Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Đánh giá khả năng chuyển đổi và lưu trữ nhiệt năng của vật liệu Paraffin Wax

Thong tin chung - Họ và tên sinh viên: Nguyễn Lam Trường Lớp: 20128V2 - Tên để tài: Đánh giá khả năng chuyên đổi và lưu trữ nhiệt năng của vật liệu paraffin wax/fumed silica/expanded gr

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

HGMUIIE

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐÁNH GIÁ KHẢ NANG CHUYEN DOI VA LUU TRU’ NHIET NANG CUA VAT LIEU PARAFFIN WAX/FUMED

SILICA/EXPANDED GRAPHITE@Fe:0 UNG DUNG

TRONG LIEU PHAP NHIET

GVHD: TS NGUYEN TIEN GIANG SVTH: NGUYEN LAM TRUONG

SKLO1

TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT TP HO CHI MINH

HCMUTE KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHUYÊN ĐÔI VÀ LƯU TRỮ NHIỆT NĂNG CỦA VẬT LIỆU

PARAFFIN WAX/FUMED SILICA/EXPANDED GRAPHITE@Fe30,

UNG DUNG TRONG LIEU PHAP NHIET

SVTH: NGUYEN LAM TRUONG

MSSV: 20128166

GVHD: TS NGUYEN TIEN GIANG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT TP HO CHI MINH

“l

HCMUTE KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC

DANH GIA KHA NANG CHUYEN DOI VA LUU TRU NHIET NANG CUA VAT LIEU

PARAFFIN WAX/FUMED SILICA/EXPANDED GRAPHITE@Fe30,

UNG DUNG TRONG LIEU PHAP NHIET

SVTH: NGUYEN LAM TRUONG

MSSV: 20128166

GVHD: TS NGUYEN TIEN GIANG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT THANH PHO HO CHi MINH

KHOA CONG NGHE HOA HQC VA THUC PHAM

BO MON CONG NGHE HOA HOC

NHIEM VU KHOA LUAN TOT NGHIEP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Lam Trường

MSSV: 20128166

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

2 Nhiệm vụ của khóa luận:

- Tổng hợp EG@Fe:O+ bằng phương pháp đồng kết tủa

nhiệt của vật liệu

3 Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 08/11/2023

4 Ngày hoàn thành khóa luận: : 31/07/2024

5 Họ tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Tiên Giang

6 Nội dung hướng dẫn: Toàn bộ nội dung khóa luận

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi

Trưởng Bộ môn Công nghệ Hóa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 08 năm 2024

T$.Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

¬

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập — Tự do - Hạnh phúc

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

BAN CAM KET VA XAC NHAN KET QUA KIEM TRA DAO VAN

(DANH CHO BAO CAO NGHIÊN CUU KHOA HỌC SINH VIÊN, KHÓA

LUAN, LUAN VAN, LUAN AN)

I Théng tin chung

1 Tên sản phẩm học thuật: Đánh giá khả năng chuyên đôi và lưu trữ nhiệt năng của vật liệu

paraffin wax/fumed silica/expanded graphite@Fe30,4 tmg dụng trong liệu pháp nhiệt

2 Loại hình sản phẩm học thuật (Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên/khóa luận tốt

nghiệp/luận văn thạc sï/luận án tiên sĩ): Khóa luận tốt nghiệp

chính/đồng tác giả )

5 Thông tin giảng viên hướng dẫn

Khoa: Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

H Kết quả kiểm tra đạo văn

Ngày sốp săn phẩm Ngày kiêm - mane lap % ORE lap cao

tra dao van toàn nội dung nhất từ 1 nguồn 05/08/2024 03/08/2024 24 3

Lưu ý: % trùng lặp nêu ở bảng trên không tính % trùng lặp của danh mục tài liệu tham khảo

III Cam két

Nhóm tác giả sản phẩm học thuật và giảng viên hướng dẫn cam kết rằng:

I Nội dung trong sản phẩm học thuật nêu trên không vi phạm đạo đức và liêm chính khoa

học

2 Ket quả % trùng lặp nêu tại mục II là hoàn toàn chính xác và trung thực

3 Bảng việc ký xác nhận vào mẫu này, nhóm tác giả và giảng viên hướng dẫn cam kết chịu

hoàn toàn trách nhiệm có liên quan đến sản phẩm học thuật nói trên

Xác nhận của đại diện nhóm tác giả Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

(ký ghỉ rõ họ và tên) (ký ghỉ rõ họ và tên)

Nguyễn Lam Trường Nguyễn Tiến Giang

TRƯỜNG DH SU PHAM KY THUAT TP.HCM CỌNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BO MON CONG NGHE HOA HOC

PHIẾU TRA LOI GOP Y NOI DUNG KHOA LUAN TOT NGHIEP

I Thong tin chung

- Họ và tên sinh viên: Nguyễn Lam Trường Lớp: 20128V2

- Tên để tài: Đánh giá khả năng chuyên đổi và lưu trữ nhiệt năng của vật liệu paraffin

wax/fumed silica/expanded graphite(@Fe:Os ứng dụng trong liệu pháp nhiệt

- Mã số khóa luận:

- Họ và tên người hướng dẫn chính: TS Nguyễn Tiền Giang

ll Nội dung tra loi

Một số nhằm lẫn từ ngữ nhỏ, cụ thẻ trang 20, từ -

nhiệt, tang 27 điện ~ nhiệt, trang 42 là 10, 15, 20V, | Đã chỉnh sửa

Nhiệt hiện là lượng nhiệt mà

vật liệu lưu trữ làm thay đổi nhiệt độ mà không làm thay đôi trang thái của vật liệu

Nhiệt ẩn là lượng nhiệt mà

vật liệu lưu trữ làm thay đỏi

Phân biệt cải khái niệm nhiệt hiện, nhiệt ẩn, nhiệt | trắng thái (rắn-lỏng) mà

dung riêng? không làm thay đổi nhiệt độ

của vật liệu

Nhiệt dung riêng là lượng

nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng của chất đó lên | °C

(hoặc 1 Kelvin)

cá tử, Cuối cùng là chưa có

thiết bị khuấy như máy

khuấy đũa

Tại sao phải dùng đũa thủy tỉnh khi tổng hợp Fe:O;

trên nền EG, kích thước hạt Ee;O; có ảnh hưởng

chuyển đổi từ - nhiệt không?

Kích thước hat FesO4 cé ảnh hưởng đến chuyển đổi từ - nhiệt, Kích thước hạt sẽ cho biết vật liệu chuyên đổi từ -

nhiệt theo cơ chế tổn thất từ

Tại sao kích thước các viên nén trong thử nghiệm rò | 'rình định dạng hình làm ảnh

nén khi trình bảy trong bải

Đã chỉnh sửa

Tp HCM ngày 2ï thang 08 năm 2024

(Ký và ghỉ rõ họ tên) (Ký và ghỉ rõ họ tên)

(ye “Tông

TOM TAT KHOA LUAN

Vat liéu chuyén pha (Phase change material-PCM) cho thay nhiéu tiém nang trong liéu pháp nhiệt nhờ vào khả năng lưu trữ và giải phóng một lượng lớn nhiệt năng tại nhiệt

