Áp lực liên quan đến bảo vệmôi trường và sinh thái tác động lên xã hội hiện đại, đã thúc đẩy chuyên gia các nước EU tìm và sử dụng tối ưu vật liệu phế thải. Mục tiêu là phát triển vật liệu cách nhiệt từ vật liệu tự nhiên thu được từ nông nghiệp. Cụ thể là cây gai dầu, lanh và sợi đay. Tất cả vật liệu cách nhiệt được làm từ sợi hữu cơ có nguồn gốc từ nơng nghiệp, với một tỷ lệ nhất định của các mảnh vụn xơ. (Zach và Hroudova 2009). Các mẫu thử nghiệm vật liệu cách nhiệt sử dụng nguyên liệu là cây gai dầu, lanh và sợi đay. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thuộc tính của cách nhiệt thu được hồn tồn có thể so sánh với các loại vật liệu khác [3].
Tính chất cách nhiệt của sản phẩm phụ nông nghiệp thân thiện môi trường, dễ phân hủy sinh học như cọ dầu, xơ dừa và bã mía, đã được Krishpersad Manohar nghiên cứu để làm vật liệu cách nhiệt dùng trong xây dựng. Đo độ dẫn nhiệt được thực hiện trên mẫu thửkích thước 51× 51 mm dày 25,4 mm theo tiêu chuẩn ASTM C518. Mẫu được đo trong điều kiện thử nghiệm dòng nhiệt một chiều trạng thái ổn định. Các thiết bị đo hệ số cách nhiệt với dung sai ± 0.2% và lặp lại ± 0.5% trong khoảng 0.05 W/mK đến 0,35 W/mK . Đối với tất cả ba nguyên liệu, thực nghiệm ở nhiệt độ thử nghiệm trung bình khác nhau cho thấy có sựthay đổi độ dẫn nhiệt khi
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 32 KHÓA 2012B
thay đổi với mật độ sợi. Xơ bã mía với mật độ 686 kg/m3 dẫn nhiệt thấp nhất 0,04610 W/mK. Khi tăng mật độ xơ của vật liệu dẫn đến gia tăng hệ số dẫn nhiệt của tấm xơ [4]
Theo nghiên cứu của Krishpersad Manohar; Dale Ramlakhan; Gurmohan Kochhar; Subhas Haldar cho thấy việc sử dụng vật liệu cách nhiệt tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học trong xây dựng sẽ làm giảm bớt các vấn đềmơi trường hiện nay. Tính dẫn nhiệt (λ) cho dừa và mía đã được nghiên cứu phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C518 trên mật độ khoảng 40 kg/m3 đến 90 kg/m3 và 70 kg/m3 đến 120 kg/m3 đối với nhiệt độ kiểm tra dao động từ 13.2ºC đến 21.8ºC và 18ºC đến 32ºC. Các dữ liệu thực nghiệm được sử dụng để xác định phương trình thực nghiệm cho biến λ với mật độ và nhiệt độ cho cả dừa và bã mía. Kết quả cho thấy các λ tối thiểu cho cả dừa và bã mía trong phạm vi trung bình khoảng 0,0488 W/m.K và 0,0483 W/m.K. Sự biến động λ với mật độ và nhiệt độ trung bình cho cả dừa và bã mía là phù hợp cho vật liệu cách nhiệt. Kết quả cũng cho thấy khối lượng thể tích tăng trong khoảng 40÷ 70 kg/m3 thì hệ số dẫn nhiệt giảm, tuy nhiên trong khoảng 80 – 90 kg/m3 thì ngược lại. Với nhiệt độ đo 15.6oC, 21,8oC và 24oC giá trị λ biến động trong khoảng 0,048 – 0,058 W/mK và với cùng một khối lượng thể tích, khi nhiệt độtăng thì λ tăng tức khảnăng cách nhiệt của vật liệu giảm [5].
