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.
Hình 1.34: Mô hình thể hiện sự phân bố xơ trong vật liệu
Nguồn: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306912005109
Vật liệu cách nhiệt có nguồn gốc từ xơ sợi tự nhiên là một tiến bộ trong việc sử dụng các nguyên liệu thứ cấp hoặc các phế phẩm từ nông nghiệp. Các vật liệu
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 58 này được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp liên kết nhiệt. Các xơ trong vật liệu được định hướng vuông góc với hướng của dòng nhiệt hoặc là theo hướng dòng nhiệt.
a, b,
Hình 1.35: Xơ định hướng theo hướng của dòng nhiệt (a) và vuông góc với dòng nhiệt (b) [28].
Tuy nhiên tính chất cách nhiệt của xơ tự nhiên khác so với xơ nhân tạo đó là tính dẫn nhiệt thấp và độ ẩm cao. Một trong những vấn đề của xơ tự nhiên đó là sự không đồng đều về độ dài và độ dày thường khá cao. Những đặc điểm của vật liệu cách nhiệt từ xơ tụ nhiên ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt đó là sự định hướng, độ dày và trọng lượng của vật liệu. Nghiên cứu [28] đã lựa chọn ra 6 mẫu vật liệu cách nhiệt khác nhau về nguyên liệu, độ dày, định hướng xơ và trọng lượng. Tất cả các mẫu được sản xuất bằng phương pháp liên kết nhiệt.
Mẫu số 1: vật liệu cách nhiệt dựa trên xơ gai dầu kỹ thuật (thành phần: 85% xơ tự nhiên; 15% xơ liên kết). Mẫu số 2: vật liệu cách nhiệt dựa trên xơ gai dầu kỹ thuật (thành phần: 85% xơ tự nhiên; 15% xơ liên kết). Mẫu số 3: vật liệu cách nhiệt dựa trên xơ gai dầu kỹ thuật, xơ định hướng vuông góc với bề mặt chứa vật liệu (Thành phần: 85% xơ tự nhiên, 15% xơ liên kết). Mẫu số 4: vật liệu cách nhiệt dựa trên lông cừu với đường kính xơ 23μm (thành phần: 85% xơ tự nhiên; 15% xơ liên kết). Mẫu số 5: vật liệu cách nhiệt dựa trên lông cừu với đường kính xơ 33μm (thành phần: 85% xơ tự nhiên; 15% xơ liên kết). Mẫu số 6: vật liệu cách nhiệt dựa
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 59 len cừu với đường kính xơ 23μm và 3 μm (thành phần: 85% xơ tự nhiên; 15% xơ liên kết).
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ dẫn nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào độ nén và độ ẩm. Liên quan đến độ nén (hoặc khối lượng), các mẫu thí nghiệm (1,2,4,5,6) với các xơ định hướng theo hướng của mặt phẳng chứa vật liệu (mặt phẳng vuông góc với hướng dòng nhiệt), xơ phân bố ngẫu nhiên, cho thấy độ dẫn nhiệt giảm khi khối lượng tăng. Tuy nhiên mẫu vật liệu có xơ định hướng vuông góc với mặt phẳng chứa vật liệu thì độ dẫn nhiệt tăng khi khối lượng càng tăng. Như vậy, sự ảnh hưởng của sự định hướng xơ trong vật liệu có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt nhiều hơn so với thông số nguyên liệu và độ dày của xơ.
Hình 1.36: Sự ảnh hưởng của độ nén đối với độ dẫn nhiệt [28].
Ảnh hưởng của sự phân bố xơ trong vật liệu đến độ dẫn nhiệt khác nhau trên cùng một loại nguyên liệu. Nghiên cứu [30] trên nguyên liệu là rơm với các mẫu vật liệu được chuẩn bị từ các hình thức khác nhau của rơm: rơm cuộn, rơm xắt nhỏ...Độ dẫn nhiệt của rơm nhỏ nhất khi xơ trong tấm vật liệu định hướng vuông góc với dòng nhiệt. Độ dẫn nhiệt của rơm lớn nhất khi xơ định hướng song song với dòng nhiệt. Mẫu vật liệu sản xuất trên rơm cắt nhỏ, xơ định hướng hỗn loạn theo chiều ngang thì có độ dẫn nhiệt hầu như không đổi thay đổi mật độ vì khi tăng mật độ làm tăng truyền nhiệt do dẫn nhiệt nhưng lại làm giảm truyền nhiệt do đối lưu. Độ dẫn nhiệt của mẫu có xơ định hướng vuông góc với dòng nhiệt là thấp nhất ở mật độ
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 60 mẫu thấp. Tuy nhiên sự gia tăng mật độ từ 50 kg/m3 đến 100 kg/m3 thì độ dẫn nhiệt tăng khoảng 1,5 lần. Khi tăng mật độ thì truyền nhiệt do đối lưu thay đổi rất ít nhưng do sự gia tăng tiếp xúc giữa các thân cây rơm nên truyền nhiệt do dẫn nhiệt cũng gia tăng.
Các phân tích cho thấy sự định hướng của xơ trong vật liệu cách nhiệt dạng xơ ảnh hưởng rất mạnh mẽ đến các yếu tố tán xạ và truyền nhiệt bức xạ. Đối với xơ định hướng song song với mặt phẳng chứa vật liệu, tán xạ của bức xạ là cao nhất do đó truyền nhiệt bức xạ tối thiểu. Đối với xơ định hướng vuông góc với mặt phẳng thì không có sự tán xạ và truyền nhiệt bức xạ ảnh hưởng bởi hệ số hấp thụ, do đó truyền nhiệt bức xạ đạt giá trị cao nhất [64].
Cấu trúc vật liệu cách nhiệt từ xơ khoáng khá đặc biệt và tính chất của nó theo các hướng khác nhau. Cấu trúc len khoáng được mô tả như là một hệ thống không gian bao gồm các sợi nằm theo một trật tự nhất định và được liên kết với nhau bằng chất kết dính. Sự thay đổi cấu trúc tức là thay đổi hướng sắp xếp của sợi thì được thực hiện ở giai đoạn sản xuất sẽ kéo theo sự thay đổi tính chất nhiệt, độ bền của vật liệu. Tuy nhiên, do đặc thù của quá trình sản xuất, luôn có một tỷ lệ phần trăm nhất định của các sợi định hướng ngẫu nhiên. Khi len khoáng sản được sản xuất bởi các công nghệ truyền thống, phần lớn các sợi trên mạng băng tải được định hướng theo chiều ngang song song với mặt phẳng vật liệu. Tùy thuộc vào loại nguyên liệu xơ và quy trình sản xuất mà sản phẩm vật liệu cách nhiệt từ xơ khoáng có các cấu trúc phân bố xơ: xơ phân bố theo hướng ngang với mặt phẳng vật liệu, phân bố hỗn loạn và phân bố ngẫu nhiên. Các sản phẩm có xơ phân bố hỗn loạn (mà hầu hết các xơ có hướng trùng với mặt phẳng vật liệu) có khả năng biến dạng cao và độ đàn hồi tương đối cao. Trong khi đó, các sản phẩm có xơ phân bố theo hướng nhất định thì có cường độ nén cao hơn nhiều [30].