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
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
1 50,7 49,8 50,1 47,6 50,2 2 49,2 48,9 47,5 49,8 49,2 3 50,2 48,5 47,9 48,2 49,2 4 48,5 49,4 48,7 50,6 50,7 5 49,1 50,2 48,9 47,4 50,3 6 49,5 49,4 47,6 48,2 47,5 7 48,8 50,5 49,7 49,6 48,8
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 75 8 50,3 49,2 50,1 50,3 49,5 9 47,8 48,6 50,5 47,6 50,4 10 50,1 47,5 47,7 47,9 49,6 Độ dày trung bình 49,4 49,2 48,9 48,7 49,5 Trung bình: 49,2
Sai lệch % so với giá trị trung bình 0,4 0 -0,6 -1,0 0,6 Sai lệch % so với nhà sản xuất
công bố (50mm) -1.2 -1.6 -2.3 -2.6 -0.9
Nhận xét:
Độ dày trung bình của tấm xơ thủy tinh là 49,2mm. Sai lệch độ dày giữa các mẫu với độ dày trung bình chung dao động trong khoảng -1,0 đến 0,4 %. Sự sai lệch có giá trị không đáng kể nên nhìn chung tấm xơ thủy tinh có kích thước ổn định. Bên cạnh đó sai số giữa giá trị độ dày trung bình tổng với giá trị độ dày của nhà cung cấp 50mm trong khoảng -0,9 ÷ - 2,6 %, giá trị độ dày thực tế nhỏ hơn. Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau có thể do nhà cung cấp cung cấp số liệu dựa trên mẫu thí nghiệm của họ, trong sản xuất cũng gây ra sự sai lệch. Thêm vào đó khâu hoàn tất sản phẩm, lưu kho, vận chuyển làm cho tấm vật liệu bị ép lại. Độ chênh lệch này không đáng kể nằm trong phạm vi cho phép.
3.1.5 Khối lượng thể tích
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm đo khối lượng thể tích của tấm xơ thủy tinh
Mẫu thí nghiệm 1 2 3 4 5
Kích thước mẫu (cm2) 200 200 200 200 200
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 76 Khối lượng khô G (g) 31,3478 30,8963 30,4782 29,9834 31,4780 Khối lượng thể tích γ
(cm3) 0,0317 0,0314 0,0312 0,0308 0,0318
Khối lượng thể tích γ
(kg/cm3) 31,7 31,4 31,2 30,8 31,8
Sai lệch so với 1,13 0,08 -0,67 -1,88 1,35
Khối lượng thể tích trung bình của vật liệu = 31,37 (kg/m3) Sai lệch so với nhà sản xuất 32kg/m3 là : - 1,96 %
Nhận xét :
Đối với vật liệu cách nhiệt, khối lượng thể tích là thông số để xác định Mác cho sản phẩm và ảnh hưởng nhiều đến tính chất cách nhiệt của vật liệu. Giá trị khối lượng thể tích thực trung bình của tấm xơ thủy tinh là 31, 37kg/m3. Trong quá trình thí nghiệm cho 5 mẫu sai lệch so với giá trị trung bình -1,88% đến 1,35%. Và từ kết quả thí nghiệm, khối lượng thế tích đo được có sự chênh lệch với nhà sản xuất là – 1,96 %. Vì thế khối lượng thể tích của mẫu thí nghiệm không có sự khác biệt so với khối lượng thể tích được công bố bởi nhà cung cấp.
