2024. június 19., szerda

UJ HONLAP BANNER 250 100

kep1-webE közlemény bemutatja, hogy a kerámiagömbös hőszigetelő festékek és hővédő bevonatok milyen tulajdonságokkal rendelkeznek, és a termékismertetőkben közölt különleges hőtechnikai paramétereiket milyen módon lehet figyelembe venni az épületfizikai számításoknál.

A hőszigetelő festékek, melyeket a későbbiekben ismertetett tulajdonságuk alapján, célszerűbb hővédő vékonybevonatoknak nevezni, igen hatékony hőszigetelő képességüket a mikroméretű kerámiagömbök struktúrájának köszönhetik. Ezekben az anyagokban a hőtranszport-folyamatok a normális szerkezetű anyagokétól eltérő módon valósulnak meg. A kerámiagömbök felületének igen hatékony a hőreflexiós képessége, a gömbök nanostruktúrájú falszerkezetének igen nagy a hővezetési ellenállása, valamint a gömböket kitöltő alacsony nyomású gázanyagban minimális a konvekciós hőszállítás. Tekintettel arra, hogy a hővédő bevonatok hőszigetelő képességének fokozása, a vastagság növelésével nem arányos, és vastagságuk is korlátozott, így alkalmazásuk (1. kép) körültekintő tervezést és épületfizikai ellenőrző számításokat igényel.

BEVEZETŐ GONDOLATOK

Az utóbbi években egyre nagyobb dilemmát jelent az építészmérnökök számára, hogy lehet-e épületeink homlokzatát kerámiagömbös „hőreflexiós festékekkel" hőszigetelni, a hagyományos polisztirol-, illetve kőzetgyapot szigetelő anyagok alkalmazása helyett. A hőszigetelő festékekből- és hővédő bevonatokból egyre több a kínálat, és a termékgazdák is egyre bátrabban kínálják „portékájukat", olyan kedvező hőszigetelési tulajdonságokat tulajdonítva a festékanyagnak, mint pl. λ = 0,0017 W/mK, aminek korrekt ellenőrző mérése azonban mind a mai napig várat magára. A termékgazdák igen sok esetben, megfelelő szakmai felkészültség hiányában, azt is mondhatnánk, hogy a tudatlanság bátorságával, olyan ajánlatokat is tesznek, miszerint 1 milliméteres festékréteg hőszigetelő képessége egyenértékű 10–15 centiméter üveggyapotéval, ami nagy valószínűséggel lehetetlen, és minden bizonyítékot nélkülöz.

A kerámiagömbös hővédő vékonybevonatok épületfizikai számításokhoz szükséges paramétereinek (pl. λ hővezetési tényező) meghatározására az utóbbi években számos hazai kutatóintézetben és laboratóriumban végeztek anyag- és modellvizsgálatokat. Az ellenőrző vizsgálatokat a hőszigetelő anyagokra vonatkozó szabványok szerint végezték, és ennek megfelelően a kapott mérési eredmények nehezen voltak értelmezhetők egy nanostruktúrájú hőreflexiós bevonatra.

Tekintettel arra, hogy a hővédő bevonatok „hőszigetelő" tulajdonságának bemérése még folyamatban van, így a festékek hőszigetelő képességére vonatkozó elméleti magyarázat labor- és modellmérések megerősítése nélkül, csak hipotézis jellegű. Ennek megfelelően e szakmai cikk anyagát vitaindítónak szánjuk, és várjuk a témában jártas szakemberek hozzászólását és véleményét.

A HŐVÉDŐ BEVONATOK TULAJDONSÁGAI

A hővédő vékonybevonatok, mint például a MANTI Ceramic, TSM Ceramic, Thermo-Shield, Protektor, SuperTherm, Thermo S, Mahlmart, stb. mikroméretű (Ø 10–120 μm) üreges kerámiagömböket tartalmaznak, a falszerkezetre felhordott rétegvastagságuk 0,3–2,0 milliméter, és hővédő vékonybevonatként alkalmazzák őket az építőiparban, elsősorban épülethomlokzatok hőszigetelésére.

