Tak for dit besøg på Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at opnå de bedste resultater anbefaler vi, at du bruger en nyere version af din browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). I mellemtiden viser vi webstedet uden styling eller JavaScript for at sikre løbende support.
Stearinsyre (SA) anvendes som faseændringsmateriale (PCM) i energilagringsenheder. I denne undersøgelse blev sol-gel-metoden anvendt til at mikroindkapsle SiO2-skal-surfaktant. Forskellige mængder SA (5, 10, 15, 20, 30 og 50 g) blev indkapslet i 10 ml tetraethylorthosilicat (TEOS). Det syntetiserede mikroindkapslede faseændringsmateriale (MEPCM) blev karakteriseret ved Fourier-transform infrarødspektroskopi (FT-IR), røntgendiffraktion (XRD), røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og scanningselektronmikroskopi (SEM). Karakteriseringsresultaterne viste, at SA blev indkapslet med succes af SiO2. Termogravimetrisk analyse (TGA) viste, at MEPCM har bedre termisk stabilitet end CA. Ved hjælp af differentiel scanningskalorimetri (DSC) blev det konstateret, at entalpiværdien af ​​MEPCM ikke ændrede sig, selv efter 30 opvarmnings- og afkølingscyklusser. Blandt alle mikroindkapslede prøver havde 50 g SA indeholdende MEPCM den højeste latente smelte- og størkningsvarme, som var henholdsvis 182,53 J/g og 160,12 J/g. Pakkeeffektivitetsværdien blev beregnet ved hjælp af termiske data, og den højeste effektivitet blev fundet for den samme prøve, som var 86,68%.
Cirka 58 % af den energi, der bruges i byggebranchen, bruges til at opvarme og køle bygninger1. Derfor er det mest nødvendige at skabe effektive energisystemer, der tager højde for miljøforurening2. Latent varmeteknologi, der bruger faseændringsmaterialer (PCM), kan lagre høj energi ved lave temperaturudsving3,4,5,6 og kan anvendes i vid udstrækning inden for områder som varmeoverførsel, solenergilagring, luftfart og aircondition7,8,9. PCM absorberer termisk energi fra bygningers ydre i løbet af dagen og frigiver energi om natten10. Derfor anbefales faseændringsmaterialer som termiske energilagringsmaterialer. Derudover findes der forskellige typer PCM'er, såsom fast-fast, fast-væske, flydende-gas og fast-gas11. Blandt dem er de mest populære og hyppigt anvendte faseændringsmaterialer fast-fast faseændringsmaterialer og fast-væske faseændringsmaterialer. Deres anvendelse er dog meget vanskelig på grund af de enorme volumetriske ændringer i flydende-gas- og fast-gas-faseovergangsmaterialer.
PCM har forskellige anvendelser på grund af dets egenskaber: dem, der smelter ved temperaturer under 15 °C, kan bruges i klimaanlæg til at opretholde kolde temperaturer, og dem, der smelter ved temperaturer over 90 °C, kan bruges i varmesystemer til at forebygge brande12. Afhængigt af anvendelsen og smeltepunktsområdet er forskellige faseændringsmaterialer blevet syntetiseret ud fra forskellige organiske og uorganiske kemikalier13,14,15. Paraffin er det mest almindeligt anvendte faseændringsmateriale med høj latent varme, ikke-korrosivitet, sikkerhed og et bredt smeltepunktsområde16,17,18,19,20,21.
På grund af den lave varmeledningsevne for faseændringsmaterialer skal de imidlertid indkapsles i en skal (ydre lag) for at forhindre lækage af basismaterialet under faseændringsprocessen22. Derudover kan driftsfejl eller eksternt tryk beskadige det ydre lag (beklædning), og det smeltede faseændringsmateriale kan reagere med byggematerialerne, hvilket forårsager korrosion af indlejrede stålstænger og derved reducerer bygningens brugbarhed23. Derfor er det vigtigt at syntetisere indkapslede faseændringsmaterialer med tilstrækkeligt skalmateriale, hvilket kan løse ovenstående problemer24.
