Tepelné izolace 2011 BJ13 - Speciální izolace Jiří Zach: Leden 2011 Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav technologie stavebních hmot a dílců Tepelné izolace 2011 BJ13 - Speciální izolace

Tepelné izolace Historie Vývoj u nás – 60. léta 20. stol. → tepelně technické požadavky na stav. konstrukce Současnost – vývoj nových moderních st. materiálů Snaha připravit materiály s relativně vysokými mechanickými vlastnostmi a nízkou objemovou hmotností, na které závisí hodnota součinitele tepelné vodivosti.

Rozdělení tepelně izolačních materiálů Pěnoplastické látky (pěnové polystyreny, extrudované polystyreny, pěnové polyuretany,…) Vláknité materiály (skleněná, minerální, syntetická vlákna, izolace na bázi ovčí vlny) Pěněné silikáty (pěnové sklo) Minerální materiály (expandovaný perlit, expandovaný vermikulit,..) Organické materiály (materiály na bázi dřeva, přírodních vláken, celulózových vláken) Materiály nové generace (kalciumsilikáty, vakuové izolace)

Skupina materiálů Materiál v [kg.m-3]  [W.m-1.K-1] Pěnoplastické látky pěnové polystyreny 30 0,035 extrudované polystyreny 0,030 pěnové polyuretany 35 0,027 pěnové polyethyleny 25 0,026 pěněné pryskyřice 40 0,040 pěněné PVC 60 0,043 Vláknité materiály skleněná vlákna 50 0,038 minerální vlákna 75 0,037 syntetická vlákna 160 0,065 izolace na bázi ovčí vlny 0,039 Pěněné silikáty pěnové sklo 120 0,044 Minerální materiály expandovaný perlit 0,060 expandovaný vermikulit 100 strusková pemza 500 0,130 keramzit 350 0,110 Materiály na bázi dřeva a přírodních vláken piliny a mineralizované hobliny 140 sláma a rákos 70 0,050 korek a korkové desky 150 0,058 dřevovláknité a dřevotřískové desky 400 0,092 Materiály na bázi celulózových vláken drcený mineralizovaný papír desky z asfaltového papíru Materiály nové generace kalciumsilikáty 300 0,063 vakuové izolace 10 0,008

Rozdělení tepelně izolačních materiálů dle použití a způsobu aplikace Vnější izolace obvodového pláště Izolace střešního pláště Vnitřní vodorovné a svislé konstrukce Vnitřní izolace obvodového pláště Speciální aplikace

1. Pěnový polystyren EPS Vynalezen 1949 v Německu – Fritz Stastny Nízká objemová hmotnost 30 kg.m-3 X Velmi dobré mechanické vlastnosti Velmi dobré tepelně technické a akustické vlastnosti λ = 0,035 W.m-1.K-1 Časté využití v praxi

Pěnový polystyren EPS - výroba Základní surovina: zpěňovatelný polystyren perly obsahující 6-7 % pentanu (nadouvadlo) Polymerizace styrenu

Pěnový polystyren EPS - výroba 3 fáze výroby: Předpěnění Meziuskladnění Vytváření (výroba bloků, desek, tvarovek, popř. pásů)

Blokové schéma výroby EPS

Základní fyzikální a mechanické vlastnosti EPS Odolává teplotám od -150°C do +80°C Dlouhodobě neodolává účinkům UV záření Vykazuje v poměru k velmi nízké objemové hmotnosti velmi vysoké mechanické vlastnosti Pevnost v tlaku … 70–200 kPa při 10% deformaci Pevnost v tahu …přes 100 kPa Objemová hmotnost … 15–35 kg.m-3 Velmi nízká dynamická tuhost … 0–30 MPa.m-1 u elastifikovaného polystyrenu Nerozpustný v H2O, nenabobtnává Max. objemová nasákavost 4–5 % Faktor difúzního odporu 20–100 Reakce na oheň dle ČSN EN 13501-1 třída B

Tepelně technické vlastnosti EPS Součinitel tepelné vodivosti λ závisí na: Objemové hmotnosti Nejnižší tepelná vodivost při objemové hmotnosti v rozmezí 30–50 kg.m-3. Vlastnostech pórové struktury EPS vykazuje velmi vysokou pórovitost. Jeho objem je tvořen: 2 % polystyrenu a z 98 % vzduchu Vlhkostním obsahu Teplotě

Závislost součinitele tepelné vodivosti EPS na objemové hmotnosti při +10°C

Závislost součinitele tepelné vodivosti EPS o ρv = 20 kg Závislost součinitele tepelné vodivosti EPS o ρv = 20 kg.m-3 na teplotě

2. Extrudovaný polystyren XPS Výroba XPS a polystyrenových desek z XPS: → zahřátí polystyrenu spolu s napěňovací přísadou, retardérem hoření a nukleačním činidlem v extrudéru → tekutá pěna → protlačení skrz vytvářecí ústí → chlazení v chladící části extrudéru za sníženého tlaku.