độ gần như không đổi trong quá trình chuyển pha rắn-lỏng Tuy nhiên, một số vẫn đề của PCM như sự chảy tràn ở trạng thái lỏng và khả năng chuyên đổi năng lượng kém đã

hạn chế chúng trong các ứng dụng thực tế Đề cải thiện các vấn đề trên, khóa luận này

tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá khả năng chuyển đổi năng lượng của vật liệu composite chuyên pha (SSPCM) paraffin wax/fumed silica/expanded graphite(@)FeaOa (PW/FS/EG@)FeaOa) Các tính chất của vật liệu SSPCM được khảo sát với các hàm lượng PW thay đổi trong khoảng 50-80% Trong SSPCM, PW đóng vai trò lưu trữ năng

lượng nhiệt, FS đóng vai trò là vật liệu xốp ngăn chặn sự rò rỉ và EG()FezOa đóng vai

trò là chất tăng cường độ dẫn nhiệt và mang lại cho vật liệu khả năng chuyển đổi từ— nhiệt và điện-nhiệt Kết quả cho thấy cấu trúc xốp của FS có thể chứa 70% PW mà

không có sự rò rỉ, nhờ vào lực mao dẫn và sức căn bề mặt Vật liệu PW/FS/EG@Fe304

với 70% PW thể hiện khả năng tương tích hóa học tốt, dung lượng lưu trữ năng lượng

PW/FS/EG@Fe30 SSPCM thẻ hiện độ tin cậy cao và độ bền nhiệt vượt trội sau 500

chu kỳ nhiệt nóng chảy/kết tính Ở quy mô phòng thí nghiệm, vật liệu 70%

PW/EFS/EG@FesOxSSPCM với khối lượng 1,2 g đã được gia nhiệt lên nhiệt độ chuyển

pha 58,6 °C trong 264 giây khi đặt trong từ trường xoay chiều Khả năng chuyển đổi từ—

nhiệt này là do sự có mặt của Fe:Ox với tính chất siêu thuận từ Vật liệu 70%

PW/FS/EG@Fe30 SSPCM cũng thê hiện khả năng chuyên đổi điện-nhiệt tốt nhờ vào

độ dẫn điện cao của EG Khi được áp vào điện thế 10 V, vật liệu với khối lượng 1,0 g

có thể đạt được nhiệt độ chuyển pha 58,6 °C trong 313 giây Ứng dụng vảo liệu pháp

nhiệt cho thấy miếng dán nhiệt chế tạo từ vật liệu 70 wt% PW/FS/EG@Fe304 SSPCM

với khối lượng 30 g sau khi được làm nóng có thê giải phóng nhiệt vào cơ thể tình nguyện viên trong khoảng nhiệt độ 40-50 °C trong hơn 18 phút, đáp ứng tiêu chuẩn khi

sử dung trong liéu phap nhiét Tom lai, vat ligu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM được tạo ra với chi phí tiết kiệm, hiệu năng tốt, và đa dạng hình thức chuyên đôi năng

lượng, thích hợp trong ứng dụng liệu pháp nhiệt thực tế

LOI CAM ON

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô của Khoa Công nghệ Hóa học và

Thực phẩm, đặc biệt là quý thầy cô trong bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học đã tận

tinh chi day, trang bị kiến thức và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong quá trình

học tập dé em có thê hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Tiến Giang đã tận tình hướng

dẫn, chỉ dạy kiến thức, truyền đạt cách làm việc khoa học và động viên tinh thần em

trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn đên cô Nguyên Thị Mỹ Lệ đã tạo điêu kiện, cung câp các thiệt bị

và dụng cụ đê em có thê sử dụng trong suôt quá trình làm luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đên gia đình và người thân đã luôn ủng hộ và động viên

em trong suôt thời gian qua Em xin gửi lời cảm ơn đên các anh chị và bạn bẻ đã giúp

đỡ, góp ý và động viên em trong quá trình hoàn thành luận văn

Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp không thể tránh khỏi những sai sót do kiến thức còn hạn chế của em Em mong nhận được đóng góp ý kiến của quý

thầy cô đề bài khóa luận của em được hoàn thành tốt hơn

Em xin chan thành cảm ơn!

i

LOI CAM DOAN

T6i xin cam doan nhiing két duoc trinh bay trong khoa luan nay hoan toàn là trung thực, được nghiên cứu và thực hiện bởi tôi dưới sự hướng dẫn của thầy T.S Nguyễn Tiến Giang Các tài liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc và được nêu rõ ràng

trong mục tài liệu tham khảo

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Lam Trường

ill

MUC LUC

TOM TAT KHOA LUAN Qioeeeceosesssssssssssssssosssssssisesscsssessesssesseesetssssnesssesseessessesssessteeeeseeee i 989.) 090 .À Ê ii 909.9829.900 iii

M.9:0i0/9:79 ca ix DANH MUC VIET TAT ooo eescssccssssssssssssssssssssessesssesnsesscssssssessessessesssssssssseesesssesseesseeseeees x

095710252 -:1Ó.ÚỎỎỎ 1

Lý do chọn đề tài - 2-5252 S922 E923911215212711117121121121111111121111211211 11.1 0y eg 1 Muc tr€u nghién CU ““ 31 5 2

Đối tượng và phạm vi nghiên CUU oo ceceseseeseesesseseessessesseeeesesseesessesteseeeesessessen 3

Imrrir Jo EA) STAT, GOs exces tne ce nt i es ke te et es ce 3

Y nghĩa khoa học và thực tiỄn 5+ 2< 5 E119 5252121211511 11112112221211171 115111111 te 3

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN 5 S2 121232155558 11112E55552121211111111115151211211111 1E 1xe 4

1.1 Tông quan về tình hình nghiên cứu vật liệu chuyển pha - eee eee 4 1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nƯỚC . + + + + + + + ***+s££+s££zsExzsesrsesreesree 4 1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nưƯỚC - + 22+ 2S **+S££*S£+#sE£zsEseeesreerzee 6

1.2 Ligu phap niet 20 ee cece ceeccesecesecesecaceeseeeaeeeaeeeaeeeseeeaeceseeeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeens 8

IUN Con 0 8 1.2.2 Phân ÌOạI - 2 2 2% 1 1E SE SE SE SE E55555510 10 KHE T155 111kg 5111k key 8 1.2.3 Vật liệu được sử dụng trong liệu pháp nhiỆt - 55-5 s+ 52+ + +zss2 8 1.3 Vật liệu chuyền pA G002 20111 22211251111 1111011101111 1H11 TH TH ng kg 9 IESN C80 xdđdiẮ 9 1.3.2 Phân loại PCM - - - L 111211212 62550510101 11 SE 250 1111k kg 5 11k k key 10

1.3.3 Tiêu chí lựa chọn PCM trong ứng dụng liệu pháp nhiệt 12

IV

1.3.4 Paraffin Wax .ccccccccesecececccccccccecececececccccccseeeececececcceasteceeeseccecessansteneeeecess 13

1.4 Vật liệu chuyển pha ôn định hình dạng - 2 2+22S2EE+EE£EE2EE2EE+Ezzxerrered 15

In nh 17 1.5 Vật liệu hỗ trợ tăng cường khả năng chuyên đổi năng lượng nhiệt 17 1.5.1 Expanded graphite va kha nang chuyén d6i điện-nhiệt +: 18 1.5.2 Fe:Ox và khả năng chuyên đổi từ—nhiệt - eeeeseeseeeseeeeseeseeeeeees 19

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu EG(@)FesO4 - 225722 2+E22£E+2xezEzxezred 23

2.2.2 Quy trinh tong hop vat liéu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM 24 2.2.3 Quy trình kiểm tra khả năng chống rò rỉ của vat liệu composite À)//853506/(78-0970sJá0) An 24

