ỦY BAN NHÂN DÂN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT Q
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TRO BAY AEROGEL
Quy trình tổng hợp aerogel từ tro bay
2.1.1 Quy trình tổng hợp aerogel từ silica trích ly từ tro bay
Hình 2.1 Quy trình tổng hợp silica aerogel từ tro bay
Quá trình tổng hợp silica aerogel từ tro bay trải qua hai giai đoạn chính gồm (i) trích ly silicate từ tro bay bằng phương pháp ngâm kiềm và (ii) tổng hợp silica aerogel theo phương pháp sol-gel và sấy tại điều kiện áp suất thường
Quá trình trích ly silica từ tro bay ở dạng dung dịch silicate được thực hiện dựa trên phản ứng (1) Đầu tiên, tro bay với khối lượng xác định được phân tán vào dung dịch NaOH 1 M với tỉ lệ tro bay và NaOH theo khối lượng là 5:3 Hỗn hợp được phản ứng ở 90 C trong 2 giờ kết hợp với khuấy trộn Sau đó, dung dịch silicate được lọc bỏ bã bằng lọc chân không
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O (1) Dung dịch natri silicate thu được tiếp tục được sử dụng để tạo silica gel theo phương pháp sol-gel Đầu tiên dung dịch silica được gel hóa bằng acid H2SO4 cho đến khi pH giảm từ 14 đến 7 – 8 Silica gel được già hóa trong 24 giờ để cấu trúc polymer các nhóm Si(OH)4 được hình thành và bền vững Sau giai đoạn già hóa, sản phẩm Na2SO4 của phản ứng trung hòa bazo dư bằng acid được loại bỏ bằng cách rửa gel với nước trong 24 giờ Gel sau đó được đông tụ bằng ethanol tuyệt đối trong 24 giờ tiếp theo trước khi được biến tính bề mặt với hỗn hợp hexane/MTMS trong 24 giờ Gel sau khi được biến tính được tiến hành sấy thường trong tủ sấy và thu được silica aerogel ở dạng bột trắng Quy trình tổng hợp silica aerogel được trình bày ở dạng lưu đồ Hình 2.1
2.1.2 Quy trình tổng hợp aerogel trực tiếp từ tro bay
Hình 2.2 Quy trình tổng hợp aerogel trực tiếp từ tro bay
Trong quy trình này (Hình 2.2), nguyên liệu được sử dụng là tro bay thô được thu gom từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 tỉnh Trà Vinh, Việt Nam, polyvinyl alcohol (PVA) và carboxymethyl cellulose (CMC) xuất xứ Trung Quốc và nước Thông số của PVA là độ nhớt động học (22,7 mPa.s tại nồng độ 4%), mức độ thủy phân 87,8% và pH 5,9 Thông số tính chất của CMC gồm độ ẩm (2,8%), độ nhớt động học (595 mPa.s), pH 6,8 và độ tinh khiết 99,7% Các giá trị này được cung cấp bởi nhà sản xuất Để tổng hợp aerogel từ tro bay, các dung dịch gồm PVA và CMC được chuẩn bị trước Dung dịch PVA nồng độ 4% được chuẩn bị bằng cách hòa tan bột PVA vào nước nóng đã được gia nhiệt đến 80 C Đây là nhiệt độ thích hợp để hòa tan hoàn toàn PVA ở nồng độ 4% Song song đó, dung dịch CMC nồng độ 1% được chuẩn bị bằng cách hòa tan bột CMC vào nước ấm đã được gia nhiệt đến 50 C Sau đó hai dung dịch PVA và CMC được trộn vào nhau theo tỉ lệ thể tích 1:1 để tạo thành dung dịch hỗn hợp PVA/CMC với hàm lượng từng thành phần lần lượt là 2,0% và 0,5% Nguyên liệu tro bay được phân tán vào dung dịch PVA/CMC với các hàm lượng tro bay khác nhau, được trình bày ở bảng 2.1 Hỗn hợp được khuấy trộn liên tục trong vòng 3 giờ ở 80 C trước khi được đổ vào khuôn, chuẩn bị cho quá trình sấy thăng hoa Mẫu được cấp đông ở -50 C trong 4 giờ và tiếp tục được sấy thăng hoa trong buồng chân không (10 Pa) với hai giai đoạn: sấy sơ cấp ở 40 C trong 7 giờ và sấy thứ cấp ở 70 C trong 37 giờ tiếp theo để thu được aerogel từ tro bay
Bảng 2.1 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp tro bay aerogel
Hàm lượng tro bay (%KL)
5,0 0,5 2,0 Để xây dựng quy trình tổng hợp aerogel từ tro bay hoàn chỉnh, hai nguồn nguyên liệu gồm tro bay thô và tro bay sau phân riêng bằng hệ thống cyclone được thử nghiệm tổng hợp aerogel Mẫu sau khi tổng hợp được đánh giá cảm quan về các khía cạnh phân bố hạt vật chất trong khối vật liệu, hiện tượng phân lớp hoặc sa lắng của các hạt tro bay.
