Bảng 3.5 Granule size distribution
2. Giới thiệu
2.5. Truyền nhiệt ở vật liệu silica aerogel
2.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng truyền nhiệt của silica aerogel
2.5.2.1. Do thành phần cấu tạo và mạng lưới cấu trúc
Thành phần cấu tạo
Silica aerogel với thành phần chủ yếu là silica và khí/không khí, thể tích không khí có thể chiếm tới 99,8% nên có thể gọi. thể tích của aerogel là không khí.Bởi vi tới 90-99,8% thể tích của aerogel là không khí, So với chất rắn độ dẫn nhiệt của nó có thể tương tự hoặc thậm chí nhỏ hơn không khí (0,021 W/mK ở 0 C dưới 1 bar).
Mạng lưới cấu trúc
Do độ xốp cao, kích thước lỗ nano và mạng lưới silica liên kết chéo, silica aerogel được phân biệt vật liệu cách nhiệt. Đồng thời cấu trúc quanh co và mạng lưới kết nối cao của aerogel, có thể cản trở sự vận chuyển nhiệt trong không khí và chất rắn, cũng góp phần làm dẫn nhiệt thấp.
Do lỗ xốp kích thước nano cũng như ma trận rắn kích thước nano - cấu trúc co quanh, phân tử khí sẽ tập hợp tại mặt phân cách giữa các hạt lân cận, giúp giảm thiểu độ dẫn nhiệt ở thể khí và thể rắn. Đặc điểm chiều dài của lỗ bên trong và ma trận rắn đều có kích thước nano, gần bằng hoặc nhỏ hơn đường đi tự do trung binh của các hạt mang năng lượng tương ứng điều này làm cho các hạt mang năng lượng bị giữ lại trong mạng cấu trúc.
Tỷ trọng
Fricke và cộng sự đã tiến hành do và cho thấy độ dẫn nhiệt của các thông qua các con đường truyền nhiệt chịu ảnh hưởng như thế nào tới tỷ trọng [8]:
Hinh 2.14. Khả năng dẫn nhiệt của các thành phần dựa trên tỷ trọng của aerogel
nhiệt của chất rắn tăng lên rõ ràng khi mật độ tăng, trong khi điều ngược lại là đúng đối với sự vận chuyển của chất khí và bức xạ. Mức tối thiểu cho tổng độ dẫn nhiệt là ở mật độ khoảng 0,150 g/cm3.
2.5.2.2. Tiền chất khác nhau quyết định độ dẫn nhiệt khác nhau
Năm 1999, nhóm của Wagh đã so sánh độ dẫn nhiệt của silica aerogel được điều chế với TEOS, TMOS và PEDS, tương ứng aerogel dựa trên PEDS có mật độ thấp với độ xốp cao (96,84%) và diện tích bề mặt (1100 m2/g), và do đó cho thấy độ dẫn nhiệt thấp 0,015 W/mK.
Bảng 2.4. Effect of five precursors on the basic properties of silica aerogels. Partly reproduced from ref. 30 with the permission of Elsevier
Precursor Molar ratio of precursor : solvent : water
Catalyst and
concentration Gelationtime (Tg) Bulk density (rb) kg m-3 Porosity% Surface area m2g/m Thermal conductivity (W/m.K) TEOS TEOS : EtOH : H2O 1 : 5 : 7 Citric acid 0.001 M 2.2 days 230 87.89 800 0.060 TMOS TMOS : MeOH : H2O 1 : 12 : 4 NH4OH 0.05 M 30 min 129 93.21 1000 0.020 PEDS PEDS : EtOH : H2O 1 : 5 : 6 HF 0.01 M 10 min 98 96.84 1100 0.015 Waterglass Waterglass : EtOH 1 : 2 HCl 5 M to pH 6.2 15 min 89 95 680 __ MTMS MTMS : MeOH : H2O:H2O Oxalic acid 0.1 M 8 h 42 __ __ __
2.5.2.3. Do quá trình lão hóa và sấy khô
Vào năm 2016, Pisal và Rao đã điều chế silica aerogel thông qua làm khô áp suất môi trường xung quanh và nhận thấy rằng độ dẫn nhiệt của mẫu dựa trên thủy tinh và TMOS (tương ứng là 0,025 W/m.K và 0,030 W/m.K) thấp hơn so với aerogel dựa trên TEOS (0,050 W/m.K ) [86]. Lão hóa có thể quyết định các đặc tính của aerogel ở một mức độ lớn bởi vi nó là bước mà khung xương silica hinh thành. Có rất ít công trinh nghiên cứu ảnh hưởng của sự lão hóa đối với tính dẫn nhiệt của aerogel. Năm 2009, Nadagi phát hiện ra rằng thời gian lão hóa tối ưu là hai ngày [87]. Ngoài thời gian đó, độ dẫn nhiệt sẽ tăng lên do sự ngưng tụ quá mức của các nhóm hydroxyl.