Mikroindkapsling af faseændringsmaterialer kan effektivt øge varmeoverførslen og reducere miljøreaktivitet samt kontrollere volumenændringer. Forskellige metoder er blevet udviklet til PCM-indkapsling, nemlig grænsefladepolymerisation25,26,27,28, in situ-polymerisation29,30,31,32, koacervation33,34,35 og sol-gel-processer36,37,38,39. Formaldehydharpiks kan anvendes til mikroindkapsling40,41,42,43. Melamin-formaldehyd- og urinstof-formaldehydharpikser anvendes som skalmaterialer, som ofte udsender giftigt formaldehyd under drift. Derfor er disse materialer forbudt at bruge i emballeringsprocesser. Miljøvenlige faseændringsmaterialer til skalerbar termisk energilagring kan dog syntetiseres ved hjælp af hybride nanokapsler baseret på fedtsyrer og lignin44.
Zhang et al. 45 syntetiserede laurinsyre fra tetraethylorthosilicat og konkluderede, at når volumenforholdet mellem methyltriethoxysilan og tetraethylorthosilicat stiger, falder den latente varme, og overfladehydrofobiciteten øges. Laurinsyre kan være et potentielt og effektivt kernemateriale til kapokfibre 46. Derudover syntetiserede Latibari et al. 47 stearinsyrebaserede PCM'er ved hjælp af TiO2 som skalmateriale. Zhu et al. fremstillede n-octadecan og silikone-nanokapsler som potentielle PCM'er 48. Ud fra en litteraturgennemgang er det vanskeligt at forstå den anbefalede dosering til dannelse af effektive og stabile mikroindkapslede faseændringsmaterialer.
Så vidt forfatterne ved, er mængden af ​​faseændringsmateriale, der anvendes til mikroindkapsling, derfor en vigtig parameter for produktionen af ​​effektive og stabile mikroindkapslede faseændringsmaterialer. Brug af forskellige mængder faseændringsmaterialer vil give os mulighed for at belyse de forskellige egenskaber og stabilitet af mikroindkapslede faseændringsmaterialer. Stearinsyre (fedtsyre) er et miljøvenligt, medicinsk vigtigt og økonomisk stof, der kan bruges til at lagre termisk energi, fordi det har en høj entalpiværdi (~200 J/g) og kan modstå temperaturer op til 72 °C. Derudover er SiO2 ikke-brandbart, giver højere mekanisk styrke, varmeledningsevne og bedre kemisk resistens over for kernematerialer og fungerer som et pozzolanisk materiale i konstruktionen. Når cement blandes med vand, kan dårligt indkapslede PCM'er revne på grund af mekanisk slid og høje temperaturer (hydreringsvarme), der genereres i massive betonkonstruktioner. Derfor kan brugen af ​​mikroindkapslet CA med en SiO2-skal løse dette problem. Formålet med denne undersøgelse var derfor at undersøge ydeevnen og effektiviteten af ​​PCM'er syntetiseret ved sol-gel-processen i byggeri. I dette arbejde undersøgte vi systematisk forskellige mængder SA (som basismateriale) på 5, 10, 15, 20, 30 og 50 g indkapslet i SiO2-skaller. En fast mængde tetraethylorthosilicat (TEOS) i et volumen på 10 ml blev anvendt som en precursoropløsning til dannelsen af ​​SiO2-skallen.
Reaktiv stearinsyre (SA, C18H36O2, smeltepunkt: 72°C) som kernemateriale blev købt fra Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Sydkorea. Tetraethylorthosilicat (TEOS, C8H20O4Si) som en precursoropløsning blev købt fra Acros Organics, Geel, Belgien. Derudover blev absolut ethanol (EA, C2H5OH) og natriumlaurylsulfat (SLS, C12H25NaO4S) købt fra Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Sydkorea, og blev anvendt som henholdsvis opløsningsmidler og overfladeaktive stoffer. Destilleret vand anvendes også som opløsningsmiddel.
Forskellige mængder SA blev blandet med forskellige andele natriumlaurylsulfat (SLS) i 100 ml destilleret vand ved hjælp af en magnetomrører ved 800 rpm og 75 °C i 1 time (Tabel 1). SA-emulsioner blev opdelt i to grupper: (1) 5, 10 og 15 g SA blev blandet med 0,10 g SLS i 100 ml destilleret vand (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3), (2) 20, 30 og 50 g SA blev blandet med 0,15, 0,20 og 0,25 g SLS blev blandet med 100 ml destilleret vand (SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6). 0,10 g SLS blev anvendt med 5, 10 og 15 g SA til at danne de respektive emulsioner. Efterfølgende blev det foreslået at øge antallet af SLS for SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6. Tabel 1 viser forholdet mellem CA og SLS, der anvendes til at opnå stabile emulsionsopløsninger.
