Izolacja aerożelowa na tle izolacji tradycyjnych

Produktem spełniającym w dużej mierze te oczekiwania jest aerożel wykonany na bazie krzemionki. Spośród znanych materiałów stałych wyróżnia się najlepszymi udokumentowanymi właściwościami przewodzenia ciepła.

Termoizolacyjność aerożelu

Aerożel ma bardzo dobre właściwości termoizolacyjne dzięki ilości i strukturze porów wewnątrz materiału. Powietrze jest ograniczone krzemionkowym szkieletem w taki sposób, że powstaje bardzo duża ilość porów (nawet do 99,8% objętości). Są one jednocześnie na tyle małe, że minimalizują wpływ konwekcji i promieniowania. Dodatkowo szkielet powodujący, że aerożel jest ciałem stałym, zbudowany jest z cząstek krzemionki będącej słabym przewodnikiem ciepła.Na rys. 1 porównano wartości współczynnika przewodzenia ciepła izolacji aerożelowych oraz innych stosowanych materiałów termoizolacyjnych.

Właściwości czystego aerożelu

Oprócz bardzo dobrych właściwości termicznych aerożel ma również inne cechy wyróżniające go spośród pozostałych izolacji. Czysty aerożel na bazie krzemionki:

• charakteryzuje się najniższą wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ wśród materiałów stałych (od 0,012 do 0,018 W/(m·K)),
• jest bardzo dobrym izolatorem akustycznym (fale dźwiękowe rozchodzą się w tym ośrodku z prędkością tylko 100 m/s),
• jest całkowicie niepalny, nietoksyczny, odporny na bardzo wysokie temperatury (zachowuje swoje właściwości do temperatury 500°C, a temperatura topnienia wynosi 1200°C),
• ma bardzo dużą porowatość: od 90% do 99,87%,
• średnia średnica porów wynosi 20–50 nm, wielkość cząsteczek krzemionki to 2–5 nm,
• powierzchnia wewnętrzna wynosi od 600 do 1000 m²/g,
• ma małą gęstość – 1,9–150 mg/cm³,
• absorbuje energię uderzeniową,
• jest odporny na ściskanie i rozciąganie (wytrzymuje nacisk na gładką powierzchnię pochodzący od ciężaru rzędu 2000 jego własnego ciężaru),
• nie jest odporny na działanie wody, która niszczy jego wewnętrzną strukturę,
• jest kruchy, nie ma odporności na uderzenia, na skręcanie i ścinanie. 

Produkty z aerożelu dostępne na polskim rynku

Obecnie izolacje aerożelowe produkowane są w postaci granulatu, mat i płyt. Na polskim rynku dostępne są w postaci mat (fot. na górze). Pojawiły się one w Polsce dwa lata temu, a w 2009 r. otrzymały aprobatę techniczną ITB i atest PZH. Mają grubość 5 i 10 mm, a ich współczynnik przewodzenia ciepła λ wynosi 0,014–0,016 W/(m·K).

Głównym elementem mat jest aerożel na bazie krzemionki, który zatopiony jest we włóknach tworzących szkielet i powodujących, że staje się on materiałem elastycznym i możliwym do obróbki za pomocą zwykłych nożyczek. Zastosowanie włókien wzmacniających wyeliminowało wady czystego aerożelu, które dyskwalifikowały go w dużym stopniu jako materiał użyteczny w budownictwie, takie jak: kruchość, nieodporność na uderzenia czy niszczące działanie wody. Zachowano natomiast większość specyficznych własności, którymi wyróżnia się aerożel w pierwotnej postaci (w tym najważniejszą – bardzo niski współczynnik przewodzenia ciepła). W ten sposób otrzymano materiał izolacyjny, który jest mocny, wytrzymały, cienki, trwały oraz wodoodporny, a przy tym charakteryzujący się bardzo dobrymi właściwościami tłumienia dźwięków.

Dzięki bardzo niskiemu współczynnikowi przewodzenia ciepła możliwe jest stosowanie zdecydowanie cieńszych warstw niż w przypadku wełny mineralnej czy styropianu.

Na rys. 2 przedstawiono porównanie grubości najczęściej stosowanych materiałów termoizolacyjnych o oporze równoważnym 10-centymetrowej warstwie styropianu. Na wykresie widać, że warstwę 10 cm styropianu można zastąpić 3,8-centymetrową warstwą izolacji aerożelowej. Natomiast grubość warstwy włókien celulozowych potrzebnej do osiągnięcia tej samej termoizolacyjności będzie ok. trzy razy większa niż w aerożelu.

