Chương 1: Tổng quan 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Theo thời gian, đến tháng 12/2017, có 1.618 sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong ngành xây dựng đã được công bố. Giai đoạn 1961 – 2013, số lượng sáng về tăng nhưng không đồng đều, giai đoạn 2014 – 2016, số lượng sáng chế tăng liên tục với số lượng công bố sáng chế nhiều nhất là 2016 (Hình 1. Qua đó, ta thấy trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong xây dựng hiện đang rất được quan tâm trên thế giới.
Trung Quốc, Hoa Kỳ, Hàn Quốc, Đức và Nhật Bản hiện là 5 quốc gia dẫn đầu về số lượng bằng sáng chế công bố. [4] 400 350 SỐ LƯỢNG SÁNG CHẾ CÔNG BỐ 300 250 200 150 100 50 0 NĂM Hình 1. 4: Tình hình công bố sáng về về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong lĩnh vực xây dựng theo thời gian. Nghiên cứu và ứng dụng aerogel trong lĩnh vực xây dựng tập trung vào 3 hướng chính là: vật liệu cách nhiệt, vật liệu cách âm và phụ gia trong xây dựng.
Trong đó, aerogel dùng làm vật liệu cách nhiệt là chiếm tỉ lệ cao nhất, chứng tỏ đây là hướng đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà sáng chế (Hình 1. [4] Trang 4 / 45 Tieu luan SVTH: Châu Ngọc Thiện 16% Vật liệu cách nhiệt 17% Vật liệu cách âm 67% Phụ gia xây dựng Hình 1. 5: Tình hình công bố sáng chế về nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong lĩnh vực xây dựng theo các hướng nghiên cứu. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1.
Mục tiêu Bước đầu tính toán hệ thống phủ cách nhiệt bổ sung trên cơ sở vật liệu aerogel silica cho mô hình nhà kho bảo quản xây dựng trên đảo ngoài khơi, dựa trên các thông số khí tượng ở khu vực đảo Hòn Tre, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa với mục đích cách nhiệt và làm mát công trình. Nội dung − Tìm hiểu tổng quan về: nguyên tắc cách nhiệt/tản nhiệt; các vật liệu phủ cách nhiệt/tản nhiệt; các phương pháp đánh giá; − Lựa chọn loại vật liệu aerogel làm lớp phủ cho công trình; tính năng và phương thức bao phủ; − Tính toán khả năng cách nhiệt/tản nhiệt khi áp dụng vật liệu nêu trên; − Kết luận sơ bộ và đưa ra định hướng nghiên cứu tiếp. Trang 5 / 45 Tieu luan Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI 2.
Những đặc điểm chính về khí hậu Việt Nam Việt Nam nằm trong vùng nội chí tuyến nên khí hậu mang tính nhiệt đới. Với sự hoạt động mạnh mẽ của gió mùa và tác động của biển Đông nên nước ta có lượng mưa và độ ẩm dồi dào. Lượng nhiệt hằng năm nhận được rất lớn, nhiệt độ trung bình năm trên 21°C tăng dần từ Bắc vào Nam với số giờ nắng từ 1. Lượng mưa trung bình năm lớn từ 1.
Độ ẩm không khí trên 80% nên so với các nước cùng vĩ độ, nước ta có mùa đông lạnh hơn và mùa hạ mát hơn. Khí hậu nước ta là kiểu khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, trải dài từ vĩ độ Hình 1. 6: Bản đồ khí hậu Việt Nam 23°23’ Bắc đến 8°27’ Bắc, với nhiều (Nguồn: bando.vn) kiểu địa hình nên mang nhiều nét độc đáo. Miền Bắc (từ đèo Hải Vân trở ra) là khí hậu nhiệt đới gió mùa với 4 mùa rõ rệt (xuân – hạ – thu – đông) chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc và gió mùa Đông Nam, độ ẩm cao.
Miền Nam (từ đèo Hải Vân trở vào) do ít chịu ảnh hưởng của gió mùa nên khí hậu nhiệt đới khá điều hòa, nóng quanh năm và chia thành 2 mùa rõ rệt – mùa mưa và mùa khô. Biển Đông Việt Nam mang tính nhiệt đới gió mùa hải dương và tương đối đồng nhất. Ngoài ra, Việt Nam còn có nhiều vùng tiểu khí hậu như ôn đới tại Sa Pa hay Đà Lạt, khí hậu lục địa như Lai Châu, Sơn La. [5] Trang 6 / 45 Tieu luan SVTH: Châu Ngọc Thiện 2.
