Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращих результатів рекомендуємо використовувати новішу версію браузера (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображаємо сайт без стилізації та JavaScript.
Стеаринова кислота (СК) використовується як матеріал фазового переходу (ФПМ) у пристроях накопичення енергії. У цьому дослідженні для мікроінкапсуляції поверхнево-активної речовини SiO2 було використано золь-гель метод. Різні кількості СК (5, 10, 15, 20, 30 та 50 г) були інкапсульовані в 10 мл тетраетилортосиликату (TEOS). Синтезований мікроінкапсульований матеріал фазового переходу (МЕПКМ) був охарактеризований за допомогою інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FT-IR), рентгенівської дифракції (XRD), рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS) та скануючої електронної мікроскопії (SEM). Результати характеристики показали, що СК був успішно інкапсульований SiO2. Термогравіметричний аналіз (TGA) показав, що МЕПКМ має кращу термічну стабільність, ніж КА. За допомогою диференціальної скануючої калориметрії (DSC) було виявлено, що значення ентальпії МЕПКМ не змінилося навіть після 30 циклів нагрівання-охолодження. Серед усіх мікрокапсульованих зразків, 50 г SA, що містить MEPCM, мали найвищу приховану теплоту плавлення та затвердіння, яка становила 182,53 Дж/г та 160,12 Дж/г відповідно. Значення ефективності упаковки було розраховано з використанням теплових даних, і найвища ефективність була виявлена ​​для того ж зразка, яка становила 86,68%.
Приблизно 58% енергії, що використовується в будівельній галузі, використовується для опалення та охолодження будівель1. Тому найнеобхідніше – створити ефективні енергетичні системи, що враховують забруднення навколишнього середовища2. Технологія латентного тепла з використанням матеріалів з фазовим переходом (PCM) може накопичувати високу енергію при низьких коливаннях температури3,4,5,6 і може широко використовуватися в таких галузях, як теплопередача, накопичення сонячної енергії, аерокосмічна галузь та кондиціонування повітря7,8,9. PCM поглинає теплову енергію із зовнішніх поверхонь будівель протягом дня та вивільняє енергію вночі10. Тому матеріали з фазовим переходом рекомендуються як матеріали для накопичення теплової енергії. Крім того, існують різні типи PCM, такі як тверде тіло-тверде тіло, тверде тіло-рідина, рідина-газ та тверде тіло-газ11. Серед них найпопулярнішими та найчастіше використовуваними матеріалами з фазовим переходом є матеріали з фазовим переходом тверде тіло-тверде тіло та матеріали з фазовим переходом тверде тіло-рідина. Однак їх застосування дуже складне через величезні об'ємні зміни матеріалів з фазовим переходом рідина-газ та тверде тіло-газ.
Завдяки своїм властивостям, PCM має різноманітне застосування: ті, що плавляться за температури нижче 15°C, можна використовувати в системах кондиціонування повітря для підтримки низьких температур, а ті, що плавляться за температури вище 90°C, можна використовувати в системах опалення для запобігання пожежам12. Залежно від застосування та діапазону температур плавлення, різні матеріали з фазовим переходом були синтезовані з різних органічних та неорганічних хімічних речовин13,14,15. Парафін є найпоширенішим матеріалом з фазовим переходом, що має високу приховану теплоту, неагресивність, безпеку та широкий діапазон температур плавлення16,17,18,19,20,21.
Однак, через низьку теплопровідність матеріалів з фазовим переходом, їх необхідно інкапсулювати в оболонку (зовнішній шар), щоб запобігти витоку основного матеріалу під час процесу фазового переходу22. Крім того, експлуатаційні помилки або зовнішній тиск можуть пошкодити зовнішній шар (обшивку), а розплавлений матеріал з фазовим переходом може реагувати з будівельними матеріалами, викликаючи корозію вбудованих сталевих стрижнів, тим самим знижуючи експлуатаційну придатність будівлі23. Тому важливо синтезувати інкапсульовані матеріали з фазовим переходом з достатньою кількістю матеріалу оболонки, що може вирішити вищезазначені проблеми24.
Мікрокапсулювання матеріалів з фазовим переходом може ефективно збільшити теплопередачу та зменшити реакційну здатність навколишнього середовища, а також контролювати зміни об'єму. Для інкапсуляції PCM було розроблено різні методи, а саме: міжфазна полімеризація25,26,27,28, полімеризація in situ29,30,31,32, коацервація33,34,35 та золь-гель процеси36,37,38,39. Для мікрокапсуляції може використовуватися формальдегідна смола40,41,42,43. Як матеріали оболонки використовуються меламін-формальдегідні та сечовиноформальдегідні смоли, які часто виділяють токсичний формальдегід під час роботи. Тому ці матеріали заборонено використовувати в процесах упаковки. Однак екологічно чисті матеріали з фазовим переходом для масштабованого накопичення теплової енергії можна синтезувати за допомогою гібридних нанокапсул на основі жирних кислот та лігніну44.
