Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com. Versiunea de browser pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru cele mai bune rezultate, vă recomandăm să utilizați o versiune mai nouă a browserului dvs. (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura asistență continuă, afișăm site-ul fără stilizare sau JavaScript.
Acidul stearic (SA) este utilizat ca material de schimbare de fază (PCM) în dispozitivele de stocare a energiei. În acest studiu, s-a utilizat metoda sol-gel pentru microîncapsularea surfactantului de înveliș de SiO2. Diverse cantități de SA (5, 10, 15, 20, 30 și 50 g) au fost încapsulate în 10 mL de ortosilicat de tetraetil (TEOS). Materialul de schimbare de fază microîncapsulat sintetizat (MEPCM) a fost caracterizat prin spectroscopie în infraroșu cu transformare Fourier (FT-IR), difracție de raze X (XRD), spectroscopie fotoelectronică cu raze X (XPS) și microscopie electronică de scanare (SEM). Rezultatele caracterizării au arătat că SA a fost încapsulat cu succes în SiO2. Analiza termogravimetrică (TGA) a arătat că MEPCM are o stabilitate termică mai bună decât CA. Folosind calorimetria diferențială de scanare (DSC), s-a constatat că valoarea entalpiei MEPCM nu s-a modificat nici după 30 de cicluri de încălzire-răcire. Dintre toate probele microcapsulate, 50 g de SA conținând MEPCM a avut cea mai mare căldură latentă de topire și solidificare, care a fost de 182,53 J/g, respectiv 160,12 J/g. Valoarea eficienței pachetului a fost calculată folosind date termice, iar cea mai mare eficiență a fost găsită pentru aceeași probă, care a fost de 86,68%.
Aproximativ 58% din energia utilizată în industria construcțiilor este utilizată pentru încălzirea și răcirea clădirilor1. Prin urmare, cel mai necesar lucru este crearea unor sisteme energetice eficiente care să țină cont de poluarea mediului2. Tehnologia căldurii latente care utilizează materiale cu schimbare de fază (PCM) poate stoca energie ridicată la fluctuații scăzute de temperatură3,4,5,6 și poate fi utilizată pe scară largă în domenii precum transferul de căldură, stocarea energiei solare, industria aerospațială și aerul condiționat7,8,9. PCM absoarbe energia termică de la exteriorul clădirilor în timpul zilei și eliberează energie noaptea10. Prin urmare, materialele cu schimbare de fază sunt recomandate ca materiale de stocare a energiei termice. În plus, există diferite tipuri de PCM, cum ar fi solid-solid, solid-lichid, lichid-gaz și solid-gaz11. Printre acestea, cele mai populare și frecvent utilizate materiale cu schimbare de fază sunt materialele cu schimbare de fază solid-solid și materialele cu schimbare de fază solid-lichid. Cu toate acestea, aplicarea lor este foarte dificilă din cauza modificărilor volumetrice enorme ale materialelor de tranziție de fază lichid-gaz și solid-gaz.
PCM are diverse aplicații datorită proprietăților sale: cele care se topesc la temperaturi sub 15°C pot fi utilizate în sistemele de aer condiționat pentru menținerea temperaturilor scăzute, iar cele care se topesc la temperaturi peste 90°C pot fi utilizate în sistemele de încălzire pentru prevenirea incendiilor12. În funcție de aplicație și de intervalul punctului de topire, au fost sintetizate diverse materiale cu schimbare de fază din diferite substanțe chimice organice și anorganice13,14,15. Parafina este cel mai frecvent utilizat material cu schimbare de fază, având căldură latentă ridicată, necorozivitate, siguranță și un interval larg de puncte de topire16,17,18,19,20,21.
Totuși, din cauza conductivității termice scăzute a materialelor cu schimbare de fază, acestea trebuie încapsulate într-o carcasă (strat exterior) pentru a preveni scurgerea materialului de bază în timpul procesului de schimbare de fază22. În plus, erorile operaționale sau presiunea externă pot deteriora stratul exterior (învelișul), iar materialul topit cu schimbare de fază poate reacționa cu materialele de construcție, provocând coroziunea barelor de oțel încorporate, reducând astfel capacitatea de exploatare a clădirii23. Prin urmare, este important să se sintetizeze materiale cu schimbare de fază încapsulate cu suficient material de carcasă, care poate rezolva problemele de mai sus24.
Microîncapsularea materialelor cu schimbare de fază poate crește eficient transferul de căldură și poate reduce reactivitatea mediului, controlând și modificările de volum. Au fost dezvoltate diverse metode pentru încapsularea PCM, și anume polimerizarea interfacială25,26,27,28, polimerizarea in situ29,30,31,32, coacervarea33,34,35 și procesele sol-gel36,37,38,39. Rășina formaldehidă poate fi utilizată pentru microîncapsulare40,41,42,43. Rășinile melamin-formaldehidă și uree-formaldehidă sunt utilizate ca materiale de înveliș, care emit adesea formaldehidă toxică în timpul funcționării. Prin urmare, utilizarea acestor materiale în procesele de ambalare este interzisă. Cu toate acestea, materialele cu schimbare de fază ecologice pentru stocarea scalabilă a energiei termice pot fi sintetizate folosind nanocapsule hibride pe bază de acizi grași și lignină44.
