Thiết kế chế tạo phân xưởng sản xuất vật liệu cách nhiệt silica aerogel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM  MÔN HỌC CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ NHÀ MÁY HÓA CHẤT TIỂU LUẬN CHẾ TẠO THIẾT BỊ CÁCH NHIỆT TRONG CNHH VẬT LIỆU AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM BÁO CÁO HỌC KÌ 1, NĂM HỌC 2021 2022 Nhóm 12 (lớp thứ 3, tiết 4 6) Tên đề tài Chế tạo thiết bị cách nhiệt trong CNHH Vật liệu aerogel silica.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM  MÔN HỌC: CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VÀ NHÀ MÁY HÓA CHẤT TIỂU LUẬN CHẾ TẠO THIẾT BỊ CÁCH NHIỆT TRONG CNHH VẬT LIỆU AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT VÀ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL SILICA CÁCH NHIỆT Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM BÁO CÁO HỌC KÌ 1, NĂM HỌC 2021-2022 Nhóm 12 (lớp thứ 3, tiết 4-6) Tên đề tài : Chế tạo thiết bị cách nhiệt CNHH - Vật liệu aerogel silica cách nhiệt thiết kế phân xưởng sản xuất vật liệu aerogel silica cách nhiệt STT HỌ VÀ TÊN MSSV Dương Thị Diệu Hiền 19128013 Đào Vũ Nhật Hạ 19128029 Nguyễn Thanh Phú 19128060 Nguyễn Trần Thành Thuận 19128080 Trịnh Bảo Tín 19128084 KÝ TÊN Ghi chú: Trưởng nhóm: Trịnh Bảo Tín *Nhận xét giảng viên Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 01 năm 2022 Giảng viên chấm điểm BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ THỨ TỰ HỌ VÀ TÊN Dương Thị Diệu Hiền Đào Vũ Nhật Hạ Nguyễn Thanh Phú Nguyễn Trần Thành Thuận Trịnh Bảo Tín NHIỆM VỤ Tóm tắt Review Review Kết luận Giới thiệu Tổng hợp Review Giới thiệu Tổng hợp, chỉnh sửa KẾT QUẢ Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt Hoàn thành tốt Hồn thành tốt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hinh 2.1 Sơ đồ cấu trúc đề xuất cho silica aerogel Hinh 2.2 Bề mặt kỵ nước ưa nước Hinh 2.3 Mô hinh chế tạo silica aerogel từ thủy tinh lỏng Hinh 2.4 Axit hóa phân tử natri silicat để tạo axit silicic phản ứng với phân tử khác 10 Hinh 2.5 Sơ đồ đài diện cho nồi sấy siêu tới hạn 14 Hinh 2.6 Sản phẩm silica aerogel từ thủy tinh lỏng 16 Hinh 2.7 Sản phẩm silica aerogels tổng hợp từ tiền chất TEOS 16 Hinh 2.8 Bề mặt silica aerogel chống thấm nước 17 Hinh 2.9 Bản vẽ bố trí địa điểm nhà máy 18 Hinh 2.10 Bản vẽ phân xưởng 19 Hinh 2.11 Sơ đồ aerogel dây mạng nano 20 Hinh 2.12 Hiện tượng dao động mạng chất rắn mặt phân cách hạt aerogel liền kề 21 Hinh 2.13 Cơ chế truyền nhiệt bên aerogel 22 Hinh 2.14 Khả dẫn nhiệt thành phần dựa tỷ trọng aerogel 23 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Tiền chất tổng hợp silica aerogel Bảng 2.2 The influence of drying techniques on the final characteristics of silica aerogel composites (obtained from TEOS85 and polyethoxydisiloxane (PEDS), a TEOS pre-polymerized 13 Bảng 2.3 Các công trinh nhà máy diện tích 17 Bảng 2.4 Effect of five precursors on the basic properties of silica aerogels Partly reproduced from ref 30 with the permission of Elsevier 24 Bảng 3.1 Tính chất vật lý (mật độ, thể tích co ngót nguyên khối) aerogel 26 Bảng 3.2 