Zhang та ін.45 синтезували лауринову кислоту з тетраетилортосилікату та дійшли висновку, що зі збільшенням об'ємного співвідношення метилтриетоксисилану до тетраетилортосилікату прихована теплота зменшується, а поверхнева гідрофобність зростає. Лауринова кислота може бути потенційним та ефективним матеріалом ядра для капокових волокон46. Крім того, Latibari та ін.47 синтезували PCM на основі стеаринової кислоти, використовуючи TiO2 як матеріал оболонки. Zhu та ін. приготували n-октадекан та силіконові нанокапсули як потенційні PCM48. З огляду літератури важко зрозуміти рекомендоване дозування для формування ефективних та стабільних мікрокапсульованих фазово-перехідних матеріалів.
Отже, наскільки відомо авторам, кількість фазопрохідного матеріалу, що використовується для мікрокапсуляції, є важливим параметром для виробництва ефективних та стабільних мікрокапсульованих фазопрохідних матеріалів. Використання різної кількості фазопрохідних матеріалів дозволить нам з'ясувати різні властивості та стабільність мікрокапсульованих фазопрохідних матеріалів. Стеаринова кислота (жирна кислота) – це екологічно чиста, медично важлива та економічна речовина, яку можна використовувати для накопичення теплової енергії, оскільки вона має високе значення ентальпії (~200 Дж/г) та може витримувати температури до 72 °C. Крім того, SiO2 негорючий, забезпечує вищу механічну міцність, теплопровідність та кращу хімічну стійкість до основних матеріалів, а також діє як пуцолановий матеріал у будівництві. Коли цемент змішують з водою, погано інкапсульовані PCM можуть тріскатися через механічний знос та високі температури (теплота гідратації), що утворюються в масивних бетонних конструкціях. Тому використання мікрокапсульованого CA з оболонкою SiO2 може вирішити цю проблему. Отже, метою цього дослідження було дослідити продуктивність та ефективність PCM, синтезованих золь-гель методом, у будівельних застосуваннях. У цій роботі ми систематично вивчали різні кількості SA (як базового матеріалу) вагою 5, 10, 15, 20, 30 та 50 г, інкапсульованих в оболонки SiO2. Фіксовану кількість тетраетилортосилікату (TEOS) в об'ємі 10 мл використовували як розчин-попередник для формування оболонки SiO2.
Стеаринова кислота реакційноздатного класу (SA, C18H36O2, температура плавлення: 72°C) як основний матеріал була придбана у Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Кьонгі-до, Південна Корея. Тетраетилортосиликат (TEOS, C8H20O4Si) як розчин-попередник був придбаний у Acros Organics, Геель, Бельгія. Крім того, абсолютний етанол (EA, C2H5OH) та лаурилсульфат натрію (SLS, C12H25NaO4S) були придбані у Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Кьонгі-до, Південна Корея, і використовувалися як розчинники та поверхнево-активні речовини відповідно. Дистильована вода також використовується як розчинник.
Різну кількість SA змішували з різними пропорціями лаурилсульфату натрію (SLS) у 100 мл дистильованої води за допомогою магнітної мішалки при 800 об/хв та температурі 75 °C протягом 1 години (Таблиця 1). Емульсії SA були розділені на дві групи: (1) 5, 10 та 15 г SA змішували з 0,10 г SLS у 100 мл дистильованої води (SATEOS1, SATEOS2 та SATEOS3), (2) 20, 30 та 50 г SA змішували з 0,15, 0,20 та 0,25 г SLS змішували зі 100 мл дистильованої води (SATEOS4, SATEOS5 та SATEOS6). 0,10 г SLS використовували з 5, 10 та 15 г SA для формування відповідних емульсій. Згодом було запропоновано збільшити кількість SLS для SATEOS4, SATEOS5 та SATEOS6. У таблиці 1 наведено співвідношення CA та SLS, що використовуються для отримання стабільних емульсійних розчинів.
