A kerámia hőszigetelő bevonatok kapcsán rendszeresen felmerülő kérdések

A kerámia hőszigetelő bevonatok kapcsán rendszeresen felmerülő kérdés, hogy azok fizikai és egyéb tulajdonságai (hőszigetelő képesség, élettartam, stb.) hogyan hasonlíthatók össze a hagyományos hőszigetelő anyagok (az üveggyapot, a kőzetgyapot, vagy például a szilikát hőszigetelő anyagok) jellemzőivel. Az alábbiakban e kérdéskört járjuk körbe.
 
Hogyan működnek a hagyományos hőszigetelő anyagok?

Amikor egy ház homlokzatát, tetőszerkezetét, illetve egy tárolótartály, vagy egy ipari csővezeték külső felületét üveg-, vagy bazaltgyapot szigeteléssel látják el, a legtöbben úgy gondolják, hogy a hőszigetelést maga az üveg-, vagy bazaltgyapot végzi. Pedig ez nem így van. Ezeknél az anyagoknál a valódi hőszigetelést az üveg-, vagy bazaltgyapot szerkezetén belül - a szálak között - elhelyezkedő levegő adja, mely arra hivatott, hogy megakadályozza a hőnek a szigetelőanyagon való áthaladását. Ezen anyagok fő problémája pont az, hogy 90 %-ban levegő alkotja őket és egyik oldaluk sem zárt, így a szigetelőanyag belsejében található levegő könnyen kiáramolhat - illetve kicserélődhet (ezt nevezik az anyagon belüli konvekciós áramlásnak). A szigetelőanyagból kiáramló levegővel együtt azonban jelentős mennyiségű hő is elvész, lecsökkentve  ezzel  annak hatékonyságát.
Egy fokkal jobb a helyzet akkor, ha az előbb említett szálas szigetelőanyagok (üveg-, vagy bazaltgyapot) helyett, valamilyen részben-, vagy teljesen zárt cellákból álló szigetelőanyagot (polietilén, szintetikus kaucsuk, stb.) alkalmazunk. Ezek  az anyagok azért jobb hőszigetelők, mert  anyaguk sok apró buborékból (szakszerű nevén cellából) áll. A hőszigetelést itt is levegő végzi, de ez a levegő - mivel ezekben a zárt cellákban helyezkedik el - nem áramlik végig az anyagban. A hő átáramlása a hőszigetelő anyagon celláról - cellára, hőátadással történik.
A hagyományos hőszigetelő anyagok mindegyikére az jellemző, hogy nem rendelkeznek hővisszaverő képességgel, ezért a felületüket érő meleg behatol az anyagukba és azon lassabban, vagy  gyorsabban áthaladva, a másik oldalon távozik. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy  a meleggel a hőszigetelő anyag teljes térfogatát is folyamatosan fűtjük. Így a különféle hagyományos hőszigetelő anyagok hőszigetelő képessége csak abban különbözik egymástól, hogy melyik mennyire képes lelassítani a rajta keresztül történő hőáramlást.
A kialakult - és nemzetközileg is elfogadott - mérési standardoknak megfelelően, a hagyományos hőszigetelő anyagok hőszigetelési képességét, azaz hatékonyságát laboratóriumi körülmények közt 21 Celsius hőmérsékleten határozzák meg. A  szigetelőanyagok hőszigetelési tulajdonságát számszerűsítő "K" és "R" értékek egyrészt azt mutatják meg, hogy a hő milyen gyorsan hatol át az adott szigetelő anyagokon, azaz hogy a hőszigetelő anyag két oldalán tapasztalható valamekkora hőmérséklet különbség hatására, egy adott szigetelőanyag felületen mekkora hőmennyiség jut át ("K" érték), másrészt azt, hogy mekkora a hőszigetelő anyag hőfelvevő képesség változásával szembeni ellenállása. Mivel azonban a hőmérséklet emelkedésével a levegőmolekulák aktívabbá és mozgékonyabbá válnak, magasabb hőmérsékleten a hő a 21 Celsius-on mért értékekhez képest sokkal gyorsabban áthatol a hőszigetelő anyagokon. Ha a K és R értékek meghatározását magasabb hőmérsékleteken is elvégeznénk, akkor ahogy a hőmérséklet növekedne, úgy a standard vizsgálatokkal egyre rosszabb és rosszabb K és R értékeket kapnánk.
Az üveg- és bazaltgyapot szigetelések tulajdonságaiból adódó másik hátrány, hogy a velük történő szigetelés nem nevezhető légmentesnek, illetve, hogy a nedvességet sem tudjuk a szigetelőanyagtól elzárni. A nedvesség könnyedén áthatol a szigetelőanyagon és ez a leszigetelt cső korróziójához vezet még akkor is, ha a cső felülete forró. Ráadásul a szálas hőszigetelő anyagok magukban is tartják a nedvességet. Kevésbé ismert, de fontos adat, hogy ha az üveggyapot nedvessége1,5 %-ot nő, akkor a hőszigetelő képessége máris 35 %-ot csökken.
És még valami: Vegyünk példaként egy olyan csövet, melynek  külső felülete 150 Celsius hőmérsékletű és tekerjük be 75 mm  vastagságú üveggyapottal! Ha az így leszigetelt cső üveggyapot burkolatának külső felületét megérintjük, az kézmeleg hőmérsékletű lesz, azaz jogosan mondhatnánk, hogy a szigetelés jól sikerült, a cső kellően szigetelt. De ez nincs így. Ugyanis, ha az üveggyapot szigetelést eltávolítjuk és a kezünket a szigeteletlen "kopasz'" csőtől a szigetelőanyag vastagságával megegyező (75 mm) távolságra tartjuk, akkor a tenyerünkön azt fogjuk érezni, hogy az, ebben az utóbbi esetben sem forró. Az üveggyapot szigetelés végül is csak azt a szerepet tölti be, hogy a kezünket 75 mm távolságra tartja a csőtől és így a cső hőveszteségét nem érezzük. Egy olyan anyag, ami 90 %-ban levegőből áll, nem tudja a cső felületén belül tartani a hőt. Így nem beszélhetünk hőszigetelésről, csupán egy biztonsági megoldásról, ami megakadályozza a cső által okozott égési sérüléseket, de a hő ugyanúgy távozik. A hőszigetelő anyagok csak annyival szigetelnek jobban a levegőnél, amennyivel az anyagukon áthaladó hő áramlását lassítják.
 
