Bài giảng Công nghệ vật liệu cách nhiệt - Chương 2: Phân loại vật liệu cách nhiệt và các tính chất cơ bản của vật liệu cách nhiệt

Chương II: Phân loại vật liệu cách nhiệt
và các tính chất cơ bản của VLCN
I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:
II. Các tính chất cơ bản của vật liệu
cách nhiệt:


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:
1. Phân loại VLCN theo độ dẫn nhiệt:
 Theo độ dẫn nhiệt VLCN được phân thành
các loại như sau:
 VLCN có độ dẫn nhiệt thấp, tương ứng có
hệ số dẫn nhiệt đo ở 25oC, kí hiệu λ25:
 λ25 < 0,06 w/m.oC hay λ25 < 0,05
kCal/m.oC.h



I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:
VLCN có độ dẫn nhiệt trung bình, tương ứng
có hệ số dẫn nhiệt đo ở 25oC, kí hiệu λ25:
o
 λ25 Є [0,06 ÷ 0,115] w/m. C hay λ25 Є [0,05 ÷
0,10] kCal/m.oC.h
 VLCN có độ dẫn nhiệt lớn, tương ứng có hệ số
dẫn nhiệt đo ở 25oC, kí hiệu λ25:
o
 λ25 Є [0,115 ÷ 0,175] w/m. C hay λ25 Є [0,10 ÷
0,15] kCal/m.oC.h


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:
2. Phân loại VLCN theo khối lượng thể tích:
 Phân loại VLCN theo khối lượng thể tích ở trạng
thái khô là cơ sở để định mác cho các loại
VLCN:
 VLCN có độ rỗng rất lớn tương ứng có KLTT ở
trạng thái khô Є [15 ÷ 75] kg/m3 hay có mác lần
lượt là 15, 25, 35, 50, 75. (sợi bông khoáng, sợi
thủy tinh, xốp)



I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:






VLCN có độ rỗng lớn tương ứng có KLTT ở trạng
thái khô Є [100 ÷ 175] kg/m3 hay có mác lần lượt là
100, 125, 150, 175.
VLCN có độ rỗng trung bình tương ứng có KLTT ở
trạng thái khô Є [200 ÷ 400] kg/m3 hay có mác lần
lượt là 200, 250, 300, 350, 400.
VLCN có độ rỗng thấp tương ứng có KLTT ở trạng
thái khô Є [500 ÷ 800] kg/m3 hay có mác lần lượt là
500, 600, 700, 800.

I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:






3. Phân loại VLCN theo hình dạng bên ngoài:
Theo hình dạng bên ngoài VLCN được phân thành:
VLCN dạng rời: có thể là vật liệu vô cơ hay hữu cơ tồn
tại dưới dạng hạt hay bột mịn như bông khoáng vê viên,
vecmiculit phồng, cát peclit, bột than bùn...
=> VLCN dạng rời thường dùng để tạo lớp cách nhiệt
dạng đổ đống, thi công trực tiếp tại công trường nên
hiệu quả cách nhiệt phụ thuộc vào độ ổn định của lớp
vật liệu.


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:




VLCN dạng cấu kiện: có hình dạng kích thước ổn định,
thường được chế tạo với sự có mặt của chất kết dính
(các sản phẩm dạng tấm, dạng hình trụ hay bán trụ)
trong số đó phổ biến hơn cả là loại VLCN dạng tấm
cứng thường có kích thước như sau 1x0,5x[0,05÷0,1]m.
Lưu ý: chiều dày của sản phẩm dạng tấm được xác định

dựa vào trị số nhiệt trở của vật liệu.


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:




=> Khi vật liệu có trị số nhiệt trở càng lớn thì cho phép
chế tạo sản phẩm dạng tấm có chiều dày nhỏ và ngược
lại.
VLCN dạng cấu kiện thường được chế tạo trên các dây
chuyền công nghiệp và chất lượng của chúng được kiểm
tra giám sát theo các quy trình, tiêu chuẩn nghiêm ngặt
nên đây là loại VLCN có chất lượng tốt với độ bền và
tuổi thọ cao, hiệu quả cách nhiệt tốt hơn so với VLCN
dạng rời.


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:




VLCN dạng cấu kiện thường được dùng làm kết cấu
bao che để cách nhiệt cho công trình hay dùng để cách
nhiệt cho các bề mặt có độ cong nhỏ (đã định hình) như
các loại ống dẫn hoặc bề mặt có độ cong lớn như bồn
chứa.
VLCN dạng cuộn (thảm, lưới), dạng thừng (dây)

thường dùng để tạo lớp cách nhiệt cho các chi tiết có
hình thù phức tạp như van, ống phân nhánh.


