Projekti / Programi
Kompozitna izolacija na osnovi mineralne volne z izboljšanimi izolacijskimi lastnostmi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
mineralna volna, aerogel, pirogenski sintetični amorfni nano silicijev dioksid, kompozit, toplotna prevodnost, toplotna izolacija
Raziskovalci (10)
Organizacije (2)
Povzetek
Glavni poudarek evropske direktive o energetski učinkovitosti je izboljšanje varčevanja z energijo v stavbah ter gradbenem in industrijskem sektorju. V energetski bilanci ima zelo pomembno vlogo izolacija ovoja zgradbe. Boljšo izolacijo stavbe lahko dosežemo s povečanjem debeline izolacije ali z izboljšanjem izolacijskih lastnosti materiala. Na trgu toplotne izolacije prevladujejo tradicionalni izolacijski materiali, mineralna volna in organske pene, s toplotno prevodnostjo v območju 30‒40 mW/(m∙K). Povečanje debeline izolacijskih materialov ni učinkovito zaradi povečanja porabe materialov in s tem energije za njihovo proizvodnjo, ter večje potrebe po prostoru za njihovo namestitev. Novi materiali s toplotno prevodnostjo nižjo od 20 mW/(m∙K), t.i. superizolacija, niso konkurenčni, zaradi slabih mehanskih lastnosti in nizkih proizvodnih zmogljivosti. Posledično se superizolacija uporablja le v nišnih aplikacijah. Velik razkorak med obema skupinama materialov bi lahko premostili s kompozitnim materialom. Takšen kompoziten izolacijski izdelek mora izkazovati izboljšane izolacijske ter dobre mehanske lastnosti. Ustrezne mehanske lastnosti lahko zagotovimo s tradicionalno mineralno volno, izboljšane izolacijske lastnosti pa s poroznim nano-strukturiranim materialom, kot sta pirogeni silicijev oksid in aerogel na osnovi silicijevega oksida.
Namen projekta je priprava kompozitnega izdelka iz mineralne volne in poroznega nano-strukturiranega materiala (NSM), ki bo imel podobne mehanske lastnosti in požarno odpornost kot mineralna volna ter izboljšano izolacijsko sposobnost. Cilj projekta je doseči toplotno prevodnost v območju 26‒30 mW/(m∙K), kar je 20-odstotno izboljšanje v primerjavi z običajnimi izdelki iz mineralne volne. Za doseganje postavljenega cilja smo opredelili naslednje naloge: (i) izračunati ter eksperimentalno potrditi potrebno količino NSM v kompozitu volna‒NSM‒zrak, (ii) razviti postopek priprave kompozita z mokro in/ali suho metodo vnašanja NSM v skupek mineralne volne ter (iii) zasnovati izvedljiv postopek priprave kompozita za industrijsko proizvodnjo.
V predlaganem projektu bomo s kombinacijo vlaken, NSM in zračnih vrzeli v kompozitu razvili edinstven izdelek z odličnimi lastnostmi pri nizki gostoti. NSM s primernimi izolacijskimi in površinskimi lastnostmi bomo izbrali med razpoložljivimi komercialnimi izdelki. Kompozit mora imeti dobre mehanske lastnosti, ki jih bomo dosegli z ohranjanjem razmerja med dolžino in premerom vlaken ter učinkovito vezavo komponent v kompozitu. Za ta namen smo predvideli razvoj nove mokre in suhe metode vnašanja NSM v volneni skupek. Razvoj mokre metode bo osredotočen na pripravo suspenzij s prilagojenimi lastnostmi in način nanosa velike količine NSM. Pri razvoju suhe metode se bomo usmerili v izbiro optimalne velikosti delcev NSM in njihove vgradnje v praznine med vlakni. Za obe metodi priprave je izbira ter prilagoditev količine in porazdelitve veziva ključnega pomena za pripravo trdnega kompozita.
Na podlagi obsežnega pregleda literature, preliminarnih raziskav in zahtev trga, bomo z inovativnim pristopom dosegli sledeče parametre kompozita: ohranitev razmerja med premerom in dolžino vlaken, ohranitev običajne gostote vlaken (50–80 kg/m3), zmerno vsebnost NSM (cca. 40 vol.%), ohranitev dela zračnih vrzeli (cca. 60 vol.%), in gostoto kompozita v območju 80–120 kg/m3.
