Ďakujeme za návštevu stránky Nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Pre dosiahnutie najlepších výsledkov odporúčame používať novšiu verziu prehliadača (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Kyselina stearová (SA) sa používa ako materiál s fázovou zmenou (PCM) v zariadeniach na akumuláciu energie. V tejto štúdii bola použitá metóda sol-gel na mikroenkapsuláciu povrchovo aktívnej látky SiO2 v obale. Rôzne množstvá SA (5, 10, 15, 20, 30 a 50 g) boli enkapsulované v 10 ml tetraetylortosilikátu (TEOS). Syntetizovaný mikroenkapsulovaný materiál s fázovou zmenou (MEPCM) bol charakterizovaný infračervenou spektroskopiou s Fourierovou transformáciou (FT-IR), röntgenovou difrakciou (XRD), röntgenovou fotoelektrónovou spektroskopiou (XPS) a skenovacou elektrónovou mikroskopiou (SEM). Výsledky charakterizácie ukázali, že SA bol úspešne enkapsulovaný SiO2. Termogravimetrická analýza (TGA) ukázala, že MEPCM má lepšiu tepelnú stabilitu ako CA. Pomocou diferenčnej skenovacej kalorimetrie (DSC) sa zistilo, že hodnota entalpie MEPCM sa nezmenila ani po 30 cykloch ohrevu a chladenia. Spomedzi všetkých mikroenkapsulovaných vzoriek malo 50 g SA obsahujúcej MEPCM najvyššie latentné teplo topenia a tuhnutia, ktoré bolo 182,53 J/g a 160,12 J/g. Hodnota účinnosti balenia bola vypočítaná s použitím tepelných údajov a najvyššia účinnosť bola zistená pre tú istú vzorku, ktorá bola 86,68 %.
Približne 58 % energie spotrebovanej v stavebníctve sa používa na vykurovanie a chladenie budov1. Preto je najdôležitejšie vytvoriť efektívne energetické systémy, ktoré zohľadňujú znečistenie životného prostredia2. Technológia latentného tepla využívajúca materiály s fázovou zmenou (PCM) dokáže ukladať vysokú energiu pri nízkych teplotných výkyvoch3,4,5,6 a môže sa široko používať v oblastiach, ako je prenos tepla, skladovanie solárnej energie, letecký priemysel a klimatizácia7,8,9. PCM absorbuje tepelnú energiu z exteriérov budov počas dňa a uvoľňuje ju v noci10. Preto sa materiály s fázovou zmenou odporúčajú ako materiály na akumuláciu tepelnej energie. Okrem toho existujú rôzne typy PCM, ako napríklad tuhá látka-tuhá látka, tuhá látka-kvapalina, kvapalina-plyn a tuhá látka-plyn11. Medzi nimi sú najobľúbenejšie a najčastejšie používané materiály s fázovou zmenou materiály s fázovou zmenou tuhá látka-tuhá látka a materiály s fázovou zmenou tuhá látka-kvapalina. Ich aplikácia je však veľmi náročná kvôli enormným objemovým zmenám materiálov s fázovým prechodom kvapalina-plyn a tuhá látka-plyn.
PCM má vďaka svojim vlastnostiam rôzne využitie: tie, ktoré sa topia pri teplotách pod 15 °C, sa môžu použiť v klimatizačných systémoch na udržanie nízkych teplôt a tie, ktoré sa topia pri teplotách nad 90 °C, sa môžu použiť vo vykurovacích systémoch na prevenciu požiarov12. V závislosti od použitia a rozsahu bodu topenia boli syntetizované rôzne materiály s fázovou zmenou z rôznych organických a anorganických chemikálií13,14,15. Parafín je najčastejšie používaný materiál s fázovou zmenou s vysokým latentným teplom, nekorozívnosťou, bezpečnosťou a širokým rozsahom bodu topenia16,17,18,19,20,21.
Avšak kvôli nízkej tepelnej vodivosti materiálov s fázovou zmenou je potrebné ich zapuzdriť v plášti (vonkajšej vrstve), aby sa zabránilo úniku základného materiálu počas procesu fázovej zmeny22. Okrem toho, prevádzkové chyby alebo vonkajší tlak môžu poškodiť vonkajšiu vrstvu (opláštenie) a roztavený materiál s fázovou zmenou môže reagovať so stavebnými materiálmi, čo spôsobuje koróziu vložených oceľových tyčí, čím sa znižuje prevádzkyschopnosť budovy23. Preto je dôležité syntetizovať zapuzdrené materiály s fázovou zmenou s dostatočným množstvom materiálu plášťa, čo môže vyriešiť vyššie uvedené problémy24.
