Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje rezultate, preporučujemo da koristite noviju verziju preglednika (ili da onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazujemo stranicu bez stiliziranja ili JavaScripta.
Stearinska kiselina (SA) se koristi kao fazno promjenjivi materijal (PCM) u uređajima za skladištenje energije. U ovoj studiji, sol-gel metoda je korištena za mikrokapsulaciju SiO2 ljuskastog surfaktanta. Različite količine SA (5, 10, 15, 20, 30 i 50 g) su enkapsulirane u 10 mL tetraetil ortosilikata (TEOS). Sintetizirani mikrokapsulirani fazno promjenjivi materijal (MEPCM) je karakteriziran Fourierovom transformacijskom infracrvenom spektroskopijom (FT-IR), rendgenskom difrakcijom (XRD), rendgenskom fotoelektronskom spektroskopijom (XPS) i skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). Rezultati karakterizacije su pokazali da je SA uspješno enkapsuliran pomoću SiO2. Termogravimetrijska analiza (TGA) je pokazala da MEPCM ima bolju termičku stabilnost od CA. Korištenjem diferencijalne skenirajuće kalorimetrije (DSC) utvrđeno je da se vrijednost entalpije MEPCM-a nije promijenila čak ni nakon 30 ciklusa zagrijavanja i hlađenja. Među svim mikrokapsuliranim uzorcima, 50 g SA koji sadrži MEPCM imalo je najveću latentnu toplinu topljenja i skrućivanja, koja je iznosila 182,53 J/g i 160,12 J/g, respektivno. Vrijednost efikasnosti pakovanja izračunata je korištenjem termičkih podataka, a najveća efikasnost pronađena je za isti uzorak, koja je iznosila 86,68%.
Otprilike 58% energije koja se koristi u građevinskoj industriji koristi se za grijanje i hlađenje zgrada1. Stoga je najvažnije stvoriti efikasne energetske sisteme koji uzimaju u obzir zagađenje okoliša2. Tehnologija latentne toplote koja koristi materijale za promjenu faze (PCM) može pohraniti visoku energiju pri niskim temperaturnim fluktuacijama3,4,5,6 i može se široko koristiti u oblastima kao što su prijenos toplote, skladištenje solarne energije, vazduhoplovstvo i klimatizacija7,8,9. PCM apsorbira toplinsku energiju iz vanjskih dijelova zgrada tokom dana i oslobađa energiju noću10. Stoga se materijali za promjenu faze preporučuju kao materijali za skladištenje toplinske energije. Osim toga, postoje različite vrste PCM-ova kao što su čvrsto-čvrsto, čvrsto-tečno, tečno-gasovito i čvrsto-gasovito11. Među njima, najpopularniji i najčešće korišteni materijali za promjenu faze su materijali za promjenu faze čvrsto-čvrsto i materijali za promjenu faze čvrsto-tečno. Međutim, njihova primjena je vrlo teška zbog ogromnih volumetrijskih promjena materijala za fazni prelaz tečno-gasovito i čvrsto-gasovito.
PCM ima različite primjene zbog svojih svojstava: oni koji se tope na temperaturama ispod 15°C mogu se koristiti u sistemima klimatizacije za održavanje niskih temperatura, a oni koji se tope na temperaturama iznad 90°C mogu se koristiti u sistemima grijanja za sprječavanje požara12. U zavisnosti od primjene i raspona tačke topljenja, sintetizirani su različiti materijali za promjenu faze iz različitih organskih i neorganskih hemikalija13,14,15. Parafin je najčešće korišteni materijal za promjenu faze sa visokom latentnom toplinom, nekorozivnošću, sigurnošću i širokim rasponom tačke topljenja16,17,18,19,20,21.
Međutim, zbog niske toplinske provodljivosti materijala za promjenu faze, potrebno ih je enkapsulirati u ljusku (vanjski sloj) kako bi se spriječilo curenje osnovnog materijala tokom procesa promjene faze22. Osim toga, operativne greške ili vanjski pritisak mogu oštetiti vanjski sloj (oblogu), a rastopljeni materijal za promjenu faze može reagirati s građevinskim materijalima, uzrokujući koroziju ugrađenih čeličnih šipki, čime se smanjuje upotrebljivost zgrade23. Stoga je važno sintetizirati enkapsulirane materijale za promjenu faze s dovoljno materijala ljuske, što može riješiti gore navedene probleme24.
Mikroenkapsulacija materijala za promjenu faze može efikasno povećati prijenos topline i smanjiti reaktivnost okoline, te kontrolirati promjene volumena. Razvijene su različite metode za enkapsulaciju PCM-a, i to međufazna polimerizacija25,26,27,28, in situ polimerizacija29,30,31,32, koacervacija33,34,35 i sol-gel procesi36,37,38,39. Formaldehidna smola se može koristiti za mikroenkapsulaciju40,41,42,43. Melamin-formaldehidne i urea-formaldehidne smole se koriste kao materijali za ljusku, koji često emitiraju toksični formaldehid tokom rada. Stoga je upotreba ovih materijala zabranjena u procesima pakovanja. Međutim, ekološki prihvatljivi materijali za promjenu faze za skalabilno skladištenje toplinske energije mogu se sintetizirati korištenjem hibridnih nanokapsula na bazi masnih kiselina i lignina44.