Ključ za izvedljivost proizvodnje kompozita je v vključitvi izdelave kompozita v standarden proizvodni proces izdelave mineralne volne in v neposredni uporabi NSMov, ki so dostopni na trgu. Razviti kompozit bo imel, kot edinstven v primerjavi z drugimi izdelki, takojšen tržni potencial. Rezultati projekta bodo izhodišče za prenos postopka v industrijo ter nadaljnji razvoj kompozitov s še boljšimi izolacijskimi in mehanskimi lastnostmi.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagana raziskovalna dejavnost presega stanje tehnike na področju izolacijskih materialov iz mineralnih vlaken. Rezultat projekta je edinstven kompoziten material z izboljšanimi izolacijskimi in mehanskimi lastnostmi pri nizki gostoti produkta. Priprava kompozitov je predmet številnih raziskav, vendar imajo razviti kompoziti slabe mehanske lastnosti, zaradi česar so njihove dobre izolacijske lastnosti slabo izkoriščene. Glavni razlogi za slabe mehanske lastnosti so zmanjšana dolžina vlaken, visoka gostota in visoka vsebnost NSM (posledično visoka cena).
Za doseganje ciljev projekta, bomo obravnavali več znanstveno pomembnih vprašanj. Modeliranje toplotne prevodnosti kompozita volna?NSM se bo razširilo na tretjo fazo, ki jo predstavljajo makroskopske pore napolnjene z zrakom. Ta zračna faza je ključnega pomena za ohranitev nizke gostote kompozita, in posledično za nižjo vsebnost NSM; opisani kompozitni materiali imajo veliko bolj zapolnjen volumen, in posledično visoko gostoto.
Kratka vlakna ali nizka vsebnost vlaken v kompozitih pripravljenih in-situ sta povezani s slabimi mehanskimi lastnostmi opisanih kompozitov. Z izvedbo projekta bomo demonstrirali izvedljivost priprave kompozita z izjemnimi mehanskimi in izboljšanimi izolacijskimi lastnostmi. V ta namen bomo razvili inovativne postopke priprave za suho in mokro vnašanje NSM, ki v literaturi niso opisani. Preiskava se bo osredotočila na formulacijo suspenzij z zahtevanimi lastnostmi, razvoj metode za suho vnašanje finih NSM delcev in prilagoditev formulacije in nanosa veziva.
Novo znanje, pridobljeno z realizacijo projekta, bo osnova za prihodnje raziskave novih izolacijskih materialov z vrhunskimi mehanskimi in izolacijskimi lastnostmi, končni cilj katerih je priprava produkta z ustrezno mehansko stabilnostjo, lastnostmi superizolacije in nizkim vplivom na okolje.
Pomen za razvoj Slovenije
Razvoj novih izolacijskih materialov je pomemben tako za sodelujoče skupine (JSI in Knauf Insulation d.o.o.), kot tudi za celotno skupino Knauf. Oddelek Knauf Insulation je največji proizvajalec mineralne volne v Evropi in drugi največji v obeh ločenih klasifikacijah za stekleno in kameno volno. Promet divizije Knauf Insulation je v letu 2016 znašal 1,6 milijarde EUR. Energetska učinkovitost, povezana z okoljskimi vprašanji, spodbuja razvoj novih, boljših in okolju prijaznejših izolacijskih izdelkov. Vodilna vloga v tem razvoju je za Knauf Insulation d.o.o velikega pomena, saj bo zagotovila rast proizvodnje in komercializacije, s čimer se bodo odpirale možnosti za nova delovna mesta in prihodnje koristi za lastnike, delavce in družbo. Trg zelenih izdelkov raste hitreje kot tradicionalni trg. Razvoj nove generacije izolacijskih materialov je ključnega pomena za prihodnjo rast podjetja in bo okrepila industrijo mineralne volne v Sloveniji. Z vidika trga lahko kompozit volna?NSM z zmerno ceno (v glavnem odvisna od cene NSM, ki pa se hitro znižuje) dosegel 5-odstotni delež oziroma promet v višini 80 milijonov EUR v naslednjih petih od sedmih letih. Intelektualna lastnina bo zaščitena s patenti in blagovnimi znamkami, kar bo zavarovalo interese in koristi podjetja.
Projekt se uvršča v slovensko strategijo pametne specializacije (S4) v domeno Tovarne prihodnosti (FoF), kjer se integrira v omogočitveno tehnologijo (KET) "Sodobne proizvodne tehnologije za materiale" in verigo vrednosti "Novi materiali".
Neposredna korist izvedenega projekta za družbo je torej povzeta v treh ključnih ugotovitvah:
- izdelki za varčevanje z energijo za gradbene in industrijske namene s poudarkom na zelenih izdelkih,
- rast industrijskih zmogljivosti (vključujoč nova delovna mesta) za proizvodnjo izolacijskih materialov v Sloveniji in EU, in
- uporaba človeku in okolju prijaznih, nenevarnih surovin za proizvodnjo kompozitov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
