Najcieplejszy materiał izolacyjny - aerożel (nanożel) - "Opowiastki Pana Wiesia o izolacji w budownictwie" cz. 20

Wraz z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi efektywności energetycznej budynków, opracowywane są coraz bardziej wydajne materiały izolacyjne. W tym celu wykorzystywane są między innymi nanotechnologie. Jednym z tak opracowanych materiałów izolacyjnych jest tzw. aerożel, który umożliwia uzyskanie wysokiej izolacji termicznej przy jednoczesnym zachowaniu małej objętości. 

Aerożel- co to jest? 

Aerożel (zwany również nanożel) powstaje w wyniku usunięcia części ciekłej substancji o konsystencji żelu w warunkach nadkrytycznych w wysokiej temperaturze i/lub pod wysokim ciśnieniem. W żelu tworzą się wówczas pory wypełnione gazem, które zastępują ciecz. Aerożele to nie tylko fascynujące wizualnie materiały. Posiadają one również właściwości, których nie może zaoferować żaden inny materiał na ziemi. W rezultacie powstaje bardzo lekki materiał o nieprawdopodobnie wysokiej izolacyjności, taka całkiem sztywna, choć krucha i delikatna, nanoporowata gąbka.  Przekonał się o tym, niestety, wahadłowiec Columbia, kiedy oderwany w czasie startu od zbiornika kawałek aerożelu uszkodził płytki… aerożelu na krawędzi natarcia skrzydła promu. W efekcie podczas powrotnego przelotu przez termosferę gorące gazy (plazma) stopiły poszycie i mogły dostawać się do środka, rozrywając wahadłowiec.

Aerożel- najcieplejszy materiał izolacyjny, najcieńsza warstwa

Na szczęście w ziemskim, tradycyjnym budownictwie, wytrzymałość mechaniczna aerożeli ma znaczenie drugorzędne – wystarczy by dało się je łatwo i bezpiecznie montować. Do produkcji aerożelu nadają się krzemiany, takie jak kwas krzemowy, lub tlenki metali, takie jak aluminium i chrom oraz związki węgla. W zależności od tego, która z tych substancji zostanie użyta, właściwości izolacyjne aerożelu są różne.

Aerożel jest prawie przezroczysty lub półprzezroczysty, stabilny temperaturowo i ma dużą wytrzymałość na ściskanie w stosunku do swojej masy. Jego masa jest nieprawdopodobnie niska, zatem i wytrzymałość niewielka, ale to rewelacyjny izolator, a nie materiał na konstrukcje. Aerożele składają się prawie w całości z porów. Ich rozmiar jest w zakresie nanometrów, a powierzchnie wewnętrzne mogą być niewiarygodnie duże, nawet do 1000 m2 na gram. Dziesięć arów na jeden gram! W tak drobnej strukturze aerożelu zamknięte są cząsteczki powietrza, które nie mają możliwości zetknięcia się ze sobą. Konwekcyjny transfer ciepła – podstawowy mechanizm izolacyjny warstw powietrza - jest więc niemożliwy i to jest ich naprawdę ogromna zaleta. Prawie idealne materiały termoizolacyjne.

Najwyższa klasa odporności ogniowej 

Ważną cechą charakterystyczną aerożelu jest klasa ogniowa A.

Klasyfikację ogniową materiałów budowlanych opisuje norma PN-EN 13501-1:2010+A1:2019. Najlepsza klasa to A,  najsłabsza F.

Aerożel to nieplanowany materiał o wyjątkowej klasie ogniowej. Dla porównania “niepalny” styropian ma klasę ogniową E a standardowy XPS - F.

Jego niezwykła trudnozapalność sprawia, że aerożel staje się innowacyjnym materiałem, znajdującym zastosowanie w dziedzinach wymagających wysokiego stopnia bezpieczeństwa przeciwpożarowego. 