2.2.4 Quy trình kiểm tra độ bền nhiệt của vật liệu composite PW/FS/EG@Fe304

2.2.5 Quy trình kiểm tra khả năng chuyền đổi và lưu trữ năng lượng từ-nhiệt của vật liệu composite PW/FS/EG(@FesOa SSPCM .- 52c cS2c S2 ssrssresres 26 2.2.6 Quy trình kiểm tra khả năng chuyền đổi và lưu trữ năng lượng điện-nhiệt của vật liệu composite PW/FS/EG(@)FezO4 SSPCM 2-5525 c+ se s++ + 27 2.2.7 Quy trình kiểm tra khả năng lượng trữ và giải phóng nhiệt của vật liệu

composite PW/FS/EG@Fe304 tng dung trong liệu pháp nhiỆt 28

2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá . - 25 22 ++22 +22 +zezesseeezers 29 2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM]) - 252 2+z+zsecxeẻ 29

2.3.2 Phương pháp phân tích quang phô hồng ngoại biến đối Fourier (FTIR) 29

2.3.3 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) -275s+s2czcxcce2 29 2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt lượng quét v1 sa1 (DSC) 5 29 2.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) -+<+<s 5+ 30

CHƯƠNG 3: KÉT QUÁ VÀ THẢO LUẬN . 2 +s+ES2k+ESEEEESESEEEEEEErErrrrrrerrees 31

3.1 Phân tích hình thái và cấu trúc vi môÔ 2 2 2+s+2s+EE+EE+EE+EE+Ez+EzEerrrrsers 31 3.2 Khả năng chống rò ri cia vat ligu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM 32

3.3 Phân tích khả năng tương thích hóa học - ¿+ + +++2+++*+++z+zeszeersers 34

3.4 Đặc tính tinh thể của vật liệu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM 35 3.5 Dac tính nhiệt của vật liệu composite PW/FS/EG(@)FezOa SSPCM 36

3.6 Độ bền vòng lặp của vật liêu composite PW/FS/EG@)FesOx SSPCM 38

3.7 Độ ôn định của vật liệu PW/FS/EG@)FesOx SSPCM 5c Sen 40

3.8 Khả năng chuyên đổi và lưu trữ năng lượng từ-nhiệt của vật liệu composite À)//859506/7155-10 7155140) 0000 41 3.9 Khả năng chuyên đổi và lưu trữ năng lượng điện-nhiệt của vật liệu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM 000001 42 3.10 Vật liệu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM ứng dụng trong liệu pháp nhiệt

KET LUAN conccceccccccesesssscsessvevessssssssssesecesssassssesevavavassssssavevavavaassssesecesacatssstsesevavavevsesesees 46 z/.980i200957.9178067 95 :iII 47

Vi

DANH MUC HINH

Hình 1.1: Phân loại PCM [32] - + - 22 E222 2281222813 £251 131258 1125311151112 1c zxee 10

000020): 14

Hình 1.3: Mô tả quá trình tạo thành SSPCM [44] - 22222 ** +2 ++eeeszsecss 15

Hinh 1.5: Furmed Silica eee eeeeceseesceeseeseeecesecseeeeeeaeceeeeeeaesaeeeaeeaeceeeeeeaeeneeeeeeaeeaes 17 Hình 1.6: (a) Graphite, (b) Expanded Graphite cc ececcecceeccceeeeceeeeeeeeeeeeeeeeseeeaes 18 Hình 1.7: Quá trình chuyên đổi và lưu trữ nang long dién—nhiét [14] 19

Hinh 1.8: Fe3Oq va cấu trúc phân tử -¿- ¿©s+2++E£ E2 E2EEEE1EE212111127121E111121 1x cte 20 Hình 1.9: Cơ chế chuyên đổi từ—nhiệt [5 I ] - - 2-52 <2SE+E‡EE£EEEE£EEEEEEEEEzEerxerrrkd 21

Hình 2.1: Quy trình tông hợp vật liệu EG()Fe3O4 - 2 ©2+2s+EE+EE+EE2E2EezEsrxerxee 23

Hình 2.2: Quy trình tông hợp vật liệu composite PW/FS/EG@)FeaOx SSPCM 24 Hình 2.3: Quy trình kiểm tra khả năng chống rò rỉ của vật liệu composite

4456/1809 05500) 2a

Hinh 2.4: Quy trinh kiểm tra độ bền nhiệt của mẫu vật liệu composite 70 wt%

Hình 2.5: Quy trình kiểm tra khả năng chuyển đổi và lưu trữ năng lượng từ-nhiệt của vật liệu composite PW/FS/EG(@FesOa SSPCM 2L c2 S2 19 19 1 này 27 Hình 2.6: Quy trình kiểm tra khả năng chuyên đổi và lưu trữ năng lượng điện-nhiệt của

mẫu 70 wt% PW/FS/EG(@)FezOa SSPCM 5221222 SE2E5222121521211212121 112112 e 28

Hình 2.7: Quy trình kiểm tra khả năng lưu trữ và giải phóng nhiệt của mẫu 70 wt%

PW/FS/EG@Fe304 SSPCM tng dung trong liệu pháp nhiệt . - 55 =- 28 Hình 3.1: Ảnh SEM của (a) FS, (b) EG, (c) EG@FeaOa, (d) 50 wt% PW/FS/EG@)Fe3O¿, (e) 60 wt% PW/FS/EG(@Fe:Oa, (0 70 wt% PW/FS/EG@Fe304, (g) 80 wt% 4356/7159 11 32

Hinh 3.2: Hinh anh cua PW va cac vat liéu composite 50-80 wt% PW/FS/EG@Fe304 SSPCM trong kiém tra kha nang chOng £6 fi cee cece eeseseceeseceessessessesseseesseeeeseeseees 33 Hình 3.3: Pho FTIR ctia (a) EG va EG@Fe30u, (b) vat ligu composite 50-70 wt%

PW/FS/EG@Fe304 SSPCM so với PW, FS và EG(@)FesÖa - 525cc sssssss2 35

Hình 3.4: Phổ XRD cua (a) EG va EG@Fe30,, (b) vật liệu composite 50-70 wt%

PW/FS/EG(@@FesOa SSPCM so với PW, FS và EG(@)FesÖa - 2 52c c2 cssssss2 36

Vil

Hình 3.5: Đường cong DSC của PW và vật liệu composite 50-70 wt%

PW/FS/EG@)FesOx SSPCM trong quá trình (a) nóng chảy và (b) kết tỉnh 37

Hình 3.6: Đường cong DSC của vật liệu composite 70 wt% PW/FS/EG@Fe304 SSPCM

trước và sau khi trải qua 500 chu kỳ nhiÄiỆt . - - 25-2233 22*+22++E+++zeeseerzerrsers 39

Hinh 3.7: Duong cong TGA cta PW, EG@Fe304 va vat liệu composite 70 wt%

PW APSE GF 6304 SIPC, sxc xcs aust mesa termes st Se Sone at ts et te tee 40

Hình 3.8: (a) Đường cong nhiệt độ-thời gian của quá trình chuyển đổi và lưu trữ năng lượng từ-nhiệt của vật liệu composite 50-70 wt% PW/FS/EG(@Fe:O4, (b) Hình ảnh nhiệt hồng ngoại của vật liệu composite 70 wt% PW/FS/EG@Fe:O¿a khi gia nhiệt bằng

Hình 3.9: Đường cong nhiệt độ-thời gian của quá trình chuyền đổi và lưu trữ năng lượng

điện-nhiệt của vật liệu composite 70 wt% PW/FS/EG@Fe304 SSPCM ở các điện áp

không đổi 5—20 V -cc S1 E2 E1115112111111111211111112111 1112101111 2111E11111 E11 Er te 43

Hình 3.10: (a) Miếng dán nhiệt, (b) đường cong nhiệt độ-thời gian của miếng dán nhiệt trong quá trình hạ nhiệt tự nhiên, (c, e) hình ảnh tình nguyện viên đeo miếng dán nhiệt

ở các vị trị khác nhau trên cơ thể, (d, Ð hình ảnh chụp bằng camera nhiệt hồng ngoại của tình nguyện viên đeo miêng dán nhiệt ở các vị trị khác nhau trên cơ thê 45

vill

DANH MUC BANG

Bảng 1.1: So sánh một số tính chất quan trọng của các loại PCM [35] - 12 Bảng 1.2: Các tiêu chí lựa chọn PCM [28, 30, 32] . ¿2252 + + +22 ++es+czsecss 12

Bảng 2.2: Hàm lượng các chất của vật liéu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM .25 Bang 3.1: Tính chất nhiệt của các SSPCM so với PW ©scs2c2E2E2Ecrerrerree 37 Bảng 3.2:Tính chất nhiệt của vật liệu composite 70 wt PW/FS/EG@Fe304 SSPCM truée

và sau khi trải qua 500 chu kỳ nhhÄiỆt (c5 222232233233 £25EE22E 255252 errkrrree 39

1X

DANH MUC VIET TAT

Chir viét tat Tiéng Anh Tiếng Việt

PCM Phase change material Vật liệu chuyển pha

SEHƠM Shape-stabilized phase change | Vật liệu chuyên pha ổn định hình

material dạng

PW Paraffin wax Sap paraffin

EG Expanded graphite Graphite truong no

PS Polystyrene

GA Glutaric acid -

PEG Polyethylene glycol -

CNT Carbon nanotube Ong nano carbon

AgNWs Silver nanowires Day nano bac

SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét TLR Fourier — transform Infrared Quang phổ hồng ngoại biến đôi

XRD X-ray difraction Nhiéu xa tia X

DSC Differential scanning calorimetry | Phan tich nhiét luong quét vi sai TGA Thermogravimetric Analysis Phan tich nhiét trong luong

XI

MO DAU

Ly do chon dé tai

Trong bối cảnh y học hiện đại, việc tìm kiếm các phương pháp điều trị các bệnh lý hiệu

quả, tiết kiệm và an toàn cho con người rất quan trọng Liệu pháp nhiệt đã được chứng minh là một phương pháp điều trị hiệu quả, giúp con người đây nhanh quá trình lưu thông máu, tăng cường trao đổi chất, giảm sưng mô, giảm mệt mỏi, điều trị cứng cơ và các bệnh liên quan đến đau khớp [1-3] So với các phương pháp điều trị khác như dùng

các loại dược phẩm với giá thành cao hay phẫu thuật cần nhiều thiết bị phức tạp, liệu pháp nhiệt là một lựa chọn tiết kiệm, nhẹ nhàng, không gây kích ứng, tác dụng phụ nhẹ

và không xâm lần [4, 5] Các vật liệu truyền thống dùng trong liệu pháp nhiệt như nước,

muối biên được sử dụng rộng rãi do dễ tìm kiếm, hình thức chuẩn bị đơn giản và rẻ tiền [6] Tuy nhiên, các loại vật liệu truyền thống có nhược điểm là thất thoát nhiệt nhanh, nhiệt độ không thể kiểm soát và mật độ lưu trữ năng lượng thấp [S, 7] Gan đây, vật liệu

chuyên pha (PCM) đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong ứng dụng liệu

pháp nhiệt PCM là vật liệu có mật độ lưu trữ năng lượng cao, nhiệt độ chuyên pha ồn

định, khả năng hấp thụ và giải phóng lượng nhiệt lớn trong quá trình chuyển pha [8, 9]

Trong số các loại PCM, paraffin wax (PW) nổi bật là một loại vật liệu chuyên pha rắn— lỏng rất phố biến, có giá thành thấp, không độc hại, ôn định về mặt hóa học, hiệu suất

chuyên pha ổn định [6, 10] Tuy nhiên, PW lại rất dễ rò rỉ trong quá trình chuyển pha

rắn-lỏng, độ dẫn nhiệt thấp, khả năng chuyên đôi và lưu trữ năng lượng nhiệt còn hạn chế [11, 12] Đối với liệu pháp nhiệt, việc PW rò rỉ sẽ gây ra sự khó chịu khi tiếp xúc

với da, thậm chí gây kích ứng da [6] Để khắc phục, các nhà nghiên cứu đã kết hợp PW

VỚI các vật liệu xốp tạo ra vật liệu chuyên pha ôn định hình dang (SSPCM) [13] Nhiéu

vật liệu x6p nhu diatomite [12], foamed aluminum [14], expanded graphite[15], fumed

silica [16] da duoc str dung Dac biét, fumed silica (FS) 1a vat liu xốp pho bién, duoc

ưa chuộng do sở hữu tính chất vượt trội như rẻ tiền, độ xốp cao, hạt có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn [13, 16] Ngoài ra, việc cải thiện khả năng dẫn nhiệt và sự đa

dạng hình thức chuyên đổi năng lượng nhiệt đối với SSPCM ứng dụng trong liệu pháp nhiệt là rất cần thiết Các phương pháp gia nhiệt SSPCM truyền thống như dùng nước nóng hoặc không khí nóng mật nhiêu thời gian Đê giải quyết van dé nay, các chât có

kha nang dan nhiét cao, chuyén đôi điện-nhiệt, chuyên đôi từ-nhiệt đã được thêm vào

SSPCM [17] Các chất thường duoc thém vao SSPCM nhu mxene [18], graphene [6], carbon nanotube (CNTs) [19], expanded graphite [11], FesO4 [20], day nano Ag [17] Trong d6, expanded graphite (EG) là vật liệu xốp có khả năng ngăn chặn rò rỉ PW, có

độ dẫn nhiệt và dẫn nhiệt cao, giá thành rẻ [15, 21] Hơn nữa, việc sử dụng EG làm nền

kết hợp với kim loại hoặc oxit kim loại có thể giúp SSPCM đa dạng hình thức chuyển

đôi năng lượng nhiệt Đặc biệt là sự kết hợp các hạt siêu thuận từ FesOa vào EG giúp

SSPCM có khả năng tăng nhiệt thông qua chuyền đổi từ-nhiệt và điện-nhiệt, tốc độ gia nhiệt nhanh đáng kể so với các phương pháp gia nhiệt truyền thống [17, 20] Từ những vẫn đề trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu: “Đánh giá khả năng chuyển đổi và lưu trữ nhiệt năng của vật liệu parafin wax/fumed silica/expanded graphite@)EFezO4 ứng dụng trong liệu pháp nhiệt”

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu đề tài này là nghiên cứu, tổng hợp vật liệu composite PW/FS/EG(@FeaOxa SSPCM bằng phương pháp ngâm tâm bay hơi dung môi Trong đó, Paraffin wax (PW)

là vật liệu lưu trữ năng lượng nhiệt kết hợp với vật liệu xốp là fumed silica (FS) và

expanded graphite (EG) nhằm ngăn chặn PW bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài trong quá trình chuyển pha và tăng khả năng dẫn nhiệt của PW Bên cạnh đó, khi kết hợp EG và FesOx giúp vật liệu đa dạng hình thức chuyên đổi như từ-nhiệt và điện-nhiệt dùng trong ứng dụng liệu pháp nhiệt

Các mục tiêu nghiên cứu phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm như sau:

-_ Tổng hợp EG@)Fe:Oa bằng phương pháp đồng kết tủa

- Tổng hợp vật liệu composite chuyển pha 6n dinh hinh dang paraffin wax/fumed silica/expanded graphite(@FesOa bằng phương pháp ngâm tâm bay hơi dung môi

- Đánh giá các tính chất của vật liệu parafin wax/fumed silica/expanded

graphite(@FeaOx như hình thái hoc, cấu trúc, độ kết tinh, đặc tính nhiệt, khả năng tương thích hóa học, độ ôn định nhiệt, khả năng chống rò rỉ, khả năng chuyên đôi từ- nhiệt và điện-nhiệt, ứng dụng trong liệu pháp nhiệt.

