Děkujeme za návštěvu webu Nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS. Pro dosažení nejlepších výsledků doporučujeme používat novější verzi prohlížeče (nebo v aplikaci Internet Explorer vypnout režim kompatibility). Pro zajištění trvalé podpory mezitím zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Kyselina stearová (SA) se používá jako materiál pro fázovou změnu (PCM) v zařízeních pro ukládání energie. V této studii byla k mikroenkapsulaci povrchově aktivní látky SiO2 použita metoda sol-gel. Různá množství SA (5, 10, 15, 20, 30 a 50 g) byla enkapsulována do 10 ml tetraethylorthosilikátu (TEOS). Syntetizovaný mikroenkapsulovaný materiál pro fázovou změnu (MEPCM) byl charakterizován infračervenou spektroskopií s Fourierovou transformací (FT-IR), rentgenovou difrakcí (XRD), rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS) a rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM). Výsledky charakterizace ukázaly, že SA byl úspěšně enkapsulován SiO2. Termogravimetrická analýza (TGA) ukázala, že MEPCM má lepší tepelnou stabilitu než CA. Pomocí diferenční rastrovací kalorimetrie (DSC) bylo zjištěno, že hodnota entalpie MEPCM se nezměnila ani po 30 cyklech ohřevu a ochlazování. Ze všech mikroenkapsulovaných vzorků mělo 50 g SA obsahující MEPCM nejvyšší latentní teplo tání a tuhnutí, které činilo 182,53 J/g a 160,12 J/g. Hodnota účinnosti balení byla vypočtena s použitím tepelných dat a nejvyšší účinnost byla zjištěna pro stejný vzorek, a to 86,68 %.
Přibližně 58 % energie používané ve stavebnictví se využívá k vytápění a chlazení budov1. Proto je nejdůležitější vytvořit účinné energetické systémy, které zohledňují znečištění životního prostředí2. Technologie latentního tepla využívající materiály s fázovou změnou (PCM) dokáže ukládat vysokou energii při nízkých teplotních výkyvech3,4,5,6 a může být široce používána v oblastech, jako je přenos tepla, skladování solární energie, letectví a kosmonautika7,8,9. PCM absorbuje tepelnou energii z exteriérů budov během dne a uvolňuje ji v noci10. Proto se materiály s fázovou změnou doporučují jako materiály pro akumulaci tepelné energie. Kromě toho existují různé typy PCM, jako například pevná látka-pevná látka, pevná látka-kapalina, kapalina-plyn a pevná látka-plyn11. Mezi nimi jsou nejoblíbenější a nejčastěji používané materiály s fázovou změnou materiály s fázovou změnou pevná látka-pevná látka a materiály s fázovou změnou pevná látka-kapalina. Jejich aplikace je však velmi obtížná kvůli enormním objemovým změnám materiálů s fázovým přechodem kapalina-plyn a pevná látka-plyn.
PCM má díky svým vlastnostem různá uplatnění: ty, které tají při teplotách pod 15 °C, lze použít v klimatizačních systémech k udržení nízkých teplot a ty, které tají při teplotách nad 90 °C, lze použít v topných systémech k prevenci požárů12. V závislosti na aplikaci a rozsahu bodu tání byly syntetizovány různé materiály pro fázovou změnu z různých organických a anorganických chemikálií13,14,15. Parafín je nejčastěji používaný materiál pro fázovou změnu s vysokým skupenským teplem, nekorozivními vlastnostmi, bezpečností a širokým rozsahem bodu tání16,17,18,19,20,21.
Vzhledem k nízké tepelné vodivosti materiálů s fázovou změnou je však nutné je zapouzdřit do pláště (vnější vrstvy), aby se zabránilo úniku základního materiálu během procesu fázové změny22. Kromě toho mohou provozní chyby nebo vnější tlak poškodit vnější vrstvu (opláštění) a roztavený materiál s fázovou změnou může reagovat se stavebními materiály, což způsobuje korozi zabudovaných ocelových tyčí, a tím snižuje použitelnost budovy23. Proto je důležité syntetizovat zapouzdřené materiály s fázovou změnou s dostatečným množstvím plášťového materiálu, což může vyřešit výše uvedené problémy24.
Mikroenkapsulace materiálů s fázovou změnou může účinně zvýšit přenos tepla, snížit reaktivitu prostředí a kontrolovat změny objemu. Pro enkapsulaci PCM byly vyvinuty různé metody, konkrétně mezifázová polymerace25,26,27,28, in situ polymerace29,30,31,32, koacervace33,34,35 a sol-gel procesy36,37,38,39. Pro mikroenkapsulaci lze použít formaldehydovou pryskyřici40,41,42,43. Jako obalové materiály se používají melamin-formaldehydové a močovino-formaldehydové pryskyřice, které během provozu často uvolňují toxický formaldehyd. Proto je použití těchto materiálů v obalových procesech zakázáno. Ekologicky šetrné materiály s fázovou změnou pro škálovatelné ukládání tepelné energie však lze syntetizovat pomocí hybridních nanokapslí na bázi mastných kyselin a ligninu44.
