Je známych mnoho typov izolácií nielen z hľadiska funkcie a použitia, ale tiež materiálov a ich štruktúry. Základné rozlíšenie izolačných materiálov je na tepelné izolácie a hydroizolácie. Do týchto dvoch skupín potom môžeme zaradiť aj špeciálne izolácie akustické či izolácie proti radónu, ďalším plynom a podobne. Pretože ide o širokú tému, budeme sa v tomto článku venovať iba tepelným izoláciám.
Základné rozdelenie
Medzi najstaršie tepelné izolácie patria istotne prírodné materiály, teda seno, lišajníky či slama. V polovine 60. rokov minulého storočia sa začali vo väčšej miere objavovať plasty, ktoré sa široko uplatnili predovšetkým v izoláciách spodných častí budov, dnes samozrejme patria aj medzi najpoužívanejšie tepelné izolácie.
Hlavnou úlohou tepelných izolácií je vytvoriť bariéru, ktorá zabráni vniknutiu či úniku tepla a to všetkými časťami stavby, teda stenami, podlahami, stropmi či strechami. Aby priniesli očakávaný efekt a dobre fungovali, je potrebné vybrať správny typ, nešetriť, ale tiež zbytočne neplytvať a predovšetkým dbať na presné a starostlivé prevedenie. Účelom tepelných izolácií je udržať v dome teplo, na druhej strane ich prostredníctvom bránime tiež prehrievaniu interiéru v letnom období. Všeobecne majú tepelné izolácie nízky stupeň tepelnej vodivosti, 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
Ide o produkt polymerácie styrénu, ktorý je následne speňovaný a narezaný do blokov, potrebné je pridanie retardérov horenia pre zaistenie samozhášavosti materiálu. Súčiniteľ tepelnej vodivosti expandovaného polystyrénu sa pre typ EPS 100 pohybuje od λ = 0,037 W/(m·K). Číslo typu značí pevnosť v tlaku v kPa, EPS sa vyrába v hodnotách 50 až 250 kPa. Pri aplikácii sa kotví buď iba lepením, alebo lepením a mechanicky. Vhodné je použiť viac vrstiev kladených na väzbu pre elimináciu líniových tepelných mostov na styku s konštrukciou. Polystyrén je možné použiť aj ako kročajovú izoláciu, nie je možné ho však dlhodobo vystaviť vlhku. Medzi výhody patrí nízka cena.
Zatiaľ najnovším typom EPS je šedý polystyrén Neopor®, ďalšie značky toho istého materiálu sú NeoFloor, GreyWall alebo Lambdapor®. Ide 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. Pre príklad – aby sme tejto hodnoty dosiahli u klasickej varianty EPS, potrebovali by sme materiál s objemovou hmotnosťou aspoň 32 kg /m3. Výborných vlastností bolo dosiahnuté prídavkom uhlíkových nanočastíc do polystyrénu pred vypenením, ktoré spôsobili šedé zafarbenie, ale hlavne obmedzili sálavú zložku šírenia tepla penou a tým viedli k lepšej hodnote súčiniteľa tepelnej vodivosti.
Extrudovaný polystyrén
Tento druh polystyrénu, označený tiež XPS, je dodávaný najčastejšie vo forme dosiek s polodrážkou, alebo hranou, využívaný je hlavne pre izoláciu sokla, ďalej pri izolovaní základových dosiek alebo v skladbe striech s obráteným poradím vrstiev. Najznámejšie obchodné názvy tohto materiálu sú Styrodur, Styrofoam alebo Fibran ECO aj. Materiál má uzavreté 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
Najznámejší je takzvaný molitan, ale v stavebníctve sa používa skôr tvrdá polyuretanová pena s názvom PUR. Jedná sa o vysoko účinnú tepelnú izoláciu s veľmi nízkym súčiniteľom tepelnej vodivosti (λ << 0,025 W/(m·K)). Ide o vynikajúcu hodnotu, za ktorou stojí podstatné obmedzenie sálavej, teda infračervenej zložky šírenia tepla penou a vysoká hustota prestupových rozhraní medzi PUR a vzduchom, cez ktoré vedie teplo od teplého ku chladnému okraju izolácie. Štruktúrne je to vďaka veľmi malým vzduchovým pórom v pene a vyššej absorpcii tepelného infračerveného žiarenia polyuretánom. Materiál v konkrétnych aplikáciách môže byť vybavený vďaka veľmi malým vzduchovým pórom v pene a vyššej absorpcii tepelného infračerveného žiarenia polyuretánom. Materiál v konkrétnych aplikáciách môže byť vybavený Al-fólií (napr. produktom firmy BACHL na obr. 2) alebo minerálnym rúnom, prípadne je kombinovaný s EPS. Je potrebné ho chrániť pred UV žiarením.
