CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1 Nhiệt trị liệu – Thermotherapy Thermotherapy hay liệu pháp nhiệt trị liệu là kĩ thuật vật lí trị liệu phổ biến sử dụng nhiệt để giảm đau, thư giãn cơ bắp, tăng cường tuần hoàn máu và thúc đẩy quá trình hồi phục (14). Liệu pháp nhiệt đã được áp dụng rộng rãi trên cơ thể con người để giảm các triệu chứng đau nhức, có thể tạo ra nhiệt cục bộ và mang lại sự thoải mái về nhiệt. Nhiệt trị liệu có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau bao gồm sử dụng túi nước nóng, túi nhiệt, đèn nhiệt hoặc các thiết bị điện…(15). Các kỹ thuật nhiệt trị liệu phổ biến như: • Nhiệt ướt (Moist heat): bao gồm việc sử dụng các túi chườm nóng (Hot Packs), tắm nước nóng (Hot Baths), khăn nóng (Warm compresses)… • Nhiệt khô (Dry heat): bao gồm việc sử dụng các túi nhiệt (Heating pads), Miếng dán nhiệt (Heat wraps), đèn nhiệt (Infrared Lamps)… • Nhiệt trong thể thao (Thermotherapy in sports): bao gồm việc sử dụng nhiệt trước khi tập luyện hoặc sau tập luyện để hạn chế chấn thương và giảm đau nhức.
Bên cạnh việc phân loại liệu pháp nhiệt dựa trên kĩ thuật sử dụng thì phân loại dựa trên khoảng nhiệt độ hữu ích cũng là một chủ đề rất quan trọng. Theo đó nhiệt trị liệu được phân thành ba nhóm chính gồm nhóm vật liệu nhiệt độ thấp (40-41 oC) có tác dụng trong 6-72 giờ; nhiệt độ tầm trung (42-45 oC) có tác dụng trong 15-60 phút; nhiệt độ cao (>50 o C) có tác dụng trong 4-6 phút (14). Mỗi nhóm nhiệt có công dụng hữu ích riêng và trong đó nhóm nhiệt độ tầm trung rất quan trọng được ứng dụng phổ biến cho hỗ trợ y sinh. Các ứng dụng nổi bật của nhiệt trị liệu đã được sử dụng bao gồm: • Điều trị đau lưng: Sử dụng nhiệt trị liệu để giảm đau thắt lưng, đau lưng mãn tính và đau cơ.
• Điều trị viêm khớp: Giúp giảm đau và cứng khớp ở những người bị viêm khớp. • Điều trị đau cổ và vai: Giảm căng cơ và đau ở cổ và vai do làm việc văn phòng hoặc các hoạt động hằng ngày. • Điều trị đau đầu: Sử dụng nhiệt trị liệu để giảm căng thẳng và đau đầu do căng cơ. 1 • Phục hồi sau chấn thương: Sử dụng nhiệt trị liệu để thúc đẩy quá trình hồi phục sau chấn thương thể thao hoặc tai nạn.
Các phương pháp điều trị tiếp xúc truyền thống nêu trên đã thể hiện nhiều tiện ích và hỗ trợ tốt trong y sinh để cải thiện sức khỏe con người. Để liệu pháp nhiệt đạt được hiệu quả tối ưu và khả năng sử dụng hợp lí hơn thì cần giữ nhiệt ở nhiệt độ xác định với thời gian sử dụng đáp ứng yêu cầu của liệu pháp nhiệt. Tuy nhiên những phương pháp tiếp xúc trước đây thường không đáp ứng được yêu cầu trên hoặc cần phải bỏ ra một chi phí lớn hơn cho thiết bị hiện đại để đạt được hiệu quả mong muốn. Bên cạnh đó, các phương pháp gia nhiệt truyền thống lại khá bất tiện trong quá trình chuẩn bị nhiệt điều trị hoặc khả năng linh động, chuyển đổi năng lượng kém(điện-nhiệt, quang-nhiệt,…).
Trong phạm vi nhiệt độ hợp lí từ 40-47 oC có rất nhiều vật liệu chuyển pha đáp ứng yêu cầu về nhiệt, đặc biệt là nhóm vât liệu hữu cơ (16). Túi trườm nhiệt bao gồm các vật liệu thay đổi pha ổn định hình dạng (SSPCMs) đã được công nhận là một phương pháp sẵn có để hỗ trợ làm giảm mệt mỏi và giảm đau đối với cơ thể con người. Khi kết hợp nhiệt trị liệu với vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCMs, phương pháp này trở nên hiệu quả hơn nhờ khả năng ổn định nhiệt, giữ nhiệt lâu, phân phối nhiệt đồng đều và khả năng linh động, chuyển đổi các nguồn năng lượng là khả thi hơn so với các phương pháp cũ (12). Trong luận văn này vật liệu chuyển pha PEG trên nền than chì giãn nở được sử dụng với mục đích cấp nhiệt cho ứng dụng trong miếng bịt mắt.
Mục tiêu hướng đến là kiểm tra khả năng ứng dụng trong liệu pháp nhiệt của hỗn hợp SSPCMs tổng hợp với công dụng làm giảm căng thẳng, nâng cao sức khỏe mắt.2 Vật liệu chuyển pha 1.1 Giới thiệu Vật liệu chuyển pha (Phase change materials) là vật liệu thuộc nhóm lưu trữ nhiệt tiềm ẩn, có khả năng chuyển đổi đa dạng rắn-rắn, rắn-lỏng, lỏng-khí hoặc ngược lại tùy theo điều kiện nhiệt độ (21). Tuy nhiên, các ứng dụng của PCM chuyển đổi pha dạng rắn- khí, lỏng-khí có nhiệt ẩn tiềm năng cao nhưng bị hạn chế trong các hệ thống TES do sự thay đổi thể tích khá lớn dẫn đến tính không ổn định cho hệ thống. Ngược lại ở quá trình chuyển pha rắn-rắn và rắn-lỏng được ưu tiên hơn do tính ổn định cao và thay đổi thế tích bé (nhỏ hơn 10% so với ban đầu), khả năng ứng dụng thực tế khiến các vật liệu này trở nên hấp dẫn hơn về nhiều mặt xét đến (21). 2 Vật liệu chuyển pha hấp thụ năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh, lưu trữ khi chuyển pha và giải phóng dưới dạng nhiệt ở quá trình ngược lại.
Tùy thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc và tính chất mà nhiệt lượng hấp thụ sẽ khác nhau và có những ứng dụng phù hợp cho từng loại vật liệu (22). Ở nhiệt độ nóng chảy, các liên kết nguyên tử được nới lỏng và vật liệu chuyển từ thể rắn sang thể lỏng. Ở quá trình làm mát ngược lại, vật liệu giải phóng nhiệt lượng ra môi trường xung quanh, các phân tử mất năng lượng tự sắp xếp lại và quá trình này vật liệu chuyển từ pha lỏng sang pha rắn. Các năng lượng được hấp thụ hoặc giải phóng trong hai quá trình trên được gọi là nhiệt tiềm ẩn (23).
Nhiệt tiềm ẩn trong vật liệu chuyển pha được hấp thụ vào trong các vi nang mà trong quá trình lưu trữ nhiệt lượng đó vật liệu không bị thay đổi nhiệt độ. Sự cân bằng về nhiệt độ khiến cho PCM trở nên khả thi hơn cho các nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt là các nghiên cứu về tìm kiếm năng lượng mới bền vững và an toàn hơn. Ẩn nhiệt nóng chảy thông thường được biểu thị bằng đơn vị J/g hoặc kJ/kg. Thông thường các vật liệu chuyển pha có thể lưu trữ nhiệt lượng gấp 5-14 lần trên một đơn vị thể tích so với vật liệu lưu trữ nhiệt cảm như nước, đá… việc tận dụng lượng nhiệt năng này để sử dụng cho các mục đích khác nhau là một phương pháp có hiệu quả và lợi thế lớn.