Tính chất đặc điểm ứng dụng silica aerogel 26 Bảng 3.3 Một số vật liệu composite silica tính chất vật lý chúng 29 Bảng 3.4 Mix proportions of GB-NSA cement base composites with C=Cement, S=C+GB+NSA 32 Bảng 3.5 Granule size distribution 33 DANH MỤC VIẾT TẮT APD Ambient pressure drying CNT Carbon nanotube FMWNTs Fiber multi-walled carbon nanotubes HGM Hollow Glass Micropheres MWCNTs Multi-walled carbon nanotubes PDMS Polydimethylsiloxane PEG Polyethylene glycol PVA Polyvinyl alcohol SA Silica Aerogel SAXS Small-Angle X-ray Scattering SEM Scanning Electron Microscope\ SWCNTs Single-walled carbon nanotubes SFC Supercritical Liquid Chromatography TEM Transmission Electron Microscopy TEOS Tetraethoxysilane TMOS Tetramethoxysilane MTES Methyltrimehoxysilane SCD Supercritical drying MỤC LỤC Tóm tắt Giới thiệu .1 2.1 Khái quát silica aerogel 2.2 Tính chất silica aerogel 2.2.1 Cấu trúc lỗ xốp 2.2.2 Tỷ trọng .3 2.2.3 Tính quang học 2.2.4 Tính ưa nước kỵ nước 2.2.5 Tính học âm .5 2.2.6 Tính dẫn nhiệt 2.3 Quy trinh sản xuất silica aerogel cách nhiệt 2.3.1 Giai đoạn keo hóa 2.3.2 Quá trinh lão hóa - Aging 12 2.3.3 Quá trinh sấy - Drying 13 2.3.4 Thành phẩm 15 2.4 Thiết kế phân xưởng sản xuất vật liệu silica aerogel 17 2.4.1 Bố trí địa điểm xây dựng nhà máy 17 2.4.2 Hệ thống thiết bị phân xưởng 19 2.5 Truyền nhiệt vật liệu silica aerogel .19 2.5.1 Cơ chế truyền nhiệt 19 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả truyền nhiệt silica aerogel 23 Review .25 Kết luận 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 Tóm tắt Silica aerogel vật liệu với nhiều tính chất đặc trưng có tiềm phát triển ứng dụng nhiều lĩnh vực tương lai đặc biệt với đặc tính cách nhiệt Trong báo cáo này, nhóm chúng tơi tập trung tim hiểu tính chất đặc trưng đặc điểm silica aerogel, nguyên lí cách nhiệt ứng dụng loại vật liệu lĩnh vực cụ thể Dữ liệu bải cáo cáo thu thập tổng hợp từ nghiên cứu bật silica aerogel số nghiên cứu xây dựng, phát triển giải thích mơ hinh cách nhiệt aerogel, ứng dụng silica aerogel cách nhiệt, Kết cho thấy tiềm phát triển rộng lớn silica aerogel việc thay vật liệu cách nhiệt tương lai Bên cạnh đó, chúng tơi cịn nghiên cứu tim hiểu quy trinh sản xuất từ xây dựng nên mơ hinh gia định nhà máy sản xuất silica aerogel Giới thiệu 2.1 Khái quát silica aerogel Aerogel vật liệu rắn nhẹ giới có độ dẫn nhiệt thấp tất vật liệu rắn Aerogel loại sol-gel làm khô theo cách để tránh tượng xẹp lỗ rỗng, để lại cấu trúc nano rắn nguyên vẹn vật liệu có 90–99,8% thể tích khơng khí suốt (độ truyền quang đến 90%) tỷ trọng thấp (< 3kg/m3) [4] Nhờ độ xốp cao vật liệu tạo thành làm phát sinh đặc tính vật lý khác thường [1] Sự phát triển nhanh chóng kỹ thuật sol-gel suốt hai thập kỷ qua dẫn đến tiến nhanh chóng trinh tổng hợp có chủ ý vật liệu xốp Những kỹ thuật bổ sung cho quy trinh thông thường sử dụng để chuẩn bị chất rắn thủy tinh vô định hinh, chẳng hạn phương pháp kết tủa ngâm tẩm, sau xử lý nhiệt độ cao Trong số tất vật liệu xốp rắn biết, aerogel đặc biệt biết đến với kích thước lỗ nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn khả truyền quang tốt Sự đời Aerogel bắt nguồn từ câu chuyện kể lại vào cuối năm 1920, Samuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người Mỹ đánh cược với đồng nghiệp minh Charles Learned rằng: “Có tồn loại gel không chứa thành phần chất lỏng bên nó" Tất nhiên, khơng tin điều ông nói Bằng kiên tri tâm minh, sau nhiều thử nghiệm gặp không thất bại, cuối Kistler tim loại gel trạng thái khí (khơng phải trạng thái lỏng), loại gel chưa biết đến, chí chưa tưởng tượng Ơng trở thành người thay trạng thái lỏng gel thành trạng thái khí đặt tên cho “Aerogel” Năm 1931, ơng cơng bố phát minh viết: “Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng tạp chí khoa học Nature Aerogel giới tổng hợp nên silica aerogel vào năm 1931 phương pháp trích ly hết tất dung môi hệ gel, tức phương pháp chiết suất siêu lỏng tới hạn để lại cấu trúc rắn có mật độ cực thấp Silica aerogel vật liệu rắn xốp siêu nhẹ có từ trạng thái gel tương ứng sau thành phần lỏng cấu trúc thay chất khí Hạt silica aerogel có khả cho ánh sáng xuyên qua tri đặc tính cách nhiệt Silica aerogel với thành phần chủ yếu silica khơng khí nên an tồn với sức khỏe người thân thiệt với môi trường Silica aerogel vật liệu có đặc tính khác thường diện tích bề mặt riêng cao (500–1200m2/g), độ xốp cao (80–99,8%), truyền quang cao (99%) vùng khả kiến, tỷ trọng thấp (∼0,003 g/cm3 ), giá trị cách nhiệt cao (0,005 W/mK), số điện môi cực thấp (k = 1,0–2,0), số khúc xạ thấp (∼1,05) vận tốc âm thấp (100 m/s) [3] Bởi vi silica aerogel có diện tích bề mặt lớn (500~1200 m2/g), nhiều đặc tính phụ thuộc mạnh mẽ vào chất số lượng nhóm chức có bề mặt Trong trường hợp khơng có bước sửa đổi bề mặt rõ ràng, silica aerogel mang nhóm silanol alkoxy bề mặt bên chúng, có nguồn gốc từ tiền chất silica (thủy tinh nước, silicon alkoxit) gel hóa, lão hóa, dung dịch rửa (cồn, nước) Lưu ý thành phần dung dịch sử dụng trinh chế biến quan trọng chất tiền chất Do đặc tính tuyệt vời chúng, chẳng hạn độ dẫn nhiệt cực thấp, mật độ thấp độ xốp cao, silica aerogel trở thành chất hấp phụ tiềm năng, chất xúc tác, cách nhiệt vật liệu hấp thụ âm cho mục đích mơi trường 2.2 Tính chất silica aerogel 2.2.1 Cấu trúc lỗ xốp Theo phân loại IUPAC vật liệu xốp, lỗ có đường kính nhỏ nm gọi “micropores”; loại có đường kính từ đến 50 nm gọi "mesopores”, loại có đường kính lớn 50 nm gọi "macropores" Silica aerogel có lỗ rỗng ba kích thước Tuy nhiên, phần lớn lỗ chân lông nằm dạng meso, với tương đối dạng micro Các giá trị gần kích thước lỗ từ đến 100 nm, với đường kính lỗ trung binh từ 20 đến 40 nm diện tích bề mặt BET từ 600 đến 1000m2 Độ xốp cao tới 99% tính chất "mở" tính liên kết với Tuy nhiên, cấu trúc lỗ rỗng, chất lỏng chảy từ lỗ sang lỗ khác với hạn chế hạn chế cuối qua toàn vật liệu Các cấu trúc lỗ xốp silica aerogel, dẫn đến ứng dụng làm lọc, phương tiện hấp thụ để hút ẩm Aerogel công nhận nhiều năm chất xúc tác chất hỗ trợ chất xúc tác tuyệt vời Việc nêu rõ phương pháp xác định sử dụng nêu liệu độ xốp quan trọng Aerogel có kết hợp bất thường độ xốp cao kích thước lỗ nhỏ, tạo nên