Chuẩn bị mẫu
Chuẩn bị 5 mẫu thí nghiệm (đã cắt ở phần đo độ dày tấm vật liệu), kích thước: Dài: 20 cm Rộng: 10 cm Dụng cụ thí nghiệm • Cân kỹ thuật có độchính xác đến ± 0,0001g • Tủ sấy Tiến trình thí nghiệm
• Lấy mẫu đem sấy ở nhiệt độ khoảng 105oC trong 8 giờ. • Cân được khối lượng G.
• Lần lượt làm thí nghiệm tương tự với 2 mẫu cịn lại. Tính tốn khối lượng thể tích o G V γ = [g/cm3] (2.2) Trong đó: Vo =20 10× ×δ, 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
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 43 KHÓA 2012B 2.6.5. Xác định độ rỗng của tấm xơ dừa:
Độ rỗng của tấm xơ dừa được xác định thông qua khối lượng riêng và khối lượng thể tích của vật liệu theo cơng thức:
1 o .100% a r γ γ = − (2.3) Trong đó: o
γ : khối lượng thể tích của tấm vật liệu mẫu [kg/m3], đại lượng này có được thơng qua q trình thí nghiệm mục 2.6.4
a
γ : khối lượng riêng của tấm vật liệu mẫu [kg/m3], đại lượng này có được thơng qua q trình thí nghiệm mục 2.6.3
2.6.6. Thí nghiệm đohệ số dẫnnhiệt ( λ )
Vì tấm xơ dừa sản xuất ở Việt Nam được sản xuất theo phương pháp xuyên kim nên có độ đàn hồi theo phương chiều dày rất thấp và chỉ được sản xuất theo một chủng loại duy nhất. Nên để nghiên cứu ảnh hưởng của sựthay đổi khối lượng thể tích đến hệ số dẫn nhiệt λ là khơng có mẫu và cũng không thể nén giảm chiều cao để thay đổi khối lượng thể tích như có thể làm với các tấm xơ cách nhiệt từ bông thủy tinh hay bơng khống. Lý do là các xơ được trải theo lớp và đã bị ép sát vào nhau ởphương pháp liên kết xuyên kim và được phun keo cán nóng.
Do đó, trong phạm vi luận văn này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày đến hệ số dẫn nhiệt (λ) và hệ số cách nhiệt (R) của tấm xơ dừa của Việt Nam.
Tiêu chuẩn thí nghiệm
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu được đo theo tiêu chuẩn GOST 30.256-94, được thực hiện tại phịng thí nghiệm với nhiệt độ 25oC, độẩm 65%.
Chuẩn bị mẫu:
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 44 KHÓA 2012B
- Dài 120 mm - Rộng: 45 mm
Hình 2.8. Mẫu thí nghiệm đo độ dẫn nhiệt Dụng cụ thí nghiệm
Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt λ 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).
Tiến trình thí nghiệm
• Đo độ dẫn nhiệt của 1 tấm độ dày 1 lớp
• Sau đó, chập 2, 3, 4 tấm và tác dụng 1 lực ép đủ để làm cho các tấm tiếp xúc hoàn toàn thành một khối đồng nhất để đo độ dẫn nhiệt cho các phương án độ dày 2lớp, 3 lớp, 4lớp.
