Ngoài ra, để đo phổ phân bố theo kích thước hạt của CNTs được phân tán trong chất lỏng nền, thiết bị Zetasizer Nano ZS tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) cũng được sử dụng. Các kết quả của phép đo cho phép đánh giá sự ổn định của CNTs trong chất lỏng nền. Thiết bị
Zetasizer Nano ZS có khả năng đo kích thước hạt dựa trên nguyên lý tán xạ tia laser
đỏ (với bước sóng là 532 nm), do vật liệu nano luôn tuân theo định luật Brown khi chuyển động trong chất lỏng nên ánh sáng tán xạ cũng thay đổi theo. Do vậy, dựa vào các thuật toán phân tích tốc độ thay đổi của cường độ ánh sáng, người đo có thể
xác định được phổ phân tán theo kích thước của CNTs trong chất lỏng.
Hình 3.8. Thiết bị Zetasizer Nano ZS dùng đểđo kích thước hạt
Thế Zeta
Thế Zeta là một thuật ngữ khoa học chỉ thếnăng điện động của phân tử trong chất lỏng hoặc chất keo và thường được ký hiệu bằng cách sử dụng chữ cái Hy Lạp
zeta (ζ). Đơn vị thông thường là vôn (V) hoặc phổ biến hơn là milivôn (mV). Từ quan điểm lý thuyết, thế Zeta là điện thế trong lớp kép liên bề mặt (Interfacial Double Layer) tại vị trí của mặt phẳng trượt so với một điểm trong chất lỏng cách xa mặt phân cách. Nói cách khác, thế Zeta là hiệu điện thế giữa môi trường phân tán và lớp chất lỏng đứng yên gắn với hạt phân tán.
Thế Zeta gây ra bởi tổng điện tích chứa trong vùng được giới hạn bởi mặt phẳng trượt, và cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt phẳng đó. Do đó, nó được sử
dụng rộng rãi để định lượng độ lớn của điện tích. Tuy nhiên, thế Zeta không bằng thế Stern hoặc thế bề mặt trong lớp kép, vì chúng được xác định tại các vị trí khác nhau. Mặc dù vậy, thế Zeta thường là cách khả thi duy nhất để mô tảđặc tính của các thuộc tính hai lớp.
Thế Zeta là một chỉ số quan trọng và dễđo lường vềđộ ổn định của sự phân tán trong keo hoặc chất lỏng. Độ lớn của thế Zeta cho biết mức độ đẩy tĩnh điện giữa các hạt mang điện tương tự, liền kề trong một sựphân tán. Đối với các phân tử
và hạt đủ nhỏ, thế Zeta cao sẽ mang lại sựổn định, tức là dung dịch hoặc sự phân tán sẽ chống lại sự kết tụ. Khi thế Zeta nhỏ, lực hấp dẫn có thểvượt quá lực đẩy, sự
phân tán có thể bị phá vỡ và các phân tử sẽ tụ lại với nhau. Vì vậy, chất keo hoặc lỏng có thế Zeta cao (âm hoặc dương) sẽ có sự ổn định về điện trong khi chất keo hoặc lỏng có thế Zeta thấp có xu hướng lắng đọng như được nêu trong bảng sau:
Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của độ ổn định vào thế Zeta
Thế Zeta (mV) Độổn định 0 tới ±5 Tụđám ±10 to ±30 Bắt đầu ±30 to ±40 Trung bình ±40 to ±60 Tốt ±40 to ±60 Rất cao
d) Thiết bịđo độ dẫn nhiệt
Hình 3.9. Thiết bịđođộ dẫn nhiệt
Phương pháp đo nhiệt THB là kỹ thuật dây nóng được phát triển bởi Viện Đo
lường Quốc gia Đức. Đây là một phương pháp được tinh chỉnh để đo nhiều tính chất khác nhau của chất lỏng như: độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt dung riêng với độ chính xác cao và thời gian đo nhanh. Có thể thấy như trên hình 3.9, một nguồn nhiệt kết hợp với cảm biến có chiều dày rất mỏng được nhúng vào giữa hai mảnh vật liệu mẫu. Khi được tăng cường nhiệt, tốc độ tăng nhiệt độ của cảm biến phụ thuộc vào công suất tăng cường nhiệt và độ dẫn nhiệt của vật liệu cần đo
bao quanh. Luận án sử dụng cảm biến QSS với kích thước 42x22 mm, thời gian đo được tính bằng giây, phép đo kéo dài cho đến khi vượt quá độ chênh lệch tối đa
hoặc đến khi điện áp ở trạng thái ổn định. Trong luận văn này, nghiên cứu sinh sử