Phương pháp đánh giá tính chất nguyên liệu và quy trình tổng hợp
2.2.1 Đánh giá tính chất nguyên liệu
Nguyên liệu tro bay được đánh giá ở các chỉ tiêu gồm thành phần, hình dạng hạt, sự phân bố kích thước hạt và khối lượng riêng
Thành phần hóa học của tro bay được định lượng bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) Thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu này là S2 Puma, Bruker Mẫu khối lượng khoảng 3 gram được nén trong khuôn nhôm đường kính 5cm, chiếu dưới tia X điện áp 40kV để xác định hàm lượng các oxide trong tro bay
➢ Hình thái học của tro bay
Hình dạng các hạt tro bay được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S-4800 Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông 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 2.3 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Hitachi S-4800
➢ Phân bố kích thước hạt
Dựa trên hình ảnh chụp SEM của mẫu tro bay, đường phân bố kích thước hạt được xây dựng bằng phần mềm ImageJ
Phương pháp xác định khối lượng riêng tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C128:
Sử dụng bình đo khối lượng riêng Le Chatelier để xác định khối lượng riêng của tro bay sau phân riêng Xác định tỷ số giữa khối lượng của mẫu tro bay và thể tích tro bay thông qua thể tích phần chất lỏng chiếm chỗ trong bình Le Chatelier khi thử trong điều kiện nhiệt độ xác định
Dụng cụ và hoá chất sử dụng:
• Cân phân tích, chính xác đến 0,01 g
Mẫu tro được sấy khô đến khối lượng không đổi và được để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng Đặt bình Le Chatelier vào bể nước đá và duy trì ở nhiệt độ 20,5 C Giữ bình trong bể ổn nhiệt sao cho phần chia độ của bình ngập trong bể và giữ chặt để không cho bình nổi lên Sau đó đổ dung môi isopropyl alcohol vào bình đến vạch số 0 Dùng giấy thấm những giọt cồn bám quanh cổ bình
Cân mt (g) mẫu tro, chính xác đến 0,01 g, dung thìa xúc tro từ từ vào bình qua phễu, cồn trong bình dâng lên đến một vạch nào đó của phần chia độ
Bỏ bình ra khỏi bể đá và xoay lắc bình cho tới khi không còn bọt khí bên trong Đặt bình trở lại bể đá trong khoảng 10 phút để nhiệt độ của bình cân bằng nhiệt độ của bể Ghi lại mực chất lỏng trong bình (Vt )
Hình 2.4 Bình Le Chatelier đựng tro bay và dung môi isopropyl alcohol
Công thức (2.1) được sử dụng để xác định khối lượng riêng của hạt tro t t m
Trong đó: mt (g) : khối lương tro bay
Vt (cm 3 ): thể tích chiếm chỗ của tro bay Đo mẫu tro 3 lần và lấy trung bình, lấy chính xác đến 0,01 g/cm 3 Trường hợp kết quả chênh lệch nhau lớn hơn 0,05 g/cm 3 , không nhận kết quả này và tiến hành đo lại như ban đầu
Thực nghiệm: Cân mt = 42 (g),V2 – V1 = Vt (cm 3 )
2.2.2 Đánh giá tính chất của tro bay aerogel
Trong quá trình thí nghiệm, nguyên liệu tro bay trước và sau phân riêng bằng cyclone được sử dụng để tổng hợp aerogel Các tính chất của vật liệu gồm cảm quan, hiện tượng tách pha hay sa lắng hạt tro bay trong khối vật liệu được quan sát và nhận xét nhằm đánh giá mức độ thành công của quy trình tổng hợp Mẫu aerogel theo quy trình ổn định nhất sau đó được đo đạc các thông số vật lý và cấu trúc hình thái học
Các thông số vật lý của vật liệu aerogel được xác định gồm khối lượng riêng và độ rỗng xốp Khối lượng riêng của vật liệu được xác định bằng phép tính (2.2)
Trong đó: m khối lượng vật liệu (g)
V thể tích của vật liệu (cm 3 )
D đường kính vật liệu (cm) h chiều cao vật liệu (cm)
➢ Độ rỗng Độ rỗng xốp của tro bay aerogel được xác định theo công thức (2.3) [75]
Trong đó a khối lượng riêng của aerogel (g/cm 3 )
b khối lượng riêng trung bình của tro bay, CMC và PVA (g/cm 3 ) Khối lượng riêng của tro bay, CMC và PVA lần lượt là 2,41, 1,59, và 1,19 g/cm 3
Cấu trúc của aerogel được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 (Hình 2.3) Trước khi tiến hành chụp ảnh, mẫu được phủ một lớp Pt mỏng trong 30 giây để đảm bảo hình ảnh được chụp rõ nét bằng cách giảm cách ảnh hưởng bởi nhiệt và cải thiện hiệu ứng điện tử thứ cấp
➢ Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2
Lượng khí (hơi) bị hấp phụ (V) được biểu diễn dưới dạng thể tích là đại lượng đặc trưng cho số phân tử bị hấp phụ, nó phụ thuộc vào áp suất cân bằng (P), nhiệt độ (T), bản chất của khí và của vật liệu rắn V là một hàm đồng biến với áp suất cân bằng Khi áp suất tăng đến áp suất bão hào (P) của chất bị hấp phụ tại một nhiệt độ đã cho thì mối quan hệ giữa V và P được gọi là “đẳng nhiệt hấp phụ.” Sau khi đã đạt đến áp suất bão hoà (P), tiến hành đo các giá trị thể tích khí hấp phụ ở các áp suất tương đối nhiệt/ giải hấp phụ của các chất rắn được phân loại theo hình dạng bởi 6 loại đề xuất bởi Hiệp hội Quốc tế về Hoá học tinh khiết và Ứng dụng (IUPAC) [46] Dạng đưởng đẳng nhiệt thể hiện mối quan hệ chặt chẽ với cấu trúc và hình dạng lỗ xốp, được phân làm 6 loại như hình 2.5
Hình 2.5 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ theo IUPAC
Loại I (a): vật liệu vi mao quản có kích thước lỗ xốp nhỏ ( 4 nm;
Loại IV (b): vật liệu mao quản trung bình với kích thước < 4 nm;
Loại V: là không phổ biến, vật liệu mao quản trung bình trong đó tương tác chất hấp phụ - chất bị hấp phụ là chủ yếu
Loại VI: sự hấp phụ đa lớp theo từng bước trên bề mặt không mao quản
➢ Xác định diện tích bề mặt riêng BET Đo diện tích bề mặt riêng và độ rỗng của vật liệu bằng phương pháp Brunauer- Emmet-Teller (BET) và được mô tả theo phương trình (2.4)
P: áp suất cân bằng của chất bị hấp phụ,
P0: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ
V: thể tích của khí hấp phụ tại P/P (g/cm 3 )
Vm: thể tích của lớp hấp phụ đơn phân tử tính cho 1 g chất hấp phụ trong điều kiện tiêu chuẩn (g/cm 3 )
Khi thiết lập đồ thị P/[V(Po - P)] phụ thuộc vào P/Po, ta sẽ nhận được một đoạn thẳng giá trị P/Po trong khoảng từ 0,05 đến 0,35 cho phép xác định thể tích của lớp hấp phụ đơn lớp (lớp đơn phân tử) Vm và hằng số C
Diện tích bề mặt riêng (SBET, m 2 /g) của chất hấp phụ được tính theo công thức (2.5)
SBET = (Vm/M).N.Am.d (2.5) Trong đó: d: khối lượng riêng của chất bị hấp phụ (g/cm 3 ),
M: khối lượng mol phân tử của chất bị hấp phụ (g/mol),
N: số Avôgađrô (N = 6,023.10 23 phân tử/mol),
Vm: thể tích của lớp hấp phụ đơn lớp (cm 3 /g),
A : tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề mặt chất hấp phụ (cm 2 )
Trường hợp thường dùng là hấp phụ vật lý (N2) ở 77 K, Am = 0.162 nm 2 ,d = 1,251 g/cm 3 , M = 28 g/mol thì diện tích bề mặt riêng, SBET bằng: SBET = 4,356×Vm.
➢ Phương pháp Barret – Joyner – Halenda (BJH)
Nếu đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ có xuất hiện vòng trễ loại IV(a) và
V, chứng tỏ có hiện tượng ngưng tụ xảy ra trong mao quản trung bình [47] Khi đó áp dụng phương pháp BJH để xác định diện tích bề mặt và thể tích mao quản trung bình Smeso (m 2 /g) và Vmeso (cm 3 /g) của mao quản trung bình
Tổng thể tích mao quản Vpore (cm 3 /g) được tính theo công thức (2.6)
𝑉 𝑝𝑜𝑟𝑒 = 𝑉 𝑚𝑒𝑠𝑜 + 𝑉 𝑚𝑖𝑐 (2.6) Kích thước mao quản trung bình D (nm) được xác định bởi phương pháp BJH từ số liệu của nhánh giải hấp phụ theo công thức (2.7)
➢ Phân tích nhiệt trọng lượng
Phân tích nhiệt trọng lượng được sử dụng để xác định các đặc tính của một chất thông qua sự thay đổi khối lượng theo nhiệt độ Việc phân tích được thực hiện bằng cách tăng dần nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ mục tiêu và đồng thời đo đạc khối lượng của mẫu tại mỗi điểm nhiệt độ Thiết bị LabSys Evo TG/DSC 1600 Setaram (Pháp) (Hình 2.6) được sử dụng để phân tích TGA của tro bay aerogel
Hình 2.6 Thiết bị đo TGA
Kết quả và bàn luận
2.3.1 Đánh giá tính chất của nguyên liệu tro bay
Nguyên liệu chính để tổng hợp aerogel trong nghiên cứu này là tro bay thu hồi từ nhà máy Nhiệt Điện Duyên Hải 1 Kết quả phân tích XRF cho thấy tro bay thô ban đầu có thành phần gồm SiO2 (55,07%), Al2O3 (19,10%), Fe2O3 (7,25%), K2O (2,89%) và các thành phần khác (15,69%) (Bảng 2.2) Nguyên liệu được phân riêng theo phương pháp ly tâm bằng thiết bị cyclone để thu hồi các hạt tro bay nhẹ Sau khi phân riêng, thành phần tro bay có sự thay đổi về hàm lượng, cụ thể các thành phần nhẹ như SiO2 và Al2O3 có sự tăng hàm lượng và những thành phần nặng như Fe2O3 được loại bỏ một phần
Bảng 2.2 Thành phần tro trước và sau phân riêng bằng cyclone
SiO2 (%) Al2O3 (%) Fe2O3 (%) CaO (%) MgO (%) K2O (%)
Nguyên liệu tro bay được cung cấp bởi nhà máy có hoạt độ phóng xạ nhỏ hơn giới hạn cho phép theo TCVN 10302:2014 (bảng 2.3 và 2.4) với kết quả được cung cấp từ nhà máy đươc thể hiện ở bảng 2.5 Do đó, tro bay được sử dụng trong nghiên cứu này phù hợp để tái chế thành vật liệu mới ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng
Bảng 2.3 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông và vữa xây
Chỉ tiêu Loại tro bay
Lĩnh vực sử dụng – Mức a b c d
Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay dùng:
- Đối với công trình nhà ở và công cộng, không lớn hơn 370
- Đối với công trình công nghiệp, đường đô thị và khu dân cư, không lớn hơn 740
Bảng 2.4 Chỉ tiêu kỹ thuật của tro bay dùng cho xi măng
C Hoạt độ phóng xạ tự nhiên Aeff, (Bq/kg) của tro bay không lớn hơn 370
Bảng 2.5 Kết quả phân tích về hoạt độ phóng xạ của mẫu tro bay
Mẫu Đơn vị Hoạt độ phóng xạ riêng Hoạt độ phóng xạ tự nhiên
ARa ( 226 Ra) ATh ( 232 Th) AK ( 40 K) Aeff
Hình 2.8 Ảnh SEM của hạt tro bay trước (a) và sau (b) khi phân riêng bằng cyclone a) b)
Từ Hình 2.8, các hạt tro bay thô có đường kính hạt lớn với kích thước phân bố không đồng đều Các hạt tro bay có hiện tượng dính vào nhau và một số hạt không có dạng hình cầu Tuy nhiên, sau khi phân riêng bằng cyclone, các hạt tro bay có kích thước nhỏ hơn, nằm rời rạc và đa số có dạng hình cầu Dựa vào đồ thị phân bố kích thước hạt (Hình 2.9), các hạt tro bay thô có kích thước dao động từ 2,5 đến 15 m, tập trung nhiều nhất ở kích thước 2,5 – 5 m Trong khi đó, tro bay cyclone có phân bố kích thước hạt trong khoảng nhỏ hơn từ 0,5 đến 2 m Mặc dù sau phân riêng, tro bay có kích thước nhỏ hơn và mịn hơn, lượng tro bay thu hồi sau phân riêng chỉ khoảng 15-20% so với tro bay thô
Hình 2.9 Đường phân bố kích thước hạt tro bay trước (a) và sau (b) phân riêng
2.3.2 Đánh giá quy trình tổng hợp silica aerogel và tro bay aerogel
Trong nghiên cứu này, trước tiên vật liệu aerogel được thử nghiệm tổng hợp theo quy trình sol-gel truyền thống (Hình 2.1) Các sản phẩm trung gian và silica aerogel được trình bày ở Hình 2.10 Ở các giai đoạn trung gian, khối gel có hình dạng nguyên khối nhưng khi được sấy ở điều kiện áp suất thường, sản phẩm thu được là các hạt silica aerogel vỡ vụn Phân tích BET cho kết quả diện tích bề mặt, thể tích lỗ rỗng meso và kích thước lỗ của silica aerogel lần lượt là 293,947 m 2 /g, 0,30 – 0,32 cm 3 /g và 1,20 – 1,21 nm Đồ thị đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt của silica aerogel từ tro bay được thể hiện ở Hình 2.11 Nhận xét thấy hình dạng của silica aerogel giới hạn ứng dụng của vật liệu trong thực tế vì độ bền cơ học kém Đồng thời, quy trình vật liệu Hơn nữa, việc thu hồi silica từ tro bay để lại nhiều chất thải và không giải quyết triệt để lượng nguồn tro bay như mục đích của đề tài Vì vậy, nhằm nâng cao tính ứng dụng của aerogel từ nguồn nguyên liệu chất thải rắn tro bay, nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng quy trình mới nhằm tổng hợp được khối vật liệu bền chắc và có độ bền cơ học được cải thiện.
Hình 2.10 (a) Silica gel, (b) gel ướt sau biến tính và (c) silica aerogel
Hình 2.11 Đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt của silica aerogel từ tro bay
2.3.3 Đánh giá quy trình tổng hợp aerogel trực tiếp từ tro bay
Hai nguồn nguyên liệu tro bay được sử dụng để tổng hợp aerogel gồm tro bay trước và sau phân riêng bằng cyclone Trong quá trình sử dụng tro bay thô để tổng hợp aerogel, mẫu thu được có hiện tượng sa lắng các hạt tro nặng xuống dưới đáy và gây ra hiện tượng phân lớp như Hình 2.12 Lớp PVA và CMC màu trắng tập hợp trên bề mặt của mẫu, trong khi đó tro bay có xu hướng sa lắng dưới đáy mẫu a) b) c)
Hình 2.12 Mặt đáy (a) và mặt trên (b) của aerogel từ tro bay thô Để hạn chế sự phân lớp của tro bay và chất kết dính trong mẫu, thiết bị cyclone được sử dụng để phân riêng tro bay và thu lấy các hạt tro bay có kích thước nhỏ, đồng nhất và trọng lượng nhẹ Có thể thấy, mẫu aerogel từ tro bay sau phân riêng cho thấy sự phân bố đồng đều các hạt trong khối vật liệu và không còn sự phân lớp như trong mẫu aerogel từ tro bay thô (Hình 2.13) Như vậy, việc phân riêng các hạt tro bay bằng hệ thống cyclone nhằm thu hồi các hạt tro có kích thước đồng đều đã cải thiện sự phân tán các hạt vật chất trong hệ
Hình 2.13 Mặt đáy của aerogel từ tro bay đã phân riêng với hàm lượng 3,0% (a) và 5,0%
2.3.4 Đánh giá tính chất hình thái học của tro bay aerogel
Sự kết hợp giữa các hạt tro bay cyclone với chất kết dính PVA và CMC đã tạo ra cấu trúc rỗng của aerogel (Hình 2.14) bằng phương pháp sấy thăng hoa thân thiện với môi trường mà không sản sinh ra chất thải nào Sự thăng hoa của nước đá, hình thành a) b) a) b) đựng các hạt tro bay Kích thước của lỗ trống không đều nhau do quá trình đóng băng diễn ra tự nhiên dẫn đến sự đa dạng về kích thước của tinh thể băng
Hình 2.14 Ảnh SEM của tro bay aerogel với sự tăng dần hàm lượng tro bay (a,b) 3,0%,
(c,d) 4,0% và (e,f) 5,0% ở các độ phóng đại khác nhau
Tuy nhiên, khi mạng lưới các lỗ xốp được tạo thành, các tro bay aerogel chứa nhiều không khí bên trong khiến chúng có trọng lượng nhẹ với khối lượng riêng đo đạc được từ 0,072 đến 0,093 g/cm 3 (Bảng 2.6) Với sự tăng dần hàm lượng tro bay từ 3,0 đến 4,0%, cấu trúc của aerogel trở nên đặc hơn do ít các khoảng trống chứa khí hơn và kích thước lỗ xốp giảm Qua hình SEM có thể dự đoán độ rỗng của tro bay aerogel cũng sẽ giảm khi tăng dần hàm lượng tro bay.
2.3.5 Đánh giá khối lượng riêng và độ rỗng của aerogel từ tro bay
Nhìn chung, tro bay aerogel có độ rỗng trên 90% và có sự giảm dần độ rỗng từ 95,78% xuống 94,94% khi hàm lượng tro bay được sử dụng tăng từ 3,0 đến 5,0% Điều này được giải thích do mật độ hạt tro bay trên cùng một đơn vị thể tích khối vật liệu tăng dần khiến cho số lượng hạt chiếm chỗ trong không gian aerogel tăng lên So với silica aerogel từ tro bay được tổng hợp theo con đường sol-gel truyền thống như của Qin và cộng sự (0,0915 – 0,2379 g/cm 3 ), Wu và cộng sự (0,099 g/cm 3 ), tro bay aerogel trong đề tài thể hiện khối lượng riêng thấp hơn [70,71] Thêm vào đó, quy trình tổng hợp tro bay aerogel trong nghiên cứu này không sử dụng dung môi kiềm nhằm thu hồi silica tinh khiết từ tro bay và chất hữu cơ đắt tiền để biến đổi bề mặt silica gel ướt trước khi sấy thường như các nghiên cứu trước Do đó, việc chế tạo aerogel từ tro bay tiết kiệm được chi phí nguyên vật liệu, thân thiện với môi trường hơn và thời gian tổng hợp được rút ngắn đi 20% so với công trình trước đây [70,71]
Bảng 2.6 Tính chất vật lý và cơ học của aerogel từ tro bay cyclone
Hàm lượng tro bay (%KL)
Khối lượng riêng (g/cm 3 ) Độ rỗng (%) Mô-đun nén
2.3.6 Đánh giá thông số lỗ xốp của tro bay aerogel
Trong các mẫu aerogel tổng hợp, aerogel chứa 5,0% tro bay có cấu trúc rỗng xốp với các lỗ rỗng có kích thước đồng đều nhau Do đó, mẫu được thử nghiệm phân tích BET nhằm xác định các thông số của cấu trúc rỗng xốp như diện tích bề mặt, thể tích lỗ xốp và kích thước lỗ rỗng Kết quả BET cho thấy diện tích bề mặt, thể tích lỗ rỗng meso và kích thước lỗ của tro bay aerogel lần lượt là 5,292 m 2 /g, 0,013 cm 3 /g và 1,6314 nm Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp của tro bay aerogel (Hình 2.15) thuộc loại IV với chu trình trễ loại H3 So với silica aerogel từ tro bay được tổng hợp theo quy trình sol-gel truyền thống, tro bay aerogel tổng hợp theo quy trình mới được đề xuất trong nghiên cứu này có diện tích bề mặt, thể tích lỗ xốp thấp hơn Điều này được giải thích do các hạt vật chất được sử dụng để tổng hợp aerogel có kích thước ban đầu từ 0,5 đến 2 m, do đó diện tích bề mặt của aerogel sẽ thấp Đồng thời, để chống sa lắng các hạt tro bay và định hình khối vật liệu, các chất kết dính PVA và CMC được sử dụng Điều này khiến cho thể tích lỗ xốp của vật liệu giảm vì mật độ các thành phần nguyên liệu trong khối vật liệu cao hơn so với silica aerogel Mặc dù vậy, điểm cải thiện của tro bay aerogel sử dụng trực tiếp nguyên liệu tro bay so với silica aerogel chính là về độ bền cơ học và tính nguyên vẹn hình dạng của khối vật liệu xuyên suốt quá trình tổng hợp Do đó, khối vật liệu tro bay aerogel có thể được sử dụng ngay mà không cần thêm quá trình trung gian phối trộn silica aerogel với các hợp với chất liên kết ngang PVA có diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp lần lượt là 3,65 m 2 /g và 0,012 cm 3 /g [77], tro bay aerogel có diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp lớn hơn
