Аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

Эффективность при ремонте

Теплоизоляционные материалы Aspen Aerogels эффективны при проведении ремонтных работ по монтажу теплоизоляции трубопроводов и оборудования поверх поврежденного изоляционного покрова.

Применение теплоизоляционных материалов Aspen Aerogels поверх существующей конструкции позволит обеспечить проектные значения теплового потока. 

Новый защитно-покровный слой (ЗПС) защищает конструкцию от воздействия погодных факторов. 

При использовании данного метода ремонта система ремонтируется быстро, дешево и легко.

Двухэтапное восстановление: Удержание тепла. Сушка изоляции.

PyrogelXT ограничивает:

  • значение теплового потока и температуру на поверхности изоляции;
  • нагрев основного теплоизоляционного материала.

Если изоляционный материал влажный, большая часть влаги из него выводится через стыки в ЗПС.

Сочетание проницаемости и гидрофобности PyrogelXT обеспечивает выход водяного пара.

Таким образом, применение аэрогеля для изоляции трубопроводов тепловых сетей, утепленных ранее другим утеплителем, возможно без производства работ по его демонтажу.

Свойства и преимущества аэрогеля:

– высокая пористость. На 99,8%  состоит из воздуха,

– имеет рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха (кварцевые аэрогели),

– уникальный теплоизолятор. Имеет низкую теплопроводность – λ = 0,013 ~ 0,019 Вт/(м•К)  (в воздухе при нормальном атмосферном давлении) меньшую, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м•К) (кварцевые аэрогели). Как утеплитель в 2-5 раз эффективнее традиционных утеплителей,

– температура плавления составляет 1200°C (кварцевый аэрогель),

– аэрогель является прочным материалом. Он выдерживает нагрузку в 2000 раз больше собственного веса,

– имеет низкий модуль Юнга,

– не сжимается, устойчив к деформации, имеет высокую прочность на растяжение,

– скорость распространения звука имеет самое низкое значение для твердого материала, что является важным преимуществом при создании шумоизоляционных материалов.Скорость звука в нем ниже скорости звука в газах,

– некоторые виды аэрогеля являются отличным сорбентом. Они в 7-10 раз эффективнее популярных современных сорбционных материалов,

– является устойчивым пористым веществом. Объем пор внутри аэрогеля в десятки раз превышает объем, занятый самим материалом. Данное свойство позволяет использовать аэрогель определенного состава в качестве катализатора в химических процессах с целью получения органических соединений. С другой стороны, его большая внутренняя емкость может быть использована для безопасного хранения определенных веществ, например, ракетного топлива, окислителя и пр.,

– отличная гидрофобность. Не впитывает влагу,

– обладает высокой жаропрочностью и термостойкостью. Имеет широкий рабочий температурный диапазон использования – от -200 °С  до +1000 (1200) °С. Без потерь сохраняет теплоизоляционные и механические характеристики при нагревании до не менее 1000°С,

– является негорючим материалом. Может использоваться также для огнезащиты различных конструкций,

– прозрачен (кварцевый аэрогель). Имеет показатель преломления света от 1,1 до 1,02. Из него можно изготавливать различные виды стекол,

– обладает достаточно высокой твердостью,

– долговечность,

– экологичен и безопасен для человека и окружающей среды,

– имеет большую удельную площадь внутренней поверхности. Она составляет порядка 300-1000 м2/г,

– химический состав аэрогеля можно регулировать, легко вводить в его состав различные добавки, что открывает новые возможности для его использования,

– устойчив к кислотам, щелочам, растворам,

– в тоже время является хрупким материалом.

Каков предельно допустимый уровень воздействия аэрогелевой пыли?

