bylo řečeno, jsou velmi křehké. Při rozbití struktury může docházet ke vzniku nanočástic podobně jako u azbestu. Na rozdíl od azbestu však vzniklé nanočástice mají hladký a kulovitý tvar.
Tepelná vodivost a optické vlastnosti
Další velmi významnou vlastností je jejich nízká tepelná vodivost. To je způsobeno strukturou materiálu. Podíl pevné složky je totiž zhruba v rozmezí 0,15-15 %. To znamená, že více než 85 % objemu materiálu zaujímá plyn, který má nízké koeficienty vedení tepla. Díky těmto vlastnostem by mohly v budoucnu nahradit tradiční izolační materiály, jako je polystyren. Limitujícím faktorem je v současné době cena výroby.
Další zajímavou vlastností je to, že materiál propouští světlo. S přihlédnutím k izolačním vlastnostem by se tudíž daly využít i jako náhrada klasických skleněných tabulí. Jejich izolační vlastnosti jsou 32x lepší než u tabulového skla. Omezení v použití je v tomto případě jejich nízká transparentnost, tj. propustnost světla. U křemíkových aerogelů je možno pozorovat další z optických vlastností. Pokud aerogel, kterým prochází světlo, pozorujeme proti tmavému pozadí, můžeme si všimnout, že se jeví jako namodralý. Kdežto světlo, které jím projde, je naopak zbarvené do červena. Jevem, který je za toto chování odpovědný, je Rayleighův rozptyl, jenž způsobuje i to, že je obloha ve dne zbarvena modře a při západu slunce do červena.
Potenciální využití aerogelů
Výroba aerogelů je sice ještě finančně náročná pro masové aplikace, ale do budoucna by se s nimi mělo počítat. Jejich použití by pak mohlo být následující:
- izolační materiál pro zateplování budov,
- náhrada klasických okenních tabulí,
- u synchrotronů jako detektory Čerenkovova záření,
- v medicíně jako nosiče léků,
- chemické katalyzátory nebo nosiče katalyticky aktivních látek,
- při čištění vody od ropných a olejových nečistot,
- jako velmi významné adsorbenty plynů, například oxidu uhličitého.
Vysoce efektivní tepelná izolace na bázi aerogelu StoTherm In Aevero upoutává pozoruhodnými izolačními i prostorovými efekty. Navenek působí jako „zmrzlý kouř“ a již před časem udivil coby nejlehčí pevná částice s nejnižší hustotou vyrobená člověkem. Základem inovativního ultratenkého systému vnitřního zateplení objektů je izolační deska Sto-Aevero-Innendämmplatte se součinitelem tepelné vodivosti 0,016 W.m.K-1. Z 95 % ji tvoří vzduchové póry, vázané pomocí kyseliny křemičité. Strukturálně sestává z rozvětvujících se otevřených sítí. Póry jsou 1000krát tenčí než vlákno pavučiny. Vysoká poréznost učinila z aerogelu pevnou látku s nejvyšší tepelnou izolací. Aerogel neméně efektivně pohlcuje také zvuky a dobrá je i jeho propustnost světla. Premiérově se aerogely jako izolační materiály uplatnily hlavně v leteckém průmyslu a v kosmonautice.
Čtěte také: IPA asfaltová izolace: Co potřebujete vědět
Izolační materiály a požární bezpečnost
Spotřeba energie v rodinném domě, který se v zimním období vytápí, nebo naopak v letním období chladí, je vyjádřena v celkových finančních nákladech. Ty jsou v přímé závislosti na množství spotřebované energie. Pokud pomineme finanční náklady na ohřev TUV a svícení, je rozhodujícím faktorem spotřeba energie na vytápění či právě chlazení. Se stále zhoršující se situací na energetickém světovém trhu je izolace tou nejlepší investicí. Teplo v domě uniká různými konstrukcemi a celková ztráta objektu se skládá ze ztrát tepla, které jsou u jednotlivých konstrukcí různé. Ztráta střechou je nyní asi 30 %, okna 20 %, stěna 10 % a ostatní konstrukce zbylá %. V případě chlazení je to podobné: střecha 30 %, okna a stěny 30 %. Při neizolovaném objektu se při vysokých venkovních teplotách vše přehřívá, případně uměle vychlazený vzduch uniká cestami ven. Základem těchto úniků je na prvním místě výměna oken - pokud ale zanedbáte celkovou úpravu stavebních konstrukcí, mohou vám dokonale izolovaná okna naopak způsobit problémy, o nichž jste předtím neměli tušení. Pokud izolujete pouze část konstrukce, jedná se vždy o částečné řešení.
