Research on the use of silica aerogels

Abstract


Silica aerogels are alternative thermal insulation materials for external wall structures. They have a minimum density and water resistance, which in a period of global warming and in a hot climate allows you to get the necessary protective shell of the building. High technologies contribute to a significant improvement in the quality of insulation through the use of aerogel structures. A promising direction in the field of research is to improve the technical characteristics of the insulation used and reduce the costs of its manufacturing process. The aim of the work was to conduct an experiment on a room model and evaluate the possibilities of using silica aerogels as a light thermal insulation material. Within the framework of the study, the tasks were solved using numerical computer modeling. The stages of obtaining aerogels with the specified parameters are reduced into a clear technological sequence, which allows us to justify their physical and thermal properties. Based on the experience of conducting research, the indicators of the use of aerogels in construction are analyzed. An experiment was conducted on a model of a room with aerogel insulation and the radiation from mutually located surfaces was determined. According to the results of the work, a predictable and regular decrease in temperature was obtained over time. Aerogel sheets turned out to be rational materials for walls and other elements of buildings, because along with low density, they have a high thermal insulation ability. The practical benefit of the study lies in the fact that the obtained dependencies allow us to recommend the use of aerogel insulation not only for load-bearing and enclosing structures, but also for individual elements of buildings and can be used to develop methods to increase thermal protection.