Výrobní linka pro výrobu extrudovaného polystyrenu

Extrudovaný polystyren XPS Odolává teplotám od -150°C do +70°C Neodolává účinkům UV záření Ve srovnání s EPS ještě výhodnější poměr objemové hmotnosti a mechanických vlastností Pevnost v tlaku XPS desek… 300–500 kPa při 10% deformaci Objemová hmotnost … 30–40 kg.m-3 Nerozpustný v H2O, nenabobtnává Nenasákavý, max. objemová nasákavost 0,5 % Faktor difúzního odporu 100–250 Reakce na oheň dle ČSN EN 13501-1 třída B Uzavřená pórová struktura Součinitel tepelné vodivosti 0,029–0,040 W.m-1.K-1

3. Polyuretanová izolační pěna (PUR/PIR) PUR montážní pěna - k vypěňování spár v konstrukcích a při montáži výplňových prvků Stříkané PUR izolace a PUR izolační desky -vyšší odolnost vůči působení vlhkosti -vyšší mechanické vlastnosti -objemová stabilita -extrémně nízká hodnota součinitele tepelné vodivosti 0,024 – 0,026 W.m-1.K-1. Reakce na oheň dle ČSN EN 13501-1 třída B

Polyuretanová izolační pěna (PUR) Vznik: polyadicí difenyldiizokyanátu a směsí vícesytných polyéter a polyester alkoholů, aktivátorů, katalyzátorů, stabilizátorů, vody, retardérů hoření a nadouvadel Vlivem teploty a vznikajícího CO2 → napěnění hmoty – uzavřená mikroskopicky buněčná struktura →výborné tepelně izolační a hydroizolační vlastnosti Mechanické vlastnosti PUR pěny závisí na: její struktuře její objemové hmotnosti

Polyisokyanurátová izolační pěna (PIR) PIR je tuhá polyisokyanurátová pěna, která se svým vzhledem i tepelně izolačními vlastnostmi podobá materiálu PUR. Oproti PUR má dobrou požární odolnost. Desky PIR jsou vhodné zejména jako tepelná izolace plochých střešních plášťů. Velmi nízká hodnota součinitele tepelné vodivosti 0,023 W.m-1.K-1.

Závislost mechanických vlastností PUR pěny na objemové hmotnosti

Závislost modulu pružnosti PUR pěny na objemové hmotnosti

Polyuretanová izolační pěna (PUR) Součinitel tepelné vodivosti λ PUR pěny závisí na: uzavřenosti pórové struktury množství a velikosti pórů objemové hmotnosti Pohybuje se v rozmezí 0,023–0,030 W.m-1.K-1. Se ↑ objemovou hmotností hodnota součinitele tepelné vodivosti postupně ↓ a od 50 kg.m-3 začíná postupně znovu narůstat.

Závislost součinitele tepelné vodivosti PUR pěny na objemové hmotnosti

4. Minerální vlna MW nejrozšířenější tepelně izolační materiál na trhu největší předností je vysoká požární odolnost → reakce na oheň dle ČSN EN 13501-1 třída A1 Použití MW v aplikacích, kde nejsou běžné pěnoplastické izolační materiály použitelné. Jedná se především o: - tepelnou izolaci fasádních systémů v požární výšce nad 22,5m, požární pásy nad otvory ve výšce nad 12 m - izolaci parovodů a potrubí - izolaci kotlů a pecí - použití jako požární izolace pro zvýšení požární odolnosti nosných částí stavebních konstrukcí

Minerální vlna MW Technologie výroby minerální vlny Dle použité vstupní suroviny rozeznáváme 3 základní typy minerální vlny: čedičová vlna strusková vlna skelná vlna Základní surovina je s tavidly roztavena v kupolové peci. K roztavení suroviny dochází v závislosti na jejím složení a na přídavku taviv přibližně okolo teploty 1500°C.

