Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai iegūtu labākos rezultātus, iesakām izmantot jaunāku pārlūkprogrammas versiju (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs vietni attēlojam bez stila vai JavaScript.
Stearīnskābe (SA) tiek izmantota kā fāzes maiņas materiāls (PCM) enerģijas uzkrāšanas ierīcēs. Šajā pētījumā SiO2 apvalka virsmaktīvās vielas mikrokapsulēšanai tika izmantota sol-gēla metode. Dažāds SA daudzums (5, 10, 15, 20, 30 un 50 g) tika iekapsulēts 10 ml tetraetilortosilikāta (TEOS). Sintezētais mikrokapsulētais fāzes maiņas materiāls (MEPCM) tika raksturots ar Furjē transformācijas infrasarkano spektroskopiju (FT-IR), rentgenstaru difrakciju (XRD), rentgenstaru fotoelektronu spektroskopiju (XPS) un skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM). Raksturošanas rezultāti parādīja, ka SA tika veiksmīgi iekapsulēts ar SiO2. Termogravimetriskā analīze (TGA) parādīja, ka MEPCM ir labāka termiskā stabilitāte nekā CA. Izmantojot diferenciālo skenējošo kalorimetriju (DSC), tika konstatēts, ka MEPCM entalpijas vērtība nemainījās pat pēc 30 sildīšanas-dzesēšanas cikliem. Starp visiem mikrokapsulētajiem paraugiem 50 g SA, kas saturēja MEPCM, bija visaugstākais latentais kušanas un sacietēšanas siltums, kas bija attiecīgi 182,53 J/g un 160,12 J/g. Iepakojuma efektivitātes vērtība tika aprēķināta, izmantojot termiskos datus, un tam pašam paraugam tika konstatēta augstākā efektivitāte, kas bija 86,68%.
Aptuveni 58% no būvniecības nozarē izmantotās enerģijas tiek izmantota ēku apsildei un dzesēšanai1. Tāpēc vissvarīgākais ir izveidot efektīvas energosistēmas, kas ņem vērā vides piesārņojumu2. Latentās siltuma tehnoloģija, izmantojot fāzes maiņas materiālus (PCM), var uzglabāt lielu enerģiju pie zemām temperatūras svārstībām3,4,5,6 un to var plaši izmantot tādās jomās kā siltuma pārnešana, saules enerģijas uzkrāšana, kosmosa rūpniecība un gaisa kondicionēšana7,8,9. PCM dienas laikā absorbē siltumenerģiju no ēku ārpuses un naktī atbrīvo enerģiju10. Tāpēc fāzes maiņas materiāli ir ieteicami kā siltumenerģijas uzkrāšanas materiāli. Turklāt pastāv dažādi PCM veidi, piemēram, cietviela-cietviela, cietviela-šķidrums, šķidrums-gāze un cietviela-gāze11. Starp tiem populārākie un visbiežāk izmantotie fāzes maiņas materiāli ir cietviela-cietviela fāzes maiņas materiāli un cietviela-šķidrums fāzes maiņas materiāli. Tomēr to pielietošana ir ļoti sarežģīta šķidrvielas-gāzes un cietvielas-gāzes fāzes pārejas materiālu milzīgo tilpuma izmaiņu dēļ.
PCM tā īpašību dēļ ir dažādi pielietojumi: tos, kas kūst temperatūrā zem 15°C, var izmantot gaisa kondicionēšanas sistēmās, lai uzturētu zemu temperatūru, un tos, kas kūst temperatūrā virs 90°C, var izmantot apkures sistēmās, lai novērstu ugunsgrēkus12. Atkarībā no pielietojuma un kušanas temperatūras diapazona no dažādām organiskām un neorganiskām ķīmiskām vielām ir sintezēti dažādi fāzes maiņas materiāli13,14,15. Parafīns ir visbiežāk izmantotais fāzes maiņas materiāls ar augstu latento siltumu, nekorodējošu iedarbību, drošību un plašu kušanas temperatūras diapazonu16,17,18,19,20,21.
Tomēr, ņemot vērā fāzes maiņas materiālu zemo siltumvadītspēju, tie ir jāiekapsulē apvalkā (ārējā slānī), lai novērstu pamatmateriāla noplūdi fāzes maiņas procesa laikā22. Turklāt ekspluatācijas kļūdas vai ārējs spiediens var sabojāt ārējo slāni (apšuvumu), un izkausētais fāzes maiņas materiāls var reaģēt ar būvmateriāliem, izraisot iestrādāto tērauda stieņu koroziju, tādējādi samazinot ēkas ekspluatāciju23. Tāpēc ir svarīgi sintezēt iekapsulētus fāzes maiņas materiālus ar pietiekamu apvalka materiāla daudzumu, kas var atrisināt iepriekš minētās problēmas24.
