Chtěli byste mít doma v zimě teplo a v létě příjemně chladno? Pak zvažte, zda nezateplit dům, protože vytápění a chlazení tvoří až 50 % Vašich výdajů za energie ročně! VŠCHT Praha podporuje snižování těchto nákladů výzkumem nano- a mikrocelulárních polymerních pěn. Vyvíjíme tak nejen vlastní tepelně izolační materiály nové generace, ale také počítačové programy, které pomohou dalším výzkumníkům a firmám připravovat a vyrábět materiály s vylepšenými vlastnostmi.
Izolační materiály šetří energie
Vytápění a chlazení představuje až 50 % roční spotřeby energie v EU. Mezi hlavní spotřebitele této energie patří většina z nás. Podle Evropské komise budou v roce 2050 dvě třetiny obytných budov tvořit budovy, které byly postaveny v době, kdy byly požadavky na energetickou hospodárnost omezené či žádné. Proto se rozhodla tímto tématem zabývat a počátkem roku 2016 představila historicky první strategii pro vytápění a chlazení.
Jeden z přístupů, jak snížit energetickou spotřebu na vytápění a chlazení, je využívání tepelně izolačních materiálů. Tyto materiály v posledních pěti letech studují vědci a studenti ze skupiny profesora Juraje Koska z Ústavu chemického inženýrství na VŠCHT Praha. V rámci grantových projektů a průmyslových spoluprací s národními i zahraničními partnery se zaměřují na studium polymerních pěn, jakými jsou např. polystyrenové či polyuretanové pěny, s cílem nalézt a zefektivnit způsob výroby pěn s výrazně lepšími vlastnostmi. Tyto pěny nám umožní místo současných panelů o tloušťce až 25 cm použít materiály dokonce o poloviční nebo až třetinové tloušťce, čímž dojde nejen k významné úspoře materiálu, ale také k esteticky akceptovanějšímu zateplení starších budov s výraznými fasádami.
Úskalí, která je třeba vyřešit
Aktuálně je stále několik otevřených otázek spojených s výrobou pěn. Za prvé můžeme zmínit nadouvadla. Nadouvadla jsou plyny, které se používají k vypěňování polymerů. Podobně jako když CO2 „napěňuje“ pečenou buchtu (tj. uvolňuje se z kypřícího prášku v těstě), tak nadouvadlo obsažené v polymeru při zahřátí na vyšší teplotu napění polymer. Hledání nových nadouvadel se zintenzivnilo po zákazu freonů na přelomu 80. a 90.let, kvůli jejich negativnímu efektu na ozonovou vrstvu. V současnosti nejčastěji používaná nadouvadla mají minimální negativní dopad na životní prostředí, ale bohužel nedosahují tepelně izolačních vlastností freonů.
Za druhé zmíníme výrobu tzv. nanocelulárních pěn s velmi malými bublinami. Podobně jako jiné nanomateriály těží z uplatňování odlišných fyzikálních jevů než těch, které známe z našeho makroskopického světa, v tomto případě je to šíření tepla v materiálu na nanoměřítku. Nanocelulární pěny díky tomu dosahují výrazně lepších tepelně izolačních vlastností. Největší výzvou pak zůstává nalezení způsobu, jak nanocelulární pěny vyrábět levně.
A do třetice zmíníme lepší kontrolu nad vypěňovacím procesem. Každá změna v chemickém složení nebo výrobním postupu vyžaduje časově náročné laboratorní a provozní zkoušky. Alespoň částečné nahrazení těchto zkoušek počítačovými simulacemi má potenciál značně uspořit čas a finanční prostředky. Třemi výše představenými problémy se mimo jiné zabývá výzkumná skupina profesora Koska.
Hledáme nové způsoby výroby pěn a zdokonalujeme současné
Existuje mnoho způsobů, jak vyrobit pěny. Vědci a studenti na VŠCHT Praha navrhli a sestavili několik unikátních aparatur a analytických metod a zaměřili se na tři méně probádané metody vypěňování: (i) vysokotlakým CO2, (ii) laserem a (iii) teplotně vyvolanou separací polymeru a rozpouštědla. Každá z těchto metod má své výhody a umožňuje připravovat jiné spektrum pěn lišících se nejen velikostí bublin, ale také jejich prostorou strukturou.
Doktorandka Andra Nistor uvádí: „Podařilo se nám připravit vzorky pěn s až o dva řády menšími bublinami než v komerčních pěnách a tím se přiblížit k žádaným nanocelulárním pěnám.“ Pro představu, komerční polystyrenové pěny (Obr. 2) mají v sobě bubliny o průměru přibližně 100 mikrometrů, což je průměrná tloušťka lidského vlasu. Díky současně vyvinutým počítačovým simulacím jsou vědci schopni pěnové struktury také předpovídat a připravovat nové unikátní struktury (Obr. 3, 4), které otevírají inovativní možnosti využití pěn. Vnitřní struktura pěn totiž výrazně ovlivňuje jejich mechanické i tepelné vlastnosti.
V rámci evropského projektu MoDeNa a jeho navazujícím projektu se vědci a studenti podílejí na vývoji softwaru pro propojování výpočetních nástrojů. Doktorand Pavel Ferkl zdůrazňuje: „Proces vypěňování je poměrně složitý proces, který vyžaduje popsat chemické reakce, fyzikální vlastnosti látek, tok tekutin a mnoho dalšího. V současnosti sice existuje řada nástrojů, jak tyto jevy matematicky popsat, ale je k tomu také třeba řada odborníků, kteří se vyznají v širokém spektru matematických modelů. Cílem námi vyvíjeného softwaru je zpřístupnit tyto sofistikované nástroje široké komunitě vědců a firmám, a tím jim napomoci při zlepšování tepelně izolačních vlastností vyráběných pěn.“
Výsledky výzkumu lze rozšířit i do dalších aplikačních oblastí
Pěny se využívají nejen jako tepelné izolanty, ale také jako zvukově izolační materiály, matrace, polstrování, interiér v autech, podrážky sportovních bot apod. To vytváří potenciál využití výsledků výzkumu i v těchto oblastech.
Více o aktivitách výzkumných laboratoří vedených profesorem Jurajem Koskem najdete na www.kosekgroup.cz.
Seznam použitých obrázků:
Obr. 1 - Ukázka snížení tepelných ztrát po zateplení budovy komerční tepelnou izolací podložené snímky z termovizní kamery. Zdroj: By Passivhaus Institut - Copied to Commons from http://en.wikipedia.org. Original source Passivhaus Institut, Germany – http://www.passiv.de, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1256683
Obr. 2 - Snímek komerční polystyrenové pěny s uzavřenými bublinami z elektronového mikroskopu
Obr. 3 - Unikátní mikrocelulární polystyrenová pěna s otevřenými bublinami
Obr. 4 - Předpovězená 3D struktura mikrocelulární polystyrenové pěny získané pomocí počítačové simulace
