Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ nano oxit thiếc trên kính – Giải pháp mới tiết kiệm năng lượng cho toà nhà

Bài báo đề cập tới quá trình nghiên cứu, tiến tới ứng dụng lớp phủ nano oxit thiếc trên kính thông qua 2 phương pháp phủ khả thi trên hiện trường: Phương pháp gạt và phương pháp lăn. Lớp phủ nano oxit thiếc có khả năng cản nhiệt bức xạ mặt trời lọt vào tòa nhà, đồng thời có độ cứng và độ bám dính tốt, chứng minh được tính khả thi và hiệu quả tại công trình thực tế

Với các công trình xây dựng hiện đại, việc sử dụng hệ thống điều hòa không khí để làm mát vào mùa hè và sưởi ấm vào mùa đông là nhu cầu thiết yếu. Việc cách nhiệt không tốt cho vỏ bao tòa nhà (bao gồm các kết cấu sàn, trần, tường, cửa sổ) sẽ dẫn tới các tổn thất nhiệt, gây lãng phí về mặt năng lượng (làm tăng tải hệ thống làm mát trong mùa hè hoặc hệ thống sưởi ấm trong mùa đông). Trong tòa nhà, tổn thất nhiệt qua cửa sổ chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các dạng tổn thất nhiệt qua vỏ bao tòa nhà. Kết cấu cửa sổ thường bao gồm phần kính (chiếm phần lớn) và phần khung, vì vậy việc tiết kiệm năng lượng cho phần kính là cực kỳ cần thiết. Kính tiết kiệm năng lượng sản xuất theo quy mô công nghiệp theo hai Công nghệ: công nghệ phủ cứng và công nghệ phủ mềm, ứng dụng chủ yếu cho các tòa nhà xây mới. Tại Việt Nam hiện nay tồn tại nhiều tòa nhà đang sử dụng kính lắp nhưng hầu như không có tính năng tiết kiệm năng lượng.

Công cụ vạch các đường cắt lên kính phủ
Thiết bị thử độ cứng bề mặt

Một trong những giải pháp tăng cường khả năng tiết kiệm năng lượng cho kính kiến trúc khi cải tạo tòa nhà là kính phủ polyme, sử dụng hỗn hợp polyme hòa trộn với các hạt kim loại hoặc ôxit kim loại, hỗn hợp sau khi hòa trộn được phun hoặc gạt lên bề mặt kính, từ đó tạo lớp màng có tác dụng hấp thụ năng lượng mặt trời, tương tự như tính chất của lớp phủ được sản xuất theo quy trình phủ mềm hay phủ cứng.

Nghiên cứu chế tạo vật liệu và phương pháp phủ

Vào năm 2011-2012, Viện Nghiên cứu và Phát triển Viglacera đã nghiên cứu chế tạo thành công dung dịch phủ bao gồm bột nano oxit thiếc hòa trộn vào dung dịch polyme theo phương pháp sol-gel, từ đó tiến hành tráng gạt trên bề mặt kính tạo thành màng phủ có tính năng tiết kiệm năng lượng.

Để tiếp tục công trình nghiên cứu trên, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu phương pháp phủ trên các kính khổ trung bình và khổ lớn, nhằm mục đích ứng dụng thực tế trong trường hợp cải tạo các tòa nhà đang sử dụng.

Để nghiên cứu phương pháp phủ, chúng tôi sử dụng các dụng cụ phủ như sau:

+ Hệ gạt ngang có cấu tạo bởi 01 thanh xốp bọt biển và 2 tấm ép bằng nhôm. Tấm ép bằng nhôm có tác dụng cố định thanh xốp bọt biển và định hướng trong quá trình gạt.

Quy tắc thi công: Sau khi nhúng ướt tấm bọt biển bằng dung dịch phủ, tiến hành gạt một lần từ trên xuống dưới cho đến khi hết chiều cao của tấm kính. Đảm bảo lực nhấn và tốc độ di chuyển đều nhau giữa 2 tay trái và phải.

