CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
b) Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tập trung vào lĩnh vực này
3.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT ĐẶC CHỦNG CHỨA
lỏng đa thành phần chứa CNTs để đo đạc các tính chất của chất lỏng, từ đó đưa ra kết luận liệu chất lỏng có phù hợp để được sử dụng trong vệ tinh không. Tuy nhiên, do hỗn hợp nước cất và Ethylene Glycol có một hạn chế lớn là chưa từng được sử dụng trong môi trường không gian, hỗn hợp này khó có thể được sử dụng trong vệ tinh do sẽ cần phải trải qua quá trình kiểm định nghiêm ngặt của nhà phóng. Do vậy, luận án sẽ sử dụng Coolanol-20 như là một phương án thay thế do nó đã được sử dụng trước đây trên vệ tinh [104], nên không cần phải trải qua quá trình kiểm tra của nhà phóng. Hơn nữa, bản thân Coolanol-20 cũng là một hỗn hợp nhiều thành phần (gồm KOH, một ester silicate, cũng như các chất phụ gia khác), nên hoàn toàn phù hợp với mô hình lý thuyết đã được trình bày ở chương trước. Một số ưu điểm khác mà chất lỏng này được chọn là: có tính chất hóa học và vật lý ổn định trong dải nhiệt độ hoạt động, có khả năng chống lại bức xạ không gian, và được sản xuất trong điều kiện nghiêm ngặt bởi một công ty uy tín (Exxon Mobil).
Trong chương này, một số kết quả đạt được trong nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vệ tinh sẽ được trình bày chi tiết.
3.2. Quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt đặc chủng chứa CNTs trong quản lýnhiệt cho vệ tinh nhiệt cho vệ tinh
3.2.1. Vật liệu dùng trong chế tạo chất lỏng nanô
Vật liệu sử dụng trong quy trình chế tạo chất lỏng tản nhiệt bao gồm: CNTs đa tường (MWCNTs, với đường kính từ 20 đến 80 nm và chiều dài từ 1 đến 10 μm, độ sạch >90%); chất hoạt động bề mặt Tween-80 (Sigma Aldrich); hóa chất biến tính: HNO3 (Merck), H2SO4 (Merck), SOCl2 (Sigma Aldrich), H2O2 (Merck); chất lỏng nền đặc chủng đáp ứng khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ khắc nghiệt trên môi trường mà vệ tinh thường hoạt động (-40oC đến 70oC) bao gồm: Methanol (Merck), Ethanol (Merck), Propanol (Merck), Hexane (Merck), Heptane (Merck),
Coolanol-20 (Organosilicate Ester - Exxon Mobil); một số dung môi khác phục vụ quá trình chế tạo và biến tính vật liệu. Một số thông số kỹ thuật của Coolanol-20 được sử dụng trong luận án như sau:
+ Dải nhiệt độ hoạt động: - 101oC đến 150oC + Màu: hổ phách
+ Độ dẫn nhiệt: 0.132 W/m.K
Hình 3.1. a) Ảnh SEM của vật liệu CNTs; b) Coolanol-20
3.2.2. Thiết bị dùng trong chế tạo chất lỏng nanô
Thiết bị sử dụng trong chế tạo bao gồm: Máy lọc hút chân không, máy siêu âm: Microson XL2000 với công suất tối đa 100 W, tần số siêu âm 22,5 kHz; và Elma S40H với công suất tối đa 340 W, tần số siêu âm 37 kHz; Máy khuấy tốc độ tối đa 1.000 vòng/phút; một số thiết bị chế tạo vật liệu khác: cân vi lượng, tủ hút, tủ sấy chân không.
3.2.3. Quá trình biến tính CNTs
Để tăng cường khả năng phân tán CNTs vào các loại vật liệu nền nói chung hay chất lỏng, chất keo nói riêng thì bề mặt của vật liệu CNTs cần phải được biến tính để gắn kết với các nhóm chức hóa học.
Hình 3.3. Quy trình biến tính gắn nhóm chức–OH lên bề mặt CNTs Quy trình biến tính CNTs với nhóm chức –OH được thể hiện như trên hình
3.3. Các bước cụ thể của quy trình như sau:
+ Bước 1: 200 mg CNTs được cho vào hỗn hợp axit HNO3(100 ml) và H2SO4
(300 ml).
+ Bước 2: Khuấy từ dung dịch với tốc độ 500 vòng/phút trong 5 giờ ở nhiệt độ 70oC.
+ Bước 3: Lọc với nước cất để loại bỏ axit. Sau đó ta thu được CNTs-COOH dạng ướt.
+ Bước 4: Phân tán CNTs-COOH trong Ethylene Glycol, ta thu được CNTs- COOH dạng dung dịch.
+ Bước 5: Phán tán CNTs-COOH (2 g) trong SOCl2 (80 ml).
+ Bước 6: Khuấy từ dung dịch ở tốc độ 300 vòng/phút trong 24 giờ, ở nhiệt độ 60oC. Sau đó ta thu được CNTs-COCl ở dạng dung dịch.
+ Bước 7: Lọc rửa dung dịch với H2O2 để thu được để thu được CNTs-OH ở dạng ướt.
+ Bước 8: Sấy khô trong 24 giờ để thu được CNTs-OH dạng bột.
Cơ chế của việc hình thành nhóm chức –COOH và –OH trên bề mặt CNTs được giải thích như sau: hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4 đóng vai trò là chất oxi hóa mạnh tạo ra các khuyết tật ở bề mặt của CNTs. Từ những vị trí khuyết tật trên bề mặt CNTs, nguyên tử Cácbon sẽ liên kết với các nhóm chức bên ngoài như –OH và – COOH để tạo thành CNTs biến tính. Việc biến tính sẽ không ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ, nhiệt, điện của MWCNTs vì chỉ lớp ngoài cùng của MWCNTs bị
Vật liệu CNTs CNTs biến tính
Rung siêu âm Chất lỏng nền Chất lỏng nền chứa CNTs
Chất hoạt động bề mặt
biến đổi về mặt hóa học, còn tất cả các lớp phía trong của MWCNTs vẫn giữ nguyên, đóng vai trò ổn định tính chất độc đáo vốn có của CNTs.
3.2.4. Phân tán CNTs trong chất lỏng nền
Để phân tán CNTs trong chất lỏng nền, luận án sử dụng quy trình phân tán được mô tả như hình 3.4. Trong quy trình này, CNTs được biến tính gắn nhóm chức -OH như đã trình bày ở phần trên, sau đó tiếp tục được phân tán đồng đều vào nền chất lỏng đặc chủng bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt (Tween-80) dưới sự hỗ trợ của thiết bị rung siêu âm.
Hình 3.4. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng đặc chủng Các bước cụ thể của quy trình như sau:
+ Bước 1: Vật liệu CNTs sau khi biến tính sẽ được hòa tan vào chất lỏng nền. + Bước 2: Để tăng cường khả năng phân tán của CNTs trong chất lỏng nền, chất hoạt động bề mặt (Tween-80) và phương pháp rung siêu âm được sử dụng.
Kết quả khảo sát như trên hình 3.5 cho thấy phổ phân tán theo kích thước của CNTs với thời gian rung siêu âm 30 phút có 2 đỉnh là 320 nm và 1,6 μm. Với thời gian rung siêu âm 60 phút, có 1 đỉnh ở 240 nm.
Với thời gian rung siêu âm 90 phút, kích thước của các hạt đã nằm trong khoảng 20 nm đến 80 nm. Nên thời gian rung siêu âm này được chọn cho các thử nghiệm tiếp theo trong luận án.
Chất lỏng nền đặc chủng phải đáp ứng tốt khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ khắc nghiệt trong hệ thống quản lý nhiệt cho vệ tinh (-40oC đến 70oC), do vậy
chúng tôi đã lựa chọn một số loại chất nền bao gồm Methanol, Ethanol, Propanol, Hexane, Heptane, và Coolanol-20.
Hình 3.5. Phổ phân bố kích thước của CNTs phân tán trong Coolanol-20 với thời gian rung siêu âm: a) 30 phút; b) 60 phút; c) 90 phút
3.2.5. Các phương pháp khảo sát và đo đạc
Luận án sử dụng các phương pháp đo đạc là phổ tán xạ Raman, phép đo phổ phân tán theo kích thước Zeta-Sizer, thế Zeta, và phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR để có thể khảo sát tính chất cũng như cấu trúc của CNTs biến tính được chế tạo.