Anbring 10 ml TEOS, 10 ml ethanol (EA) og 20 ml destilleret vand i et 100 ml bægerglas. For at undersøge indkapslingseffektiviteten af ​​forskellige forhold mellem SA- og SiO2-skaller blev syntesekoefficienten for alle prøver registreret. Blandingen blev omrørt med en magnetomrører ved 400 rpm og 60 °C i 1 time. Forstadieopløsningen blev derefter tilsat dråbevis til den fremstillede SA-emulsion, omrørt kraftigt ved 800 rpm og 75 °C i 2 timer og filtreret for at opnå et hvidt pulver. Det hvide pulver blev vasket med destilleret vand for at fjerne resterende SA og tørret i en vakuumovn ved 45 °C i 24 timer. Som et resultat blev der opnået en mikroindkapslet SC med en skal af SiO2. Hele processen med syntese og fremstilling af mikroindkapslet SA er vist i figur 1.
SA-mikrokapsler med en SiO2-skal blev fremstillet ved hjælp af sol-gel-metoden, og deres indkapslingsmekanisme er vist i figur 2. Det første trin involverer fremstilling af en SA-emulsion i en vandig opløsning med SLS som overfladeaktivt stof. I dette tilfælde binder den hydrofobe ende af SA-molekylet sig til SLS, og den hydrofile ende til vandmolekyler, hvilket danner en stabil emulsion. Således er de hydrofobe dele af SLS beskyttet og dækker overfladen af ​​SA-dråben. På den anden side sker hydrolyse af TEOS-opløsninger langsomt af vandmolekyler, hvilket fører til dannelsen af ​​hydrolyseret TEOS i nærvær af ethanol (fig. 2a) 49,50,51. Hydrolyseret TEOS undergår en kondensationsreaktion, hvorunder n-hydrolyseret TEOS danner silicaklynger (fig. 2b). Silicaklyngerne blev indkapslet af SA52 i nærvær af SLS (fig. 2c), hvilket kaldes mikroindkapslingsprocessen.
Skematisk diagram over mikroindkapsling af CA med en skal af SiO2 (a) hydrolyse af TEOS (b) kondensation af hydrolysatet og (c) indkapsling af CA med en skal af SiO2.
Kemisk analyse af bulk SA og mikroindkapslet SA blev udført ved hjælp af et Fourier-transform infrarødt spektrometer (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA), og spektre blev registreret i området fra 500 til 4000 cm-1.
Et røntgendiffraktometer (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan) blev anvendt til at analysere SA-bulkfaserne og mikrokapselmaterialerne. Røntgenstrukturscanning blev udført i området 2θ = 5°–95° med en scanningshastighed på 4°/min, ved hjælp af Cu-Kα-stråling (λ = 1,541 Å), driftsbetingelser på 25 kV og 100 mA, i kontinuerlig scanningstilstand. Røntgenbilleder blev konstrueret i området 2θ = 5–50°, da der ikke blev observeret nogen top efter 50° i alle prøver.
Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) blev udført ved hjælp af AlKα (1486,6 eV) som røntgenkilde for at forstå den kemiske tilstand af bulk SA samt de elementer, der er til stede i indkapslingsmaterialet. De indsamlede XPS-spektre blev kalibreret til C1s-toppen ved hjælp af eksotisk kulstof (bindingsenergi 284,6 eV). Efter baggrundskorrektion ved hjælp af Shirley-metoden blev højopløsningstoppene for hvert element dekonvolveret og tilpasset til Gaussiske/Lorentzianske funktioner ved hjælp af CASA XPS-software.
Morfologien af ​​bulk SC og mikroindkapslet SC blev undersøgt ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Tjekkiet) udstyret med energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) ved 15 kV. Før SEM-billeddannelse blev prøverne belagt med platin (Pt) for at undgå opladningseffekter.
Termiske egenskaber (smelte-/størkningspunkt og latent varme) og pålidelighed (termisk cykling) blev bestemt ved differentiel scanningskalorimetri (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) ved en opvarmnings-/afkølingshastighed på 10 °C/min ved 40 °C og 90 °C med kontinuerlig nitrogenrensning. Vægttabsanalyse blev udført ved hjælp af en TGA-analysator (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) i en kontinuerlig strøm af nitrogen startende ved en temperatur på 40-600 °C, med en opvarmningshastighed på 10 °C/min.
Figur 3 viser FTIR-spektrene af bulk SC såvel som mikroindkapslet SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6). Absorptionstoppene ved 2910 cm-1 og 2850 cm-1 i alle prøver (SA såvel som mikroindkapslet SA) tilskrives de symmetriske strækningsvibrationer af henholdsvis –CH3- og –CH2-grupperne10,50. Toppen ved 1705 cm-1 svarer til vibrationsstrækning af C=O-bindingen. Toppene ved 1470 cm-1 og 1295 cm-1 tilskrives den planare bøjningsvibration af den funktionelle –OH-gruppe, mens toppene ved 940 cm-1 og 719 cm-1 svarer til den planare vibration og deformationsvibrationen af ​​henholdsvis OH-gruppen. Absorptionstoppe af SA ved 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 og 719 cm-1 blev også observeret i alt mikroindkapslet SA. Derudover blev en nyopdaget top ved 1103 cm-1, svarende til den antisymmetriske strækningsvibration af Si-O-Si-båndet, observeret i SA-mikrokapslen. FT-IR-resultaterne er i overensstemmelse med Yuan et al. 50. De fremstillede med succes mikroindkapslet SA i ammoniak/ethanol-forholdet og fandt, at der ikke forekom nogen kemisk interaktion mellem SA og SiO2. Resultaterne af den aktuelle FT-IR-undersøgelse viser, at SiO2-skallen med succes indkapslede SA (kerne) gennem kondensationsprocessen og polymerisationen af ​​hydrolyseret TEOS. Ved lavere SA-indhold er topintensiteten af ​​Si-O-Si-båndet højere (fig. 3b-d). Efterhånden som mængden af ​​SA stiger til mere end 15 g, falder toppens intensitet og udvidelsen af ​​Si-O-Si-båndet gradvist, hvilket indikerer dannelsen af ​​et tyndt lag SiO2 på overfladen af ​​SA.
FTIR-spektre af (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6.
XRD-mønstrene for bulk SA og mikroindkapslet SA er vist i figur 4. XRD-toppe er placeret ved 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5} i henhold til JCPDS nr. 0381923, 02)\), 21,42° i alle prøver (311), 24,04° (602) og 39,98° (913) er tildelt SA. Forvrængning og hybriditet med bulk CA på grund af usikre faktorer såsom overfladeaktivt stof (SLS), andre reststoffer og mikroindkapsling af SiO250. Efter indkapsling falder intensiteten af ​​hovedtoppene (300), (500), (311) og (602) gradvist sammenlignet med bulk CA, hvilket indikerer et fald i prøvens krystallinitet.
XRD-mønstre af (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6.
Intensiteten af ​​SATEOS1 falder kraftigt sammenlignet med andre prøver. Der blev ikke observeret andre toppe i alle de mikroindkapslede prøver (fig. 4b-g), hvilket bekræfter, at der sker fysisk adsorption af SiO252 snarere end kemisk interaktion på SA-overfladen. Derudover blev det også konkluderet, at mikroindkapsling af SA ikke førte til fremkomsten af ​​nye strukturer. SiO2 forbliver intakt på SA-overfladen uden nogen kemisk reaktion, og efterhånden som mængden af ​​SA falder, bliver de eksisterende toppe mere tydelige (SATEOS1). Dette resultat indikerer, at SiO2 primært indkapsler SA-overfladen. Toppen ved (700) forsvinder fuldstændigt, og toppen ved \((\overline{5}02)\) bliver til en pukkel i SATEOS 1 (fig. 4b), hvilket er forbundet med reduceret krystallinitet og øget amorfi. SiO2 er amorf af natur, så toppene observeret fra 2θ = 19° til 25° har en pukkel og udvidelse53 (fig. 4b-g), hvilket bekræfter eksistensen af ​​amorf SiO252. Den lavere diffraktionstoppintensitet af mikroindkapslet SA skyldes kimdannelseseffekten af ​​silicaens indre væg og den begrænsende krystallisationsadfærd49. Det antages, at der med et lavere SA-indhold dannes en tykkere silicaskal på grund af tilstedeværelsen af ​​en stor mængde TEOS, som i vid udstrækning adsorberes på den ydre overflade af SA. Men efterhånden som mængden af ​​SA stiger, øges overfladearealet af SA-dråber i emulsionsopløsningen, og mere TEOS er påkrævet for korrekt indkapsling. Derfor undertrykkes SiO2-toppen i FT-IR med et højere SA-indhold (fig. 3), og intensiteten af ​​diffraktionstoppen nær 2θ = 19-25° i XRF (fig. 4) falder, og ekspansionen falder også. Ikke synlig. Som det imidlertid kan ses i figur 4, så snart mængden af ​​SA øges fra 5 g (SATEOS1) til 50 g (SATEOS6), bliver toppene meget tæt på bulk-SA, og toppen ved (700) fremkommer med alle identificerede topintensiteter. Dette resultat korrelerer med FT-IR-resultaterne, hvor intensiteten af ​​SiO2 SATEOS6-toppen falder ved 1103 cm-1 (fig. 3g).
