Gdy zwiększenie grubości termoizolacji jest ograniczone, a nawet niemożliwe, warto zastanowić się nad zastosowaniem aerożelu, który charakteryzuje się małą gęstością, dobrą izolacyjnością akustyczną oraz stabilnością postaciową w wysokich temperaturach.
W praktyce budowlanej występują sytuacje, w których zwiększenie grubości termoizolacji jest ograniczone, a czasami nawet niemożliwe. Ograniczenia mogą wynikać ze względów technologicznych, funkcjonalnych lub estetycznych. Nadmiernie grube ściany redukują powierzchnię użytkową, mostki termiczne występują m.in. w miejscach, w których nadmierna grubość izolacji ogranicza ich funkcjonalność (np. ościeża) lub negatywnie wpływa na estetykę budynku (np. płyty balkonowe).
Aerożel wydaje się być materiałem, który dzięki swoim właściwościom może w wymienionych sytuacjach stanowić rozwiązanie. Sama nazwa aerożelu jest nieco myląca – sugeruje plastyczną konsystencję materiału. Tymczasem typowy aerożel jest półprzezroczystym ciałem stałym o strukturze sztywnej piany przypominający zamrożony dym. Aerożele otrzymywano pierwotnie w wyniku stapiania idealnie czystej krzemionki w atmosferze nadkrytycznego dwutlenku węgla i „rozdmuchiwanie” jej za pomocą par rozpuszczalników organicznych poprzez stopniowe zmniejszanie ciśnienia. Obecnie częściej stosuje się metody chemiczne polegające na reakcji skrajnie rozrzedzonych czterofunkcyjnych alkoksysilanów z parą wodną (np. Si(OCH3)4) w atmosferze gazu obojętnego. Najważniejszą zaletą aerożelu w zastosowaniach budowlanych jest bardzo niski współczynnik przewodzenia ciepła λ na poziomie 0,013–0,016 [W/mK], tj. od 2,5 do 3 razy mniejszy od typowych materiałów termoizolacyjnych. Tak doskonała wartość jest efektem wysokiej porowatości od 90% do 99,9% oraz nanoporowatej struktury. Średni wymiar porów waha się w granicach 10–200 nm (wymiary porów są porównywalne ze swobodną drogą cząstek powietrza), ogranicza zatem transfer ciepła poprzez konwekcję w porach materiału. Przewodzenie realizowane jest w ramach fazy stałej, której udział w objętości materiału wynosi mniej niż 10%. Aerożel posiada bardzo małą gęstość, dobrą izolacyjność akustyczną, stabilność postaciową w wysokich temperaturach. W czystej postaci materiał posiada właściwości hydrofilowe, które przy kontakcie materiału z wodą powodują pęknięcia wewnętrznej struktury. Jednak poddany zabiegom chemicznym staje się hydrofobowy, dzięki czemu doskonale nadaje się do powszechnego stosowania.
Fot. 1. Hydrofobowe właściwości maty aerożelowej – kropla wody na macie (fot. autor)
Fot. 2. Badanie termowizyjne maty Spaceloft, mata grubości 5 mm posiada wyższą izolacyjność termiczną niż 2,6 razy grubsza próbka styropianowa (fot. autor)
Aerożele wytwarza się w wielu postaciach: monolityczne, granulkowe, proszkowe, powłokowe (o grubości kilku milimetrów), cienkowarstwowe (o grubości mniejszej niż 100 nm) i in. Większość izolacji cieplnych, a także realizacja funkcji tłumienia dźwięku i wszelkie zastosowania kinetyczne wymagają grubszego materiału izolacyjnego niż cienkie warstewki lub powłoki.
Dostępne w handlu izolacje aerożelowe występują najczęściej w postaci granulatu i mat. Maty aerożelowe wzmocnione włóknem szklanym mają podobne właściwości izolacyjne do aerożeli monolitycznych, lecz są giętkie i mogą być instalowane w warstwach do uzyskania grubości wymaganej dla danego zastosowania.
Ponieważ przewodność cieplna aerożeli uzależniona jest od temperatury pracy, która może się wahać od –270°C do +650°C, produkty końcowe są odpowiednio modyfikowane, aby zachować najlepsze parametry w określonych warunkach pracy. Spotykane w handlu odmiany mat aerożelowych są przeznaczone do warunków pracy w bardzo niskich temperaturach (Kryogel), w temperaturach wysokich (Pyrogel) lub umiarkowanych (Spaceloft).
a)
b)
Fot. 3. Izolacja z wykorzystaniem maty Spaceloft: a) płyty balkonowej, b) lukarny (fot. D. Krakowski – Aerogels Poland)
Fot. 4. Nanogel – granulat aerożelowy (fot. autor)
Wysokie parametry termoizolacyjne, wytrzymałościowe, izolacyjność akustyczna, ognioodporność, hydrofobowość oraz elastyczność mat aerożelowych predestynują je do stosowania w sytuacjach, w których tradycyjne termoizolacje nie zdają egzaminu: w przestrzeniach o ograniczonej grubości, np. ościeża okienne, drzwiowe, lukarny, wnęki podokienne, drzwi zewnętrzne, wewnętrzne ściany i stropy oddzielające pomieszczenia ogrzewane od nieogrzewanych, ogrzewane elementy lub instalacje o małych promieniach krzywizn, płyty balkonowe itd. Maty mogą okazać się jedyną możliwą do zastosowania izolacją w budynkach zabytkowych, w których z uwagi na możliwość kondensacji powierzchniowej wskazane są zabiegi termomodernizacyjne. Potencjalnych sytuacji, w których zastosowanie izolacji aerożelowych jest pożądane mimo wysokich kosztów materiału, można wskazać dużo więcej, spotykamy je w praktyce budowlanej, a także podczas zwykłej eksploatacji budynków i mieszkań.