Kerámia reflexiós hőszigetelő festékek és hőszigetelő bevonatok

Az előző pontban ismertetett problémát felismerve a tudósok olyan anyagok után kezdtek kutatni, melyek a hőt nem engedik magukba, hanem már a felületük határán blokkolják (vagy blokkolják és visszaverik) azt. Így kerültek a figyelem középpontjába a különféle kerámia részecskék. Ezek különböző összetételű keveréke és különböző tulajdonságú hordozó anyagok alkotják az általunk forgalmazott hőszigetelő bevonatokat, melyeket több ezer kerámia- és több száz hordozó anyag közül, több mint 20 év kutatómunkájával fejlesztettek ki. E bevonatoknak két fő csoportja van. Az egyik a reflexiós hőszigetelő festékek, a másik pedig a különféle hőállóságú hőszigetelő bevonatok.

 Ceramic Magic Ball reflexiós hőszigetelő festék

Ezt az anyagot kifejezetten a napsugarak hőjének visszaverésére fejlesztették ki. Szerkezete négy különböző kerámia összetevőből épül fel, melyek mindegyike meghatározott mérettel, sűrűséggel és kristály struktúrával rendelkezik. A napfény 3 %-ban UV sugarakat, 40 %-ban rövidhullámú sugarakat és 57 %-ban infravörös sugarakat tartalmaz. Ebből a Ceramic Magic Ball bevonat az UV sugarak 97 %-át, a rövidhullámú sugarak 92 %-át és az infravörös sugarak 96 - 99 %-át veri vissza, így elmondható, hogy összességében e bevonat a Nap hősugarainak 95 %-át képes tartósan visszaverni.

A ceramic Magic Ball-lal bevont, szabadban lévő felület általában csak 3 - 5  oC -kal melegebb, mint a környezete. Ugyanakkor szeles időjárás esetén előfordulhat, hogy a kezelt felület hidegebb a környezet levegőjénél, mert a Ceramic Magic Ball által visszavert hőt a szél elfújja a felületről.

