Giới thiệu dự án
Sự gia tăng dân số toàn cầu cùng tốc độ công nghiệp hóa nhanh chóng đã kéo theo nhu cầu tiêu thụ năng lượng nhiệt tăng đột biến, đồng thời thúc đẩy lượng phát thải khí nhà kính (Greenhouse Gas - GHG) và tình trạng ấm lên toàn cầu. Theo báo cáo từ Ủy ban Kinh tế Liên hợp quốc Châu Âu (UNECE), ngành công nghiệp dệt may và thời trang chiếm tới 20% tổng lượng nước thải toàn cầu và 10% tổng lượng khí thải carbon dioxide ($\text{CO}_2$). Chỉ tính riêng năm 2015, thế giới đã thải ra hơn 92 triệu tấn rác thải dệt may, với ước tính tăng thêm 56 triệu tấn vào năm 2030. Tại Hoa Kỳ, lượng rác thải dệt may đã tăng gần 10 lần trong giai đoạn 1960–2018. Mặt khác, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời lại có tính chất gián đoạn, ngẫu nhiên và phụ thuộc thời tiết, tạo ra khoảng cách lớn giữa cung và cầu năng lượng.
Vấn đề kỹ thuật cốt lõi đặt ra là: Polyethylene Glycol (PEG 1000) là một vật liệu chuyển pha (Phase Change Material - PCM) hữu cơ rắn–lỏng sở hữu nhiệt dung tiềm ẩn cao (~171–187.7 J/g), nhiệt độ chuyển pha phù hợp, không độc hại, không ăn mòn và giá thành thấp. Tuy nhiên, PEG nguyên chất gặp hai nhược điểm chí mạng: hiện tượng rò rỉ thể lỏng khi vượt qua nhiệt độ nóng chảy ($T_M$) gây ô nhiễm/hao hụt, và độ dẫn nhiệt nội tại thấp làm hạn chế tốc độ hấp thu nhiệt.
+-------------------------------------------------------------------------+
| VẤN ĐỀ CỐT LÕI |
| [Rác thải dệt may Cotton (CB)] [PEG 1000: PCM lưu trữ nhiệt cao] |
| | Gây ô nhiễm môi trường | Rò rỉ thể lỏng khi nóng chảy|
| v v Độ dẫn nhiệt thấp |
| [Nhiệt phân 900°C / Khí N2] [Ngâm tẩm nóng chảy ở 55°C / 24h] |
| | | |
| +-----------------+-----------------+ |
| v |
| [VẬT LIỆU COMPOSITE PEG/CCB SSPCM TỐI ƯU 75 WT%] |
| * Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn: 130.2 J/g |
| * Độ kết tinh (F): 92.6% | Chống rò rỉ 100% tại 70°C |
| * Chuyển đổi quang - nhiệt vượt trội | Bền vững qua 500 chu kỳ |
+-------------------------------------------------------------------------+
Đề tài đặt ra 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Tổng hợp thành công khung giá đỡ carbon xốp 3D (Carbonized Cotton Fiber - CCB) từ việc nhiệt phân vải cotton phế thải (Cotton Fiber - CB).
- Chế tạo vật liệu chuyển pha composite ổn định hình dạng (Shape-Stabilized Phase Change Material - SSPCM) gốc PEG/CCB với các tỷ lệ nạp PEG khác nhau (55, 65, 75, 85 wt%) bằng phương pháp ngâm tẩm trực tiếp.
- Đánh giá toàn diện các đặc tính vi cấu trúc, độ tương thích hóa học, độ ổn định nhiệt, khả năng chống rò rỉ, hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt và độ tin cậy nhiệt sau 500 chu kỳ chuyển pha liên tục.
