Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu phát triển hệ vật liệu chuyển pha định hình thân thiện môi trường định hướng ứng dụng trong xây dựng và cách nhiệt (23/05/2025)

Với mục tiêu nghiên cứu tối ưu hóa quy trình chế tạo hệ vật liệu chuyển pha định hình trên cơ sở các nguồn nguyên liệu gốc thực vật, bao gồm cả vấn đề tái sử dụng hoặc thu hồi xử lý những sản phẩm phụ khác thu được trong quá trình tổng hợp vật liệu. Đồng thờinghiên cứu ứng dụng hệ vật liệu chuyển pha định hình vào điều kiện thực tế tại Việt Nam thông qua thử nghiệm trên mô hình thực tế quy mô 5m². Từ năm 2020-2023, Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã triển khai thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp quốc gia: Nghiên cứu phát triển hệ vật liệu chuyển pha định hình thân thiện môi trường định hướng ứng dụng trong xây dựng và cách nhiệt.

Đề tài nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở những kết quả nghiên cứu sơ bộ đã đạt được từ đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu chuyển pha thân thiện môi trường trên cơ sở các hợp chất có nguồn gốc thực vật và định hướng ứng dụng” (mã số: CT0000.01/18-19) do nhóm tác giả trực tiếp thực hiện, với định hướng mở rộng nhằm nâng cao tính ứng dụng vào thực tiễn của sản phẩm thu được. Đây là một hướng nghiên cứu đúng đắn, do vật liệu chuyển pha là một nhóm vật liệu mới đáp ứng được xu hướng phát triển của thế giới trong tương lai, mà minh chứng rõ nét nhất chính là dự báo tăng trưởng vô cùng ấn tượng của thị phần tiêu thụ nhóm vật liệu này. Để có thể triển khai tốt đề tài nghiên cứu này, nhóm tác giả đã tiếp cận vấn đề bằng nhiều con đường khác nhau, nhằm mục tiêu cuối cùng là trong điều kiện cho phép tìm ra được những sản phẩm nghiên cứu tối ưu nhất, phù hợp nhất đối với điều kiện thực tiễn tại Việt Nam. Nhóm tác giả cũng vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau trong quá trình nghiên cứu, bao gồm:(i) Phương pháp kế thừa: kế thừa kết quả đạt được từ những công trình nghiên cứu đã thực hiện cả trong nước và quốc tế, đặc biệt là công trình nghiên cứu do chính nhóm tác giả hoàn thành, cũng như các kiến thức mang tính nền tảng liên quan đến lĩnh vực tổng hợp vật liệu, gia công bao vi nang, kiến trúc ứng dụng…; (ii) Phương pháp tổng hợp: tổng hợp lại hệ thống kiến thức đã tìm hiểu được, từ đó đưa ra cái nhìn đúng đắn về ưu – nhược điểm của những công trình nghiên cứu đã thực hiện, rút ra bài học kinh nghiệm xác định các hướng tiếp cận vấn đề đúng đắn, đáp ứng một cách tốt nhất yêu cầu mà nhiệm vụ đặt ra; (iii) Phương pháp khảo sát thực nghiệm: trên cơ sở các hướng tiếp cận đã vạch ra, tiến hành khảo sát thực nghiệm nhằm kiểm tra đánh giá các giả thiết cơ sở của từng hướng tiếp cận, xác định được tính khả thi của từng hướng, từ đó cải thiện và hoàn thiện được các nội dung của công trình nghiên cứu; (iv) Phương pháp kỹ thuật: các phương pháp kỹ thuật được vận dụng nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đối với từng công đoạn chế tạo hệ vật liệu, cũng như xác định tính chất của vật liệu tạo thành. Các phương pháp phân tích chính được sử dụng trong đề tài này bao gồm các phương pháp phân tích phổ (phổ cộng hưởng từ hạt nhân, phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier), phương pháp phân tích nhiệt (nhiệt quét vi sai, nhiệt trọng, độ dẫn nhiệt), phương pháp phân tích cấu trúc vi mô của vật liệu (kính hiển vi điện tử quét, tinh thể học tia X, hấp phụ Brunauer–Emmett–Teller), và phương pháp phân tích tính chất cơ lý của vật liệu (độ bền va đập, độ bền nén, độ bền uốn).