dụng phương pháp đo nhiệt THB được đặt tại Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
3.3. Khảo sát tính chất của chất lỏng đặc chủng chế tạo được
3.3.1. Kết quả biến tính
Để khảo sát sự tạo thành của liên kết CNTs-OH sau quá trình biến tính, phương pháp phân tích phổ FTIR truyền qua đã được sử dụng để xác định sự tồn tại của các nhóm chức -OH. Kết quảđo phổ hồng ngoại truyền qua, như trên hình 3.10: Phổ hồng ngoại truyền qua của CNTs-COOH và CNTs-OH cho thấy sự xuất hiện thêm hai đỉnh trong vùng 2810 cm-1đến 2950 cm-1sau khi được xử lý bằng hỗn hợp axit H2SO4 và HNO3, đỉnh này tương ứng với dao động của liên kết O-H trong nhóm cacboxyl (-COOH). Các kết quả này đã chứng minh sự thành công của quá trình biến tính gắn nhóm chức -OH lên bề mặt CNTs, từ đó tăng cường khả năng
Hình 3.10. Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức -OH
Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH đã được đo đạc phân tích như trên hình 3.10. Trên phổ tán xạ có hai dải phổđặc trưng là dải D (1333,69 cm-1) và dải G (1583,10 cm-1). Dải G sinh ra từ mạng graphene của CNTs và đặc trưng cho tính trật tự của cấu trúc trong đó các nguyên tử cacbon sắp xếp theo trật tự dạng vòng sáu cạnh. Trong khi đó dải D lại đặc trưng cho các khuyết tật trong cấu trúc của CNTs và dải D được hình thành từdao động của các nguyên tử cácbon
ở trạng thái sp3. Tỉ lệ giữa cường độ hai đỉnh của dải D và dải G phụ thuộc vào độ
sạch và độ tinh thể hóa của CNTs [105].
Hình 3.11. Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức -OH
Kết quảđo cho thấy tỷ lệcường độ ID/IG của CNTs-OH cao hơn so với CNT- COOH, từ đó chỉ ra rằng sau hai quá trình xử lý hóa học, các khuyết tật mới đã
được hình thành trên bề mặt của CNTs-OH nhiều hơn trên bề mặt của CNTs- COOH.
3.3.2. Kết quả phân tán
Để khảo sát sự phân tán của CNTs trong chất lỏng, luận án đã sử dụng thiết bị
phân tích Zeta-Sizer tại Viện Khoa học Vật liệu. Sự ổn định của chất lỏng được
đánh giá qua thế Zeta trên cùng thiết bị.
a) Thế Zeta nền Hexane (-11,1 mV)
b) Thế Zeta nền Methanol (-47,5 mV)
d) Thế Zeta nền Ethanol (-38,0 mV)
f) Thế Zeta nền Coolanol 20 (-48,4 mV)
Hình 3.12. Thế Zeta của CNTs phân tán trong các nền chất lỏng
Kết quả như trên hình 3.12 cho thấy thế Zeta ứng với nền chất lỏng Propanol nằm trong khoảng từ ±10 mV đến ±30 mV nên CNTs có sự thiếu ổn định trong chất lỏng này. Thế Zeta ứng với nền chất lỏng Ethanol có giá trị trong khoảng ±30 mV
đến ±40 mV nên CNTs có sựổn định trong chất lỏng này. Đặc biệt thế Zeta ứng với nền chất lỏng Methanol và Coolanol-20 trong khoảng ±40 mV đến ±60 mV, điều này cho thấy CNTs có sự phân tán bền vững trong nền chất lỏng này.
Kết quả khảo sát sự phân tán cho thấy phổ phân tán theo kích thước của CNTs trong các nền chất lỏng Hexane và Heptane có kích thước lớn (trên 100 nm), do vậy mà CNTs không phân tán tốt trong các nền chất lỏng này. Với các nền chất lỏng Methanol, Ethanol, Propanol và Coolanol-20, kết quả cho thấy phổ phân tán theo kích thước phù hợp với đường kính của CNTs dùng trong thí nghiệm là từ 15 nm
đến 80 nm. Kết quả trên đã cho thấy sự phân tán tốt CNTs trong nền chất lỏng Methanol, Ethanol, Propanol và Coolanol-20. Kết quả khảo sát thế Zeta cho thấy giá trị trung bình lần lượt như sau: -47,5 mV; -38,0 mV; -27,6 mV; và -48,4 mV,
tương ứng với các nền chất lỏng Methanol, Ethanol, Propanol và Coolanol-20. Bảng 3.2 là tổng hợp kết quảđo sự phân tán và ổn định của các chất lỏng nền khác nhau.
