Aerogel je fascinující materiál, který je nazýván "pevným kouřem" díky své extrémně nízké hustotě. Až 99,8 % jeho objemu tvoří vzduch, zatímco zbývajících 0,2 % je oxid křemičitý. Tato unikátní struktura mu propůjčuje naprosto jedinečné vlastnosti, které z něj činí ideální materiál pro tepelnou izolaci.
Aerogel je pevná látka s nejnižší známou hustotou. Jeden krychlový metr nejnovější a nejlehčí verze tohoto materiálu váží pouhých 1,9 gramů! Aerogel je jediný materiál s porozitou přesahující 95 % a velmi širokou distribucí pórů od 10-10 do 10-6 m. Navíc jsou tyto póry otevřené, tzn. plyny nebo kapaliny mohou procházet materiálem s minimálními omezeními. Tato vlastnost aerogelů je využívána pro katalytické reakce, výrobu mikrofiltračních membrán, adsorbentů atd. Aerogely jsou tvořeny křemičitými strukturami ve tvaru dutých koulí o velikosti řádově několika nanometrů. Důsledkem tvaru a velikosti těchto stavebních kamenů aerogelu je jeho obrovský vnitřní povrch, tedy poměr mezi povrchem vnitřní struktury a jejím objemem. Jeden gram aerogelu má specifický povrch až 1000 m2! Dá se tak použít jako absorpční materiál s dalšími mimořádnými fyzikálními vlastnostmi.
Tepelně izolační vlastnosti aerogelu
Aerogel má vynikající tepelně izolační vlastnosti. Nízký součinitel tepelné vodivosti, pohybující se v rozsahu Lambda = 0,015-0,020 W/m.K, a tedy v hodnotách nižších než u naprosto klidného vzduchu (Lambda = 0,026 W/m.K), je dán skutečností, že rozměr pórů je menší než střední volná dráha molekul vzduchu. Jemná struktura tak omezuje přenos tepla vzájemnými kolizemi molekul vzduchu.
Tepelná vodivost aerogelové plsti při pokojové teplotě je 0,018W/(K m). Její tepelně izolační výkon je 3-8 krát větší než u tradičních materiálů. Aerogelová plst je flexibilní izolační plst vyrobená z nano-křemičitého aerogelu jako hlavního materiálu, který je smíšen se skleněnými vlákny bavlnou nebo předoxidovanými vlákny plstí speciálním procesem. Vyznačuje se nízkou tepelnou vodivostí, určitou pevností v tahu a tlaku a je vhodný pro aplikace tepelné izolace konstrukce.
Výhody aerogelové izolace
- Tepelně izolační účinek aerogelové plsti je 2-5krát větší než u tradičních tepelně izolačních materiálů a teoretická životnost určená Arrheniovým experimentem je 20 let.
- Aerogelová deka dosahuje stejného tepelně izolačního efektu a tloušťka je pouze zlomek tradičních materiálů. Po zachování tepla je tepelná ztráta malá a míra využití prostoru je vysoká.
- Aerogelová deka je absolutně hydrofobní, což může účinně zabránit vniknutí vlhkosti do potrubí a interiéru zařízení.
- Aerogelová plst je anorganický protipožární materiál třídy A1 pro budovy a je absolutně vodotěsná.
- Aerogelová plst má vlastnosti měkkosti, snadného řezání, nízké hustoty, anorganické požární prevence, celkové hydrofobice, zelené ochrany životního prostředí atd.
Historie a vývoj aerogelu
Výzkum Aerogelu je datován od 30. let 20. století. Objev aerogelu není nijak nový. Už ve 30. letech 20. století přišli na postup jeho výroby vědci z americké Stanford University. Metodou superkritického vysoušení se jim podařilo vysušit kapalný gel tak, aby neztratil svůj tvar. Postupné zdokonalování jeho výroby a stálé zlepšování jeho fyzikálních vlastností neuniklo ani pozornosti vědců z kosmického výzkumu. Tepelně izolační vlastnosti Aerogelu dokázali vědci využít při konstrukcích kosmických zařízení.
