Aerożele – właściwości, zastosowanie, cena

Niezwykle lekkie i cechujące się bardzo niską gęstością aerożele są w budownictwie znane od lat, ale dopiero ostatni okres przyniósł znaczący wzrost ich stosowania. Szczególne właściwości tego stałego materiału sprawiają, że można go użyć do bardzo wielu zastosowań, a dodatkowo przystępna w porównaniu do tej sprzed lat cena jeszcze mocniej podnosi jego atrakcyjność w oczach profesjonalnych ekip budowlanych. Czym są aerożele i co je cechuje? Dlaczego uważane są za jedne z najbardziej efektywnych materiałów izolacyjnych pozwalających minimalizować straty na ogrzewaniu domu? Jakie mają właściwości i gdzie można je zastosować? Odpowiadamy na pytania!

Jak powstaje i do czego służy aerożel?

Przede wszystkim aerożele jako materiały stałe i nadzwyczajnie lekkie – wykonywane są z żelu, w którym tzw. składnik płynny został zastąpiony gazem. Aktualnie aerożel uważa się za najlżejszy materiał stały na świecie, bo aż w 90% składa się on z powietrza, osiągając przy tym gęstość 0,3 miligrama na cm3. To właśnie ten niezwykły produkt pozwala izolować obiekty bez ograniczania ich powierzchni oraz wysokości, zyskując doskonałą ochronę cieplną.

W praktyce aerożel jest typem spienionego tworzywa sztucznego opartego na środkach spieniających z dodatkiem polimeru. Polimer stanowi w nim materiałem bazowy, nierzadko użyty w dwóch kombinacjach, które pozwalają właśnie na uzyskanie jego niespotykanej lekkości i małej gęstości. W produkcji aerożel robi się zamrażając ciekły żel, a dalej zmieniając warunki jego zamrażania tak, by powstało mocne, lekkie, wyróżniające się szeregiem ważnych zalet ciało stałe.

Do czego służy aerożel? To zależy od tego, jak chcemy go wykorzystać. Dziś najczęściej stosuje się go w budownictwie, w izolacjach, w systemach wygłuszania wnętrz oraz do tworzenia barier ognioodpornych. Dodatkowo nowoczesne aerożele stanowią wydajne filtry, dzięki którym z powietrza mogą być szybko wychwytywane cząsteczki kurzu i pyłów.

Ciekawostka: pierwsze aerożele zostały wytworzone w 1931 roku przez amerykańskiego naukowca i inżyniera chemika, Samuela Stephensa Kistlera. W trakcie swoich badań (de facto wywołanych zakładem z kolegą z pracy) próbował on usunąć z galaretki płyn tak, żeby jednocześnie nie zmniejszyć jej objętości! Cel osiągnął i na tej podstawie wyprodukował z czasem pierwsze aerożele, ale ponieważ wtedy miały tendencję do zapadania się, a koszty ich produkcji były niezwykle drogie – przez długi czas zarzucono ich wykorzystywanie.

Później nad tańszymi metodami pracował francuski badacz Stanislaus Teichner, a w laboratoriach NASA pierwotnie otrzymywano je ze stapiania czystej krzemionki w atmosferze nadkrytycznego dwutlenku węgla i dalej rozdmuchiwanie za pomocą rozpuszczalników organicznych. Dopiero po wyeliminowaniu wad początkowej produkcji, wraz z odkryciem kolejnych technik ich tworzenia (głównie metod chemicznych generujących niższe koszty i wyższej jakości produkt), zyskały one nowe, lepsze właściwości i idącą za nimi popularność w branży budowlanej.

Dziś aerożele mogą być tworzone z różnych materiałów, od tradycyjnego krzemu, przez grafen, nanorurki węglowe aż po cyniany platyny.

Aerożel – właściwości

Jakie najważniejsze właściwości ma aerożel?

