Je známych veľa typov izolácií nielen z hľadiska funkcie a použitia, ale tiež materiálov a ich štruktúry. Základné rozlíšenie izolačných materiálov je na tepelné izolácie a hydroizolácie. Ďalej je možné rozlišovať špeciálne izolácie akustické či izolácie proti radónu, ďalším plynom a podobne. Pretože sa jedná o skutočne obsiahlu tému, budeme sa v tomto článku venovať iba tepelným izoláciám.
Základné rozdelenie
Medzi najstaršie tepelné izolácie patria prírodné materiály, teda seno, lišajníky či slama. Špecifickou, ale veľmi účinnou tepelnou izoláciou bola aj vrstva snehu na strechách. Pozastavme sa ale pri tých, ktoré umelo vytvára človek. V polovici 60. rokov minulého storočia sa začali vo väčšej miere objavovať plasty, ktoré sa uplatnili predovšetkým v izoláciách spodných častí budov, dnes však patria aj medzi najpoužívanejšie tepelné izolácie. Hlavnou úlohou tepelných izolácií je vytvoriť bariéru, ktorá bráni vniknutiu či úniku tepla stenami, podlahami, stropmi či strechami. Aby priniesli očakávaný efekt a dobre fungovali, je potrebné vybrať správny typ a dbať na presné a starostlivé prevedenie. Tepelné izolácie majú nielen udržať teplo v dome, ale tiež zabrániť prehrievaniu interiéru v letnom období.
Tepelné izolácie majú všeobecne nízky stupeň tepelnej vodivosti a niekedy môžu fungovať aj ako izolácie akustické. Materiálovo je možné tepelné izolácie rozdeliť na penové materiály, minerálne vláknité materiály a rastlinné materiály.
Penové materiály
Medzi penové tepelno-izolačné materiály patria polymérne peny – polystyrény, polyuretány, PVC, PE, kaučuk, ďalej penové sklo či živica. Asi najbežnejším materiálom je expandovaný (penový) polystyrén (EPS).
Penový polystyrén, EPS
Jedná sa o produkt polymerácie styrénu, ktorý je následne speňovaný a narezaný do blokov. Nevyhnutné je pridanie retardérov horenia na zabezpečenie samozhášavosti materiálu. Súčiniteľ tepelnej vodivosti expandovaného polystyrénu sa pre typ EPS 100 pohybuje od λ = 0,037 W/(m•K). Číslo "100" reprezentuje pevnosť v tlaku v kPa. EPS sa vyrába v hodnotách 50 až 250 kPa. Pri aplikácii sa dosky EPS kotvia lepením v kombinácií s kotvením hmoždinkami. Polystyrén je možné použiť aj ako kročajovú izoláciu, nie je možné ho však dlhodobo vystaviť vlhku. Medzi výhody patrí aj nízka cena.
Zatiaľ najnovším typom EPS je šedý polystyrén, ktorý uzrel svetlo sveta ako Neopor®. Ďalšie značky toho istého materiálu sú NeoFloor, GreyWall alebo Lambdapor®. Jedná sa o novú generáciu EPS, ktorá sa od bežného expandovaného polystyrénu líši nielen vzhľadom, ale predovšetkým tepelno-izolačnými vlastnosťami. Šedý penový polystyrén s objemovou hmotnosťou 15 kg/m3 má súčiniteľ tepelnej vodivosti 0,032 W/(m•K). Pri porovnateľnej hrúbke má o 15–20 % lepší izolačný účinok. Napríklad – aby sme túto hodnotu dosiahli pri klasickom variante EPS, potrebovali by sme materiál s objemovou hmotnosťou aspoň 32 kg/m3. Výborné vlastnosti sa dosiahli prídavkom uhlíkových nanočastíc do polystyrénu pred vypenením, ktoré spôsobili šedé sfarbenie. Hlavne ale obmedzili prechod tepla sálaním, ktoré v pene účinkuje a tým viedli k lepšej hodnote súčiniteľa tepelnej vodivosti.
Extrudovaný polystyrén
Tento druh polystyrénu, značený tiež XPS, je dodávaný najčastejšie vo forme dosiek s polodrážkou alebo hranou, využívaný je hlavne na izoláciu soklu, ďalej pri izolovaní základových dosiek alebo v skladbe striech s otočeným poradím vrstiev. Najznámejšie obchodné názvy tohto materiálu sú Styrodur, Styrofoam alebo Fibran ECO a iné. Materiál má uzatvorené póry, je preto nenasiakavý a je možné ho použiť vo vlhkom prostredí, kde pôsobí ako tepelná izolácia a tiež ako účinná súčasť hydroizolácie. Je veľmi pevný, na druhej strane je potrebné ho chrániť pred UV žiarením. Dôležitou súčasťou sú aj v tomto prípade spomaľovače horenia.
Penový polyuretán PUR a polyizokyanurát PIR
Najznámejší je takzvaný molitan, ale v stavebníctve sa používa skôr tvrdá polyuretánová pena s názvom PUR, novšie tiež polyizokyanurátová pena PIR. Jedná sa o vysoko účinnú tepelnú izoláciu s veľmi nízkym súčiniteľom tepelnej vodivosti, ktorý dosahuje hodnoty až λ = 0,023 W/(m•K). Jedná sa o vynikajúcu hodnotu, za ktorou stojí podstatné obmedzenie sálavej, teda infračervenej zložky šírenia tepla penou, veľmi jemná štruktúra pórov a vysoká hodnota prechodových rozhraní medzi tuhou fázou PUR/PIR a vzduchom, cez ktoré sa deje difúzny (tzn. nesálavý) prechod tepla. Materiál v konkrétnych aplikáciách býva vybavený Al-fólií (napr. produkt firmy BACHL na obr. 2, Linzmeier alebo Bramac). Peny PUR a PIR je potrebné chrániť pred UV žiarením.
Penové sklo
Zaujímavé možnosti nám ponúka penové sklo známe tiež ako FOAMGLAS. Vyrába sa zo špeciálneho hlinitosilikátového skla, rozomletého na prášok a zmiešaného s veľmi jemným uhlíkovým práškom. Zmes je v oceľových formách v tunelovej peci zahriata na cca 1000 °C. Pri tomto procese je sklo roztavené, súčasne dochádza k oxidácií uhlíku na plyn CO2, ktorý následne vytvorí z taveniny penu a zvýšia jej objem. Konečný rozmer sa ustáli až po schladení na zvyčajnú teplotu okolo 20 °C. Nový materiál obsahuje drobné uzatvorené bublinky, vďaka tejto štruktúre je hmota celkom nehorľavá a parotesná. Foamglas sa využíva predovšetkým v energeticky úsporných či pasívnych domoch pre izoláciu spodnej stavby a na prerušenie tepelného mostu, napríklad u päty nosných stien. Ďalšou aplikáciou sú izolácie podláh alebo pojazdných a pochôdzich striech s veľmi vysokým tlakovým namáhaním v priemyselných prevádzkach, občianskych stavbách, obchodných domoch apod. Širokému využitiu bráni však vyššia cena. Súčiniteľ tepelnej vodivosti penového skla je 0,04 až 0,048 W/(m•K).
Vákuová izolácia
Princíp tejto izolácie je zdanlivo jednoduchý. Vo väčšine tepelných izolácií sa na celkovom prestupe tepla totiž významne podieľa vzduch. Materiál sám, tzn. tuhá časť peny alebo minerálne či rastlinné vlákna, je dobrou tepelnou izoláciou, ale v kombinácii so vzduchom, ktorý zaberá väčšinu objemu izolácie, sú hodnoty vodivosti nakoniec blízke vzduchu – približne 0,03 W/(m•K). Lepších hodnôt je možné dosiahnuť, keď z izolačného materiálu odčerpáme vzduch, čím je potlačený dominantný vplyv tepelnej vodivosti plynu. Výrobcovia docieľujú až 99.999999 % vákua a tým tepelného odporu 250 m2K/W pre ľubovoľnú hrúbku. Panel vákuovej izolácie je možné zjednodušenej prirovnať k vrecku mletej vákuovanej kávy.
Vákuové izolačné panely (označované skratkou VIP) však obsahujú ako výplň tuhú sieťovanú štruktúru zloženú z klastrov (zhlukov) častíc oxidu kremičitého (SiO2) nanometrických rozmerov viď obr. vyššie. Táto priestorová, veľmi jemná sieť je známa pod názvom aerogel. Ďalšou dôležitou súčasťou VIP je vzduchotesný a mechanický tuhý obal s vysokou termoreflexiou (a takmer nulovou emisivitou). Ten umožní úplné a trvalé odčerpanie vzduchu z výplne SiO2, ďalej trvalé takmer úplné odtienenie sálavej zložky zdieľania tepla a takisto aj bezporuchovú manipuláciu s panelmi pri výstavbe. Panely VIP sa vyrábajú v rozmeroch stavebných izolačných dosiek, ich hrúbka je malá, od 2 do 8 cm. Dosahujú súčiniteľa tepelnej vodivosti od λ = 0,004 W/(m.K), čo je desatina návrhovej hodnoty bežných izolácií.
Vysoko a jemne pórezna a zároveň tuhá výplň panelov VIP, známa aj pod názvom aerogel (alebo tiež stuhnutý dym) prešla sústredeným vývojom. Presadila sa hmota nazývaná pyrogénna kyselina kremičitá, čo je veľmi jemne dispergovaný oxid kremičitý, ktorý vzniká plamennou hydrolýzou tetrachlorsilanu pri vysokých teplotách do 1500 °C. Hmota má veľmi jemnú mikroštruktúru pripomínajúcu priestorovú sieť s okami v strednej veľkosti asi 70 nm (nanometrov).
Výhoda tejto štruktúry vyplynie, keď si uvedomíme, že stredná voľná dráha molekúl vzduchu (medzi dvomi zrážkami) je pri atmosférickom tlaku tiež okolo 70 nm. Vedenie tepla vo vzduchu sa totiž deje hlavne vzájomnými zrážkami molekúl vzduchu, pri ktorom si tieto vymieňajú energiu (presnejšie kvantá vibračnej energie ) a tým – ako súčasť veľkého štatistického súboru všetkých molekúl vzduchu – vedú teplo. Lenže veľká časť z nich zostane izolovaná v bunkách nanoporéznej siete SiO2 a s voľnými si môže vymieňať energiu s len malou štatistickou pravdepodobnosťou.
Aerogelové izolácie - výzva budúcnosti
To sa makroskopicky prejaví v zníženej tepelnej vodivosti aj normálnom tlaku. Konkrétne nanoporézna sieť SiO2, alebo aerogel aplikovaný ako nevakuovaná, tzn. bežná vzdušná izolácia, dosahuje hodnôt λ až 0,016 W/(mK), u uhlíkatých aerogélov len 0,012 W/(mK)! To je veľká výzva aj pre technológiu vzdušných izolácií. Pri nižšom tlaku klesne hustota molekúl vzduchu, množstvo zrážok a naopak vzrastie stredná voľná dráha vysoko nad 70 nm. To samé o sebe zníži vodivosť výplne. Avšak molekuly, ktoré počas nízkeho tlaku uviaznu v bunkách nanoporéznej siete s rozmermi pórov 70 nm, majú štatisticky mizivú pravdepodobnosť zrážky s inou molekulou. Tým ešte viac klesne tepelná vodivosť výplne a síce až na úroveň λ = 0,004 W/(mK). To je základom extrémne nízkej vodivosti vákuových izolácií. Tento model bol zdokonalený ešte tým, že do nanometrickej siete pyrogénnej kyseliny kremičitej boli vpravené absorbéry tepelného žiarenia, podobne ako v prípade Neoporu®, ktorý sme spomenuli vyššie. Popri potlačení vedenia tepla vzduchom tým bola navyše eliminovaná aj zložka šírenia tepla sálaním. Sálavú zložku významne eliminuje tiež tepelno – reflexný hliníkový plášť.
Výrobcovia vákuovej izolácie venujú vysokú pozornosť tiež obalu vákuových izolácií. Ten musí byť dostatočne pevný a zároveň nepriepustný. Ako najvhodnejší sa ukázal plast (napr. PE, PUR), ktorý rieši pevnosť a tuhosť, pokovaný 30 mikrometrov hrubou vrstvou hliníku, ktorá zaručí vysokú a trvalú nepriepustnosť. Hliník navyše odráža tepelné žiarenie a tým pôsobí aj ako aktívny prvok tepelnej izolácie vákuových izolačných panelov. To je dôležité hlavne u výplne z nanometrických častíc, pretože tepelné žiarenie s typickou dĺžkou vlny nad 10 mikrometrov s takto jemnou sieťou (s vláknami pod 1 mikrometer) takmer neinteraguje a voľne ňou prechádza. (Elektromagnetické vlny sa odrážajú a rozptyľujú na časticiach väčších, než je dĺžka vlny). Okrem vnútornej strany výrobcovia vybavujú povrchovým pokovaním aj vonkajšiu stranu vákuových izolácií, viď ukážka priemyslovo vyrobeného panelu VIP na obr. 5.
Práca s touto izoláciou vrátane navrhovaní má odlišné pravidlá. Najvýznamnejšie, a tiež nezvyčajné je, že tepelný odpor tejto izolácie takmer nezávisí na jej hrúbke. To jednoznačne svedčí o tom, že v izolácií bola potlačená tepelná vodivosť daná štatistickým pohybom a vibráciami hmotných častíc, tj. molekúl plynov alebo atómov v kryštalických mriežkach alebo molekulárnych reťazcoch a dominuje prechod tepla sálaním. Aj ten je ale vďaka hliníkom pokovanému obalu aerogelovej izolácie silno obmedzený. Inými slovami, aj keď je materiál priezračný pre tepelné žiarenie, reflexné okraje dosky toto žiarenie odrážajú späť do aerogelovej izolácie, bez toho, aby energia žiarenia unikala do okolia izolácie. Tok tepla skrz izoláciu je možné tak jednoducho popísať ako zdieľanie sálavého tepla medzi rovnobežnými doskami s veľmi vysokou reflexiou (=nízkou emisivitou); energia tepelného žiarenia neuniká von (presnejšie: len veľmi málo) a relatívne obrovský tepelný odpor tejto izolácie nezávisí na vzdialenosti dosiek, tzn. hrúbke izolácie.
Súčiniteľ tepelnej vodivosti najlepších vákuových panelov dosahuje hodnoty λ = 0,004 až λ = 0,005 W/(m.K). Odporúča sa uvažovať o vyššej hodnote s ohľadom na starnutie materiálu, teda λ = 0,008 W/(m.K).
Kvôli veľmi vysokej cene zatiaľ u nás nachádzajú vákuové panely, oproti zahraničiu, uplatnenie predovšetkým pri riešení komplikovaných konštrukčných detailov a to v súvislosti s odstraňovaním tepelných mostov pomocou izolácie malej hrúbky. Výrobu tohto materiálu najviac rozvinula nemecká firma Wacker Chemie, najväčšími súčasnými výrobcami sú va-Q-tec AG, Porextherm Dämmstoffe GmbH, VARIOTEC GmbH & Co. KG, Vaku-Isotherm GmbH, Microtherm a ďalší.
Tepelná izolácia z nerastných materiálov
Minerálna vlna
Pomer ceny, vlastností a výsledného efektu radí minerálnu vlnu medzi najpoužívanejšie tepelné izolácie. Vyrába sa tavením horní, najčastejšie ide o čadič alebo kremeň, podľa východiskových surovín sa potom jedná o kamennú či sklenú vlnu. Kamenná vlna vzniká tavením čadiča, do jemných vlákien sú vstrekované spojivá, hydrofobizačné oleje, protiplesňové prísady a podobne. Po tepelnom vytvrdení a ochladení je materiál narezaný na potrebné rozmery, dodáva sa v rolkách alebo doskách. Vďaka čadiču má kamenná vlna vysoký bod nehorľavosti, odoláva preto ohňu. Nemala by však byť dlhodobo vystavovaná vlhku. Podobne je vyrábaná aj sklená vlna, vďaka príbuznosti východiskového materiálu má tiež podobné vlastnosti, ako kamenná vlna. Významnou prednosťou minerálnych tepelných izolácií je aj nízky difúzny odpor a tým vysoká paropriepustnosť, dom môže dýchať, čo konkrétne znamená, že sa hlavne prípadná skondenzovaná vlhkosť v obvodovom múre môže odparovať von. Vďaka tejto vlastnosti sa minerálna vlna často úspešne používa v difúzne otvorených konštrukciách alebo u dvojplášťových striech. Súčiniteľ tepelnej vodivosti tohto materiálu je od 0,035 W/(m.K).
