Vật liệu cách nhiệt, các tính chất cơ bản và một số vật liệu cách nhiệt thông dụng.

Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu được nghiên cứu sản xuất nhằm hạn chế tối ta sự thất thoát nhiệt, mất nhiệt cho công trình xây dựng, hệ thống cơ điện, công nghiệp lạnh, các thiết bị công nghiệp,… Vật liệu cách nhiệt có thể là chất hữu cơ hoặc chất vô cơ, nhưng phải đảm bảo hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn hoặc bằng 0.157 W/m⁰C. Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ thì khả năng cách nhiệt của vật liệu càng tốt. Mức độ dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào tính chất tự nhiên và tỉ trọng của vật liệu. Tỉ trọng càng cao thì dẫn nhiệt càng tốt.

Tại sao vật liệu cách nhiệt được sử dụng phổ biến trong công trình xây dựng?

Hiệu ứng nhà kính, nóng lên toàn cầu trong những năm gần đây gây nên những hệ quả nghiêm trọng, tạo nên những đợt nắng nóng kéo dài ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Nếu nhắc đến việc điều hòa không khí, làm mát mẻ không khí trong mùa hè nóng bức, mọi người thường nghĩ đến điều hòa, quạt điện, … Tuy nhiên những thiết bị này không thể phát huy hiệu quả cao trong những công trình không có vật liệu cách nhiệt, bởi nhiệt độ dễ thất thoát ra ngoài hoặc bị hút nhiệt. Việc sử dụng vật liệu cách nhiệt trong xây dựng sẽ giúp điều hòa không khí tốt hơn, đồng thời giúp bạn tiết kiệm tiền điện phải trả khi dùng máy lạnh, điều hòa.

Trong xây dựng, vật liệu cách nhiệt có công dụng giữ nhiệt độ trong công trình không đổi cho dù nhiệt độ bên ngoài có thay đổi như thế nào. Ngoài ra, vật liệu cách nhiệt còn giúp giảm nhẹ trọng lượng kết cấu công trình, nâng cao mức độ cơ giới hóa, giảm chi phí.

Các tính chất cơ lý của vật liệu cách nhiệt

Cường độ:

Cường độ của vật liệu là khả năng của chúng chịu đƣợc các ứng suất (nén, kéo, uốn) đạt đến giá trị nhất định mà không bị phá hoại. Cần phân biệt cường độ nén, cường độ kéo và cường độ uốn (hay môđun giựt đứt).
Trong một số tài liệu cƣờng độ còn đƣợc gọi là giới hạn bền.
Tuỳ thuộc vào cấu trúc và hình dạng của sản phẩm có thế áp dụng chỉ tiêu cường độ thích hợp. Ví dụ: Vật liệu cách nhiệt có cấu trúc tổ ong dạng khối thường sử dụng cuờng độ
nén; vật liệu cấu trúc dạng sợi, dạng tấm sử dụng cường độ uốn và vật liệu dạng sợi thường dùng cường độ kéo.

Cường độ hay giới hạn bền của vật liệu cách nhiệt phụ thuộc trước hết vào tỷ lệ thành phần pha rắn và tính chất các lỗ rỗng. Có thể cải thiện cƣờng độ của vật liệu cách nhiệt thông qua quá trình tối ưu hoá các thông số công nghệ. Đối với vật liệu có cấu trúc tổ ong, sự phân bố đồng đều các lỗ rỗng, đường kính trung bình của lỗ rỗng cũng như trạng
thái bề mặt bên trong các lỗ rỗng có ảnh hưởng quyết định đến cường độ của vật liệu.

Với vật liệu có cấu trúc sợi cường độ nén và uốn có thể được cải 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 xắp xếp có định hướng hay việc tạo ra mạng không gian hợp lý giữa các sợi.

Cường độ của vật liệu có cấu trúc hạt, trước hết, phụ thuộc vào cuờng độ của từng hạt riêng lẻ. Đối với các loại vật liệu hiệu quả cao (như hạt thuỷ tinh, peciit phồng, vemiculit
phồng) cường độ hạt rất bé, khi bị nén các hạt sẽ biến dạng và xảy ra sự xắp xếp lại vị trí trong không gian. Do vậy chỉ tiêu về cường độ nén trên thực tế đối với loại vật liệu không
kết khối này ít có ý nghĩa thực tế.