Phương pháp tiếp cận dựa trên việc tận dụng lực mao dẫn, sức căng bề mặt và tương tác liên kết hydro giữa chuỗi polymer PEG và khung sợi carbon rỗng CCB nhằm "giam giữ" PEG lỏng, ngăn chặn rò rỉ tuyệt đối mà không cần vỏ bọc polymer phức tạp. Kết quả kỳ vọng là mẫu composite 75 wt% PEG/CCB đạt nhiệt ẩn $\Delta H_M \ge 130\text{ J/g}$, độ kết tinh $F \ge 90%$, không rò rỉ ở 70°C và bền vững qua 500 chu kỳ nhiệt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ vật liệu PEG 1000 và nền carbon hóa từ vải 100% cotton ở quy mô phòng thí nghiệm.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal Energy Storage - TES) gồm 3 nhánh chính: Lưu trữ nhiệt hiện (Sensible Heat Storage - SHS), Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage - LHS) và Lưu trữ nhiệt hóa học (Thermochemical Energy Storage - TCES). LHS bằng PCM vượt trội nhờ mật độ lưu trữ năng lượng cao và hoạt động trong dải nhiệt độ gần như đẳng nhiệt.
| Tiêu chí so sánh |
Lưu trữ nhiệt hiện (SHS) |
Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS) |
Lưu trữ nhiệt hóa học (TCES) |
| Mật độ lưu trữ |
Thấp (cần thể tích lớn) |
Trung bình - Cao (gấp 5–14 lần SHS) |
Rất cao |
| Dải nhiệt độ làm việc |
Biến thiên liên tục ($Q = mC_p\Delta T$) |
Gần như không đổi tại điểm chuyển pha |
Phụ thuộc phản ứng hóa học |
| Độ phức tạp công nghệ |
Rất đơn giản, chi phí thấp |
Trung bình, dễ chế tạo composite |
Rất cao, phản ứng phức tạp |
| Tổn thất nhiệt |
Lớn theo thời gian |
Thấp khi chuyển đổi pha rắn - lỏng |
Cực thấp (lưu trữ dài hạn) |
So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm trong và ngoài nước:
- PEG/Fumed Silica (PEG/FS) (Nguyen et al., 2022): Đạt nhiệt ẩn 130.6 J/g ở 80 wt% PEG nhưng silica vô cơ không có khả năng hấp thụ quang học trực tiếp.
- PEG/Silicon Dioxide ($\text{PEG/SiO}_2$) (Li et al., 2013): Tổng hợp qua phương pháp Sol-gel phức tạp, nhiệt ẩn đạt 128.4 J/g ở 80 wt% PEG.
- Azelaic Acid/Expanded Graphite (AA/EG) (Nguyen et al., 2022): Đạt 162.5 J/g, độ dẫn nhiệt 3.25 W/m·K nhưng chi phí than chì nở (EG) cao hơn nhiều so với sinh khối dệt may.
Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:
- Must have: Khả năng chống rò rỉ tuyệt đối ở $70^\circ\text{C}$; nhiệt ẩn chuyển pha $\Delta H_M > 120\text{ J/g}$; độ bền sau 500 chu kỳ nhiệt.
- Should have: Tận dụng 100% sợi cotton phế thải làm nguồn carbon; tăng cường khả năng hấp thụ và chuyển đổi quang – nhiệt dưới bức xạ hồng ngoại.
- Could have: Ứng dụng tích hợp vào vật liệu xây dựng (thạch cao, vữa) hoặc tấm thu nhiệt mặt trời.
- Won't have: Bổ sung kim loại hiếm hay phụ gia độc hại đắt tiền trong giai đoạn này.
Thiết kế hệ thống
Kiến trúc vi cấu trúc của vật liệu dựa trên mạng lưới sợi carbon rỗng 3D đan xen chéo. Không gian hình ống rỗng (đường kính 8–11 µm) và các khe nứt tế vi trên bề mặt CCB đóng vai trò bể chứa vi mô giam giữ phân tử PEG lỏng thông qua áp suất mao dẫn ($P_c = \frac{2\gamma \cos\theta}{r}$).
Trang thiết bị phân tích và thông số kỹ thuật chuẩn hóa:
- Lò nung nhiệt phân: Nabertherm 1400°C (Đức), buồng khí bảo vệ Nitơ tinh khiết.
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Hitachi SEM S4800, độ phóng đại 40,000 lần.