Mikroenkapsulácia materiálov s fázovou zmenou môže účinne zvýšiť prenos tepla a znížiť reaktivitu prostredia a kontrolovať zmeny objemu. Na enkapsuláciu PCM boli vyvinuté rôzne metódy, a to medzifázová polymerizácia25,26,27,28, in situ polymerizácia29,30,31,32, koacervácia33,34,35 a sol-gel procesy36,37,38,39. Na mikroenkapsuláciu sa môže použiť formaldehydová živica40,41,42,43. Ako obalové materiály sa používajú melamín-formaldehydové a močovino-formaldehydové živice, ktoré počas prevádzky často uvoľňujú toxický formaldehyd. Preto je používanie týchto materiálov v procesoch balenia zakázané. Ekologicky šetrné materiály s fázovou zmenou pre škálovateľné skladovanie tepelnej energie sa však dajú syntetizovať pomocou hybridných nanokapsúl na báze mastných kyselín a lignínu44.
Zhang a kol.45 a kol. syntetizovali kyselinu laurovú z tetraetylortosilikátu a dospeli k záveru, že so zvyšujúcim sa objemovým pomerom metyltrietoxysilánu k tetraetylortosilikátu sa znižuje latentné teplo a zvyšuje sa povrchová hydrofóbnosť. Kyselina laurová môže byť potenciálnym a účinným jadrovým materiálom pre kapokové vlákna46. Okrem toho Latibari a kol.47 syntetizovali PCM na báze kyseliny stearovej s použitím TiO2 ako materiálu plášťa. Zhu a kol. pripravili n-oktadekán a silikónové nanokapsuly ako potenciálne PCM48. Z prehľadu literatúry je ťažké pochopiť odporúčané dávkovanie na tvorbu účinných a stabilných mikroenkapsulovaných materiálov s fázovou zmenou.
Preto je podľa vedomostí autorov množstvo materiálu s fázovou zmenou použitého na mikroenkapsuláciu dôležitým parametrom pre výrobu účinných a stabilných mikroenkapsulovaných materiálov s fázovou zmenou. Použitie rôznych množstiev materiálov s fázovou zmenou nám umožní objasniť rôzne vlastnosti a stabilitu mikroenkapsulovaných materiálov s fázovou zmenou. Kyselina stearová (mastná kyselina) je ekologická, medicínsky dôležitá a ekonomická látka, ktorú možno použiť na ukladanie tepelnej energie, pretože má vysokú entalpiu (~200 J/g) a odoláva teplotám až do 72 °C. Okrem toho je SiO2 nehorľavý, poskytuje vyššiu mechanickú pevnosť, tepelnú vodivosť a lepšiu chemickú odolnosť voči jadrovým materiálom a pôsobí ako puzolánový materiál v stavebníctve. Keď sa cement zmieša s vodou, zle enkapsulované PCM môžu prasknúť v dôsledku mechanického opotrebenia a vysokých teplôt (hydratačné teplo) generovaných v masívnych betónových konštrukciách. Preto použitie mikroenkapsulovaného CA s plášťom SiO2 môže tento problém vyriešiť. Cieľom tejto štúdie bolo preto preskúmať výkonnosť a účinnosť PCM syntetizovaných sol-gelovým procesom v stavebných aplikáciách. V tejto práci sme systematicky študovali rôzne množstvá SA (ako základného materiálu) s hmotnosťou 5, 10, 15, 20, 30 a 50 g zapuzdrených v SiO2 vrstvách. Ako prekurzorový roztok na vytvorenie SiO2 vrstvy sa použilo fixné množstvo tetraetylortosilikátu (TEOS) v objeme 10 ml.
Kyselina stearová reaktívnej kvality (SA, C18H36O2, bod topenia: 72 °C) ako jadrový materiál bola zakúpená od spoločnosti Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Južná Kórea. Tetraetylortosilikát (TEOS, C8H20O4Si) ako prekurzorový roztok bol zakúpený od spoločnosti Acros Organics, Geel, Belgicko. Okrem toho boli ako rozpúšťadlá a povrchovo aktívne látky použité absolútny etanol (EA, C2H5OH) a laurylsulfát sodný (SLS, C12H25NaO4S). Ako rozpúšťadlo sa používa aj destilovaná voda.
Rôzne množstvá SA boli zmiešané s rôznymi pomermi laurylsulfátu sodného (SLS) v 100 ml destilovanej vody pomocou magnetického miešadla pri 800 ot./min. a teplote 75 °C počas 1 hodiny (Tabuľka 1). Emulzie SA boli rozdelené do dvoch skupín: (1) 5, 10 a 15 g SA bolo zmiešaných s 0,10 g SLS v 100 ml destilovanej vody (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3), (2) 20, 30 a 50 g SA bolo zmiešaných s 0,15, 0,20 a 0,25 g SLS bolo zmiešaných so 100 ml destilovanej vody (SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6). 0,10 g SLS bolo použitých s 5, 10 a 15 g SA na vytvorenie príslušných emulzií. Následne bolo navrhnuté zvýšiť počet SLS pre SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6. Tabuľka 1 ukazuje pomery CA a SLS použité na získanie stabilných emulzných roztokov.