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:



4. Phân loại VLCN theo độ cứng:
Theo cách phân loại này VLCN được phân thành các
loại dựa trên giá trị biến dạng tương đối khi bị ép dưới
tải trọng tiêu chuẩn.


I. Phân loại vật liệu cách nhiệt:
Tải trọng ép
Loại sản phẩm
0,02 Mpa 0,04 Mpa 0,10 Mpa
Biến dạng tương đối khi ép %
Sản phẩm mềm
> 30
Sản phẩm cứng vừa
6 ÷ 30
Sản phẩm cứng
<6
Sản phẩm có độ cứng cao
< 10
Sản phẩm rất cứng
< 10

II. Các tính chất cơ bản của VLCN






1. Tính chất vật lý:
a. Các thông số đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc của
VLCN:
a1. Khối lượng thể tích:
Khối lượng thể tích là khối lượng của một đơn vị thể
tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lỗ rỗng nếu có).
Kí hiệu γo, đơn vị kg/m3 – T/m3 – g/cm3.


II. Các tính chất cơ bản của VLCN


Nếu mẫu vật liệu có khối lượng là m và thể tích tự
nhiên là Vo thì γo của nó được tính như sau:

m
o 
Vo


Thực tế cho thấy trị số khối lượng thể tích của vật liệu
thay đổi khi độ ẩm của vật liệu thay đổi nên ta xét 2

trường hợp cụ thể như sau:


II. Các tính chất cơ bản của VLCN


Trường hợp 1: khi mẫu vật liệu ở trạng thái khô (w =
0%): lúc này mẫu có khối lượng là mk và thể tích tự
nhiên là Vok, ta suy ra khối lượng thể tích của mẫu vật
mk
mw
liệu ở trạng thái khô (γok) bằng:

 ok 






Vok

 ow 

Vow

Trường hợp 2: khi mẫu vật liệu ở trạng thái ẩm (w ≠
0%): lúc này mẫu có khối lượng là mw và thể tích tự
nhiên là Vow, ta suy ra khối lượng thể tích của mẫu vật
liệu ở trạng thái ẩm (γow) bằng:

mw  mk
wv 
 100%
Với Vow = Vokx(1+wv)
Vok
Trong đó wv (%) là độ ẩm thể tích:


II. Các tính chất cơ bản của VLCN




Đối với VLCN có chứa nhiều lỗ rỗng như các sản phẩm
dạng tấm, các sản phẩm dạng cuộn (thảm, lưới) được
chế tạo từ sợi bông khoáng, sợi thủy tinh hay sợi hữu
cơ... Thì khối lượng thể tích của chúng được xác định
dưới tải trọng 0,02 Mpa.
Còn đối với VLCN dạng hạt rời rạc như vecmiculit
phồng, cát peclit, bột than bùn... Khi xác định khối
lượng thể tích thì có kể đến thể tích lỗ hổng giữa các
hạt, vì vậy khối lượng thể tích của VLCN dạng này còn
gọi là khối lượng thể tích xốp hay khối lượng thể tích
đổ đống.


II. Các tính chất cơ bản của VLCN






1. Tính chất vật lý:
a. Các thông số đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc của
VLCN:
a2. Độ rỗng:
Độ rỗng là thể tích rỗng chứa trong một đơn vị thể tích
tự nhiên của vật liệu. Kí hiệu r, tính theo %.

Vr
r  100%(*)
Vo




Vr – thể tích rỗng của mẫu vật liệu (cm3, lít, m3).
Vo – thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu (cm3, lít, m3).


II. Các tính chất cơ bản của VLCN




Độ rỗng của vật liệu có thể được xác định theo phương
pháp bão hòa heli lỏng nhưng phương pháp này rất khó
thực hiện, thực tế hiện nay hay dùng phương pháp gián
tiếp để xác định độ rỗng của vật liệu thông qua các

thông số khác dễ xác định hơn như γa và γok. Cụ thể như
sau:
Ta có Vr = Vo – Va thế vào Công thức (*):

Va
Va  mk
 ok
Vr Vo  Va
r

 1  1
 (1 
) 100%
Vo
Vo
Vo
Vo  mk
a


II. Các tính chất cơ bản của VLCN









Lưu ý:
Lỗ rỗng trong VLCN gồm có 2 loại: lỗ rỗng hở và lỗ rỗng
kín.
Giá trị độ rỗng (r) được xác định ở trên chính là độ rỗng
toàn phần của vật liệu. Đối với VLCN cần phân biệt rõ 3 giá
trị độ rỗng:
Độ rỗng toàn phần (r) bao gồm các lỗ rỗng hở và lỗ rỗng
kín.
Độ rỗng hở (rh) chỉ xét các lỗ rỗng hở (là các lỗ rỗng thông
với môi trường bên ngoài, do đó ta có thể xác định giá trị độ
rỗng hở - rh bằng phương pháp xác định độ hút nước bão
hòa).