A termékfejlesztő kutatóintézetek adatai és a hazai gyakorlati tapasztalatok alapján a festékek alkalmazásával a falszerkezet hőátbocsátási tényezője, például egy hagyományos 38-as téglafal esetén kb. 30 százalékkal csökken, de ez az érték külső és belső oldali együttes hőszigetelés esetén, akár az 50 százalékot is elérheti, ami már igen jelentős energia-megtakarítást jelenthet. Természetesen egy épületnél elérhető energiamegtakarítás mértéke nemcsak a térelhatároló falszerkezet hőszigeteltségén és a hőátbocsátási tényezőjén múlik, hanem még számos más körülmény is befolyásolja a szigetelés hatékonyságát, mint például a nyílászárók mennyisége és minősége.

A hővédő bevonatok, a kerámiagömbök reflexiós „hőtükör" tulajdonsága miatt, hatékonyan szigetelik a sugárzott hőt, például a nyári napsugárzás hőhatását. Nem véletlenül fejlesztették ki őket az űrkutatás számára. Igen hatékony a szigetelő képességük a magasabb (T > 200 0C) hőmérséklet-tartományban, ezért alkalmazzák őket eredményesen az energiaiparban, például a magasnyomású gőzvezetékek hőszigetelésére.
Ez azt jelenti, hogy a hővédő bevonatok űrtechnikában, vagy az energiaiparban produkált hőszigetelési hatékonyságával nem számolhatunk lakóépületeink szigetelése esetén.

A mikrostruktúrájú hővédő bevonatokat nem célszerű hagyományos hőszigetelő anyagként kezelni, mivel azoktól teljesen eltérő a szerkezeti felépítésük és a korábbi közleményekben [1] [2] elemzett hővezetési- és hőszigetelési mechanizmusuk. A vékony bevonati réteget alkotó kerámiagömbök nanoméretű falszerkezete egyrészt hőtükörként működik, másrészt pedig mintegy gátat képezve, igen hatékonyan fékezi az anyagban való hőáramlást. A hővédő réteg kerámiagömbjei a kb. 80 μm átmérőjükkel és 0,2 μm falvastagságukkal igen parányi „luftballonhoz" hasonlítanak. Az ilyen vékony falszerkezetű anyagok a jó hőszigetelő képességük mellett igen nehezen veszik fel és adják le a hőt, így az anyaggal bevont falfelületek hőátadási tényezői igen nagymértékben eltérnek a hagyományos és tömör építőanyagokétól. Ezt a fékezett hőfelvételt és hőleadást használják ki a termékgazdák az anyag szuper jó „szigetelőképességének" a demonstrálására, amikor egy serpenyő egyik felét befestve tojást sütnek benne, és a tojás néhány percig nem tud megsülni a befestett felülettel érintkezve.

A hőkamerás vizsgálatok alapján a befestett felületek hőmérséklete kis idő elteltével gyakorlatilag megegyezik a festékkel nem bevonttal, de amikor tojást ütünk rá, a hideg tojás lehűti a festékréteg felületén lévő vékonyfalú buborékokat. Tekintettel arra, hogy a hővédő festékréteg vékony falszerkezetében fékezett a hőáramlás, ennek eredményeként a forró serpenyő a festékrétegen keresztül csak hosszabb idő elteltével tud újra annyi hőt közölni, hogy a friss tojás megsüljön. Gyakorlatilag ugyanez a magyarázata annak a jelenségnek is, amikor a felforrósodott vasaló festékkel bevont felülete néhány percig megérinthető égési sérülés nélkül. Itt a kezünk hűti le a bevonat kerámiagömbjeit, és itt is idő kell, amíg a fékezett hőtranszporttal a felület újra felforrósodik.