Độ ẩm

Độ ẩm là chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá sự có mặt của nước trong vật liệu ớ các mức độ khác nhau. Cần phân biệt hai loại: độ ẩm khối lượng và độ ẩm thế tích. Trong độ ẩm khối lượng
lại phân thành độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối. Độ ẩm của vật liệu đƣợc xác định theo các công thức sau:

Tương quan giữa độ ẩm khối lượng và độ ẩm thể tích được biểu thị bằng công thức sau:

Khi bị làm ẩm cường độ cơ học của vật liệu giảm, đồng thời khả năng chịu băng giá, độ bền sinh hoc,… cũng suy giảm. Khả năng của vật liệu hút ẩm từ không khí gọi là tính hút ẩm; độ ẩm có được khi đó được gọi là độ ẩm hấp phụ hay độ ấm cân bằng. Độ ẩm hấp phụ của các vật liệu cách nhiệt khác nhau được xác định trong môi trường có độ ấm tương đối khác nhau (32, 54, 75, 95 và 98%). Độ ẩm hấp phụ của vật liệu được hạn chế bằng cách giảm khối lượng các lỗ rỗng vi mô vì khi độ ẩm môi trường lớn hơn 50% thường xảy ra hiện tượng ngưng tụ trong các lỗ rỗng này. Ngoài ra có thể áp dụng phương pháp bảo vệ bề mặt vật liệu bằng các lớp vật liệu phủ hoặc trát vữa.

Độ hút nước

Độ hút nước là khả năng của vật liệu cách nhiệt hút nước và giữ nước. Độ hút nước của vật liệu cách nliệt được tiến hành xác định trên mẫu có kích thước l00xl00mm, với chiều dài băng chiều dày của cấu kiện, sau khi ngâm trong nƣớc 24 giờ. Cần phân biệt độ hút nước theo khối lƣợng và theo thế tích. Độ hút nước thể tích của mẫu nhỏ hơn độ rỗng toàn phần vì các lỗ rỗng kín không cho nướcc thấm qua Độ hút nước của vật liệu có cấu trúc tổ ong với lỗ rỗng kín (thuỷ tinh bọt, một số loại chất dẻo cách nhiệt) nằm trong khoảng 2 – 15% đến 80 – 120%; vật liệu có lỗ rỗng hở là 30 – 40% đến 350 – 400% (peclit và các vật liệu khác). Đối với vật liệu cấu trúc sợi độ hút nước rất lớn đạt 80 – 85% đến 400 – 650%. Khi bão hoà nước, cường độ của vật liệu cách nhiệt giảm. Mức độ suy giảm cường độ được đánh giá bằng chỉ tiêu hệ số mềm:

Độ bền băng giá

Độ bền chống băng giá là khả năng của vật liệu ở trạng thái bão hoà chịu được một số lượng chu kỳ đóng và tan băng nhất định. Số lượng chu kỳ đóng và tan băng luân phiên của vật liệu cách nhiệt được quy định trong các tiêu chuẩn và phạm vi tương ứng.

Độ bền nhiệt

Độ bền nhiệt là khả năng của vật liệu chịu được một số lượng chu kì đốt nóng và làm nguội tức thời nhất định mà không bị phá hoại. Chế độ nhiệt thay đổi tức thời như vậy có thể xảy ra với các thiết bị công nghệ trong quá trình hoạt động. Độ bền nhiệt phụ thuộc vào tính chất lỗ rỗng, thành phần hoá, thành phần khoáng cũng như đặc trưng của vật liệu kết khối, hình dạng sản phẩm, cường độ và tần suất thay đổi nhiệt độ. Sự phá hoại xảy ra do ứng xuất nhiệt, độ dãn nở vì nhiệt khác nhau của các thành phần cấu thành vật liệu cũng như sự chuyển biến thù hình của các chất khoáng và rất nhiều yếu tố khác. Độ bền nhiệt của vật liệu cách nhiệt có thể đƣợc tăng cường khi tăng độ đồng nhất bằng cách lựa chọn các thành phần có hệ số dãn dài vì nhiệt giống nhau cùng nhiều biện pháp công nghệ khác.

Độ chịu lửa

Độ chịu lửa là khả năng của vật liệu chịu được tác động lâu dài của nhiệt độ cao mà không xuất hiện biến dạng gây phá hoại. Đây là tính chất quan trọng đối với vật liệu chịu lửa nhẹ và vật liệu cách nhiệt nhiệt độ cao. Cấu trúc sợi như sợi cao lanh, gốm chịu lửa nhẹ,…

Tính chống cháy

Tính chống cháy của vật liệu là khả năng chịu được tác động của nhiệt độ cao và tác động trực tiếp của ngọn lửa mà không bị phá hoại.

