CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
c) Phổ phân tán Zeta-Sizer
3.3. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG ĐẶC CHỦNG CHẾ TẠO
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 quả đo 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-1 đến 2950 cm-1 sau 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 phân tán của CNTs trong chất lỏng nền.
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 phổ đặc 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 từ dao 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 quả đo cho thấy tỷ lệ cường 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 sự ổn 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 quả đo 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) Sự ổn 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 đáp ứng khả năng phân tán 3 Methanol 17 nm - 83 nm Phân tán đều -47,5 mV Phân tán bền vững Đáp ứng khả năng phân tán đều, bền vững 4 Ethanol 18 nm - 82 nm Phân tán đều -38,0 mV Phân tán ổn định Đáp ứng khả năng 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 khả năng 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 kế điện 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 Không đáp ứng tiêu chí vềdải nhiệt độ hoạt động 2 Coolanol 20/CNTs -101oC đến 150oC Đáp ứng được tiêu chí vềdải nhiệt độ hoạt động 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 sự tăng 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.
Từ đồ 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 độ tăng lên sẽ dẫn tới những hiệu ứng sau:
(i) giảm sự tụ đám 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 độ tăng.
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: n k ki i CNT CNT k i1 ri 3rCNT (3.3) i r i1 i
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 quả đã được dự đoán, 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 3.4. Kết luận chương 3
Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng nanô chứa CNTs để quản lý nhiệt cho vệ tinh. Trước khi chế tạo, CNTs cần phải được biến tính để tăng cường khả năng phân tán trong chất lỏng nền. Sau đó, các tính chất của chất lỏng nanô chứa CNTs được đo đạc bằng các phương pháp: phổ Raman, thế Zeta, và phổ phân tán Zeta- Sizer. Các thiết bị như KIMO TK62, Transient Hot Bridge THB-100 và Brookfield DV2THA cũng được dùng để đo dải nhiệt độ hoạt động, độ nhớt, và khối lượng riêng của chất lỏng nanô.
Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs phân tán tốt trong chất lỏng nền Coolanol- 20 với thế -48,4 mV Zeta. 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 CNTs là 1,0 %vol và nhiệt độ là 60oC.
Chương này cũng đề xuất một mô hình lý thuyết để giải thích sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền đa thành phần khi nhiệt độ tăng (do chuyển động Brown của các phân tử). Luận án sau đó thực hiện việc tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền tại một số nhiệt độ đại diện trong dải hoạt động của vệ tinh trên môi trường không gian (từ -75oC đến 100oC).
Những kết quả trên mở ra ứng dụng tiềm năng của CNTs trong chất lỏng nanô để quản lý nhiệt cho vệ tinh theo cách chủ động. Quy trình chế tạo chất lỏng nanô
đã được Cục Sở hữu Trí tuệ chấp nhận đơn đăng ký sáng chế, số: 14062/QĐ-SHTT. Các kết quả của quá trình chế tạo và khảo sát tính chất dẫn nhiệt của chất lỏng nền Coolanol-20 đã được đăng trên tạp chí “Xúc tác và hấp phụ Việt Nam”, năm 2021.
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐA THÀNH PHẦN CHỨA CNTs TRÊN MÔ HÌNH VỆ TINH TẠI
PHÒNG THÍ NGHIỆM
4.1. Mở đầu
Sau khi đã đưa ra mô hình tính toán lý thuyết và chế tạo thành công chất lỏng nền chứa CNTs cũng như khảo sát tính chất của chất lỏng, chương cuối của luận án sẽ tập trung vào trình bày kết quả xây dựng mô hình mô phỏng môi trường hoạt động của vệ tinh cũng như mô hình vệ tinh để có thể thử nghiệm chất lỏng đã chế tạo thành công trong các điều kiện hoạt động thực tế. Thử nghiệm chất lỏng nền trong môi trường mô phỏng là một bước rất quan trọng trước khi tiến đến thử nghiệm chất lỏng nền trong vệ tinh thực tế, vốn rất đắt đỏ và tiêu tốn nhiều thời gian, công sức để chế tạo. Nếu như việc thử nghiệm cho thấy hiệu quả tốt, đây sẽ là một bước tiến đáng kể trong việc ứng dụng chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh nhỏ và mở ra nhiều hướng nghiên cứu hấp dẫn trong tương lai. Trước đó, quản lý nhiệt chủ động trong chất lỏng thường chỉ được thực hiện cho các vệ tinh kích thước lớn [108-113].
Trong chương này, một số kết quả đạt được trong việc xây dựng thiết bị và khảo sát hiệu quả của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho mô hình vệ tinh sẽ được trình bày.
4.2. Thiết kế mô hình buồng chân không nghiên cứu phỏng vệ tinh cho quátrình quản lý nhiệt trình quản lý nhiệt
4.2.1. Sơ đồ nguyên lý của buồng chân không
Để thực hiện việc thử nghiệm chất lỏng đặc chủng chứa CNTs trong việc nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt trên thiết bị mô phỏng của vệ tinh trong phòng thí nghiệm, luận án thực hiện các bước sau:
- Thiết kế và chế tạo một mô hình vệ tinh tại phòng thí nghiệm nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu quá trình quản lý nhiệt của vệ tinh. Mô hình vệ tinh tại phòng thí nghiệm được thiết kế sao cho tiếp cận gần nhất với vệ tinh thật trong thực tế về mặt quản lý nhiệt [114-116].
Hình 4.1. Đồ thị sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của không khí theo áp suất [117] - Để đáp ứng được bài toán quản lý nhiệt trong không gian, mô hình vệ tinh được đặt trong buồng chân không với áp suất 10-4 bar để đảm bảo không có hiện tượng đối lưu truyền nhiệt, giống với trên môi trường không gian. Như trên hình 4.1