Do 100 ml kadičky sa naleje 10 ml TEOS, 10 ml etanolu (EA) a 20 ml destilovanej vody. Na štúdium účinnosti enkapsulácie rôznych pomerov obalov SA a SiO2 sa zaznamenal koeficient syntézy všetkých vzoriek. Zmes sa miešala magnetickým miešadlom pri 400 ot./min. a teplote 60 °C počas 1 hodiny. Prekurzorový roztok sa potom po kvapkách pridal k pripravenej emulzii SA, intenzívne sa miešal pri 800 ot./min. a teplote 75 °C počas 2 hodín a prefiltroval sa, čím sa získal biely prášok. Biely prášok sa premyl destilovanou vodou, aby sa odstránili zvyšky SA, a sušil sa vo vákuovej peci pri teplote 45 °C počas 24 hodín. Výsledkom bol mikroenkapsulovaný SC s obalom SiO2. Celý proces syntézy a prípravy mikroenkapsulovaného SA je znázornený na obrázku 1.
Mikrokapsuly SA s obalom SiO2 boli pripravené metódou sol-gel a ich mechanizmus enkapsulácie je znázornený na obrázku 2. Prvý krok zahŕňa prípravu emulzie SA vo vodnom roztoku so SLS ako povrchovo aktívnou látkou. V tomto prípade sa hydrofóbny koniec molekuly SA viaže na SLS a hydrofilný koniec na molekuly vody, čím sa vytvorí stabilná emulzia. Hydrofóbne časti SLS sú tak chránené a pokrývajú povrch kvapky SA. Na druhej strane, hydrolýza roztokov TEOS prebieha pomaly molekulami vody, čo vedie k tvorbe hydrolyzovaného TEOS v prítomnosti etanolu (obr. 2a) 49,50,51. Hydrolyzovaný TEOS podlieha kondenzačnej reakcii, počas ktorej n-hydrolyzovaný TEOS tvorí zhluky oxidu kremičitého (obr. 2b). Zhluky oxidu kremičitého boli enkapsulované pomocou SA52 v prítomnosti SLS (obr. 2c), čo sa nazýva proces mikroenkapsulácie.
Schematický diagram mikroenkapsulácie CA s obalom SiO2 (a) hydrolýza TEOS (b) kondenzácia hydrolyzátu a (c) enkapsulácia CA s obalom SiO2.
Chemická analýza objemového a mikroenkapsulovaného SA sa uskutočnila pomocou infračerveného spektrometra s Fourierovou transformáciou (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) a spektrá sa zaznamenávali v rozsahu od 500 do 4000 cm-1.
Na analýzu objemových fáz SA a materiálov mikrokapsúl bol použitý röntgenový difraktometer (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japonsko). Röntgenové štrukturálne skenovanie sa uskutočnilo v rozsahu 2θ = 5°–95° so skenovacou rýchlosťou 4°/min, s použitím žiarenia Cu-Kα (λ = 1,541 Å), prevádzkových podmienok 25 kV a 100 mA, v režime kontinuálneho skenovania. Röntgenové snímky boli vytvorené v rozsahu 2θ = 5–50°, pretože vo všetkých vzorkách nebol pozorovaný žiadny pík po 50°.
Röntgenová fotoelektrónová spektroskopia (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) sa uskutočnila s použitím AlKα (1486,6 eV) ako zdroja röntgenového žiarenia na pochopenie chemického stavu objemového SA, ako aj prvkov prítomných v enkapsulačnom materiáli. Získané XPS spektrá boli kalibrované na pík C1s s použitím exotického uhlíka (väzbová energia 284,6 eV). Po korekcii pozadia pomocou Shirleyho metódy boli píky s vysokým rozlíšením každého prvku dekonvoluované a fitované na Gaussove/Lorentzove funkcie pomocou softvéru CASA XPS.
Morfológia objemového SC a mikroenkapsulovaného SC bola skúmaná pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Česká republika) vybavenej energiovo-disperznou röntgenovou spektroskopiou (EDS) pri 15 kV. Pred SEM zobrazením boli vzorky potiahnuté platinou (Pt), aby sa zabránilo efektom nabíjania.
Tepelné vlastnosti (bod topenia/tuhnutia a latentné teplo) a spoľahlivosť (tepelné cyklovanie) boli stanovené diferenčnou skenovacou kalorimetriou (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) pri rýchlosti ohrevu/chladenia 10 °C/min pri 40 °C a 90 °C s kontinuálnym preplachovaním dusíkom. Analýza úbytku hmotnosti bola vykonaná pomocou TGA analyzátora (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) v kontinuálnom prúde dusíka, začínajúc pri teplote 40 – 600 °C, s rýchlosťou ohrevu 10 °C/min.
Obrázok 3 zobrazuje FTIR spektrá objemového SC, ako aj mikroenkapsulovaného SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6). Absorpčné píky pri 2910 cm-1 a 2850 cm-1 vo všetkých vzorkách (SA, ako aj mikroenkapsulovaný SA) sa pripisujú symetrickým vibráciám rozťahovania skupín –CH3 a –CH210,50. Pík pri 1705 cm-1 zodpovedá vibračnému rozťahovaniu väzby C=O. Píky pri 1470 cm-1 a 1295 cm-1 sa pripisujú ohybovej vibrácii funkčnej skupiny –OH v rovine, zatiaľ čo píky pri 940 cm-1 a 719 cm-1 zodpovedajú vibrácii v rovine a deformačnej vibrácii skupiny –OH v rovine. Absorpčné píky SA pri 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 a 719 cm-1 boli tiež pozorované vo všetkých mikroenkapsulovaných SA. Okrem toho bol v mikrokapsule SA pozorovaný novo objavený pík pri 1103 cm-1 zodpovedajúci antisymetrickej vibrácii rozťahovania pásu Si-O-Si. Výsledky FT-IR sú v súlade s Yuanom a kol.50. Úspešne pripravili mikroenkapsulovaný SA v pomere amoniak/etanol a zistili, že medzi SA a SiO2 nedošlo k žiadnej chemickej interakcii. Výsledky súčasnej štúdie FT-IR ukazujú, že obal SiO2 úspešne enkapsuloval SA (jadro) prostredníctvom kondenzačného procesu a polymerizácie hydrolyzovaného TEOS. Pri nižšom obsahu SA je intenzita píku pásu Si-O-Si vyššia (obr. 3b-d). Keď sa množstvo SA zvyšuje na viac ako 15 g, intenzita píku a rozšírenie pásma Si-O-Si postupne klesajú, čo naznačuje tvorbu tenkej vrstvy SiO2 na povrchu SA.
FTIR spektrá (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6.
Difrakčné obrazce XRD objemového SA a mikroenkapsulovaného SA sú znázornené na obrázku 4. Vrcholy XRD sa nachádzajú pri 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}podľa JCPDS č. 0381923, 02)\), 21,42° vo všetkých vzorkách (311), 24,04° (602) a 39,98° (913) sú priradené k SA. Skreslenie a hybridita s objemovým CA v dôsledku neistých faktorov, ako sú povrchovo aktívne látky (SLS), iné zvyškové látky a mikroenkapsulácia SiO250. Po enkapsulácii sa intenzita hlavných píkov (300), (500), (311) a (602) postupne znižuje v porovnaní s objemovým CA, čo naznačuje pokles kryštalinity vzorky.
XRD obrazce (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6.
Intenzita SATEOS1 prudko klesá v porovnaní s inými vzorkami. V žiadnych mikroenkapsulovaných vzorkách neboli pozorované žiadne ďalšie píky (Obr. 4b–g), čo potvrdzuje, že na povrchu SA dochádza skôr k fyzikálnej adsorpcii SiO252 než k chemickej interakcii. Okrem toho sa dospelo k záveru, že mikroenkapsulácia SA neviedla k vzniku žiadnych nových štruktúr. SiO2 zostáva na povrchu SA neporušený bez akejkoľvek chemickej reakcie a s klesajúcim množstvom SA sa existujúce píky stávajú zreteľnejšími (SATEOS1). Tento výsledok naznačuje, že SiO2 prevažne enkapsuluje povrch SA. Pík pri (700) úplne zmizne a pík pri (5O2) sa v SATEOS 1 zmení na hrb (Obr. 4b), čo je spojené so zníženou kryštalinitou a zvýšenou amorfnosťou. SiO2 má amorfnú povahu, takže píky pozorované od 2θ = 19° do 25° majú hrb a rozšírenie53 (obr. 4b–g), čo potvrdzuje existenciu amorfného SiO252. Nižšia intenzita difrakčného píku mikroenkapsulovaného SA je spôsobená nukleačným efektom vnútornej steny oxidu kremičitého a obmedzujúcim správaním kryštalizácie49. Predpokladá sa, že pri nižšom obsahu SA sa tvorí hrubšia kremičitá škrupina v dôsledku prítomnosti veľkého množstva TEOS, ktorý je z veľkej časti adsorbovaný na vonkajšom povrchu SA. Avšak so zvyšujúcim sa množstvom SA sa povrchová plocha kvapiek SA v emulznom roztoku zväčšuje a na správne zapuzdrenie je potrebných viac TEOS. Preto pri vyššom obsahu SA je pík SiO2 v FT-IR potlačený (obr. 3) a intenzita difrakčného píku v blízkosti 2θ = 19–25° v XRF (obr. 4) sa znižuje a expanzia sa tiež znižuje. Nie je viditeľné. Ako je však vidieť na obrázku 4, hneď ako sa množstvo SA zvýši z 5 g (SATEOS1) na 50 g (SATEOS6), píky sa veľmi blížia objemovej SA a pík pri (700) sa objavuje so všetkými identifikovanými intenzitami píkov. Tento výsledok koreluje s výsledkami FT-IR, kde intenzita píku SiO2 SATEOS6 klesá pri 1103 cm-1 (obr. 3g).
Chemické skupenstva prvkov prítomných v SA, SATEOS1 a SATEOS6 sú znázornené na obrázkoch 1 a 2. Obrázky 5, 6, 7 a 8 a tabuľka 2. Skeny meraní pre objemové SA, SATEOS1 a SATEOS6 sú znázornené na obrázku 5 a skeny s vysokým rozlíšením pre C 1s, O 1s a Si 2p sú znázornené na obrázkoch 5, 6, 7 a 8 a v tabuľke 2. 6, 7 a 8. Hodnoty väzbovej energie získané pomocou XPS sú zhrnuté v tabuľke 2. Ako je vidieť z obrázku 5, v SATEOS1 a SATEOS6 boli pozorované zjavné píky Si 2s a Si 2p, kde došlo k mikroenkapsulácii obalu SiO2. Predchádzajúci výskumníci zaznamenali podobný pík Si 2s pri 155,1 eV54. Prítomnosť Si píkov v SATEOS1 (obr. 5b) a SATEOS6 (obr. 5c) potvrdzuje údaje z FT-IR (obr. 3) a XRD (obr. 4).
Ako je znázornené na obrázku 6a, C 1s objemového SA má tri rôzne píky CC, kalifatický a O=C=O pri väzbovej energii, ktoré sú 284,5 eV, 285,2 eV a 289,5 eV. Píky C–C, kalifatický a O=C=O boli pozorované aj v SATEOS1 (obr. 6b) a SATEOS6 (obr. 6c) a sú zhrnuté v tabuľke 2. Okrem toho pík C 1s zodpovedá aj ďalšiemu píku Si-C pri 283,1 eV (SATEOS1) a 283,5 eV (SATEOS6). Naše pozorované väzbové energie pre C–C, kalifatický, O=C=O a Si–C dobre korelujú s inými zdrojmi55,56.
XPS spektrá O1 SA, SATEOS1 a SATEOS6 sú znázornené na obrázkoch 7a–c. Pík O1s objemového SA je dekonvoluovaný a má dva píky, a to C=O/C–O (531,9 eV) a C–O–H (533,0 eV), zatiaľ čo O1 SATEOS1 a SATEOS6 sú konzistentné. Existujú iba tri píky: C=O/C–O, C–O–H a Si–OH55,57,58. Väzbová energia O1s v SATEOS1 a SATEOS6 sa mierne mení v porovnaní s objemovým SA, čo súvisí so zmenou chemického fragmentu v dôsledku prítomnosti SiO2 a Si-OH v materiáli obalu.
Spektrá Si 2p XPS pre SATEOS1 a SATEOS6 sú znázornené na obrázku 8a a b. V objemovom CA nebol Si 2p pozorovaný kvôli neprítomnosti SiO2. Pík Si 2p zodpovedá 105,4 eV pre SATEOS1 a 105,0 eV pre SATEOS6, čo zodpovedá Si-O-Si, zatiaľ čo pík SATEOS1 je 103,5 eV a pík SATEOS6 je 103,3 eV, čo zodpovedá Si-OH55. Aproximácia píkov Si-O-Si a Si-OH v SATEOS1 a SATEOS6 odhalila úspešnú mikroenkapsuláciu SiO2 na povrchu jadra SA.
Morfológia mikroenkapsulovaného materiálu je veľmi dôležitá, pretože ovplyvňuje rozpustnosť, stabilitu, chemickú reaktivitu, tekutosť a pevnosť59. Preto sa na charakterizáciu morfológie objemového SA (100×) a mikroenkapsulovaného SA (500×) použil SEM, ako je znázornené na obrázku 9. Ako je vidieť na obrázku 9a, blok SA má eliptický tvar. Veľkosť častíc presahuje 500 mikrónov. Avšak akonáhle proces mikroenkapsulácie pokračuje, morfológia sa dramaticky zmení, ako je znázornené na obrázkoch 9 b–g.
SEM snímky (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6 pri 500-násobnom rozlíšení.
Vo vzorke SATEOS1 sa pozorujú menšie kvázi-sférické častice SA obalené SiO2 s drsným povrchom (obr. 9b), čo môže byť spôsobené hydrolýzou a kondenzačnou polymerizáciou TEOS na povrchu SA, čo urýchľuje rýchlu difúziu molekúl etanolu. V dôsledku toho sa častice SiO2 ukladajú a pozoruje sa aglomerácia52,60. Táto škrupina SiO2 poskytuje mikroenkapsulovaným časticiam CA mechanickú pevnosť a tiež zabraňuje úniku roztaveného CA pri vyšších teplotách10. Tento výsledok naznačuje, že mikrokapsuly SA obsahujúce SiO2 sa môžu použiť ako potenciálne materiály na ukladanie energie61. Ako je vidieť na obrázku 9b, vzorka SATEOS1 má rovnomerné rozloženie častíc s hrubou vrstvou SiO2, ktorá obaluje SA. Veľkosť častíc mikroenkapsulovaného SA (SATEOS1) je približne 10–20 μm (obr. 9b), čo je výrazne menšie v porovnaní s objemovým SA v dôsledku nižšieho obsahu SA. Hrúbka vrstvy mikrokapsuly je spôsobená hydrolýzou a kondenzačnou polymerizáciou prekurzorového roztoku. K aglomerácii dochádza pri nižších dávkach SA, teda do 15 g (obr. 9b-d), ale akonáhle sa dávka zvýši, nepozoruje sa žiadna aglomerácia, ale pozorujú sa jasne definované sférické častice (obr. 9e-g) 62.