Produkty z klasą ogniową A charakteryzują się wysokim stopniem trudnozapalności i niskim ryzykiem rozprzestrzeniania się ognia. Klasyfikacja ogniowa A oznacza, że materiał jest trudno palny i ma ograniczoną zdolność do wydzielania dymu. Produkty należące do tej klasy są uważane za bezpieczne w kontekście przeciwpożarowym, co sprawia, że są powszechnie stosowane w miejscach, gdzie istnieje szczególne wymaganie dotyczące ochrony przed zagrożeniem ogniem. W praktyce oznacza to, że produkty z klasą ogniową A są skonstruowane lub traktowane w taki sposób, aby minimalizować ryzyko zapłonu i ograniczyć potencjalne skutki pożaru.

Aerogel początkowo został stworzony w laboratoriach NASA dla potrzeb projektów kosmicznych, aerożel szybko zdobył uznanie ze względu na swoje niezwykłe cechy. 

Najniższy współczynnik przewodzenia ciepła- porównanie

Ponadto efekt termoizolacyjny aerożeli polega na zmniejszonym gazowym przewodzeniu ciepła, ponieważ tzw. długość drogi swobodnej cząsteczek gazu w aerożelach jest znacznie większa niż odległość między ścianami porów! Zapobiega to przenoszeniu ciepła poprzez zderzenia cząsteczek. To trochę tak, jakby w jednym porze była jedna cząsteczka powietrza. Dzięki tym właściwościom aerożele umożliwiają doskonałą izolację wszędzie tam, gdzie potrzebna jest cienka, wysokoizolacyjna warstwa.

Dla porównania: minimum wartości przewodności cieplnej, a więc najlepsze własności termoizolacyjne (mierzona w temperaturze 0 °C) styropian osiąga dla gęstości od 25 kg/m3 do 33 kg/m3 i wynosi λ = 0,033 W/(m·K). Dla gęstości wyższych i niższych niż optymalna właściwości termoizolacyjne ulegają pogorszeniu, osiągając dla gęstości 12 kg/m3 wartość λ = 0,044 W/(m·K). Dalsze zmniejszanie gęstości powoduje gwałtowne pogorszenie właściwości termoizolacyjnych, i tak dla gęstości 10 kg/m3 wartość współczynnika wynosi λ = 0,057 W/(m·K). Aerożel ma zatem około dwukrotnie mniejszą przewodność cieplną niż najlepszy styropian.

Maty izolacyjne z aerożelu- nowoczesne ocieplenie fasad i ścian od wewnątrz

Aerożel jako budowlany materiał izolacyjny dostępny jest w postaci mat izolacyjnych. 

Maty te są związane przez usztywniające struktury z włókien lub włókniny.

Ze względu na swoją elastyczność mechaniczną aerożel może być wykorzystywany w szerokim zakresie zastosowań w dziedzinie ochrony przed dźwiękiem, ciepłem i ogniem. Maty mają zwykle grubość do 12 mm i są dostarczane na plac budowy w rolkach. Materiał może być stosowany do zewnętrznej izolacji fasad (np. za ścianami osłonowymi).

Maty izolacyjne są również coraz częściej łączone w płyty o grubości do 100 mm i wykorzystywane w kompozytowych systemach izolacji cieplnej. Niskie przewodnictwo cieplne umożliwia stosowanie izolacji o bardzo małej grubości, co jest szczególnie korzystne w przypadku zastosowania jako system izolacji wewnętrznej.

Aerożel w granulacie- ocieplanie poprzez wdmuchiwanie

Aerożele w postaci granulatu stosowane są również w obszarze modernizacji (retrofitting) izolacji rdzeniowej, ponieważ pomiędzy powłoką nośną a licową jest zazwyczaj tylko niewielka przestrzeń, a materiał izolacyjny musi być wprowadzany również przez bardzo małe otwory wypełniające. Aerożele do izolacji wdmuchiwanej mają również tę przewagę nad perlitem, szkłem ekspandowanym czy granulatem EPS, że mają przewodność cieplną ok. 1 W/( m·K) i dzięki temu mogą znacznie zmniejszyć przenikanie ciepła nawet przy niewielkich grubościach warstw. Jeśli już podczas budowy budynku zaplanowano izolację rdzenia, maty aerożelowe można wykorzystać również do izolacji pomiędzy powłoką nośną a licową.