Zhang a kol.45 a kol. syntetizovali kyselinu laurovou z tetraethylorthosilikátu a dospěli k závěru, že s rostoucím objemovým poměrem methyltriethoxysilanu k tetraethylorthosilikátu se snižuje latentní teplo a zvyšuje se povrchová hydrofobicita. Kyselina laurová může být potenciálním a účinným jádrovým materiálem pro kapoková vlákna46. Latibari a kol.47 dále syntetizovali PCM na bázi kyseliny stearové s použitím TiO2 jako materiálu pláště. Zhu a kol. připravili nanokapsule n-oktadekanu a silikonu jako potenciální PCM48. Z přehledu literatury je obtížné pochopit doporučené dávkování pro tvorbu účinných a stabilních mikroenkapsulovaných materiálů s fázovou změnou.
Podle znalostí autorů je tedy množství materiálu pro fázovou změnu použitého pro mikroenkapsulaci důležitým parametrem pro výrobu účinných a stabilních mikroenkapsulovaných materiálů pro fázovou změnu. Použití různého množství materiálů pro fázovou změnu nám umožní objasnit různé vlastnosti a stabilitu mikroenkapsulovaných materiálů pro fázovou změnu. Kyselina stearová (mastná kyselina) je ekologicky šetrná, lékařsky významná a ekonomická látka, kterou lze použít k ukládání tepelné energie, protože má vysokou entalpii (~200 J/g) a odolává teplotám až 72 °C. SiO2 je navíc nehořlavý, poskytuje vyšší mechanickou pevnost, tepelnou vodivost a lepší chemickou odolnost vůči jádrovým materiálům a působí jako pucolánový materiál ve stavebnictví. Když se cement smíchá s vodou, špatně zapouzdřené PCM mohou praskat v důsledku mechanického opotřebení a vysokých teplot (hydratačního tepla) generovaných v masivních betonových konstrukcích. Použití mikroenkapsulovaného CA s pláštěm SiO2 proto může tento problém vyřešit. Cílem této studie proto bylo zkoumat výkon a účinnost PCM syntetizovaných sol-gelovou metodou ve stavebních aplikacích. V této práci jsme systematicky studovali různá množství SA (jako základního materiálu) o hmotnosti 5, 10, 15, 20, 30 a 50 g zapouzdřených v SiO2 skořápkách. Jako prekurzorový roztok pro vytvoření SiO2 skořápky bylo použito fixní množství tetraethylorthosilikátu (TEOS) v objemu 10 ml.
Kyselina stearová reaktivní kvality (SA, C18H36O2, bod tání: 72 °C) jako základní materiál byla zakoupena od společnosti Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Jižní Korea. Tetraethylorthosilikát (TEOS, C8H20O4Si) jako prekurzorový roztok byl zakoupen od společnosti Acros Organics, Geel, Belgie. Kromě toho byly jako rozpouštědla a povrchově aktivní látky zakoupeny absolutní ethanol (EA, C2H5OH) a laurylsulfát sodný (SLS, C12H25NaO4S) od společnosti Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Jižní Korea. Jako rozpouštědlo se také používá destilovaná voda.
Různá množství SA byla smíchána s různými poměry laurylsulfátu sodného (SLS) ve 100 ml destilované vody za použití magnetického míchadla při 800 ot/min a teplotě 75 °C po dobu 1 hodiny (tabulka 1). Emulze SA byly rozděleny do dvou skupin: (1) 5, 10 a 15 g SA bylo smícháno s 0,10 g SLS ve 100 ml destilované vody (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3), (2) 20, 30 a 50 g SA bylo smícháno s 0,15, 0,20 a 0,25 g SLS bylo smícháno se 100 ml destilované vody (SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6). 0,10 g SLS bylo použito s 5, 10 a 15 g SA pro vytvoření příslušných emulzí. Následně bylo navrženo zvýšit počet SLS pro SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6. Tabulka 1 ukazuje poměry CA a SLS použité k získání stabilních emulzních roztoků.
Do kádinky o objemu 100 ml umístěte 10 ml TEOS, 10 ml ethanolu (EA) a 20 ml destilované vody. Pro studium účinnosti zapouzdření různých poměrů skořápek SA a SiO2 byl zaznamenán koeficient syntézy všech vzorků. Směs byla míchána magnetickým míchadlem při 400 ot/min a 60 °C po dobu 1 hodiny. Prekurzorový roztok byl poté po kapkách přidán k připravené emulzi SA, energicky míchán při 800 ot/min a 75 °C po dobu 2 hodin a přefiltrován za vzniku bílého prášku. Bílý prášek byl promyt destilovanou vodou za účelem odstranění zbytků SA a sušen ve vakuové peci při 45 °C po dobu 24 hodin. Výsledkem byl mikrozapouzdřený SC s skořápkou SiO2. Celý proces syntézy a přípravy mikrozapouzdřeného SA je znázorněn na obrázku 1.
Mikrokapsle SA s pláštěm SiO2 byly připraveny metodou sol-gel a jejich mechanismus zapouzdření je znázorněn na obrázku 2. První krok zahrnuje přípravu emulze SA ve vodném roztoku s SLS jako povrchově aktivní látkou. V tomto případě se hydrofobní konec molekuly SA váže na SLS a hydrofilní konec na molekuly vody, čímž vzniká stabilní emulze. Hydrofobní části SLS jsou tak chráněny a pokrývají povrch kapky SA. Na druhou stranu hydrolýza roztoků TEOS probíhá pomalu molekulami vody, což vede k tvorbě hydrolyzovaného TEOS v přítomnosti ethanolu (obr. 2a) 49,50,51. Hydrolyzovaný TEOS podléhá kondenzační reakci, během níž n-hydrolyzovaný TEOS tvoří křemičité shluky (obr. 2b). Křemičité shluky byly zapouzdřeny pomocí SA52 v přítomnosti SLS (obr. 2c), což se nazývá proces mikrozapouzdření.
Schéma mikrozapouzdření CA s obalem SiO2: (a) hydrolýza TEOS, (b) kondenzace hydrolyzátu a (c) zapouzdření CA s obalem SiO2.
Chemická analýza objemového a mikroenkapsulovaného SA byla provedena za použití infračerveného spektrometru s Fourierovou transformací (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) a spektra byla zaznamenána v rozsahu od 500 do 4000 cm-1.
Pro analýzu objemových fází SA a materiálů mikrokapslí byl použit rentgenový difraktometr (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japonsko). Rentgenové strukturní skenování bylo provedeno v rozsahu 2θ = 5°–95° s rychlostí skenování 4°/min, s použitím záření Cu-Kα (λ = 1,541 Å), provozních podmínek 25 kV a 100 mA, v režimu kontinuálního skenování. Rentgenové snímky byly konstruovány v rozsahu 2θ = 5–50°, protože u všech vzorků nebyl pozorován žádný pík po 50°.
Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) byla provedena s použitím AlKα (1486,6 eV) jako zdroje rentgenového záření pro pochopení chemického stavu objemového salicylátu a prvků přítomných v zapouzdřeném materiálu. Získaná XPS spektra byla kalibrována na pík C1s s použitím exotického uhlíku (vazebná energie 284,6 eV). Po korekci pozadí pomocí Shirleyovy metody byly píky s vysokým rozlišením každého prvku dekonvoluovány a fitovány na Gaussovské/Lorentzovy funkce pomocí softwaru CASA XPS.
Morfologie objemových a mikroenkapsulovaných SC byla zkoumána pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Česká republika) vybavené rentgenovou spektroskopií s disperzí energie (EDS) při 15 kV. Před SEM zobrazením byly vzorky potaženy platinou (Pt), aby se zabránilo efektům nabíjení.
Tepelné vlastnosti (bod tání/tuhnutí a skupenské teplo) a spolehlivost (termické cyklování) byly stanoveny diferenční skenovací kalorimetrií (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) při rychlosti ohřevu/ochlazování 10 °C/min při 40 °C a 90 °C s kontinuálním proplachováním dusíkem. Analýza úbytku hmotnosti byla provedena pomocí TGA analyzátoru (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) v kontinuálním proudu dusíku počínaje teplotou 40–600 °C s rychlostí ohřevu 10 °C/min.
