Takk for at du besøker Nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best resultat anbefaler vi at du bruker en nyere versjon av nettleseren din (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten styling eller JavaScript.
Stearinsyre (SA) brukes som faseendringsmateriale (PCM) i energilagringsenheter. I denne studien ble sol-gel-metoden brukt til å mikroinnkapsle SiO2-skalloverflateaktivt middel. Ulike mengder SA (5, 10, 15, 20, 30 og 50 g) ble innkapslet i 10 ml tetraetylortosilikat (TEOS). Det syntetiserte mikroinnkapslede faseendringsmaterialet (MEPCM) ble karakterisert ved hjelp av Fourier-transform infrarødspektroskopi (FT-IR), røntgendiffraksjon (XRD), røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og skanningselektronmikroskopi (SEM). Karakteriseringsresultatene viste at SA ble vellykket innkapslet av SiO2. Termogravimetrisk analyse (TGA) viste at MEPCM har bedre termisk stabilitet enn CA. Ved bruk av differensialskanningskalorimetri (DSC) ble det funnet at entalpiverdien til MEPCM ikke endret seg selv etter 30 oppvarmings- og avkjølingssykluser. Blant alle mikroinnkapslede prøver hadde 50 g SA som inneholdt MEPCM den høyeste latente smelte- og størkningsvarmen, som var henholdsvis 182,53 J/g og 160,12 J/g. Pakkeeffektivitetsverdien ble beregnet ved hjelp av termiske data, og den høyeste effektiviteten ble funnet for den samme prøven, som var 86,68 %.
Omtrent 58 % av energien som brukes i byggebransjen brukes til å varme opp og kjøle ned bygninger1. Derfor er det viktigste å lage effektive energisystemer som tar hensyn til miljøforurensning2. Latent varmeteknologi som bruker faseendringsmaterialer (PCM) kan lagre høy energi ved lave temperatursvingninger3,4,5,6 og kan brukes mye innen felt som varmeoverføring, solenergilagring, luftfart og klimaanlegg7,8,9. PCM absorberer termisk energi fra bygningers eksteriør på dagtid og frigjør energi om natten10. Derfor anbefales faseendringsmaterialer som termiske energilagringsmaterialer. I tillegg finnes det forskjellige typer PCM-er, som fast-fast, fast-væske, flytende-gass og fast-gass11. Blant dem er de mest populære og hyppig brukte faseendringsmaterialene fast-fast faseendringsmaterialer og fast-væske faseendringsmaterialer. Imidlertid er bruken av dem svært vanskelig på grunn av de enorme volumetriske endringene i væske-gass- og fast-gass-faseovergangsmaterialer.
PCM har en rekke bruksområder på grunn av egenskapene sine: de som smelter ved temperaturer under 15 °C kan brukes i klimaanlegg for å opprettholde kalde temperaturer, og de som smelter ved temperaturer over 90 °C kan brukes i varmesystemer for å forhindre branner12. Avhengig av bruksområde og smeltepunktområde har ulike faseendringsmaterialer blitt syntetisert fra forskjellige organiske og uorganiske kjemikalier13,14,15. Parafin er det mest brukte faseendringsmaterialet med høy latent varme, ikke-korrosivitet, sikkerhet og et bredt smeltepunktområde16,17,18,19,20,21.
På grunn av den lave varmeledningsevnen til faseendringsmaterialer, må de imidlertid innkapsles i et skall (ytre lag) for å forhindre lekkasje av basismaterialet under faseendringsprosessen22. I tillegg kan driftsfeil eller eksternt trykk skade det ytre laget (kledning), og det smeltede faseendringsmaterialet kan reagere med byggematerialer, noe som forårsaker korrosjon av innebygde stålstenger, og dermed redusere bygningens brukbarhet23. Derfor er det viktig å syntetisere innkapslede faseendringsmaterialer med tilstrekkelig skallmateriale, noe som kan løse problemene ovenfor24.
Mikroinnkapsling av faseendringsmaterialer kan effektivt øke varmeoverføringen og redusere miljøreaktivitet, og kontrollere volumendringer. Ulike metoder er utviklet for PCM-innkapsling, nemlig grenseflatepolymerisasjon25,26,27,28, in situ-polymerisasjon29,30,31,32, koacervasjon33,34,35 og sol-gel-prosesser36,37,38,39. Formaldehydharpiks kan brukes til mikroinnkapsling40,41,42,43. Melamin-formaldehyd- og urea-formaldehydharpikser brukes som skallmaterialer, som ofte avgir giftig formaldehyd under drift. Derfor er disse materialene forbudt å bruke i pakkeprosesser. Imidlertid kan miljøvennlige faseendringsmaterialer for skalerbar termisk energilagring syntetiseres ved hjelp av hybride nanokapsler basert på fettsyrer og lignin44.