Đôi tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khóa luận này tập trung nghiên cứu về PW, FS, EG, FesOx và vật liệu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM

Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp và đánh giá khả năng chuyền đổi năng lượng của vật liệu composite PW/FS/EG@Fe304 SSPCM

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp EG(@Fe:O¿ băng phương pháp đồng kết tủa và tổng hợp vật liệu composite PW/FS/EG@Fe:Ox SSPCM bằng phương pháp ngâm tâm bay hơi dung môi

B1; 23]:

Phân tích và đánh giá vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp phân tích như kính hiển vi điện tư quét (SEM), phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT- IR), phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Kết quả của khóa luận là cơ sở khoa học góp phần nghiên cứu chế

tao ra vat ligu composite chuyén pha ôn định hình dạng PW/FS/EG(@)FeaO4 có mật độ

lưu trữ năng cao, độ ôn định nhiệt tốt, phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp, có khả năng chuyền đổi từ-nhiệt và điện-nhiệt, có tiềm năng trong ứng dụng liệu pháp

nhiệt

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu và tổng hợp được vật liệu chuyên pha từ nguồn nguyên liệu giá rẻ, có thể tìm kiếm dễ dàng trên thị trường, ít gây ảnh hưởng đến môi trường và con người và trị một sô bệnh của con người băng liệu pháp nhiệt

CHUONG 1: TONG QUAN

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu vật liệu chuyển pha

1.1.1 Tình hình nghiÊn cứu rong nước

Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có bất kì nghiên cứu nào về vật liệu chuyên pha (PCM) ứng dụng trong liệu pháp nhiệt Các công trình nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc

ốn định hình dạng PCM nâng cao hiệu suất lưu trữ và giải phóng nhiệt và ứng dụng trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng nhiệt

Năm 2021, TS Nguyễn Tiến Giang [22] cùng các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu thay đổi pha n-octadecane/fumed silica (OD/FS) ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt cho các công trình xây dựng, nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng

FS với độ xốp cao cung cấp khả năng hấp thụ một lượng lớn OD (70 wt%) Vật liệu

OD/FS với 70 wt% OD thê hiện khả năng lưu trữ nhiệt ẩn cao (155,8 J/g), độ kết tinh

cao (95,5%) và nhiệt độ nóng chảy 26,76 °C, gần bằng nhiệt độ nóng chảy của OD tinh

khiết Sau 200 chu kỳ nhiệt, vật liệu vẫn duy trì được độ ôn định nhiệt cao và khả năng tương thích hóa học tốt Sau khi ngâm tâm vào FS, độ dẫn nhiệt của OD giảm 34% Tam

composite OD/FS đã được chế tạo và so sánh với tâm polystyrene thương mại Khi sử

dụng hai tắm vật liệu này làm vật liệu cách nhiệt phòng thí nghiệm, tắm composite thé hién su chuyên pha chậm hơn, hiệu quả trong việc trì hoãn sự gia tăng nhiệt độ hơn so

với tắm polysyrene khi truyền nhiệt từ đèn halogen vào phòng Nhiệt độ của căn phòng cách nhiệt bằng tắm composite chuyên pha ở 19,8 và 22,9 °C sau 2200 và 9000 giây chiếu đèn halogen Trong khi đó, nhiệt độ của phòng cách nhiệt bằng tắm polystyrene chuyên pha ở 29,9 và 31,9 °C trong cùng khoảng thời gian

Năm 2022, TS Lý Tân Nhiệm và TS Nguyễn Tiến Giang [16] đã kết hợp 1-octadecanol (CisOH) vào fumed silica xốp (FS) được thực hiện đơn giản dé tạo ra các vật liệu thay đối pha ồn định hình dạng C¡sOH/FS (SSPCM) Độ xốp cao (88%) của FS cho phép ngâm tâm một lượng C¡sOH lớn lên tới 75% khối lượng Có thê là do các tương tác vật

lý như lực mao dẫn, sức căng bề mặt và liên kết hydro ở vùng giao thoa mà C¡sOH ổn định tốt trong mạng xốp FS CisOH đã xâm nhập vào mạng lưới xốp FS bằng cách hấp phụ trên bề mặt hạt Sau đó, nó lấp đầy các lỗ xốp của FS Ci;OH/FS SSPCM (75% trọng lượng của C¡sOH) có khả năng chống rò rỉ tuyệt vời, có độ kết tinh cao 92,7% và

4

có khả năng tích trir nhiét tiém an 1a 160,3 J/g Ngoai ra, C18OH/FS SSPCM cho thay

độ bền cao về nhiệt sau 500 chu kỳ nhiệt Nhìn chung, SSPCM C¡sOH/FS có khả năng lưu trữ nhiệt lớn trong khi nó có độ tin cậy nhiệt cao, có thé duoc chế tạo dễ dàng và

hiệu quả về mặt chi phí, có thể được ứng dụng lưu trữ nhiệt ở quy mô lớn

Năm 2023, TS Nguyễn Tiến Giang, TS Trần Thị Nhung, TS Lý Tấn Nhiệm cùng với

các cộng sự [23] nghiên cứu vật liệu chuyên pha nhiệt độ trung bình nhằm mang lại lợi

ích kinh tế và bảo vệ môi trường Nghiên cứu này tập trung vào việc kiểm tra các đặc tính nhiệt của vật liệu thay đổi pha ôn định hình dạng glutaric acid/expanded graphite (GA/EG SSPCM) với các nồng độ GA khác nhau Cấu trúc độ xốp cao của EG có thê

giữ lại và ổn định tới 85% khối lượng GA mà không bị rò rỉ, đồng thời không làm anh

hưởng đến khả năng kết tỉnh của GA, do lực mao dẫn và sức căng bề mặt SSPCM thé

hiện khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ân cao 167 1/ g và tốc độ kết tinh ấn tượng lên tới 96,8% Đáng chú ý, SSPCM ngăn chặn hiệu quả hiện tượng siêu lạnh trong GA đến nhiệt độ

dưới 5 °C , làm cho chúng rất phù hợp cho các ứng dụng thực tế do tính linh hoạt trong

cả nhiệt độ nóng chảy và kết tinh Hơn nữa, so với GA nguyên chất, SSPCM cũng cho thấy những cải tiễn đáng chú ý về độ dẫn nhiệt và tốc độ lưu trữ/giải phóng nhiệt Cuối