Obrázek 3 ukazuje FTIR spektra objemového SC i mikroenkapsulovaného SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 a SATEOS6). Absorpční píky při 2910 cm-1 a 2850 cm-1 ve všech vzorcích (SA i mikroenkapsulovaný SA) jsou připisovány symetrickým vibračním vibracím skupin –CH3 a –CH210,50. Pík při 1705 cm-1 odpovídá vibračnímu roztahování vazby C=O. Píky při 1470 cm-1 a 1295 cm-1 jsou připisovány rovinné deformační vibraci funkční skupiny –OH, zatímco píky při 940 cm-1 a 719 cm-1 odpovídají rovinné vibraci a deformační vibraci roviny skupiny –OH. U všech mikroenkapsulovaných SA byly také pozorovány absorpční píky SA při 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 a 719 cm-1. Kromě toho byl v mikrokapsli SA pozorován nově objevený pík při 1103 cm-1 odpovídající antisymetrické vibraci valenčního napětí pásu Si-O-Si. Výsledky FT-IR jsou v souladu s Yuanem a kol.50. Úspěšně připravili mikroenkapsulovaný SA v poměru amoniak/ethanol a zjistili, že nedošlo k žádné chemické interakci mezi SA a SiO2. Výsledky současné studie FT-IR ukazují, že obal SiO2 úspěšně enkapsuloval SA (jádro) kondenzačním procesem a polymerací hydrolyzovaného TEOS. Při nižším obsahu SA je intenzita píku pásu Si-O-Si vyšší (obr. 3b-d). S rostoucím množstvím SA nad 15 g se intenzita píku a rozšíření pásu Si-O-Si postupně snižuje, což naznačuje tvorbu tenké vrstvy SiO2 na povrchu SA.
FTIR spektra (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6.
Difrakční obrazce objemového SA a mikroenkapsulovaného SA jsou znázorněny na obrázku 4. Píky XRD se nacházejí při 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5} dle JCPDS č. 0381923, 02)\), 21,42° ve všech vzorcích (311), 24,04° (602) a 39,98° (913) jsou přiřazeny SA. Zkreslení a hybridita s objemovým CA v důsledku nejistých faktorů, jako jsou povrchově aktivní látky (SLS), další zbytkové látky a mikroenkapsulace SiO250. Po zapouzdření se intenzita hlavních píků (300), (500), (311) a (602) postupně snižuje ve srovnání s objemovým CA, což naznačuje pokles krystalinity vzorku.
XRD obrazce (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6.
Intenzita SATEOS1 ve srovnání s ostatními vzorky prudce klesá. U všech mikroenkapsulovaných vzorků nebyly pozorovány žádné další píky (obr. 4b–g), což potvrzuje, že na povrchu SA dochází spíše k fyzikální adsorpci SiO252 než k chemické interakci. Dále byl také zjištěn závěr, že mikroenkapsulace SA nevedla ke vzniku žádných nových struktur. SiO2 zůstává na povrchu SA neporušený bez jakékoli chemické reakce a s klesajícím množstvím SA se stávající píky stávají zřetelnějšími (SATEOS1). Tento výsledek naznačuje, že SiO2 převážně zapouzdřuje povrch SA. Pík v (700) zcela mizí a pík v (5O2) se v SATEOS 1 stává hrbolem (obr. 4b), což je spojeno se sníženou krystalinitou a zvýšenou amorfismem. SiO2 je amorfní povahy, takže píky pozorované od 2θ = 19° do 25° mají hrb a rozšíření53 (obr. 4b–g), což potvrzuje existenci amorfního SiO252. Nižší intenzita difrakčního píku mikroenkapsulovaného SA je způsobena nukleačním efektem vnitřní stěny oxidu křemičitého a omezujícím krystalizačním chováním49. Předpokládá se, že s nižším obsahem SA se tvoří silnější oxid křemičitý v důsledku přítomnosti velkého množství TEOS, který je z velké části adsorbován na vnějším povrchu SA. S rostoucím množstvím SA se však povrchová plocha kapiček SA v emulzním roztoku zvětšuje a pro správné zapouzdření je zapotřebí více TEOS. Proto je s vyšším obsahem SA pík SiO2 ve FT-IR potlačen (obr. 3) a intenzita difrakčního píku v blízkosti 2θ = 19–25° v XRF (obr. 4) se snižuje a expanze se také snižuje. Není viditelné. Jak je však vidět na obrázku 4, jakmile se množství SA zvýší z 5 g (SATEOS1) na 50 g (SATEOS6), píky se velmi blíží objemovému SA a pík na (700) se objevuje u všech identifikovaných intenzit píků. Tento výsledek koreluje s výsledky FT-IR, kde intenzita píku SiO2 SATEOS6 klesá na 1103 cm-1 (obr. 3g).