Zhang et al. 45 syntetiserte laurinsyre fra tetraetylortosilikat og konkluderte med at når volumforholdet mellom metyltrietoksisilan og tetraetylortosilikat øker, avtar den latente varmen og overflatehydrofobisiteten øker. Laurinsyre kan være et potensielt og effektivt kjernemateriale for kapokfibre 46. I tillegg syntetiserte Latibari et al. 47 stearinsyrebaserte PCM-er ved bruk av TiO2 som skallmateriale. Zhu et al. fremstilte n-oktadekan og silikon-nanokapsler som potensielle PCM-er 48. Ut fra en litteraturgjennomgang er det vanskelig å forstå den anbefalte doseringen for dannelse av effektive og stabile mikroinnkapslede faseendringsmaterialer.
Derfor, så vidt forfatterne vet, er mengden faseendringsmateriale som brukes til mikroinnkapsling en viktig parameter for produksjon av effektive og stabile mikroinnkapslede faseendringsmaterialer. Bruk av forskjellige mengder faseendringsmaterialer vil tillate oss å belyse de forskjellige egenskapene og stabiliteten til mikroinnkapslede faseendringsmaterialer. Stearinsyre (fettsyre) er et miljøvennlig, medisinsk viktig og økonomisk stoff som kan brukes til å lagre termisk energi fordi det har en høy entalpiverdi (~200 J/g) og tåler temperaturer opptil 72 °C. I tillegg er SiO2 ikke-brennbart, gir høyere mekanisk styrke, varmeledningsevne og bedre kjemisk motstand mot kjernematerialer, og fungerer som et pozzolanisk materiale i konstruksjon. Når sement blandes med vann, kan dårlig innkapslede PCM-er sprekke på grunn av mekanisk slitasje og høye temperaturer (hydreringsvarme) som genereres i massive betongkonstruksjoner. Derfor kan bruk av mikroinnkapslet CA med et SiO2-skall løse dette problemet. Målet med denne studien var derfor å undersøke ytelsen og effektiviteten til PCM-er syntetisert ved sol-gel-prosessen i byggeapplikasjoner. I dette arbeidet studerte vi systematisk forskjellige mengder SA (som basismateriale) på 5, 10, 15, 20, 30 og 50 g innkapslet i SiO2-skall. En fast mengde tetraetylortosilikat (TEOS) i et volum på 10 ml ble brukt som en forløperløsning for dannelsen av SiO2-skallet.
Reaktiv stearinsyre (SA, C18H36O2, smeltepunkt: 72 °C) som kjernemateriale ble kjøpt fra Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Sør-Korea. Tetraetylortosilikat (TEOS, C8H20O4Si) som en forløperløsning ble kjøpt fra Acros Organics, Geel, Belgia. I tillegg ble absolutt etanol (EA, C2H5OH) og natriumlaurylsulfat (SLS, C12H25NaO4S) kjøpt fra Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Sør-Korea, og ble brukt som henholdsvis løsemidler og overflateaktive stoffer. Destillert vann brukes også som løsemiddel.
Ulike mengder SA ble blandet med forskjellige proporsjoner natriumlaurylsulfat (SLS) i 100 ml destillert vann ved bruk av en magnetrører ved 800 o/min og 75 °C i 1 time (tabell 1). SA-emulsjonene ble delt inn i to grupper: (1) 5, 10 og 15 g SA ble blandet med 0,10 g SLS i 100 ml destillert vann (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3), (2) 20, 30 og 50 g SA ble blandet med 0,15, 0,20 og 0,25 g SLS ble blandet med 100 ml destillert vann (SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6). 0,10 g SLS ble brukt med 5, 10 og 15 g SA for å danne de respektive emulsjonene. Deretter ble det foreslått å øke antallet SLS for SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6. Tabell 1 viser forholdstallene mellom CA og SLS som ble brukt for å oppnå stabile emulsjonsløsninger.
Plasser 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA) og 20 ml destillert vann i et 100 ml begerglass. For å studere innkapslingseffektiviteten til forskjellige forhold mellom SA- og SiO2-skall, ble syntesekoeffisienten for alle prøvene registrert. Blandingen ble omrørt med en magnetrører ved 400 rpm og 60 °C i 1 time. Forløperløsningen ble deretter tilsatt dråpevis til den fremstilte SA-emulsjonen, omrørt kraftig ved 800 rpm og 75 °C i 2 timer, og filtrert for å oppnå et hvitt pulver. Det hvite pulveret ble vasket med destillert vann for å fjerne gjenværende SA og tørket i en vakuumovn ved 45 °C i 24 timer. Som et resultat ble det oppnådd en mikroinnkapslet SC med et skall av SiO2. Hele prosessen med syntese og fremstilling av mikroinnkapslet SA er vist i figur 1.
