Aerogelurile, ideale pentru izolarea clădirilor

Aerogelurile, ideale pentru izolarea clădirilor

Creșterea continuă a necesităților de energie care rezultă din dezvoltarea tehnologiei, epuizarea surselor naturale necesare vieții și poluarea mediului, toate cauzează probleme de mediu la scară locală și globală.

Principiile de proiectare durabilă care apar ca o consecință a încercărilor de a diminua efectele negative ale schimbărilor climatice vizează condițiile de sănătate și confort care sunt necesare atât pentru viața umană, cât și pentru protejarea echilibrului ecologic. În acest sens, pentru ca condițiile menționate mai sus să poată fi îndeplinite, utilizarea materialelor ecologice în construcția de clădiri durabile este de o importanță capitală.

Atunci când materialele izolante, de o importanță incontestabilă în ceea ce privește conservarea energiei, sunt luate în considerare din punct de vedere ecologic, se poate sublinia că niciun material izolant nu are toate caracteristicile necesare.

Acest lucru este evidențiat în cercetarea cu titlul ”Innovation in thermal insulation materials, a step toward sustainable buildings”, condusă de inginerul Narges Dehghan, Șeful echipei de cercetare de la Universitatea din Teheran, lucrare care propune aerogelurile drept materiale ideale pentru izolarea clădirilor.

Schimbarea climei obligă la inovare

Odată cu evoluțiile tehnologice și aplicarea principiilor ecologice, materialele izolante au dobândit caracteristici diferite. Aceste materiale, proeminente în procesul de proiectare a clădirilor eficiente din punct de vedere energetic, continuă să se dezvolte nu numai în termoizolație, protecție la foc și izolare fonică, ci și în domeniul proiectării structurale durabile.

Acestea nu cauzează niciun prejudiciu sănătății umane și mediului și, pe lângă funcția de izolație termică, devenind și o componentă a designului pasiv, cu o conductivitate a radiației solare, asigurând un câștig de căldură și iluminarea naturală a spațiului de proiectare.

În plus față de materialele de izolație organică, cum ar fi aerogelul cu energie redusă și care sunt sensibile la mediu, materialele inovatoare cu rezistență ridicată la căldură și materialele de izolație reciclate, cum ar fi celuloza, sunt, de asemenea, printre exemplele remarcabile ale acestei perioade de schimbare. De aceea, se vorbește despre adaptarea chimică a aerogelurilor pentru aplicații optice, adaptarea chimică a aerogelurilor la izolația termică și diferitele sale aplicații în industria construcțiilor.

Criterii de performanță

Materialele termoizolante sunt materiale cu un grad ridicat de rezistență termică, utilizate pentru a diminua transferul de căldură. Pentru a le asigura, materialele izolante trebuie să aibă un coeficient de transfer de căldură sub standardele europene de 0- 0… W/m2K.

Aplicarea materialelor izolante este variată, pentru tipurile de clădiri și structuri și, de asemenea, pentru condițiile climatice. Datorită acestei varietăți, alegerea materialelor adecvate este vitală nu numai pentru performanța energetică a clădirii, ci și pentru reducerea impactului acesteia asupra mediului.

Este important să se aleagă materiale care să aibă o rezistență de lungă durată, suficient de durabile, minim poluante, să utilizeze un minim de resurse naturale și să obțină rezultatele necesare în ceea ce privește performanța termică.

Pe lângă criteriile de performanță bazate pe proprietățile fizice (densitate, durabilitate, rezistență termică, izolare fonică, rezistență la foc și umiditate etc.), utilizate pe scară largă până în prezent, efectele asupra mediului joacă, de asemenea, un rol important în clasificarea materialelor izolante.

Pe baza analizelor energiei încorporate a emisiilor de gaze în timpul producției, a utilizării aditivilor ca protecție împotriva impacturilor biologice și a ciclului de viață, materialele pot fi clasificate în ceea ce privește reutilizarea, reciclabilitatea și efectele asupra sănătății umane.

Examinarea materialelor de izolare convenționale și alternative în contextul criteriilor de durabilitate este de bază, pentru determinarea efectelor acestora asupra mediului. Ca urmare, clasificarea materialelor de izolare, cu respectarea principiilor de durabilitate, este următoarea:

-convenționale  (materiale de izolare anorganice și organice utilizate pe scară largă în prezent),

-organice (materiale dezvoltate ca alternative, derivate din surse organice)

-inovatoare (materiale de izolare avansate tehnologic, noi) și

-reciclabile (derivate din materiale reciclate).