  • Ponadprzeciętna lekkość – 0,3 mg/ cm3 to gęstość jaką nie może się pochwalić żaden inny produkt.
  • Wygląd zewnętrzny: przezroczysty, łudząco podobny do kawałka lodu, który wygląda na twardy, ale w przeciwieństwie do lodu, nie topi się. Jest ciałem stałym.
  • Niemal całkowita powietrzność – żel jest ciałem stałym, ale składa się aż w 90% z powietrza oraz w 9,8 % z innych gazów.
  • Niska przewodność – co oznacza, że jest bardzo odporny na wysokie temperatury i ciepło. Wskaźnik przewodności cieplnej aerożelu wynosi ok 0,75 W/cm/K (0,012-0,016 W/(m. K), a dla porównania ten sam wskaźnik w wełnie mineralnej to od 0,030 do 0,045 W/(m. K). Przewodność cieplna aerożelu wynosi nawet 100 razy mniej niż organiczne polimery o standardowej gęstości.
  • Wytrzymałość na zrywanie do 8000 psi
  • Wysokie właściwości izolacyjne
  • Bardzo dobra wytrzymałość techniczna
  • Dobre właściwości dźwiękoszczelne, zdolność do tłumienia hałasów we wnętrzach i ich skuteczne wygłuszanie
  • Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej – to znaczy, że po wpływem zmiany temperatury nie zmienia on swojej objętości
  • Duże nasycenie porami, które stanowią bardzo dobry filtr wychwytujący z powietrza zanieczyszczenia
  • Odporność na ściskanie i rozciąganie – co pozwala na jego łatwiejsze dopasowanie do krzywizn
  • Odporność na związki chemiczne
  • Całkowita niepalność i ognioodporność – aerożel ma klasę A w reakcji na ogień, a więc jest odporny na działanie wysokich temperatur. W praktyce: aż do 500 stopni Celsjusza. Warto pamiętać, że aerożel występuje w różnych odmianach i rodzaje te mogą mieć inną odporność ogniową.
  • Zdolność wytrzymania nacisku na ich gładką powierzchnię rzędu aż 2000 – 4000 razy ich masy własnej
  • Stabilność do temperatury ok 1200 stopni Celsjusza – jest to temperatura topnienia krzemionki, na podstawie której powstaje dziś większość aerozoli.
  • Aerożele wzmocnione włóknami szklanymi są również materiałem hydrofobowym, to znaczy że są odporne na wodę i wilgoć, a do tego mają charakter paroprzepuszczalny. Niemniej, czysty aerożel bez wzmocnienia włóknem szklanym nie ma odporności na działanie wody i stanowi materiał hydrofilowy
Przeczytaj też:  Karmazynowy - co to za kolor, rożnica z czerwonym jak powstaje, inspiracje we wnętrzach

Czy poza zaletami, stanowiącymi większość właściwości aerożeli, mają one również wady?

Tak, oczywiście. Do wad zaliczyć należy dużą kruchość, małą odporność na bezpośrednie uderzanie oraz niską wytrzymałość na skręcanie i ścinanie.

Ile waży aerożel?

Aerożel jako najlżejszy materiał świata waży ledwie nieco więcej niż powietrze, a w niektórych przypadkach może być nawet od niego lżejszy! Przyjmuje się, że gęstość aerożelu to ok 0,3 mg/ cm3 ale są i takie jego odmiany, które osiągają tu stopień 0,16 mg/ cm3. Japońscy naukowcy wytworzyli swojego czasu w laboratoriach Nagoya University aerożel, który po podgrzaniu halogenowymi żarówkami był w stanie lewitować w powietrzu!

Ciekawostka: jeśli weźmiemy aerożel o wadze 0,75 kg i obok ustawimy tafle szkła o takiej samej jak on objętości, to szkło to będzie ważyło aż 750 kg!

Aerożele – rodzaje

Wśród najczęściej dziś stosowanych i tym samym najbardziej nowoczesnych aerożeli, wyróżniamy rodzaje:

  • Monolityczne – są grubsze od pozostałych, co pozwala je lepiej wykorzystać np. w izolacjach
  • Granulowe – mają formę charakterystycznych, bardzo drobnych granulek, które swobodnie mogą być wstrzykiwane w okolicy okien, tam gdzie najtrudniej o efektywne docieplenie i jednocześnie, gdzie generuje się najwyższe straty energii. Granulki aerożelowe zapewniają zarówno optymalną izolację cieplną, jak i automatycznie poprawiają akustykę wnętrza, dbając o jego dźwiękoszczelność. Ten rodzaj aerożelu słynie z doskonałej przepuszczalności światła dzienne i stanowi dobrą ochronę przed oślepianiem domowników przez promienie słońca i przegrzewaniem się wnętrz w czasie lata.
  • Cienkowarstwowe – o grubości mniejszej niż 100 nm
  • Proszkowe – proszek aerożelowy to dobry sposób np. na wzmocnienie opon, ale jest też wykorzystywany jako wypełniający i zagęszczający materiał do izolowania np. skafandrów kosmicznych. Dziś proszkowo aerożele są często wzmacniane szklanym włóknem
  • Powłokowe – zazwyczaj wyróżniają się grubością kilku milimetrów
Przeczytaj też:  Podłoga winylowa - cena, opinie, montaż

Każdy z w/w rodzajów klasyfikowany jest zgodnie z ich masowymi właściwościami

Zastosowanie aerożelu

Ze względu na swoje wybitne właściwości chemiczne i wyjątkową lekkość w połączeniu z niskim stopniem przewodnictwa cieplnego, zastosowanie aerożelu w dzisiejszym przemyśle jest bardzo szerokie.