SA-mikrokapsler med et SiO2-skall ble fremstilt ved hjelp av sol-gel-metoden, og innkapslingsmekanismen deres er vist i figur 2. Det første trinnet innebærer å fremstille en SA-emulsjon i en vandig løsning med SLS som overflateaktivt middel. I dette tilfellet binder den hydrofobe enden av SA-molekylet seg til SLS, og den hydrofile enden til vannmolekyler, og danner en stabil emulsjon. Dermed er de hydrofobe delene av SLS beskyttet og dekker overflaten av SA-dråpen. På den annen side skjer hydrolyse av TEOS-løsninger sakte av vannmolekyler, noe som fører til dannelsen av hydrolysert TEOS i nærvær av etanol (figur 2a) 49,50,51. Hydrolysert TEOS gjennomgår en kondensasjonsreaksjon, hvor n-hydrolysert TEOS danner silikaklynger (figur 2b). Silikaklyngene ble innkapslet av SA52 i nærvær av SLS (figur 2c), som kalles mikroinnkapslingsprosessen.
Skjematisk diagram av mikroinnkapsling av CA med et skall av SiO2 (a) hydrolyse av TEOS (b) kondensering av hydrolysatet og (c) innkapsling av CA med et skall av SiO2.
Kjemisk analyse av bulk SA og mikroinnkapslet SA ble utført ved hjelp av et Fourier-transformert infrarødt spektrometer (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA), og spektre ble registrert i området fra 500 til 4000 cm⁻¹.
Et røntgendiffraktometer (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan) ble brukt til å analysere bulk-SA-fasene og mikrokapselmaterialene. Røntgenstrukturskanning ble utført i området 2θ = 5°–95° med en skannehastighet på 4°/min, ved bruk av Cu-Kα-stråling (λ = 1,541 Å), driftsforhold på 25 kV og 100 mA, i kontinuerlig skannemodus. Røntgenbilder ble konstruert i området 2θ = 5–50°, siden ingen topp ble observert etter 50° i alle prøvene.
Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) ble utført med AlKα (1486,6 eV) som røntgenkilde for å forstå den kjemiske tilstanden til bulk SA samt elementene som er tilstede i innkapslingsmaterialet. De innsamlede XPS-spektrene ble kalibrert til C1s-toppen ved bruk av eksotisk karbon (bindingsenergi 284,6 eV). Etter bakgrunnskorreksjon ved bruk av Shirley-metoden ble høyoppløselige topper for hvert element dekonvolvert og tilpasset Gaussiske/Lorentzianske funksjoner ved bruk av CASA XPS-programvare.
Morfologien til bulk-SC og mikroinnkapslet SC ble undersøkt ved hjelp av skanningselektronmikroskopi (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Tsjekkia) utstyrt med energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) ved 15 kV. Før SEM-avbildning ble prøvene belagt med platina (Pt) for å unngå ladeeffekter.
Termiske egenskaper (smelte-/størknepunkt og latent varme) og pålitelighet (termisk sykling) ble bestemt ved differensialskanningskalorimetri (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) ved en oppvarmings-/avkjølingshastighet på 10 °C/min ved 40 °C og 90 °C med kontinuerlig nitrogenspyling. Vekttapanalyse ble utført ved hjelp av en TGA-analysator (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) i en kontinuerlig strøm av nitrogen som startet ved en temperatur på 40–600 °C, med en oppvarmingshastighet på 10 °C/min.