Materiale inovatoare de izolare

Materialele inovatoare de izolare, dezvoltate cu potențialul maxim al tehnologiei, ca alternative la materialele de izolație convenționale și efectele lor asupra mediului, au o conductivitate termică destul de scăzută. Calitățile nefavorabile ale materialelor inovatoare duc la lipsa utilizării pe scară largă și la costuri ridicate, dar este totuși de așteptat ca acestea să intre în sectorul izolației în viitorul apropiat.

Materialele de izolare opace, aplicate pe carcasa unei clădiri, de obicei la exterior, elimină potențialul de valorificare a căldurii solare. Conservarea energiei este posibilă prin reducerea la minimum a pierderilor de căldură prin aplicarea de materialelor izolatoare transparente (TIM), în aplicații de construcție cu clădiri cu consum redus de energie și, în plus, asigurarea câștigurilor solare pasive prin stocarea căldurii solare și furnizarea de apă caldă, fie prin perete, funcționând ca o masă termică, fie prin sisteme hibride.

Rezistența termică ridicată și transmiterea radiației solare sunt cele mai importante caracteristici ale izolației transparente. Aceste caracteristici, însă, sunt invers corelate între ele. În lumina acestor specificații, cel mai simplu exemplu de izolație transparentă este cel al sticlei.

În ciuda rezistenței sale termice scăzute, sticla permite transmiterea radiației și previne pierderea energiei solare valorificate. Deși sticla este rezistentă la incendii și la factorii de mediu, densitatea și gradul ridicat de conductivitate a căldurii sunt printre calitățile sale nefavorabile. Aplicațiile geamurilor evacuate, care elimină aceste caracteristici nefavorabile, sunt în curs de dezvoltare, cu teste de laborator în curs.

Aerogelurile termoplastice

Aerogelurile termoplastice și de siliciu, materiale de izolație transparente care prezintă o alternativă la sticlă, sunt deja în uz. Performanța energetică a componentelor pereților din materiale de izolație transparente depinde de construcția și organizarea structurală a materialului de izolare.

Materialele de izolație transparente sunt permeabile la radiațiile infraroșii, cu lungime de undă scurtă, dar sunt opace la radiațiile infraroșii cu lungime de undă lungă. Radiația infraroșie cu lungime de undă scurtă, care trece prin izolație, este absorbită de suprafața absorbantă și transformată în căldură în masa peretelui, iar energia termică menționată este transferată în spațiul interior prin radiație de convecție.

Materialele de izolație transparente sunt clasificate în patru tipuri, în funcție de structura lor geometrică. Tipurile sunt după cum urmează:

-Absorber – paralel;

-Absorber – perpendicular;

-Structura cavității; și

-Cvasi-omogen.

Structurile absorbante-paralele sunt componente cu o singură sau mai multe straturi paralele cu structura absorbantă. Eficacitatea sistemului depinde de ratele de reflecție și absorbție. Creșterea numărului de straturi îmbunătățește izolația termică în detrimentul transmiterii radiației. În structurile cu mai multe straturi, utilizarea argonului, a criptonului sau a xenonului, ca material de umplere, poate crește rezistența termică.

Structurile absorbante-perpendiculare, cum ar fi tuburile capilare și structurile de tip fagure, sunt dispuse perpendicular pe suprafața absorbantă și asigură că razele soarelui ajung la suprafața peretelui, mai degrabă, decât să fie reflectate.

În funcție de unghiul de incidență al soarelui, în lunile de vară, razele pătrund în tuburi cu suprafața verticală, creând un unghi ascuțit, în timp ce în lunile de iarnă intră aproape orizontal, într-un unghi oblic, și ajung la suprafața absorbantă reflectându-se de la aerogeluri.

Caracteristicile aerogelurilor

Aerogelurile sunt cunoscute pentru densitățile lor extrem de scăzute (care variază de la 0,0 … până la ~ 0,05 g cm-3). De fapt, materialele solide cu cea mai mică densitate care au fost produse vreodată sunt toate aerogeluri, inclusiv un aerogel de siliciu, care, astfel cum a fost produs, a fost doar de trei ori mai greu decât aerul și ar putea fi făcut mai ușor decât aerul, prin evacuarea lui din porii materialului. Acestea fiind spuse, aerogelurile au de obicei densități de .0.2. g cm-3 sau mai marei(de aproximativ 5 ori mai greu decât aerul). Dar chiar și la aceste densități, ar fi nevoie de bucăți de aerogel de dimensiunile unei cărămizi, pentru a cântări cât un singur pahar.

În esență, un aerogel este solid, poros, uscat, cu densitate redusă a unui gel (partea unui gel care conferă gelului coeziunea solidă), izolat ”in-tact” de componenta lichidă a gelului (partea care formează cel mai mult din volumul gelului). Aerogelurile sunt deschise, poroase (adică gazul din aerogel nu este prins în interiorul buzunarelor solide), și au pori din gama oxizilor (de exemplu, oxid de fier).

