Các tính chất chủ yếu của vật liệu cách nhiệt

1.2.3.1 Các tính chất nhiệt lý của vật liệu cách nhiệt:

a. Tính dẫn nhiệt

Khái niệm: Tính dẫn nhiệt là một thuộc tính quan trọng của vật liệu cách nhiệt và vật liệu cách nhiệt cấu kiện, được xác định bởi hệ số dẫn nhiệt λ có thứ nguyên W/m.oC, W/m.K hoặc kCal/m.oC.h [2].

Hình 1.9: Truyền nhiệt giữa 2 vách sử dụng vật liệu cách nhiệt ở giữa Nguồn: http://cnx.org/contents/a7beda43-2f3a-4d12-adfe 2e19 c20b5e14 @7/ Conduction

Theo định luật Furie hệ số dẫn nhiệt được tính bằng công thức:

( 2 1)

Q d

A t T T

 

   (1-1)

Trong đó: Q - dòng nhiệt vuông góc với mặt phẳng vách ngăn; d - chiều dày vách ngăn, m; A - diện tích bề mặt, m2

; t - thời gian, h; T2 - nhiệt độ bề mặt nóng,

o

C; T1 - nhiệt độ bề mặt lạnh, oC.

Hệ số dẫn nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc tính toán, như dựa trên kết quả đo chênh lệch nhiệt độ sau quãng thời gian nhất định trong quá trình đốt nóng sử dụng thiết bị ống trụ [6].

Tính dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc độ ẩm của môi trường khí và của hơi nước nằm trong lỗ rỗng. Độ ẩm của vật liệu có ý nghĩa lớn đối với độ dẫn nhiệt nói

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 20 chung vì hệ số của nước rất lớn (bằng 0,5kcal/m.oC.h), gấp 25 lần độ dẫn nhiệt của không khí nằm trong lỗ rỗng kín, nhỏ.

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Loại vật liệu, độ rỗng và tính chất của lỗ rỗng, độ ẩm, nhiệt độ bình quân giữa 2 bề mặt vật liệu [51].

 Vật liệu:

Hệ số dẫn nhiệt có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của vật liệu. Vật liệu có thành phần hóa học đơn giản và cấu trúc phân tử có tính dẫn nhiệt cao hơn so với vật liệu có thành phần hóa học phức tạp.

Đối với vật liệu vô cơ như thủy tinh, xơ khoáng…sự có mặt của các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Không khí bị giam trong các lỗ xốp có khả năng dẫn nhiệt kém ở nhiệt độ thấp nên làm giảm mạnh độ dẫn nhiệt của toàn vật liệu.

Hầu hết các vật liệu cách nhiệt sử dụng trong kỹ thuật là các vật liệu xốp vì tỉ lệ lỗ xốp trong vật liệu lớn nên vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng cao thì khả năng dẫn nhiệt của vật liệu này sẽ tăng do thành phần truyền nhiệt bức xạ của lỗ xốp tăng.

Ngòai khả năng truyền dẫn nhiệt, vật liệu vô cơ còn có khả năng truyền nhiệt bức xạ qua pha vô định hình và pha khí. Ðối với các vật liệu cô cơ có tỉ lệ pha vô định hình và pha khí (trong các lỗ xốp) cao, khi nhiệt độ tăng cao, vai trò truyền nhiệt bức xạ sẽ tăng lên và có thể chiếm ưu thế so với truyền nhiệt dẫn nhiệt. Các lỗ xốp trong vật liệu vô cơ cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt bức xạ của vật liệu. Các lỗ xốp có kích thước càng lớn, khả năng truyền nhiệt bức xạ của vật liệu càng cao [52].

 Độ rỗng:

Do độ dẫn nhiệt của không khí rất bé so với độ dẫn nhiệt của vật rắn vì vậy khi độ rỗng cao, lỗ rỗng kín và cách nhau thì hệ số dẫn nhiệt thấp hay khả năng cách nhiệt của vật liệu tốt. Ngoaì ra, kích thước, phân bố, hình dạng, và sự kết nối

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 21 của các lỗ rỗng cũng ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt. Khi khối lượng thể tích của vật liệu càng lớn thì dẫn nhiệt càng tốt [51].

 Độ ẩm:

Nếu độ ẩm của vật liệu tăng thì hệ số dẫn nhiệt tăng lên, khả năng cách nhiệt của vật liệu kém đi. Điều cần lưu ý, nếu nước bị đóng băng độ dẫn nhiệt sẽ cao hơn vì tính dẫn nhiệt của nước cao hơn so với không khí [51].

