2.1.1 Mục tiêu
Vật liệu cách nhiệt góp phần tiết kiệm tiền bạc, năng lượng, làm cho các căn phòng ấm áp vào mùa đông và mát hơn vào mùa hè, bảo ôn cho các hệ thống trong công nghiệp. Hiện nay, thị trường sản phẩm vật liệu cách nhiệt rất đa dạng và phong phú, trong đó vật liệu vô cơ dạng xơ thủy tinh đóng vai trò quan trọng.
Mục tiêu của đề tài:” Nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu tạo và tính chất cơ lý của một số vật liệu cách nhiệt từ xơ sợi vô cơ”, nhằm tìm hiểu cấu tạo tấm vật liệu cách nhiệt làm từ xơ thủy tinh và nghiên cứu đặc tính cách nhiệt của nó đồng thời tìm ra các mối quan hệ giữa chúng.
2.1.2 Đối tượng nghiên cứu
Trong điều kiện thời gian (8 tuần) và yêu cầu của luận văn thạc sĩ kỹ thuật, cũng như điều về mẫu của vật liệu cách nhiệt từ xơ sợi vô cơ có trên thị trường Việt Nam. Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu trên vật liệu tấm xơ thủy tinh.
Vật liệu cách nhiệt dạng tấm xơ dùng trong xây dựng thường được kết hợp với một số vật liệu khác hay lồng vào trong cấu trúc chịu lực. Tính chất cơ học của vật liệu này ít được quan tâm trong đặc tính của sản phẩm.
Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của luận văn này là: Nghiên cứu tính cách nhiệt và mối quan hệ của nó với một số tham số liên quan đến cấu tạo của một tấm xơ thủy tinh có trên thị trường Việt Nam.
2.2 Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như trên luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu các vấn đề sau:
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 63 - Phân tích đặc điểm cấu tạo của tấm xơ thủy tinh mẫu: Phân bố các xơ và vi cấu trúc của tấm xơ, đặc tính xơ (đường kính, độ dài, tiết diện), đặc điểm liên kết các xơ trong tấm vật liệu cách nhiệt, độ dày, khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng vật liệu.
- Xác định hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt của tấm xơ thủy tinh mẫu. - Xác định ảnh hưởng của khối lượng thể tích đến khả năng cách nhiệt.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Tiến hành nghiên cứu các tài liệu lý thuyết về hình thức truyền nhiệt nói chung và các yếu tố ảnh hưởng đến các hình thức này, để xây dựng một cái nhìn tổng quan về khái niệm, phân loại vật liệu cách nhiệt, các tính chất của vật liệu cách nhiệt, phạm vi sử dụng và lợi ích từ việc sử dụng vật liệu cách nhiệt từ các nguồn tài liệu khác nhau.
Nghiên cứu các bài báo, các luận án và các công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về hình thức truyền nhiệt qua vật liệu cách nhiệt dạng xơ, tính toán độ dẫn nhiệt của vật liệu này để cụ thể hơn các yếu tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt và cách nhiệt của vật liệu cách nhiệt dạng xơ.
Nghiên cứu các tiêu chuẩn thí nghiệm cho từng thông số của vật liệu cách nhiệt, quy trình thí nghiệm, điều kiện thí nghiệm để quá trình thí nghiệm trong luận văn là đạt yêu cầu, độ chính xác cao.
2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Xác định cấu tạo của vật liệu: sự phân bố các xơ và vi cấu trúc của tấm xơ, đặc tính xơ (đường kính, độ dài, tiết diện), đặc điểm liên kết các xơ trong tấm vật liệu cách nhiệt bằng phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử SEM. Xác định độ dày của tấm vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM C167-98.
Xác định khối lượng thể tích của mẫu vật liệu dựa theo tiêu chuẩn ASTM C303-10.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 64 Xác định khối lượng riêng dựa theo tiêu chuẩn ASTM C128-88.
Đo hệ số dẫn nhiệt của vật liệu được đo theo tiêu chuẩn GOST 30.256-94. Các mẫu được đo lặp lại ba lần và lấy giá trị trung bình. Hệ số dẫn nhiệt
được đo ở nhiệt độ 46 oC gần với nhiêt độ ngoài trời vào mùa hè. Các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm với nhiệt độ 25oC, độ ẩm 65%. Xử lý số liệu bằng cách sử dụng phần mềm Excel vẽ biểu đồ quan hệ giữa
khối lượng thể tích với hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt của vật liệu.