Megállapíthatjuk, hogy a bemutatott jelenségek nem a bevonat „szuper jó λ" hőszigetelő képességének köszönhetők, hanem a nanostruktúrájú felületek hőfelvétel-hőleadás módja különbözik a hagyományos anyagokétól.

kep2A hővédő vékonyréteg tulajdonságát nagymértékben meghatározza a kerámiagömbök közötti tér telítettsége, azaz a kitöltő habarcsanyag százalékos tömeg részaránya. Amennyiben a falfelületre való felhordás ecsettel, vagy hengerrel történik, úgy a gömbök közötti térnek habarcsanyaggal telítettnek kell lennie. Ilyenkor a kitöltő habarcsanyag nagymértékben rontja a bevonat hőszigetelő képességét, és a páraáteresztő képességét is. Ezért célszerű különböző nagyságú gömbök keverékét használni, és a hőszigetelő bevonatot nagynyomású szóróberendezéssel felhordani a falfelületre, mert ilyenkor a habarcsanyag mennyisége csak a gömbök összeragasztásához szükséges (2. kép).

A felhordás technológiájától és a gömbök szemszerkezetétől függően a habarcsanyag (kötő- és adalékanyagok) mennyisége termékenként széles határok között változhat, kb. 20÷50 tömegszázalék.

A kerámiagömbök anyaga üveg-kerámia, legtöbbször alumíniumszilikát, de újabban alkáli boro-szilikátból állítják elő a buborékokat a nagyobb szilárdság és rugalmasság érdekében, hogy a felhordás során ne töredezzenek. A bevonati réteg rugalmasságának növelésére gáztöltetű műanyag gömböket is adagolnak a rendszerhez. A gömbök kedvező szemcseméret eloszlása érdekében különböző frakciójú gömböket használnak 1-10 μm és 10-100 μm méret tartományban.

A hővédő bevonati réteg habarcs kötőanyagának több feladatot kell ellátnia, mint például a gömbök összeragasztása, a falfelülethez való tapadás biztosítása, UV- és hőállóság, páraáteresztő képesség, a fémfelületek korrózióvédelme stb. Az egyes felhasználási területeknek megfelelően (fal- és fémfelület, magas hőmérséklet), igen nagy eltérés van az összetételüket illetően, és a különböző termékcsaládok ebben térnek el leginkább egymástól. Egyes bevonatok tűzvédelmi besorolása: A2, esetenként A1. A gyártó cégek a kötőanyag összetételét nem is adják meg teljes pontossággal, mivel ez legtöbbször szabadalom tárgyát képezi. Tájékoztatásul közlik pl. vízzel hígítható gyanta polimerek, akrilátok, észteres alkohol, cellulóz, cinkoxid, titándioxid és alumínium hidroxid stb.

A bevonati réteg tulajdonságának javítására kiegészítő adalékanyagokat kevernek a kötőanyaghoz, például a hőreflexió javítására, a rugalmasság növelésére, páraáteresztő képesség biztosítására, a szuszpenzió stabilitására, a termék eltarthatóságára, a falfelületre való felhordáshoz szükséges tapadás biztosítására. Például a bevonat hőreflexiós tulajdonságának javítása érdekében nanoméretű titándioxidot (TiO2), míg a rugalmasság javítására mikroméretű tömör műanyag golyókat adagolnak előállítása során a szuszpenzióhoz.

Az eddig elmondottak alapján érthetővé válik, hogy a gyártó-forgalmazó cégek miért ajánlanak különböző összetételű bevonatokat a bel- és kültéri falfelületekre, magas hőmérsékletű fémfelületekre, kézi- és gépi felhordásra stb. A megfelelő minőségű és hőszigetelő képességű bevonat biztosítása érdekében a legtöbb cég ezért a termékét nem is árulja dobozos formában, hanem szakkivitelezőként végzi el a falfelület hőszigetelését.

A BEVONATOK HŐTRANSZPORT-FOLYAMATAI

1abraAz igen vékony (d < 0,5 μm) falvastagságú üreges kerámiagömböket többféle eljárással elő lehet állítani, például magas hőmérsékletű szilikát olvadékból, és lehűlésüket követően a belsejükben vákuumtér alakul ki. Az ilyen mikro-struktúrájú gömböket tartalmazó bevonati rétegekben már nem a hagyományos anyagoknál megszokott módon érvényesülnek a hő vezetésével kapcsolatos törvényszerűségek (1. ábra). Ez azzal magyarázható, hogy a kerámiagömbök „hőtükör" felülete a hősugárzás egy részét visszareflektálja, hasonlóan az „Austrotherm Grafit" polisztirolhab lemez mikroméretű grafitpor szemcséihez, korlátozva ezzel a felületi hőátadást. Ez a reflektáló hatás a gömbök belső terének felületén is hatékonyan működik. Ezért is nevezik több esetben ezeket az anyagokat „hőreflexiós festéknek".