đặc tính độ xốp Tất kỹ thuật dựa việc áp dụng áp suất mao dẫn mạng aerogel, gây lực nén thể tích lớn, dẫn đến giá trị kích thước thể tích lỗ xốp khơng xác [3] Hinh 2.1 Sơ đồ cấu trúc đề xuất cho silica aerogel [2] 2.2.2 Tỷ trọng Silica aerogel vật liệu có tỷ trọng thấp khoảng 95 Tuy nhiên, mục tiêu sản xuất “xanh, sạch” xu phát triển nhiều quốc gia Vi nhà nghiên cứu đưa quy trinh chuẩn bị vi hạt silica aerogel từ tro trấu, qua cho tro trấu (có hàm lượng silic cao ~ 80-90%) giải pháp thay tốt cho vật liệu thông thường khoảng thân thiện với mơi trường khơng độc hại có tiềm lớn nguồn sinh học để sản xuất quy mô lớn vi hạt silica aerogel Quá trinh từ tro trấu loại bỏ nhược điểm phương pháp silica aerogel Diện tích bề mặt 654 m2/g, cao giá trị báo cáo cho vật liệu tương tự thu [47] Với đặc tính khác thường diện tích bề mặt riêng cao (500-1200m2/g), độ xốp cao (8099,8%), truyền quang cao (99%) vùng khả kiến, mật độ thấp (∼0,003 g/cm3 ), giá trị cách nhiệt cao (0,005 W/m.K), số điện môi cực thấp (k = 1,0–2,0), số khúc xạ thấp (∼1,05) vận tốc âm thấp (100 m/s) Silica aerogel sử dụng tất lĩnh vực đời sống như: xây dựng, sơn, y học, hóa học, vật liệu, Bảng 3.2 Tính chất đặc điểm ứng dụng silica aerogel Tính chất Nhiệt Đặc điểm    Chất rắn cách nhiệt tốt Transparent Lightweight Ứng dụng Vật liệu cách nhiệt xây dựng, phương tiện vũ trụ, đúc khuôn 26 Density/porosity    Optical    Lightest synthetic solid Homogeneous Multiple compositions Catalysts, sorbers, sensors, fuel storage, ion exchange Low refractive index Cherenkov detectors, lightweight optics, special solid effect optics Transparent Multiple compositions Acoustic  Low speed of sound Sound absorption materials, impedance matchers for transducers, range finders, speakers Mechanical  Elastic, lightweight Energy absorber, hypervelocity particle trap Electrical  Lowest dielectric constant High dielectric strength High surface area Dielectrics for ICs, spacers for vacuum electrodes, vacuum display spacers, capacitors   Các ứng dụng nghiên cứu đăng trang tạp chí khoa học tiếng cụ thể trinh bày đây: Lĩnh vực hóa học: silica aerogel nghiên cứu khả làm pha tĩnh để phân tách sắc ký chất lỏng siêu tới hạn (SFC) Hai loại hạt silica aerogel nghiên cứu : silica aerogel nghiền ngun khối, sau sàng đến kích thước mong muốn hạt aerogel chuẩn bị cách phun sol trực tiếp vào nồi hấp Kết thí nghiệm cho thấy việc tách hydrocacbon thơm đa vòng đạt thành công cột chứa đầy silica aerogel nghiền phun Số lượng đĩa lý thuyết cho cột cho thấy aerogel chuẩn bị cách phun sol trực tiếp nồi hấp hoạt động tốt so với loại nghiền nhỏ Hiệu suất chúng không tốt cột silicagel thương mại phân tách khả quan [48] Kết hợp Vanadia-silica aerogel (chứa 10 đến 30% trọng lượng V2O5 aerogel) hoạt động xúc tác khử chọn lọc NO NH3 thử nghiệm so sánh với chất xúc tác vanadi-silica vanadia-titania Tần số vòng quay SCR nhiệt độ T5,50K hoạt động xúc tác tốt quan sát với oxit hỗn hợp vanadia-silica mà quang phổ Raman diện V2O5 tinh thể, trường hợp aerogel thu cách làm khô siêu tới hạn nhiệt độ cao aerogel