A ceramic Magic Ball-ról a hő visszaverődik, így biztosítva azt, hogy a vele kezelt, alatta lévő anyag hűvös marad. Reflexiós tulajdonságát akkor sem veszíti el, ha felülete szennyezetté válik.

20 évvel ezelőtt Kansas-ben kísérletképp egy lapostetőt kezeltek. 15 évvel később a tető egy darabját kivágták és laboratóriumi körülmények között megvizsgálták. Amikor a szigetelés még új volt,  a látható fény 92 %-át blokkolta, 15 évvel később ez az érték még mindig 84 % volt. Ez csupán 8 %-os csökkenés 15 év alatt. A tokioi egyetem különböző gyártók 21 féle fényvisszaverő anyagát vizsgálta és a vizsgált anyagok fényvisszaverő képessége 571 nap (1,5 év) után 85 %-ról átlagosan 50 %-ra csökkent. Ez 35 %-os teljesítmény csökkenést jelent 1,5 év alatt. Ezzel szemben a a mi anyagunk csak 8 %-ot veszített a tudásából 15 év alatt! De még ennél is többet tud, mivel képes nem csak a látható fény, hanem a Napban legnagyobb arányban (57 %-ban) található infrasugarak 96 - 99 %-ának visszaverésére is. A hatékonyság és élettartam dolgában messze felülmúlja versenytársait.

 A Ceramic Magic Ball és a többi itt bemutatott szigetelőanyag ellenáll a nedvességnek. A Ceramic Magic Ball vízálló, tehát nem csak a nedvességnek, hanem a víznek és az esőnek is ellenáll. Így a bevonaton semmiféle nedvesség nem tud áthatolni, ezért a bevont felület minden esetben száraz marad. Ezért érdemes a csöveknél alkalmazott kerámia hőszigetelő anyagokat kívülről Ceramic Magic Ball-lall bevonni.
 
Mi a helyzet akkor, ha egy gőz szállítására használt csövet, kemencét, vagy egyéb olyan felületet kell hőszigetelni, amely forró és az a célunk, hogy ez a hő a csőben, illetve kemencében maradjon?

Amikor a kutatók a kísérletek során a kerámia részecskéket tesztelték (több, mint 3600 félét), akkor a vizsgálatok során pár olyan  kerámia anyagot is találtak, melyek ugyan a fény, illetve a hősugarak visszaverésére nem voltak képesek, azonban sűrűségüknek és kristályszerkezetüknek köszönhetően a hőfelvételt nagyon jó hatásfokkal megakadályozták. Ezek a kerámia alkotók lettek később az hőszigetelő bevonatok alapanyagai. Az ilyen kerámia hőszigetelő anyagokkal bevont cső belsejében lévő hő megpróbál "kiszabadulni", de a bevonat blokkolja a kifelé áramló hősugarakat és benntartja azokat a csövön belül.

Ezzel kapcsolatban van itt egy érdekes jelenség. Ha megmérjük egy ilyen példánkban szereplő cső felületi hőmérsékletét (egy ilyen cső nagyjából 150 oC körüli hőmérsékletű), majd a csövet egy Ceramic Magic Ball bevonattal látjuk el, akkor megakadályozzuk a hő csőfalon keresztül történő "kiszabadulását". Ha kis idő elteltével egy kis részt lekaparunk a bevonatból és a lekapart részen ismét megmérjük a hőmérsékletet, előfordulhat, hogy 200 oC körüli hőmérsékletet mutat majd a műszer. Joggal merül fel a kérdés, hogy hogyan is lehetséges mindez?
Ha a cső felülete 150 oC akkor ez azért alakul ki ilyen hőmérsékletűre, mert a "kopasz" cső a környezetének (a körülötte levő levegőnek) folyamatosan "átadja" a benne lévő hő egy részét, így ezen a 150 oC körüli hőmérsékleten egy hőegyensúlyi állapot jön létre. Ugyan ez a helyzet, ha a cső valamilyen vastagságú üveg-, vagy bazaltgyapot szigeteléssel van ellátva. A cső a körülötte lévő bazaltgyapot szigetelőanyagnak adja át folyamatosan a benne lévő hő egy részét, így valamilyen hőmérsékleten szintén egy egyensúlyi állapot alakul ki. Ha azonban a csőben lévő hőt nem engedjük át a cső külső felületén, akkor a csőben lévő nyomás és hőmérséklet is megnő, mivel az eddig a cső falán keresztül "megszökő" hő kénytelen a csövön belül maradni.
Az amerikai Newport Steel vállalatnál az ott üzemelő kemencék oldalát kísérletképp kerámia hőszigetelő bevonattal látták el. A bevonat felhordása előtt a szóban forgó felületen 250 oC-os felületi hőmérsékletet mértek, majd ugyan ezt a felületet 13 mm vastagságú kerámia bevonattal látták el. A szigetelést követően a bevonat külső felületén 80 oC-os felületi hőmérséklet mutatkozott. Három héttel később ismét elvégezték a mérést, melynek eredményeként a bevonaton 160 oC-os felületi hőmérsékletet mértek, a korábbi 80 oC helyett. A mérési adatokat elemezve azt gondolhatnánk, hogy a bevonat nem jól működött, de nem erről van szó. A bevonatot egy kis területen eltávolítva a kemence oldalfalának eredeti felületén az eredeti 250 oC helyett 440 oC-os felületi hőmérsékletet mértek. A kerámia bevonat a meleget a kemencében tartotta és nem engedte "megszökni".  Tehát eddig olyan sok hő szökött meg a kemence felületén keresztül, hogy a szigeteletlen kazán falán, az előbb említett egyensúlyi hőmérséklet 250 oC-on alakult ki, majd miután megtörtént a felületek leszigetelése, a felületi hőmérséklet - a már elszökni nem tudó hő miatt - 440 oC-ra emelkedett.

