Köszönjük, hogy felkereste a Nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik. A legjobb eredmény elérése érdekében javasoljuk, hogy a böngésző újabb verzióját használja (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Időközben a folyamatos támogatás biztosítása érdekében a webhelyet stílus és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
A sztearinsavat (SA) fázisváltó anyagként (PCM) használják energiatároló eszközökben. Ebben a tanulmányban szol-gél módszert alkalmaztak SiO2 héj felületaktív anyag mikrokapszulázására. Különböző mennyiségű SA-t (5, 10, 15, 20, 30 és 50 g) kapszuláztak 10 ml tetraetil-ortoszilikátban (TEOS). A szintetizált mikrokapszulázott fázisváltó anyagot (MEPCM) Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiával (FT-IR), röntgendiffrakcióval (XRD), röntgen-fotoelektron spektroszkópiával (XPS) és pásztázó elektronmikroszkópiával (SEM) jellemezték. A jellemzési eredmények azt mutatták, hogy az SA sikeresen beágyazódott SiO2-ba. A termogravimetriás analízis (TGA) kimutatta, hogy az MEPCM jobb hőstabilitással rendelkezik, mint a CA. Differenciális pásztázó kalorimetria (DSC) segítségével megállapították, hogy az MEPCM entalpiaértéke 30 fűtési-hűtési ciklus után sem változott. Az összes mikrokapszulázott minta közül az 50 g MEPCM-et tartalmazó SA rendelkezett a legmagasabb olvadási és dermedéshővel, amelyek rendre 182,53 J/g, illetve 160,12 J/g voltak. A csomagolás hatékonyságát termikus adatok felhasználásával számították ki, és a legmagasabb hatékonyságot ugyanezen minta esetében tapasztalták, amely 86,68% volt.
Az építőiparban felhasznált energia körülbelül 58%-át épületek fűtésére és hűtésére fordítják1. Ezért a legfontosabb olyan hatékony energiarendszerek létrehozása, amelyek figyelembe veszik a környezetszennyezést2. A fázisváltó anyagokat (PCM) alkalmazó látens hőtechnológia alacsony hőmérsékleti ingadozások mellett is nagy energiát képes tárolni3,4,5,6, és széles körben alkalmazható olyan területeken, mint a hőátadás, a napenergia-tárolás, a repülőgépipar és a légkondicionálás7,8,9. A PCM nappal elnyeli az épületek külső felületeinek hőenergiáját, éjszaka pedig energiát bocsát ki10. Ezért a fázisváltó anyagokat ajánljuk hőenergia-tároló anyagként. Ezenkívül különböző típusú PCM-ek léteznek, például szilárd-szilárd, szilárd-folyékony, folyékony-gáz és szilárd-gáz11. Közülük a legnépszerűbb és leggyakrabban használt fázisváltó anyagok a szilárd-szilárd fázisváltó anyagok és a szilárd-folyékony fázisváltó anyagok. Alkalmazásuk azonban nagyon nehéz a folyadék-gáz és a szilárd-gáz fázisátmeneti anyagok hatalmas térfogatváltozása miatt.
A PCM tulajdonságainak köszönhetően számos alkalmazási lehetőséggel rendelkezik: a 15°C alatti hőmérsékleten olvadók légkondicionáló rendszerekben használhatók a hideg hőmérséklet fenntartására, a 90°C feletti hőmérsékleten olvadók pedig fűtési rendszerekben a tüzek megelőzésére12. Az alkalmazástól és az olvadáspont-tartománytól függően különféle fázisváltó anyagokat szintetizáltak különböző szerves és szervetlen vegyi anyagokból13,14,15. A paraffin a leggyakrabban használt fázisváltó anyag, magas látens hővel, nem korrozív, biztonságos és széles olvadáspont-tartománnyal16,17,18,19,20,21.
A fázisváltó anyagok alacsony hővezető képessége miatt azonban egy héjba (külső rétegbe) kell kapszulázni őket, hogy megakadályozzuk az alapanyag szivárgását a fázisváltási folyamat során22. Ezenkívül a működési hibák vagy a külső nyomás károsíthatja a külső réteget (burkolatot), és az olvadt fázisváltó anyag reakcióba léphet az építőanyagokkal, a beágyazott acélrudak korrózióját okozva, ezáltal csökkentve az épület használhatóságát23. Ezért fontos, hogy elegendő héjanyaggal kapszulázott fázisváltó anyagokat szintetizáljunk, ami megoldhatja a fenti problémákat24.
A fázisváltó anyagok mikrokapszulázása hatékonyan növelheti a hőátadást, csökkentheti a környezeti reaktivitást, és szabályozhatja a térfogatváltozásokat. Különböző módszereket fejlesztettek ki a PCM kapszulázásra, nevezetesen a határfelületi polimerizációt25,26,27,28, az in situ polimerizációt29,30,31,32, a koacervációt33,34,35 és a szol-gél eljárásokat36,37,38,39. A formaldehid gyanta használható mikrokapszulázáshoz40,41,42,43. Héjanyagként melamin-formaldehid és karbamid-formaldehid gyanták kerülnek felhasználásra, amelyek működés közben gyakran mérgező formaldehidet bocsátanak ki. Ezért ezeket az anyagokat tilos csomagolási folyamatokban használni. A skálázható hőenergia-tároláshoz azonban környezetbarát fázisváltó anyagok szintetizálhatók zsírsavak és lignin alapú hibrid nanokapszulák segítségével44.