Quá trinh sấy ảnh hưởng đến cấu trúc silica aerogel; kích thước lỗ nhỏ có thể gây ra đứt gãy trong quá trinh làm khô do lực mao dẫn rất lớn, khi cấu trúc của aerogel thay đổi dẫn đến thay đổi thể tích và các tính chất, đặc biệt là tính dẫn nhiệt. Trong quá trinh sấy, có hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hinh dạng của cấu trúc xốp rắn của gel. Thứ nhất, liên quan đến sự sụp đổ một phần gần như không thể tránh khỏi của mạng, vi ngay cả sự co rút nhỏ nhất bên trong thân gel cũng gây ra một gradient áp suất dẫn đến các vết nứt; thứ hai, các kích thước lỗ chân lông khác nhau trong toàn mạng lưới, nên các lỗ rỗng lân cận có bán kính khác nhau cho thấy tốc độ rút đi của meniscus khác nhau (nhanh hơn trên các lỗ chân lông to hơn). Do đó, các bức tường giữa các lỗ rỗng có kích thước khác nhau chịu đựng các
mức ứng suất không đồng đều và do đó có xu hướng bị nứt do các lực không cân bằng [22,23]. Chất lỏng có lỗ rỗng chịu sức căng rất lớn khi kích thước lỗ nhỏ hơn 200 A; mặt khác, khi kích thước lỗ lớn hơn 200 A, sự co ngót sẽ ít hơn và hiện tượng nứt sẽ ít xảy ra hơn. Ngược lại, trong một số trường hợp, gel có kích thước lỗ chân lông nhỏ (40 A) dễ khô hơn gel có kích thước lỗ chân lông lớn hơn, điều này được giải thích bằng lý thuyết về sự xâm thực. Sấy trong những môi trường (hay nói cách khác là kỹ thuật) khác nhau tùy thuộc vào thành phần ban đầu của gel và cấu trúc của chúng, mỗi môi trường đều có ưu nhược điểm riêng nên sẽ được xem xét kỹ lưỡng và lựa chọn trong quá trinh sấy để thu được sản phẩm có tính chất mong muốn.
Ngoài ra, sấy siêu tới hạn và sấy đông lạnh có thể thu được silica aerogel dẫn nhiệt thấp. Năm 2014, Wong và cộng sự điều chế aerogel polyethoxy disiloxane thông qua làm khô siêu tới hạn CO2và thu được một mẫu 0,0135 W/m.K [37]. Hơn nữa, vào năm 2016, nhóm của Pan đã tổng hợp MTMS/ thủy tinh nước (tỉ lệ mol là 5,1) aerogel với độ dẫn nhiệt 0,0226 W/m.K thông qua đông lạnh và làm khô chân không [38]. Sấy áp suất môi trường xung quanh cũng có thể thu được silica aerogel cách nhiệt tốt nếu đi kèm với đủ sửa đổi bề mặt vi bề mặt được biến đổi tốt thường góp phần tạo nên silica aerogel kỵ nước, có mạng lưới silica ít bị sụp đổ trong quá trinh sấy.
2.5.2.4. Ảnh hưởng bỏi pH
Độ pH sẽ ảnh hưởng lớn đến sự tạo gel tiền chất và do đó ảnh hưởng đến kích thước lỗ chân lông (tăng pH kích thước và thể tích tăng )và diện tích bề mặt của silica aerogel (tăng pH diện tích bề mặt tăng), sau đó ảnh hưởng nhiều hơn đến khả năng cách nhiệt của mẫu aerogel. Israa đã điều tra mối quan hệ giữa độ pH và đặc tính nhiệt của aerogel vào năm 2019, tương ứng rất nhiều với phát hiện của Stolarski [38]. Độ dẫn nhiệt của silica aerogel có thể thấp tới 0.01 W/m.C khi độ pH từ 7 đến 8. Stolarski và công sự sử dụng tiền chất TEOS dã khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự ngưng tụ tiền chất bằng cách thêm các lượng nước amoniac khác nhau, và kết quả được diện tích bề mặt 1082 m2/g khi pH là 7,3 và thể tích lỗ rỗng lớn nhất là 12,2 cm3g-1khi pH là 7,7. Tuy nhiên, sự gia tăng thêm độ pH dẫn đến sự sụt giảm cả về diện tích bề mặt và thể tích lỗ chân lông.