Ethylene glycol (EG) là một dung mơi phổ biến được dùng trong các hệ thống truyền nhiệt, cĩ nhiệt độ nĩng chảy ở -12,9oC và sơi ở 197,3oC trong điều kiện thường. EG là dung mơi phân cực giống như nước, do vậy các nhĩm chức hĩa học khi đưa vào EG sẽ xảy ra sự phân ly giống như khi đưa vào nước. Do đĩ khi đưa CNTs đã được gắn các nhĩm chức sẽ tạo các các điện tích cùng dấu trên CNTs, lực Coulomb giữa các ống CNTs sẽ đẩy chúng ra xa nhau, tránh được sự tụ đám, giúp cho CNTs cĩ thể phân tán tốt hơn ở trong chất lỏng dung mơi. CNTs cĩ thể dùng phương pháp hĩa học để gắn nhĩm chức COOH hoặc nhĩm OH, nhưng do EG cĩ chứa nhĩm OH nên nếu gắn CNTs thì sẽ xảy ra phản ứng giữa nhĩm COOH với nhĩm OH của EG. Do vậy chúng tơi đưa ra phương án là gắn nhĩm chức OH vào CNTs rồi mới cho phân tán vào EG. Thời gian xử lý hĩa học CNTs trong hỗn hợp axit là 5h. Để hỗ trợ quá trình phân tán CNTs vào EG thì sau khi cho CNTs-OH vào EG, hỗn hợp sẽ được rung siêu âm. Ngồi ra chúng tơi dùng thêm chất hoạt động bề mặt Tween-80 để làm giảm sức căng bề mặt giữa CNTs và EG, giúp cho sự hịa tan CNTs vào EG tốt hơn. CNTs-OH được phân tán vào EG với các hàm lượng khác nhau: 0,32%, 0,48%, và 0,65% thể tích, kí hiệu tương ứng là NF1, NF2, NF3. Trên Hình 4.13 ta thấy phổ phân bố kích thước tăng khi hàm lượng CNTs tăng. Đỉnh phân bố kích thước của các mẫu NF1, NF2, NF3 tương ứng lần lượt là 110 nm, 125 nm, 150 nm. Điều này chứng tỏ hiện tượng tụ đám của CNTs cĩ xu hướng tăng lên khi tăng nồng độ CNTs. Thế zeta của các mẫu NF1, NF2, NF3 tương ứng là -65 mV, -52,9 mV và - 47,2 mV. Một chất lỏng cĩ độ ổn định tốt khi giá trị tuyệt đối thế zeta của chất lỏng lớn hơn 30 mV ([88], [87]). Kết quả trên cho thấy chất lỏng nano nền EG chứa CNTs- OH, cùng với sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt Tween 80 là chất lỏng nano bền vững, ổn định.
Hình 4.13. Phổ phân bố kích thước của chất lỏng nano CNTs/EG với các
hàm lượng khác nhau
Hình 4.14. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG.
Ống nano cacbon cĩ hệ số dẫn nhiệt rất cao, do đĩ chất lỏng nano chứa CNTs sẽ cĩ độ dẫn nhiệt tăng đáng kể. Độ dẫn nhiệt của ethylen glycol đo ở 25 oC là 0,244 W/(mK) [110]. Hình 4.14 biểu diễn sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG với hàm lượng khác nhau theo nhiệt độ. Cĩ thể thấy rằng độ dẫn nhiệt tăng khi hàm lượng CNTs trong chất lỏng tăng. Khi tăng hàm lượng CNTs, khoảng cách truyền nhiệt giữa các CNTs trong chất lỏng giảm đi nên làm tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng
nano. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy độ dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng. Bằng cách khớp hàm tuyến tính, ta cĩ thể xác định sự tăng của độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ qua giá trị hệ số gĩc của hàm khớp. Hệ số gĩc hàm khớp của các mẫu NF1, NF2, NF3 tương ứng là 0,352, 0,535, 0,788. Kết quả trên chứng tỏ khi hàm lượng CNTs tăng sẽ làm tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano tại mọi nhiệt độ. Ví dụ ở 30 oC, độ dẫn nhiệt của NF3 (8,5%) cao hơn của NF2 (6,4%), cao hơn của NF1 (4,4%). Tại 50 oC, sự tăng độ dẫn nhiệt vẫn giữ thứ tự như vậy nhưng giá trị chênh lệch nhiều hơn, 11,4% ứng với mẫu NF1, 17,7% ứng với mẫu 2 và 24,2% ứng với mẫu NF3. Cơ chế dẫn đến kết quả như trên cĩ thể là do đĩng gĩp của chuyển động Brown [111]. Ngồi ra, sự tăng nhiệt độ cĩ thể làm giảm sự tụ đám của CNTs trong chất lỏng, giảm độ nhớt của chất lỏng và tăng chuyển động Brown.