Помістіть 10 мл TEOS, 10 мл етанолу (EA) та 20 мл дистильованої води в мензурку об'ємом 100 мл. Для вивчення ефективності інкапсуляції різних співвідношень оболонок SA та SiO2 було зафіксовано коефіцієнт синтезу всіх зразків. Суміш перемішували магнітною мішалкою при 400 об/хв та 60°C протягом 1 години. Потім розчин прекурсора додавали краплями до приготовленої емульсії SA, енергійно перемішували при 800 об/хв та 75°C протягом 2 годин та фільтрували для отримання білого порошку. Білий порошок промивали дистильованою водою для видалення залишків SA та сушили у вакуумній печі при 45°C протягом 24 годин. В результаті було отримано мікроінкапсульований SC з оболонкою з SiO2. Весь процес синтезу та приготування мікроінкапсульованого SA показано на рисунку 1.
Мікрокапсули SA з оболонкою SiO2 були отримані золь-гель методом, а механізм їх інкапсуляції показано на рисунку 2. Перший крок включає приготування емульсії SA у водному розчині з SLS як поверхнево-активною речовиною. У цьому випадку гідрофобний кінець молекули SA зв'язується з SLS, а гідрофільний кінець - з молекулами води, утворюючи стабільну емульсію. Таким чином, гідрофобні фрагменти SLS захищені та покривають поверхню краплі SA. З іншого боку, гідроліз розчинів TEOS відбувається повільно молекулами води, що призводить до утворення гідролізованого TEOS у присутності етанолу (рис. 2a) 49,50,51. Гідролізований TEOS проходить реакцію конденсації, під час якої n-гідролізований TEOS утворює кластери кремнезему (рис. 2b). Кластери кремнезему були інкапсульовані SA52 у присутності SLS (рис. 2c), що називається процесом мікроінкапсуляції.
Схематична діаграма мікроінкапсуляції CA оболонкою з SiO2: (a) гідроліз TEOS, (b) конденсація гідролізату та (c) інкапсуляція CA оболонкою з SiO2.
Хімічний аналіз об'ємної СК та мікрокапсульованої СК проводили за допомогою інфрачервоного спектрометра з перетворенням Фур'є (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, США), а спектри реєстрували в діапазоні від 500 до 4000 см-1.
Для аналізу об'ємних фаз поліакриламіду та матеріалів мікрокапсул використовували рентгенівський дифрактометр (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Японія). Рентгенівське структурне сканування проводили в діапазоні 2θ = 5°–95° зі швидкістю сканування 4°/хв, використовуючи випромінювання Cu-Kα (λ = 1,541 Å), робочі умови 25 кВ та 100 мА, в режимі безперервного сканування. Рентгенівські зображення були побудовані в діапазоні 2θ = 5–50°, оскільки пік після 50° не спостерігався у всіх зразках.
Рентгенівську фотоелектронну спектроскопію (XPS, Scienta Omicron R3000, США) було проведено з використанням AlKα (1486,6 еВ) як джерела рентгенівського випромінювання для розуміння хімічного стану об'ємного поліуретанового оксиду (SA), а також елементів, присутніх в інкапсуляційному матеріалі. Зібрані XPS-спектри були калібровані за піком C1s з використанням екзотичного вуглецю (енергія зв'язку 284,6 еВ). Після корекції фону методом Ширлі, піки високої роздільної здатності кожного елемента були деконволютовані та підігнані до гаусових/лоренцевих функцій за допомогою програмного забезпечення CASA XPS.
Морфологію об'ємних та мікрокапсульованих SC досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM, MIRA3, TESCAN, Брно, Чеська Республіка), оснащеної енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією (EDS) при 15 кВ. Перед SEM-візуалізацією зразки покривали платиною (Pt) для уникнення ефектів заряджання.
Термічні властивості (температура плавлення/затвердіння та прихована теплота) та надійність (термоциклування) визначали за допомогою диференціальної скануючої калориметрії (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Ньюкасл, США) зі швидкістю нагрівання/охолодження 10 °C/хв при 40 °C та 90 °C з безперервним продуванням азотом. Аналіз втрати ваги проводили за допомогою TGA-аналізатора (TA Instrument, Discovery TGA, Нью-Касл, США) у безперервному потоці азоту, починаючи з температури 40–600 °C, зі швидкістю нагрівання 10 °C/хв.
На рисунку 3 показано спектри ІЧ-спектру перетворення Фур'є об'ємного SC, а також мікрокапсульованого SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 та SATEOS6). Піки поглинання при 2910 см-1 та 2850 см-1 у всіх зразках (SA, а також мікрокапсульований SA) відносяться до симетричних валентних коливань груп –CH3 та –CH2 відповідно10,50. Пік при 1705 см-1 відповідає коливальному розтягу зв'язку C=O. Піки при 1470 см-1 та 1295 см-1 відносяться до площинних деформаційних коливань функціональної групи –OH, тоді як піки при 940 см-1 та 719 см-1 відповідають площинним коливанням та деформаційним коливанням площинної групи –OH відповідно. Піки поглинання SA при 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 та 719 см-1 також спостерігалися у всіх мікрокапсульованих SA. Крім того, у мікрокапсулі SA спостерігався нещодавно виявлений пік при 1103 см-1, що відповідає антисиметричному валентному коливанню смуги Si-O-Si. Результати FT-IR узгоджуються з Yuan et al.50. Вони успішно приготували мікрокапсульований SA у співвідношенні аміак/етанол і виявили, що хімічної взаємодії між SA та SiO2 не відбулося. Результати поточного FT-IR дослідження показують, що оболонка SiO2 успішно інкапсулювала SA (ядро) шляхом процесу конденсації та полімеризації гідролізованого TEOS. При нижчому вмісті SA інтенсивність піку смуги Si-O-Si вища (рис. 3b-d). Зі збільшенням кількості СК до понад 15 г інтенсивність піку та розширення смуги Si-O-Si поступово зменшуються, що вказує на утворення тонкого шару SiO2 на поверхні СК.
ІЧ-спектри FT-спектрів (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 та (g) SATEOS6.
Рентгенівські дифрактограми об'ємного СК та мікрокапсульованого СК показано на рисунку 4. Піки Рентгенівської дифракції розташовані при 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}згідно з JCPDS № 0381923, 02)\), 21,42° у всіх зразках (311), 24,04° (602) та 39,98° (913) відносяться до СК. Спотворення та гібридність з об'ємним КА через невизначені фактори, такі як поверхнево-активна речовина (SLS), інші залишкові речовини та мікрокапсуляція SiO250. Після інкапсуляції інтенсивність основних піків (300), (500), (311) та (602) поступово зменшується порівняно з об'ємним КА, що вказує на зниження кристалічності зразка.
Рентгенівські дифрактограми (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 та (g) SATEOS6.
Інтенсивність SATEOS1 різко зменшується порівняно з іншими зразками. Жодних інших піків не спостерігалося ні в одному мікрокапсульованому зразку (рис. 4b–g), що підтверджує фізичну адсорбцію SiO252, а не хімічну взаємодію на поверхні SA. Крім того, було також зроблено висновок, що мікрокапсуляція SA не призвела до появи жодних нових структур. SiO2 залишається неушкодженим на поверхні SA без будь-якої хімічної реакції, і зі зменшенням кількості SA існуючі піки стають більш помітними (SATEOS1). Цей результат вказує на те, що SiO2 переважно інкапсулює поверхню SA. Пік при (700) повністю зникає, а пік при (5O2) перетворюється на горб у SATEOS 1 (рис. 4b), що пов'язано зі зниженою кристалічністю та підвищеним аморфізмом. SiO2 має аморфну ​​природу, тому піки, що спостерігаються від 2θ = 19° до 25°, мають горб та розширення53 (рис. 4b–g), що підтверджує існування аморфного SiO252. Нижча інтенсивність дифракційного піку мікроінкапсульованого СК зумовлена ​​ефектом нуклеації внутрішньої стінки кремнезему та лімітуючою поведінкою кристалізації49. Вважається, що при нижчому вмісті СК утворюється товстіша кремнеземна оболонка через наявність великої кількості TEOS, який значною мірою адсорбується на зовнішній поверхні СК. Однак, зі збільшенням кількості СК площа поверхні крапель СК в емульсійному розчині збільшується, і для належної інкапсуляції потрібно більше TEOS. Тому при вищому вмісті СК пік SiO2 в ІЧ-спектроскопії з перетворенням Фур'є пригнічується (рис. 3), а інтенсивність дифракційного піку поблизу 2θ = 19–25° в рентгенофлуоресцентному аналізі (рис. 4) зменшується, а розширення також зменшується. Не видно. Однак, як видно на рисунку 4, щойно кількість SA збільшується з 5 г (SATEOS1) до 50 г (SATEOS6), піки стають дуже близькими до об'ємної SA, і пік при (700) з'являється з усіма ідентифікованими інтенсивностями піків. Цей результат корелює з результатами ІЧ-спектроскопії з перетворенням Фур'є, де інтенсивність піку SiO2 SATEOS6 зменшується при 1103 см-1 (рис. 3g).
Хімічні стани елементів, присутніх у SA, SATEOS1 та SATEOS6, показано на рисунках 1 та 2. Рисунки 5, 6, 7 та 8, а також у таблиці 2. Сканування вимірювань для об'ємного SA, SATEOS1 та SATEOS6 показано на рисунку 5, а сканування високої роздільної здатності для C 1s, O 1s та Si 2p показано на рисунках 5, 6, 7 та 8, а також у таблиці 2. 6, 7 та 8 відповідно. Значення енергії зв'язку, отримані за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС), зведені в таблиці 2. Як видно з рисунка 5, у SATEOS1 та SATEOS6 спостерігалися очевидні піки Si 2s та Si 2p, де відбувалася мікроінкапсуляція оболонки SiO2. Попередні дослідники повідомляли про подібний пік Si 2s при 155,1 еВ54. Наявність піків Si в SATEOS1 (рис. 5b) та SATEOS6 (рис. 5c) підтверджує дані ІЧ-спектроскопії з перетворенням Фур'є (рис. 3) та рентгенівської дифракції (рис. 4).
Як показано на рисунку 6a, C 1s об'ємного SA має три різні піки: CC, каліфатичний та O=C=O при енергії зв'язку, які становлять 284,5 еВ, 285,2 еВ та 289,5 еВ відповідно. Піки C–C, каліфатичний та O=C=O також спостерігалися в SATEOS1 (рис. 6b) та SATEOS6 (рис. 6c) та зведені в таблиці 2. Крім того, пік C 1s також відповідає додатковому піку Si-C при 283,1 еВ (SATEOS1) та 283,5 еВ (SATEOS6). Наші спостережувані енергії зв'язку для C–C, каліфатичного, O=C=O та Si–C добре корелюють з іншими джерелами55,56.
Спектри рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) O1SA, SATEOS1 та SATEOS6 показано на рисунках 7a–c відповідно. Пік O1s об'ємного СА деконволютований і має два піки, а саме C=O/C–O (531,9 еВ) та C–O–H (533,0 еВ), тоді як O1 SATEOS1 та SATEOS6 узгоджені. Є лише три піки: C=O/C–O, C–O–H та Si–OH55,57,58. Енергія зв'язку O1s у SATEOS1 та SATEOS6 дещо змінюється порівняно з об'ємним СА, що пов'язано зі зміною хімічного фрагмента через присутність SiO2 та Si-OH у матеріалі оболонки.
Спектри Si 2p XPS для SATEOS1 та SATEOS6 показано на рисунку 8a та b відповідно. У об'ємному CA Si 2p не спостерігався через відсутність SiO2. Пік Si 2p відповідає 105,4 еВ для SATEOS1 та 105,0 еВ для SATEOS6, що відповідає Si-O-Si, тоді як пік SATEOS1 становить 103,5 еВ, а пік SATEOS6 - 103,3 еВ, що відповідає Si-OH55. Апроксимація піків Si-O-Si та Si-OH у SATEOS1 та SATEOS6 показала успішне мікроінкапсулювання SiO2 на поверхні ядра SA.
Морфологія мікрокапсульованого матеріалу є дуже важливою, оскільки впливає на розчинність, стабільність, хімічну реакційну здатність, плинність та міцність59. Тому для характеристики морфології об'ємної СК (100×) та мікрокапсульованої СК (500×) було використано СЕМ, як показано на рисунку 9. Як видно з рисунка 9a, блок СК має еліптичну форму. Розмір частинок перевищує 500 мікрон. Однак, як тільки процес мікрокапсуляції продовжується, морфологія різко змінюється, як показано на рисунках 9b–g.
SEM-зображення (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 та (g) SATEOS6 при ×500.
У зразку SATEOS1 спостерігаються менші квазісферичні частинки SA, обгорнуті SiO2, з шорсткою поверхнею (рис. 9b), що може бути пов'язано з гідролізом та конденсаційною полімеризацією TEOS на поверхні SA, що прискорює швидку дифузію молекул етанолу. В результаті частинки SiO2 осідають і спостерігається агломерація 52,60. Ця оболонка SiO2 забезпечує механічну міцність мікроінкапсульованим частинкам CA, а також запобігає витоку розплавленого CA за вищих температур 10. Цей результат вказує на те, що мікрокапсули SA, що містять SiO2, можуть бути використані як потенційні матеріали для накопичення енергії 61. Як видно з рисунка 9b, зразок SATEOS1 має рівномірний розподіл частинок з товстим шаром SiO2, що інкапсулює SA. Розмір частинок мікроінкапсульованого SA (SATEOS1) становить приблизно 10–20 мкм (рис. 9b), що значно менше порівняно з об'ємним SA через нижчий вміст SA. Товщина шару мікрокапсул зумовлена ​​гідролізом та конденсаційною полімеризацією розчину-попередника. Агломерація відбувається при нижчих дозах СК, тобто до 15 г (рис. 9b-d), але як тільки дозування збільшується, агломерації не спостерігається, натомість спостерігаються чітко окреслені сферичні частинки (рис. 9e-g) 62.
Крім того, коли кількість поверхнево-активної речовини SLS є постійною, вміст SA (SATEOS1, SATEOS2 та SATEOS3) також впливає на ефективність, форму та розподіл розмірів частинок. Таким чином, було виявлено, що SATEOS1 демонструє менший розмір частинок, рівномірний розподіл та щільну поверхню (рис. 9b), що пояснюється гідрофільною природою SA, що сприяє вторинному зародженню за постійної концентрації поверхнево-активної речовини63. Вважається, що збільшення вмісту SA з 5 до 15 г (SATEOS1, SATEOS2 та SATEOS3) та використання постійної кількості поверхнево-активної речовини, тобто 0,10 г SLS (табл. 1), зменшить внесок кожної частинки молекули поверхнево-активної речовини, тим самим зменшуючи розмір частинок та їх розмір. Розподіл SATEOS2 (рис. 9c) та SATEOS3 (рис. 9d) відрізняється від розподілу SATEOS 1 (рис. 9b).
Порівняно з SATEOS1 (рис. 9b), SATEOS2 продемонстрував щільну морфологію мікроінкапсульованої СК, а розмір частинок збільшився (рис. 9c). Це пов'язано з агломерацією 49, яка знижує швидкість коагуляції (рис. 2b). Зі збільшенням кількості СК зі збільшенням SLS мікрокапсули стають чітко видимими, як показано на рис., як відбувається агрегація. Крім того, на рисунках 9e–g видно, що всі частинки мають чітко сферичну форму та розмір. Було визнано, що за наявності великої кількості СК можна отримати відповідну кількість олігомерів кремнезему, що призводить до відповідної конденсації та інкапсуляції, а отже, до утворення чітко визначених мікрокапсул 49. З результатів SEM видно, що SATEOS6 утворив відповідні мікрокапсули порівняно з невеликою кількістю СК.
Результати енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS) об'ємного SA та мікрокапсульного SA представлені в таблиці 3. Як видно з цієї таблиці, вміст Si поступово зменшується від SATEOS1 (12,34%) до SATEOS6 (2,68%). Збільшення вмісту SA. Отже, можна сказати, що збільшення кількості SA призводить до зменшення осадження SiO2 на поверхні SA. У таблиці 3 немає узгоджених значень вмісту C та O через напівкількісний аналіз EDS51. Вміст Si в мікрокапсульованому SA корелював з результатами FT-IR, XRD та XPS.
Поведінка плавлення та затвердіння об'ємного SA, а також мікрокапсульованого SA з оболонкою SiO2 показана на рисунках 1 та 2. Вони показані на рисунках 10 та 11 відповідно, а теплові дані наведено в таблиці 4. Було виявлено, що температури плавлення та затвердіння мікрокапсульованого SA відрізняються. Зі збільшенням кількості SA температури плавлення та затвердіння збільшуються та наближаються до значень об'ємного SA. Після мікрокапсуляції SA стінка кремнезему підвищує температуру кристалізації, а її стінка діє як ядро, сприяючи гетерогенності. Тому, зі збільшенням кількості SA температури плавлення (рис. 10) та затвердіння (рис. 11) також поступово зростають49,51,64. Серед усіх зразків мікрокапсульованого SA, SATEOS6 продемонстрував найвищі температури плавлення та затвердіння, за ним йдуть SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 та SATEOS1.
SATEOS1 демонструє найнижчу температуру плавлення (68,97 °C) та температуру затвердіння (60,60 °C), що пов'язано з меншим розміром частинок, при якому рух частинок SA всередині мікрокапсул дуже малий, а оболонка SiO2 утворює товстий шар, і тому матеріал ядра обмежує розтягування та рух49. Ця гіпотеза пов'язана з результатами SEM, де SATEOS1 показав менший розмір частинок (рис. 9b), що пов'язано з тим, що молекули SA обмежені дуже малою площею мікрокапсул. Різниця в температурах плавлення та затвердіння основної маси, а також усіх мікрокапсул SA з оболонками SiO2, знаходиться в діапазоні 6,10–8,37 °C. Цей результат вказує на те, що мікрокапсульований SA може бути використаний як потенційний матеріал для накопичення енергії завдяки хорошій теплопровідності оболонки SiO265.
Як видно з таблиці 4, SATEOS6 має найвищу ентальпію серед усіх мікрокапсульованих SC (рис. 9g) завдяки належній інкапсуляції, що спостерігається за допомогою SEM. Швидкість пакування SA можна розрахувати за допомогою рівняння (1). (1) Порівнюючи дані про приховану теплоту мікрокапсульованого SA49.
Значення R представляє ступінь інкапсуляції (%) мікрокапсульованого SC, ΔHMEPCM,m представляє приховану теплоту плавлення мікрокапсульованого SC, а ΔHPCM,m представляє приховану теплоту плавлення SC. Крім того, ефективність упаковки (%) розраховується як ще один важливий технічний параметр, як показано в рівнянні (1). (2)49.
Значення E представляє ефективність інкапсуляції (%) мікрокапсульованого CA, ΔHMEPCM,s представляє приховану теплоту затвердіння мікрокапсульованого CA, а ΔHPCM,s представляє приховану теплоту затвердіння CA.
Як показано в Таблиці 4, ступінь упаковки та ефективність SATEOS1 становлять 71,89% та 67,68% відповідно, а ступінь упаковки та ефективність SATEOS6 – 90,86% та 86,68% відповідно (Таблиця 4). Зразок SATEOS6 демонструє найвищий коефіцієнт інкапсуляції та ефективність серед усіх мікрокапсульованих СК, що свідчить про його високу теплоємність. Отже, перехід від твердого до рідкого стану вимагає великої кількості енергії. Крім того, різниця в температурах плавлення та затвердіння всіх мікрокапсул СК та об'ємного СК під час процесу охолодження вказує на те, що кремнеземна оболонка просторово обмежена під час синтезу мікрокапсул. Таким чином, результати показують, що зі збільшенням кількості СК швидкість інкапсуляції та ефективність поступово зростають (Таблиця 4).
Криві ТГА для об'ємного SA та мікрокапсульованого SA з оболонкою SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 та SATEOS6) показано на рисунку 12. Термостійкість об'ємного SA (SATEOS1, SATEOS3 та SATEOS6) порівнювали з мікрокапсульованими зразками. З кривої ТГА видно, що втрата ваги об'ємного SA, а також мікрокапсульованого SA демонструє плавне та дуже незначне зниження від 40°C до 190°C. За цієї температури об'ємний SC не зазнає термічного розкладу, тоді як мікрокапсульований SC вивільняє адсорбовану воду навіть після сушіння при 45°C протягом 24 годин. Це призвело до незначної втрати ваги,49 але за цієї температури матеріал починав деградувати. При нижчому вмісті SA (тобто SATEOS1) вміст адсорбованої води вищий, а отже, втрата маси до 190°C вища (вставка на рис. 12). Як тільки температура піднімається вище 190 °C, зразок починає втрачати масу через процеси розкладання. Об'ємна СК починає розкладатися при 190 °C, і лише 4% залишається при 260 °C, тоді як SATEOS1, SATEOS3 та SATEOS6 зберігають 50%, 20% та 12% при цій температурі відповідно. Після 300 °C втрата маси об'ємної СК становила приблизно 97,60%, тоді як втрата маси SATEOS1, SATEOS3 та SATEOS6 становила приблизно 54,20%, 82,40% та 90,30% відповідно. Зі збільшенням вмісту СК вміст SiO2 зменшується (Таблиця 3), а на SEM спостерігається стоншення оболонки (Рис. 9). Таким чином, втрата ваги мікрокапсульованого СК є меншою порівняно з об'ємним СК, що пояснюється сприятливими властивостями оболонки SiO2, яка сприяє утворенню вуглецевого силікатно-вуглецевого шару на поверхні СК, тим самим ізолюючи ядро ​​СК та уповільнюючи вивільнення летких продуктів, що утворюються10. Цей шар вуглецю утворює фізичний захисний бар'єр під час термічного розкладання, обмежуючи перехід легкозаймистих молекул у газову фазу66,67. Крім того, ми також можемо спостерігати значні результати втрати ваги: ​​SATEOS1 показує нижчі значення порівняно з SATEOS3, SATEOS6 та СК. Це пояснюється тим, що кількість СК в SATEOS1 менша, ніж у SATEOS3 та SATEOS6, де оболонка SiO2 утворює товстий шар. Натомість, загальна втрата ваги об'ємного СК досягає 99,50% при 415 °C. Однак, SATEOS1, SATEOS3 та SATEOS6 показали втрату ваги 62,50%, 85,50% та 93,76% відповідно при 415 °C. Цей результат вказує на те, що додавання TEOS покращує деградацію SA, утворюючи шар SiO2 на поверхні SA. Ці шари можуть утворювати фізичний захисний бар'єр, і тому можна спостерігати покращення термічної стабільності мікрокапсульованого CA.
