Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje rezultate preporučujemo da koristite noviju verziju preglednika (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazujemo stranicu bez stiliziranja ili JavaScripta.
Stearinska kiselina (SA) se koristi kao fazno promjenjivi materijal (PCM) u uređajima za pohranu energije. U ovom istraživanju, sol-gel metoda je korištena za mikrokapsulaciju SiO2 ljuskastog surfaktanta. Različite količine SA (5, 10, 15, 20, 30 i 50 g) su enkapsulirane u 10 mL tetraetil ortosilikata (TEOS). Sintetizirani mikrokapsulirani fazno promjenjivi materijal (MEPCM) je karakteriziran Fourierovom transformacijskom infracrvenom spektroskopijom (FT-IR), rendgenskom difrakcijom (XRD), rendgenskom fotoelektronskom spektroskopijom (XPS) i skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). Rezultati karakterizacije pokazali su da je SA uspješno enkapsuliran s SiO2. Termogravimetrijska analiza (TGA) pokazala je da MEPCM ima bolju toplinsku stabilnost od CA. Korištenjem diferencijalne skenirajuće kalorimetrije (DSC) utvrđeno je da se vrijednost entalpije MEPCM-a nije promijenila čak ni nakon 30 ciklusa zagrijavanja i hlađenja. Među svim mikrokapsuliranim uzorcima, 50 g SA koji sadrži MEPCM imalo je najveću latentnu toplinu taljenja i skrućivanja, koja je iznosila 182,53 J/g odnosno 160,12 J/g. Vrijednost učinkovitosti pakiranja izračunata je korištenjem toplinskih podataka, a najveća učinkovitost pronađena je za isti uzorak koja je iznosila 86,68%.
Otprilike 58% energije koja se koristi u građevinskoj industriji koristi se za grijanje i hlađenje zgrada1. Stoga je najvažnije stvoriti učinkovite energetske sustave koji uzimaju u obzir onečišćenje okoliša2. Tehnologija latentne topline korištenjem materijala za promjenu faze (PCM) može pohraniti visoku energiju pri niskim temperaturnim fluktuacijama3,4,5,6 i može se široko koristiti u područjima kao što su prijenos topline, skladištenje solarne energije, zrakoplovstvo i klimatizacija7,8,9. PCM apsorbira toplinsku energiju s vanjskih dijelova zgrada tijekom dana i oslobađa energiju noću10. Stoga se materijali za promjenu faze preporučuju kao materijali za pohranu toplinske energije. Osim toga, postoje različite vrste PCM-ova kao što su kruto-kruto, kruto-tekuće, tekućina-plin i kruto-plin11. Među njima, najpopularniji i najčešće korišteni materijali za promjenu faze su materijali za promjenu faze kruto-kruto i materijali za promjenu faze kruto-tekuće. Međutim, njihova primjena je vrlo teška zbog ogromnih volumetrijskih promjena materijala za prijelaz tekućina-plin i kruto-plin.
PCM ima različite primjene zbog svojih svojstava: oni koji se tope na temperaturama ispod 15°C mogu se koristiti u sustavima klimatizacije za održavanje niskih temperatura, a oni koji se tope na temperaturama iznad 90°C mogu se koristiti u sustavima grijanja za sprječavanje požara12. Ovisno o primjeni i rasponu tališta, sintetizirani su različiti materijali za promjenu faze iz različitih organskih i anorganskih kemikalija13,14,15. Parafin je najčešće korišteni materijal za promjenu faze s visokom latentnom toplinom, nekorozivnošću, sigurnošću i širokim rasponom tališta16,17,18,19,20,21.
Međutim, zbog niske toplinske vodljivosti materijala za promjenu faze, potrebno ih je enkapsulirati u ljusku (vanjski sloj) kako bi se spriječilo curenje osnovnog materijala tijekom procesa promjene faze22. Osim toga, operativne pogreške ili vanjski tlak mogu oštetiti vanjski sloj (oblogu), a rastaljeni materijal za promjenu faze može reagirati s građevinskim materijalima, uzrokujući koroziju ugrađenih čeličnih šipki, čime se smanjuje upotrebljivost zgrade23. Stoga je važno sintetizirati enkapsulirane materijale za promjenu faze s dovoljno materijala ljuske, što može riješiti gore navedene probleme24.
Mikrokapsulacija materijala za promjenu faze može učinkovito povećati prijenos topline i smanjiti reaktivnost okoliša te kontrolirati promjene volumena. Razvijene su različite metode za enkapsulaciju PCM-a, naime međufazna polimerizacija25,26,27,28, in situ polimerizacija29,30,31,32, koacervacija33,34,35 i sol-gel procesi36,37,38,39. Formaldehidna smola može se koristiti za mikrokapsulaciju40,41,42,43. Melamin-formaldehidne i urea-formaldehidne smole koriste se kao materijali za ljuske, koji često emitiraju toksični formaldehid tijekom rada. Stoga je zabranjeno koristiti ove materijale u procesima pakiranja. Međutim, ekološki prihvatljivi materijali za promjenu faze za skalabilno skladištenje toplinske energije mogu se sintetizirati korištenjem hibridnih nanokapsula na bazi masnih kiselina i lignina44.