Стандарт Агенства по производственной безопасности и гигиене труда (АПБГТ) США для аморфного кремнезема- (80 мг/м³)/(%SiO2). Метод выборочного исследования 7501 Национального института профессиональной безопасности и здоровья США подсчитывает % SiO2 на основе процентного содержания кристаллического кремнезема в образце. Поскольку содержание кристаллического кремнезема в аэрогеле составляет 0%, пылевые лимиты АПБГТ 15 мг/м³ (общая пыль) и 5 мг/м³ (вдыхаемая пыль) относятся и к воздействию аэрогелевой пыли. Стандарт Национального института профессиональной безопасности и здоровья для аморфного кремнезема- 6 мг/м³. В Германии максимально допустимая концентрация – 4мг/м³ (вдыхаемые частицы пыли).

Состав

Структура аэрогеля является результатом золь-гель- полимеризации , когда мономеры (простые молекулы) реагируют с другими мономерами с образованием золя или вещества, состоящего из связанных, сшитых макромолекул с отложениями жидкого раствора между ними. Когда материал сильно нагревается, жидкость испаряется, и остается связанная сшитая структура макромолекул. Результатом полимеризации и критического нагрева является создание материала с пористой прочной структурой, который классифицируется как аэрогель. Вариации синтеза могут изменить площадь поверхности и размер пор аэрогеля. Чем меньше размер пор, тем более подвержен разрушению аэрогель.

Цель проекта

Проект предлагает создание промышленного производства наноструктурного аэрогеля AlOOH (1 т/год) по уникальной жидкометаллической технологии, разработанной в ГНЦ РФ – ФЭИ (Обнинск). В результате реализации проекта будет создана компания мирового уровня по производству наноматериала, являющегося эффективным технологическим компонентом-модификантом для изготовления нового поколения керамик (сенсорных, конструкционных), сорбентов, резинотехнических изделий, тепловой изоляции, существенно превосходящих предыдущие поколения рассматриваемых изделий по эксплуатационным характеристикам.

Как утилизируются обрезки полотна аэрогель?

Изоляционное полотно Aspen Aerogels состоит главным образом из синтетического аморфного кремнезема, включенного в тканевую основу. В конечном продукте нет никакого жидкого вещества. Обрезки полотна аэрогель могут вывозиться на полигоны для захоронения промышленных отходов. Обрезки полотна аэрогель будут пылить во время отсыпки, поэтому полигоны для захоронения промышленных отходов должны быть проинформированы о возможном образовании пыли еще на стадии согласования принятия отходов. Производственные отходы Aspen Aerogels хранятся на лицензированном полигоне в штате Массачусетс.
Для удовлетворения потребностей клиента Aspen Aerogels использует различные аэрогелевые добавки и различные тканевые основы. Эти добавки могут включать в себя такие материалы, как углеродная сажа, диоксид титана, оксид алюминия. Полотно аэрогель не имеет характеристик опасных отходов согласно Своду федеральных правил США по охране окружающей среды (раздел 40, пункт 40, подпункт С).

Плюсы и минусы аэрогелевой изоляции

Среди достоинств утеплителя выделяют: • незначительную теплопроводность; • гидрофобность; • универсальность; • стабильность к деформациям. Изделия возможно применять в разных конструкциях и в сочетании с любыми строительными материалами.

Несмотря на вышеперечисленные положительные стороны, аэрогель имеет один существенный недостаток. Изоляция не выдерживает открытой кислородной среды. Попадая в нее вещество мгновенно растворяется.

На сегодняшний день уже есть позитивные отзывы о теплоизоляции аэрогелем. Отечественный институт, занимающийся научными исследованиями, активно использует инновационное изделие листового типа для внутреннего и внешнего утепления в оборудованиях. При этом температура агрегата достигает 310°С.

Это интересно: Время собирать урожай — новые устройства для сбора фруктов

Характеристики аэрогелевой теплоизоляции

Материал имеет нанопоры. Это существенно влияет на его вес. Среди свойств особенно выделяют: • небольшую плотность; • незначительную диэлектрическую проницаемость; • невысокую теплопроводность;

Отмечается большая удельная площадь поверхности. Такие характеристики позволяют считать утеплители из аэрогеля самыми лучшими. Продукт внедряется в военную, медицинскую, аэрокосмическую сферы. Сегодня особенно активно аэрогель используется в строительной области.

