- Что такое аэрогель?
- Происхождение аэрогеля
- Описание и внешний вид аэрогеля
- Особенности материала
- Разновидности аэрогелей
- Достоинства аэрогелевых материалов
- Недостатки материалов из аэрогелей
- Где применяется аэрогель в промышленности
- Предлагаемые аэрогелевые материалы и их применение
Высокоэффективный инновационный материал, благодаря которому изоляционный слой получается необычайно легким и прочным, носит название «аэрогель». Слово имеет в составе два корня, определяющие характерные особенности утеплителя. «Aer» переводится как «воздушный, легкий», а «gelatus» означает «застывший, твердый».
Этот теплоизолятор со сложной структурой и уникальными теплофизическими свойствами ознаменовал своим появлением начало эпохи нанотехнологий в сфере строительства.
Что такое аэрогель?
Аэрогель в чистом виде представляет собой очень твердый, но при этом самый легкий строительный материал, объем газов в котором достигает 99%.
Под большим давлением и при высокой температуре происходит выпаривание жидкости из диоксида кремния — вещества, из которого состоит кварцевый песок. Образуется прочная древовидная структура с нанопорами, проницаемая для молекул воздуха и пара.
Наноструктурированный аэрогель — это вещество, в котором жидкость была заменена газом, однако исходный объем при этом практически не изменился. Такое строение обеспечивает материалу отличные теплоизоляционные свойства.
Утепление домов с помощью наноматериалов называют технологией будущего. Уникальные эксплуатационные свойства и технические характеристики аэрогель утеплителя задают сегодня новые стандарты теплоизоляции самых разных строительных конструкций.
Происхождение аэрогеля
Впервые аэрогель был получен в Америке в 1931 году инженером-химиком Сэмюэлем Кистлером, однако широко использовать этот перспективный материал начали значительно позже.
Американский ученый, будучи преподавателем Калифорнийского колледжа, при участии своего студента Чарльза Ленарда предпринял попытку создать самое легкое вещество в твердом состоянии.
Таким веществом стал особый гель, в котором жидкий компонент, заполняющий структурные пустоты, был полностью замещен газом. Сам гель при этом не должен был получить какой-либо значимой усадки. Научная работа увенчалась успехом.
В журнале Nature вышла статья Coherent Expanded Aerogels and Jellies, в которой был описана технология получения и принципы применения материала, позже названного аэрогелем.
Активное практическое применение аэрогелей запоздало более, чем на полвека. Вероятно, проблема была связана с синтезом подобных веществ в промышленных масштабах. Область применения аэрогель утеплителей расширялась параллельно росту их популярности.
Описание и внешний вид аэрогеля
Аэрогели представляют класс инновационных материалов, в которых жидкая субстанция замещена газообразной. По определению такие воздушные полости должны занимать не менее половины от общего объема вещества.
На микроуровне аэрогель можно представить в виде похожей на дерево системы из объединенных в группы наночастиц, размер которых — от 2 до 5 нанометров. Размер пустот при этом может достигать 100 нанометров.
Внешне чистый аэрогель напоминает легкую дымку, закованную в лед. Прозрачный материал достаточно приятный на ощупь.
Пройдя ряд усовершенствований, кварцевый аэрогель утеплитель стал больше похож на пенопласт, но гораздо прочнее — легко справляется с любыми нагрузками.
Особенности материала
Строительный аэрогель представляет собой легкий теплоизолятор, отличающийся повышенной прочностью и износостойкостью.
Универсальный утеплитель из кварца способен выдерживать нагрузки, в 2-3 тысячи раз превышающие собственный вес. Так один аэрогелевый блок весом чуть больше 5 г свободно выдерживает вес двух кирпичей (в общей сложности около 5 кг).
Несмотря на все достоинства, в чистом виде кварцевые аэрогели мало востребованы. В основном используются комбинированные теплоизоляционные материалы, в которых аэрогели наносятся на холсты и маты из:
- полиэстерного,
- карбонового,
- стеклянного,
- керамического волокна.
