1.2.6.1 Độ rỗng
Đặc điểm khác biệt về cấu trúc của các vật liệu cách nhiệt dạng xơ là cấu trúc rỗng cao. Do chúng có cấu trúc rỗng cao, không khí chứa đầy các lỗ rỗng ở trạng thái tĩnh là các chất dẫn nhiệt kém, do đó nó có khả năng giảm khá lớn sự truyền nhiệt.
Độ rỗng của vật liệu cách nhiệt dạng xơ được tạo ra bởi khoảng không gian giữa các xơ nên độ rỗng phụ thuộc vào độ dài, đường kính xơ.
Hình 1.22: Quan hệ giữa độ rỗng và độ dẫn nhiệt
Vật liệu càng rỗng, dẫn nhiệt càng kém (cách nhiệt tốt), hay nói cách khác vật liệu càng nặng thì dẫn nhiệt càng tốt [39]. Ví dụ khi nghiên cứu tấm xơ gốm có độ rỗng cao ở nhiệt độ phòng cho thấy khi độ rỗng tăng lên thì độ dẫn nhiệt giảm.
0
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 48 [25]. Tuy nhiên khi tăng độ rỗng đến một giá trị nào đó thì hệ số truyền nhiệt của vật liệu lại bắt đầu tăng lên tức hiệu quả cách nhiệt lại giảm. Thí nghiệm vật lý trên tấm cách nhiệt xơ thủy tinh đã chỉ ra rằng khi độ rỗng của vật liệu tăng lên thì hệ số truyền nhiệt hiệu quả của vật liệu giảm, điều này phù hợp với thực tế vì hệ số dẫn nhiệt của thủy tinh khá lớn so với không khí. Nhưng điều này chỉ đúng với một mức độ rỗng nhất định [44].
Hình 1.23: Ảnh hưởng của độ rỗng và hệ số truyền nhiệt của tấm xơ thủy tinh cách nhiệt. (a, mặt cắt ngang của tấm xơ thủy tinh cách nhiệt b, biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và độ rỗng theo 2 nhà nghiên cứu Kalabin và Zeitler).
Đối với vật liệu cách nhiệt cần phân biệt độ rỗng vi mô và độ rỗng vĩ mô. Chỉ có các lỗ rỗng vĩ mô, tức là các lỗ rỗng quan sát bằng mắt thường mới ảnh hưởng đến tính chất nhiệt lý của vật liệu cách nhiệt. Kích thước và hình dạng của các lỗ rỗng có ảnh hưởng đến tính chất nhiệt lý cũng như tính chất cơ lý của vật liệu.
Phương pháp sắp xếp không chặt chẽ được áp dụng phổ biến trong công nghệ tạo độ rỗng cho vật liệu cách nhiệt dạng xơ. Ngoài ra để tăng hiệu quả cách nhiệt có thể tạo cấu trúc xơ rỗng. Xơ được nghiên cứu và sản xuất dưới các hình thái đặc biệt với các lỗ rỗng nhiều hơn bình thường đển ngăn nhiệt từ bên ngoài tác động vào.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 49
1.2.6.2 Độ ẩm và nhiệt độ
a. Độ ẩm
Vật liệu cách nhiệt khi bị làm ẩm thì cường độ cơ học của vật liệu giảm, đồng thời khả năng cách nhiệt, độ bền sinh học…cũng suy giảm. Trong nhiều trường hợp khi bão hòa nước, vật liệu sẽ trương nở và thay đổi cấu trúc làm giảm đột ngột khả năng cách nhiệt của chúng. Do vậy khi lựa chọn vật liệu cách nhiệt cần tính đến khả năng thay đổi cấu trúc và tăng tính dẫn nhiệt trong điều kiện bị làm ẩm. Độ ẩm của vật liệu tăng lên thì hệ số dẫn nhiệt cũng tăng lên. Bằng chứng khi nghiên cứu trên 2 mẫu thí nghiệm là bã mía trong môi trường không khí khô và môi trường không khí có độ ẩm 5%, hình dạng 2 đồ thị có hình dạng giống nhau thể hiện quy luật quan hệ giữa khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt tương tự các nghiên cứu khác. Nhưng do nước có hệ số dẫn nhiệt cao hơn gấp 25 lần so với các vật liệu cách nhiệt khác nên đối với mẫu bã mía có độ ẩm 5% thì hệ số dẫn nhiệt có giá trị cao hơn liên tục trong khoảng 0.0056 W/m.k tương ứng tăng 17% [21].