De kemiske tilstande af de elementer, der er til stede i SA, SATEOS1 og SATEOS6, er vist i figur 1 og 2. Figur 5, 6, 7 og 8 samt tabel 2. Målescanninger for bulk SA, SATEOS1 og SATEOS6 er vist i figur 5, og højopløsningsscanninger for C1s, O1s og Si2p er vist i figur 5, 6, 7 og 8 samt tabel 2, henholdsvis 6, 7 og 8. Bindingsenergiværdierne opnået ved XPS er opsummeret i tabel 2. Som det fremgår af figur 5, blev der observeret tydelige Si2s- og Si2p-toppe i SATEOS1 og SATEOS6, hvor mikroindkapsling af SiO2-skallen forekom. Tidligere forskere har rapporteret en lignende Si2s-top ved 155,1 eV54. Tilstedeværelsen af ​​Si-toppe i SATEOS1 (fig. 5b) og SATEOS6 (fig. 5c) bekræfter FT-IR-dataene (fig. 3) og XRD-dataene (fig. 4).
Som vist i figur 6a har C1s i bulk SA tre forskellige toppe af CC, kalifatisk og O=C=O ved bindingsenergien, som er henholdsvis 284,5 eV, 285,2 eV og 289,5 eV. C–C, kalifatiske og O=C=O toppe blev også observeret i SATEOS1 (fig. 6b) og SATEOS6 (fig. 6c) og er opsummeret i tabel 2. Derudover svarer C1s-toppen også til en yderligere Si-C-top ved 283,1 eV (SATEOS1) og 283,5 eV (SATEOS6). Vores observerede bindingsenergier for C–C, kalifatisk, O=C=O og Si–C korrelerer godt med andre kilder55,56.
XPS-spektrene for O1SA, SATEOS1 og SATEOS6 er vist i henholdsvis figur 7a-c. O1s-toppen for bulk SA er dekonvolveret og har to toppe, nemlig C=O/C–O (531,9 eV) og C–O–H (533,0 eV), mens O1 for SATEOS1 og SATEOS6 er konsistent. Der er kun tre toppe: C=O/C–O, C–O–H og Si–OH55,57,58. O1s-bindingsenergien i SATEOS1 og SATEOS6 ændrer sig en smule sammenlignet med bulk SA, hvilket er forbundet med en ændring i det kemiske fragment på grund af tilstedeværelsen af ​​SiO2 og Si-OH i skalmaterialet.
Si2p XPS-spektrene for SATEOS1 og SATEOS6 er vist i henholdsvis figur 8a og b. I bulk CA blev Si2p ikke observeret på grund af fraværet af SiO2. Si2p-toppen svarer til 105,4 eV for SATEOS1 og 105,0 eV for SATEOS6, svarende til Si-O-Si, mens SATEOS1-toppen er 103,5 eV, og SATEOS6-toppen er 103,3 eV, svarende til Si-OH55. Si-O-Si- og Si-OH-toptilpasning i SATEOS1 og SATEOS6 afslørede vellykket mikroindkapsling af SiO2 på SA-kernens overflade.
Morfologien af ​​det mikroindkapslede materiale er meget vigtig og påvirker opløselighed, stabilitet, kemisk reaktivitet, flydeevne og styrke59. Derfor blev SEM anvendt til at karakterisere morfologien af ​​bulk SA (100×) og mikroindkapslet SA (500×), som vist i figur 9. Som det kan ses i figur 9a, har SA-blokken en elliptisk form. Partikelstørrelsen overstiger 500 mikron. Når mikroindkapslingsprocessen fortsætter, ændrer morfologien sig imidlertid dramatisk, som vist i figur 9 b-g.
