Хвала вам што сте посетили Nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену CSS подршку. За најбоље резултате, препоручујемо вам да користите новију верзију прегледача (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказујемо сајт без стилизовања или JavaScript-а.
Стеаринска киселина (SA) се користи као материјал за фазну промену (PCM) у уређајима за складиштење енергије. У овој студији, сол-гел метода је коришћена за микрокапсулирање SiO2 љуске сурфактанта. Различите количине SA (5, 10, 15, 20, 30 и 50 г) су енкапсулиране у 10 мл тетраетил ортосиликата (TEOS). Синтетизовани микроенкапсулирани материјал за фазну промену (MEPCM) је окарактерисан Фуријеовом трансформационом инфрацрвеном спектроскопијом (FT-IR), рендгенском дифракцијом (XRD), рендгенском фотоелектронском спектроскопијом (XPS) и скенирајућом електронском микроскопијом (SEM). Резултати карактеризације су показали да је SA успешно енкапсулиран помоћу SiO2. Термогравиметријска анализа (TGA) је показала да MEPCM има бољу термичку стабилност од CA. Коришћењем диференцијалне скенирајуће калориметрије (DSC), утврђено је да се вредност енталпије MEPCM није променила чак ни након 30 циклуса загревања и хлађења. Међу свим микрокапсулираним узорцима, 50 г SA који садржи MEPCM имало је највећу латентну топлоту топљења и очвршћавања, која је износила 182,53 J/g и 160,12 J/g, респективно. Вредност ефикасности паковања израчуната је коришћењем термичких података и највећа ефикасност је пронађена за исти узорак, која је износила 86,68%.
Приближно 58% енергије која се користи у грађевинској индустрији користи се за грејање и хлађење зграда1. Стога је најнеопходније створити ефикасне енергетске системе који узимају у обзир загађење животне средине2. Технологија латентне топлоте која користи материјале са променом фазе (PCM) може да складишти високу енергију при ниским температурним флуктуацијама3,4,5,6 и може се широко користити у областима као што су пренос топлоте, складиштење соларне енергије, ваздухопловство и климатизација7,8,9. PCM апсорбује топлотну енергију са спољашњости зграда током дана и ослобађа енергију ноћу10. Стога се материјали са променом фазе препоручују као материјали за складиштење топлотне енергије. Поред тога, постоје различите врсте PCM-а као што су чврсто-чврсто, чврсто-течно, течно-гасовито и чврсто-гасовито11. Међу њима, најпопуларнији и најчешће коришћени материјали са променом фазе су материјали са променом фазе чврсто-чврсто и материјали са променом фазе чврсто-течно. Међутим, њихова примена је веома тешка због огромних запреминских промена материјала са фазним прелазом течност-гас и чврсто-гасовито.
PCM има различите примене због својих својстава: они који се топе на температурама испод 15°C могу се користити у системима за климатизацију за одржавање ниских температура, а они који се топе на температурама изнад 90°C могу се користити у системима грејања за спречавање пожара12. У зависности од примене и опсега тачке топљења, различити материјали за фазну промену су синтетизовани из различитих органских и неорганских хемикалија13,14,15. Парафин је најчешће коришћени материјал за фазну промену са високом латентном топлотом, некорозивношћу, безбедношћу и широким опсегом тачке топљења16,17,18,19,20,21.
Међутим, због ниске топлотне проводљивости материјала са фазном променом, потребно их је капсулирати у љуску (спољашњи слој) како би се спречило цурење основног материјала током процеса фазне промене22. Поред тога, оперативне грешке или спољашњи притисак могу оштетити спољашњи слој (облогу), а растопљени материјал са фазном променом може реаговати са грађевинским материјалима, узрокујући корозију уграђених челичних шипки, чиме се смањује употребљивост зграде23. Стога је важно синтетизовати капсулиране материјале са фазном променом са довољно материјала љуске, што може решити горе наведене проблеме24.
Микроенкапсулација материјала са променом фазе може ефикасно повећати пренос топлоте и смањити реактивност околине, као и контролисати промене запремине. Развијене су различите методе за енкапсулацију PCM-а, наиме међуповршинска полимеризација25,26,27,28, in situ полимеризација29,30,31,32, коацервација33,34,35 и сол-гел процеси36,37,38,39. Формалдехидна смола се може користити за микроенкапсулацију40,41,42,43. Меламин-формалдехидне и уреа-формалдехидне смоле се користе као материјали за љуску, који често емитују токсични формалдехид током рада. Стога је забрањено користити ове материјале у процесима паковања. Међутим, еколошки прихватљиви материјали са променом фазе за скалабилно складиштење топлотне енергије могу се синтетизовати коришћењем хибридних нанокапсула на бази масних киселина и лигнина44.