Blokové schéma výroby MW

Minerální vlna MW Součinitel tepelné vodivosti se pohybuje v rozmezí 0,032–0,050 W.m-1.K-1 Při nízkých objemových hmotnostech vykazuje MW vysokou průvzdušnost Při ↑ objemové hmotnosti se hodnota součinitele tepelné vodivosti postupně ↓, což je následkem snížení tepelného toku vlivem sálání a proudění, od asi 65 kg.m-3 se začíná hodnota součinitele tepelné vodivosti znovu postupně zvyšovat, což je dáno vzrůstajícím přenosem tepla v pevné fázi minerálních vláken vedením.

Závislost součinitele tepelné vodivosti minerální vlny na objemové hmotnosti

Minerální vlna MW Dle mechanických vlastností lze rozdělit minerálně vláknité výrobky na: a) nezatížené – stlačitelné materiály, mechanické vlastnosti prakticky zanedbatelné, mechanické vlastnosti nejsou výrobcem nedeklarovány b) zatížené – mechanické vlastnosti se liší dle použití a druhu izolace Napětí při 10% deformaci … asi 40 kPa (60 kPa) Pevnost v tahu kolmo k desce dle orientace vláken: u rohoží … 7,5–15 kPa u lamel až … 90 kPa Faktor difúzního odporu … 1,5–3 Malá nasákavost … do 3 %

5. Skleněná vlna Svými vlastnostmi a použitím se příliš neliší od MW, liší se výrobou. 2 způsoby výroby: 1. způsob: tzv. odstředivý způsob (podobný výrobě MW) tloušťka vláken … 20 až 30  2. způsob: Základní suroviny se zahřívají na teplotu 1100–1300°C v přepadové vanové peci → tavenina se přivádí do menší pícky zahřívané na teplotu 1400–1500°C → zhomogenizovaná tavenina přichází do jemných trysek → tažení vláken, proudem páry nebo vzduchem. Vyrobená vlákna padají na transportér, který dopraví vlnu k dalšímu zpracování. Další zpracování vláken je podobné jako u MW. Narozdíl od MW se však nevytváří ze skelných vláken lamelové rohože a vlákna jsou většinou orientována podélně.

Skleněná vlna Součinitel tepelné vodivosti v širokém rozmezí 0,030–0,050 W.m-1.K-1 Třída reakce na oheň je u skelných rohoží A1 nebo A2 Nasákavost … do 4 % Nejlepších hodnot tepelné vodivosti dosahuje skelná rohož při objemových hmotnostech v rozmezí 40–50 kg.m-3 Hodnota součinitele tepelné vodivosti skelné rohože se spolu s teplotou silně zvyšuje

Závislost součinitele tepelné vodivosti skelné rohože na teplotě

6. Aerogely – vakuové izolace Nový trend v oblasti vývoje tepelných izolací Hodnota součinitele tepelné vodivosti aerogelů může být až 10x nižší než u běžných materiálů, jako je EPS nebo MW Vznik gelu gelová struktura vzniká dostatečným propojením řetězců oxidů, vzniká tzv. Alcogel, který se skládá z tuhé a kapalné části, zabírající stejný objem Aerogel - vzniká odstraněním (superkritickou extrakcí) kapalné fáze z alcogelu bez porušení struktury pevné fáze

Aerogely – vakuové izolace Příprava aerogelu – ve 2 krocích: Vytvoření mokrého gelu Vysoušení → tvorba aerogelu Základní gelová fáze vzniká kondenzací křemičitanu sodného. Soli vytvořené během chemických reakcí, které nejsou chemicky vázány v gelové struktuře, musí být odstraněny opakovaným vymýváním. Nejčastěji používané vstupní suroviny pro výrobu aerogelů jsou tetramethyl ortosilikát (TMOS, Si(OCH3)4) a tetraethyl ortosilikát (TEOS, Si(OCH2CH3)4) Pro urychlení reakce vzniku aerogelu jsou používány katalyzátory (kyselé, zásadité), které ovlivňují nikrostrukturu aerogelu a mají vliv i na jeho fyzikální a optické vlastnosti

Aerogely – vakuové izolace Aerogely dělíme dle reakce na: jednostupňové dvoustupňové Jednostupňové zásaditě katalyzované aerogely vykazují většinou vyšší pevnosti, ale jsou křehčí než dvoustupňové aerogely. Dvoustupňové aerogely obsahují naopak vyšší podíl menších pórů a jsou průsvitnější než jednostupňové aerogely.