Full Text

Введение Потребление энергии в строительстве занимает большую часть от общего энергопотребления в мире. Проблема обеспечения энергоэффективности зданий на сегодня остается все еще не решенной. Постепенно разрабатываются принципы, обеспечивающие надежную теплоизоляцию зданий. Получить необходимое тепловое сопротивление позволяют новые технологии и изоляционные материалы. Увеличение толщины ограждающей конструкции нецелесообразно, так как требует дополнительных транспортных затрат и вызывает архитектурный дисбаланс. Модернизировать изоляцию зданий намного выгоднее в условиях увеличения выбросов парниковых газов в атмосферу. В настоящее время назрела острая необходимость в результативных исследованиях изоляционных материалов. Новые образцы можно получить на основании аэрогелей, которые были изобретены еще в первой половине прошлого столетия. Они могут успешно применяться с вакуумными изоляционными панелями и являются очень перспективными в строительстве. Однако пока еще на мировом рынке их производят только отдельные коммерческие организации. Представители фирм реализуют свою продукцию путем снижения всех видов затрат. В литературных источниках можно найти информацию о применении аэрогелей в строительстве. Большое внимание уделяется сравнительной характеристике типов изоляционных материалов с их преимуществами и недостатками. Материалы и методы Теплопроводность, как известно, является самым важным свойством любого теплоизоляционного материала. Стремление ее снизить приводит к получению ограждающих конструкций с минимальной толщиной и большим сопротивлением теплопередачи. Здесь решать проблему необходимо комплексно. Каждая составляющая в виде теплового вклада должна быть минимизирована. Важно не допускать наличие отверстий, которые являются источниками потерь тепла. Обязательно следует учесть тот факт, что теплопроводность твердого элемента обусловлена химическими связями на уровне атомов, а теплопроводность газовой среды реализуется посредством контактов молекул газа. Вместе с тем влияние электромагнитного излучения имеет свой спектральный фон, а конвективная теплопроводность вызвана перемещением воздуха и влаги. На каждый фактор существенное воздействие оказывает температура и ее перепады. Современные теплоизоляционные материалы могут быть применены в виде высушенных гелей, имеющих большую пористость и высокие изоляционные качества. Такие материалы обладают малой плотностью и низким показателем преломления [1; 2]. В зависимости от среды их тепловые свойства могут эволюционировать. Производство аэрогелей заключается в следующем [3; 4]: 1. Отмеряется необходимое количество тетраметоксисилана и метанола [3], которое помещается в лабораторный стакан с магнитным шариком. Под действием генератора происходит взаимодействие между компонентами с образованием однородной смеси. 2. Добавляется вода, метанол и гидрат аммиака, в результате чего происходит химическая реакция, смесь превращается в гель. 3. Полученная смесь заливается в формы с метанолом и оставляется на определенное время. Метанол испаряется, и происходит быстрый процесс твердения смеси. 4. Сформированный селикагель ежедневно на протяжении семи дней вымачивается в метаноловых ваннах. 5. Гель подвергается процессу сушки с извлечением жидкой составляющей. В результате образуется сшитая внутренняя структура SiO2 с большим количеством пор [5] очень малого размера. Диаметр пор чистого аэрогеля в среднем от 5 до 100 нм, аэрогеля из кремнезема от 5 до 70 нм. На величину пор влияет чистота и способ изготовления [6; 7]. Такие показатели позволяют получить самые легкие твердые материалы с высокими физическими и тепловыми свойствами. Исследования показали, что плотность аэрогелей составляет от 1 до 150 кг/м3. Поэтому они успешно могут применяться в строительстве, где наиболее востребованными являются материалы плотностью от 70 кг/м3. При малой гидрофобизации воздействие воды негативно влияет на структуру аэрогеля [8]. Использование его в сочетании с вакуумом позволит создать оболочку, которая предотвратит попадание воды, а вакуум снизит теплопроводность. Обеспечить требуемую несущую способность совместно с изоляционными свойствами аэрогелей можно путем добавления их в волокнистую структуру [9]. Однако рассматривать возможность применения аэрогелей в качестве теплоизоляционного материала нужно с учетом многих факторов и режимов взаимодействия. Аэрогели из кремнезема обладают малой твердостью. Внутренняя структура является сложной и имеет ряд ограничений, что усложняет путь теплового потока. Низкая теплопроводность аэрогелей достигается благодаря эффекту Кнудсена, который выражает зависимость проводимости газа в пористой среде от давления воздуха и размеров пор [10]. Поскольку аэрогели из кремнезема характеризуются малыми размерами пор и высокой пористостью, теплопроводность воздуха будет сильно снижаться при давлении окружающей среды из-за эффекта Кнудсена. Усилить такой эффект можно путем заполнения аэрогелей газом с низкой проводимостью. Сегодня благодаря высоким тепловым характеристикам такие материалы являются инновационной альтернативой традиционной изоляции [11]. Однако необходимо проведение исследований по улучшению характеристик изоляции и снижению затрат на производство аэрогелей. В настоящее время достаточно эффективен изоляционный материал, разработанный на основе аэрогеля в виде гибкого аэрогелевого листа толщиной 10 мм (рис. 1) [2]. а б Рис. 1. Аэрогелевое полотно для высокотемпературной теплоизоляции: а - Pyrogel®XT; б - Cryogel®Z производства компании Aspen Aerogels [12] Fig. 1. Aerogel fabric for high-temperature thermal insulation: а - Pyrogel®XT; б - Cryogel®Z manufactured by Aspen Aerogels [12] Он имеет теплопроводность примерно в три раза ниже, чем у традиционных теплоизоляционных материалов. Особенно интересен процесс его производства. Аэрогелевый композит получают путем добавления волокон или волокнистой матрицы в заранее приготовленную смесь, после чего гель высушивается. Материал можно использовать для уменьшения тепловых мостиков в ограждающих конструкциях зданий. Данные свидетельствуют [12], что текущие затраты на производство аэрогелей в 10 раз ниже, чем затраты на обычные изоляционные материалы для такого же теплового сопротивления. Материал из аэрогеля безопасен, так как он состоит из аморфного кремнезема [13], что при воздействии снижает возможные риски для здоровья. Сравнение экспериментально полученных значений минимальной теплопроводности наиболее часто используемых органических аэрогелей приведено в табл. 1. Величина показателя зависят от химической природы твердой фазы, а также от количества твердого вещества в матрице. Таблица 1 Теплопроводность органических аэрогелей Table 1 Thermal conductivity of organic aerogels Аэрогели Теплопроводность, Вт/м·К Размер пор, нм Резорцинол формальдегид 0,012 10…20 Полиуретан 0,022 8,3…66,5 Целлюлоза 0,030 1…100 Большое значение имеет исследование долговечности аэрогелевых материалов и компонентов для применения в строительстве, в том числе путем проведения ускоренного старения в лабораторных условиях. Очень эффективно в качестве шаблонов создавать наносферы кремнезема путем применения полиакриловой кислоты или полистирола [14; 15]. Принцип заключается в