Čtěte také: Vše o měrné tepelné kapacitě betonu
Navzdory teoretickým předpokladům se nikdy nepodařilo vyrobit aerogel přesně definovaných vlastností. Potíže byly zejména s dodržením velikosti pórů v materiálu, poměru a rozměru pevných částic a podobně. Výroba byla poměrně nebezpečná, protože se pracovalo za vysokých teplot a tlaků s jedovatými parami metanolu. Díky tomu se zdálo prakticky nemožné připravit sériovou výrobu aerogelu pro technické využití. Aerogel byl znovu objeven díky kosmickému výzkumu. Vědcům se podařilo zjednodušit a zefektivnit metodu superkritického vysoušení a tím nastartovat následný rychlý rozvoj tohoto materiálu.
Například elektroniku vozítka na Marsu spolehlivě Aerogel izoloval i při extrémně nízkých teplotách, které by bez spolehlivé izolace zničily celou elektroniku kosmického vozítka. V roce 1999 vyslala Americká kosmická agentura (NASA) a Laboratoř tryskových pohonů (JPL) do kosmu sondu s úkolem sesbírat vzorky kometárního a mezihvězdného prachu do lapače vyrobeného z křemíkového aerogelu. Díky schopnosti aerogelu dobře přenášet mechanickou energii byly částice prachu zachyceny a nijak nedeformovány, přestože narážely do aerogelových lapačů až dvanáctkrát rychleji než projektily ze samopalu. Sonda StarDust se vrátila na Zemi letos v lednu. Obsahem návratového pouzdra je aerogel o ploše cca 1000 cm2, který by měl obsahovat miliony částic.
Aerogel se tedy osvědčil i v těch nejnáročnějších podmínkách a je naprosto přirozené, že nadešel čas využít právě tento unikátní materiál i pro náš každodenní život. A kde jinde využít tepelně izolačních vlastností Aerogelu, než pro izolaci staveb a ve stavebnictví a průmyslu obecně.
Použití flexibilní aerogelové izolace
Aerogelová izolace je vhodná pro nezatěžované konstrukce, tedy např. fasády, za žaluziové kastlíky, ostění, izolace pod parapety, izolace sloupů a průchozích prvků skrz izolační obálku objektu. Je ideální tam, kde průměrné vlastnosti běžných izolací nestačí. Aerogel je možné řezat dle potřeby, lepit cementovým stavebním lepidlem a povrchová úprava je totožná jako pro minerální izolace.
Materiál je k dispozici v šířce 1450-1470 mm v tloušťce 10 mm. V této tloušťce je materiál aerogelu ohebný a je možné jím izolovat i kruhové prvky (sloupy, prostupy ZTI skrz izolaci atp.). Při tloušťkách 20 a více mm se užitím lepidla aerogelová izolace chová jako deskový materiál a ztrácí svoji ohebnost. Aerogelová plst může nahradit výrobky ze skleněných vláken, azbestové izolační plsti, silikátové výrobky a jiné tradiční flexibilní materiály, které nejsou šetrné k životnímu prostředí a mají špatnou tepelnou izolaci.
Čtěte také: Význam tepelné vodivosti betonu ve stavebnictví
Americká firma Aspen Aerogels vyrábí izolační rohože na bázi aerogelu vyztužené textilními vlákny. Jsou vhodné pro izolace nejrůznějších potrubí, tepelných výměníků, pro stavbu protipožárních bariér, dokonce se používají pro výrobu vložek do bot. Tyto izolační rohože se aplikují stejným způsobem jako běžné izolační materiály. Jsou pružné, takže je možné jimi izolovat i zařízení velmi složitých tvarů. Rohože je možné řezat nožem, laserem nebo vodním paprskem.
V místnosti izolované jen několik milimetrů silnou vrstvou aerogelu není nutné topit, a to ani v zimě. Místnost se vytopí sama během několika desítek minut pouze uvolněným tělesným teplem. Okna obecně jsou stále nejslabším článkem tepelné izolace budov. Švédská firma Airglass vyvíjí nový materiál pro zasklívání oken, složený z vrstvy aerogelu vakuově uzavřené mezi dvě desky skla. Výroba je zatím ve fázi poloprovozu, měsíčně se vyrobí 3-6 m2, které zatím slouží pouze k testování.