• Dùng cơng thức tính hệ số cách nhiệt R để xác định mối quan hệ giữa hệ số cách nhiệt và độ dày của tấm vật liệu
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 45 KHÓA 2012B
Bảng 2.1. Phương án thí nghiệm
Các đại lượng Các mẫu xơ dừa
Số lớp 1 2 3 4 Độ dày h (mm) 11,95 23,9 35,85 47,8 Hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK) λ1 λ2 λ3 λ4 Hệ số cách nhiệt R (m2K/W) R1 R2 R3 R4
2.6.7 Xây dựng mối quan hệ giữa cấu tạo và khả năng cách nhiệt của các tấm xơ dừa:
Dựa vào kết quảđo hệ số dẫn nhiệt λ của các mẫu, tính hệ số cách nhiệt R, sử dụng phần mềm Excel để vẽ các biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hệ số cách nhiệt với độ dày. Từđó tìm ra quy luật biến thiên của hệ số cách nhiệt theo độ dày cũng như khoảng cách nhiệt tối ưu của vật liệu.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 46 KHÓA 2012B CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
3.1.Đặc điểm cấu tạo của tấm xơ dừa3.1.1.Đặc điểm của xơ 3.1.1.Đặc điểm của xơ
Đường kính xơ thể hiện kích thước ngang của xơ. Trong mỗi loại vật liệu đường kính xơ có thể có nhiều kích cỡ khác nhau. Do tiết diện các xơ khơng đồng nhất nên đường kính xơ khơng đo theo phương pháp trực tiếp mà suy luận từ ảnh chụp SEM của nó trên mẫu.
a-Đường kính xơ đơn trong mẫu tấm xơ dừa
b-Ảnh tiết diện ngang của xơ dừa [9]
Hình 3.1. Đường kính xơ dừa
Qua ảnh chụp (a) mẫu thử nghiệm cho thấy các xơ có đường kính nằm trong khoảng 100-200 µm.
Qua ảnh chụp (b) [10] cho thấy mặt cắt ngang của xơ dừa có hình bầu dục, bên trong có các khoang khơng khí nhỏ, gần trung tâm của sợi là ống rỗng lớn. Các khoang rỗng này làm tăng không gian chứa không khí và làm giảm khối lượng thể tích của nó. Cấu trúc này cho thấy xơ dừa là một loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp hay khảnăng cách nhiệt cao.
Chiều dài xơ: là khoảng cách lớn nhất giữa hai đầu xơ ở trạng thái kéo căng. Việc phân tích và đo chiều dài xơ từ tấm cách nhiệt gặp rất nhiều khó khăn vì có nhiều xơ đã bịđứt trong quá trình gia cơng, vì vậy nó được xác định một cách tương
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 47 KHÓA 2012B
đối bằng cách gỡ cẩn thận 10 xơ và lấy giá trị trung bình. Kết quảđo chiều dài được đưa ra trong bảng 3.1
Hình 3.2. Ảnh chụp trạng thái 10 xơ đơn được gỡ ra từ tấm xơ dừa Bảng 3.1: Kết quả chiều dài xơ trong thảm xơ dừa
TT mẫu Chiều dài xơ L (mm) Sai lệch với LTB (%)
1 17,5 28,67 2 15,2 11,76 3 14,8 8,82 4 14,3 5,14 5 13,6 0 6 13,7 0,73 7 10,8 -20,58 8 12,2 -10,29 9 12,5 -8,08 10 11,4 -16,17 TB 13,6
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 48 KHÓA 2012B
Kết quả trong bảng cho thấy, chiều dài xơ dừa trên thảm mẫu nằm trong khoảng 10,8 ÷ 17,5 (mm). Trong 10 xơ được xem xét thì sự khác biệt của chiều dài so với chiều dài trung bình của chúng nằm trong khoảng -20,58 ÷28,67 % cho thấy độđồng đều của xơ thấp.
3.1.2. Sự phân bố các xơ trong thảm xơ
Sự phân bố của xơ trong vật liệu cũng là một yếu tố cần quan tâm. Trong tấm vật liệu, các xơ có thể phân bố song song hay ngẫu nhiên tùy thuộc vào công nghệ và nguyên liệu sản xuất. Theo thông tin của nhà cung cấp thì tấm xơ dừa mẫu được sản xuất theo công nghệtương tự sản xuất vải không dệt, với phương thức liên kết xuyên kim kết hợp với phun keo bề mặt để vừa liên kết chặt giữa các lớp, vừa dính kết một phần các xơ trên bề mặt giúp cho kết cấu tấm xơ chặt chẽhơn.