Nhiệt truyền qua CNTs nhanh hơn nhiều khi truyền qua EG vì hệ số dẫn nhiệt của CNTs cao hơn của EG. CNTs phân tán trong EG tạo ra mạng lưới truyền nhiệt nhanh hơn, do đĩ làm độ dẫn nhiệt của cả hệ tăng lên. Vì vậy cĩ thể kết luận là độ dẫn nhiệt sẽ tăng khi tỉ lệ khối lượng của CNTs so với EG tăng lên và tăng theo nhiệt độ. Tuy nhiên cần chú ý rằng, cĩ rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ dẫn nhiệt của hệ, ví dụ như hình thái, cấu trúc, sự tụ đám của CNTs…
Phổ hấp thụ của chất lỏng nano CNTs/EG như trên Hình 4.15. Đối với chất lỏng nano CNTs/EG với tỉ lệ 0,0036% khối lượng, phổ truyền qua ở vùng bước sĩng 500 nm giảm xuống cịn khoảng 20%, chứng tỏ rằng chỉ cần thêm một lượng rất nhỏ cũng làm tăng đáng kể sự hấp thụ ánh sáng. Với chất lỏng nano CNTs/EG cĩ hàm lượng tỉ lệ 0,013% khối lượng, phổ truyền qua đối với bước sĩng vùng 200nm đến 900nm gần như bằng khơng, khơng thu được tín hiệu. Như vậy đây chính là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng hấp thụ ánh sáng. Phổ truyền qua UV-Vis-NIR của chất lỏng nano CNTs cho thấy khả năng áp dụng rất lớn cho bộ hấp thụ năng lượng mặt trời, trong đĩ ánh sáng được hấp thụ trực tiếp bởi chất lỏng nano CNTs và chuyển thành nhiệt lưu trữ trong chất lỏng nano.
Hình 4.15. Phổ truyền qua của chất lỏng nano CNTs/EG
Hình 4.16. Khả năng hấp thụ nhiệt ánh sáng mặt trời của chất lỏng nano
ethylen glycol chứa CNTs
Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ nhiệt như trên Hình 4.16. Kết quả cho thấy khả năng hấp thụ nhiệt của chất lỏng EG khi cĩ thêm một hàm lượng nhỏ CNTs đã tăng lên đáng kể. Tốc độ tăng nhiệt của chất lỏng nano cũng lớn hơn chất lỏng ethylen
glycol nguyên chất. Nhiệt độ cao nhất của mẫu NF2 và NF3 sau 30 phút chiếu sáng tăng khoảng 4,2% so với EG. Tuy nhiên, cĩ vẻ khả năng chuyển hĩa quang – nhiệt của mẫu NF2 cao hơn so với NF3. Chi tiết sự tăng khả năng chuyển hĩa quang – nhiệt của chất lỏng nano cho như Hình 4.17. Cĩ thể thấy mẫu chất lỏng nano NF1 đạt tới vùng bão hịa tăng 2,1% sau 1500 giây chiếu sáng. Mẫu NF2 và NF3 đạt tới vùng bão hịa tăng 4,2%. Tuy nhiên, mẫu NF2 đạt tới vùng bão hịa sau 750 giây chiếu sáng, trong khi mẫu NF3 cần tới 1750 giây để đạt tới trạng thái bão hịa, mặc dù mẫu NF3 cĩ độ dẫn nhiệt cao hơn. Kết quả này cĩ thể là do khi nồng độ hạt nano quá nhiều sẽ làm tăng sự phát xạ hồng ngoại, do đĩ làm tăng sự mất mát nhiệt. Mặt khác, khi tăng nồng độ sẽ làm tăng sự hấp thụ năng lượng mặt trời của chất lỏng nano ở phần chiều cao nhỏ bên trên, dẫn đến phần lớn chất lỏng bên dưới sẽ cĩ nhiệt độ thấp hơn cả khi chất lỏng nano cĩ nồng độ thấp.
Hình 4.17. Khả năng chuyển hĩa quang nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG
Như vậy, ống nano cacbon đã được gắn nhĩm chức OH qua kết quả phổ Raman
và phổ FTIR. Chất lỏng nano nền EG chứa CNTs-OH cĩ độ ổn định cao được chế tạo bằng phương pháp rung siêu âm cùng với chất hoạt động bề mặt Tween-80. Chất lỏng nano với hàm lượng 0,64% thể tích CNTs cĩ sự tăng độ dẫn nhiệt cao nhất, cỡ 24% tại 50 oC. Khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển hĩa thành nhiệt của chất lỏng nền tăng khi cĩ thêm CNTs, với hàm lượng cho độ tăng lớn nhất là cỡ 0,48% thể tích.
Độ tăng nhiệt độ của chất lỏng nano với hàm lượng 0,64% thể tích và 0,48% thể tích là 4,2% sau 30 phút chiếu sáng so với chất lỏng nền EG. Kết quả này cho thấy khả năng ứng dụng rất lớn của chất lỏng nano chứa CNTs trong các thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời.