Nanokerámiás hővédő bevonatok és hőszigetelő festékek
Fogalma
Az építőipar egyik legnagyobb újítása a korszerű hőszigetelő termék a hőpajzs, hővédő bevonat vagy hőszigetelő festék néven ismert nanokerámiás hőszigetelő bevonat.
Kezdetben űrhajók hőszigetelésére használták olyan célzattal, hogy a légtérbe visszatérő űrhajók, szondák ne égjenek el, ne semmisüljenek meg. Később ipari objektumok (pl. tartályolt, vezetékek) hőszigetelésére is elkezdték használni. Az eredeti anyagot továbbfejlesztve mára számos felhasználási területe ismert.
Története
Az 1980-as évek elején Sridhar Komarneni és Rustum Roy módszert fejlesztettek ki nanokerámia részecskék létrehozására. Először szol-gél technológiát alkalmaztak, amelyet később felváltott a szinterelés (nagy hőmérsékleten történő zsugorítás).
Azonban ez a technológia sem volt elég termelékeny, ezért a 2000-es évek elején a gyártási folyamat során használt hagyományos hőtermelőket felcserélték mikrohullámú berendezésre. Mivel a mikrohullámok nem kívülről melegítik az anyagot, hanem be tudnak jutni az anyag belsejébe, ez a módszer sokkal hatékonyabbnak bizonyult nanokerámia-részecskék előállítására.
Gyártása
A nanokerámia hőszigetelő bevonatok mikroszkopikus méretűek, átmérőjük 20-120 μm, falvastagságuk 0,2-1,5 μm, amellyel egy nagyon parányi luftballonhoz hasonlítanak. Belül üreges, vákuumizált kerámia gömböcskéket tartalmaznak, amelyeket nagy (1500 °C) hőmérsékleten megolvasztott üvegből nyernek gáznyomás alatt. Lehűlés közben, ahogy a nyomás megszűnik, a kerámia gömböcskékben vákuum alakul ki.
Vákuumizált nanokerámia gömb felépítése
A kerámiagömbök anyaga üveg, kerámia, legtöbbször alumínium-szilikát, de újabban alkáli boro-szilikátból állítják elő a nagyobb szilárdság és rugalmasság érdekében, hogy a felhordás során ne töredezzenek. A bevonati réteg rugalmasságának növelésére gáztöltetű műanyag gömböket is adagolnak a rendszerhez. A gömbök kedvező szemcseméret-eloszlása érdekében különböző frakciójú gömböket használnak 1-10 p és 10-100 um mérettartományban.
A hővédő bevonati réteg habarcs kötőanyagának olyan komplex feladatot kell ellátnia, mint a gömbök összeragasztása, a falfelülethez való tapadás biztosítása, UV- és hőállóság, páraáteresztő képesség, a fémfelületek korrózióvédelme. Az egyes felhasználási területeknek megfelelően (fal- és fémfelület, nagy hőmérséklet) igen nagy eltérés van az összetételüket illetően, és a különböző termékcsaládok ebben térnek el leginkább egymástól. A gyártó cégek a kötőanyag összetételét nem is adják meg teljes pontossággal, mivel ez legtöbbször szabadalom tárgyát képezi.
Hővédelmi bevonat
Ami biztosan kijelenthető, hogy a vákuumizált golyócskákat egy folyékony, szintetikus kaucsukot, akrilos polimereket és szervetlen pigmenteket tartalmazó elegyben eloszlatják. Ennek a kötőanyagnak a fő alkotórésze általában akrillatex (80%) és a sztirol (20%). A sztirol javítja a termék mechanikai tulajdonságait, az akrillatex pedig megfelelő rugalmasságot és időjárás-állóságot kölcsönöz az anyagnak. Kötőanyagként előfordulhatnak vízzel hígítható gyantapolimerek, akrilátok, észteres alkohol, cellulóz, cink-oxid, titándioxid és alumínium-hidroxid.
A bevonati réteg tulajdonságának javítására kiegészítő adalékanyagokat kevernek a kötőanyaghoz a rugalmasság növelésére, a páraáteresztő képesség biztosítására, a szuszpenzió stabilitására, a termék eltarthatóságára, a falfelületre való felhordáshoz szükséges tapadás biztosítására. A rugalmasság javítására mikroméretű tömör műanyag golyókat adagolnak előállítása során a szuszpenzióhoz. Különféle természetes adalékanyagok (biocidok, konzerválószerek, gomba-és penészállóságot fokozó anyagok) segítségével ellenálló képességét tovább fokozzák.
Mikroszkopikus kerámia gömbök működése
Képek forrása: https://thermofestek.hu/
Nanokerámia bevonatos hőszigetelés kivitelezésekor a kerámia gömböcskéket összekeverik a kötőanyagával, hozzákeverik az adalékszereket. A szigetelendő felületre ecsettel vagy vákuumos porlasztó segítségével lehet felvinni.
Tulajdonságai
Hőtechnikai működését tekintve a hőszigetelő bevonatokban a hőtranszport egészen másként zajlik, mint a hagyományos hőszigetelő anyagokban. A legújabb kutatások arra mutattak rá, hogy a nanokerámiás hőszigetelő bevonatoknak nem a hővezetési tényezője extrém kicsi, hanem a szigetelt felület hőátadási ellenállását képes megnövelni. A mikroszkopikus méretű, vékony falú kerámia gömböcskék fala egy szappanbuborék hártyájához hasonlatos.
A buborékhártya felületek falvastagsága a hőterjedés hullámhosszánál is vékonyabb, ezért ezeken egyszerre csak kis mennyiségű hőenergia tud átadódni. így a nanokerámia bevonat levegővel érintkező felületén nagymértékben gátolt a felületi hőátadás. Ennek következtében a megszokottól eltérő hőátadási tényezőket kell figyelembe venni a hőtechnikai számításoknál. A szakirodalomban találhatók erre pontos értékek, de sajnálatos módon vagy hibás kísérlettel mérték meg, vagy egyszerűen nem ismertetik, hogy a közölt értékeket milyen mérési vagy számítási módszerrel határozták meg.
Kerámia festék elvi működése
Forrás: MTA székház műemlékvédelmi épületének felújítása Protektorral
A nanokerámiás hőszigetelő bevonat összetétele miatt (üveg, kerámia) megfelelő szilárdságú, ugyanakkor rugalmas is. Ellen tud állni a rongálásnak, mechanikai hatásoknak. Könnyen tisztítható és mosható. Ellenáll tűznek, vegyi anyagoknak és a biológiai kártevőknek. Az UV-sugárzás ugyan nem károsítja, de hatására színe idővel megfakul. Felújítása azonban egy újabb réteg felhordásával könnyen és egyszerűen lehetséges.
Jó páraáteresztő, a párát kiszellőzteti, szárazon tartja a falat, így megakadályozza a penészképződést.
Széleskörűen alkalmazható, mivel tökéletesen tapad fémből, betonból, téglából, fából, műanyagból, gumiból és egyéb anyagból készült felületekre. Kivitelezési technológiája gyors és egyszerű, nincsenek járulékos költségei, nem hagy port, szemetet maga után.
Természetesen a hővédő bevonat hőszigetelő képessége nem csak a kerámiagömbök hőtranszport-folyamataitól függ, mivel ezt nagymértékben befolyásolja a festékhez adagolt kötő- és adalékanyagok mennyisége, ennek a habarcsanyagnak a gömbök felületén való rétegvastagsága, valamint a gömbök közötti terek kitöltöttsége, azaz a bevonati réteg porozitása.
A nanokerámiás hőszigetelő bevonatok fontosabb anyagjellemzői
| Tulajdonság | Jel | Mértékegység | Érték |
|---|---|---|---|
| Testsűrűség (nedves) | ρ nedves | kg/m3 | 500-745 |
| Testsűrűség (száraz) | ρ száraz | kg/m3 | 290-410 |
| Nyomószilárdság | σ nyomó | kPa | - |
| Húzószilárdság | σ húzó | kPa | 200-300 |
| Hajlítószilárdság | σ hajlító | kPa | - |
| Tapadószilárdság (beton) | τ beton | kPa | 460-920 |
| Tapadószilárdság (acél) | τ acél | kPa | 470-900 |
| Fajhő | Ϲ | J/kg x K | 1080 |
| Lineáris hőtágulási együttható | α | l/K | - |
| Vízfelvétel (hosszú idejű) | W | V/V % | 20-30 |
| Hővezetési tényező | λ | W/m x K | 0,001-1,003; vagy 0,014; vagy 0,070; vagy 0,14 |
| Páradiffúziós ellenállási szám | µ | - | 2 |
| Páradiffúziós tényező | - | mg/ Pa x h x m | - |
| Gyulladási hőmérséklet | T | °C | 300 |
| Tűzvédelmi osztály | - | - |
Alkalmazása
Kültéri és beltéri alkalmazása is lehetséges. Épületek hőszigetelésén kívül alkalmas épületgépészeti vezetékek, távhővezetékek szigetelésére, tűzvédelmi és korrózióvédelmi bevonatként is. Mivel kivitelezéskor folyékony halmazállapotú, így a nehezen elérhető helyekre is felhordható festőhengerrel, ecsettel, kefével vagy vákuumos porlasztóval.
Nagy felületek szigetelése esetén a fúvásos technológia a leghatékonyabb. Ha a szigetelés több rétegben készül, ügyelni kell arra, hogy a felhordás mindig ugyanabból az irányból történjen, ezáltal elkerüljük a felületi egyenetlenségeket. A színe alapvetően fehér, de alapvetően bármilyen színezőanyag keverhető hozzá.
A hővédő vékonyréteg tulajdonságát nagymértékben meghatározza a kerámiagömbök közötti tér telítettsége, azaz a kötőanyag és az adalékanyag százalékos tömeg részaránya. Amennyiben a falfelületre való felhordás ecsettel vagy hengerrel történik, úgy a gömbök közötti térnek kötőanyaggal telítettnek kell lennie. Ilyenkor a kitöltőanyag nagymértékben rontja a bevonat hőszigetelő képességét és a páraáteresztő képességét is.
Ezért célszerű különböző nagyságú gömbök keverékét használni, és a hőszigetelő bevonatot nagynyomású szóróberendezéssel felhordani a falfelületre, mert ilyenkor a habarcsanyag csak a gömbök összeragasztásához szükséges. A felhordás technológiájától és a gömbök szemszerkezetétől függően a kötő- és adalékanyagok mennyisége termékenként széles határok között változhat, kb. 20-50 tömeg %.
Lapostető hőszigetelése nanokerámiás hővédő bevonattal
Forrás: Protektor kerámia festék tetőtre
A szigetelendő felületet kivitelezés előtt meg kell tisztítani mindennemű szennyeződéstől (por, rozsda, zsír) és idegen anyagtól. Gipszkarton felületre való felhordás esetén alapozóréteg felhordása ajánlatos, egyéb esetekben általában erre nincs szükség.
Általában két rétegben készül, amelyek közül az első réteg tapadásnövelő adalékszert tartalmaz, így ez tekinthető alapozórétegnek. A száradási idő függ a páratartalomtól és a hőmérséklettől. 20 °C hőmérsékleten ez általában 4-5 órát vesz idénybe, a teljes szilárdulási idő pedig 72 óra.
Példák
Példák Protektor hőszigetelő festék alkalmazására: ITT