Aerożel: cena, właściwości i zastosowanie aerożelu w budownictwie

W ostatnich latach wyraźnie widać tendencję do maksymalnego ograniczania zużycia energii cieplnej w budownictwie, a tym samym zaostrzenie wymogów związanych z izolacyjnością cieplną oraz minimalizacją strat ciepła.

W związku z tym poszukuje się jak najbardziej efektywnych materiałów izolacyjnych, które zarazem w jak najmniejszym stopniu ograniczą powierzchnię użytkową czy też wysokość pomieszczeń.

Jednym z ciekawszych, aczkolwiek niezbyt jeszcze często stosowanych materiałów, jest aerożel.

Co to jest i jak powstaje aerożel?

Aerożel w postaci proszku albo pyłu jest znany od roku 1931, a jego wynalazca amerykański chemik Samuel S. Kistler sprzedał w 1940 roku licencję na technologię produkcji tego materiału firmie Monsanto Corporation.

Już dwa lata później zaczęła się produkcja wyrobów aerożelowych początkowo pod nazwą Santocel, które stanowiły dodatek matujący do farb, a także jako element past do zębów i kosmetyków.

Proszek aerożelowy wykorzystywano również do wzmocnienia opon, jako materiał zagęszczający, wypełniający oraz do izolacji skafandrów dla kosmonautów.

Na przełomie lat 50. i 60. naukowcom udało się zidentyfikować unikatowe właściwości izolacyjne aerożelu i wtedy patent na materiały izolacyjnej na bazie aerożelu krzemionkowego dostała firma Johns-Manville Corporation.

Jednocześnie proszki aerożelu krzemionkowego zaczęto wzmacniać włóknami szklanymi.

Aerożel wytwarza się zazwyczaj na bazie krzemionki, aczkolwiek w ostatnim czasie wykorzystuje się też nanorurki węglowe i grafen.

Zdarzają się również aerożele na bazie zeolitów i aluminoksanów, jednak krzemionka jest zdecydowanie najczęściej stosowana.

Początkowo stapiano czystą krzemionkę w atmosferze nadkrytycznego dwutlenku węgla, a następnie zmniejszano stopniowo ciśnienie, aby ją rozdmuchać.

Obecnie dominują metody chemiczne, które prowadzą do powstania aerożelu krzemionkowego mającego postać piany.

Materiał ten otrzymuje się metodą SOL-GEL opracowaną w roku 1983.

Pierwszym etapem jest tworzenie mokrego żelu w reakcji rozrzedzonych dość mocno czterofunkcyjnych alkoksysilanów z parą wodną, co ma miejsce w atmosferze obojętnego gazu.

W wyniku hydrolizy powstaje SOL, czyli koloidalne cząstki cieczy, które są formowane w trójwymiarową strukturę GELU poprzez proces kondensacji.

Dzieje się tak, ponieważ zmniejsza się ciśnienie w reaktorze jeszcze zanim zastygnie żel, a w efekcie znacząco wzrasta objętość materiału.

Wtedy to do reaktora wprowadza się gaz obojętny i jednocześnie podnosi temperaturę, aby piana się usztywniła i powstał aerożel, który może mieć postać:

• monolityczną,
• granulową,
• proszkową,
• powłokową o grubości kilku milimetrów,
• cienkowarstwową o grubości najwyżej 100 nm.

Aerożel właściwości

Aerożel charakteryzuje się świetnymi właściwościami termoizolacyjnymi, które wynikają z dużej ilości porów oraz struktury tego materiału.

Bierze się to z ograniczenia powietrza przez szkielet krzemionkowy.

Nawet 99,8% objętości mogą stanowić pory, z tym że jednocześnie są na tyle małe, iż zarówno wpływ konwekcji, jak i promieniowania staje się minimalny.

Co ważne, krzemionkowy szkielet sprawia, że mamy do czynienia z ciałem stałym, a nie gazowym.