Zhang i saradnici 45 i saradnici su sintetizirali laurinsku kiselinu iz tetraetil ortosilikata i zaključili da se s povećanjem volumenskog odnosa metiltrietoksisilana i tetraetil ortosilikata latentna toplina smanjuje, a površinska hidrofobnost povećava. Laurinska kiselina može biti potencijalni i učinkovit materijal jezgra za kapok vlakna 46. Osim toga, Latibari i saradnici 47 sintetizirali su PCM-ove na bazi stearinske kiseline koristeći TiO2 kao materijal omotača. Zhu i saradnici pripremili su n-oktadekan i silikonske nanokapsule kao potencijalne PCM-ove 48. Iz pregleda literature teško je razumjeti preporučenu dozu za formiranje učinkovitih i stabilnih mikrokapsuliranih materijala s promjenom faze.
Stoga, koliko je autorima poznato, količina materijala za faznu promjenu koja se koristi za mikrokapsulaciju važan je parametar za proizvodnju efikasnih i stabilnih mikrokapsuliranih materijala za faznu promjenu. Korištenje različitih količina materijala za faznu promjenu omogućit će nam da razjasnimo različita svojstva i stabilnost mikrokapsuliranih materijala za faznu promjenu. Stearinska kiselina (masna kiselina) je ekološki prihvatljiva, medicinski važna i ekonomična supstanca koja se može koristiti za skladištenje toplotne energije jer ima visoku entalpijsku vrijednost (~200 J/g) i može izdržati temperature do 72 °C. Osim toga, SiO2 je nezapaljiv, pruža veću mehaničku čvrstoću, toplotnu provodljivost i bolju hemijsku otpornost na osnovne materijale, te djeluje kao pucolanski materijal u građevinarstvu. Kada se cement pomiješa s vodom, loše inkapsulirani PCM-ovi mogu pucati zbog mehaničkog habanja i visokih temperatura (topline hidratacije) koje se stvaraju u masivnim betonskim konstrukcijama. Stoga, upotreba mikrokapsuliranog CA sa SiO2 ljuskom može riješiti ovaj problem. Stoga je cilj ove studije bio istražiti performanse i efikasnost PCM-ova sintetiziranih sol-gel postupkom u građevinskim primjenama. U ovom radu sistematski smo proučavali različite količine SA (kao osnovnog materijala) od 5, 10, 15, 20, 30 i 50 g enkapsuliranih u SiO2 ljuske. Fiksna količina tetraetilortosilikata (TEOS) u volumenu od 10 ml korištena je kao prekursorski rastvor za formiranje SiO2 ljuske.
Stearinska kiselina reaktivnog kvaliteta (SA, C18H36O2, tačka topljenja: 72°C) kao osnovni materijal kupljena je od Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Južna Koreja. Tetraetilortosilikat (TEOS, C8H20O4Si) kao prekursorski rastvor kupljen je od Acros Organics, Geel, Belgija. Pored toga, apsolutni etanol (EA, C2H5OH) i natrijum lauril sulfat (SLS, C12H25NaO4S) kupljeni su od Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Južna Koreja, i korišteni su kao rastvarači i surfaktanti, respektivno. Destilirana voda se također koristi kao rastvarač.
Različite količine SA su pomiješane s različitim omjerima natrijum lauril sulfata (SLS) u 100 mL destilirane vode pomoću magnetne miješalice pri 800 o/min i 75 °C tokom 1 sata (Tabela 1). SA emulzije su podijeljene u dvije grupe: (1) 5, 10 i 15 g SA je pomiješano s 0,10 g SLS-a u 100 ml destilirane vode (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3), (2) 20, 30 i 50 g SA je pomiješano s 0,15, 0,20 i 0,25 g SLS-a je pomiješano sa 100 ml destilirane vode (SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6). 0,10 g SLS-a je korišteno s 5, 10 i 15 g SA za formiranje odgovarajućih emulzija. Naknadno je predloženo povećanje broja SLS-a za SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6. Tabela 1 prikazuje omjere CA i SLS korištene za dobijanje stabilnih emulzijskih rastvora.