3.1.6 Khối lượng riêng
Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm khối lượng riêng của tấm xơ thủy tinh
Thí nghiệm Lần 1 Lần 2 Lần3 Trung bình
Khối lượng mẫu sau khi sấy
khô G (g) 6.3285 6.6072 6.6267
Khối lượng bình tỷ trong chứa mẫu và nước đến vạch chuẩn
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 77 m2 (g)
Khối lượng bình tỷ trọng chứa
nước đến vạch chuẩn m1 (g) 154.9245 153.5675 152.7504 Khối lượng riêng của xơ thủy
tinh γR (g/cm3 ) 2,5320 2,5267 2.4958 2,5181 Sai lệch so với γTB (%) 0,55 0,34 -0,89
Nhận xét:
Bằng phương pháp PICNOMETER, với điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn đã xác định được khối lượng riêng của xơ thủy tinh 2,5181 g/cm3
≈ 2,52g/cm3. Sai lệch giữa 3 lần đo nằm trong khoảng -0,89% đến 0,55% nên giá trị khối lượng riêng thực tế đo được có giá trị chính xác cao.
3.1.7 Độ rỗng của tấm xơ thủy tinh
Bảng 3.4: Kết quả độ rỗng tính toán của tấm xơ thủy tinh
Mẫu Khối lượng riêng (g/cm3) Khối lượng thể tích (kg/m3) Độ rỗng (%) 1 2,52 31,37 98,76 2 2,52 62,74 97,51 3 2,52 94,11 96,26 4 2,52 125,48 95,02
Sau khi tính toán dựa trên kết quả thí nghiệm cho thấy tấm xơ thủy tinh nghiên cứu có độ rỗng rất cao 95,02% - 98,76%. Quan hệ giữa độ rỗng và khối
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 78 lượng thể tích là quan hệ nghịch biến, khối lượng thể tích của tấm xơ thủy tinh càng tăng thì độ rỗng càng giảm.
Hình 3.6: Biểu đồ quan hệ độ rỗng và khối lượng thể tích
Điều này được giải thích do độ rỗng của vật liệu là tỉ lệ % pha khí có trong khối tích của vật liệu nên các mẫu nén 2 tấm, nén 3 tấm, nén 4 tấm có khối lượng thể tích tăng đồng nghĩa với tỉ lệ xơ tăng lên, nên tỉ lệ khí trong các mẫu đó cũng giảm đi.
3.2 Hệ số dẫn nhiệt của tấm xơ thủy tinh
Bảng 3.5: Hệ số dẫn nhiệt của các tấm xơ thủy tinh
Mẫu Khối lượng thể tích (kg/m3) Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.K) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình Mẫu 1 31,37 0,0442 0,0443 0,0445 0,0443 Mẫu 2 62,74 0,0375 0,0375 0,0375 0,0375 Mẫu 3 94,11 0,0382 0,0383 0,0381 0,0382 Mẫu 4 125,48 0,0405 0,0404 0,0403 0,0404 98.76 97.51 96.26 95.02 93 94 95 96 97 98 99 100 31.37 62.74 94.11 125.48 Độ rỗ ng ( %) Khối lượng thể tích (kg/m3) Độ rỗng
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 79 Từ biểu đồ hệ số dẫn nhiệt của tấm xơ thủy tinh hình 3.7 cho thấy, trong phạm vi khối lượng thể tích 31,37 - 125,48kg/m3
mẫu xơ thủy tinh có hệ số cách nhiệt trong khoảng 0,0382 - 0,0443W/m.K ở điều kiện nhiệt độ là 46oC.
Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ giữa khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt của tấm xơ thủy tinh
Hệ số dẫn nhiệt đạt cực tiểu ở mẫu có khối lượng thể tích vào khoảng 62,74 kg/m3.
