Aerogél hőszigetelés, gyártása és alkalmazása
Fogalma
Az aerogél egy mesterséges, porózus, ultrakönnyű, szilárd anyag, amely gélből származik oly módon, hogy a folyékony komponenset gáznemű anyaggal cserélik ki. Az eddig ismert legkisebb sűrűségű szilárd anyagnak tartják, amely számos különleges fizikai tulajdonsága mellett rendkívül jó szigetelőképességű (többek közt hőszigetelő képességű is).
Áttetsző volta és belső fénytörése miatt angolul „frozen smoke” (fagyott füst), „solid smoke” (megszilárdult füst) vagy „blue smoke” (kék füst) néven is említik a források, azonban a magyar szakirodalomban az aerogél elnevezés terjedt el. Bár külsőre tényleg olyan, mintha kék füstből vágtak volna ki, érintésre a polisztirolhoz hasonlít.
Története
Először Sámuel Stephens Kistler készített aerogélt 1931-ben, miután fogadott egy kollégájával, Charles Learneddel, hogy képes a zselében a folyadékot gázzal kicserélni anélkül, hogy a zselé összeroskadna. Az első ilyen gélek a szilíciumdioxidból előállított szilikagélek voltak. Azóta bebizonyosodott, hogy aerogélt számos különböző anyagból lehet készíteni, amelyek közül a legfontosabbak az alumínium-oxid, a króm-oxid és az ón-dioxid.
Aerogél
Sámuel Stephens Kistler
Az aerogél hőszigetelést az 1980-as években a National Aeronautics and Space Administration (NASA) egyik leányvállalata, az Aspen Aerogels fejlesztette ki. Alkalmazhatóságát azonban gátolták gyenge mechanikai tulajdonságai. Az igazi áttörést az jelentette, mikor a 2000-es években szálerősítéssel is ellátták. Az eredmény egy rendkívül rugalmas építőanyag lett kül- és beltéri hőszigetelésként , számos olyan műszaki paraméterrel, amelyeknek köszönhetően világszerte széles körben alkalmazhatóvá vált. További előnye, hogy aggregátumként nagyméretű tetőablakok és már transzparens szerkezetek hőszigetelésére is használható.
Gyártása
Az aerogél készítésének alapja, a szolgél módszer, három lépésben történik. Elsőként szilárd szemcsék, víz és szerves oldószer felhasználásával egy kolloid szuszpenzió készül, amelyet szolnak nevezünk (szilikagél esetén ez kolloid-szilika). Ezt az oldatot lehűtik, ekkor az anyag zselatinszerű géllé válik. Ezt követi a folyékony komponens elpárologtatása. Azonban, ha ezt normál hőmérsékleten tennénk meg, a gél összezsugorodna.
Megelőzésére fejlesztették ki a fagyasztásos szárítási eljárást (liofilizálás), vagyis először megfagyasztják a gélt, rögzítve ezzel az alakját. Utána egy olyan speciális fagyasztó vákuumedénybe helyezik, amelyben a jég (azaz a fagyott állapotban lévő folyékony komponens) szublimál (vagyis a folyékony halmazállapot kihagyásával elpárolog). A folyamat végén a gél kaptárszerű szerkezete marad hátra, amelynek celláiban a folyékony komponens helyét immár a levegő veszi át. Az így létrehozott szerkezet inkább habnak nevezhető, de a szakirodalomban az aerogél név terjedt el.
Az aerogél paplan gyártási folyamata
Az aerogél hőszigeteléseket általában műanyag vagy üvegszál-erősítéssel látják el, hogy fokozzák tartósságát, rugalmasságát és mechanikai ellenálló képességét. Ilyenkor az elkészült aeroszolt a száraz hordozóanyagra permetezik, amit lehűtenek, hogy kialakuljon hordozórétegen a zselatinszerű gélréteg. A paplant feltekerik, majd hidrofobizáló adalékszerrel kezelik. Ezt követi a fagyasztásos szárítás, majd miután a gép folyékony komponense távozott, egy meleg szárítókamrába helyezik, ahol a még bennmaradt felesleges oldószert is eltávolítják belőle. A gyártás végső fázisában a csomagolás, szállítás és tárolás következik.
Tulajdonságai
Megérintve a könnyű, szilárd hab érzetét kelti. Nevével ellentétben száraz, és fizikai tulajdonságai teljesen elütnek a gélekétől. Kis terhelés hatására nem szenved maradó alakváltozást, azonban erős nyomás maradandó mélyedést képezhet rajta. Tönkremenetelkor struktúrája radikálisan megváltozik, és üvegként törik darabokra. Szerkezete rendkívül erős és saját súlyának kétezerszeresét is képes megtartani. Mikrostruktúrájában a 2-5 nm nagyságú gyűrű alakú részecskék csomókba tömörülnek. Rendkívül porózus (99,8%-a levegő), pórusai 100 nm-nél kisebbek.
Nagyon kis hővezetési tényezője mellett előnyös fizikai és mechanikai tulajdonságai vannak. Nem öregszik, gombák és egyéb kártevők nem támadják meg, beépítése során nem kell számolni környezetvédelmi problémákkal. Hidrofób (víztaszító), jó víz- és páraáteresztő képességű, környezetbarát, és teljes mértékben újrahasznosítható.