Fāzes maiņas materiālu mikrokapsulēšana var efektīvi palielināt siltuma pārnesi un samazināt vides reaktivitāti, kā arī kontrolēt tilpuma izmaiņas. PCM iekapsulēšanai ir izstrādātas dažādas metodes, proti, starpfāžu polimerizācija25,26,27,28, in situ polimerizācija29,30,31,32, koacervācija33,34,35 un sol-gēla procesi36,37,38,39. Mikrokapsulēšanai var izmantot formaldehīda sveķus40,41,42,43. Kā apvalka materiāli tiek izmantoti melamīna-formaldehīda un urīnvielas-formaldehīda sveķi, kas darbības laikā bieži izdala toksisku formaldehīdu. Tāpēc šos materiālus ir aizliegts izmantot iepakošanas procesos. Tomēr videi draudzīgus fāzes maiņas materiālus mērogojamai siltumenerģijas uzkrāšanai var sintezēt, izmantojot hibrīdas nanokapsulas, kuru pamatā ir taukskābes un lignīns44.
Džans un līdzautori 45 sintezēja laurīnskābi no tetraetilortosilikāta un secināja, ka, palielinoties metiltrietoksisilāna un tetraetilortosilikāta tilpuma attiecībai, latentais siltums samazinās un virsmas hidrofobitāte palielinās. Laurīnskābe varētu būt potenciāls un efektīvs kapoka šķiedru serdes materiāls 46. Turklāt Latibari un līdzautori 47 sintezēja uz stearīnskābes bāzes veidotus PCM, izmantojot TiO2 kā apvalka materiālu. Džu un līdzautori sagatavoja n-oktadekāna un silikona nanokapsulas kā potenciālus PCM 48. No literatūras apskata ir grūti saprast ieteicamo devu efektīvu un stabilu mikrokapsulētu fāzes maiņas materiālu veidošanai.
Tāpēc, ciktāl autoriem zināms, mikrokapsulēšanai izmantotā fāzes maiņas materiāla daudzums ir svarīgs parametrs efektīvu un stabilu mikrokapsulētu fāzes maiņas materiālu ražošanai. Izmantojot dažādu fāzes maiņas materiālu daudzumu, mēs varēsim noskaidrot mikrokapsulētu fāzes maiņas materiālu dažādās īpašības un stabilitāti. Stearīnskābe (taukskābe) ir videi draudzīga, medicīniski nozīmīga un ekonomiska viela, ko var izmantot siltumenerģijas uzglabāšanai, jo tai ir augsta entalpijas vērtība (~200 J/g) un tā var izturēt temperatūru līdz 72 °C. Turklāt SiO2 nav uzliesmojošs, nodrošina augstāku mehānisko izturību, siltumvadītspēju un labāku ķīmisko izturību pret serdes materiāliem, un darbojas kā pucolāns materiāls būvniecībā. Sajaucot cementu ar ūdeni, slikti iekapsulēti PCM var saplaisāt mehāniskā nodiluma un augstas temperatūras (hidratācijas siltuma) dēļ, kas rodas masīvās betona konstrukcijās. Tāpēc mikrokapsulētas CA izmantošana ar SiO2 apvalku var atrisināt šo problēmu. Tāpēc šī pētījuma mērķis bija izpētīt ar sol-gēla procesu sintezētu PCM veiktspēju un efektivitāti būvniecības pielietojumos. Šajā darbā mēs sistemātiski pētījām dažādus SA (kā bāzes materiāla) daudzumus – 5, 10, 15, 20, 30 un 50 g, kas iekapsulēti SiO2 apvalkos. Kā prekursora šķīdums SiO2 apvalka veidošanai tika izmantots fiksēts tetraetilortosilikāta (TEOS) daudzums 10 ml tilpumā.
Reaktīvās kvalitātes stearīnskābe (SA, C18H36O2, kušanas temperatūra: 72°C) kā kodols tika iegādāta no Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Kjongi, Dienvidkoreja. Tetraetilortosilikāts (TEOS, C8H20O4Si) kā prekursora šķīdums tika iegādāts no Acros Organics, Gēla, Beļģija. Turklāt absolūtais etanols (EA, C2H5OH) un nātrija laurilsulfāts (SLS, C12H25NaO4S) tika iegādāti no Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Kjongi, Dienvidkoreja, un tika izmantoti attiecīgi kā šķīdinātāji un virsmaktīvās vielas. Kā šķīdinātājs tiek izmantots arī destilēts ūdens.
Dažāds SA daudzums tika sajaukts ar dažādām nātrija laurilsulfāta (SLS) proporcijām 100 ml destilēta ūdens, izmantojot magnētisko maisītāju ar ātrumu 800 apgr./min un 75 °C 1 stundu (1. tabula). SA emulsijas tika iedalītas divās grupās: (1) 5, 10 un 15 g SA tika sajaukti ar 0,10 g SLS 100 ml destilēta ūdens (SATEOS1, SATEOS2 un SATEOS3), (2) 20, 30 un 50 g SA tika sajaukti ar 0,15, 0,20 un 0,25 g SLS tika sajaukti ar 100 ml destilēta ūdens (SATEOS4, SATEOS5 un SATEOS6). 0,10 g SLS tika izmantots ar 5, 10 un 15 g SA, lai izveidotu attiecīgās emulsijas. Pēc tam tika ierosināts palielināt SLS skaitu SATEOS4, SATEOS5 un SATEOS6. 1. tabulā parādītas CA un SLS attiecības, kas izmantotas stabilu emulsijas šķīdumu iegūšanai.
100 ml vārglāzē ievieto 10 ml TEOS, 10 ml etanola (EA) un 20 ml destilēta ūdens. Lai pētītu dažādu SA un SiO2 apvalku attiecību iekapsulēšanas efektivitāti, tika reģistrēts visu paraugu sintēzes koeficients. Maisījumu maisīja ar magnētisko maisītāju ar ātrumu 400 apgr./min un 60 °C 1 stundu. Pēc tam prekursora šķīdumu pa pilienam pievienoja sagatavotajai SA emulsijai, enerģiski maisīja ar ātrumu 800 apgr./min un 75 °C 2 stundas un filtrēja, lai iegūtu baltu pulveri. Balto pulveri mazgāja ar destilētu ūdeni, lai noņemtu atlikušo SA, un žāvēja vakuuma krāsnī 45 °C temperatūrā 24 stundas. Rezultātā ieguva mikrokapsulētu SC ar SiO2 apvalku. Viss mikrokapsulētā SA sintēzes un sagatavošanas process ir parādīts 1. attēlā.
SA mikrokapsulas ar SiO2 apvalku tika sagatavotas, izmantojot sol-gēla metodi, un to iekapsulēšanas mehānisms ir parādīts 2. attēlā. Pirmais solis ietver SA emulsijas sagatavošanu ūdens šķīdumā ar SLS kā virsmaktīvo vielu. Šajā gadījumā SA molekulas hidrofobais gals saistās ar SLS, bet hidrofilais gals - ar ūdens molekulām, veidojot stabilu emulsiju. Tādējādi SLS hidrofobās daļas ir aizsargātas un pārklāj SA piliena virsmu. No otras puses, TEOS šķīdumu hidrolīze notiek lēni ar ūdens molekulām, kā rezultātā etanola klātbūtnē veidojas hidrolizēts TEOS (2.a att.)49,50,51. Hidrolizētais TEOS tiek pakļauts kondensācijas reakcijai, kuras laikā n-hidrolizētais TEOS veido silīcija dioksīda klasterus (2.b att.). Silīcija dioksīda klasteri tika iekapsulēti ar SA52 SLS klātbūtnē (2.c att.), ko sauc par mikrokapsulācijas procesu.
CA mikrokapsulēšanas shematiska diagramma ar SiO2 apvalku (a) TEOS hidrolīze (b) hidrolizāta kondensācija un (c) CA iekapsulēšana ar SiO2 apvalku.
SA un mikrokapsulēto SA ķīmiskā analīze tika veikta, izmantojot Furjē transformācijas infrasarkano spektrometru (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, ASV), un spektri tika reģistrēti diapazonā no 500 līdz 4000 cm-1.
Rentgenstaru difraktometrs (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japāna) tika izmantots, lai analizētu SA fāzes un mikrokapsulu materiālus. Rentgenstaru struktūras skenēšana tika veikta diapazonā no 2θ = 5° līdz 95° ar skenēšanas ātrumu 4°/min, izmantojot Cu-Kα starojumu (λ = 1,541 Å), darba apstākļos 25 kV un 100 mA, nepārtrauktas skenēšanas režīmā. Rentgenattēli tika konstruēti diapazonā no 2θ = 5 līdz 50°, jo nevienā paraugā pēc 50° netika novērots maksimums.
Rentgenstaru fotoelektronu spektroskopija (XPS, Scienta Omicron R3000, ASV), izmantojot Al Kα (1486,6 eV) kā rentgenstaru avotu, tika veikta, lai izprastu SA ķīmisko stāvokli, kā arī iekapsulēšanas materiālā esošos elementus. Savāktie XPS spektri tika kalibrēti līdz C 1s maksimumam, izmantojot eksotisko ogli (saistes enerģija 284,6 eV). Pēc fona korekcijas, izmantojot Širlija metodi, katra elementa augstas izšķirtspējas maksimumi tika dekonvolucionēti un pielāgoti Gausa/Lorenca funkcijām, izmantojot CASA XPS programmatūru.
Masveida SC un mikrokapsulētu SC morfoloģija tika pētīta, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Čehija), kas aprīkota ar enerģijas dispersijas rentgenstaru spektroskopiju (EDS) pie 15 kV. Pirms SEM attēlveidošanas paraugi tika pārklāti ar platīnu (Pt), lai izvairītos no lādēšanas efektiem.
Termiskās īpašības (kušanas/sacietēšanas temperatūra un latentais siltums) un uzticamība (termiskā ciklēšana) tika noteiktas ar diferenciālo skenējošo kalorimetriju (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Ņūkāsla, ASV) ar sildīšanas/dzesēšanas ātrumu 10 °C/min 40 °C un 90 °C temperatūrā ar nepārtrauktu slāpekļa attīrīšanu. Svara zuduma analīze tika veikta, izmantojot TGA analizatoru (TA Instrument, Discovery TGA, Ņūkāsla, ASV) nepārtrauktā slāpekļa plūsmā, sākot no 40–600 °C temperatūras, ar sildīšanas ātrumu 10 °C/min.
3. attēlā parādīti gan masas SC, gan mikrokapsulētu SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 un SATEOS6) FTIR spektri. Absorbcijas maksimumi pie 2910 cm⁻¹ un 2850 cm⁻¹ visos paraugos (SA, kā arī mikrokapsulētā SA) tiek attiecināti uz attiecīgi –CH3 un –CH2 grupu simetriskām stiepšanās vibrācijām10,50. Maksimums pie 1705 cm⁻¹ atbilst C=O saites vibrācijas stiepšanai. Maksimumi pie 1470 cm⁻¹ un 1295 cm⁻¹ tiek attiecināti uz –OH funkcionālās grupas plaknes iekšējo lieces vibrāciju, savukārt maksimumi pie 940 cm⁻¹ un 719 cm⁻¹ atbilst attiecīgi –OH grupas plaknes iekšējai vibrācijai un tecēšanas plaknes deformācijas vibrācijai. Visās mikrokapsulās SA tika novēroti arī SA absorbcijas maksimumi pie 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 un 719 cm-1. Turklāt SA mikrokapsulā tika novērots jaunatklāts maksimums pie 1103 cm-1, kas atbilst Si-O-Si joslas antisimetriskajai stiepšanās vibrācijai. FT-IR rezultāti atbilst Yuan et al. 50 rezultātiem. Viņi veiksmīgi sagatavoja mikrokapsulētu SA amonjaka/etanola attiecībā un konstatēja, ka starp SA un SiO2 nenotika ķīmiska mijiedarbība. Pašreizējā FT-IR pētījuma rezultāti liecina, ka SiO2 apvalks veiksmīgi iekapsulēja SA (kodolu), izmantojot hidrolizētu TEOS kondensācijas procesu un polimerizāciju. Pie zemāka SA satura Si-O-Si joslas maksimuma intensitāte ir augstāka (3.b–d att.). Palielinoties SA daudzumam līdz vairāk nekā 15 g, pīķa intensitāte un Si-O-Si joslas paplašināšanās pakāpeniski samazinās, norādot uz plāna SiO2 slāņa veidošanos uz SA virsmas.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 un (g) SATEOS6 FTIR spektri.
4. attēlā parādīti gan masas SA, gan mikrokapsulētas SA XRD spektri. XRD pīķi atrodas pie 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° ((\overline {5}saskaņā ar JCPDS Nr. 0381923, 02)\), 21,42° visos paraugos (311), 24,04° (602) un 39,98° (913) tiek attiecināti uz SA. Deformācija un hibriditāte ar masas CA rodas tādu nenoteiktu faktoru dēļ kā virsmaktīvā viela (SLS), citas atlikušās vielas un SiO250 mikrokapsulācija. Pēc iekapsulēšanas galveno pīķu (300), (500), (311) un (602) intensitāte pakāpeniski samazinās, salīdzinot ar masas CA, kas norāda uz parauga kristāliskuma samazināšanos.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 un (g) SATEOS6 XRD diagrammas.
SATEOS1 intensitāte strauji samazinās, salīdzinot ar citiem paraugiem. Visos mikrokapsulētajos paraugos netika novēroti citi pīķi (4.b–g att.), kas apstiprina, ka uz SA virsmas notiek SiO252 fizikāla adsorbcija, nevis ķīmiska mijiedarbība. Turklāt tika secināts, ka SA mikrokapsulēšana neizraisīja jaunu struktūru parādīšanos. SiO2 paliek neskarts uz SA virsmas bez jebkādas ķīmiskas reakcijas, un, samazinoties SA daudzumam, esošie pīķi kļūst izteiktāki (SATEOS1). Šis rezultāts norāda, ka SiO2 galvenokārt iekapsulē SA virsmu. Pīķis pie (700) pilnībā izzūd, un pīķis pie \(\overline{5}02)\) kļūst par izciļņu SATEOS 1 (4.b att.), kas ir saistīts ar samazinātu kristalinitāti un palielinātu amorfismu. SiO2 ir amorfs, tāpēc pīķiem, kas novēroti no 2θ = 19° līdz 25°, ir izciļnis un tie paplašinās53 (4.b–g att.), kas apstiprina amorfā SiO252 esamību. Mikrokapsulētas SA zemākā difrakcijas pīķa intensitāte ir saistīta ar silīcija dioksīda iekšējās sienas nukleācijas efektu un ierobežojošo kristalizācijas uzvedību49. Tiek uzskatīts, ka ar zemāku SA saturu veidojas biezāks silīcija dioksīda apvalks liela TEOS daudzuma dēļ, kas lielā mērā ir adsorbēts uz SA ārējās virsmas. Tomēr, palielinoties SA daudzumam, SA pilienu virsmas laukums emulsijas šķīdumā palielinās, un pareizai iekapsulēšanai ir nepieciešams vairāk TEOS. Tādēļ ar lielāku SA saturu SiO2 pīķis FT-IR tiek nomākts (3. att.), un difrakcijas pīķa intensitāte pie 2θ = 19–25° XRF (4. att.) samazinās, un arī izplešanās samazinās. Nav redzams. Tomēr, kā redzams 4. attēlā, tiklīdz SA daudzums tiek palielināts no 5 g (SATEOS1) līdz 50 g (SATEOS6), pīķi kļūst ļoti tuvi SA kopējam daudzumam, un parādās pīķis pie (700), un visas pīķu intensitātes ir identificētas. Šis rezultāts korelē ar FT-IR rezultātiem, kur SiO2 SATEOS6 pīķa intensitāte samazinās pie 1103 cm-1 (3.g att.).
SA, SATEOS1 un SATEOS6 esošo elementu ķīmiskie stāvokļi ir parādīti 1. un 2. attēlā, 5., 6., 7. un 8. attēlā un 2. tabulā. SA, SATEOS1 un SATEOS6 mērījumu skenējumi ir parādīti 5. attēlā, un augstas izšķirtspējas C 1s, O 1s un Si 2p skenējumi ir parādīti attiecīgi 5., 6., 7. un 8. attēlā un 2. tabulā. Ar XPS iegūtās saistīšanās enerģijas vērtības ir apkopotas 2. tabulā. Kā redzams 5. attēlā, SATEOS1 un SATEOS6, kur notika SiO2 apvalka mikrokapsulācija, tika novēroti acīmredzami Si 2s un Si 2p pīķi. Iepriekšējie pētnieki ir ziņojuši par līdzīgu Si 2s pīķi pie 155,1 eV54. Si virsotņu klātbūtne SATEOS1 (5.b att.) un SATEOS6 (5.c att.) apstiprina FT-IR (3. att.) un XRD (4. att.) datus.
Kā parādīts 6.a attēlā, SA masas C 1s saistīšanās enerģijā ir trīs dažādi pīķi: CC, kalifātiskais un O=C=O, kas ir attiecīgi 284,5 eV, 285,2 eV un 289,5 eV. C–C, kalifātiskie un O=C=O pīķi tika novēroti arī SATEOS1 (6.b attēls) un SATEOS6 (6.c attēls), un tie ir apkopoti 2. tabulā. Papildus tam C 1s pīķis atbilst arī papildu Si-C pīķim pie 283,1 eV (SATEOS1) un 283,5 eV (SATEOS6). Mūsu novērotās saistīšanās enerģijas C–C, kalifātiskajiem, O=C=O un Si–C labi korelē ar citiem avotiem55,56.
O1SA, SATEOS1 un SATEOS6 XPS spektri ir parādīti attiecīgi 7.a–c attēlā. SA pamatnes O1s maksimums ir dekonvolucionēts un tam ir divi maksimumi, proti, C=O/C–O (531,9 eV) un C–O–H (533,0 eV), savukārt SATEOS1 un SATEOS6 O1 maksimums ir konsekvents. Ir tikai trīs maksimumi: C=O/C–O, C–O–H un Si–OH55,57,58. O1s saistīšanās enerģija SATEOS1 un SATEOS6 nedaudz mainās, salīdzinot ar SA pamatni, kas ir saistīts ar ķīmiskā fragmenta izmaiņām SiO2 un Si-OH klātbūtnes dēļ apvalka materiālā.
SATEOS1 un SATEOS6 Si 2p XPS spektri ir parādīti attiecīgi 8.a un 8.b attēlā. Masveida CA Si 2p netika novērots SiO2 trūkuma dēļ. Si 2p maksimums atbilst 105,4 eV SATEOS1 un 105,0 eV SATEOS6, kas atbilst Si-O-Si, savukārt SATEOS1 maksimums ir 103,5 eV un SATEOS6 maksimums ir 103,3 eV, kas atbilst Si-OH55. Si-O-Si un Si-OH maksimumu saskaņošana SATEOS1 un SATEOS6 atklāja veiksmīgu SiO2 mikrokapsulēšanu uz SA serdes virsmas.
Mikrokapsulētā materiāla morfoloģija ir ļoti svarīga, ietekmējot šķīdību, stabilitāti, ķīmisko reaktivitāti, plūstamību un izturību59. Tāpēc SEM tika izmantots, lai raksturotu SA (100×) un mikrokapsulētā SA (500×) morfoloģiju, kā parādīts 9. attēlā. Kā redzams 9.a attēlā, SA blokam ir eliptiska forma. Daļiņu izmērs pārsniedz 500 mikronus. Tomēr, tiklīdz mikrokapsulēšanas process turpinās, morfoloģija dramatiski mainās, kā parādīts 9.b–g attēlā.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 un (g) SATEOS6 SEM attēli ar izšķirtspēju ×500.
SATEOS1 paraugā ir novērotas mazākas kvazisfēriskas SiO2 ietītas SA daļiņas ar raupju virsmu (9.b att.), kas var būt saistīts ar TEOS hidrolīzi un kondensācijas polimerizāciju uz SA virsmas, paātrinot etanola molekulu straujo difūziju. Rezultātā SiO2 daļiņas nogulsnējas un tiek novērota aglomerācija52,60. Šis SiO2 apvalks nodrošina mikrokapsulētajām CA daļiņām mehānisko izturību un arī novērš izkausēta CA noplūdi augstākā temperatūrā10. Šis rezultāts norāda, ka SA mikrokapsulas, kas satur SiO2, var izmantot kā potenciālus enerģijas uzkrāšanas materiālus61. Kā redzams 9.b attēlā, SATEOS1 paraugam ir vienmērīgs daļiņu sadalījums ar biezu SiO2 slāni, kas iekapsulē SA. Mikrokapsulētā SA (SATEOS1) daļiņu izmērs ir aptuveni 10–20 μm (9.b att.), kas ir ievērojami mazāks salīdzinājumā ar SA beztaras masu zemākā SA satura dēļ. Mikrokapsulas slāņa biezums ir saistīts ar prekursora šķīduma hidrolīzi un kondensācijas polimerizāciju. Aglomerācija notiek pie mazākām SA devām, t. i., līdz 15 g (9. att. b–d), bet, tiklīdz deva tiek palielināta, aglomerācija netiek novērota, bet ir novērojamas skaidri definētas sfēriskas daļiņas (9. att. e–g) 62.
Turklāt, ja SLS virsmaktīvās vielas daudzums ir nemainīgs, arī SA saturs (SATEOS1, SATEOS2 un SATEOS3) ietekmē efektivitāti, formu un daļiņu izmēra sadalījumu. Tādējādi tika konstatēts, ka SATEOS1 uzrāda mazāku daļiņu izmēru, vienmērīgu sadalījumu un blīvu virsmu (9.b att.), kas tika attiecināts uz SA hidrofilo raksturu, kas veicina sekundāro kodolu veidošanos nemainīgas virsmaktīvās vielas ietekmē63. Tiek uzskatīts, ka, palielinot SA saturu no 5 līdz 15 g (SATEOS1, SATEOS2 un SATEOS3) un izmantojot nemainīgu virsmaktīvās vielas daudzumu, t.i., 0,10 g SLS (1. tabula), katras virsmaktīvās vielas molekulas daļiņas ieguldījums samazināsies, tādējādi samazinot daļiņu izmēru un daļiņu izmēru. SATEOS2 (9.c att.) un SATEOS3 (9.d att.) sadalījums atšķiras no SATEOS 1 (9.b att.) sadalījuma.
Salīdzinot ar SATEOS1 (9.b att.), SATEOS2 uzrādīja blīvu mikrokapsulētas SA morfoloģiju un palielinātu daļiņu izmēru (9.c att.). Tas ir saistīts ar aglomerāciju49, kas samazina koagulācijas ātrumu (2.b att.). Palielinoties SC daudzumam, palielinoties SLS, mikrokapsulas kļūst skaidri redzamas, kā parādīts attēlā, kā notiek agregācija. Turklāt 9.e–9.g attēlā redzams, ka visas daļiņas ir skaidri sfēriskas pēc formas un izmēra. Ir atzīts, ka liela SA daudzuma klātbūtnē var iegūt atbilstošu silīcija dioksīda oligomēru daudzumu, kas izraisa atbilstošu kondensāciju un iekapsulēšanu, un līdz ar to veidojas labi definētas mikrokapsula49. No SEM rezultātiem ir skaidrs, ka SATEOS6 veidoja atbilstošas ​​mikrokapsulas, salīdzinot ar nelielu SA daudzumu.
Enerģijas dispersīvās rentgenstaru spektroskopijas (EDS) rezultāti, iegūti no SA masas un mikrokapsulas SA, ir parādīti 3. tabulā. Kā redzams šajā tabulā, Si saturs pakāpeniski samazinās no SATEOS1 (12,34 %) līdz SATEOS6 (2,68 %). SA pieaugums. Tādēļ var teikt, ka SA daudzuma palielināšanās noved pie SiO2 nogulsnēšanās samazināšanās uz SA virsmas. 3. tabulā nav konsekventu C un O satura vērtību, jo EDS51 tika veikta daļēji kvantitatīva analīze. Mikrokapsulētā SA Si saturs korelēja ar FT-IR, XRD un XPS rezultātiem.
Beramās SA, kā arī mikrokapsulētas SA ar SiO2 apvalku kušanas un sacietēšanas uzvedība ir parādīta 1. un 2. attēlā. Tās ir parādītas attiecīgi 10. un 11. attēlā, un termiskie dati ir parādīti 4. tabulā. Mikrokapsulētas SA kušanas un sacietēšanas temperatūras bija atšķirīgas. Palielinoties SA daudzumam, kušanas un sacietēšanas temperatūras palielinās un tuvojas beramās SA vērtībām. Pēc SA mikrokapsulēšanas silīcija dioksīda sieniņa palielina kristalizācijas temperatūru, un tās sieniņa darbojas kā kodols, lai veicinātu heterogenitāti. Tādēļ, palielinoties SA daudzumam, pakāpeniski palielinās arī kušanas (10. att.) un sacietēšanas (11. att.) temperatūras49,51,64. Starp visiem mikrokapsulētajiem SA paraugiem SATEOS6 uzrādīja augstāko kušanas un sacietēšanas temperatūru, kam sekoja SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 un SATEOS1.
SATEOS1 uzrāda zemāko kušanas temperatūru (68,97 °C) un sacietēšanas temperatūru (60,60 °C), kas ir saistīts ar mazāku daļiņu izmēru, kurā SA daļiņu kustība mikrokapsulās ir ļoti maza, un SiO2 apvalks veido biezu slāni, un līdz ar to serdes materiāls ierobežo stiepšanos un kustību49. Šī hipotēze ir saistīta ar SEM rezultātiem, kur SATEOS1 uzrādīja mazāku daļiņu izmēru (9.b att.), kas ir saistīts ar to, ka SA molekulas ir ierobežotas ļoti nelielā mikrokapsulu laukumā. Galvenās masas, kā arī visu SA mikrokapsulu ar SiO2 apvalkiem kušanas un sacietēšanas temperatūru atšķirība ir diapazonā no 6,10 līdz 8,37 °C. Šis rezultāts norāda, ka mikrokapsulētu SA var izmantot kā potenciālu enerģijas uzkrāšanas materiālu, pateicoties SiO2 apvalka labai siltumvadītspējai 65.