nhiệt độ thấp với hàm lượng vanadi cao (30% trọng lượng) [49] Lĩnh vực xây dựng: việc ứng dụng aerogel cách nhiệt cho vật liệu xây dựng đưa hứa hẹn silica aerogel thay vật liệu xây dựng cách nhiệt truyền thống tương lai, tiềm khác có khả tiết kiệm lượng lớn sử dụng cửa sổ cửa sổ trần [50] Silica aerogel nguyên khối có tính chất nhiệt quang học tốt silica aerogel 27 dạng hạt, lại có độ bền uốn không cao, dễ bị nứt vỡ tác dụng ngoại lực, cụ thể sức gió tịa nhà cao tầng Đối với silica aerogel dạng hạt khơng tốt dạng ngun khối, có ứng dụng thú vị lĩnh vực xây dựng Kích thước hạt cỡ nhỏ có tính cách nhiệt cao độ truyền sáng thấp hơn, thích hợp để chế tạo loại kính có khả truyền nhiệt thấp truyền ánh sáng mặt trời cao đảm bảo độ riêng tư cho người sử dụng [51] Những đặc tính thích hợp dùng làm lớp kính cách nhiệt bao phủ bên ngồi tòa nhà để tăng lượng ánh sáng tự nhiên mà đảm bảo cách nhiệt tiết kiệm lượng Hệ thống chiếu sáng ban ngày sử dụng aerogel có hệ số truyền nhiệt nhỏ 0,4 W/(m2/K) tổng lượng mặt trời truyền từ 17% đến 45% với độ dày 50 mm Kính với lớp silica aerogel tích hợp vào mặt tiền tịa nhà lớn sử dụng gia đinh, với khả truyền lượng mặt trời cao độ dẫn nhiệt thấp để tiết kiệm lượng chiếu sáng sưởi ấm [52] Lĩnh vực vật liệu: vật liệu ceramics cách nhiệt HGM (hollow glass micropheres) tạo thành từ trinh nung thiêu kết, sau ta tiến hành ngâm HGM thu vào silica aerogel đem sấy áp suất thông thường thi thu HGMs Về tính cách nhiệt HGMs, độ dẫn nhiệt giảm 27% (từ 0.0454 0.0335 W/m.K) H20-700oC Về độ chống thấm HGM, vi cấu trúc HGM có nhiều khoảng khơng nên độ hút nước cao, ta thêm silica aerogel vào thi tính hút nước giảm đáng kể (góc thấm ướt từ 12,5 tăng lên 154,5) [53] Vật liệu khác nghiên cứu để giảm khả dẫn nhiệt cách cho silica aerogel phân tán vào PDMS (polydimethylsiloxane) dùng ethanol để hạn chế PDMS lấp đầy lỗ trống silica aerogel Cho thấy độ dẫn nhiệt giảm tỷ lệ silica aerogel tăng, cụ thể từ 0.149 W/m.K (0% silica aerogel) giảm xuống 0.018 W/m.K (12% silica aerogel) tính chống cháy vật liệu tăng lên từ 25.2% đến 26.4% - thể đại lượng LOI [54] Một nghiên cứu khác kính phủ low-e aerogel dạng hạt nguyên khối không gian (độ dày 14mm) Chất giúp kính có tính phát xạ nhiệt chậm, làm giảm phát tán, hấp thụ nhiệt lượng chậm có chức phản xạ lại ánh sáng mặt trời giúp không gian bên giữ nhiệt độ ổn định (giảm 72% độ thất thoát nhiệt), tiêu âm giảm tiếng ồn (giảm 17% độ truyền sáng so sánh với kính hai lớp với lớp low-e), mà đảm bảo độ sáng phịng Ngồi ra, cho thấy silica aerogel ngun khối có tính chất tốt so với silica aerogel dạng hạt khả truyền ánh sáng, cách nhiệt, hệ số mặt trời, số hoàn màu [55] Jong-Ah Paik cộng chọn TiO2 làm chất làm mờ để sản xuất vật liệu composite aerogel có độ dẫn nhiệt thấp tới 0,028 W/m.K 1073K Họ đo mối quan hệ độ dẫn nhiệt hàm lượng TiO2 đơn vị thể tích nhiệt độ hoạt động 297K, 573K, 873K, 973K 1073K Kết họ cho thấy hàm lượng TiO2 dẫn đến độ dẫn nhiệt tối thiểu nhiệt độ khác 100 mg/cm3 Ngoài ra, có nhiều nghiên cứu khác chọn TiO2 chất làm mờ để giảm truyền nhiệt xạ nhiệt bên vật liệu aerogel [40,56,57,58,59] Lĩnh vực in, sơn: tính chất cách nhiệt silica aerogel sử dụng thường thấy vật liệu xây dựng cách nhiệt Nhưng có khác biệt chút, sử dụng silica aerogel in phun để tạo lớp cách nhiệt có hoa văn, điều ứng dụng việc sản xuất vật liệu cách 28 nhiệt siêu nhỏ pin hay chip điện tử Độ dày lớp silica aerogel phụ thuộc vào số chu ki in Ngoài ra, độ dẫn nhiệt silica aerogel đo khoảng 30-300oC Trước thiêu kết, silica aerogel có hệ số dẫn nhiệt 0,269-0,281 W/m.K, sau thiêu kết giảm đáng kể 0,047-0,068 W/m.K, đảm bảo cách nhiệt tuyệt vời mà mang lại Điều ứng dụng tích cực lĩnh vực sản xuất vật liệu kích thước nhỏ [60] Đối với hạt silica aerogel gốc ưa nước ứng dụng sơn cách nhiệt Thơng qua sấy trộn với chất để hồ CaCO3/TiO2 chuẩn bị nhựa acrylic để tạo thành sơn cách nhiệt [61] Qua thí nghiệm cho thấy, độ cách nhiệt sơn tăng tỉ lệ khối lượng silica aerogel sơn tăng lên hiệu 6%, nhiệt độ chênh lệch sơn gốc nước silica aerogel/ sơn thông thường 1.2 nhiệt độ môi trường 45oC, ta tăng tỉ lệ khối lượng silica aerogel lên 6% thi tính cách nhiệt giảm vi lớp phủ xuất vết nứt cục nhỏ Vi vậy, việc bổ sung silica aerogel vào sơn gốc nước làm tăng hiệu cách nhiệt từ giúp tiết kiệm lượng cho việc sưởi ấm làm mát cho ngơi nhà, bên cạnh cịn có tính kỵ nước giúp chống thấm ẩm mốc [61] Lĩnh vực y học: Những đặc tính độc đáo aerogels thu hút nhiều nhà nghiên cứu lĩnh vực y học Các vi hạt silica aerogel tương hợp sinh học thúc đẩy phương tiện vận chuyển thuốc vi bề mặt rộng cấu trúc lỗ xốp chúng Các nhà nghiên cứu điều tra ảnh hưởng chất hóa lý đặc tính silica aerogel ( mật độ, diện tích bề mặt cụ thể , kích thước lỗ tính kỵ nước) sự hấp phụ sáu loại thuốc hòa tan nước (profens: ketoprofen, flurbiprofen, buprofen profens: miconazole, griseofulvin dithranol) Cấu trúc vi mô aerogel bao gồm lỗ rỗng mở có kích thước nano, độ xốp cao, hạt sơ cấp liên kết tạo thành mạng ba chiều, điều chỉnh thông qua tổng hợp quy trinh sol-gel cho phép phân tử hữu nhỏ lắng đọng [62] Độ bền học nhược điểm dẫn đến hạn chế việc ứng dụng silica aerogel cho phép dễ dàng kết hợp hợp chất khác vào cấu trúc chúng, cho phép sản xuất vật liệu có đặc điểm khác biệt với vật liệu silica aerogel Một giải pháp thay tương đối gần kết hợp với vật liệu nano cacbon, bao gồm ống nano cacbon, sợi nano carbon, graphene aerogel cacbon Sự kết hợp vật liệu cacbon với silica aerogel tạo vật liệu với hiệu suất điện hóa độc đáo, đặc tính nhiệt, hấp phụ gia cố tính [63] Bảng 3.3 Một số vật liệu composite silica tính chất vật lý chúng Tham khảo H Bargozin, L Amirkhani, J S Moghaddas and Vật liệu composite aerogel Silica aerogel– MWCNTs Lượng carbon tối ưu cho ứng dụng chọn Diện tích bề mặt cụ thể (m /g ) Khối lượng lỗ trống (cm /g) Mật độ (g/cm ) Kích thước lỗ trống trung binh (nm) Ứng dụng 0.05 g of MWCNTs 802.0 3.6 0.230 2.5 Chất hấp phụ 3 29 M M Ahadian, Sci Iran., 2010, 17, 122–132 J G Duque, C E SWCNTs–silica Hamilton, G Gupta, S A Crooker, J J Crochet, A Mohite, H Htoon, K A D Obrey, A M Dattelbaum and S K Doorn, ACS Nano, 2011, 5, 6686–6694 10 mg of raw SWCNTs ~1400.0 _ ~0.057 ~6.0 _ U K H Bangi, M Silica aerogel S Kavale, S Baek doped with and H.