Tynki izolacyjne z aerożelem

Kolejnym innowacyjnym zastosowaniem jest wzbogacenie tynków izolacyjnych o aerożele. Taki wysokowydajny tynk izolacyjny izoluje znacznie lepiej niż konwencjonalny tynk izolacyjny - przewodność cieplna jest dwa do trzech razy mniejsza - i dlatego oferuje nowe możliwości, zwłaszcza w energetyce renowacji starych budynków, w zakresie izolacji w ograniczonej przestrzeni bez zmiany wyglądu budynku.

Wysokowydajne tynki izolacyjne z aerożelu osiągają, np. w pomieszczeniach wewnętrznych, już przy warstwie o grubości zaledwie 20 milimetrów w zdecydowanej większości przypadków spełniają już minimalne wymagania dotyczące izolacji cieplnej. Tynki izolacyjne z aerożelu nadają się szczególnie do izolacji

• bardzo nieregularnych, pełnych katów, załamań i małych powierzchni pomieszczeń,
• powierzchni za grzejnikami,
• w podsufitkach  wewnątrz  i  na  zewnątrz lub
• krzywych (obłych) powierzchni .

Tynk izolacyjny z aerożelem sprawdza się szczególnie tam, gdzie nie można zamontować płyt izolacyjnych lub inne tynki izolacyjne musiałyby być nakładane zbyt grubo.

Tyniki izolacyjne- opis produktu

Jednym z pierwszych aerozolowych wysokowydajnych tynków izolacyjnych jest Fixit 222 Aerogel Hochleistungsdämmputz szwajcarskiej firmy Fixit AG. Wysokowydajny tynk izolacyjny na bazie wapna wykorzystuje głównie granulat aerożelu jako lekkie kruszywo i osiąga przewodność cieplną 0,028 W/ m·K. HECK AERO iP to mineralny, niepalny tynk izolacyjny z aerożelu firmy HECK Wall Systems, który może być stosowany zarówno do izolacji zewnętrznej, jak i wewnętrznej. HECK AERO iP można szybko i łatwo nakładać ręcznie lub maszynowo, a jego wartość przewodności cieplnej wynosi 0,0345 W/ m·K (wartość obliczeniowa 0,040 W/ m·K). Jest również otwarty na dyfuzję i dzięki temu oferuje ochronę przed uszkodzeniami spowodowanymi wilgocią i rozwojem pleśni.

Przyszły potencjał aerożelu jako materiału izolacyjnego

Ze względu na konieczne suszenie w stanie nadkrytycznym, produkcja aerożelu jest bardziej energochłonna niż przeciętnie i jest obecnie droższa niż inne materiały izolacyjne ze względu na wciąż niewielkie ilości produkcji. Ze względu na bardzo dobre właściwości termiczne, aerożel jest jednak materiałem izolacyjnym o naprawdę dużym potencjale na przyszłość. Oprócz redukcji kosztów w procesie produkcyjnym, konieczne są dalsze badania nad długoterminowym efektem izolacyjnym aerożelu, zwłaszcza nad odpornością na warunki atmosferyczne, oraz możliwościami przetwarzania aerożelu na placu budowy, również w odniesieniu do aspektów zdrowotnych. Ponadto problemem kosztowym jest to, że bazują one prawie wyłącznie na kopalnych lub energochłonnie pozyskiwanych surowcach, na przykład minerałach krzemianowych. Na tą chwilę powszechność  blokuje jego cena aerożelu Jest 10 krotnie wyższa niż pozostałych materiałów izolacyjny. Jednak dzięki swojej izolacyjności, odporności na ogień i wytrzymałości na nacisk jest coraz częściej stosowany w budownictwie.