Trải qua 42 tháng thực tế nghiên cứu, đề tài đã đạt được một số kết quả cụ thể như sau:

(1) Kết quả tối ưu hóa quy trình tổng hợp tổ hợp vật liệu chuyển pha nền:

- Xác định được một số thông số kỹ thuật phù hợp nhất thông qua phương pháp tổng hợp song song nhằm tối giản hóa quy trình phản ứng; Một hỗn hợp hai loại ancol béo ban đầu đã được sử dụng nhằm trực tiếp tổng hợp hỗn hợp eutectic của hai hợp chất chuyển pha dialkyl cacbonat béo tương ứng, thay vì tổng hợp từng loại dialkyl cacbonat béo rồi mới tiến hành phối trộn. Kết quả phân tích Cộng hưởng từ hạt nhân NMR 1H được sử dụng nhằm khẳng định thành phần hoá học của các sản phẩm tổng hợp được, trong khi kết quả phân tích Nhiệt quét vi sai DSC được sử dụng nhằm xây dựng biểu đồ tính chất chuyển pha của tổ hợp từ bốn hợp chất chuyển pha ban đầu, trên cơ sở đó cho phép đánh giá chính xác thành phần của hỗn hợp sản phẩm thu được tại các điều kiện phản ứng khác nhau.

- Xác định được một số thông số kỹ thuật phù hợp nhất (bao gồm tỷ lệ nguyên liệu đầu vào, loại và hàm lượng chất xúc tác, nhiệt độ phản ứng, và thời gian phản ứng) nhằm tổng hợp bốn hợp chất chuyển pha (bao gồm di-1-dodecyl cacbonat, di-1-tetradecyl cacbonat, di-1-hexadecyl cacbonat, và di-1-octadecyl cacbonat) thông qua tái sử dụng sản phẩm phụ nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế; Hỗn hợp sản phẩm phụ sau tinh chế dialkyl cacbonat béo chứa các thành phần dialkyl cacbonat béo dư, sản phẩm phụ metyl alkyl cacbonat béo, cùng ancol béo chưa phản ứng hết đã được sử dụng với vai trò nguyên liệu ban đầu bổ sung cho quá trình tổng hợp hợp chất dialkyl cacbonat béo tương ứng. Kết quả phân tích Cộng hưởng từ hạt nhân NMR 1H được sử dụng nhằm xác định sự thay đổi thành phần hoá học trong hỗn hợp phản ứng theo thời gian, từ đó cho phép xác định các thông số kỹ thuật phù hợp nhất, trong khi kết quả phân tích Nhiệt quét vi sai DSC được sử dụng nhằm kiểm chứng tính chất chuyển pha của sản phẩm cuối cùng thu được; Dựa vào các kết quả nghiên cứu thu được, có thể khẳng định việc tái sử dụng sản phẩm phụ thu được từ quá trình tinh chế alkyl cacbonat để tiếp tục tổng hợp alkyl cacbonat tương ứng là hoàn toàn khả thi.