-H Park, J MWCNTs SolGel Sci Technol., 2012, 62, 201–207 0.5 mL 706.0 2.13 0.053 12.1 _ B Wang, K Song, Y Han and T Zhang, J Wuhan Univ Technol., Mater Sci Ed., 2012, 27, 512–515 MWCNT doped silica vol% _ _ 0.193 2.0–50.0 _ T Sun, Q Zhuo, X Liu, Z Sun, Z Wu and H Fan, J Porous Mater., 2014, 21, 967–973 CNT/silica 400 mg _ 2.92 0.062 _ Chất hấp phụ 0.042 wt% _ _ _ _ Cách nhiệt A I Chernov, A Y Predein, A F Danilyuk, V L Kuznetsov, T V Larina and E D Obraztsova, Phys Status Solidi B, 2016, 253, 2440– 2445 Silica aerogel Maximum with incorporated of 0.8 wt% MWCNTs _ _ 0.250 3.0–20.0 _ J Huang, H Liu, S Chen and C Ding, J Environ MWCNTs–silica _ 4.58a 21.83b 0.201a 0.045b ~20.0 M Sachithanadam Gelatin silica and S C Joshi, aerogel doped Int J Heat Mass with FMWNTs Transfer, 2015, 87, 606–615 Mass fraction of 8% Chất hấp phụ 30 Chem Eng., 2016, 4, 3274–3282 a- Các giá trị thể tích mật độ lỗ aerogel nguyên khối b- Giá trị thể tích lỗ aerogel khoảng trống mảnh aerogel mật độ mảnh aerogel Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ MWCNTs Multi-walled carbon nanotubes SWCNTs Single-walled carbon nanotubes CNT Carbon nanotube FMWNTs Fiber multi-walled carbon nanotubes Một số nghiên cứu cụ thể composite aerogel: Đối với gia cường sợi: Một ví dụ điển hinh sử dụng sợi gốm làm sợi gia cường báo cáo White Rask, người chế tạo chắn nhiệt composite aerogel sợi gốm-SiO2 NASA [64] Wang, Feng cộng ứng dụng sợi gia cường gốm để chế tạo vật liệu composite aerogel có hệ số dẫn nhiệt 0,02 W/m.K nhiệt độ phòng 0,038 W/m.K 800K Độ bền học composite cải thiện từ 1,8x104 Pa lên 1,2x105 Pa [40,56,65] Công ty Aspen Airgel sử dụng sợi silica để điều chế vật liệu composite SiO2 aerogel thương mại gọi AX9912 AX9913, sản phẩm làm việc nhiều điều kiện nhiệt độ 650C làm việc thời gian ngắn nhiệt độ 1200 C [66] Vào 8/2009 11/2009, Wendell Rhine, Jong-Ah Paik cộng báo cáo kết họ chọn sợi silica làm chất gia cường cho vật liệu aerogel, sợi mullite xonotlite ứng dụng để nâng cao tính chất học aerogel [57,6771] Một loại vật liệu composite tạo thành từ silica aerogel sợi polyester vừa có tính cách nhiệt vừa chống chịu độ ẩm tốt nghiên cứu Việc kết hợp kỳ vọng tạo loại vật liệu vừa đảm bảo yêu cầu cách nhiệt chống thấm vừa đảm bảo yêu cầu độ bền Qua thí nghiệm cho thấy, độ truyền nước composite giảm xuống rõ rệt so với sợi thông thường tỉ lệ thuận với tỉ lệ silica aerogel Cụ thể tốc độ truyền nước sợi thông thường 6.5-77.0 g/m2.h , composite 5.9 – 31.8 g/m2.h Khi độ ẩm khơng khí tăng thi độ dẫn nhiệt vật liệu tăng lên, không đáng kể Cụ thể độ ẩm tăng từ 70% lên 90%, độ dẫn nhiệt composite tăng nhẹ từ 0.0176 W/m.K lên 0.0187 W/m.K, thấp so sánh với sợi thông thường 0.0562 W/m.K 0.1687 W/m.K [72] Tăng tính thêm sợi thủy tinh, cụ thể thêm sợi thủy tinh độ bên tăng, nhiệt độ tăng không ảnh hưởng tới khả cách nhiệt Còn TiO2 làm giảm khả dẫn nhiệt Đối với áp suất nén thi nén áp suất vừa phải cho độ dẫn nhiệt nhỏ nén áp suất cao thấp, điều giải thích qua lượng khơng khí lỗ trống độ đặc khối vật liệu Dựa nhà nghiên cứu dựa yếu tố để thu khối silica aerogel có độ dẫn nhiệt tối 31 ưu [73] Tuy kết hợp sợi thủy tinh silica aerogel để tạo thành loại vật liệu composite có độ bền cải thiện chưa tối ưu tính chất cách nhiệt Người ta tim hiểu cách tạo loại vật liệu composite từ silica aerogel, fume silica sợi thủy tinh Việc thêm fume silica giúp ta cải thiện độ cách nhiệt tri độ bền mong muốn Cụ thể với tỉ lệ fume silica aerogel 7%, ta thu composite với độ dẫn nhiệt thấp độ bền cao nhất, với độ dẫn nhiệt W 0.0194 ±0.0004 W/m.K so với W 0.0259 ±0.0006 W/m.K silica aerogel tinh khiết, độ bền thi fume silica (7%) cho ứng suất uốn 0.58MPa so với mức 0.30MPa silica aerogel tinh khiết [74] Kết hợp hạt: Hiện vấn đề biến đổi khí hậu ngày nghiêm trọng, đặt nhiều toán cần giải cho người, số phải tiết kiệm lượng giảm phát thải khí nhà kính Việc tiết kiệm lượng tòa nhà nhờ loại vật liệu giúp giảm đáng kể lượng tiêu tốn Xi măng truyền thống sử dụng cách rộng rãi lại có nhược điểm trọng lượng riêng lớn làm tăng tải trọng tịa nhà, bên cạnh cịn cách nhiệt dẫn đến không tiết kiệm lượng Ở cách thêm GB NSA người ta nhận thấy tạo loại vật liệu có tỉ trọng nhẹ hơn, cách nhiệt tốt đáp ứng độ bền học cần thiết Nguyên nhân cho vi thêm GB NSA giúp tăng độ xốp tăng liên kết cấu tử với Việc tạo vật liệu composites từ kết hợp xi măng, GB, NSA giúp cải thiện độ cách nhiệt giảm trọng lượng vật liệu mà đáp ứng độ bền học yêu cầu Điều không giúp tiết kiệm lượng sưởi ấm làm mát tòa nhà mà cịn giảm tải trọng cơng trinh giúp tiết kiệm chi phí móng Nhưng phải điều chỉnh tỉ lệ phối liệu mức hợp lý để đảm bảo yêu cầu đề độ bền chi phí sản xuất [75] Bảng 3.4 Mix proportions of GB-NSA cement base composites with C=Cement, S=C+GB+NSA Mix ID Cement (C/S) GB (GB/S) NSA (NSA/S) W SP/(C+NSA) (by mass, %) GB-NSA#1 989.90 (0.50) 331.21 (0.50) 494.95 2.00 GB-NSA#2 757.01 (0.48) 266.62 (0.50) 0.89 (0.025) 454.21 2.26 GB-NSA#3 731.59 (0.45) 271.98 (0.50) 1.81 (0.05) 558.27 2.53 GB-NSA#4 538.75 (0.40) 225.32 (0.50) 3.00 (1.00) 538.75 3.09 GB-NSA#5 518.44 (0.35) 247.81 (0.50) 4.96 (0.15) 622.13 3.71 GB-NSA#6 393.46 (0.30) 189.59 (0.50) 5.69 (0.20) 550.84 4.38 GB-NSA#7 336.72 (0.25) 225.33 (0.50) 7.50 (0.25) 538.75 5.10 Kết hợp ống nano carbon: Người ta nghiên cứu thảo luận biến thể vệ độ dẫn nhiệt khối hỗn hợp gelatin silica aerogel-natri dodecyl sulfat (GSA-SDS) xử lý chất kết dính với ống nano cacbon đa thành có nhóm chức COOH (FMWNT) điều chế thơng qua phương pháp đơng khơ tạo bọt Bên cạnh đó, ảnh hưởng kích thước hạt silica aerogel tỉ lệ khối lượng FMWNT đến độ dẫn nhiệt nghiên cứu Cụ thể, ví dụ composite, độ dẫn nhiệt thấp vào khoảng 0,016 W/mK 0,042 wt% FMWNT thêm vào gelatin với tỉ lệ khối lượng 0,1:0,9 mà khơng có SDS Dưới bảng số liệu cho thấy phân bố kích thước khác từ 10 hạt thơng qua sàng lọc máy lắc sàng học [76] 32 Bảng 3.5 Granule size distribution Particle size distribution Granule size 1st set 4th set 2nd set % 3rd set % 5th set (%) (%) (%) 0.28 0.00 0.45 1.11 0.14 3.35≤x