Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie kasutataval brauseri versioonil on piiratud CSS-i tugi. Parima tulemuse saavutamiseks soovitame teil kasutada brauseri uuemat versiooni (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiimi). Seni kuvame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiili ja JavaScriptita.
Steariinhapet (SA) kasutatakse energiasalvestusseadmetes faasimuutusmaterjalina (PCM). Selles uuringus kasutati SiO2 kesta pindaktiivse aine mikrokapseldamiseks sool-geel meetodit. Erinevad SA kogused (5, 10, 15, 20, 30 ja 50 g) kapseldati 10 ml tetraetüülortosilikaati (TEOS). Sünteesitud mikrokapseldatud faasimuutusmaterjali (MEPCM) iseloomustati Fourier' teisendusega infrapunaspektroskoopia (FT-IR), röntgendifraktsiooni (XRD), röntgenfotoelektronspektroskoopia (XPS) ja skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil. Iseloomustamise tulemused näitasid, et SA kapseldati edukalt SiO2-ga. Termogravimeetriline analüüs (TGA) näitas, et MEPCM-il on parem termiline stabiilsus kui CA-l. Diferentsiaalse skaneeriva kalorimeetria (DSC) abil leiti, et MEPCM-i entalpia väärtus ei muutunud isegi pärast 30 kuumutamis-jahutustsüklit. Kõigist mikrokapseldatud proovidest oli 50 g SA-l, mis sisaldas MEPCM-i, kõrgeim latentne sulamis- ja tahkumissoojus, mis olid vastavalt 182,53 J/g ja 160,12 J/g. Pakendi efektiivsuse väärtus arvutati termiliste andmete põhjal ja sama proovi puhul leiti kõrgeim efektiivsus, mis oli 86,68%.
Ligikaudu 58% ehitustööstuses kasutatavast energiast kulub hoonete kütmiseks ja jahutamiseks1. Seetõttu on kõige olulisem luua tõhusad energiasüsteemid, mis võtavad arvesse keskkonnareostust2. Latentse soojuse tehnoloogia, mis kasutab faasimuutusmaterjale (PCM), suudab salvestada suurt energiat madalate temperatuurikõikumiste korral3,4,5,6 ning seda saab laialdaselt kasutada sellistes valdkondades nagu soojusülekanne, päikeseenergia salvestamine, lennundus ja kliimaseadmed7,8,9. PCM neelab päeval hoonete välispinnalt soojusenergiat ja vabastab energiat öösel10. Seetõttu soovitatakse soojusenergia salvestamise materjalidena faasimuutusmaterjale. Lisaks on erinevat tüüpi PCM-e, näiteks tahke-tahke, tahke-vedelik, vedelik-gaas ja tahke-gaas11. Nende hulgas on kõige populaarsemad ja sagedamini kasutatavad faasimuutusmaterjalid tahke-tahke faasimuutusmaterjalid ja tahke-vedelik faasimuutusmaterjalid. Nende rakendamine on aga väga keeruline vedel-gaas ja tahke-gaasi faasisiirdematerjalide tohutute mahumuutuste tõttu.
PCM-il on oma omaduste tõttu mitmesuguseid rakendusi: neid, mis sulavad temperatuuril alla 15 °C, saab kasutada kliimaseadmetes külma temperatuuri hoidmiseks ja neid, mis sulavad temperatuuril üle 90 °C, saab kasutada küttesüsteemides tulekahjude vältimiseks12. Sõltuvalt rakendusest ja sulamistemperatuuri vahemikust on erinevatest orgaanilistest ja anorgaanilistest kemikaalidest sünteesitud mitmesuguseid faasimuutusmaterjale13,14,15. Parafiin on kõige sagedamini kasutatav faasimuutusmaterjal, millel on kõrge latentne soojus, mittekorrodeeriv toime, ohutus ja lai sulamistemperatuuri vahemik16,17,18,19,20,21.
Faasimuutusmaterjalide madala soojusjuhtivuse tõttu tuleb need kapseldada kesta (väliskihti), et vältida alusmaterjali lekkimist faasimuutusprotsessi ajal22. Lisaks võivad töövead või väline rõhk kahjustada välimist kihti (katet) ja sula faasimuutusmaterjal võib reageerida ehitusmaterjalidega, põhjustades sisseehitatud terasvarraste korrosiooni, vähendades seeläbi hoone kasutuskõlblikkust23. Seetõttu on oluline sünteesida kapseldatud faasimuutusmaterjale piisava kestmaterjaliga, mis aitab lahendada ülaltoodud probleeme24.