Chemické skupenství prvků přítomných v SA, SATEOS1 a SATEOS6 jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2. Obrázky 5, 6, 7 a 8 a tabulka 2. Naměřené hodnoty pro objemové SA, SATEOS1 a SATEOS6 jsou znázorněny na obrázku 5 a skeny s vysokým rozlišením pro C 1s, O 1s a Si 2p jsou znázorněny na obrázcích 5, 6, 7 a 8 a v tabulce 2. 6, 7 a 8. Hodnoty vazebné energie získané pomocí XPS jsou shrnuty v tabulce 2. Jak je patrné z obrázku 5, v SATEOS1 a SATEOS6 byly pozorovány zřejmé píky Si 2s a Si 2p, kde došlo k mikrozapouzdření obalu SiO2. Předchozí výzkumníci zaznamenali podobný pík Si 2s při 155,1 eV54. Přítomnost píků Si v SATEOS1 (obr. 5b) a SATEOS6 (obr. 5c) potvrzuje data získaná pomocí FT-IR (obr. 3) a XRD (obr. 4).
Jak je znázorněno na Obrázku 6a, C1s objemového SA má tři různé píky: CC, kalifatický a O=C=O při vazebné energii, které jsou 284,5 eV, 285,2 eV a 289,5 eV. Píky C–C, kalifatický a O=C=O byly pozorovány také u SATEOS1 (Obr. 6b) a SATEOS6 (Obr. 6c) a jsou shrnuty v Tabulce 2. Kromě toho pík C1s odpovídá také dalšímu píku Si-C při 283,1 eV (SATEOS1) a 283,5 eV (SATEOS6). Naše pozorované vazebné energie pro C–C, kalifatický, O=C=O a Si–C dobře korelují s jinými zdroji55,56.
XPS spektra O1 SA, SATEOS1 a SATEOS6 jsou znázorněna na obrázcích 7a–c. Pík O1s objemového SA je dekonvoluovaný a má dva píky, a to C=O/C–O (531,9 eV) a C–O–H (533,0 eV), zatímco O1 u SATEOS1 a SATEOS6 jsou konzistentní. Existují pouze tři píky: C=O/C–O, C–O–H a Si–OH55,57,58. Vazebná energie O1s u SATEOS1 a SATEOS6 se mírně mění ve srovnání s objemovým SA, což je spojeno se změnou chemického fragmentu v důsledku přítomnosti SiO2 a Si-OH v materiálu obalu.
Spektra Si 2p XPS materiálů SATEOS1 a SATEOS6 jsou znázorněna na obrázku 8a a b. V objemové CA nebyl Si 2p pozorován kvůli absenci SiO2. Pík Si 2p odpovídá 105,4 eV pro SATEOS1 a 105,0 eV pro SATEOS6, což odpovídá Si-O-Si, zatímco pík SATEOS1 je 103,5 eV a pík SATEOS6 je 103,3 eV, což odpovídá Si-OH55. Fitování píků Si-O-Si a Si-OH v SATEOS1 a SATEOS6 odhalilo úspěšnou mikroenkapsulaci SiO2 na povrchu jádra SA.
Morfologie mikroenkapsulovaného materiálu je velmi důležitá, ovlivňuje rozpustnost, stabilitu, chemickou reaktivitu, tekutost a pevnost59. Proto byl k charakterizaci morfologie objemového SA (100×) a mikroenkapsulovaného SA (500×) použit SEM, jak je znázorněno na obrázku 9. Jak je vidět z obrázku 9a, blok SA má eliptický tvar. Velikost částic přesahuje 500 mikronů. Jakmile však proces mikroenkapsulace pokračuje, morfologie se dramaticky změní, jak je znázorněno na obrázcích 9 b–g.
SEM snímky (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 a (g) SATEOS6 při 500násobném rozložení.
Ve vzorku SATEOS1 jsou pozorovány menší kvazikulové částice SA obalené SiO2 s drsným povrchem (obr. 9b), což může být způsobeno hydrolýzou a kondenzační polymerací TEOS na povrchu SA, což urychluje rychlou difúzi molekul ethanolu. V důsledku toho se částice SiO2 ukládají a je pozorována aglomerace52,60. Tato skořápka SiO2 poskytuje mikroenkapsulovaným částicím CA mechanickou pevnost a také zabraňuje úniku roztaveného CA při vyšších teplotách10. Tento výsledek naznačuje, že mikrokapsle SA obsahující SiO2 mohou být použity jako potenciální materiály pro ukládání energie61. Jak je vidět z obrázku 9b, vzorek SATEOS1 má rovnoměrné rozložení částic s tlustou vrstvou SiO2, která zapouzdřuje SA. Velikost částic mikroenkapsulovaného SA (SATEOS1) je přibližně 10–20 μm (obr. 9b), což je výrazně menší ve srovnání s objemovým SA v důsledku nižšího obsahu SA. Tloušťka vrstvy mikrokapslí je způsobena hydrolýzou a kondenzační polymerací prekurzorového roztoku. K aglomeraci dochází při nižších dávkách SA, tj. do 15 g (obr. 9b-d), ale jakmile se dávka zvýší, k aglomeraci nedochází, ale jsou pozorovány jasně definované sférické částice (obr. 9e-g) 62.
