Sử dụng hạt nano dioxit titan và hạt gốm vi cầu rỗng chế tạo sơn thân thiện môi trường

Năng lượng bức xạ mặt trời rất cần thiết cho con người cũng như mọi sự sống trên trái đất. Nó bao gồm khoảng 5 % ở dạng bức xạ tử ngoại, 46 % ở dạng bức xạ áng sáng thấy và 49 % ở dạng bức xạ hồng ngoại gần. Tuy nhiên, bức xạ hồng ngoại gần (trong vùng bước sóng từ 750-2500 nm) làm nóng các công trình, thiết bị như các tòa nhà cao tầng, các bồn bể chứa xăng dầu do đó tạo ra hiệu ứng đảo nhiệt (heat island) nơi đô thị và gây tiêu tốn nhiều năng lượng để làm mát môi trường bên trong các tòa nhà cũng như gây thất thoát xăng dầu do bay hơi. Do hiệu ứng đảo nhiệt, nhiệt độ môi trường không khí trung bình ở đô thị vào buổi chiều, tối cao hơn từ 2-5 oC so với các khu vực nông thôn xung quanh và tạo ra các vùng vi khí hậu nóng bức, khó chịu. Còn bức xạ tử ngoại (bước sóng λ từ 295 - 400 nm) mặc dù chỉ chiếm khoảng 5% trong tổng năng lượng bức xạ mặt trời đến trái đất nhưng lại là nhân tố chính gây suy giảm, lão hóa vật liệu hữu cơ. Do vậy vấn đề chống nóng cho các thiết bị, công trình và việc nghiên cứu nâng cao độ bền thời tiết của vật liệu hữu cơ luôn được quan tâm nghiên cứu và phát triển.

Các vật liệu cách nhiệt truyền thống như bọt xốp polystyren, polyuretan, bông thủy tinh, các vật liệu lá phản nhiệt (lá nhôm) kết hợp vật liệu xốp kiểu bánh sandwich,... có ưu điểm chung là giá thành rẻ. Tuy nhiên các vật liệu này có nhược điểm: kích thước lớn, độ bền cơ, khả năng chịu tác động của môi trường thời tiết kém, rất khó áp dụng cho các bề mặt có hình dạng phức tạp và trong nhiều trường hợp không đáp ứng tính thẩm mỹ, chẳng hạn bề mặt ngoại thất các tòa nhà cao tầng. Do vậy hiện nay phương pháp sử dụng lớp phủ hữu cơ có tính năng phản xạ nhiệt mặt trời đang được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trên toàn thế giới. Để chế tạo lớp phủ hữu cơ có tính năng phản xạ hồng ngoại cao cần phải sử dụng kết hợp chất nền polyme có độ trong suốt cao với các hạt vô cơ phản xạ hồng ngoại cao và có chỉ số khúc xạ khác với chỉ số khúc xạ của chất nền polyme trong vùng hồng ngoại gần. Mục đích là tạo ra sự phản xạ khuếch tán tối đa. Gần đây, trên thế giới, các loại hạt gồm silicavới cấu trúc vi cầu rỗng đang được sử dụng làm phụ gia phản xạ nhiệt trong các loại sơn mới có tính năng phản xạ nhiệt cao.

Việt Nam có lãnh thổ hoàn toàn trong vùng nhiệt đới. Tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm khoảng 120 kcal/cm2/năm. Cường độ bức xạ trực tiếp có thể đạt cực đại 0,6 kcal/cm2/ngày vào các tháng 6 và 8 ở miền Bắc và các tháng 4-5, 8-9 ở miền Nam. Đây là nguồn năng lượng dồi dào nhưng tác động gây hại bởi nguồn năng lượng này cũng rất lớn. Vấn đề tiết kiệm năng lượng làm mát, giảm hiệu ứng đảo nhiệt luôn được quan tâm. Năm 1999, tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, một nhóm nghiên cứu dưới sự chủ trì chủ PGS.TS. Mai Văn Thanh đã nghiên cứu chế tạo thành công hệ sơn dung môi hữu cơ: “Sơn phản nhiệt mặt trời” ứng dụng sơn bề mặt ngoài bể chứa xăng dầu cho mục đích giảm sự thất thoát xăng dầu bằng cách sử dụng kết hợp bột TiO2 dạng rutil với hạt phản xạ hồng ngoại canxi silica. Hệ sơn này đã được triển khai sơn các bồn bể xăng dầu tại các kho xăng dầu trên toàn quốc. Vấn đề còn tồn tại của hệ sơn này là gây ô nhiễm môi trường do sử dụng dung môi hữu cơ và độ biền thời tiết chưa cao (khoảng 5-6 năm). 

Để nâng cao độ bền thời tiết của lớp phủ hữu cơ, ngoài việc lựa chọn các thành phần lớp phủ có độ bền thời tiết cao, người ta thường đưa thêm vào công thức lớp phủ các chất ổn định quang. Đó là các chất hấp thụ tử ngoại hữu cơ như các dẫn xuất benzophenon hoặc benzotriazol và các chất loại trừ gốc tự do HALS (hindered amine light stabilizer). Gần đây, các hạt nano hấp thụ tử ngoại vô cơ như các hạt TiO2, ZnO và CeO2 đã được quan tâm phát triển cho mục đích bảo vệ quang. So với các chất hấp thụ tử ngoại hữu cơ, các hạt nano hấp thụ tử ngoại vô cơ có ưu điểm không độc hại và ổn định hóa học hơn khi tiếp xúc với bức xạ tử ngoại và môi trường nhiệt độ cao.

Hiện nay, các hệ sơn phản xạ nhiệt mặt trời bao gồm hai lớp: (1) lớp sơn lót và (2) lớp sơn phủ phản xạ nhiệt phản mặt trời với hệ số phản xạ trong vùng hồng ngoại gần khoảng 60-80%. Tuổi thọ và tính phản xạ nhiệt mặt trời của hệ sơn có thể bị suy giảm nhanh dưới tác động trực tiếp của thời tiết. Giai đoạn 2014-2016, trong khuôn khổ đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hạt nano chế tạo hệ sơn nước cách nhiệt phản xạ ánh sáng mặt trời, bền thời tiết”, một nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự chủ trì của TS. Nguyễn Thiên Vương, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, đã nghiên cứu sử dụng hạt nano dioxit titan dạng rutil, hạt gốm vi cầu rỗng và nhựa acrylic nhũ tương, chế tạo thành công hệ sơn thân thiện môi trường, có tính năng phản xạ nhiệt mặt trời và có độ bền thời tiết cao. Hệ sơn bao gồm ba lớp: (1) lớp sơn lót kháng kiềm, (2) lớp sơn giữa phản xạ nhiệt mặt trời và (3) lớp sơn phủ nanocompozit che chắn tia tử ngoại. Với thiết kế hệ sơn gồm ba lớp như trên đã tạo ra hệ lớp phủ có tính năng phản xạ nhiệt mặt trời cao và có thể duy trì ổn định lâu dài các tính chất của hệ lớp phủ dưới tác động của thời tiết nhờ hệ lớp phủ được bảo vệ bởi lớp sơn phủ nanocompozit che chắn tia tử ngoại cao. Hệ lớp phủ phản xạ nhiệt mặt trời có khả năng phản xạ > 90 % bức xạ hồng ngoại trong vùng bước sóng 750-1400 nm, làm giảm nhiệt độ bề mặt bê tông từ 8-9,75 oC so với bề mặt bê tông không sơn trong điều thời tiết có nhiệt độ > 35 oC, có độ bền thời tiết gia tốc cao hơn mẫu sơn có độ bền thời tiết trên 10 năm. Hệ sơn này được chế tạo thử và triển khai sơn thử nghiệm bảo vệ chống nóng trên bề mặt mái tum căn hộ tại Khu đô thị nhà ở thương mại The Little Vietnam, TP Hạ Long, Quảng Ninh.

Hình ảnh thi công sơn phản xạ nhiệt mặt trời chống nóng mái tum căn hộ tại khu đô thị nhà ở thương mại The Little Vietnam, TP Hạ long, Quảng Ninh

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã đạt được, hệ sơn nước cách nhiệt phản xạ ánh sáng mặt trời, bền thời tiết của nhóm các nhà nghiên cứu Viện Kỹ thuật nhiệt đới có nhiều triển vọng ứng dụng vào thực tiễn. Việc triển khai phổ biến hệ sơn này sẽ góp phần giảm tiêu thụ năng lượng điện, cải thiện môi trường sống.

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hạt nano chế tạo hệ sơn nước cách nhiệt phản xạ ánh sáng mặt trời, bền thời tiết”, do TS. Nguyễn Thiên Vương, Viện Kỹ thuật nhiệt đới chủ nhiệm được Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm KHCNVN nghiệm thu ngày 14/9/2016 và đánh giá đạt loại xuất sắc. 

Một số hình ảnh khác của đề tài:

Đo tính năng cách nhiệt, làm mát của hệ sơn phản xạ nhiệt mặt trời trong phòng thí nghiệm
 
Nhiệt độ bề mặt ngoài các tấm mẫu bê tông không sơn và có sơn hệ sơn phản xạ nhiệt mặt trời khi thử nghiệm trong phòng thí nghiệm
 
Phổ phản xạ UV-Vis-NIR của hệ lớp phủ phản xạ nhiệt mặt trời ban đầu và sau 1200 giờ thử nghiệm thời tiết gia tốc
 
Độ bám dính trên nền bê tông của mẫu sơn phản xạ nhiệt mặt trời và mẫu sơn có độ bền thời tiết > 10 năm ban đầu và sau 1200 giờ thử nghiệm thời tiết gia tốc
 
 Nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ bề mặt mái tum không sơnvà nhiệt độ bề mặt mái tum đã sơn hệ sơn phản xạ nhiệt mặt trời

Nguồn tin: TS. Nguyễn Thiên Vương - Viện Kỹ thuật nhiệt đới
Xử lý tin: Minh Tâm