Nanotechnológia építőipari alkalmazása energiatakarékosság és környezetvédelem

Átírás

1 Nanotechnológia építőipari alkalmazása energiatakarékosság és környezetvédelem A mai magyar építőipar helyzetfeltárása Baja, Dr. Orbán József főiskolai tanár PTE Pécs

2 Energiatakarékosság hatékony hőszigetelő anyagok

3 Energiatakarékosság az épületek hőszigetelésével Hőszigetelés hatása az épületek hővesztességére Igény a hőszigetelés hatékonyságának növelésére - Épületek energiafogyasztása (fűtés és hűtés) től nulla energiafogyasztású lakóépületek építhetők. - A hőszigetelő anyagok hatékonyságának korlátai. (a levegővel való hőszigetelés, vastagság növelés)

4 A hő terjedésének formái az anyagban Hővezetés: Részecskéről részecskére terjed a hő. (szilárd anyag molekuláinak rezgőmozgása) Hőáramlás: Mozgó anyagrészecskék közvetítik a hőt. (konvekció gázban és folyadékban) Hősugárzás: Elektromágneses hullámok formájában terjed a hő. (látható fény és infravörös tartomány)

5 Grafitadalékos expandált polisztirol (EPS) lemezek Hőterjedési módok az EPS lemezben: A polisztirol cellafalának hővezetése (kis tömeg, dielektrikum) A cellákba bezárt gáz molekulái szállítják a hőt (minimális konvekció) Infravörös hősugárzás a cella falai között (hőtükör) A hősugárzást csökkentik a sugárelnyelő-, és hővisszaverő mikró méretű grafitpor szemcsék (hőtükörként működve). l kb. 20%-al csökken: l = 0,032 W/mK (PS 0,038 W/mK)

6 Nanoporózus aerogél hőszigetelő anyagok Szilikát aerogél, mint hőszigetelő szilárd levegő A szilícium dioxid alapú nano gömbök pókháló szerkezete: A molekuláris szerkezetű nanopórusok előállítása: - SiO 2 + H 2 O (vízüveg) összekeverik nagy nyomáson - a vízmolekulákat kicserélik cseppfolyós földgázzal (zselévé gélesítik, stabilizálják, vákuumozzák, szárítják) - normális légköri nyomáson a gáz eltávozik, molekula nagyságú nano-pórusokat hagyva maga mögött (pórusméret nm) A szilikát aerogél szilárdhab tulajdonságai: - szuperkönnyű: r t = 1,9 kg/m 3 l = 0,013 W/mK (levegő 0,024)

7 A szilikát aerogél nanopórusos szerkezete Hőközlési módok az aerogélben: (hőtranszport folyamatok a nanopórusos anyagszerkezetben) Hővezetés: Részecskéről részecskére adódik át a hő. Az egydimenziós molekulaláncban korlátozott a hőtranszport (hővezetés) Hőáramlás: A nanopórusokban nincs konvekciós hőáramlás. A pórusok üregei (d) < (L) gázmolekulák ütközési hossza. Hősugárzás: Az elektromágneses sugárzás (fotonok l > d). a hősugarak abszorbeálódnak, egy részük szétszóródik.

8 Spaceloft aerogél hőszigetelő paplan alkalmazása Aerogél hőszigetelő paplan - üvegszövet (polietilén paplan) térhálóba ágyazott aerogél lemez - hatékony hőszigetelés l = 0,013 W/mK - víztaszító, a párát átengedi - hajlítható, vakolható és öntapadó is lehet Felhasználás: hőhidak szigetelése, műemléki épületek

9 Nanogel aerogél hőszigetelő üveg alkalmazása Nanopórusos aerogél hőszigetelő üveg - SOLERA (üvegpor) + NANOGEL (aerogél) hőszigetelő, napfényáteresztő épületszerkezeti üvegelem. Tulajdonságok: - l = 0,009 0,012 W/mK - napfényvilágításnál áttetsző - könnyű, porozitása 97% Alkalmazás: létesítmények hőszigetelő bevilágítása válaszfalak és erkélykorlát elemek