Faasimuutusmaterjalide mikrokapseldamine võib tõhusalt suurendada soojusülekannet ja vähendada keskkonna reaktiivsust ning kontrollida mahu muutusi. PCM-i kapseldamiseks on välja töötatud mitmesuguseid meetodeid, nimelt faasidevaheline polümerisatsioon25,26,27,28, in situ polümerisatsioon29,30,31,32, koatservatsioon33,34,35 ja sool-geel protsessid36,37,38,39. Formaldehüüdvaiku saab kasutada mikrokapseldamiseks40,41,42,43. Kestmaterjalidena kasutatakse melamiin-formaldehüüd- ja karbamiid-formaldehüüdvaike, mis töötamise ajal sageli eraldavad mürgist formaldehüüdi. Seetõttu on nende materjalide kasutamine pakendamisprotsessides keelatud. Keskkonnasõbralikke faasimuutusmaterjale skaleeritavaks soojusenergia salvestamiseks saab aga sünteesida rasvhapetel ja ligniinil põhinevate hübriidsete nanokapslite abil44.
Zhang jt45 sünteesisid tetraetüülortosilikaadist lauriinhapet ja jõudsid järeldusele, et metüültrietoksüsilaani ja tetraetüülortosilikaadi mahu suhte suurenedes väheneb latentne soojus ja suureneb pinna hüdrofoobsus. Lauriinhape võib olla potentsiaalne ja efektiivne kapokikiudude südamikumaterjal46. Lisaks sünteesisid Latibari jt47 steariinhappel põhinevaid PCM-e, kasutades kestamaterjalina TiO2. Zhu jt valmistasid potentsiaalsete PCM-idena n-oktadekaani ja silikoonist nanokapsleid48. Kirjanduse ülevaate põhjal on raske mõista soovitatavat annust efektiivsete ja stabiilsete mikrokapseldatud faasimuutusmaterjalide moodustamiseks.
Seega on autorite teada mikrokapseldamiseks kasutatava faasimuutusmaterjali kogus oluline parameeter tõhusate ja stabiilsete mikrokapseldatud faasimuutusmaterjalide tootmiseks. Erinevate faasimuutusmaterjalide koguste kasutamine võimaldab meil selgitada mikrokapseldatud faasimuutusmaterjalide erinevaid omadusi ja stabiilsust. Steariinhape (rasvhape) on keskkonnasõbralik, meditsiiniliselt oluline ja ökonoomne aine, mida saab kasutada soojusenergia salvestamiseks, kuna sellel on kõrge entalpia väärtus (~200 J/g) ja see talub temperatuuri kuni 72 °C. Lisaks on SiO2 mittesüttiv, tagab südamikumaterjalidele suurema mehaanilise tugevuse, soojusjuhtivuse ja parema keemilise vastupidavuse ning toimib ehituses potsolaanmaterjalina. Kui tsementi segatakse veega, võivad halvasti kapseldatud PCM-id massiivsetes betoonkonstruktsioonides tekkivate mehaanilise kulumise ja kõrgete temperatuuride (hüdratsioonisoojuse) tõttu praguneda. Seetõttu saab selle probleemi lahendada mikrokapseldatud CA kasutamine SiO2 kestaga. Seetõttu oli käesoleva uuringu eesmärk uurida sool-geelprotsessi abil sünteesitud PCM-ide toimivust ja efektiivsust ehitusrakendustes. Selles töös uurisime süstemaatiliselt erinevaid SA (alusmaterjalina) koguseid – 5, 10, 15, 20, 30 ja 50 g –, mis olid kapseldatud SiO2 kestadesse. SiO2 kesta moodustamiseks kasutati eelkäijalahusena fikseeritud kogust tetraetüülortosilikaati (TEOS) 10 ml mahus.
Südamikumaterjalina osteti reaktiivse kvaliteediga steariinhape (SA, C18H36O2, sulamistemperatuur: 72 °C) firmalt Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Lõuna-Korea. Lähtelahusena osteti tetraetüülortosilikaat (TEOS, C8H20O4Si) firmalt Acros Organics, Geel, Belgia. Lisaks osteti lahustite ja pindaktiivsete ainetena Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Lõuna-Korea absoluutne etanool (EA, C2H5OH) ja pindaktiivsete ainetena naatriumlaurüülsulfaat (SLS, C12H25NaO4S). Lahustina kasutatakse ka destilleeritud vett.
Erinevad SA kogused segati 100 ml destilleeritud vees erinevas vahekorras naatriumlaurüülsulfaadiga (SLS), kasutades magnetsegurit kiirusel 800 p/min ja temperatuuril 75 °C 1 tund (tabel 1). SA emulsioonid jagati kahte rühma: (1) 5, 10 ja 15 g SA-d segati 0,10 g SLS-iga 100 ml destilleeritud vees (SATEOS1, SATEOS2 ja SATEOS3), (2) 20, 30 ja 50 g SA-d segati 0,15, 0,20 ja 0,25 g SLS-iga 100 ml destilleeritud veega (SATEOS4, SATEOS5 ja SATEOS6). 0,10 g SLS-i kasutati koos 5, 10 ja 15 g SA-ga vastavate emulsioonide moodustamiseks. Seejärel tehti ettepanek suurendada SLS-ide arvu SATEOS4, SATEOS5 ja SATEOS6 puhul. Tabel 1 näitab stabiilsete emulsioonlahuste saamiseks kasutatud CA ja SLS suhteid.