Zhang és munkatársai45 laurinsavat szintetizáltak tetraetil-ortoszilikátból, és arra a következtetésre jutottak, hogy a metil-trietoxi-szilán és a tetraetil-ortoszilikát térfogatarányának növekedésével a látens hő csökken, és a felületi hidrofobicitás nő. A laurinsav potenciális és hatékony maganyag lehet a kapok szálak számára46. Ezenkívül Latibari és munkatársai47 sztearinsav alapú PCM-eket szintetizáltak TiO2 héjanyagként való felhasználásával. Zhu és munkatársai n-oktadekán és szilikon nanokapszulákat állítottak elő potenciális PCM-ként48. Az irodalom áttekintése alapján nehéz megérteni a hatékony és stabil mikrokapszulázott fázisváltó anyagok előállításához ajánlott adagolást.
A szerzők tudomása szerint tehát a mikrokapszulázáshoz használt fázisváltó anyag mennyisége fontos paraméter a hatékony és stabil mikrokapszulázott fázisváltó anyagok előállításához. Különböző mennyiségű fázisváltó anyag használata lehetővé teszi számunkra, hogy megvilágítsuk a mikrokapszulázott fázisváltó anyagok különböző tulajdonságait és stabilitását. A sztearinsav (zsírsav) egy környezetbarát, orvosi szempontból fontos és gazdaságos anyag, amely felhasználható hőenergia tárolására, mivel magas entalpiaértékkel rendelkezik (~200 J/g), és akár 72 °C-os hőmérsékletet is képes ellenállni. Ezenkívül a SiO2 nem gyúlékony, nagyobb mechanikai szilárdságot, hővezető képességet és jobb kémiai ellenállást biztosít a maganyagoknak, és puzzolán anyagként működik az építőiparban. Amikor a cementet vízzel keverik, a rosszul kapszulázott PCM-ek megrepedhetnek a mechanikai kopás és a masszív betonszerkezetekben keletkező magas hőmérséklet (hidratációs hő) miatt. Ezért a SiO2 héjjal ellátott mikrokapszulázott CA használata megoldhatja ezt a problémát. Ezért a jelen tanulmány célja a szol-gél eljárással szintetizált PCM-ek teljesítményének és hatékonyságának vizsgálata volt az építőipari alkalmazásokban. Ebben a munkában szisztematikusan vizsgáltunk különböző mennyiségű, 5, 10, 15, 20, 30 és 50 g-os, SiO2 héjakba kapszulázott SA-t (alapanyagként). A SiO2 héj kialakításához prekurzor oldatként 10 ml térfogatú, fix mennyiségű tetraetil-ortoszilikátot (TEOS) használtunk.
A reaktív minőségű sztearinsavat (SA, C18H36O2, olvadáspont: 72°C) maganyagként a Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.-től (Gyeonggi-do, Dél-Korea) vásároltuk. A tetraetil-ortoszilikátot (TEOS, C8H20O4Si) prekurzor oldatként az Acros Organics-tól (Geel, Belgium) vásároltuk. Ezenkívül abszolút etanolt (EA, C2H5OH) és nátrium-lauril-szulfátot (SLS, C12H25NaO4S) a Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.-től (Gyeonggi-do, Dél-Korea) vásároltunk oldószerként, illetve felületaktív anyagként. Oldószerként desztillált vizet is használtunk.
Különböző mennyiségű SA-t kevertünk össze különböző arányú nátrium-lauril-szulfáttal (SLS) 100 ml desztillált vízben mágneses keverővel 800 fordulat/perc sebességgel és 75 °C-on 1 órán át (1. táblázat). Az SA emulziókat két csoportra osztottuk: (1) 5, 10 és 15 g SA-t kevertünk össze 0,10 g SLS-sel 100 ml desztillált vízben (SATEOS1, SATEOS2 és SATEOS3), (2) 20, 30 és 50 g SA-t kevertünk össze 0,15, 0,20 és 0,25 g SLS-sel 100 ml desztillált vízzel (SATEOS4, SATEOS5 és SATEOS6). 0,10 g SLS-t használtunk 5, 10 és 15 g SA-val a megfelelő emulziók előállításához. Ezt követően javasolták az SLS-ek számának növelését a SATEOS4, SATEOS5 és SATEOS6 esetében. Az 1. táblázat a stabil emulziós oldatok előállításához használt CA és SLS arányokat mutatja.
