Kompozitna izolacija na osnovi mineralne volne z izboljšanimi izolacijskimi lastnostmi
Oznaka in naziv projekta
L2-9221 Kompozitna izolacija na osnovi mineralne volne z izboljšanimi izolacijskimi lastnostmi
L2-9221 Mineral wool composite with improved insulation properties
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Jakob König, Odsek za raziskave sodobnih materialov, Institut "Jožef Stefan
Raziskovalci:
- Institut "Jožef Stefan": doc. dr. Srečo Škapin, prof. dr. Danilo Suvorov, dr. Marjeta Maček Kržmanc, ddr. Marija Vukomanović, dr. Špela Kunej, Damjan Vengust, David Fabijan
- KNAUF INSULATION, d.o.o., industrija termičnih izolacij, Škofja Loka: mag. Borut Vezočnik, dr. Gorazd Šebenik
Vsebinski opis projekta
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.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta
Delovni sklop 0: Znanstvena koordinacija, vodenje projekta, diseminacija.
Delovni sklop 1: Selekcija NSM in karakterizacija, modeliranje toplotne prevodnosti.
Delovni sklop 2: Modeliranje kompozitov in eksperimentalna validacija željene vsebnosti NSM.
Delovni sklop 3: Priprava kompozitov in karakterizacija (mokra metoda.)
Delovni sklop 4: Priprava kompozitov in karakterizacija (suha metoda).
Delovni sklop 5: Oblikovanje industrijskega proizvodnega procesa.
Bibliografske reference
Jakob König, Gorazd Šebenik, Špela Kunej, David Fabijan, Preliminary modeling and design of testing procedures for thermal properties of composites of mineral fibers and nano-porous materials: report on the research work performed within the project Mineral wool composite with improved insulation properties (L2-9221), IJS DP 12871, confidential, [COBISS.SI-ID 15652867]
Jakob König, Gorazd Šebenik, Špela Kunej, David Fabijan, Multi-parameter examination of the thermal properties of composites of mineral fibers and nano-porous materials: report on the research work performed within the project Mineral wool composite with improved insulation properties (L2-9221), IJS DP 12872, confidential [COBISS.SI-ID 15652099]
Jakob König, Špela Kunej, David Fabijan, Gorazd Šebenik, Borut Vezočnik, Matjaž Spreitzer, Wet application of nano-structured materials into mineral-fiber batt: report on the research work performed within the project Mineral wool composite with improved insulation properties (L2-9221), IJS DP 13135, confidential [COBISS.SI-ID 15655939]
Jakob König, Špela Kunej, David Fabijan, Gorazd Šebenik, Borut Vezočnik, Matjaž Spreitzer, Dry application of nano-structured materials into mineral-fiber batt: report on the research work performed within the project Mineral wool composite with improved insulation properties (L2-9221), IJS DP 13136, confidential [COBISS.SI-ID 15655427]