Levné molekulové síto není alternativa

Autoři: Andreas Keinath, Martin Newsom

Silný nárůst nabídek nízkých cen za molekulové síto z Číny skýtá evropským výrobcům izolačních skel svůdnou možnost snížit své náklady. Doposud získané zkušenosti však ukazují, že se to může dít na úkor kvality izolačních jednotek.

Vysoká adsorpce popř. desorpce plynu a nízká kapacita příjmu vody tak může podstatně zkrátit dobu životnosti izolačního skla. Nevhodná velikost vysoušedla navíc vede k nechtěnému zastavení automatických plniček, a redukuje tak jejich produktivitu. Předložený článek je přehledem základních požadavků na vysoušedla pro výrobu izolačních skel. Má dát výrobci izolačních skel možnost učinit rozhodnutí, zda nasadit levné molekulové síto.

Obr. 1 -působení molekulového síta

Na rok 2004 se díváme jako na rok, v němž byla dosažena rekordní úroveň evropské spotřeby molekulového síta. Průmyslová odvětví, produkující oleje a plyny, zaznamenala díky stoupajícím cenám olejů vzpruhu a vyměnila molekulové síto ve svých rafinériích častěji, než bylo běžné. Ve stejném období byli výrobci izolačních skel nuceni pokrýt nečekaně silnou poptávku, vyvolanou růstem ve stavebnictví v zemích na východ od Evropy.

Obr. 2 - porovnání adsorpce vzduchu  / desorpce vzduchu na 4Å molekulovém sítu, popř. 3Å molekulovém sítu (PHONOSORB)

V této napjaté fázi převýšila dokonce přechodně poptávka molekulového síta nabídku. Důsledkem byl nárůst cen adsorpčních materiálů z evropské produkce. Během této doby se na trhu objevilo vysoušedlo čínské produkce. Pod cenovým tlakem byli výrobci izolačních skel ochotni přistoupit i na dodávky z dosud neprozkoumaných pramenů  s vidinou vyšší dostupnosti a zdánlivě výhodnější ceny produktů.

Levné se může prodražit

Ve skutečnosti v nedávné minulosti někteří výrobci izolačních skel učinili zkušenost s „výhodným“ molekulovým sítem z Číny, a vystavili se tak nebezpečí, že vyhodí „z okna\", a to v pravém slova smyslu, kvalitu svých vlastních produktů.

Vezměme si například uznávaného výrobce izolačních skel, který část své potřeby molekulového síta v dobré víře pokryl od obchodníka s čínskými produkty. Na první pohled vypadalo síto dobře: béžová barva, více či méně kulaté, přibližně správná velikost a očividně bez prašného podílu. Poté, co bylo molekulové síto několik měsíců používáno, zjistil výrobce nevysvětlitelné nedostatky

Izolační sklo bylo analyzováno a vyšlo najevo, že příčinou selhání skel bylo použití 4Å molekulového síta. Výrobce vycházel z toho, že dostal 3 Å molekulové síto. A právě zde je problém: není možné dle vzhledu produktu posuzovat jeho výkon. Běžný pohled do technické dokumentace výrobku může být zavádějící, jelikož technická data často chybí a nebo nejsou dostatečně definována.

Pro úplnost by zde mělo být poukázáno i na to, že až do 80. let byl skutečně při výrobě izolačních skel používán 4Å materiál. Z technických důvodů, a to kvůli adsorpci a desorpci vzduchu a výparů, byla  většinou provedena výměna za 3Å materiál. Jak je známo, adsorpcí a desorpcí dochází k zploštění nebo k vydutí izolační jednotky a zkreslenému průhledu. Navíc je velmi zatíženo spojení hran, což vede ke zvýšení propustnosti vlhkosti do meziskelního prostoru.

Obr. 3 - Deflexe izolačních skel  u 4A molekulového síta při různých teplotách

Jelikož materiálová hodnota molekulového síta tvoří pouze 0,9 % nákladů na výrobu izolačního skla (100 x 80 cm), vycházíme z toho, že všichni výrobci izolačních skel se cítí být vázáni kvalitou a nechtějí při volbě molekulového síto podstupovat riziko. I proto bychom rádi ještě jednou krátce přiblížili, jaký vliv má vysoušedlo na kvalitu izolačního skla.

Co přesně je molekulové síto?

