AGH: badaczka wykorzystuje fusy z kawy do uzyskania nowatorskich materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych

Dr inż. Ewelina Kłosek-Wawrzyn z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie pracuje nad wykorzystaniem fusów z kawy jako ekologicznego surowca do wytwarzania porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. Cel jest taki, by wykorzystać je np. do budowania czy docieplania konstrukcji. Projekt pt. „Fusy z kawy jako ekologiczny surowiec do produkcji porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych” sfinansowano z grantu uczelnianego.

Jak podkreślono w komunikacie AGH, fusy z kawy posiadają bardzo wysoką wartość opałową i zawierają dużą ilość wody, dzięki czemu świetnie nadają się jako dodatek do gliny w procesie produkcji porowatych materiałów ceramicznych o właściwościach termoizolacyjnych. Dr inż. Kłosek-Wawrzyn pracuje nad optymalizacją produkcji takich materiałów. Specjalistka miesza fusy z 2 sieci kawiarni (różnią się one zawartością wody, ale mają tożsamą ziarnistość i zbliżoną wartość opałową).

Badaczka wyjaśnia, że w materiałach konstrukcyjnych transport ciepła odbywa się przede wszystkim na drodze przewodzenia. W przypadku materiału porowatego ciepło napotyka na przeszkody, które ograniczają przewodzenie. Jeśli chcemy wyeliminować konwekcję jako dodatkowy mechanizm przewodzenia ciepła, pory powinny mieć średnicę poniżej 0,5 mm. Generalnie najlepiej sprawdzają się pory zamknięte, ale nie musi to być regułą. Wszystko zależy od ich średnicy i ukierunkowania.

Fusy z kawy zamiast pulpy celulozowej czy trocin

W celu uzyskania porów w materiałach ceramicznych wypala się glinę z dodatkami, najczęściej z pulpą celulozową albo trocinami. Dodatki spalają się i pozostają po nich przestrzenie wypełnione gazem, który ma niższy współczynnik przewodzenia ciepła od litego materiału. Zastąpienie tradycyjnych poryzatorów fusami z kawy daje parę korzyści. Po pierwsze, zagospodarowuje się odpady (a te, zalegając na wysypiskach, emitowałyby metan). Po drugie, fusy zapewniają oszczędności zarówno wody, jak i energii.

W tradycyjnej ceramice budowlanej stosujemy dodatki, które wypalają się w trakcie procesu produkcyjnego. Oprócz porowatości, spalając się, wnoszą one dodatkowe ciepło, dzięki czemu spada zużycie gazu w procesie produkcyjnym. Fusy z kawy mają wiele wyższą wartość opałową niż trociny i inne dodatki powszechnie stosowane w ceramice budowlanej, dzięki czemu możemy zminimalizować ilość ciepła używanego w procesie produkcyjnym – mówi dr inż. Kłosek-Wawrzyn.

By uzyskać stan plastyczny gliny podczas produkcji materiałów budowlanych, trzeba dodać wody. Natomiast tutaj, jeżeli będziemy umieli odpowiednio poprowadzić proces produkcyjny, dodawanie wody nie będzie w ogóle potrzebne [fusy odbierane od dostawców zawierają bowiem 55-60% wody].

Optymalizacja procesu

Pomysł na wykorzystanie fusów jako dodatku do gliny przy produkcji porowatych materiałów ceramicznych nie jest nowy, ale inżynierowie głowią się nad optymalizacją procesu, tak by materiał miał określone parametry termoizolacyjne i jednocześnie spełniał standardy odporności mechanicznej (materiał budowlany powinien przenosić duże naprężenia, a jeśli zastosuje się zbyt dużo materiałów wypalających, efekt będzie niekorzystny).

Zespół dr inż. Kłosek-Wawrzyn przygotowuje próbki materiałów ceramicznych z różnymi proporcjami fusów, czyli poryzatora. Co się z nimi później dzieje? Przede wszystkim badamy efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, wykorzystując aparat płytowy w układzie stacjonarnym. Testujemy wytrzymałość na ściskanie, ponieważ materiały konstrukcyjne w swoim środowisku pracy są poddawane siłom ściskającym. Analizujemy gęstość i porowatość, ale również stosujemy inne techniki, np. skaningową mikroskopię elektronową, żeby zobaczyć, jak wygląda mikrostruktura badanego tworzywa, to znaczy, jaki jest w nim układ porów oraz czy występują spękania. Dzięki temu możemy regulować proces wytwarzania i kształtować kierunki dalszych badań - tłumaczy specjalistka.

Równoważenie właściwości termoizolacyjnych i wytrzymałości

Wg dr inż. Kłosek-Wawrzyn, obecnie materiały mają zbyt wysokie parametry wytrzymałościowe i przez to mniejsze właściwości termoizolacyjne. Dlatego w projektowanym przez siebie materiale chce odnaleźć złoty środek. [...] Nie stawiam na konstrukcje wysokie, tylko jedno- i dwukondygnacyjne, gdzie wytrzymałość materiału nie musi być aż tak bardzo duża, przez co może on mieć wyższą porowatość, a co za tym idzie lepsze właściwości termoizolacyjne - dodaje.

Obiecujące rezultaty

Dotychczasowe wyniki zachęcają do kontynuowania prac. Ekipie z Krakowa udało się zmodyfikować proces produkcji i wprowadzić do materiału o wiele więcej fusów niż to opisywano w literaturze przedmiotu, uzyskując lepsze parametry termoizolacyjne (rzędu 0,15-0,25 wata na metr-kelwin).

fusy z kawy materiały ceramiczne właściwości termoizolacyjne glina poryzator Ewelina Kłosek-Wawrzyn