 Nhiệt độ:

Khi nhiệt độ bình quân giữa 2 tấm vật liệu tăng thì độ dẫn nhiệt cũng lớn. Khi nhiệt độ tăng lên, chuyển động nhiệt của các phân tử chất rắn trở nên tích cực hơn; sự dẫn nhiệt của không khí trong các lỗ chân lông được thúc đẩy mạnh mẽ, và các hiệu ứng bức xạ của bức tường lỗ rỗng được tăng cường [51].

b. Một số thông số kỹ thuật quan trọng của vật liệu cách nhiệt:

Khối lượng riêng của vật liệu là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc (không có lỗ rỗng) sau khi được sấy khô ở nhiệt độ 105 – 110oC đến khối lượng không đổi [4]. Ký hiệu: γa. Đơn vị: g/cm3

, kg/m3, .. Khối lượng riêng được tính theo công thức:

(1-2) Trong đó: - Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô, kg; - Thể tích hoàn toàn đặc của mẫu thí nghiệm, m3.

Khối lượng thể tích: là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lỗ rỗng) [4]. Ký hiệu: γo. Đơn vị: g/cm3

, kg/m3, .. Khối lượng thể tích được tính theo công thức:

(1-3) Trong đó: G - khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô, kg; Vo - thể tích mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, m3.

k a a G V   k G Va o o G V  

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 22 Độ đặc: hay mật độ của vật liệu là tỷ số giữa phần thể tích hoàn toàn đặc so với thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu. Độ đặc được ký hiệu là đ và tính bằng %.

Độ rỗng: là tỷ lệ giữa phần thể tích rỗng so với thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu. Độ rỗng được ký hiệu là r và tính bằng %.

Công thức tính độ đặc và độ rỗng:

(1-4)

(1-5) Trong đó: - phần thể tích hoàn toàn đặc của mẫu vật liệu, m3; - thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu, m3; - thể tích phần rỗng của vật liệu, m3.

Độ rỗng là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng của vật liệu vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất của vật liệu đó như: cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính truyền nhiệt, khả năng chống ăn mòn….Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng không chỉ phụ thuộc đơn thuần vào trị số độ rỗng lớn hay nhỏ mà còn phụ thuộc vào đặc trưng cấu trúc của các lỗ rỗng trong vật liệu (thí dụ: lỗ rỗng kín và riêng biệt hay lỗ rỗng hở và thông nhau). Chẳng hạn: cùng một trị số rỗng như nhau nhưng vật liệu có độ rỗng với cấu trúc hở và thông nhau sẽ có cường độ, tính chống thấm, tính chống ăn mòn và tính cách nhiệt kém hơn so với cấu trúc kín và riêng biệt [4].

1.2.3.2 Tính chất cơ, lý của vật liệu cách nhiệt

a. Cường độ

Cường độ của vật liệu là khả năng của chúng chịu được các ứng suất (nén, kéo, uốn) đạt đến giá trị nhất định mà không bị phá hoại [2]. Cường độ chịu nén của vật liệu cách nhiệt không lớn (0,2 - 2,5Mpa). Cường độ chịu uốn của vật liệu dạng sợi đối với vật liệu vô cơ không lớn (0,15 - 0,5Mpa), đối với tấm sợi gỗ là (0,4 - 2MPa). Vật liệu cách nhiệt có cấu trúc sợi, cường độ nén và uốn có thể được cải

.100% .100% a o o a V đ V     .100% o a.100% 1 o.100% r o o a V V V r V V        a V Vo r V

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 23 thiện khi tăng hàm lượng và khả năng phân tán của chất kết dính trong vật liệu. Việc sử dụng chất kết dính có cường độ cao, tăng khả năng bám dính giữa chất kết dính với sợi, sự sắp xếp có định hướng hay việc tạo ra mạng không gian hợp lý giữa các sợi. Vật liệu cách nhiệt phải có cường độ sao cho không bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển, sắp kho, xây cất và cả trong điều kiện sử dụng [6].

b. Độ ẩm:

Độ ẩm là tỷ lệ nước có tự nhiên trong vật liệu ở trạng thái tự nhiên tại thời điểm thí nghiệm. Ký hiệu W (%)

Độ ẩm của vật liệu được xác định bằng công thức sau:

(1-6) Trong đó: - Khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái tự nhiên, kg; - khối lượng mẫu thí nghiệm ở trạng thái khô, kg.