Нанопоры имеют такой диаметр, который не позволяет молекулам воздуха свободно двигаться. Они застывают в одном положении, защищая помещение от холодных или горячих воздушных потоков. Таким образом, статическое положение молекул предупреждает развитие конвекции, т.е. быстрое выветривание тепла.

Качество аэрогелевой изоляции во многом зависит от числа стенок пор. Чем их больше, тем утеплитель будет лучше удерживать тепло. Отмечается возможность материала задерживать его в самом себе. Продукт принадлежит к пожаробезопасным веществам. Гель относят к огнестойкому стандарту А1 класса. Что касается водонепрорицаемости, то ее степень достигает практически 100%. Поэтому при попадании на изделие воды теплоизоляционные качества утеплителя не ухудшаются. Это связано с возможностью материала отталкивать влагу. После попадания на поверхность она оседает, не проникая внутрь.

Структура продукта такова, что при существенном увеличении температуры она предупреждает спекание частиц. Особое пространственное строение также способствует медленной изнашиваемости прокладок. Высокая прочность – еще одна уникальная характеристика изделия. Оно способно сопротивляться разным видам растяжения. Отлично противостоит напряжению, которое происходит от усадки и температурных перепадов. Выдерживает воздействие неорганических растворителей.

Важно! Материал состоит только из веществ неорганического происхождения. В его структуре не обнаружены небезопасные для человека и окружающей среды компоненты. Специалисты отмечают незначительное испарение хлоридного иона во время эксплуатации

Однако, он не может нанести вред живым организмам и привести к развитию ржавчины техники или труб

Специалисты отмечают незначительное испарение хлоридного иона во время эксплуатации. Однако, он не может нанести вред живым организмам и привести к развитию ржавчины техники или труб.

Во время использования аэрогелевая теплоизоляция хорошо защищает помещение от внешних звуков и шумов благодаря структуре низкой плотности. Теплопроводность вещества колеблется от -250°С до 1200°С.

Теплопроводность

Продукция Aspen Aerogels  наиболее эффективная из всех существующих материалов для тепловой изоляции трубопроводов, емкостей и оборудования, так как имеет самый низкий коэффициент теплопроводности.

Что такое теплопроводность?

При разности температур внутри любого тела тепловая энергия переходит из более горячей части в более холодную – эта теплопередача и представляет из себя теплопроводность.

Коэффициент теплопроводности у каждого материала свой и зависит от свойств данного материала.

Чем ниже теплопроводность материала, тем эффективнее он может использоваться в качестве теплоизоляции.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры

Какие исследования аморфного кремнезема проводились в области здравоохранения?

Организация Объединенных Наций по Экономическому Сотрудничеству и Развитию (ООНЭСР) изучает опасные свойства химических веществ, производимых в больших объёмах.Результаты исследований синтетического аморфного кремнезёма (САК) были опубликованы в 2004 году. Согласно заключению экспертизы, САК не приоритетен для дальнейшего исследования. Отрывки из отчета о воздействии САК на здоровье человека приведены ниже:Впитывание, накопление, выведение: формы аморфного кремнезема быстро выводятся из легких во время и после длительного вдыхания лабораторными животными, в то время как кристаллические формы кремнезема демонстрируют ярковыраженную тенденцию накапливаться и оставаться в легких и лимфатических узлах. Впитывание в кишечнике САК у людей и животных наблюдается незначительное. Есть свидетельство выведения биодоступных частиц через почки.

Кратковременный токсический эффект: Опыты на крысах, вдыхающих высокие концентрации САК (от 140 до ~ 2000 мг/м³) не вызвали смертельных исходов. Пероральный прием аморфного кремнезема и аморфных силикатов а также контакт с кожей не привели к смертности даже в самых высоких дозах: диапазон LD0 значений от 3300 до 20000 мг/кг.

Раздражение и аллергические реакции: САК и силикаты не раздражают кожу и глаза в экспериментальных условиях, но могут вызывать сухость при длительном и регулярном использовании.

Несмотря на то, что, эксперименты по изучению аллергических реакций на САК и силикаты не проводились, однако, длительный опыт использования данных материалов говорит о том, что за последние 50 лет у САК не выявлено потенциала для аллергических реакций кожи. Как было сказано выше, есть отчеты, описывающие сухость и раздражение кожных покровов, которые могут ошибочно приниматься за аллергию. Медицинские наблюдения рабочих, собранные за демятки лет, не дали никаких доказательств появления кожной аллергии. Агентство по охране окружающей среды США (АОС США) рассмотрело ряд исследований токсичности синтетического аморфного кремнезёма в том числе четыре исследования критической токсичности (исследование на острую интоксикацию LD50 у крыс, тест на вдыхание LC50 у крыс, первичное раздражение глаз кроликов и первичные кожные раздражения у кроликов). Краткое содержание результатов исследования Агентства по охране окружающей среды США изложены ниже:

1. Исследования критической токсичности. В результате исследований последствий вдыхания  и применения внутрь САК смертности не наблюдалось. По первичному раздражению глаз: не было помутнения роговицы или раздражения радужной оболочки глаза. По воздействию на кожу: в течение 72-часового исследования не наблюдалось раздражения кожных покровов.По изучению кратковременного токсического эффекта: при употреблении внутрь LD50 составляет: 5000 мг/кг.По изучению воздействия САК при вдыхании: LC50 составляет: 2,08 мг/л. Все исследования были проведены с учётом IV категории токсичности. 2. Исследования на мутагенность. Во всех четырех исследованиях не было никаких признаков любой мутагенной активности, связанной с воздействием САК. 3. Пероральная токсичность. Не выявлено смертельных исходов или клинических симптомов. Не было существенной разницы между группой испытуемых и контрольной группой в плане концентрации кремнезема в организме.

Опираясь на анализ вышеперечисленных исследований, АОС США пришло к следующим заключениям: Кремнезем аморфный, пирогенный, (некристаллический) имеет доказанное отсутствие токсичности. По результатам исследования кратковременного токсического эффекта причислен к категории токсичности ІV. Результат на мутагенность отрицательный. Кремнезем аморфный, пирогенный, (некристаллический) не классифицируется по его канцерогенности, однако при его аморфной структуре, он не может представлять онкогенного риска. Считается, что кремнеземы инертны при проглатывании, и в связи с большим молекулярным весом они не могут впитываться через кожу. Относительно здоровья человека не должно быть беспокойства, независимо от того, каким по продолжительности был контакт с САК.

Воздействие синтетического аморфного кремнезема на здоровье существенно отличается от воздействия кристаллического кремнезёма. В результате эпидемиологических исследований длительного преднамеренного воздействия САК на работающих с данным материалом сотрудников силикоз не наблюдался. Исследования на различных видах животных показали, что продукты аморфного кремнезема полностью выводятся из лёгких. Международное Агенство по исследованию рака признает САК не онкогенным для здоровья человека (3 группа).

Текущая стадия разработки

  • Проведены комплексные исследования физико-химических свойств аэрогеля AlOOH;
  • Отработана жидкометаллическая технология синтеза наноструктурного аэрогеля AlOOH из расплава Ga;
  • Совместно с предприятиями проведены исследования по влиянию добавок аэрогеля AlOOH на эксплуатационные характеристики выпускаемых керамических (конструкционных и сенсорных) материалов, полимерных и резинотехнических изделий;

Научный коллектив института имеет опыт выполнения опытно-конструкторской работы (ОКР): «Разработка технологии и оборудования для синтеза ультрапористого оксигидроксида алюминия со слоисто-волокнистой наноструктурой», выполненной в рамках Государственного контракта от 15.08.07 г. № 02.523.11.3010 «Технологии и оборудование для производства деталей машин из наноструктурных оксидных керамик, работающих в экстремальных условиях эксплуатации».

Простота монтажа

Изоляция отводов

Изделия для изоляции отводов поставляются в виде плоских элементов, что позволяет сократить транспортный объем и время монтажа

рис. 1рис. 2рис. 3рис. 4
  •  Изделия упаковываются и транспортируются в плоском виде (рис. 1).
  •  Изделия для изоляции отводов (в т.ч. многослойные) монтируются и фиксируются по месту (рис. 2, рис. 3).
  •  Поверхность готовой теплоизоляционной конструкции защищается паронепроницаемым и влагонепроницаемым покрытием (рис. 4).

Применение аэрогеля максимально упрощает монтаж изоляции труб отопления, водоснабжения, канализации и технологических трубопроводов, а также фитингов и технологического оборудования непосредственно на местах.

Изоляция прямых участков

Структура. История. Свойства

Рассмотрим структура.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 %, а чаще всего, 90—99 % объёма, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м3. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

Теперь давайте рассмотрим история.

Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (англ.)русск. из Тихоокеанского колледжа (англ.)русск. в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году в журнале Nature свои результаты. Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не сжимаясь.

Далее рассмотрим детально свойства.

<-

На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. При сильной нагрузке трескается, но в целом это более чем прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше своего веса. Аэрогели, в характерные особенности кварцевые, — хорошие теплоизоляторы. Они также очень гигроскопичны. По внешнему виду кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт рэлеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия (Al2O3), циркония (ZrO2) и титана (TiO2). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, железооксидный непрозрачен и имеет цвет, сходный с ржавчиной, ванадиевооксидный непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный и имеет тёмно-зелёный либо тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов редкоземельных металлов прозрачны (оксид самария жёлтый, оксид неодима фиолетовый, оксиды гольмия и эрбия — розовые). Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.

Технические характеристики

Технические характеристики теплоизоляционного материала PyrogelXT

Толщина*5мм10мм
Форма выпускаРулоны (130  м2)Рулоны (80 м2)
Максимальная температура использования650°С
ЦветБежевый
Плотность180 кг/м3
ГидрофобностьВодонепроницаем
ГорючестьНегорючий (НГ)
*Необходимое значение толщины изоляции достигается увеличением количества слоев


Преимущества теплоизоляционного материала PyrogelXT

  Материал Pyrogel XT применим для промышленной теплоизоляции оборудования, трубопроводов, резервуаров и емкостей с высокими рабочими температурами (до +650°С). При решении подобных задач PyrogelXT обладает рядом преимуществ перед традиционными теплоизоляционными материалами, использующимися в промышленности:  

Превосходные теплотехнические характеристики. Pyrogel XT в 2 – 5 раз эффективнее традиционных утеплителей. Теплопроводность промышленного теплоизоляционного материала Pyrogel XT: λ (Т = +25°С) = 0,022 Вт/м*К, λ (Т = +500°С) = 0,064 Вт/м*К.  

Устойчивость к физическим нагрузкам. Теплоизоляционные свойства Pyrogel XT не меняются даже после сжатия под давлением 0,7 МПа.  

Малые габариты теплоизоляционной конструкции. Pyrogel XT – один из самых тонких промышленных теплоизоляционных материалов в мире.  

Низкие логистические затраты. Малый объем, высокая плотность упаковки и низкий процент раскроя позволяют существенно снизить логистические затраты по сравнению с традиционными теплоизоляционными материалами, применяемыми в промышленности.  

Простота монтажа. Обработка промышленная теплоизоляции Pyrogel XT не требует какого-либо специального оборудования и производится обычными режущими инструментами.  

Негорючесть. Промышленная теплоизоляция Pyrogel XT негорючий материал (Класс НГ).  

Водонепроницаемость. Pyrogel XT отталкивает воду.  

Паропроницаемость. Промышленная теплоизоляция Pyrogel XT пропускает пар, помогая предотвратить возникновение коррозии на трубопроводах и оборудовании.  