cùng, độ tin cậy và độ bền nhiệt của SSPCM với hàm lượng GA/EG 85% đã được xác

nhận sau 300 đánh giá chu kỳ nhiệt Qua đó, GA/EG SSPCM được xem là những ứng

cử viên đầy hứa hẹn cho việc sử dụng lâu dài trong các hệ thống lưu trữ năng lượng

nhiệt ở nhiệt độ trung bình

Năm 2024, TS Nguyễn Tiến Giang, TS Lê Minh Tâm và TS Trần Thị Nhung [24] đã

nghiên cứu chế tạo vật liệu chuyền pha trên nền vật liệu xốp bao gồm SiO2¿ và biến tính expanded graphite-SiO2 (MEGR) duoc tổng hợp đồng thời bằng cách sử dụng kỹ thuật tiết kiệm chi phí và không có khuôn mẫu, trong đó natri silicat dồi dào về mặt thương

mại được sử dụng làm tiền chất cho SiOa với sự có mặt của than chì mở rộng (EGR) Sự ngưng tụ và kết tụ dư thừa của SiOs trên bề mat EGR tạo điều kiện cho việc tạo ra các mạng xốp với các đặc tính liên kết mạnh mẽ Hơn nữa, tính ưa nước của MEGR được

tăng cường bởi sự tồn tại của nhiều nhóm silanol có nguồn gốc từ SiOa Sau đó, SiOz/MEGR được sử dụng làm vật liệu hỗ trợ xốp đề hấp phụ và ồn định polyethylene glycol (PEG) dé san xuat vat liệu thay đôi pha tông hợp (CPCM) để lưu trữ năng lượng

nhiệt CPCM PEG/SiO›z/MEGR chế tạo được phân tích về các đặc tính nhiệt của nó với

hàm lượng PEG khác nhau (50-90%) và tỷ lệ SiO›:MEGR không đổi là 75:25 Sự kết

hợp của MEGR có cấu trúc xốp mong muốn và tính ưa nước được cải thiện đã góp phần tăng cường sự hấp phụ PEG bằng SiO›/MEGR Cụ thê, khả năng tải PEG đã được tăng

từ 60% trong SiO> tinh khiết lên 80% trong SiOz/MEGR Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của hỗn

hop 80% PEG/S1O2/MEGR được nâng lên 2,865 W/m.K, cao hơn I1,2 lần so với PEG

nguyên chất Hơn nữa, hỗn hợp PEG/SIOz/MEGR thể hiện độ ồn định nhiệt và độ tin cậy vượt trội ngay cả sau khi trải qua 500 chu kỳ nóng chảy và kết tinh Quá trình tổng hợp đơn giản và hiệu quả nhiệt cao làm cho hỗn hợp PEG/SiOz/MEGR ứng cử viên cho các ứng dụng trong lưu trữ năng lượng nhiệt

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thê giới, các nghiên cứu về vật liệu chuyên pha ứng dụng trong lĩnh vực liệu pháp

nhiệt vẫn còn khá mới mẽ, với số lượng công trình nghiên cứu còn hạn chê Tuy nhiên, liệu pháp nhiệt dựa trên vật liệu chuyên pha được coi là một lĩnh vực đây hứa hẹn và

tiềm năng trong nghiên cứu lưu trữ năng lượng nhiệt

Năm 2020, Xiao Chen cùng cộng sự [3] đã nghiên cứu tạo ra khẩu trang dựa trên vật

liệu chuyển pha cho mục đích trị liệu nhiệt tiên tiễn trong viêm mũi dị ứng Thông qua phương pháp bay hơi dung môi hữu cơ, polyethylene glycol (PEG) đã được ngâm tam vào carbon nanotube (CNT) PEG/CNT thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt cao

và ôn định nhiệt vượt trội sau 100 chu kỳ nóng chảy/kết tinh Đáng chú ý, hỗn hợp PEG/CNT được cố định bằng polyvinylidene fluoride (PVDF) đạt được hiệu quả cao khi duy trì ở nhiệt độ 43,5 °C trong khoảng 33 phút Các phân tích y tế như nhuộm HE

và nhuộm Wrights cũng chứng minh rằng khẩu trang tạo ra dựa trên PEG/CNT làm giảm đáng kê tôn thương viêm cho niêm mạc mỗi

Năm 2022, Xuemin Lin cùng các cộng sự trong nhóm nghiên cứu [Š] đã chế tạo một vật

liệu composite chuyển pha dẫn điện linh hoạt (CPCM) đề tăng cường hiệu quả của liệu phap nhiét Su két hop ctia styrene ethylene/butylene styrene (SEBS) va expanded graphite (EG) hinh thanh mạng lưới không gian ba chiều, tao điều kiện cho sự hấp thụ paraffin (PA) và dầu silicone CPCM thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng đáng chú ý

nằm trong khoảng từ 100,8 đến 164,5 J/g, cùng với độ dẫn điện cao đáng kê là 383,76 S/m, dẫn đến tăng đáng kế độ dẫn nhiệt lên tới 1600% so với PA tinh khiết Hơn nữa, vật liệu thể hiện tính linh hoạt và đặc tính nhớ hình dạng ở cả nhiệt độ môi trường và

6

nhiét do chuyén pha (44 °C) Độ cứng của CPCM duoc do là 44,5 HA ở nhiệt độ phòng,

giảm xuống 2,0 HA sau chuyền pha Khi áp dụng hệ thống gia nhiệt bằng điện, CPCM thê hiện tốc độ gia nhiệt nhanh hơn ba lần so với tốc độ gia nhiệt bằng không khí nóng

Đánh giá được thực hiện trên các tình nguyện viên cho thấy vật liệu duy trì hiệu quả

nhiệt độ vượt quá 40 °C trong thời gian khoảng 30 phút Việc kết hợp CPCM này trong

liệu pháp nhiệt thê hiện một cách tiếp cận đầy hứa hẹn, hiệu quả về chỉ phí và thân thiện

với môi trường

Năm 2023, Jie Lv cùng các cộng sự [2] đã phat trién mang Kevlar nanofibrous (AKD) kết hợp vật liệu chuyên pha n-docosane (DE) và các dây nano bạc (AgNWs) thể hiện tính chất chuyển đổi quang học nhiệt và lưu trữ năng lượng nhiệt cao Phân tích kết quả cho thấy DE và AgNWs được bao bọc trong các mảng Kevlar thong qua qua trình quấn

và tương tác liên kết hydro rộng rãi, dẫn đến sự hình thành các cấu trúc phân lớp trong màng AKD Một lớp mảng AKD có thể chứa 58% hàm lượng DE mà không có bất kỳ

rò rỉ nào với nhiệt nóng chảy tiềm ấn là 105,1 J/g Ngoài ra, tắm mảng được chế tạo thé

hiện hiệu suất chuyên đôi quang-nhiệt cao, lên tới 88,5% Độ bền kéo 1a 26,15 MPa và tính linh hoạt tuyệt vời ngay cả ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của DE Hơn nữa, một

màng quy mô thí điểm có độ dày 1,54 mm có thê nhanh chóng nâng nhiệt độ lên 50 °C trong vòng 402 giây và duy trì phạm vi nhiệt độ từ 50 °C đến 37 °C trong khoảng 18

phút Sự kết hợp của khả năng lưu trữ nhiệt vượt trội, các đặc tính cơ học và linh hoạt

đáng chú ý, khả năng chuyên đổi ánh sáng mặt trời nhanh chóng và hiệu suất giải phóng nhiệt cao khiến vật liệu DE/AKD/AgNWs trở nên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong liệu pháp nhiệt