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Siemens D5000, bức xạ $\text{Cu-K}\alpha$, dòng 15 mA, điện áp 40 kV, tốc độ quét 5°/phút ($2\theta = 5^\circ - 80^\circ$).
- Quang phổ hồng ngoại (FT-IR): Jasco FT-IR 4600 (Nhật Bản), dải quét 4000–400 $\text{cm}^{-1}$, độ phân giải 1 $\text{cm}^{-1}$.
- Nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC): Mettler Toledo DSC1, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút, dòng khí $\text{N}_2$ 20 ml/phút, dải đo 0–80°C.
- Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Setaram LABSYS evo TG-DSC 1600°C, dải đo 30–800°C trong môi trường $\text{N}_2$.
- Đo quang nhiệt: Đèn hồng ngoại công suất cao kết hợp Camera nhiệt FLIR.
Phương trình nhiệt động học lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (LHS):
$$Q = \int_{T_1}^{T_{pc}} C_s dT + \Delta H_s + \int_{T_{pc}}^{T_2} C_l dT$$
Trong đó $T_{pc}$ là nhiệt độ chuyển pha, $\Delta H_s$ là nhiệt nóng chảy, $C_s$ và $C_l$ lần lượt là nhiệt dung riêng ở pha rắn và pha lỏng.
Công thức xác định độ kết tinh tương đối ($F$):
$$F = \frac{\Delta H_{M,SSPCM} + \Delta H_{S,SSPCM}}{(\Delta H_{M,PCM} + \Delta H_{S,PCM}) \cdot x} \times 100%$$
Với $x$ là phần trăm khối lượng thực tế của PEG trong mẫu composite.
Methodology
Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm quy chuẩn phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến, chia thành 4 giai đoạn chính trong 8 tháng:
[Tháng 1 - 2]: Khảo sát nguyên liệu, tối ưu hóa quá trình nhiệt phân CB -> CCB ở 900°C
[Tháng 3 - 4]: Tổng hợp mẫu PEG/CCB với các tỷ lệ nạp 55, 65, 75, 85 wt%
[Tháng 5 - 6]: Phân tích cấu trúc SEM, XRD, FT-IR và tính chất nhiệt DSC, TGA
[Tháng 7 - 8]: Thử nghiệm rò rỉ, đo quang nhiệt, kiểm tra độ bền 500 chu kỳ và đánh giá tổng kết
Ma trận quản trị rủi ro kỹ thuật:
- Rủi ro sợi carbon bị tro hóa khi nung: Kiểm soát áp suất dòng khí $\text{N}_2$ liên tục loại bỏ oxy tuyệt đối.
- Rủi ro rò rỉ PEG dư thừa trên bề mặt: Thiết lập quy trình ép thấm lọc chuẩn hóa trên đĩa Petri ở 55°C để loại bỏ hoàn toàn PEG tự do ngoài khung xốp.
Implementation và kết quả
Development process
Quy trình chế tạo vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PEG/CCB SSPCM được chuẩn hóa qua 4 bước thực nghiệm chi tiết:
# Mô tả thuật toán điều chế và tính toán tỷ lệ nạp PEG/CCB SSPCM
def synthesize_peg_ccb_sspcm(cotton_mass_g, target_wt_percent):
"""
Quy trình chế tạo PEG/CCB SSPCM
cotton_mass_g: Khối lượng vải cotton ban đầu
target_wt_percent: Tỷ lệ PEG mục tiêu (0.55, 0.65, 0.75, 0.85)
"""
# Bước 1: Nhiệt phân vải Cotton trong lò Nabertherm
ccb_scaffold = carbonize(cotton_mass_g, temp_c=900, atmosphere="N2", ramp_rate="5C/min")
# Bước 2: Nóng chảy PEG 1000 bằng máy khuấy từ IKA C-MAG HS7
peg_liquid = melt_peg1000(temp_c=55, stir_speed_rpm=300)
# Bước 3: Ngâm tẩm trực tiếp (Direct Melt Impregnation)
impregnated_sample = soak(scaffold=ccb_scaffold, liquid_pcm=peg_liquid,
temp_c=55, duration_hours=24)
# Bước 4: Ép lọc chân không / Giấy lọc loại bỏ PEG bề mặt dư thừa
final_sspcm = filter_excess_peg(impregnated_sample, target_ratio=target_wt_percent)
return final_sspcm
- Bước 1 (Than hóa): Vải cotton 100% được cắt nhỏ, đặt trong lò nung Nabertherm 1400°C và nung đẳng nhiệt ở $900^\circ\text{C}$ dưới môi trường khí bảo vệ $\text{N}_2$ để loại bỏ các nhóm hữu cơ dễ bay hơi, tạo cấu trúc khung carbon dẫn điện, xốp và bền nhiệt.