Penové sklo
Unikátne vlastnosti ponúka penové sklo známe najviac pod značnou FOAMGLAS. Vyrába sa zo špeciálneho hlinitosilikátového skla, rozomletého na prášok a zmiešaného s veľmi jemným uhlíkovým prachom. Zmes je v oceľových formách v tunelovej peci zohriata na cca 1000 °C. Pri tomto procese je sklo roztavené, súčasne dochádza k oxidácii uhlíka na plyn CO2, ktorý následne vytvorí z taveniny penu a zvýši jej objem. Konečný rozmer sa ustáli až po ochladení na obvyklú teplotu okolo 20 °C. Nový materiál obsahuje drobné uzavreté 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 pre prerušenie tepelného mostu, napríklad pri pate nosných stien. Ďalšou aplikáciou sú izolácie podláh alebo pojazdných a pochôdzich striech s veľmi vysokým tlakovým namáhaním v priemyselných prevádzkach, občianskych stavbách, obchodných domoch a podobne. Širokému použitiu bráni vysoká 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 prieniku tepla totiž významne podieľa vzduch. Samotný materiál, tzn. tuhá časť peny alebo minerálne či rastlinné vlákna, sú 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). Oveľa lepších hodnôt je možné docieliť, ak je z izolačného materiálu odčerpaný vzduch, čím je potlačený dominantný vplyv tepelnej vodivosti plynu. Výrobcovia dosahujú až 99.999999 % vákua a tým tepelného odporu 250 m2K/W pre ľubovoľnú hrúbku. Panel vákuovej izolácie je možné zjednodušene prirovnať k vrecku mletej vákuovanej kávy.
Vákuové izolačné panely (označované skratkou VIP) však obsahujú ako výplň namiesto kávy tuhú sieťovú štruktúru zloženú z klastrov (zhlukov) častíc oxidu kremičitého (SiO2) nanometrických rozmerov viď obr. 4. Ďalšou dôležitou súčasťou VIP je vzduchotesný a mechanicky tuhý obal, ktorý umožní úplné a trvalé odčerpanie vzduchu z výplne SiO2 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 porózna a zároveň tuhá výplň panelov VIP prešla sústredeným vývojom. Presadila sa hmota nazývaná pyrogénna kyselina kremičitá, čo je vysoko jemne dispergovaný oxid kremičitý, ktorý vzniká plamennou hydrolýzou tetrachlórsilánu 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 dvoma zrážkami) je pri atmosférickom tlaku tiež okolo 70 nm. Vedenie tepla vo vzduchu sa totiž deje hlavne vzájomnými zrážkami molekúl vzduchu, pri ktorej si tieto vymieňajú energiu (presnejšie kvantá vibračnej energie – fonóny), a tým – ako súčasť veľkého štatistického súboru všetkých molekúl vzduchu – vedú teplo. Lenže veľká časť z nich zostane izolovaná v bunkách nanoporóznej siete SiO2a s voľnými si môže vymieňať energiu s len malou štatistickou pravdepodobnosťou. To sa makroskopicky prejaví v zníženej tepelnej vodivosti. Aj pri normálnom tlaku tak nanoporózna sieť SiO2 vykazuje lepšiu tepelnú vodivosť, ako bežná výplň.
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 za nízkeho tlaku uviaznu v bunkách nanoporóznej siete s rozmermi pórov 70 nm, majú štatisticky malú pravdepodobnosť zrážky s inou molekulou. Tým ešte viac klesne tepelná vodivosť výplne a to je základom extrémne nízkej vodivosti vákuových izolácií.
Tento model bol zdokonalený ešte tým, že do nanometrickej siete pyrogénnej kyseliny kremičitej boli vsunuté absorbéry tepelného žiarenia, podobne ako v prípade Neoporu®, ktorý sme spomenuli vyššie. Okrem potlačenia vedenia tepla vzduchom tým bola navyše eliminovaná aj zložka šírenia tepla sálaním. Sálavú zložku významne eliminuje tiež tepelne reflexná hliníková obálka, ako ďalej popíšeme.