Экологичность. Теплоизоляция Pyrogel XT абсолютно безвредна для здоровья человека. Материал не содержит вдыхаемых волокон и его можно применять в закрытых и подземных помещениях.  

Технические характеристики теплоизоляционного материала CryogelZ

Толщина*5мм10мм
Форма выпускаРулоны (111 м2)Рулоны (65 м2)
Максимальная температура использования+90°С
ЦветБелый
Плотность130 кг/м3
ГидрофобностьВодонепроницаем
ГорючестьСлабогорючий (Г1)
*Необходимое значение толщины изоляции достигается увеличением количества слоев


Преимущества теплоизоляционного материала CryogelZ

  Промышленная теплоизоляция Cryogel Z применяется на холодных (в том числе криогенных процессах). При этом данный материал обладает рядом преимуществ перед другими теплоизоляционными материалами:  

Превосходные теплотехнические характеристики. Cryogel Z в 2 – 5 раз эффективнее традиционных теплоизоляционных материалов, применяемых в промышленности. Теплопроводность Cryogel Z: λ (Т = +10°С) = 0,0141 Вт/м*К, λ (Т = -180°С) = 0,0106 Вт/м*К.  

Устойчивость к физическим нагрузкам. Cryogel Z сохраняет свои теплоизоляционные свойства даже после сжатия под давлением 5,9 МПа.  

Малые габариты теплоизоляционной конструкции. Cryogel Z – один из самых тонких промышленных теплоизоляционных материалов в мире.  

Низкие логистические затраты. Малый объем, высокая плотность упаковки и низкий процент раскроя позволяют существенно снизить логистические затраты по сравнению с традиционными теплоизоляционными материалами, применяемыми в промышленности.  

Простота монтажа. Промышленный теплоизоляционный материал Cryogel Z прост в монтаже и подходит для изоляции оборудования любой конфигурации.  

Отсутствие необходимости температурно-усадочных швов. Теплоизоляционная конструкция с применением материала Cryogel Z остается гибкой даже при криогенных температурах.  

Водонепроницаемость. Cryogel Z не пропускает воду.  

Паропроницаемость. Cryogel Z не пропускает водяной пар.  

Экологичность. Теплоизоляция Cryogel Z не содержит веществ, вредных для здоровья человека.

Преимущества теплоизоляционных материалов в строительстве

Аэрогель может эффективно использоваться для утепления домов. Это особенно актуально в связи с систематическим и постоянным повышением цен на различные виды энергии. Возникает необходимость в рациональном использовании энергии и поддержании тепла в домах.

Теплоизоляционные материалы с   аэрогелем  выгодно отличаются от традиционно используемых материалов и обладают целым рядом полезных свойств:

  • Качество теплоизоляционных характеристик этого материала  в 3-5 раз превосходят обычные эффективные материалы. Уникальные свойства теплоизоляции материала обусловлены очень низким коэффициентом теплопроводности среди твердых тел.
  • Данный материал позволяет сэкономить на свободном пространстве. Для достижения максимального теплосберегающего эффекта достаточно всего лишь 20 мм слоя материала с аэрогелем.
  • Для строительства этот материал незаменим. Он обладает особой прочностью при растяжении и сжатии, что делает его использование в строительных работах максимально эффективным. Например, эти характеристики предотвратят деформацию материала, в результате небрежного отношения.
  • Данные виды материалов обладают гидрофобностью. И являются практически водонепроницаемыми. Что позволяет эффективно защитить от коррозии различные трубопроводные системы. Неоценимый плюс материала в том, что он может прослужить более 20 лет.
  • Данные теплоизолирующие материалы могут найти применение при звукоизоляции помещения. И использоваться как амортизационная конструкция.
  • Этот уникальный материал полностью безопасен для экологии. Так как не содержит вредных примесей. И может утилизироваться как обычные строительные отходы.
Поделитесь в социальных сетях:ВКонтактеFacebookTwitter
Напишите комментарий