Bæredygtig isolering af gamle fjernsynsskærme

Bæredygtig isolering af gamle fjernsynsskærme

Billede: Martin Bonderup Østergaard. AAU Presse.

Nyt patenteret isoleringsmateriale udviklet på Aalborg Universitet skal gøre fremtidens danske byggeri mere bæredygtigt. Celleglas eller skumglas hedder materialet, som nu i en ny udgave skal kunne benyttes som primært isoleringsmateriale i stedet for mineraluld eller stenuld. Refleksionstid har talt med én af forskerne bag udviklingen.

I dag bliver celleglas brugt til at isolere rørsystemer, fundamenter og tagkonstruktioner, samt i en anden udgave til lydisolering. Men håbet hos en gruppe forskere på Aalborg Universitet er, at det i fremtiden skal være det primære isoleringsmateriale i det almene danske byggeri. Det er nemlig lykkedes dem at lave et isoleringsmateriale, med de samme isolerende egenskaber som mineral- eller stenuld, som man bruger i dag.

Fordelene ved det nye celleglas er at det, i modsætning til mineral- eller stenuld, også kan bruges som bærende del af en vægkonstruktion. Det betyder, at man kan halvere tykkelsen på murstenene, og dermed spare betydeligt på materialer i byggeriet. Derudover er det lavet af genbrugsglas fra gamle billedrørsfjernsyn, hvilket reducerer udledningen af CO2 kraftigt i produktionen, da man undgår at smelte nyt glas.

Og så er det et isoleringsmateriale, der kan modstå mange ting. Udsættes det for brand og høj varme, smelter det blot og lægger sig mellem murstenene. Det kan heller ikke penetreres af vand, så der er ingen risiko for fugtproblemer i væggene. Det skyldes, at det er skabt af glas med lukkede gasbobler indeni, hvilket vi vender tilbage til.

Konkret er det Graasten Teglværk som står bag opstarten af projektet. De fik adgang til en masse gamle billedrørsglas, som de gerne ville lave et fornuftigt produkt ud af. Derfor tog de kontakt til Institut for Kemi og Biovidenskab på Aalborg Universitet og fik et samarbejde op at stå, som nu over to projekter har været i gang med at udvikle disse celleglas.

Refleksionstid har talt med Martin Bonderup Østergaard, der er Ph.d. i materialekemi ved Institut for Kemi og Biovidenskab på Aalborg Universitet. Han har taget del det seneste af de to projekter, hvor det det primært har handlet om at forbedre materialet, så det blandt andet kan leve op til de standarder for isoleringsmaterialer som gælder i byggeriet i Danmark.

En opskrift? Så gerne..

Først og fremmest tager man noget glas, som man knuser til meget fint pulver og tilsætter skumningsagenter. Skumningsagenterne kan være mange forskellige stoffer, men én der er hyppigt brugt i videnskaben, er calciumcarbonat. Det er hovedbestanddelen i æggeskal blandt andet. Calciumcarbonaten bliver også knust til fint pulver, det blandes så med glasset og blandingen varmes op.

I Martins projekt startede de, som nævnt med nogle gamle fjernsynsglas, men han fortæller at man i princippet kan bruge en hvilken som helst type glas. Det drejer sig blot om at have det rigtige match mellem glasset og de skumningsagenter, man benytter. Skumningsagenterne laver en såkaldt skumning under opvarmningen, da det frigiver en gas. Hvis gassen frigives på det rigtige tidspunkt, dvs., det rigtige temperaturinterval, kan celleglasset blive porøst. Altså fyldt med små gasbobler.

Når glas bliver varmet op til en vis temperatur, før det smelter helt og bliver fuldstændigt flydende, sker der en sintring. Det betyder, at glaspartiklerne nærmest smelter sammen. Det er et afgørende punkt i produktionen af celleglas. Under sintring har glasset en given viskositet. Viskositet er et mål for hvor flydende et materiale er ved en given temperatur. Hvis viskositeten af glasset under sintring passer med den temperatur, hvor gasserne frigives fra skumningsagenterne kan man lave porøst celleglas.

I det nævnte tilfælde fortæller Martin, at der sker en såkaldt dekomponering af skumningsagenten calciumcarbonat, som omdannes til calciumoxid og CO2, som så kan opfanges i den sintrede glasmasse. CO2’en danner så et væld af små porer eller bobler inde i glasmassen. Og ved så at blive ved med at varme på det, vil der blive dannet mere og mere CO2, fordi mere og mere calciumcarbonat dekomponerer. Og i takt med, at man øger temperaturen, så falder viskositeten og gassen udvider glasmassen. Det indebærer, at der kommer et højere tryk inde i porerne, og porerne kan derpå vokse sammen og danne større porer.

Glasmassen udvides altså løbende i denne proces, men hvis man fortsætter med at varme er risikoen, at viskositeten falder for meget, at glasset bliver for flydende og strukturen ødelægges. Men hvis det køles ned inden man rammer dette punkt, har man fanget den porøse struktur med en god kombination af store og små porer i celleglasset.

Der er altså et meget specifikt område man søger. Og det er som regel starten på et godt studie fortæller Martin, at finde ud af, hvor højt man kan varme uden at ødelægge celleglasset. For jo mere porøs en struktur man opnår, desto bedre isoleringsmateriale får man. 

Skumningsagenterne

Men det er ikke kun knuste æggeskaller eller calciumcarbonat, der benyttes som skumningsagenter. Martin fortæller, at der er et hav af muligheder. Alle carbonater kan bruges, da de altid vil dekomponeres til en metaloxid og kuldioxid. Og metaloxiden kan så inkorporeres i glasstrukturen og kuldioxiden i porerne.

I dette konkrete projekt fortæller Martin, at de har brugt såkaldte transitionsmetaller i oxid-form som skumningsagenter. Det har primært været manganoxid og nogle kul-kilder. Fordelen ved transitionsmetaller er, at de har mange forskellige oxidationsstadier som gør, at der løbende frigives ilt. Kullet og ilten kan derfor reagere og danne CO2. Så i stedet for blot at have én skumningsagent benyttes her to, et transitionsmetal og kul.

Det indebærer, at i stedet for en dekomponeringstemperatur af calciumcarbonaten, så har man en reaktion mellem transitionsmetallet og kullet. Det er altså reaktionen mellem stofferne i skumningsagenterne og ikke alene opvarmningen til et bestemt punkt, der skaber skumningen.

Jeg spurgte også Martin hvorfor det er en fordel med CO2 i celleglassets porer. Han fortæller, at hvis man kun tænker på varmeledningen i celleglasset, er der gasser, der er bedre end CO2. Det er fx nogle svovlforbindelser som lugter eller er giftige eller nogle ædelgasser, som også har lavere varmeledningsevne, men CO2 er lettere at producere samtidig med, at det ikke er giftigt.

Hvad med gamle vinduesglas eller ølflasker?

Alle dele af celleglasset skal optimeres ift. varmledningsevne. Fordelen ved billedrørsglas er, at de har en lavere varmeledningsevne end fx vinduesglas eller gamle ølflasker, som man også ville kunne finde massevis af rundt omkring. Det bunder i selve glassammensætningen. Vinduesglas består primært af silika, sand, calciumoxid, som fx knogler, og natriumoxid, havsalt på metaloxidform. Så kan der være tilsat andre ting, men det er de primære komponenter i glasset.

Gamle billedrørsglas derimod, har et stort indhold af tungmetaller, i dette tilfælde strontium og barium, som medvirker til at sænke varmledningsevnen. Så man kunne måske godt starte helt fra bunden siger Martin, og lave noget glas, der var endnu bedre i isolering end gamle billedrørsglas, men så ryger den miljømæssige fordel ved genbrugsglasset.

Det handler altså grundlæggende om at kombinere glas og gas, som både har lav varmeledningsevne og er tilgængelig i anskaffelse og produktion.

Videreudvikling på celleglasset

Den beskrevne sammensætning af celleglas lavet på billedrørsglas, manganoxid og kul var allerede udgangspunktet for projektet inden Martin trådte ind i det i forbindelse med sin ph.d.-afhandling. Han har så arbejdet videre med glasset og prøvet at optimere det.

Det indebærer for eksempel, at han har tilsat nogle forskellige alkalimetaller i fosfatforbindelse og undersøgt hvordan de kunne påvirke celleglasset. Det drejer sig om metallerne lithium, som vi kender fra batterier, natrium, som vi kender fra bordsalt og kalium, som vi kender fra fx fødevarer eller kosttilskud.

Martin har så fundet ud af, at kaliumfosfat kan medvirke til, at man bedre kan opretholde lukkede porer, hvorimod de andre sænker viskositeten så meget, at den ødelægges under opvarmning til samme temperatur. Han fortæller derudover at det de faktisk antager at det er selve fosfatet, der har den positive virkning, fordi det påvirker overfladespændingen i glasset, i forhold til at kunne danne porer. Og metallerne vil nærmere gå ind i glasset og bryde netværket i glasfasen op, så viskositeten falder.

Billede: Når man kigger nærmere på celleglas, ser det porøst, let og fint ud. Det ligner lidt i strukturen en skolesvamp, med små huller overalt og en lidt nubret overflade.

Porernes struktur

Når der bliver dannet små porer rundt omkring i celleglasset, bliver de efterhånden presset mere og mere sammen. Det betyder, at der vil opstå et større overfladeareal og porerne vil søge at smelte sammen og blive større.