Zhang și colab.45 și colab. au sintetizat acid lauric din ortosilicat de tetraetil și au concluzionat că, pe măsură ce raportul volumic dintre metiltrietoxisilan și ortosilicat de tetraetil crește, căldura latentă scade și hidrofobicitatea suprafeței crește. Acidul lauric poate fi un material de miez potențial și eficient pentru fibrele de kapok46. În plus, Latibari și colab.47 au sintetizat PCM-uri pe bază de acid stearic folosind TiO2 ca material de înveliș. Zhu și colab. au preparat nanocapsule de n-octadecan și silicon ca potențiale PCM-uri48. Dintr-o trecere în revistă a literaturii de specialitate, este dificil de înțeles dozajul recomandat pentru formarea unor materiale microîncapsulate cu schimbare de fază eficiente și stabile.
Prin urmare, din câte știu autorii, cantitatea de material cu schimbare de fază utilizată pentru microîncapsulare este un parametru important pentru producerea de materiale cu schimbare de fază microîncapsulate eficiente și stabile. Utilizarea diferitelor cantități de materiale cu schimbare de fază ne va permite să elucidăm diferitele proprietăți și stabilitatea materialelor cu schimbare de fază microîncapsulate. Acidul stearic (acid gras) este o substanță ecologică, importantă din punct de vedere medical și economică, care poate fi utilizată pentru stocarea energiei termice, deoarece are o valoare a entalpiei ridicată (~200 J/g) și poate rezista la temperaturi de până la 72 °C. În plus, SiO2 este neinflamabil, oferă o rezistență mecanică mai mare, o conductivitate termică și o rezistență chimică mai bună materialelor de bază și acționează ca un material pozzolanic în construcții. Când cimentul este amestecat cu apă, PCM-urile slab încapsulate pot crăpa din cauza uzurii mecanice și a temperaturilor ridicate (căldura de hidratare) generate în structurile masive de beton. Prin urmare, utilizarea CA microîncapsulată cu un înveliș de SiO2 poate rezolva această problemă. Prin urmare, scopul acestui studiu a fost de a investiga performanța și eficiența PCM-urilor sintetizate prin procedeul sol-gel în aplicații de construcții. În această lucrare, am studiat sistematic diferite cantități de SA (ca material de bază) de 5, 10, 15, 20, 30 și 50 g încapsulate în învelișuri de SiO2. O cantitate fixă ​​de tetraetilortosilicat (TEOS) într-un volum de 10 ml a fost utilizată ca soluție precursoare pentru formarea învelișului de SiO2.
Acidul stearic reactiv (SA, C18H36O2, punct de topire: 72°C) ca material de bază a fost achiziționat de la Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Coreea de Sud. Tetraetilortosilicatul (TEOS, C8H20O4Si) ca soluție precursoare a fost achiziționat de la Acros Organics, Geel, Belgia. În plus, etanolul absolut (EA, C2H5OH) și laurilsulfatul de sodiu (SLS, C12H25NaO4S) au fost achiziționate de la Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Coreea de Sud și au fost utilizate ca solvenți, respectiv surfactanți. Apa distilată este, de asemenea, utilizată ca solvent.
Diferite cantități de SA au fost amestecate cu diferite proporții de laurilsulfat de sodiu (SLS) în 100 mL de apă distilată folosind un agitator magnetic la 800 rpm și 75 °C timp de 1 oră (Tabelul 1). Emulsiile SA au fost împărțite în două grupe: (1) 5, 10 și 15 g de SA au fost amestecate cu 0,10 g de SLS în 100 ml de apă distilată (SATEOS1, SATEOS2 și SATEOS3), (2) 20, 30 și 50 g de SA au fost amestecate cu 0,15, 0,20 și 0,25 g de SLS au fost amestecate cu 100 ml de apă distilată (SATEOS4, SATEOS5 și SATEOS6). 0,10 g de SLS au fost utilizați cu 5, 10 și 15 g de SA pentru a forma emulsiile respective. Ulterior, s-a propus creșterea numărului de SLS pentru SATEOS4, SATEOS5 și SATEOS6. Tabelul 1 prezintă raporturile dintre CA și SLS utilizate pentru a obține soluții de emulsie stabile.
Se introduc 10 ml de TEOS, 10 ml de etanol (EA) și 20 ml de apă distilată într-un pahar de 100 ml. Pentru a studia eficiența de încapsulare a diferitelor raporturi de învelișuri de SA și SiO2, s-a înregistrat coeficientul de sinteză al tuturor probelor. Amestecul a fost agitat cu un agitator magnetic la 400 rpm și 60°C timp de 1 oră. Soluția precursor a fost apoi adăugată picătură cu picătură la emulsia de SA preparată, agitată energic la 800 rpm și 75°C timp de 2 ore și filtrată pentru a obține o pulbere albă. Pulberea albă a fost spălată cu apă distilată pentru a îndepărta SA rezidual și uscată într-un cuptor cu vid la 45°C timp de 24 de ore. Ca rezultat, s-a obținut un SC microîncapsulat cu un înveliș de SiO2. Întregul proces de sinteză și preparare a SA microîncapsulat este prezentat în Figura 1.
Microcapsule SA cu înveliș de SiO2 au fost preparate prin metoda sol-gel, iar mecanismul lor de încapsulare este prezentat în Figura 2. Primul pas implică prepararea unei emulsii SA într-o soluție apoasă cu SLS ca surfactant. În acest caz, capătul hidrofob al moleculei SA se leagă de SLS, iar capătul hidrofil de moleculele de apă, formând o emulsie stabilă. Astfel, grupările hidrofobe ale SLS sunt protejate și acoperă suprafața picăturii de SA. Pe de altă parte, hidroliza soluțiilor de TEOS are loc lent de către moleculele de apă, ducând la formarea de TEOS hidrolizat în prezența etanolului (Fig. 2a)49,50,51. TEOS hidrolizat suferă o reacție de condensare, în timpul căreia TEOS n-hidrolizat formează clustere de silice (Fig. 2b). Clusterile de silice au fost încapsulate de SA52 în prezența SLS (Fig. 2c), ceea ce se numește proces de microîncapsulare.
Schema de microîncapsulare a CA cu o învelișă de SiO2 (a) hidroliza TEOS (b) condensarea hidrolizatului și (c) încapsularea CA cu o învelișă de SiO2.
Analiza chimică a SA în vrac și a SA microîncapsulate a fost efectuată utilizând un spectrometru în infraroșu cu transformare Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, SUA), iar spectrele au fost înregistrate în intervalul 500 - 4000 cm-1.
Pentru analiza fazelor SA în vrac și a materialelor microcapsulelor s-a utilizat un difractometru de raze X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japonia). Scanarea structurală cu raze X a fost efectuată în intervalul 2θ = 5°–95° cu o viteză de scanare de 4°/min, utilizând radiații Cu-Kα (λ = 1,541 Å), în condiții de funcționare de 25 kV și 100 mA, în mod de scanare continuă. Imaginile cu raze X au fost construite în intervalul 2θ = 5–50°, deoarece nu s-a observat niciun vârf după 50° în toate probele.
Spectroscopia fotoelectronică cu raze X (XPS, Scienta Omicron R3000, SUA) a fost efectuată folosind Al Kα (1486,6 eV) ca sursă de raze X pentru a înțelege starea chimică a SA în vrac, precum și elementele prezente în materialul de încapsulare. Spectrele XPS colectate au fost calibrate la vârful C 1s folosind carbon exotic (energie de legare 284,6 eV). După corecția de fundal folosind metoda Shirley, vârfurile de înaltă rezoluție ale fiecărui element au fost deconvoluate și adaptate la funcții gaussiene/lorentziane folosind software-ul CASA XPS.
Morfologia SC în vrac și a SC microcapsulate a fost examinată utilizând microscopia electronică cu scanare (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Republica Cehă) echipată cu spectroscopie de raze X cu dispersie de energie (EDS) la 15 kV. Înainte de imagistica SEM, probele au fost acoperite cu platină (Pt) pentru a evita efectele de încărcare.
Proprietățile termice (punctul de topire/solidificare și căldura latentă) și fiabilitatea (ciclul termic) au fost determinate prin calorimetrie diferențială cu scanare (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, SUA) la o viteză de încălzire/răcire de 10 °C/min la 40 °C și 90 °C cu purjare continuă cu azot. Analiza pierderii în greutate a fost efectuată utilizând un analizor TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, SUA) într-un flux continuu de azot începând de la o temperatură de 40–600 °C, cu o viteză de încălzire de 10 °C/min.