Molekulové síto je syntetický, krystalický hlinitokřemičitan. Tyto krystalické struktury mají třídimenzionální systém pórů, jejichž průměr je přesně definován. Díky jednotné velikosti pórů mohou být menší molekuly adsorbovány, přičemž větší nebudou přijaty. Tato sítová filtrace vedla k označení „molekulové síto“ (Obr. 1). K nejznámějším patří molekulové síto s průměrem pórů 3 Å, 4 Å a 10 Å ( 1 Å = 1 angström = 1 x 10^-10 m ).

Tab. 1 -  Adsorpce vody, vzduchu, Argonu / Kryptonu a SF₆ prostřednictvím různých vysoušedel

Pro izolační jednotku musí molekulové síto vzhledem k adsorpci vody působit selektivně. Velikost jeho pórů se musí zvolit tak, aby byly molekuly vody absorbovány, oproti tomu však dusík, kyslík a jiné známé izolační plyny jako Argon, Krypton nebo SF₆ ne. To může být zaručeno pouze 3Å molekulovým sítem (Tab. 1 a Tab. 2.)

Jak mohl náš výrobce izolačních skel potvrdit, je použití molekulových sít s velikostí pórů s více než 3Å nevhodné, jelikož tato vysoušedla adsorbují při nižších teplotách velké množství molekul plynů. Při vyšších teplotách se pak tyto adsorbované plyny opět uvolňují (Obr. 2). Na teplotě závislý příjem a uvolňování plynů tak vede k negativním a pozitivním tlakům v meziskelním prostoru izolační jednotky (Obr. 3).

Jak již bylo řečeno, způsobují takovéto výkyvy tlaku zploštění a vydutí izolačních jednotek a to s dalekosáhlými následky:

• vysoké mechanické zatížení skla až prasknutí
• redukce izolační schopnosti
• vysoké zatížení hran a tmelící hmoty spojené se zvýšenou propustností vlhkosti
• snížená životnost izolační jednotky

Podobné působení může být – v menším měřítku – pozorováno, není-li použito vhodné pojivo.

Tab. 2 - Kritické průměry molekulárního síta

Množství vzduchu, jež je při vysokých teplotách molekulovým sítem uvolňováno, je možno lehce určit. U 3Å molekulového síta je v branži běžná porovnávací hodnota nejvíce 25 ml vzduchu na 250 ml vysoušedla zjišťována při teplotě nejvýše 70°C. U 4Å molekulového síta může tato hodnota vystoupat za stejných testovacích podmínek až na 600 ml vzduchu, tedy 24násobek. Použije-li se takový adsorpční prostředek v izolační jednotce, vznikne značné vydutí skla, jež vede ke zvýšenému zatížení skla. Důsledkem je zkreslená průhlednost a nižší doba použitelnosti. V extrémních případech může dojít k prasknutí skla. Následné výpočty popisují působení adsorpce a desorpce plynu na dvě různé izolační jednotky, přičemž je jedna naplněna 3Å molekulovým sítem a druhá 4Å molekulovým sítem (Obr. 4 - Obr. 6 ).

Obr. 4 -  Na teplotě závislé zploštění a vydutí dvou identických izolačních jednotek, přičemž je jedna naplněna 3Å molekulovým sítem (modrá křivka ) a 4Å molekulovým sítem (červená křivka)

Obr. 5 - Na teplotě závislé zploštění a vydutí dvou identických izolačních jednotek, přičemž je jedna naplněna 3Å molekulovým sítem (modrá křivka ) a 4Å molekulovým sítem (červená křivka).  Pole mezi dvěma čárkovanými liniemi na obrázku ukazuje tu oblast, v níž je zatížení skla nejméně rizikové.

Obr. 6 - Na teplotě závislé zploštění a vydutí dvou identických izolačních jednotek, přičemž je jedna naplněna 3Å molekulovým sítem (modrá křivka ) a 4Å molekulovým sítem (červená křivka). Pole nad čárkovanou linií v obrázku ukazuje tu oblast, v níž je zatížení hrany nejméně rizikové.

Z obrázků je možno vyčíst, že čím vyšší je rozdíl teplot mezi výrobním místem a místem instalace izolační jednotky, tím silnější je zploštění a vydutí skel. Při použití 4Å molekulového síta je nebezpečí prasknutí skla a zatížení hrany podstatně vyšší než u 3Å molekulového síta.

U vysoce kvalitních izolačních jednotek počítáme s dobou použitelnosti okolo 25 let. Toto časové rozpětí se podstatně zkrátí, je-li izolační jednotka vystavena vyšší zátěži.

Z toho vyplývá, že použití 3Å molekulového síta je pro výrobu excelentních izolačních jednotek nutností.