Zhang i sur. 45 i sur. sintetizirali su laurinsku kiselinu iz tetraetil ortosilikata i zaključili da se s povećanjem volumskog omjera metiltrietoksisilana i tetraetil ortosilikata latentna toplina smanjuje, a površinska hidrofobnost povećava. Laurinska kiselina može biti potencijalni i učinkovit materijal jezgre za kapok vlakna46. Osim toga, Latibari i sur. 47 sintetizirali su PCM-ove na bazi stearinske kiseline koristeći TiO2 kao materijal ljuske. Zhu i sur. pripremili su n-oktadekan i silikonske nanokapsule kao potencijalne PCM-ove48. Iz pregleda literature teško je razumjeti preporučenu dozu za stvaranje učinkovitih i stabilnih mikrokapsuliranih materijala s promjenom faze.
Stoga je, prema saznanjima autora, količina materijala za faznu promjenu koja se koristi za mikrokapsulaciju važan parametar za proizvodnju učinkovitih i stabilnih mikrokapsuliranih materijala za faznu promjenu. Korištenje različitih količina materijala za faznu promjenu omogućit će nam da razjasnimo različita svojstva i stabilnost mikrokapsuliranih materijala za faznu promjenu. Stearinska kiselina (masna kiselina) je ekološki prihvatljiva, medicinski važna i ekonomična tvar koja se može koristiti za pohranu toplinske energije jer ima visoku entalpijsku vrijednost (~200 J/g) i može izdržati temperature do 72 °C. Osim toga, SiO2 je nezapaljiv, pruža veću mehaničku čvrstoću, toplinsku vodljivost i bolju kemijsku otpornost na jezgrene materijale te djeluje kao pucolanski materijal u građevinarstvu. Kada se cement pomiješa s vodom, slabo inkapsulirani PCM-ovi mogu pucati zbog mehaničkog trošenja i visokih temperatura (toplina hidratacije) nastalih u masivnim betonskim konstrukcijama. Stoga, upotreba mikrokapsuliranog CA s ljuskom od SiO2 može riješiti ovaj problem. Stoga je cilj ovog istraživanja bio istražiti performanse i učinkovitost PCM-ova sintetiziranih sol-gel postupkom u građevinskim primjenama. U ovom radu sustavno smo proučavali različite količine SA (kao osnovnog materijala) od 5, 10, 15, 20, 30 i 50 g kapsuliranih u SiO2 ljuske. Fiksna količina tetraetilortosilikata (TEOS) u volumenu od 10 ml korištena je kao prekursorska otopina za formiranje SiO2 ljuske.
Stearinska kiselina reaktivne čistoće (SA, C18H36O2, talište: 72°C) kao jezgra kupljena je od tvrtke Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Južna Koreja. Tetraetilortosilikat (TEOS, C8H20O4Si) kao prekursorska otopina kupljen je od tvrtke Acros Organics, Geel, Belgija. Osim toga, apsolutni etanol (EA, C2H5OH) i natrijev lauril sulfat (SLS, C12H25NaO4S) kupljeni su od tvrtke Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Južna Koreja, a korišteni su kao otapala odnosno surfaktanti. Destilirana voda također se koristi kao otapalo.
Različite količine SA pomiješane su s različitim omjerima natrijevog lauril sulfata (SLS) u 100 mL destilirane vode pomoću magnetske miješalice pri 800 okretaja u minuti i 75 °C tijekom 1 sata (Tablica 1). Emulzije SA podijeljene su u dvije skupine: (1) 5, 10 i 15 g SA pomiješano je s 0,10 g SLS-a u 100 ml destilirane vode (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3), (2) 20, 30 i 50 g SA pomiješano je s 0,15, 0,20 i 0,25 g SLS-a pomiješano je sa 100 ml destilirane vode (SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6). 0,10 g SLS-a korišteno je s 5, 10 i 15 g SA za stvaranje odgovarajućih emulzija. Naknadno je predloženo povećanje broja SLS-a za SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6. Tablica 1 prikazuje omjere CA i SLS korištene za dobivanje stabilnih emulzijskih otopina.
U čašu od 100 ml stavite 10 ml TEOS-a, 10 ml etanola (EA) i 20 ml destilirane vode. Kako bi se proučila učinkovitost enkapsulacije različitih omjera ljuski SA i SiO2, zabilježen je koeficijent sinteze svih uzoraka. Smjesa je miješana magnetskom miješalicom pri 400 okretaja u minuti i 60 °C tijekom 1 sata. Otopina prekursora je zatim kap po kap dodana u pripremljenu emulziju SA, snažno miješana pri 800 okretaja u minuti i 75 °C tijekom 2 sata, te filtrirana da bi se dobio bijeli prah. Bijeli prah je ispran destiliranom vodom kako bi se uklonili preostali SA i sušen u vakuumskoj pećnici na 45 °C tijekom 24 sata. Kao rezultat toga, dobiven je mikrokapsulirani SC s ljuskom od SiO2. Cijeli proces sinteze i pripreme mikrokapsuliranog SA prikazan je na slici 1.
Mikrokapsule SA s SiO2 ljuskom pripremljene su sol-gel metodom, a njihov mehanizam enkapsulacije prikazan je na slici 2. Prvi korak uključuje pripremu emulzije SA u vodenoj otopini sa SLS-om kao surfaktantom. U ovom slučaju, hidrofobni kraj molekule SA veže se za SLS, a hidrofilni kraj za molekule vode, tvoreći stabilnu emulziju. Dakle, hidrofobni dijelovi SLS-a su zaštićeni i prekrivaju površinu kapljice SA. S druge strane, hidroliza otopina TEOS-a odvija se polako molekulama vode, što dovodi do stvaranja hidroliziranog TEOS-a u prisutnosti etanola (slika 2a) 49,50,51. Hidrolizirani TEOS prolazi kroz reakciju kondenzacije, tijekom koje n-hidrolizirani TEOS tvori klastere silicija (slika 2b). Klasteri silicija su enkapsulirani pomoću SA52 u prisutnosti SLS-a (slika 2c), što se naziva procesom mikrokapsulacije.
Shematski dijagram mikrokapsulacije CA s ljuskom od SiO2 (a) hidroliza TEOS-a (b) kondenzacija hidrolizata i (c) enkapsulacija CA s ljuskom od SiO2.
Kemijska analiza rasutog SA i mikrokapsuliranog SA provedena je pomoću Fourierovog transformacijskog infracrvenog spektrometra (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, SAD), a spektri su snimljeni u rasponu od 500 do 4000 cm-1.
Za analizu glavnih SA faza i materijala mikrokapsula korišten je rendgenski difraktometar (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan). Skeniranje rendgenske strukture provedeno je u rasponu 2θ = 5°–95° s brzinom skeniranja od 4°/min, korištenjem Cu-Kα zračenja (λ = 1,541 Å), radnim uvjetima od 25 kV i 100 mA, u načinu kontinuiranog skeniranja. Rendgenske slike konstruirane su u rasponu 2θ = 5–50°, budući da nije uočen vrh nakon 50° u svim uzorcima.
Rendgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS, Scienta Omicron R3000, SAD) provedena je korištenjem AlKα (1486,6 eV) kao izvora X-zraka kako bi se razumjelo kemijsko stanje glavnog sloja SA, kao i elementi prisutni u materijalu za enkapsulaciju. Prikupljeni XPS spektri kalibrirani su na vrh C1s korištenjem egzotičnog ugljika (energija vezanja 284,6 eV). Nakon korekcije pozadine Shirleyjevom metodom, vrhovi visoke rezolucije svakog elementa dekonvoluirani su i prilagođeni Gaussovim/Lorentzovim funkcijama korištenjem CASA XPS softvera.
Morfologija rasutog SC-a i mikrokapsuliranog SC-a ispitana je pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Češka) opremljene energetski disperzivnom rendgenskom spektroskopijom (EDS) na 15 kV. Prije SEM snimanja, uzorci su premazani platinom (Pt) kako bi se izbjegli učinci naboja.
Toplinska svojstva (talište/skrućivanje i latentna toplina) i pouzdanost (termički ciklusi) određeni su diferencijalnom skenirajućom kalorimetrijom (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, SAD) pri brzini zagrijavanja/hlađenja od 10 °C/min na 40 °C i 90 °C s kontinuiranim pročišćavanjem dušikom. Analiza gubitka težine provedena je pomoću TGA analizatora (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, SAD) u kontinuiranom protoku dušika počevši od temperature od 40–600 °C, s brzinom zagrijavanja od 10 °C/min.
Slika 3 prikazuje FTIR spektre rasutog SC-a, kao i mikrokapsuliranog SC-a (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6). Apsorpcijski vrhovi na 2910 cm-1 i 2850 cm-1 u svim uzorcima (SA kao i mikrokapsulirani SA) pripisuju se simetričnim vibracijama istezanja –CH3 i –CH2 skupina, respektivno10,50. Vrh na 1705 cm-1 odgovara vibracijskom istezanju C=O veze. Vrhovi na 1470 cm-1 i 1295 cm-1 pripisuju se vibraciji savijanja u ravnini funkcionalne skupine –OH, dok vrhovi na 940 cm-1 i 719 cm-1 odgovaraju vibraciji u ravnini i vibraciji deformacije u ravnini –OH skupine. Apsorpcijski vrhovi SA na 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 i 719 cm-1 također su uočeni u svim mikrokapsuliranim SA. Osim toga, novootkriveni vrh na 1103 cm-1 koji odgovara antisimetričnoj vibraciji istezanja Si-O-Si vrpce uočen je u mikrokapsuli SA. Rezultati FT-IR-a su u skladu s Yuanom i suradnicima50. Uspješno su pripremili mikrokapsulirani SA u omjeru amonijak/etanol i otkrili da nije došlo do kemijske interakcije između SA i SiO2. Rezultati trenutne FT-IR studije pokazuju da je SiO2 ljuska uspješno enkapsulirala SA (jezgru) kroz proces kondenzacije i polimerizacije hidroliziranog TEOS-a. Pri nižem udjelu SA, intenzitet vrha Si-O-Si vrpce je veći (slika 3b-d). Kako se količina SA povećava na više od 15 g, intenzitet vrha i širenje Si-O-Si pojasa postupno se smanjuju, što ukazuje na stvaranje tankog sloja SiO2 na površini SA.
FTIR spektri (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6.
XRD uzorci skupnog SA i mikrokapsuliranog SA prikazani su na slici 4. XRD vrhovi nalaze se na 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}prema JCPDS br. 0381923, 02)\), 21,42° u svim uzorcima (311), 24,04° (602) i 39,98° (913) pripisuju se SA. Izobličenje i hibridnost s skupnim CA zbog neizvjesnih čimbenika kao što su surfaktant (SLS), druge zaostale tvari i mikrokapsulacija SiO250. Nakon što dođe do enkapsulacije, intenzitet glavnih vrhova (300), (500), (311) i (602) postupno se smanjuje u usporedbi s skupnim CA, što ukazuje na smanjenje kristalnosti uzorka.
XRD uzorci (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6.
Intenzitet SATEOS1 naglo se smanjuje u usporedbi s drugim uzorcima. Nisu uočeni drugi vrhovi u svim mikrokapsuliranim uzorcima (slika 4b–g), što potvrđuje da se na površini SA događa fizička adsorpcija SiO252, a ne kemijska interakcija. Osim toga, zaključeno je i da mikrokapsulacija SA nije dovela do pojave novih struktura. SiO2 ostaje netaknut na površini SA bez ikakve kemijske reakcije, a kako se količina SA smanjuje, postojeći vrhovi postaju očitiji (SATEOS1). Ovaj rezultat ukazuje na to da SiO2 uglavnom enkapsulira površinu SA. Vrh na (700) potpuno nestaje, a vrh na \((\overline{5}02)\) postaje grba u SATEOS 1 (slika 4b), što je povezano sa smanjenom kristalnošću i povećanim amorfizmom. SiO2 je amorfne prirode, tako da vrhovi uočeni od 2θ = 19° do 25° imaju grbu i proširenje53 (slika 4b–g), što potvrđuje postojanje amorfnog SiO252. Niži intenzitet difrakcijskog vrha mikroinkapsuliranog SA posljedica je nukleacijskog učinka unutarnje stijenke silicija i ograničavajućeg ponašanja kristalizacije49. Vjeruje se da se s nižim sadržajem SA formira deblja silikatna ljuska zbog prisutnosti velike količine TEOS-a, koji se uglavnom adsorbira na vanjskoj površini SA. Međutim, kako se količina SA povećava, površina kapljica SA u emulzijskoj otopini se povećava i potrebno je više TEOS-a za pravilnu enkapsulaciju. Stoga se s većim sadržajem SA vrh SiO2 u FT-IR potiskuje (slika 3), a intenzitet difrakcijskog vrha blizu 2θ = 19–25° u XRF (slika 4) smanjuje, a širenje se također smanjuje. Nije vidljivo. Međutim, kao što se može vidjeti na slici 4, čim se količina SA poveća s 5 g (SATEOS1) na 50 g (SATEOS6), vrhovi postaju vrlo blizu vrijednostima SA u rasutom stanju, a vrh na (700) pojavljuje se sa svim identificiranim intenzitetima vrhova. Ovaj rezultat korelira s rezultatima FT-IR-a, gdje intenzitet vrha SiO2 SATEOS6 opada na 1103 cm-1 (slika 3g).
Kemijska stanja elemenata prisutnih u SA, SATEOS1 i SATEOS6 prikazana su na slikama 1 i 2. Slike 5, 6, 7 i 8 te u tablici 2. Snimci mjerenja za SA, SATEOS1 i SATEOS6 u rasutom stanju prikazani su na slici 5, a snimci visoke rezolucije za C1s, O1s i Si2p prikazani su na slikama 5, 6, 7 i 8 te u tablici 2. Vrijednosti energije vezanja dobivene XPS-om sažete su u tablici 2. Kao što se može vidjeti na slici 5, očiti vrhovi Si2s i Si2p uočeni su u SATEOS1 i SATEOS6, gdje je došlo do mikrokapsulacije SiO2 ljuske. Prethodni istraživači izvijestili su o sličnom vrhu Si2s na 155,1 eV54. Prisutnost Si vrhova u SATEOS1 (slika 5b) i SATEOS6 (slika 5c) potvrđuje FT-IR (slika 3) i XRD (slika 4) podatke.
Kao što je prikazano na slici 6a, C1s skupnog SA ima tri različita vrha: CC, kalifatski i O=C=O pri energiji vezanja, koji iznose 284,5 eV, 285,2 eV i 289,5 eV. Vrhovi C–C, kalifatski i O=C=O također su uočeni u SATEOS1 (slika 6b) i SATEOS6 (slika 6c) i sažeti su u tablici 2. Osim toga, vrh C1s također odgovara dodatnom Si-C vrhu na 283,1 eV (SATEOS1) i 283,5 eV (SATEOS6). Naše uočene energije vezanja za C–C, kalifatski, O=C=O i Si–C dobro se koreliraju s drugim izvorima55,56.
XPS spektri O1SA, SATEOS1 i SATEOS6 prikazani su na slikama 7a–c. Vrh O1s kod skupnog SA je dekonvoluiran i ima dva vrha, i to C=O/C–O (531,9 eV) i C–O–H (533,0 eV), dok su O1 kod SATEOS1 i SATEOS6 konzistentni. Postoje samo tri vrha: C=O/C–O, C–O–H i Si–OH55,57,58. Energija vezanja O1s u SATEOS1 i SATEOS6 neznatno se mijenja u usporedbi s skupnim SA, što je povezano s promjenom kemijskog fragmenta zbog prisutnosti SiO2 i Si-OH u materijalu ljuske.
Si 2p XPS spektri SATEOS1 i SATEOS6 prikazani su na slici 8a i b. U rasutom stanju CA, Si 2p nije uočen zbog odsutnosti SiO2. Vrh Si 2p odgovara 105,4 eV za SATEOS1 i 105,0 eV za SATEOS6, što odgovara Si-O-Si, dok je vrh SATEOS1 103,5 eV, a vrh SATEOS6 103,3 eV, što odgovara Si-OH55. Prilagođavanje vrhova Si-O-Si i Si-OH u SATEOS1 i SATEOS6 otkrilo je uspješnu mikrokapsulaciju SiO2 na površini jezgre SA.
Morfologija mikrokapsuliranog materijala vrlo je važna i utječe na topljivost, stabilnost, kemijsku reaktivnost, protočnost i čvrstoću59. Stoga je SEM korišten za karakterizaciju morfologije rasutog SA (100×) i mikrokapsuliranog SA (500×), kao što je prikazano na slici 9. Kao što se može vidjeti na slici 9a, blok SA ima eliptični oblik. Veličina čestica prelazi 500 mikrona. Međutim, nakon što se proces mikrokapsulacije nastavi, morfologija se dramatično mijenja, kao što je prikazano na slikama 9 b–g.
SEM slike (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6 pri ×500.
U uzorku SATEOS1 uočene su manje kvazisferične čestice SA omotane SiO2 s hrapavom površinom (slika 9b), što može biti posljedica hidrolize i kondenzacijske polimerizacije TEOS-a na površini SA, ubrzavajući brzu difuziju molekula etanola. Kao rezultat toga, čestice SiO2 se talože i uočava se aglomeracija52,60. Ova SiO2 ljuska pruža mehaničku čvrstoću mikroinkapsuliranim česticama CA, a također sprječava curenje rastaljenog CA na višim temperaturama10. Ovaj rezultat ukazuje na to da se mikrokapsule SA koje sadrže SiO2 mogu koristiti kao potencijalni materijali za pohranu energije61. Kao što se može vidjeti na slici 9b, uzorak SATEOS1 ima jednoliku raspodjelu čestica s debelim slojem SiO2 koji enkapsulira SA. Veličina čestica mikroinkapsuliranog SA (SATEOS1) je približno 10–20 μm (slika 9b), što je znatno manje u usporedbi s rasutim SA zbog nižeg sadržaja SA. Debljina sloja mikrokapsula posljedica je hidrolize i kondenzacijske polimerizacije otopine prekursora. Do aglomeracije dolazi pri nižim dozama SA, tj. do 15 g (slika 9b-d), ali čim se doza poveća, ne opaža se aglomeracija, već se opažaju jasno definirane sferne čestice (slika 9e-g) 62.
Osim toga, kada je količina SLS surfaktanta konstantna, sadržaj SA (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3) također utječe na učinkovitost, oblik i raspodjelu veličine čestica. Stoga je utvrđeno da SATEOS1 pokazuje manju veličinu čestica, jednoliku raspodjelu i gustu površinu (slika 9b), što se pripisuje hidrofilnoj prirodi SA koja potiče sekundarnu nukleaciju pod konstantnim surfaktantom63. Vjeruje se da će se povećanjem sadržaja SA s 5 na 15 g (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3) i korištenjem konstantne količine surfaktanta, tj. 0,10 g SLS-a (Tablica 1), doprinos svake čestice molekule surfaktanta smanjiti, čime će se smanjiti veličina čestica i veličina čestica. Raspodjela SATEOS2 (slika 9c) i SATEOS3 (slika 9d) razlikuje se od raspodjele SATEOS 1 (slika 9b).
U usporedbi sa SATEOS1 (slika 9b), SATEOS2 je pokazao gustu morfologiju mikroinkapsuliranog SA, a veličina čestica se povećala (slika 9c). To je zbog aglomeracije 49, koja smanjuje brzinu koagulacije (slika 2b). Kako se količina SC povećava s povećanjem SLS-a, mikrokapsule postaju jasno vidljive, kao što je prikazano na slici kako dolazi do agregacije. Osim toga, slike 9e-g pokazuju da su sve čestice jasno sfernog oblika i veličine. Prepoznato je da se u prisutnosti velikih količina SA može dobiti odgovarajuća količina silicijevih oligomera, što uzrokuje odgovarajuću kondenzaciju i enkapsulaciju, a time i stvaranje dobro definiranih mikrokapsula 49. Iz rezultata SEM-a jasno je da je SATEOS6 formirao odgovarajuće mikrokapsule u usporedbi s malom količinom SA.
Rezultati energetski disperzivne rendgenske spektroskopije (EDS) rasutog SA i mikrokapsuliranog SA prikazani su u Tablici 3. Kao što se može vidjeti iz ove tablice, sadržaj Si postupno se smanjuje od SATEOS1 (12,34%) do SATEOS6 (2,68%). Povećanje SA. Stoga možemo reći da povećanje količine SA dovodi do smanjenja taloženja SiO2 na površini SA. U Tablici 3 nema konzistentnih vrijednosti za sadržaj C i O zbog semikvantitativne analize EDS51. Sadržaj Si u mikrokapsuliranom SA korelirao je s rezultatima FT-IR, XRD i XPS.
Ponašanje taljenja i skrućivanja rasutog SA, kao i mikrokapsuliranog SA s SiO2 ljuskom, prikazano je na slikama 1 i 2. Prikazane su na slikama 10 i 11, a toplinski podaci prikazani su u tablici 4. Utvrđeno je da su temperature taljenja i skrućivanja mikrokapsuliranog SA različite. Kako se količina SA povećava, temperature taljenja i skrućivanja rastu i približavaju se vrijednostima rasutog SA. Nakon mikrokapsuliranja SA, silicijeva stijenka povećava temperaturu kristalizacije, a njezina stijenka djeluje kao jezgra za poticanje heterogenosti. Stoga, kako se količina SA povećava, temperature taljenja (slika 10) i skrućivanja (slika 11) također se postupno povećavaju 49,51,64. Među svim uzorcima mikrokapsuliranog SA, SATEOS6 je pokazao najviše temperature taljenja i skrućivanja, a slijede ga SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 i SATEOS1.
SATEOS1 pokazuje najnižu točku taljenja (68,97 °C) i temperaturu skrućivanja (60,60 °C), što je zbog manje veličine čestica kod kojih je kretanje čestica SA unutar mikrokapsula vrlo malo, a SiO2 ljuska tvori debeli sloj te stoga materijal jezgre ograničava istezanje i kretanje49. Ova hipoteza povezana je s rezultatima SEM-a, gdje je SATEOS1 pokazao manju veličinu čestica (slika 9b), što je zbog činjenice da su molekule SA ograničene unutar vrlo malog područja mikrokapsula. Razlika u temperaturama taljenja i skrućivanja glavne mase, kao i svih SA mikrokapsula sa SiO2 ljuskama, je u rasponu od 6,10–8,37 °C. Ovaj rezultat ukazuje na to da se mikrokapsulirani SA može koristiti kao potencijalni materijal za pohranu energije zbog dobre toplinske vodljivosti SiO2 ljuske65.
Kao što se može vidjeti iz Tablice 4, SATEOS6 ima najveću entalpiju među svim mikrokapsuliranim SC-ovima (slika 9g) zbog pravilne enkapsulacije uočene SEM-om. Brzina pakiranja SA može se izračunati pomoću jednadžbe (1). (1) Usporedbom podataka o latentnoj toplini mikrokapsuliranog SA49.
Vrijednost R predstavlja stupanj enkapsulacije (%) mikroenkapsuliranog SC-a, ΔHMEPCM,m predstavlja latentnu toplinu taljenja mikroenkapsuliranog SC-a, a ΔHPCM,m predstavlja latentnu toplinu taljenja SC-a. Osim toga, učinkovitost pakiranja (%) izračunava se kao još jedan važan tehnički parametar, kao što je prikazano u jednadžbi (1). (2)49.
Vrijednost E predstavlja učinkovitost enkapsulacije (%) mikroenkapsuliranog CA, ΔHMEPCM,s predstavlja latentnu toplinu stvrdnjavanja mikroenkapsuliranog CA, a ΔHPCM,s predstavlja latentnu toplinu stvrdnjavanja CA.
Kao što je prikazano u Tablici 4, stupanj pakiranja i učinkovitost SATEOS1 iznose 71,89% odnosno 67,68%, a stupanj pakiranja i učinkovitost SATEOS6 iznose 90,86% odnosno 86,68% (Tablica 4). Uzorak SATEOS6 pokazuje najveći koeficijent enkapsulacije i učinkovitost među svim mikrokapsuliranim SA, što ukazuje na njegov visoki toplinski kapacitet. Stoga, prijelaz iz krutog u tekuće stanje zahtijeva velike količine energije. Osim toga, razlika u temperaturama taljenja i skrućivanja svih SA mikrokapsula i rasutog SA tijekom procesa hlađenja ukazuje na to da je silikatna ljuska prostorno ograničena tijekom sinteze mikrokapsula. Dakle, rezultati pokazuju da se s povećanjem količine SC-a, brzina enkapsulacije i učinkovitost postupno povećavaju (Tablica 4).
TGA krivulje rasutog SA i mikrokapsuliranog SA s SiO2 ljuskom (SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6) prikazane su na slici 12. Svojstva toplinske stabilnosti rasutog SA (SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6) uspoređena su s mikrokapsuliranim uzorcima. Iz TGA krivulje je jasno da gubitak težine rasutog SA, kao i mikrokapsuliranog SA, pokazuje gladak i vrlo blagi pad od 40 °C do 190 °C. Pri toj temperaturi, rasuti SC ne podliježe toplinskoj razgradnji, dok mikrokapsulirani SC oslobađa adsorbiranu vodu čak i nakon sušenja na 45 °C tijekom 24 sata. To je rezultiralo blagim gubitkom težine,49 ali iznad te temperature materijal je počeo degradirati. Pri nižem udjelu SA (tj. SATEOS1), udio adsorbirane vode je veći i stoga je gubitak mase do 190 °C veći (umetnuta slika na slici 12). Čim temperatura poraste iznad 190 °C, uzorak počinje gubiti masu zbog procesa raspadanja. Rasuti SA počinje se raspadati na 190 °C i samo 4% ostaje na 260 °C, dok SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 zadržavaju 50%, 20% i 12% na toj temperaturi. Nakon 300 °C, gubitak mase rasutog SA bio je približno 97,60%, dok je gubitak mase SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 bio približno 54,20%, 82,40% i 90,30%. S povećanjem sadržaja SA, sadržaj SiO2 se smanjuje (Tablica 3), a u SEM-u se uočava stanjivanje ljuske (Slika 9). Dakle, gubitak težine mikroinkapsuliranog SA je manji u usporedbi s rasutim SA, što se objašnjava povoljnim svojstvima SiO2 ljuske, koja potiče stvaranje ugljičnog silikat-ugljičnog sloja na površini SA, čime se izolira jezgra SA i usporava oslobađanje nastalih hlapljivih produkata10. Ovaj ugljeni sloj tvori fizičku zaštitnu barijeru tijekom toplinske razgradnje, ograničavajući prijelaz zapaljivih molekula u plinovitu fazu66,67. Osim toga, možemo vidjeti i značajne rezultate gubitka težine: SATEOS1 pokazuje niže vrijednosti u usporedbi sa SATEOS3, SATEOS6 i SA. To je zato što je količina SA u SATEOS1 manja nego u SATEOS3 i SATEOS6, gdje SiO2 ljuska tvori debeli sloj. Nasuprot tome, ukupni gubitak težine rasutog SA doseže 99,50% na 415 °C. Međutim, SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 pokazali su gubitak težine od 62,50%, 85,50% i 93,76% pri 415 °C. Ovaj rezultat ukazuje na to da dodatak TEOS-a poboljšava razgradnju SA stvaranjem sloja SiO2 na površini SA. Ovi slojevi mogu formirati fizičku zaštitnu barijeru, te se stoga može uočiti poboljšanje toplinske stabilnosti mikroinkapsuliranog CA.