U čašu od 100 ml staviti 10 ml TEOS-a, 10 ml etanola (EA) i 20 ml destilovane vode. Da bi se proučila efikasnost enkapsulacije različitih omjera ljuski SA i SiO2, zabilježen je koeficijent sinteze svih uzoraka. Smjesa je miješana magnetnom miješalicom pri 400 rpm i 60°C tokom 1 sata. Otopina prekursora je zatim kap po kap dodana u pripremljenu emulziju SA, snažno miješana pri 800 rpm i 75°C tokom 2 sata, te filtrirana da bi se dobio bijeli prah. Bijeli prah je ispran destilovanom vodom da bi se uklonili preostali SA i sušen u vakuumskoj peći na 45°C tokom 24 sata. Kao rezultat toga, dobijen je mikroenkapsulirani SC sa ljuskom od SiO2. Cijeli proces sinteze i pripreme mikroenkapsuliranog SA prikazan je na Slici 1.
SA mikrokapsule sa SiO2 ljuskom pripremljene su sol-gel metodom, a njihov mehanizam enkapsulacije prikazan je na Slici 2. Prvi korak uključuje pripremu SA emulzije u vodenom rastvoru sa SLS-om kao surfaktantom. U ovom slučaju, hidrofobni kraj SA molekula se veže za SLS, a hidrofilni kraj za molekule vode, formirajući stabilnu emulziju. Dakle, hidrofobni dijelovi SLS-a su zaštićeni i prekrivaju površinu SA kapljice. S druge strane, hidroliza TEOS rastvora se odvija polako pomoću molekula vode, što dovodi do formiranja hidrolizovanog TEOS-a u prisustvu etanola (Slika 2a) 49,50,51. Hidrolizovani TEOS prolazi kroz reakciju kondenzacije, tokom koje n-hidrolizovani TEOS formira klastere silicijuma (Slika 2b). Klasteri silicijuma su enkapsulirani pomoću SA52 u prisustvu SLS-a (Slika 2c), što se naziva proces mikroenkapsulacije.
Shematski dijagram mikroinkapsulacije CA sa ljuskom od SiO2 (a) hidroliza TEOS-a (b) kondenzacija hidrolizata i (c) inkapsulacija CA sa ljuskom od SiO2.
Hemijska analiza rasutog i mikrokapsuliranog SA provedena je korištenjem infracrvenog spektrometra s Fourierovom transformacijom (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, SAD), a spektri su snimljeni u rasponu od 500 do 4000 cm-1.
Za analizu osnovnih SA faza i materijala mikrokapsula korišten je rendgenski difraktometar (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan). Skeniranje rendgenske strukture provedeno je u rasponu 2θ = 5°–95° sa brzinom skeniranja od 4°/min, korištenjem Cu-Kα zračenja (λ = 1,541 Å), radnim uvjetima od 25 kV i 100 mA, u režimu kontinuiranog skeniranja. Rendgenske slike su konstruirane u rasponu 2θ = 5–50°, budući da nije uočen vrh nakon 50° ni u jednom uzorku.
Rendgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS, Scienta Omicron R3000, SAD) provedena je korištenjem AlKα (1486,6 eV) kao izvora X-zraka kako bi se razumjelo hemijsko stanje glavnog sloja SA, kao i elementi prisutni u materijalu za enkapsulaciju. Prikupljeni XPS spektri kalibrirani su na C1s vrh korištenjem egzotičnog ugljika (energija vezivanja 284,6 eV). Nakon korekcije pozadine korištenjem Shirley metode, vrhovi visoke rezolucije svakog elementa dekonvoluirani su i prilagođeni Gaussovim/Lorentzovim funkcijama korištenjem CASA XPS softvera.
Morfologija SC-a u rasutom stanju i mikroinkapsuliranog SC-a ispitana je korištenjem skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Češka Republika) opremljene energetski disperzivnom rendgenskom spektroskopijom (EDS) na 15 kV. Prije SEM snimanja, uzorci su premazani platinom (Pt) kako bi se izbjegli efekti naelektrisanja.
Termička svojstva (tačka topljenja/očvršćavanja i latentna toplota) i pouzdanost (termički ciklusi) određeni su diferencijalnom skenirajućom kalorimetrijom (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, SAD) pri brzini zagrijavanja/hlađenja od 10 °C/min na 40 °C i 90 °C uz kontinuirano pročišćavanje dušikom. Analiza gubitka težine provedena je pomoću TGA analizatora (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, SAD) u kontinuiranom protoku dušika počevši od temperature od 40–600 °C, uz brzinu zagrijavanja od 10 °C/min.
Slika 3 prikazuje FTIR spektre rasutog SC-a, kao i mikroenkapsuliranog SC-a (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 i SATEOS6). Apsorpcijski vrhovi na 2910 cm-1 i 2850 cm-1 u svim uzorcima (SA kao i mikroenkapsulirani SA) pripisuju se simetričnim vibracijama istezanja –CH3 i –CH2 grupa, respektivno10,50. Vrh na 1705 cm-1 odgovara vibracijskom istezanju C=O veze. Vrhovi na 1470 cm-1 i 1295 cm-1 pripisuju se vibraciji savijanja u ravnini funkcionalne grupe –OH, dok vrhovi na 940 cm-1 i 719 cm-1 odgovaraju vibraciji u ravnini i vibraciji deformacije u ravnini –OH grupe, respektivno. Apsorpcijski vrhovi SA na 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 i 719 cm-1 također su uočeni u svim mikrokapsuliranim SA. Pored toga, novootkriveni vrh na 1103 cm-1 koji odgovara antisimetričnoj vibraciji istezanja Si-O-Si trake uočen je u SA mikrokapsuli. FT-IR rezultati su u skladu s Yuan et al.50. Uspješno su pripremili mikrokapsulirani SA u omjeru amonijak/etanol i otkrili da nije došlo do hemijske interakcije između SA i SiO2. Rezultati trenutne FT-IR studije pokazuju da je SiO2 ljuska uspješno enkapsulirala SA (jezgro) kroz proces kondenzacije i polimerizacije hidroliziranog TEOS-a. Pri nižem sadržaju SA, intenzitet vrha Si-O-Si trake je veći (Sl. 3b-d). Kako se količina SA povećava na više od 15 g, intenzitet vrha i širenje Si-O-Si trake postepeno se smanjuju, što ukazuje na formiranje tankog sloja SiO2 na površini SA.
FTIR spektri (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6.
XRD obrasci rasutog SA i mikroinkapsuliranog SA prikazani su na Slici 4. XRD vrhovi se nalaze na 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}prema JCPDS br. 0381923, 02)\), 21,42° u svim uzorcima (311), 24,04° (602) i 39,98° (913) pripisuju se SA. Distorzija i hibridnost sa rasutim CA zbog neizvjesnih faktora kao što su surfaktant (SLS), druge rezidualne supstance i mikroinkapsulacija SiO250. Nakon što dođe do inkapsulacije, intenzitet glavnih vrhova (300), (500), (311) i (602) postepeno se smanjuje u poređenju sa rasutim CA, što ukazuje na smanjenje kristalnosti uzorka.
XRD obrasci (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6.
Intenzitet SATEOS1 naglo opada u poređenju s drugim uzorcima. Nisu uočeni drugi vrhovi u svim mikrokapsuliranim uzorcima (Sl. 4b-g), što potvrđuje da se na površini SA odvija fizička adsorpcija SiO252, a ne hemijska interakcija. Osim toga, zaključeno je i da mikrokapsulacija SA nije dovela do pojave bilo kakvih novih struktura. SiO2 ostaje netaknut na površini SA bez ikakve hemijske reakcije, a kako se količina SA smanjuje, postojeći vrhovi postaju očigledniji (SATEOS1). Ovaj rezultat ukazuje na to da SiO2 uglavnom enkapsulira površinu SA. Vrh na (700) potpuno nestaje, a vrh na \((\overline{5}02)\) postaje grba u SATEOS 1 (Sl. 4b), što je povezano sa smanjenom kristalnošću i povećanim amorfizmom. SiO2 je amorfne prirode, tako da vrhovi uočeni od 2θ = 19° do 25° imaju grbu i proširenje53 (Sl. 4b–g), što potvrđuje postojanje amorfnog SiO252. Niži intenzitet difrakcijskog vrha mikroenkapsuliranog SA posljedica je nukleacijskog efekta unutrašnjeg zida silicijevog dioksida i ograničavajućeg ponašanja kristalizacije49. Vjeruje se da se s nižim sadržajem SA formira deblja ljuska silicijevog dioksida zbog prisustva velike količine TEOS-a, koji se uglavnom adsorbira na vanjskoj površini SA. Međutim, kako se količina SA povećava, površina kapljica SA u emulzijskom rastvoru se povećava i potrebno je više TEOS-a za pravilnu enkapsulaciju. Stoga, s većim sadržajem SA, vrh SiO2 u FT-IR je potisnut (Sl. 3), a intenzitet difrakcijskog vrha blizu 2θ = 19–25° u XRF (Sl. 4) se smanjuje i širenje se također smanjuje. Nije vidljivo. Međutim, kao što se može vidjeti na Slici 4, čim se količina SA poveća sa 5 g (SATEOS1) na 50 g (SATEOS6), vrhovi postaju vrlo blizu vrijednostima SA u rasutom stanju, a vrh na (700) pojavljuje se sa svim identificiranim intenzitetima vrhova. Ovaj rezultat korelira s rezultatima FT-IR spektroskopije, gdje intenzitet vrha SiO2 SATEOS6 opada na 1103 cm-1 (Slika 3g).
Hemijska stanja elemenata prisutnih u SA, SATEOS1 i SATEOS6 prikazana su na slikama 1 i 2. Slike 5, 6, 7 i 8 i Tabela 2. Skeniranje mjerenja za SA, SATEOS1 i SATEOS6 u rasutom stanju prikazano je na Slici 5, a skenovi visoke rezolucije za C 1s, O 1s i Si 2p prikazani su na slikama 5, 6, 7 i 8 i Tabela 2, 6, 7 i 8 respektivno. Vrijednosti energije vezivanja dobijene XPS-om sumirane su u Tabeli 2. Kao što se može vidjeti na Slici 5, očigledni vrhovi Si 2s i Si 2p uočeni su u SATEOS1 i SATEOS6, gdje je došlo do mikrokapsulacije SiO2 ljuske. Prethodni istraživači su izvijestili o sličnom vrhu Si 2s na 155,1 eV54. Prisustvo Si vrhova u SATEOS1 (Sl. 5b) i SATEOS6 (Sl. 5c) potvrđuje FT-IR (Sl. 3) i XRD (Sl. 4) podatke.
Kao što je prikazano na Slici 6a, C 1s u rasutom stanju SA ima tri različita vrha: CC, kalifatski i O=C=O pri energiji vezivanja, koji iznose 284,5 eV, 285,2 eV i 289,5 eV, respektivno. C–C, kalifatski i O=C=O vrhovi su također uočeni u SATEOS1 (Slika 6b) i SATEOS6 (Slika 6c) i sažeti su u Tabeli 2. Pored ovoga, C 1s vrh također odgovara dodatnom Si-C vrhu na 283,1 eV (SATEOS1) i 283,5 eV (SATEOS6). Naše uočene energije vezivanja za C–C, kalifatski, O=C=O i Si–C dobro se slažu s drugim izvorima55,56.
XPS spektri O1SA, SATEOS1 i SATEOS6 prikazani su na slikama 7a–c, respektivno. O1s vrh kod glavnog SA je dekonvoluiran i ima dva vrha, i to C=O/C–O (531,9 eV) i C–O–H (533,0 eV), dok su O1 kod SATEOS1 i SATEOS6 konzistentni. Postoje samo tri vrha: C=O/C–O, C–O–H i Si–OH55,57,58. Energija vezivanja O1s u SATEOS1 i SATEOS6 se neznatno mijenja u poređenju sa glavnim SA, što je povezano s promjenom hemijskog fragmenta zbog prisustva SiO2 i Si-OH u materijalu ljuske.
Si 2p XPS spektri SATEOS1 i SATEOS6 prikazani su na slici 8a i b, respektivno. U rasutom CA, Si 2p nije uočen zbog odsustva SiO2. Vrh Si 2p odgovara 105,4 eV za SATEOS1 i 105,0 eV za SATEOS6, što odgovara Si-O-Si, dok je vrh SATEOS1 103,5 eV, a vrh SATEOS6 103,3 eV, što odgovara Si-OH55. Fitovanje vrhova Si-O-Si i Si-OH u SATEOS1 i SATEOS6 otkrilo je uspješnu mikroenkapsulaciju SiO2 na površini SA jezgra.
Morfologija mikroinkapsuliranog materijala je veoma važna, utičući na rastvorljivost, stabilnost, hemijsku reaktivnost, protočnost i čvrstoću59. Stoga je SEM korišten za karakterizaciju morfologije rasutog SA (100×) i mikroinkapsuliranog SA (500×), kao što je prikazano na slici 9. Kao što se može vidjeti na slici 9a, SA blok ima eliptični oblik. Veličina čestica prelazi 500 mikrona. Međutim, kada se proces mikroinkapsulacije nastavi, morfologija se dramatično mijenja, kao što je prikazano na slikama 9 b–g.
SEM slike (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 i (g) SATEOS6 pri ×500.
U uzorku SATEOS1 uočene su manje kvazisferične čestice SA omotane SiO2 sa hrapavom površinom (slika 9b), što može biti posljedica hidrolize i kondenzacijske polimerizacije TEOS-a na površini SA, ubrzavajući brzu difuziju molekula etanola. Kao rezultat toga, čestice SiO2 se talože i uočava se aglomeracija52,60. Ova SiO2 ljuska pruža mehaničku čvrstoću mikroinkapsuliranim CA česticama, a također sprječava curenje rastopljenog CA na višim temperaturama10. Ovaj rezultat ukazuje na to da se SA mikrokapsule koje sadrže SiO2 mogu koristiti kao potencijalni materijali za skladištenje energije61. Kao što se može vidjeti na slici 9b, uzorak SATEOS1 ima ujednačenu raspodjelu čestica s debelim slojem SiO2 koji enkapsulira SA. Veličina čestica mikroinkapsuliranog SA (SATEOS1) je približno 10–20 μm (slika 9b), što je znatno manje u usporedbi s rasutim SA zbog nižeg sadržaja SA. Debljina sloja mikrokapsula posljedica je hidrolize i kondenzacijske polimerizacije otopine prekursora. Do aglomeracije dolazi pri nižim dozama SA, tj. do 15 g (Sl. 9b-d), ali čim se doza poveća, ne uočava se aglomeracija, već se uočavaju jasno definirane sferne čestice (Sl. 9e-g) 62.
Osim toga, kada je količina SLS surfaktanta konstantna, sadržaj SA (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3) također utječe na efikasnost, oblik i raspodjelu veličine čestica. Stoga je utvrđeno da SATEOS1 pokazuje manju veličinu čestica, ujednačenu raspodjelu i gustu površinu (Sl. 9b), što se pripisuje hidrofilnoj prirodi SA koja promovira sekundarnu nukleaciju pod konstantnim surfaktantom63. Vjeruje se da će se povećanjem sadržaja SA od 5 do 15 g (SATEOS1, SATEOS2 i SATEOS3) i korištenjem konstantne količine surfaktanta, tj. 0,10 g SLS (Tabela 1), doprinos svake čestice molekule surfaktanta smanjiti, čime će se smanjiti veličina čestica i veličina čestica. Raspodjela SATEOS2 (Sl. 9c) i SATEOS3 (Sl. 9d) razlikuje se od distribucije SATEOS 1 (Sl. 9b).
U poređenju sa SATEOS1 (Sl. 9b), SATEOS2 je pokazao gustu morfologiju mikroinkapsuliranog SA, a veličina čestica se povećala (Sl. 9c). To je zbog aglomeracije 49, koja smanjuje brzinu koagulacije (Sl. 2b). Kako se količina SC povećava sa povećanjem SLS-a, mikrokapsule postaju jasno vidljive, kao što je prikazano na Sl. kako dolazi do agregacije. Pored toga, slike 9e-g pokazuju da su sve čestice jasno sfernog oblika i veličine. Prepoznato je da se u prisustvu velikih količina SA može dobiti odgovarajuća količina silicijum dioksidnih oligomera, što uzrokuje odgovarajuću kondenzaciju i enkapsulaciju, a time i formiranje dobro definiranih mikrokapsula 49. Iz SEM rezultata je jasno da je SATEOS6 formirao odgovarajuće mikrokapsule u poređenju sa malom količinom SA.
Rezultati energetski disperzivne rendgenske spektroskopije (EDS) rasutog SA i mikrokapsuliranog SA prikazani su u Tabeli 3. Kao što se može vidjeti iz ove tabele, sadržaj Si postepeno opada od SATEOS1 (12,34%) do SATEOS6 (2,68%). Povećanje SA. Stoga možemo reći da povećanje količine SA dovodi do smanjenja taloženja SiO2 na površini SA. Ne postoje konzistentne vrijednosti za sadržaj C i O u Tabeli 3 zbog semikvantitativne analize EDS51. Sadržaj Si u mikrokapsuliranom SA korelirao je s rezultatima FT-IR, XRD i XPS.
Ponašanje topljenja i skrućivanja rasutog SA, kao i mikrokapsuliranog SA sa SiO2 ljuskom, prikazano je na slikama 1 i 2. Prikazane su na slikama 10 i 11, respektivno, a termički podaci su prikazani u tabeli 4. Utvrđeno je da su temperature topljenja i skrućivanja mikrokapsuliranog SA različite. Kako se količina SA povećava, temperature topljenja i skrućivanja se povećavaju i približavaju vrijednostima rasutog SA. Nakon mikrokapsuliranja SA, silicijum dioksidni zid povećava temperaturu kristalizacije, a njegov zid djeluje kao jezgro za promovisanje heterogenosti. Stoga, kako se količina SA povećava, temperature topljenja (slika 10) i skrućivanja (slika 11) također se postepeno povećavaju 49,51,64. Među svim uzorcima mikrokapsuliranog SA, SATEOS6 je pokazao najviše temperature topljenja i skrućivanja, a slijede ga SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 i SATEOS1.
SATEOS1 pokazuje najnižu tačku topljenja (68,97 °C) i temperaturu skrućivanja (60,60 °C), što je zbog manje veličine čestica kod kojih je kretanje SA čestica unutar mikrokapsula vrlo malo, a SiO2 omotač formira debeli sloj i stoga materijal jezgra ograničava istezanje i kretanje49. Ova hipoteza je povezana s rezultatima SEM-a, gdje je SATEOS1 pokazao manju veličinu čestica (slika 9b), što je zbog činjenice da su molekule SA ograničene unutar vrlo malog područja mikrokapsula. Razlika u temperaturama topljenja i skrućivanja glavne mase, kao i svih SA mikrokapsula sa SiO2 omotačima, je u rasponu od 6,10–8,37 °C. Ovaj rezultat ukazuje na to da se mikroinkapsulirani SA može koristiti kao potencijalni materijal za skladištenje energije zbog dobre toplinske provodljivosti SiO2 omotača65.
Kao što se može vidjeti iz Tabele 4, SATEOS6 ima najveću entalpiju među svim mikrokapsuliranim SC-ovima (Sl. 9g) zbog pravilne enkapsulacije uočene SEM-om. Brzina pakovanja SA može se izračunati korištenjem jednačine (1). (1) Poređenjem podataka o latentnoj toploti mikrokapsuliranog SA49.
Vrijednost R predstavlja stepen enkapsulacije (%) mikroenkapsuliranog SC-a, ΔHMEPCM,m predstavlja latentnu toplotu topljenja mikroenkapsuliranog SC-a, a ΔHPCM,m predstavlja latentnu toplotu topljenja SC-a. Pored toga, efikasnost pakovanja (%) se izračunava kao još jedan važan tehnički parametar, kao što je prikazano u Jednačini (1). (2)49.
Vrijednost E predstavlja efikasnost enkapsulacije (%) mikroenkapsuliranog CA, ΔHMEPCM,s predstavlja latentnu toplinu očvršćavanja mikroenkapsuliranog CA, a ΔHPCM,s predstavlja latentnu toplinu očvršćavanja CA.
Kao što je prikazano u Tabeli 4, stepen pakovanja i efikasnost SATEOS1 iznose 71,89% odnosno 67,68%, a stepen pakovanja i efikasnost SATEOS6 iznose 90,86% odnosno 86,68% (Tabela 4). Uzorak SATEOS6 pokazuje najveći koeficijent enkapsulacije i efikasnost među svim mikrokapsuliranim SA, što ukazuje na njegov visoki termički kapacitet. Stoga, prelazak iz čvrstog u tečno stanje zahtijeva velike količine energije. Pored toga, razlika u temperaturama topljenja i skrućivanja svih SA mikrokapsula i rasutog SA tokom procesa hlađenja ukazuje na to da je silicijum dioksidna ljuska prostorno ograničena tokom sinteze mikrokapsula. Dakle, rezultati pokazuju da se, kako se količina SC povećava, brzina enkapsulacije i efikasnost postepeno povećavaju (Tabela 4).
TGA krivulje rasutog SA i mikrokapsuliranog SA sa SiO2 ljuskom (SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6) prikazane su na Slici 12. Svojstva termičke stabilnosti rasutog SA (SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6) upoređena su sa mikrokapsuliranim uzorcima. Iz TGA krivulje je jasno da gubitak težine rasutog SA, kao i mikrokapsuliranog SA, pokazuje gladak i vrlo blagi pad od 40°C do 190°C. Na ovoj temperaturi, rasuti SC ne podliježe termičkoj razgradnji, dok mikrokapsulirani SC oslobađa adsorbovanu vodu čak i nakon sušenja na 45°C tokom 24 sata. To je rezultiralo blagim gubitkom težine,49 ali iznad ove temperature materijal je počeo da se degradira. Pri nižem sadržaju SA (tj. SATEOS1), sadržaj adsorbovane vode je veći i stoga je gubitak mase do 190°C veći (umetnuti prikaz na Slici 12). Čim temperatura poraste iznad 190 °C, uzorak počinje gubiti masu zbog procesa razgradnje. Rasuti SA počinje se razgrađivati ​​na 190 °C i samo 4% ostaje na 260 °C, dok SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 zadržavaju 50%, 20% i 12% na ovoj temperaturi, respektivno. Nakon 300 °C, gubitak mase rasutog SA bio je približno 97,60%, dok je gubitak mase SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 bio približno 54,20%, 82,40% i 90,30%, respektivno. S povećanjem sadržaja SA, sadržaj SiO2 se smanjuje (Tabela 3), a u SEM-u se uočava stanjivanje ljuske (Slika 9). Dakle, gubitak težine mikroinkapsuliranog SA je manji u poređenju sa rasutim SA, što se objašnjava povoljnim svojstvima SiO2 ljuske, koja potiče formiranje ugljičnog silikat-ugljičnog sloja na površini SA, čime se izoluje jezgro SA i usporava oslobađanje rezultirajućih isparljivih produkata10. Ovaj ugljenisani sloj formira fizičku zaštitnu barijeru tokom termičke razgradnje, ograničavajući prelazak zapaljivih molekula u gasovitu fazu66,67. Pored ovoga, možemo vidjeti i značajne rezultate gubitka težine: SATEOS1 pokazuje niže vrijednosti u poređenju sa SATEOS3, SATEOS6 i SA. To je zato što je količina SA u SATEOS1 manja nego u SATEOS3 i SATEOS6, gdje SiO2 ljuska formira debeli sloj. Nasuprot tome, ukupni gubitak težine rasutog SA dostiže 99,50% na 415 °C. Međutim, SATEOS1, SATEOS3 i SATEOS6 pokazali su gubitak težine od 62,50%, 85,50% i 93,76% na 415 °C. Ovaj rezultat ukazuje na to da dodatak TEOS-a poboljšava razgradnju SA formiranjem sloja SiO2 na površini SA. Ovi slojevi mogu formirati fizičku zaštitnu barijeru, te se stoga može uočiti poboljšanje termičke stabilnosti mikroinkapsuliranog CA.
Rezultati termičke pouzdanosti rasutog SA i najboljeg mikrokapsuliranog uzorka (tj. SATEOS 6) nakon 30 ciklusa zagrijavanja i hlađenja DSC51,52 prikazani su na Slici 13. Može se vidjeti da rasuti SA (Slika 13a) ne pokazuje nikakvu razliku u temperaturi topljenja, skrućivanju i vrijednosti entalpije, dok SATEOS6 (Slika 13b) ne pokazuje nikakvu razliku u temperaturi i vrijednosti entalpije čak ni nakon 30. ciklusa zagrijavanja i procesa hlađenja. Rasuti SA pokazao je tačku topljenja od 72,10 °C, temperaturu skrućivanja od 64,69 °C, a toplota topljenja i skrućivanja nakon prvog ciklusa bile su 201,0 J/g i 194,10 J/g, respektivno. Nakon 30. ciklusa, tačka topljenja ovih vrijednosti smanjila se na 71,24 °C, temperatura skrućivanja smanjila se na 63,53 °C, a vrijednost entalpije smanjila se za 10%. Promjene u temperaturama topljenja i skrućivanja, kao i smanjenje vrijednosti entalpije, ukazuju na to da je CA u rasutom stanju nepouzdan za primjene koje nisu mikrokapsulirane. Međutim, nakon odgovarajuće mikrokapsulacije (SATEOS6), temperature topljenja i skrućivanja te vrijednosti entalpije se ne mijenjaju (slika 13b). Nakon mikrokapsulacije sa SiO2 ljuskama, SA se može koristiti kao materijal za faznu promjenu u termičkim primjenama, posebno u građevinarstvu, zbog optimalnih temperatura topljenja i skrućivanja i stabilne entalpije.
DSC krive dobijene za uzorke SA (a) i SATEOS6 (b) pri 1. i 30. ciklusu zagrijavanja i hlađenja.
U ovoj studiji, sistematsko istraživanje mikroenkapsulacije provedeno je korištenjem SA kao jezgra i SiO2 kao materijala omotača. TEOS se koristi kao prekursor za formiranje SiO2 nosećeg sloja i zaštitnog sloja na površini SA. Nakon uspješne sinteze mikroenkapsuliranog SA, rezultati FT-IR, XRD, XPS, SEM i EDS pokazali su prisustvo SiO2. SEM analiza pokazuje da uzorak SATEOS6 pokazuje dobro definirane sferne čestice okružene SiO2 omotačima na površini SA. Međutim, MEPCM sa nižim sadržajem SA pokazuje aglomeraciju, što smanjuje performanse PCM-a. XPS analiza je pokazala prisustvo Si-O-Si i Si-OH u uzorcima mikrokapsula, što je otkrilo adsorpciju SiO2 na površini SA. Prema analizi termičkih performansi, SATEOS6 pokazuje najperspektivniju sposobnost skladištenja toplote, sa temperaturama topljenja i skrućivanja od 70,37°C i 64,27°C, respektivno, i latentnom toplotom topljenja i skrućivanja od 182,53 J/g i 160,12 J/g. G. Maksimalna efikasnost pakovanja SATEOS6 je 86,68%. TGA i DSC analiza termičkog ciklusa potvrdila je da SATEOS6 i dalje ima dobru termičku stabilnost i pouzdanost čak i nakon 30 procesa zagrijavanja i hlađenja.
Yang T., Wang XY i Li D. Analiza performansi termohemijskog kompozitnog sistema za adsorpciju čvrstog i gasnog materijala za skladištenje toplotne energije i poboljšanje njegove efikasnosti. Primjena. Hot Engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. i Al-Hallaj, S. Pregled skladištenja energije faznom promjenom: materijali i primjene. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS i Saini JS Performanse prenosa toplote sistema za skladištenje toplotne energije korišćenjem PCM kapsula: pregled. ažuriranje. podrška. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. i Bruno, F. Pregled materijala za skladištenje i tehnologija za poboljšanje termalnih performansi za sisteme termalnog skladištenja s promjenom faze na visokim temperaturama. ažuriranje. podrška. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Priprema i karakterizacija nanoenkapsuliranih termalno energetskih n-tetradekan fazno promjenjivih materijala. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. i Li, M. Sinteza novih kompozitnih materijala sa promjenom faze, stabilnog oblika, korištenjem modificiranih grafenskih aerogelova za konverziju i skladištenje solarne energije. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. i Fang, G. Morfološka karakterizacija i primjena materijala s promjenom faze u skladištenju toplinske energije: pregled. ažuriranje. podrška. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).