Главная » Статьи » Инновационный изоляционный материал на основе базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля
Инновационный изоляционный материал на основе базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля
Кремнеземный аэрогель, фрагмент

Инновационный изоляционный материал на основе базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля

В Технологическом институте Аахенского университета (ITA) Германии разрабатывают новый изоляционный материал из кремнеземного аэрогеля и базальтового армирующего волокна, работая на стыке текстильного машиностроения и материаловедения.

Целью совместного проекта с компанией GETA mbH является создание долговечных и прочных, но при этом легких композитов с высокими изоляционными свойствами для применения в жилищном строительстве, в коммерческих проектах, а также для высокоэффективных промышленных приложений.

Последние годы растет стремление снизить выбросы парниковых газов и сделать будущий мир более экологичным, поэтому было проведено значительное количество исследовательских работ по поиску альтернативных источников энергии и снижению энергетических затрат.

На обогрев обычного одноквартирного дома в Германии расходуется более 60% от общего количества энергии, поэтому очевидно, что новые технологии в области теплоизоляции должны стать основной сферой исследований и помочь снизить энергетические потребности жилого помещения. В настоящее время для жилых зданий чаще всего используют гибридную систему наружной изоляционной отделки (EIFS), которая состоит из синтетических органических материалов, таких как полистирол или полиуретан с теплопроводностью около 0,02-0,05 Вт/мК и наружного слоя из гипсового волоконноармированного покрытия.

В высоких многоэтажных зданиях наиболее распространенным видом изоляции является облицовка дождевым экраном, под которым находятся синтетические органические изоляционные плиты.

Такие системы требуют использования невозобновляемых сырьевых материалов, однако их применение может привести к катастрофическому пожару, как показал опыт прошлых лет.

Кроме того, изоляция из синтетических органических материалов обычно не подлежит вторичной переработке и требует больших затрат энергии при утилизации. Использование в жилищном строительстве и коммерческих проектах альтернативного материала с высокими изоляционными свойствами и пригодного к вторичной переработке может положительно повлиять на выбросы парниковых газов и окружающую среду в целом.

Кремнеземные аэрогели представляют собой неорганические твердые вещества с очень высокой пористостью – до 99%. Из-за высокой пористости кремнеземные аэрогели чрезвычайно легкие, их вес составляет всего лишь 1,900 г / м3, при этом они имеют низкую теплопроводность — 0,004 Вт / мК. Подобные свойства делают кремнеземные аэрогели перспективными для разработки на их основе новых видов высокоэффективных изоляционных материалов. Одним из основных недостатков кремнеземных аэрогелей является низкий показатель прочности на изгиб и хрупкость. На сегодняшний день блоки, которые производят из кремнеземного аэрогеля, не могут использоваться в качестве строительного изоляционного материала, так как они легко разрушаются при транспортировке и монтаже. Правда, сейчас существуют некоторые варианты изоляционных материалов на основе аэрогелей, но в них используются частицы аэрогеля, а не цельные блоки, что увеличивает теплопроводность конечного продукта.

До сих пор аэрогель в виде блоков не был успешно использован в качестве строительного изоляционного материала из-за его плохих механических характеристик, которые ведут к разрушению во время транспортировки и/или при использовании на месте монтажа.

В Германии разрабатывают инновационный изоляционный материал на основе базальтового волокна

Кремнеземный аэрогель, фрагмент

Целью данного исследовательского проекта является применение неорганических базальтовых армирующих материалов для улучшения механических характеристик блоков кремнеземного аэрогеля. Как известно, армирующее волокно может значительно повысить механические свойства слабых материалов (при этом нужно учитывать материал матрицы). Это доказывается тем, что волоконноармированные полимеры (стекловолокно и углеродное волокно) быстро захватили индустрии, в которых требуется использование материалов с низким весом, а именно ветроэнергетика, автомобилестроение и авиация.

Базальтовые породы можно считать естественным возобновляемым ресурсом, так как процессы природы ежегодно создают до 2,6 триллиона тонн этого материала. Более того, производство базальтового волокна требует меньше энергии, а выбросы СO2 ниже, чем при изготовлении более популярных стекловолокна или углеродного волокна. Как материал для изоляционных плит базальтовое волокно предлагает ряд дополнительных преимуществ, в том числе:

  • Низкая теплопроводность;
  • Более высокие (на 15%) прочность на растяжение и модуль Юнга, чем у волокна из E-стекла;
  • Высокая термостойкость (температура плавления составляет 1450 C, менее чем< 1 % от легковоспламеняющихся веществ);
  • Высокий коэффициент поглощения звука;
  • Хорошая прочность при воздействии ультрафиолетового излучения;
  • Хорошая устойчивость к микроорганизмам и плесени;
  • Слабое воздействие на здоровье человека (не является канцерогенным);
  • Низкая цена (2,5 — 3,5 € / кг).

Композит из базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля является полностью неорганическим материалом и не подвергается горению. Его свойства можно с выгодой использовать не только для целей строительства, но и в высокоэффективных приложениях в таких областях, как авиационная или автомобильная техника.

В Германии разрабатывают инновационный изоляционный материал на основе базальтового волокна

Процесс разработки изоляционной панели из аэрогеля, армированной базальтовым волокном

Во время катализируемого основанием синтеза кремнеземного аэрогеля необходимы щелочные катализаторы для инициирования реакции гидролиза между тетраэтилортосиликатом (ТЭОС) и водой. Эта реакция нужна для создания пористой матрицы из кремнеземного аэрогеля. В результате возникают жесткие химические условия, поэтому будет опробован ряд различных базальтовых композиций и замасливателей, чтобы определить тип волокна, который наиболее подходит данным условиям. Будут рассматриваться базальтовые волокна даже с низким сопротивлением щелочам, поскольку в данной ситуации допустимы небольшие потери механических свойств. Считается, что нужную прочность строительной изоляции можно обеспечить даже не используя полный запас прочности на растяжение, которым обладает базальтовое волокно. Более того, небольшое химическое воздействие на поверхность базальтовых волокон может положительно повлиять на его поверхностные свойства, повысив сцепление на стыке волокна и матрицы. Для дальнейших исследований планируется отобрать волокно с наилучшей адгезией к матрице из кремнеземного аэрогеля.

Для определения наиболее подходящего типа волоконного армирования для кремнеземного аэрогеля будут исследованы его разнообразные виды. Армирующий текстиль, такой как нетканые маты, тканый текстиль, рубленое волокно, сэндвич-структуры, а также различные сочетания материалов будут включены в процесс исследований. Чтобы оптимизировать волоконное армирование, необходимо найти компромисс между механической прочностью материала и его изолирующими свойствами. Образцы с различными вариантами текстильного армирования проверят на предмет их механических свойств. Использование обычных методов исследований для аэрогельного композита не представляется возможным из-за хрупкости аэрогелевой матрицы. Будут разработаны новые средства фиксации аэрогеля в испытательной установке, а также специальные параметры тестирования для стандартных тестов, с целью облегчить получение точных результатов. Также планируют разработать метод тестирования для оценки адгезии волоконно-матричной структуры в дополнение к визуальному контролю под микроскопом линии сцепления волокна и матрицы. Наиболее подходящий вариант текстильного армирования подберут, исследуя общие механические свойства, легкость изготовления, а также изоляционные свойства.

До середины 2019 года компании ITA и GETA mbH намерены разработать первый образец изоляционной панели из аэрогеля, способной выдержать типичные нагрузки, которым подвергаются изоляционные строительные панели. В будущем блоки изоляции из армированного волокном аэрогеля можно будет использовать не только в строительном секторе, но и в тех областях, которые требуют низкую теплопроводность, огнестойкость и малый вес.

Проект финансируется Федеральным министерством образования и исследований Германии в рамках инновационной схемы КМУ.

Инновационный изоляционный материал на основе базальтового волокна и кремнеземного аэрогеля

 

О Olga Yurchenko

Olga Yurchenko
x

Читайте также

Родриго Ромо, PISCES: Наши исследования базальта могут принести выгоду Гавайям

Родриго Ромо, PISCES: Наши исследования базальта могут принести выгоду Гавайям

Программный директор PISCES, Родриго Ромо, рассказал, чем привлекательны гавайские базальты для производителей базальтоволокна и как космические технологии могут помочь экономике штата.