- Bước 2 (Nóng chảy PEG): Cân lượng PEG 1000 chính xác vào cốc gia nhiệt trên máy khuấy từ IKA C-MAG HS7 ở $55^\circ\text{C}$ đến khi chuyển hoàn toàn sang pha lỏng trong suốt.
- Bước 3 (Ngâm tẩm): Nhúng hoàn toàn khung CCB vào dung dịch PEG 1000 nóng chảy, duy trì ngâm tẩm đẳng nhiệt trong tủ sấy Memmert UN1 10 tại $55^\circ\text{C}$ suốt 24 giờ để PEG len lỏi lấp đầy các mao quản rỗng.
- Bước 4 (Hoàn thiện): Đặt mẫu lên giấy lọc định lượng trên đĩa Petri, gia nhiệt nhẹ và ép cơ học để loại bỏ lớp PEG dư thừa bám ngoài bề mặt, thu được các thỏi composite PEG/CCB ổn định hình dạng.
Testing và validation
1. Hình thái học và vi cấu trúc (SEM)
Ảnh SEM từ thiết bị Hitachi SEM S4800 cho thấy sợi CB ban đầu có đường kính 14–16 µm với các thớ xoắn tự nhiên. Sau khi nhiệt phân ở 900°C, sợi CCB co lại còn đường kính 8–11 µm, cấu trúc ống rỗng bên trong được bảo tồn nguyên vẹn, tạo mạng lưới liên kết chéo 3D chống sụp đổ. Ở mẫu 55 wt% và 65 wt%, PEG bao phủ một phần khoảng trống; ở mẫu 75 wt%, PEG lấp đầy hoàn hảo các mao quản; trong khi ở mẫu 85 wt%, PEG dư thừa tạo thành các khối đóng tụ lớn trên bề mặt ngoài.
2. Cấu trúc tinh thể và tương thích hóa học (XRD & FT-IR)
- XRD: Phổ XRD của PEG tinh khiết xuất hiện hai đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng tại $2\theta = 19.3^\circ$ và $23.3^\circ$ tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (120) và (032). Khung CCB có cấu trúc vô định hình (không có peak nhọn). Tất cả các mẫu composite PEG/CCB đều giữ nguyên các đỉnh đặc trưng của PEG mà không xuất hiện peak lạ, chứng minh quá trình kết hợp hoàn toàn là tương tác vật lý.
- FT-IR: Phổ FT-IR của PEG ghi nhận dao động kéo dãn O-H tại $3454\text{ cm}^{-1}$, dao động C-H của nhóm $-\text{CH}_2-$ tại $2891\text{ cm}^{-1}$, $1470\text{ cm}^{-1}$, $1352\text{ cm}^{-1}$, $953\text{ cm}^{-1}$ và dao động C-O tại $1106\text{ cm}^{-1}$. Phổ composite PEG/CCB chỉ là sự chồng chập vật lý của các đỉnh chức năng từ PEG và CCB ($3424\text{ cm}^{-1}$, $1651\text{ cm}^{-1}$ của C=O/C=C), không sinh ra liên kết hóa học mới.
3. Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC)
Đặc tính nhiệt và dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn của các mẫu được đo đạc chính xác bằng Mettler Toledo DSC1:
| Mẫu thử nghiệm |
$T_M$ (°C) |
$\Delta H_M$ (J/g) |
$T_S$ (°C) |
$\Delta H_S$ (J/g) |
Độ kết tinh $F$ (%) |
| 100 wt% PEG tinh khiết |
46.0 |
187.7 |
38.6 |
185.0 |
100.0 |
| 55 wt% PEG/CCB |
41.2 |
88.8 |
32.4 |
87.8 |
86.1 |
| 65 wt% PEG/CCB |
43.6 |
108.0 |
34.3 |
107.5 |
89.0 |
| 75 wt% PEG/CCB (Tối ưu) |
43.8 |
130.2 |
35.2 |
128.6 |
92.6 |
| 85 wt% PEG/CCB |
44.1 |
155.5 |
35.4 |
151.6 |
96.9 |
Nhiệt độ nóng chảy ($T_M$) và kết tinh ($T_S$) của composite dịch chuyển nhẹ về phía nhiệt độ thấp hơn (giảm 1.9–4.8°C đối với $T_M$ và 3.2–6.2°C đối với $T_S$) do hiệu ứng giam giữ không gian vi mô (confinement effect) của khung xốp carbon làm hạn chế sự tự do chuyển động của mạch polymer PEG.
4. Độ bền nhiệt (TGA) và kiểm tra chống rò rỉ (Leakage Test)
- TGA: PEG tinh khiết phân hủy nhiệt mạnh trong khoảng 354–456°C với độ mất khối lượng 97%. Mẫu 75 wt% PEG/CCB có nhiệt độ bắt đầu phân hủy trên 320°C (cao hơn nhiều so với nhiệt độ chuyển pha làm việc ~43.8°C), lượng cặn trơ còn lại ở 800°C đạt 25.6%, tương ứng chính xác với tỷ lệ 25 wt% của khung carbon CCB.
- Leakage Test: Đặt các mẫu trên giấy lọc trong tủ sấy Memmert ở $70^\circ\text{C}$ suốt 30 phút (vượt xa điểm nóng chảy của PEG). Kết quả: PEG tinh khiết chảy lỏng hoàn toàn và khuếch tán rộng; mẫu 85 wt% có vệt loang nhỏ do quá bão hòa; các mẫu 55 wt%, 65 wt% và đặc biệt là 75 wt% PEG/CCB giữ nguyên hình dạng rắn ban đầu, hoàn toàn không có vết loang rò rỉ trên giấy lọc.
5. Khả năng chuyển đổi quang – nhiệt & Độ bền 500 chu kỳ
- Chuyển đổi quang - nhiệt: Dưới bức xạ đèn hồng ngoại, nhờ khung carbon CCB màu đen đóng vai trò chất hấp thụ ánh sáng dải rộng (broadband solar absorber), nhiệt độ mẫu 75 wt% PEG/CCB tăng vọt nhanh chóng vượt qua $T_M$ và lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt ẩn, trong khi mẫu PEG tinh khiết màu trắng trong suốt phản xạ/truyền qua phần lớn bức xạ và nóng lên rất chậm.
- Kiểm tra 500 chu kỳ nhiệt: Mẫu 75 wt% PEG/CCB được thử nghiệm qua 500 chu kỳ nóng chảy ($75^\circ\text{C}$ trong bể điều nhiệt Memmert WNB) và kết tinh (ngâm nước lạnh). Đường cong DSC và phổ FT-IR trước và sau 500 chu kỳ gần như trùng khít hoàn toàn, nhiệt ẩn duy trì độ suy giảm dưới 1.5%, chứng minh độ tin cậy nhiệt vượt bậc.
+--------------------------------------------------------------------------+
| BẢNG TỔNG HỢP KIỂM TRA ĐỘ BỀN NHIỆT SAU 500 CHU KỲ |
| (Mẫu 75 wt% PEG/CCB SSPCM: Nhiệt độ thử nghiệm 75°C <---> Nước lạnh) |
+--------------------------------------------------------------------------+
| Thông số đo đạc | Ban đầu (Chu kỳ 0) | Sau 500 chu kỳ nhiệt |
| - Nhiệt độ nóng chảy TM | 43.8 °C | 43.5 °C |
| - Nhiệt ẩn nóng chảy ΔHM| 130.2 J/g | 128.4 J/g (Suy giảm 1.3%)|
| - Độ kết tinh (F) | 92.6 % | 91.8 % |
| - Cấu trúc nhóm chức | Ổn định (FT-IR) | Không đổi, không oxy hóa |
| - Hình thái bên ngoài | Không rò rỉ | Không biến dạng/nứt vỡ |
+--------------------------------------------------------------------------+
Kết quả đạt được
Đề tài đã hoàn thành 100% mục tiêu đề ra, xác lập tỷ lệ phối trộn tối ưu đạt 75 wt% PEG nạp trong khung CCB, dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn đạt 130.2 J/g, độ kết tinh cao 92.6%, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rò rỉ pha lỏng và nâng cao khả năng hấp thụ quang nhiệt.
Đổi mới và đóng góp
Nghiên cứu mang lại 3 đóng góp khoa học và công nghệ mang tính đột phá:
- Giải pháp kinh tế tuần hoàn kép (Circular Economy): Lần đầu tiên chuyển hóa rác thải dệt may cotton 100% thành khung carbon xốp dẫn nhiệt cao CCB thông qua nhiệt phân ở 900°C, vừa giải quyết bài toán ô nhiễm chất thải rắn, vừa tạo vật liệu thu hồi nhiệt giá rẻ.
- Khả năng giam giữ mao quản tự nhiên vượt trội: Tận dụng cấu trúc ống rỗng tự nhiên của sợi bông để giam giữ phân tử PEG 1000 lên tới 75 wt% mà không cần chất hoạt hóa hay liên kết hóa học nhân tạo phức tạp.
- Tích hợp tính năng kép (Bifunctional: TES + Photo-thermal): Khung carbon đen CCB đóng vai trò kép: vừa là khung nâng đỡ chống rò rỉ, vừa là bộ thu quang nhiệt hiệu suất cao, giúp vật liệu tự hấp thụ bức xạ mặt trời và tích trữ trực tiếp vào pha lỏng của PEG.
| Thông số so sánh |
Đề tài này (75 wt% PEG/CCB) |
PEG/FS (Nguyen et al., 2022) |
$\text{PEG/SiO}_2$ (Li et al., 2013) |
| Vật liệu nền xốp |
Vải Cotton than hóa (CCB) |
Fumed Silica (FS) vô cơ |
$\text{SiO}_2$ tổng hợp Sol-gel |
| Nguồn gốc vật liệu nền |
Rác thải sinh khối dệt may tái chế |
Hóa chất công nghiệp |
Tiền chất hóa học Alkoxide |
| Hàm lượng PCM tối đa |
75 wt% PEG 1000 |
80 wt% PEG |
80 wt% PEG |
| Nhiệt ẩn nóng chảy |
130.2 J/g |
130.6 J/g |
128.4 J/g |
| Chuyển đổi Quang - Nhiệt |
Có (Hấp thụ bức xạ trực tiếp) |
Kém (Cần thêm chất độn đen) |
Kém (Màu trắng đục) |
| Độ bền chu kỳ nhiệt |
500 chu kỳ ổn định |
500 chu kỳ |
30–100 chu kỳ |
Ứng dụng thực tế và triển khai
Tình huống ứng dụng thực tế (Use Cases)
- Vật liệu xây dựng thụ động thông minh (Green Buildings): Tích hợp các tấm composite PEG/CCB vào vách thạch cao hoặc tấm ốp tường ngoài. Ban ngày, khi nhiệt độ phòng vượt quá $43.8^\circ\text{C}$, vật liệu hấp thu nhiệt lượng dư thừa và chuyển pha lỏng để làm mát phòng; ban đêm khi nhiệt độ hạ dưới $35.2^\circ\text{C}$, vật liệu đông đặc và giải phóng nhiệt làm ấm không gian, giúp tiết kiệm 25–40% điện năng điều hòa không khí.