Aerożele drewniane z ligniną- opis produktu

W 2018 roku naukowcy z Uniwersytetu Technicznego Hamburg-Harburg (TU HH) z powodzeniem wyprodukowali aerożele z przewagą ligniny i przetworzyli je między innymi na płyty izolacyjne. Tym samym badacze znacznie zbliżyli się do produkcji czystych aerożeli ligninowych. Naukowcy wykorzystali ligninę z odpadów drewnianych i słomy pszennej, którą w konsorcjum uzyskano przy użyciu dwóch przyjaznych dla środowiska metod fermentacji - procesów Organosolv i Aquasolv. Wykorzystując pięć różnych strategii żelowania, następnie przekształcili ligniny w aerożele. W wyniku jednego z najbardziej udanych podejść uzyskano hybrydowe aerożele ligninowo-poliuretanowe o regulowanej gęstości pomiędzy 50 a 250 kg/m3. Zawartość ligniny w masie wynosi 78%, a proces został przeskalowany do skali zakładu pilotażowego.

Płyty izolacyjne wykonane z tego typu aerożelu osiągają przewodność cieplną na poziomie 24 mW/ m·K, a więc wyraźnie przewyższają właściwościami izolacyjnymi styropian czy wełnę mineralną.

Obiecujące są również aerożele rezorcynowo-formaldehydowe na bazie ligniny o powierzchni 500 m2/g i bardzo szerokim spektrum regulowanych właściwości. Są one do 70 proc. oparte na ligninie. Taki materiał izolacyjny może być po użyciu poddany recyklingowi lub ponownie wykorzystany i oprócz budynków może być również stosowany w urządzeniach chłodzących lub odzieży funkcjonalnej. W zależności od zastosowania można by produkować w tym celu proszek, granulat lub płyty.

Aerożel jako materiał mikrobudowlany w precyzyjnej obróbce

Aerożele krzemionkowe są bardzo kruche, dlatego też zazwyczaj są wzmacniane włóknami lub biopolimerami. Ze względu na kruchość nie jest również możliwe piłowanie lub frezowanie małych kawałków z bloku aerożelu. Również zestalanie aerożelu w bardzo małych objętościach nie przebiega w sposób niezawodny, co prowadzi do wysokiego wskaźnika odrzutów. Dlatego aerożele nie mogły być dotychczas stosowane na małą skalę. W 2020 roku zespołowi ze szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Badań i Testowania Materiałów (Empa) udało się wytworzyć stabilne, dobrze uformowane mikrostruktury z aerożelu krzemionkowego za pomocą drukarki 3D. Wydrukowane struktury z aerożelu krzemionkowego mogą mieć grubość do dziesiątej części milimetra i charakteryzować się przewodnością cieplną nieco poniżej 16 mW/( m·K). Jednocześnie nowatorski, wydrukowany w 3D aerożel krzemionkowy ma lepsze właściwości mechaniczne i może być nawet wiercony i frezowany. Powinno to ucieszyć komputerowców, bo otwiera to zupełnie nowe zastosowania, takie jak termiczne izolowanie od siebie najmniejszych elementów elektronicznych lub wykorzystanie ich jako rodzaj pompy permeacyjnej wykonanej z wydrukowanej membrany aerożelowej (tzw. "pompa Knudsena"). Oznacza to zredukowanie konieczności stosowania – trudnego technologicznie i kosztownego – aktywnego chłodzenia w komputerach, których moc grzewcza jest niewiele mniejsza od podobnych rozmiarami grzejników.

W kolejnych opowiastkach na które już serdecznie zapraszamy. Zagłębimy się izolacji pianką PU i materiałami z poliuretanu. 

Zdjęcie tytułowe oraz w artykule autorstwa Courtesy NASA/JPL-Caltech - NASA Stardust Website, Domena publiczna,