Toxicita zplodin hoření
Významnou prioritou při výstavbě či rekonstrukci všech budov by měla být požární bezpečnost. Ideálně by měly být materiály nehořlavé a při vystavení ohni by neměly uvolňovat toxické zplodiny hoření. Podle statistik hasičského sboru totiž největším zabijákem není oheň, ale kouř, který obsahuje jedovaté zplodiny. „Většina úmrtí při požárech je způsobena kouřem, a to i když se nejedná o rozsáhlý požár. Kouř se šíří rychle a potichu a již několik nadechnutí kouře může být smrtelné. Zplodiny hoření a nedostatek kyslíku mohou prohlubovat spánek, takže hrozí nebezpečí otravy během spánku,“ varuje odborník na požární bezpečnost Zbyněk Valdmann.
Při výběru stavebních materiálů by tedy měl investor volit takové, které jsou nehořlavé a neprodukují při působení ohně žádné či jen minimální zplodiny. Zatímco informaci o nehořlavosti musí obsahovat každý stavební materiál, informaci o toxicitě zplodin hoření kupující nikde nenajde. Nehořlavost, odborně řečeno třída reakce na oheň, je standardně označována písmeny A-F. Třída určuje, zda a jakým způsobem výrobek přispívá k šíření požáru, tzn. jak rychle hoří, respektive jak výrobek přispívá k rozvoji ohně. Nejbezpečnější volbou je výrobek z třídy reakce na oheň A1, následně A2. Jednotlivé izolační materiály se v reakci na oheň, tedy laicky řečeno hořlavosti, značně liší.
Toxicita zplodin hoření je ale až na naprosté výjimky neznámá. Důvod je jednoduchý: v oblasti měření a vyhodnocení (klasifikace) toxicity hoření doposud chybí systémový přístup. Zatím neexistují mezinárodní normy či standardy, které by toxicitu sledovaly a díky nimž by materiály bylo možné mezi sebou porovnávat. Současné stavební předpisy specifikují pouze požadavky na požární odolnost a reakci na oheň. Přitom stavební materiály při hoření produkují kromě běžných toxických plynů CO, NOx, SO2, HCN, HCl, HBr, HI rovněž mnohé další, jako třeba PCBs, PCDDs, PCDFs, PAHs, které navyšují toxicitu zplodin hoření.
Odborná veřejnost se nicméně snaží o nápravu, protože si je vědoma všech zdravotních rizik. Letos proto vznikla svého druhu první odborná studie, která zkoumá toxicitu zplodin hoření stavebních materiálů, v tomto případě různých druhů tepelněizolačních materiálů. České vysoké učení technické (ČVUT) v Praze a Univerzitní centrum energeticky efektivních budov (UCEEB) vypracovali studii Toxicita zplodin hoření látek, materiálů a výrobků ve stavebnictví. „Požární odolnost zkouší celistvost, izolační schopnost a stabilitu stavební konstrukce za definovaných podmínek. Zkoušky reakce na oheň výrobků testují zapalitelnost, šíření plamene, rychlost vývinu tepla, tvorbu kouře, vznik hořlavých kapek a částic. Nikoli však toxicitu zplodin hoření. To se týká i nařízení EU, takže se jedná o celoevropský problém,“ říká ve studii Ing. Otto Dvořák, Ph.D. z ČVUT.
Čtěte také: Radon a asfaltová izolace
Studie ČVUT využila ve svém zkoumání některé závěry ze studie Lancashirské univerzity, která se zaměřuje na toxický účinek kouřových plynů na člověka, které produkují nejčastěji používané tepelněizolační materiály (Anna A. Stec a T. Richard Hull, Assessment of the fire toxicity of building insulation materials. Energy and Buildings). Studie porovnává toxicitu materiálů, jako je minerální izolace, extrudovaný polystyren (XPS), lehčený polystyren (EPS), fenolická pěna (PHF), polyuretanová pěna (PUR pěna), polyisokyanurátová pěna (PIR pěna).
Srovnání toxicity izolačních materiálů
Protože zplodiny hoření jsou koktejlem různých toxických látek, vyjadřuje se jejich celková toxicita pomocí tzv. frakčních účinných dávek FED (FED - Fraction Effective Dose). „FED s hodnotou 1,0 znamená, že součet koncentrací jednotlivých druhů bude smrtící pro 50 % krysí populace v průběhu 30 minut expozice, přičemž obdobná dávka je přibližně stejně smrtelná i pro člověka,“ vysvětluje Ing. Otto Dvořák, Ph.D.