Hình 2.15 Đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt của tro bay aerogel chứa 5% tro bay
2.3.7 Đánh giá tính chất cơ học của tro bay aerogel Độ bền cơ học của tro bay aerogel trong thử nghiệm chịu nén được thể hiện bằng các đường cong ứng suất – biến dạng theo sự tăng dần hàm lượng tro bay (Hình 2.16) Đối với vật liệu aerogel, đường cong ứng suất gồm 3 vùng phụ thuộc vào độ biến dạng (ɛ): vùng đàn hồi tuyến tính (ɛ < 10%), vùng biến dạng dẻo (10% < ɛ < 50%) và vùng phá huỷ (ɛ > 50%) Với sự khác biệt hàm lượng tro bay là 1,0% giữa các mẫu, đường cong ứng suất – biến dạng của các mẫu aerogel từ tro bay không có sự khác biệt đáng kể và có xu hướng sát nhau
Mô-đun nén Young của vật liệu aerogel từ tro bay tăng từ 67,73 lên 254,75 kPa khi hàm lượng tro bay tăng dần từ 3,0 đến 5,0% khối lượng (Bảng 2.6), cho thấy khả năng chịu nén của vật liệu dưới tải 1 kN tốt hơn so với các aerogel từ chất thải như bã mía (88 kPa), sợi lá dứa (1,64 – 5,34 kPa), sợi polyethylene terephthalate tái chế (1,16 – 2,87 kPa), bã cà phê đã qua sử dụng (5,41 – 15,62 kPa), silica – cellulose (86 – 169 kPa) [28,62,66,78,79] Ở 10% biến dạng đầu tiên, ứng suất tăng lên tương ứng với sự tăng hàm lượng tro bay, trong đó ứng suất đối với aerogel chứa 5,0% tro bay là cao nhất Tuy nhiên, mẫu chứa 4,0% tro bay có cùng ứng suất nén ở độ biến dạng
10% với mẫu 5% Điều này có thể do cấu trúc xốp của FAA2 đã bị sụp đổ, gây ra sự tăng đáng kể ứng suất nén
Hình 2.16 Đường ứng suất – biến dạng của tro bay aerogel theo sự tăng dần hàm lượng tro bay
2.3.8 Đánh giá về độ bền nhiệt của tro bay aerogel Để ứng dụng aerogel khả thi về mặt thương mại, vật liệu yêu cầu có độ ổn định nhiệt cao Việc đánh giá độ bền nhiệt được thực hiện qua phương pháp phân tích nhiệt TGA như mô tả trong mục 2.2.2
Hình 2.17 Đường cong TGA của tro bay aerogel với hàm lượng tro bay tăng dần
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ứn g su ất (k P a) Độ biến dạng (%)
Nhìn chung từ đồ thị trong Hình 2.17, trong khoảng nhiệt độ từ 30 C đến 100 C có thể nhận thấy có sự giảm khối lượng các mẫu khoảng 3 – 4%, nguyên nhân là do sự bay hơi nước còn lại trong mẫu bởi vì mẫu aerogel có các polyme PVA và CMC có nhóm hydroxyl (–OH) có tính ưa nước [80,81] Từ 100 C đến 200 C, mẫu tro bay aerogel hầu như không bị biến đổi bởi nhiệt, sự suy giảm khối lượng không đáng kể
Từ 200 C đến 350 C, mẫu bị phân huỷ mạnh với sự thay đổi khối lượng lên tới 20%, điều này được lí giải là vì PVA ở nhiệt độ gần 250 C PVA bắt đầu nóng chảy [62]
Quy trình tổng hợp aerogel composite từ tro bay và sợi rPET
Phân tán Khuấy 500 vòng/phút
Phối trộn Sợi rPET rPET
Aerogel composite Khuấy 600 - 800 vòng/phút
45 phút Để tổng hợp aerogel composite từ tro bay, các nguyên liệu được sử dụng gồm tro bay thu gom từ Nhiệt Điện Duyên Hải 1, Việt Nam, xanthan gum (XG), sợi nhựa PET tái chế (rPET) và nước XG thương mại xuất xứ từ Trung Quốc có có khối lượng riêng 1,50 g/cm 3 , độ nhớt (dung dịch 1% trong 1% KCl) là 1600 – 1900 cPs, pH 6.0 – 8.0 và hàm lượng tro khoảng 16% Sợi nhựa rPET xuất xứ Việt Nam loại 7D có khối lượng riêng 1,37 g/cm 3 , kích thước sợi là 64 mm Quy trình tổng hợp vật liệu aerogel composite từ tro bay và sợi rPET bao gồm ba giai đoạn được mô tả như sau:
- Giai đoạn 1: Phân tán hạt tro bay vào dung dịch XG
Dung dịch XG được chuẩn bị bằng cách hòa tan bột XG vào nước thủy cục bằng máy khuấy đũa trong vòng 45 phút với tốc độ 600 - 800 vòng/phút ở nhiệt độ phòng Các hạt tro bay được bổ sung vào dung dịch XG theo tỉ lệ mong muốn và khuấy trong vòng 30 phút với tốc độ 500 vòng/phút ở nhiệt độ phòng
- Giai đoạn 2: Phối trộn tro bay và sợi rPET
Sợi rPET cú đường kớnh 30 àm và chiều dài 64 mm được trải trờn khuụn Hỗn hợp tro bay và XG được đổ vào khuôn và tạo thành hệ gel Để tăng cường khả năng phân tán tro bay vào khung sợi có sẵn, toàn bộ hỗn hợp tro bay/rPET/XG được già hóa ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ
- Giai đoạn 3: Cấp đông và sấy thăng hoa
Hỗn hợp tro bay/rPET/XG được gel hóa ở -50 C để hóa rắn toàn bộ chất lỏng (nước) và tiếp tục được sấy thăng hoa ở để tạo thành aerogel composite có cấu trúc rỗng xốp Để khảo sát ảnh hưởng của các thành phần phối trộn đến tính chất của aerogel composite, các thí nghiệm tổng hợp vật liệu được tiến hành theo bảng 2.1
Bảng 3.1 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp tro bay aerogel composite
Tên mẫu Hàm lượng FA
Phương pháp nghiên cứu
3.2.1 Hình thái học của aerogel composite từ tro bay
Cấu trúc của aerogel composite được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S-4800 theo phương pháp ở mục 2.2.1
3.2.2 Khối lượng riêng và độ rỗng của aerogel composite
Khối lượng riêng và độ rỗng của các aerogel composite từ tro bay và sợi rPET được xác định theo phương pháp ở mục 2.2.2
3.2.3 Xác định độ dẫn nhiệt của tro bay aerogel composite Độ dẫn nhiệt, hay còn được gọi là giá trị K, của vật liệu aerogel được xác định bằng máy phân tích độ dẫn nhiệt TCi (Hình 3.2) Thiết bị sử dụng kỹ thuật nguồn nhiệt phẳng có hiệu chỉnh (Modified Transient Plane Source), trong đó một phía của cảm biến phản xạ nhiệt giao thoa sẽ liên tục truyền nhiệt lên vật mẫu đặt bên trên Giá trị K càng cao chứng tỏ khả năng dẫn nhiệt của vật liệu càng tốt Các mẫu được chuẩn bị với dạng hình tròn, đường kính 7 cm và bề dày 2 cm Mỗi điểm thí nghiệm được đo lặp lại 3 lần để thu thập giá trị trung bình và đánh giá sai số