Độ ẩm là đại lượng thay đổi liên tục tùy thuộc điều kiện nhiệt độ và độ ẩm môi trường, vật liệu có thể hút ẩm hoặc nhả ẩm tùy theo sự chênh lệch giữa áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí và trong vật liệu. Độ ẩm cũng phụ thuộc vào cấu tạo nội bộ của vật liệu và bản chất ưa nước hay kỵ nước của nó.

Khi vật liệu bị ẩm hoặc là khi độ ẩm vật liệu thay đổi thì một số tính chất của vật liệu cũng thay đổi theo như: cường độ, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện, thể tích…[4]

c. Độ hút nước

Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện thường và được xác định bằng cách ngâm mẫu vào trong nước có nhiệt độ 20 ±0.5

0C. Trong điều kiện đó nước chỉ có thể chui vào lỗ rỗng hở, do đó mà độ hút nước luôn luôn nhỏ hơn độ rỗng của vật liệu.

Độ hút nước không những làm giảm tính cách nhiệt của vật liệu xốp mà còn làm giảm cường độ và tuổi thọ của nó. Vật liệu có lỗ rỗng kín, thí dụ thuỷ tinh bọt,

.100 k k m m W m   m mk

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 24 có độ hút nước nhỏ. Để giảm độ hút nước người ta thường sử dụng phụ gia kị nước.

Độ hút nước của vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính lỗ rỗng và thành phần của vật liệu. Khi độ hút nước tăng lên sẽ làm cho thể tích của một số vật liệu tăng lên, khả năng thu nhiệt tăng nhưng cường độ chịu lực và khả năng cách nhiệt giảm [6].

d. Tính thấm hơi và thấm khí

Tính thấm hơi và thấm khí của vật liệu cách nhiệt phải được tính đến khi sử dụng chúng trong kết cấu bao che. Việc cách nhiệt không hạn chế sự trao đổi khí của nhà ở với môi trường xung quanh, qua tường ngoài của nhà [6].

e. Tính chịu lửa

Tính chịu lửa liên quan đến độ chống cháy của vật liệu có nghĩa là khả năng bắt lửa và cháy. Vật liệu dễ cháy chỉ có thể sử dụng khi dùng các biện pháp bảo vệ cháy [6].

f. Tính bền hoá và bền sinh vật

Vật liệu cách nhiệt xốp dễ bị khí và hơi xâm thực trong môi trường xung quanh thấm vào. Vì vậy chất kết dính (keo, tinh bột) và vật liệu cách nhiệt hữu cơ cần phải có độ bền sinh vật, có nghĩa là có khả năng chống sự tác dụng của nấm mốc và các côn trùng [6].

1.2.4 Một số loại sản phẩm cách nhiệt từ xơ 1.2.4.1 Xơ khoáng 1.2.4.1 Xơ khoáng

Xơ khoáng cách nhiệt là loại vật liệu cách nhiệt bao gồm khối xơ sợi, các mảnh vụn silicat và những sợi ngắn cực mảnh được sản xuất từ hỗn hợp nóng chảy của các khoáng vật tạo đá hoặc xỉ luyện kim có tính năng cách nhiệt, cách âm và chống cháy rất cao, chịu đươc nhiệt độ lên tới 850oC.

Xơ khoáng còn có tên gọi khác xỉ len cách nhiệt [53].Tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, xơ khoáng thường có chiều dài từ 2 đến 30mm và đường kính từ 5 đến15μm. Trong thành phần của xơ khoáng cách nhiệt chứa đến 80-90% sợi mảnh

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 25 có đường kính 7μm. Xơ khoáng được sản xuất với 3 mác: 75, 100 và 125 (theo khối lượng thể tích, kg/m3). Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình 255oC tương ứng bằng 0,036; 0,038 và 0,041kcal/m.oC.h; ở 100oC tương ứng bằng 0,05; 0,051 và 0,052 kcal/m.oC.h với độ ẩm không lớn hơn 2%.