С аэрогелевым покрытием эти волокнистые утеплители приобретают новые, уникальные качества, в полной мере сохраняя свои эксплуатационные свойства. Коэффициент теплопроводности при этом меньше изначального примерно в два раза. Эта особенность материалов на основе аэрогеля позволяет в несколько раз уменьшить толщину теплоизоляционного слоя, не снижая эффективности.
Разновидности аэрогелей
Несмотря на структурное сходство, все аэрогелевые вещества имеют разный функционал:
- Кремнеземный
Отличительная особенность материала — присутствие в составе оксида алюминия и ряда других металлов. Используется в сложных технологических процессах на производствах.
- Кварцевый
Представляет собой светлое прозрачное вещество с низкой теплопроводностью. Аэрогель способен долго сохранять тепло, успешно конкурируя в этом вопросе с привычными видами утеплителей (минераловатными матами, базальтовыми цилиндрами, листовым пенофолом, рулонным пеноплексом).
- Углеродный
Материалу, состоящему из наночастиц, присуща высокая электропроводность. Можно использовать при производстве суперконденсаторов. Главное качество — высокий уровень поглощения света.
- Халко-гель
Эту разновидность изготавливают особым способом — кислородные составляющие заменяют на селен либо серу. Благодаря такой замене пористая структура крепче взаимодействует с элементами токсичных металлов, например, ртути.
Достоинства аэрогелевых материалов
Как и у любой теплоизоляции, у аэрогель утеплителей есть достоинства и недостатки. Но плюсы материала полностью перекрывают возможные минусы.
Преимущества аэрогелевых материалов:
- Низкий уровень теплопроводности
Технология производства аэрогеля заключается в изготовлении мелкопористого вещества без жидких фракций в составе, практически полностью состоящего из воздуха. Такое строение обуславливает уникальные теплоизоляционные свойства. Важно то, что в процессе эксплуатации коэффициент теплопроводности не меняется, например, за счёт увлажнения или старения.
- Эффективность
Аэрогелевые материалы надежно защищают строительные конструкции от теплопотерь, эффективно выводят водяные пары.
- Биологическая стойкость
Этот современный теплоизолятор устойчив к подавляющему большинству негативных факторов внешней среды. Не боится воздействия осадков, ультрафиолетового излучения, перепадов температуры (от -250 до +1250 С°), случайных механических повреждений.
- Экологичность и безопасность
В основе аэрогеля лежит природный кварцевый порошок, применение которого безопасно для людей и окружающей среды. Изоляцию можно без риска для здоровья использовать в жилых помещениях, на объектах, где постоянно находятся люди. Не выделяет опасных соединений, не вызывает аллергии.
- Малый вес и объем
Вспененная изоляция очень тонкая (около 5 мм), что дает возможность сохранять первоначальные размеры помещения без ущерба теплоизоляционной защите.
- Пожарная безопасность
Утеплитель устойчив к возгоранию, не плавится, обладает повышенной жаростойкостью, способен противостоять воздействию температур до +1000 ⁰С. В случае пожара не способствует распространению огня, не дымит, не образует токсичных продуктов горения.
- Влагостойкость
Аэрогелевая основа не пропускает воду, сохраняя эффективность в любых климатических условиях. Этому способствует открытый слой ячеек в структуре материала. В строительстве материал востребован там, где крайне важна гидрофобность.
- Антикоррозийная стойкость
Конструкции, утепленные инновационными материалами, надежно защищены от коррозии.
Дополнительный плюс изделий на основе аэрогеля — простота и скорость монтажа, чему способствует небольшой вес и практичность данного вида утеплителей, а также отсутствие усадки в процессе эксплуатации.
Недостатки материалов из аэрогелей
Аэрогелевый утеплитель — современное средство, которое надолго сохраняет тепло в домах, поддерживает оптимальную температуру и влажность, помогая создать комфортные условия для проживания. Поверхность, на которую нанесена такая изоляция, станет непреодолимой преградой на пути любого холода. Утеплитель будет эффективно функционировать многие годы, но только при условии соблюдения рекомендаций производителя и правил монтажа.
К недостаткам аэрогеля можно отнести дорогую технологию производства. Это сложный процесс, включающий целый ряд трудоемких операций — удаление жидкости, полимеризацию, заполнение образовавшихся пустот пеной, сушку. Высокая себестоимость материала определяет высокую цену для розничного покупателя.
Еще один фактор, который делает этот утеплитель не столь популярным — особенности цвета. Аэрогель не полностью прозрачен, а меняет оттенок в зависимости от фона.
Где применяется аэрогель в промышленности
Сверхлегкий кварцевый состав с каждым днем расширяет границы своих возможностей.
Аэрогель и термоизоляторы на его основе применяют для защиты и утепления:
- Внутренних и внешних стен.
Внешнее утепление фасадов предотвращает промерзание строения, продлевая срок эксплуатации строительных конструкций. Теплоизоляция внутренних поверхностей оставляет возможность сохранить полезную площадь, благодаря минимальной толщине аэрогель утеплителя.
- Внутренних и наружных углов.
Изоляционная защита внутренних углов здания помогает предотвратить промерзание стен и образованию конденсата, препятствует появлению плесени. Внешние углы нуждаются в защите от осадков и ветра.
- Кровельных свесов.
Подшивке из профнастила, деревянной вагонки или сайдинга из ПВХ необходима защита от влаги. Не меньшее значение имеет свободное проветривание подкровельного пространства. Также используется как теплоизоляционный слой под капельник (кровельные планки).
- Полов под стяжку.
Применяется при обустройстве системы плавающий пол.
- Проемов окон и дверей.
Защищает стены от промерзания, препятствуя образованию ледяной корки на внутренней поверхности по периметру дверных и оконных проемов.
- Фундамента и стен подвала.
Гидрофобный аэрогель отлично подходит для утепления поэтажных перекрытий, цокольных этажей, подвальных помещений.
- Мансарды, чердака.
Утепление перекрытий, конструктивных элементов неотапливаемого чердачного помещения — обязательное условие для снижения потерь тепловой энергии.
С помощью аэрогеля для защиты от промерзания и конденсата изолируют:
- дымоходы;
- венткороба;
- вентканалы;
- трубы ГВС, ХВС, отопления, вентиляции;
- трубопроводы, котлы и печи, котельное оборудование, арматуру и фитинги.
Аэрогель характеризуется высокими звукоизоляционными свойствами. Востребован не только в строительстве, но и в других отраслях промышленности, среди которых:
- энергетика,
- медицина,
- химическая отрасль,
- фармакология,
- оборонно-промышленный комплекс,
- электроника.
В микроэлектронике использование геля в качестве изоляционного слоя в многослойной печатной плате повышает скорость работы сверхточных электронных приборов.
Из аэрогеля производят разные виды гибридных композитов, катализаторов, фильтров с наноструктурой, «умных продуктов», фильтров для очистки воды.
Из аэрогелей получают самые разные «прорывные изобретения» — это и искусственные мышцы, и космическая техника.
Предлагаемые аэрогелевые материалы и их применение
Завершая статью, резюмируем все вышесказанное.
Структура аэрогеля похожа на нитку жемчуга (многие так ее и называют). На нить нанизаны частицы, объединенные в кластер и крепко связанные между собой. По всему каркасу расположены воздушные поры, поэтому материал выглядит как пышная пена.
Вещества имеют такую природу:
- графит;
- графен;
- оксид кремния, олова, хрома;
- глинозем;
- силикон;
- углерод;
- полисахариды.
Для проведения теплоизоляционных мероприятий аэрогели выпускают в форме рулонов или матов. Применяют для утепления жилых домов и промышленных объектов, а также как огнезащитный слой либо звукоизоляционный барьер. Инновационный материал востребован в научных разработках, исследованиях, экспериментах.
← Все статьи