Dựa theo khả năng chống cháy, vật liệu đƣợc phân thành ba nhóm: vật liệu không cháy, vật liệu khó cháy và vật liệu cháy.

Vật liệu không cháy bao gồm vật liệu chứa bông khoáng, bê tông tổ ong, gốm cách nhiệt, peclit và vemiculit phồng có chất kết dính ceramic. Vật liệu cháy bao gồm sản phẩm có chứa thành phần dễ cháy (tấm sợi gỗ, tấm than bùn, một số vật liệu từ chất dẻo).

Tính chống cháy của vật liệu được tăng cƣờng bằng phương pháp khoáng hoá vật liệu ban đầu hoặc lẩm vật liệu bằng các phụ gia chống cháy. Để khoáng hoá vật liệu ban đầu thường sử dụng cao lanh, amiăng, thạch cao, sét nhôm và các phụ gia khoáng nghiền mịn có khả năng làm tăng nhiệt dung riêng và nhiệt độ tự bốc cháy, đồng thời cản trở sự lan truyền của ngợn lửa. Phụ gia chống cháy hoại động dựa trên cơ sở nóng chảy các chất dễ chảy khi bị đốt nóng (ví dụ muối cúa axit Bo, axit photphoric và axit silisic) hoặc phân huỷ thải ra chất khí không có tác dụng duy trì sự cháy (ví dụ khí amoniac, khí cacbonic…).

Lớp bảo vệ sản phẩm đƣợc xử lý bằng các chất không cháy, đó là dùng sơn silicat. Các chất này không cháy có nhiệt dung riêng lớn cho phép tăng độ chịu lửa của sản phấm.

Các tính chất âm học của vật liệu

Một số loại vật liệu có độ rỗng lớn, thường là lỗ rỗng hở, được dùng cho mục đích cách âm, tức làm giảm tiếng ồn khi sóng ám truyền qua vách ngăn. Trong vật liệu, tốc độ truvền sóng âm tỉ lệ với độ đặc của vật liệu. Trên thực tế có thể sử dụng hệ số hút âm (α) để đánh giá khả năng cách âm, hút âm của vật liệu :

Trong đó:

E_bx,E_px,E_hp tương ứng là năng lượng âm bức xạ, phản xạ và hấp phụ.

Hệ số hút âm chịu ảnh hƣớng chủ yếu bởi tần số cúa sóng âm, đƣợc đánh giá bằng biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của hệ số hút âm vào tần số. Tần số đƣợc sử dụng là 63, 125, 250, 500, 1000. 2000, 4000 và 8000Hz. Đối với vật liệu hút âm cấu trúc rỗng, khi tần số âm tăng thì hệ số hút âm cũng tăng (xem ảnh đính kèm). Hiện tƣợng âm thanh bị tắt có liên quan trực liếp đến sự chuyển biến năng lƣợng dao động của khối tích không khí thành năng lƣợng nhiệt do ma sát với thành lỗ rỗng. Với vật liệu có cấu trúc rỗng hở, hiện tƣợng này xảy ra với tần suất cao, có tác dụng làm giảm năng lƣợng âm bức xạ, cho hiệu quả hút ẩm cao.

Hệ số hút âm phụ thuộc vào tần số dao động âm.

Một số vật liệu cách nhiệt thường sử dụng

Bông thủy tinh cách nhiệt:

Cấu tạo: bông thủy tinh làm từ sợi thuỷ tinh tổng hợp thu đƣợc từ quá trình làm nung chảy xỉ, đất sét, đá…. sản phẩm là một vật liệu cách nhiệt tốt. sản phẩm đƣợc tạo thành chất liệu giống nhƣ len. Sở dĩ vật liệu có khả năng cách nhiệt cao là bởi quá trình thực hiện tạo ra nhiều túi khí nhỏ nằm giữa sợi thủy tinh.

Hệ số cách nhiệt của bông thủy tinh

Hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh

Ưu điểm và nhược điểm của bông thủy tinh:

Ứng dụng:

Được dùng cách nhiệt chống nóng cho mái nhà, xƣởng các KCN, khu chế xuất, các công trình xây dựng.

Sử dụng cách nhiệt, bảo ôn chống nóng cho các đƣờng ống trong ngành điện lạnh, hệ thống lò hơi,..