Egy 100 ml-es főzőpohárba 10 ml TEOS-t, 10 ml etanolt (EA) és 20 ml desztillált vizet kellett tenni. A különböző SA és SiO2 héjarányok kapszulázási hatékonyságának vizsgálatához az összes minta szintézis együtthatóját feljegyezték. Az elegyet mágneses keverővel 400 fordulat/perc sebességgel és 60 °C-on 1 órán át keverték. A prekurzor oldatot ezután cseppenként hozzáadták az elkészített SA emulzióhoz, erőteljesen keverték 800 fordulat/perc sebességgel és 75 °C-on 2 órán át, majd szűrték, így fehér port kaptak. A fehér port desztillált vízzel mosták a maradék SA eltávolítása érdekében, majd vákuumkemencében 45 °C-on 24 órán át szárították. Ennek eredményeként egy SiO2 héjjal ellátott mikrokapszulázott SC-t kaptak. A mikrokapszulázott SA szintézisének és előállításának teljes folyamatát az 1. ábra mutatja.
A SiO2 héjjal ellátott SA mikrokapszulákat szol-gél módszerrel állították elő, kapszulázási mechanizmusukat a 2. ábra mutatja. Az első lépés egy SA emulzió előállítása vizes oldatban, SLS felületaktív anyaggal. Ebben az esetben az SA molekula hidrofób vége az SLS-hez, a hidrofil vége pedig a vízmolekulákhoz kötődik, stabil emulziót képezve. Így az SLS hidrofób részei védve vannak, és beborítják az SA csepp felületét. Másrészt a TEOS oldatok hidrolízise lassan megy végbe a vízmolekulák hatására, ami etanol jelenlétében hidrolizált TEOS képződéséhez vezet (2a. ábra)49,50,51. A hidrolizált TEOS kondenzációs reakción megy keresztül, amelynek során az n-hidrolizált TEOS szilícium-dioxid klasztereket képez (2b. ábra). A szilícium-dioxid klasztereket SA52 kapszulázta SLS jelenlétében (2c. ábra), ezt a folyamatot mikrokapszulázási folyamatnak nevezzük.
A CA SiO2 héjjal történő mikrokapszulázásának vázlatos rajza (a) TEOS hidrolízise (b) a hidrolizátum kondenzációja és (c) a CA SiO2 héjjal történő kapszulázása.
A tömbös SA és a mikrokapszulázott SA kémiai elemzését Fourier-transzformációs infravörös spektrométerrel (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) végeztük, és a spektrumokat 500 és 4000 cm-1 közötti tartományban rögzítettük.
A tömbi SA fázisok és a mikrokapszula anyagok elemzéséhez röntgendiffraktométert (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japán) használtunk. A röntgen szerkezeti szkennelést 2θ = 5°–95° tartományban, 4°/perc szkennelési sebességgel, Cu-Kα sugárzással (λ = 1,541 Å), 25 kV feszültség és 100 mA áramerősség mellett, folyamatos szkennelési módban végeztük. A röntgenképeket 2θ = 5–50° tartományban készítettük, mivel 50° után egyetlen mintában sem figyeltünk meg csúcsot.
Röntgen-fotoelektron spektroszkópiát (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) végeztünk Al Kα (1486,6 eV) röntgenforrással, hogy megértsük a tömbi SA kémiai állapotát, valamint a kapszulázó anyagban jelenlévő elemeket. A gyűjtött XPS spektrumokat egzotikus szén (kötési energia 284,6 eV) segítségével a C 1s csúcsra kalibráltuk. A Shirley-módszerrel végzett háttérkorrekció után az egyes elemek nagy felbontású csúcsait dekonvolucionáltuk és Gauss/Lorentz-függvényekhez illesztettük CASA XPS szoftver segítségével.
A tömbi SC és a mikrokapszulázott SC morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Csehország) vizsgáltuk, 15 kV-os energiadiszperzív röntgenspektroszkópiával (EDS) felszerelve. A SEM képalkotás előtt a mintákat platinával (Pt) vontuk be a töltési hatások elkerülése érdekében.
A termikus tulajdonságokat (olvadás-/szilárdulási pont és látens hő) és a megbízhatóságot (termikus ciklusok) differenciális pásztázó kalorimetriával (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) határoztuk meg 10 °C/perc fűtési/hűtési sebességgel 40 °C-on és 90 °C-on folyamatos nitrogénöblítéssel. A tömegveszteség-elemzést TGA analizátorral (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) végeztük folyamatos nitrogénáramban, 40–600 °C hőmérsékletről kiindulva, 10 °C/perc fűtési sebességgel.
A 3. ábra a tömbi SC, valamint a mikrokapszulázott SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 és SATEOS6) FTIR spektrumát mutatja. Az összes mintában (SA, valamint a mikrokapszulázott SA) a 2910 cm⁻¹-nél és 2850 cm⁻¹-nél található abszorpciós csúcsok a –CH3 és –CH2 csoportok szimmetrikus nyújtási rezgéseinek tulajdoníthatók10,50. Az 1705 cm⁻¹-nél található csúcs a C=O kötés rezgési nyújtásának felel meg. Az 1470 cm⁻¹-nél és 1295 cm⁻¹-nél található csúcsok az –OH funkciós csoport síkbeli hajlító rezgésének, míg a 940 cm⁻¹-nél és 719 cm⁻¹-nél található csúcsok az –OH csoport síkbeli rezgésének, illetve folyáshatár-deformációs rezgésének felelnek meg. Az összes mikrokapszulázott SA-ban megfigyelték az SA abszorpciós csúcsait 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 és 719 cm⁻¹-nél. Ezenkívül egy újonnan felfedezett csúcsot is megfigyeltek az SA mikrokapszulában 1103 cm⁻¹-nél, amely a Si-O-Si sáv antiszimmetrikus nyújtási rezgésének felel meg. Az FT-IR eredmények összhangban vannak Yuan és munkatársai 50 eredményeivel. Sikeresen állították elő a mikrokapszulázott SA-t ammónia/etanol arányban, és azt találták, hogy nem történt kémiai kölcsönhatás az SA és a SiO2 között. A jelenlegi FT-IR vizsgálat eredményei azt mutatják, hogy a SiO2 héj sikeresen kapszulázta az SA-t (magot) a hidrolizált TEOS kondenzációs folyamatán és polimerizációján keresztül. Alacsonyabb SA-tartalomnál a Si-O-Si sáv csúcsintenzitása magasabb (3b-d. ábra). Ahogy az SA mennyisége meghaladja a 15 g-ot, a csúcs intenzitása és a Si-O-Si sáv kiszélesedése fokozatosan csökken, ami egy vékony SiO2 réteg kialakulását jelzi az SA felületén.
Az (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 és (g) SATEOS6 FTIR spektrumai.
A tömör SA és a mikrokapszulázott SA XRD-mintázatait a 4. ábra mutatja. A XRD-csúcsok a következő értékeknél találhatók: 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° ((\overline {5} a JCPDS No. 0381923, 02 szerint)\), 21,42° az összes mintában (311), 24,04° (602) és 39,98° (913) az SA-hoz rendelhetők. A tömör CA-val való torzulás és hibriditás bizonytalan tényezők, például felületaktív anyag (SLS), egyéb maradék anyagok és a SiO250 mikrokapszulázása miatt jelentkezik. A kapszulázás után a főcsúcsok (300), (500), (311) és (602) intenzitása fokozatosan csökken a tömör CA-hoz képest, ami a minta kristályosságának csökkenését jelzi.
Az (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 és (g) SATEOS6 röntgendiffrakciós mintázatai.
A SATEOS1 intenzitása meredeken csökken a többi mintához képest. A mikrokapszulázott mintákban nem figyeltek meg más csúcsokat (4b–g. ábra), ami megerősíti, hogy a SiO252 fizikai adszorpciója, és nem kémiai kölcsönhatás történik az SA felületén. Ezenkívül azt is megállapították, hogy az SA mikrokapszulázása nem vezetett új struktúrák megjelenéséhez. A SiO2 érintetlen marad az SA felületén kémiai reakció nélkül, és az SA mennyiségének csökkenésével a meglévő csúcsok egyre nyilvánvalóbbá válnak (SATEOS1). Ez az eredmény azt jelzi, hogy a SiO2 főként az SA felületét kapszulázza. A (700)-nál lévő csúcs teljesen eltűnik, a \(\overline{5}02)\)-nél lévő csúcs pedig a SATEOS 1-ben púpossá válik (4b. ábra), ami a kristályosság csökkenésével és a megnövekedett amorfizmussal jár. A SiO2 amorf jellegű, így a 2θ = 19° és 25° között megfigyelt csúcsok púposak és kiszélesednek53 (4b–g. ábra), ami megerősíti az amorf SiO252 létezését. A mikrokapszulázott SA alacsonyabb diffrakciós csúcsintenzitása a szilícium-dioxid belső falának nukleációs hatásának és a korlátozó kristályosodási viselkedésnek köszönhető49. Úgy vélik, hogy alacsonyabb SA-tartalom esetén vastagabb szilícium-dioxid héj képződik a nagy mennyiségű TEOS jelenléte miatt, amely nagyrészt az SA külső felületén adszorbeálódik. Azonban az SA mennyiségének növekedésével az SA-cseppek felülete az emulziós oldatban növekszik, és több TEOS szükséges a megfelelő kapszulázáshoz. Ezért magasabb SA-tartalom esetén az FT-IR SiO2 csúcsa elnyomódik (3. ábra), és a 2θ = 19–25° közelében lévő diffrakciós csúcs intenzitása XRF-ben (4. ábra) csökken, és a tágulás is csökken. Nem látható. Azonban, amint a 4. ábrán látható, amint az SA mennyiségét 5 g-ról (SATEOS1) 50 g-ra (SATEOS6) növeljük, a csúcsok nagyon közel kerülnek a tömbi SA-hoz, és a (700)-nál lévő csúcs megjelenik, ahol az összes csúcsintenzitás azonosítva van. Ez az eredmény korrelál az FT-IR eredményekkel, ahol a SiO2 SATEOS6 csúcs intenzitása 1103 cm-1-nél csökken (3g. ábra).
Az SA, SATEOS1 és SATEOS6 elemek kémiai állapotát az 1. és 2. ábra, az 5., 6., 7. és 8. ábra, valamint a 2. táblázat mutatja. A tömeges SA, SATEOS1 és SATEOS6 mérési eredményei az 5. ábrán, a C 1s, O 1s és Si 2p nagy felbontású vizsgálatai pedig az 5., 6., 7. és 8. ábrán, valamint a 2. táblázatban láthatók. Az XPS-sel kapott kötési energiaértékeket a 2. táblázat foglalja össze. Amint az az 5. ábrán látható, a SATEOS1 és SATEOS6 esetében egyértelmű Si 2s és Si 2p csúcsokat figyeltek meg, ahol a SiO2 héj mikrokapszulázása történt. Korábbi kutatók hasonló Si 2s csúcsról számoltak be 155,1 eV54-nél. A Si csúcsok jelenléte a SATEOS1-ben (5b. ábra) és a SATEOS6-ban (5c. ábra) megerősíti az FT-IR (3. ábra) és XRD (4. ábra) adatokat.
Amint a 6a. ábrán látható, a tömbi SA C 1s-ének három különböző csúcsa van: CC, kalifás és O=C=O a kötési energiánál, amelyek rendre 284,5 eV, 285,2 eV és 289,5 eV. C–C, kalifás és O=C=O csúcsokat figyeltek meg a SATEOS1-ben (6b. ábra) és a SATEOS6-ban (6c. ábra) is, és ezeket a 2. táblázat foglalja össze. Ezen túlmenően a C 1s csúcs egy további Si-C csúcsnak is megfelel 283,1 eV-nál (SATEOS1) és 283,5 eV-nál (SATEOS6). A C–C, kalifás, O=C=O és Si–C esetében megfigyelt kötési energiáink jól korrelálnak más forrásokból származó kötési energiákkal55,56.
Az O1SA, SATEOS1 és SATEOS6 XPS spektrumait a 7a–c. ábrák mutatják. A tömbi SA O1s csúcsa dekonvolúciós, és két csúcsot tartalmaz, nevezetesen C=O/C–O (531,9 eV) és C–O–H (533,0 eV), míg a SATEOS1 és a SATEOS6 O1 csúcsa konzisztens, csak három csúcs található: C=O/C–O, C–O–H és Si–OH55,57,58. A SATEOS1 és a SATEOS6 O1s kötési energiája kismértékben változik a tömbi SA-hoz képest, ami a kémiai fragmens változásával jár a héjanyagban lévő SiO2 és Si-OH jelenléte miatt.
A SATEOS1 és SATEOS6 Si 2p XPS spektrumait a 8a. és 8b. ábra mutatja. Tömbi CA-ban Si 2p nem volt megfigyelhető a SiO2 hiánya miatt. A Si 2p csúcs 105,4 eV-nak felel meg a SATEOS1 és 105,0 eV-nak a SATEOS6 esetében, ami Si-O-Si-nak felel meg, míg a SATEOS1 csúcs 103,5 eV, a SATEOS6 csúcs pedig 103,3 eV, ami Si-OH55-nek felel meg. A SATEOS1 és SATEOS6 Si-O-Si és Si-OH csúcsainak illesztése a SiO2 sikeres mikrokapszulázását mutatta ki az SA mag felületén.
A mikrokapszulázott anyag morfológiája nagyon fontos, befolyásolja az oldhatóságot, a stabilitást, a kémiai reakcióképességet, a folyóképességet és a szilárdságot59. Ezért SEM-et alkalmaztak a tömb SA (100×) és a mikrokapszulázott SA (500×) morfológiájának jellemzésére, ahogy a 9. ábra mutatja. Amint a 9a. ábrán látható, az SA tömb ellipszis alakú. A részecskeméret meghaladja az 500 mikront. Amint azonban a mikrokapszulázási folyamat folytatódik, a morfológia drámaian megváltozik, amint azt a 9b–g. ábrák mutatják.
Az (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 és (g) SATEOS6 SEM képei ×500 méretben.
A SATEOS1 mintában kisebb, kvázigömb alakú, SiO2-vel burkolt, érdes felületű SA-részecskék figyelhetők meg (9b. ábra), ami a TEOS SA felületén történő hidrolízisének és kondenzációs polimerizációjának tudható be, ami felgyorsítja az etanolmolekulák gyors diffúzióját. Ennek eredményeként SiO2-részecskék rakódnak le, és agglomeráció figyelhető meg52,60. Ez a SiO2-héj mechanikai szilárdságot biztosít a mikrokapszulázott CA-részecskéknek, és megakadályozza az olvadt CA szivárgását magasabb hőmérsékleten10. Ez az eredmény azt jelzi, hogy a SiO2-t tartalmazó SA-mikrokapszulák potenciális energiatároló anyagként használhatók61. Amint a 9b. ábrán látható, a SATEOS1 minta egyenletes részecskeeloszlással rendelkezik, vastag SiO2-réteg veszi körül az SA-t. A mikrokapszulázott SA (SATEOS1) részecskemérete körülbelül 10–20 μm (9b. ábra), ami az alacsonyabb SA-tartalom miatt lényegesen kisebb a tömbi SA-hoz képest. A mikrokapszularéteg vastagsága a prekurzor oldat hidrolízisének és kondenzációs polimerizációjának köszönhető. Alacsonyabb SA-dózisoknál, azaz 15 g-ig, agglomeráció következik be (9b-d. ábra), de amint az adagot növelik, már nem figyelhető meg agglomeráció, hanem tisztán definiált gömb alakú részecskék figyelhetők meg (9e-g. ábra) 62.
Ezenkívül, amikor az SLS felületaktív anyag mennyisége állandó, az SA-tartalom (SATEOS1, SATEOS2 és SATEOS3) szintén befolyásolja a hatékonyságot, az alakot és a részecskeméret-eloszlást. Így a SATEOS1 kisebb részecskeméretet, egyenletes eloszlást és sűrű felületet mutatott (9b. ábra), amit az SA hidrofil természetének tulajdonítottak, amely állandó felületaktív anyag mellett elősegíti a másodlagos nukleációt63. Úgy vélik, hogy az SA-tartalom 5-ről 15 g-ra történő növelésével (SATEOS1, SATEOS2 és SATEOS3) és állandó mennyiségű felületaktív anyag, azaz 0,10 g SLS alkalmazásával (1. táblázat), a felületaktív molekula egyes részecskéinek hozzájárulása csökken, ezáltal csökkentve a részecskeméretet és a részecskeméretet. A SATEOS2 (9c. ábra) és a SATEOS3 (9d. ábra) eloszlása ​​eltér a SATEOS 1 (9b. ábra) eloszlásától.
A SATEOS1-hez (9b. ábra) képest a SATEOS2 sűrű, mikrokapszulázott SA morfológiát mutatott, és a részecskeméret is megnőtt (9c. ábra). Ez az agglomerációnak49 köszönhető, ami csökkenti a koagulációs sebességet (2b. ábra). Ahogy az SC mennyisége növekszik az SLS növekedésével, a mikrokapszulák jól láthatóvá válnak, amint az ábrán látható, hogyan történik az aggregáció. Ezenkívül a 9e–g. ábrák azt mutatják, hogy minden részecske alakja és mérete egyértelműen gömb alakú és méretű. Felismerték, hogy nagy mennyiségű SA jelenlétében megfelelő mennyiségű szilícium-dioxid oligomer nyerhető, ami megfelelő kondenzációt és kapszulázást, és ezáltal jól definiált mikrokapszulák49 képződését eredményezi. Az SEM eredményekből egyértelműen kiderül, hogy a SATEOS6 a kis mennyiségű SA-hoz képest megfelelő mikrokapszulákat képezett.
A tömbi SA és a mikrokapszula SA energiadiszperzív röntgenspektroszkópiájának (EDS) eredményeit a 3. táblázat mutatja. Amint a táblázatból látható, a Si-tartalom fokozatosan csökken SATEOS1-ről (12,34%) SATEOS6-ra (2,68%). Az SA növekedése. Ezért elmondhatjuk, hogy az SA mennyiségének növekedése a SiO2 lerakódásának csökkenéséhez vezet az SA felületén. A 3. táblázatban nincsenek következetes értékek a C- és O-tartalomra vonatkozóan az EDS51 szemikvantitatív elemzése miatt. A mikrokapszulázott SA Si-tartalma korrelációt mutatott az FT-IR, XRD és XPS eredményekkel.
Az 1. és 2. ábra a tömbi SA, valamint a SiO2 héjjal ellátott mikrokapszulázott SA olvadási és szilárdulási viselkedését mutatja. Ezeket a 10. és 11. ábra mutatja, a termikus adatokat pedig a 4. táblázat tartalmazza. A mikrokapszulázott SA olvadási és szilárdulási hőmérsékletei eltérőnek bizonyultak. Az SA mennyiségének növekedésével az olvadási és szilárdulási hőmérsékletek is emelkednek, és megközelítik a tömbi SA értékeit. Az SA mikrokapszulázása után a szilícium-dioxid fal növeli a kristályosodási hőmérsékletet, és fala magként működik, elősegítve a heterogenitást. Ezért az SA mennyiségének növekedésével az olvadási (10. ábra) és a szilárdulási (11. ábra) hőmérsékletek is fokozatosan emelkednek49,51,64. Az összes mikrokapszulázott SA minta közül a SATEOS6 mutatta a legmagasabb olvadási és szilárdulási hőmérsékleteket, ezt követte a SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 és SATEOS1.
A SATEOS1 mutatja a legalacsonyabb olvadáspontot (68,97 °C) és dermedéspontot (60,60 °C), ami a kisebb részecskeméretnek köszönhető, amelyben az SA-részecskék mozgása a mikrokapszulákon belül nagyon kicsi, és az SiO2 héj vastag réteget képez, így a maganyag korlátozza a nyúlást és a mozgást49. Ez a hipotézis összefügg a pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) eredményekkel, ahol a SATEOS1 kisebb részecskeméretet mutatott (9b. ábra), ami annak köszönhető, hogy az SA-molekulák a mikrokapszulák nagyon kis területére korlátozódnak. A fő tömeg, valamint az összes SiO2 héjú SA mikrokapszula olvadási és dermedéspontja közötti különbség 6,10–8,37 °C tartományban van. Ez az eredmény azt jelzi, hogy a mikrokapszulázott SA potenciális energiatároló anyagként használható a SiO2 héj jó hővezető képessége miatt 65.
Amint a 4. táblázatból látható, a SATEOS6 rendelkezik a legmagasabb entalpiával az összes mikrokapszulázott SC közül (9g. ábra) a pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) megfigyelt megfelelő kapszulázásnak köszönhetően. Az SA csomagolási sebessége az (1) egyenlettel számítható ki. (1) A mikrokapszulázott SA49 látens hőadatainak összehasonlításával.
Az R érték a mikrokapszulázott SC kapszulázási fokát (%), a ΔHMEPCM,m a mikrokapszulázott SC látens olvadáshőjét, a ΔHPCM,m pedig az SC látens olvadáshőjét jelenti. Ezenkívül a csomagolási hatékonyságot (%) is fontos műszaki paraméterként számítják ki, amint azt az (1) egyenlet mutatja. (2)49.
Az E-érték a mikrokapszulázott CA kapszulázási hatékonyságát (%), a ΔHMEPCM,s a mikrokapszulázott CA látens térhálósodási hőjét, a ΔHPCM,s pedig a CA látens térhálósodási hőjét jelenti.
Amint a 4. táblázatban látható, a SATEOS1 csomagolási foka és hatékonysága 71,89%, illetve 67,68%, míg a SATEOS6 csomagolási foka és hatékonysága 90,86%, illetve 86,68% (4. táblázat). A SATEOS6 minta mutatja a legmagasabb kapszulázási együtthatót és hatékonyságot az összes mikrokapszulázott SA közül, ami magas hőkapacitására utal. Ezért a szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenet nagy mennyiségű energiát igényel. Ezenkívül az összes SA mikrokapszula és a tömb SA olvadási és megszilárdulási hőmérsékletének különbsége a hűtési folyamat során azt jelzi, hogy a szilícium-dioxid héj térben korlátozott a mikrokapszula szintézise során. Így az eredmények azt mutatják, hogy az SC mennyiségének növekedésével a kapszulázási sebesség és a hatékonyság fokozatosan növekszik (4. táblázat).
A tömör SA és a SiO2 héjjal ellátott mikrokapszulás SA (SATEOS1, SATEOS3 és SATEOS6) TGA-görbéit a 12. ábra mutatja. A tömör SA (SATEOS1, SATEOS3 és SATEOS6) hőstabilitási tulajdonságait összehasonlították a mikrokapszulázott mintákkal. A TGA-görbéből egyértelműen látszik, hogy a tömör SA, valamint a mikrokapszulázott SA tömegvesztesége sima és nagyon enyhe csökkenést mutat 40 °C-ról 190 °C-ra. Ezen a hőmérsékleten a tömör SC nem bomlik termikusan, míg a mikrokapszulázott SC még 45 °C-on 24 órán át történő szárítás után is adszorbeált vizet szabadít fel. Ez enyhe tömegveszteséget eredményezett,49 de ezen hőmérséklet felett az anyag bomlani kezdett. Alacsonyabb SA-tartalomnál (azaz SATEOS1) az adszorbeált víztartalom magasabb, ezért a tömegveszteség 190 °C-ig nagyobb (a 12. ábra beillesztése). Amint a hőmérséklet 190 °C fölé emelkedik, a minta tömegveszteséget kezd el mutatni a bomlási folyamatok miatt. A tömb SA 190°C-on bomlani kezd, és 260°C-on csak 4%-a marad meg, míg a SATEOS1, SATEOS3 és SATEOS6 ezen a hőmérsékleten rendre 50%, 20% és 12%-ot tart meg. 300°C után a tömb SA tömegvesztesége körülbelül 97,60% volt, míg a SATEOS1, SATEOS3 és SATEOS6 tömegvesztesége körülbelül 54,20%, 82,40% és 90,30% volt. Az SA-tartalom növekedésével a SiO2-tartalom csökken (3. táblázat), és a héj elvékonyodása figyelhető meg a pásztázó elektronmikroszkópon (SEM) (9. ábra). Így a mikrokapszulázott SA tömegvesztesége kisebb a tömb SA-hoz képest, amit a SiO2-héj kedvező tulajdonságai magyaráznak, amelyek elősegítik egy szén-szilikát-szén réteg kialakulását az SA felületén, ezáltal izolálják az SA magot és lassítják a keletkező illékony termékek felszabadulását10. Ez a char réteg fizikai védőgátat képez a termikus bomlás során, korlátozva a gyúlékony molekulák gázfázisba való átmenetét66,67. Emellett jelentős súlycsökkenési eredményeket is láthatunk: a SATEOS1 alacsonyabb értékeket mutat a SATEOS3, SATEOS6 és SA-hoz képest. Ez azért van, mert a SATEOS1-ben az SA mennyisége kisebb, mint a SATEOS3 és SATEOS6-ban, ahol az SiO2 héj vastag réteget alkot. Ezzel szemben a tömbös SA teljes súlyvesztesége eléri a 99,50%-ot 415 °C-on. A SATEOS1, SATEOS3 és SATEOS6 azonban 62,50%, 85,50% és 93,76%-os súlyveszteséget mutatott 415 °C-on. Ez az eredmény azt jelzi, hogy a TEOS hozzáadása javítja az SA lebomlását azáltal, hogy SiO2 réteget képez az SA felületén. Ezek a rétegek fizikai védőgátat képezhetnek, ezért megfigyelhető a mikrokapszulázott CA termikus stabilitásának javulása.
A tömb SA és a legjobb mikrokapszulázott minta (azaz a SATEOS 6) termikus megbízhatósági eredményeit a DSC51,52 30 fűtési és hűtési ciklusa után a 13. ábra mutatja. Látható, hogy a tömb SA (13a. ábra) nem mutat különbséget az olvadási hőmérséklet, a dermedés és az entalpia értékében, míg a SATEOS6 (13b. ábra) nem mutat különbséget a hőmérséklet és az entalpia értékében még a 30. fűtési ciklus és a hűtési folyamat után sem. A tömb SA olvadáspontja 72,10 °C, a dermedés hőmérséklete 64,69 °C, az olvadáshője és a dermedéshője az első ciklus után 201,0 J/g, illetve 194,10 J/g volt. A 30. ciklus után ezen értékek olvadáspontja 71,24 °C-ra, a dermedés hőmérséklete 63,53 °C-ra, az entalpia értéke pedig 10%-kal csökkent. Az olvadási és dermedéspontok változásai, valamint az entalpiaértékek csökkenése azt jelzi, hogy a tömbös CA megbízhatatlan a nem mikrokapszulázási alkalmazásokban. A megfelelő mikrokapszulázás (SATEOS6) után azonban az olvadási és dermedéspontok, valamint az entalpiaértékek nem változnak (13b. ábra). SiO2 héjjal mikrokapszulázva az SA fázisváltó anyagként használható termikus alkalmazásokban, különösen az építőiparban, optimális olvadási és dermedéspontjai, valamint stabil entalpiája miatt.
Az SA (a) és SATEOS6 (b) minták DSC görbéi az 1. és 30. fűtési és hűtési ciklusokban.
Ebben a tanulmányban a mikrokapszulázás szisztematikus vizsgálatát végeztük el, SA-t használva maganyagként, SiO2-t pedig héjanyagként. A TEOS-t prekurzorként használják SiO2 hordozóréteg és védőréteg kialakításához az SA felületén. A mikrokapszulázott SA sikeres szintézise után az FT-IR, XRD, XPS, SEM és EDS eredmények SiO2 jelenlétét mutatták. Az SEM analízis azt mutatja, hogy a SATEOS6 minta jól definiált gömb alakú részecskéket mutat, amelyeket SiO2 héjak vesznek körül az SA felületén. Az alacsonyabb SA-tartalmú MEPCM azonban agglomerációt mutat, ami csökkenti a PCM teljesítményét. Az XPS analízis Si-O-Si és Si-OH jelenlétét mutatta a mikrokapszula mintákban, ami a SiO2 adszorpcióját mutatja az SA felületén. A termikus teljesítményelemzés szerint a SATEOS6 mutatja a legígéretesebb hőtároló képességet, olvadási és dermedéshőmérséklete rendre 70,37 °C, illetve 64,27 °C, olvadási és dermedéshője pedig 182,53 J/g, illetve 160,12 J/g. G. A SATEOS6 maximális csomagolási hatékonysága 86,68%. A TGA és DSC termikus cikluselemzés megerősítette, hogy a SATEOS6 30 fűtési és hűtési folyamat után is jó termikus stabilitással és megbízhatósággal rendelkezik.
Yang T., Wang XY és Li D. Termokémiai szilárd-gáz kompozit adszorpciós rendszer teljesítményelemzése hőenergia tárolására és hatékonyságának javítása. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. és Al-Hallaj, S. A fázisváltozásos energiatárolás áttekintése: anyagok és alkalmazások. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS és Saini JS PCM kapszulákat használó hőtároló rendszerek hőátadási teljesítménye: áttekintés. frissítés. támogatás. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. és Bruno, F. Tárolóanyagok és hőteljesítmény-növelő technológiák áttekintése magas hőmérsékletű fázisváltó hőtároló rendszerekhez. frissítés. támogatás. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM: Nanokapszulázott hőenergiát tartalmazó n-tetradekán fázisváltó anyagok előállítása és jellemzése. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. és Li, M. Új, alakstabil fázisváltó kompozit anyagok szintézise módosított grafén aerogélek felhasználásával napenergia átalakítására és tárolására. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. és Fang, G. Fázisváltó anyagok morfológiai jellemzése és alkalmazása a hőenergia-tárolásban: áttekintés. frissítés. támogatás. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).