Kromě toho, když je množství povrchově aktivní látky SLS konstantní, obsah SA (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3) také ovlivňuje účinnost, tvar a distribuci velikosti částic. Bylo tedy zjištěno, že SATEOS1 vykazuje menší velikost částic, rovnoměrné rozložení a hustý povrch (obr. 9b), což bylo přičítáno hydrofilní povaze SA podporující sekundární nukleaci za konstantní hladiny povrchově aktivní látky63. Předpokládá se, že zvýšením obsahu SA z 5 na 15 g (SATEOS1, SATEOS2 a SATEOS3) a použitím konstantního množství povrchově aktivní látky, tj. 0,10 g SLS (tabulka 1), se příspěvek každé částice molekuly povrchově aktivní látky sníží, čímž se sníží velikost částic a jejich velikost. Distribuce SATEOS2 (obr. 9c) a SATEOS3 (obr. 9d) se liší od distribuce SATEOS 1 (obr. 9b).
Ve srovnání se SATEOS1 (obr. 9b) vykazoval SATEOS2 hustou morfologii mikroenkapsulované SA a velikost částic se zvětšila (obr. 9c). To je způsobeno aglomerací 49, která snižuje rychlost koagulace (obr. 2b). Jak se množství SC zvyšuje se zvyšujícím se SLS, mikrokapsule se stávají jasně viditelnými, jak je znázorněno na obr. , jak dochází k agregaci. Obrázky 9e–g navíc ukazují, že všechny částice mají jasně sférický tvar a velikost. Bylo zjištěno, že v přítomnosti velkého množství SA lze získat vhodné množství oligomerů oxidu křemičitého, což způsobuje vhodnou kondenzaci a enkapsulaci, a tím i tvorbu dobře definovaných mikrokapslí 49. Z výsledků SEM je zřejmé, že SATEOS6 vytvořil odpovídající mikrokapsule ve srovnání s malým množstvím SA.
Výsledky rentgenové spektroskopie s disperzí energie (EDS) objemového SA a mikrokapsulovaného SA jsou uvedeny v tabulce 3. Jak je z této tabulky patrné, obsah Si postupně klesá od SATEOS1 (12,34 %) do SATEOS6 (2,68 %). Obsah SA se zvyšuje. Můžeme tedy říci, že zvýšení množství SA vede ke snížení depozice SiO2 na povrchu SA. V tabulce 3 nejsou kvůli semikvantitativní analýze EDS51 uvedeny žádné konzistentní hodnoty pro obsah C a O. Obsah Si v mikrokapsulovaném SA koreloval s výsledky FT-IR, XRD a XPS.
Chování při tavení a tuhnutí objemového SA a mikroenkapsulovaného SA s pláštěm SiO2 je znázorněno na obrázcích 1 a 2. Jsou znázorněny na obrázcích 10 a 11 a tepelná data jsou uvedena v tabulce 4. Bylo zjištěno, že teploty tání a tuhnutí mikroenkapsulovaného SA se liší. S rostoucím množstvím SA se teploty tání a tuhnutí zvyšují a blíží se hodnotám objemového SA. Po mikroenkapsulaci SA zvyšuje křemičitá stěna teplotu krystalizace a její stěna působí jako jádro, které podporuje heterogenitu. Proto se s rostoucím množstvím SA postupně zvyšují i ​​teploty tání (obr. 10) a tuhnutí (obr. 11)49,51,64. Ze všech vzorků mikroenkapsulovaného SA vykazoval SATEOS6 nejvyšší teploty tání a tuhnutí, následovaný SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 a SATEOS1.
SATEOS1 vykazuje nejnižší bod tání (68,97 °C) a teplotu tuhnutí (60,60 °C), což je způsobeno menší velikostí částic, při které je pohyb částic SA uvnitř mikrokapslí velmi malý a obal SiO2 tvoří silnou vrstvu, a proto materiál jádra omezuje roztažení a pohyb49. Tato hypotéza souvisí s výsledky SEM, kde SATEOS1 vykazoval menší velikost částic (obr. 9b), což je způsobeno skutečností, že molekuly SA jsou uzavřeny ve velmi malé ploše mikrokapslí. Rozdíl v teplotách tání a tuhnutí hlavní hmoty, stejně jako u všech mikrokapslí SA s obaly SiO2, je v rozmezí 6,10–8,37 °C. Tento výsledek naznačuje, že mikroenkapsulovaný SA lze použít jako potenciální materiál pro ukládání energie díky dobré tepelné vodivosti obalu SiO265.
