Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена CSS поддръжка. За най-добри резултати ви препоръчваме да използвате по-нова версия на браузъра си (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилизиране или JavaScript.
Стеариновата киселина (SA) се използва като фазово-променящ се материал (PCM) в устройства за съхранение на енергия. В това проучване е използван зол-гел метод за микрокапсулиране на повърхностноактивно вещество SiO2. Различни количества SA (5, 10, 15, 20, 30 и 50 g) са капсулирани в 10 mL тетраетил ортосиликат (TEOS). Синтезираният микрокапсулиран фазово-променящ се материал (MEPCM) е характеризиран чрез инфрачервена спектроскопия с Фурие трансформация (FT-IR), рентгенова дифракция (XRD), рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) и сканираща електронна микроскопия (SEM). Резултатите от характеризирането показват, че SA е успешно капсулиран от SiO2. Термогравиметричният анализ (TGA) показва, че MEPCM има по-добра термична стабилност от CA. Използвайки диференциална сканираща калориметрия (DSC), е установено, че енталпийната стойност на MEPCM не се променя дори след 30 цикъла на нагряване-охлаждане. Сред всички микрокапсулирани проби, 50 g SA, съдържаща MEPCM, има най-висока латентна топлина на топене и втвърдяване, съответно 182,53 J/g и 160,12 J/g. Стойността на ефективността на опаковката е изчислена с помощта на термични данни и най-високата ефективност е установена за същата проба, която е 86,68%.
Приблизително 58% от енергията, използвана в строителната индустрия, се използва за отопление и охлаждане на сгради1. Следователно, най-важното е да се създадат ефективни енергийни системи, които отчитат замърсяването на околната среда2. Технологията за латентна топлина, използваща фазово-променящи се материали (PCM), може да съхранява висока енергия при ниски температурни колебания3,4,5,6 и може да се използва широко в области като топлопренос, съхранение на слънчева енергия, аерокосмическа индустрия и климатизация7,8,9. PCM абсорбира топлинна енергия от външните части на сградите през деня и освобождава енергия през нощта10. Следователно, фазово-променящите се материали се препоръчват като материали за съхранение на топлинна енергия. Освен това съществуват различни видове PCM, като твърдо-твърдо, твърдо-течно, течно-газообразно и твърдо-газообразно11. Сред тях най-популярните и често използвани фазово-променящи се материали са фазово-променящите се материали твърдо-твърдо и фазово-променящите се материали твърдо-течно. Приложението им обаче е много трудно поради огромните обемни промени на фазово-преходните материали течност-газ и твърдо-газообразно.
PCM има различни приложения поради свойствата си: тези, които се топят при температури под 15°C, могат да се използват в климатични системи за поддържане на ниски температури, а тези, които се топят при температури над 90°C, могат да се използват в отоплителни системи за предотвратяване на пожари12. В зависимост от приложението и диапазона на точката на топене, от различни органични и неорганични химикали са синтезирани различни фазово променящи се материали13,14,15. Парафинът е най-често използваният фазово променящ се материал с висока латентна топлина, некорозивност, безопасност и широк диапазон на точката на топене16,17,18,19,20,21.
Въпреки това, поради ниската топлопроводимост на фазово променящите се материали, те трябва да бъдат капсулирани в обвивка (външен слой), за да се предотврати изтичане на основния материал по време на процеса на фазова промяна22. Освен това, оперативни грешки или външно налягане могат да повредят външния слой (облицовката), а разтопеният фазово променящ се материал може да реагира със строителните материали, причинявайки корозия на вградените стоманени пръти, като по този начин намалява експлоатационната годност на сградата23. Следователно е важно да се синтезират капсулирани фазово променящи се материали с достатъчно обвивка, което може да реши горните проблеми24.
Микрокапсулирането на фазово променящи се материали може ефективно да увеличи топлопреноса и да намали реактивността на околната среда, както и да контролира промените в обема. Разработени са различни методи за капсулиране на PCM, а именно междуфазова полимеризация25,26,27,28, in situ полимеризация29,30,31,32, коацервация33,34,35 и зол-гел процеси36,37,38,39. Формалдехидна смола може да се използва за микрокапсулиране40,41,42,43. Меламин-формалдехидни и урея-формалдехидни смоли се използват като обвивни материали, които често отделят токсичен формалдехид по време на работа. Следователно, използването на тези материали в процесите на опаковане е забранено. Въпреки това, екологично чисти фазово променящи се материали за мащабируемо съхранение на топлинна енергия могат да бъдат синтезирани с помощта на хибридни нанокапсули на базата на мастни киселини и лигнин44.
