Аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

Новости, поступающие с рынка строительных материалов, не перестают удивлять. Появляющиеся новинки порой во много раз превосходят своих предшественников по базовым эксплуатационным характеристикам. К таковым можно отнести аэрогель, про который недавно еще вообще никто ничего толком не знал, а многие не слышали и по сей день.

В связи с некоторым дефицитом информации, видится разумным дать читателям нашего портала определённые понятия об этом продукте современных нанотехнологий. Постараемся раскрыть его заявляемые возможности в сферах термо- и гидроизоляции строительных конструкций.

Итак, рассматриваем аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

Что такое аэрогель?

Происхождение аэрогеля

Аэрогель является необычным материалом, обладающим уникальными свойствами. Если верить публикациям, то благодаря своей уникальности он в книгу рекордов Гиннеса по целым 15-ти номинациям!

Его название «aergelatus», состоящее из двух словообразующих корней, можно перевести как «замороженный воздух». Другое расхожее название — «замороженный дым». Действительно, по внешнему виду, а также весу, аэрогель напоминает густую дымку.

История создания этого продукта весьма неоднозначна и оригинальна, так же, как и сам материал. Дело в том, что он был получен в лабораторных условиях уже довольно давно (уже скоро, как 100 лет — в 1931 году), и что интересно – во многом случайно. Это оказался, можно сказать, побочный продукт при кристаллизации в супернасыщенных и суперкритических жидкостях при проведении лабораторных исследований американским ученым Сэмюэлем Кислером.  В результате замены воды в обычном геле на метанол и его  последующего нагрева до температуры до 240 градусов при высоком давлении, спирт из состава улетучивался, но образовавшаяся пена не становилась меньше в объеме. В итоге получился мелкопористый, легкий и почти прозрачный материал — аэрогель.

Практического применения в те годы этой новой структуре найдено не было, как и доступной технологии для его синтеза в сколь-нибудь серьезных масштабах. Все это пришло позднее, ближе к концу века, когда было налажено производство аэрогеля и его полезное использование, прежде всего — в качестве очень эффективного термоизоляционного материала.

Особенности материала

Уникальность материала состоит в полном отсутствии в его составе какой бы то ни было жидкой фазы, которая в процессе производства вся полностью переходит в газообразное состояние.  В результате аэрогель, представляющий собой уникальную молекулярную решетку с порами размером всего около 2 мкм,  практически на 99,8% состоит из воздуха, полностью обездвиженного. Благодаря этому фактору аэрогель обладает очень низкой плотностью, по параметрам превосходящей только плотность воздуха и всего в полтора раза. В то же время материал имеет высокую прочность, которая позволяет ему выдержать нагрузку, превышающую его собственный вес в 2000 раз. Например, блок аэрогеля, массой всего 2,4 грамма, способен выдержать весовую нагрузку кирпича в 2,5 кг.

Ну а где обездвиженность газов – там и особые термоизоляционные качества. И что интересно – сопротивление теплопередаче аэрогеля – даже выше, чем у полностью неподвижной воздушной прослойки. Просто по той причине, что поры материала не оставляют никакой свободы движения молекулам, составляющим воздух. То есть здесь неподвижность рассматривается буквально на молекулярном уровне.

При изготовлении этого материала в промышленных условиях, гелеобразная субстанция проходит полимеризацию, после чего на выходе получается вещество желеобразной формы. Далее из этого «желе» должна быть полностью удалена вода — процесс суперкритического высыхания производится в специальном автоклаве при воздействии высокого давления и температуры, при участии в этом процессе углекислого сжиженного газа.

Начало промышленного использования аэрогеля – за компанией «Monsanto», которая освоила выпуск термоизоляционных материалов. Впрочем, производство просуществовало не столь долго и было свернуто просто из-за его дороговизны. Но уже в 90-х же годах аэрогели стали вновь применяться, но уже в космической отрасли. Постепенно этот материал «просочился» и в сферу промышленного строительства, где использовался на самых ответвленных участках, например, для термоизоляции технологических трубопроводов и резервуаров.