том, что в дальнейшем шаблоны удаляются путем промывки и нагрева (материалы диффундируют и испаряются через кремнеземную оболочку). Результаты исследований по оценке жизненного цикла этих материалов [16] показаны на рис. 2, 3. а б Рис. 2. Схема наноизоляционных материалов: а - в теории и б - реальное изображение наносфер под микроскопом [14] Fig. 2. The scheme of nano insulating materials: a - in theory and б - the real image of nanospheres under a microscope [14] а б в Рис. 3. Схемы: а - сферических шаблонов; б - частиц кремнезема на шаблоне; в - наносферы кремнезема [14] Fig. 3. Schemes: а - spherical templates; б - silica particles on the template; в - silica nanospheres [14] Для исследования характеристик аэрогеля в качестве изоляционного материала в здании использован вычислительный комплекс ANSYS. При моделировании рассмотрена модель излучения от поверхности к поверхности. Размер, ориентация и расстояние являются основными факторами для обмена энергией. В помещении здания большая часть поверхностей непрозрачна. Поэтому, в соответствии руководством пользователя [17], выбранная модель является достаточно обоснованной и может быть успешно применена на практике. Энергия, направленная с одной поверхности на другую, связана с параметром перехода. Тогда поток энергии со всех поверхностей записывается в виде , (1) где Аj, Аk - площади поверхностей; qout,j - энергия, отраженная от поверхности; Fjk - параметр перехода; ω - коэффициент неровности. Для n поверхностей соотношение факторов будет выглядеть так: (2) Исследования проведены в ANSYS на модели помещения 1,5 × 1,5 × 1,5 м, покрытой аэрогелевым листом (Pyrogel®XT или Cryogel®Z) толщиной 10 мм. Схемы исследуемых элементов в плане показаны на рис. 4. а б в Рис. 4. Структура элементов конструкций: а - стены, б - окна, в - двери Fig. 4. Structure components: a - walls, б - windows, в - doors Результаты Наружная температура конструкции, окруженной теплоизоляцией, составила 291 К (18,3 оС), внутренняя 299 К (26,1 оС), что представляет практический интерес для панельных зданий. Влияние аэрогелевых листов на изменение температуры стеновых поверхностей толщиной 300 мм во времени показало одну и ту же плавно убывающую закономерность, что подтверждают полученные нисходящие кривые (рис. 5). Оценка влияния толщины стекла (3 и 4 мм) на характер изменения температуры поверхностей оконного заполнения с аэрогелевым листом также представляет интерес. На рис. 6, 7 показан промежуток времени, в течение которого наблюдалось изменение температуры. Результаты исследований, представленные на рис. 6, 7, показали разные сопротивления стеклянных поверхностей. Некоторые отличия зафиксированы также по видам аэрогелевых листов. Однако, несмотря на одинаковый характер изменения температуры, выявлен заметный подъем кривых в случае использования стекол с большей толщиной. Совсем иная ситуация выявлена в области дверного заполнения с аэрогелевыми листами. На рис. 8 показан график изменения температуры во времени. Рис. 5. Динамика изменения температуры стеновых поверхностей исследуемого помещения по результатам компьютерного моделирования Fig. 5. Dynamics of changes in the temperature of the wall surfaces of the studied room according to the results of computer modeling Рис. 6. Динамика изменения температуры поверхностей в окне исследуемого помещения по результатам компьютерного моделирования для случая расположения аэрогелевого листа толщиной 10 мм между стеклами толщиной 3 мм Fig. 6. Dynamics of surfaces temperature changes in the window of the room under study based on the results of computer modeling for the case of the location of an aerogel sheet with a thickness of 10 mm between glasses with a thickness of 3 mm Рис. 7. Динамика изменения температуры поверхностей в окне исследуемого помещения по результатам компьютерного моделирования для случая расположения аэрогелевого листа толщиной 10 мм между стеклами толщиной 4 мм Fig. 7. Dynamics of surfaces temperature changes in the window of the room under study based on the results of computer modeling for the case of the location of an aerogel sheet with a thickness of 10 mm between glasses with a thickness of 4 mm Рис. 8. Динамика изменения температуры поверхностей в двери исследуемого помещения по результатам компьютерного моделирования Fig. 8. Dynamics of surfaces temperature changes in the door of the room under study based on the results of computer modeling Полученный результат (рис. 8) имел ту же закономерность, что и в стеновых поверхностях. Отличие состояло лишь в величине и скорости снижения температуры. Несмотря на использование в качестве изоляции аэрогелевых листов, сопротивляемость двери оказалась незначительной. Однако сравнение со стеновыми поверхностями показало некоторое снижение кривых. В исследованиях учтено, что крыша и пол помещения также изолированы аэрогелевым листом. За определенный интервал времени выявлено уменьшение уровня температуры в соответствии с рис. 5. Обсуждение Проведенные исследования показали возможности применения аэрогелевых листов в качестве альтернативного изоляционного материала на поверхностях несущих и ограждающих конструкций. Практическая польза от исследований очевидна, поскольку полученные результаты позволяют рекомендовать применение аэрогелевой изоляции для всех рассмотренных элементов зданий. Особенно следует отметить тот факт, что за короткий промежуток времени достигается значительное снижение температуры на поверхностях. Из результатов исследований видно, что наиболее быстрый процес охлаждения поверхностей зафиксирован для стеновых конструкций. Кривые на графиках достигли своих минимальных значений еще до отметки 1000 с. При сравнении с поверхностями оконного и дверного заполнений разница оказалась более чем существенной. На результаты изменения температуры поверхности стекла выявлено влияние толщины и вида аэрогеля. Как показывают результаты длительных экспериментальных исследований, благодаря использованию аэрогелевой изоляции в офисных помещениях заметно снижается потребление энергии в год примерно на 260 кВт·ч. Важно также отметить и возможность многоразового использования аэрогеля. Он подходит как для холодного, так и для жаркого климата. Результаты исследований могут быть использованы для разработки методологии повышения тепловой защиты зданий на основе аэрогелей в рамках минимизации производственных затрат. Выводы Выполнено исследование модели помещения с аэрогелевой изоляцией и определены излучения от взаимно расположенных поверхностей. Обмен энергией с одной поверхности на другую произведен с учетом размера, ориентации в пространстве и расстояния между поверхностями. В результате исследования получено закономерное снижение температуры во времени. Применение аэрогелей в качестве перспективных изоляционных материалов в стенах зданий позволяет получить требуемые параметры по теплоизоляции. Ожидается, что производство аэрогелей с минимальными затратами при решении задач повышения тепловой защиты зданий станет серьезной альтернативой традиционным изделиям, сочетая в себе преимущества прочного сыпучего материала с теплопроводностью, которая примерно в два-три раза ниже, чем у обычной минеральной ваты. Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.