Okrem toho, keď je množstvo povrchovo aktívnej látky SLS konštantné, obsah SA (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3) tiež ovplyvňuje účinnosť, tvar a distribúciu veľkosti častíc. Zistilo sa teda, že SATEOS1 vykazuje menšiu veľkosť častíc, rovnomerné rozloženie a hustý povrch (obr. 9b), čo sa pripisuje hydrofilnej povahe SA podporujúcej sekundárnu nukleáciu pri konštantnej povrchovo aktívnej látke63. Predpokladá sa, že zvýšením obsahu SA z 5 na 15 g (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3) a použitím konštantného množstva povrchovo aktívnej látky, t. j. 0,10 g SLS (tabuľka 1), sa príspevok každej častice molekuly povrchovo aktívnej látky zníži, čím sa zníži veľkosť častíc a veľkosť častíc. Distribúcia SATEOS2 (obr. 9c) a SATEOS3 (obr. 9d) sa líši od distribúcie SATEOS 1 (obr. 9b).
V porovnaní so SATEOS1 (obr. 9b) vykazoval SATEOS2 hustú morfológiu mikroenkapsulovanej SA a veľkosť častíc sa zväčšila (obr. 9c). Je to spôsobené aglomeráciou 49, ktorá znižuje rýchlosť koagulácie (obr. 2b). Keďže množstvo SC sa zvyšuje so zvyšujúcim sa SLS, mikrokapsuly sa stávajú jasne viditeľnými, ako je znázornené na obr. 2, ako dochádza k agregácii. Okrem toho obrázky 9e–g ukazujú, že všetky častice majú jasne guľovitý tvar a veľkosť. Zistilo sa, že v prítomnosti veľkého množstva SA je možné získať vhodné množstvo oligomérov oxidu kremičitého, čo spôsobuje vhodnú kondenzáciu a enkapsuláciu, a teda tvorbu dobre definovaných mikrokapsúl 49. Z výsledkov SEM je zrejmé, že SATEOS6 vytvoril zodpovedajúce mikrokapsuly v porovnaní s malým množstvom SA.
Výsledky energeticky disperznej röntgenovej spektroskopie (EDS) objemového SA a mikrokapsulovaného SA sú uvedené v tabuľke 3. Ako je z tejto tabuľky vidieť, obsah Si postupne klesá od SATEOS1 (12,34 %) po SATEOS6 (2,68 %). Zvýšenie obsahu SA. Preto môžeme povedať, že zvýšenie množstva SA vedie k zníženiu usadzovania SiO2 na povrchu SA. V tabuľke 3 nie sú žiadne konzistentné hodnoty pre obsah C a O kvôli semikvantitatívnej analýze EDS51. Obsah Si v mikrokapsulovanom SA koreloval s výsledkami FT-IR, XRD a XPS.
Správanie sa pri topení a tuhnutí objemového SA, ako aj mikroenkapsulovaného SA s plášťom SiO2, je znázornené na obrázkoch 1 a 2. Sú zobrazené na obrázkoch 10 a 11 a tepelné údaje sú uvedené v tabuľke 4. Zistilo sa, že teploty topenia a tuhnutia mikroenkapsulovaného SA sa líšia. So zvyšujúcim sa množstvom SA sa teploty topenia a tuhnutia zvyšujú a približujú sa k hodnotám objemového SA. Po mikroenkapsulácii SA silikagélová stena zvyšuje teplotu kryštalizácie a jej stena pôsobí ako jadro na podporu heterogenity. Preto sa so zvyšujúcim sa množstvom SA postupne zvyšujú aj teploty topenia (obr. 10) a tuhnutia (obr. 11)49,51,64. Spomedzi všetkých mikroenkapsulovaných vzoriek SA vykazoval SATEOS6 najvyššie teploty topenia a tuhnutia, nasledovaný SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 a SATEOS1.
SATEOS1 vykazuje najnižšiu teplotu topenia (68,97 °C) a teplotu tuhnutia (60,60 °C), čo je spôsobené menšou veľkosťou častíc, pri ktorej je pohyb častíc SA vo vnútri mikrokapsúl veľmi malý a obal SiO2 tvorí hrubú vrstvu, a preto materiál jadra obmedzuje roztiahnutie a pohyb49. Táto hypotéza súvisí s výsledkami SEM, kde SATEOS1 vykazoval menšiu veľkosť častíc (obr. 9b), čo je spôsobené tým, že molekuly SA sú uzavreté vo veľmi malej oblasti mikrokapsúl. Rozdiel v teplotách topenia a tuhnutia hlavnej hmoty, ako aj všetkých mikrokapsúl SA s obalmi SiO2, je v rozmedzí 6,10 – 8,37 °C. Tento výsledok naznačuje, že mikroenkapsulovaný SA sa môže použiť ako potenciálny materiál na ukladanie energie vďaka dobrej tepelnej vodivosti obalu SiO265.