Należy wziąć pod uwagę konieczność stosowana kilku warstw izolacji aerożelowej, by móc osiągnąć wymagany opór cieplny przegrody. W układach wielowarstwowych współczynnik przewodzenia ciepła ulega pogorszeniu w porównaniu z pojedynczymi warstwami. Badania układów wielowarstwowych wskazują na zwiększenie wartości współczynnika przewodzenia ciepła maksymalnie o 10% (w przypadku łącznej grubości ok. 100 mm). Jednak nawet w takim wypadku właściwości termoizolacyjne izolacji areożelowej są zdecydowanie lepsze niż innych materiałów.

Maty aerożelowe Porogel zyskują w wielu kategoriach przewagę nad tradycyjnymi izolacjami termicznymi. W tabeli zestawiono i porównano parametry materiałów termoizolacyjnych najczęściej stosowanych do ocieplania ścian budynków (zaczerpnięto je z aprobat technicznych, artykułów oraz danych producentów).

Jak wynika z danych zawartych w tabeli, maty na bazie aerożelu mają lepsze właściwości termoizolacyjne – ich współczynnik przewodzenia ciepła jest ok. dwukrotnie mniejszy zarówno od styropianu, jak i wełny mineralnej. Aerożel ma korzystniejszą niż wełna mineralna gęstość objętościową, a co za tym idzie ciężar. Nie może jednak w tej kategorii konkurować ze styropianem, który jest ok. dziesięciokrotnie lżejszy. Ze względu na odporność ogniową jest lepszym materiałem niż styropian. Własności wytrzymałościowe ma zbliżone do styropianu. Szczególnie istotna jest wytrzymałość na ściskanie i nieduża odkształcalność materiału – dobre parametry dają możliwość jego zastosowania np. do izolacji podłóg.

Maty na bazie aerożelu mają również bardzo dobre właściwości tłumienia dźwięków, co sprawia, że można je stosować jako efektywną izolację akustyczną. Materiał ten nie ma zbyt dużych ograniczeń dotyczących warunków otoczenia: jest odporny na działanie wody, mało nasiąkliwy oraz odporny na działanie związków chemicznych. Mankamentem stosowania mat aerożelowych może być możliwość podrażnienia skóry i dróg oddechowych podczas ich montażu. Jednak użycie ubrania roboczego i masek ochronnych niweluje ten problem. Istotnym parametrem jest zakres temperatury, w jakim materiały termoizolacyjne zachowują swoje własności. Dla aerożelu zakres ten jest zdecydowanie najszerszy i stwarza możliwości zastosowania np. jako izolacja w instalacjach przemysłowych czy w specjalistycznych pomieszczeniach z bardzo niską temperaturą typu komory kriogeniczne.

Rys. 3 przedstawia porównanie zakresu temperatur pracy wybranych materiałów termoizolacyjnych (stosowanych najczęściej w instalacjach przemysłowych) oraz zmiany współczynnika przenikania ciepła w różnych warunkach temperaturowych.

Uwagi dotyczące zastosowania

Według aprobaty technicznej wydanej przez ITB w Warszawie maty z aerożelu przeznaczone są do wykonywania izolacji cieplnej sufitów, ścian i stropów oraz podkładów pod wylewki cementowe. Maty te mogą być również użyte do izolacji ościeży w bezspoinowych systemach ociepleń, izolacji rurociągów i obudowie domów ruchomych (przyczepy mieszkalne). Ponadto znajdują zastosowanie w izolacji wewnętrznej budynków będących pod nadzorem konserwatora, w szczególności tam, gdzie nie może być naruszona elewacja zewnętrzna. Przykłady zastosowań przedstawiono na fot. 2–10.

Według wymienionej aprobaty maty powinny być dociskane do izolowanej powierzchni i łączone mechanicznie z podłożem i między sobą. Maty powinno się układać, dosuwając kolejną do poprzedniej mijankowo, na zakładkę, tak aby uzyskać potrzebną grubość izolacji i jej ciągłość. Z minimalnych wartości oporu dla poszczególnych rodzajów przegród wynika konieczność stosowania większej liczby warstw mat lub stosowania układów warstwowych (połączenie mat z innymi materiałami izolacji cieplnej).