В 2007 году в США химиками были разработаны и прошли презентацию аэрогели, в состав которых входит платина. Эти материалы предназначены для создания эффективных сорбционных фильтров, позволяющих производить очистку воды от свинца, ртути и других опасных для человека тяжелых металлов.

Правда, изготовление этого материала в промышленных масштабах — пока еще слишком дорогое из-за необходимости использования драгоценного металла. Поэтому идут лабораторные работы по поиску более доступного по стоимости аналога платине, который предоставит возможность массового производства фильтров. Это, как надеются разработчики, позволит в будущем производить очистку водоемов планеты от различных химических загрязнений.

Дополнит общие сведения об аэрогеле отрывок из научно-популярного фильма познавательного телеканала «Disсоvery»:

Видео: Что же такое аэрогель, и чем объясняются его уникальные свойства?

Разновидности аэрогелей

Не следует полагать, что аэрогель – это действительно гелеобразная субстанция, например, типа краски, которую нужно наносить с помощью кисти. Нет, конечно. Его следует рассматривать, как одно из самых легких из существующих твёрдых веществ. Кроме того, для практического применения аэрогеля его научились совмещать с керамическими, карбоновыми, стекловолоконными и другими основами, что упрощает использование уникальных качеств этого материала.

Сегодня существует несколько разновидностей аэрогелевых материалов, которые широко используются в разных областях и для различных целей:

• Кварцевые аэрогели обладают чрезвычайно низкой плотностью, лишь немногим уступая в этом вопросе абсолютным рекордсменам – аэрографитам и аэрографенам. В среднем их плотность составляет всего 1,9 кг/м³, что меньше плотности воды почти в 500 раз, и всего в полтора раза выше плотности воздуха.

Подобный тип аэрогелевых материалов имеет свойство пропускать солнечный свет, однако, в то же время поглощать тепловое излучение. Благодаря этой характеристике, а также чрезвычайно низкому коэффициенту теплопроводности, составляющего у производимых серийно кварцевых аэрогелей порядка 0,016÷0,018 Вт/(м×К), то есть меньше, чем у воздуха (около 0,024). Они используются в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов в области строительства. Температура плавления этих аэрогелей составляет 1200 градусов. Материал толщиной всего в 25 мм способен надежно защитить руку от открытого огня паяльной лампы.

• Углеродные аэрогели, состоящие из наночастиц, которые ковалентно связаны между собой, отличаются своей электропроводностью. Поэтому их, помимо термоизоляционных функций,  часто применяют в качестве электродов в конденсаторах – за счет огромной площади внутренней поверхности можно достигать и огромных показателей электрической емкости. Кроме того, подобные материалы способны отражать всего лишь порядка 0,3% попадающего на них излучения, поэтому их широко применяют в качестве поглотителей солнечного света.
• Кремнезёмные аэрогели чаще всего применяются в качестве катализаторов в ответственных технологических процессах.

Выраженные достоинства материалов на основе аэрогеля

Общие преимущества аэрогелевых материалов можно описать таким образом:

• Экологическая безопасность. Материалы не содержат никаких вредных для окружающей среды веществ, поэтому применяются в любых условиях, в том числе – внутри жилых и общественных помещений любого предназначения, безо всяких исключений.
• Огнестойкость. Полотна и жидкие составы с включением аэрогеля относятся к негорючим материалам – класс НГ. Поэтому отлично подходят для термоизоляции технологических трубопроводов, перекачивающий высокотемпературные вещества или огнеопасные составы, а также различного оборудования, требующего повышенной защиты от воздействия открытого огня и высоких температур.
• Выраженно малая плотность. В связи с тем, что аэрогель состоит на 98% из воздуха, материал, изготовленный на его основе, не утяжеляет утепляемую конструкцию, а значит, не увеличивает нагрузку на несущую основу.