Bardzo charakterystyczną cechą aerożeli będzie ich porowata struktura, która przypomina naszyjniki z pereł o wymiarach 1-5 nm.

To właśnie owe nanocząsteczki są odpowiedziane za całą powierzchnię materiału.

Nieduża ich wielkość, mniejsza od długości fali światła widzialnego, sprawia że aerożel może mieć postać transparentnego ciała stałego o strukturze porowatej, a jednocześnie być doskonałym izolatorem.

Jego przewodność cieplna wynosi nawet 100 razy mniej w porównaniu z organicznymi polimerami o standardowej gęstości.

Mikrostruktura wpływa również na niską szybkość rozchodzenia się fal dźwiękowych.

Aerożel a inne materiały termoizolacyjne

Rewelacyjny współczynnik przewodzenia ciepła aerożeli

Izolacje aerożelowe wyróżniają się najlepszym współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie 0,012-0,016 W/(m.K).

Dla porównania styropian ma 0,031-0,042 W/(m.K), a wełna mineralna 0,030-0,045 W/(m.K).

Nawet pianka poliuretanowa ma gorsze parametry w porównaniu z aerożelem, ponieważ jej współczynnik przenikania ciepła to 0,026-0,029 W/(m.K).

Pośród ciał stałych to aerożel wyróżnia się najlepszymi parametrami w tym zakresie.

Właśnie dlatego poleca się stosowanie aerożelu w budownictwie pasywnym i energooszczędnym.

Tak niski współczynnik przewodzenia ciepła powoduje, że nie ma potrzeby stosowania grubej warstwy izolacyjnej, aby zapewnić odpowiedni komfort cieplny dla domowników, a jednocześnie zagwarantować jak najniższe koszty ogrzewania.

Co ważne, w ten sposób dom nie tylko zimą w niewielkim stopniu traci ciepło, ale także podczas upałów wnętrza nie nagrzewają się.

Ochrona termiczna budynku będzie tym samym optymalna.

Na poniższym filmie można zobaczyć test przewodzenia ciepła aerożelu

Aerożel to dobry izolator akustyczny

Materiał aerożelowy charakteryzuje się świetnymi parametrami w zakresie izolacji akustycznej, podobnie jak wełna mineralna.

Udowodniono rozchodzenie się fal dźwiękowych w tym materiale z prędkością zaledwie 100m/s.

To wyraźnie korzystniejsze parametry w stosunku do styropianu i porównywalne z wełną mineralną.

Odporność ogniowa aerożelu

Aerożel wzmocniony został zakwalifikowany jako materiał klasy A reakcji na ogień, co oznacza, że jest całkowicie niepalny oraz odporny na działanie wysokich temperatur.

Wszystkie swoje właściwości zachowuje do temperatury około 500°C, natomiast jego temperatura topnienia ma wartość 1200°C.

Pod wpływem ognia nie wydziela też żadnych substancji toksycznych, a także nie odpada.

Ma w tym zakresie podobne parametry do wełny mineralnej, oba materiały wykazują tym samym zdecydowanie lepszą odporność na ogniową w porównaniu ze styropianem.

Warto podkreślić, że materiał aerożelowy występuje w kilku odmianach, które mają odmienną odporność ogniową.

Pierwsza charakteryzuje się wysoką odpornością na wysokie temperatury – Pyrogel, ale jest również typ przeznaczony do stosowania w ekstremalnie niskich temperaturach do -270°C – Kryogel oraz umiarkowanych – Spaceloft.

Odporność na związki chemiczne

W tym przypadku aerożel jest równie odporny na działanie związków chemicznych jak wełna mineralna, w przeciwieństwie do styropianu pęczniejącego pod wpływem benzyny i ropy naftowej, a także nieodpornego na rozpuszczalniki organiczne.

Odporność na wilgoć

Tutaj należy podkreślić, że czysty aerożel jest substancją hydrofilową i nie wykazuje odporności na działanie wody, a pod jej wpływem zniszczeniu ulega wewnętrzna struktura materiału.

