Ar 3D putų keraminės plytelės yra geras šiluminės izoliacijos pasirinkimas?

3D putų keraminės plytelės šiluminės izoliacijos našumas

Kaip mikrostruktūra veikia laidžiąją ir konvekcinę šilumos perdavimą

Kodėl 3D putų keraminės plytelės taip gerai atsparios šilumai? Visas reikalas – jų konstrukcijoje, kurioje naudojamos specialios porėzios struktūros. Kai žiūrime į atvirų ląstelių putas, jos sukuria mažus oro maišelius, kurie iš esmės neleidžia šilumai plisti per jas laidumu. O keraminės dalys? Jos taip pat praleidžia labai mažai šiluminės spinduliuotės, nes daugumą jos neįsisavina, o atspindi atgal. Laboratorinės 2019 m. apytikslės tyrimų rezultatai parodė, kad šių medžiagų šilumos laidumas gali būti nuo 0,07 iki 0,10 W/m·K, t. y. apie 40 % geriau nei įprastų šilumos izoliacinės medžiagos. Kai kurios uždarų ląstelių versijos dar veiksmingiau slopina šilumos nuostolius dėl konvekcijos, nes kiekvienas oro maišelis yra atskirai užsandarintas. Tačiau čia taip pat yra kompromisas – tokios uždaros ląstelės prasčiau leidžia išeiti drėgmei. Geriausi rezultatai pasiekiami tuomet, kai gamintojai pasiekia tinkamą pusiausvyrą tarp porų dydžių (dažniausiai nuo 100 iki 500 mikrometrų) ir atramų storio. Toks subalansavimas leidžia maksimaliai padidinti R-vertę, vienu metu išlaikant pakankamą medžiagos stiprumą ir leidžiant šiek tiek oro cirkuliuoti per ją.

Tiesioginė palyginimo analizė: 3D putų keraminė plytelė prieš EPS, mineralinę vatą ir aerogelį

Nepriklausomas šiluminis bandymas pabrėžia, kaip 3d druskos keraminis klotas užima unikalų segmentą tarp izoliacinės medžiagos:

Aerogelis tikrai pranašesnis, kai kalbama apie šilumos laidumo skaičius, tačiau čia yra viena sąlyga. Virš maždaug 400 °C šios medžiagos pradeda skilti ir reikalauja specialių apsauginių dengiamųjų sluoksnių, kad veiktų tinkamai. Keraminės putos plytelės pasako visiškai kitą istoriją. Šios trimatės struktūros išlieka stiprios net esant ekstremaliai aukštai temperatūrai, kuri visiškai suvirintų daugumą polimerinių ir pluoštinės izoliacinės medžiagos. Išskirtinį dėmesį verta skirti jų elgesiui su drėgme. Atvirojo ląstelinio sandaros konstrukcija neleidžia vandens pažeidimams pakenkti našumui, skirtingai nei išplėstinis polistirolas ar mineralinė vata, kurie praranda didžiąją savo izoliacinę galios dalį, sudrėkus. Ši medžiaga siūlo ypatingus privalumus pramonės šakoms, kuriose susiduriama su intensyviais karščio sąlygomis, krosnims, reikalaujančioms apdailos sprendimų, ar pastatams, kuriems reikia atnaujinimo vietose su dideliu drėgnumu. Ji derina karščiui atsparumą su gaisro saugos savybėmis ir laikui bėgant išlaiko savo savybes nepaisant kintančių orų sąlygų.

Pagrindiniai struktūriniai veiksniai, įtakojantys 3D putų keramikos plytelių efektyvumą

Atvirųjų ir uždarųjų porų architektūra bei jos poveikis šiluminės izoliacijos koeficientui (R-vertė)

Porų išdėstymo būdas tikrai veikia medžiagų gebėjimą susitvarkyti su temperatūros pokyčiais ir drėgmės judėjimu. Kai žiūrima į uždarąsias ląsteles, oras užsandarinamas šiose uždarose ertmėse, todėl sumažėja abiejų rūšių šilumos perdavimas. ASTM C518 standartais atlikti bandymai parodo, kad šie medžiagų tipai gali padidinti šiluminės izoliacijos našumą apytiksliai 40 % lyginant su atvirų ląstelių analogais, remiantis praėjusių metų duomenimis. Tačiau čia taip pat yra kompromisas. Šios uždarosios ląstelės neleidžia vandens garui taip lengvai praeiti, todėl statytojams reikia būti ypatingai atsargiems juos įtraukiant į sienas, kitaip tarp sluoksnių gali susidaryti kondensatas. Kita vertus, atvirų ląstelių konstrukcijos leidžia kiek drėgmės praeiti, bet jos gali sukelti problemų dėl oro cirkuliacijos, nebent visi kraštai montavimo metu būtų tvirtai užsandarinti. Tai daro tikslų techninį sprendimą absoliučiai būtinu sėkmingam pastato apvalkalo projektavimui.

Išorinėms aplikacijoms, kuriose pagrindinėmis problemomis yra šilumos tilteliai ir kondensato susidarymo rizika – pavyzdžiui, pakrantės pastatų rekonstrukcijose ar pramoninėse apdailos sistemose – medžiagų mokslininkai nuolat rekomenduoja uždarosios ląstelės formules kartu su suderinamomis garų valdymo sluoksniais.