Ako je vidieť z tabuľky 4, SATEOS6 má najvyššiu entalpiu spomedzi všetkých mikroenkapsulovaných SC (obr. 9g) vďaka správnemu zapuzdreniu pozorovanému pomocou SEM. Rýchlosť zapuzdrenia SA je možné vypočítať pomocou rovnice (1). (1) Porovnaním údajov o latentnom teple mikroenkapsulovaného SA49.
Hodnota R predstavuje stupeň zapuzdrenia (%) mikroenkapsulovaného SC, ΔHMEPCM,m predstavuje skupenské teplo topenia mikroenkapsulovaného SC a ΔHPCM,m predstavuje skupenské teplo topenia SC. Okrem toho sa ako ďalší dôležitý technický parameter vypočítava účinnosť balenia (%), ako je znázornené v rovnici (1). (2)49.
Hodnota E predstavuje účinnosť enkapsulácie (%) mikroenkapsulovaného CA, ΔHMEPCM,s predstavuje latentné teplo vytvrdzovania mikroenkapsulovaného CA a ΔHPCM,s predstavuje latentné teplo vytvrdzovania CA.
Ako je uvedené v tabuľke 4, stupeň zapuzdrenia a účinnosť SATEOS1 sú 71,89 % a 67,68 % a stupeň zapuzdrenia a účinnosť SATEOS6 sú 90,86 % a 86,68 % (tabuľka 4). Vzorka SATEOS6 vykazuje najvyšší koeficient zapuzdrenia a účinnosť spomedzi všetkých mikroenkapsulovaných SA, čo naznačuje jej vysokú tepelnú kapacitu. Prechod z pevného do kvapalného stavu si preto vyžaduje veľké množstvo energie. Okrem toho rozdiel v teplotách topenia a tuhnutia všetkých mikrokapsúl SA a objemového SA počas procesu chladenia naznačuje, že kremičitý obal je počas syntézy mikrokapsúl priestorovo obmedzený. Výsledky teda ukazujú, že so zvyšujúcim sa množstvom SC sa postupne zvyšuje rýchlosť zapuzdrenia a účinnosť (tabuľka 4).
TGA krivky objemového SA a mikrokapsulovaného SA s obalom SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6) sú znázornené na obrázku 12. Vlastnosti tepelnej stability objemového SA (SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6) boli porovnané s mikroenkapsulovanými vzorkami. Z TGA krivky je zrejmé, že úbytok hmotnosti objemového SA, ako aj mikroenkapsulovaného SA, vykazuje plynulý a veľmi mierny pokles od 40 °C do 190 °C. Pri tejto teplote objemový SC nepodlieha tepelnému rozkladu, zatiaľ čo mikroenkapsulovaný SC uvoľňuje adsorbovanú vodu aj po sušení pri teplote 45 °C počas 24 hodín. To viedlo k miernemu úbytku hmotnosti,49 ale nad touto teplotou sa materiál začal degradovať. Pri nižšom obsahu SA (t. j. SATEOS1) je obsah adsorbovanej vody vyšší, a preto je úbytok hmotnosti až do 190 °C vyššia (vložka na obr. 12). Hneď ako teplota stúpne nad 190 °C, vzorka začne strácať hmotnosť v dôsledku rozkladných procesov. Objemová kyselina sa začína rozkladať pri 190 °C a pri 260 °C zostávajú iba 4 %, zatiaľ čo SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 si pri tejto teplote zachovávajú 50 %, 20 % a 12 %. Po 300 °C bola strata hmotnosti objemovej kyselinovej kyseline približne 97,60 %, zatiaľ čo strata hmotnosti SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 bola približne 54,20 %, 82,40 % a 90,30 %. So zvyšujúcim sa obsahom kyselinovej kyseline sa znižuje obsah SiO2 (Tabuľka 3) a na SEM sa pozoruje stenčovanie škrupiny (Obr. 9). Úbytok hmotnosti mikroenkapsulovaného SA je teda nižší v porovnaní s objemovým SA, čo sa vysvetľuje priaznivými vlastnosťami obalu SiO2, ktorý podporuje tvorbu uhlíkatej kremičitanovo-uhlíkovej vrstvy na povrchu SA, čím izoluje jadro SA a spomaľuje uvoľňovanie výsledných prchavých produktov10. Táto vrstva uhlíka tvorí fyzickú ochrannú bariéru počas tepelného rozkladu, čím obmedzuje prechod horľavých molekúl do plynnej fázy66,67. Okrem toho môžeme pozorovať aj významné výsledky úbytku hmotnosti: SATEOS1 vykazuje nižšie hodnoty v porovnaní so SATEOS3, SATEOS6 a SA. Je to preto, že množstvo SA v SATEOS1 je menšie ako v SATEOS3 a SATEOS6, kde obal SiO2 tvorí hrubú vrstvu. Naproti tomu celkový úbytok hmotnosti objemového SA dosahuje 99,50 % pri 415 °C. Avšak SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 vykazovali úbytok hmotnosti 62,50 %, 85,50 % a 93,76 % pri teplote 415 °C. Tento výsledok naznačuje, že pridanie TEOS zlepšuje degradáciu SA vytvorením vrstvy SiO2 na povrchu SA. Tieto vrstvy môžu tvoriť fyzickú ochrannú bariéru, a preto možno pozorovať zlepšenie tepelnej stability mikroenkapsulovaného CA.
