Hạt cốt liệu thủy tinh bọt Viaerogel: Đổi mới các tấm cách nhiệt, cách âm, tiêu âm, chống cháy

Kết quả nghiên cứu này được kỳ vọng sẽ góp phần giải quyết những hạn chế vốn có của các tấm cách nhiệt, cách âm trước đây trong các công trình kiến trúc.


Dù xảy ra cách đây đã hai năm, hai vụ cháy quán karaoke thảm khốc tại Hà Nội và Bình Dương, khiến cho tổng cộng 35 người (trong đó có 3 cảnh sát phòng cháy chữa cháy) tử vong vẫn khiến nhiều người rùng mình mỗi khi nhớ lại cũng như không khỏi hoang mang mỗi khi đặt chân vào các không gian kín.

Với đặc thù có dàn loa âm thanh phát liên tục suốt cả ngày hoặc có nhiều hoạt động có thể tạo ra tiếng ồn lớn, các quán karaoke và nhiều công trình văn hóa nghệ thuật như nhà hát hay các tòa nhà công nghiệp thường phải sử dụng các vật liệu cách âm để ngăn tiếng ồn từ bên trong lọt ra cũng như hạn chế âm thành từ bên ngoài lọt vào. Tuy nhiên, “các vật liệu cách âm, tiêu ồn phổ biến như mút xốp hay ván gỗ thường không có khả năng chống cháy, chống thải khói độc”, PGS.TS.GVCC. Nguyễn Minh Ngọc cho biết. Do đó, khi xảy ra các sự cố như chập điện, ngọn lửa đã nhanh chóng lan ra khắp các phòng như các vụ hỏa hoạn tại các quán karaoke đã xảy ra trong những năm gần đây.

Nguy cơ cháy nổ cộng với khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam - nơi mà nhiệt độ mùa hè ở miền Bắc và miền Trung có thể lên đến hơn 40°C (khu vực miền Nam có nhiệt độ trung bình thấp hơn nhưng ánh nắng Mặt trời với hàm lượng tia UV cao từ 8-10 có thể khiến không khí bị đốt nóng) càng khiến cho nhu cầu phải có các loại vật liệu cách nhiệt, chống cháy hiệu quả hơn trở nên cấp thiết. Thực tế này đã thôi thúc PGS.TS.GVCC. Nguyễn Minh Ngọc và các cộng sự tại trường Đại học Kiến trúc Hà Nội bắt tay vào tìm lời giải. Và dưới sự “tiếp sức” của hai đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất tấm ốp lát cách nhiệt và chống thấm trên cơ sở cốt liệu nhẹ thủy tinh” và “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt thủy tinh xốp để sản xuất tấm ốp cách âm, tiêu âm và chống cháy” do Bộ Xây dựng và Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội lần lượt giao cho trường Đại học Kiến trúc Hà Nội làm chủ trì, nhóm nghiên cứu của PGS.TS.GVCC. Nguyễn Minh Ngọc đã nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo hạt thủy tinh bọt làm vật liệu cách nhiệt và hạt thủy tinh xốp có hốc để làm các tấm cách âm, hấp thụ âm, tiêu âm và không cháy, không khói cho các công trình kiến trúc. Những kết quả này mới đây đã được nhóm nghiên cứu ứng dụng thành công trong thực tế và được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 31248.

Giải pháp từ hạt thủy tinh bọt

Thực tế, các hạt thủy tinh từ lâu đã không còn xa lạ trong các công trình nghiên cứu trên thế giới. Ngay từ những năm 1930, Saint-Gobain của Pháp đã lần đầu tiên phát triển thủy tinh bọt với canxi carbonat để làm chất tạo bọt. Hai năm sau đó, tại Liên Xô, phương pháp sản xuất vật liệu xốp từ thủy tinh với sản phẩm được đặt tên là thủy tinh bọt cũng đã ra đời. Và cho đến nay, theo PGS.TS.GVCC. Nguyễn Minh Ngọc, trên thế giới đã một số công nghệ chế tạo thủy tinh bọt có khả năng cách nhiệt tương đối tốt. Chẳng hạn, theo một công nghệ, bột thủy tinh sẽ được thu từ quá trình nghiền kính phẳng, được lưu trữ tạm thời trong các silo sau khi đã trộn với các chất phụ gia khoáng, phụ gia tạo khí. Với công nghệ này, nhiệt độ gia công sẽ rơi vào khoảng từ 900°C - 1000°C, bột thủy tinh nở thành dạng tấm dày 50 - 80mm. “Loại sản phẩm này tương tự như sản phẩm trong các công trình nghiên cứu của Viện Vật liệu Xây dựng và của PGS. Nguyễn Văn Tứ. Mặc dù có khả năng cách nhiệt, cách âm tốt, các tấm này lại có cường độ rất thấp”, PGS.TS.GVCC. Nguyễn Minh Ngọc chỉ ra một điểm hạn chế trong công nghệ sản xuất thủy tinh bọt trước đây.