Kiváló hőszigetelő tulajdonságát a nanoméretű, egydimenziós molekulaláncának köszönheti. Pórusszerkezetében nem tud cirkulálni a levegő, ezért a konvektív hőtranszport korlátozott. Az aerogél részecskéinek érintkezési felületei szintén olyan aprók, hogy a nanoszerkezetben a hővezetés is akadályokba ütközik, lelassul. Mindezen túl a nanostruktúra pórusai kisebbek annál a szabad úthossznál, ami a gázmolekulák mozgási energiájának átadásához szükséges. Sőt, a nanopórusok az infravörös sugárzás (azaz a hősugárzás) hullámhosszánál is kisebbek, amelynek következtében a cellafalak visszaverik és szétszórják a hősugárzást.
Az aerogél hőszigetelés fontosabb anyagjellemzői
| Tulajdonság | Jel | Mérték-egység | Érték |
|---|---|---|---|
| Testsűrűség | ρ | kg/m3 | 60-80 |
| Nyomószilárdság | σ nyomó | kPa | 2-100 |
| Húzószilárdság | σ húzó | kPa | 200 |
| Hajlítószilárdság | σ hajlító | kPa | - |
| Fajhő | Ϲ | J/kg x K | 750-840 |
| Lineáris hőtágulási együttható | α | l/K | - |
| Vízfelvétel (hosszú idejű) | W | V/V % | 100 |
| Hővezetési tényező | λ | W/m x K | 0,013-1,021 |
| Páradiffúziós ellenállási szám | µ | - | 5 |
| Páradiffúziós tényező | - | mg/ Pa x h x m | - |
| Gyulladási hőmérséklet | T | °C | 650 |
| Tűzvédelmi osztály | - | - |
Alkalmazása
Az aerogél hőszigetelések alkalmazási területe magas ára miatt korlátozott. Leggyakrabban épületszerkezetek hőtechnikai problémáit lehet vele javítani, amelyek valamilyen tervezési vagy kivitelezési hibából adódtak. Ezenkívül az aerogél hőszigetelő termékek kiválóan alkalmasak problémás épületszerkezeti csomópontok hőszigetelésére passzív és kis energiájú épületekben.
Hőhídmegszakító elemként kiválóan alkalmazható monolit vasbeton szerkezetek (koszorúk, pillérek, áthidalók), nyílászáró-csatlakozások, redőny- és zsaluziatokok, csőáttörések hőszigetelő képességének javítására. Rugalmassága folytán alkalmas különleges formájú épületelemek és szerkezetek hőszigetelésére, valamint olyan helyeken, ahol nincs elég hely az általános hőszigetelő anyagok elhelyezésére.
Aerogélből többféle hőszigetelő termék is forgalomban van, mégpedig:
- az aerogél hőszigetelő paplanok,
- aerogél öntapadó hőszigetelő csíkok,
- transzparens hőszigetelések.
Aspen Aerogels aerogél hőszigetelő paplan
A) Hőszigetelő paplanok
Az aerogél hőszigetelő paplan olyan flexibilis kompozit anyag, amely tulajdonképpen üvegszál térhálóba ágyazott aerogél. Kismértékben összenyomható, vakolható, tűzálló, flexibilis és könnyen rögzíthető íves felületekre anélkül, hogy veszítene szakítószilárdságából és rugalmasságából. Tekercsben kapható, ami a gyors és sokrétű alkalmazását teszi lehetővé. Különböző vastagsági méretekben (2-10 mm) gyártják, különböző hőmérséklet-tartományban -200 °C és +650 °C között. Hatékonyan alkalmazható épület felújításoknál, műemlék épületek hőszigetelésére, valamint a hőhidak utólagos megszüntetésére.
B) Öntapadó hőszigetelő csíkok
Az aerogél öntapadó hőszigetelő csíkok anyagtulajdonságai a hőszigetelő paplanokéval szinte teljesen megegyeznek. Általában hőhídmegszakító elemként használják problémás épületszerkezetek (pl. könnyűszerkezetes épületek elemcsatlakozásai) esetén. Előszeretettel építik be könnyűszerkezetes épületek falazataiba, ill. födéméibe. Ezek akár előregyártva is készülhetnek, csökkentve az építkezés idejét, ill. az élő munka igényt.
Felhasználását megkönnyíti, hogy ragasztóval ellátott, öntapadós változatban gyártják. Könnyen és egyszerűen felhasználható, és már 1-2 cm vastagság is elegendő, hogy nagymértékben javítsa a szerkezeti csomópont hőtechnikai tulajdonságai.
C) Transzparens hőszigetelések
Az aerogél hőszigetelések harmadik nagy területe a transzparens hőszigetelése. Előnyük, hogy napfényvilágítás esetén áttetszők, kiváló hőszigetelő képességük mellett a napfényt és a napenergiát átengedik. Nagy homlokzati üvegfelületeknél (pl. függönyfalak), tetőbevilágítók, belső üvegfalak (pl. válaszfalait) és korlátok anyagaként alkalmazható.
A nanoporózus transzparens hőszigeteléseknek alapvetően két fajtáját különböztetjük meg, a félig fényáteresztő aerogél granulátumot és a teljes mértékben fényáteresztő, monolit aerogél hőszigetelést. Ezt az aerogél granulátumot két üvegfelület közé töltik be. A két üvegfelület közti teret egy 16 mm vastag, kétrétegű polimetil-metakrilát tábla két 12-16 mm vastagságú részre osztja, amelyek kripton- vagy argongázzal vannak kitöltve. Ebbe a két résbe kerül az aerogél granulátum.
A monolit aerogél transzparens hőszigetelést az Európai Unió Highly Insulating and Light Transmitting projektje keretében fejlesztették ki. Az így kifejlesztett ablak az előző módszert a vákuumüvegezéssel kombinálja, amelynek során az üvegtáblák közötti térben 1-10 mbar nyomást alkalmaznak.