Sinteravimo parametrų ir fazės sudėties poveikis šiluminei varžai

Tai, kaip mes valdome sinteravimo procesą, labai paveikia tai, kokios kristalinės struktūros susidaro, kiek tanki tampa medžiaga ir ar po apdorojimo lieka poros. Visi šie veiksniai įtakoja medžiagos šilumos laidumo atsparumą. Kai sinteravimo metu temperatūra pakyla virš maždaug 1300 °C, dažniausiai susidaro labai tanki mulito struktūra, tačiau tai turi savo kainą. Porų kiekis sumažėja maždaug 22 %, dėl ko medžiaga tampa prastesnė kaip šilumos izoliatorius. Tyrimai parodė, kad geriausiai veikia laikymas temperatūroje nuo 1150 iki 1250 °C maždaug 90 minučių. Šiose temperatūrose tiek kristobalito, tiek kordierito kristalai puikiai susiformuoja, netekdami per daug savo pirminės porų struktūros ir išlaikydami daugiau kaip 75 % pradinės tuščios erdvės. Toks požiūris suteikia maždaug 18 % geresnį šiluminį atsparumą lyginant su standartiniais sinteravimo metodais. Mažų cirkonio dioksido dalelių pridėjimas padeda išsklaidyti šilumą pernešančias virpesių bangas ir sutrukdo šilumos įprastiniais keliais sklisti. Fazės žemėlapių analizė taip pat atskleidžia įdomų reiškinį: medžiagose, kur kordieritas yra tolygiai išsklaidytas visoje masėje, šilumos laidumas išlieka pastovus – apie 0,08 W/(m·K). Tai geriau nei mineralinės vatos įprastinis sausos būsenos šilumos laidumo diapazonas – 0,035–0,040 W/(m·K), o dar svarbiau – šis sprendimas žymiai geriau veikia esant realiose aplikacijose būdingoms drėgmės sąlygoms.

Tikrojo pasaulio taikymo įrodymai 3D putų keraminėms plytelėms

Viduržemio jūros regiono renovacijos atvejo tyrimas: išmatuotas U-vertės sumažėjimas ir drėgmės našumas

Per penkerius metus Pietų Ispanijoje buvo įvykdytas rekonstrukcijos projektas dvylikoje senų plytų pastatų, kuris realiomis sąlygomis parodė ganėtinai gerus rezultatus. Pastatai, apdoroti šiais specialiais 3D putų keraminiais plytelėmis, turėjo vidutinius U-reikšmių rodiklius apie 0,22 W/m²·K, kas yra maždaug 32 procentais geriau nei panašūs pastatai, kuriuose buvo naudojama įprasta mineralinė vatos izoliacija. Tyrimo metu padarytos šiluminės nuotraukos parodė, kad nepatogūs šalčio tiltai langų vietose ir ten, kur susitinka skirtingos pastato dalys, visiškai išnyko. Net ir tuo atveju, kai regione daugumą laiko būna labai drėgna (apie 85 % drėgmės), plytelės po trijų nuoseklių lietingų sezonų įsigėrė mažiau nei 5 % drėgmės. R-reikšmė taip pat liko stipri, o paviršiuose nebuvo pastebėta jokio nulupimo ar lušėjimo. Šiuose pastatuose gyvenantys žmonės nepranešė apie pelėsių augimą izoliacijos užpakalyje, tikėtina, dėl to, kad medžiaga leidžia praeiti garui, bet atstumia vandenį. Darbininkai, montavę plyteles, jas laikė lengvesnėmis dirbti su lenktais sienomis lyginant su standžiomis plokštėmis. Stebėjus šiuos pastatus visus šešiasdešimt mėnesių, niekas nepastebėjo jokio šilumos nuostolių izoliacijos efektyvumo sumažėjimo.

Praktiniai aspektai: 3D putų keraminės plytelės kaina, ilgaamžiškumas ir montavimas

3D putų keraminės plytelės vertinimas reikalauja daugiau nei tik pradinių sąnaudų apmąstymo. Žinoma, kiekvienos plytelės kaina paprastai yra 30–50 procentų didesnė nei įprastų medžiagų, tokių kaip mineralinė vata ar EPS šiluminė izoliacija. Tačiau šios plytelės taip pat žymiai ilgiau tarnauja – daugiau nei penkiasdešimt metų vietose, kuriose nėra didelio mechaninio poveikio. Niekas dar nebuvo pastebėjęs jų degradacijos net esant temperatūroms iki 1000 °C. Šios keraminės plytelės visiškai ugniai atsparios pagal ASTM standartus, todėl gaisro metu jos nei neįsiliepsnoja, nei išskleidžia nuodingų dūmų. Be to, jos puikiai atlaiko šalčio ir atšilimo ciklus be mikroskopinių įtrūkimų susidarymo, kurie leistų šilumai pabėgti. Šių plytelių montavimas reikalauja ypatingo tikslumo. Statybos rangovams reikia specialių deimantinių pjūklų švarioms kraštų briaunoms sukurti, o paviršiai turi būti absoliučiai lygūs (lyginama lazeriu), kad vėliau nesusidarytų įtempimo taškai. Taip pat naudojama speciali skiedinio mišinys, kuris puikiai sukibdina plyteles ir tuo pat metu leidžia kompensuoti plėtimosi skirtumus tarp keraminės medžiagos ir to paviršiaus, ant kurio ji montuojama – būtų tai betoninės arba plieninės konstrukcijos. Jei montuotojai tiksliai laikysis gamintojo nurodymų dėl siūlių ir grunto dėjimo, visa ši sistema puikiai veikia beveik nereikalaudama priežiūros sunkiomis sąlygomis – nuo pramoninių krosnių iki aukštų pastatų, pastatytų žemės drebėjimų linkusiose vietovėse.