Nanotechnológia na zatepľovanie

Problematika úspory nákladov na vykurovanie je v súčasnosti pri neustále rastúcich cenách energie čoraz naliehavejšia. Bežné spôsoby zateplenia (polystyrén, minerálna vlna) nie vždy vyhovujú predstavám o riešení tohto problému – či už z hľadiska ceny, náročnosti aplikácie, alebo priestorových nárokov.

Dnes už na stavebnom trhu existuje niekoľko alternatív tenkovrstvových tepelných izolácií, ktoré na základe rôznych prístupov sľubujú tepelné úspory. Vo väčšine prípadov sú založené na princípe odrazu tepla, čo zabraňuje prestupu tepla žiarením. Najznámejším a najpoužívanejším príkladom sú rôzne hliníkové fólie.

Na podobnom princípe fungujú aj čoraz známejšie nátery, ktoré obsahujú sklokeramické guľôčky. Tie odrážajú tepelné žiarenie späť do miestnosti pri zachovaní dekoračného a ochranného efektu bežných farieb. Energetický prínos tohto riešenia spočíva v obmedzení množstva tepelných strát, ktoré súvisia s prechodom tepla cez konštrukcie – odhaduje sa na 20 až 30 % z celkových tepelných strát pri bežných stavebných konštrukciách. V stavebníctve sa odporúča ich použitie v kombinácii so štandardnými tepelnými izoláciami.

Aerogély – najlepšie známe izolačné materiály

Firma Industrial Nanotech, producent výrobkov Nansulate, zvolila iný prístup. Zamerala sa na komerčné využitie aerogélov. Tento izolačný materiál má dvoj- až štvornásobne lepšiu tepelnoizolačnú schopnosť ako bežné materiály.

Aerogél je materiál známy už od 30. rokov 20. storočia. Vyznačuje sa veľmi hustou, ale pritom veľmi jemnou vnútornou štruktúrou, pričom 95 až 99 % jeho objemu tvorí vzduch. Ak by sa jeho vnútorná štruktúra rozvinula do roviny, jeden gram tohto materiálu by pokryl plochu futbalového ihriska. Hrúbky jednotlivých stien sa pohybujú len v nanometroch (1 nanometer sa rovná 1 milióntine milimetra). Tepelnoizolačné vlastnosti aerogélu sú vo vedeckej obci dobre známe, ale len v ostatných rokoch sa technológia výroby vyvinula tak, aby sa dala použiť v masovom meradle a cena výsledného výrobku bola ešte prijateľná.

Aerogél sa môže vyrobiť z rôznych vstupných materiálov, ale najčastejšie sa na jeho výrobu používa kremík alebo uhlík. Ak sa použije kremík, získa sa aerogél s najlepšou odolnosťou proti prechodu tepla. Ak sa na výrobu použije uhlík, materiál vyniká výbornými izolačnými vlastnosťami proti prechodu tepla.

Firma Industrial Nanotech vyvinula svoj vlastný materiál s názvom Hydro-NM-Oxid, ktorý je kombináciou aerogélov na báze kremíka a uhlíka. Túto kombináciu zvolili tak, aby poskytovala optimálny tepelnoizolačný odpor pri teplotách v rozpätí od –40 do +200 °C. Jednotlivé častice aerogélov sa následne ošetrili nanovrstvou, ktorá im dodala silné hydrofóbne (vodoodpudivé) vlastnosti a zároveň ochranu pred poveternostnými vplyvmi. To všetko sa podarilo pri dodržaní optimálnej paropriepustnosti materiálu. Následne sa tieto častice zmiešali s akrylátovými živicami, vďaka čomu vznikol materiál, ktorý svojou konzistenciou a spôsobom nanášania pripomína farbu.

Štruktúra aerogélu je taká jemná, že ním dokáže prestúpiť svetlo. Keďže 70 % suchého filmu, ktorý vznikne po nanesení Nansulate, tvorí aerogél, zachováva si tento tepelnoizolačný náter priehľadnosť aj po aplikácii na stenu.

V čom spočíva základný princíp?
Prenos tepla sa uskutočňuje troma spôsobmi – vedením, prúdením a žiarením. Nansulate účinne izoluje proti všetkým trom spôsobom.