Năm 2024, Xin Li cùng các cộng sự [6] đã phát triển thành công màng nén nhiệt linh hoạt Các màng nảy sử dụng paraffin (PF) làm môi trường lưu trữ năng lượng nhiệt, styrene-ethylene/butylene styrene (SEBS) làm vật liệu hỗ trợ ngăn chặn rò rỉ và eraphene làm tác nhân chuyền đổi quang-nhiệt Màng bao gồm 77% hàm lượng PF, thê hiện khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt cao là 157,26 J/g Hon ntta, mang co độ giãn kéo đáng chú ý là 2576,75%, hiệu suất chuyên đổi quang-nhiệt là 70,52% và khả năng tự phục hồi hình dạng cao Những tính năng nảy cho phép màng đáp ứng các yêu cầu của các bộ phận cơ thể đa dạng và cho phép tái sử dụng trong các môi trường thực tế Hơn

nữa, khi tiêp xúc với ánh sáng mặt trời tự nhiên, màng nhiệt có độ dày 3 mm có thê duy

trì phạm vi nhiệt độ tt: 40—50 °C trong hon 25 phút Tương tự, khi mảng được làm nóng bằng điện, nhiệt độ của màng có thể được duy trì trong khoảng 40-50 °C trong khoảng

22 phút Thời gian kéo dài của liệu pháp nhiệt và nhiệt độ tối ưu cho liệu pháp nhiệt là

đặc biệt đáng chú ý Khả năng lưu trữ nhiệt vượt trội của màng, các thuộc tính cơ học,

đặc tinh tự phục hồi và các đặc tính chuyền đổi quang-nhiệt cho thấy triển vọng đầy hứa hẹn cho ứng dụng liệu pháp nhiệt

1.2 Liệu pháp nhiệt

1.2.1 Giới thiệu

Liệu pháp nhiệt (Thermal therapy) là một phương pháp điều trị cổ điển và phố biến giúp

cải thiện sức khỏe trong lĩnh vực y tẾ, với việc truyền năng lượng nhiệt vào hoặc ra khỏi

cơ thê của người bệnh [1] Việc sử dụng liệu pháp nhiệt hiện đang được triển khai như một sự thay thế cho các loại được phẩm và phẫu thuật [5] Hình thức điều trị này tiết

kiệm, nhẹ nhàng, không gây kích ứng, tác dụng phụ nhẹ và không gây xâm lấn [25] 1.2.2 Phân loại

Liệu pháp nhiệt bao gồm ba loại dựa theo nhiệt độ và thời gian của vật liệu hay thiết bị

sử dụng Liệu pháp nhiệt lạnh được sử dụng khoảng nhiệt độ từ 0 °C đến -50 °C trong

khoảng 10 phút Liệu pháp nhiệt lạnh có thể được điều trị phá vỡ các tế bào màng ngây lập tức [1] Liệu pháp nhiệt nóng được chia thành hai loại bao gồm tăng thân nhiệt vừa phải 40-50 °C trong khoảng thời gian 15-60 phút Liệu pháp tăng thân nhiệt giúp đây nhanh quá trình lưu thông máu và oxy trong khối ưu, mở rộng các mạch máu tắc nghẽn

cục bộ, tăng cường trao đôi chất, tăng độ nhạy cảm của tế bào với xạ trị, hạ sốt, giảm viêm mũi dị ứng, giảm sưng mô của con người, giảm đau cơ thể, giảm mệt mỏi, điều trị

cứng cơ và các bệnh liên quan đến đau khớp [1-4] Tăng thân nhiệt ở nhiệt độ cao (cắt đốt bằng nhiệt) khi nhiệt độ >50 °C trong 4—6 phút giúp biến tính/đông tụ protetin, điều trị khối u quy mô nhỏ trong cơ thể [1]

1.2.3 Vật liệu được sử dụng trong liệu pháp nhiệt

Nước, muối biến, bùn núi lửa và gel silica là các vật liệu truyền thống được sử dụng phổ biến do dễ tìm kiếm và rẻ tiền Tuy nhiên, các loại vật liệu truyền thống tích trữ nhiệt dưới dạng nhiệt hiện (sensible heat) nho vao nhiệt dung riêng, thất thoát nhiệt nhanh, nhiệt độ khó kiểm soát, mật độ lưu trữ năng lượng thấp [5-7] Các vật liệu truyền thống

thường được giữ trong túi, miếng đệm, khẩu trang và băng y tế dùng tiếp xúc trực tiếp

lên da [3, 5, 6] Cần phải tốn nhiều thời gian hạ nhiệt hoặc gia nhiệt bằng các thiết bị hỗ

trợ như tủ lạnh, nước nóng/lạnh, thiết bị tạo khí nóng, nhằm đạt được nhiệt độ thích hợp

để sử dụng trong liệu pháp nhiệt Bên cạnh đó, các phương pháp hiện đại hơn được sử dụng trong liệu pháp nhiệt như thiết bị sử dụng từ trường, quang học (đèn hồng ngoại)

và sóng siêu âm để tăng nhiệt, giúp cho quá trình điều trị diễn ra nhanh hơn [1, 26] Tuy

nhiên, các thiết bị hiện đại này rất phức tạp, đắt tiền, tính linh hoạt không cao khi sử

nhiên, vật liệu chuyên pha nôi lên như một lựa chọn tiềm năng và đầu hứa hẹn trong liệu

pháp nhiệt, với chi phí thấp và tính thân thiện môi trường [5]

Vat ligu chuyén pha (phase change materials—PCM) la vật liệu có khả năng hấp thụ, lưu trữ và giải phóng nhiệt năng lượng nhiệt khi xảy qua quá trình chuyên pha [27] Năng lượng nhiệt được lưu trữ trong quá trình chuyên pha duoi dang nhiét an (latent heat)

[28] PCM có mật độ lưu trữ năng lượng cao, hấp thụ và giải phóng nhiệt ở nhiệt độ gan

như không đổi trong thời gian dài mà không cần gia nhiệt thêm [5, 29] PCM có nhược điểm là phạm vi dẫn nhiệt thấp trong khoảng 0,2-0,8 W/m.K, khả năng chuyển đổi và

lưu trữ nhiệt kém, không có sự đa dạng [7, 30, 3I] Khả năng lưu trữ năng lượng của PCM phụ thuộc vào phạm vi nhiệt độ của liệu pháp nhiệt, khối lượng của PCM, và các tính chất của PCM, chăng hạn như nhiệt dung riêng, nhiệt ấn và nhiệt độ nóng chảy [32]

PCM được phân loại dựa trên các quá trình chuyển pha, bao gồm PCM rắn-rắn, rắn—

lỏng, khi-ran va khí-lóng [12] Trong PCM răn-răn, nhiệt được lưu trữ khi vật liệu

chuyên từ dạng tinh thê này sang dạng tinh thể khác [33] Tuy nhiên, quá trình chuyền pha rắn-rắn có sự thay đôi thể tích nhỏ và nhiệt ấn thấp hơn so với quá trình chuyển pha

rắn-lỏng [28, 34] Đối với PCM khí-rắn và khí-Tỏng, nhiệt ấn cao hơn so với PCM ran—

rắn và rắn-lỏng [28] Tuy nhiên, PCM khí-rắn và khí-lỏng lại có sự thay đổi lớn về thé

tích trong quá trình chuyên pha, dẫn đến nhiều hạn chế [28, 29] Do do, cac loai PCM

răn-răn, khí-răn và khí-lỏng không được coi là lựa chọn phù hợp trong nghiên cứu vả