A bevonati réteg hőszigetelő képességét tovább javítja, hogy a néhány mikrométer átmérőjű gömbök belsejének vákuumterében rossz hővezető képességű gázanyag van, másrészt pedig a gömb méretéből adódóan minimális a konvekciós hőáramlás. Az ilyen mikrostruktúrájú anyagok hőszigetelő képességét az is javítja, hogy a gömbök falvastagsága 0,2–0,5 μm, ami már nanométer nagyságrendű, és az ilyen vékony anyagstruktúrákban a rácsrezgéssel történő hővezetés, amit „fononoknak" nevezünk, csak fékezetten tud megvalósulni.

A kerámiagömbök hőtranszport-folyamatai:

0. Reflexió: Elektromágneses hullámok formájában terjed a sugárzott hő, kvantumai a fotonok. A hősugárzás reflexiója miatt csökken a hőátadás és hőfelvétel a külső gömbfelületen. Kerámiagömbök a hősugárzás egy részét a felületükről visszatükrözik.

1. Hővezetés: Kicsi a kerámiagömbök érintkezési, azaz a hőátadási felülete. Gömbök falában korlátozott a rácsrezgéses hőszállítás, azaz a fononok áramlása.

2. Hőáramlás: A gömbökben mozgó gázmolekulák közvetítik a hőt. A gömbök mikroméretű zártcellás vákuumterében minimális a konvekciós hőáramlás.

3. Hősugárzás: A belső gömbfelület „hőtükörként" működve, a sugárzott hő egy részét visszatükrözi.

Természetesen a hővédő bevonat hőszigetelő képessége nem csak a kerámiagömbök hőtranszport-folyamataitól függ, mivel ezt nagymértékben befolyásolja a festékhez adagolt kötő- és adalékanyagok mennyisége, ennek a habarcsanyagnak a gömbök felületén való rétegvastagsága, valamint a gömbök közötti terek kitöltöttsége, azaz a bevonati réteg porozitása.

A hővédő réteg hőszigetelési mechanizmusának ismertetése előtt, elemezzük részletesebben mindazokat a hőtranszport-folyamatokat és fizikai jelenségeket, amelyek egymikrostruktúrájú anyagban végbemennek. Ez nagymértékben megkönnyíti majd annak megítélését, hogy a hőreflexiós védőbevonatok milyen „hőszigetelő" képességgel és hőátadási tényezővel vehetők figyelembe a hőtechnikai számítások során.

2abraA hőtranszport-folyamatok (2. ábra) [3][4] lényege, hogy a hősugárzás abszorpciója során a fotonok (hv) energiája egyrészt reflektálódik a kerámiagömbök hőtükör felületén, másrészt elnyelődik a gömbök falszerkezetét alkotó szilikátásványok atomjainak elektronjai által. Ennek hatására az atomok vegyérték elektronjai magasabb energiaszintű pályára kerülnek, ami hőt indukál (gerjesztődés), ezáltal megnövekszik a kerámiagömb anyagát alkotó atomok rácsrezgésének amplitúdója. Ezek a megnövekedett amplitúdójú rácsrezgések, amit „fononoknak" nevezünk, kvantum adagokban és hullámszerűen vezetik el a hőenergiát a gömb falában. A fononok hullámhossza a szilikát anyagban: ΛSiO2 = 200 nm, a mi összevethető a kerámiagömbök falvastagságával, így a hő terjedése során érvényesül a „Knudsen-hatás". Ez azt jelenti, hogy amíg a makroszkopikus anyagstruktúrákban a fononok jellemző kölcsönhatása az egymással való ütközés és energiaátadás, addig a nanométeres tartományban a fononok domináns kölcsönhatása a fallal való ütközés és reflektálódás, mely jelenség az anyag hővezető képességét csökkenti.