Vedenie
Z bežného života tento spôsob poznáme, keď sa napríklad chytíme teplého telesa. Vtedy prestup tepla vnímame tak, že nás tento predmet v danom mieste hreje.

Z fyzikálneho hľadiska je prestup tepla vedením v tuhých látkach procesom odovzdávania kinetickej energie rýchlejšie kmitajúcich molekúl molekulám s nižšou kinetickou energiou – kmitaním tak, aby sa dosiahla rovnováha.

V prípade materiálu Nansulate bránia prestupu tepelnej energie vedením malé rozmery spojov medzi časticami materiálu, ktoré vytvárajú tepelnú cestu, a ďalej pevné častice obsiahnuté v štruktúre náterového materiálu, pozostávajúce z veľmi malých častíc prepojených v trojrozmernej sieti s veľkým množstvom „slepých uličiek“. Preto sa prestup tepla vedením uskutočňuje cez veľmi komplikované bludisko a nie je veľmi efektívny.

Prúdenie
Ide o proces v kvapalinách a plynoch, ktorý poznáme dobre z praxe – napríklad voda v hrnci sa zohreje, pretože teplá voda s nižšou hustotou zo dna nádoby prúdi smerom hore, a tým sa voda premiešava a zohreje podstatne skôr, ako keby teplo prestupovalo vedením. To isté platí pri plynoch, teda aj pri vzduchu. Prenos tepla prúdením ovplyvňuje aj tepelnoizolačné vlastnosti pevných materiálov, pretože tie obsahujú vždy určité množstvo vzduchu. Bežné tepelné izolácie obsahujú veľmi vysoký podiel vzduchu, pretože vzduch je veľmi dobrý izolant proti prestupu tepla vedením. Prestup tepla prúdením je minimalizované veľkým množstvom malých „buniek“, medzi ktorými je výmena vzduchu obmedzená. Nansulate rieši tento problém podobne, ale množstvo týchto buniek je podstatne väčšie a takisto medzery medzi nimi sú podstatne menšie ako v prípade bežných izolačných materiálov. Prenos tepla prúdením sa tak prakticky eliminuje.

Žiarenie
Tento spôsob prenosu tepla poznáme z praxe napríklad ako slnečné žiarenie alebo sálanie radiátorov. V tomto prípade ide o prenos energie prostredníctvom elektromagnetického vlnenia – tepelného žiarenia, ktoré sa šíri v dôsledku rozdielnych teplôt telies. Všetky objekty súčasne emitujú energiu zo svojho povrchu a absorbujú energiu zo svojho okolia. Pomer prestup tepla žiarením prudko rastie s teplotou a môže byť v niektorých prípadoch rozhodujúcim mechanizmom prenosu tepla. Túto skutočnosť si uvedomujú aj výrobcovia bežných izolácií a používajú na výrobu rôzne postupy, ako zlepšiť ich izolačné vlastnosti proti prestupu tepla žiarením. Sú to predovšetkým rôzne reflexné fólie (izolácie z minerálnej vlny obalené hliníkovou fóliou) alebo uhlík (sivý polystyrén od firmy BASF), ktorý patrí  k najlepším absorbentom tepelného žiarenia. Keďže Hydro-NM-Oxid zo značnej časti tvorí uhlík, jeho absorpcia tepla je vyššia. Vďaka kombinácii izolačného efektu proti všetkým trom spôsobom prenosu tepla je Nansulate prvou izoláciou s tenkou vrstvou, ktorá získala certifikát potvrdzujúci účinnosť tohto materiálu. Múr so súčiniteľom prechodu tepla U = 1,62 W/(m² . K) mal po aplikácii tepelnoizolačného náteru na báze aerogélu U = 1,25 W/(m² . K). Teda R-hodnota troch vrstiev pri hrúbke 0,12 mm predstavuje 0,1791. Rovnaké tepelnoizolačné vlastnosti sa zachovávajú päť až desať rokoch.

TEXT: Nano Izol, s. r. o.
FOTO: Industrial Nanotech, Inc.