Aluminijska pjena – fokus novog industrijskog razvoja

Aluminijska pjena je nova vrsta strukturnih funkcionalnih materijala s nizom izvrsnih svojstava. Proizvodi od aluminijske pjene su male težine, velike apsorpcije zvuka, udara, udarne energije, te visokih performansi elektromagnetskog oklopa, izvrsne izolacije visokih temperatura, vatrootporni, s jedinstvenom ekološkom prihvatljivošću i drugim specifičnim svojstvima.

Aluminijska pjena, ilustracija | foto: Unsplash

Metalne pjene su relativno nova klasa materijala, proizvedene različitim metodama koje su prvi put predstavljene 1950 -ih godina. Međutim, prvi komercijalni proizvod od aluminijske pjene proizvodi Shinko Wire u Amagasakiju u Japanu 1980 -ih godina; gdje je metalna pjena dobivena postupkom nazvanim Alporas kojeg objavljuju Miyoshi et al 2000. godine. Taj je naziv dodijeljen aluminijskoj pjeni proizvedenoj u odgovarajućem procesu patentiranom 1987. godine u SAD-u.

Postupci proizvodnje

Alporas se proizvodi postupkom lijevanja smjese taljenog aluminija i titanovog hidrida (TiH₂) u prahu. Termičkom obradom smjese metal sinterira, a titanov hidrid se razgrađuje i proizvodi plinove, odnosno mjehuriće plina u taljenom aluminiju. Mjehurići plina gotovom proizvodu daju poroznu strukturu. Mjehuriće plina je zatim potrebno stabilizirati i spriječiti plutanje, odnosno „bježanje“ iz smjese, a to se postiže povećavanjem viskoznost taline i naknadnim dodavanjem sredstva za zgrušavanje (1,5 mas.% Ca). Ca se dodaje u taljeni aluminij na 680° C i miješa 6 minuta na sobnoj temperaturi. Nakon miješanja, rastaljeni materijal se kristalizira oko 15 minuta i pri tome povećava volumen i puni kalup. Zatim se pjenasti rastaljeni materijal hladi u kalupu sa snažnim ventilatorima. Nakon što se blok aluminijske pjene ukloni iz kalupa, reže se na ravne ploče različitih debljina prema potrebama krajnje upotrebe.

Postoje još dvije metode proizvodnje aluminijske pjene. Jedna metoda uključuje lijevanje rastaljenog metala u kostur od poliuretanske pjene s otvorenom stanicom. Druga metoda uključuje dodavanje keramičkog praha kao što je silicijev karbid (SiC), silicijev nitrid (Si₃N₄), i aluminijev oksid (Al₂O₃) ili krute legure metala u taljeni aluminij kako bi bio viskozniji, nakon čega se injektiraju vrlo fini mjehurići plina (zrak, dušik, argon).

Izdvojeni članak

Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima

Primjena aluminijske pjene

Aluminijske pjene su dobro poznate zbog svojih fizičkih i mehaničkih svojstava kao što su velika čvrstoća, vrlo niska specifična težina, velika tlačna čvrstoća zajedno s toplinskom i zvučnom apsorpcijom. Znanstvenici iz Berlina, Matijašević i Banhart aluminijsku pjenu zbog navedenih specifičnih značajki nazivaju fokusom novog industrijskog razvoja. Posljednjih godina potencijalna primjena materijala od aluminijske pjene brzo raste zbog velike potražnje u različitim industrijama, od zrakoplovne, željezničke, pomorske do građevinske. Ovaj materijal može pronaći svoju primjenu u bilo kojoj djelatnosti koja zahtjeva upotrebu lakih konstrukcija; ipak, navedene primjene su za sada još uvijek slabo dostupne na tržištu. Glavni razlog toga je što u praksi do nedavno nije bilo moguće proizvesti metalne pjene s jednakim veličinama ćelija potrebnim za ravnomjerno raspoređivanje utjecaja udara. Za sada aluminijske pjene najčešće se koriste u arhitekturi i građevinarstvu zbog njihove značajne niske gustoće, toplinske vodljivosti i visoke duktilnosti (sposobnost materijala podnošenja deformacije bez loma). Aluminijska pjena nalazi arhitektonsku i dizajnersku primjena zbog jedinstvenog izgleda nalik na spužvu. Ploče od aluminijske pjene koriste se u gradnji fasada, zidnih obloga, stropnih ploča ili spuštenih stropova, ali i proizvodnji rasvjetnih tijela, eksponata i drugih konstrukcija.