Aerogely – vakuové izolace Superkritické sušení- finální a nejdůležitější technologický krok výroby Kapalina uvnitř gelu je odstraněna a zůstávají pouze spojené silikátové řetězce. Proces může být proveden odpařením a odstraněním C2H5OH nebo za pomocí CO2 - odvzdušněním. Proces probíhá v autoklávu naplněným etanolem. Systém je přetlakový s tlakem 5,2–5,9 MPa s CO2 a chlazením až na 5–10°C.

Základní fyzikální vlastnosti aerogelu Objemová hmotnost … 0.003-0.35 g.cm-3 Vnitřní povrch … 600-1000 m2g-1 Pórovitost … 85 – 99 % Podíl tuhé fáze … 1 - 15 % Střední průměr pórů … ~20 nm Základní průměr částic … 2-5 nm Teplotní odolnost … do 500°C Součinitel teplotní roztažnosti …2.0-4.0.10-6 m.m-1 Součinitel tepelné vodivosti 0,004 – 0,017 W.m-1.K-1 Pevnost v tahu … 16 kPa Dielektrická konstanta … ~1.1

Tepelně izolační vlastnosti aerogelu Extrémně nízká tepelná vodivost, kterou lze snižovat dále vakuováním Tepelná vodivost materiálu = ∑ přenos tepelné energie (vedením v pevné fázi, prouděním v plynné fázi a sáláním v oblasti infračerveného spektra). Jednotlivé tři složky přenosu tepelné energie se v závislosti na okolních podmínkách (především na teplotě aerogelu a okolí) mění. Typická hodnota součinitele tepelné vodivost aerogelu je 0,015 - 0,017 W.m-1.K-1.

Závislost hodnoty součinitele tepelné vodivosti jedno a dvoustupňového aerogelu na tlaku

Závislost součinitele tepelné vodivosti na tlaku u čistého aerogelu a aerogelu s přídavkem uhlíku

Aerogely – vakuové tepelné izolace - použití v praxi Sanace historických budov + - dobré tepelně izolační vlastnosti - malá účinná tloušťka Aplikace: desky → speciální lepidla → povrch konstrukce Funkce izolační vrstvy: účinná parozábrana s ekvivalentní difúzní tloušťkou 5.105–2.107 m v závislosti na provedení spojů jednotlivých izolačních desek.

7. Tepelné izolace na organické bázi Izolace na bázi dřeva Izolace na bázi celulózy Korek Len, konopí a rákos Sláma a seno

Tepelné izolace na organické bázi Vzrůstající objem odpadů vede k zamyšlení nad jejich dalším možným využitím či odstraněním, pokud možno s co nejmenším vlivem na životní prostředí Příklady odpadů využívaných pro tepelně izolační materiály na organické bázi: recykláty ze zemědělství, zpracování dřeva, chovu dobytka a dalších jiných odvětví průmyslu (např. papírenský průmysl)

Izolace na bázi dřeva Zbytky dřeva a dřevěných materiálů z lesního hospodářství, dřevozpracujícího průmyslu,… Např. hobliny, odřezky, kmeny, větve, piliny, opotřebené dřevo,… Nejvíce rozšířený izolační materiál na bázi dřeva je Heraklit, který je nejstarším průmyslově vyráběným tepelně izolačním materiálem V současnosti dvouvrstvé a třívrstvé izolační desky v kombinaci s polystyrenem či minerálním vláknem.

Izolace na bázi dřeva Výroba heraklitových desek probíhá následujícím způsobem: - Výroba dřevní vlny ze surového dřeva - Míšení dřevní vlny s cementem, přísadami (mineralizačními a protiplísňovými, urychlujícími tuhnutí a tvrdnutí cementu), dřevním odpadem a vodou - Uložení směsi do forem a lisování desek - Vyzráním pojiva desek - Zařezávání desek do požadovaných rozměrů

Blokové schéma výroby heraklitových izolačních desek

Izolace na bázi dřeva - Heraklit Použití heraklitu: tepelná izolace stěn a stropů s možností použití omítek při dřevěných a skeletových stavbách tepelně izolační obklady nosníků, průvlaků, pilířů, stropů a obvodových zdí ztracené bednění stropních a věncových konstrukcí. k tepelné izolaci teplovzdušných kanálů k zhotovení příček a dělících stěn k zhotovení půdních vestaveb a bytových jader