3.3 Mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và cách nhiệt với khối lượng thể tích của tấm xơ thủy tinh tấm xơ thủy tinh
Bảng 3.6: Hệ số dẫn nhiệt λ và cách nhiệt R của tấm xơ thủy tinh
Độ dày: 49,2mm STT Khối lượng thể tích (kg/m3) Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.K) Hệ số cách nhiệt R = δ/λ (m2 .K/W) 1 31,37 0,0443 1,1106 2 62,74 0,0375 1,3120 3 94,11 0,0382 1,2880 4 125,48 0,0404 1,2178 0.0443 0.0375 0.0382 0.0404 0.034 0.036 0.038 0.04 0.042 0.044 0.046 31.37 62.74 94.11 125.48 H ệ số dẫ n nhi ệt ( W/m .K ) Khối lượng thể tích (kg/m3) Hệ số dẫn nhiệt
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 80 Quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và hệ số cách nhiệt tỉ lệ nghịch với nhau. Từ hình 3.8 cho thấy tấm xơ thủy tinh đạt giá trị hệ số dẫn nhiệt thấp nhất là 0,0375 W/m.K tại giá trị khối lượng thể tích là 62,47kg/m3. Ngược lại, tấm xơ có hệ số cách nhiệt cao nhất 1,3120 m2
.K/W tại giá trị khối lượng thể tích này.
Quy luật thay đổi của hệ số dẫn nhiệt λ theo khối lượng thể tích của tấm xơ thủy tinh trong thí nghiệm của luận văn này cũng tương tự với quy luật của rất nhiều các nghiên cứu của các tác giả khác [23, 26, 21, 27, 33, 34]. Cụ thể là, ban đầu hệ số dẫn nhiệt sẽ biến thiên nghịch biến với giá trị khối lượng thể tích cho tới một giá trị cực tiểu. Sau đó hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng đồng biến với khối lượng thể tích của tấm xơ.
Hình 3.8: Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hệ số dẫn nhiệt, hệ số cách nhiệt
Từ biểu đồ hình 3.8 cho thấy rằng, trong khoảng khối lượng thể tích nghiên cứu 31,37 - 125,48 kg/m3, hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo các chiều hướng khác nhau với sự thay đổi khối lượng thể tích. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu giảm nhanh trong khoảng khối lượng thể tích 31,37 - 62,74kg/m3 và đạt giá trị cực tiểu tại khối lượng thể tích 62,74kg/m3. Trong khoảng khối lượng thể tích 62,74 - 125,48kg/m3 thì hệ số dẫn nhiệt lại tăng đồng biến với khối lượng thể tích nhưng với tốc độ chậm hơn so với vùng nghịch biến.
Nguyên nhân của sự thay đổi vừa nghịch và đồng biến của hệ số dẫn nhiệt theo khối lượng thể tích ở đây được giải thích là do sự ảnh hưởng của các hình thức
1.1106 1.3120 1.2880 1.2178 0.0443 0.0375 0.0382 0.0404 0.034 0.036 0.038 0.04 0.042 0.044 0.046 1.0000 1.0500 1.1000 1.1500 1.2000 1.2500 1.3000 1.3500 31.37 62.74 94.11 125.48 H ệ số dẫ n nhi ệt λ H ệ số cá ch nh iệt R Khối lượng thể tích (kg/m3) Hệ số cách nhiệt
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 81 truyền nhiệt. Như đã trình bày trong phần tổng quan mục 1.2.5.1 có bốn hình thức truyền nhiệt qua vật liệu cách nhiệt dạng xơ: dẫn nhiệt thông qua môi trường xơ, dẫn nhiệt qua môi trường không khí giữa các xơ, đối lưu của không khí trong không gian giữa các xơ, và trao đổi bức xạ nhiệt giữa các xơ và không khí. Trong đó hình thức truyền nhiệt đối lưu của không khí có thể bỏ qua do chiếm tỉ lệ rất ít trong tổng lượng nhiệt truyền, hầu như không đổi khi thay đổi khối