Výsledky tepelnej spoľahlivosti objemového SA a najlepšej mikroenkapsulovanej vzorky (t. j. SATEOS 6) po 30 cykloch ohrevu a chladenia DSC51,52 sú znázornené na obrázku 13. Je vidieť, že objemový SA (obrázok 13a) nevykazuje žiadny rozdiel v teplote topenia, tuhnutí a hodnote entalpie, zatiaľ čo SATEOS6 (obr. 13b) nevykazuje žiadny rozdiel v teplote a hodnote entalpie ani po 30. cykle ohrevu a chladenia. Objemový SA vykazoval bod topenia 72,10 °C, teplotu tuhnutia 64,69 °C a teplo topenia a tuhnutia po prvom cykle boli 201,0 J/g a 194,10 J/g. Po 30. cykle sa bod topenia týchto hodnôt znížil na 71,24 °C, teplota tuhnutia sa znížila na 63,53 °C a hodnota entalpie sa znížila o 10 %. Zmeny teplôt topenia a tuhnutia, ako aj poklesy hodnôt entalpie naznačujú, že objemový CA je nespoľahlivý pre aplikácie bez mikroenkapsulácie. Po riadnom mikroenkapsulovaní (SATEOS6) sa však teploty topenia a tuhnutia a hodnoty entalpie nemenia (obr. 13b). Po mikroenkapsulácii s obalmi SiO2 sa SA môže použiť ako materiál s fázovou zmenou v tepelných aplikáciách, najmä v stavebníctve, vďaka optimálnym teplotám topenia a tuhnutia a stabilnej entalpii.
DSC krivky získané pre vzorky SA (a) a SATEOS6 (b) pri 1. a 30. cykle ohrevu a chladenia.
V tejto štúdii sa uskutočnilo systematické skúmanie mikroenkapsulácie s použitím SA ako jadrového materiálu a SiO2 ako plášťového materiálu. TEOS sa používa ako prekurzor na vytvorenie nosnej vrstvy SiO2 a ochrannej vrstvy na povrchu SA. Po úspešnej syntéze mikroenkapsulovaného SA výsledky FT-IR, XRD, XPS, SEM a EDS preukázali prítomnosť SiO2. SEM analýza ukazuje, že vzorka SATEOS6 vykazuje dobre definované sférické častice obklopené plášťami SiO2 na povrchu SA. Avšak MEPCM s nižším obsahom SA vykazuje aglomeráciu, ktorá znižuje výkon PCM. XPS analýza ukázala prítomnosť Si-O-Si a Si-OH vo vzorkách mikrokapsúl, čo odhalilo adsorpciu SiO2 na povrchu SA. Podľa analýzy tepelného výkonu vykazuje SATEOS6 najsľubnejšiu schopnosť akumulácie tepla s teplotami topenia a tuhnutia 70,37 °C a 64,27 °C a latentným teplom topenia a tuhnutia 182,53 J/g a 160,12 J/g. G. Maximálna účinnosť balenia SATEOS6 je 86,68 %. Analýza tepelných cyklov TGA a DSC potvrdila, že SATEOS6 má stále dobrú tepelnú stabilitu a spoľahlivosť aj po 30 procesoch zahrievania a chladenia.
Yang T., Wang XY a Li D. Analýza výkonnosti termochemického kompozitného adsorpčného systému na báze tuhých látok a plynu pre skladovanie tepelnej energie a zlepšenie jeho účinnosti. aplikácia. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. a Al-Hallaj, S. Prehľad skladovania energie fázovou zmenou: materiály a aplikácie. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS a Saini JS Výkon prenosu tepla systémami akumulácie tepelnej energie s použitím PCM kapsúl: prehľad. aktualizácia. podpora. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. a Bruno, F. Prehľad skladovacích materiálov a technológií na zvýšenie tepelného výkonu pre systémy skladovania tepla s fázovou zmenou pri vysokých teplotách. aktualizácia. podpora. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Príprava a charakterizácia nanoenkapsulovaných tepelne energetických materiálov s fázovou zmenou na báze n-tetradekánu. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. a Li, M. Syntéza nových kompozitných materiálov so stabilnou fázovou zmenou tvaru s použitím modifikovaných grafénu aerogélov na premenu a skladovanie slnečnej energie. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. a Fang, G. Morfologická charakterizácia a aplikácia materiálov s fázovou zmenou pri skladovaní tepelnej energie: prehľad. aktualizácia. podpora. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).