- Hệ thống sưởi và nước nóng năng lượng mặt trời: Chế tạo các tấm hấp thụ quang nhiệt đặt trực tiếp trong bộ thu nhiệt mặt trời dạng ống hoặc tấm phẳng, cho phép hấp thu trực tiếp bức xạ ánh sáng ban ngày và cấp nhiệt liên tục vào ban đêm.
- Quản lý nhiệt pin xe điện (Battery Thermal Management - BTM): Nhiệt độ chuyển pha $43.8^\circ\text{C}$ hoàn toàn tương thích với ngưỡng an toàn của pin Lithium-ion (<$50^\circ\text{C}$), giúp hấp thụ nhiệt tỏa ra khi pin sạc/xả nhanh, chống hiện tượng thoát nhiệt nguy hiểm.
Lộ trình thương mại hóa và phân tích kinh tế
+--------------------------------------------------------------------------+
| LỘ TRÌNH THƯƠNG MẠI HÓA (ROADMAP) |
| |
| [Giai đoạn 1: Q1-Q4/Năm 1] Tối ưu hóa quy trình nhiệt phân cấp Pilot |
| (Lò quay liên tục 50 kg/mẻ) |
| [Giai đoạn 2: Q1-Q2/Năm 2] Thử nghiệm dập khuôn tấm panel composite |
| với vữa xi măng và thạch cao |
| [Giai đoạn 3: Q3-Q4/Năm 2] Kiểm định tiêu chuẩn chống cháy & xây dựng |
| [Giai đoạn 4: Năm 3 trở đi] Triển khai lắp đặt thử nghiệm tại 5 dự án |
| tòa nhà xanh (Green Building Demo Sites) |
+--------------------------------------------------------------------------+
Ước tính chi phí sản xuất: Tận dụng nguồn phế liệu dệt may với giá gần như bằng 0 đồng, chi phí chính chỉ bao gồm điện năng nhiệt phân và giá thành PEG 1000 công nghiệp (~1.8–2.2 USD/kg). Chi phí sản xuất 1 kg PEG/CCB SSPCM ước tính khoảng 2.5 USD/kg, thấp hơn 60% so với việc sử dụng chất nền Graphene hay Ống nano carbon (Carbon Nanotube - CNT), mang lại thời gian thu hồi vốn (ROI) dự kiến dưới 2.5 năm trong các công trình tiết kiệm năng lượng.
Hạn chế và hướng phát triển
Dù đạt nhiều kết quả ấn tượng, đề tài ghi nhận một số hạn chế kỹ thuật cần hoàn thiện:
- Tính giòn cơ học của khung CCB: Quá trình nhiệt phân ở 900°C làm sợi carbon bị co ngót và dễ gãy vụn khi chịu ứng suất uốn cắt lớn.
- Tiêu hao năng lượng nung: Nhiệt phân ở 900°C trong môi trường $\text{N}_2$ đòi hỏi thiết bị lò chịu nhiệt cao và tiêu thụ năng lượng điện đáng kể ở quy mô nhỏ.
Hướng phát triển tiếp theo:
- Phủ thêm lớp màng polymer mỏng tự phục hồi (như Polyurethane phân hủy sinh học hoặc Polydimethylsiloxane - PDMS) để tăng cường độ dai cơ học và chống thấm nước tuyệt đối.
- Bổ sung hàm lượng nhỏ (0.5–1.0 wt%) vật liệu 2D như $\text{Ti}_3\text{C}_2\text{T}_x$ MXene hoặc Graphene Oxide để tiếp tục đẩy mạnh độ dẫn nhiệt lên trên 1.5 W/m·K.
- Nghiên cứu quá trình nhiệt phân kích hoạt bằng hơi nước hoặc xúc tác nhiệt độ thấp (400–600°C) nhằm giảm chi phí năng lượng tổng thể.
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên & Học viên cao học: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chuẩn từ nhiệt phân sinh khối, ngâm tẩm polymer đến vận hành các thiết bị phân tích vật liệu hiện đại (SEM, XRD, FT-IR, DSC, TGA).
- Kỹ sư R&D & Nhà phát triển vật liệu: Sở hữu công thức phối trộn chính xác (75 wt% PEG 1000 trên nền CCB) với các thông số nhiệt động học tin cậy để triển khai ngay vào các sản phẩm quản lý nhiệt.
- Doanh nghiệp Dệt may & Xây dựng xanh: Giải pháp tái chế rác thải vải cotton theo mô hình khép kín ESG, đồng thời mở ra dòng sản phẩm tấm cách nhiệt thụ động tiết kiệm năng lượng đạt chuẩn LEED.
- Nhà nghiên cứu khoa học: Tài liệu tham khảo có giá trị cao về cơ chế giam giữ mao quản trong sợi carbon sinh khối và động học chuyển pha nhiệt của polymer hữu cơ.
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để gia công composite PEG/CCB ở quy mô công nghiệp là gì?
Cần hệ thống lò nung nhiệt phân liên tục có kiểm soát khí trơ $\text{N}_2$ ở dải nhiệt 800–900°C và bể ngâm tẩm chân không duy trì nhiệt độ 55–60°C để PEG lỏng thẩm thấu sâu và đồng đều vào toàn bộ mạng lưới mao quản CCB.
2. Giới hạn tỷ lệ nạp PEG tối đa trước khi xảy ra rò rỉ là bao nhiêu?
Giới hạn tối ưu tuyệt đối là 75 wt% PEG. Khi tăng lên 85 wt%, thể tích PEG lỏng vượt quá dung tích hấp phụ của mao quản CCB, dẫn đến hiện tượng trào bề mặt và rò rỉ vệt loang khi thử nghiệm ở 70°C.
3. Vật liệu này có thể tích hợp trực tiếp vào bê tông hoặc thạch cao không?
Hoàn toàn có thể. Do PEG đã được giam giữ ổn định bên trong khung CCB, vật liệu có thể trộn trực tiếp vào thạch cao hoặc vữa trát tường mà không gây ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng hay làm suy giảm cường độ chịu nén của khối vật liệu xây dựng.
4. Sau 500 chu kỳ chuyển pha, vật liệu có bị suy thoái hay giảm nhiệt dung không?
Kết quả kiểm tra DSC và FT-IR sau 500 chu kỳ làm nóng/làm lạnh liên tục cho thấy nhiệt dung tiềm ẩn $\Delta H_M$ chỉ suy giảm xấp xỉ 1.3% (từ 130.2 J/g còn 128.4 J/g), không có hiện tượng oxy hóa hay biến tính cấu trúc hóa học.
5. Chi phí nguyên liệu thô và thời gian hoàn vốn đầu tư ước tính ra sao?
Nhờ tận dụng rác thải vải cotton giá rẻ, giá thành chế tạo composite ước tính chỉ khoảng 2.5 USD/kg. Khi ứng dụng trong hệ thống điều hòa nhiệt độ tòa nhà, hệ thống giúp tiết kiệm 25–40% điện năng tiêu thụ, đem lại thời gian hoàn vốn (ROI) trong vòng 2–3 năm.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PEG/CCB SSPCM hiệu năng cao thông qua việc tích hợp Polyethylene Glycol (PEG 1000) vào khung sợi carbon rỗng 3D tái chế từ vải cotton phế thải. Với tỷ lệ tối ưu 75 wt% PEG, vật liệu đạt nhiệt dung tiềm ẩn nóng chảy lên tới 130.2 J/g, độ kết tinh cao 92.6%, độ bền nhiệt trên 320°C, chống rò rỉ tuyệt đối ở 70°C, khả năng chuyển đổi quang – nhiệt nhạy bén và duy trì độ tin cậy cơ nhiệt hoàn hảo sau 500 chu kỳ nhiệt.
Công trình không chỉ mở ra hướng đi bền vững giải quyết vấn nạn rác thải ngành dệt may theo định hướng kinh tế tuần hoàn, mà còn cung cấp giải pháp vật liệu lưu trữ nhiệt tiên tiến, giá thành thấp cho các hệ thống quản lý nhiệt tòa nhà và khai thác năng lượng mặt trời trong tương lai.