Dřevní vlna pro výrobu heraklitových desek Tepelně izolační deska z dřevité vlny a cementového pojiva Dvouvrstvá tepelně izolační deska

Izolace na bázi dřeva - Heraklit Fyzikální vlastnosti závisí na objemové hmotnosti. Objemová hmotnost … 250–500 kg.m-3 Pevnost v tahu za ohybu se … 0,4–2,0 MPa Napětí při 10% deformaci … 0,02–0,15 MPa Faktor difúzního odporu … 4–7 Součinitel tepelné vodivosti … 0,073–0,090 W.m-1.K-1

Závislost pevnosti v tahu za ohybu heraklitu na objemové hmotnosti

Závislost faktoru difúzního odporu heraklitu na objemové hmotnosti

Závislost součinitele tepelné vodivosti heraklitu na objemové hmotnosti

Izolace na bázi dřeva Další možnosti zpracování dřeva a jeho odpadu: Dřevoštěpkové tvárnice a desky Dřevocementové tvárnice Dřevobeton s integrovanou přídavnou polystyrenovou izolací Štěpkocementové desky

Izolace na bázi celulózy Vznik: rozvlákněním starého papíru a přidáním speciálních přísad (borové soli) Úprava vláken → materiál nehořlavý s nulovým šířením plamene, ochrana proti houbám, plísním,… Použití: dodatečné zateplení stav. konstrukcí, uložení izolace na vodorovné plochy, izolační nástřik (celulózová vlákna+voda+Sokrat nebo Karsil), silniční stavitelství

Izolace na bázi celulózy Z hlediska klasifikace celulózových vláken dle reakce na oheň (ČSN EN 13501-1) jsou dány jejich vlastnosti přídavkem pojiva a obsahem boritých solí: suchý materiál: C nastříkaný s pojivem Karsil - E 01: B nastříkaný s pojivem Sokrat 2802A: D Objemová hmotnost celulózových vláken: volně uložených … 35–45 kg.m-3 strojně uložených … 30–60 kg.m-3 u nástřiků s vodou nebo pojivy … 45–90 kg.m-3

Izolace na bázi celulózy Tepelně izolační parametry Součinitel tepelné vodivosti volně ložený nebo mírně zhutněný zásyp λ= 0,037 W.m-1.K-1 nástřiku s vodou λ= 0,039 W.m-1.K-1 nástřiku s pojivem λ= 0,042 W.m-1.K-1 Faktor difúzního odporu násyp z celulózových vláken 1,5–3 při použití pojiva 2–4 Nevýhody: vyšší navlhavost 16,6 % (20°C, 90 %)

7.3. Korek Lehký, pružný, odolný vůči H2O, plísním, chemikáliím Odolný vůči mech. tlaku, tlumí hluk vibrace Použití: podlahy Součinitel tepelné vodivosti 0,04–0,10 W.m-1.K-1

7.4. Len, konopí a rákos Len 100% přírodní, pěstovaný v našem klimatu, dobré izolační vlastnosti Na trhu ve 3 formách: volně sypaný, plsť, desky Nevýhody: lněná vlákna – hořlavá, snadno se lámou Pro omezení lámavosti → přidání polyesterových vláken Konopí Podobné vlastnosti jako len Omezuje navíc hluk a vibrace Desky “sendvičového“ typu Tepelná a zvuková izolace

Len, konopí a rákos Rákos Tradiční stav. materiál, oproti slámě tvrdší a odolnější, nepodléhá biologickému rozkladu, snížené riziko samovznícení Využití: došky – snopky z žitné slámy, rákosu nebo kukuřice

Sláma a seno Sláma Malá energetická náročnost Snadno dostupná a likvidovatelná Nevýhody: vysoká hořlavost, není odolná vůči škůdcům a vlhkosti →hydrofobizace Využití: slaměné panely, tzv. ekopanely- kotví se jen do podlahy a stropu, samonosné, nevyžadují ani tepelnou a zvukovou izolaci, využití jako opláštění obvodové nenosné stěny s dřevěnou nosnou kostrou

Sláma a seno Ekopanely Objemová hmotnost … 350–500 kg.m-3 Součinitel tepelné vodivosti … 0,10–0,13 W.m-1.K-1 Faktor difúzního odporu … 12–14 Pevnost v tahu za ohybu … 0,15 MPa

Sláma a seno Fotografie slaměného ekopanelu

Sláma a seno Seno Podobné vlastnosti a využití jako sláma Dostupnější, ale snadněji podléhá přirozené biologické zkáze