- Xây dựng một hệ thống quy trình tổng hợp vật liệu chuyển pha gốc dialkyl cacbonat đã được xây dựng, bao gồm ba quy trình, cụ thể: Quy trình tổng hợp vật liệu chuyển pha quy mô 10 kg/mẻ;  Quy trình tổng hợp tổ hợp eutectic vật liệu chuyển pha quy mô 10 kg/mẻ; Quy trình tổng hợp vật liệu chuyển pha sử dụng nguyên liệu tổ hợp từ phụ phẩm quy mô 10 kg/mẻ. Trong đó, mỗi quy trình trên đều bao gồm những nội dung chi tiết như: phạm vi ứng dụng, nguyên liệu đầu vào, hệ thống trang thiết bị, nội dung quy trình, yêu cầu đầu với sản phẩm đầu ra, cùng một số kết quả phân tích tham chiếu cho sản phẩm đầu ra. Việc thành công xây dựng được những quy trình này đã giúp nâng cao giá trị thực tiễn và khả năng ứng dụng của hai nghiên cứu trước đó, đặt cơ sở cần thiết cho việc ứng dụng kết quả nghiên cứu khoa học vào thực tiễn sản xuất.

(2) Kết quả nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu chuyển pha định hình:

- Đã tiến hành khảo sát khả năng tổng hợp vật liệu bao vi nang với cấu trúc hạt đa lớp, bao gồm lớp trong là chất chuyển pha được bao phủ hoàn toàn bởi lớp vật liệu vỏ là CaCO₃ thu được từ phản ứng tạo kết tủa giữa CaCl₂ và Na₂CO₃, hoặc silica thu được từ phản ứng thuỷ phân và đa ngưng tụ của TEOS.Các kết quả nghiên cứu cho thấy, phương pháp bao vi nang bằng silica cho hiệu quả vượt trội so với phương pháp bao vi nang bằng CaCO₃, với nguyên nhân chủ yếu là do bản chất hoá học của phản ứng hình thành nên lớp vỏ bao vi nang. Vật liệu chuyển pha định hình thu được từ phản ứng bao vi nang chất chuyển pha bằng silica có hiệu quả ẩn nhiệt chuyển pha tương đương khoảng 75% so với chất chuyển pha ban đầu. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu chuyển pha định hình có tính chất bền nhiệt và tính chất dẫn nhiệt được cải thiện so với chất chuyển pha ban đầu. Vật liệu chuyển pha định hình tổng hợp được có nhiệt độ chuyển pha trong khoảng 28,54 - 30,37 °C và ẩn nhiệt chuyển pha khoảng trên 105 J/g, tương đối phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng giữ nhiệt và cách nhiệt tại Việt Nam.

- Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát khả năng tổng hợp vật liệu chuyển pha định hình dạng tấm với hai thành phần chính, bao gồm vật liệu chuyển pha nguyên bản hoặc vật liệu chuyển pha biến tính dạng hạt (thu được từ hai nội dung nghiên cứu trước đó), và vật liệu nền kết dính gốc polyme hữu cơ. Các loại vật liệu nền kết dính gốc polyme hữu cơ được lựa chọn khảo sát bao gồm nhựa epoxy, nhựa polyester, và nhựa polyuretan. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, trong khuôn khổ các điều kiện khảo sát, vật liệu chuyển pha định hình dạng tấm thu được tại trạng thái ổn định có hàm lượng chất chuyển pha nguyên bản thấp, cao nhất chỉ đạt khoảng 30% tổng khối lượng vật liệu. Bởi vậy, ẩn nhiệt chuyển pha của vật liệu chuyển pha định hình dạng tấm thu được cũng chỉ đạt tối đa khoảng 30% so với chất chuyển pha nguyên bản (tương đương khoảng 42 J/g), chưa thực sự phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng giữ nhiệt và cách nhiệt tại Việt Nam. Trong trường hợp sử dụng trực tiếp chất chuyển pha nguyên bản, nguyên nhân dẫn tới hiện tượng trên là do khả năng tương hợp giữa chất chuyển pha với cả ba loại vật liệu nền kết dính gốc polyme hữu cơ còn thấp, dẫn tới sự rò rỉ của chất chuyển pha thông qua bề mặt tấm vật liệu ngay tại những hàm lượng đưa vào không cao (dưới 20% tổng khối lượng). Ngược lại, khi sử dụng các loại chất chuyển pha biến tính được định hình thông qua phương pháp hấp thụ hoặc phương pháp bao vi nang thì hiệu quả tương hợp đã được cải thiện đáng kể, nhưng do hàm lượng chất chuyển pha nguyên bản chứa trên các loại vật liệu biến tính này không cao, dẫn tới hàm lượng chất chuyển pha nguyên bản tồn tại trong khối vật liệu dạng tấm cuối cùng vẫn duy trì trong ngưỡng tương đối thấp.

