Dầu Silicone là chất lỏng được tạo thành từ các polymer vơ cơ và hữu cơ. Thành phần của dầu Silicone bao gồm silixane và các chuỗi chất hữu cơ. Thành phần chính và quan trọng nhất là polydimethylsiloxane, cĩ cấu trúc như Hình 4.22, bao gồm các nguyên tử silicon và oxy xen kẽ.
Dầu silicone cĩ thể được dùng trong y tế như là làm các sản phẩm kiểm sốt đầy hơi, hay thay thế thủy tinh thể trong các trường hợp bị bong võng mạc. Do đặc tính chống thấm nước và bơi trơn của dầu silicone, nĩ được coi là vật liệu thích hợp để duy trì dụng cụ phẫu thuật. Chúng là chất cách điện rất tốt, và khơng giống như các chất tương tự cacbon của chúng, chúng khơng bắt lửa. Ổn định nhiệt độ và khả năng truyền nhiệt tốt làm dầu silicone được dùng rộng rãi trong các phịng thí nghiệm, trong các máy sấy, sưởi dầu, làm chất lỏng làm việc trong máy biến áp, bơm khuếch tán.
Hình 4.22. Cấu trúc của dầu silicone
Hầu hết các loại dầu silicone cĩ khả năng chịu nhiệt tốt khoảng -40 đến 280oC [112]. Độ nhớt càng cao thì điểm chớp cháy của dầu càng cao, độ nhớt càng thấp thì điểm đơng đặc của dầu càng thấp. Như vậy, ở điều kiện thường, dầu silicone cĩ nhiệt độ sơi cao hơn nước (100 oC), cao hơn ethylene glycol (197oC). Vì vậy chúng tơi nghiên cứu chế tạo chất lỏng nano chứa CNTs nền dầu silicone để cĩ thể áp dụng trong các ứng dụng địi hỏi nhiệt độ chất lỏng làm việc ở nhiệt độ cao.
Để đánh giá sự phân tán của CNTs-COOH vào trong dầu silicone, chúng tơi sử dụng máy đo Malvern Zetasizer Nano ZS. Hình 4.23 biểu diễn phổ phân bố kích thước của CNTs-COOH phân tán trong dầu silicone sau thời gian rung siêu âm 60 phút và 100 phút. Kết quả cho thấy sau 60 phút, cĩ hai đỉnh là 53,6 nm và 4732 nm. Đỉnh 4732 nm ứng với sự tụ đám của CNTs-COOH trong khi đỉnh 53,6 nm ứng với
các ống CNTs-COOH đơn lẻ trong dầu silicone. Sau thời gian 100 phút, vẫn cịn đỉnh ở 5407 nm, chứng tỏ vẫn cịn sự tụ đám của CNTs.
Hình 4.23. Phổ phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone với
thời gian rung siêu âm là 60 phút (a) và 100 phút (b).
Hình 4.24 là phổ phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone sau thời gian rung siêu âm là 150 phút và 180 phút. Trong trường hợp thời gian rung siêu âm 150 phút, đỉnh 4372 khơng cịn nữa, cĩ nghĩa là búi lớn CNTs-COOH khơng cịn nữa, kích thước trung bình là 269,3 nm. Trong trường hợp rung siêu âm 180 phút, kích thước trung bình là 67,99 nm, phù hợp với kích thước CNTs được sử dụng. Kết quả cho thấy thời gian rung siêu âm cần thiết để CNTs phân tán tốt trong dầu silicone là 180 phút.
Hình 4.25 biểu diễn sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/silicone với hàm lượng khác nhau theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano tăng lên. Tại một nhiệt độ thì khi hàm lượng tăng thì độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano tăng theo. Ví dụ ở nhiệt độ 50 oC, độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano hàm lượng 50 mg/l (15,7%) lớn hơn 25 mg/l (12,5%), lớn hơn 15 mg/l (9,9%).
Sự chuyển hĩa quang nhiệt của chất lỏng nano CNTs/ dầu silicone thể hiện qua sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng nano theo thời gian chiếu sáng của mặt trời. Sự tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone với các nồng độ từ 0 tới 50 mg/l như trên Hình 4.26.
Hình 4.24. Sự phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone sau
thời gian rung siêu âm 150 phút (a) và 180 phút (b).
Cĩ thể thấy rằng khả năng hấp thụ nhiệt của dầu silicone phụ thuộc vào hàm lượng pha CNTs vào chất lỏng. Khi tăng hàm lượng CNTs thì nhiệt độ chất lỏng nano tăng nhanh hơn trong cùng khoảng thời gian 1h 15 phút. Với hàm lượng 50 mg/l,
nhiệt độ sau 1h 15 phút tăng khoảng 5,5 % so với dầu silicone khơng chứa CNTs. Điều này chứng tỏ việc tăng hàm lượng CNTs trong chất lỏng nano làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt từ bức xạ năng lượng mặt trời.
Hình 4.25. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/silicone
Hình 4.26. Khả năng hấp thụ nhiệt ánh sáng mặt trời của chất lỏng nano
CNTs/dầu silicone
Hình 4.27 là phổ truyền qua của CNTs-COOH phân tán trong dầu silicone. CNTs làm giảm độ truyền qua của dầu silicone, tức là làm tăng lượng ánh sáng bị hấp thụ. Đĩ là do sự hấp thụ trực tiếp photon bởi CNTs, thứ hai là sự tán xạ ánh sáng bởi
CNTs. Sự tán xạ ánh sáng của CNTs làm tăng quãng đường ánh sáng đi trong chất lỏng và do đĩ làm tăng khả năng hấp thụ.
Hình 4.27. Phổ truyền qua của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone.
Hình 4.28. Sự hấp thụ bước sĩng 550 nm của CNTs/dầu silicone theo nồng
độ. Ở nồng độ 50 mg/l, khả năng hấp thụ tăng 55% so với dầu silicone nguyên chất.
Hình 4.28 biểu diễn sự hấp thụ bước sĩng 550 nm (thuộc vùng bức xạ cĩ cường độ lớn nhất trong quang phổ mặt trời) của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone với các nồng độ khác nhau. Cĩ thể thấy rằng CNTs đã làm giảm đáng kể lượng ánh sáng truyền qua chất lỏng nền và làm tăng lượng ánh sáng bị hấp thụ. Thậm chí với hàm
0
lượng CNTs rất nhỏ (15 mg/l), độ truyền qua tại bước sĩng 550 nm cũng giảm khoảng 30% so với dầu silicone nguyên chất.
Từ kết quả phổ ánh sáng truyền qua của dầu silicone chứa CNTs, áp dụng định luật Lambert-Beer ta cĩ thể tính được độ suy giảm ánh sáng theo quãng đường đi được trong chất lỏng nano.
Cường độ chùm sáng khi truyền qua mơi trường ở khoảng cách r:
I(r) I eext r
(75)
Trong đĩ μext là hệ số dập tắt hiệu dụng. Tỉ lệ năng lượng mặt trời bị hấp thụ bởi chất lỏng khi ta đo được độ hấp thụ hiệu dụng là [78]:
F(l) 1 max I ().eeff ld min max I ().d min (76)
Trong đĩ I(λ) là quang phổ của mặt trời và được tính coi như vật đen bức xạ [18]: hc 1 (77) I () 2hc2.5 .exp 1 kTsolar
Với h là hằng số Planck, c là tốc độ ánh sáng trong chân khơng, k là hằng số Boltzmann và Tsolar được lấy giá trị là 5800 K.
Kết quả tính tốn tỉ lệ hấp thụ áng sáng mặt trời theo chiều sâu từ phổ truyền qua của chất lỏng như Hình 4.29. Ta thấy khi tăng hàm lượng CNTs vào dầu silicone đã làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của chất lỏng. Ở độ sâu 14 cm, mặc dù với hàm lượng rất nhỏ CNTs cũng cĩ khả năng hấp thụ 100% ánh sáng chiếu tới. Ở độ sâu 10 cm, với hàm lượng 50 mg/l thì độ hấp thụ năng lượng mặt trời là 99,7%.
Hình 4.30 biểu diễn cơ chế hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hĩa thành nhiệt của dầu silicone chứa CNTs. Dầu silicone gần như trong suốt đối với bức xạ mặt trời, cịn CNTs cĩ phổ hấp thụ rộng và khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến rất mạnh, với chú ý là gần 50% năng lượng mặt trời nằm trong vùng khả kiến. Khi ánh sáng mặt trời chiếu tới dầu silicone chứa CNTs, các electron trên bề mặt CNTs tương tác mạnh với photon và tạo thành nhiệt [101].
Hình 4.29. Sự hấp thụ năng lượng mặt trời theo chiều sâu của chất lỏng
Hình 4.30. Sơ đồ hấp thụ năng lượng mặt trời của dầu silicone chứa CNTs
Nhiệt truyền từ CNTs đến phân tử chất lỏng được kiểm sốt thơng qua sự ghép
cặp phonon-phonon trong CNTs. CNTs cĩ thể đạt đến một trạng thái kích thích với chế độ tần số phonon cao và năng lượng dao động của phonon cuối cùng được chuyển thành nhiệt [113]. Năng lượng chứa trong chế độ phonon tần số cao của CNTs đầu tiên được chuyển đến chế độ phonon tần số thấp trong mơi trường xung quanh và sau đĩ năng lượng nhiệt được khuếch tán trong dầu silicone.
Như vậy, chất lỏng nano CNTs/dầu slicone cĩ thể được ứng dụng làm chất lỏng hấp thụ nhiệt trong các bộ thu năng lượng mặt trời nhờ khả năng phân tán tốt, tính chất quang tuyệt vời. Kết quả cho thấy thời gian rung siêu âm tối thiểu để cĩ thể
phân tán CNTs-COOH vào trong dầu silicone là khoảng 180 phút. Các tính chất của chất lỏng nano CNT/dầu silicone phụ thuộc vào hàm lượng của CNTs. Phổ truyền qua của chất lỏng nano khẳng định CNTs làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của chất lỏng. Với nồng độ 50 mg/l CNTs làm khả năng hấp thụ bước sĩng 550 nm khoảng 55% so với chất lỏng nền và hấp thụ 99,7% năng lượng mặt trời với độ sâu 10 cm. Nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone ở nồng độ 50 mg/l tăng khoảng 5,5% sau thời gian 1h 15 phút chiếu sáng so với chất lỏng nền. Với những tính chất ở trên, chất lỏng nano CNTs/dầu silicone hứa hẹn là vật liệu làm tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng trong các bộ thu năng lượng mặt trời.