Rezultati toplinske pouzdanosti rasutog SA i najboljeg mikrokapsuliranog uzorka (tj. SATEOS 6) nakon 30 ciklusa zagrijavanja i hlađenja DSC51,52 prikazani su na slici 13. Može se vidjeti da rasuti SA (slika 13a) ne pokazuje nikakvu razliku u temperaturi taljenja, skrućivanju i vrijednosti entalpije, dok SATEOS6 (slika 13b) ne pokazuje nikakvu razliku u temperaturi i vrijednosti entalpije čak ni nakon 30. ciklusa zagrijavanja i procesa hlađenja. Rasuti SA pokazao je talište od 72,10 °C, temperaturu skrućivanja od 64,69 °C, a toplina taljenja i skrućivanja nakon prvog ciklusa iznosila je 201,0 J/g odnosno 194,10 J/g. Nakon 30. ciklusa, talište ovih vrijednosti smanjilo se na 71,24 °C, temperatura skrućivanja smanjila se na 63,53 °C, a vrijednost entalpije smanjila se za 10%. Promjene temperatura taljenja i skrućivanja, kao i smanjenje vrijednosti entalpije, ukazuju na to da je CA u rasutom stanju nepouzdan za primjene koje nisu mikrokapsulirane. Međutim, nakon odgovarajuće mikrokapsulacije (SATEOS6), temperature taljenja i skrućivanja te vrijednosti entalpije se ne mijenjaju (slika 13b). Nakon mikrokapsulacije s SiO2 ljuskama, SA se može koristiti kao materijal za promjenu faze u toplinskim primjenama, posebno u građevinarstvu, zbog optimalnih temperatura taljenja i skrućivanja te stabilne entalpije.
DSC krivulje dobivene za uzorke SA (a) i SATEOS6 (b) u 1. i 30. ciklusu zagrijavanja i hlađenja.
U ovoj studiji provedeno je sustavno istraživanje mikrokapsulacije korištenjem SA kao jezgrenog materijala i SiO2 kao materijala ljuske. TEOS se koristi kao prekursor za stvaranje SiO2 potpornog sloja i zaštitnog sloja na površini SA. Nakon uspješne sinteze mikrokapsuliranog SA, rezultati FT-IR, XRD, XPS, SEM i EDS pokazali su prisutnost SiO2. SEM analiza pokazuje da uzorak SATEOS6 pokazuje dobro definirane sferne čestice okružene SiO2 ljuskama na površini SA. Međutim, MEPCM s nižim udjelom SA pokazuje aglomeraciju, što smanjuje performanse PCM-a. XPS analiza pokazala je prisutnost Si-O-Si i Si-OH u uzorcima mikrokapsula, što je otkrilo adsorpciju SiO2 na površini SA. Prema analizi toplinskih performansi, SATEOS6 pokazuje najperspektivniju sposobnost pohrane topline, s temperaturama taljenja i skrućivanja od 70,37 °C odnosno 64,27 °C, te latentnom toplinom taljenja i skrućivanja od 182,53 J/g odnosno 160,12 J/g. G. Maksimalna učinkovitost pakiranja SATEOS6 iznosi 86,68%. TGA i DSC analiza toplinskog ciklusa potvrdila je da SATEOS6 i dalje ima dobru toplinsku stabilnost i pouzdanost čak i nakon 30 procesa zagrijavanja i hlađenja.
Yang T., Wang XY i Li D. Analiza performansi termokemijskog kompozitnog adsorpcijskog sustava na bazi krutog tijela i plina za skladištenje toplinske energije i poboljšanje njegove učinkovitosti. primjena. vruće. inženjer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. i Al-Hallaj, S. Pregled skladištenja energije faznom promjenom: materijali i primjene. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS i Saini JS Performanse prijenosa topline sustava za pohranu toplinske energije korištenjem PCM kapsula: pregled. ažuriranje. podrška. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. i Bruno, F. Pregled materijala za pohranu i tehnologija za poboljšanje toplinskih performansi za sustave toplinskog pohranjivanja s promjenom faze pri visokim temperaturama. ažuriranje. podrška. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Priprema i karakterizacija nanoenkapsuliranih toplinski energetskih n-tetradekan fazno promjenjivih materijala. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. i Li, M. Sinteza novih kompozitnih materijala s promjenom faze stabilnog oblika korištenjem modificiranih grafenskih aerogelova za pretvorbu i skladištenje solarne energije. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. i Fang, G. Morfološka karakterizacija i primjena materijala s promjenom faze u skladištenju toplinske energije: pregled. ažuriranje. podrška. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).