Men større porer er ikke nødvendigvis et mål i sig selv. Hvis man tager 4 fodbolde, forklarer Martin, og lægger ved siden af hinanden. Så er der, inde imellem de 4 bolde, en stor mængde luft. Den gælder det om at få fyldt ud af nogle mindre bolde. Så det handler sådan set om at have så lidt fast materiale som muligt. Omvendt så skal man heller ikke have en stor bold eller pore, for så ville alt varmen bare kunne løbe rundt om den. Det handler om hvor lang stien egentlig er igennem materialet. ”Hvis vi har en prøve der er 5 cm for eksempel” fortæller Martin, ”og man så kan forlænge den til at være 15 meter, så er det rigtig godt”.

Problemet er blot, at det er lettere sagt end gjort at konstruere en sådan uregelmæssig og ujævn sti igennem materialet, både udgjort af små og store porer. Det er meget svært at kontrollere. Grunden til at porerne er så vigtige er, at det primært glasset, der leder varmen. Gassen får dog naturligvis mere og mere indflydelse i takt med at porøsiteten stiger: Jo mere gas pr. glas der er.

Til Polen og tilbage

Og dermed lidt om den gængse metode at lave celleglas på. Men Martins Ph.d.-afhandling indeholder også en noget dyrere og mere besværlig måde at gøre det på. Jeg spurgte ham hvorfor:

”Det er charmen i videnskab, nogle gange må man tage lidt andre veje, for at få de svar man søger efter”. De svar kommer vi til om lidt. Forskellen på metoderne forklarer Martin således:

”Vi har en kemisk og fysisk tilgang. Den kemiske der har vi de her skumningsagenter, der skal reagere for at danne noget gas. Og i den fysiske del der har vi en gas, som vi simpelthen presser ind i pillen, som derefter opvarmes og det høje tryk kan derpå udvide glasset”.

Institut for Kemi og Biovidenskab har haft nogle samarbejdspartnere i Polen, som har kunnet sintre prøverne under højt tryk, og dermed skabe højt tryk inde i de hulrum, der er mellem glaspartiklerne. Og når man så varmer det op, så vil dette tryk kunne få glasset til at udvide sig.

Det var flere årsager til valget af denne metode. For det første ville man prøve at indkapsle nogle specielle gasarter i celleglasset – nitrogen og argon, hvor særligt Argon normalt er meget svær at få ind i porerne.

For det andet ville man danne nogle celleglas, som kun havde én komponent i sin gasfase. Ofte vil der være flere komponenter når man bruger skumningsagenter. Hvis man fx går efter CO2, så vil være en vis mængde af kulmono-oxid også, og potentielt også noget oxygen.

Det lykkedes desværre ikke helt at ramme en enkelt gas, men de fik en todelt gasfase trods alt, og det er også udmærket forklarer Martin. Det indebærer nemlig, at det blev muligt at sige noget om, hvor stor indflydelse gasfasen egentlig har. Det viser sig fortæller han videre, at man skal ret langt ned i densitet for at det for alvor har en indflydelse på, hvornår gasfasen begynder at spille ind. Men det er så også relevant for disse højporøse celleglas. Når man er oppe i dét område, så skal man også have en gas, der er en dårlig varmeleder.

Og for det tredje valgte man metoden uden skumningsagenter for at forklare noget om skumningen og det tryk den skaber. Der er nemlig en parallel mellem det tryk skumningsagenterne laver og så det tryk som her er fremstillet fysisk af de polske samarbejdspartnere. På den måde kan det forklare noget om hvordan trykket påvirker selve skumningen. Her var konklusionen, at skumningen sker hurtigere ved højere tryk. Og den sker også ved lavere temperatur, fordi det ikke nødvendigvis kræver så lav viskositet af glasset før det kan udvide sig når trykket er tilpas meget større.

Så alt i alt er konklusionen helt kort og simplistisk udtrykt, at man både skal have et glas og en gas, der er dårlig til at lede varme for at skabe et godt isoleringsmateriale. Og derpå, så meget gas som muligt, for gas er markant dårligere til at lede varme end faste stoffer er.

Graasten Teglværk, som altså stod bag opstarten af projektet, har allerede nu opført et helt hus med det nye celleglas som primært isoleringsmateriale. Det er derudover bygget med genbrugsmursten, og vil nu blive underlagt test for at se om det lever op til de gældende krav. Det forventes at celleglasset kommer på markedet i løbet af det næste års tid og forhåbentligt kan være med til at gøre vores byggeri mere bæredygtigt.

/Martin Jensen

Link til Martins Ph.d.-afhandling:

https://vbn.aau.dk/ws/files/306587530/PHD_Martin_Bonderup_Oestergaard

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *