Hvala, ker ste obiskali Nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljše rezultate priporočamo, da uporabite novejšo različico brskalnika (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju). Medtem, da bi zagotovili stalno podporo, spletno mesto prikazujemo brez stiliziranja ali JavaScripta.
Stearinska kislina (SA) se uporablja kot fazno spremenljiv material (PCM) v napravah za shranjevanje energije. V tej študiji je bila za mikrokapsulacijo površinsko aktivne snovi SiO2 uporabljena sol-gel metoda. Različne količine SA (5, 10, 15, 20, 30 in 50 g) so bile enkapsulirane v 10 ml tetraetil ortosilikata (TEOS). Sintetiziran mikrokapsuliran fazno spremenljiv material (MEPCM) je bil karakteriziran s Fourierjevo transformacijsko infrardečo spektroskopijo (FT-IR), rentgensko difrakcijo (XRD), rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo (XPS) in vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). Rezultati karakterizacije so pokazali, da je bil SA uspešno enkapsuliran s SiO2. Termogravimetrična analiza (TGA) je pokazala, da ima MEPCM boljšo toplotno stabilnost kot CA. Z uporabo diferencialne vrstične kalorimetrije (DSC) je bilo ugotovljeno, da se entalpijska vrednost MEPCM ni spremenila niti po 30 ciklih segrevanja in hlajenja. Med vsemi mikrokapsuliranimi vzorci je imelo 50 g SA, ki vsebuje MEPCM, najvišjo latentno toploto taljenja in strjevanja, ki je znašala 182,53 J/g oziroma 160,12 J/g. Vrednost učinkovitosti paketa je bila izračunana z uporabo toplotnih podatkov in najvišja učinkovitost je bila ugotovljena za isti vzorec, ki je znašala 86,68 %.
Približno 58 % energije, porabljene v gradbeni industriji, se porabi za ogrevanje in hlajenje stavb1. Zato je najpomembnejše ustvariti učinkovite energetske sisteme, ki upoštevajo onesnaženost okolja2. Tehnologija latentne toplote z uporabo fazno spremenljivih materialov (PCM) lahko shranjuje visoko energijo pri nizkih temperaturnih nihanjih3,4,5,6 in se lahko široko uporablja na področjih, kot so prenos toplote, shranjevanje sončne energije, vesoljska industrija in klimatizacija7,8,9. PCM podnevi absorbira toplotno energijo iz zunanjosti stavb in jo ponoči sprošča10. Zato se fazno spremenljivi materiali priporočajo kot materiali za shranjevanje toplotne energije. Poleg tega obstajajo različne vrste PCM, kot so trdno-trdno, trdno-tekoče, tekoče-plinsko in trdno-plinsko11. Med njimi so najbolj priljubljeni in pogosto uporabljeni fazno spremenljivi materiali trdno-trdno fazno spremenljivi materiali in trdno-tekoče fazno spremenljivi materiali. Vendar pa je njihova uporaba zelo težka zaradi ogromnih volumetričnih sprememb materialov s faznim prehodom tekočina-plin in trdno-plin.
PCM ima zaradi svojih lastnosti različne aplikacije: tisti, ki se talijo pri temperaturah pod 15 °C, se lahko uporabljajo v klimatskih napravah za vzdrževanje nizkih temperatur, tisti, ki se talijo pri temperaturah nad 90 °C, pa se lahko uporabljajo v ogrevalnih sistemih za preprečevanje požarov12. Glede na uporabo in območje tališča so bili iz različnih organskih in anorganskih kemikalij sintetizirani različni fazno spremenljivi materiali13,14,15. Parafin je najpogosteje uporabljen fazno spremenljivi material z visoko latentno toploto, nekorozivnostjo, varnostjo in širokim območjem tališča16,17,18,19,20,21.
Vendar pa je zaradi nizke toplotne prevodnosti fazno spremenljivih materialov treba te materiale enkapsulirati v lupino (zunanjo plast), da se prepreči puščanje osnovnega materiala med postopkom faznega prehoda22. Poleg tega lahko operativne napake ali zunanji tlak poškodujejo zunanjo plast (oblogo), staljeni fazno spremenljivi material pa lahko reagira z gradbenimi materiali, kar povzroči korozijo vgrajenih jeklenih palic in s tem zmanjša uporabnost stavbe23. Zato je pomembno sintetizirati enkapsulirane fazno spremenljive materiale z zadostno količino lupinskega materiala, kar lahko reši zgoraj navedene težave24.
Mikrokapsulacija fazno spremenljivih materialov lahko učinkovito poveča prenos toplote in zmanjša reaktivnost okolja ter nadzoruje spremembe volumna. Za enkapsulacijo PCM so bile razvite različne metode, in sicer medfazna polimerizacija25,26,27,28, polimerizacija in situ29,30,31,32, koacervacija33,34,35 in sol-gel postopki36,37,38,39. Za mikrokapsulacijo se lahko uporabi formaldehidna smola40,41,42,43. Kot ovojni materiali se uporabljajo melamin-formaldehidne in sečninsko-formaldehidne smole, ki med delovanjem pogosto oddajajo strupeni formaldehid. Zato je uporaba teh materialov v postopkih pakiranja prepovedana. Vendar pa je mogoče okolju prijazne fazno spremenljive materiale za skalabilno shranjevanje toplotne energije sintetizirati z uporabo hibridnih nanokapsul na osnovi maščobnih kislin in lignina44.
Zhang in sod.45 so sintetizirali lavrinsko kislino iz tetraetil ortosilikata in ugotovili, da se z naraščajočim volumskim razmerjem med metiltrietoksisilanom in tetraetil ortosilikatom latentna toplota zmanjšuje in povečuje površinska hidrofobnost. Lavrinska kislina je lahko potencialen in učinkovit jedrni material za kapok vlakna46. Poleg tega so Latibari in sod.47 sintetizirali PCM-je na osnovi stearinske kisline z uporabo TiO2 kot lupinskega materiala. Zhu in sod. so pripravili n-oktadekan in silikonske nanokapsule kot potencialne PCM-je48. Iz pregleda literature je težko razumeti priporočeni odmerek za tvorbo učinkovitih in stabilnih mikrokapsuliranih fazno spremenljivih materialov.
Zato je po avtorjevem vedenju količina fazno spremenljivega materiala, uporabljenega za mikrokapsulacijo, pomemben parameter za proizvodnjo učinkovitih in stabilnih mikrokapsuliranih fazno spremenljivih materialov. Uporaba različnih količin fazno spremenljivih materialov nam bo omogočila, da pojasnimo različne lastnosti in stabilnost mikrokapsuliranih fazno spremenljivih materialov. Stearinska kislina (maščobna kislina) je okolju prijazna, medicinsko pomembna in ekonomična snov, ki se lahko uporablja za shranjevanje toplotne energije, saj ima visoko entalpijo (~200 J/g) in lahko prenese temperature do 72 °C. Poleg tega je SiO2 negorljiv, zagotavlja večjo mehansko trdnost, toplotno prevodnost in boljšo kemično odpornost na jedrne materiale ter deluje kot pucolanski material v gradbeništvu. Ko se cement zmeša z vodo, lahko slabo enkapsulirani PCM-ji razpokajo zaradi mehanske obrabe in visokih temperatur (hidratacijske toplote), ki nastanejo v masivnih betonskih konstrukcijah. Zato lahko uporaba mikrokapsuliranega CA z lupino SiO2 reši to težavo. Zato je bil cilj te študije raziskati delovanje in učinkovitost PCM-jev, sintetiziranih s sol-gel postopkom, v gradbeništvu. V tem delu smo sistematično preučevali različne količine SA (kot osnovnega materiala) po 5, 10, 15, 20, 30 in 50 g, enkapsuliranih v SiO2 lupine. Fiksna količina tetraetilortosilikata (TEOS) v volumnu 10 ml je bila uporabljena kot predhodna raztopina za tvorbo SiO2 lupine.
Stearinska kislina reaktivne kakovosti (SA, C18H36O2, tališče: 72 °C) kot jedrni material je bila kupljena pri podjetju Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Južna Koreja. Tetraetilortosilikat (TEOS, C8H20O4Si) kot predhodna raztopina je bil kupljen pri podjetju Acros Organics, Geel, Belgija. Poleg tega sta bila absolutni etanol (EA, C2H5OH) in natrijev lavril sulfat (SLS, C12H25NaO4S) kupljena pri podjetju Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Južna Koreja, in sta bila uporabljena kot topila oziroma površinsko aktivne snovi. Kot topilo se uporablja tudi destilirana voda.
Različne količine SA so bile zmešane z različnimi deleži natrijevega lavril sulfata (SLS) v 100 ml destilirane vode z magnetnim mešalom pri 800 vrt/min in 75 °C 1 uro (tabela 1). Emulzije SA so bile razdeljene v dve skupini: (1) 5, 10 in 15 g SA je bilo zmešanih z 0,10 g SLS v 100 ml destilirane vode (SATEOS1, SATEOS2 in SATEOS3), (2) 20, 30 in 50 g SA je bilo zmešanih z 0,15, 0,20 in 0,25 g SLS je bilo zmešanih s 100 ml destilirane vode (SATEOS4, SATEOS5 in SATEOS6). 0,10 g SLS je bilo uporabljenih s 5, 10 in 15 g SA za tvorbo ustreznih emulzij. Nato je bilo predlagano povečanje števila SLS za SATEOS4, SATEOS5 in SATEOS6. Tabela 1 prikazuje razmerja CA in SLS, uporabljena za pridobitev stabilnih emulzijskih raztopin.
V 100 ml čašo dajte 10 ml TEOS, 10 ml etanola (EA) in 20 ml destilirane vode. Za preučevanje učinkovitosti enkapsulacije različnih razmerij lupin SA in SiO2 smo zabeležili koeficient sinteze vseh vzorcev. Zmes smo mešali z magnetnim mešalom pri 400 vrt/min in 60 °C 1 uro. Raztopino predhodnika smo nato po kapljicah dodali pripravljeni emulziji SA, jo močno mešali pri 800 vrt/min in 75 °C 2 uri ter filtrirali, da smo dobili bel prah. Beli prah smo sprali z destilirano vodo, da smo odstranili preostalo SA, in ga sušili v vakuumski pečici pri 45 °C 24 ur. Tako smo dobili mikroenkapsulirano SC z lupino SiO2. Celoten postopek sinteze in priprave mikroenkapsulirane SA je prikazan na sliki 1.
Mikrokapsule SA z lupino SiO2 so bile pripravljene s sol-gel metodo, njihov mehanizem enkapsulacije pa je prikazan na sliki 2. Prvi korak vključuje pripravo emulzije SA v vodni raztopini s SLS kot površinsko aktivno snovjo. V tem primeru se hidrofobni konec molekule SA veže na SLS, hidrofilni konec pa na molekule vode, kar tvori stabilno emulzijo. Tako so hidrofobni deli SLS zaščiteni in prekrijejo površino kapljice SA. Po drugi strani pa hidroliza raztopin TEOS poteka počasi z molekulami vode, kar vodi do nastanka hidroliziranega TEOS v prisotnosti etanola (slika 2a) 49,50,51. Hidroliziran TEOS je podvržen kondenzacijski reakciji, med katero n-hidroliziran TEOS tvori silicijeve grozde (slika 2b). Silicijeve grozde je enkapsuliral SA52 v prisotnosti SLS (slika 2c), kar imenujemo postopek mikrokapsulacije.
Shematski diagram mikrokapsulacije CA z lupino SiO2 (a) hidroliza TEOS (b) kondenzacija hidrolizata in (c) enkapsulacija CA z lupino SiO2.
Kemijsko analizo razsutega oksida SA in mikrokapsuliranega oksida SA smo izvedli z uporabo infrardečega spektrometra s Fourierjevo transformacijo (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, ZDA), spektri pa smo posneli v območju od 500 do 4000 cm-1.
Za analizo faz SA v razsutem stanju in materialov mikrokapsul je bil uporabljen rentgenski difraktometer (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japonska). Rentgensko strukturno skeniranje je bilo izvedeno v območju 2θ = 5°–95° s hitrostjo skeniranja 4°/min, z uporabo sevanja Cu-Kα (λ = 1,541 Å), delovnimi pogoji 25 kV in 100 mA, v načinu neprekinjenega skeniranja. Rentgenske slike so bile zgrajene v območju 2θ = 5–50°, saj v nobenem vzorcu ni bil opažen vrh po 50°.
Rentgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS, Scienta Omicron R3000, ZDA) je bila izvedena z uporabo AlKα (1486,6 eV) kot vira rentgenskih žarkov za razumevanje kemijskega stanja SA v razsutem stanju in elementov, prisotnih v enkapsulacijskem materialu. Zbrani XPS spektri so bili kalibrirani na vrh C1s z uporabo eksotičnega ogljika (vezavna energija 284,6 eV). Po korekciji ozadja z uporabo Shirleyjeve metode so bili visokoločljivostni vrhovi vsakega elementa dekonvoluirani in prilagojeni Gaussovim/Lorentzovim funkcijam z uporabo programske opreme CASA XPS.
Morfologijo razsutega SC in mikrokapsuliranega SC smo pregledali z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Češka), opremljeno z energijsko disperzijsko rentgensko spektroskopijo (EDS) pri 15 kV. Pred slikanjem s SEM smo vzorce prevlekli s platino (Pt), da bi se izognili učinkom naboja.
Termične lastnosti (tališče/strjevanje in latentna toplota) in zanesljivost (termično cikliranje) so bile določene z diferencialno vrstično kalorimetrijo (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, ZDA) pri hitrosti segrevanja/hlajenja 10 °C/min pri 40 °C in 90 °C z neprekinjenim prepihovanjem z dušikom. Analiza izgube teže je bila izvedena z uporabo TGA analizatorja (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, ZDA) v neprekinjenem toku dušika, začenši pri temperaturi 40–600 °C, s hitrostjo segrevanja 10 °C/min.
Slika 3 prikazuje FTIR spektre SC v razsutem stanju kot tudi mikrokapsuliranega SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 in SATEOS6). Absorpcijski vrhovi pri 2910 cm-1 in 2850 cm-1 v vseh vzorcih (SA kot tudi mikrokapsulirani SA) so pripisani simetričnim vibracijam raztezanja skupin –CH3 oziroma –CH210,50. Vrh pri 1705 cm-1 ustreza vibracijskemu raztezanju vezi C=O. Vrhova pri 1470 cm-1 in 1295 cm-1 sta pripisana upogibnemu vibracijskemu delovanju funkcionalne skupine –OH v ravnini, medtem ko vrhova pri 940 cm-1 in 719 cm-1 ustrezata vibracijskemu delovanju funkcionalne skupine –OH v ravnini oziroma deformacijskemu vibracijskemu delovanju. Pri vseh mikrokapsuliranih SA so opazili tudi absorpcijske vrhove SA pri 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 in 719 cm-1. Poleg tega je bil v mikrokapsuli SA opažen na novo odkriti vrh pri 1103 cm-1, ki ustreza antisimetrični vibraciji raztezanja pasu Si-O-Si. Rezultati FT-IR so skladni z Yuanom in sod.50. Uspešno so pripravili mikrokapsulirani SA v razmerju amonijak/etanol in ugotovili, da ni prišlo do kemične interakcije med SA in SiO2. Rezultati trenutne študije FT-IR kažejo, da je lupina SiO2 uspešno enkapsulirala SA (jedro) s postopkom kondenzacije in polimerizacije hidroliziranega TEOS. Pri nižji vsebnosti SA je intenzivnost vrhov pasu Si-O-Si višja (slika 3b-d). Ko se količina SA poveča na več kot 15 g, se intenzivnost vrha in razširitev pasu Si-O-Si postopoma zmanjšujeta, kar kaže na nastanek tanke plasti SiO2 na površini SA.
FTIR spektri (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 in (g) SATEOS6.
XRD vzorci razsutega SA in mikrokapsuliranega SA so prikazani na sliki 4. XRD vrhovi se nahajajo pri 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}v skladu z JCPDS št. 0381923, 02)\), 21,42° v vseh vzorcih (311), 24,04° (602) in 39,98° (913) pa so dodeljeni SA. Popačenje in hibridnost z razsutim CA zaradi negotovih dejavnikov, kot so površinsko aktivna snov (SLS), druge ostanke snovi in ​​mikrokapsulacija SiO250. Po enkapsulaciji se intenzivnost glavnih vrhov (300), (500), (311) in (602) postopoma zmanjšuje v primerjavi z razsutim CA, kar kaže na zmanjšanje kristaliničnosti vzorca.
XRD vzorci (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 in (g) SATEOS6.
Intenzivnost SATEOS1 se v primerjavi z drugimi vzorci močno zmanjša. V nobenem mikrokapsuliranem vzorcu niso bili opaženi drugi vrhovi (slika 4b–g), kar potrjuje, da na površini SA pride do fizikalne adsorpcije SiO252 in ne do kemične interakcije. Poleg tega je bilo ugotovljeno tudi, da mikrokapsulacija SA ni povzročila pojava novih struktur. SiO2 ostane nedotaknjen na površini SA brez kakršne koli kemične reakcije, in ko se količina SA zmanjša, obstoječi vrhovi postanejo bolj očitni (SATEOS1). Ta rezultat kaže, da SiO2 v glavnem enkapsulira površino SA. Vrh pri (700) popolnoma izgine, vrh pri (5O2) pa se v SATEOS 1 spremeni v grbo (slika 4b), kar je povezano z zmanjšano kristaliničnostjo in povečanim amorfizmom. SiO2 je amorfne narave, zato imajo vrhovi, opaženi od 2θ = 19° do 25°, grbo in razširitev53 (slika 4b–g), kar potrjuje obstoj amorfnega SiO252. Nižja intenzivnost difrakcijskega vrha mikrokapsuliranega SA je posledica nukleacijskega učinka notranje stene silicijevega dioksida in omejujočega kristalizacijskega obnašanja49. Domneva se, da se pri nižji vsebnosti SA tvori debelejša silicijeva lupina zaradi prisotnosti velike količine TEOS, ki se v veliki meri adsorbira na zunanji površini SA. Vendar pa se z naraščanjem količine SA površina kapljic SA v emulzijski raztopini povečuje in za pravilno enkapsulacijo je potrebnih več TEOS. Zato se pri višji vsebnosti SA vrh SiO2 v FT-IR potlači (slika 3), intenzivnost difrakcijskega vrha blizu 2θ = 19–25° v XRF (slika 4) pa se zmanjša, prav tako pa se zmanjša tudi razširitev. Ni vidno. Vendar pa, kot je razvidno iz slike 4, takoj ko se količina SA poveča s 5 g (SATEOS1) na 50 g (SATEOS6), vrhovi postanejo zelo blizu SA v razsutem stanju, vrh pri (700) pa se pojavi pri vseh identificiranih intenzivnostih vrhov. Ta rezultat se ujema z rezultati FT-IR, kjer se intenzivnost vrha SiO2 SATEOS6 zmanjša pri 1103 cm-1 (slika 3g).
Kemijska stanja elementov, prisotnih v SA, SATEOS1 in SATEOS6, so prikazana na slikah 1 in 2. Slike 5, 6, 7 in 8 ter v tabeli 2. Merilni posnetki za SA, SATEOS1 in SATEOS6 v razsutem stanju so prikazani na sliki 5, posnetki visoke ločljivosti za C 1s, O 1s in Si 2p pa na slikah 5, 6, 7 in 8 ter v tabeli 2.6, 7 in 8. Vrednosti vezavne energije, pridobljene z XPS, so povzete v tabeli 2. Kot je razvidno iz slike 5, so bili v SATEOS1 in SATEOS6 opaženi očitni vrhovi Si 2s in Si 2p, kjer je prišlo do mikrokapsulacije lupine SiO2. Prejšnji raziskovalci so poročali o podobnem vrhu Si 2s pri 155,1 eV54. Prisotnost vrhov Si v SATEOS1 (slika 5b) in SATEOS6 (slika 5c) potrjuje podatke FT-IR (slika 3) in XRD (slika 4).
Kot je prikazano na sliki 6a, ima C 1s v razsutem stanju SA tri različne vrhove: CC, kalifatski in O=C=O pri vezavni energiji, ki znašajo 284,5 eV, 285,2 eV oziroma 289,5 eV. Vrhove C–C, kalifatski in O=C=O so opazili tudi pri SATEOS1 (slika 6b) in SATEOS6 (slika 6c) in so povzeti v tabeli 2. Poleg tega vrh C 1s ustreza tudi dodatnemu vrha Si-C pri 283,1 eV (SATEOS1) in 283,5 eV (SATEOS6). Naše opazovane vezavne energije za C–C, kalifatski, O=C=O in Si–C se dobro ujemajo z drugimi viri55,56.
XPS spektri O1SA, SATEOS1 in SATEOS6 so prikazani na slikah 7a–c. Vrh O1s v razsutem stanju SA je dekonvoluiran in ima dva vrhova, in sicer C=O/C–O (531,9 eV) in C–O–H (533,0 eV), medtem ko sta O1 pri SATEOS1 in SATEOS6 skladna. Obstajajo le trije vrhovi: C=O/C–O, C–O–H in Si–OH55,57,58. Vezavna energija O1s v SATEOS1 in SATEOS6 se nekoliko spremeni v primerjavi z razsutim stanjem SA, kar je povezano s spremembo kemičnega fragmenta zaradi prisotnosti SiO2 in Si-OH v materialu lupine.
Spektri Si 2p XPS za SATEOS1 in SATEOS6 so prikazani na sliki 8a oziroma b. V razsutem stanju CA Si 2p ni bil opažen zaradi odsotnosti SiO2. Vrh Si 2p ustreza 105,4 eV za SATEOS1 in 105,0 eV za SATEOS6, kar ustreza Si-O-Si, medtem ko je vrh SATEOS1 103,5 eV in vrh SATEOS6 103,3 eV, kar ustreza Si-OH55. Prilagajanje vrhov Si-O-Si in Si-OH v SATEOS1 in SATEOS6 je pokazalo uspešno mikrokapsulacijo SiO2 na površini jedra SA.
Morfologija mikrokapsuliranega materiala je zelo pomembna, saj vpliva na topnost, stabilnost, kemijsko reaktivnost, pretočnost in trdnost59. Zato je bil za karakterizacijo morfologije razsutega SA (100×) in mikrokapsuliranega SA (500×) uporabljen SEM, kot je prikazano na sliki 9. Kot je razvidno iz slike 9a, ima blok SA eliptično obliko. Velikost delcev presega 500 mikronov. Ko pa se postopek mikrokapsulacije nadaljuje, se morfologija dramatično spremeni, kot je prikazano na slikah 9 b–g.
SEM slike (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 in (g) SATEOS6 pri ×500.
V vzorcu SATEOS1 so opazni manjši kvazisferični delci SA, zaviti v SiO2, z hrapavo površino (slika 9b), kar je lahko posledica hidrolize in kondenzacijske polimerizacije TEOS na površini SA, kar pospešuje hitro difuzijo molekul etanola. Posledično se delci SiO2 odlagajo in opazimo aglomeracijo52,60. Ta lupina SiO2 zagotavlja mehansko trdnost mikrokapsuliranim delcem CA in preprečuje tudi puščanje staljenega CA pri višjih temperaturah10. Ta rezultat kaže, da se mikrokapsule SA, ki vsebujejo SiO2, lahko uporabljajo kot potencialni materiali za shranjevanje energije61. Kot je razvidno iz slike 9b, ima vzorec SATEOS1 enakomerno porazdelitev delcev z debelo plastjo SiO2, ki obdaja SA. Velikost delcev mikrokapsuliranega SA (SATEOS1) je približno 10–20 μm (slika 9b), kar je bistveno manjše v primerjavi z razsutim SA zaradi nižje vsebnosti SA. Debelina plasti mikrokapsul je posledica hidrolize in kondenzacijske polimerizacije raztopine predhodnika. Do aglomeracije pride pri nižjih odmerkih SA, tj. do 15 g (slika 9b-d), takoj ko pa se odmerek poveča, aglomeracije ni opaziti, temveč so opazni jasno definirani sferični delci (slika 9e-g) 62.
Poleg tega, ko je količina površinsko aktivne snovi SLS konstantna, vsebnost SA (SATEOS1, SATEOS2 in SATEOS3) vpliva tudi na učinkovitost, obliko in porazdelitev velikosti delcev. Tako je bilo ugotovljeno, da ima SATEOS1 manjšo velikost delcev, enakomerno porazdelitev in gosto površino (slika 9b), kar je bilo pripisano hidrofilni naravi SA, ki spodbuja sekundarno nukleacijo pri konstantni površinsko aktivni snovi63. Domneva se, da se bo s povečanjem vsebnosti SA s 5 na 15 g (SATEOS1, SATEOS2 in SATEOS3) in uporabo konstantne količine površinsko aktivne snovi, tj. 0,10 g SLS (tabela 1), prispevek vsakega delca molekule površinsko aktivne snovi zmanjšal, s čimer se bo zmanjšala velikost delcev in velikost delcev. Porazdelitev SATEOS2 (slika 9c) in SATEOS3 (slika 9d) se razlikuje od porazdelitve SATEOS 1 (slika 9b).
V primerjavi s SATEOS1 (slika 9b) je SATEOS2 pokazal gosto morfologijo mikroinkapsulirane SA, velikost delcev pa se je povečala (slika 9c). To je posledica aglomeracije 49, ki zmanjša hitrost koagulacije (slika 2b). Ko se količina SC povečuje z naraščajočim SLS, postanejo mikrokapsule jasno vidne, kot je prikazano na sliki, kako pride do agregacije. Poleg tega slike 9e–g kažejo, da so vsi delci jasno okrogle oblike in velikosti. Ugotovljeno je bilo, da je v prisotnosti velikih količin SA mogoče dobiti ustrezno količino silicijevih oligomerov, kar povzroči ustrezno kondenzacijo in inkapsulacijo ter s tem nastanek dobro definiranih mikrokapsul 49. Iz rezultatov SEM je razvidno, da je SATEOS6 tvoril ustrezne mikrokapsule v primerjavi z majhno količino SA.
Rezultati energijsko disperzijske rentgenske spektroskopije (EDS) razsutega SA in mikrokapsuliranega SA so predstavljeni v tabeli 3. Kot je razvidno iz te tabele, se vsebnost Si postopoma zmanjšuje od SATEOS1 (12,34 %) do SATEOS6 (2,68 %). Povečanje vsebnosti SA. Zato lahko rečemo, da povečanje količine SA vodi do zmanjšanja odlaganja SiO2 na površini SA. Zaradi polkvantitativne analize EDS51 v tabeli 3 ni konsistentnih vrednosti za vsebnost C in O. Vsebnost Si v mikrokapsuliranem SA je bila korelirana z rezultati FT-IR, XRD in XPS.
Taljenje in strjevanje razsutega SA ter mikroenkapsuliranega SA z lupino SiO2 sta prikazana na slikah 1 in 2. Prikazana sta na slikah 10 oziroma 11, toplotni podatki pa so prikazani v tabeli 4. Ugotovljeno je bilo, da se temperature taljenja in strjevanja mikroenkapsuliranega SA razlikujejo. Z naraščanjem količine SA se temperature taljenja in strjevanja zvišajo in približajo vrednostim razsutega SA. Po mikroenkapsulaciji SA silicijeva stena zviša temperaturo kristalizacije, njena stena pa deluje kot jedro za spodbujanje heterogenosti. Zato se z naraščanjem količine SA postopoma zvišujeta tudi temperaturi taljenja (slika 10) in strjevanja (slika 11)49,51,64. Med vsemi vzorci mikroenkapsuliranega SA je SATEOS6 pokazal najvišje temperature taljenja in strjevanja, sledili pa so mu SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 in SATEOS1.
SATEOS1 kaže najnižjo tališče (68,97 °C) in temperaturo strjevanja (60,60 °C), kar je posledica manjše velikosti delcev, pri kateri je gibanje delcev SA znotraj mikrokapsul zelo majhno, lupina SiO2 pa tvori debelo plast, zato jedrni material omejuje raztezanje in gibanje49. Ta hipoteza je povezana z rezultati SEM, kjer je SATEOS1 pokazal manjšo velikost delcev (slika 9b), kar je posledica dejstva, da so molekule SA omejene na zelo majhno površino mikrokapsul. Razlika v temperaturi taljenja in strjevanja glavne mase, kot tudi vseh mikrokapsul SA z lupinami SiO2, je v območju od 6,10 do 8,37 °C. Ta rezultat kaže, da se mikrokapsulirana SA lahko uporablja kot potencialni material za shranjevanje energije zaradi dobre toplotne prevodnosti lupine SiO265.
Kot je razvidno iz tabele 4, ima SATEOS6 najvišjo entalpijo med vsemi mikrokapsuliranimi SC (slika 9g) zaradi pravilne enkapsulacije, ki jo je opazil SEM. Hitrost pakiranja SA lahko izračunamo z enačbo (1). (1) S primerjavo podatkov o latentni toploti mikrokapsuliranega SA49.
Vrednost R predstavlja stopnjo enkapsulacije (%) mikrokapsuliranega SC, ΔHMEPCM,m predstavlja latentno toploto taljenja mikrokapsuliranega SC in ΔHPCM,m predstavlja latentno toploto taljenja SC. Poleg tega se kot še en pomemben tehnični parameter izračuna učinkovitost pakiranja (%), kot je prikazano v enačbi (1). (2)49.
Vrednost E predstavlja učinkovitost enkapsulacije (%) mikrokapsuliranega CA, ΔHMEPCM,s predstavlja latentno toploto strjevanja mikrokapsuliranega CA in ΔHPCM,s predstavlja latentno toploto strjevanja CA.
Kot je prikazano v tabeli 4, sta stopnja pakiranja in učinkovitost SATEOS1 71,89 % oziroma 67,68 %, stopnja pakiranja in učinkovitost SATEOS6 pa 90,86 % oziroma 86,68 % (tabela 4). Vzorec SATEOS6 ima najvišji koeficient in učinkovitost enkapsulacije med vsemi mikrokapsuliranimi SA, kar kaže na njegovo visoko toplotno kapaciteto. Zato prehod iz trdnega v tekoče stanje zahteva velike količine energije. Poleg tega razlika v temperaturah taljenja in strjevanja vseh mikrokapsul SA in SA v razsutem stanju med postopkom hlajenja kaže, da je silikatna lupina med sintezo mikrokapsul prostorsko omejena. Rezultati torej kažejo, da se z naraščanjem količine SC postopoma povečujeta hitrost in učinkovitost enkapsulacije (tabela 4).
TGA krivulje razsutega SA in mikrokapsuliranega SA z lupino SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 in SATEOS6) so prikazane na sliki 12. Lastnosti toplotne stabilnosti razsutega SA (SATEOS1, SATEOS3 in SATEOS6) so bile primerjane z mikrokapsuliranimi vzorci. Iz TGA krivulje je razvidno, da izguba teže razsutega SA kot tudi mikrokapsuliranega SA kaže gladek in zelo majhen upad od 40 °C do 190 °C. Pri tej temperaturi se razsuti SC ne termično razgradi, medtem ko mikrokapsulirani SC sprošča adsorbirano vodo tudi po 24-urnem sušenju pri 45 °C. To je povzročilo rahlo izgubo teže,49 vendar se je material po tej temperaturi začel razgrajevati. Pri nižji vsebnosti SA (tj. SATEOS1) je vsebnost adsorbirane vode višja in zato je izguba mase do 190 °C višja (vložek na sliki 12). Takoj ko temperatura naraste nad 190 °C, vzorec začne izgubljati maso zaradi procesov razgradnje. Razpad AS se začne pri 190 °C in pri 260 °C ostane le 4 %, medtem ko SATEOS1, SATEOS3 in SATEOS6 pri tej temperaturi ohranijo 50 %, 20 % oziroma 12 % mase. Po 300 °C je bila izguba mase AS približno 97,60 %, medtem ko je bila izguba mase SATEOS1, SATEOS3 in SATEOS6 približno 54,20 %, 82,40 % oziroma 90,30 %. Z naraščanjem vsebnosti AS se vsebnost SiO2 zmanjšuje (tabela 3), na SEM pa je opaziti tanjšanje lupine (slika 9). Izguba teže mikroinkapsuliranega SA je torej manjša v primerjavi z razsutim SA, kar je razloženo z ugodnimi lastnostmi lupine SiO2, ki spodbuja nastanek ogljikove silikatno-ogljikove plasti na površini SA, s čimer izolira jedro SA in upočasni sproščanje nastalih hlapnih produktov10. Ta ogljena plast tvori fizično zaščitno pregrado med termičnim razpadom, ki omejuje prehod vnetljivih molekul v plinsko fazo66,67. Poleg tega lahko opazimo tudi znatne rezultate izgube teže: SATEOS1 kaže nižje vrednosti v primerjavi s SATEOS3, SATEOS6 in SA. To je zato, ker je količina SA v SATEOS1 manjša kot v SATEOS3 in SATEOS6, kjer lupina SiO2 tvori debelo plast. Nasprotno pa skupna izguba teže razsutega SA doseže 99,50 % pri 415 °C. Vendar pa so SATEOS1, SATEOS3 in SATEOS6 pri 415 °C pokazali 62,50 %, 85,50 % oziroma 93,76 % izgubo teže. Ta rezultat kaže, da dodatek TEOS izboljša razgradnjo SA z tvorbo plasti SiO2 na površini SA. Te plasti lahko tvorijo fizično zaščitno pregrado, zato je mogoče opaziti izboljšanje toplotne stabilnosti mikrokapsulirane CA.
Rezultati toplotne zanesljivosti razsutega SA in najboljšega mikrokapsuliranega vzorca (tj. SATEOS 6) po 30 ciklih segrevanja in hlajenja DSC51,52 so prikazani na sliki 13. Vidimo lahko, da razsuti SA (slika 13a) ne kaže nobene razlike v temperaturi taljenja, strjevanju in entalpiji, medtem ko SATEOS6 (slika 13b) ne kaže nobene razlike v temperaturi in entalpiji niti po 30. ciklu segrevanja in hlajenja. Razsuti SA je pokazal tališče 72,10 °C, temperaturo strjevanja 64,69 °C, talilna toplota in toplota strjevanja pa sta bili po prvem ciklu 201,0 J/g oziroma 194,10 J/g. Po 30. ciklu se je tališče teh vrednosti znižalo na 71,24 °C, temperatura strjevanja se je znižala na 63,53 °C, vrednost entalpije pa se je znižala za 10 %. Spremembe temperatur taljenja in strjevanja ter zmanjšanje vrednosti entalpije kažejo, da je CA v razsutem stanju nezanesljiv za aplikacije, ki niso povezane z mikrokapsulacijo. Vendar pa se po ustrezni mikrokapsulaciji (SATEOS6) temperature taljenja in strjevanja ter vrednosti entalpije ne spremenijo (slika 13b). Ko je CA mikrokapsuliran z lupinami SiO2, se lahko uporablja kot material za fazno spremembo v toplotnih aplikacijah, zlasti v gradbeništvu, zaradi optimalnih temperatur taljenja in strjevanja ter stabilne entalpije.
DSC krivulje, pridobljene za vzorca SA (a) in SATEOS6 (b) pri 1. in 30. ciklu segrevanja in hlajenja.
V tej študiji je bila izvedena sistematična raziskava mikrokapsulacije z uporabo SA kot jedrnega materiala in SiO2 kot lupinskega materiala. TEOS se uporablja kot predhodnik za tvorbo nosilne plasti SiO2 in zaščitne plasti na površini SA. Po uspešni sintezi mikrokapsulirane SA so rezultati FT-IR, XRD, XPS, SEM in EDS pokazali prisotnost SiO2. SEM analiza kaže, da ima vzorec SATEOS6 dobro definirane sferične delce, obdane z lupinami SiO2 na površini SA. Vendar pa MEPCM z nižjo vsebnostjo SA kaže aglomeracijo, kar zmanjšuje učinkovitost PCM. XPS analiza je pokazala prisotnost Si-O-Si in Si-OH v vzorcih mikrokapsul, kar je razkrilo adsorpcijo SiO2 na površini SA. Glede na analizo toplotne učinkovitosti kaže SATEOS6 najobetavnejšo sposobnost shranjevanja toplote, s temperaturami taljenja in strjevanja 70,37 °C oziroma 64,27 °C ter latentno toploto taljenja in strjevanja 182,53 J/g oziroma 160,12 J/g. G. Največja učinkovitost pakiranja SATEOS6 je 86,68 %. Analiza toplotnega cikla TGA in DSC je potrdila, da ima SATEOS6 še vedno dobro toplotno stabilnost in zanesljivost tudi po 30 procesih segrevanja in hlajenja.
Yang T., Wang XY in Li D. Analiza učinkovitosti termokemičnega adsorpcijskega sistema na osnovi trdnih snovi in ​​plina za shranjevanje toplotne energije in izboljšanje njegove učinkovitosti. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. in Al-Hallaj, S. Pregled shranjevanja energije s fazno spremembo: materiali in uporaba. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS in Saini JS Učinkovitost prenosa toplote sistemov za shranjevanje toplotne energije z uporabo PCM kapsul: pregled. posodobitev. podpora. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. in Bruno, F. Pregled materialov za shranjevanje in tehnologij za izboljšanje toplotne učinkovitosti za sisteme za shranjevanje toplote s fazno spremembo pri visokih temperaturah. posodobitev. podpora. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Priprava in karakterizacija nanoenkapsuliranih fazno spremenljivih materialov na osnovi n-tetradekana s toplotno energijo. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. in Li, M. Sinteza novih fazno spremenljivih kompozitnih materialov s stabilno obliko z uporabo modificiranih grafenskih aerogelov za pretvorbo in shranjevanje sončne energije. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. in Fang, G. Morfološka karakterizacija in uporaba fazno spremenljivih materialov pri shranjevanju toplotne energije: pregled. posodobitev. podpora. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).