2.4 Thiết bị thí nghiệm
Thước cặp đồng hồ 505-683 Mitutoyo – Nhật
Phạm vi đo: 0 -150 ± 0.02mm
Kính hiển vi điện tử quét Hitachi S- 4800 (FE-SEM)
M: x25 - x800.000, λ=1nm, U=0,5- 30kV
Cân điện tử Sartorius - Đức
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 65 Tủ sấy Memmert – Đức Model: UNB
400 - Thể tích: 53 lít (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nhiệt độ làm việc: + 5 0C trên nhiệt độ môi trường đến +220 0C - Độ chính xác: ≤ ±0.5 0C tại 150 0C
- Thời gian: 1 phút - 99 giờ 59 phút Bình tỷ trọng: Dung tích: 100 ml
Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt là thiết bị kỹ thuật số chuyên dụng model МИТ-1 (Liên Bang Nga) sản xuất năm 2014, phạm vi đo: 0,03
0,2 7% (W/m.K).
Hình 2.1: Các thiết bị dùng trong thí nghiệm
2.5 Nguyên liệu thí nghiệm
Vật liệu mẫu được chọn để thí nghiệm là tấm xơ thủy tinh có các thông số sau:
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 66
Bảng 2.1 : Thông số mẫu vật liệu thí nghiệm
Nguyên liệu
Nhãn hiệu Công ty sản xuất Kích thước (mm) Tỷ trọng (kg/m3) Tấm xơ thủy tinh Isoglass Shenzhen Co;LTD China 7500 x1200 x 50 32 2.6 Chuẩn bị thí nghiệm
2.6.1 Xác định các đặc điểm cấu tạo của vật liệu
- Mẫu vật liệu được chụp SEM tại phòng thí nghiệm công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
- Kích thước mẫu khoảng 1x1x1cm.
- Bề mặt mẫu được phủ một lớp vật liệu dẫn điện cực mỏng để tăng tính dẫn điện cho xơ thủy tinh.
2.6.2 Đo độ dày của tấm vật liệu.
Độ dày của tấm xơ thủy tinh được xác định dựa trên tiêu chuẩn ASTM C167-98. Tiến hành đo độ dày tại 10 vị trí, sau đó tính giá trị độ dày trung bình của mẫu.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 67
2.6.3 Đo khối lượng thể tích của mẫu xơ thủy tinh
Khối lượng thể tích của mẫu vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C303- 10, tại phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng, công ty Bureau Veritas Consumer Products Services Việt Nam.
• Dụng cụ thí nghiệm:Dùng kim để đo độ dày vật liệu, cân điện tử có độ chính xác đến ± 0,1mg, tủ sấy.
• Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:
- Chuẩn bị 5 mẫu có kích thước dài: 200mm, rộng:100mm.
- Vị trí lấy mẫu trên tấm vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM C167-98 như hình bên dưới:
Hình 2.3: Vị trí lấy mẫu thí nghiệm khối lượng thể tích
• Tiến trình thí nghiệm:
- Sấy khô 5 mẫu ở nhiệt độ 110oC.
- Đem cân từng mẫu được khối lượng G1, G2, G3, G4, và G5.
• Tính toán khối lượng thể tích:
(2-1) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
o G V
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 68 Trong đó: - thể tích tự nhiên của mẫu, cm3; G - khối lượng của vật liệu sau khi sấy khô, g; γ - khối lượng thể tích của vật liệu, g/cm3; δ - là độ dày của từng mẫu, cm.
2.6.4 Xác định khối lượng riêng
Xác định khối lượng riêng theo tiêu chuẩn ASTM C128-88 của vật liệu dạng hạt mịn,.
• Dụng cụ thí nghiệm: Bình tỷ trọng có vạch chuẩn, cân điện tử có độ chính xác đến ± 0,1mg, tủ sấy và pipet.
• Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:
Dùng kéo cắt nhỏ mẫu vật liệu xuống kích thước khoảng 1mm.
• Tiến trình thí nghiệm:
- Sấy mẫu đã chuẩn bị đem sấy ở nhiệt độ 110oC đến khối lượng không đổi. Để nguội mẫu trong bình hút ẩm.
- Rửa sạch bình đo tỉ trọng bằng nước cất.