Thách thức trong công nghiệp và đời sống Khí hậu nhiệt đới ẩm tại Việt Nam có sự phân hóa mạnh theo không gian và thời gian, hình thành nhiều vùng khí hậu và biến động rất thất thường. Chính sự phân hóa đa dạng và biến đổi thất thường như vậy nên cũng có nhiều thuận lợi lẫn thách thức trong công nghiệp và đời sống con người. Nhiệt độ và độ ẩm tăng cao gây ra khó khăn trong việc bảo quản thiết bị, tăng chi phí thông gió, làm mát, gây giảm chất lượng cũng như hiệu quả của vật liệu. Ngoài ra các hoạt động thời tiết thất thường như bão lũ, lũ lụt, dông lốc… còn gây phá hoại cho đất đai, thiệt hại cho công trình, ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất và đời sống con người.
AEROGEL Thuật ngữ Aerogel được Samuel Stephens Kistler đưa ra lần đầu vào năm 1932 để chỉ gel, trong đó chất lỏng được thay thế bằng chất khí mà không làm sụp đổ mạng lưới gel rắn. Trước đây, gel ướt được làm khô bằng cách bay hơi thì Kistler đã áp dụng cách khác – làm khô siêu tới hạn. Chất lỏng trong gel sẽ chuyển thành chất lỏng siêu tới hạn và được hút chân không dưới dạng khí, tạo thành bộ khung rắn khô từ vật liệu ban đầu. Mẫu khô thu được có cấu trúc xốp rất thoáng.[6] Aerogel hiện đang được ứng dụng rất nhiều, liên quan đến ngăn chặn chất thải hạt nhân, bẫy CO2, lớp phủ chống thấm nước, cảm biến hóa học, chất xúc tác, khuôn đúc kim loại, đầu dò âm thanh, thiết bị lưu trữ năng lượng, chất cách nhiệt và rất nhiều ứng dụng công nghệ cao khác.[6] Aerogel có hiệu suất nhiệt cao, mặc dù chi phí vẫn cao cho các ngành công nghiệp nhạy cảm với chi phí như ngành xây dựng.
Nghiên cứu đang tiếp tục cải thiện hiệu suất cách nhiệt và giảm chi phí sản xuất aerogel. Các tính chất độc đáo của aerogel cung cấp nhiều ứng dụng mới trong các tòa nhà. Độ dẫn nhiệt thấp phi thường của aerogel cũng như độ trong suốt quang học của nó cho phép sử dụng nó để cách nhiệt mặt tiền tòa nhà và các tấm cửa sổ cách nhiệt. Trang 7 / 45 Tieu luan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Aerogel được chia thành nhiều loại [6]: − Aerogel vô cơ: + Aerogel cơ sở silica: silica aerogel, fluorescent silica aerogels… + Aerogel không silica: zirconia aerogels, titania aerogels… − Aerogel hữu cơ + Tự nhiên: cellulose aerogels… + Tổng hợp: polyurethane aerogels, carbon aerogel… − Aerogel composite: polymer–crosslinked aerogels… − Exotic aerogel: chalcogenide aerogels, chitosan–silica hybrid aerogels… Trong đó, có 3 loại aerogel phổ biến nhất hiện nay là silica aerogel, carbon aerogel và aerogel oxide kim loại.
Silica aerogel – vật liệu siêu nhẹ và cách nhiệt tốt Silica aerogel là loại vật liệu vô định hình được chế tạo từ silica gel (SiO2) và alcohol, có tên thường gọi là khói xanh hay khói lạnh. Chúng có mật độ biểu kiến khoảng 0,03 – 0,35 g. Diện tích bề mặt bên trong khoảng 250 – 800 m2.g–1, có thể vượt quá 1. Thể tích lỗ chiếm hơn 90% tổng thể tích nguyên khối của chúng với kích thước lỗ liên tục thường nằm trong khoảng 5 – 100 nm và đường kính lỗ trung bình từ 20 – 40 nm.