Hình1.10: Xơ khoáng

Nguồn: http://www.encon.co.uk/products/view/577/rockwool-rockroll-rollbatt-18af

Việc sử dụng xơ khoáng tơi để cũng có những khó khăn do các nhược điểm của vật liệu này là khi chuyên chở và bảo quản xơ dễ bị lèn chặt và vón cục, một số bị gãy và biến thành bụi; trong kết cấu phải có phương tiện bảo vệ để tránh sự lèn ép cơ học; chi phí lao động lớn khi lắp đặt. Để khắc phục nhược điểm xơ khoáng rời, người ta đã chế tạo các sản phẩm như nỉ tấm cứng và bán cứng, vỏ, hình quạt, ống trụ và các sản phẩm khác. Chất kết dính tổng hợp thường dùng là fenolfomanđêhit và cacbamit fomaldêhit. Tấm ở dạng bán cứng có khối lượng thể tích 75kg/m3 và kích thước 1000 x (500; 900; 1000; 1500) x (30; 40; 50; 60; 70; 80)mm. Ở 25 5oC hệ số dẫn nhiệt λ không được lớn hơn 0,039 kcal/m.oC.h.

Sợi khoáng thiên nhiên này có khả năng cách âm, hấp thụ âm thanh tốt, bền với môi trường, xơ khoáng được sản xuất chế tác thành thể dạng cuộn, dạng ống, dạng tấm rất dễ thi công, lắp đặt.

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 26

 Nỉ cách nhiệt xơ khoáng

Nỉ cách nhiệt là loại sản phẩm cách nhiệt được sản xuất trên cơ sở xơ khoáng. Nỉ cách nhiệt gồm có một số loại sau đây:

- Nỉ khâu dùng để bảo vệ nhiệt cho các kết cấu bao che của nhà, các thiết bị công nghiệp và đường ống dẫn có nhiệt độ nhỏ hơn 400oC. Loại nỉ này được sản xuất bằng cách dùng dây kim loại và chỉ đặc biệt để khâu các tấm xơ khoáng đã được ép có chiều dày thích hợp, sau đó cắt thành từng tấm có kích thước định trước. Kích thước của nỉ thường dài 2000mm, rộng 900-1300mm và dày 60 mm. Mác của nỉ tính theo khối lượng thể tích (kg/m3) là 150, λ= 0,04 kcal/m.oC.h

- Nỉ khâu trên lưới kim loại được sản xuất từ nỉ xơ khoáng và khâu trên lưới kim loại. Nỉ có kích thước 3000 x 500 x 50 và 5000 x 1000 x 1000mm, khối lượng thể tích 100 kg/m3, ở 100oC hệ số dẫn nhiệt λ = 0,043 kcal/m.oC.h. Nỉ này dùng để cách nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn 600oC. Nỉ khâu bằng sợi thủy tinh thường dùng để bảo vệ những bề mặt có nhiệt độ 400o

C. Thành phần của nỉ loại này là xơ khoáng tẩm dầu rồi khâu bằng sợi thủy tinh đã được xử lí trong dung dịch xà phòng. Nỉ khâu bằng sợi thủy tinh thường được sản xuất các loại có khối lượng thể tích 125-175kg/m3, kích thước 2000x500x40mm, ở 255oC hệ số dẫn nhiệt λ= 0,038 kcal/m.oC.h.

 Ứng dụng [53]:

- Tấm xơ khoáng dạng tấm được sử dụng cho cách nhiệt, cách âm cho các tòa cao ốc, xưởng phim, rạp hát, vũ trường, phòng karaoke...

- Ống cách nhiệt được dùng bảo ôn chống nóng, tiêu âm cho hệ thống trung tâm các nhà ga, trường học, bệnh viện, công ty sản xuất dược phẩm… - Cuộn cách nhiệt được dùng chống nóng hệ thống lò nung, lò hơi; cách âm

giảm ồn cho cách hệ thống máy nổ phát điện trong khu công nghiệp…và đặc biệt được ứng dụng trong công nghệ đóng tàu.

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÒA KHÓA 2012B 27

 Ưu điểm:

Xơ khoáng có độ cách nhiệt, cách âm rất cao, hệ số dẫn nhiệt thấp, không bén lửa, có khả năng chống cháy tốt, chịu nhiệt tới 850oC [6].

1.2.4.2 Xơ gốm

Xơ gốm cách nhiệt có thành phần cơ bản là Alumino Silic đioxyt (hợp chất của silic dưới sợi sa thạch hoặc thạch anh). Xơ gốm cách nhiệt được tạo ra là để phục vụ cho các dự án cách nhiệt cực nóng - ngọn lửa trực tiếp lên đến 1800oC... là