Hình 1.24: Mối tương quan giữa khối lượng riêng và độ dẫn nhiệt với vật liệu là bã mía[21] (a - bã mía trong môi trường không khí khô, b - bã mía môi trường không khí có độ ẩm 5%.)
Vật liệu cách nhiệt hút ẩm càng nhiều thì khả năng cách nhiệt giảm dần [19]. Qua đồ thị 1.26 xơ khoáng với các độ ẩm khác nhau nhưng khi % độ ẩm tăng lên thì
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 50 hệ số dẫn nhiệt cũng tăng lên cùng chiều. Xơ khoáng có độ ẩm thấp 0,0 - 0,1 %, mặc dù nhiệt độ có lên nhưng độ dẫn nhiệt cũng không thay đổi. Tuy nhiên xơ khoáng có độ ẩm càng tăng thì sự thay đổi của độ dẫn nhiệt càng lớn khi nhiệt độ tăng.
Hình 1.25: Mối tương quan giữa độ dẫn nhiệt, độ ẩm và nhiệt độ đối với xơ khoáng.
Khi độ ẩm thay đổi độ dẫn nhiệt được xác định theo công thức [6]:
w w W (1 ) 100 k (1-19) Trong đó: w
và k - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm và vật liệu khô, W/m.0C;w- số gia hệ số dẫn nhiệt khi độ ẩm thể tích tăng lên 1%; W - độ ẩm thể tích, %.
Ảnh hưởng của điều kiện sử dụng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt thể hiện khá rõ, ngoài yếu tố độ ẩm, nhiệt độ sử dụng cũng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt. Mối quan hệ giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ là mối quan hệ cùng chiều, khi nhiệt độ tăng lên độ dẫn nhiệt cũng tăng lên với nhiều loại vật liệu khác nhau như xơ khoáng, XPS, EPS…[19]
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 51
Hình 1.26: Ảnh hưởng nhiệt độ đối với hệ số dẫn nhiệt
Quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ với vật liệu cách nhiệt từ xơ tự nhiên cũng tương tự, đó là khi nhiệt độ tăng lên hệ số dẫn nhiệt cũng tăng lên. Nghiên cứu trên vật liệu cách nhiệt làm từ gai dầu và lanh. Sáu loại mẫu thì nghiệm được sử dụng có nguồn gốc từ 2 loại xơ thiên nhiên lanh và gai. Ba mẫu đầu F1, F2 và F3 nguyên liệu chính là xơ lanh 85% và 15% chất kết dính, tuy nhiên 3 mẫu khác nhau do kích thước của xơ lanh. Ba mẫu còn lại H1, H2, H3 là 3 hỗn hợp với tỉ lệ khác nhau của xơ gai, chất kết dính từ polyester và shives từ cây gai dầu. Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt của mẫu H3 là thấp nhất với tỉ lệ tăng của hệ số dẫn nhiệt là 15,13%; ngược lại tỉ lệ tăng của hệ số dẫn nhiệt mẫu H2 là cao nhất 18,62%. Sự khác biệt về thành phần cũng như kích thước của nguyên liệu là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về mức độ thay đổi hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ, độ ẩm [29].
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 52 Tương tự cũng thí nghiệm với 6 mẫu trên thì hệ số dẫn nhiệt của các mẫu cũng tăng lên khi độ ẩm tăng lên. Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt thấp nhất là mẫu H3 với tỉ lệ thay đổi là 14,31%; trong khi đó mẫu F2 là 18,73%. Có thể thấy trong 6 mẫu đó thì mẫu H3 là vật liệu cách nhiệt tốt hơn nhất.
Hình 1.28: Mối quan hệ độ ẩm, thành phần vật liệu và hệ số dẫn nhiệt.
Độ ẩm gây suy thoái đáng kể tính cách nhiệt của tất cả mẫu thí nghiệm. Trong trường hợp thay đổi độ ẩm thì thông số nguyên liệu và độ dày của xơ ảnh hưởng rất nhiều đến truyền nhiệt. Mẫu 4,5,6 với thành phần xơ chính là lông cừu thì độ dẫn nhiệt thay đổi nhiều hơn so với mẫu 1,2,3 với thành phần xơ chính là xơ gai dầu kỹ thuật [28].
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 53
b. Nhiệt độ
Nhiệt độ trung bình tăng lên thì hệ số dẫn nhiệt tăng lên và mật độ cách nhiệt tối ưu cũng tăng lên. Như vậy tùy theo nhu cầu sử dụng vật liệu cách nhiệt ở nhiệt độ khác nhau nên chọn khối lượng thể tích vật liệu sao cho phù hợp.