Hình 3.2 Thiết bị phân tích độ dẫn nhiệt TCi
3.2.4 Xác định hệ số hấp thụ âm của tro bay aerogel composite
Hệ số hấp thụ âm của aerogel composite từ tro bay kết hợp với sợi rPET được xác định bằng ống trở kháng (Hình 3.3) theo tiêu chuẩn ASTM E1050-12 trên 3 dải tần số khác nhau 20 – 450 Hz, 250 – 1600 Hz, và 1000 – 5000 Hz Các mẫu có đường kính 100 mm và 30 mm được chuẩn bị cho thí nghiệm tại các dải âm thanh tương ứng thanh được vẽ để quan sát xu hướng hấp thụ âm thanh của aerogel composite ở các khoảng tần số
Hình 3.3 Ống trở kháng BSWA dùng cho đo đạc âm thanh
3.2.5 Độ bền cơ học của tro bay aerogel composite Độ bền cơ học của aerogel composite được xác định bằng thiết bị Instron 5500 thông qua phương pháp thử độ bền nén như mô tả ở mục 2.2.2
3.2.6 Phân tích nhiệt trọng lượng của tro bay aerogel composite Độ bền nhiệt của aerogel composite từ tro bay được xác định bằng thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA như mô tả ở mục 2.2.2.
Kết quả và bàn luận
Bên cạnh xu hướng tái chế tro bay, có rất nhiều mối quan tâm đến việc sử dụng sợi rPET với ứng dụng làm cốt bê tông để cải thiện cường độ nén, khả năng làm việc và mô đun đàn hồi của vật liệu ban đầu Bê tông cốt sợi làm từ xi măng, cát, sỏi và sợi rPET có các đặc tính cơ học được cải thiện khi độ dẻo dai cao hơn mẫu đối chứng (không có sợi), cho thấy sợi tái chế làm tăng khả năng chịu tải của bê tông [83] Lý do khiến sợi rPET đang thu hút sự chú ý là do khả năng chống cơ học và hóa học vượt trội và độ bền cao với chi phí thấp [84] Tuy nhiên, theo chúng tôi được biết, không có nghiên cứu nào để sản xuất aerogel composite cách nhiệt từ sợi rPET và tro bay thô Việc sử dụng rPET vào làm nguyên liệu của aerogel composite vừa tăng thêm tính tái chế của vật liệu, vừa gia cố cấu trúc của chúng sau khi sấy Với ứng dụng cách nhiệt và cách âm, sợi rPET đã được sửng dụng làm nguyên liệu tổng hợp aerogel sở hữu cả hai tính chất này trong nghiên cứu trước của Koh và cộng sự [85]
3.3.1 Ảnh hưởng của thành phần phối trộn đến tính chất cách nhiệt của tro bay aerogel composite Độ dẫn nhiệt của tro bay aerogel composite thể hiện trong khoảng 37 – 41 mW/m.K như bảng 3.2 Theo TCVN 7194:2002, tro bay aerogel composite được xếp vào loại vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ với độ dẫn nhiệt siêu thấp dưới 0,060 W/m.K Với sự tăng dần hàm lượng tro bay trong một đơn vị thể tích khối vật liệu, độ dẫn nhiệt của tro bay aerogel composite tăng dần từ 0,037 đến 0,041 W/m.K Điều này được giải thích bởi sự giảm dần độ rỗng của vật liệu từ 98,34 đến 97,11%, đồng nghĩa khối không khí bên trong vật liệu giảm mà không khí là một chất cách nhiệt với độ dẫn nhiệt thấp 0,026 W/m.K Mặt khác, sự tăng hàm lượng tro bay trong aerogel composite khiến cho độ dẫn nhiệt tổng của vật liệu tăng do sự truyền nhiệt qua khung chất rắn hình thành bởi sợi rPET và tro bay Độ dẫn nhiệt của tro bay aerogel composite nhìn chung tương đương với các vật liệu cách nhiệt thương mại khác như bông khoáng (34 – 45 mW/m.K), bông thủy tinh (31 – 43 mW/m.K), bọt thủy tinh
Bảng 3.2 Độ dẫn nhiệt của tro bay aerogel composite
Tro bay (%) Sợi rPET (%) Độ dẫn nhiệt (W/m.K)
3.3.2 Ảnh hưởng của thành phần phối trộn đến tính chất cách âm của tro bay aerogel composite
Sự tiêu thụ năng lượng âm thanh trong vật liệu rỗng xốp nói chung chủ yếu tuân theo ba nguyên tắc: (1) Các phân tử không khí trong vật liệu sẽ dao động và cọ xát với thành lỗ trống dẫn đến sự chuyển hóa năng lượng âm thanh thành nhiệt rồi bị tiêu tán; (2) khi sóng âm dọc xâm nhập vào vật liệu, không khí trong các lỗ rỗng bị nén và thoát ra ngoài theo chu kỳ, dẫn đến tiêu hao năng lượng trong quá trình chuyển vậy, vật liệu rỗng xốp cách âm phải có một số lượng đáng kể các lỗ rỗng (chẳng hạn như khoang, rãnh hoặc kẽ), kích thước lỗ rỗng phù hợp và liên kết với nhau để truyền sóng âm, và cần có các rãnh liên tục giữa các lỗ rỗng bên trong và bề mặt bên ngoài của vật liệu [88]
Kết quả đo đạc cho thấy vật liệu aerogel composite từ tro bay kết hợp với sợi rPET có hệ số hấp thụ âm thanh từ 0,4 đến 1,0 trong khoảng tần số từ 1.400 đến 6.250 Hz (Hình 3.4) Khi so sánh với mẫu chỉ chứa sợi rPET, các mẫu tro bay aerogel composite đều có hệ số hấp thụ âm thanh cao hơn với các đường cong hấp thụ âm thanh dịch chuyển sang trái và lên trên so với mẫu đối chứng FAC4, chứng tỏ khả năng hấp thụ âm thanh của vật liệu tăng lên khi bổ sung tro bay vào vật liệu Tro bay aerogel composite có khả năng hấp thụ âm thanh tốt hơn so với mẫu đối chứng không có tro bay là do chúng có độ cứng và bề mặt gồ ghề hơn nên tăng khả năng ma sát của các phân tử không khi khi dao động với thành lỗ trống Sự xuất hiện của càng nhiều hạt tro bay trong vật liệu khiến cho đường cong hấp thụ âm thanh của aerogel composite dịch chuyển sang trái và lên trên, nghĩa là khả năng hấp thụ âm thanh ngày càng cao Khi mật độ tro bay càng cao, kích thước của các lỗ trống ngày càng nhỏ nên con đường truyền âm thu hẹp dần, khiến cho hiệu ứng co xát của các phân tử khí với thành lỗ ngày càng nhiều và năng lượng âm thành chuyển thành nhiệt và tiêu biến
Hình 3.4 Đường cong hấp thụ âm thanh của tro bay aerogel composite.