• Гидрофобность. Структурное строение открытых ячеек, способствует быстрому испарению влаги ,если она вдруг попала под слой утеплителя. Таким образом, аэрогелевые полотна способны обеспечить трубопроводам и другим металлическим поверхностям не только утепление, но и эффективную защиту от возникновения коррозии. Кроме того, материалы на основе аэрогеля обладают выраженно влагоотталкивающими способностями, даже в условиях очень высоких температур.
• Крайне низкая теплопроводность. Аэрогелевые композитные утеплители имеют самую низкую теплопроводность из всех известных ныне изоляторов, поэтому являются оптимальным вариантом для любых конструкций из каких бы то ни было материалов.
• Простота монтажных работ. Легкость и небольшая требуемая толщина материала обеспечивает простое закрепление его на любых поверхностей. Полотна и плиты фиксируются с помощью клеев, используемых для монтажа других утеплителей.

Предлагаемые аэрогелевые материалы и их применение

На российский рынок аэрогелевые материалы поставляет несколько производителей, например, китайская компания «Joda», которая занимается производство инновационных композитных утеплительных материалов с 1995 года.

В настоящее время предлагаются следующие продукты на основе аэрогеля:

• панели на основе кремеземного аэрогеля;
• нетканый материал для термоизоляции различных поверхностей – на основе кварцевых аэрогелей;
• огнестойкий теплоизоляционный порошок кремеземного аэрогеля;
• стекло на основе аэрогеля;
• теплоизоляционный нетканый материал на основе углеродного волокна.

Далее будут представлены некоторые из самых востребованных материалов, произведенных на основе аэрогеля.

Аэрогелевый порошок и краска

Порошок может иметь различные по размеру фракции частиц, самым востребованным вариантом является 20 мкм, характеризующийся коэффициентом теплопроводности 0,017-0,022 Вт/(м×К).

Порошок аэрогеля используется для изготовления гидро- и термоизоляционных составов с теми или иными связующими. Для получения желаемого эффекта на поверхность следует нанести один тонкий слой подобной изоляции.

Предлагается в товарном ассортименте и уже готовый состав для нанесения на поверхности – водая суспензия с латексным связующим.

Состав применяется для изоляции гипсокартона, бетонных и полиуретановых поверхностей. Покрытие создает достаточно прочный слой, который способен:

• защитить поверхность от огня (класс горючести НГ);
• придать влагоотталкивающие свойства;
• повысить термическое сопротивление конструкции — теплопроводность материала составляет ≤ 0,02 Вт/ (м×К);

Состав, имея хорошую адгезию, легко наносится на поверхность, эксплуатируется длительное время и является экологически чистым материалом.

Технологическая, противопожарная и строительная термоизоляция в полотнах и матах

Аэрогелевые нетканые материалы используются для теплоизоляции различного технологического оборудования, трубопроводов, иных ответственных конструкций. Эффективность такой термоизоляции уникальна, благодаря рекордно низкой теплопроводности, легкости, достаточной прочности и износостойкости, полному отсутствию влагопоглощения.

Для подобных целей используются полотна из композитных материалов, то есть в их состав, кроме аэрогеля, входят волокна разного происхождения.

В состав композитного утеплителя для внешних работ может быть добавлено стекловолокно, применяемые в производстве минеральной ваты. Широко используются керамические или углеродно-карболовые волокна,

Полотна производятся разной толщины, составляющей – от 2 до 12 мм. Такого диапазона считается вполне достаточно, чтобы защитить достичь необходимого эффекта термоизоляции.

Технические харакеристики полотен для внешнего утепления выглядят следующим образом:

Вполне можно использовать материалы с аэрогелей и для утепления строительных конструкций в жилых домах. Вопрос лишь в стоимости.