Результати термічної надійності об'ємного СК та найкращого мікрокапсульованого зразка (тобто SATEOS 6) після 30 циклів нагрівання та охолодження DSC51,52 показано на рисунку 13. Видно, що об'ємний СК (рисунок 13a) не показує жодної різниці в температурі плавлення, затвердіння та значенні ентальпії, тоді як SATEOS6 (рис. 13b) не показує жодної різниці в температурі та значенні ентальпії навіть після 30-го циклу нагрівання та процесу охолодження. Об'ємний СК показав температуру плавлення 72,10 °C, температуру затвердіння 64,69 °C, а теплота плавлення та затвердіння після першого циклу становила 201,0 Дж/г та 194,10 Дж/г відповідно. Після 30-го циклу температура плавлення цих значень знизилася до 71,24 °C, температура затвердіння знизилася до 63,53 °C, а значення ентальпії зменшилося на 10%. Зміни температур плавлення та затвердіння, а також зниження значень ентальпії вказують на те, що об'ємний CA є ненадійним для застосувань, не пов'язаних з мікрокапсуляцією. Однак, після належної мікрокапсуляції (SATEOS6), температури плавлення та затвердіння, а також значення ентальпії не змінюються (рис. 13b). Після мікрокапсуляції оболонками з SiO2, SA може бути використаний як матеріал з фазовим переходом у термічних застосуваннях, особливо в будівництві, завдяки оптимальним температурам плавлення та затвердіння та стабільній ентальпії.
Криві ДСК, отримані для зразків SA (a) та SATEOS6 (b) на 1-му та 30-му циклах нагрівання та охолодження.
У цьому дослідженні було проведено систематичне дослідження мікроінкапсуляції з використанням SA як основного матеріалу та SiO2 як матеріалу оболонки. TEOS використовується як попередник для формування опорного шару SiO2 та захисного шару на поверхні SA. Після успішного синтезу мікроінкапсульованого SA, результати FT-IR, XRD, XPS, SEM та EDS показали наявність SiO2. SEM-аналіз показує, що зразок SATEOS6 має чітко визначені сферичні частинки, оточені оболонками SiO2 на поверхні SA. Однак MEPCM з нижчим вмістом SA демонструє агломерацію, що знижує продуктивність PCM. XPS-аналіз показав присутність Si-O-Si та Si-OH у зразках мікрокапсул, що виявило адсорбцію SiO2 на поверхні SA. Згідно з аналізом теплових характеристик, SATEOS6 демонструє найперспективнішу здатність до акумулювання тепла, з температурами плавлення та затвердіння 70,37°C та 64,27°C відповідно, а також прихованою теплотою плавлення та затвердіння 182,53 Дж/г та 160,12 Дж/г·г відповідно. Максимальна ефективність упаковки SATEOS6 становить 86,68%. Термоциклічний аналіз за допомогою TGA та DSC підтвердив, що SATEOS6 все ще має добру термічну стабільність та надійність навіть після 30 процесів нагрівання та охолодження.
Ян Т., Ван С.Ю. та Лі Д. Аналіз продуктивності термохімічної композитної адсорбційної системи на основі твердих речовин і газу для накопичення теплової енергії та підвищення її ефективності. Застосування. Hot engineer. 150, 512–521 (2019).
Фарід, М.М., Худхайр, А.М., Разак, С. та Аль-Халладж, С. Огляд накопичення енергії з фазовим переходом: матеріали та застосування. Перетворювач енергії. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Регін А.Ф., Соланкі С.С. та Сайні Дж.С. Характеристики теплопередачі систем накопичення теплової енергії з використанням капсул з PCM: огляд. оновлення. підтримка. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Лю, М., Саман, В. та Бруно, Ф. Огляд матеріалів для зберігання та технологій підвищення теплової ефективності для систем теплового зберігання з високою температурою фазового переходу. оновлення. підтримка. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Фан Гуоїн, Лі Хун, Лю Сян, Ву С.М. Підготовка та характеристика нанокапсульованих теплоенергетичних n-тетрадеканових фазово-перехідних матеріалів. Хімічна інженерія. Журнал 153, 217–221 (2009).
Му, Б. та Лі, М. Синтез нових формостійких фазозмінних композитних матеріалів з використанням модифікованих графенових аерогелів для перетворення та зберігання сонячної енергії. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. та Fang, G. Морфологічна характеристика та застосування матеріалів з фазовим переходом у накопиченні теплової енергії: огляд. оновлення. підтримка. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).