Z experimentů vyplynulo, že z hlediska toxicity jsou extrémně nebezpečné PIR a PUR pěny (polyisokyanurátové a polyuretanové tepelné izolace). Ty dosáhly hodnoty FED až ve výši 0,7, přičemž nejvyšší možnou hodnotou je 1,0. „Potenciálně smrtící je jejich kouř jak v prostoru s větráním nedostatečným, kde dochází k nedokonalému spalování, tak v prostředí dostatečně větraném. Je to opravdu smrtící koktejl různých toxických látek. Pouze 8 g polyisokyanurátu nebo 11 g polyuretanové pěny spalovaných v nedostatečně větraném prostoru vytvoří 1 m3 toxického plynu. Jeden kilogram takového materiálu může vytvořit smrtelnou koncentraci v prostoru o objemu 100 m3, což odpovídá například většímu obývacímu pokoji,“ shrnuje Ing. Otto Dvořák, Ph.D.
PIR a PUR pěny se mohou využívat jako izolační materiál pro rodinné domy, nejčastěji ve formě stříkaných nebo deskových izolačních materiálů. Výrobci obvykle vyzdvihují jejich dobré tepelněizolační vlastnosti, ale o jejich toxicitě v okamžiku požáru se nezmiňují. „Navíc se často dopouštějí vyloženě klamání spotřebitelů tím, že označují materiál za samozhášivý ve smyslu nehořlavosti. Samozhášivý ale neznamená nehořlavý, navíc množství toxických zplodin je alarmující,“ upozorňuje Zbyněk Valdmann.
Jako velmi toxické se na druhém místě umístily zplodiny z fenolické pěny. Ty se kvůli dobrým izolačním vlastnostem nejčastěji používají při zateplení u rekonstrukcí či v detailech, kde není místo na velkou tloušťku izolantu. „Vzhledem k vyšší ceně není její využívání tolik rozšířené a z hlediska užití zejména ve venkovních prostorách nepředstavují tak velké riziko,“ dodává Zbyněk Valdmann.
Na třetím místě následuje v praxi často používaný expandovaný polystyren (EPS a XPS) s hodnotou FED = 0,2. „I z těchto důvodů je dobře, že polystyren se nesmí využívat pro zateplování výškových budov. Navíc polystyren je velmi hořlavý s třídou hořlavosti E, takže hrozí přenos hoření do vyšších pater,“ vysvětluje Zbyněk Valdmann.
Nejméně toxických zplodin produkuje minerální izolace. Ta i při nejhorších podmínkách měla minimální FED = 0,05. „Minerální izolace jsou nehořlavé, spadají do tříd reakce na oheň A1 nebo A2. Zplodiny se produkují z organického pojiva, kterého může výrobek obsahovat v množství 5-10 %,“ vysvětluje Ing. Otto Dvořák, Ph.D. z ČVUT. Minimální hodnoty pod FED = 0,05 byly zjištěny také u všech zkoušených hořlavých tepelných izolací při doutnání.
Tabulka: Nebezpečí toxicity zplodin hoření vybraných izolačních materiálů (FED - Fraction Effective Dose)
| Materiál | Hodnota FED (plamenné hoření) | Hodnota FED (bezplamenné hoření/doutnání) |
|---|---|---|
| PIR pěna | Až 0,7 | Až 0,7 |
| PUR pěna | Až 0,7 | Až 0,7 |
| Fenolická pěna (PHF) | Vysoká toxicita (druhé místo) | Vysoká toxicita (druhé místo) |
| Expandovaný polystyren (EPS a XPS) | 0,2 | 0,2 |
| Minerální izolace (GW, SW) | 0,05 | 0,05 |
Na mezinárodních standardech měření toxicity zplodin se pracuje. V EU existuje systém klasifikace výrobků a zatřídění dle reakce na oheň, neexistují však limity na toxicitu kouře, která má smrtelné následky. To je třeba změnit. „Lidé nemají a ani nemohou jednoduše získat informace o tom, jak se stavební materiály v případě požáru chovají. Kdyby to věděli, pochybuji, že by si dobrovolně v podkroví zateplovali hořlavými a toxickými materiály, které v případě požáru uvolňují jedovaté zplodiny a hrozí nebezpečí otravy. Velmi špatně se při takových požárech zasahuje i hasičům, kteří se kvůli hustému zakouření musí potýkat s téměř nulovou viditelností,“ dodává Zbyněk Valdmann.
Nebezpečí tak tyto materiály představují i pro hasičský sbor. „Pro hasiče je znepokojující zvyšující se intenzita kouře při požárech budov. Musí se klást větší důraz na prevenci toxicity a korozivity kouře pro požární bezpečnost budov a životního prostředí, a to při projektování, výstavbě a provozu objektů,“ dodává Ing. Otto Dvořák, Ph.D. Zlepšení se snad můžeme dočkat v blízké budoucnosti. Evropská komise si je vědoma závažnosti situace, a proto si nechala vypracovat studii s cílem vyhodnotit potřebu regulace v rámci Evropské unie. „Evropská komise oslovila dotazníky členské státy s cílem nalézt společné řešení. Průzkumu se zatím zúčastnilo 17 evropských organizací včetně ČR. Česko patří z hlediska požární bezpečnosti k evropské špičce, proto máme velký zájem se problematice věnovat,“ uzavírá Ing. Otto Dvořák, Ph.D. z ČVUT.