- Sấy bình trong tủ sấy ở nhiệt độ 110oC. Để nguội bình. Cân và ghi khối lượng bình mb.
- Cho mẫu đã sấy khô vào bình tỷ trọng 100 ml, mẫu chiếm khoảng 50% thể tích bình, cân và ghi khối lượng của bình đo tỉ trọng đã chứa mẫu thí nghiệm mb+m.
- Đổ nước cất vào bình tỷ trọng đã chứa mẫu cho đến khi mẫu vật liệu hoàn toàn ngập trong nước, ngâm 24 giờ chovật liệu ngấm nước toàn phần và điền đầy hết khe hở. Sau đó cho thêm nước vào, lắc ngấm 3 lần cách nhau 1 giờ. - Tiếp tục cho thêm nước vào bình đến vạch định mức, cân được khối lượng m2.
- Cho nước cất và vật liệu trong bình ra ngoài, sau đó rửa sạch và sấy khô bình.
20 10
o
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 69 - Tiếp theo cho nước cất vào bình đến vạch định mức, đem cân được khối lượng m1.
- Sự chênh lệch khối lượng giữa (G+m1) và m2 chính là khối lượng vật liệu chiếm chỗ trong bình.
• Tính toán kết quả dựa trên công thức:
(2-2) Trong đó: = mb+m - mb, khối lượng của mẫu sau khi sấy khô, g; - khối lượng của bình tỷ trọng chỉ chứa nước, g; - khối lượng của bình tỷ trọng chứa mẫu vật liệu và nước, g; - khối lượng riêng của nước, = 1g/cm3
; - khối lượng riêng của xơ thủy tinh, g/cm3
.
2.6.5 Xác định độ rỗng của tấm xơ thủy tinh
Độ rỗng của tấm xơ thủy tinh được xác định thông qua khối lượng riêng và khối lượng thể tích của vật liệu theo công thức [6]:
(2-3) Trong đó: - khối lượng thể tích của tấm vật liệu mẫu, kg/m3, đại lượng này có được thông qua quá trình thí nghiệm mục 2.6.2; - khối lượng riêng của tấm vật liệu mẫu, kg/m3, đại lượng này có được thông qua quá trình thí nghiệm mục 2.6.3.
2.6.6 Xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm xơ thủy tinh:
• Tiêu chuẩn thí nghiệm:
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu được đo theo tiêu chuẩn GOST 30.256-94, được thực hiện trong phòng thí nghiệm với nhiệt độ 25oC, độ ẩm 65%.
• Dụng cụ thí nghiệm: Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt là thiết bị kỹ thuật số chuyên dụng model МИТ-1 (Liên Bang Nga) phạm vi đo: 0,03 0,2 (W/m.K). 1 2 . n R G G m m G m1 2 m n n R 1 o .100% a r o a
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 70 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Chuẩn bị mẫu: Chuẩn bị 10 mẫu có kích thước: dài 120mm x rộng 45mm x dày 50mm
• Tiến trình thí nghiệm:
Đo hệ số dẫn nhiệt của vật liệu với các khối lượng thể tích khác nhau. Việc thay đổi khối lượng thể tích của các mẫu được thực hiện trên cùng một tấm mẫu của nhà sản xuất để loại bỏ ảnh hưởng của sự không đồng nhất của mẫu thí nghiệm.
Đo độ dẫn nhiệt của một tấm độ dày 1 lớp. Sau đó các mẫu được xếp chồng lên nhau thành 1, 2, 3, 4 lớp rồi tác dụng lực để ép về chiều dày của một lớp. Tiến hành đo lặp lại 3 lần trên mỗi mẫu và lấy giá trị λ trung bình.
Bảng 2.2: Phương án thí nghiệm
Mẫu đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4
Số lớp xếp chồng (lớp) 1 2 3 4 Độ dày mẫu (mm) 50 50 50 50 Khối lượng thể tích γ (kg/m3 ) 1 2 3 4γ Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.K) λ1γ λ2γ λ3γ λ4γ 2.6.7 Xử lý số liệu Xử lý số liệu bằng cách sử dụng phần mềm Excel để:
• Tính toán số liệu trung bình, độ lệch của các thông số.