10 Hőszigetelő tulajdonságú festék (vékonybevonat) ThermoShield Protektor Ø = 5 60 mm vtg.= 0,3 0,6 mm A kerámia gömbök hőszigetelési mechanizmusa Az üreges kerámiagömbök belsejében viszonylagos vákuum van. A reflektáló hőtükör felületeken korlátozott a hőátadás (reflexió). Gömbökben a hőközlési módok nem érvényesülnek. A hővezető képességet befolyásoló tényezők: Külső hősugárzás csökkenése: 60 80%-os reflexió hő-tükör felület Hővezetés csökkenése: dielektrikum, kicsi az érintkezési felület Hőáramlás (konvekció) csökkenése: belül vákuum tér van Belső tér hősugárzásának csökkenése: reflexió, hő-tükör felület

11 Hőszigetelő tulajdonságú festékek és vékonybevonatok ThermoShield hőpajzs (hőszigetelő festék) Nagy hővisszaverő-képességgel rendelkező üreges kerámia gömböket tartalmaz. Műszaki adatok: - rétegvastagság: kb. 0,3 mm - névleges l = 0,014 W/mK Kötőanyaga: - vízzel hígított gyanta polimer Fal szerkezet - fehér pigmentek: TiO 2 és Al(OH) 3 Protektor hőszigetelő festékrendszer, bevonat Üreges kerámiagolyókat tartalmazó falfesték. THERMILATE hőszigetelő festék adalékanyag Festékbe keverve, falazaton hőtükörként működik ECOMIX adalék, bel- és kültéri falfestékekhez Kerámia szemcsékből áll, reflexiós elven működik.

12 TSM Ceramic és TZ 200 hőszigetelő bevonatok (hőenergia megtakarító és hő-veszteség csökkentő) Üreges kerámiagömb adalékanyag. (Orosz, Ukrán) Igen hatékonyan szigetelik a sugárzó hőt (25 30%) Energiaipari alkalmazás, C > 200 C tartományban. Jellemzők: l névleges = 0,0017 W/mK? a e : 2 W/m 2 K hőáram kerámia szilikon Thermal-Coat hőszigetelő festékbevonat (USA) Üreges kerámia- és szilikon gömbök (Ø = mm) Műszaki paraméterek: - l = 0,001 W/mK? - r t = 430 kg/m 3 - alkalmazás: - 47 C 260 C Super Therm reflexiós hőszigetelő festékbevonat Jellemzők: - a hősugárzás (Nap) 95%-át visszaveri? - 70%-os energiaköltség csökkenés? - 0,25 mm vtg. = 15 cm üveggyapot?

13 Nanotechnológiás vákuum hőszigetelés Vákuumpanel szerkezete Védőfóliás vákuumpanel VIP vákuum hőszigetelő panelek: - Nanoméretű pirogén kovasav (SiO 2 ) porból préselt tábla. - Nanoméretű tűlevelű fenyőfák halmaza (kevés érintkezési és hőátadási pont, nano-pórusok) - A panel vákuumozása (5 mbar belső nyomás). - A pórusok mérete gátolja a hőáramlást és a hősugárzást. A panelek műszaki adatai: - r t = 160 kg/m 3 nyomószilárdság: 200 kpa (lépésálló) - l = 0,019 W/mK vákuumozva: l = 0,005 W/mK

14 vákuumpanelek VIP ajtó Redőnytok hőszigetelése Tetőfödém hőszigetelés VIP lemezekkel A vákuumpanel alkalmazási területei: - utólagos épület-felújítások, hő-hidak - bejárati ajtó, ablaktok, redőnytok - terasztető szigetelés - passzívház (5cm vtg.) U = 0,14 W/m 2 K VIP termékek: VARIOTEC, QASA, Bauder U=0,29 VIP

15 A nanotechnológiás hőszigetelés jellemzői 1. A nanoméretű pórusossággal rendelkező anyagokban már nem a megszokott módon érvényesülnek a hő terjedésével kapcsolatos törvényszerűségek (Fourier egyenlet korlátai). 2. A nanoméretű porozitás esetén, az anyag hővezetési tényezője, nem arányos a testsűrűséggel, mint a legtöbb építőanyagnál. A l értéke közvetlenül nem mérhető, névlegesnek kell tekinteni. 3. A nanotechnológiával létrehozott nanopórusos anyagszerkezetek hővezetési ellenállását (R = d/l m 2 K/W) nem lehet egyszerű számítással meghatározni (kvantum mechanika). 4. A nanopórusos anyagból készült térelhatároló falszerkezetek hőátbocsátási tényezőjét (U) nem a hagyományos módon kell számítani. A hőfizikai számításokat a modelleken végzett vizsgálatok adataival célszerű helyettesíteni.