Hình 1.30: Mối quan hệ giữa nhiệt độ, khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt Nguồn: http://www.paroc.fi/Knowhow/Energy-Efficiency/Building-
design/Envelope?sc_lang=en
Giá trị hệ số dẫn nhiệt thường xác định ở nhiệt độ 0oC hoặc 25oC, ở nhiệt độ bất kỳ khác 0oC, hệ số dẫn nhiệt được tính theo công thức dưới đây [6]:
t 0 (1 t) (1-20)
Trong đó:
t
và 0 - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở toC và 0oC ở trạng thái khô; - số gia hệ số dẫn nhiệt khi nhiệt độ tăng 1oC. Giá trị thay đổi phụ thuộc vào tính chất lỗ rỗng và khoảng nhiệt nhiệt độ, dao động từ 2.10-2 – 3,5.10-3.
1.2.6.3 Đường kính xơ và cấu trúc xơ
Đường kính của xơ là một yếu tố quan trọng đối với vật liệu cách nhiệt. Xơ khoáng có đường kính xơ càng mảnh tính cách nhiệt càng tốt [43]. Tuy nhiên một số loại xơ hữu cơ như với các loại xơ lanh, gai, đay với đường kính xơ lớn và có độ xốp rất cao nên cũng phù hợp để sản xuất vật liệu cách nhiệt. Trong nghiên cứu cho
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 54 thấy trong mối quan hệ giữa khối lượng thể tích, đường kính xơ với hệ số dẫn nhiệt thì khối lượng thể tích ảnh hưởng nhiều hơn. Jiri Zach and Jitka Hroudova đã xây dựng mối quan hệ giữa đường kính xơ với hệ số dẫn nhiệt cho các mẫu cùng khối lượng thể tích là 30 kg/m3
với các mẫu thí nghiệm từ xơ sợi thiên nhiên [26].
Theo Phillip W. Gibson [20], nghiên cứu về xơ thủy tinh cách nhiệt vào khoảng năm 1940-1960 cho thấy đường kính xơ trong khoảng 5-10μm thì có các đặc tính cách nhiệt tốt nhất, với những xơ có đường kính nhỏ hơn 0,5μm thì thành phần bức xạ nhiệt có giá trị tối thiểu nên có thể bỏ qua.
Nhiều nghiên cứu đã đưa ra quan điểm khi đường kính xơ tăng lên thì hệ số dẫn nhiệt tăng đồng nghĩa với việc tính cách nhiệt giảm [40]. Hiện nay chưa có nhiều các nghiên cứu về cơ chế truyền nhiệt đối với xơ có nano - đường kính nhỏ hơn 1μm. Nhưng với vật liệu cách nhiệt ứng dụng trong trang phục thì để giảm trọng lượng và số lớp quần áo, trong thành phần vật liệu nên kết hợp với các xơ nano.
Hình 1.31: Quan hệ giữa độ dẫn nhiệt và đường kính xơ [40].
Nghiên cứu của truyền nhiệt bức xạ trong vật liệu cách nhiệt từ xơ có hình trụ rỗng và xơ đặc có phủ một lớp điện môi mỏng bên ngoài. Kết quả cho thấy, xơ rỗng có bức xạ tán xạ ngược cao hơn và hệ số dập tắt cao hơn so với xơ đặc có cùng một đường kính. Việc sử dụng các xơ có cấu trúc rỗng trong vật liệu cách nhiệt mang lại nhiều lợi ích như vật liệu có trọng lượng nhẹ hơn, khả năng dẫn nhiệt thấp
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 55 và ngăn ngừa mất nhiệt do bức xạ. Đối với xơ có phủ lớp điện môi mỏng bên ngoài thì để đạt hiệu quả thì lớp phủ ngoài phải dày và có chiết suất cao [63].
1.2.6.4 Khối lượng thể tích
Vật liệu cách nhiệt có khối lượng thể tích thấp thì độ rỗng cao. Nói chung vật liệu cách nhiệt có khối lượng thấp thì độ thấm không khí cao. Hơn nữa, dòng nhiệt có thể truyền qua trong khu vực bước sóng hồng ngoại vì cấu trúc xơ tương đối lỏng lẻo. Tăng mật độ giá trị độ dẫn nhiệt giảm là do ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và chiều của nó. Khi tăng khối lượng thể tích của vật liệu thì hệ số dẫn nhiệt giảm dần do thành phần bức xạ nhiệt có chiều ngược với chiều truyền nhiệt tiếp xúc. Sau đó tại một giá trị khối lượng nhất định tùy theo từng loại vật liệu, hệ số dẫn nhiệt lại tăng lên, nguyên nhân do lúc này phương thức truyền nhiệt tiếp xúc qua môi trường chất rắn chiếm ưu thế hơn so với bức xạ nhiệt [26].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt. Ban đầu hệ số dẫn nhiệt sẽ giảm nhanh đến một giá trị mật độ khối lượng thể tích tối ưu thì sau đó hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng lên khi khối lượng thể tích tăng.