Jak je patrné z tabulky 4, SATEOS6 má nejvyšší entalpii ze všech mikroenkapsulovaných SC (obr. 9g) díky správnému zapouzdření pozorovanému pomocí SEM. Rychlost zapouzdření SA lze vypočítat pomocí rovnice (1). (1) Porovnáním dat o latentním teple mikroenkapsulovaného SA49.
Hodnota R představuje stupeň zapouzdření (%) mikrozapouzdřeného SC, ΔHMEPCM,m představuje skupenské teplo tání mikrozapouzdřeného SC a ΔHPCM,m představuje skupenské teplo tání SC. Kromě toho se jako další důležitý technický parametr vypočítává účinnost balení (%), jak je znázorněno v rovnici (1). (2)49.
Hodnota E představuje účinnost zapouzdření (%) mikroenkapsulovaného CA, ΔHMEPCM,s představuje skupenské teplo vytvrzování mikroenkapsulovaného CA a ΔHPCM,s představuje skupenské teplo vytvrzování CA.
Jak je uvedeno v tabulce 4, stupeň zapouzdření a účinnost SATEOS1 jsou 71,89 %, respektive 67,68 % a stupeň zapouzdření a účinnost SATEOS6 jsou 90,86 %, respektive 86,68 % (tabulka 4). Vzorek SATEOS6 vykazuje nejvyšší koeficient zapouzdření a účinnost ze všech mikrozapouzdřených SA, což naznačuje jeho vysokou tepelnou kapacitu. Přechod z pevného do kapalného stavu proto vyžaduje velké množství energie. Rozdíl v teplotách tání a tuhnutí všech mikrokapslí SA a objemového SA během procesu chlazení navíc naznačuje, že křemičitá schránka je během syntézy mikrokapslí prostorově omezena. Výsledky tedy ukazují, že s rostoucím množstvím SC se postupně zvyšuje rychlost zapouzdření a účinnost (tabulka 4).
TGA křivky objemového SA a mikrokapsulovaného SA s pláštěm SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6) jsou znázorněny na obrázku 12. Vlastnosti tepelné stability objemového SA (SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6) byly porovnány s mikroenkapsulovanými vzorky. Z TGA křivky je zřejmé, že úbytek hmotnosti objemového SA i mikroenkapsulovaného SA vykazuje plynulý a velmi mírný pokles od 40 °C do 190 °C. Při této teplotě objemový SC nepodléhá tepelnému rozkladu, zatímco mikroenkapsulovaný SC uvolňuje adsorbovanou vodu i po sušení při 45 °C po dobu 24 hodin. To vedlo k mírnému úbytku hmotnosti,49 ale nad touto teplotou se materiál začal degradovat. Při nižším obsahu SA (tj. SATEOS1) je obsah adsorbované vody vyšší, a proto je úbytek hmotnosti až do 190 °C vyšší (vložka na obr. 12). Jakmile teplota stoupne nad 190 °C, vzorek začne ztrácet hmotnost v důsledku rozkladných procesů. Objemový SA se začne rozkládat při 190 °C a při 260 °C zůstanou pouze 4 %, zatímco SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 si při této teplotě zachovají 50 %, 20 % a 12 %. Po 300 °C byla ztráta hmotnosti objemového SA přibližně 97,60 %, zatímco ztráta hmotnosti SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 byla přibližně 54,20 %, 82,40 % a 90,30 %. Se zvyšujícím se obsahem SA se snižuje obsah SiO2 (tabulka 3) a na SEM je pozorováno ztenčení skořápky (obr. 9). Úbytek hmotnosti mikroenkapsulovaného SA je tedy nižší ve srovnání s objemovým SA, což se vysvětluje příznivými vlastnostmi SiO2 obalu, který podporuje tvorbu uhlíkaté silikátovo-uhlíkaté vrstvy na povrchu SA, čímž izoluje jádro SA a zpomaluje uvolňování výsledných těkavých produktů10. Tato vrstva uhlíku tvoří fyzikální ochrannou bariéru během tepelného rozkladu, která omezuje přechod hořlavých molekul do plynné fáze66,67. Kromě toho můžeme také pozorovat významné výsledky úbytku hmotnosti: SATEOS1 vykazuje nižší hodnoty ve srovnání se SATEOS3, SATEOS6 a SA. Je to proto, že množství SA v SATEOS1 je menší než v SATEOS3 a SATEOS6, kde SiO2 obal tvoří silnou vrstvu. Naproti tomu celkový úbytek hmotnosti objemového SA dosahuje při 415 °C 99,50 %. SATEOS1, SATEOS3 a SATEOS6 však vykázaly úbytek hmotnosti 62,50 %, 85,50 % a 93,76 % při teplotě 415 °C. Tento výsledek naznačuje, že přidání TEOS zlepšuje degradaci SA vytvořením vrstvy SiO2 na povrchu SA. Tyto vrstvy mohou tvořit fyzickou ochrannou bariéru, a proto lze pozorovat zlepšení tepelné stability mikroenkapsulovaného CA.
Výsledky tepelné spolehlivosti objemového SA a nejlepšího mikroenkapsulovaného vzorku (tj. SATEOS 6) po 30 cyklech ohřevu a ochlazování DSC51,52 jsou znázorněny na obrázku 13. Je vidět, že objemový SA (obrázek 13a) nevykazuje žádný rozdíl v teplotě tání, tuhnutí a hodnotě entalpie, zatímco SATEOS6 (obr. 13b) nevykazuje žádný rozdíl v teplotě a hodnotě entalpie ani po 30. cyklu ohřevu a ochlazování. Objemový SA vykazoval bod tání 72,10 °C, teplotu tuhnutí 64,69 °C a teplo tání a tuhnutí po prvním cyklu bylo 201,0 J/g a 194,10 J/g. Po 30. cyklu se bod tání těchto hodnot snížil na 71,24 °C, teplota tuhnutí klesla na 63,53 °C a hodnota entalpie se snížila o 10 %. Změny teplot tání a tuhnutí, stejně jako poklesy hodnot entalpie, naznačují, že objemový CA je nespolehlivý pro aplikace bez mikroenkapsulace. Po provedení správné mikroenkapsulace (SATEOS6) se však teploty tání a tuhnutí a hodnoty entalpie nemění (obr. 13b). Po mikroenkapsulaci s plášti SiO2 lze CA použít jako materiál s fázovou změnou v tepelných aplikacích, zejména ve stavebnictví, díky optimálním teplotám tání a tuhnutí a stabilní entalpii.
DSC křivky získané pro vzorky SA (a) a SATEOS6 (b) při 1. a 30. cyklu ohřevu a ochlazování.
V této studii bylo provedeno systematické zkoumání mikroenkapsulace s použitím SA jako jádrového materiálu a SiO2 jako materiálu obalu. TEOS se používá jako prekurzor pro vytvoření nosné vrstvy SiO2 a ochranné vrstvy na povrchu SA. Po úspěšné syntéze mikroenkapsulovaného SA výsledky FT-IR, XRD, XPS, SEM a EDS ukázaly přítomnost SiO2. SEM analýza ukazuje, že vzorek SATEOS6 vykazuje dobře definované sférické částice obklopené obaly SiO2 na povrchu SA. MEPCM s nižším obsahem SA však vykazuje aglomeraci, která snižuje výkon PCM. XPS analýza ukázala přítomnost Si-O-Si a Si-OH ve vzorcích mikrokapslí, což odhalilo adsorpci SiO2 na povrchu SA. Podle analýzy tepelného výkonu vykazuje SATEOS6 nejslibnější schopnost akumulace tepla s teplotami tání a tuhnutí 70,37 °C a 64,27 °C a latentním teplem tání a tuhnutí 182,53 J/g a 160,12 J/g. G. Maximální účinnost balení SATEOS6 je 86,68 %. Analýza tepelných cyklů TGA a DSC potvrdila, že SATEOS6 má stále dobrou tepelnou stabilitu a spolehlivost i po 30 procesech ohřevu a ochlazování.
Yang T., Wang XY a Li D. Analýza výkonnosti termochemického kompozitního adsorpčního systému na bázi pevných látek a plynu pro skladování tepelné energie a zlepšení jeho účinnosti. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. a Al-Hallaj, S. Přehled skladování energie s fázovou změnou: materiály a aplikace. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS a Saini JS Výkon přenosu tepla u systémů akumulace tepelné energie s využitím kapslí PCM: přehled. aktualizace. podpora. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. a Bruno, F. Přehled skladovacích materiálů a technologií pro zvýšení tepelného výkonu pro vysokoteplotní systémy skladování fázových změn. aktualizace. podpora. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Příprava a charakterizace nanoenkapsulovaných tepelně energetických materiálů s fázovou změnou na bázi n-tetradekanu. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. a Li, M. Syntéza nových kompozitních materiálů s fázovou změnou, které jsou stabilní ve svém tvaru, s použitím modifikovaných grafenových aerogelů pro přeměnu a skladování solární energie. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. a Fang, G. Morfologická charakterizace a aplikace materiálů s fázovou změnou v tepelném skladování energie: přehled. aktualizace. podpora. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).