Ha egy cső felületét Ceramic Magic Ball hőszigetelő bevonattal látjuk el, akkor a hő a kezelt felületen nem tud áthatolni és a csőben lévő hőmérséklet megemelkedik. Így az energiaigény is csökkenthető, mivel az adott technológiai hőmérséklet eléréséhez kevesebb energia bevitelre lesz szükség.
 
Összehasonlítás

Amikor a Newport Stell-nél a felületen másodszorra 180 oC-ot mértek a korábbi 80 oC helyett, akkor az nem azt jelentette, hogy a bevonat nem jól működött, hanem azt, hogy a kemencében megtermelődő hő nem tudott a környezetbe távozni. Ezért emelkedett  meg a belső hőmérséklet is 250 oC-ról 440 oC-ra. És pont ez a cél volt az, amit el akartak érni.
A hagyományos hőszigetelő anyagoknál a "K" és "R" értékekkel kizárólag azt mérjük, illetve számszerűsítjük, hogy milyen gyorsan halad át a hő a szigetelő anyagon, ezért a szigetelendő anyag felületén mindenképp hőveszteséggel kell számolnunk. Ezt azonban a tudomány mai állása szerint nem akarjuk. A célunk az, hogy a hőáramlást már a szigetelendő felületen megállítsuk, hogy a hő a csőben, a kemencében, stb. maradjon. Így kevesebb energiára lesz szükségünk, hogy a korábbi belső hőmérsékletet biztosítani tudjuk. Ezzel pedig jelentős megtakarítást érhetünk el az energia és a költségek tekintetében is.
 
Ellenálló képesség és élettartam

A hagyományos hőszigetelő anyagok legnagyobb része nem víz és nem időjárásálló. Az üveg- és bazaltgyapot szigetelőanyagok kül- és beltéren egyaránt valamilyen héjalást igényelnek. Ez egyrészt az UV fény és a mechanikai behatások ellen védi meg a szálas szigetelőanyagokat, másrészt pedig megakadályozza azt, hogy az anyaguk vizet szívjon magába. Hőszigetelő képességüket már az is jelentősen rontja, ha a környezeti levegő páratartalma pár százalékkal megnő. A polietilén és szintetikus kaucsuk hőszigetelő lapok - zártcellásak lévén - a vizet jobban bírják, mint a szálas szigetelőanyagok, azonban a mechanikai behatások és az UV sugárzás káros hatásai ellen őket is védeni kell.

A fent leírtakból kitűnik, hogy a Ceramic Magic ball működése nem mérhető a hagyományos tapintó hőmérővel, hőkamerával, de hosszabb használat után meggyőződhetünk a működésének hasznosságáról, hiszen rengeteg energiát tudunk megspórolni, miközben biztosítjuk a penészmentes lakókörnyezetünket, illetve csövek esetén megszűnik a korrózió.