Jednak wzmocnienie włóknami szklanymi prowadzi do uzyskania materiału hydrofobowego, który jest wyjątkowo odporny na wodę i wilgoć.

Jego parametry w tym zakresie można porównać z właściwościami styropianu.

Oba materiały są pod tym względem lepsze w stosunku do wełny mineralnej, która jest dość nasiąkliwa i nie ma odpowiedniej trwałości w warunkach wysokiego zawilgocenia.

Aerożel zarazem cechuje się dużą paroprzepuszczalnością i jest uważany za oddychający.

Tym samym można go wykorzystać nawet do izolacji wewnętrznej, ponieważ mimo szybkiego przyjmowania wilgoci z powietrza następuje jednocześnie sprawne jej odprowadzenie i ściany pozostają suche.

Odporność mechaniczna

Wytrzymałość na rozciągnięcie aerożelu w poprzek włókien wynosi ponad 20 kPa, a wzdłuż co najmniej 80 kPa.

Warto zaznaczyć, że w przypadku wełny mineralnej będzie to przynajmniej 10 kPa, natomiast styropian ma wytrzymałość na rozciągnięcie prostopadłe do powierzchni czołowych co najmniej 100 kPa.

Materiał aerożelowy wykazuje również dobrą odporność na ściskanie, w pełni absorbuje energię uderzeniową.

To także wynik wzmocnienia aerożelu włóknami szklanymi, ponieważ czysty aerożel jest substancją kruchą i nie ma odporności na uderzenia.

Gęstość aerożelu

Materiał ten ma mniejszą gęstość w porównaniu z wełną mineralną, ale znacząco większą w stosunku do styropianu.

Osiąga wartość 117-145 kg/m3, przy wartościach wełny na poziomie 135-170 kg/m3 i styropianu 14-19 kg/m3.

Aerożel wyjątkowo łatwo daje się pociąć oraz dopasowywać do krzywizn.

Wpływ na zdrowie

Aerożel ma taki sam wpływ na zdrowie człowieka jak wełna mineralna, a więc może podrażniać drogi oddechowe i skórę przy wykonywaniu ociepleń, natomiast będzie całkowicie nieszkodliwy dla mieszkańców budynków ocieplonych.

Warto zaznaczyć, że styropian jest zupełnie nieszkodliwy zarówno dla wykonawców, jak i użytkowników.

Aerożel cena

Tak naprawdę to właśnie wysoka cena przyczynia się do mniejszej popularności tego materiału w stosunku do wełny mineralnej bądź styropianu.

Ocieplenie jednego metra kwadratowego przy pomocy aerożelu będzie przynajmniej 10 razy droższe.

Maty aerożelowe o grubości 5 mm kosztują 140-150 zł/m2, natomiast takie o grubości 10 mm oznaczają wydatek rzędu 200-235 zł/m2.

Różnice w cenach wynikają z zastosowanych dodatków, które mają wpływ na możliwość użycia materiału w określonym przedziale temperatur.

Wysoka cena jest też w zasadzie jedyną wadą aerożelu i przeszkodą, aby stosować ten materiał na szerszą skalę.

Aerożele – rodzaje i zastosowanie

Aerożele klasyfikuje się zgodnie z ich właściwościami masowymi.

Te cienkowarstwowe mają grubość mniejszą niż 100 nm, natomiast powłokowe mogą mieć kilka milimetrów, najczęściej będą to maty aerożelowe o grubości 5 albo 10 mm.

Większe zastosowanie mają aerożele monolityczne w stosunku do granulowych czy cienkowarstwowych, ponieważ materiały izolacyjne powinny mieć trochę grubszą warstwę, aby spełniać swoją rolę.

Aerożele świetnie minimalizują zarówno przewodnictwo, jak i konwekcję oraz promieniowania.

Forma użytkowa Kryogel jest także idealnym izolatorem kriogenicznym.

Maty aerożelowe

Maty aerożelowe mają bardzo podobne właściwości izolacyjne do aerożeli monolitycznych, lecz wzmocnienie włóknem szklanym daje im giętkość, a ponadto można je układać w warstwach, o ile zajdzie potrzeba uzyskania większej grubości.

Powszechnie uznaje się ten materiał za najlepszy izolator cieplny, zdecydowanie górujący właściwościami nad najlepszymi sztywnym piankami.

Przy formowaniu w kilku warstwach zazwyczaj korzysta się z wiążących owinięć, sklejenia bądź procesu igłowania, kiedy włókna umieszcza się poprzecznie, aby związać razem produkt wielowarstwowy.

Przy izolowaniu ścian zewnętrznych nie ma przeszkód, aby maty aerożelowe stosować razem z materiałami okładzinowymi.

Nie tylko ocieplenie zewnętrzne

Co ważne, izolacje aerożelowe nadają się do zastosowania nawet od wewnątrz.

Jak wiadomo ocieplanie ścian wewnętrznych jest stosunkowo rzadko stosowane ze względu na niebezpieczeństwo pojawienia się wilgoci, jednak aerożel jest materiałem idealnie nadającym się do takiego zastosowania.

Nie tylko błyskawicznie oddaje wilgoć, więc na ścianach na pewno nie pojawią się groźne wykwity, ale także jego cienka warstwa sprawia, że nie traci się zasadniczo powierzchni użytkowej.

Cienkie maty aerożelowe nadają się również do izolacji podłóg i sufitów.

Można je również zastosować przy ogrzewaniu podłogowym i wtedy wystarczy mata o grubości zaledwie 5 mm albo jako element izolacyjny przy podłodze pływającej.

Jest to także idealny wybór do izolacji podłogi w piwnicy.

Maty z aerożelu można też z powodzeniem wykorzystać jako termoizolację dachu.

Usuwanie mostków termicznych

Cienka warstwa oraz wyjątkowa giętkość mat aerożelowych umożliwia ich wykorzystanie w celu zlikwidowania mostków termicznych w miejscach, w których nie byłoby sposobu, aby zastosować tradycyjne materiały izolacyjne.

Trzeba wtedy jedynie pamiętać o konieczności zostawienia marginesu, mniej więcej na 50 cm.

Niektórzy inwestorzy decydują się na taki manewr, a więc ze względów oszczędnościowych stosują styropian bądź wełnę, natomiast aerożel jedynie do usuwania mostków termicznych w budynku.

Izolacja cieplna budynków zabytkowych

Warto podkreślić, że jedynie maty aerożelowe nadają się do termoizolacji ścian w zabytkowych budynkach i tych objętych ochroną konserwatorską, ponieważ nie naruszają w żaden sposób dekoracyjnych lub historycznych elementów elewacji, jak gzymsy albo efektowne zdobienia okien.

W ten sposób budynek zachowuje swój pierwotny wygląd.

Podobnie będzie z obiektami o zakrzywionych mocno powierzchniach.

Granulki aerożelowe

Jednym z podstawowych elementów budynku, poprzez który notuje się największe straty energii są okna.

Niektórzy producenci starają się poprawiać ich parametry wytwarzając próżnię pomiędzy dwiema szybami, jednak to rozwiązanie nie jest optymalne.

Znacznie lepsze i skuteczniejsze będą szyby z zastosowaniem granulek aerożelowych bądź sprężystego panelu aerożelowego, który zostaje wprowadzony pomiędzy szyby.

Tego typu okna nie tylko zagwarantują odpowiednią izolację cieplną, ale także akustyczną.

Warto przy tym podkreślić, że czysty aerożel krzemionkowy doskonale przepuszcza światło dzienne, a zarazem stanowi ochronę przez przegrzewaniem się wnętrza i oślepianiem domowników, więc okna z wkładką aerożelową sprawdzą się zarówno zimą, jak i latem.