Sản phẩm Viaerogel là loại hạt thủy tinh bọt, tròn kín, là một vật liệu cách nhiệt, cách âm lý tưởng có khối lượng thể tích nhỏ, độ dẫn nhiệt thấp, đặc biệt độ hút nước nhỏ, độ bền cơ học tương đối cao, kháng cháy, bền kiềm, bền với các tác nhân hóa học và loại bỏ khả năng phát triển của nấm mốc và vi sinh. Không chỉ vậy, các hạt này có cấu trúc lỗ rỗng nhỏ, kín làm tăng khả năng cách nhiệt, giảm khả năng thấm nước và hơi nước. PGS.TS.GVCC. Nguyễn Minh Ngọc

Để khắc phục nhược điểm này, ông và các cộng sự đã nghiên cứu và đưa ra một công nghệ khác: sản xuất cốt liệu thủy tinh nhẹ hình cầu - một dạng của thủy tinh bọt hay còn gọi là Cellular Glass hoặc Foam Glass - vật liệu có cấu trúc dạng tổ ong trong đó có nhiều lỗ xốp nhỏ, tại đó các lỗ xốp có chứa các khí CO, CO2, SO2,... “Dạng hạt hình cầu này thu được nhờ công nghệ gia công vê viên bột phối liệu từ thải thủy tinh và chất tạo bọt khí, sau đó được nung ở nhiệt độ 800°C”, PGS.TS.GVCC Nguyễn Minh Ngọc mô tả về công nghệ mới. “Sản phẩm Viaerogel sau khi được chế tạo là loại hạt thủy tinh bọt, tròn kín, là một vật liệu cách nhiệt, cách âm lý tưởng có khối lượng thể tích nhỏ, độ dẫn nhiệt thấp, đặc biệt độ hút nước nhỏ, độ bền cơ học tương đối cao, kháng cháy, bền kiềm, bền với các tác nhân hóa học và loại bỏ khả năng phát triển của nấm mốc và vi sinh. Không chỉ vậy, các hạt này có cấu trúc lỗ rỗng nhỏ, kín làm tăng khả năng cách nhiệt, giảm khả năng thấm nước và hơi nước”, ông hào hứng chia sẻ về kết quả nghiên cứu của nhóm.

Nếu chỉ nhìn các sản phẩm hạt thủy tinh thành phẩm của nhóm, có thể không ít người sẽ nghĩ rằng: ồ, các hạt này có vẻ không có gì đặc biệt? Song, đằng sau những hạt thủy tinh nhỏ xinh ấy là cả một quá trình dài nghiên cứu và những kinh nghiệm dày dặn được PGS.TS.GVCC Nguyễn Minh Ngọc đúc rút trong nhiều năm nghiên cứu về công nghệ chế tạo vật liệu. “Dạng hạt tròn được sử dụng do đây là hướng đi tối ưu nhất trong sản xuất vật liệu xây dựng với mục đích sản xuất cốt liệu cho bê tông. Với hình dạng này, các hạt sẽ có khả năng chống lại sự nứt rạn, gẫy, phá hoại do ứng suất trong và trên bề mặt tốt hơn khi chịu tải trọng”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Bên cạnh đó, hiện nay các sản phẩm cách âm, tiêu âm như mút xốp, ván gỗ, bọt foam đã có rất nhiều trên thị trường với khả năng cách âm, hút âm tốt, nhưng thường hay tỏa ra khói độc khi chịu nhiệt độ cao. Thế nên, việc chế tạo cốt liệu thủy tinh Viaerogel của nhóm cần phải đáp ứng được hai yêu cầu: “Ngoài việc tạo các hốc hạt thủy tinh xốp khi nung, cần phải nghiên cứu tạo thêm các lỗ bằng phương pháp cắt phay khối bê tông rỗng thoát khí tạo mặt có miệng hốc. Bên cạnh đó, cần nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu ốp lát trên cơ sở các chất vô cơ từ bê tông rỗng thoát khí trên nền hạt cốt liệu thủy tinh xốp để sản phẩm không những không cháy mà còn có khả năng cách âm, tiêu âm”, PGS.TS.GVCC Nguyễn Minh Ngọc cho biết. Và để có thể nghiên cứu chế tạo các tấm cách âm tiêu âm như vậy, “cần có cơ sở khoa học về âm học và về hạt cốt liệu xốp, có hốc và tấm hút âm”, ông cho biết.

Bên cạnh đó, sản phẩm cũng đã được ứng dụng vào quán karaoke tại Hà Nội với kết quả đo thực tế thời gian âm vang do VOV kiểm định. Theo đó, đo lường được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 16283-1:2014 với hệ thống thiết bị phân tích âm thanh tổng hợp 2270G - Đan Mạch được kiểm chuẩn. “Kết quả cho thấy sau khi lắp đặt các tấm tiêu âm, thời gian âm vang tại các tần số 500 Hz, 1000 Hz của phòng giảm từ 1.09s và 0.94s xuống còn 0.2s và 0.3s”, PGS.TS.GVCC Nguyễn Minh Ngọc cho biết. “Vật liệu sử dụng ốp trần và tường đạt hiệu quả cao”.

Với tổng số hơn 1.400 cơ sở kinh doanh karaoke chỉ tính riêng trên địa bàn Hà Nội, nếu được ứng dụng rộng rãi, vật liệu cách âm này không chỉ hứa hẹn giúp chống ồn hiệu quả mà còn giảm thiểu rủi ro bùng phát hỏa hoạn tại những “điểm nóng” về phòng cháy chữa cháy. “Các hạt thủy tinh Viaerogel và các sản phẩm còn có thể được sử dụng để cách nhiệt, cách âm và chống cháy cho nhiều công trình khác như thang máy, trạm điện, nhà sát đường giao thông đô thị, mái nhà, cửa chống cháy, vách ngăn chống cháy, chống lan tỏa khói cho các tòa nhà chung cư,...”, PGS.TS.GVCC Nguyễn Minh Ngọc hình dung.