16 Környezetvédelem öntisztuló beton- és üvegfelületek épülethomlokzatok

17 A fotokatalizis reakcióval öntisztuló épülethomlokzatok Fotokatalitikus (TiO 2 ) cement alkalmazása OH - ion (oxidációs közeg) szerves anyag felbontása: OH - + C x H y Cl z CO 2 + H 2 O + Cl - + H + O 2 - aktív oxigén hatása: hidrofóbizálás és hidrofilizálás TioCem TiO 2 tartalmú cement (HeidelbergCement) Öntisztuló betonfelületek és épülethomlokzatok Richard Meier jubileumi templom Rómában Fotokatalitikus cementadagolású öntisztuló betonfelületen a szennyeződés lebomlik. Térburkoló betonkövek

18 Légszennyezettséget csökkentő betonfelületek Cement (TiO 2 ) környezetvédelmi alkalmazása: h n A légszennyezést okozó nitrogénoxidok NO x mennyiségét csökkentik a TiO 2 tartalmú cementtel készült betonfelületek (pl. pala). Nitrátok képződnek műtrágya. TiO 2.. e - + O 2 O NO NO3 - (nitrát) h +...H 2 O H + + NO 3 - HNO3 (ammónia) 2HNO 3 + CaCO 3 Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O TiO 2 cement palafelület levegő tisztítása Légtisztító TioCem cementtel készül burkolat Pécsi Kálvária-domb (2012)

19 Öntisztuló mikro-strukturált festékfelületek és bevonatok Lótusz- effektus elvén működő öntisztuló homlokzatvédelem - A felületet nano- és mikroszkopikus cella-kiemelkedések alkotják. - Ez a dupla struktúra (fraktált felület hidrofób hatása) okozza, hogy a felületen a vízcseppek a felületi feszültség hatására gömbformát alkotnak. - A vízcseppek legurulnak a felületről és magukkal viszik a szennyeződést. hidrofil hidrofób Vízcsepp a hidrofób és hidrofil felületen Lótuszlevél felületi struktúrája Vízcsepp a cellakiemelkedéseken Szennyeződés eltávolítása a felületről

20 Öntisztuló mikro-strukturált festékfelületek és bevonatok Sto Lotusan, CarboSol öntisztuló homlokzatfestékek A festékréteg alkotói egymásra rendeződnek: 1. Kapcsolódó komponensek tapadó híd. 2. Ultra vékony ( nm) TiO 2 -ot tartalmazó védőréteg, mely ellenáll az UV hatásnak. 3. A felületből kiálló, tapadást gátló (fraktált) nanoméretű részecskék, legfelül a felszínen. Előállításuk vegyi úton: d 100 nm gyöngyöket gyártanak szilikátokból A gyöngyök felületére trimetoxi-fenil-szilán folyadékot hordanak fel (fraktált felületet ad). Öntisztuló felület Trimetoxifenilszilán Sto Lotusan festék felületi struktúrája

21 UV szűrő- és hővisszaverő üvegfóliák Katódporlasztásos eljárással titán fémréteg beágyazása a fóliába Az UV sugárzás reflexiója a védőfóla titánfém rétegén A napfény elleni UV-védő üvegfólia felépítése: - A Nap UV - A és B (l < 400 nm) sugárzásának károsító hatása. - Ti és Cu atomokat ágyaznak a fólia hordozóanyagba. - A Ti (d = nm) rétegen a látható fény (l > 400 nm) áthatol. - Szűrőhatás a reflexió árnyékolási elvén alapszik. - Az UV hullámhossznak megfelelő tartomány reflektálódik (elnyelődik) fémtükör csapdázódás a l < 400 nm tartományban. - BRUXAFOL sugárzásvédő üvegfóliák, UV sugárzás 99%-át kiszűrik.

22 Köszönöm szíves figyelmüket! Dr. Orbán József 30/