SEM-billeder af (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6 ved ×500.
I SATEOS1-prøven observeres mindre kvasi-sfæriske SiO2-indpakkede SA-partikler med en ru overflade (fig. 9b), hvilket kan skyldes hydrolyse og kondensationspolymerisation af TEOS på SA-overfladen, hvilket accelererer den hurtige diffusion af ethanolmolekyler. Som et resultat aflejres SiO2-partikler, og der observeres agglomerering52,60. Denne SiO2-skal giver mekanisk styrke til de mikroindkapslede CA-partikler og forhindrer også lækage af smeltet CA ved højere temperaturer10. Dette resultat indikerer, at SA-mikrokapsler indeholdende SiO2 kan anvendes som potentielle energilagringsmaterialer61. Som det fremgår af figur 9b, har SATEOS1-prøven en ensartet partikelfordeling med et tykt SiO2-lag, der indkapsler SA'en. Partikelstørrelsen af ​​mikroindkapslet SA (SATEOS1) er cirka 10-20 μm (fig. 9b), hvilket er betydeligt mindre sammenlignet med bulk-SA på grund af det lavere SA-indhold. Tykkelsen af ​​mikrokapsellaget skyldes hydrolyse og kondensationspolymerisation af precursoropløsningen. Agglomerering forekommer ved lavere doser af SA, dvs. op til 15 g (fig. 9b-d), men så snart doseringen øges, observeres ingen agglomerering, men der observeres klart definerede sfæriske partikler (fig. 9e-g) 62.
Derudover påvirker SA-indholdet (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3) effektiviteten, formen og partikelstørrelsesfordelingen, når mængden af ​​SLS-surfaktant er konstant. Således viste det sig, at SATEOS1 udviste mindre partikelstørrelse, ensartet fordeling og tæt overflade (fig. 9b), hvilket blev tilskrevet SA's hydrofile natur, der fremmer sekundær kimdannelse under konstant surfaktant63. Det antages, at ved at øge SA-indholdet fra 5 til 15 g (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3) og anvende en konstant mængde surfaktant, dvs. 0,10 g SLS (tabel 1), vil bidraget fra hver partikel i surfaktantmolekylet falde, hvorved partikelstørrelsen og partikelstørrelsen reduceres. Fordelingen af ​​SATEOS2 (fig. 9c) og SATEOS3 (fig. 9d) adskiller sig fra fordelingen af ​​SATEOS 1 (fig. 9b).
Sammenlignet med SATEOS1 (fig. 9b) viste SATEOS2 en tæt morfologi af mikroindkapslet SA, og partikelstørrelsen steg (fig. 9c). Dette skyldes agglomeration 49, hvilket reducerer koagulationshastigheden (fig. 2b). Efterhånden som mængden af ​​SC stiger med stigende SLS, bliver mikrokapslerne tydeligt synlige, som vist i fig. 9e-g, der viser, hvordan aggregering forekommer. Derudover viser figur 9e-g, at alle partikler er tydeligt sfæriske i form og størrelse. Det er blevet erkendt, at i nærvær af store mængder SA kan en passende mængde silicaoligomerer opnås, hvilket forårsager passende kondensation og indkapsling og dermed dannelsen af ​​veldefinerede mikrokapsler 49. Ud fra SEM-resultaterne er det tydeligt, at SATEOS6 dannede tilsvarende mikrokapsler sammenlignet med en lille mængde SA.
Resultaterne af energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) af bulk SA og mikrokapsel SA er præsenteret i tabel 3. Som det fremgår af denne tabel, falder Si-indholdet gradvist fra SATEOS1 (12,34%) til SATEOS6 (2,68%). Stigning i SA. Derfor kan vi sige, at en stigning i mængden af ​​SA fører til et fald i aflejringen af ​​SiO2 på SA-overfladen. Der er ingen konsistente værdier for C- og O-indhold i tabel 3 på grund af den semi-kvantitative analyse af EDS51. Si-indholdet i mikroindkapslet SA korrelerede med FT-IR-, XRD- og XPS-resultater.