Doba použitelnosti izolačních jednotek

K optimalizaci doby použitelnosti izolačních jednotek je potřeba maximalizovat kapacitu příjmu vody molekulového síta. To je závislé na množství vody přijaté sítem předem a na rovnoměrné kapacitě příjmu vody vysoušedla.

Příjem vody před použitím vysoušedla je možno ovlivnit vhodným obalem a skladováním a konečně i rychlým zpracováním u výrobce izolačních skel. Oproti tomu je rovnoměrná kapacita příjmu vody vlastnost vysoušedla, jež je dána jeho chemicky-fyzikální vlastnostmi a způsobem výroby.

Delta-T-Test, vyvinutý v 70. letech minulého století firmou GRACE, který byl zaveden do průmyslu izolačních skel, je lehce proveditelnou zkouškou funkčnosti a ověřením schopnosti působení molekulového síta. Při testu je měřen nárůst teploty ve směsi molekulového síta a vody, přičemž tento nárůst teploty platí jako měřítko uvolněné adsorpční teploty. Tento test je v průmyslu sice uznáván, avšak platí pouze jako dostačující odkaz na úroveň aktivity, ne však jako absolutní měřítko absorpční schopnosti molekulového síta. Studie ukazují, že absorpční schopnosti komerčních, na evropském trhu nabízených molekulových sít  z různých pramenů mohou kolísat až o 40 %. Všechna však dosáhnou definovaný minimální nárůst teploty.

Plnění distančních rámečků

Molekulové síto s vhodnou velikostí kuliček umožňuje pohodlné a rychlé plnění distančních rámečků. Proces plnění však přináší potenciální nebezpečí tvorby prachu, které se projevuje následovně:

• při optické kontrole - prach je na ploše skla a distančního rámečku zřetelně viditelný
• přilnavost tmelících látek je přítomností prachu omezena a vede ke zkrácení doby použitelnosti
• automatické plnící systémy mají sklon při silné prašnosti k funkčním poruchám
• silná prašnost může za příznivých podmínek vést dokonce k poškozování zdraví pracovníků výroby izolačních skel

Selekcí vhodných pojidel a nasazením moderních granulačních a kalcinačních technologií může výrobce molekulových sít výskyt prachu minimalizovat. Přitom je třeba vzít v potaz, že pojidla jsou zpravidla přírodní, anorganické produkty, které se špatně odbourávají. U těchto materiálů hrozí nebezpečí, že obsahují nebezpečné koncentrace vláken a krystalů a v jejich minerálním složení se obměňují. Proto jsou pojidla, jež se zpracovávají v evropských molekulových sítech, podrobena stálé kontrole kvality.

Velikost molekulového síta musí být v souladu s přísnou specifikací, aby byl zaručen bezproblémový provoz pneumatických plnících zařízení. Je známo, že nevhodná velikost síta blokuje plnící zařízení a může vést k zastavení plničky.

Další kritický bod je sypná váha vysoušedla. Výrobci izolačních skel kupují vysoušedla dle váhy, ale zpracovávají ho dle objemu. Proto je zapotřebí proměnlivý vztah mezi sypnou váhou a kapacitou příjmu vody u komerčního náhledu třeba přesně analyzovat.

Vhodný k nasazení?

S ohledem na všechny zde uvedené body může být pro zpracovatele překvapením, že některá vysoce kvalitní molekulová síta mají adsorpční schopnost pouze 60% a jejich neselektivní adsorpční vlastnosti mohou vést k vydutí a prasklinám skla a že jsou i přesto akceptována na evropském trhu. Možná se vychází z toho, že tyto výrobky odpovídají Evropské normě prEN 1279. I kdyby to byl tento případ, je třeba se zamyslet nad tím, že norma staví požadavky jen na adsorpční schopnost vysoušedla. Důležité vlastnosti produktu jako adsorpce a desorpce plynu, mechanická stabilita a vznik prachu vysoušedla, kinetika příjmu vody a co možná homogenní rozložení velikosti molekulového síta nejsou v normě prEN 1279 zohledněny.

Na čem záleží

Odpovědnost odebírat molekulové síto z neznámých zdrojů je čistě na výrobci izolačních skel. Ten by měl s ohledem na vlastní bezpečnost  trvat na tom, aby dostal osvědčení o původu zboží na dodávaný produkt. Dodavatel musí  též mimo jiné vždy na základě technické dokumentace dokázat, že jeho výrobky splňují všechny požadavky evropského průmyslového standardu. To je potřebné k udržení vysoké úrovně kvality evropské výroby izolačních skel a k udržení důvěry, kterou konečný spotřebitel prokazuje.