Nanotechnológia építő-anyagipari alkalmazása



A nanotechnológia építőipari alkalmazási lehetőségei közül a hőszigetelés az a terület, ahol legszembetűnőbb az eltérés a normálméretű- és a nano szerkezetű anyagok tulajdonsága és viselkedése között. A nanoméretű porozitás esetén, az anyagok hővezetési tényezője, már nem arányos a testsűrűséggel, mint ahogy ezt legtöbb építőanyag esetében tapasztaljuk. Az eltérő hőszigetelési tulajdonságok csak fokozódnak, ha az anyag hőszigetelését nem a pórusrendszerébe bezárt levegő adja, hanem egy vákuumtér.

A nanopórusos anyagok hőtranszport folyamatai


Az építőipar területén alkalmazott hőszigetelő anyagok, elsősorban a levegő hőszigetelő tulajdonságát használják ki, és ma már elérték teljesítőképességük határát. A hagyományos hőszigetelő anyagokkal, mint például expandált polisztirol- és kőzetgyapot lemezek, nehezen teljesíthetők az EU energia-takarékossági előirányzatai a jövőben. Ezen segíthetnek a nanotechnológiával előállított olyan anyagok, amelyek a levegőnél sokkal hatékonyabb hőszigetelő képességgel rendelkeznek.
A nanotechnológiai eljárással létrehozott különleges hőszigetelőkben az anyagok nanoméretű struktúrája miatt, a hőtranszport folyamatok, csak fékezetten tudnak megvalósulni. Úgy is mondhatnánk, hogy a nanoméretű pórusossággal rendelkező anyagokban már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő terjedésével kapcsolatos törvényszerűségek. Az ilyen hatékony hőszigetelő anyagok hővezetési tényezője akár λ = 0,001 W/mK érték is lehet. Nem véletlen nyer egyre szélesebb körben alkalmazást a nanotechnológia az energiatakarékosság területén.

Nanopórusos hőszigetelő anyagok

Az építőiparban, szuperkönnyű hőszigetelő anyagként ismertek a szilícium-dioxid alapú aerogélek. Ezek a nanoméretű SiO2 és víz keverékéből előállított szuperkönnyű anyagok üregaránya több mint 90%, testsűrűségük 1,9 kg/m3, hővezetési tényezőjük λ = 0,013 W/mK.
Az aerogél hőszigetelő anyagok nano pórusos szerkezete igen különleges azáltal, hogy szilícium dioxid molekulák lineáris láncot alkotva helyezkednek el, egyvonalban kapcsolódva egymáshoz, nagyon lazán töltve ki a teret. Az ilyen nanostruktúrájú szerkezetben, a tömör rácsszerkezethez képest, teljesen másképpen zajlanak le a hőtranszport folyamatok.

Hőtranszport folyamatok az aerogél nanopórusos hőszigetelő anyagban /dr. Orbán József/



Hőtranszport folyamatokat befolyásoló tényezők a nanopórusos anyagszerkezetben:

1 Hővezetés
A lineáris molekulaláncban korlátozottak a hőtranszport folyamatok, mivel a (SiO2) részecskék között kicsik az érintkezési felületek. A hőátadás csak egyvonalban érvényesül, és sok a „zsákutca”. A hővezetés hatékonyságát nagymértékben gyengíti, hogy a hő egy lineáris molekulaláncban halad, a melegebb oldaltól a hidegebb irányába. A hőátadás folyamatában a gerjesztett részecskemolekulák csak a sorban következő szomszédos molekuláknak tudják átadni a hőt. A gerjesztett molekula egyrészt megnöveli rezgésintenzitását (A-amplitúdó), másrészt a magasabb energiaszintre kerülő vegyérték elektronjai (e) segítségével, fotonokat kisugározva (infra hősugárzás) energiakvantumok formájában (E = hν) szabadul meg a többlet energiától. Továbbá a molekulákkal közvetlen érintkező gázmolekulák is (pl. N2) elszállítják az energia egy részét.
A kvantummechanikában tárgyalt hőtranszport folyamatok szerint, ezek a mechanikai rezgések síkhullámok formájában terjednek a szilárd anyagban, a melegebb oldaltól a hidegebb irányába, és az anyagokra jellemző hullámhosszal és amplitúdóval rendelkeznek. A rezgéshullámok energiakvantumokat, azaz rácshoz kötött „fononokat” szállítanak, mint ahogy a fény elektromágneses sugárzása a fotonokat. Ezeket a fononokat kvázi részecskeként kell elképzelnünk, mint a rezgések kvantumai (energia csomagjai) és bizonyos esetekben (pl. elektronokkal való kapcsolatukban) úgy viselkednek, mintha részecskék lennének, hasonlóan fény (foton) elektromágneses sugárzásának a kettős természetéhez. 
Az újszerű ismereteink alapján most már elmondhatjuk, hogy a hő a szilárd anyagban, fononok mozgásával, hullámszerűen terjed, a nagyobb hőmérsékletű helytől a kisebb felé, azaz hullámszerű terjedéssel fononok áramlása alakul ki az anyagban. A fononokat úgy is értelmezhetjük, mint az atomi részecskék rezgési átmenetének energiakvantumai, és mint kvázi részecskék, impulzussal és szabad úthosszal is rendelkeznek. A fononok átlagos szabad úthossza szilícium (Si) esetében L = 200 nm. Ebből adódóan a lineáris molekulákból felépülő nanostruktúrájú anyagokban, a felületi hatások és a reflexió miatt, a fononok mozgása korlátozva van, ezt nevezik „Knudsen effektusnak”, ami nagymértékben hozzájárul ezen anyagok különlegesen hatékony hőszigetelő képességéhez. 