Figur 3 viser FTIR-spektrene til bulk SC samt mikroinnkapslet SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6). Absorpsjonstoppene ved 2910 cm⁻¹ og 2850 cm⁻¹ i alle prøver (SA så vel som mikroinnkapslet SA) tilskrives de symmetriske strekkvibrasjonene til henholdsvis –CH3- og –CH2-gruppene10,50. Toppen ved 1705 cm⁻¹ tilsvarer vibrasjonsstrekking av C=O-bindingen. Toppene ved 1470 cm⁻¹ og 1295 cm⁻¹ tilskrives bøyevibrasjonen i planet til den funksjonelle –OH-gruppen, mens toppene ved 940 cm⁻¹ og 719 cm⁻¹ tilsvarer vibrasjonen i planet og deformasjonsvibrasjonen i utbytte, henholdsvis –OH-gruppen. Absorpsjonstopper av SA ved 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 og 719 cm⁻¹ ble også observert i alt mikroinnkapslet SA. I tillegg ble en nyoppdaget topp ved 1103 cm⁻¹, som korresponderer med den antisymmetriske strekkvibrasjonen til Si-O-Si-båndet, observert i SA-mikrokapselen. FT-IR-resultatene er i samsvar med Yuan et al. 50. De fremstilte vellykket mikroinnkapslet SA i ammoniakk/etanol-forholdet og fant at det ikke forekom noen kjemisk interaksjon mellom SA og SiO₂. Resultatene fra den nåværende FT-IR-studien viser at SiO₂-skallet klarte å innkapsle SA (kjernen) gjennom kondensasjonsprosessen og polymeriseringen av hydrolysert TEOS. Ved lavere SA-innhold er toppintensiteten til Si-O-Si-båndet høyere (fig. 3b-d). Etter hvert som mengden SA øker til mer enn 15 g, avtar intensiteten til toppen og utvidelsen av Si-O-Si-båndet gradvis, noe som indikerer dannelsen av et tynt lag med SiO2 på overflaten av SA.
FTIR-spektre av (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6.
XRD-mønstrene for bulk SA og mikroinnkapslet SA er vist i figur 4. XRD-topper er plassert ved 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5} i henhold til JCPDS nr. 0381923, 02)\), 21,42° i alle prøver (311), 24,04° (602) og 39,98° (913) er tilordnet SA. Forvrengning og hybriditet med bulk CA på grunn av usikre faktorer som overflateaktivt middel (SLS), andre reststoffer og mikroinnkapsling av SiO250. Etter at innkapsling har skjedd, avtar intensiteten til hovedtoppene (300), (500), (311) og (602) gradvis sammenlignet med bulk CA, noe som indikerer en reduksjon i krystalliniteten til prøven.
XRD-mønstre av (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6.
Intensiteten til SATEOS1 avtar kraftig sammenlignet med andre prøver. Ingen andre topper ble observert i noen av de mikroinnkapslede prøvene (fig. 4b–g), noe som bekrefter at fysisk adsorpsjon av SiO252 snarere enn kjemisk interaksjon forekommer på SA-overflaten. I tillegg ble det også konkludert med at mikroinnkapsling av SA ikke førte til fremveksten av noen nye strukturer. SiO2 forblir intakt på SA-overflaten uten noen kjemisk reaksjon, og etter hvert som mengden SA avtar, blir de eksisterende toppene mer tydelige (SATEOS1). Dette resultatet indikerer at SiO2 hovedsakelig innkapsler SA-overflaten. Toppen ved (700) forsvinner fullstendig, og toppen ved \((\overline{5}02)\) blir en pukkel i SATEOS 1 (fig. 4b), noe som er assosiert med redusert krystallinitet og økt amorfisme. SiO2 er amorf av natur, så toppene observert fra 2θ = 19° til 25° har en pukkel og utvidelse53 (fig. 4b–g), noe som bekrefter eksistensen av amorf SiO252. Den lavere diffraksjonstoppintensiteten til mikroinnkapslet SA skyldes kimdannelseseffekten av silikaens indre vegg og den begrensende krystalliseringsatferden49. Det antas at med et lavere SA-innhold dannes et tykkere silikaskall på grunn av tilstedeværelsen av en stor mengde TEOS, som i stor grad adsorberes på den ytre overflaten av SA. Men når mengden SA øker, øker overflatearealet av SA-dråpene i emulsjonsløsningen, og mer TEOS er nødvendig for riktig innkapsling. Derfor, med et høyere SA-innhold, undertrykkes SiO2-toppen i FT-IR (fig. 3), og intensiteten til diffraksjonstoppen nær 2θ = 19–25° i XRF (fig. 4) avtar, og ekspansjonen avtar også. Ikke synlig. Men som det fremgår av figur 4, så snart mengden SA økes fra 5 g (SATEOS1) til 50 g (SATEOS6), blir toppene svært nær bulk-SA, og toppen ved (700) vises med alle toppintensiteter identifisert. Dette resultatet korrelerer med FT-IR-resultatene, hvor intensiteten til SiO2 SATEOS6-toppen avtar ved 1103 cm-1 (fig. 3g).
De kjemiske tilstandene til elementene som er tilstede i SA, SATEOS1 og SATEOS6 er vist i figur 1 og 2. Figur 5, 6, 7 og 8 samt tabell 2. Måleskanninger for bulk-SA, SATEOS1 og SATEOS6 er vist i figur 5, og høyoppløselige skanninger for C1s, O1s og Si2p er vist i figur 5, 6, 7 og 8, samt tabell 2, 6, 7 og 8. Bindingsenergiverdiene oppnådd med XPS er oppsummert i tabell 2. Som det fremgår av figur 5, ble det observert tydelige Si2s- og Si2p-topper i SATEOS1 og SATEOS6, hvor mikroinnkapsling av SiO2-skallet forekom. Tidligere forskere har rapportert en lignende Si2s-topp på 155,1 eV54. Tilstedeværelsen av Si-topper i SATEOS1 (fig. 5b) og SATEOS6 (fig. 5c) bekrefter FT-IR-dataene (fig. 3) og XRD-dataene (fig. 4).
Som vist i figur 6a, har C1s i bulk SA tre forskjellige topper av CC, kalifatisk og O=C=O ved bindingsenergien, som er henholdsvis 284,5 eV, 285,2 eV og 289,5 eV. C–C, kalifatiske og O=C=O-topper ble også observert i SATEOS1 (figur 6b) og SATEOS6 (figur 6c) og er oppsummert i tabell 2. I tillegg til dette korresponderer C1s-toppen også med en ytterligere Si-C-topp ved 283,1 eV (SATEOS1) og 283,5 eV (SATEOS6). Våre observerte bindingsenergier for C–C, kalifatisk, O=C=O og Si–C korrelerer godt med andre kilder55,56.
XPS-spektrene til O1SA, SATEOS1 og SATEOS6 er vist i henholdsvis figur 7a–c. O1s-toppen til bulk-SA er dekonvolvert og har to topper, nemlig C=O/C–O (531,9 eV) og C–O–H (533,0 eV), mens O1-verdiene til SATEOS1 og SATEOS6 er konsistente. Det er bare tre topper: C=O/C–O, C–O–H og Si–OH55,57,58. O1s-bindingsenergien i SATEOS1 og SATEOS6 endres noe sammenlignet med bulk-SA, noe som er assosiert med en endring i det kjemiske fragmentet på grunn av tilstedeværelsen av SiO2 og Si-OH i skallmaterialet.
Si2p XPS-spektrene til SATEOS1 og SATEOS6 er vist i henholdsvis figur 8a og b. I bulk CA ble ikke Si2p observert på grunn av fravær av SiO2. Si2p-toppen tilsvarer 105,4 eV for SATEOS1 og 105,0 eV for SATEOS6, tilsvarende Si-O-Si, mens SATEOS1-toppen er 103,5 eV og SATEOS6-toppen er 103,3 eV, tilsvarende Si-OH55. Si-O-Si- og Si-OH-topptilpasning i SATEOS1 og SATEOS6 viste vellykket mikroinnkapsling av SiO2 på SA-kjernens overflate.
Morfologien til det mikroinnkapslede materialet er svært viktig, og påvirker løselighet, stabilitet, kjemisk reaktivitet, flyteevne og styrke59. Derfor ble SEM brukt til å karakterisere morfologien til bulk SA (100×) og mikroinnkapslet SA (500×), som vist i figur 9. Som det fremgår av figur 9a, har SA-blokken en elliptisk form. Partikkelstørrelsen overstiger 500 mikron. Når mikroinnkapslingsprosessen fortsetter, endres imidlertid morfologien dramatisk, som vist i figur 9 b–g.
SEM-bilder av (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6 ved ×500.
I SATEOS1-prøven observeres mindre kvasi-sfæriske SiO2-innpakkede SA-partikler med en ru overflate (fig. 9b), noe som kan skyldes hydrolyse og kondensasjonspolymerisasjon av TEOS på SA-overflaten, noe som akselererer den raske diffusjonen av etanolmolekyler. Som et resultat avsettes SiO2-partikler og agglomerering observeres52,60. Dette SiO2-skallet gir mekanisk styrke til de mikroinnkapslede CA-partiklene og forhindrer også lekkasje av smeltet CA ved høyere temperaturer10. Dette resultatet indikerer at SA-mikrokapsler som inneholder SiO2 kan brukes som potensielle energilagringsmaterialer61. Som det fremgår av figur 9b, har SATEOS1-prøven en jevn partikkelfordeling med et tykt SiO2-lag som innkapsler SA. Partikkelstørrelsen til mikroinnkapslet SA (SATEOS1) er omtrent 10–20 μm (fig. 9b), som er betydelig mindre sammenlignet med bulk-SA på grunn av det lavere SA-innholdet. Tykkelsen på mikrokapsellaget skyldes hydrolyse og kondensasjonspolymerisering av forløperløsningen. Agglomerering skjer ved lavere doser av SA, dvs. opptil 15 g (fig. 9b-d), men så snart doseringen økes, observeres ingen agglomerering, men tydelig definerte sfæriske partikler observeres (fig. 9e-g) 62.
I tillegg, når mengden SLS-surfaktant er konstant, påvirker SA-innholdet (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3) også effektiviteten, formen og partikkelstørrelsesfordelingen. Dermed ble det funnet at SATEOS1 hadde mindre partikkelstørrelse, jevn fordeling og tett overflate (fig. 9b), noe som ble tilskrevet den hydrofile naturen til SA som fremmer sekundær kimdannelse under konstant surfaktant63. Det antas at ved å øke SA-innholdet fra 5 til 15 g (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3) og bruke en konstant mengde surfaktant, dvs. 0,10 g SLS (tabell 1), vil bidraget fra hver partikkel i surfaktantmolekylet reduseres, og dermed redusere partikkelstørrelsen og partikkelstørrelsen. Fordelingen av SATEOS2 (fig. 9c) og SATEOS3 (fig. 9d) er forskjellig fra fordelingen av SATEOS 1 (fig. 9b).
Sammenlignet med SATEOS1 (fig. 9b) viste SATEOS2 en tett morfologi av mikroinnkapslet SA, og partikkelstørrelsen økte (fig. 9c). Dette skyldes agglomerasjon 49, som reduserer koagulasjonshastigheten (fig. 2b). Etter hvert som mengden SC øker med økende SLS, blir mikrokapslene tydelig synlige, som vist i fig. hvordan aggregering skjer. I tillegg viser figur 9e–g at alle partiklene er tydelig sfæriske i form og størrelse. Det har blitt erkjent at i nærvær av store mengder SA kan en passende mengde silikaoligomerer oppnås, noe som forårsaker passende kondensasjon og innkapsling og dermed dannelse av veldefinerte mikrokapsler 49. Fra SEM-resultatene er det tydelig at SATEOS6 dannet tilsvarende mikrokapsler sammenlignet med en liten mengde SA.
Resultatene av energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) av bulk SA og mikrokapsel SA er presentert i tabell 3. Som det fremgår av denne tabellen, synker Si-innholdet gradvis fra SATEOS1 (12,34 %) til SATEOS6 (2,68 %). Økning i SA. Derfor kan vi si at en økning i mengden SA fører til en reduksjon i avsetningen av SiO2 på SA-overflaten. Det finnes ingen konsistente verdier for C- og O-innhold i tabell 3 på grunn av den semi-kvantitative analysen av EDS51. Si-innholdet i mikroinnkapslet SA korrelerte med FT-IR-, XRD- og XPS-resultater.
Smelte- og størkningsatferden til bulk SA samt mikroinnkapslet SA med SiO2-skall er vist i figur 1 og 2. De er vist i henholdsvis figur 10 og 11, og de termiske dataene er vist i tabell 4. Smelte- og størkningstemperaturene for mikroinnkapslet SA ble funnet å være forskjellige. Etter hvert som mengden SA øker, øker smelte- og størkningstemperaturene og nærmer seg verdiene for bulk SA. Etter SA-mikroinnkapsling øker silikaveggen krystallisasjonstemperaturen, og veggen fungerer som en kjerne for å fremme heterogenitet. Derfor, etter hvert som mengden SA øker, øker også smelte- (fig. 10) og størkningstemperaturene (fig. 11) gradvis49,51,64. Blant alle mikroinnkapslede SA-prøver viste SATEOS6 de høyeste smelte- og størkningstemperaturene, etterfulgt av SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 og SATEOS1.
SATEOS1 viser det laveste smeltepunktet (68,97 °C) og størkningstemperaturen (60,60 °C), noe som skyldes den mindre partikkelstørrelsen der bevegelsen av SA-partikler inne i mikrokapslene er svært liten og SiO2-skallet danner et tykt lag, og dermed begrenser kjernematerialet strekk og bevegelse49. Denne hypotesen er relatert til SEM-resultatene, der SATEOS1 viste en mindre partikkelstørrelse (fig. 9b), noe som skyldes det faktum at SA-molekyler er begrenset innenfor et svært lite område av mikrokapslene. Forskjellen i smelte- og størkningstemperaturene til hovedmassen, så vel som alle SA-mikrokapsler med SiO2-skall, er i området 6,10–8,37 °C. Dette resultatet indikerer at mikroinnkapslet SA kan brukes som et potensielt energilagringsmateriale på grunn av den gode varmeledningsevnen til SiO2-skallet65.