Výrobcovia vákuovej izolácie venujú vysokú pozornosť tiež obalu vákuových izolácií. Ten musí byť dostatočne pevný a zároveň nepriedušný. Ako najvhodnejší sa ukázal plast (napr. PE, PUR), ktorý rieši pevnosť a tuhosť, pokovaný 30 mikrometrov hrubou vrstvou hliníku, ktorá zaručí vysokú a trvalú nepriedušnosť. Hliník navyše odráža tepelné žiarenie a tým pôsobí aj ako aktívny prvok tepelnej izolácie vákuových izolačných panelov. To je hlavne u výplne z nanometrických častíc dôležité, pretože tepelné žiarenie s typickou dĺžkou vlny nad 10 mikrometrov s takto jemnou sieťou (s vláknami pod 1 mikrometer) takmer neintegruje a voľne ňou prechádza. (Elektromagnetické vlny sa odrážajú a rozptyľujú na časticiach väčších, než je dĺžka vlny). Okrem vnútornej strany výrobcovia vybavujú pokovaním aj vonkajšiu stranu vákuových izolácií, viď ukážka priemyselne vyrobeného panelu VIP na obr. 5. Práca s touto izoláciou vrátane navrhovania má odlišné pravidlá. Tomu sa budeme venovať v niektorom ďalšom článku. Najvýznamnejšie, a tiež neobvyklé je,že tepelný odpor tejto izolácie takmer nezávisí na jej hrúbke. To jednoznačne svedčí o tom, že v izolácii bola potlačená tepelná vodivosť daná štatistickým pohybom a vibráciami hmotných častíc, tj. molekúl plynov alebo atómov v kryštálových mrežiach alebo molekulárnych reťazcoch, a dominuje prienik tepla sálaním. Inými slovami, materiál je priezračný pre tepelné žiarenie a tok tepla skrz neho môže byť jednoducho popísaný ako zdielanie sálavého tepla medzi rovnobežnými doskami; žiarivý tepelný tok tu prekonáva zdanlivý odpor, ktorý nezávisí na vzdialenosti dosiek, teda na hrúbke izolácie.
Súčiniteľ tepelnej vodivosti najlepších vákuových panelov dosahuje hodnoty λ = 0,004 až λ = 0,005 W/(m.K). Odporúča sa uvažovať s vyššou hodnotou s ohľadom na starnutie materiálu, tedaλ = 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 tohoto materiálu najviac rozvinula nemecká firma Wacker Chemie, najväčší výrobcovia va-Q-tec AG, Porextherm Dämmstoffe GmbH, VARIOTEC GmbH & Co. KG, Vaku-Isotherm GmbH, Microtherm a ďalší.
Viacvrstvové reflexné izolácie
Prestup tepla medzi dvoma vrstvami (fóliami) pevnej látky oddelenými tenkou vrstvou vzduchu je popísaný vodivosťou vzduchu a tzv. prestupovými odpormi medzi pevnou látkou a vzduchom. Prestupové odpory majú sálavú vodivostnú zložku, ktorá nezávisí na vzdialenosti dosiek. Typická hodnota odporu pri prestupe tepla sálaním medzi dvoma pevnými vrstvami oddelenými vzduchom je 0,5 m2K/W. Paralelne k nej sú dva prestupy pri vedení tepla na každom z obidvoch rozhraní vzduch-fólia s odporom 0,18 m2K/W. Celkový odpor je 0,5×(0,18+0,18)/(0,5+0,18+0,18) = 0,21 m2K/W. Ak sa nám podarí vmestiť do hrúbky 3 cm napr. 10 takých vzduchových medzier oddelených 11 fóliami, bude potom odpor 2,1 m2K/W pri hrúbke vrstevnatej sústavy 0,03 m, čo zodpovedá hodnote súčiniteľa tepelnej vodivosti zostavy λ = 0,03/2,1 = 0,014 W/(m·K). Ak vložíme teraz do vrstevnatej zostavy namiesto obyčajných fólií tepelno-reflexné hliníkové fólie s vysokou odrazivosťou, typicky 90 %, čo zodpovedá emisivite 0,1, zvýšime odpor pri prestupe tepla sálaním z 0,5 na 3,33 m2K/W. Pri našich 10 vzduchových medzerách bude pri hrúbke 3 cm potom λ = 0,009 W/(m·K), pri započítaní odporu vzduchu, ktorý je v sérii s odpormi pri prestupe tepla vedením a ktorý sme zatiaľ považovali za nulový, je λ = 0,007 W/(m·K).