Svojstva aluminijske pjene

Prema strukturi pora, aluminijska pjena može se podijeliti na aluminijsku pjenu zatvorenih ćelija i aluminijsku pjenu s otvorenim stanicama. Aluminijskoj pjeni zatvorenih ćelija šupljine međusobno nisu povezane, dok s otvorenim stanicama jesu. Mehanička i izolacijska svojstva materijala će ovisiti o strukturi pora pjene.

Ovim člankom ćemo predstaviti opis glavnih svojstava samo aluminijske pjene zatvorenih ćelija koja se najčešće koriste u arhitekturi. Pjene s otvorenim stanicama uglavnom se koriste zbog svojih filtracijskih, katalitičkih svojstava i reakcije na visoke temperature. Koriste se u strukturama kao što su hladnjaci i izmjenjivači topline, filtri i sredstva za uklanjanje magle te ploče akumulatora.

Metalna pjena zatvorenih ćelija korisna je za lagane konstrukcije u građevini zbog izrazite čvrstoće i male težine, zajedno sa strukturnim i funkcionalnim značajkama poput apsorpcije energije sudara, upravljanja zvukom i toplinom. Aluminijska pjena može apsorbirati veliku količinu mehaničke energije pri deformaciji, što je čini prikladnim materijalom za apsorbere energije udara. Postoji izravna veza između gustoće i čvrstoće materijala. Čvrstoća materijala linearno raste s gustoćom materijala. Pjenasti materijal 20%-ne gustoće je više nego dvostruko čvršći od 10% gustog materijala. Posebno čvrsta verzija aluminijske pjene je „sendvič“ ploča od aluminijske pjene (AFS), gdje dvije metalne ploče od aluminija ili aluminijske legure zatvaraju jezgru od aluminijske pjene.

Ovaj materijal se može 100% reciklirati i često se sastoji od 100% recikliranog sadržaja. Šupljikava struktura materijala navodi na zaključak da je materijal podložan skupljanju plijesni, gljivica i kukaca. Međutim, ovaj materijal ne pruža okruženje pogodno za razvoj flore ili faune. Također je vrlo otporan na opterećenja vjetrom, jednostavan za ugradnju i premještanje.

Primjeri arhitektonske primjene

Jedan primjer arhitektonske primjene, kako u unutrašnjosti tako i u eksterijeru, je Fondazione Prada nizozemske arhitektonske tvrtke OMA iz Milana, Italija. Obloga od aluminijske pjene s mjehurićima, uz potpuno ostakljeni podij stvaraju kontrast starog i novog. To se primjećuje kombinacijom starog dijela zgrade, dijela obloženog zlatnom oblogom i novogradnje obložene aluminijskom pjenom. Interijer iste zgrade ističe razliku pokazujući kontrast u usporedbi s generičkom bijelom kockom galerija.

OMA je također iskoristila aluminijsku pjenu za centralno stubište Repossis, talijanske trgovine nakita. Kombinacija arhitektonskog i izložbenog prostora temeljna je ideja za projektiranje trgovine kako bi se stvorila čitava pozornica.

U vikendici Anenhütte na visinama Alpa u Ltschentalu, oblogama od aluminijske pjene postignuta je dodatna funkcija zaštite fasada od vremenskih uvjeta na visokoj nadmorskoj visini. Građevina je zahtijevala lagan, stabilan i funkcionalan materijal koji odolijeva olujnim vjetrovima, pruža zaštitu od UV zračenja, temperaturne varijacije i tlačnih opterećenja od snježnih oluja.