Výzkum a budoucnost aerogelu
Vývoj izolačních omítek stále pokračuje. Probíhá i testování výplní cihel aerogelem. Vyplněné dutiny cihel perlinkou nebo obdobným izolačním materiálem jsou již na trhu. Aerogel ale opět vítězí i v tomto srovnání.
Srovnání tlouštěk zdí s různými výplněmi
| Typ zdi | Tloušťka |
|---|---|
| Cihelná zeď s výplní dutin Aerogelem | 165 mm |
| Cihelná zeď s výplní perlinkou | 263 mm |
| Zeď z dutých bloků | 1240 mm |
Vlákenné materiály jsou široce používány jako tepelné izolátory v různých aplikacích pro úsporu energie. Jejich tepelně izolační vlastnosti jsou omezeny, pokud je tloušťka materiálu omezena na několik milimetrů. V dnešní době je stále častěji kladen důraz na vývoj vysoce výkonných tepelně izolačních materiálů pro úsporu energie, zvýšení pohodlí, snížení nákladů a složitosti těchto systémů.
Aerogel, který vykazuje vynikající tepelnou izolaci s extrémně nízkou tepelnou vodivostí, byl shledán jedním z nejatraktivnějších tepelně izolačních materiálů. Cílem této práce bylo vyvinout vysoce výkonný aerogel spojený s vlákennými materiály pro tepelnou izolaci a prověřit jeho výkon. Vrstvená nanovlákenná síťovina /aerogel /netkané materiály byly připraveny použitím laminovací metody s práškem s nízkým bodem tání jako tepelně spojujícím materiálem. Byl zkoumán účinek aerogelu a tepelného lepidla na tepelnou izolaci a propustnost vzduchu.
Čtěte také: Jak správně izolovat betonovou podlahu?
Nový aerogel obalený vlákenným materiálem bez použití jakéhokoli pojivového materiálu, který spojuje částice aerogelu, byl vyvinut pomocí techniky laserového gravírování a laminovací metody. Pro měření tepelného výkonu byly použity termální kamera, zařízení Alambeta a KES-FT-II Thermolab. Byla provedena tlaková zkouška ke zkoumání kompresního zotavení, které určuje udržitelnost tepelné izolace.
Dále bylo použito laboratorně vyráběné dynamické zařízení pro přenos tepla pro zjištění konvektivního tepelného chování těchto vícevrstvých materiálů, jakož i netkaných textilií obalených aerogelem, při různých rychlostech proudění vzduchu a zahřívání. Byly porovnány teplotní křivky v reálném čase z měření předehřátých podmínek. Byly vypočteny a posouzeny hodnoty teplotních rozdílů a konvektivního součinitele přestupu tepla za podmínek kontinuálního ohřevu. Zjištění by mohla přispět k novému vývoji pružných vysoce výkonných textilních materiálů se zabudovaným aerogelem pro průmyslové i oděvní aplikace.
Pružné polyuretanové a polyvinylidenfluoridové nanoporézní membrány kombinované s aerogelem na bázi oxidu křemičitého byly připraveny elektrostatickým zvlákňováním. Tepelné vlastnosti a propustnost vzduchu byly hodnoceny a porovnávány. Byl učiněn závěr, že nanovlákna s aerogelem jsou vhodná pro tepelnou izolaci za chladného počasí. Tepelně izolační nosiče obsahující nanovlákna by mohly případně snížit hmotnost a objem tepelně ochranného oblečení.
Pro provedení a vyhodnocování všech statistických výsledků byl v této práci použit statistický a analytický software Matlab_R2017a. Dosažené výsledky jsou významné a mohou být použity pro další studium v oblasti tepelných vlastností vysoko pevnostních vlákenných materiálů s aerogelem, které mohou být využity například pro tepelnou izolaci budov či ochranné oděvy.
tags: #tepelna #izolace #flexibilni #aerogel