Аэрогелевые полотна, используемые, например, для внутреннего утепления обладают гидрофобностью, составляющей 99%. Поэтому, высокая влажность окружающей среды не снизит теплоизоляционные качества материала. Учитывая еще и то, что утеплитель не содержит органических составляющих, он непривлекателен для грызунов и насекомых, а также не является благоприятной средой ни для каких форм жизни.

Для внутреннего использования в условиях повышенной влажности хорошо подойдет фольгированный вариант утеплителя на основе аэрогеля.

К преимуществам аэрогелевых материалов для утепления внутри помещения можно отнести следующие качества:

• Прочность полотен.
• Гидрофобность.
• Длительный срок службы.
• Небольшая толщина поможет сохранить площадь внутреннего пространства помещений.
• Материал неплохо справляется и с функцией шумоизоляции.

• Негорючесть, материал относится к классу НГ, отменная огнестойкость – материал может противостоять распространению открытого пламени.
• Экологическая чистота материала. Он не содержит токсичных веществ и не имеет никакого запаха.

• Легкость полотен. На иллюстрации хорошо видно, что мастер, удерживая рулон одной рукой, самостоятельно без каких-либо усилий производит приклеивание материала к стене.
• Материал обладает диэлектрическими способностями, то есть не накапливают статического электричества.

В качестве примера аэрогелевых полотен, используемых в том числе и для утепления жилых помещений, можно привести маты «EVERGEL» польского производства.

Основные технические и эксплуатационные характеристики этого материала показаны в таблице:

А какой толщины утепления аэрогелевым матом будет достаточно?

Просто в качестве бонуса предлагаем прикинуть, какой лощины утеплительного слоя на основе аэрогеля будет достаточно для полноценной термоизоляции, допустим, наружной стены дома. и сравнить это значение с толщиной утепления из других популярных материалов.

Подсчитать будет несложно, так как читателю предлагается воспользоваться онлайн-калькулятором.

Для расчетов необходимо определить нормированное сопротивление теплопередаче для стен, соответствующее своему региону проживания (он, естественно, сильно зависит от климатических условий). Это значение несложно отыскать с использованием предлагаемой карты-схемы. Берется значение «для стен»: чтобы не спутать — оно указано цифрами фиолетового цвета.

В ходе расчетов будет предложено выбрать или аэрогель, или иной утеплитель. Если выбирается второй путь (например, для сравнения), то откроется дополнительное поле с перечнем наиболее популярных термоизоляционных материалов, используемых в жилищном строительстве.

Для расчетов понадобится указать толщину стены и материал, из которого она возведена. Задача несколько упрощена – в расчет не принимаются дополнительные слои, например, внешней и внутренней отделки. Они обычно не оказывают слишком существенного влияния на теплотехнические характеристики ограждающей конструкции, и в нашем случае, то есть для проведения сравнения, ими можно пренебречь. Хотя обычно в профессиональных расчётах учитываются все мелочи.

Нажатие на кнопку «Рассчитать…» приведет к получению результата, выраженного в миллиметрах (толщина утеплительного слоя). Можно провести сравнение различных термоизоляционных материалов в одних и тех же условиях на одной и той же конструкции – это бывает довольно интересно.

Калькулятор сравнения утепления аэрогелем с иными термоизоляционными материалами

Перейти к расчётам

*  *  *  *  *  *  *

Итак, материалы на основе аэрогеля вполне можно назвать универсальными. Они, кстати, могут иметь различную плотность и толщину, поэтому их применение постоянно ширится. Так, их в настоящее время используют не только в сфере промышленного и жилищного строительства, микроэлектроники, космической отрасли и различных технологических процессах, но и даже в качестве утеплителя для зимней одежды.

Таким образом, аэрогель, изобретенный более восьмидесяти лет назад, стал материалом XXI века. Ему пророчат большие перспективы, так как уникальные характеристики открывают все новые сферы для его применения.