Сотканный из воздуха: как аэрогель меняет строительный рынок

Невероятно легкое вещество, которое на 99,8 % состоит из воздуха, обеспечивает теплоизоляцию лучше, чем у любого другого материала, и выдерживает пламя температурой до 1300 градусов. Звучит фантастически и футуристически? Тем не менее это вполне реальный материал с почти столетней историей и богатым будущим.

Удачный спор

Как многое хорошее в нашем мире – аэрогель появился в результате азарта: американский химик Сэмюэл Кистлер, преподаватель Тихоокеанского колледжа в Стоктоне, Калифорния, поспорил, что можно создать такой гель (с точки зрения физики гель — это вещество, где один компонент создает трехмерный каркас, а другой заполняет пустоты в этой структуре), в котором жидкий компонент (именно он заполняет пустоты) был бы полностью замещен газом, и при этом сам гель не получил бы усадки из-за этого.

По всей видимости, интересоваться этим вопросом Кистлер начал еще в 1920-е, и к 1931 году при поддержке своего студента Чарльза Ленарда он все-таки добился зауманного: в журнале Nature вышла статья Coherent Expanded Aerogels and Jellies, в которой описывался принцип получения и условия существования нового вещества. Ученый заменил жидкость в желе на метанол, а потом довел температуру до 240°C в герметичной камере под давлением. Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь. Так возникло то, что впоследствии получило название «аэрогель», известный как «замороженный дым» или «голубой дым» из-за своего удивительного полупрозрачного вида и цвета.

Как следует из названия, это аэрогель -  вещество, на 99,8% состоящее из воздуха, что объясняет чрезвычайную легкость материала: он в три раза плотнее воздуха, но в тысячу раз менее плотный, чем обычное стекло. Благодаря своей химической структуре аэрогели обладают очень высокой прочностью: они способны выдерживать вес, более чем в тысячу раз превышающий их собственный. 

Области применения

Долгое время необычный материал не находил широкого применения, не в последнюю очередь из-за своей хрупкости. Только с развитием космической индустрии, тяжелого машиностроения, энергетики и высокотехнологичного строительства аэрогели становятся все более востребованы.

Разные свойства материала применяются в разных областях. Например, аэрогель очень гигроскопичен. Пористая структура притягивает частицы воды при ее избыточном количестве и отдает — при недостатке. Всем известна вариация аэрогеля — силикагель (silica gel), который широко применяется для эффективного поглощения влаги. Аэрогели могут впитывать в 25 раз больше собственной массы и делать это довольно быстро. Это свойство идеально подходит для музеев, в которых особенно важно следить за уровнем влажности. Неслучайно, не так давно обсуждался проект по созданию специальной рамы для «Джоконды» Леонардо да Винчи, в состав которой планируется добавить аэрогель для регуляции влаги.

Идеальная теплоизоляция

И все-таки основная особенность аэрогелей – их уникальные теплоизолирующие свойства. Ширина пор аэрогеля меньше, чем расстояние, которое молекулы воздуха проходят в среднем перед столкновением с чем-либо. По сути, молекулам горячего воздуха слишком трудно распространяться сквозь такие отверстия. Это называется эффектом Кнудсена.

Эта особенность делает кварцевые аэрогели отличным теплоизоляционным материалом. Температура плавления аэрогеля составляет 1300 градусов: материал толщиной всего в 25 мм способен надежно защитить руку от открытого огня паяльной лампы. Его можно использовать в качестве суперизолирующего материала в специальной одежде, например для пожарных, в качестве теплозащиты в самолетах и капсулах. НАСА уже десятилетиями применяет аэрогель на марсоходах для защиты своей электроники.

В то же время, аэрогелевые покрытия можно комбинировать с другими материалами, чтобы значительно улучшить их свойства, повысить долговечность и производительность.

Строительные материалы на основе аэрогелей

Однако в чистом виде кварцевые аэрогели мало востребованы из-за их хрупкости и дороговизны.

В основном материал превращают в порошок и наносят его на холсты и маты из полиэстерового, карбонового, стеклянного или керамического волокна. С покрытием из аэрогеля эти материалы приобретают новые, уникальные свойства. Волокнистые материалы сохраняют свои свойства, при этом коэффициент теплопроводности уменьшается примерно в два раза. Это дает возможность, в несколько раз, уменьшить толщину теплоизоляции, не теряя при этом заданных параметров. 

Теплоизоляционные материалы на основе аэрогеля выпускает российская компания «Кералайт». Ее главный продукт «Аэроконтур»: негорючая теплоизоляционная плита, которая формуется путем добавления порошка аэрогеля и других наполнителей в сочетании с небольшим количеством частиц полистирола, цемента и полимерных волокон. Теплопроводность материала достигает 0,042-0,048 вт/(м-к), что лучше показателей теплопроводности минеральной ваты. Плита не горит и при нагревании не выделяет вредных веществ. Ее можно использовать для изоляции стены, крыши здания, для производства различных типов металлических «сэндвич» панелей. Кроме того, она служит прекрасной звукоизоляцией: способность «Аэроконтура» поглощать шумы — в 5-7 раз выше, чем у обычного бетона, до 60 Дб (плита 140 мм). Срок службы материала — более 50 лет, что соответствует сроку службы большинства зданий.

В планах компании запуск в производство войлока и штукатурки с аэрогелем.

Аэрогель действительно уникальный материал, который буквально «в воде не тонет и в огне не горит», внесен в книгу Рекордов Гинесса по 15 показателям, и при этом вполне доступен для использования в самых разных материалах и сочетаниях. То, что раньше казалось «просто космос», входит в нашу жизнь, уверенно делая ее комфортне... и теплее.

Реклама. ООО «Кералайт».