Zhang et al.45 и др. синтезират лауринова киселина от тетраетил ортосиликат и заключават, че с увеличаване на обемното съотношение на метилтриетоксисилан към тетраетил ортосиликат, латентната топлина намалява и повърхностната хидрофобност се увеличава. Лауриновата киселина може да бъде потенциален и ефективен основен материал за капок влакна46. В допълнение, Latibari et al.47 синтезират PCM на базата на стеаринова киселина, използвайки TiO2 като обвивка. Zhu et al. приготвят n-октадекан и силиконови нанокапсули като потенциални PCM48. От преглед на литературата е трудно да се разбере препоръчителната доза за образуване на ефективни и стабилни микрокапсулирани фазово-променящи се материали.
Следователно, доколкото е известно на авторите, количеството фазово променящ се материал, използвано за микрокапсулиране, е важен параметър за производството на ефективни и стабилни микрокапсулирани фазово променящи се материали. Използването на различни количества фазово променящи се материали ще ни позволи да изясним различните свойства и стабилност на микрокапсулираните фазово променящи се материали. Стеариновата киселина (мастна киселина) е екологично чисто, медицински важно и икономично вещество, което може да се използва за съхранение на топлинна енергия, тъй като има висока енталпийна стойност (~200 J/g) и може да издържи на температури до 72 °C. Освен това, SiO2 е незапалим, осигурява по-висока механична якост, топлопроводимост и по-добра химическа устойчивост на основните материали и действа като пуцоланов материал в строителството. Когато циментът се смеси с вода, лошо капсулираните PCM могат да се напукат поради механично износване и високи температури (топлина на хидратация), генерирани в масивни бетонни конструкции. Следователно, използването на микрокапсулиран CA с обвивка от SiO2 може да реши този проблем. Следователно, целта на това проучване беше да се изследват характеристиките и ефективността на PCM, синтезирани чрез зол-гел процес, в строителни приложения. В тази работа систематично изследвахме различни количества SA (като основен материал) от 5, 10, 15, 20, 30 и 50 g, капсулирани в SiO2 обвивки. Фиксирано количество тетраетилортосиликат (TEOS) в обем от 10 ml беше използвано като прекурсорен разтвор за образуването на SiO2 обвивката.
Стеаринова киселина с реактивен клас (SA, C18H36O2, точка на топене: 72°C) като основен материал е закупена от Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Кьонги-до, Южна Корея. Тетраетилортосиликат (TEOS, C8H20O4Si) като прекурсорен разтвор е закупен от Acros Organics, Геел, Белгия. Освен това, абсолютен етанол (EA, C2H5OH) и натриев лаурил сулфат (SLS, C12H25NaO4S) са закупени от Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Кьонги-до, Южна Корея и са използвани съответно като разтворители и повърхностноактивни вещества. Дестилирана вода също се използва като разтворител.
Различни количества SA бяха смесени с различни пропорции натриев лаурил сулфат (SLS) в 100 mL дестилирана вода, използвайки магнитна бъркалка при 800 rpm и 75°C за 1 h (Таблица 1). SA емулсиите бяха разделени на две групи: (1) 5, 10 и 15 g SA бяха смесени с 0.10 g SLS в 100 ml дестилирана вода (SATEOS1, SATEOS2 и SATEOS3), (2) 20, 30 и 50 g SA бяха смесени с 0.15, 0.20 и 0.25 g SLS бяха смесени със 100 ml дестилирана вода (SATEOS4, SATEOS5 и SATEOS6). 0.10 g SLS беше използван с 5, 10 и 15 g SA за образуване на съответните емулсии. Впоследствие беше предложено да се увеличи броят на SLS за SATEOS4, SATEOS5 и SATEOS6. Таблица 1 показва съотношенията на CA и SLS, използвани за получаване на стабилни емулсионни разтвори.
В чаша от 100 ml се поставят 10 ml TEOS, 10 ml етанол (EA) и 20 ml дестилирана вода. За да се изследва ефективността на капсулирането на различни съотношения на обвивки от SA и SiO2, е записан коефициентът на синтез на всички проби. Сместа се разбърква с магнитна бъркалка при 400 rpm и 60°C в продължение на 1 час. След това разтворът на прекурсора се добавя на капки към приготвената емулсия от SA, разбърква се енергично при 800 rpm и 75°C в продължение на 2 часа и се филтрира, за да се получи бял прах. Белият прах се промива с дестилирана вода за отстраняване на остатъчната SA и се суши във вакуумна сушилня при 45°C в продължение на 24 часа. В резултат на това се получава микрокапсулиран SC с обвивка от SiO2. Целият процес на синтез и получаване на микрокапсулиран SA е показан на Фигура 1.