+ Hệ gạt lăn có cấu tạo bởi 01 con lăn xốp kèm theo tay cầm.

Quy tắc thi công: Lăn dọc từ trên xuống dưới, tiến dần theo các làn lăn từ trái sang phải, sau đó tiếp tục lăn sang ngang, và tiến dần theo các làn lăn từ trên xuống dưới.

Để đánh giá chất lượng lớp phủ, chúng tôi đã tiến hành gạt trên các tấm kính khổ 700 x 1500 mm, với mỗi phương pháp gạt thì thực hiện 4 tấm, tổng cộng là 8 tấm.

Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ

1. Các khuyết tật của lớp phủ

Lớp phủ cực mỏng trên kính có thể dẫn tới các khuyết tật của bề mặt phủ. Các yêu cầu về chất lượng thẩm mỹ và quang học đối với các lớp phủ được sử dụng cho kính theo tiêu chuẩn châu Âu BS EN 1096 để đánh giá chất lượng lớp phủ. Theo đó, các khuyết tật được phát hiện bằng mắt thường thông qua quan sát kính phủ trong quá trình truyền và/hoặc phản xạ ánh sáng (có thể sử dụng nguồn ánh sáng nhân tạo hoặc nguồn ánh sáng tự nhiên).

2. Các chỉ tiêu cơ lý: Lớp phủ thường được thử nghiệm các chỉ tiêu như: độ cứng bề mặt, độ bám dính.

a. Thử độ cứng bề mặt: Phương pháp thử độ cứng bề mặt tuân theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM D3363

Nguyên lý đo: Sử dụng thiết bị đo độ cứng bề mặt. Kính phủ được đặt ở trên bề mặt ngang, bút chì được đặt ở một góc 45o so với bề mặt kính. Đầu bút chì được gọt để khoảng lộ ra từ 5 đến 6 mm.

Độ cứng bề mặt được phân loại tùy theo độ cứng của bút chì như sau:
6B – 5B – 4B – 3B – 2B – B – HB – F – H – 2H – 3H – 4H – 5H – 6H

Như vậy, độ cứng bề mặt 6B là loại mềm nhất và 6H là loại cứng nhất. Lần lượt thử nghiệm với bút chì có độ cứng từ 6H trở xuống. Độ cứng của bút chì tương ứng với loại bút không tạo thành vạch trên bề mặt lớp phủ chính là giá trị của độ cứng bề mặt lớp phủ.

b. Thử độ bám dính: Chúng tôi thử độ bám dính theo tiêu chuẩn ASTM D3359. Nguyên lý thử như sau:

  • Lựa chọn bề mặt phủ không có khuyết tật ngoại quan
  • Dùng công cụ như Hình 2 và dao để vạch 6 đường dọc và 6 đường ngang sao cho đường dọc vuông góc với đường ngang, các đường liền kề cách nhau 4 mm.
  • Dán băng dính trong (rộng 25 mm) lên bề mặt được phủ.
  • Gỡ băng dính ra khỏi bề mặt được phủ.
  • Xem xét kỹ các ô có lớp phủ bị bong, ghi chép hiện trạng và đánh giá.

Phân loại: Dựa vào các hiện tượng bong tróc tại các ô, tiến hành phân loại như bảng sau.
Các chỉ tiêu quang học của lớp phủ
Chúng tôi sử dụng thiết bị đo của hãng EDTM (Mỹ) để đo các chỉ tiêu quang học của kính phủ, từ đó xác định được các chỉ tiêu sau: độ truyền sáng, độ truyền tia cực tím, độ truyền tia hồng ngoại. Chỉ tiêu quang học của kính phủ được đo ở nhiều điểm trên tấm kính và lấy giá trị trung bình cộng các giá trị đo được.