Czysty aerożel lub pod postacią granulatu obok wymienionych właściwości termoizolacyjnych posiada jeszcze jedną cechę, która szczególnie przyciąga uwagę architektów – przepuszcza światło. Cecha ta otwiera nowe możliwości projektowania przegród o dużej izolacyjności termicznej, które poza pełnieniem tradycyjnych funkcji (ochrona od czynników atmosferycznych, zimna, gorąca, hałasu itp.) pozwalają także na doświetlanie pomieszczeń światłem rozproszonym.
Rys. 1. Schemat przekroju okna z wkładką aerożelową
a)
b)
Rys. 2. Schemat wykorzystania transparentnej izolacji aerożelowej: a) w ścianie kolektorowo-akumulacyjnej, b) w kolektorze słonecznym
Rys. 3. Panel ścienny [źródło: Kalwall]
Granulat aerożelowy – nanogel (nanogel to nazwa firmowa granulowanego aerożelu, produkowanego przez firmę Cabot Corporation), wypełniający przestrzenie międzyszybowe znacznie poprawia właściwości izolacyjne (cieplne i akustyczne okna). Przykładowe zastosowanie okien z wkładką z granulatem aerożelowym przedstawiono na rys. 1. Okno posiada współczynnik przenikania ciepła U = 0,4 W/m2K. W ramach projektu ISOTEG [3] wykonano prototyp izolacji aerożelowej zintegrowanej z fasadą budynku ZAE-Bayern w Würzburgu.
Kolejnym przykładem wykorzystania aerożelu w obudowie budynku są panele ścienne Kalwall Stokes Systems grubości 7 cm. Są one prześwitujące, ale nieprzezroczyste, dzięki czemu doświetlają pomieszczenia, nie powodując efektu oślepienia. Posiadają współczynnik przenikania ciepła U = 0,28 W/m2K. Redukują hałas o 5 dB.
Aerożel jest także stosowany w instalacjach słonecznych (m.in. kolektory, ściany kolektorowo-akumulacyjne itp.). Umieszczony w kolektorach słonecznych w przestrzeni pomiędzy przeszkleniem i absorberem podnosi ich sprawność dzięki znacznej redukcji strat ciepła od powierzchni czołowej [4].
Projekt badawczy EU HILT (Highly Insulating and Light Transmitting aerogel glazing for window) wykazał możliwość opracowania technologii wytwarzania szyb Airglass AB, które obok właściwej dla aerożelu małej przewodności ciepła (0,021 W/mK) cechuje dobra przezroczystość [5, 6, 7].
Aerożel jest materiałem otwierającym nowe możliwości w budownictwie. Niestety jego stosowanie jest jeszcze bardzo kosztowne. W stosunku do materiałów najbardziej popularnych cena mat aerożelowych jest ponaddwudziestokrotnie wyższa. Z tego względu materiał ten dopiero zdobywa rynek. Należy mieć nadzieję, że potwierdzone w praktyce właściwości, nakręcając koniunkturę, przyczynią się do obniżenia jego ceny, doprowadzając jednocześnie do upowszechnienia tej doskonałej izolacji.
mgr inż. Jerzy Szyszka
prof. P. Rz., dr hab. inż. Lech Lichołai
dr inż. Aleksander Starakiewicz
Politechnika Rzeszowska
Piśmiennictwo
1. J. Fricke, T. Tillotson, Aerogels: production, characterization, and applications, Thin Solid Films Elsevier, 1997.
2. LLNL, „Scence & Technology Review” 10/2003.
3. M. Reim, W. Körner, J. Manara, S. Korder, M. Arduini-Schuster, H.P. Ebert, J. Fricke, Silica aerogel granulate material for thermal, insulation and daylighting, „Solar Energy” 79/2005.
4. W. Smolec, Fototermiczna konwersja energii słonecznej, PWN, Warszawa 2000.
5. K.I. Jensen, J.M. Schultz, F.H. Kristiansen, Development of windows based on highly insulating aerogel glazings, „Journal of Non-Crystalline Solids” 350/2004.
6. J.M. Schultz, K.I. Jensen, F.H. Kristiansen, Super insulating aerogel glazing, „Solar Energy Materiale & Solar Cells” 89/2005.
7. J.M. Schultz, K.I. Jensen, Evacuated aerogel glazings, „Vacuum” 82/2008.
8. B. Gorle, I. Smirnova, M. A. McHugh, Adsorption and thermal release of highly volatile compounds in silica aerogels, „Journal of Supercritical Fluids” 48/2009.
9. J. Szyszka, Izolacje aerożelowe, „Izolacje” nr 9/2009.
10. A. Zastawna, Izolacja aerożelowa na tleizolacji tradycyjnych, „Izolacje” nr 9/2010.