Som det fremgår av tabell 4, har SATEOS6 den høyeste entalpien blant alle mikroinnkapslede SC-er (fig. 9g) på grunn av riktig innkapsling observert av SEM. SA-pakningshastigheten kan beregnes ved hjelp av ligning (1). (1) Ved å sammenligne latent varmedata for mikroinnkapslet SA49.
R-verdien representerer innkapslingsgraden (%) av mikroinnkapslet SC, ΔHMEPCM,m representerer den latente smeltevarmen til mikroinnkapslet SC, og ΔHPCM,m representerer den latente smeltevarmen til SC. I tillegg beregnes pakkeeffektivitet (%) som en annen viktig teknisk parameter, som vist i ligning (1). (2)49.
E-verdien representerer innkapslingseffektiviteten (%) av mikroinnkapslet CA, ΔHMEPCM,s representerer den latente herdevarmen til mikroinnkapslet CA, og ΔHPCM,s representerer den latente herdevarmen til CA.
Som vist i tabell 4 er pakkegraden og effektiviteten til SATEOS1 henholdsvis 71,89 % og 67,68 %, og pakkegraden og effektiviteten til SATEOS6 er henholdsvis 90,86 % og 86,68 % (tabell 4). Prøve SATEOS6 viser den høyeste innkapslingskoeffisienten og effektiviteten blant alle mikroinnkapslede SA-er, noe som indikerer dens høye termiske kapasitet. Derfor krever overgangen fra fast til flytende stoff store mengder energi. I tillegg indikerer forskjellen i smelte- og størkningstemperaturene for alle SA-mikrokapsler og bulk-SA under kjøleprosessen at silikaskallet er romlig begrenset under mikrokapselsyntese. Resultatene viser dermed at når mengden SC øker, øker innkapslingshastigheten og effektiviteten gradvis (tabell 4).
TGA-kurvene for bulk SA og mikrokapsel SA med et SiO2-skall (SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6) er vist i figur 12. De termiske stabilitetsegenskapene til bulk SA (SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6) ble sammenlignet med mikroinnkapslede prøver. Det er tydelig fra TGA-kurven at vekttapet for bulk SA så vel som mikroinnkapslet SA viser en jevn og svært liten reduksjon fra 40 °C til 190 °C. Ved denne temperaturen gjennomgår ikke bulk SC termisk dekomponering, mens mikroinnkapslet SC frigjør adsorbert vann selv etter tørking ved 45 °C i 24 timer. Dette resulterte i et lite vekttap,49 men utover denne temperaturen begynte materialet å brytes ned. Ved lavere SA-innhold (dvs. SATEOS1) er det adsorberte vanninnholdet høyere, og dermed er massetapet opptil 190 °C høyere (innsatt i figur 12). Så snart temperaturen stiger over 190 °C, begynner prøven å miste masse på grunn av nedbrytningsprosesser. Bulk SA begynner å dekomponere ved 190 °C, og bare 4 % gjenstår ved 260 °C, mens SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 beholder henholdsvis 50 %, 20 % og 12 % ved denne temperaturen. Etter 300 °C var massetapet av bulk SA omtrent 97,60 %, mens massetapet av SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 var henholdsvis omtrent 54,20 %, 82,40 % og 90,30 %. Med en økning i SA-innholdet synker SiO2-innholdet (tabell 3), og en tynning av skallet observeres i SEM (fig. 9). Dermed er vekttapet av mikroinnkapslet SA lavere sammenlignet med bulk-SA, noe som forklares av de gunstige egenskapene til SiO2-skallet, som fremmer dannelsen av et karbonholdig silikat-karbonholdig lag på overflaten av SA, og dermed isolerer SA-kjernen og bremser frigjøringen av de resulterende flyktige produktene10. Dette forkullede laget danner en fysisk beskyttende barriere under termisk dekomponering, noe som begrenser overgangen av brennbare molekyler til gassfasen66,67. I tillegg til dette kan vi også se betydelige vekttapresultater: SATEOS1 viser lavere verdier sammenlignet med SATEOS3, SATEOS6 og SA. Dette er fordi mengden SA i SATEOS1 er mindre enn i SATEOS3 og SATEOS6, hvor SiO2-skallet danner et tykt lag. I motsetning til dette når det totale vekttapet av bulk-SA 99,50 % ved 415 °C. SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 viste imidlertid henholdsvis 62,50 %, 85,50 % og 93,76 % vekttap ved 415 °C. Dette resultatet indikerer at tilsetning av TEOS forbedrer nedbrytningen av SA ved å danne et SiO2-lag på overflaten av SA. Disse lagene kan danne en fysisk beskyttende barriere, og derfor kan man observere en forbedring i den termiske stabiliteten til mikroinnkapslet CA.