(3) Kết quả khảo sát ứng dụng của hệ vật liệu chuyển pha định hình dạng tấm vào điều kiện mô hình thực tế:

- Đã tiến hành khảo sát các điều kiện nhiệt độ tại khu vực Hà Nội trong khoảng thời gian mùa hè, nhằm xác định đối tượng vật liệu chuyển pha phù hợp nhất cho các ứng dụng giữ nhiệt và cách nhiệt tại Việt Nam. Thông qua kết quả đánh giá này, hỗn hợp eutectic của di-1-hexadecyl cacbonat và di-tetradecyl cacbonat đã được lựa chọn, do chúng có nhiệt độ chuyển pha phù hợp nằm trong khoảng 29 - 32°C. Tiếp đó, các thử nghiệm đã được tiến hành nhằm xác định tính hiệu quả ứng dụng thực tế của tổ hợp chất chuyển pha, cũng như hệ vật liệu chuyển pha định hình dạng tấm chế tạo được từ tổ hợp chất chuyển pha này. Kết quả khảo sát trên hệ mô hình với tổng diện tích 5 m² và điều kiện chiếu sáng mô phỏng cho thấy, tổ hợp chất chuyển pha kết hợp hệ thống trần phụ mang lại kết quả cách nhiệt tuyệt vời so với các hệ thống cách nhiệt khác được khảo sát, bao gồm hệ thống chỉ trần phụ, và trần phụ với xốp cách nhiệt.

- Tại tải trọng 6 kg tổ hợp chất chuyển pha/m² kết hợp với hệ thống trần phụ, thời gian để nhiệt độ đạt cao nhất tăng 255 phút so với phòng tham chiếu, đồng thời nhiệt độ cao nhất cũng giảm 11 - 17°C. Việc sử dụng tổ hợp chất chuyển pha cũng đã được chứng minh là có thể kéo dài đáng kể thời gian điều kiện nhiệt độ thoải mái (dưới 35°C) trong các buồng thử nghiệm. Về lý thuyết, điều này sẽ làm giảm đáng kể nhu cầu điều hòa không khí và do đó giúp giảm tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, khi sử dụng vật liệu chuyển pha dạng tấm, thì hiệu quả trên đã xuất hiện sự suy giảm đáng kể.Điều này có thể giải thích là do vật liệu chuyển pha dạng tấm sở hữu ẩn nhiệt chuyển pha thấp hơn nhiều so với tổ hợp chất chuyển pha nguyên bản (khoảng 40 J/g, so với khoảng 140 J/g), bởi vậy hiệu quả tích trữ nhiệt năng của loại vật liệu này cũng sẽ kém hơn đáng kể so với tổ hợp chất chuyển pha nguyên bản. Việc tăng khối lượng vật liệu sử dụng sẽ có thể giúp cải thiện khả năng cách nhiệt, tuy nhiên đồng thời điều này cũng sẽ ảnh hưởng tới tính kinh tế, cũng như tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu do yêu cầu cần kết hợp với cấu trúc gia cường tương ứng, cũng như cản trở liên quan đến vấn đề giải phóng nhiệt năng tích trữ của khối vật liệu quá dày.

Nhóm nghiên cứu kiến nghị, đây là những kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và giá trị thực tiễn cao, tuy nhiên cần thiết phải có những nghiên cứu tiếp theo nhằm giúp mở rộng khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu này vào điều kiện thực tế.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tại tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng hoặc Cục Thông tin, Thống kê./.