Жанг и др. 45 и др. синтетизовали су лауринску киселину из тетраетил ортосиликата и закључили да се, како се запремински однос метилтриетоксисилана и тетраетил ортосиликата повећава, латентна топлота смањује, а површинска хидрофобност повећава. Лауринска киселина може бити потенцијални и ефикасан материјал језгра за капок влакна 46. Поред тога, Латибари и др. 47 синтетизовали су PCM-ове на бази стеаринске киселине користећи TiO2 као материјал љуске. Жу и др. припремили су н-октадекан и силиконске нанокапсуле као потенцијалне PCM-ове 48. Из прегледа литературе, тешко је разумети препоручену дозу за формирање ефикасних и стабилних микроенкапсулираних материјала са фазном променом.
Стога, колико је ауторима познато, количина материјала за промену фазе која се користи за микроенкапсулацију је важан параметар за производњу ефикасних и стабилних микроенкапсулираних материјала за промену фазе. Коришћење различитих количина материјала за промену фазе омогућиће нам да разјаснимо различита својства и стабилност микроенкапсулираних материјала за промену фазе. Стеаринска киселина (масна киселина) је еколошки прихватљива, медицински важна и економична супстанца која се може користити за складиштење топлотне енергије јер има високу енталпијску вредност (~200 J/g) и може да издржи температуре до 72 °C. Поред тога, SiO2 је незапаљив, пружа већу механичку чврстоћу, топлотну проводљивост и бољу хемијску отпорност на језгро материјала, и делује као пуцолански материјал у грађевинарству. Када се цемент помеша са водом, лоше енкапсулирани PCM-ови могу да пукну због механичког хабања и високих температура (топлота хидратације) генерисаних у масивним бетонским конструкцијама. Стога, употреба микроенкапсулираног CA са SiO2 љуском може решити овај проблем. Стога је циљ ове студије био да се истраже перформансе и ефикасност PCM-ова синтетизованих сол-гел поступком у грађевинским применама. У овом раду, систематски смо проучавали различите количине SA (као основног материјала) од 5, 10, 15, 20, 30 и 50 г инкапсулираних у SiO2 љуске. Фиксна количина тетраетилортосиликата (TEOS) у запремини од 10 ml коришћена је као прекурсорски раствор за формирање SiO2 љуске.
Стеаринска киселина реактивног квалитета (SA, C18H36O2, тачка топљења: 72°C) као основни материјал је купљена од Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Гјонгги-до, Јужна Кореја. Тетраетилортосиликат (TEOS, C8H20O4Si) као прекурсорски раствор је купљен од Acros Organics, Геел, Белгија. Поред тога, апсолутни етанол (EA, C2H5OH) и натријум лаурил сулфат (SLS, C12H25NaO4S) су купљени од Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Гјонгги-до, Јужна Кореја, и коришћени су као растварачи и сурфактанти, респективно. Дестилована вода се такође користи као растварач.
Различите количине SA су помешане са различитим пропорцијама натријум лаурил сулфата (SLS) у 100 mL дестиловане воде коришћењем магнетне мешалице на 800 о/мин и 75 °C током 1 сата (Табела 1). SA емулзије су подељене у две групе: (1) 5, 10 и 15 g SA је помешано са 0,10 g SLS у 100 mL дестиловане воде (SATEOS1, SATEOS2 и SATEOS3), (2) 20, 30 и 50 g SA је помешано са 0,15, 0,20 и 0,25 g SLS је помешано са 100 mL дестиловане воде (SATEOS4, SATEOS5 и SATEOS6). 0,10 g SLS је коришћено са 5, 10 и 15 g SA да би се формирале одговарајуће емулзије. Накнадно је предложено повећање броја SLS за SATEOS4, SATEOS5 и SATEOS6. Табела 1 приказује односе CA и SLS који се користе за добијање стабилних емулзионих раствора.
У чашу од 100 мл сипати 10 мл TEOS-а, 10 мл етанола (EA) и 20 мл дестиловане воде. Да би се проучила ефикасност енкапсулације различитих односа љуски SA и SiO2, забележен је коефицијент синтезе свих узорака. Смеша је мешана магнетном мешалицом на 400 обртаја у минути и 60°C током 1 сата. Раствор прекурсора је затим кап по кап додат у припремљену емулзију SA, енергично мешан на 800 обртаја у минути и 75°C током 2 сата, и филтриран да би се добио бели прах. Бели прах је испран дестилованом водом да би се уклонио преостали SA и сушен у вакуумској пећи на 45°C током 24 сата. Као резултат тога, добијен је микроенкапсулирани SC са љуском од SiO2. Читав процес синтезе и припреме микроенкапсулираног SA је приказан на слици 1.
СА микрокапсуле са SiO2 љуском су припремљене сол-гел методом, а њихов механизам енкапсулације је приказан на слици 2. Први корак укључује припрему СА емулзије у воденом раствору са SLS као сурфактантном супстанцом. У овом случају, хидрофобни крај СА молекула се везује за SLS, а хидрофилни крај за молекуле воде, формирајући стабилну емулзију. Дакле, хидрофобни делови SLS су заштићени и прекривају површину СА капљице. С друге стране, хидролиза TEOS раствора се одвија споро молекулима воде, што доводи до формирања хидролизованог TEOS-а у присуству етанола (Сл. 2а) 49,50,51. Хидролизовани TEOS пролази кроз реакцију кондензације, током које n-хидролизовани TEOS формира кластере силицијум диоксида (Сл. 2б). Кластери силицијум диоксида су енкапсулирани помоћу SA52 у присуству SLS-а (Сл. 2ц), што се назива процес микроенкапсулације.
Шематски дијаграм микроенкапсулације CA са љуском од SiO2 (а) хидролиза TEOS-а (б) кондензација хидролизата и (ц) енкапсулација CA са љуском од SiO2.
Хемијска анализа расутог SA и микроенкапсулираног SA спроведена је коришћењем инфрацрвеног спектрометра са Фуријеовом трансформацијом (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, САД) и спектри су снимљени у опсегу од 500 до 4000 цм-1.
За анализу основних SA фаза и материјала микрокапсула коришћен је рендгенски дифрактометар (XRD, D/MAX-2500, Ригаку, Јапан). Рендгенско структурно скенирање је спроведено у опсегу 2θ = 5°–95° са брзином скенирања од 4°/мин, коришћењем Cu-Kα зрачења (λ = 1,541 Å), радним условима од 25 kV и 100 mA, у режиму континуираног скенирања. Рендгенски снимци су конструисани у опсегу 2θ = 5–50°, јер није примећен врх након 50° ни у једном узорку.
Рендгенска фотоелектронска спектроскопија (XPS, Scienta Omicron R3000, САД) је извршена коришћењем AlKα (1486,6 eV) као извора X-зрака како би се разумело хемијско стање салфетне киселине у расутом стању, као и елементи присутни у материјалу за енкапсулацију. Прикупљени XPS спектри су калибрисани на C1s врх коришћењем егзотичног угљеника (енергија везивања 284,6 eV). Након корекције позадине коришћењем Ширлијеве методе, врхови високе резолуције сваког елемента су деконволюисани и прилагођени Гаусовим/Лоренцовим функцијама коришћењем CASA XPS софтвера.
Морфологија расутог SC и микроенкапсулираног SC испитана је коришћењем скенирајуће електронске микроскопије (SEM, MIRA3, TESCAN, Брно, Чешка Република) опремљене енергетски дисперзивном рендгенском спектроскопијом (EDS) на 15 kV. Пре SEM снимања, узорци су обложени платином (Pt) како би се избегли ефекти наелектрисања.
Термичка својства (тачка топљења/очвршћавања и латентна топлота) и поузданост (термички циклус) одређена су диференцијалном скенирајућом калориметријом (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Њукасл, САД) при брзини загревања/хлађења од 10 °C/мин на 40 °C и 90 °C са континуираним прочишћавањем азотом. Анализа губитка тежине спроведена је помоћу TGA анализатора (TA Instrument, Discovery TGA, Њукасл, САД) у континуираном протоку азота почевши од температуре од 40–600 °C, са брзином загревања од 10 °C/мин.
Слика 3 приказује FTIR спектре расутог SC-а, као и микроенкапсулираног SC-а (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 и SATEOS6). Апсорпциони врхови на 2910 цм-1 и 2850 цм-1 у свим узорцима (SA, као и микроенкапсулирани SA) приписују се симетричним вибрацијама истезања –CH3 и –CH2 група, респективно10,50. Врх на 1705 цм-1 одговара вибрационом истезању C=O везе. Врхови на 1470 цм-1 и 1295 цм-1 приписују се вибрацији савијања у равни функционалне групе –OH, док врхови на 940 цм-1 и 719 цм-1 одговарају вибрацији у равни и вибрацији деформације у равни, респективно –OH групе. Апсорпциони врхови SA на 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 и 719 цм-1 су такође примећени код свих микроенкапсулираних SA. Поред тога, новооткривени врх на 1103 цм-1 који одговара антисиметричној вибрацији истезања Si-O-Si траке примећен је у SA микрокапсули. FT-IR резултати су у складу са Јуан и др.50. Они су успешно припремили микроенкапсулирани SA у односу амонијак/етанол и открили да није дошло до хемијске интеракције између SA и SiO2. Резултати тренутне FT-IR студије показују да је SiO2 љуска успешно инкапсулирала SA (језгро) кроз процес кондензације и полимеризације хидролизованог TEOS-а. При нижем садржају SA, интензитет врха Si-O-Si траке је већи (Сл. 3б-д). Како се количина SA повећава на више од 15 г, интензитет врха и проширење Si-O-Si траке постепено се смањују, што указује на формирање танког слоја SiO2 на површини SA.
FTIR спектри (а) SA, (б) SATEOS1, (ц) SATEOS2, (д) ​​SATEOS3, (е) SATEOS4, (ф) SATEOS5 и (г) SATEOS6.
XRD дијаграми расутог SA и микроенкапсулираног SA приказани су на слици 4. XRD врхови се налазе на 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5} према JCPDS бр. 0381923, 02)\), 21,42° у свим узорцима (311), 24,04° (602) и 39,98° (913) приписују се SA. Дисторзија и хибридност са расутим CA услед неизвесних фактора као што су сурфактант (SLS), друге резидуалне супстанце и микроенкапсулација SiO250. Након енкапсулације, интензитет главних врхова (300), (500), (311) и (602) постепено се смањује у поређењу са расутим CA, што указује на смањење кристалности узорка.
XRD дијаграми (а) SA, (б) SATEOS1, (ц) SATEOS2, (д) ​​SATEOS3, (е) SATEOS4, (ф) SATEOS5 и (г) SATEOS6.
Интензитет SATEOS1 нагло опада у поређењу са другим узорцима. Нису примећени други врхови у свим микроенкапсулираним узорцима (Сл. 4б–г), што потврђује да се на површини SA дешава физичка адсорпција SiO252, а не хемијска интеракција. Поред тога, закључено је и да микроенкапсулација SA није довела до појаве било каквих нових структура. SiO2 остаје нетакнут на површини SA без икакве хемијске реакције, а како се количина SA смањује, постојећи врхови постају очигледнији (SATEOS1). Овај резултат указује да SiO2 углавном енкапсулира површину SA. Врх на (700) потпуно нестаје, а врх на \((\overline{5}02)\) постаје грба у SATEOS 1 (Сл. 4б), што је повезано са смањеном кристалношћу и повећаним аморфизмом. SiO2 је аморфне природе, тако да врхови примећени од 2θ = 19° до 25° имају грбу и проширење53 (Сл. 4б–г), што потврђује постојање аморфног SiO252. Нижи интензитет дифракционог пика микроенкапсулираног SA је последица ефекта нуклеације унутрашњег зида силицијум диоксида и ограничавајућег понашања кристализације49. Верује се да се са нижим садржајем SA формира дебља љуска силицијум диоксида због присуства велике количине TEOS-а, који се углавном адсорбује на спољашњој површини SA. Међутим, како се количина SA повећава, површина капљица SA у раствору емулзије се повећава и потребно је више TEOS-а за правилну енкапсулацију. Стога, са већим садржајем SA, врх SiO2 у FT-IR је потиснут (Сл. 3), а интензитет дифракционог пика близу 2θ = 19–25° у XRF (Сл. 4) се смањује и експанзија се такође смањује. Није видљиво. Међутим, као што се може видети на слици 4, чим се количина SA повећа са 5 г (SATEOS1) на 50 г (SATEOS6), врхови постају веома близу количини SA у расутом стању, а врх на (700) се појављује са свим идентификованим интензитетима врхова. Овај резултат је у корелацији са резултатима FT-IR, где интензитет врха SiO2 SATEOS6 опада на 1103 цм-1 (слика 3г).