Majoritatea sunt oxizi metalici ai lantanidelor și actinidelor (de exemplu, oxid de praseodim). Mai mulți oxizi metalici din grupul principal (de exemplu, oxid de staniu), polimeri organici (cum ar fi resorcinol-formaldehidă, fenol-formaldehidă, poliacrilați, polistiren, poliuretani și epoxi), polimeri biologici (cum ar fi gelatina, pectina și agar-agar), nanostructuri semiconductoare (cum ar fi punctele cuantice ale selenurii de cadmiu), carbon, nanotuburi de carbon și metale (cum ar fi cuprul și aurul), pot intra în componența aerogelurilor.

Compozițiile de aerogel, de exemplu aerogelurile armate cu acoperiri polimerice sau aerogelurile încorporate cu nanoparticule magnetice, sunt, de asemenea, produse în mod obișnuit.

Proprietăți speciale ale aerogelurilor

Multe aerogeluri se mândresc cu o combinație de proprietăți impresionante ale materialelor, pe care niciun alt material nu le posedă simultan. Formulările specifice ale aerogelurilor dețin înregistrări pentru cea mai mică densitate în vrac a oricărui material cunoscut (de la 0,0 … g cm-3), cea mai mică medie de difuzie a oricărui material solid, cea mai mare suprafață specifică dintre oricare material monolitic (fără pulbere, până la 32 .. m2 g-.), cea mai mică constantă dielectrică dintre orice material solid și cea mai mică viteză propagare a sunetului prin orice material solid.

Este important de reținut că nu toate aerogelurile au proprietăți record. Aerogelurile de tot felul dețin recorduri pentru diferite proprietăți. Iată câteva: Înregistrări deținute de unele aerogeluri de siliciu, special formulate: Solid cu cea mai mică densitate (.0 …. g cm-3 (, Cel mai mic indice optic de refracție (.0..2), Cel mai mic conductivitate termică (.0. .0 W m-. K-.), Viteza cea mai mică a sunetului printr-un material (6. m s-.), Cea mai mică constantă dielectrică de la 3-4. GHz (.0..1).

Putem exemplifica, aici, cu istoricul Airgel, creat de Steven Kistler în 1993, care a devenit un material de interes pentru oamenii de știință în ultimele decenii datorită greutății sale ușoare. Este un material avansat, care conține 5 intrări în Cartea Recordurilor Guinness pentru proprietăți precum solidul cu cea mai mică densitate și cel mai bun izolator. Este o substanță pe bază de siliciu, constând dintr-un dendritic slab în rețeaua atomului de siliciu.

Producerea de aerogeluri

Aerogelurile pot fi preparate folosind alumină, crom, oxid de staniu și carbon. Dar, în afară de aceste materiale utilizate pentru fabricarea aerogelului, prepararea aerogelului pe bază de siliciu este mai ușoară și fiabilă. Aerogelurile anorganice pot fi preparate prin prelucrarea sol-gel, o tehnică care necesită alcooli sau săruri metalice în soluții alcoolice sau apoase.

Alcogelul este apoi supus la uscare supercritică. Produsele finale formate în această reacție sunt: Aerogel și Xerogel După amestecare, se generează o dispersie a particulelor coloidale (hidroliză și polimerizare prin condensare), care formează o rețea tridimensională (gelificare).

Dimensiunea particulelor depinde de catalizator și variază între scara nanometrică și micrometră. După procesul de gelificare, lichidul poros închis trebuie îndepărtat cu grijă, pentru a păstra nanostructura aerogelului.

Într-un studiu recent, aerogelurile au fost preparate din celuloză, xilan, lignină, amestecuri și din lemn de molid. Procedura a fost: Dizolvarea materialului lignocelulozic într-un lichid ionic; Crearea unui hidrogel prin precipitarea materialului polimeric dizolvat cu etanol apos; Schimbarea precipitantului apos pe etanol pur; Schimbarea etanolului cu dioxid de carbon lichid; Creșterea temperaturii dioxidului de carbon.

În final, să menționăm că aerogelurile din carbon oferă suprafețe specifice ridicate, combinate cu o structură tridimensională complet reglabilă. Au performanțe reglabile pentru aplicații specifice, prin adăugarea de dopanți care pot spori proprietățile electrice, termice și mecanice ale materialului compozit.

Sunt izolatori termici excelenți, deoarece componentele lor gazoase reduc foarte mult transferul de căldură prin conducție, convecție și radiații și îmbunătățesc supercondensatorii cu dublu strat electric, având o impedanță foarte mică, în comparație cu supercondensatorii convenționali.

infoconstruct