Kết quả nghiên cứu: Chúng tôi dùng các chỉ tiêu về khuyết tật ngoại quan, độ cứng bề mặt, độ bám dính, chỉ tiêu quang học của lớp phủ để đánh giá:

Phân loại độ bám dính

Khuyết tật ngoại quan:

Khuyết tật ngoại quan

Chỉ tiêu cơ lý:

Chỉ tiêu cơ lý

Để xác định chỉ tiêu cơ lý, chúng tôi tiến hành chia vùng tấm kính thành 15 vùng: theo chiều rộng (70 cm): chia làm 2; theo chiều dài (150 cm): chia làm 5. Sau đó tiến hành cắt theo các vạch chia, ta thu được 10 mẫu nhỏ (kích thước 35 x 30 cm). Trên từng mẫu nhỏ xác định tính bám dính và độ cứng bề mặt của mỗi tấm, từ đó ta xác định được sự ổn định của các chỉ tiêu cơ lý của lớp phủ trên toàn bộ tấm kính.
Sau khi đánh giá tính bám dính và độ cứng của từng tấm kính như quy trình ở trên, chúng tôi thấy chỉ số về tính bám dính và độ cứng đảm bảo độ ổn định (các chỉ số đều như nhau ở trên mỗi tấm kính).

Chỉ tiêu quang học:

Chỉ tiêu quang học

Kết luận 

Trên cơ sở các đánh giá về ngoại quan, các chỉ tiêu cơ lý và các chỉ tiêu quang học, chúng tôi đưa ra một số kết luận sau:

  • Về mặt ngoại quan thì phương pháp gạt ngang dễ gây ra một số những vùng không đồng nhất về mặt màu sắc, nguyên nhân ở đây là do lực tì không đồng đều giữa các vùng ở trên thanh gạt.
  • Về các chỉ tiêu cơ lý, độ cứng của lớp phủ theo 2 phương pháp gạt đều như nhau, như vậy độ cứng bề mặt chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của dung dịch phủ, chứ ít phụ thuộc vào phương pháp gạt. Tính bám dính của lớp phủ theo 2 phương pháp cũng như nhau, như vậy có thể kết luận phương pháp gạt ít tác động đến tính chất cơ lý của lớp phủ.
  • Về các chỉ tiêu quang học, độ truyền sáng của kính phủ theo 2 phương pháp gạt nhìn chung đều đạt yêu cầu (>65% theo như thuyết minh đề cương đề tài). Độ truyền tia cực tím và độ truyền tia hồng ngoại của kính phủ theo phương pháp gạt ngang đều lớn hơn so với kính phủ theo phương pháp gạt lăn. Như vậy, độ dày của lớp phủ của phương pháp gạt lăn lớn hơn so với phương pháp gạt ngang. Để đảm bảo tính năng của lớp phủ (cản tia cực tím, cản tia hồng ngoại) chúng ta nên sử dụng phương pháp gạt lăn.
  • Tiếp theo, chúng tôi sử dụng phương pháp gạt lăn để phủ các tấm kính đã được lắp đặt tại công trình có kích thước lớn (1,5 x 2 m; 2 x 3 m). Kết quả cho thấy phương pháp gạt lăn đem lại độ đồng đều, ổn định về mặt ngoại quan cũng như các chỉ tiêu cơ lý và quang học. Vì vậy, đây là một phương pháp khả quan trong việc phủ kính nhằm đem lại tính năng tiết kiệm năng lượng khi cải tạo tòa nhà.
Tháp tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh

 

Tài liệu tham khảo

1. Trịnh Xuân Anh, Nghiên cứu sản xuất kính tiết kiệm năng lượng low-E bằng công nghệ phun phủ đi từ các vật liệu polyme vô cơ và hạt nano oxít, Đề tài cấp Bộ Xây dựng, 2012.
2. BS EN 1096 Glass in building. Coated glass.
3. ASTM D3363 Standard Test Method for Film Hardness by Pencil Test.
4. ASTM D3359 Standard Test Method for Measuring Adhesion by Tape Test.

 

TS Kiều Lê Hải

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 11/2015)