9

phat triển vật liệu lưu trữ nhiệt, đặc biệt trong ứng dụng liệu pháp nhiệt [30] Ngược lại,

PCM rắn-lỏng là loại được nghiên cứu nhiều nhất và cho thấy triển vọng trong ứng dụng

liệu pháp nhiệt nhờ những ưu điểm nỗi bật [12 32] Cụ thể, PCM rắn-lỏng có mật độ

lưu trữ năng lượng cao, sự thay đổi thé tích nhỏ <10% trong quá trình trao đổi nhiệt tiềm

an va phạm vi nhiệt độ chuyên pha rộng [12, 32, 33]

F7 Vô cơ Hữu cơ T Eutectic

> Kim loai Hop chat paraffin F> Vô cơ — Vô cơ

F> Muốỗi Hop chat non-paraffin F> Vô cơ —Hữu cơ

Ly Muỗi hydrate Ly Vô cơ —Hữu cơ

nhiệt cao hơn so với các loại PCM khác, áp suất hơi thấp, khả năng cháy nô thấp và tính

ôn định nhiệt cao sau nhiều chu kỳ nhiệt nóng chảy kết tỉnh [12, 32, 34] Tuy nhiên,

PCM vô cơ cũng có những hạn chế nhất định, chẳng hạn như có xu hướng tách pha, khả năng tạo mầm tinh thể kém, nhiệt dung riêng thấp và hiện tượng nóng chảy không đồng

đều Ngoài ra, PCM vô cơ còn bị ăn mòn và hiện tượng siêu lạnh cao [12, 32, 34] Do

10

những hạn chế này, PCM vô cơ chưa được nghiên cứu rộng rãi trong ứng dụng liệu pháp

nhiệt

1.3.2.2 PCM hữu cơ

PCM hữu cơ được phân loại thành hợp chất paraffin và non-paraffin [28] Ca hai hop chất paraffin và non-paraffin đều được sử dụng cho các ứng dụng ở nhiệt độ thấp và trung bình, rất phù hợp để sử dụng làm vật liệu trong ứng dụng liệu pháp nhiệt [30] PCM hữu cơ có ưu điểm nổi bật như khả năng nóng chảy và kết tinh nhiều lần mà không

bị phân chia pha, tính ôn định hóa học cao và thường không bị ăn mòn Ngoài ra, PCM

hữu cơ ít hoặc không có hiện tượng siêu lạnh, thường không ăn mòn và điểm chóp cháy thấp [29, 30, 33] Tuy nhiên, PCM hữu cơ cũng có những nhược điểm cần lưu ý PCM

hữu cơ có độ dẫn nhiệt thấp, dễ bị rò rỉ khi nóng chảy, và không ôn định ở nhiệt độ cao,

dẫn đến dễ bị phân hủy ở nhiệt [12, 29, 30]

1.3.2.3 Eutectic

Eutectic là một hỗn hợp bao gồm hai hay nhiều thành phần PCM hữu cơ và vô cơ, trong

đó các thành phần chuyền pha một cách đồng nhất [34] Tỉ lệ phần trăm trọng lượng của

các thành phần vật liệu có thê được điều chỉnh để đạt được điểm nóng chảy mong muốn

[33] Nhờ vào khả năng nóng chảy và kết tinh đồng nhất mà không có sự phân tách của

các thành phần, eutectie có độ dẫn nhiệt và mật độ lưu trữ năng lượng nhiệt cao Vì lý

do nay, PCM eutectic được coi là một loại PCM đầy triển vọng Tuy nhiên, chúng vẫn

ít phố biến trong nghiên cứu hơn so với các loại PCM khác [33, 34]

II

Bảng 1.1: So sánh một số tính chất quan trọng của các loại PCM [35]

PCM vô cơ PCM hữu cơ Eutectic

: nitrat, clorua, kim _ oa or KNO3, MgClo-KCl-—

1.3.3 Tiêu chí lựa chọn PCM trong ứng dụng liệu pháp nhiệt

Khi nghiên cứu và phát triển PCM ứng dụng trong liệu pháp nhiệt, việc lựa chọn PCM

phải đáp ứng các tiêu chí quan trọng về tính chất nhiệt, vật lý, hóa học, kinh tế và môi

trường Các tiêu chí này được trình bày chi tiết trong bảng 1.2 Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trên thực tế không có PCM nào có thể đáp ứng hoàn toàn tất cả các tiêu chí Do đó, việc lựa chọn PCM cần phải được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng trong liệu pháp nhiệt [32]

Bang 1.2: Cac tiéu chi lua chon PCM [28, 30, 32]

Nhiệt ân cao trên một đơn vị khôi lượng

TẢHH ghhất, HHIệpt giúp cải thiện mật độ lưu trữ năng lượng

Nhiệt dung riêng cao nhằm cung cấp

thêm khả năng lưu trữ nhiệt hiện

12

13

Khi chiều dài của chuỗi carbon tăng, trọng lượng phân tử của PW cũng tăng theo [37], dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt ân [40] PW có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ 30-90 °C [37] Quá trình chuyển pha của PW được phân thành hai giai đoạn [39] Giai đoạn đầu là quá trình chuyên pha rắn-răn xảy ra nhanh chóng ở nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy, do sự thay đổi cấu trúc tinh thể từ pha B sang pha ơ Giai đoạn tiếp theo là quá trình chuyển pha rắn-lỏng, kéo dài cho đến khi hoàn thành quá trình chuyên pha rắn-lỏng [41] Nhiệt dung riêng của PW nam trong khoảng 2,1-2,4 kJ/Kg.K [38]

và enthalpy dao động 180-230 kJ/Kg, day là giá trị rất cao đối với vật liệu hữu cơ Sự kết hợp này tạo ra mật độ lưu trữ năng lượng cao [37] Ngoài ra, PW còn có những ưu

điểm khác như tốc độ kết tỉnh nhanh [42] ít hoặc không xảy ra hiện tượng siêu lạnh

[39], thay đối thể tích nhỏ (10-20%) [41] PW không xảy ra phân tách pha trong quá trình chuyển pha lặp đi lặp lại [36], mặc du PW khong phải là một chất nóng chảy đồng

nhất, do PW là hỗn hợp các chất hòa tan lẫn nhau [41] Bên cạnh đó, PW còn trơ va ồn định về mặt hóa học [37] không độc hại [38], không ăn mòn [36], không có mùi khó

chịu [39], và có áp suất hơi thấp hơn nhiều chất hữu cơ khác, giúp giảm nguy cơ cháy

nỗ [39, 41] PW dễ dàng sử dụng do có sẵn trên thị trường với chi phí thấp [37] Nhờ

những ưu điểm vượt trội này, PW trở thành một ứng cử viên tiềm nang va duoc ua

chuộng rộng rãi cho ứng dụng lưu trữ năng lượng, đặc biệt là liệu pháp nhiệt [36] Tuy

nhiên, PW có một số nhược điểm giống như nhiều vật liệu PCM rắn-lỏng khác, chăng

hạn như tính dẫn nhiệt thấp trong khoảng 0,1-0,35 W/m.K, dễ rò rỉ trong quá trình chuyên pha gây kích ứng khi tiếp xúc với da, khả năng chuyền đổi và lưu trữ năng lượng

nhiệt còn hạn chế [7, 39, 41]

Hinh 1.2: Paraffin Wax

14