Figura 3 prezintă spectrele FTIR ale SC în vrac, precum și ale SC microîncapsulate (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 și SATEOS6). Vârfurile de absorbție la 2910 cm-1 și 2850 cm-1 în toate probele (SA, precum și SA microîncapsulate) sunt atribuite vibrațiilor simetrice de întindere ale grupărilor –CH3 și, respectiv, –CH210,50. Vârful de la 1705 cm-1 corespunde întinderii vibraționale a legăturii C=O. Vârfurile de la 1470 cm-1 și 1295 cm-1 sunt atribuite vibrației de îndoire în plan a grupării funcționale –OH, în timp ce vârfurile de la 940 cm-1 și 719 cm-1 corespund vibrației în plan și, respectiv, vibrației de deformare în plan a grupării –OH. Vârfuri de absorbție ale SA la 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 și 719 cm-1 au fost observate și în toate SA microcapsulate. În plus, un vârf nou descoperit la 1103 cm-1, corespunzător vibrației de întindere antisimetrice a benzii Si-O-Si, a fost observat în microcapsula SA. Rezultatele FT-IR sunt în concordanță cu cele ale lui Yuan și colab. 50. Aceștia au preparat cu succes SA microcapsulat în raport amoniac/etanol și au descoperit că nu a avut loc nicio interacțiune chimică între SA și SiO2. Rezultatele studiului FT-IR actual arată că învelișul de SiO2 a încapsulat cu succes SA (miezul) prin procesul de condensare și polimerizare a TEOS hidrolizat. La un conținut mai mic de SA, intensitatea vârfului benzii Si-O-Si este mai mare (Fig. 3b-d). Pe măsură ce cantitatea de SA crește la peste 15 g, intensitatea vârfului și lărgirea benzii Si-O-Si scad treptat, indicând formarea unui strat subțire de SiO2 pe suprafața SA.
Spectrele FTIR ale (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 și (g) SATEOS6.
Modelele de difracție cu raze X (XRD) ale SA în vrac și SA microîncapsulat sunt prezentate în Figura 4. Vârfurile XRD sunt situate la 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}conform JCPDS nr. 0381923, 02)\), 21,42° în toate probele (311), 24,04° (602) și 39,98° (913) sunt atribuite SA. Distorsiunea și hibriditatea cu CA în vrac se datorează unor factori incerti, cum ar fi surfactantul (SLS), alte substanțe reziduale și microîncapsularea SiO250. După încapsulare, intensitatea vârfurilor principale (300), (500), (311) și (602) scade treptat în comparație cu CA în vrac, indicând o scădere a cristalinității probei.
Modele de difracție cu raze X pentru (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 și (g) SATEOS6.
Intensitatea SATEOS1 scade brusc în comparație cu alte probe. Nu s-au observat alte vârfuri în toate probele microîncapsulate (Fig. 4b-g), ceea ce confirmă faptul că pe suprafața SA are loc adsorbția fizică a SiO252, mai degrabă decât interacțiunea chimică. În plus, s-a concluzionat, de asemenea, că microîncapsularea SA nu a dus la apariția unor structuri noi. SiO2 rămâne intact pe suprafața SA fără nicio reacție chimică, iar pe măsură ce cantitatea de SA scade, vârfurile existente devin mai evidente (SATEOS1). Acest rezultat indică faptul că SiO2 încapsulează în principal suprafața SA. Vârful de la (700) dispare complet, iar vârful de la \((\overline{5}02)\) devine o cocoașă în SATEOS 1 (Fig. 4b), care este asociată cu cristalinitate redusă și amorfism crescut. SiO2 este de natură amorfă, astfel încât vârfurile observate de la 2θ = 19° la 25° prezintă o cocoașă și o lățire53 (Fig. 4b–g), ceea ce confirmă existența SiO252 amorf. Intensitatea mai mică a vârfului de difracție al SA microîncapsulat se datorează efectului de nucleație al peretelui interior de silice și comportamentului limitant de cristalizare49. Se crede că, odată cu un conținut mai mic de SA, se formează o coajă de silice mai groasă datorită prezenței unei cantități mari de TEOS, care este în mare parte adsorbit pe suprafața exterioară a SA. Cu toate acestea, pe măsură ce cantitatea de SA crește, suprafața picăturilor de SA în soluția de emulsie crește și este necesar mai mult TEOS pentru o încapsulare corectă. Prin urmare, odată cu un conținut mai mare de SA, vârful SiO2 în FT-IR este suprimat (Fig. 3), iar intensitatea vârfului de difracție în apropierea 2θ = 19–25° în XRF (Fig. 4) scade, iar expansiunea scade și ea. Nu este vizibil. Totuși, așa cum se poate observa în Figura 4, imediat ce cantitatea de SA crește de la 5 g (SATEOS1) la 50 g (SATEOS6), vârfurile devin foarte apropiate de SA în vrac, iar vârful de la (700) apare cu toate intensitățile vârfurilor identificate. Acest rezultat se corelează cu rezultatele FT-IR, unde intensitatea vârfului SiO2 SATEOS6 scade la 1103 cm-1 (Fig. 3g).
Stările chimice ale elementelor prezente în SA, SATEOS1 și SATEOS6 sunt prezentate în Figurile 1 și 2, Figurile 5, 6, 7 și 8 și Tabelul 2. Scanările de măsurare pentru SA în vrac, SATEOS1 și SATEOS6 sunt prezentate în Figura 5, iar scanările de înaltă rezoluție pentru C 1s, O 1s și Si 2p sunt prezentate în Figurile 5, 6, 7 și 8 și respectiv în Tabelul 2, 6, 7 și 8. Valorile energiei de legare obținute prin XPS sunt rezumate în Tabelul 2. După cum se poate observa din Figura 5, s-au observat vârfuri evidente pentru Si 2s și Si 2p în SATEOS1 și SATEOS6, unde a avut loc microîncapsularea învelișului de SiO2. Cercetătorii anteriori au raportat un vârf similar pentru Si 2s la 155,1 eV54. Prezența vârfurilor de Si în SATEOS1 (Fig. 5b) și SATEOS6 (Fig. 5c) confirmă datele FT-IR (Fig. 3) și XRD (Fig. 4).
Așa cum se arată în Figura 6a, C 1s-ul SA în vrac are trei vârfuri diferite: CC, califatic și O=C=O la energia de legare, care sunt 284,5 eV, 285,2 eV și respectiv 289,5 eV. Vârfurile C–C, califatic și O=C=O au fost observate și în SATEOS1 (Fig. 6b) și SATEOS6 (Fig. 6c) și sunt rezumate în Tabelul 2. În plus, vârful C 1s corespunde și unui vârf suplimentar Si-C la 283,1 eV (SATEOS1) și 283,5 eV (SATEOS6). Energiile de legare observate pentru C–C, califatic, O=C=O și Si–C se corelează bine cu alte surse55,56.
Spectrele XPS ale O1SA, SATEOS1 și SATEOS6 sunt prezentate în Figurile 7a-c, respectiv. Vârful O1s al SA în vrac este deconvoluat și are două vârfuri, și anume C=O/C-O (531,9 eV) și C-O-H (533,0 eV), în timp ce O1 ale SATEOS1 și SATEOS6 sunt consistente. Există doar trei vârfuri: C=O/C-O, C-O-H și Si-OH55,57,58. Energia de legare a O1s în SATEOS1 și SATEOS6 se modifică ușor în comparație cu SA în vrac, ceea ce este asociat cu o modificare a fragmentului chimic datorită prezenței SiO2 și Si-OH în materialul învelișului.
Spectrele XPS Si2p ale SATEOS1 și SATEOS6 sunt prezentate în Figura 8a și respectiv b. În CA în vrac, Si2p nu a fost observat din cauza absenței SiO2. Vârful Si2p corespunde la 105,4 eV pentru SATEOS1 și 105,0 eV pentru SATEOS6, corespunzând Si-O-Si, în timp ce vârful SATEOS1 este de 103,5 eV, iar vârful SATEOS6 este de 103,3 eV, corespunzând Si-OH55. Ajustarea vârfurilor Si-O-Si și Si-OH în SATEOS1 și SATEOS6 a relevat microîncapsularea cu succes a SiO2 pe suprafața miezului SA.
Morfologia materialului microîncapsulat este foarte importantă, afectând solubilitatea, stabilitatea, reactivitatea chimică, fluiditatea și rezistența59. Prin urmare, SEM a fost utilizată pentru a caracteriza morfologia SA vrac (100×) și a SA microîncapsulat (500×), așa cum se arată în Figura 9. După cum se poate observa din Figura 9a, blocul SA are o formă eliptică. Dimensiunea particulelor depășește 500 microni. Cu toate acestea, odată ce procesul de microîncapsulare continuă, morfologia se schimbă dramatic, așa cum se arată în Figurile 9b–g.
Imagini SEM ale (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 și (g) SATEOS6 la ×500.
În proba SATEOS1, se observă particule de SA cvasi-sferice mai mici, încapsulate în SiO2, cu o suprafață rugoasă (Fig. 9b), ceea ce se poate datora hidrolizei și polimerizării prin condensare a TEOS pe suprafața SA, accelerând difuzia rapidă a moleculelor de etanol. Drept urmare, particulele de SiO2 se depun și se observă aglomerarea52,60. Această înveliș de SiO2 oferă rezistență mecanică particulelor de CA microcapsulate și, de asemenea, previne scurgerea de CA topit la temperaturi mai ridicate10. Acest rezultat indică faptul că microcapsulele de SA care conțin SiO2 pot fi utilizate ca materiale potențiale de stocare a energiei61. După cum se poate observa din Figura 9b, proba SATEOS1 are o distribuție uniformă a particulelor, cu un strat gros de SiO2 care încapsulează SA. Dimensiunea particulelor de SA microcapsulat (SATEOS1) este de aproximativ 10-20 μm (Fig. 9b), ceea ce este semnificativ mai mic în comparație cu SA vrac datorită conținutului mai mic de SA. Grosimea stratului de microcapsule se datorează hidrolizei și polimerizării prin condensare a soluției precursoare. Aglomerarea are loc la doze mai mici de SA, adică până la 15 g (Fig. 9b-d), dar imediat ce doza este crescută, nu se observă nicio aglomerare, ci se observă particule sferice clar definite (Fig. 9e-g) 62.
În plus, atunci când cantitatea de surfactant SLS este constantă, conținutul de SA (SATEOS1, SATEOS2 și SATEOS3) afectează, de asemenea, eficiența, forma și distribuția dimensiunii particulelor. Astfel, s-a constatat că SATEOS1 prezintă o dimensiune a particulelor mai mică, o distribuție uniformă și o suprafață densă (Fig. 9b), ceea ce a fost atribuit naturii hidrofile a SA, care promovează nucleația secundară sub un surfactant constant63. Se crede că prin creșterea conținutului de SA de la 5 la 15 g (SATEOS1, SATEOS2 și SATEOS3) și utilizarea unei cantități constante de surfactant, adică 0,10 g SLS (Tabelul 1), contribuția fiecărei particule din molecula de surfactant va scădea, reducând astfel dimensiunea particulelor. Distribuția SATEOS2 (Fig. 9c) și SATEOS3 (Fig. 9d) diferă de distribuția SATEOS 1 (Fig. 9b).
Comparativ cu SATEOS1 (Fig. 9b), SATEOS2 a prezentat o morfologie densă de SA microîncapsulat, iar dimensiunea particulelor a crescut (Fig. 9c). Acest lucru se datorează aglomerării 49, care reduce rata de coagulare (Fig. 2b). Pe măsură ce cantitatea de SC crește odată cu creșterea SLS, microcapsulele devin clar vizibile, așa cum se arată în Fig. cum are loc agregarea. În plus, Figurile 9e-g arată că toate particulele au o formă și o dimensiune clar sferice. S-a recunoscut faptul că în prezența unor cantități mari de SA, se poate obține o cantitate adecvată de oligomeri de silice, provocând o condensare și o încapsulare adecvate și, prin urmare, formarea unor microcapsule bine definite 49. Din rezultatele SEM, este clar că SATEOS6 a format microcapsule corespunzătoare în comparație cu o cantitate mică de SA.
Rezultatele spectroscopiei cu raze X prin dispersie de energie (EDS) a SA în vrac și a SA în microcapsule sunt prezentate în Tabelul 3. După cum se poate observa din acest tabel, conținutul de Si scade treptat de la SATEOS1 (12,34%) la SATEOS6 (2,68%). Creșterea SA. Prin urmare, putem spune că o creștere a cantității de SA duce la o scădere a depunerii de SiO2 pe suprafața SA. Nu există valori consistente pentru conținuturile de C și O în Tabelul 3 datorită analizei semicantitative a EDS51. Conținutul de Si al SA microîncapsulat a fost corelat cu rezultatele FT-IR, XRD și XPS.
Comportamentul de topire și solidificare al SA vrac, precum și al SA microîncapsulat cu înveliș de SiO2, este prezentat în Figurile 1 și 2. Acestea sunt prezentate în Figurile 10 și respectiv 11, iar datele termice sunt prezentate în Tabelul 4. Temperaturile de topire și solidificare ale SA microîncapsulat s-au dovedit a fi diferite. Pe măsură ce cantitatea de SA crește, temperaturile de topire și solidificare cresc și se apropie de valorile SA vrac. După microîncapsularea SA, peretele de silice crește temperatura de cristalizare, iar peretele său acționează ca un miez pentru a promova eterogenitatea. Prin urmare, pe măsură ce cantitatea de SA crește, temperaturile de topire (Fig. 10) și solidificare (Fig. 11) cresc, de asemenea, treptat49,51,64. Dintre toate probele de SA microîncapsulate, SATEOS6 a prezentat cele mai ridicate temperaturi de topire și solidificare, urmat de SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 și SATEOS1.
SATEOS1 prezintă cel mai scăzut punct de topire (68,97 °C) și temperatură de solidificare (60,60 °C), ceea ce se datorează dimensiunii mai mici a particulelor, mișcarea particulelor de SA în interiorul microcapsulelor fiind foarte mică, iar învelișul de SiO2 formează un strat gros și, prin urmare, materialul central limitează întinderea și mișcarea49. Această ipoteză este legată de rezultatele SEM, unde SATEOS1 a arătat o dimensiune mai mică a particulelor (Fig. 9b), ceea ce se datorează faptului că moleculele de SA sunt închise într-o zonă foarte mică a microcapsulelor. Diferența dintre temperaturile de topire și solidificare ale masei principale, precum și ale tuturor microcapsulelor de SA cu învelișuri de SiO2, este în intervalul 6,10–8,37 °C. Acest rezultat indică faptul că SA microîncapsulat poate fi utilizat ca material potențial de stocare a energiei datorită bunei conductivități termice a învelișului de SiO265.