Hình 1.32: Ảnh hưởng của khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt Nguồn: http://www.paroc.fi/Knowhow/Energy-Efficiency/Building-
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 56 Dùng phương pháp nội suy đối với vật liệu từ tấm xơ gai, hệ số dẫn nhiệt giảm từ 25 - 75kg/m3, đạt giá trị cực tiểu tại 77kg/m3, sau đó hệ số dẫn nhiệt tăng lên từ 75 - 110kg/m3, qua nghiên cứu cho thấy rằng giá trị tối ưu để vật liệu cách nhiệt tốt thì khối lượng thể tích nằm trong khoảng 50 - 100kg/m3 [26]. Tương tự khi nghiên cứu trên các tấm xơ đay, xơ lanh, xơ gai với hàm lượng xơ khác nhau nhưng hàm lượng chất kết dính giống nhau, quy luật biến thiên của hệ số dẫn nhiệt giống như trong nghiên cứu này, khối lượng thể tích trong khoảng 25 - 75kg/m3
thì hệ số dẫn nhiệt giảm, trong khoảng 75 - 80kg/m3 vật liệu có tính cách nhiệt tốt nhất, và từ 75 - 80kg/m3 thì tính cách nhiệt lại thấp đi [27].
Hình 1.33: Quan hệ khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt với xơ gai [26]
Mối quan hệ giữa khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt trong nghiên cứu cũng giống như Krishpersad Manohar [33] khi nghiên cứu về các vật liệu cách nhiệt có nguồn phế phẩm nông nghiệp dùng trong xây dựng, ban đầu với vật liệu là sợi cọ dầu trong khoảng khối lượng thể tích 20 - 120kg/m3 ở các nhiệt độ 20oC, 25oC và 30oC cho thấy giá trị λ tối thiểu là 0.05550W/m.K, 0.05690W/m.K và 0.05784 W/m.K tương ứng ở mức khối lượng tối ưu là 100kg/m3. Sau đó Krishpersad Manohar cũng đã nghiên cứu trên tấm xơ dừa trong khoảng khối lượng thể tích 40 - 90 kg/m3 ở nhiệt độ 15,6oC và 21,8oC và tấm xơ mía trong khoảng khối lượng thể tích 70 - 120 kg/m3 ở nhiệt độ 18oC, 24oC và 32oC, giá trị λ đạt tối ưu ở mức khối lượng thể tích 100kg/m3 với sợi cọ dầu và xơ mía; 75 kg/m3 với xơ dừa [34].
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 57 Nghiên cứu trên 2 tấm cách nhiệt từ bã mía trong điều kiện không khí khô và tấm cách nhiệt từ bã mía với độ ẩm không khí 5%, đồ thị mối tương quan giữa khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt có hình dạng giống nhau, 2 tấm có hệ số dẫn nhiệt thấp nhất khi khối lượng thể tích là 67kg/m3, và từ khoảng 67 - 110kg/m3 hệ số dẫn nhiệt lại tăng lên [21].
Quy luật quan hệ giữa khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt này cũng phù hợp với rất nhiều loại vật liệu cách nhiệt làm từ các nguyên liệu rất đa dạng như: xơ khoáng, xơ thủy tinh, xơ xenlulo, xơ polyester, lông cừu...thì hệ số dẫn nhiệt ban đầu cũng giảm nhưng sau đó sẽ tăng lên khi khối lượng thể tích tăng, vật liệu cách nhiệt đạt hiệu quả trong khoảng khối lượng thể tích từ 10 - 100kg/m3 [23].
1.2.6.5 Sự phân bố xơ
Sự phân bố xơ trong vật liệu cách nhiệt phụ thuộc vào chất liệu xơ, phương pháp sản xuất và mục đích sử dụng cuối cùng. Xơ trong vật liệu cách nhiệt có thể được phân bố theo 3 quy luật: xơ định hướng thẳng đứng với chiều dòng nhiệt, xơ phân bố ngẫu nhiên, 50% xơ định hướng thẳng đứng với chiều dòng nhiệt, 50% xơ phân bố ngẫu nhiên [15]. Hầu hết vật liệu cách nhiệt dạng xơ có độ rỗng cao, xơ được phân bố ngẫu nhiên không theo một quy luật nào cả.