• Vẽ biểu đồ quan hệ giữa các yếu tố: - Độ rỗng và khối lượng thể tích,
- Hệ số dẫn nhiệt và khối lượng thể tích,
- Khối lượng thể tích với hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt của vật liệu, - Độ rỗng và hệ số dẫn nhiệt.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 71
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
3.1 Một số thông số kỹ thuật và cấu tạo của tấm xơ thủy tinh 3.1.1 Phân bố các xơ và vi cấu trúc của tấm xơ 3.1.1 Phân bố các xơ và vi cấu trúc của tấm xơ
Quy trình sản xuất tấm xơ thủy tinh tương tự như công nghệ phun thổi trong sản xuất vải không dệt. Tấm xơ thủy tinh cách nhiệt được sản xuất từ thủy tinh dạng lỏng nóng chảy ở nhiệt độ cao, sau khi dòng thủy tinh lỏng đi ra khỏi bể chứa dung dịch thì đến bộ phận kéo sợi ly tâm gồm có các lỗ định hình. Xơ được bộ phận quạt hút và được phủ thêm chất kết lắng xuống bề mặt băng tải tạo thành các màng xơ. Các màng xơ xếp lớp lên nhau nên tấm xơ thủy tinh có cấu trúc xếp lớp như hình 3.1.
Hình3.1: Cấu trúc phân bố trong tấm xơ thủy tinh
Sự phân bố xơ cũng góp phần ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của vật liệu. Trong quá trình sản xuất tấm xơ thủy tinh, các xơ được sắp xếp ngẫu nhiên trên các màng xơ. Các màng xơ được ép lại thành tấm xơ nên các xơ phân bố trong tấm vật liệu là phân bố ngẫu nhiên không theo hướng nào cả. Điều này được thể hiện rõ qua ảnh chụp SEM hình 3.2
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 72
Hình 3.2:Ảnh SEM chụp phân bố các xơ
Trên hình có thể thấy khoảng cách giữa các xơ lớn hơn rất nhiều so với đường kính xơ, do đó trong tấm xơ có rất nhiều lỗ rỗng. Độ rỗng trong tấm xơ được tạo ra bởi không gian giữa các xơ sắp xếp không theo quy luật nhất định, các xơ bện vào nhau chồng chéo. Sự sắp xếp ngẫu nhiên giữa các xơ và các lỗ rỗng đã tạo cho tấm xơ thủy tinh có độ xốp khá cao.
3.1.2 Đặc điểm liên kết các xơ trong tấm xơ thủy tinh cách nhiệt
Trong tấm xơ thủy tinh, các hạt keo được phun vào trong quá trình sản xuất có tác dụng liên kết các xơ để tạo thành các màng xơ. Tuy nhiên từ ảnh SEM chụp liên kết giữa các xơ cho thấy kích thước các hạt keo rất nhỏ, sự phân bố các hạt keo không đồng đều và mật độ tương đối thấp.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 73 Các hạt keo phân bố ngay trên xơ tại những điểm không tiếp xúc với xơ khác. Do đó tấm xơ thủy tinh có thể dễ dàng tách lớp và sự ảnh hưởng của các hạt keo đến tính truyền nhiệt của tấm xơ rất ít.
3.1.3 Kích thước xơ trong tấm xơ thủy tinh
Từ hình 3.4 có thể thấy rõ kích thước xơ trong tấm xơ thủy tinh không có sự đồng nhất, đường kính xơ thủy tinh đo được trong khoảng 7µm-10µm. Theo kết quả nghiên cứu tổng quan về xơ thủy tinh cách nhiệt cho thấy trong khoảng đường kính 5µm-10µm thì hiệu quả cách nhiệt tốt nhất [20]. Như vậy xơ trong tấm vật liệu mẫu cũng có kích thước xơ phù hợp với khoảng giá trị này.
Hình 3.4: Ảnh SEM chụp đường kính xơ
Ngoài ra, nhìn vào hình mặt cắt ngang của xơ hình 3.5 có thể thấy tiết diện xơ thủy tinh gần như là hình tròn và đặc. Do đó độ rỗng trong tấm xơ thủy tinh chỉ do khoảng cách giữa các xơ tạo nên.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 74
Hình 3.5: Ảnh SEM chụp tiết diện xơ
3.1.4 Độ dày tấm xơ thủy tinh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ dày của tấm xơ thủy tinh được xác định trên năm mẫu, với mỗi mẫu đo ở 10 vị trí khác nhau theo tiêu chuẩn ASTM C167- 98.
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm đo độ dày (mm)
Vị trí đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5