Pange 100 ml keeduklaasi 10 ml TEOS-i, 10 ml etanooli (EA) ja 20 ml destilleeritud vett. SA ja SiO2 kestade erinevate suhetega kapseldamise efektiivsuse uurimiseks registreeriti kõigi proovide sünteesikoefitsient. Segu segati magnetsegistiga kiirusel 400 p/min ja temperatuuril 60 °C 1 tund. Seejärel lisati eellaslahus tilkhaaval valmistatud SA emulsioonile, segati jõuliselt kiirusel 800 p/min ja temperatuuril 75 °C 2 tundi ning filtriti, et saada valge pulber. Valget pulbrit pesti destilleeritud veega, et eemaldada järelejäänud SA, ja kuivatati vaakumahjus temperatuuril 45 °C 24 tundi. Tulemuseks saadi mikrokapseldatud SC SiO2 kestaga. Mikrokapseldatud SA sünteesi ja valmistamise kogu protsess on näidatud joonisel 1.
SiO2 kestaga SA mikrokapslid valmistati sool-geelmeetodil ja nende kapseldamismehhanism on näidatud joonisel 2. Esimene samm hõlmab SA emulsiooni valmistamist vesilahuses, kus SLS on pindaktiivse ainena. Sel juhul seondub SA molekuli hüdrofoobne ots SLS-iga ja hüdrofiilne ots veemolekulidega, moodustades stabiilse emulsiooni. Seega on SLS-i hüdrofoobsed osad kaitstud ja katavad SA tilga pinda. Teisest küljest toimub TEOS-i lahuste hüdrolüüs veemolekulide toimel aeglaselt, mis viib hüdrolüüsitud TEOS-i moodustumiseni etanooli juuresolekul (joonis 2a)49,50,51. Hüdrolüüsitud TEOS läbib kondensatsioonireaktsiooni, mille käigus n-hüdrolüüsitud TEOS moodustab ränidioksiidi klastreid (joonis 2b). Ränidioksiidi klastrid kapseldati SA52-ga SLS-i juuresolekul (joonis 2c), mida nimetatakse mikrokapseldamisprotsessiks.
CA mikrokapseldamise skemaatiline diagramm SiO2 kestaga (a) TEOS-i hüdrolüüs (b) hüdrolüsaadi kondenseerimine ja (c) CA kapseldamine SiO2 kestaga.
SA ja mikrokapseldatud SA keemiline analüüs viidi läbi Fourier' teisendusega infrapunaspektromeetriga (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) ja spektrid registreeriti vahemikus 500 kuni 4000 cm-1.
SA faaside ja mikrokapslite materjalide analüüsimiseks kasutati röntgendifraktomeetrit (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Jaapan). Röntgenstruktuuri skaneerimine viidi läbi vahemikus 2θ = 5°–95° skaneerimiskiirusega 4°/min, kasutades Cu-Kα kiirgust (λ = 1,541 Å), töötingimustel 25 kV ja 100 mA, pideva skaneerimise režiimis. Röntgenpildid konstrueeriti vahemikus 2θ = 5–50°, kuna üheski proovis ei täheldatud pärast 50° piiki.
Röntgenfotoelektronspektroskoopia (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) viidi läbi, kasutades röntgenikiirgusallikana AlKα-d (1486,6 eV), et mõista nii püridüülkopolümeeri keemilist olekut kui ka kapseldusmaterjalis esinevaid elemente. Kogutud XPS-spektrid kalibreeriti C 1s piigini, kasutades eksootilist süsinikku (seondumisenergia 284,6 eV). Pärast Shirley meetodil taustakorrektsiooni dekonvoluutiti iga elemendi kõrge eraldusvõimega piigid ja sobitati Gaussi/Lorentzi funktsioonidega, kasutades CASA XPS tarkvara.
Puhas-SC ja mikrokapseldatud SC morfoloogiat uuriti skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Tšehhi Vabariik) abil, mis oli varustatud energiadispersiivse röntgenspektroskoopiaga (EDS) pingel 15 kV. Enne SEM-kuvamist kaeti proovid plaatinaga (Pt), et vältida laadimisefekte.
Termilised omadused (sulamis-/tahkumistemperatuur ja latentne soojus) ja töökindlus (termotsükkel) määrati diferentsiaalse skaneeriva kalorimeetria abil (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) kuumutamis-/jahutuskiirusel 10 °C/min temperatuuril 40 °C ja 90 °C pideva lämmastiku läbivooluga. Kaalukaotuse analüüs viidi läbi TGA analüsaatoriga (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) pidevas lämmastikuvoolus, alustades temperatuurist 40–600 °C, kuumutamiskiirusega 10 °C/min.