3.3.3 Các thông số vật lý, hình thái học và cơ học của vật liệu aerogel composite từ tro bay
➢ Hình thái học của aerogel composite từ tro bay
Hình 3.5 Hình thái học của tro bay aerogel composite với các hàm lượng tro bay khác nhau: (a,d) 1,0%, (b,e) 2,0% và (c,f) 4,0% ở các độ phóng đại tương ứng 80 và 500 Qua hình 3.6 có thể thấy các hạt tro bay được kết dính với nhau nhờ các mảng XG Cấu trúc rỗng xốp của aerogel composite được hình thành với sự đan xen của các sợi rPET kết hợp với mạng lưới XG chứa các hạt tro bay Như vậy, XG vừa đóng vai trò chống lắng và liên kết các hạt tro bay, vừa là cầu nối bám dính khối tro bay và khối sợi với nhau Thêm vào đó, khi hàm lượng tro bay tăng dần từ 1,0% đến 4,0%, kích thước lỗ xốp ngày càng nhỏ khiến cho độ rỗng của vật liệu cũng giảm theo (Hình 3.5a,b,c) Các lỗ xốp trong khối vật liệu có kích thước ước tính khoảng 10 - 30 m
➢ Khối lượng riêng và độ rỗng của aerogel composite
Bảng 3.3 Tính chất vật lý và cơ học của aerogel composite từ tro bay và sợi rPET
Hàm lượng tro bay (%KL)
Khối lượng riêng (g/cm 3 ) Độ rỗng (%) Mô-đun nén
Từ bảng 3.3 cho thấy vật liệu aerogel composite từ tro bay được tăng cứng bằng sợi rPET có khối lượng riêng rất thấp từ 0,026 đến 0,057 g/cm 3 với độ rỗng lớn từ 97,08 đến 98,42% Với sự tăng dần hàm lượng tro bay từ 1,0 đến 4,0%, khối lượng riêng của aerogel composite tăng dần cùng với sự giảm dần của độ rỗng xốp cho sự dày đặc của các hạt tro bay trong cấu trúc vật liệu Điều này được giải thích do mật độ vật chất trong khối vật liệu tăng dần khiến cho vật liệu trở nên đặc hơn và các lỗ rỗng bị thu hẹp dần, tương ứng với sự giảm độ rỗng
➢ Tính chất cơ học của tro bay aerogel composite
Hình 3.6 Đường ứng suất – biến dạng của tro bay aerogel composite theo sự tăng dần hàm lượng tro bay
Tính chất nén của tro bay aerogel composite được thể hiện ở hình 3.6 và bảng 3.3 Kết quả thực nghiệm cho thấy mô-đun nén của tro bay aerogel composite thấp từ 3,98 đến 9,65 kPa Tuy nhiên, giá trị này của tro bay aerogel composite cao hơn so với aerogel từ sợi rPET (1,16 – 2,87 kPa), chứng tỏ sự có mặt của tro bay giúp làm tăng khả năng chịu nén của vật liệu So với vật liệu aerogel composite tổng hợp từ tro bay, polyvinyl alcohol và laponite có mô-đun nén đạt 2,44 – 31,14 MPa, tro bay aerogel composite thể hiện khả năng đàn hồi và tính dẻo dai tốt hơn, do đó hình dáng vật liệu có thể thay đổi Sự tăng hàm lượng tro bay nhìn chung làm tăng độ cứng của aerogel composite, trong đó với hàm lượng tro bay 2,0% cho mô-đun nén cao nhất đạt 9,65 kPa Với mật độ tro bay càng cao lên đến 4% trong aerogel composite chỉ chứa 1% sợi rPET, độ bền nén của mẫu giảm bởi hiện tượng “lỏng lẻo” và “xẹp lún” nhưng trong nghiên cứu trước [89,90] Ở một mật độ sợi rPET thấp, số vị trí để tro bay kết tụ lên mạng lưới sợi bị giới hạn Do đó, hàm lượng tro bay trong aerogel composite càng cao khiến chúng liên kết lỏng lẻo với sợi, do đó tính bền cơ học bị suy yếu Để tăng hàm lượng tro bay trong vật liệu, hàm lượng sợi rPET cũng cần được tăng lên để cấu trúc aerogel composite được gia cố thêm
➢ Độ bền nhiệt của tro bay aerogel composite Để ứng dụng aerogel composite khả thi về mặt thương mại, vật liệu yêu cầu có độ ổn định nhiệt cao Nhìn chung từ đồ thị trong hình 3.7, trong khoảng nhiệt độ từ 30
C đến 100 C có thể nhận thấy có sự giảm khối lượng của các mẫu rất ít từ khoảng
3 – 4%, nguyên nhân là do sự bay hơi nước còn lại trong mẫu bởi vì mẫu aerogel composite được cấu thành từ sợi rPET và XG vốn có một số nhóm -OH trên chuỗi polymer Từ 100 C đến 200 C, mẫu tro bay aerogel composite hầu như không bị biến đổi bởi nhiệt, sự suy giảm khối lượng không đáng kể Từ 265 C đến 580 C, mẫu bị phân huỷ mạnh với sự thay đổi khối lượng lên tới 30 – 55%, điều này được lí giải vì XG và rPET bị phân hủy ở nhiệt độ lần lượt là 270 - 300 C và 270 - 370 C [91,92] Trên 600 C, mẫu aerogel composite chỉ còn lại tro bay không bị phân huỷ và phần tro của rPET và XG sau khi phân hủy, sự thay đổi về khối lượng trong giai đoạn này không đáng kể Vậy từ đồ thị hình 3.8, các mẫu aerogel composite có thể chịu được ở nhiệt độ tối đa là 265 C, thể hiện vật liệu có độ bền nhiệt vừa phải
