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.
4.6. Bitumen chứa CNTs
Bitumen là một dạng vật liệu chống thấm cao cấp, cĩ nguồn gốc từ dầu thơ hoặc cĩ trong nhựa đường tự nhiên. Với màu tối, đen và độ nhớt cao, bitumen được tối ưu hĩa với các khống chất và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng và các cơng trình giao thơng. Nhờ màu sắc khác biệt của vật liệu này mà ta cĩ thể áp dụng bitumen trong những lĩnh vực khác. Chẳng hạn với bitumen màu đen cĩ thể hấp thụ ánh sáng mặt trời với hiệu suất cao (khoảng 90%) [114] nên cĩ khả năng áp dụng trong các hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của bitumen khá thấp [115], do đĩ để giải quyết vấn đề và cải thiện hiệu suất của bitumen trong các nghiên cứu về khai thác chuyển hĩa năng lượng mặt trời thì cần kết hợp bitumen với các vật liệu khác để nâng cao hiệu quả đạt được. Theo nhiều nhĩm nghiên cứu, các tính chất vật lý và cơ học của bitumen được tăng cường bằng cách thêm các vật liệu khác như polymer, sợi cacbon ([116],[117]).
Kể từ khi Iijima cơng bố tài liệu tìm ra CNTs với thế giới vào năm 1991 ([118]– [122]), đã cĩ nhiều cơng trình khoa học sau đĩ cho thấy CNTs là vật liệu sở hữu nhiều tính chất độc đáo và ưu việt. Tính chất cơ học của chúng cĩ được bằng các phương pháp như kéo dài và uốn cong chúng. Chúng cĩ mơ đun Young đặc biệt cao, nĩ khoảng 1000 GPa và độ bền kéo được tính là 150-180 GPa [121]. Ngồi ra, diện tích bề mặt riêng khá lớn ở kích thước nano kết hợp với độ dẫn nhiệt cao, độ dẫn nhiệt cỡ 3000-6600 W / mK [123] làm cho CNTs trở thành vật liệu gia cường đầy hứa hẹn trong vật liệu tổ hợp hoặc vật liệu lai.
Chính vì vậy, việc gia cường CNTs trong bitumen được dự đốn khơng chỉ cải thiện tính chất cơ học của bitumen/CNTs composite mà cịn làm tăng tính dẫn nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời. Do ở nhiệt độ thường, bitumen ở trạng thái rắn, khi nhiệt độ cao hơn thì vật liệu mềm dần và hĩa lỏng, nên khi áp dụng vào hấp thụ năng lượng mặt trời vẫn cần khảo sát thêm sự ảnh hưởng các đặc tính cơ học của bitumen khi cĩ thêm CNTs. Vì vậy, trong phần này chúng tơi trình bày các kết quả đạt được trong chế tạo và khảo sát một số tính chất như độ kim lún, độ bền kéo, điểm hĩa mềm và đặc biệt là khả năng hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời của vật liệu tổ hợp bitumen/CNTs.
Vật liệu CNTs được chế tạo tại Viện Khoa học Vật liệu (IMS), Viện Khoa học Hàn Lâm Việt Nam (VAST) bằng phương pháp bay hơi hĩa học (Chemical vapor deposition - CVD). Vật liệu bitumen sử dụng trong nghiên cứu cĩ các tính chất cơ lý được liệt kê như Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Tính chất của bitumen
Đặc tính Giá trị
Độ kim lún (mm) 3,8
Điểm hĩa mềm (oC) 66,3
Độ bền kéo (cm) 3,0
Như trên Hình 4.31, vật liệu tổ hợp bitumen/CNTs được chế tạo theo 6 bước như sau:
- Bước 1: CNTs được biến tính trong hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4 với tỉ lệ 1:3 trong 5h ở nhiệt độ 60oC.
- Bước 2: Hỗn hợp trên sẽ được lọc rửa để loại bỏ axit và làm khơ ở 80oC trong vịng 24h.
- Bước 3: Đun nĩng bitumen từ nhiệt độ phịng lên 200oC để vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng, dùng máy trộn với tốc độ 100 vịng/phút.
- Bước 4: Thêm từ từ vật liệu CNTs biến tính vào bitumen với hàm lượng định sẵn, giữ máy trộn ở tốc độ quay 100 vịng/phút.
- Bước 5: Để máy trộn ở tốc độ cao 2700 vịng/phút trong thời gian 30 phút để CNTs phân tán đồng đều trong nền bitumen.
- Bước 6: Cho vật liệu vào khuơn với cấu hình thuận tiện cho việc khảo sát các tính chất.
Các mẫu được tiến hành khảo sát các tính chất bao độ kim lún, điểm hĩa mềm, độ bền kéo, khả năng hấp thụ nhiệt. Các phép đo độ kim lún, điểm hĩa mềm và độ bền kéo được thực hiện tại Viện Khoa học Giao thơng Vận tải (ITST) theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7495-7497:2005.