Tack för att du besöker Nature.com. Den webbläsarversion du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa resultat rekommenderar vi att du använder en nyare version av din webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, visar vi webbplatsen utan styling eller JavaScript.
Stearinsyra (SA) används som ett fasförändringsmaterial (PCM) i energilagringsanordningar. I denna studie användes sol-gel-metoden för att mikroinkapsla SiO2-skalsurfaktant. Olika mängder SA (5, 10, 15, 20, 30 och 50 g) inkapslades i 10 ml tetraetylortosilikat (TEOS). Det syntetiserade mikroinkapslade fasförändringsmaterialet (MEPCM) karakteriserades med Fouriertransform-infrarödspektroskopi (FT-IR), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och svepelektronmikroskopi (SEM). Karakteriseringsresultaten visade att SA framgångsrikt inkapslades av SiO2. Termogravimetrisk analys (TGA) visade att MEPCM har bättre termisk stabilitet än CA. Med hjälp av differentiell svepkalorimetri (DSC) fann man att entalpivärdet för MEPCM inte förändrades ens efter 30 uppvärmnings- och kylcykler. Bland alla mikroinkapslade prover hade 50 g SA innehållande MEPCM den högsta latenta smält- och stelningsvärmen, vilka var 182,53 J/g respektive 160,12 J/g. Förpackningseffektivitetsvärdet beräknades med hjälp av termiska data och den högsta effektiviteten hittades för samma prov, vilket var 86,68 %.
Ungefär 58 % av den energi som används inom byggindustrin används för att värma och kyla byggnader1. Därför är det mest nödvändiga att skapa effektiva energisystem som tar hänsyn till miljöföroreningar2. Latent värmeteknik med hjälp av fasövergångsmaterial (PCM) kan lagra hög energi vid låga temperaturfluktuationer3,4,5,6 och kan användas i stor utsträckning inom områden som värmeöverföring, solenergilagring, flyg- och rymdteknik7,8,9. PCM absorberar termisk energi från byggnaders exteriörer under dagen och frigör energi på natten10. Därför rekommenderas fasövergångsmaterial som värmelagringsmaterial. Dessutom finns det olika typer av PCM, såsom fast-fast, fast-vätska, flytande-gas och fast-gas11. Bland dem är de mest populära och frekvent använda fasövergångsmaterialen fast-fast fasövergångsmaterial och fast-flytande fasövergångsmaterial. Deras tillämpning är dock mycket svår på grund av de enorma volymförändringarna hos flytande-gas- och fast-gas-fasövergångsmaterial.
PCM har olika tillämpningar tack vare sina egenskaper: de som smälter vid temperaturer under 15 °C kan användas i luftkonditioneringssystem för att bibehålla kalla temperaturer, och de som smälter vid temperaturer över 90 °C kan användas i värmesystem för att förhindra bränder12. Beroende på tillämpning och smältpunktsområde har olika fasövergångsmaterial syntetiserats från olika organiska och oorganiska kemikalier13,14,15. Paraffin är det vanligaste fasövergångsmaterialet med hög latent värme, icke-korrosivitet, säkerhet och ett brett smältpunktsområde16,17,18,19,20,21.
På grund av den låga värmeledningsförmågan hos fasövergångsmaterial måste de dock inkapslas i ett skal (yttre lager) för att förhindra läckage av basmaterialet under fasövergångsprocessen22. Dessutom kan driftsfel eller externt tryck skada det yttre lagret (beklädnaden), och det smälta fasövergångsmaterialet kan reagera med byggmaterial, vilket orsakar korrosion av inbäddade stålstänger, vilket minskar byggnadens användbarhet23. Därför är det viktigt att syntetisera inkapslade fasövergångsmaterial med tillräckligt med skalmaterial, vilket kan lösa ovanstående problem24.
Mikroinkapsling av fasövergångsmaterial kan effektivt öka värmeöverföringen och minska miljöreaktiviteten, samt kontrollera volymförändringar. Olika metoder har utvecklats för PCM-inkapsling, nämligen gränsytpolymerisation25,26,27,28, in situ-polymerisation29,30,31,32, koacervation33,34,35 och sol-gel-processer36,37,38,39. Formaldehydharts kan användas för mikroinkapsling40,41,42,43. Melamin-formaldehyd- och urea-formaldehydhartser används som skalmaterial, vilka ofta avger giftig formaldehyd under drift. Därför är dessa material förbjudna att användas i förpackningsprocesser. Miljövänliga fasövergångsmaterial för skalbar termisk energilagring kan dock syntetiseras med hjälp av hybrida nanokapslar baserade på fettsyror och lignin44.
Zhang et al. 45 syntetiserade laurinsyra från tetraetylortosilikat och drog slutsatsen att när volymförhållandet mellan metyltrietoxisilan och tetraetylortosilikat ökar, minskar den latenta värmen och ythydrofobiciteten ökar. Laurinsyra kan vara ett potentiellt och effektivt kärnmaterial för kapokfibrer 46. Dessutom syntetiserade Latibari et al. 47 stearinsyrabaserade PCM med TiO2 som skalmaterial. Zhu et al. framställde n-oktadekan och silikon-nanokapslar som potentiella PCM 48. Utifrån en litteraturgenomgång är det svårt att förstå den rekommenderade doseringen för bildandet av effektiva och stabila mikroinkapslade fasförändringsmaterial.
Såvitt författarna vet är mängden fasövergångsmaterial som används för mikroinkapsling därför en viktig parameter för produktion av effektiva och stabila mikroinkapslade fasövergångsmaterial. Genom att använda olika mängder fasövergångsmaterial kan vi belysa de olika egenskaperna och stabiliteten hos mikroinkapslade fasövergångsmaterial. Stearinsyra (fettsyra) är ett miljövänligt, medicinskt viktigt och ekonomiskt ämne som kan användas för att lagra termisk energi eftersom det har ett högt entalpivärde (~200 J/g) och tål temperaturer upp till 72 °C. Dessutom är SiO2 icke brandfarligt, ger högre mekanisk hållfasthet, värmeledningsförmåga och bättre kemisk resistens mot kärnmaterial, och fungerar som ett pozzolaniskt material i konstruktioner. När cement blandas med vatten kan dåligt inkapslade PCM-material spricka på grund av mekaniskt slitage och höga temperaturer (hydratiseringsvärme) som genereras i massiva betongkonstruktioner. Därför kan användningen av mikroinkapslad CA med ett SiO2-skal lösa detta problem. Syftet med denna studie var därför att undersöka prestandan och effektiviteten hos PCM syntetiserade genom sol-gel-processen i byggapplikationer. I detta arbete studerade vi systematiskt olika mängder SA (som basmaterial) om 5, 10, 15, 20, 30 och 50 g inkapslade i SiO2-skal. En fixerad mängd tetraetylortosilikat (TEOS) i en volym av 10 ml användes som en prekursorlösning för bildandet av SiO2-skalet.
Reaktiv stearinsyra (SA, C18H36O2, smältpunkt: 72°C) som kärnmaterial köptes från Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Sydkorea. Tetraetylortosilikat (TEOS, C8H20O4Si) som prekursorlösning köptes från Acros Organics, Geel, Belgien. Dessutom köptes absolut etanol (EA, C2H5OH) och natriumlaurylsulfat (SLS, C12H25NaO4S) från Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Sydkorea, och användes som lösningsmedel respektive tensider. Destillerat vatten används också som lösningsmedel.
Olika mängder SA blandades med olika proportioner natriumlaurylsulfat (SLS) i 100 ml destillerat vatten med hjälp av en magnetomrörare vid 800 rpm och 75 °C i 1 timme (tabell 1). SA-emulsionerna delades in i två grupper: (1) 5, 10 och 15 g SA blandades med 0,10 g SLS i 100 ml destillerat vatten (SATEOS1, SATEOS2 och SATEOS3), (2) 20, 30 och 50 g SA blandades med 0,15, 0,20 och 0,25 g SLS och blandades med 100 ml destillerat vatten (SATEOS4, SATEOS5 och SATEOS6). 0,10 g SLS användes med 5, 10 och 15 g SA för att bilda respektive emulsioner. Därefter föreslogs det att öka antalet SLS för SATEOS4, SATEOS5 och SATEOS6. Tabell 1 visar förhållandena mellan CA och SLS som användes för att erhålla stabila emulsionslösningar.
Placera 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA) och 20 ml destillerat vatten i en 100 ml bägare. För att studera inkapslingseffektiviteten för olika förhållanden av SA- och SiO2-skal registrerades synteskoefficienten för alla prover. Blandningen omrördes med en magnetomrörare vid 400 rpm och 60 °C i 1 timme. Prekursorlösningen tillsattes sedan droppvis till den framställda SA-emulsionen, omrördes kraftigt vid 800 rpm och 75 °C i 2 timmar och filtrerades för att erhålla ett vitt pulver. Det vita pulvret tvättades med destillerat vatten för att avlägsna kvarvarande SA och torkades i en vakuumugn vid 45 °C i 24 timmar. Som ett resultat erhölls en mikroinkapslad SC med ett skal av SiO2. Hela processen för syntes och framställning av mikroinkapslad SA visas i figur 1.
SA-mikrokapslar med ett SiO2-skal framställdes med sol-gel-metoden, och deras inkapslingsmekanism visas i figur 2. Det första steget innefattar att man framställer en SA-emulsion i en vattenlösning med SLS som ytaktivt ämne. I detta fall binder den hydrofoba änden av SA-molekylen till SLS och den hydrofila änden till vattenmolekyler, vilket bildar en stabil emulsion. Således skyddas de hydrofoba delarna av SLS och täcker ytan av SA-droppen. Å andra sidan sker hydrolys av TEOS-lösningar långsamt av vattenmolekyler, vilket leder till bildandet av hydrolyserad TEOS i närvaro av etanol (fig. 2a) 49,50,51. Hydrolyserad TEOS genomgår en kondensationsreaktion, under vilken n-hydrolyserad TEOS bildar kiseldioxidkluster (fig. 2b). Kiseldioxidklustren inkapslades av SA52 i närvaro av SLS (fig. 2c), vilket kallas mikroinkapslingsprocessen.
Schematiskt diagram över mikroinkapsling av CA med ett skal av SiO2 (a) hydrolys av TEOS (b) kondensation av hydrolysatet och (c) inkapsling av CA med ett skal av SiO2.
Kemisk analys av bulk SA och mikroinkapslad SA utfördes med hjälp av en Fouriertransformerad infrarödspektrometer (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) och spektra registrerades i intervallet 500 till 4000 cm-1.
En röntgendiffraktometer (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan) användes för att analysera SA-bulkfaserna och mikrokapselmaterialen. Röntgenstrukturskanning utfördes i intervallet 2θ = 5°–95° med en skanningshastighet på 4°/min, med Cu-Kα-strålning (λ = 1,541 Å), driftsförhållanden på 25 kV och 100 mA, i kontinuerligt skanningsläge. Röntgenbilder konstruerades i intervallet 2θ = 5–50°, eftersom ingen topp observerades efter 50° i alla prover.
Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) utfördes med AlKα (1486,6 eV) som röntgenkälla för att förstå det kemiska tillståndet hos bulk-SA såväl som de element som finns i inkapslingsmaterialet. De insamlade XPS-spektra kalibrerades till C1s-toppen med exotiskt kol (bindningsenergi 284,6 eV). Efter bakgrundskorrigering med Shirley-metoden dekonvolverades de högupplösta topparna för varje element och anpassades till Gaussiska/Lorentzianska funktioner med hjälp av CASA XPS-programvara.
Morfologin hos bulk-SC och mikroinkapslad SC undersöktes med svepelektronmikroskopi (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Tjeckien) utrustad med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) vid 15 kV. Före SEM-avbildning belades proverna med platina (Pt) för att undvika laddningseffekter.
Termiska egenskaper (smält-/stelningspunkt och latent värme) och tillförlitlighet (termisk cykling) bestämdes med differentiell svepkalorimetri (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) vid en uppvärmnings-/kylningshastighet på 10 °C/min vid 40 °C och 90 °C med kontinuerlig kvävgasrensning. Viktförlustanalys utfördes med en TGA-analysator (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) i ett kontinuerligt kvävgasflöde med början vid en temperatur på 40–600 °C, med en uppvärmningshastighet på 10 °C/min.
Figur 3 visar FTIR-spektra för bulk-SC såväl som mikroinkapslad SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 och SATEOS6). Absorptionstopparna vid 2910 cm⁻¹ och 2850 cm⁻¹ i alla prover (SA såväl som mikroinkapslad SA) tillskrivs de symmetriska sträckningsvibrationerna hos –CH3- respektive –CH2-grupperna10,50. Toppen vid 1705 cm⁻¹ motsvarar vibrationssträckning av C=O-bindningen. Topparna vid 1470 cm⁻¹ och 1295 cm⁻¹ tillskrivs böjningsvibrationen i planet hos den funktionella gruppen –OH, medan topparna vid 940 cm⁻¹ och 719 cm⁻¹ motsvarar vibrationen i planet respektive deformationsvibrationen i utbytesplanet för OH-gruppen. Absorptionstoppar av SA vid 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 och 719 cm⁻¹ observerades också i allt mikroinkapslat SA. Dessutom observerades en nyupptäckt topp vid 1103 cm⁻¹, motsvarande den antisymmetriska sträckningsvibrationen hos Si-O-Si-bandet, i SA-mikrokapseln. FT-IR-resultaten överensstämmer med Yuan et al. 50. De framställde framgångsrikt mikroinkapslat SA i ammoniak/etanol-förhållande och fann att ingen kemisk interaktion inträffade mellan SA och SiO₂. Resultaten från den aktuella FT-IR-studien visar att SiO₂-skalet framgångsrikt inkapslade SA (kärna) genom kondensationsprocessen och polymerisationen av hydrolyserad TEOS. Vid lägre SA-halt är toppintensiteten för Si-O-Si-bandet högre (Fig. 3b-d). Allt eftersom mängden SA ökar till mer än 15 g, minskar toppens intensitet och breddningen av Si-O-Si-bandet gradvis, vilket indikerar bildandet av ett tunt lager SiO2 på ytan av SA.
FTIR-spektra för (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 och (g) SATEOS6.
XRD-mönstren för bulk-SA och mikroinkapslat SA visas i figur 4. XRD-topparna är belägna vid 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5} enligt JCPDS nr 0381923, 02)\), 21,42° i alla prover (311), 24,04° (602) och 39,98° (913) tillskrivs SA. Distorsion och hybriditet med bulk-CA på grund av osäkra faktorer såsom surfaktant (SLS), andra kvarvarande ämnen och mikroinkapsling av SiO250. Efter att inkapsling har skett minskar intensiteten hos huvudtopparna (300), (500), (311) och (602) gradvis jämfört med bulk-CA, vilket indikerar en minskning av provets kristallinitet.
XRD-mönster av (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 och (g) SATEOS6.
Intensiteten hos SATEOS1 minskar kraftigt jämfört med andra prover. Inga andra toppar observerades i alla mikroinkapslade prover (Fig. 4b–g), vilket bekräftar att fysisk adsorption av SiO252 snarare än kemisk interaktion sker på SA-ytan. Dessutom drogs slutsatsen att mikroinkapsling av SA inte ledde till uppkomsten av några nya strukturer. SiO2 förblir intakt på SA-ytan utan någon kemisk reaktion, och när mängden SA minskar blir de befintliga topparna mer uppenbara (SATEOS1). Detta resultat indikerar att SiO2 huvudsakligen inkapslar SA-ytan. Toppen vid (700) försvinner helt, och toppen vid \((\overline{5}02)\) blir en puckel i SATEOS 1 (Fig. 4b), vilket är associerat med minskad kristallinitet och ökad amorfism. SiO2 är amorft till sin natur, så topparna som observeras från 2θ = 19° till 25° har en upphöjning och breddning53 (Fig. 4b–g), vilket bekräftar förekomsten av amorft SiO252. Den lägre diffraktionstoppintensiteten hos mikroinkapslat SA beror på kärnbildningseffekten av kiseldioxidens innervägg och det begränsande kristallisationsbeteendet49. Man tror att med ett lägre SA-innehåll bildas ett tjockare kiseldioxidskal på grund av närvaron av en stor mängd TEOS, som till stor del adsorberas på SA:s yttre yta. Men när mängden SA ökar ökar ytan av SA-dropparna i emulsionslösningen och mer TEOS krävs för korrekt inkapsling. Därför, med ett högre SA-innehåll, undertrycks SiO2-toppen i FT-IR (Fig. 3), och intensiteten hos diffraktionstoppen nära 2θ = 19–25° i XRF (Fig. 4) minskar och expansionen minskar också. Ej synlig. Men som framgår av figur 4, så snart mängden SA ökas från 5 g (SATEOS1) till 50 g (SATEOS6), blir topparna mycket nära bulk-SA, och toppen vid (700) uppträder med alla identifierade toppintensiteter. Detta resultat korrelerar med FT-IR-resultaten, där intensiteten hos SiO2 SATEOS6-toppen minskar vid 1103 cm-1 (figur 3g).
De kemiska tillstånden för de element som finns i SA, SATEOS1 och SATEOS6 visas i figur 1 och 2. Figur 5, 6, 7 och 8 samt tabell 2. Mätskanningar för bulk-SA, SATEOS1 och SATEOS6 visas i figur 5 och högupplösta skanningar för C1s, O1s och Si2p visas i figur 5, 6, 7 och 8 respektive tabell 2, 6, 7 och 8. Bindningsenergivärdena som erhölls med XPS sammanfattas i tabell 2. Som framgår av figur 5 observerades tydliga Si2s- och Si2p-toppar i SATEOS1 och SATEOS6, där mikroinkapsling av SiO2-skalet inträffade. Tidigare forskare har rapporterat en liknande Si2s-topp vid 155,1 eV54. Närvaron av Si-toppar i SATEOS1 (fig. 5b) och SATEOS6 (fig. 5c) bekräftar FT-IR-data (fig. 3) och XRD-data (fig. 4).
Som visas i figur 6a har C1s för bulk SA tre olika toppar av CC, kalifatisk och O=C=O vid bindningsenergin, vilka är 284,5 eV, 285,2 eV respektive 289,5 eV. C–C, kalifatiska och O=C=O-toppar observerades också i SATEOS1 (fig. 6b) och SATEOS6 (fig. 6c) och sammanfattas i tabell 2. Utöver detta motsvarar C1s-toppen också en ytterligare Si-C-topp vid 283,1 eV (SATEOS1) och 283,5 eV (SATEOS6). Våra observerade bindningsenergier för C–C, kalifatisk, O=C=O och Si–C korrelerar väl med andra källor55,56.
XPS-spektra för O1SA, SATEOS1 och SATEOS6 visas i figur 7a–c. O1s-toppen för bulk-SA är dekonvolverad och har två toppar, nämligen C=O/C–O (531,9 eV) och C–O–H (533,0 eV), medan O1 för SATEOS1 och SATEOS6 är konsistenta. Det finns bara tre toppar: C=O/C–O, C–O–H och Si–OH55,57,58. O1s-bindningsenergin i SATEOS1 och SATEOS6 förändras något jämfört med bulk-SA, vilket är förknippat med en förändring i det kemiska fragmentet på grund av närvaron av SiO2 och Si-OH i skalmaterialet.
Si2p XPS-spektra för SATEOS1 och SATEOS6 visas i figur 8a respektive b. I bulk-CA observerades inte Si2p på grund av frånvaron av SiO2. Si2p-toppen motsvarar 105,4 eV för SATEOS1 och 105,0 eV för SATEOS6, motsvarande Si-O-Si, medan SATEOS1-toppen är 103,5 eV och SATEOS6-toppen är 103,3 eV, motsvarande Si-OH55. Si-O-Si- och Si-OH-toppanpassning i SATEOS1 och SATEOS6 avslöjade framgångsrik mikroinkapsling av SiO2 på SA-kärnans yta.
Morfologin hos det mikroinkapslade materialet är mycket viktig och påverkar löslighet, stabilitet, kemisk reaktivitet, flytbarhet och hållfasthet59. Därför användes SEM för att karakterisera morfologin hos bulk SA (100×) och mikroinkapslad SA (500×), såsom visas i figur 9. Som framgår av figur 9a har SA-blocket en elliptisk form. Partikelstorleken överstiger 500 mikron. Men när mikroinkapslingsprocessen fortsätter förändras morfologin dramatiskt, såsom visas i figur 9 b–g.
SEM-bilder av (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 och (g) SATEOS6 vid ×500.
I SATEOS1-provet observeras mindre kvasi-sfäriska SiO2-inslagna SA-partiklar med en grov yta (Fig. 9b), vilket kan bero på hydrolys och kondensationspolymerisation av TEOS på SA-ytan, vilket accelererar den snabba diffusionen av etanolmolekyler. Som ett resultat av detta avsätts SiO2-partiklar och agglomerering observeras52,60. Detta SiO2-skal ger mekanisk styrka till de mikroinkapslade CA-partiklarna och förhindrar även läckage av smält CA vid högre temperaturer10. Detta resultat indikerar att SA-mikrokapslar innehållande SiO2 kan användas som potentiella energilagringsmaterial61. Som framgår av figur 9b har SATEOS1-provet en enhetlig partikelfördelning med ett tjockt SiO2-skikt som inkapslar SA. Partikelstorleken för mikroinkapslat SA (SATEOS1) är ungefär 10–20 μm (Fig. 9b), vilket är betydligt mindre jämfört med bulk-SA på grund av det lägre SA-innehållet. Mikrokapselskiktets tjocklek beror på hydrolys och kondensationspolymerisation av prekursorlösningen. Agglomerering sker vid lägre doser av SA, dvs. upp till 15 g (Fig. 9b-d), men så snart doseringen ökas observeras ingen agglomerering, utan tydligt definierade sfäriska partiklar observeras (Fig. 9e-g) 62.
Dessutom, när mängden SLS-surfaktant är konstant, påverkar SA-halten (SATEOS1, SATEOS2 och SATEOS3) även effektiviteten, formen och partikelstorleksfördelningen. Således visade sig SATEOS1 uppvisa mindre partikelstorlek, enhetlig fördelning och tät yta (Fig. 9b), vilket tillskrevs SA:s hydrofila natur som främjar sekundär kärnbildning under konstant surfaktant63. Man tror att genom att öka SA-halten från 5 till 15 g (SATEOS1, SATEOS2 och SATEOS3) och använda en konstant mängd surfaktant, dvs. 0,10 g SLS (Tabell 1), kommer bidraget från varje partikel i surfaktantmolekylen att minska, varigenom partikelstorleken och partikelstorleken minskar. Fördelningen av SATEOS2 (Fig. 9c) och SATEOS3 (Fig. 9d) skiljer sig från fördelningen av SATEOS 1 (Fig. 9b).
Jämfört med SATEOS1 (Fig. 9b) uppvisade SATEOS2 en tät morfologi av mikroinkapslat SA och partikelstorleken ökade (Fig. 9c). Detta beror på agglomeration 49, vilket minskar koagulationshastigheten (Fig. 2b). När mängden SC ökar med ökande SLS blir mikrokapslarna tydligt synliga, vilket visas i Fig. 2 hur aggregering sker. Dessutom visar Figurerna 9e–g att alla partiklar är tydligt sfäriska i form och storlek. Det har insetts att i närvaro av stora mängder SA kan en lämplig mängd kiseldioxidoligomerer erhållas, vilket orsakar lämplig kondensation och inkapsling och därmed bildandet av väldefinierade mikrokapslar 49. Från SEM-resultaten är det tydligt att SATEOS6 bildade motsvarande mikrokapslar jämfört med en liten mängd SA.
Resultaten av energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) av bulk SA och mikrokapsel-SA presenteras i tabell 3. Som framgår av denna tabell minskar Si-halten gradvis från SATEOS1 (12,34 %) till SATEOS6 (2,68 %). Ökning av SA. Därför kan vi säga att en ökning av mängden SA leder till en minskning av avsättningen av SiO2 på SA-ytan. Det finns inga konsekventa värden för C- och O-halter i tabell 3 på grund av den semi-kvantitativa analysen av EDS51. Si-halten i mikroinkapslat SA korrelerade med FT-IR-, XRD- och XPS-resultat.
Smält- och stelningsbeteendet för bulk-SA såväl som mikroinkapslat SA med SiO2-skal visas i figur 1 och 2. De visas i figur 10 respektive 11, och termiska data visas i tabell 4. Smält- och stelningstemperaturerna för mikroinkapslat SA visade sig vara olika. När mängden SA ökar ökar smält- och stelningstemperaturerna och närmar sig värdena för bulk-SA. Efter SA-mikroinkapsling ökar kiseldioxidväggens kristallisationstemperatur, och dess vägg fungerar som en kärna för att främja heterogenitet. Därför, när mängden SA ökar, ökar smält- (fig. 10) och stelningstemperaturerna (fig. 11) gradvis också49,51,64. Bland alla mikroinkapslade SA-prover uppvisade SATEOS6 de högsta smält- och stelningstemperaturerna, följt av SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 och SATEOS1.
SATEOS1 uppvisar den lägsta smältpunkten (68,97 °C) och stelningstemperaturen (60,60 °C), vilket beror på den mindre partikelstorleken där SA-partiklarnas rörelse inuti mikrokapslarna är mycket liten och SiO2-skalet bildar ett tjockt lager och därmed begränsar kärnmaterialet töjning och rörelse49. Denna hypotes är relaterad till SEM-resultaten, där SATEOS1 uppvisade en mindre partikelstorlek (Fig. 9b), vilket beror på att SA-molekylerna är begränsade till ett mycket litet område av mikrokapslarna. Skillnaden i smält- och stelningstemperaturer för huvudmassan, såväl som för alla SA-mikrokapslar med SiO2-skal, ligger i intervallet 6,10–8,37 °C. Detta resultat indikerar att mikroinkapslat SA kan användas som ett potentiellt energilagringsmaterial på grund av SiO2-skalets goda värmeledningsförmåga 65.
Som framgår av tabell 4 har SATEOS6 den högsta entalpin bland alla mikroinkapslade SC (Fig. 9g) på grund av korrekt inkapsling observerad med SEM. SA-packningshastigheten kan beräknas med hjälp av ekvation (1). (1) Genom att jämföra latent värmedata för mikroinkapslad SA49.
R-värdet representerar inkapslingsgraden (%) för mikroinkapslad SC, ΔHMEPCM,m representerar den latenta smältvärmen för mikroinkapslad SC, och ΔHPCM,m representerar den latenta smältvärmen för SC. Dessutom beräknas förpackningseffektiviteten (%) som en annan viktig teknisk parameter, såsom visas i ekvation (1). (2)49.
E-värdet representerar inkapslingseffektiviteten (%) för mikroinkapslad CA, ΔHMEPCM,s representerar den latenta härdningsvärmen för mikroinkapslad CA, och ΔHPCM,s representerar den latenta härdningsvärmen för CA.
Som visas i tabell 4 är packningsgraden och effektiviteten för SATEOS1 71,89 % respektive 67,68 %, och packningsgraden och effektiviteten för SATEOS6 är 90,86 % respektive 86,68 % (tabell 4). Prov SATEOS6 uppvisar den högsta inkapslingskoefficienten och effektiviteten bland alla mikroinkapslade SA, vilket indikerar dess höga värmekapacitet. Därför kräver övergången från fast till flytande material stora mängder energi. Dessutom indikerar skillnaden i smält- och stelningstemperaturer för alla SA-mikrokapslar och bulk-SA under kylningsprocessen att kiseldioxidskalet är rumsligt begränsat under mikrokapselsyntesen. Resultaten visar således att när mängden SC ökar, ökar inkapslingshastigheten och effektiviteten gradvis (tabell 4).
TGA-kurvorna för bulk-SA och mikrokapsel-SA med ett SiO2-skal (SATEOS1, SATEOS3 och SATEOS6) visas i figur 12. De termiska stabilitetsegenskaperna för bulk-SA (SATEOS1, SATEOS3 och SATEOS6) jämfördes med mikroinkapslade prover. Det framgår tydligt av TGA-kurvan att viktförlusten för bulk-SA såväl som mikroinkapslad SA visar en jämn och mycket liten minskning från 40 °C till 190 °C. Vid denna temperatur genomgår bulk-SC inte termisk nedbrytning, medan mikroinkapslad SC frigör adsorberat vatten även efter torkning vid 45 °C i 24 timmar. Detta resulterade i en liten viktförlust,49 men bortom denna temperatur började materialet brytas ner. Vid lägre SA-halt (dvs. SATEOS1) är den adsorberade vattenhalten högre och därmed är massförlusten upp till 190 °C högre (infälld bild i figur 12). Så snart temperaturen stiger över 190 °C börjar provet förlora massa på grund av nedbrytningsprocesser. Bulk SA börjar sönderfalla vid 190 °C och endast 4 % återstår vid 260 °C, medan SATEOS1, SATEOS3 och SATEOS6 behåller 50 %, 20 % respektive 12 % vid denna temperatur. Efter 300 °C var massförlusten av bulk SA cirka 97,60 %, medan massförlusten för SATEOS1, SATEOS3 och SATEOS6 var cirka 54,20 %, 82,40 % respektive 90,30 %. Med en ökning av SA-halten minskar SiO2-halten (tabell 3), och en förtunning av skalet observeras i SEM (fig. 9). Viktförlusten för mikroinkapslat SA är således lägre jämfört med bulk-SA, vilket förklaras av de gynnsamma egenskaperna hos SiO2-skalet, vilket främjar bildandet av ett kolhaltigt silikat-kolhaltigt lager på ytan av SA, varigenom SA-kärnan isoleras och frisättningen av de resulterande flyktiga produkterna saktas ner10. Detta förkolningslager bildar en fysisk skyddande barriär under termisk nedbrytning, vilket begränsar övergången av brandfarliga molekyler till gasfas66,67. Utöver detta kan vi också se betydande viktförlustresultat: SATEOS1 visar lägre värden jämfört med SATEOS3, SATEOS6 och SA. Detta beror på att mängden SA i SATEOS1 är mindre än i SATEOS3 och SATEOS6, där SiO2-skalet bildar ett tjockt lager. Däremot når den totala viktförlusten för bulk-SA 99,50 % vid 415 °C. SATEOS1, SATEOS3 och SATEOS6 uppvisade dock en viktminskning på 62,50 %, 85,50 % respektive 93,76 % vid 415 °C. Detta resultat indikerar att tillsatsen av TEOS förbättrar nedbrytningen av SA genom att bilda ett SiO2-lager på ytan av SA. Dessa lager kan bilda en fysisk skyddande barriär, och därför kan en förbättring av den termiska stabiliteten hos mikroinkapslad CA observeras.