A hideg oldali energialeadás (emisszió) során a fononok formájában szállított hő úgy távozik a kerámiagömb anyagából, hogy a megnövekedett rácsrezgésű szélső atomok gerjesztett állapotban lévő vegyértékelektronjai az energiájuk egy részét fotonok formájában kisugározzák, ezáltal alacsonyabb szintű pályára kerülnek, ami az atom rácsrezgésének a csökkenését eredményezi.

3abraA konvekciós hőszállítás során végbemenő hőtranszport-folyamatok elemzéséhez tekintsük át a levegő, mint gáz, molekuláinak energiatartalmát és hőmozgását. A meleg levegő molekulái (pl. N2) rendelkeznek mozgási, illetve kinetikai energiával, melyet konvekciós mozgásukkal (pl. légtömegáramlás) szállítanak, és a fallal való rugalmas ütközéskor adnak át a falszerkezet molekuláinak, a mi esetünkben a szilikátanyagú kerámiagömb atomjainak. Az ütközés hatására a gázmolekulák mozgási energiája és mozgási sebessége lecsökken, a kerámiagömb felületének atomjai pedig kimozdulnak eredeti állapotukból, továbbá az ütközéssel együtt járó súrlódási hő hatására az atomok fel is melegszenek. Mindezek a jelenségek az atomok rácsrezgését megnövelik, és hatásukra rezgéshullámok, azaz fononok áramlása indul el a kerámiagömb anyagában, szállítva a hőt a meleg oldaltól a hideg oldal felé (3. ábra).

Hivatkozások
[1] Orbán József: A nanotechnológia építőanyag-ipari alkalmazásai I–II. Magyar Építéstechnika 2012/1 sz. 40-43. oldal és 2012/2-3. 54-57. oldal
[2] Orbán József: Nanotechnológia építőipari alkalmazása. Energiatakarékosság és környezetvédelem. Építés spektrum, 2013/3. sz. 18–24. oldal
[3] Orbán József: Energiamegtakarítás kerámiagömbös hővédő vékonybevonattal. Pollack Expo 2015. Szakmai Kiállítás és Konferencia. Pécs, 2015. február 26-27. https://youtu.be/A-pqyfgeMu4
[4] Orbán József: Nanotechnológia építőipari alkalmazása. Hőszigetelő festékek és vékonybevonatok. OKTOPORT Műszaki és Informatikai szakmai portál, építőmérnöki fejezet. PTE. 2015. http://oktoport.hu

A levegő molekuláinak belső-, illetve impulzusenergiájuk is van, mely meghatározza a molekuláris hőmozgás szabad úthosszát, azaz azt a távolságot, amit a molekuláknak az egymással való ütközésükig meg kell tenniük. Normális hőmérséklet- és légnyomás viszonyok mellett ez az érték, nitrogénmolekula esetén LN< 60 nm. A hőmozgás sebessége pedig a gázmolekula anyagától- és a hőmérséklettől függően, az 500 m/s értéket is meghaladhatja. A gázmolekulák a fallal való érintkezésekor belső energiát is adnak át, melynek hatására a szabad úthosszuk megnövekszik. A teljesség kedvéért a gázmolekulák forgási energiájával is számolnunk kellene, de ez a molekuláris forgási energia az építőipari hőtechnikai számításaink során elhanyagolható.

A hideg oldali energialeadás során a fononok által szállított hő úgy távozik a kerámiagömb anyagából, hogy a megnövekedett rácsrezgésű szélső atomok érintkezve a levegőmolekulákkal, hőkiegyenlítődéssel energiát adnak át, melynek hatására a gázmolekulák konvekciós mozgással elszállítják a hőt a kerámiagömb falától. Mindezek eredményeként a gázmolekulák hőmozgási sebessége megnövekszik, szabad úthossza (L) pedig lerövidül.

 

Dr. Orbán József
professzor emeritus
PTE MIK Szilárdságtan Tanszék
Ez az e-mail cím a spamrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

 

A cikk II. részét következő számunkban olvashatják

 

 

Keresés

mehi-banner-media 120x240