Hình 3.3. Bề mặt tấm thảm xơ dừa
Nhìn vào ảnh chụp bề mặt tấm thảm xơ dừa có thể nhận thấy, các xơ có chiều dài khá lớn. Những xơ ở lớp ngoài cùng tạo nên các đoạn nổi dài. Nếu khơng có sự liên kết bổ sung bằng keo thì các xơ này sẽ dễ dàng bị bóc tách khỏi thảm khi bị tác động ngoại lực. Tuy nhiên nhà sản xuất đã loại bỏ được hạn chế này bằng cách phun keo cho lớp bề mặt để liên kết các đoạn nổi dài này vào các lớp xơ bên
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 49 KHÓA 2012B
trong đã được liên kết hình học trong cấu trúc thảm. Sau khi phun keo, thảm xơ được cán nóng đề đóng rắn keo, đồng thời làm chắc các mối liên kết của xơ lớp mặt ngoài. Keo thừa và một số điểm có liên kết keo vẫn cịn có thể nhận ra trên ảnh SEM của hình 3.4; 3.5.
Hình 3.4. Cấu trúc bề mặt tấm thảm xơ dừa
Công nghệ sản suất tuy làm cho kết cấu của tấm thảm chặt chẽ song lại làm cho nó mất đi hầu hết tính đàn hồi của thảm theo phương chiều dày.
Nhờ công nghệ sản xuất xuyên kim kết hợp cán keo, nên các xơ trong thảm xơ dừa này được phân bố ngẫu nhiên và được coi là đồng nhất theo phương dọc và ngang của thảm. Sự phân bố ngẫu nhiên đã tạo ta nhiều khoảng trống trong cấu trúc của thảm. Đặc điểm của các lỗ rỗng này được thể hiện trong hình 3.4; 3.5.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 50 KHĨA 2012B
Hình 3.5. Lỗ rỗng trong cấu trúc của thảm xơ dừa mẫu
Qua phân tích kết quả chụp SEM cho thầy rằng tấm vật liệu xơ dừa có cấu trúc rỗng xốp, các xơ phân bố ngẫu nhiên, kích thước các xơ khơng đồng đều. Cấu trúc này sẽđược nghiên cứu tính dẫn nhiệt ở phần sau.
3.2.Thông số kỹ thuật củatấm thảm xơ dừa 3.2.1.Độ dày của tấm thảm xơ dừa 3.2.1.Độ dày của tấm thảm xơ dừa
Độ dày của tấm vật liệu được thực hiện trên 5 mẫu, mỗi mẫu đo ở 4 vị trí khác nhau theo tiêu chuẩn (ASTM C303-10)
Dùng 2 tấm kim loại mỏng đặt trên 2 bề mặt của tấm vật liệu, sử dụng thước kẹp đểđo chiều dày giữa 2 tấm kim loại sau đó trừđi độ dày của 2 tấm kim loại (dkl= 1,53 mm) ta có độ dày của tấm vật liệu như bảng sau:
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 51 KHÓA 2012B
Bảng 3.2. Thông số đo độ dày các mẫu
Vị trí đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 1 13,97 11,87 10,67 12,53 11,97 2 13,27 10,97 11,58 12,18 12.06 3 12,47 10,87 11,67 11,85 11,73 4 12,67 11,77 11,27 12,11 11,69 Độ dày trung bình (mm) 13,09 11,37 11,30 12,16 11.80 11,95 Sai lệch % so vớigiá trị TB 9,58 -4,85 -5,46 1,82 -1,23 Nhận xét:
Độ dày trung bình của tấm xơ dừa là d = 11,95 mm. Độ đồng đều về độ dày của sản phẩm nằm trong khoảng -5,46÷ 9,58% cho thấy chúng tương đối đồng nhất.