Tấm cách nhiệt Panel:

Cấu tạo: gồm 3 lớp ép dính vào nhau (Tôn + EPS/Glasswool/PU + Tôn). Lớp ở giữa là xốp cách nhiệt EPS: Xốp EPS đƣợc sản xuất từ hạt nhựa nguyên sinh Expandable PolyStyrene. Các hạt nhựa đƣợc đƣa vào hệ thống gia nhiệt kích hoạt để hạt nhựa nở tại nhiệt độ 90 độ C, các hạt kích nở này đƣợc đƣa vào khuông gia nhiệt tại nhiệt độ 100 độ C trong khoảng thời gian phù hợp. Từ đó hình thành nên sản phẩm mốp xốp cách nhiệt EPS.

Thông số kỹ thuật cơ bản

Ưu điểm và nhược điểm:

Ứng dụng:

Làm vật liệu xây dựng cho các công trình cần vật liệu nhẹ

Xây dựng các công trình công nghiệp như: kho lạnh, kho mát, hầm trữ đông, xây dựng nhà xưởng sản xuất, phòng lạnh cho dược phẩm, kho thực phẩm,…

Túi khí cách nhiệt

Cấu tạo: Túi khí cách nhiệt là loại vật liệu cách nhiệt đƣợc cấu tạo mặt ngoài là lớp màng nhôm phủ trên tấm nhựa tổng hợp Polyethylene chứa túi khí, tiếp đến là một lớp màng nhôm mạ. Đặc tính phản xạ của lớp màng nhôm cao cộng với độ dẫn nhiệt của lớp túi khí thấp đã tạo khả năng cách nhiệt cách âm ưu việt cho sản phẩm này.

Thông số kỹ thuật

Ưu và nhược điểm:

Ứng dụng:

– Sử dụng trực tiếp ngay dƣới các loại mái nhƣ tấm lợp kim loại, mái ngói, fiproximăng
trong các hệ thống nhà xƣởng công nghiệp, thƣơng mại và dân dụng.
– Rải trên các loại trần treo, trần nhựa, trần thạch cao; hỗ trợ các loại vách ngăn;
– Sử dụng trong hệ thống đƣờng ống bảo ôn
– Lót trần, sàn và vách trong xe ôtô,….
– Túi khí đƣợc sử dụng làm bao bì đóng gói chống ẩm cho mặt hàng điện tử, chống ẩm,
cách nhiêt cho mặt hàng thực phẩm đóng hộp

Bông sợi gốm Ceramic

Cấu tạo: Bông gốm ceramic là loại vật liệu cách nhiệt cao hay còn gọi là ceramic fiber có thành phần cấu tạo cơ bản alumino silic dioxyt hợp chất của silic dƣới sợi sa thạch hoặc thạch anh.

Thông số kỹ thuât:

– Tỷ trọng: 96-500kg
– Độ dày: 3-300mm
– Hệ số dẫn nhiệt: 0.046-0.195W/mK ở nhiệt độ 200 đến 600oC
– Khả nặng chịu nhiệt: 105⁰C-1800⁰C
Ưu và nhược điểm:

Ứng dụng:

– Cách nhiệt trong nhà máy sản xuất gạch men, gạch nung, lò gốm sứ.
– Cách nhiệt hệ thống bồn chứa acid, bồn chứa dung dịch kiềm.
– Chống nóng cho các đƣờng ống dẫn.
– Phòng cháy và cách nhiệt cho tòa nhà cao tầng, chung cƣ, khu thƣơng mại

Vật liệu cách nhiệt Mineral wool board

Cấu tạo: Vật liệu cách nhiệt Mineral Wool Board hay còn gọi là Len đá hay bông khoáng rockwool cách nhiệt. Rockwool được sản xuất, tái chế từ đá Basalt và quặng xỉ tạo ra vật liệu cách nhiệt có tính năng cách nhiệt, đặc biệt có khả năng chống cháy vượt trội, nhiệt độ nóng chảy lên tới 1177^oC.

Thông số kỹ thuật

– Hệ số dẫn nhiệt thấp < 0.045 W/m.K
– Nhiệt độ làm việc lên đến 6000C
– Tỷ trọng cao tối thỉu 40kg/m3
Ưu và nhược điểm:

Ứng dụng:

Trong lĩnh vực cách nhiệt, do bông khoáng có khả năng chịu nhiệt lên tới 850oC, nên đƣợc ứng
dụng vào các công trình cần chịu nhiệt nhƣ:
– Nhà máy lọc dầu, hoá dầu
– Trung tâm điều hoà nhiệt độ
– Hệ thống nƣớc nóng
– Lò công nghiệp, lò hơi và lò nƣớng, bếp than tổ ong…
– Máy phát điện không khí nóng
– Ống khói
– Ống dẫn nhiệt