Kā redzams 4. tabulā, SATEOS6 ir visaugstākā entalpija starp visiem mikrokapsulētajiem SC (9.g att.), pateicoties pareizai iekapsulēšanai, ko novēro ar SEM. SA iesaiņošanās ātrumu var aprēķināt, izmantojot (1) vienādojumu. (1) Salīdzinot mikrokapsulētā SA49 latentā siltuma datus.
R vērtība apzīmē mikrokapsulēta SC iekapsulēšanas pakāpi (%), ΔHMEPCM,m apzīmē mikrokapsulēta SC latento kušanas siltumu un ΔHPCM,m apzīmē SC latento kušanas siltumu. Turklāt iepakošanas efektivitāte (%) tiek aprēķināta kā vēl viens svarīgs tehniskais parametrs, kā parādīts (1) vienādojumā. (2)49.
E vērtība apzīmē mikrokapsulētas hidroksipropilmetilcelulozes iekapsulēšanas efektivitāti (%), ΔHMEPCM,s apzīmē mikrokapsulētas hidroksipropilmetilcelulozes latento sacietēšanas siltumu un ΔHPCM,s apzīmē hidroksipropilmetilcelulozes latento sacietēšanas siltumu.
Kā parādīts 4. tabulā, SATEOS1 iepakošanas pakāpe un efektivitāte ir attiecīgi 71,89 % un 67,68 %, un SATEOS6 iepakošanas pakāpe un efektivitāte ir attiecīgi 90,86 % un 86,68 % (4. tabula). SATEOS6 paraugam ir visaugstākais iekapsulēšanas koeficients un efektivitāte starp visiem mikrokapsulētajiem SA, kas norāda uz tā augsto siltumietilpību. Tāpēc pārejai no cietas uz šķidrumu ir nepieciešams liels enerģijas daudzums. Turklāt visu SA mikrokapsulu un kopējās SA kušanas un sacietēšanas temperatūru atšķirība dzesēšanas procesā norāda, ka silīcija dioksīda apvalks mikrokapsulu sintēzes laikā ir telpiski ierobežots. Tādējādi rezultāti liecina, ka, palielinoties SC daudzumam, iekapsulēšanas ātrums un efektivitāte pakāpeniski palielinās (4. tabula).
Beramās SA un mikrokapsulas SA ar SiO2 apvalku (SATEOS1, SATEOS3 un SATEOS6) TGA līknes ir parādītas 12. attēlā. Beramās SA (SATEOS1, SATEOS3 un SATEOS6) termiskās stabilitātes īpašības tika salīdzinātas ar mikrokapsulētiem paraugiem. No TGA līknes ir skaidrs, ka gan beramās SA, gan mikrokapsulētās SA svara zudums uzrāda vienmērīgu un ļoti nelielu samazinājumu no 40 °C līdz 190 °C. Šajā temperatūrā beramā SC netiek pakļauta termiskai sadalīšanās, turpretī mikrokapsulētā SC atbrīvo adsorbēto ūdeni pat pēc žāvēšanas 45 °C temperatūrā 24 stundas. Tas izraisīja nelielu svara zudumu,49 bet virs šīs temperatūras materiāls sāka sadalīties. Pie zemāka SA satura (t.i., SATEOS1) adsorbētā ūdens saturs ir lielāks, un līdz ar to masas zudums līdz 190 °C ir lielāks (ieliktnis 12. attēlā). Tiklīdz temperatūra paaugstinās virs 190 °C, paraugs sāk zaudēt masu sadalīšanās procesu dēļ. Beramajā SA sāk sadalīties 190°C temperatūrā, un 260°C temperatūrā paliek tikai 4%, savukārt SATEOS1, SATEOS3 un SATEOS6 šajā temperatūrā saglabā attiecīgi 50%, 20% un 12%. Pēc 300°C beramā SA masas zudums bija aptuveni 97,60%, savukārt SATEOS1, SATEOS3 un SATEOS6 masas zudums bija attiecīgi aptuveni 54,20%, 82,40% un 90,30%. Palielinoties SA saturam, SiO2 saturs samazinās (3. tabula), un SEM novērojama apvalka retināšana (9. att.). Tādējādi mikrokapsulētā SA masas zudums ir mazāks salīdzinājumā ar beramo SA, kas izskaidrojams ar SiO2 apvalka labvēlīgajām īpašībām, kas veicina oglekļa silikāta-oglekļa slāņa veidošanos uz SA virsmas, tādējādi izolējot SA kodolu un palēninot iegūto gaistošo produktu izdalīšanos10. Šis ogles slānis termiskās sadalīšanās laikā veido fizisku aizsargbarjeru, ierobežojot viegli uzliesmojošu molekulu pāreju gāzes fāzē66,67. Papildus tam var novērot arī ievērojamus svara zuduma rezultātus: SATEOS1 uzrāda zemākas vērtības salīdzinājumā ar SATEOS3, SATEOS6 un SA. Tas ir tāpēc, ka SA daudzums SATEOS1 ir mazāks nekā SATEOS3 un SATEOS6, kur SiO2 apvalks veido biezu slāni. Turpretī kopējais SA svara zudums sasniedz 99,50% 415 °C temperatūrā. Tomēr SATEOS1, SATEOS3 un SATEOS6 uzrādīja attiecīgi 62,50%, 85,50% un 93,76% svara zudumu 415 °C temperatūrā. Šis rezultāts norāda, ka TEOS pievienošana uzlabo SA sadalīšanos, veidojot SiO2 slāni uz SA virsmas. Šie slāņi var veidot fizisku aizsargbarjeru, un tādēļ var novērot mikrokapsulētas CA termiskās stabilitātes uzlabošanos.
Berammateriāla SA un labākā mikrokapsulētā parauga (t. i., SATEOS 6) termiskās ticamības rezultāti pēc DSC51,52 30 karsēšanas un dzesēšanas cikliem ir parādīti 13. attēlā. Var redzēt, ka beramais SA (13. a attēls) neuzrāda nekādu atšķirību kušanas temperatūrā, sacietēšanas temperatūrā un entalpijas vērtībā, savukārt SATEOS6 (13. b attēls) neuzrāda nekādu atšķirību temperatūras un entalpijas vērtībā pat pēc 30. karsēšanas un dzesēšanas cikla. Berammateriāla SA kušanas temperatūra bija 72,10 °C, sacietēšanas temperatūra — 64,69 °C, un kušanas un sacietēšanas siltums pēc pirmā cikla bija attiecīgi 201,0 J/g un 194,10 J/g. Pēc 30. cikla šo vērtību kušanas temperatūra samazinājās līdz 71,24 °C, sacietēšanas temperatūra samazinājās līdz 63,53 °C, un entalpijas vērtība samazinājās par 10 %. Kušanas un sacietēšanas temperatūru izmaiņas, kā arī entalpijas vērtību samazināšanās norāda, ka CA bez taras nav uzticams lietojumiem bez mikrokapsulēšanas. Tomēr pēc pareizas mikrokapsulēšanas (SATEOS6) kušanas un sacietēšanas temperatūras un entalpijas vērtības nemainās (13.b att.). Kad SA ir mikrokapsulēts ar SiO2 apvalkiem, to var izmantot kā fāzes maiņas materiālu termiskos pielietojumos, īpaši būvniecībā, pateicoties tā optimālajai kušanas un sacietēšanas temperatūrai un stabilajai entalpijai.
DSC līknes, kas iegūtas paraugiem SA (a) un SATEOS6 (b) 1. un 30. sildīšanas un dzesēšanas ciklā.
Šajā pētījumā tika veikta sistemātiska mikrokapsulēšanas izpēte, izmantojot SA kā serdes materiālu un SiO2 kā apvalka materiālu. TEOS tiek izmantots kā prekursors, lai veidotu SiO2 atbalsta slāni un aizsargslāni uz SA virsmas. Pēc veiksmīgas mikrokapsulēta SA sintēzes FT-IR, XRD, XPS, SEM un EDS rezultāti parādīja SiO2 klātbūtni. SEM analīze liecina, ka SATEOS6 paraugā uz SA virsmas ir skaidri definētas sfēriskas daļiņas, ko ieskauj SiO2 apvalki. Tomēr MEPCM ar zemāku SA saturu uzrāda aglomerāciju, kas samazina PCM veiktspēju. XPS analīze parādīja Si-O-Si un Si-OH klātbūtni mikrokapsulu paraugos, kas atklāja SiO2 adsorbciju uz SA virsmas. Saskaņā ar termiskās veiktspējas analīzi, SATEOS6 uzrāda visdaudzsološāko siltuma uzkrāšanas spēju, kušanas un sacietēšanas temperatūrām attiecīgi 70,37 °C un 64,27 °C, un latentajam kušanas un sacietēšanas siltumam attiecīgi 182,53 J/g un 160,12 J/g. SATEOS6 maksimālā iepakošanas efektivitāte ir 86,68%. TGA un DSC termiskā cikla analīze apstiprināja, ka SATEOS6 joprojām ir laba termiskā stabilitāte un uzticamība pat pēc 30 sildīšanas un dzesēšanas procesiem.
Yang T., Wang XY un Li D. Termoķīmiskās cietvielu-gāzu kompozītmateriālu adsorbcijas sistēmas veiktspējas analīze siltumenerģijas uzglabāšanai un tās efektivitātes uzlabošanai. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. un Al-Hallaj, S. Fāžu maiņas enerģijas uzglabāšanas apskats: materiāli un pielietojums. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS un Saini JS Siltumenerģijas uzkrāšanas sistēmu siltuma pārneses veiktspēja, izmantojot PCM kapsulas: apskats. atjauninājums. atbalsts. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. un Bruno, F. Augstas temperatūras fāzes maiņas termiskās uzglabāšanas sistēmu uzglabāšanas materiālu un termiskās veiktspējas uzlabošanas tehnoloģiju apskats. Atjauninājums. Atbalsts. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fangs Guojins, Li Huns, Liu Sjans, Vu SM. Nanokapsulētu siltumenerģijas n-tetradekāna fāzes maiņas materiālu sagatavošana un raksturojums. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. un Li, M. Jaunu formu saglabājošu fāzes maiņas kompozītmateriālu sintēze, izmantojot modificētus grafēna aerogelus saules enerģijas pārveidošanai un uzglabāšanai. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. un Fang, G. Fāzes maiņas materiālu morfoloģiskā raksturošana un pielietojums siltumenerģijas uzglabāšanā: apskats. atjauninājums. atbalsts. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).