Popísali sme princíp viacvrstvových reflexných fólií, ktorý spočíva v tom, že prestupujúcemu teplu postavíme do cesty veľké množstvo prestupových rozhraní fólia-vzduch, ktorých prestupový tepelný odpor zvýšime vysokou tepelnou odrazivosťou hliníkovej fólie.
V praxi sa vzduchové medzery riešia napr. bublinovou fóliou v obalu z vysokohustotného polyethylénu (HDPE). Príkladom môže byť 3 cm hrubá fólia Lu..po.Therm B2+8 zložená z 8 bublinových fólií, ktoré sú po dvojiciach oddelené piatimi hliníkovými fóliami vrátane dvoch krajových. Táto zostava má experimentom (vykonaným na troch rôznych stavbách) nameraný súčiniteľ tepelnej vodivosti λ = 0,006 W/m·K. Viac informácií nájde čitateľ v článku Vícevrstvá tepelná izolace s reflexními fóliemi.
Nerastné materiály
Minerálna vlna
Pomer ceny, vlastností a výsledného efektu zaraďuje minerálnu vlnu medzi najpoužívanejšie tepelné izolácie. Vyrába sa tavením hornín, najčastejšie ide o čadič alebo kremeň, podľa východiskových surovín sa potom jedná o kamennú alebo sklenú vlnu. Kamenná vlna vzniká tavením čadiča. Do jemných vlákien sú vstrekované spojivá hydrofobizačné oleje, protiplesňové prísady a podobne. Po tepelnom vytvrdnutí a ochladení je materiál narezaný na potrebné rozmery, dodáva sa v rolkách alebo doskách. Vďaka čadiču má kamenná vlna vysoký bod tavenia, odoláva preto ohni. Nemala by však byť dlhodobo vystavovaná vlhku. Podobne je vyrábaná aj sklená vlna, vďaka príbuznosti východiskového materiálu ma tiež podobné vlastnosti, ako vlna kamenná. 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 obvodovej stene môže odparovať von. Vďaka tejto vlastnosti sa minerálna vlna často úspešne používa v difúzne otvorených konštrukciách alebo pri dvojpláštových stenách. 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 kvalitná. Z vlákien tejto rastliny sú vyrábané konštrukčné dosky aj tepelno-izolačné materiály vo forme dosiek či rúna. Pre izoláciu ťažko prístupových 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 ani napadnutie škodcami alebo 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 letných mesiacoch neprehrievajú, účinkujú súčasne ako tepelno-akumulačný materiál, sú paropriepustné, v konštrukcii navyše fungujú ako pijavý papier – vlhkosť pohltia a rozšíria bez toho, aby boli mokré.
Celulóza
Celulózové tepelno-izolačné materiály sa vyrábajú z recyklovaného novinového papiera, základnou surovinou je tu teda v prvopočiatku drevo. Roztrhaný novinový papier je zmiešaný s prísadami, spravidla bóritanmi, ktoré zaisťujú jeho odolnosť proti škodcom, plesniam, hnilobe 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 podobne. Izolácia je aplikovaná fúkaním, je ňou možné vyplniť akékoľvek, aj ťažko dostupné dutiny.
Pri použití tohto materiálu je potrebné počítať s takzvaným „sadaním”, pri aplikácii 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 pijavý papier, to znamená, že na seba naviaže vlhkosť z muriva a rovnomerne ju predá 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 najbežnejších 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 tehiel, prípadne hlinených omietok, ako strešná krytina, tepelná izolácia, prípadne aj súčasť nábytku.
V konkrétnej stavbe môže byť slama použitá ako nosný konštrukčný materiál alebo 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, slamenú izoláciu je preto potrebné pred ňou dobre chrániť, napríklad omietkou alebo obkladom. Súčiniteľ tepelnej vodivosti slamených izolácií je približne 0,1 W/(m.K).