Smelte- og størkningsadfærden for bulk SA såvel som mikroindkapslet SA med SiO2-skal er vist i figur 1 og 2. De er vist i henholdsvis figur 10 og 11, og de termiske data er vist i tabel 4. Smelte- og størkningstemperaturerne for mikroindkapslet SA viste sig at være forskellige. Efterhånden som mængden af ​​SA stiger, stiger smelte- og størkningstemperaturerne og nærmer sig værdierne for bulk SA. Efter SA-mikroindkapsling øger silicavæggen krystallisationstemperaturen, og dens væg fungerer som en kerne, der fremmer heterogenitet. Derfor stiger smelte- (fig. 10) og størkningstemperaturerne (fig. 11) gradvist, efterhånden som mængden af ​​SA stiger49,51,64. Blandt alle mikroindkapslede SA-prøver udviste SATEOS6 de højeste smelte- og størkningstemperaturer, efterfulgt af SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 og SATEOS1.
SATEOS1 viser det laveste smeltepunkt (68,97 °C) og størkningstemperatur (60,60 °C), hvilket skyldes den mindre partikelstørrelse, hvor bevægelsen af ​​SA-partikler inde i mikrokapslerne er meget lille, og SiO2-skallen danner et tykt lag, og derfor begrænser kernematerialet strækning og bevægelse49. Denne hypotese er relateret til SEM-resultaterne, hvor SATEOS1 viste en mindre partikelstørrelse (fig. 9b), hvilket skyldes, at SA-molekyler er begrænset til et meget lille område af mikrokapslerne. Forskellen i smelte- og størkningstemperaturerne for hovedmassen, såvel som for alle SA-mikrokapsler med SiO2-skaller, ligger i området 6,10-8,37 °C. Dette resultat indikerer, at mikroindkapslet SA kan bruges som et potentielt energilagringsmateriale på grund af den gode varmeledningsevne af SiO2-skallen65.
Som det fremgår af tabel 4, har SATEOS6 den højeste entalpi blandt alle mikroindkapslede SC'er (fig. 9g) på grund af den korrekte indkapsling observeret af SEM. SA-pakningshastigheden kan beregnes ved hjælp af ligning (1). (1) Ved at sammenligne de latente varmedata for mikroindkapslet SA49.
R-værdien repræsenterer indkapslingsgraden (%) af mikroindkapslet SC, ΔHMEPCM,m repræsenterer den latente smeltevarme af mikroindkapslet SC, og ΔHPCM,m repræsenterer den latente smeltevarme af SC. Derudover beregnes pakningseffektiviteten (%) som en anden vigtig teknisk parameter, som vist i ligning (1). (2)49.
E-værdien repræsenterer indkapslingseffektiviteten (%) af mikroindkapslet CA, ΔHMEPCM,s repræsenterer den latente hærdningsvarme af mikroindkapslet CA, og ΔHPCM,s repræsenterer den latente hærdningsvarme af CA.
Som vist i tabel 4 er pakningsgraden og effektiviteten af ​​SATEOS1 henholdsvis 71,89 % og 67,68 %, og pakningsgraden og effektiviteten af ​​SATEOS6 er henholdsvis 90,86 % og 86,68 % (tabel 4). Prøve SATEOS6 udviser den højeste indkapslingskoefficient og effektivitet blandt alle mikroindkapslede SA'er, hvilket indikerer dens høje termiske kapacitet. Derfor kræver overgangen fra fast til flydende stof store mængder energi. Derudover indikerer forskellen i smelte- og størkningstemperaturerne for alle SA-mikrokapsler og bulk-SA under afkølingsprocessen, at silicaskallen er rumligt begrænset under mikrokapselsyntese. Resultaterne viser således, at efterhånden som mængden af ​​SC stiger, øges indkapslingshastigheden og effektiviteten gradvist (tabel 4).