Resultaten för termisk tillförlitlighet för bulk-SA och det bästa mikroinkapslade provet (dvs. SATEOS 6) efter 30 uppvärmnings- och kylningscykler av DSC51,52 visas i figur 13. Det framgår att bulk-SA (figur 13a) inte visar någon skillnad i smälttemperatur, stelning och entalpivärde, medan SATEOS6 (fig. 13b) inte visar någon skillnad i temperatur och entalpivärde ens efter den 30:e uppvärmningscykeln och kylningsprocessen. Bulk-SA visade en smältpunkt på 72,10 °C, en stelningstemperatur på 64,69 °C, och smält- och stelningsvärmen efter den första cykeln var 201,0 J/g respektive 194,10 J/g. Efter den 30:e cykeln minskade smältpunkten för dessa värden till 71,24 °C, stelningstemperaturen minskade till 63,53 °C och entalpivärdet minskade med 10 %. Förändringar i smält- och stelningstemperaturer, såväl som minskningar i entalpivärden, indikerar att bulk-CA är opålitlig för icke-mikroinkapslingsapplikationer. Efter att korrekt mikroinkapsling har skett (SATEOS6) ändras dock inte smält- och stelningstemperaturerna och entalpivärdena (Fig. 13b). När SA väl är mikroinkapslad med SiO2-skal kan den användas som ett fasövergångsmaterial i termiska applikationer, särskilt inom byggbranschen, tack vare dess optimala smält- och stelningstemperaturer och stabila entalpi.
DSC-kurvor erhållna för proverna SA (a) och SATEOS6 (b) vid den första och den trettionde uppvärmnings- och kylningscykeln.
I denna studie utfördes en systematisk undersökning av mikroinkapsling med SA som kärnmaterial och SiO2 som skalmaterial. TEOS används som en prekursor för att bilda ett SiO2-stödlager och ett skyddande lager på SA-ytan. Efter framgångsrik syntes av mikroinkapslad SA visade FT-IR, XRD, XPS, SEM och EDS-resultat närvaron av SiO2. SEM-analys visar att SATEOS6-provet uppvisar väldefinierade sfäriska partiklar omgivna av SiO2-skal på SA-ytan. MEPCM med lägre SA-halt uppvisar dock agglomerering, vilket minskar prestandan hos PCM. XPS-analys visade närvaron av Si-O-Si och Si-OH i mikrokapselproverna, vilket avslöjade adsorptionen av SiO2 på SA-ytan. Enligt den termiska prestandaanalysen uppvisar SATEOS6 den mest lovande värmelagringsförmågan, med smält- och stelningstemperaturer på 70,37 °C respektive 64,27 °C, och latent smält- och stelningsvärme på 182,53 J/g respektive 160,12 J/g G. Den maximala paketeringseffektiviteten för SATEOS6 är 86,68 %. TGA- och DSC-termisk cykelanalys bekräftade att SATEOS6 fortfarande har god termisk stabilitet och tillförlitlighet även efter 30 uppvärmnings- och kylningsprocesser.
Yang T., Wang XY och Li D. Prestandanalys av termokemiskt fastgaskompositadsorptionssystem för termisk energilagring och förbättring av dess effektivitet. tillämpning. hot. ingenjör. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. och Al-Hallaj, S. En översikt över fasförändringsenergilagring: material och tillämpningar. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS och Saini JS Värmeöverföringsprestanda hos termiska energilagringssystem med PCM-kapslar: en översikt. uppdatering. support. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. och Bruno, F. En översikt över lagringsmaterial och tekniker för förbättrad termisk prestanda för termiska lagringssystem med hög temperatur och fasförändring. uppdatering. support. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Framställning och karakterisering av nanoinkapslade termiska energi-n-tetradekan fasförändringsmaterial. Kemiingenjör. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. och Li, M. Syntes av nya formstabila fasförändringskompositmaterial med modifierade grafen-aerogeler för solenergiomvandling och lagring. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., och Fang, G. Morfologisk karakterisering och tillämpning av fasförändringsmaterial i termisk energilagring: en översikt. uppdatering. stöd. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).