ITB zaznacza, że izolacja z mat powinna być zawsze szczelnie oddzielona od środowiska, w jakim ją zastosowano. Ze względu na specyfikę materiału (pylenie i hydrofobowość) ITB wskazuje na ewentualne trudności z łączeniem warstw i mocowaniem do podłoża przez klejenie oraz odsyła do wytycznych producenta. Niestety, instrukcja montażu opracowana przez producenta mat dotyczy jedynie izolacji rurociągów. Według informacji otrzymanych od przedstawiciela firmy w dotychczasowych zastosowaniach używano kleju do ociepleń na wełnie mineralnej i technologii mocowania analogicznej do technologii mocowania wełny.

Producent produktów chemii budowlanej przeprowadził badania związane z łączeniem warstw mat aerożelowych ze sobą oraz do podłoża przy użyciu kleju do ociepleń wełną mineralną oraz badania dotyczące wyprawy tynkarskiej powierzchni mat. Na podstawie tych badań sugeruje konieczność stosowania tynków elastycznych: akrylowych bądź silikonowo-silikatowych. Wiąże się to, niestety, z pogorszeniem właściwości paroprzepuszczalności, a także ze zwiększeniem (i tak już bardzo wysokich) nakładów finansowych. Użycie do łączenia warstw kleju przeznaczonego do ociepleń wełną zostało uznane za dopuszczalne.

Według Atestu Higienicznego wydanego przez PZH podczas montażu i transportu należy zachować środki ostrożności, tj. stosować kombinezony, okulary, maski przeciwpyłowe i rękawice w celu ochrony przed podrażnieniem oraz uczuciem suchości skóry. Należy minimalizować ilość wytwarzanego kurzu oraz zapewnić odpowiednią wentylację. Zamiatanie nie jest skuteczną metodą zbierania zanieczyszczeń aerożelowych. Ze względu na hydrofobowość mat woda również nie jest skutecznym środkiem usuwającym kurz.

Problem z ceną

Izolacje aerożelowe są powszechnie stosowane w sektorze budownictwa na świecie, lecz w Polsce dopiero zyskują uznanie. Do tej pory kilka polskich firm wykonawczych zdecydowało się na rozwiązania z użyciem izolacji na bazie aerożelu. Wykonawcy są zadowoleni z możliwości, jakie dał im ten materiał, produkt ten stosowany był bowiem głównie w miejscach, w których żadne inne rozwiązania się nie sprawdziły. Jego zastosowanie wynikało w większości wypadków z niemożności użycia innych materiałów lub było alternatywą korygującą usterki bądź błędy wykonawczo-projektowe. Wiele z istniejących zastosowań izolacji aerożelowej dotyczy minimalizacji wpływu mostków termicznych w węzłach konstrukcyjnych, natomiast niewiele jest przypadków związanych z izolacją większych powierzchni. Główną tego przyczyną jest wysoka cena w porównaniu z innymi materiałami termoizolacyjnymi.

Relację cenową między matami aerożelowymi a najpopularniejszymi materiałami używanymi do izolacji ścian w przeliczeniu na jednostkę oporu cieplnego przedstawiono na rys. 4. Różnica ta jest znaczna, co daje odpowiedź na pytanie, dlaczego mimo tak dobrych parametrów izolacja aerożelowa nie jest powszechnie stosowana (w szczególności nie jest stosowana do izolowania dużych powierzchni płaskich typu ściany, w których nie ma ograniczeń związanych z zastosowaniem styropianu czy wełny mineralnej).

Podsumowanie

Izolacje aerożelowe dają nowe możliwości eliminacji lub minimalizacji mostków termicznych  w miejscach, gdzie nie jest możliwe stosowanie izolacji o dużych grubościach. Stosowanie aerożelu jest jednak kosztowne. Być może w miarę ulepszania technologii wytwarzania wyroby aerożelowe staną się bardziej dostępne cenowo, a tym samym zaistnieją jako powszechnie stosowana izolacja przegród płaskich. Na razie wszechstronne właściwości izolacji na bazie aerożelu dają możliwości korygowania izolacyjności w sytuacjach awaryjnych, gdzie ograniczenia nie pozwalają na stosowanie materiałów tradycyjnych.

Bardzo dobre parametry sprawiają, że aerożel znajduje zastosowanie w budownictwie nie tylko do izolacji przegród lub redukcji mostków termicznych, lecz także jako pomoc przy produkcji nowoczesnej stolarki, ubrań roboczych czy kasków. Jest atrakcyjnym materiałem do izolacji różnych przewodów instalacyjnych. Materiał ten używany jest także jako dodatek do powłok malarskich lub napełniaczy tworzyw sztucznych, w systemach spoiw i uszczelnień, w tym także w wyrobach gumowych.

WRZESIEŃ 2010

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!