II. Các tính chất cơ bản của VLCN
Độ rỗng kín (rk) chỉ xét các lỗ rỗng kín.
 Ta có r = rh + rk => rk = r - rh
 Nhận xét:
  Vật liệu chứa nhiều lỗ rỗng kín có cường độ
cao hơn, cách nhiệt tốt hơn so với vật liệu chứa
nhiều lỗ rỗng hở, nhưng ngược lại vật liệu chứa
nhiều lỗ rỗng hở thì hút âm tốt hơn…
  Độ rộng của vật liệu dao động trong khoảng
từ 0 đến 98%.



II. Các tính chất cơ bản của VLCN
Độ rỗng toàn phần của VLCN phụ thuộc vào tỷ
lệ thành phần pha rắn, thành phần này đóng vai

trò quyết định đến các tính chất cơ lý và tính
chất sử dụng của VLCN.
 => Do đó khi tăng độ rỗng toàn phần của VLCN
sẽ làm giảm cường độ cơ học và làm tăng biến
dạng.



II. Các tính chất cơ bản của VLCN
Đối với VLCN cần phân biệt lỗ rỗng vi mô và lỗ
rỗng vĩ mô, chỉ có các lỗ rỗng vĩ mô (là các lỗ
rỗng có thể quan sát được bằng mắt thường) mới
có ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ lý của
VLCN - đặc biệt là tính dẫn nhiệt.
 Trên thực tế, giá trị khối lượng thể thể tích của
VLCN được xác định dễ dàng hơn so với độ
rỗng toàn phần, do vậy để so sánh khả năng cách
nhiệt của các sản phẩm được chế tạo từ một loại
vật liệu thì ta thường so sánh KLTT của chúng.





Giá trị độ rỗng của một số loại VLCN có cấu trúc khác
nhau được nêu trong bảng sau:

Cấu trúc

Loại vật liệu

cách nhiệt

Độ rỗng (%)
r

rh

rk

Tổ ong

Bê tông tổ ong
Thủy tinh bọt

85 ÷ 90
85 ÷ 90

40 ÷ 45
2÷5

40 ÷ 45
83 ÷ 85

Sợi

Bông khoáng

85 ÷ 92

85 ÷ 92

0

Hạt

peclit

85 ÷ 88

60 ÷ 65

23 ÷ 25


II. Các tính chất cơ bản của VLCN








1. Tính chất vật lý:
b. Các tính chất có liên quan đến môi trường nước của
VLCN:
b1. Độ ẩm:
Khi để trong không khí vật liệu có thể hút hơi nước từ
môi trường vào trong các lỗ rỗng và ngưng tụ tạo thành
pha lỏng (nước).

Lúc này để đánh giá lượng nước có thật trong vật liệu ta
dựa vào chỉ tiêu độ ẩm của vật liệu. Kí hiệu w (%), tính
theo công thức sau:


II. Các tính chất cơ bản của VLCN


Độ ẩm tuyệt đối (w1) và độ ẩm tương đối (w2):

mn
mw  mk
w1 
 100% 
 100%
mk
mk
mn
mw  mk
w2 
 100% 
 100%
mw
mw


Độ ẩm thể tích wv (%):

mw  mk
wv 

 100%
Vok


II. Các tính chất cơ bản của VLCN








mn – khối lượng nước có trong mẫu vật liệu tại thời
điểm thí nghiệm.
mw – khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái ẩm.
Vok – thể tích tự nhiên của mẫu vật liệu ở trạng thái khô.
Lưu ý: độ ẩm của vật liệu phụ thuộc vào bản chất của
vật liệu, vào đặc tính của lỗ rỗng và vào môi trường.
Đối với VLCN, khi độ ẩm tăng lên sẽ làm giảm cường
độ và độ bền của nó đồng thời các tính chất nhiệt kỹ
thuật cũng suy giảm theo.