Chế tạo Năm 1931, nhà khoa học Samuel Kistler (Mỹ) đã dùng kỹ thuật sấy siêu tới hạn để tạo ra aerogel đầu tiên (thực ra là alcogel do được tạo thành từ gel silica và dung môi alcohol). Bằng việc tăng áp suất và nhiệt độ để dung môi trong gel trở thành chất lỏng siêu tới hạn. Thay vì chỉ dựa trên sự bốc hơi, gel khô siêu tới hạn được chế tạo qua các công đoạn như sau: Điểm siêu tới hạn sẽ làm khô các chất lỏng “alco” khiến một phần của alcogel biến thành khí, trong khi cấu trúc lỗ xốp của silica vẫn không bị sụp đổ. Đây là kỹ thuật hiệu quả nhưng khá nguy hiểm vì cần thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao, tốn kém thời gian và chi phí.
Các nhà khoa học đã tìm được phương pháp sản xuất mới bằng cách dùng hợp chất alkoxide (base liên hợp của rượu) thay cho silica gel, Trang 8 / 45 Tieu luan SVTH: Châu Ngọc Thiện carbon dioxide (CO2) thay cho alcohol. Phương pháp này thân thiện với môi trường và không còn nguy hiểm nên dần đưa aerogel phổ biến hơn trong các ngành công nghiệp. Tính chất của silica aerogel Một trong những đặc điểm đặc biệt chính của silica aerogel là độ dẫn nhiệt cực kì thấp (0,015 W.m–1K–1 tại điều kiện nhiệt độ, áp suất phòng và độ ẩm tương đối). Giá trị này thấp hơn đáng kể so với độ dẫn nhiệt không khí trong cùng điều kiện (0,025 W.
Vì tính chất này mà silica aerogel là một trong những vật liệu cách nhiệt nổi tiếng nhất và là một chất không cháy. Để làm ví dụ cho một sản phẩm công nghệ cao, silica aerogel ngày càng được sử dụng nhiều làm chất cách nhiệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Chúng được dùng để cách nhiệt cho robot thăm dò sao Hỏa Sojourner (Sojourner Mars Rover) (Hình 2. Trong suốt nhiệm vụ, nhiệt độ bên ngoài có thể giảm xuống đến –67°C trong khi bên trong được duy trì ở 21°C.
Ngoài là vật liệu cách nhiệt, silica aerogel còn áp dụng để thu thập các hạt sol khí, bảo vệ gương không gian, làm vách ngăn bể chứa. 1: Sojourner – robot thăm dò sao Hỏa của NASA (1996). (Nguồn: Wikipedia) Trang 9 / 45 Tieu luan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Độ trong suốt và khả năng truyền ánh sáng nhìn thấy của silica aerogel cũng rất cao, mặc dù chúng đều có xu hướng phân tán ánh sáng truyền qua ở một mức độ nào đó, điều này gây giảm chất lượng quang học của chúng. Ngoài ra, silica aerogel còn là một chất cách âm tuyệt vời, phụ thuộc vào kết cấu của chúng.
Sự lan truyền sóng âm bị suy giảm cả về biên độ lẫn vận tốc vì năng lượng sóng được truyền dần từ khí đến mạng rắn aerogel, trên toàn bộ chiều dài vật liệu. Khối vật liệu silica aerogel có vận tốc truyền âm thanh thấp hơn cả không khí. Vận tốc âm thanh xuống đến 40 m.s–1, các sản phẩm thương mại yêu cầu có vận tốc âm khoảng 100 m. Aerogel dạng hạt thì phản xạ khác thường với âm thanh, tạo thành vật liệu hàng rào cản âm thanh.
Bằng cách kết hợp nhiều lớp với các kích thước hạt khác nhau, làm giảm mạnh đến 60 dB đối với chiều dày khoảng chỉ 7 cm. [10] Xét về đặc tính cơ học, silica aerogel chịu được áp suất nén cao đến 3 bar, nhưng sức bền thì thấp phụ thuộc nhiều vào các liên kết mạng và mật độ aerogel. Độ lớn của sự co có thể đạt gần 50% theo chiều dài mẫu [11].