lượng thể tích [22,42,38]. Như vậy, hình thức truyền nhiệt chính trong tấm xơ thủy tinh cách nhiệt là dẫn nhiệt tiếp xúc và bức xạ nhiệt. Đối với bức xạ nhiệt thì mọi vật thể khi ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều không ngừng bức xạ năng lượng vào không gian dưới dạng sóng điện từ [11]. Ngoài khả năng truyền dẫn nhiệt trong thảm xơ thủy tinh mẫu còn có truyền nhiệt bức xạ qua pha vô định hình và pha khí. Trong phạm vi thí nghiệm ở nhiệt độ 460C thì bản thân xơ thủy tinh cũng phát ra bức xạ. Quá trình bức xạ nhiệt trong tấm xơ thủy tinh gồm có hai thành phần bức xạ cùng chiều với chiều dẫn nhiệt và ngược chiều với chiều dẫn nhiệt, cả 2 thành phần này đều bị hấp thụ một phần trong môi trường chất rắn của vật liệu. Khi bức xạ nhiệt có cùng chiều với chiều dẫn nhiệt làm tăng hệ số dẫn nhiệt và ngược lại khi bức xạ nhiệt ngược chiều thì làm giảm hệ số dẫn nhiệt. Do sự ảnh hưởng của dẫn nhiệt tiếp xúc và bức xạ nhiệt làm ảnh hưởng đến sự tăng giảm hệ số dẫn nhiệt với khối lượng thể tích khác nhau. Bức xạ nhiệt có ảnh hưởng quan trọng trong quá trình truyền nhiệt ở vùng khối lượng thể tích nhỏ hơn 62.74kg/m3. Khi khối lượng thể tích tăng lên qua khỏi giá trị vùng 62.74kg/m3 thì hình thức truyền nhiệt dẫn nhiệt qua chất rắn lại đóng vai trò ảnh hưởng nhiều hơn búc xạ và dẫn đến làm tăng hệ số dẫn nhiệt. Vì theo lý thuyết hình thức truyền nhiệt chính trong chất rắn (xơ) hoặc giữa các vật thể rắn (xơ) khi va chạm với nhau là dẫn nhiệt. Trong chất rắn (xơ) các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối ổn định nên lượng nhiệt trao đổi giữa chúng dễ dàng hơn.
Thực nghiệm ở đây cho thấy, khối lượng thể tích của tấm xơ thủy tinh trong khoảng 31,37 - 62,74kg/m3
thì hệ số dẫn nhiệt giảm từ 0.0443W/m.K xuống còn 0.0375W/m.K tức là sự thay đổi của độ dẫn nhiệt nghịch biến với sự thay đổi khối lượng thể tích. Nguyên nhân là do trong phạm vi khối lượng thể tích thấp ảnh
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 82 hưởng của bức xạ nhiệt nhiều hơn so với dẫn nhiệt tiếp xúc, chiều của bức xạ nhiệt ngược với chiều tác động của truyền nhiệt tiếp xúc.
Tiếp theo khối lượng thể tích tăng từ 62,74kg/m3 đến 94,11kg/m3 thì hệ số dẫn nhiệt lại tăng từ 0.0375 lên 0.0382W/m.K. Hệ số dẫn nhiệt đạt giá trị thấp nhất là 0.0375 W/m.K tương ứng với giá trị khối lượng thể tích tối ưu là 62,74 kg/m3. Ở đây khối lượng thể tích tăng lên qua giá trị tối ưu thì sự ảnh hưởng của bức xạ nhiệt đã bắt đầu giảm và thấp hơn so với dẫn nhiệt tiếp xúc, vì vậy tác động ngược của bức xạ nhiệt chỉ làm chậm tốc độ tăng của hệ số dẫn nhiệt mà thôi.
Trong khoảng khối lượng thể tích từ 94,11kg/m3 đến 125,48kg/m3 thì hệ số dẫn nhiệt tăng với tốc độ nhanh hơn trước, từ 0.0382W/m.K lên 0.0404W/m.K. Trong khoảng mật độ thể tích của tấm xơ thủy tinh cao thì dẫn nhiệt qua chất xơ đóng vai trò chính và ảnh hưởng của bức xạ nhiệt không đáng kể. Khi khối lượng thể tích tăng lên dẫn đến lượng xơ nhiều hơn và các lỗ rỗng càng nhỏ đi. Các lỗ rỗng có kích thước càng nhỏ thì khả năng truyền bức xạ giảm vì thể ảnh hưởng của