Интересные факты о строительстве: аэрогель – строительный теплоизоляционный материал, попавший в книгу Гиннесса

Аэрогели (от латинских слов aer - воздух и gelatus - замороженный) - класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода. Если верить публикациям, то, благодаря своим уникальным свойствам данный материал попал к книгу рекорда Гиннесса по 15-ти номинациям.

Фотография с сайта ru.wikipedia.org.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50%, а как правило, 90,0–99,8% 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 нанометров (нм) и пор размерами до 100 нм (для аэрогелей, применяемых в строительстве, размеры пор составляют единицы нанометров). Благодаря этому фактору аэрогель обладает очень низкой плотностью, по параметрам превосходящей только плотность воздуха.

Фотография с сайта stroyday.ru.

Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером из Тихоокеанского колледжа 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. Кстати, первоначально данный материал был получен совершенно случайно - он оказался, можно сказать, побочным продуктом при кристаллизации в супернасыщенных и суперкритических жидкостях при проведении лабораторных исследований. Практического применения в те годы этому новому материалу найдено не было, как и доступной технологии для его синтеза в сколь-нибудь серьезных масштабах. Все это пришло позднее, ближе к концу ХХ века, когда было налажено производство аэрогеля и его полезное использование, прежде всего в качестве очень эффективного термоизоляционного материала.

На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал - образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в 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 аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный с ржавчиной, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель и имеет тёмно-зелёный или 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.

Наиболее распространены кварцевые аэрогели. Их минимальная плотность равна 1 кг/м³ (вакуумированная версия), что в 1000 раз меньше плотности воды и даже в 1,2 раза меньше плотности воздуха (правда, указанная плотность не включает вес воздуха, включенного в структуру, потому аэрогели не плавают в воздухе). Среди твердых тел меньшую плотность имеют лишь металлические микрорешётки (чья плотность может достигать 0,9 кг/м³, что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), аэрографит (чья плотность составляет 0,18 кг/м³) и аэрографен (0,16 кг/м³). Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете, видимой области (с длиной волны больше 300 нм) и инфракрасном диапазоне, однако в инфракрасной области присутствуют типичные для кварца, получаемого обезвоживанием силикагелей, полосы гидроксила при 3500 см⁻¹ и 1600 см⁻¹. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (0,0175 Вт/(м•ºК) в воздухе при атмосферном давлении; для сравнения, коэффециент теплопроводности воздуха составляет 0,0235-0,0245 Вт/(м•ºК)), меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м•К)), они применяются в строительстве в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов. Температура плавления кварцевого аэрогеля составляет +1200°C. Его рабочая температура – до +500°C, без изменения качества гидроизоляции.

Основные виды теплоизоляций на основе аэрогелей: панельные изоляции, нетканые рулонные материалы, изолирующее стекло, материалы на основе аэрогельно-углеродных волокон, а также аэрогелевые порошки и красящие составы. К последним относя и гидротермоизоляционные составы с различными вяжущими, например, водные суспензии на латексе (наносятся такие составы очень тонким слоем).

Фотография с сайта stroyfora.ru.

Строительные изоляционные материалы на основе кварцевых аэрогелей сегодня применяются:

• для строительных конструкций промышленного и гражданского (в том числе и индивидуального) строительства;
  
  
• в качестве самой высокоэффективной теплозащиты труб и инженерных коммуникаций любого назначения - технологического, бытового, систем жизнеобеспечения (аэрогелевая изоляция способна обеспечить экономичные процессы работы любого трубопровода);
  
  
• для конструкций, работающих в самых сложных эксплуатационных условиях; в изоляциях криволинейных нестандартных поверхностей – металлические оболочки, резервуары и др. (теплозащита и влагобарьер аэрогелевых изоляций практически идеальны, что дает возможности обеспечивать длительную работу металлических конструкций в агрессивных средах без коррозионных разрушений.
  
  

Фотография с сайта stroyfora.ru.

В статье использована информация с сайтов ru.wikipedia.org, stroyday.ru и stroyfora.ru.