Хемијска стања елемената присутних у SA, SATEOS1 и SATEOS6 приказана су на сликама 1 и 2. Слике 5, 6, 7 и 8 и Табела 2. Скенирања мерења за SA, SATEOS1 и SATEOS6 у расутом стању приказана су на Слици 5, а скенирања високе резолуције за C 1s, O 1s и Si 2p приказана су на сликама 5, 6, 7 и 8 и Табели 2, 6, 7 и 8 респективно. Вредности енергије везивања добијене XPS-ом сумиране су у Табели 2. Као што се може видети са Слике 5, очигледни врхови Si 2s и Si 2p примећени су у SATEOS1 и SATEOS6, где је дошло до микрокапсулације SiO2 љуске. Претходни истраживачи су известили о сличном Si 2s врху на 155,1 eV54. Присуство Si врхова у SATEOS1 (слика 5б) и SATEOS6 (слика 5ц) потврђује FT-IR (слика 3) и XRD (слика 4) податке.
Као што је приказано на слици 6а, C 1s расутог SA има три различита врха: CC, калифатички и O=C=O при енергији везивања, који износе 284,5 eV, 285,2 eV и 289,5 eV, респективно. C–C, калифатички и O=C=O врхови су такође примећени код SATEOS1 (слика 6б) и SATEOS6 (слика 6ц) и сумирани су у Табели 2. Поред овога, C 1s врх такође одговара додатном Si-C врху на 283,1 eV (SATEOS1) и 283,5 eV (SATEOS6). Наше примећене енергије везивања за C–C, калифатички, O=C=O и Si–C добро се поклапају са другим изворима55,56.
XPS спектри O 1 SA, SATEOS1 и SATEOS6 су приказани на сликама 7a–c, респективно. O 1s пик код расутог SA је деконволюиран и има два пика, наиме C=O/C–O (531,9 eV) и C–O–H (533,0 eV), док су O 1 код SATEOS1 и SATEOS6 конзистентни. Постоје само три пика: C=O/C–O, C–O–H и Si–OH 55,57,58. Енергија везивања O 1s код SATEOS1 и SATEOS6 се незнатно мења у поређењу са расутим SA, што је повезано са променом хемијског фрагмента због присуства SiO2 и Si-OH у материјалу љуске.
Si 2p XPS спектри SATEOS1 и SATEOS6 су приказани на слици 8a и b, респективно. У расутом CA, Si 2p није примећен због одсуства SiO2. Врх Si 2p одговара 105,4 eV за SATEOS1 и 105,0 eV за SATEOS6, што одговара Si-O-Si, док је врх SATEOS1 103,5 eV, а врх SATEOS6 103,3 eV, што одговара Si-OH55. Уклапање врхова Si-O-Si и Si-OH у SATEOS1 и SATEOS6 показало је успешну микроенкапсулацију SiO2 на површини језгра SA.
Морфологија микроенкапсулираног материјала је веома важна, јер утиче на растворљивост, стабилност, хемијску реактивност, течљивост и чврстоћу59. Стога је SEM коришћен за карактеризацију морфологије расутог SA (100×) и микроенкапсулираног SA (500×), као што је приказано на слици 9. Као што се може видети на слици 9а, блок SA има елиптичан облик. Величина честица прелази 500 микрона. Међутим, када се процес микроенкапсулације настави, морфологија се драматично мења, као што је приказано на сликама 9б–г.
СЕМ слике (а) SA (×100), (б) SATEOS1, (ц) SATEOS2, (д) ​​SATEOS3, (е) SATEOS4, (ф) SATEOS5 и (г) SATEOS6 при ×500.
У узорку SATEOS1, примећене су мање квазисферичне честице SA обмотане SiO2 са храпавом површином (Сл. 9б), што може бити последица хидролизе и кондензационе полимеризације TEOS-а на површини SA, убрзавајући брзу дифузију молекула етанола. Као резултат тога, честице SiO2 се таложе и примећује се агломерација52,60. Ова SiO2 љуска пружа механичку чврстоћу микроенкапсулираним CA честицама, а такође спречава цурење растопљеног CA на вишим температурама10. Овај резултат указује на то да се SA микрокапсуле које садрже SiO2 могу користити као потенцијални материјали за складиштење енергије61. Као што се може видети на Слици 9б, узорак SATEOS1 има равномерну расподелу честица са дебелим слојем SiO2 који обухвата SA. Величина честица микроенкапсулираног SA (SATEOS1) је приближно 10–20 μm (Сл. 9б), што је знатно мање у поређењу са расутим SA због нижег садржаја SA. Дебљина слоја микрокапсула је последица хидролизе и кондензационе полимеризације раствора прекурсора. До агломерације долази при нижим дозама СА, тј. до 15 г (сл. 9б-д), али чим се доза повећа, не примећује се агломерација, већ се примећују јасно дефинисане сферне честице (сл. 9е-г) 62.
Поред тога, када је количина сурфактанта SLS константна, садржај SA (SATEOS1, SATEOS2 и SATEOS3) такође утиче на ефикасност, облик и расподелу величине честица. Стога је утврђено да SATEOS1 показује мању величину честица, равномерну расподелу и густу површину (Сл. 9б), што се приписује хидрофилној природи SA која промовише секундарну нуклеацију под константним сурфактантом63. Верује се да ће се повећањем садржаја SA са 5 на 15 г (SATEOS1, SATEOS2 и SATEOS3) и коришћењем константне количине сурфактанта, тј. 0,10 г SLS (Табела 1), допринос сваке честице молекула сурфактанта смањити, чиме се смањује величина честица и величина честица. Расподела SATEOS2 (Сл. 9ц) и SATEOS3 (Сл. 9д) разликује се од расподеле SATEOS 1 (Сл. 9б).
У поређењу са SATEOS1 (Сл. 9б), SATEOS2 је показао густу морфологију микроенкапсулиране SA, а величина честица се повећала (Сл. 9ц). То је због агломерације 49, која смањује брзину коагулације (Сл. 2б). Како се количина SC повећава са повећањем SLS, микрокапсуле постају јасно видљиве, као што је приказано на Сл. 2 како долази до агрегације. Поред тога, слике 9е–г показују да су све честице јасно сферног облика и величине. Препознато је да се у присуству великих количина SA може добити одговарајућа количина силицијум диоксида, што узрокује одговарајућу кондензацију и енкапсулацију, а самим тим и формирање добро дефинисаних микрокапсула 49. Из резултата SEM-а је јасно да је SATEOS6 формирао одговарајуће микрокапсуле у поређењу са малом количином SA.
Резултати енергетски дисперзивне рендгенске спектроскопије (EDS) расутог SA и микрокапсулираног SA приказани су у Табели 3. Као што се може видети из ове табеле, садржај Si постепено опада од SATEOS1 (12,34%) до SATEOS6 (2,68%). Повећање SA. Стога, можемо рећи да повећање количине SA доводи до смањења таложења SiO2 на површини SA. Не постоје конзистентне вредности за садржај C и O у Табели 3 због полуквантитативне анализе EDS51. Садржај Si у микроенкапсулираном SA је био у корелацији са резултатима FT-IR, XRD и XPS.
Понашање топљења и очвршћавања расутог SA, као и микроенкапсулираног SA са SiO2 омотачем, приказано је на сликама 1 и 2. Оне су приказане на сликама 10 и 11, респективно, а термички подаци су приказани у Табели 4. Утврђено је да су температуре топљења и очвршћавања микроенкапсулираног SA различите. Како се количина SA повећава, температуре топљења и очвршћавања се повећавају и приближавају вредностима расутог SA. Након микроенкапсулације SA, зид силицијум диоксида повећава температуру кристализације, а његов зид делује као језгро за промоцију хетерогености. Стога, како се количина SA повећава, температуре топљења (слика 10) и очвршћавања (слика 11) такође постепено расту 49,51,64. Међу свим узорцима микроенкапсулираног SA, SATEOS6 је показао највише температуре топљења и очвршћавања, а затим SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 и SATEOS1.
SATEOS1 показује најнижу тачку топљења (68,97 °C) и температуру очвршћавања (60,60 °C), што је последица мање величине честица код којих је кретање SA честица унутар микрокапсула веома мало, а SiO2 љуска формира дебели слој и стога материјал језгра ограничава истезање и кретање49. Ова хипотеза је повезана са резултатима SEM-а, где је SATEOS1 показао мању величину честица (Сл. 9б), што је последица чињенице да су SA молекули ограничени унутар веома мале површине микрокапсула. Разлика у температурама топљења и очвршћавања главне масе, као и свих SA микрокапсула са SiO2 љускама, је у опсегу од 6,10–8,37 °C. Овај резултат указује да се микроенкапсулирани SA може користити као потенцијални материјал за складиштење енергије због добре топлотне проводљивости SiO2 љуске65.
Као што се може видети из Табеле 4, SATEOS6 има највећу енталпију међу свим микроенкапсулираним SC (Сл. 9г) због правилне енкапсулације коју је приметила SEM. Брзина паковања SA може се израчунати помоћу једначине (1). (1) Поређењем података о латентној топлоти микроенкапсулираног SA49.
Вредност R представља степен енкапсулације (%) микроенкапсулираног SC, ΔHMEPCM,m представља латентну топлоту топљења микроенкапсулираног SC, а ΔHPCM,m представља латентну топлоту топљења SC. Поред тога, ефикасност паковања (%) се израчунава као још један важан технички параметар, као што је приказано у једначини (1). (2)49.
Вредност E представља ефикасност енкапсулације (%) микроенкапсулираног CA, ΔHMEPCM,s представља латентну топлоту очвршћавања микроенкапсулираног CA, а ΔHPCM,s представља латентну топлоту очвршћавања CA.
Као што је приказано у Табели 4, степен паковања и ефикасност SATEOS1 су 71,89% и 67,68%, респективно, а степен паковања и ефикасност SATEOS6 су 90,86% и 86,68%, респективно (Табела 4). Узорак SATEOS6 показује највиши коефицијент енкапсулације и ефикасност међу свим микроенкапсулираним SA, што указује на његов висок термички капацитет. Стога, прелазак из чврстог у течно стање захтева велике количине енергије. Поред тога, разлика у температурама топљења и очвршћавања свих SA микрокапсула и расутог SA током процеса хлађења указује на то да је силицијумска љуска просторно ограничена током синтезе микрокапсула. Дакле, резултати показују да се, како се количина SC повећава, брзина енкапсулације и ефикасност постепено повећавају (Табела 4).
ТГА криве расутог SA и микрокапсулираног SA са SiO2 љуском (SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6) приказане су на слици 12. Термичка стабилност расутог SA (SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6) упоређена је са микрокапсулираним узорцима. Из ТГА криве је јасно да губитак тежине расутог SA, као и микрокапсулираног SA, показује глатко и веома благо смањење од 40°C до 190°C. На овој температури, расути SC не подлеже термичком разлагању, док микрокапсулирани SC ослобађа адсорбовану воду чак и након сушења на 45°C током 24 сата. То је резултирало благим губитком тежине,49 али изнад ове температуре материјал је почео да се разграђује. При нижем садржају SA (тј. SATEOS1), садржај адсорбоване воде је већи и стога је губитак масе до 190°C већи (уметнути приказ на слици 12). Чим температура порасте изнад 190 °C, узорак почиње да губи масу услед процеса разлагања. Расута аламинирана супстанца (SA) почиње да се разлаже на 190 °C и само 4% остаје на 260 °C, док SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6 задржавају 50%, 20% и 12% на овој температури, респективно. Након 300 °C, губитак масе расуте аламиниране супстанце био је приближно 97,60%, док је губитак масе SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6 био приближно 54,20%, 82,40% и 90,30%, респективно. Са повећањем садржаја аламиниране супстанце, садржај SiO2 се смањује (Табела 3), а на SEM-у се примећује истањивање љуске (Сл. 9). Дакле, губитак тежине микроенкапсулиране СА је мањи у поређењу са расутим СА, што се објашњава повољним својствима SiO2 љуске, која подстиче формирање угљеничног силикатно-угљеничног слоја на површини СА, чиме се изолује језгро СА и успорава ослобађање резултирајућих испарљивих производа10. Овај слој угљениса формира физичку заштитну баријеру током термичког разлагања, ограничавајући прелазак запаљивих молекула у гасну фазу66,67. Поред овога, можемо видети и значајне резултате губитка тежине: SATEOS1 показује ниже вредности у поређењу са SATEOS3, SATEOS6 и СА. То је зато што је количина СА у SATEOS1 мања него у SATEOS3 и SATEOS6, где SiO2 љуска формира дебели слој. Насупрот томе, укупни губитак тежине расутог СА достиже 99,50% на 415 °C. Међутим, SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6 су показали губитак тежине од 62,50%, 85,50% и 93,76%, респективно, на 415 °C. Овај резултат указује да додавање TEOS-а побољшава разградњу SA формирањем SiO2 слоја на површини SA. Ови слојеви могу формирати физичку заштитну баријеру, и стога се може приметити побољшање термичке стабилности микроенкапсулиране CA.
Резултати термичке поузданости расутог СА и најбољег микроенкапсулираног узорка (тј. SATEOS 6) након 30 циклуса загревања и хлађења DSC51,52 приказани су на слици 13. Може се видети да расути СА (слика 13а) не показује никакву разлику у температури топљења, очвршћавању и вредности енталпије, док SATEOS6 (слика 13б) не показује никакву разлику у температури и вредности енталпије чак ни након 30. циклуса загревања и процеса хлађења. Расути СА је показао тачку топљења од 72,10 °C, температуру очвршћавања од 64,69 °C, а топлота топљења и очвршћавања након првог циклуса биле су 201,0 J/g и 194,10 J/g, респективно. Након 30. циклуса, тачка топљења ових вредности је смањена на 71,24 °C, температура очвршћавања је смањена на 63,53 °C, а вредност енталпије је смањена за 10%. Промене у температурама топљења и очвршћавања, као и смањење вредности енталпије, указују на то да је CA у расутом стању непоуздан за примене које нису микрокапсулације. Међутим, након што се деси правилна микрокапсулација (SATEOS6), температуре топљења и очвршћавања и вредности енталпије се не мењају (Сл. 13б). Једном микрокапсулиран са SiO2 љускама, SA се може користити као материјал за промену фазе у термичким применама, посебно у грађевинарству, због својих оптималних температура топљења и очвршћавања и стабилне енталпије.
DSC криве добијене за узорке SA (а) и SATEOS6 (б) на 1. и 30. циклусу загревања и хлађења.
У овој студији, спроведено је систематско истраживање микроенкапсулације коришћењем SA као језгра и SiO2 као материјала љуске. TEOS се користи као прекурсор за формирање SiO2 носећег слоја и заштитног слоја на површини SA. Након успешне синтезе микроенкапсулираног SA, резултати FT-IR, XRD, XPS, SEM и EDS показали су присуство SiO2. SEM анализа показује да узорак SATEOS6 показује добро дефинисане сферне честице окружене SiO2 љускама на површини SA. Међутим, MEPCM са нижим садржајем SA показује агломерацију, што смањује перформансе PCM-а. XPS анализа је показала присуство Si-O-Si и Si-OH у узорцима микрокапсула, што је открило адсорпцију SiO2 на површини SA. Према анализи термичких перформанси, SATEOS6 показује најперспективнију способност складиштења топлоте, са температурама топљења и очвршћавања од 70,37°C и 64,27°C, респективно, и латентном топлотом топљења и очвршћавања од 182,53 J/g и 160,12 J/g.G, респективно. Максимална ефикасност паковања SATEOS6 је 86,68%. TGA и DSC анализа термичког циклуса потврдила је да SATEOS6 и даље има добру термичку стабилност и поузданост чак и након 30 процеса загревања и хлађења.
Јанг Т., Ванг XY и Ли Д. Анализа перформанси термохемијског система адсорпције на бази чврстог и гасовитог композита за складиштење топлотне енергије и побољшање његове ефикасности. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Фарид, ММ, Кудејр, АМ, Разак, С. и Ал-Халаџ, С. Преглед складиштења енергије фазном променом: материјали и примене. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Регин АФ, Соланки СС и Саини ЈС Перформансе преноса топлоте система за складиштење топлотне енергије коришћењем PCM капсула: преглед. ажурирање. подршка. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Лиу, М., Саман, В. и Бруно, Ф. Преглед материјала за складиштење и технологија за побољшање термичких перформанси за системе за складиштење топлоте са променом фазе на високим температурама. ажурирање. подршка. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Фанг Гуојинг, Ли Хонг, Лиу Сјанг, Ву СМ Припрема и карактеризација наноенкапсулираних фазно-променљивих материјала на бази н-тетрадекана са топлотном енергијом. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Му, Б. и Ли, М. Синтеза нових композитних материјала са променом фазе, стабилног облика, коришћењем модификованих графенских аерогела за конверзију и складиштење соларне енергије. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Хуанг, К., Алва, Г., Ђиа, Ј. и Фанг, Г. Морфолошка карактеризација и примена материјала са фазном променом у складиштењу топлотне енергије: преглед. ажурирање. подршка. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).