Микрокапсули от SA с обвивка от SiO2 бяха приготвени чрез зол-гел метод, а механизмът им на капсулиране е показан на Фигура 2. Първата стъпка включва приготвяне на емулсия от SA във воден разтвор със SLS като повърхностноактивно вещество. В този случай хидрофобният край на молекулата на SA се свързва със SLS, а хидрофилният край - с водни молекули, образувайки стабилна емулсия. По този начин хидрофобните части на SLS са защитени и покриват повърхността на капката SA. От друга страна, хидролизата на разтвори на TEOS протича бавно от водни молекули, което води до образуването на хидролизиран TEOS в присъствието на етанол (Фиг. 2а) 49,50,51. Хидролизираният TEOS претърпява кондензационна реакция, по време на която n-хидролизираният TEOS образува силициеви клъстери (Фиг. 2б). Силициевите клъстери бяха капсулирани от SA52 в присъствието на SLS (Фиг. 2в), което се нарича процес на микрокапсулиране.
Схематична диаграма на микрокапсулиране на CA с обвивка от SiO2 (а) хидролиза на TEOS (б) кондензация на хидролизата и (в) капсулиране на CA с обвивка от SiO2.
Химичният анализ на насипна SA и микрокапсулирана SA беше извършен с помощта на инфрачервен спектрометър с Фурие трансформация (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, САЩ), а спектрите бяха записани в диапазона от 500 до 4000 cm-1.
За анализ на обемните SA фази и микрокапсулните материали е използван рентгенов дифрактометър (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Япония). Рентгеновото структурно сканиране е проведено в диапазона 2θ = 5°–95° със скорост на сканиране 4°/мин, използвайки Cu-Kα лъчение (λ = 1.541 Å), работни условия 25 kV и 100 mA, в режим на непрекъснато сканиране. Рентгеновите изображения са конструирани в диапазона 2θ = 5–50°, тъй като не е наблюдаван пик след 50° във всички проби.
Рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS, Scienta Omicron R3000, САЩ) беше проведена с използване на AlKα (1486.6 eV) като рентгенов източник, за да се разбере химичното състояние на насипния SA, както и елементите, присъстващи в капсулиращия материал. Събраните XPS спектри бяха калибрирани към пика C 1s, използвайки екзотичен въглерод (енергия на свързване 284.6 eV). След корекция на фона, използвайки метода на Shirley, пиковете с висока резолюция на всеки елемент бяха деконволюирани и напаснати към Гаусови/Лоренциеви функции, използвайки софтуера CASA XPS.
Морфологията на насипния SC и микрокапсулирания SC беше изследвана с помощта на сканираща електронна микроскопия (SEM, MIRA3, TESCAN, Бърно, Чехия), оборудвана с енергийно-дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDS) при 15 kV. Преди SEM изобразяване, пробите бяха покрити с платина (Pt), за да се избегнат ефекти на зареждане.
Термичните свойства (точка на топене/втвърдяване и латентна топлина) и надеждността (термично циклиране) бяха определени чрез диференциална сканираща калориметрия (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Нюкасъл, САЩ) при скорост на нагряване/охлаждане 10 °C/мин при 40 °C и 90 °C с непрекъснато продухване с азот. Анализът на загубата на тегло беше извършен с помощта на TGA анализатор (TA Instrument, Discovery TGA, Ню Касъл, САЩ) в непрекъснат поток от азот, започващ при температура 40–600 °C, със скорост на нагряване 10 °C/мин.
Фигура 3 показва FTIR спектрите на насипен SC, както и на микрокапсулиран SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 и SATEOS6). Абсорбционните пикове при 2910 cm-1 и 2850 cm-1 във всички проби (SA, както и микрокапсулиран SA) се дължат на симетричните вибрации на разтягане съответно на –CH3 и –CH2 групите10,50. Пикът при 1705 cm-1 съответства на вибрационното разтягане на C=O връзката. Пиковете при 1470 cm-1 и 1295 cm-1 се дължат на вибрацията на огъване в равнината на функционалната група –OH, докато пиковете при 940 cm-1 и 719 cm-1 съответстват на вибрацията в равнината и вибрацията на деформация в равнината, съответно на –OH групата. Абсорбционни пикове на SA при 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 и 719 cm-1 също бяха наблюдавани във всички микрокапсулирани SA. Освен това, в микрокапсулата SA беше наблюдаван новооткрит пик при 1103 cm-1, съответстващ на антисиметричното трептене на разтягане на Si-O-Si лентата. Резултатите от FT-IR са в съответствие с тези на Yuan et al.50. Те успешно приготвиха микрокапсулирана SA в съотношение амоняк/етанол и установиха, че не е настъпило химическо взаимодействие между SA и SiO2. Резултатите от настоящото FT-IR проучване показват, че обвивката на SiO2 успешно капсулира SA (ядро) чрез процеса на кондензация и полимеризация на хидролизиран TEOS. При по-ниско съдържание на SA, интензитетът на пика на Si-O-Si лентата е по-висок (фиг. 3b-d). С увеличаване на количеството на SA до повече от 15 g, интензитетът на пика и разширяването на Si-O-Si лентата постепенно намаляват, което показва образуването на тънък слой SiO2 върху повърхността на SA.
FTIR спектри на (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 и (g) SATEOS6.
Рентгенограмите на насипния SA и микрокапсулирания SA са показани на Фигура 4. Рентгенограмите са разположени при 2θ = 6.50° (300), 10.94° (500), 15.46° (700), 20.26° \((\overline {5}според JCPDS № 0381923, 02)\), 21.42° във всички проби (311), 24.04° (602) и 39.98° (913) са приписани на SA. Изкривяване и хибридност с насипния CA поради несигурни фактори като повърхностноактивно вещество (SLS), други остатъчни вещества и микрокапсулиране на SiO250. След капсулирането, интензитетът на основните пикове (300), (500), (311) и (602) постепенно намалява в сравнение с насипния CA, което показва намаляване на кристалинността на пробата.
Рентгеноструктурен анализ на (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 и (g) SATEOS6.
Интензитетът на SATEOS1 намалява рязко в сравнение с други проби. Не са наблюдавани други пикове във всички микрокапсулирани проби (фиг. 4b–g), което потвърждава, че върху повърхността на SA се наблюдава физическа адсорбция на SiO252, а не химическо взаимодействие. Освен това беше заключено, че микрокапсулирането на SA не е довело до появата на нови структури. SiO2 остава непокътнат върху повърхността на SA без никаква химическа реакция и с намаляването на количеството SA съществуващите пикове стават по-очевидни (SATEOS1). Този резултат показва, че SiO2 капсулира главно повърхността на SA. Пикът при (700) напълно изчезва, а пикът при \((\overline{5}02)\) се превръща в гърбица в SATEOS 1 (фиг. 4b), което е свързано с намалена кристалност и повишен аморфизъм. SiO2 е аморфен по природа, така че наблюдаваните пикове от 2θ = 19° до 25° имат гърбица и разширение53 (фиг. 4b–g), което потвърждава съществуването на аморфен SiO252. По-ниският интензитет на дифракционния пик на микрокапсулирания SA се дължи на нуклеационния ефект на вътрешната стена на силициевия диоксид и ограничаващото поведение на кристализация49. Смята се, че при по-ниско съдържание на SA се образува по-дебела силициева обвивка поради наличието на голямо количество TEOS, което до голяма степен се адсорбира върху външната повърхност на SA. Въпреки това, с увеличаване на количеството SA, повърхностната площ на капчиците SA в емулсионния разтвор се увеличава и е необходимо повече TEOS за правилно капсулиране. Следователно, при по-високо съдържание на SA, пикът на SiO2 в FT-IR се потиска (фиг. 3), а интензитетът на дифракционния пик близо до 2θ = 19–25° в XRF (фиг. 4) намалява и разширението също намалява. Не се вижда. Въпреки това, както може да се види на Фигура 4, веднага щом количеството на SA се увеличи от 5 g (SATEOS1) до 50 g (SATEOS6), пиковете стават много близки до тези на обемния SA и пикът при (700) се появява с всички идентифицирани интензитети на пиковете. Този резултат корелира с резултатите от FT-IR, където интензитетът на пика SiO2 SATEOS6 намалява при 1103 cm-1 (Фиг. 3g).
Химичните състояния на елементите, присъстващи в SA, SATEOS1 и SATEOS6, са показани на Фигури 1 и 2. Фигури 5, 6, 7 и 8 и Таблица 2. Измервателните сканирания за насипни SA, SATEOS1 и SATEOS6 са показани на Фигура 5, а сканиранията с висока резолюция за C 1s, O 1s и Si 2p са показани съответно на Фигури 5, 6, 7 и 8 и Таблица 2. 6, 7 и 8. Стойностите на енергията на свързване, получени чрез XPS, са обобщени в Таблица 2. Както може да се види от Фигура 5, в SATEOS1 и SATEOS6 са наблюдавани очевидни пикове на Si 2s и Si 2p, където е настъпило микрокапсулиране на обвивката на SiO2. Предишни изследователи са съобщавали за подобен пик на Si 2s при 155.1 eV54. Наличието на Si пикове в SATEOS1 (фиг. 5b) и SATEOS6 (фиг. 5c) потвърждава данните от FT-IR (фиг. 3) и XRD (фиг. 4).
Както е показано на Фигура 6a, C 1s на обемния SA има три различни пика: CC, калифатичен и O=C=O при енергията на свързване, които са съответно 284.5 eV, 285.2 eV и 289.5 eV. C–C, калифатични и O=C=O пикове са наблюдавани също в SATEOS1 (Фиг. 6b) и SATEOS6 (Фиг. 6c) и са обобщени в Таблица 2. В допълнение към това, пикът C 1s съответства и на допълнителен Si-C пик при 283.1 eV (SATEOS1) и 283.5 eV (SATEOS6). Нашите наблюдавани енергии на свързване за C–C, калифатичен, O=C=O и Si–C корелират добре с други източници55,56.
XPS спектрите на O1SA, SATEOS1 и SATEOS6 са показани съответно на Фигури 7a–c. Пикът O1s на обемния SA е деконволюиран и има два пика, а именно C=O/C–O (531.9 eV) и C–O–H (533.0 eV), докато O1 на SATEOS1 и SATEOS6 са последователни. Има само три пика: C=O/C–O, C–O–H и Si–OH55,57,58. Енергията на свързване на O1s в SATEOS1 и SATEOS6 се променя леко в сравнение с обемния SA, което е свързано с промяна в химичния фрагмент поради наличието на SiO2 и Si-OH в материала на обвивката.
Si 2p XPS спектрите на SATEOS1 и SATEOS6 са показани съответно на Фигура 8a и b. В насипен CA, Si 2p не се наблюдава поради липсата на SiO2. Пикът Si 2p съответства на 105.4 eV за SATEOS1 и 105.0 eV за SATEOS6, съответстващи на Si-O-Si, докато пикът SATEOS1 е 103.5 eV, а пикът SATEOS6 е 103.3 eV, съответстващи на Si-OH55. Напасването на пиковете Si-O-Si и Si-OH в SATEOS1 и SATEOS6 разкри успешно микрокапсулиране на SiO2 върху повърхността на ядрото на SA.
Морфологията на микрокапсулирания материал е много важна, влияейки върху разтворимостта, стабилността, химическата реактивност, течливостта и якостта59. Следователно, SEM беше използван за характеризиране на морфологията на насипния SA (100×) и микрокапсулирания SA (500×), както е показано на Фигура 9. Както може да се види от Фигура 9а, блокът SA има елипсовидна форма. Размерът на частиците надвишава 500 микрона. След като обаче процесът на микрокапсулиране продължи, морфологията се променя драстично, както е показано на Фигури 9b–g.
SEM изображения на (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 и (g) SATEOS6 при ×500.
В пробата SATEOS1 се наблюдават по-малки квазисферични, обвити в SiO2 SA частици с грапава повърхност (фиг. 9b), което може да се дължи на хидролизата и кондензационната полимеризация на TEOS върху повърхността на SA, ускорявайки бързата дифузия на молекулите етанол. В резултат на това се отлагат SiO2 частици и се наблюдава агломерация52,60. Тази SiO2 обвивка осигурява механична здравина на микрокапсулираните CA частици и също така предотвратява изтичане на разтопен CA при по-високи температури10. Този резултат показва, че SA микрокапсулите, съдържащи SiO2, могат да се използват като потенциални материали за съхранение на енергия61. Както може да се види от Фигура 9b, пробата SATEOS1 има равномерно разпределение на частиците с дебел SiO2 слой, капсулиращ SA. Размерът на частиците на микрокапсулирания SA (SATEOS1) е приблизително 10–20 μm (фиг. 9b), което е значително по-малко в сравнение с насипния SA поради по-ниското съдържание на SA. Дебелината на микрокапсулния слой се дължи на хидролизата и кондензационната полимеризация на разтвора на прекурсора. Агломерация се наблюдава при по-ниски дози SA, т.е. до 15 g (фиг. 9b-d), но веднага щом дозата се увеличи, не се наблюдава агломерация, а се наблюдават ясно дефинирани сферични частици (фиг. 9e-g) 62.
Освен това, когато количеството повърхностноактивно вещество SLS е постоянно, съдържанието на SA (SATEOS1, SATEOS2 и SATEOS3) също влияе върху ефективността, формата и разпределението на размера на частиците. По този начин, беше установено, че SATEOS1 показва по-малък размер на частиците, равномерно разпределение и плътна повърхност (фиг. 9b), което се дължи на хидрофилната природа на SA, насърчаваща вторичното зародишообразуване при постоянно повърхностноактивно вещество63. Смята се, че чрез увеличаване на съдържанието на SA от 5 до 15 g (SATEOS1, SATEOS2 и SATEOS3) и използване на постоянно количество повърхностноактивно вещество, т.е. 0,10 g SLS (Таблица 1), приносът на всяка частица от молекулата на повърхностноактивното вещество ще намалее, като по този начин ще се намали размерът на частиците и техният размер. Разпределението на SATEOS2 (фиг. 9c) и SATEOS3 (фиг. 9d) се различава от разпределението на SATEOS 1 (фиг. 9b).
В сравнение със SATEOS1 (фиг. 9b), SATEOS2 показва плътна морфология на микрокапсулирана SA и размерът на частиците се увеличава (фиг. 9c). Това се дължи на агломерация 49, която намалява скоростта на коагулация (фиг. 2b). С увеличаването на количеството SC с увеличаване на SLS, микрокапсулите стават ясно видими, както е показано на фиг. как протича агрегацията. Освен това, фигури 9e-g показват, че всички частици са ясно сферични по форма и размер. Установено е, че в присъствието на големи количества SA може да се получи подходящо количество силициеви олигомери, което води до подходяща кондензация и капсулиране и следователно до образуване на добре дефинирани микрокапсули 49. От резултатите от SEM е ясно, че SATEOS6 образува съответните микрокапсули в сравнение с малко количество SA.
Резултатите от енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDS) на насипен SA и микрокапсулен SA са представени в Таблица 3. Както може да се види от тази таблица, съдържанието на Si постепенно намалява от SATEOS1 (12,34%) до SATEOS6 (2,68%). Увеличение на SA. Следователно, можем да кажем, че увеличаването на количеството SA води до намаляване на отлагането на SiO2 върху повърхността на SA. Няма последователни стойности за съдържанието на C и O в Таблица 3 поради полуколичествения анализ на EDS51. Съдържанието на Si в микрокапсулирания SA е корелирано с резултатите от FT-IR, XRD и XPS.
Поведението на топене и втвърдяване на насипния SA, както и на микрокапсулирания SA с обвивка от SiO2, е показано на Фигури 1 и 2. Те са показани съответно на Фигури 10 и 11, а термичните данни са показани в Таблица 4. Установено е, че температурите на топене и втвърдяване на микрокапсулирания SA са различни. С увеличаване на количеството SA, температурите на топене и втвърдяване се увеличават и се доближават до стойностите на насипния SA. След микрокапсулирането на SA, силициевата стена повишава температурата на кристализация и нейната стена действа като ядро, за да насърчи хетерогенността. Следователно, с увеличаване на количеството SA, температурите на топене (Фиг. 10) и втвърдяване (Фиг. 11) също постепенно се увеличават49,51,64. Сред всички проби от микрокапсулирани SA, SATEOS6 показва най-високи температури на топене и втвърдяване, следван от SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 и SATEOS1.
SATEOS1 показва най-ниската точка на топене (68,97 °C) и температура на втвърдяване (60,60 °C), което се дължи на по-малкия размер на частиците, при който движението на SA частиците вътре в микрокапсулите е много малко и SiO2 обвивката образува дебел слой и следователно основният материал ограничава разтягането и движението49. Тази хипотеза е свързана с резултатите от SEM, където SATEOS1 показа по-малък размер на частиците (фиг. 9b), което се дължи на факта, че SA молекулите са ограничени в много малка площ на микрокапсулите. Разликата в температурите на топене и втвърдяване на основната маса, както и на всички SA микрокапсули с SiO2 обвивки, е в диапазона от 6,10–8,37 °C. Този резултат показва, че микрокапсулираният SA може да се използва като потенциален материал за съхранение на енергия поради добрата топлопроводимост на SiO2 обвивката65.
Както може да се види от Таблица 4, SATEOS6 има най-високата енталпия сред всички микрокапсулирани SC (Фиг. 9g) поради правилното капсулиране, наблюдавано чрез SEM. Скоростта на опаковане на SA може да се изчисли с помощта на уравнение (1). (1) Чрез сравняване на данните за латентната топлина на микрокапсулирания SA49.
Стойността на R представлява степента на капсулиране (%) на микрокапсулиран SC, ΔHMEPCM,m представлява латентната топлина на топене на микрокапсулиран SC, а ΔHPCM,m представлява латентната топлина на топене на SC. Освен това, ефективността на опаковане (%) се изчислява като друг важен технически параметър, както е показано в уравнение (1). (2)49.
Стойността E представлява ефективността на капсулиране (%) на микрокапсулиран CA, ΔHMEPCM,s представлява латентната топлина на втвърдяване на микрокапсулиран CA, а ΔHPCM,s представлява латентната топлина на втвърдяване на CA.
Както е показано в Таблица 4, степента на опаковане и ефективността на SATEOS1 са съответно 71,89% и 67,68%, а степента на опаковане и ефективността на SATEOS6 са съответно 90,86% и 86,68% (Таблица 4). Пробата SATEOS6 показва най-високия коефициент на капсулиране и ефективност сред всички микрокапсулирани SA, което показва високия ѝ топлинен капацитет. Следователно, преходът от твърдо към течно състояние изисква големи количества енергия. Освен това, разликата в температурите на топене и втвърдяване на всички SA микрокапсули и насипния SA по време на процеса на охлаждане показва, че силициевата обвивка е пространствено ограничена по време на синтеза на микрокапсули. По този начин резултатите показват, че с увеличаване на количеството SC, скоростта на капсулиране и ефективността постепенно се увеличават (Таблица 4).
TGA кривите на насипен SA и микрокапсулен SA с обвивка от SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6) са показани на Фигура 12. Термичните свойства на стабилност на насипния SA (SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6) са сравнени с микрокапсулирани проби. От TGA кривата е ясно, че загубата на тегло на насипния SA, както и на микрокапсулирания SA, показва плавно и много леко намаление от 40°C до 190°C. При тази температура насипният SC не претърпява термично разлагане, докато микрокапсулираният SC освобождава адсорбирана вода дори след сушене при 45°C в продължение на 24 часа. Това води до лека загуба на тегло,49 но след тази температура материалът започва да се разгражда. При по-ниско съдържание на SA (т.е. SATEOS1), съдържанието на адсорбирана вода е по-високо и следователно загубата на маса до 190°C е по-висока (вмъкната снимка на Фиг. 12). Веднага щом температурата се повиши над 190°C, пробата започва да губи маса поради процеси на разлагане. Насипният SA започва да се разлага при 190°C и само 4% остава при 260°C, докато SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6 запазват съответно 50%, 20% и 12% при тази температура. След 300°C загубата на маса на насипния SA е приблизително 97,60%, докато загубата на маса на SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6 е съответно приблизително 54,20%, 82,40% и 90,30%. С увеличаване на съдържанието на SA, съдържанието на SiO2 намалява (Таблица 3) и в SEM се наблюдава изтъняване на обвивката (Фиг. 9). По този начин, загубата на тегло на микрокапсулирания SA е по-ниска в сравнение с насипния SA, което се обяснява с благоприятните свойства на SiO2 обвивката, която насърчава образуването на въглероден силикат-въглероден слой върху повърхността на SA, като по този начин изолира ядрото на SA и забавя отделянето на получените летливи продукти10. Този въгленен слой образува физическа защитна бариера по време на термично разлагане, ограничавайки прехода на запалими молекули в газова фаза66,67. В допълнение към това, можем да видим и значителни резултати за загуба на тегло: SATEOS1 показва по-ниски стойности в сравнение със SATEOS3, SATEOS6 и SA. Това е така, защото количеството SA в SATEOS1 е по-малко, отколкото в SATEOS3 и SATEOS6, където SiO2 обвивката образува дебел слой. За разлика от това, общата загуба на тегло на насипния SA достига 99,50% при 415 °C. Въпреки това, SATEOS1, SATEOS3 и SATEOS6 показаха съответно 62,50%, 85,50% и 93,76% загуба на тегло при 415 °C. Този резултат показва, че добавянето на TEOS подобрява разграждането на SA чрез образуване на SiO2 слой върху повърхността на SA. Тези слоеве могат да образуват физическа защитна бариера и следователно може да се наблюдава подобрение в термичната стабилност на микрокапсулирания CA.
Резултатите от термичната надеждност на насипния SA и най-добрата микрокапсулирана проба (т.е. SATEOS 6) след 30 цикъла на нагряване и охлаждане от DSC51,52 са показани на Фигура 13. Вижда се, че насипният SA (Фигура 13a) не показва никаква разлика в температурата на топене, втвърдяване и стойността на енталпията, докато SATEOS6 (Фиг. 13b) не показва никаква разлика в температурата и стойността на енталпията дори след 30-ия цикъл на нагряване и процеса на охлаждане. Насипният SA показа точка на топене от 72,10 °C, температура на втвърдяване от 64,69 °C, а топлината на сливане и втвърдяване след първия цикъл бяха съответно 201,0 J/g и 194,10 J/g. След 30-ия цикъл точката на топене на тези стойности намаля до 71,24 °C, температурата на втвърдяване намаля до 63,53 °C, а стойността на енталпията намаля с 10%. Промените в температурите на топене и втвърдяване, както и намаляването на стойностите на енталпията, показват, че насипният CA е ненадежден за приложения, които не са свързани с микрокапсулиране. След правилно микрокапсулиране (SATEOS6) обаче, температурите на топене и втвърдяване, както и стойностите на енталпията, не се променят (фиг. 13b). След микрокапсулиране с обвивки от SiO2, SA може да се използва като материал с фазова промяна в термични приложения, особено в строителството, поради оптималните си температури на топене и втвърдяване и стабилна енталпия.
DSC криви, получени за проби SA (a) и SATEOS6 (b) при 1-ви и 30-ти цикъл на нагряване и охлаждане.
В това проучване е проведено систематично изследване на микрокапсулирането, използвайки SA като основен материал и SiO2 като обвивка. TEOS се използва като прекурсор за образуване на SiO2 поддържащ слой и защитен слой върху повърхността на SA. След успешен синтез на микрокапсулиран SA, резултатите от FT-IR, XRD, XPS, SEM и EDS показаха наличието на SiO2. SEM анализът показва, че пробата SATEOS6 показва добре дефинирани сферични частици, заобиколени от SiO2 обвивки върху повърхността на SA. Въпреки това, MEPCM с по-ниско съдържание на SA показва агломерация, което намалява производителността на PCM. XPS анализът показа наличието на Si-O-Si и Si-OH в пробите с микрокапсули, което разкри адсорбцията на SiO2 върху повърхността на SA. Според анализа на термичните характеристики, SATEOS6 показва най-обещаваща способност за съхранение на топлина, с температури на топене и втвърдяване съответно 70,37°C и 64,27°C, и латентна топлина на топене и втвърдяване съответно 182,53 J/g и 160,12 J/g.G. Максималната ефективност на опаковане на SATEOS6 е 86,68%. TGA и DSC термичният цикличен анализ потвърдиха, че SATEOS6 все още има добра термична стабилност и надеждност дори след 30 процеса на нагряване и охлаждане.
Yang T., Wang XY и Li D. Анализ на производителността на термохимична адсорбционна система от твърдо вещество и газ за съхранение на топлинна енергия и подобряване на нейната ефективност. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Фарид, ММ, Худхайр, АМ, Разак, С. и Ал-Халадж, С. Преглед на съхранението на енергия чрез фазова промяна: материали и приложения. Енергиен преобразувател. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS и Saini JS Характеристики на топлопреминаване на системи за съхранение на топлинна енергия, използващи PCM капсули: преглед. актуализация. поддръжка. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. и Bruno, F. Преглед на материалите за съхранение и технологиите за подобряване на топлинните характеристики за системи за съхранение на топлинна енергия с висока температура и фазово-променяща се среда. актуализация. поддръжка. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Получаване и характеризиране на нанокапсулирани термично енергийни фазово-променящи се материали на базата на n-тетрадекан. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. и Li, M. Синтез на нови композитни материали с фазова промяна, стабилни по форма, с помощта на модифицирани графенови аерогели за преобразуване и съхранение на слънчева енергия. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. и Fang, G. Морфологична характеристика и приложение на фазово променящи се материали в съхранението на топлинна енергия: преглед. актуализация. подкрепа. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).