Với cùng hàm lượng tro bay là 2%, mẫu aerogel composite với hàm lượng sợi rPET 2% có độ giảm khối lượng nhiều hơn mẫu chỉ có 1% sợi rPET khoảng 10% khối lượng ở cùng nhiệt độ 450 °C, do sự phân hủy nhiệt của mẫu chứa nhiều sợi rPET diễn ra mãnh liệt hơn Mặt khác, với hàm lượng tro bay là 4% so với mẫu chỉ chứ 2% tro bay có cùng hàm lượng sợi rPET, mẫu chứa nhiều tro bay hơn có độ mất khối lượng ít hơn ở cùng nhiệt độ 450 °C
Hình 3.7 Đồ thị TGA của tro bay aerogel composite
3.3.4 Tối ưu hóa quy trình tổng hợp aerogel composite từ tro bay
Quy trình chế tạo aerogel composite từ tro bay được tối ưu hóa bằng phương pháp luân phiên từng biến với thiết kế thí nghiệm được trình bày ở bảng 3.4
Bảng 3.4 Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa quy trình chế tạo aerogel composite từ tro bay
➢ Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và sợi rPET đến tính chất vật lý của aerogel composite từ tro bay
Nhìn chung, các mẫu tro bay aerogel composite được tạo thành có kết cấu chắc chắn với sự kết dính các hạt tro bay vào khung sợi rPET (Hình 3.8) Mặt đáy của các mẫu aerogel composite đồng đều với màu sắc đậm dần theo sự tăng hàm lượng tro bay từ 1,0 đến 4,0% Mặt trên của aerogel composite có một mảng bám nhô lên trên
P hần tr ăm k hố i lượn g (%)
2% FA - 1% rPET2% FA - 2% rPET4% FA - 2% rPET bề mặt do kết quả trong quá trình làm đông nước trước khi sấy thăng hoa Tuy nhiên, những mảng bám này có thể được lược bỏ sau khi sấy Hàm lượng sợi rPET cũng có ảnh hưởng đến tính chất vật lý của aerogel composite Cụ thể là mẫu chứa 2,0 %kl sợi rPET (với cùng hàm lượng tro bay) cho thấy độ bền cơ học tốt hơn, mẫu cứng hơn và các mảng bám ở mặt trên cũng ít hơn so với mẫu chỉ chứa 1,0 %kl sợi rPET
Hình 3.8 Mặt trên và mặt đáy của các mẫu tro bay aerogel composite
Từ hình 3.9, cấu trúc rỗng xốp của aerogel composite được hình thành với sự đan xen của các sợi rPET kết hợp với mạng lưới XG chứa các hạt tro bay Như vậy, XG vừa đóng vai trò chống lắng và liên kết các hạt tro bay, vừa là cầu nối bám dính khối tro bay và khối sợi với nhau Thêm vào đó, khi hàm lượng tro bay tăng dần từ 1,0% đến 4,0% (với cùng hàm lượng sợi rPET 1%), kích thước lỗ xốp ngày càng nhỏ khiến cho độ rỗng của vật liệu cũng giảm theo (Hình 3.9a,b,c) Các lỗ xốp trong khối vật liệu có kích thước ước tính khoảng 10 - 30 m Tương tự với hàm lượng sợi rPET 2%, các mẫu FAC4, FAC5 và FAC6 có sự phân bố dày đặc của sợi rPET và tro bay (Hình 3.9d,e,f) Do đó, khối lượng riêng của các mẫu aerogel composite sẽ tăng dần nhưng độ rỗng sẽ giảm dần khi hàm lượng tro bay tăng Thêm vào đó, với cùng hàm vật liệu, do đó độ dẫn nhiệt của vật liệu chứa nhiều sợi rPET hơn được dự đoán sẽ thấp hơn
Hình 3.9 Hình thái học của tro bay aerogel composite ở độ phóng đại x80: FAC1 (a),
FAC2 (b), FAC3 (c), FAC4 (d), FAC5 (e) và FAC6 (f)
Bảng 3.5 Khối lượng riêng, độ rỗng và mô-đun nén của aerogel composite
Tên mẫu Khối lượng riêng (g/cm 3 ) Độ rỗng (%) Mô-đun nén (kPa)
Bảng 3.5 trình bày các thông số vật lý của tro bay aerogel composite với sự tăng dần hàm lượng tro bay ở các hàm lượng sợi rPET 1,0 và 2,0% tương ứng Khi hàm lượng tro bay tăng dần, khối lượng riêng của vật liệu tăng dần và độ rỗng giảm dần Với cùng hàm lượng sợi rPET 1,0%, khối lượng riêng của mẫu tăng từ 0,026 đến 0,057 g/cm 3 nhưng độ rỗng giảm từ 98,42% xuống 97,08% khi lượng tro bay trong mẫu tăng từ 1,0 đến 4,0% Tương tự, với hàm lượng sợi rPET 2,0%, khối lượng riêng aerogel composite thấp chỉ từ 0,036 đến 0,062 và độ rỗng giảm từ 97,69 xuống 96,59% khi hàm lượng tro bay tăng từ 1,0 đến 4,0% Thêm vào đó, sự có mặt của sợi rPET càng nhiều (với cùng hàm lượng tro bay) cho khối lượng riêng của mẫu cao hơn và độ rỗng thấp hơn, ví dụ như mẫu FAC2 và FAC5 có cùng hàm lượng tro bay 2,0
%kl, mẫu FAC2 có 1,0 %kl sợi rPET cho khối lượng riêng 0,038 g/cm 3 và độ rỗng 97,90%, trong khi đó mẫu FAC5 chứa 2,0 %kl sợi rPET cho khối lượng riêng cao hơn 0,042 g/cm 3 nhưng độ rỗng thấp hơn 97,49% Điều này là do lượng vật chất trong vật liệu đã tăng lên nên khối lượng riêng của aerogel composite tăng theo và độ rỗng giảm vì các khoảng trống trong vật liệu ngày càng bị đặc lại Nhìn chung sự có mặt của tro bay trong mạng lưới sợi rPET khiến cho khối lượng riêng của vật liệu aerogel composite tăng lên và độ rỗng giảm xuống do mật độ vật chất đã dày đặc lên Vì vậy, aerogel composite được dự đoán có độ bền cơ học được cải thiện nhiều so với rPET aerogel
➢ Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và sợi rPET đến độ bền cơ học của aerogel composite từ tro bay