Budownictwo. W tym sektorze częstość stosowania aerożelu zwiększa się z roku na rok, mimo jego stosunkowo wysokiej ceny. Produkt ten może radykalnie (na plus!) odmienić wiele inwestycji budowlanych, dlatego zarówno jego zastosowanie jak i chęć wykorzystania w budowie, systematycznie się zwiększają.

  • Izolacje cieplne – do utrzymywania ciepła w budynkach (zimą) i do wychładzania temperatury wnętrza (latem). Tu dużą zaletą aerożelu w materiałach izolacyjnych jest jego lekkość – nie obciąża konstrukcji, zajmuje mało miejsca, a przy tym jest jednym z najbardziej skutecznych i efektywnych izolatorów na rynku. Do tego plusem w stosowaniu w tym charakterze jest możliwość jego bardzo łatwego montażu (lekki, wytrzymały) i podobnie – w razie potrzeby, szybka opcja demontażu. Aerożel może zostać wykorzystany zarówno do ocieplania ścian, jak i okien oraz innych miejsc i przedmiotów wymagających szczególnej ochrony przed zimnem. Pozwala na maksymalne ograniczenie strat energii cieplnej do dogrzewania budynków.
  • Do ocieplania budynków, które nie mogą być ocielone od zewnątrz – np. zabytkowych i umieszczonych wg starych zasad budownictwa tuż na granicy z sąsiednią działką
  • Do poprawienia parametrów cieplnych już istniejącej izolacji
  • W budownictwie pasywnym i energooszczędnym
  • Do ochrony podłoży betonowych w niskich temperaturach
  • Jako izolacja strychów, poddaszy, fundamentów
  • Do docieplania okien, które zyskują dzięki temu współczynnik przenikania ciepła U na poziomie 1,2 W/m.K, a ze specjalną dodatkową powłoką termiczną nawet 0,95 W/m.K
  • Jako termoaktywna masa szpachlowa do izolowania podwieszanych sufitów. Tego typu masa eliminuje też ryzyko występowania na ścianach wilgoci i innych niebezpiecznych dla zdrowia wykwitów
  • Do założenia całkiem nowej izolacji (w tym przypadku są droższe ale eliminują konieczność tworzenia osobne, grubej izolacji) lub dociepleń miejscowych (tańsze)
  • Jako izolacja dodatkowa w bramach garażowych, okładzinach kominów i pieców, do docieplania konstrukcji ramowych ze stali
  • Do skutecznego eliminowania mostków termicznych – również w obiektach, w których wykryto błędy konstrukcyjne czy wykonawcze. Tu sprawdzają się giętkie maty aerożelowe.
  • Urządzenia AGD – tu aerożel z racji swoich właściwości znajdziemy np. w lodówkach, zamrażarkach, pralkach, ogrzewaczach wody, ale i kuchenkach czy opiekaczach.
  • Izolacje dźwiękoszczelne – w budownictwie coraz częściej sięga się po aerożel do wygłuszania hałasów we wnętrzach i poprawy ich stopnia akustyki, co wprost wynika z jego bardzo dobrej dźwiękoszczelności. Produkt ten cechuje się małą przewodnością cieplną w zestawieniu z wysokimi wartościami tworzenia tzw. powietrznej bariery, a tym samym stosuje się go np. do opracowywania barier dźwiękoszczelnych przy ścianach oraz podłogach. Do wykorzystania zarówno w domach prywatnych, firmach, jak i instytucjach. Na tle innych materiałów pochłaniających dźwięki tu również plusuje bardzo sprawną możliwością montażu.
  • Filtrowanie powietrza – charakterystycznie porowata struktura aerożelu pozwala mu na wykorzystanie porów do wyłapywania z otaczającego nas powietrza pyłu, kurzów i innych szkodliwych dla zdrowia cząsteczek. W zastosowaniu jako filtr powietrza, produkt ten sprawdza się doskonale, przyczyniając się tym samym do poprawy oddychania w pomieszczeniach szczególnie narażonych na zapylenie. Dodatkowo, powierzchnię można łatwo czyścić wodą, więc pory nie zapychają się na zawsze cząstkami kurzu i innych zanieczyszczeń.
  • Ochrona przeciwpożarowa – jest jednym z częstszych sposobów zastosowania aerożelu. Jego wysoka odporność termiczna i niska przewodność cieplna sprawiają, że tworzy on bardzo wydajną barierę przeciwpożarową. Jest odporny na przemieszczanie się ciepła powodowanego pożarem, stanowiąc użyteczną w budownictwie domów i innych obiektów – zaporę ogniową.
Przeczytaj też:  Tynk żywiczny - mozaikowy . Wydajność, nakładanie