Theo nghiên cứu của Krishpersad Manohar và Gurmohan S. Kochhar về ảnh hưởng của khơng khí trong tấm vật liệu đến khả năng dẫn truyền nhiệt trên vật liệu dạng sợi. Trong nghiên cứu này, khơng khí được loại bỏ khỏi các lỗ rỗng trong vật liệu, do đó, về mặt lý thuyết sự truyền nhiệt chỉ do dẫn nhiệt tiếp xúc và bức xạ. Giả thuyết này đã được thử nghiệm bằng cách đo độ dẫn điện trong điều kiện chân khơng cho sợi dừa và sợi mía mẫu. Kết quả thử nghiệm cho thấy một sự khác biệt trung bình giữa tính dẫn nhiệt trong điều kiện chân không là 0,0279 và 0,0231 W/mK tương ứng cho xơ dừa và bã mía trên phạm vi mật độ thử nghiệm. Đối với mẫu xơ dừa: trong cả 2 mơi trường, khi khối lượng thể tích tăng từ 30 – 80 kg/m3
thì độ dẫn nhiệt giảm và trong vùng từ 85 – 115 kg/m3 thì độ dẫn nhiệt tăng tương ứng với sựtăng khối lượng thể tích [7]
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 33 KHÓA 2012B 1.9. Kết luận
Vật liệu cách nhiệt nói chung rất đa dạng và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vật liệu cách nhiệt làm từ xơ sợi tự nhiên đang ngày càng được quan tâm vì tính thân thiện mơi trường. Vì vậy luận văn này chọn chủ đề “Nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu tạo và tính chất cơ lý của một số vật liệu cách nhiệt từxơ sợi hữu cơ tự nhiên”
Qua điều tra thị trường để mua nguyên liệu thí nghiệm đã cho thấy: Tuy vật liệu cách nhiệt từ nguyên liệu hữu cơ tự nhiên rất đa dạng và phong phú. Song trên thực tế của thị trường Việt Nam chỉ có một loại duy nhất là thảm xơ dừa. Vì vậy từ mục tiêu nghiên cứu một vài loại nguyên liệu từxơ sợi hữu cơ tự nhiên, luận văn sẽ chỉ tập trung vào nghiên cứu loại thảm xơ dừa do Việt Nam sản xuất đểcó được các thơng tin cần thiết cho việc lựa chọn sản phẩm của người tiêu dùng và định hướng cho các nhà sản xuất sử dụng loại thảm này.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 34 KHÓA 2012B
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1.Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Do vật liệu cách nhiệt dạng tấm mềm khơng có khảnăng chịu lực, nên chúng luôn được dùng kết hợp với một số vật liệu khác hay lồng trong cấu trúc chịu lực. Chính vì vậy các thơng số kỹ thuật của chúng khơng đề cập đến tính chất cơ học.
Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của luận văn này sẽ là mối quan hệ giữa một số thông số cấu tạo và tính chất lý học đến tính dẫn nhiệt của tấm xơ dừa do Việt Nam sản xuất dùng cho mục đích làm vật liệu cách nhiệt trong xây dựng.
2.2 Nội dung nghiên cứu
1. Phân tích đặc điểm cấu tạo của tấm xơ dừa: đặc điểm của xơ, sự phân bố các xơ trong thảm xơ.
2. Một số thông số kỹ thuật của tấm thảm xơ dừa: khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng và độ dày.
3. Nghiên cứu quan hệ của hệ số cách nhiệt với độ dày của thảm xơ dừa. 4. Nghiên cứu mối quan hệ giữa hệ số cách nhiệt cách nhiệt và độ dày lớp
cách nhiệt của thảm xơ dừa.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu các tài liệu lý thuyết về tổng quan vật liệu cách nhiệt và các cơ chế truyền nhiệt qua vật liệu cách nhiệt, các yếu tố ảnh hưởng đến các cơ chế này. Từđó có cơ sở để so sánh và đánh giá khả năng cách nhiệt của các loại vật liệu. Bên cạnh đó là nghiên cứu các bài báo, các luận án và các cơng trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về vật liệu cách nhiệt giúp có thêm cơ sở lý luận cho việc so sánh, đánh giá khả năng cách nhiệt của vật liệu cũng như các yếu tốảnh hưởng đến khảnăng cách nhiệt của vật liệu.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: dựa trên các tiêu chuẩn thí nghiệm xơ sợi và vật liệu xây dựng để đảm bảo quy trình thí nghiệm là hợp lý và kết quả thí nghiệm đạt độ chuẩn xác cao.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 35 KHÓA 2012B
Chụp ảnh SEM của mẫu: đo tiết diện xơ (bề dày xơ), kích thước và hình dạng các lỗ rỗng, nhận định bề mặt và cấu trúc của xơ và tấm vật liệu.
Độ dày của tấm được đo dựa theo tiêu chuẩn ASTM C303: đo trên 5 mẫu, mỗi mẫu đo ở 4 vị trí khác nhau. Sau đó lấy giá trị trung bình.
Đo hệ số dẫn nhiệt λ được tiến hành 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 λ được đo ở nhiệt độ 43oC gần với nhiêt độ ngoài trời vào mùa hè (40-50 oC). Các thí nghiệm được thực hiện trong phịng thí nghiệm với nhiệt độ 25oC, độẩm 65%.
2.4. Thiết bị thí nghiệm
Thước cặp đồng hồ 505-683 Mitutoyo – Nhật
Hình 2.1. Thước cặp
Phạm vi đo: 0 -150 mm
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển viđiện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử(chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Bao gồm: súng điện tử, tụ kính, buồng tiêu bản, hệ thống đầu dị điện tử, hệ thống khuếch đại - máy tính và màn hình để quan sát ảnh. Chùm điện tử xuất phát từ súng điện tử đi qua tụ kính, rồi vật kính, sau đó chùm tia hội tụ và quét trên toàn bộ bề mặt của mẫu, sự tương tác của chùm điện tử tới với bề mặt mẫu tạo ra các tia khác nhau (điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, tia huỳnh quang catot, tia X đặc trưng...).Việc tạo
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 36 KHÓA 2012B
ảnh của mẫu vật được thực hiện thơng qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Hình 2.2. Máy chụp SEM Cân điện tử Sartorius - Đức
Hình 2.3. Cân điện tử
Thông số kỹ thuật:
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 37 KHÓA 2012B - Sai số: 0,0001g Tủ sấy Memmert – Đức Hình 2.4. Tủ sấy Thơng số kỹ thuật - Dung tích: 53 lít (400 x 400 x 330mm). - Đối lưu tự nhiên.