Alternativní izolační materiály
Do kategorie dokonale izolujících materiálů patří izolace foukané. Pro třeskutou zimu jich je více, ale pro následně spalující horké léto už je výběr velmi zúžený. V zimě chrání před tepelnými úniky a v létě naopak před přehřátím, které je podle odborníků v posledních letech mnohdy i větším problémem než zmíněný chlad.
Climatizer Plus
S Climatizer Plus lze izolovat střechu a snížit tak tepelné ztráty o 30 %, ale také lze snížit náklady na vytápění, náklady na chlazení. Jeho hlavní výhodou oproti ostatním běžně užívaným typům izolací je z hlediska izolačních schopnosti tzv. měrná tepelná kapacita. Udává nám množství tepla, potřebného k ohřátí 1kg látky o 1 stupeň teploty v Kelvinech nebo stupních Celsia. V případě foukané izolace Climatizer Plus dosahuje výjimečných hodnot až 2020 J/kg.K, což je hodnota dvoj- až vícenásobná ve srovnání s jinými izolačními materiály. Tepelná izolace na bázi celulózy se aplikuje foukáním - díky čemuž lze stavbu izolovat opravdu všude, bez „hluchých míst“ a rizika vzniku tepelných mostů. Právě tato místa se - díky rozdílu teplot v konstrukci - stávají pro stavbu kritickými a mohou přispět nejen ke zhoršení tepelně-technických podmínek interiéru, ale i k celkové degradaci konstrukce. Foukanou izolaci Climatizer Plus lze použít do všech typů konstrukcí - obvodové zdi, vodorovné konstrukce (stropy) i šikmé střechy. Díky svým vlastnostem se výborně hodí i do podmínek, kde jiné typy izolací strádají - třeba s difuzně otevřenou konstrukcí, jako jsou stále oblíbenější dřevostavby. Izolace totiž umožňuje odvádět vlhkost z interiéru, a naopak a přispívá tak ke zdravému vnitřnímu prostředí budov.
Korek
Korek je výjimečný materiál. Kromě své univerzálnosti, nespočtu možností použití a dekorativních vlastností patří k jeho největším přednostem bezvadná izolace, pružnost, nepropustnost a odolnost. Korek je odumřelým buněčným pletivem. Surový korek je získáván z kůry korkového dubu. Nejvýznamnějšími pěstiteli jsou Portugalsko, Španělsko a země Severozápadní Afriky. Surový korek je oloupán ze stromů, sušen a v tlakových nádobách vystaven nízce přehřáté vodní páře - a to bez jakýchkoliv přísad. Tím se korek rozpíná - expanduje a je provázán korkovou pryskyřicí. Při expanzi se uvolňuje fenol. Jedná se o ekologický izolační materiál. Použitelný do obvodových plášťů a dokonce i v extrémních podmínkách (mrazírny, pekárny), odolává dlouhodobému působení vody.
Lněná izolace
Izolační desky z lněných vláken se vyznačují vysokou pružností, a lze je proto jednoduše a beze spár upnout např. mezi krokve. Je to izolace na vysoké technické úrovni bez použití umělých vláken a jiných syntetických látek. Lněné desky se vyrábí z lněných vláken a pazdeří. Pazdeří se odděluje od vláken lněných stonků při průmyslovém zpracování (máčením, rosením, nebo lámáním). Ty se pak spojují do desek po vrstvách přírodním lepidlem ze škrobu. Další přísadou je ještě borax (tetraboritan sodný), který je retardantem hoření a zároveň se zasluhuje o odolnost vůči hmyzu. Vzhledem k tomu, že len neobsahuje žádnou živočišnou bílkovinu, tak není požírán moly.
Recyklovaná džínovina
Jedná se o izolaci z džínoviny a zbytků pocházejících z oděvních továren. Obchodní název je Ultra-Touch, bavlno-vláknitá izolace, také známá jako Blue Jean izolace nebo recyklovaný Denim izolace, nabízí vynikající tepelné a akustické vlastnosti, 100% nezávadný materiál. Izolace je vyrobena z vysoce kvalitních recyklovaných vláken bavlny, neobsahuje žádné chemicky dráždivé nebo jiné těkavé organické látky.
tags: #co #je #izolace #zmrzly #kour