Prírodné materiály
Konope
Konope patrí medzi veľmi využívané technické rastliny. Jeho najväčšou prednosťou je rýchla obnoviteľnosť – rastie oveľa rýchlejšie než drevo, navyše nevyžaduje žiadnu veľkú starostlivosť ani ošetrovanie chemickými látkami. Pri raste odbúrava CO2, pôda je po zbere stále kvalitná. Z vlákien tejto rastliny sú vyrábané konštrukčné dosky aj tepelno-izolačné materiály vo forme dosiek či rúna. Na izoláciu ťažko prístupných alebo nepravidelných miest je používaná konopná fúkaná sypká izolácia. Vďaka porovnateľným vlastnostiam (λ ≈ 0,04 W/(m.K)) môžu konopné materiály nahradiť minerálnu vlnu. Uchovávajú si dlhodobo svoje vlastnosti, sú pevné, odolné proti vlhkosti, nehrozí im ani napadnutie škodcami či hnilobou. Zaručujú zdravú mikroklímu a teda príjemné bývanie. Podobné vlastnosti, ale zatiaľ menšie rozšírenie, majú izolačné materiály z drevitých vlákien a technického ľanu. Všetky tieto výrobky je možné považovať za čisto ekologické, pretože pri ich výrobe nie sú používané žiadne lepidlá. Majú vysokú tepelnú kapacitu (c = 2100 J/(kg•K)), vďaka ktorej sa v horúcich mesiacoch neprehrievajú, účinkujú súčasne ako tepelno-akumulačný materiál, sú paropriepustné, v konštrukcii navyše fungujú ako sací papier – vlhkosť pohltia a rozšíria, bez toho, aby boli mokré.
Celulóza
Celulózové tepelno–izolačné materiály sa vyrábajú z recyklovaného novinového papiera, základnou surovinou je teda v prvopočiatku drevo. Roztrhaný novinový papier je zmiešaný s prísadami, spravidla bóritanmi, ktoré zabezpečujú jeho odolnosť proti škodcom, plesniam, hnilobám a ohňu. Potom je zmes rozomletá. V predajnej sieti je ponúkaná pod obchodnými názvami Climatizer či Isocell, v zahraničí častejšie ako Isofloc alebo Thermofloc, a pod. Izolácia je aplikovaná fúkaním, je možné ňou vyplniť akékoľvek, aj horšie dostupné dutiny.
Pri použití tohto materiálu je potrebné počítať s takzvaným „sadaním”, pri aplikácií je preto potrebné hmotu zhutniť a to predovšetkým v šikmých alebo zvislých častiach stavby. Celulózová izolácia sa rovnako ako ostatné prírodné materiály správa v konštrukcii ako sací papier, to znamená, že na seba naviaže vlhkosť z muriva a rovnomerne ju odovzdá ďalej. Tento typ izolácie je zatiaľ viac využívaný v zahraničí a to predovšetkým v drevostavbách a všeobecne v pasívnych domoch. Súčiniteľ tepelnej vodivosti je približne 0,039 W/(m.K).
Slama
Slama je jeden z najobvyklejších stavebných aj tepelno-izolačných materiálov našich predkov a jej obľuba v súčasnosti opäť rastie. A ku slovu prichádza zasa vo všetkých oblastiach – ako súčasť murovacích materiálov – nepálených tehál, prípadne hlinených omietok, ako strešná krytina, tepelná izolácia, prípadne aj súčasť nábytku. V konkrétnej stavbe môže byť slama použitá ako nosný konštrukčný materiál alebo ako doplnenie nosného systému. Prekvapivo má slamená izolácia v spojení s hlinenou omietkou vysokú požiarnu odolnosť, môže to byť až 90 minút, vyhovuje preto všetkým typom konštrukcií. Podstatnou nevýhodou je však nízka odolnosť proti vlhkosti, slamennú izoláciu je preto potrebné pred ňou dobre chrániť, napríklad omietkou či obkladom. Súčiniteľ tepelnej vodivosti slamených izolácií je približne 0,1 W/(m.K).