- Điều chỉnh thời gian từ 0 – 99h59.
- Điều chỉnh nhiệt độ từ nhiệt độ phòng tới 220oC. - Độ chính xác nhiệt đơ: 0,5oC.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 38 KHĨA 2012B
Hình 2.5.Bình tỷ trọng
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 39 KHĨA 2012B Hình 2.6. Thiết bịđo độ dẫn nhiệt МИТ-1
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).
2.5. Nguyên liệu thí nghiệm
Tấm xơ dừa được nghiên cứu do của Cơng ty cổ phần Trà Bắc sản xuất, có dạng cuộn khổ 1m
2.6. Quy trình chuẩn bị thí nghiệm
2.6.1.Chụp Ảnh SEM cấu trúc của xơ dưa và thảm mẫu
− Mẫu SEM (Scanning Electron Microscope) được chụp tại phịng thí nghiệm cơng nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 40 KHÓA 2012B
− Chuẩn bị mẫu vật liệu có kích thước: Dài 1cm x Rộng 1cm x Dày 1cm − Mẫu được cắt cẩn thận để bề mặt mẫu khơng có vết xước hay biến dạng. − Sau đó, mẫu được phủ 1 lớp Platin và đưa vào máy chụp.
2.6.2.Đo kích thước tấm thảm xơ dừa
Tấm xơ dừa do Việt Nam sản xuất trên cơng nghệ khơng tiên tiến nên có độ đồng đều khơng cao. Vì vậy mẫu được lấy ở nhiều vịtrí đểđảm bảo tính đại diện
Sử dụng 2 tấm kim loại mỏng, phẳng đặt lên 2 bề mặt của tấm mẫu đã cắt (200x100 mm). Dùng thước kẹp đo ở vị trí 4 góc của mẫu:
Hình 2.7. Vịtrí đo độ dày mẫu
Dùng thước kẹp đo bề dày 2 tổng cộng 2 tấm kim loại: dkl = 1,53 mm Ta xác định được độ dày trung bình của tấm vât liệu
2.6.3.Đo khối lượng riêngcủa xơ dừa
Thông qua quá trình nghiên cứu phương pháp xác định khối lượng riêng cho cát và phương pháp xác định khối lượng riêng và độẩm của vật liệu dạng hạt mịn, ASTM 128-88. Dùng phương pháp bình tỷ trọng học viên tiến hành xây dựng quy trình thí nghiệm khối lượng riêng của tấm xơ dừa như sau:
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 41 KHÓA 2012B
Chuẩn bị mẫu:
• Dùng kéo cắt nhỏ mẫu, sao cho các xơ ngắn 1-2 mm Dụng cụ thí nghiệm:
• Bình tỷ trọng có vạch chuẩn
• Cân kỹ thuật có độchính xác đến ± 0,0001g • Tủ sấy
Tiến trình thí nghiệm
• Đem sấy mẫu ở nhiệt độ khoảng 105oC trong 8 giờđể vật liệu khơ hồn tồn. • Bình tỷ trọng được rửa sạch, sấy khơ rồi đem cân để xác định khối lượng khơ
của bình mb.
• Bỏ mẫu vào bình tỷ trọng, đem cân đểxác định khối lượng mb+m • Cho nước vào cho đến khi vật liệu hoàn toàn ngập trong nước.
• Sau đó lắc đều, xoay bình cho bọt khí thốt hết ra ngồi. Để n bình tỷ trọng 24 giờ cho vật liệu ngấm nước toàn phần và điền đầy hết khe hở. • Tiếp tục cho thêm nước vào bình đến vạch định mức, cân được khối lượng
(m2).
• Đổ tất cả vật liệu và nước trong bình ra ngồi, rửa sạch và sấy khơ bình. Cho nước vào bình tỷ trọng đến vạch định mức, đem cân được khối lượng của bình chứa nước m1
• Sự chênh lệch khối lượng giữa (G+m1) và m2 chính là khối lượng vật liệu chiếm chỗ trong bình
• Lần lượt làm thí nghiệm tương tự với 2 mẫu cịn lại Tính tốn kết quả:
[g/cm3] (2.1)
TẠ THỊ THÚY DIỄM Trang 42 KHĨA 2012B
1
m : khối lượng của bình tỷ trọng chỉ chứa nước, g
2
m : khối lượng của bình tỷ trọng chứa mẫu vật liệu và nước, g
n
γ : khối lượng riêng của nước, γn= 1g/cm3 : khối lượng riêng của dừa, g/cm3
2.6.4.Đo khối lượng thể tích của thảm xơdừa
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 khơ, 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 khơng 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