Aerożel w kosmosie

Ciekawostką może być fakt dużego zastosowania aerożelu w operacjach eksplorujących kosmos. To właśnie dlatego produkcją i wykorzystaniem aerożelu zajmują się m.in. laboratoria NASA. Odkryto, że wysokie właściwości izolacyjnego tego materiału i jego lekkość to dwie podstawowe cechy sprawiające, że jest niejako stworzony do misji w kosmosie. Z jego udziałem tworzy się chociaż warstwy izolacyjne w skafandrach, w których później kosmonauci latają poza orbitę Ziemi, ale też jako doskonały środek do budowy łazików kosmicznych. To właśnie aerożel zabezpiecza zabieraną w kosmos elektronikę przed niskimi temperaturami, szczególnie że wiele urządzeń do celów badawczych musi być wyjęta z kosmicznej rakiety i przetransportowana na obcą planetę. Tu dobrym przykładem może być Mars – bez odpowiedniej izolacji elektroniki, z racji na niskie temperatury tej planety, sprzęt nie miałby szansy przetrwać.

W kosmosie aerożel wykorzystuje się do budowy filtrów wychwytujących szybko poruszające się i niebezpieczne dla człowieka i sprzętu pyły. W normalnych warunkach rozbiłyby się one o powierzchnię, a dzięki filtrom z aerożelem są pochłaniane, dzięki czemu ich prędkość się wytraca. W projekcie Stardust NASA wychwytywała tym sposobem tzw. kosmiczny pył z warkocza słynnej wówczas komety Wild 2.

Aerożel – wpływ na zdrowie

Co warto wiedzieć o wpływie aerożelu na nasze zdrowie?

  • W zastosowaniu do filtrowania powietrza, aerożele wychwytując z niego pył, kurz i zanieczyszczenia poprawiają człowiekowi możliwość optymalnego oddychania w danym pomieszczeniu
  • W użyciu mat aerożelowych do izolacji podczas montażu wydziela się pył, który choć wg badań nie jest dla zdrowia niebezpieczny, to może być uciążliwy, a niektórych przypadkach powodować podrażnienia, dlatego instalację mat izolacyjnych należy wykonać przy odpowiedniej ochronie ust i nosa. Przydatne będą: rękawice ochronne, papierowa maska bezpyłowa, okulary zabezpieczające oczy oraz ubranie okrywające skórę (standard BHP).
  • Podczas prac z aerożelami krzemionkowymi wydzielający się pył może obsuszać skórę i błony śluzowe, dlatego standardowe w/w środki ochrony są niezbędne
  • Badania US ESPA wykazały że pył z mat aerożelowych nie jest toksyczny
  • W późniejszym użytkowaniu wnętrz, w których zostały założone maty z aerożelu nie uwalniają się substancje alergicznie ani toksyczne, nie ma ryzyka podrażnień, ani jakichkolwiek efektów szkodliwych dla zdrowia. Z tego powodu z powodzeniem i bez obaw można je stosować w pomieszczeniach mieszkalnych.

Ile kosztuje aerożel?

Największą wadą aerożelu jest jego wysoka cena. Mimo iż z biegiem lat koszty produkcji aerożelu i tak znacząco spadły, to jakość tego materiału, wydajność i efekty jakie daje przy właściwym zastosowaniu sprawiają, że jego cena utrzymuje się na wyższych poziomach niż alternatywnych materiałów izolacyjnych jak np. wełny mineralnej czy styropianu. Niemniej, cena ta jest warta tego, co otrzymujemy w zamian, dlatego właściciele domów i inwestorzy patrzący długoterminowo coraz chętniej się na ten produkt decydują.

  • Maty z aerożelu (5mm grubości) to cena od 140 do 150 zł za metr kwadratowy
  • Maty grubsze (10 mm) to odpowiednio od 200 do nawet 235 zł za metr kwadratowy
  • Ocieplenie 1 metra kwadratowego z użyciem aerożelu będzie kosztem nawet dziesięć razy większym niż gdy do tego samego metrażu użyje się styropian albo wełnę mineralną.

Ważne: przed zakupem warto porównać oferty, ponieważ różne produkty aerożelowe mogą mieć różne dodatki wpływające wprost na ich wyższą bądź niższą cenę.