După cum se poate observa din Tabelul 4, SATEOS6 are cea mai mare entalpie dintre toate SC-urile microîncapsulate (Fig. 9g) datorită încapsulării corecte observate prin SEM. Rata de împachetare SA poate fi calculată folosind ecuația (1). (1) Prin compararea datelor de căldură latentă ale SA49 microîncapsulat.
Valoarea R reprezintă gradul de încapsulare (%) al SC microcapsulat, ΔHMEPCM,m reprezintă căldura latentă de fuziune a SC microcapsulat, iar ΔHPCM,m reprezintă căldura latentă de fuziune a SC. În plus, eficiența de ambalare (%) este calculată ca un alt parametru tehnic important, așa cum se arată în Ecuația (1). (2)49.
Valoarea E reprezintă eficiența de încapsulare (%) a CA microcapsulată, ΔHMEPCM,s reprezintă căldura latentă de întărire a CA microcapsulată, iar ΔHPCM,s reprezintă căldura latentă de întărire a CA.
După cum se arată în Tabelul 4, gradul de împachetare și eficiența SATEOS1 sunt de 71,89% și respectiv 67,68%, iar gradul de împachetare și eficiența SATEOS6 sunt de 90,86% și respectiv 86,68% (Tabelul 4). Proba SATEOS6 prezintă cel mai mare coeficient de încapsulare și eficiență dintre toate SA microcapsulate, indicând capacitatea sa termică ridicată. Prin urmare, tranziția de la solid la lichid necesită cantități mari de energie. În plus, diferența dintre temperaturile de topire și solidificare ale tuturor microcapsulelor SA și SA vrac în timpul procesului de răcire indică faptul că învelișul de silice este limitat spațial în timpul sintezei microcapsulelor. Astfel, rezultatele arată că, pe măsură ce cantitatea de SC crește, rata de încapsulare și eficiența cresc treptat (Tabelul 4).
Curbele TGA ale SA vrac și SA microcapsulă cu o înveliș de SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 și SATEOS6) sunt prezentate în Figura 12. Proprietățile de stabilitate termică ale SA vrac (SATEOS1, SATEOS3 și SATEOS6) au fost comparate cu probele microîncapsulate. Din curba TGA este clar că pierderea în greutate atât a SA vrac, cât și a SA microîncapsulat prezintă o scădere lină și foarte ușoară de la 40°C la 190°C. La această temperatură, SC vrac nu suferă descompunere termică, în timp ce SC microîncapsulat eliberează apă adsorbită chiar și după uscare la 45°C timp de 24 de ore. Acest lucru a dus la o ușoară pierdere în greutate,49 dar dincolo de această temperatură materialul a început să se degradeze. La un conținut mai mic de SA (adică SATEOS1), conținutul de apă adsorbită este mai mare și, prin urmare, pierderea în masă până la 190°C este mai mare (inserție în Fig. 12). De îndată ce temperatura crește peste 190 °C, proba începe să piardă în masă din cauza proceselor de descompunere. SA vrac începe să se descompună la 190 °C și doar 4% rămâne la 260 °C, în timp ce SATEOS1, SATEOS3 și SATEOS6 rețin 50%, 20% și respectiv 12% la această temperatură. După 300 °C, pierderea de masă a SA vrac a fost de aproximativ 97,60%, în timp ce pierderea de masă a SATEOS1, SATEOS3 și SATEOS6 a fost de aproximativ 54,20%, 82,40% și respectiv 90,30%. Odată cu creșterea conținutului de SA, conținutul de SiO2 scade (Tabelul 3), iar la SEM se observă o subțiere a învelișului (Fig. 9). Astfel, pierderea în greutate a SA microcapsulat este mai mică în comparație cu SA vrac, ceea ce se explică prin proprietățile favorabile ale învelișului de SiO2, care promovează formarea unui strat de silicat carbonic pe suprafața SA, izolând astfel miezul SA și încetinind eliberarea produselor volatile rezultate10. Acest strat de carbon formează o barieră fizică de protecție în timpul descompunerii termice, limitând tranziția moleculelor inflamabile în faza gazoasă66,67. În plus, putem observa și rezultate semnificative ale pierderii în greutate: SATEOS1 prezintă valori mai mici în comparație cu SATEOS3, SATEOS6 și SA. Acest lucru se datorează faptului că cantitatea de SA din SATEOS1 este mai mică decât în ​​SATEOS3 și SATEOS6, unde învelișul de SiO2 formează un strat gros. În schimb, pierderea totală în greutate a SA vrac ajunge la 99,50% la 415 °C. Cu toate acestea, SATEOS1, SATEOS3 și SATEOS6 au prezentat o pierdere în greutate de 62,50%, 85,50% și respectiv 93,76% la 415 °C. Acest rezultat indică faptul că adăugarea de TEOS îmbunătățește degradarea SA prin formarea unui strat de SiO2 pe suprafața SA. Aceste straturi pot forma o barieră fizică de protecție și, prin urmare, se poate observa o îmbunătățire a stabilității termice a CA microcapsulată.
Rezultatele fiabilității termice a SA vrac și a celei mai bune probe microîncapsulate (adică SATEOS 6) după 30 de cicluri de încălzire și răcire a DSC51,52 sunt prezentate în Figura 13. Se poate observa că SA vrac (Figura 13a) nu prezintă nicio diferență în ceea ce privește temperatura de topire, solidificare și valoarea entalpiei, în timp ce SATEOS6 (Fig. 13b) nu prezintă nicio diferență în ceea ce privește temperatura și valoarea entalpiei nici după al 30-lea ciclu de încălzire și procesul de răcire. SA vrac a prezentat un punct de topire de 72,10 °C, o temperatură de solidificare de 64,69 °C, iar căldura de fuziune și solidificare după primul ciclu a fost de 201,0 J/g și, respectiv, 194,10 J/g. După al 30-lea ciclu, punctul de topire al acestor valori a scăzut la 71,24 °C, temperatura de solidificare a scăzut la 63,53 °C, iar valoarea entalpiei a scăzut cu 10%. Modificările temperaturilor de topire și solidificare, precum și scăderea valorilor entalpiei, indică faptul că acidul sulfuric (CA) în vrac nu este fiabil pentru aplicațiile fără microîncapsulare. Cu toate acestea, după ce are loc microîncapsularea corectă (SATEOS6), temperaturile de topire și solidificare, precum și valorile entalpiei nu se modifică (Fig. 13b). Odată microîncapsulat cu învelișuri de SiO2, SA poate fi utilizat ca material de schimbare de fază în aplicații termice, în special în construcții, datorită temperaturilor sale optime de topire și solidificare și entalpiei stabile.
Curbe DSC obținute pentru probele SA (a) și SATEOS6 (b) la primul și al 30-lea ciclu de încălzire și răcire.
În acest studiu, a fost efectuată o investigație sistematică a microîncapsulării utilizând SA ca material de bază și SiO2 ca material de înveliș. TEOS este utilizat ca precursor pentru a forma un strat suport de SiO2 și un strat protector pe suprafața SA. După sinteza cu succes a SA microîncapsulat, rezultatele FT-IR, XRD, XPS, SEM și EDS au arătat prezența SiO2. Analiza SEM arată că proba SATEOS6 prezintă particule sferice bine definite, înconjurate de învelișuri de SiO2 pe suprafața SA. Cu toate acestea, MEPCM cu un conținut mai mic de SA prezintă aglomerare, ceea ce reduce performanța PCM. Analiza XPS a arătat prezența Si-O-Si și Si-OH în probele de microcapsule, ceea ce a relevat adsorbția SiO2 pe suprafața SA. Conform analizei performanței termice, SATEOS6 prezintă cea mai promițătoare capacitate de stocare a căldurii, cu temperaturi de topire și solidificare de 70,37°C, respectiv 64,27°C, și căldură latentă de topire și solidificare de 182,53 J/g, respectiv 160,12 J/g. Eficiența maximă de ambalare a SATEOS6 este de 86,68%. Analiza ciclului termic TGA și DSC a confirmat că SATEOS6 are în continuare o bună stabilitate termică și fiabilitate chiar și după 30 de procese de încălzire și răcire.
Yang T., Wang XY și Li D. Analiza performanței sistemului termochimic compozit de adsorbție solid-gaz pentru stocarea energiei termice și îmbunătățirea eficienței acestuia. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. și Al-Hallaj, S. O trecere în revistă a stocării energiei cu schimbare de fază: materiale și aplicații. Convertor de energie. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS și Saini JS Performanța transferului de căldură al sistemelor de stocare a energiei termice utilizând capsule PCM: o analiză, actualizare, suport. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. și Bruno, F. O trecere în revistă a materialelor de stocare și a tehnologiilor de îmbunătățire a performanței termice pentru sistemele de stocare termică cu schimbare de fază la temperatură înaltă. actualizare. asistență. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Prepararea și caracterizarea materialelor cu schimbare de fază n-tetradecan nanocapsulate cu energie termică. Inginer chimist. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. și Li, M. Sinteza unor noi materiale compozite cu schimbare de fază stabilă în formă folosind aerogeluri de grafen modificate pentru conversia și stocarea energiei solare. Sol. Materiale energetice. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. și Fang, G. Caracterizarea morfologică și aplicarea materialelor cu schimbare de fază în stocarea energiei termice: o trecere în revistă, actualizare, suport. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).