Joonis 3 näitab nii puhaste kui ka mikrokapseldatud SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 ja SATEOS6) FTIR-spektreid. Kõigi proovide (nii SA kui ka mikrokapseldatud SA) neeldumispiigid lainearvudel 2910 cm⁻¹ ja 2850 cm⁻¹ on omistatud vastavalt –CH3 ja –CH2 rühmade sümmeetrilistele venitusvibratsioonidele10,50. Piik lainearvul 1705 cm⁻¹ vastab C=O sideme vibratsioonilisele venitusele. Piigid lainearvudel 1470 cm⁻¹ ja 1295 cm⁻¹ on omistatud –OH funktsionaalrühma tasapinnalisele paindevibratsioonile, samas kui piigid lainearvudel 940 cm⁻¹ ja 719 cm⁻¹ vastavad vastavalt –OH rühma tasapinnalisele vibratsioonile ja voolavuspiiri deformatsioonivibratsioonile. Kõigis mikrokapseldatud SA-des täheldati ka SA neeldumispiike lainepikkustel 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 ja 719 cm-1. Lisaks täheldati SA mikrokapslis äsja avastatud piiki lainepikkusel 1103 cm-1, mis vastab Si-O-Si riba antisümmeetrilisele venitusvibratsioonile. FT-IR tulemused on kooskõlas Yuan jt.50 tulemustega. Nad valmistasid edukalt mikrokapseldatud SA ammoniaagi/etanooli vahekorras ja leidsid, et SA ja SiO2 vahel ei toimunud keemilist interaktsiooni. Käesoleva FT-IR uuringu tulemused näitavad, et SiO2 kest kapseldas SA (südamiku) edukalt hüdrolüüsitud TEOS-i kondensatsiooniprotsessi ja polümerisatsiooni kaudu. Madalama SA sisalduse korral on Si-O-Si riba piigi intensiivsus suurem (joonis 3b-d). Kui SA kogus suureneb üle 15 g, siis piigi intensiivsus ja Si-O-Si riba laienemine vähenevad järk-järgult, mis näitab õhukese SiO2 kihi moodustumist SA pinnale.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 ja (g) SATEOS6 FTIR-spektrid.
Puhas-SA ja mikrokapseldatud SA XRD-mustrid on näidatud joonisel 4. XRD-piigid asuvad 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \(\overline {5}vastavalt JCPDS nr 0381923, 02)\ juures, 21,42° kõigis proovides (311), 24,04° (602) ja 39,98° (913) on määratud SA-le. Moonutused ja hübridisus puhas-CA-ga on tingitud ebakindlatest teguritest, nagu pindaktiivne aine (SLS), muud jääkained ja SiO250 mikrokapseldamine. Pärast kapseldamist väheneb peamiste piikide (300), (500), (311) ja (602) intensiivsus järk-järgult võrreldes puhas-CA-ga, mis näitab proovi kristallilisuse vähenemist.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 ja (g) SATEOS6 XRD-mustrid.
SATEOS1 intensiivsus väheneb järsult võrreldes teiste proovidega. Üheski mikrokapseldatud proovis ei täheldatud muid piike (joonis 4b–g), mis kinnitab, et SA pinnal toimub SiO252 füüsikaline adsorptsioon, mitte keemiline interaktsioon. Lisaks jõuti järeldusele, et SA mikrokapseldamine ei põhjustanud uute struktuuride teket. SiO2 jääb SA pinnale terveks ilma igasuguse keemilise reaktsioonita ja SA koguse vähenedes muutuvad olemasolevad piigid selgemaks (SATEOS1). See tulemus näitab, et SiO2 kapseldab peamiselt SA pinda. Piik (700) juures kaob täielikult ja piik \(\overline{5}02)\) juures muutub SATEOS 1-s kühmuks (joonis 4b), mis on seotud vähenenud kristallilisuse ja suurenenud amorfismiga. SiO2 on oma olemuselt amorfne, seega on 2θ = 19° kuni 25° täheldatud piikidel kühm ja laienemine53 (joonis 4b–g), mis kinnitab amorfse SiO252 olemasolu. Mikrokapseldatud SA madalam difraktsioonipiigi intensiivsus tuleneb ränidioksiidi siseseina tuumastumisefektist ja piiravast kristalliseerumiskäitumisest49. Arvatakse, et madalama SA sisalduse korral moodustub paksem ränidioksiidi kest suure hulga TEOS-i olemasolu tõttu, mis on suures osas adsorbeerunud SA välispinnale. SA koguse suurenedes aga suureneb SA tilkade pindala emulsioonilahuses ja korralikuks kapseldamiseks on vaja rohkem TEOS-i. Seetõttu väheneb suurema SA sisalduse korral SiO2 piik FT-IR-is (joonis 3) ja difraktsioonipiigi intensiivsus 2θ = 19–25° lähedal XRF-is (joonis 4) väheneb ning samuti väheneb paisumine. Pole nähtav. Nagu aga jooniselt 4 näha, muutuvad piigid niipea, kui SA kogus suureneb 5 g-lt (SATEOS1) 50 g-ni (SATEOS6), väga lähedaseks SA koguhulgale ja piik (700) juures ilmub koos kõigi piikide intensiivsustega. See tulemus korreleerub FT-IR tulemustega, kus SiO2 SATEOS6 piigi intensiivsus väheneb 1103 cm-1 juures (joonis 3g).
SA, SATEOS1 ja SATEOS6 elementide keemilised olekud on näidatud joonistel 1 ja 2, joonistel 5, 6, 7 ja 8 ning tabelis 2. SA, SATEOS1 ja SATEOS6 mõõtmistulemused on näidatud joonisel 5 ning C 1s, O 1s ja Si 2p kõrge eraldusvõimega skaneeringud on näidatud joonistel 5, 6, 7 ja 8 ning tabelis 2. XPS-i abil saadud sidumisenergia väärtused on kokku võetud tabelis 2. Nagu jooniselt 5 näha, täheldati SATEOS1 ja SATEOS6 puhul selgeid Si 2s ja Si 2p piike, kus toimus SiO2 kesta mikrokapseldamine. Varasemad teadlased on teatanud sarnasest Si 2s piigist 155,1 eV54 juures. Si piikide olemasolu SATEOS1-s (joonis 5b) ja SATEOS6-s (joonis 5c) kinnitab FT-IR (joonis 3) ja XRD (joonis 4) andmeid.
Nagu on näidatud joonisel 6a, on SA põhimaterjali C1s-l sidumisenergia juures kolm erinevat piiki: CC, kalifaatne ja O=C=O, mis on vastavalt 284,5 eV, 285,2 eV ja 289,5 eV. C–C, kalifaatseid ja O=C=O piike täheldati ka SATEOS1-s (joonis 6b) ja SATEOS6-s (joonis 6c) ning need on kokku võetud tabelis 2. Lisaks sellele vastab C1s piik ka täiendavale Si-C piigile 283,1 eV juures (SATEOS1) ja 283,5 eV juures (SATEOS6). Meie vaadeldud C–C, kalifaatse, O=C=O ja Si–C sidumisenergiad korreleeruvad hästi teiste allikatega55,56.
O1SA, SATEOS1 ja SATEOS6 XPS-spektrid on näidatud vastavalt joonistel 7a–c. SA põhiosa O1s piik on dekonvoluuteeritud ja sellel on kaks piiki, nimelt C=O/C–O (531,9 eV) ja C–O–H (533,0 eV), samas kui SATEOS1 ja SATEOS6 O1 on järjepidevad. Piike on ainult kolm: C=O/C–O, C–O–H ja Si–OH55,57,58. O1s sidumisenergia SATEOS1 ja SATEOS6-s muutub võrreldes SA põhiosaga veidi, mis on seotud keemilise fragmendi muutusega SiO2 ja Si-OH olemasolu tõttu kestamaterjalis.
SATEOS1 ja SATEOS6 Si 2p XPS spektrid on näidatud vastavalt joonisel 8a ja b. Puhas CA-s Si 2p-d SiO2 puudumise tõttu ei täheldatud. Si 2p piik vastab SATEOS1 puhul 105,4 eV-le ja SATEOS6 puhul 105,0 eV-le, mis vastab Si-O-Si-le, samas kui SATEOS1 piik on 103,5 eV ja SATEOS6 piik on 103,3 eV, mis vastab Si-OH55-le. Si-O-Si ja Si-OH piikide sobitamine SATEOS1 ja SATEOS6 puhul näitas SiO2 edukat mikrokapseldamist SA südamiku pinnale.
Mikrokapseldatud materjali morfoloogia on väga oluline, mõjutades lahustuvust, stabiilsust, keemilist reaktsioonivõimet, voolavust ja tugevust59. Seetõttu kasutati SEM-i, et iseloomustada lahtise SA (100×) ja mikrokapseldatud SA (500×) morfoloogiat, nagu on näidatud joonisel 9. Nagu jooniselt 9a näha, on SA plokil elliptiline kuju. Osakeste suurus ületab 500 mikronit. Kui aga mikrokapseldamisprotsess jätkub, muutub morfoloogia dramaatiliselt, nagu on näidatud joonistel 9 b–g.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 ja (g) SATEOS6 SEM-kujutised mõõtmetega ×500.
SATEOS1 proovis on täheldatud väiksemaid kvaasisfäärilisi SiO2-ga mähitud SA osakesi, millel on kare pind (joonis 9b), mis võib olla tingitud TEOS-i hüdrolüüsist ja kondensatsioonpolümerisatsioonist SA pinnal, mis kiirendab etanoolimolekulide kiiret difusiooni. Selle tulemusena ladestuvad SiO2 osakesed ja täheldatakse aglomeratsiooni52,60. See SiO2 kest annab mikrokapseldatud CA osakestele mehaanilise tugevuse ja hoiab ära ka sula CA lekke kõrgematel temperatuuridel10. See tulemus näitab, et SiO2 sisaldavaid SA mikrokapsleid saab kasutada potentsiaalsete energia salvestamise materjalidena61. Nagu jooniselt 9b näha, on SATEOS1 proovil ühtlane osakeste jaotus ja paks SiO2 kiht kapseldab SA-d. Mikrokapseldatud SA (SATEOS1) osakeste suurus on ligikaudu 10–20 μm (joonis 9b), mis on SA madalama sisalduse tõttu oluliselt väiksem võrreldes SA-ga. Mikrokapslite kihi paksus on tingitud lähteaine lahuse hüdrolüüsist ja kondensatsioonpolümerisatsioonist. Aglomeratsioon toimub SA madalamate dooside, st kuni 15 g, korral (joonis 9b-d), kuid niipea kui doos suureneb, ei täheldata enam aglomeratsiooni, vaid vaadeldakse selgelt piiritletud sfäärilisi osakesi (joonis 9e-g) 62.
Lisaks, kui SLS-pindaktiivse aine kogus on konstantne, mõjutab SA sisaldus (SATEOS1, SATEOS2 ja SATEOS3) ka efektiivsust, kuju ja osakeste suurusjaotust. Seega leiti, et SATEOS1-l on väiksem osakeste suurus, ühtlane jaotus ja tihe pind (joonis 9b), mis omistati SA hüdrofiilsele olemusele, mis soodustab sekundaarset tuumastumist konstantse pindaktiivse aine63 all. Arvatakse, et SA sisalduse suurendamisel 5-lt 15 g-le (SATEOS1, SATEOS2 ja SATEOS3) ja konstantse pindaktiivse aine koguse, st 0,10 g SLS-i (tabel 1), kasutamisel väheneb pindaktiivse aine molekuli iga osakese panus, vähendades seeläbi osakeste suurust ja osakeste suurust. SATEOS2 (joonis 9c) ja SATEOS3 (joonis 9d) jaotus erineb SATEOS 1 (joonis 9b) jaotusest.
Võrreldes SATEOS1-ga (joonis 9b) näitas SATEOS2 mikrokapseldatud SA tihedat morfoloogiat ja osakeste suurus suurenes (joonis 9c). See on tingitud aglomeratsioonist49, mis vähendab koagulatsioonikiirust (joonis 2b). Kuna SC hulk suureneb koos SLS-i suurenemisega, muutuvad mikrokapslid selgelt nähtavaks, nagu on näidatud joonisel 4, kuidas agregatsioon toimub. Lisaks näitavad joonised 9e–g, et kõik osakesed on kuju ja suurusega selgelt sfäärilised. On teada, et suure SA koguse juuresolekul saab saada sobiva koguse ränidioksiidi oligomeere, mis põhjustab sobiva kondenseerumise ja kapseldamise ning seega hästi määratletud mikrokapslite49 moodustumise. SEM-tulemustest on selge, et SATEOS6 moodustas vastavad mikrokapslid võrreldes väikese SA kogusega.
Tabelis 3 on esitatud SA ja mikrokapslite SA energiadispersioonilise röntgenspektroskoopia (EDS) tulemused. Nagu tabelist näha, väheneb Si sisaldus järk-järgult SATEOS1-lt (12,34%) SATEOS6-le (2,68%). SA sisaldus suureneb. Seega võime öelda, et SA koguse suurenemine viib SiO2 sadestumise vähenemiseni SA pinnale. Tabelis 3 puuduvad C- ja O-sisalduse osas järjepidevad väärtused, mis tulenevad EDS51 poolkvantitatiivsest analüüsist. Mikrokapseldatud SA Si sisaldus korreleerus FT-IR, XRD ja XPS tulemustega.
Nii puhas-SA kui ka SiO2 kestaga mikrokapseldatud SA sulamis- ja tahkumiskäitumine on näidatud joonistel 1 ja 2. Need on näidatud vastavalt joonistel 10 ja 11 ning termilised andmed on esitatud tabelis 4. Mikrokapseldatud SA sulamis- ja tahkumistemperatuurid leiti olevat erinevad. SA koguse suurenedes suurenevad sulamis- ja tahkumistemperatuurid ning lähenevad puhas-SA väärtustele. Pärast SA mikrokapseldamist suurendab ränidioksiidist sein kristallisatsioonitemperatuuri ja selle sein toimib südamikuna, mis soodustab heterogeensust. Seega suurenevad SA koguse suurenedes järk-järgult ka sulamis- (joonis 10) ja tahkumistemperatuurid (joonis 11)49,51,64. Kõigist mikrokapseldatud SA proovidest oli SATEOS6-l kõrgeimad sulamis- ja tahkumistemperatuurid, millele järgnesid SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 ja SATEOS1.
SATEOS1 näitab madalaimat sulamistemperatuuri (68,97 °C) ja tahkumistemperatuuri (60,60 °C), mis on tingitud väiksemast osakeste suurusest, mille puhul SA osakeste liikumine mikrokapslite sees on väga väike ja SiO2 kest moodustab paksu kihi ning seetõttu piirab südamiku materjal venitust ja liikumist49. See hüpotees on seotud SEM-tulemustega, kus SATEOS1 näitas väiksemat osakeste suurust (joonis 9b), mis on tingitud asjaolust, et SA molekulid on piiratud mikrokapslite väga väikese alaga. Põhimassi, aga ka kõigi SiO2 kestaga SA mikrokapslite sulamis- ja tahkumistemperatuuride erinevus on vahemikus 6,10–8,37 °C. See tulemus näitab, et mikrokapseldatud SA-d saab kasutada potentsiaalse energia salvestamise materjalina tänu SiO2 kesta heale soojusjuhtivusele 65.