PCM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực (24) như sử dụng trong kỹ thuật lưu trữ năng lượng mặt trời, ứng dụng trong ngành dệt may, xây dựng, hàng không vũ trụ… Các nghiên cứu về vật liệu chuyển pha đã phát triển trong hơn 10 năm qua, luôn là chủ đề được quan tâm và nghiên cứu bởi đông đảo các nhà khoa học.2 Phân loại vật liệu chuyển pha – PCM PCM có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như phân nhóm theo nhiệt độ chuyển pha (nhiệt chuyển pha thấp, nhiệt chuyển pha tầm trung, nhiệt chuyển pha cao), phân nhóm theo đặc trưng quá trình chuyển pha (rắn-rắn, rắn-lỏng, rắn-khí, khí- lỏng) … Tuy nhiên phương pháp phân loại theo bản chất vật liệu cũng là một trong những hình thức phổ biến và rộng rãi nhất. Theo đó nhóm vật liệu PCM được chia thành 3 nhóm gồm nhóm vật liệu hữu cơ, vô cơ và hỗn hợp nhị phân eutectic. Vật liệu chuyển pha hữu cơ – Organic phase change materials (OPCMs) PCM hữu cơ thuộc nhóm vật liệu rất quan trong trong hệ thống của vật liệu chuyển pha do các đặc tính nhiệt vượt trội như ổn định về mặt hóa học, không ăn mòn, tan chảy đồng nhất, không có phản ứng và khá an toàn. Nhiệt ẩn cao cùng với đó là khả năng 3 tương thích rất tốt dẫn đến vật liệu chuyển pha hữu cơ được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi (25).
Vật liệu hữu cơ có 3 nhóm cơ bản gồm vật liệu paraffin, các nhóm axit béo và nhóm polyethylene glycol. Paraffin là vật liệu quan trọng nhất trong TES và được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng thương mại, bao gồm hỗn hợp chủ yếu là các ankan mạch thẳng CH3 – (CH2) – CH3 (26). Khả năng lưu trữ và giải phóng nhiệt lượng trong nhóm vật liệu này phụ thuộc vào khối lượng phân tử, chiều dài mạch càng lớn điểm nóng chảy và nhiệt ẩn càng tăng. Trong điều kiện môi trường bình thường, các paraffin có n < 16 tồn tại ở dạng lỏng và các paraffin có n > 16 tồn tại ở dạng rắn.
Tuy nhiên tổng hợp các paraffin tinh khiết khá mắc tiền, các dạng thương mại cấp kĩ thuật rẻ tiền hơn và được sử dụng nhiều làm vật liệu chuyển pha. Độ tin cậy của vật liệu khá cao, ít tốn kém hơn, không bị ăn mòn, trơ hóa học, an toàn và thay đổi thể tích ít. Bên cạnh những ưu điểm thì nhóm vật liệu này có những nhược điểm không mong muốn như độ dẫn nhiệt thấp, khá dễ cháy, rò rỉ khi chuyển pha. Các nhược điểm trên có thể được khắc phục bằng các phương pháp đóng gói, bao bọc với vật liệu hỗ trợ tốt hơn.
Các axit béo hữu cơ cũng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong các ứng dụng tiềm năng về năng lượng (27). Axit béo là chuỗi hydrocacbon dài chứa nhóm cacboxylic (COOH), công thức chung R-COOH và trong đó R đai diện cho nhóm alkyl. Nguồn axit béo khá đa dạng và sẵn có vì thường chứa trong các dạng este trong dầu và mỡ, ngoài ra có thể thu được từ dầu tự nhiên. Các axit béo thường có số nguyên tử C chẵn từ 4-18 thông dụng như axit caparic, axit lauric, axit palmitic, axit stearic… Nhóm vật liệu PCM này yêu cầu chi phí thấp, độ ổn định hóa học cao, không bị tách pha và có thể là vật liệu thay thế tiềm năng cho paraffin nhờ điểm nóng chảy hợp lí trong khoảng 30-40 oC cùng với nhiệt lượng lưu trữ rất cao 140 J/g đến 208 J/g.
Vật liệu này mang nhiều tính chất thuận lợi như nhiệt tiềm ẩn cao, độ ổn định nhiệt và ổn định hóa học tốt, có khả năng phân hủy sinh học, không độc, ít ăn mòn, áp suất hơi thấp và có nhiệt chuyển pha rất thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nhóm vật liệu này có thể điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy mong muốn bằng cách điều chỉnh trọng lượng phân tử, tuy nhiên ẩn nhiệt của vật liệu có khối lượng phân tử trên 10000 sẽ bị suy giảm do hạn chế độ kết 4 tinh bởi chuỗi phân tử dài.