2 Hőáramlás
A nanopórusos anyag molekuláival közvetlenül érintkező gázmolekulák (pl. N2) konvekciós mozgással szállítják el az energia egy részét, de ez minimális, mivel a konvekciós hőáramláshoz a nanopórusos anyag üregeiben nincsenek meg a feltételek. A nanopórusok üregeiben érvényesül a Knudsen hatás, azaz a molekulák haladásához és ütközésükhöz szükséges szabad úthossz (pl. az N2 nitrogénmolekula estében L= 60 nm) ami nagyobb, mint a mozgástérként rendelkezésre álló tér mérete (d). Azaz d < L, melynek hatására a hőtranszportban résztvevő gázmolekulák kis hatékonysággal szállítják a hőt a kitüntetett irányba, ugyanis előbb ütköznek az üreg falába, mintsem átadhatnák az energiát egymásnak, ily módon a konvekciós hőáramlás nem alakul ki ezekben az anyagokban.

3 Hősugárzás
Az előzőekből már ismert, hogy hőközléssel (gerjesztéssel) növekszik a rácsrezgések amplitúdója és a vegyértékelektronok energiaszintje. Az energiakülönbség kisugárzódik elektromágneses hullámok formájában (emisszió). Az energiakvantumok (hν) hullámhossza (λ) a látható fény és az infravörös sugárzás λ = 400 nm ÷ 50 μm) tartományába esik.
A nanopórusok mérete (d) kisebb, mint az elektromágneses hősugárzás hullámhossza (d < λ ), így a hősugarak nagy része reflektálódik, szétszóródik, illetve elnyelődik az anyag felületén. A molekulák az elektronjaikon keresztül abszorbeálják (elnyelik) a sugárzó (E = hν) hőenergiát, melynek hatására növekszik az elektronok energiaszintje, a molekulák magasabb energiaállapotba mennek át. A molekulák gerjesztésével, növekszik a molekulák rácsrezgése, ennek hatására fononok keletkeznek, amelyek az anyag szerkezetében hullámszerű terjedéssel elvezetik a hőt.

Nanopórusos aerogel hőszigetelő anyagok alkalmazása

Az építőiparban alkalmazott SPACELOFT® egy flexibilis és hajlékony paplan, melyet a szilika aerogél hőszigetelő anyagnak, üvegszál térhálóba való beágyazásával állítanak elő. A paplant, különösen hatékonyan alkalmazzák épület felújításoknál, műemléki épületek hőszigetelésére, valamint a hőhidak utólagos megszüntetésére.

A nanostruktúrájú aerogél molekuláris szerkezete és hőszigetelő anyagként való alkalmazása //



Összefoglaló gondolatok

A nanoméretű pórusossággal rendelkező hőszigetelő anyagokban már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő terjedésével kapcsolatos törvényszerűségek és összefüggések. A nanotechnológiával létrehozott hőszigetelő szerkezetek hővezetési ellenállását nem lehet egyszerű számítással meghatározni az anyagvastagság és a hővezetési tényező hányadosával. Ebből következik, hogy tervezéskor a szokásos hőfizikai számításokat, a különböző beépítési modelleken végzett vizsgálataiból nyert adatokkal célszerű helyettesíteni.

Hőszigetelő festékek és vékonybevonatok

Hőszigetelő festékek és vékonybevonatok

Az utóbbi években egyre nagyobb dilemmát jelent az építészmérnökök számára, hogy lehet-e az épületeink homlokzatát kerámiagömbös hőreflexiós festékekkel hőszigetelni, a hagyományos polisztirol-, illetve kőzet gyapot hőszigetelő lapok alkalmazása helyett. A hőszigetelő festékekből- és vékonybevonatokból egyre több a kínálat, és a termékgazdák is egyre bátrabban terveztetik be „portékájukat”, olyan kedvező hőszigetelési tulajdonságokat (pl. λ = 0,0014 W/mK) tulajdonítva a festékanyagnak, aminek a bizonyítása mind a mai napig még várat magára. A termékgazdák igen sok esetben, megfelelő szakmai felkészültség hiányában, azt is mondhatnánk, hogy a tudatlanság bátorságával, olyan ajánlatokat is tesznek, miszerint 0,25 mm vastagságú festékréteg hőszigetelő képessége egyenértékű 15 cm üveggyapotéval, ami minden bizonyítékot nélkülöz, és teljességgel lehetetlen.
Ezeket a festékeket és vékonybevonatokat nem célszerű hagyományos hőszigetelő anyagként és rétegként kezelni, mivel azoktól teljesen eltérő az összetételük és a mikrószerkezeti felépítésük. A hővédő mechanizmusuk is elsősorban a hőreflexión alapszik, és bizonyos alkalmazási helyzetekben hatékonyan fékezhetik a falszerkezet felmelegedését és hő átbocsátását, mint ahogy azt egy hagyományos hőszigetelő anyagtól is elvárjuk. Mindezek után célszerű áttekinteni ezeknek a hőreflexiós festékeknek a „hővédő” tulajdonságaikat, részletesen elemezve a bevonati réteg kerámia gömbjeinek a hőtranszport folyamatokra gyakorolt hatását, ami egy építészmérnök számára a hőszigetelő képességet jelenti.  

A festékek hőszigetelő tulajdonságai

A hőszigetelő vékonybevonatok, mint például a ThermoShield „hőpajzs” membránbevonat, Protektor, TSM Ceramic és a Thermo S hőszigetelő festékek, Mahlmart hőszigetelő festékbevonat, MANTI Ceramic hő-védő termék, mikroméretű (Ø 10÷120 µm) üreges kerámia gömböket tartalmaznak, rétegvastagságuk kb. 0,3÷1.0 mm, és hőszigetelő festékként alkalmazzák őket az építőiparban, elsősorban épülethomlokzatok hőszigetelésére.

Az üreges gömböket, magas hőmérsékletű üvegolvadékból állítják elő, és lehűlésüket követően a belsejükben vákuum alakul ki. Ezekben a vákuumterekben már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő vezetésével
kapcsolatos törvényszerűségek. A termékismertetők műszaki adatai szerint a névleges hővezetési tényezőjük: λ = 0,014 W/mK. Alkalmazásukkal 20÷30%-os fűtési- és akár 50%-os hűtési energia megtakarítás is elérhető.

Hőtranszport folyamatok a kerámiagömbös vékonybevonat szerkezetében /Dr. Orbán József/



Hőközlési módok a kerámiagömbös festékben:
  1. Reflexió: A reflektáló „hőtükör” felületeken korlátozott a hőátadás.
    A kerámia gömbök a hősugárzás kb. 60 %-át a felületről visszatükrözik.
  2. Hővezetés: Az anyaga dielektrikum és a gömbök között kicsik az érintkezési felületek.
    Gömbökben a rácsrezgés hőközlési mód fékezetten érvényesül.
  3. Hőáramlás: Az üreges kerámiagömbök belsejében alacsony nyomású gáz van.
    A gömb vákuum terében minimális a konvekciós hőáramlás.
  4. Hősugárzás: A belső gömbfelület „hő-tükörként” működve, a sugárzott hőt visszareflektálja.
A hőszigetelő festékek és vékonybevonatok tulajdonságai

A vékonybevonatok hőszigetelő képessége nem állandó, és nagymértékben függ az alkalmazási terület hőmérsékleti tartományától. Hatékony a hőszigetelő képesség magas hőmérsékleten T> 200 °C és sugárzásos hő esetén (pl. az űrben). A reflektáló festékbevonatok alkalmazásával elérhető energia megtakarítás nem növekszik arányosan a rétegvastagsággal, pl.: 0,25 mm vtg. bevonat esetén: 15%; 1 mm vtg. bevonat esetén: 40%. Az épületek hőszigetelésénél igen hatékony a hőszigetelő képesség a tetőszerkezet- és a déli homlokzatok szigetelésekor, különösen a nyári napsugárzás elleni hővédelem esetén.