3.2.2.Khối lượng thể tích của tấm thảm xơ dừa
Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích của vật liệu như bảng bên dưới:
Bảng 3.3.Thơng số khối lượng thể tích
Mẫu 1 2 3 4 5 TB
G (g) 24,6934 23,5018 22,8786 23,5861 23,7952
γ (kg/m3) 103,319 98,333 95,726 98,687 99,562 99,126
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 52 KHÓA 2012B
So sánh với khối lượng thể tích của các tấm vật liệu cách nhiệt là bơng thủy tinh và bơng khống thơng dụng có trên thị trường Việt Nam (40-120 kg/m3) có thể thấy khối lượng thể tích của tấm xơ dừa nằm ở nửa sau của dải vật liệu này.
3.2.3.Khối lượng riêng của xơ dừa
Bằng phương pháp PICNOMETR đã xác định được các tham số khối lượng trung gian và từ đó tính ra được khối lượng riêng trung bình của xơ dừa như giới thiệu trong bảng 3.2
Bảng 3.4. Thông số khối lượng riêng
Mẫu 1 2 3 TB
G = mk= mb+m - mb 6,6533 4,7426 5,2133 m2 =mb+n+m 153,1126 151,4297 151,9862 m1=mb+n 151,2025 150,1369 150,4267 Khối lượng riêng
(g/cm3) 1,4027 1,3747 1,4268 1,4014 Sai lệch với γTB (%) 0.09 -1.91 1.81
Nhận xét:
Nhìn vào bảng trên có thể thấy, xơ dừa trong mẫu nghiên cứu có khối lượng riêng là 1,4014 g/cm3. Độ sai lệch của các mẫu với giá trị trung bình < 1,81% chứng tỏ mẫu có cấu trúc khá đồng đều.
3.2.4. Độ rỗng của tấm xơ dừa
Dựa vào khối lượng riêng và khối lượng thểtích đã biết của vật liệu ta tính được độ rỗng của tấm xơ dừa như bảng sau:
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 53 KHĨA 2012B Bảng 3.5. Thơng sốđộ rỗng Mẫu 1 2 3 TB Khối lượng riêng (g/cm3) 1.4014 1.4014 1.4014 Khối lượng thể tích (kg/m3) 103,319 98,333 95,726 r (%) 92,63 92,98 93,17 92,93 Sai lệch so với rTB (%) -0.32 0.05 0.26 Nhận xét: Từ kết quảtính tốn độ rỗng ở bảng 3.5 ta thấy rằng, tấm xơ dừa có độ rỗng rất cao. Đặc biệt mẫu khối lượng thể tích 95,726 kg/m3có độ rỗng đến 93,17 %. Giá trịđộ rỗng tỷ lệ nghịch với khối lượng thể tích. Độ sai lệch độ rỗng của các mẫu với giá trị trung bình < 0,32% chứng tỏ mẫu có cấu trúc khá đồng đều.
3.3. Mối quan hệ của hệ số cách nhiệt với độ dày của thảm xơ dừa
Việc đo hệ số dẫn nhiệt của tấm xơ dừa được thực hiện với 4 phương án độ dày từ 1 lớp đến 4 lớp, tương ứng với độ dày làm trịn là 12÷ 48 mm. Kết quả đo được thể hiện trên bảng 3.6.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 54 KHÓA 2012B Bảng 3.6. Độ dẫn nhiệt của các mẫu có độ dày khác nhau mẫu tại 43 oC
Số lớp Độ dày (mm) λ (W/mK) Lần đo 1 Lần 2 Lần 3 TB của 3 lần đo Sai khác với λtb (%) 1 11,95 0.0558 0.0560 0.0574 0,0564 -0,2 2 23,9 0.0549 0.0550 0.0554 0,0551 -2,5 3 35,85 0.0556 0.0553 0.0560 0,0558 0,4 4 47,8 0.0548 0.0552 0.0550 0,0550 -2,7
Hệ số dẫn nhiệt trung bình của cả 4 phương
án độ dày λ tb (W/mK) 0,0556
Nhận xét:
Kết quả đo trên bảng 3.6 cho thấy khơng có sự biến động đáng kể về độ lớn của hệ số dẫn nhiệt λ khi độ dày của tấm mẫu thay đổi từ 2 đến 4 lần. Hệ số dẫn nhiệt cả 4 phương án độ dày gần như chỉ có sai khác ở con số phần vạn. Cụ thể chúng có giá trị nằm trong khoảng rất hẹp là 0,0550÷0,0564 (W/mK) có thể so sánh với các loại vật liệu cách nhiệt khác ví dụ như tấm cách nhiệt xơ gỗ (0,04-0,09 W/mK) và cao hơn hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bơng khống (0.036 W/mK) là 1,55 lần (0.056/0.036). Nếu so sánh giá trị λ của từng phương án độ dày với giá trị trung bình chung của cả bốn phương án λtb = 0,0556 (W/mK) thì sự sai khác tương đối của chúng đều nhỏ hơn ±2,7% là các sai số thông thường trong phép đo độ dẫn nhiệt. Điều này có thể được giải thích là trong cả 4 phương án đo hệ số λ, do cấu trúc của các mẫu không bị làm thay đổi (khối lượng thể tích khơng đổi) do đó cơ
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 55 KHĨA 2012B
chế truyền nhiệt trong chúng cũng khơng có thay đổi nào đáng kể. Sự khác biệt ≤ 2,7 % một phần cịn có thể do sự khơng đồng nhất của vật liệu được chế tạo trên các vị trí khác nhau của mẫu.
Từ các lập luận trên có thể kết luận rằng sự thay đổi chiều dày mẫu đo cách nhiệt không làm thay đổi đáng kể hệ số dẫn nhiệt của nó.
3.4.Hệ số cách nhiệtcủa thảm xơ dừa
Hệ số cách nhiệt của tấm vật liệu cách nhiệt (R) đặc trưng cho sự cản trở truyền nhiệt và phụ thuộc vào độ dày và hệ số dẫn nhiệt của nó.
Hệ số cách nhiệt của tấm xơ dừa mẫu tính tốn được giới thiệu trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Hệ số cách nhiệt của tấm xơ dừa mẫu có chiều dày khác nhau
Số lớp Độ dày (mm) λ (W/mK) R (m2K/W) 1 11,95 0,0564 0,2119 2 23,9 0,0551 0,4338 3 35,85 0,0558 0,6425 4 47,8 0,055 0,8691
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 56 KHÓA 2012B
Mối quan hệ giữa hệ số cách nhiệt và độ dày tấm vật liệu
0,2119 0,4338 0,6425 0,8691 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 11,95 23,9 35,85 47,8 Độ dày (mm) H ệ s ố c ác h n hi ệt R (m 2K /W ) Hệ số cách nhiệt
Hình 3.6. Quan hệ giữa hệ số cách nhiệt và độ dày của tấm xơ dừa.
Nhận xét:
Hệ số cách nhiệt của các tấm mẫu đồng nhất có quan hệ đồng biến với độ dày tấm cách nhiệt. Khi λ khơng đổi thì nó có quan hệ tuyến tính với độ dày như được biểu diễn trên biểu đồ hình 3.6. Nếu so sánh tấm cách nhiệt xơ dừa mẫu với tấm cách nhiệt từ bơng khống có hệ số λ =0,036 thì để đạt được cùng một hệ số cách nhiệt thì độ dày tấm xơ dừa cần lớn hơn độ dày tấm bơng khống một tỷ lệ là 1.55 lần.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 57 KHÓA 2012B 3.5.Kết luận chương 3
Vật liệu xơ dừa nghiên cứu có dạng tấm khổ rộng 1m, dài theo đặt hàng, được cung cấp ở dạng cuộn, do Công ty cổ phần Trà Bắc của Việt Nam sản xuất có khối lượng thể tích là: 99,13 kg/m3 và khối lượng riêng là: 1,4014 g/cm3, có độ dày hình học là 11,95 mm (làm trịn là 12 mm), chiều dài xơ