Nagu tabelist 4 näha, on SATEOS6-l kõigi mikrokapseldatud SC-de seas kõrgeim entalpia (joonis 9g) tänu SEM-iga täheldatud korralikule kapseldamisele. SA pakkimiskiirust saab arvutada võrrandi (1) abil. (1) Mikrokapseldatud SA49 latentse soojuse andmete võrdlemine.
R väärtus näitab mikrokapseldatud SC kapseldusastet (%), ΔHMEPCM,m tähistab mikrokapseldatud SC latentset sulamissoojust ja ΔHPCM,m tähistab SC latentset sulamissoojust. Lisaks arvutatakse pakkimise efektiivsus (%) teise olulise tehnilise parameetrina, nagu on näidatud valemis (1). (2)49.
E-väärtus näitab mikrokapseldatud kapseldustõhusust (%), ΔHMEPCM,s tähistab mikrokapseldatud kapseldatud kapseldatud latentset kõvenemissoojust ja ΔHPCM,s tähistab kapseldatud kapseldatud kapseldatud latentset kõvenemissoojust.
Nagu tabelis 4 näidatud, on SATEOS1 pakkimisaste ja efektiivsus vastavalt 71,89% ja 67,68% ning SATEOS6 pakkimisaste ja efektiivsus vastavalt 90,86% ja 86,68% (tabel 4). Proovi SATEOS6-l on kõigi mikrokapseldatud SA-de seas kõrgeim kapseldamiskoefitsient ja efektiivsus, mis näitab selle suurt soojusmahtuvust. Seetõttu nõuab üleminek tahkest olekust vedelaks suures koguses energiat. Lisaks näitab kõigi SA mikrokapslite ja SA kogumahu sulamis- ja tahkumistemperatuuride erinevus jahutamisprotsessi ajal, et ränidioksiidist kest on mikrokapslite sünteesi ajal ruumiliselt piiratud. Seega näitavad tulemused, et SC koguse suurenedes suurenevad järk-järgult kapseldamiskiirus ja efektiivsus (tabel 4).
Puhas-SA ja SiO2 kestaga mikrokapslite SA (SATEOS1, SATEOS3 ja SATEOS6) TGA kõverad on näidatud joonisel 12. Puhas-SA (SATEOS1, SATEOS3 ja SATEOS6) termilist stabiilsust võrreldi mikrokapseldatud proovidega. TGA kõveralt on selgelt näha, et nii puhas-SA kui ka mikrokapseldatud SA kaalukaotus väheneb sujuvalt ja väga vähe temperatuurini 40 °C kuni 190 °C. Sellel temperatuuril puhas-SC termiliselt ei lagune, samas kui mikrokapseldatud SC vabastab adsorbeeritud vett isegi pärast 24-tunnist kuivatamist temperatuuril 45 °C. See põhjustas kerge kaalukaotuse,49 kuid sellest temperatuurist kõrgemal hakkas materjal lagunema. Madalama SA sisalduse korral (st SATEOS1) on adsorbeeritud veesisaldus suurem ja seega ka massikaotus kuni 190 °C-ni suurem (joonisel 12 olev vaheleht). Niipea kui temperatuur tõuseb üle 190 °C, hakkab proov lagunemisprotsesside tõttu massi kaotama. SA massiline lagunemine algab temperatuuril 190 °C ja 260 °C juures jääb alles vaid 4%, samas kui SATEOS1, SATEOS3 ja SATEOS6 säilitavad sellel temperatuuril vastavalt 50%, 20% ja 12%. Pärast 300 °C oli SA massikaotus ligikaudu 97,60%, samas kui SATEOS1, SATEOS3 ja SATEOS6 massikaotus oli vastavalt ligikaudu 54,20%, 82,40% ja 90,30%. SA sisalduse suurenemisega SiO2 sisaldus väheneb (tabel 3) ja SEM-il on täheldatud koore õhenemist (joonis 9). Seega on mikrokapseldatud SA kaalukaotus väiksem võrreldes SA massilise materjaliga, mis on seletatav SiO2 koore soodsate omadustega, mis soodustavad süsinikurikka silikaat-süsinikkihi moodustumist SA pinnale, isoleerides seeläbi SA südamiku ja aeglustades tekkivate lenduvate produktide vabanemist10. See söekiht moodustab termilise lagunemise ajal füüsikalise kaitsebarjääri, piirates tuleohtlike molekulide üleminekut gaasifaasi66,67. Lisaks sellele näeme ka märkimisväärseid kaalukaotuse tulemusi: SATEOS1 näitab madalamaid väärtusi võrreldes SATEOS3, SATEOS6 ja SA-ga. See on tingitud asjaolust, et SA kogus SATEOS1-s on väiksem kui SATEOS3 ja SATEOS6-s, kus SiO2 kest moodustab paksu kihi. Seevastu SA kogukaalukaotus ulatub 415 °C juures 99,50%-ni. SATEOS1, SATEOS3 ja SATEOS6 näitasid aga 415 °C juures vastavalt 62,50%, 85,50% ja 93,76% kaalukaotust. See tulemus näitab, et TEOS-i lisamine parandab SA lagunemist, moodustades SA pinnale SiO2 kihi. Need kihid võivad moodustada füüsikalise kaitsebarjääri ja seetõttu on täheldatud mikrokapseldatud CA termilise stabiilsuse paranemist.
SA ja parima mikrokapseldatud proovi (st SATEOS 6) termilise töökindluse tulemused pärast DSC51,52 30 kuumutus- ja jahutustsüklit on näidatud joonisel 13. On näha, et SA (joonis 13a) puhul ei ole sulamistemperatuuri, tahkumistemperatuuri ega entalpia väärtuse osas mingit erinevust, samas kui SATEOS6 (joonis 13b) puhul ei ole temperatuuri ega entalpia väärtuse osas mingit erinevust isegi pärast 30. kuumutus- ja jahutustsüklit. SA sulamistemperatuur oli 72,10 °C, tahkumistemperatuur 64,69 °C ning sulamissoojus ja tahkumissoojus pärast esimest tsüklit olid vastavalt 201,0 J/g ja 194,10 J/g. Pärast 30. tsüklit langes nende väärtuste sulamistemperatuur 71,24 °C-ni, tahkumistemperatuur 63,53 °C-ni ja entalpia väärtus vähenes 10%. Sulamis- ja tahkumistemperatuuride muutused, samuti entalpia väärtuste langus, näitavad, et lahtiselt kapseldatud silikaat (CA) ei ole mikrokapseldamiseta rakenduste jaoks usaldusväärne. Pärast korralikku mikrokapseldamist (SATEOS6) sulamis- ja tahkumistemperatuurid ning entalpia väärtused aga ei muutu (joonis 13b). Pärast SiO2 kestadega mikrokapseldamist saab silikaatset silikaatsetaati tänu optimaalsetele sulamis- ja tahkumistemperatuuridele ning stabiilsele entalpiale kasutada faasimuutusmaterjalina termilistes rakendustes, eriti ehituses.
Proovide SA (a) ja SATEOS6 (b) DSC kõverad 1. ja 30. kuumutus- ja jahutustsükli ajal.
Selles uuringus viidi läbi mikrokapseldamise süstemaatiline uuring, kasutades südamikmaterjalina SA-d ja kestmaterjalina SiO2-d. TEOS-i kasutatakse eelkäijana SiO2 tugikihi ja kaitsekihi moodustamiseks SA pinnale. Pärast mikrokapseldatud SA edukat sünteesi näitasid FT-IR, XRD, XPS, SEM ja EDS tulemused SiO2 olemasolu. SEM-analüüs näitab, et SATEOS6 proovil on SA pinnal selgelt piiritletud sfäärilised osakesed, mida ümbritsevad SiO2 kestad. Madalama SA sisaldusega MEPCM-il esineb aga aglomeratsioon, mis vähendab PCM-i jõudlust. XPS-analüüs näitas mikrokapslite proovides Si-O-Si ja Si-OH olemasolu, mis näitas SiO2 adsorptsiooni SA pinnale. Termilise jõudluse analüüsi kohaselt näitab SATEOS6 kõige lootustandvamat soojuse salvestusvõimet, mille sulamis- ja tahkumistemperatuurid on vastavalt 70,37 °C ja 64,27 °C ning latentne sulamis- ja tahkumissoojus vastavalt 182,53 J/g ja 160,12 J/g. SATEOS6 maksimaalne pakkimisefektiivsus on 86,68%. TGA ja DSC termilise tsükli analüüs kinnitas, et SATEOS6-l on hea termiline stabiilsus ja töökindlus isegi pärast 30 kuumutamis- ja jahutamisprotsessi.
Yang T., Wang XY ja Li D. Termokeemilise tahke-gaasi komposiit-adsorptsioonisüsteemi toimivusanalüüs soojusenergia salvestamiseks ja selle efektiivsuse parandamiseks. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. ja Al-Hallaj, S. Faasimuutusega energia salvestamise ülevaade: materjalid ja rakendused. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS ja Saini JS PCM-kapsleid kasutavate soojusenergia salvestussüsteemide soojusülekande jõudlus: ülevaade. uuendus. tugi. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. ja Bruno, F. Ülevaade kõrge temperatuuriga faasimuutusega termiliste salvestussüsteemide salvestusmaterjalidest ja termilise jõudluse parandamise tehnoloogiatest. uuendus. tugi. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Nanokapseldatud soojusenergia n-tetradekaani faasimuutusmaterjalide valmistamine ja iseloomustus. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. ja Li, M. Uudsete kujustabiilsete faasimuutuskomposiitmaterjalide süntees modifitseeritud grafeenaerogeelide abil päikeseenergia muundamiseks ja salvestamiseks. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. ja Fang, G. Faasimuutusmaterjalide morfoloogiline iseloomustus ja rakendamine soojusenergia salvestamisel: ülevaade. uuendus. tugi. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).