A festékek hővédő képességében igen nagy szerepe van a hőtükör tulajdonságnak. A bevonati réteg reflexiós tényezője (ρ) a hősugárzás visszatükrözésének köszönhetően, lényegesen nagyobb, mint a hagyományos anyagoknál. A befestett falfelületek hőátadási tényezője (α = 2 W/m2K ) ami lényegesen kisebb, mint a normál anyagok 8 W/m2K értéke. A kerámia gömbök vékony hártya szerkezete miatt, a befestett felületek hőelvezetési tényezője lényegesen kisebb, mint a tömör anyagoké. A bevonat λ értéke közvetlenül nem mérhető, ezért az épületmodelleken kimért energetikai adatokból számolják vissza a „λnévleges” értékét. A modellektől függően ez az érték igen változó: λnévleges = 0,001÷0,0017 W/mK.

A hővédő bevonatokat eredményesen alkalmazzák műemléki épületek hőszigetelésére, épületek belső oldali hőszigetelésére, könnyűszerkezetes- és faépületek hőszigetelésére, az energiaipari berendezések hővédelmére.

Belsőoldali rétegként a gömbök felülete a hő hullámokat visszaveri egyenletes (szórt) hőelosztást biztosítva a belső légtérben, ez megszünteti a hőhidakat, csökkentve a páralecsapódás és penészképződés veszélyét.

Alkalmazásuk előnye, hogy vékony rétegben kell felhordani, akár állványozás nélkül is és kevés az anyagfelhasználás. Tűzvédelmi besorolása: A2. Alkalmazásukkal az energia megtakarítás kb.: 25 ÷ 30%. Pl. U = 1,0 W/m2K hőátbocsátási tényezőjű falszerkezet esetén az U = 0,7 W/m2K -re csökken. Kérdés, hogy amennyiben ez a 0,7 érték nem elegendő, úgy van-e értelme a szigetelésnek, ugyanis a festékréteg vastagságának növelése nem arányos a hőszigetelő képesség növekedésével. A hőszigetelt falszerkezetek hőátbocsátási tényezőjét (U) a hagyományos módon nem lehet kiszámítani, ezért az épületenergetikai modelleken végzett vizsgálatok adatait kell felhasználni.

A hővédő vékonybevonatok hatékony hőszigetelő képessége a festékréteg kerámiagömbjeiben végbemenő hőtranszport folyamatok korlátozottságával magyarázható. Ehhez a kvantummechanikában használatos törvényszerűségek részletes elemzésére lenne szükség, ami ebben a közleményben már nem lehetséges. A hőtranszport folyamat lényege: A hősugárzás abszorciója során a fotonok (hv) energiája egyrészt reflektálódik a hőtükör felületen, másrészt elnyelődik a falszerkezetet alkotó molekulákban. Ennek hatására a vegyérték elektronok megváltoztatják energia szintjüket, ami hőt indukál (gerjesztődés), és megnövekszik a kerámiagömb anyagát alkotó molekulák rácsrezgése (amplitúdója), ami „fononok” formájában elvezetődik a kerámia gömb anyagában. A fononok hullámhossza ΛSiO2 = 200 nm, ami összevethető a kerámia gömbök falvastagságával, így a hő terjedése során érvénysül a „Knudsen hatás”, ami a bevonat hőszigetelő képességét növeli.

A vékonybevonat hőtranszport folyamatai nyáron /Dr. Orbán József/

A vékonybevonat hőtranszport folyamatai télen /Dr. Orbán József/





Alacsony hőmérsékletű, folyadékalapú geotermikus rendszerek hosszú távú megújulásának modellezése


Geotermikus energia alatt a földi hőáram következtében a földkéregben mindenütt jelenlévő nem szoláris eredetű belső hőt értjük. Mivel a földhő a többi megújuló energiaforrással ellentétben nem a Napban végbemenő termonukleáris reakcióból ered, ezért a szó szoros értelmében a geotermikus energia nem is nevezhető megújuló energiának (Böszörményi, 2008). Az általánosan elfogadott nézet mégis az a geotermikus energiával kapcsolatosan, hogy a technikai-társadalmi rendszerek időskáláján megújuló energiának tekinthető, mivel geológiai léptékben mérhető időre nincs szükség a regenerációhoz.


Épített környezetünk természetes radioaktivitása


Amióta ember él a Földön, radioaktív sugárzásnak van kitéve, egyrészt a világűrből, másrészt a talajból és a lakóépületeink anyagában lévő radioaktív-izotópoktól ér minket sugárzás. Napjainkban egyre többet foglalkozunk a környezetvédelem problémáival, ezen belül lakókörnyezetünk állapotával. Így gyakran előtérbe kerül a lakóépületekben, illetve a munkahelyeken mérhető radioaktív sugárzás mértéke, és ennek sugár-egészségügyi hatása. Figyelmeztető jel, hogy az utóbbi évtizedekben tapasztalható rákos megbetegedések gyakorisága, a statisztikai adatok szerint, összefüggésbe hozható az épített környezetünk természetes radioaktivitásával.