Resultatene for termisk pålitelighet for bulk SA og den beste mikroinnkapslede prøven (dvs. SATEOS 6) etter 30 oppvarmings- og kjølesykluser med DSC51,52 er vist i figur 13. Det kan sees at bulk SA (figur 13a) ikke viser noen forskjell i smeltetemperatur, størkningstemperatur og entalpiverdi, mens SATEOS6 (fig. 13b) ikke viser noen forskjell i temperatur og entalpiverdi selv etter den 30. oppvarmingssyklusen og kjøleprosessen. Bulk SA viste et smeltepunkt på 72,10 °C, en størkningstemperatur på 64,69 °C, og smelte- og størkningsvarmen etter den første syklusen var henholdsvis 201,0 J/g og 194,10 J/g. Etter den 30. syklusen sank smeltepunktet for disse verdiene til 71,24 °C, størkningstemperaturen sank til 63,53 °C, og entalpiverdien sank med 10 %. Endringer i smelte- og størkningstemperaturer, samt reduksjoner i entalpiverdier, indikerer at bulk CA er upålitelig for ikke-mikroinnkapslingsapplikasjoner. Etter at riktig mikroinnkapsling har skjedd (SATEOS6), endres imidlertid ikke smelte- og størkningstemperaturene og entalpiverdiene (fig. 13b). Når SA er mikroinnkapslet med SiO2-skall, kan det brukes som et faseendringsmateriale i termiske applikasjoner, spesielt i konstruksjon, på grunn av dets optimale smelte- og størkningstemperaturer og stabile entalpi.
DSC-kurver oppnådd for prøvene SA (a) og SATEOS6 (b) ved 1. og 30. oppvarmings- og kjølesyklus.
I denne studien ble det utført en systematisk undersøkelse av mikroinnkapsling ved bruk av SA som kjernemateriale og SiO2 som skallmateriale. TEOS brukes som en forløper for å danne et SiO2-støttelag og et beskyttende lag på SA-overflaten. Etter vellykket syntese av mikroinnkapslet SA, viste FT-IR, XRD, XPS, SEM og EDS-resultater tilstedeværelsen av SiO2. SEM-analyse viser at SATEOS6-prøven viser veldefinerte sfæriske partikler omgitt av SiO2-skall på SA-overflaten. MEPCM med lavere SA-innhold viser imidlertid agglomerering, noe som reduserer ytelsen til PCM. XPS-analyse viste tilstedeværelsen av Si-O-Si og Si-OH i mikrokapselprøvene, noe som avslørte adsorpsjon av SiO2 på SA-overflaten. I følge den termiske ytelsesanalysen viser SATEOS6 den mest lovende varmelagringsevnen, med smelte- og størkningstemperaturer på henholdsvis 70,37 °C og 64,27 °C, og latent smelte- og størkningsvarme på henholdsvis 182,53 J/g og 160,12 J/g G. Maksimal pakkeeffektivitet for SATEOS6 er 86,68 %. TGA- og DSC-termisk syklusanalyse bekreftet at SATEOS6 fortsatt har god termisk stabilitet og pålitelighet selv etter 30 oppvarmings- og kjøleprosesser.
Yang T., Wang XY og Li D. Ytelsesanalyse av termokjemisk fastgass-komposittadsorpsjonssystem for termisk energilagring og forbedring av effektiviteten. applikasjon. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. og Al-Hallaj, S. En gjennomgang av faseendringsenergilagring: materialer og anvendelser. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS og Saini JS Varmeoverføringsytelse i termiske energilagringssystemer ved bruk av PCM-kapsler: en gjennomgang. oppdatering. støtte. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. og Bruno, F. En gjennomgang av lagringsmaterialer og teknologier for forbedret termisk ytelse for termiske lagringssystemer med høy temperatur i faseendring. oppdatering. støtte. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Fremstilling og karakterisering av nanoinnkapslede termiske energi-n-tetradekan faseendringsmaterialer. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. og Li, M. Syntese av nye formstabile faseendringskomposittmaterialer ved bruk av modifiserte grafen-aerogeler for solenergikonvertering og -lagring. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., og Fang, G. Morfologisk karakterisering og anvendelse av faseendringsmaterialer i termisk energilagring: en oversikt. oppdatering. støtte. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).