Căn cứ vào kết quả phân tán đạt được, luận án lựa chọn chất lỏng nền Methanol và Coolanol-20 cho những nghiên cứu tiếp theo.
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát sự phân tán của CNTs trong nền đặc chủng STT Chất lỏng nền Sự phân tán (Zeta Sizer) Sựổn định (Zeta Potential) Kết luận 1 Hexane > 100 nm Không phân tán -11,1 mV Không ổn định Không đáp ứng khả năng phân tán 2 Heptane > 100 nm Không phân tán -12,4 mV Không ổn định Không đápứng khả năng phân tán 3 Methanol 17 nm - 83 nm Phân tán đều -47,5 mV Phân tán bền vững Đáp ứng khảnăng phân tán đều, bền vững 4 Ethanol 18 nm - 82 nm Phân tán đều -38,0 mV Phân tán ổn định Đáp ứng khảnăng phân tán đều, ổn định 5 Propanol 20 nm - 84 nm Phân tán đều -27,6 mV Phân tán ổn định Khả năng phân tán đều nhưng thiếu ổn định 6 Coolanol 20 19 nm - 85 nm Phân tán đều -48,4 mV Phân tán bền vững Đáp ứng khảnăng phân tán đều, bền vững 3.3.3. Dải nhiệt độ hoạt động
Dải nhiệt độ hoạt động là tiêu chí quan trọng để lựa chọn chất lỏng trong quản lý nhiệt cho vệ tinh, và luận án này đặt ra tiêu chí về dải nhiệt độ hoạt động của chất lỏng là từ -40oC đến 70oC (Đây là dải nhiệt độ mà các linh kiện của vệ tinh vẫn hoạt
động được. Ngoài dải nhiệt độ này, linh kiện đã bắt đầu có những biến đổi, do vậy mà không còn có thể hoạt động theo như các thông số của nhà sản xuất đưa ra). Để
xác định dải nhiệt độ hoạt động, luận án sử dụng nhiệt kếđiện tử KIMO TK62 với
đầu đo trong dải nhiệt độ từ -200°C đến +1.300°C, độ chính xác ±0,4%, độ phân giải 0,1°C. Quá trình làm lạnh được thực hiện trong bình nitơ lỏng.
Hình 3.13. Thiết bị KIMO TK62: đầu đo trong dải nhiệt độ từ -200°C đến +1.300°C, độ chính xác ±0,4%, độ phân giải 0,1°C
Bảng 3.3 là kết quả khảo sát dải nhiệt độ hoạt động của chất lỏng nanô. Bảng này cho thấy dải nhiệt độ hoạt động của chất lỏng Methanol/CNTs là từ -97oC đến 67oC, trong khi dải nhiệt độ hoạt động của chất lỏng Coolanol/CNTs là từ -101oC
đến 150oC. Như vậy chất lỏng Methanol/CNTs không đáp ứng được tiêu chí về dải nhiệt độ hoạt động, và luận án lựa chọn sử dụng chất lỏng Coolanol/CNTs cho những nghiên cứu tiếp theo.
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát dải nhiệt độ hoạt động của chất lỏng nanô
STT Chất lỏng nền Dải nhiệt độ hoạt động Kết luận
1 Methanol/CNTs -97oC đến 67oC Khôdảng đi nhiáp ệt độứng tiêu chí v hoạt động ề
2 Coolanol 20/CNTs -101oC đến 150oC Đdáp ải nhiứng ệt độđược tiêu chí v hoạt động ề
3.3.4. Khảo sát độ dẫn nhiệt
Để khảo sát độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs, luận án sử
dụng thiết bị Transient Hot Bridge THB-100 tại Trung tâm Phát triển Công nghệ
cao (hình 3.9). Sự gia tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô nền Coolanol 20 chứa CNTs-OH được thể hiện như trên hình 3.14. Trong đó sựtăng hệ số dẫn nhiệt được tính theo công thức:
%k= [(k-k0) x100]/k0 (3.1)
Với k0 là độ dẫn nhiệt của Coolanol-20; k là độ dẫn nhiệt của Coolanol-20 khi có thêm thành phần CNTs.
Từđồ thị hình 3.14, có thể thấy các mẫu đều có độ dẫn nhiệt tăng dần khi hàm lượng CNTs tăng và nhiệt độ tăng. Sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô theo nhiệt độ có thể giải thích theo như Li và cs [106]. Li lập luận rằng sự thay đổi độ kết
đám của các thành phần nanô và độ nhớt theo nhiệt độ cùng với chuyển động Brown là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của chất lỏng. Theo Li, khi nhiệt độtăng lên sẽ dẫn tới những hiệu ứng sau:
(i) giảm sự tụđám của các thành phần nanô do sự giảm năng lượng bề mặt. (ii) tăng cường chuyển động Brown do sự giảm độ nhớt [107]. Sự tăng cường chuyển động Brown là cơ sở để dẫn đến sự tăng cường độ dẫn nhiệt của chất lỏng khi nhiệt độtăng.
Cụ thể hơn,ứng với hàm lượng 1,0 %vol của CNTs-OH ở 30oC, ta thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô có sự gia tăng là 59%. Sự gia tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô đạt giá trị lớn nhất là 65%, ứng với hàm lượng của CNTs là 1,0 %vol và nhiệt độ là 60oC.
3.3.5. Tính toán độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ
Như đã trình bày ở mục trước, sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền theo nhiệt độ chủ yếu là do chuyển động Brown của các phân tử nanô. Ở mục này, luận án sẽ đưa ra công thức tính toán sự tăng độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ gây ra bởi chuyển động Brown.
Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền là tổng của 2 thành phần: độ dẫn nhiệt gây ra bởi chuyển động Brown của các phân tử nanô và độ dẫn nhiệt tĩnh không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
keff= kstatic + kBrownian (3.2) Trong đó, kstatic là công thức được luận án đưa ra trong chương 2 cho mô hình chất lỏng nền đa thành phần: 1 1 3 n i CNT CNT i i i CNT n i i i k k r r k r = = + = (3.3)
Theo như Koo và Kleinstreuer [121], độ dẫn nhiệt Brown được tính theo công thức sau:
(3.4) Trong đó:
• p: tỷ lệ của 1 phân tử di chuyển theo bất cứ phương nào • β: tỷ lệ thể tích chất lỏng di chuyển cùng với 1 hạt nanô
• l: quãng đường trung bình 1 hạt nanô di chuyển mà không bị đổi hướng bởi chuyển động Brown
• D: đường kính phân tử
• αd: tỷ lệ thể tích của hạt nanô • ρd: mật độ của hạt nanô
• cd: nhiệt dung riêng của hạt nanô
• κ: hằng số Boltzmann (1,380649×10−23 J/K)
• T: nhiệt độ của chất lỏng (thay đổi từ -75oC đến 100oC)
Thay những thông số của chất lỏng nền đa thành phần được sử dụng trong luận án vào công thức của Koo và Kleinstreuer, ta có được công thức của độ dẫn nhiệt Brown thay đổi theo nhiệt độ. Từ đó, luận án tính toán nhiệt độ dẫn nhiệt
của chất lỏng nền đa thành phần tại một số nhiệt độ đại diện khác nhau như: - 75oC, -30oC, 0oC, 50oC, 100oC.
Có thể thấy rằng ở nồng độ 0,2% CNT, độ dẫn nhiệt ở cùng một nhiệt độ của chất lỏng nền đa thành phần là thấp nhất, do số hạt nanô là ít nhất. Ngược lại, ở
nồng độ 1,0% CNT, độ dẫn nhiệt ở cùng một nhiệt độ là cao nhất, do số hạt nano là nhiều nhất, dẫn đến tăng cường khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng do chuyển động Brown.
Hình 3.15. Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt vào nồng độ CNTs
3.3.6. Khảo sát tính chất khác
Luận án cũng đã tiến hành đo đạc khảo sát độ nhớt của chất lỏng theo hàm lượng CNTs bằng thiết bị Brookfield DV2THA tại Trung tâm Phát triển Công nghệ
cao. Để đo khối lượng riêng, luận án sử dụng thiết bị Transient Hot Bridge THB- 100. Kết quả khảo sát cho thấy độ nhớt và khối lượng riêng của chất lỏng không phụ thuộc nhiều vào hàm lượng của CNTs, và đạt giá trị khoảng 0,96 cP và 0,88 g/ml tại nhiệt độ 27oC. Đây là một kết quảđã được dựđoán, do sự phân tán CNTs trong chất lỏng nền có một ưu điểm lớn là chỉ làm tăng khả năng dẫn nhiệt, mà không làm hệ quản lý nhiệt bị nặng thêm.
Hình 3.16. Thiết bị Transient Hot Bridge THB-100 và Brookfield DV2THA