About the authors

A. I Siyanov

Perm National Research Polytechnic University

D. I Abdulmanov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Аэрогель - происхождение, характеристики и области применения: сайт. - URL: https://stroyday.ru/stroitelstvo-doma/yteplenie-doma/aerogel-proisxozhdenie-xarakteristiki-i-oblasti-primeneniya.html (дата обращения: 1.10.2021).
  2. Бабашов В.Г., Варрик Н.М., Карасева Т.А. Применение аэрогелей для создания теплоизоляционных материалов (обзор) [Электронный документ] // Труды ВИАМ. - 2019. - № 6. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles? art_id = 1422 (дата обращения: 01.10.2021).
  3. Васильева И.Л., Немова Д.В. Перспективы применения аэрогелей в строительстве // Alfabuild. - 2018. - № 4 (6). - С. 135-145.
  4. Михайлов И.М. Аэрогель в гражданском строительстве. Применение и перспективы развития // Международные научно-практические конференции. - М., 2018. - С. 397-404.
  5. Общая информация об аэрогеле: сайт. - URL: http://www.aerogel-russia.ru/info/about (дата обращения: 01.10.2021).
  6. Цыганков П.Ю. Процессы получения аэрогелей с внедрёнными углеродными нанотрубками в аппаратах высокого давления и их интенсификация: дис. … канд. техн. наук. - М., 2018. - 191 с.
  7. Лебедев А.Е. Моделирование и масштабирование процессов получения аэрогелей и функциональных материалов на их основе: дис. … канд. техн. наук. - М., 2015. - 156 с.
  8. Исследование процесса получения теплоизоляционных материалов на основе аэрогелей / А.В. Шиндряев [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. - 2017. - Т. 31, № 6. - С. 130-132.
  9. Инновационные материалы на основе аэрогеля в строительстве / А.В. Макеева [и др.] // Alfabuild. - 2017. - № 1 (1). - С. 89-98.
  10. Jelle B.P. Traditional, state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutions: properties, requirements and possibilities // Energy Build. - 2011. - Vol. 43, № 10. - P. 2549-2563. doi: 10.1016/j.enbuild.2011.05.015
  11. Фаликман В.Р. Наноматериалы и нанотехнологии в производстве строительных материалов // Вестник НИЦ «Строительство». - 2017. - № 1 (12). - С. 68-79.
  12. Теплоизоляция с аэрогелями // Компания Aspen Aerogels: сайт. - URL: https://aerogel.com (дата обращения: 01.10.2021).
  13. Колосова А.С., Пикалов Е.С. Современные эффективные теплоизоляционные материалы на неорганической основе [Электронный ресурс] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2020. - № 9. - С. 64-75. - URL: https://applied-research.ru/ru/article/view? id = 13128 (дата обращения: 01.10.2021).
  14. Gao T., Sandberg L.I.C., Jelle B.P. Nano insulation materials: synthesis and life cycle assessment // Procedia CIRP. - 2014. - Vol. 15. - P. 490-495. doi: 10.1016/j.procir.2014.06.041
  15. Thermal conductivity of powder silica hollow spheres / Y. Liao, X. Wu, H. Liu, Y. Chen // Thermochimica Acta. - 2011. - Vol. 526, № 1-2. - P. 178-184. doi: 10.1016/j.tca.2011.09.011
  16. Integration of life cycle assessment in the design of hollow silica nanospheres for thermal insulation applications / R.D. Schlanbusch, B.P. Jelle, L.I.C. Sandberg, S.M. Fufa, T. Gao // Building and Environment. - 2014. - Vol. 80. - P. 115-124. doi: 10.1016/j.buildenv.2014.05.010
  17. Ansys 2021 R2 Release Highlights / Ansys Latest Release: сайт. - URL: https://www.ansys.com/products/release-highlights (дата обращения: 01.10.2021).

Statistics

Views

Abstract - 6

PDF (Russian) - 10

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2021 Siyanov A.I., Abdulmanov D.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies