Kas 3D-vahtkeraamilised plaadid on hea soojusisolatsiooni valik?

3D-vahtkeraamiliste telliste soojusisolatsiooni tõhusus

Mikrostruktuuri mõju soojusjuhtivusele ja konvektiivsele soojusülekandele

Miks on 3D-vahtkeraamilised plaadid nii head soojuskindluse tagamisel? See tuleneb nende ehitusest, milles kasutatakse erilisi poroosseid struktuure. Avatud rakuliste vahtude puhul moodustuvad väikesed õhupõhjad, mis takistavad soojuse lähetumist nende kaudu juhtimise teel. Kuidas on asi keraamiliste osadega? Need ei luba ka paljut kiirgust läbi, sest nad peegeldavad suurema osa sellest tagasi ning ei nea seda. Laboriuuringud umbes aastast 2019 näitasid, et neil materjalidel on soojusjuhtivus vahemikus 0,07–0,10 W/m·K, mis on umbes 40 % parem kui tavaliste soojustusmaterjalide puhul. Mõned versioonid, millel on suletud rakud, on veel tõhusamad konvektiivse sooja kaotuse vältimisel, kuna iga õhupõhja on eraldi hermeetiliselt sulgemisega kaitstud. Siiski on sellega ka kaasas kompromiss – suletud rakud ei võimalda niiskust nii hästi välja pääseda. Parimad tulemused saavutatakse siis, kui tootjad saavutavad õige tasakaalu ava suuruste (tavaliselt 100–500 mikromeetri vahel) ja ühendusribade paksuste vahel. Selle õige tasakaalu saavutamine tähendab R-väärtuse maksimeerimist, samal ajal kui materjal säilitab piisava tugevuse ja võimaldab ikkagi mõnda õhuvoolu läbi end.

Otseine võrdlus: 3D vahtkeraamilised plaatid vs. EPS, mineraalvatik ja aerogeel

Sõltumatu soojuslik testimine rõhutab seda, kuidas 3d põhakeraamikupuit teeb kindlaks erilise niši soojusisolatsioonimaterjalide hulgas:

Aerogelil on tõesti eelis juhtivusarvudes, kuid siin on ka üks nüanss. Umbes 400 °C üle kulgeb see materjal lagunema ja vajab õige töö tegemiseks erikaitsekihte. Keramilised vahtplaatid aga pakuvad täiesti teistsugust pilti. Need kolmemõõtmelised struktuurid säilitavad tugevuse isegi äärmiselt kõrgel temperatuuril, mis sulatab enamikku polümeer- ja kiuliste soojusisolatsioonimaterjalidest täielikult. Eriliselt silmatorkav on nende käitumine niiskusega seotud probleemides. Avatud rakustruktuur takistab veekahju mõju toimimisomadustele, erinevalt laiendatud polüstüroolist või mineraalvatist, mille soojusisolatsiooniomadused langevad oluliselt niiskuse sattumisel. Tööstusharudele, kus tuleb toime tulla äärmiselt kõrgema temperatuuriga keskkonnas, põletusahjudele, mille jaoks on vaja vöönduslahendusi, või hooningutele, mille renoveerimisel tuleb arvestada suure niiskussisaldusega piirkondadega, pakub see materjal midagi erilist. See ühendab kuumuskindluse tuleohutusomadustega ja säilitab oma omadused aeglaselt muutuvates ilmastikutingimustes.

Peamised struktuurilised tegurid, mis mõjutavad 3D vahtkeraamiliste plaatide tõhusust

Avatud rakustruktuur vs. suletud rakustruktuur ja nende mõju soojusülekande takistusele (R-väärtus)

Puuride paigutus mõjutab tõsiselt materjalide käitumist temperatuurimuutuste ja niiskuse liikumise suhtes. Kui vaadata sulguneid rakke, siis need säilitavad õhku oma hermeetilistes taskutes, mis vähendab mõlemat soojusülekande tüüpi. ASTM C518 standardite kohaselt tehtud testid näitavad, et nende soojusisolatsiooni tõhusus võib olla umbes 40% parem kui eelmise aasta avatud rakkudega materjalidel. Siiski on sellega ka kaasas ka kompromiss. Need sulgused rakud ei luba niiskusauru nii kergelt läbi, mistõttu peavad ehitajad neid seinadesse paigaldades olema eriti ettevaatlikud, sest vastasel juhul võib kihtide vahel tekkena kondensatsioon. Teisalt võimaldavad avatud rakud mõningast niiskuse liikumist, kuid need võivad põhjustada õhuringluse probleeme, kui paigaldamisel kõik servad ei ole täielikult hermeetiliselt sulgutud. Seetõttu on edukas hoone ümbrikus disainimine väga sõltuv täpsest detailide väljatöötamisest.

Välisrakendusteks, kus soojusülekande sillad ja kondensatsioonioht on peamised murekohad – näiteks rannikualade renoveerimine või tööstuslik katted – soovitavad materjaliteadlased järjepidevalt suletud-rakulisi koostiseid koos sobivate auruhalduskihtidega.

Põletusparameetrid ja faasikoostise mõju soojuskindlusele

Sinterdamise protsessi juhtimise viis mõjutab oluliselt selle, millised kristallstruktuurid tekivad, kui tihedaks materjal saab ja kas pärast töötlemist jäävad õhukottad alles. Kõik need tegurid mõjutavad materjali soojusülekande vastupidavust. Kui sinterdamise ajal tõuseb temperatuur umbes 1300 °C üle, on tulemuseks tavaliselt väga tihedat mulliitstruktuuri, kuid sellele kaasneb ka teatud hind. Porosus väheneb umbes 22%, mis muudab materjali tegelikult halvemaks soojust isolatsiooniks. Uuringud on näidanud, et parim tulemus saavutatakse, kui temperatuur hoitakse umbes 90 minutit 1150–1250 °C vahel. Sellistel temperatuuridel arenevad nii kristobaliit kui ka kordieriit hästi, ilma et kaotataks liialt palju algsete õhukottade struktuuri – säilitatakse üle 75% esialgsest tühjaruumist. See lähenemisviis annab umbes 18% parema soojusresistentsuse võrreldes tavapärase sinterdamismeetodiga. Väikesed tsirkoonia osakesed aitavad hajutada soojust kandvaid võnkumisi ja katkestada soojuse tavapäraselt levimise teid. Faasikaartide analüüs paljastab ka huvitavaid asju: materjalides, kus kordieriit on ühtlaselt laialdaselt jaotunud, säilib soojusjuhtivus stabiilsena umbes 0,08 W/(m·K) tasemel. See on parem kui mineraalvatikate tavaline soojusjuhtivus kuiva olekus (0,035–0,040 W/(m·K)), kuid veel tähtsam on see, et see toimib palju paremini ka tavalistes niiskusoludes, nagu neid esineb reaalses kasutuses.

Tõendusmaterial reaalmaailmas kasutatava kohta 3D-vahtkeraamiliste plaatide puhul

Mediterraane piirkonna renoveerimisjuhtum: mõõdetud U-väärtuse vähenemine ja niiskuskindlus

Üle viie aasta kestnud ümberpaigutusprojekt viidi läbi kaheteistkümnel vanal tellismüürilisel hoonel Lõuna-Hispaanias, mis andis reaalsetes tingimustes üsna head tulemusi. Neid erilisi 3D-vahtkeraamilisi plaate kasutavate hoonete keskmised U-väärtused olid umbes 0,22 W/m²·K, mis on umbes 32% parem kui sarnaste hoonete puhul, kus kasutati tavalist mineraalvatikat. Uuringu käigus tehtud soojuspildid näitasid, et akende ja erinevate hooneosade kokkupuutepunktides esinevad tülikad külmad sillad olid täielikult kadunud. Kuigi piirkond on enamasti väga niiskes (umbes 85% õhuniiskus), absorbeerisid plaadid kolme järjestikuse vihmasaja jooksul vähem kui 5% niiskust. R-väärtus säilis samuti stabiilsena ning pinnadel ei ilmninud ühtegi koorumise või pruunumise märki. Hoonetes elavad inimesed ei teatanud ka ühtegi seinte taga esinenud seenekasvu juhtumit, tõenäoliselt seetõttu, et materjal lubab aurul läbi, kuid tõrjub vett. Paigaldajad leidsid plaadid lihtsamaks töödelda kaarduvatel seinadel kui kõvemad laudmaterjalid. Kõigi kuuekümne kuu jooksul jälgitud hoonete puhul ei märgatud ühtegi soojakadu vähendamise efekti langust.

Praktilised kaalutlused: 3D-foamkeramika plaadi hind, vastupidavus ja paigaldus

3D-vahtkeraamiliste plaatide kaalumisel tuleb arvesse võtta rohkem kui ainult esialgset hinda. Tõepoolest maksavad üksikud plaadid tavaliselt 30 kuni isegi 50 protsenti rohkem kui tavalised materjalid, näiteks mineraalvatikas või EPS-soojusisolatsioon. Samas on neil ka palju pikem eluiga – üle viiskümmend aastat kohtades, kus ei esine suurt kulutust. Neid ei ole kunagi nähtud degradeeruvat ka siis, kui neid on kokku puutunud temperatuuraga alla 1000 °C. Need keraamilised plaadid on täielikult tulekindlad vastavalt ASTM standarditele, mistõttu ei süttige nad tulekahjus ega eralda mürgiseid suitsusid. Samuti taluvad nad külmumise ja sulamise tsükleid ilma mikropragu tekke ilma, mis võimaldaks soojusele põhjustada kaotusi. Nende paigaldamine nõuab siiski täpsust ja ettevaatusmeid. Täppisplaatide saamiseks peavad töövõtjad kasutama erilisi diamantlõikepuid, pinnad tuleb laseriga täpselt horisontaalselt tasandada, et hiljem ei tekeks pingetsoonisid. Lisaks kasutatakse erilist mörtsegust, mis kinnitub väga hästi ning samas võimaldab keraamilise materjali ja selle all asuva pinnase (näiteks betooni või terasstruktuuri) vahelise laienemise erinevuste arvestamist. Kui paigaldajad järgivad tootja juhiseid liitumiskohtade ja aluskihi (primeri) rakendamise kohta, töötab see terviklik süsteem väga hästi ja vajab peaaegu nullhooldust rasketes tingimustes – alates tööstusahjudest kuni maavärinapõhjuste piirkondades asuvateni kõrgeteni hooneteni.