Światło dzienne będzie rozproszone, gdyż wkładka z aerożelu ma charakter prześwitujący, ale jednocześnie nieprzezroczysty.

Okna takie wyróżniają się wartością współczynnika przenikania ciepła U na poziomie około 1,2 W/m·K bez powłoki bądź gazów wypełniających o niskiej przewodności, a przy zastosowaniu powłoki termicznej i wypełnieniu gazem obojętnym oraz zastosowaniu aerożelu w ramie mogą okazać się jeszcze bardziej skuteczne i tym samym idealnie sprawdzą się w budownictwie pasywnym oraz energooszczędnym.

Wartość U wynosi wtedy około 0,95 W/m·K.

Dodatkowe zastosowania aerożelu

Ten materiał wykorzystuje się również w budownictwie w formie specjalnej taśmy, która zabezpiecza konstrukcje drewniane i stalowe przed pęknięciami termicznymi.

Maty izolacyjne z aerożelu nadają się także do ochrony podłoży betonowych w niskich temperaturach.

Drzwi będą miały lepsze parametry termoizolacyjne i akustyczne, jeżeli zastosuje się przekładki aerożelowe pomiędzy dwoma panelami drewnianymi.

Aerożel sprawdzi się również jako izolacja:

• strychu,
• fundamentów,
• bram garażowych,
• słupków lub konstrukcji ramowych ze stali,
• okładzin piecowych i kominów.

Aerożel wykorzystuje się ponadto w urządzeniach AGD np.:

• opiekaczach,
• lodówkach,
• zamrażarkach,
• kuchenkach,
• pralkach,
• ogrzewaczach wody.

Termoaktywna masa szpachlowa z aerożelem

W ofercie rynkowej dostępna jest również termoaktywna masa szpachlowa do izolacji ścian i sufitów podwieszanych oraz izolacji mostków termicznych, która zawiera aerożel.

Warto przy tym pamiętać, aby tego typu masę szpachlową stosować wyłącznie na specjalnie dedykowany środek gruntujący, który nie tylko będzie miał odpowiednie właściwości paroprzepuszczające, ale zarazem zapewni właściwą przyczepność masy do podłoża.

Przy stosowaniu masy szpachlowej z aerożelem w celu zabezpieczenia mostka termicznego również konieczne będzie wykonanie naddatku wynoszącego 40-50 cm.

Kiedy izoluje się jedną ścianę zewnętrzną, to należy zrobić takie naddatek na wszystkich ścianach sąsiednich, suficie, a nawet na podłodze, o ile jest taka możliwość.

Na poniższym filmie można zobaczyć jak aplikuje się metodą natryskową masę szpachlową z aerożelem

Przy ocieplaniu wnęk okiennych niezbędny jest naddatek na ściany, a przy oknach dachowych na sufit.

Masa szpachlowa z aerożelem zapobiega pojawieniu się wilgoci na ścianach oraz niebezpiecznych wykwitów. Trzeba jednak pamiętać, aby przed jej zastosowaniem usunąć grzyb w przypadku wcześniejszych tego typu problemów.

Widać wyraźnie, że aerożele mają naprawdę sporo zalet i jedyną barierą przy zastosowaniach domowych będzie wysoka cena.

Litr masy szpachlowej z aerożelem kosztuje 50-70 zł, a wystarczy do pokrycia zaledwie metra kwadratowego powierzchni.

Maty, jak już wcześniej wspomniano, to wydatek rzędu 140-230 zł za metr kwadratowy, całościowe koszty mogą zostać zwielokrotnione ze względu na konieczność zastosowania więcej niż jednej warstwy.

W porównaniu z wydatkami na styropian, wełnę mineralną, czy piankę poliuretanową są to kwoty oszałamiające i dlatego jeszcze niewielu inwestorów decyduje się na tego typu rozwiązania na większych powierzchniach.