TGA-kurverne for bulk SA og mikrokapsel SA med en SiO2-skal (SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6) er vist i figur 12. De termiske stabilitetsegenskaber for bulk SA (SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6) blev sammenlignet med mikroindkapslede prøver. Det fremgår tydeligt af TGA-kurven, at vægttabet for både bulk SA og mikroindkapslet SA viser et jævnt og meget lille fald fra 40 °C til 190 °C. Ved denne temperatur undergår bulk SC ikke termisk nedbrydning, hvorimod mikroindkapslet SC frigiver adsorberet vand, selv efter tørring ved 45 °C i 24 timer. Dette resulterede i et lille vægttab,49 men ud over denne temperatur begyndte materialet at nedbrydes. Ved lavere SA-indhold (dvs. SATEOS1) er indholdet af adsorberet vand højere, og dermed er massetabet op til 190 °C højere (indsæt i figur 12). Så snart temperaturen stiger til over 190 °C, begynder prøven at miste masse på grund af nedbrydningsprocesser. Bulk SA begynder at nedbrydes ved 190 °C, og kun 4 % er tilbage ved 260 °C, hvorimod SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 bevarer henholdsvis 50 %, 20 % og 12 % ved denne temperatur. Efter 300 °C var massetabet af bulk SA cirka 97,60 %, mens massetabet af SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 var henholdsvis cirka 54,20 %, 82,40 % og 90,30 %. Med en stigning i SA-indholdet falder SiO2-indholdet (Tabel 3), og en udtynding af skallen observeres i SEM (fig. 9). Vægttabet af mikroindkapslet SA er således lavere sammenlignet med bulk-SA, hvilket forklares af de gunstige egenskaber ved SiO2-skallen, som fremmer dannelsen af ​​et kulstofholdigt silikat-kulstofholdigt lag på overfladen af ​​SA, hvorved SA-kernen isoleres og frigivelsen af ​​de resulterende flygtige produkter bremses10. Dette forkullede lag danner en fysisk beskyttende barriere under termisk nedbrydning, hvilket begrænser overgangen af ​​brandfarlige molekyler til gasfasen66,67. Derudover kan vi også se betydelige vægttabsresultater: SATEOS1 viser lavere værdier sammenlignet med SATEOS3, SATEOS6 og SA. Dette skyldes, at mængden af ​​SA i SATEOS1 er mindre end i SATEOS3 og SATEOS6, hvor SiO2-skallen danner et tykt lag. I modsætning hertil når det samlede vægttab af bulk-SA 99,50% ved 415 °C. SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 viste dog et vægttab på henholdsvis 62,50 %, 85,50 % og 93,76 % ved 415 °C. Dette resultat indikerer, at tilsætningen af ​​TEOS forbedrer nedbrydningen af ​​SA ved at danne et SiO2-lag på overfladen af ​​SA. Disse lag kan danne en fysisk beskyttende barriere, og derfor kan der observeres en forbedring af den termiske stabilitet af mikroindkapslet CA.
Resultaterne for termisk pålidelighed for bulk SA og den bedste mikroindkapslede prøve (dvs. SATEOS 6) efter 30 opvarmnings- og afkølingscyklusser af DSC51,52 er vist i figur 13. Det kan ses, at bulk SA (figur 13a) ikke viser nogen forskel i smeltetemperatur, størkningstemperatur og entalpiværdi, mens SATEOS6 (fig. 13b) ikke viser nogen forskel i temperatur og entalpiværdi, selv efter den 30. opvarmningscyklus og afkølingsprocessen. Bulk SA viste et smeltepunkt på 72,10 °C, en størkningstemperatur på 64,69 °C, og smelte- og størkningsvarmen efter den første cyklus var henholdsvis 201,0 J/g og 194,10 J/g. Efter den 30. cyklus faldt smeltepunktet for disse værdier til 71,24 °C, størkningstemperaturen faldt til 63,53 °C, og entalpiværdien faldt med 10%. Ændringer i smelte- og størkningstemperaturer, samt fald i entalpiværdier, indikerer, at bulk CA er upålideligt til ikke-mikroindkapslingsapplikationer. Efter korrekt mikroindkapsling (SATEOS6) ændres smelte- og størkningstemperaturerne samt entalpiværdierne dog ikke (fig. 13b). Når SA er mikroindkapslet med SiO2-skaller, kan det bruges som et faseændringsmateriale i termiske applikationer, især i byggeri, på grund af dets optimale smelte- og størkningstemperaturer og stabile entalpi.
DSC-kurver opnået for prøverne SA (a) og SATEOS6 (b) ved den 1. og 30. opvarmnings- og kølecyklus.
I dette studie blev der udført en systematisk undersøgelse af mikroindkapsling ved brug af SA som kernemateriale og SiO2 som skalmateriale. TEOS bruges som en precursor til dannelse af et SiO2-støttelag og et beskyttende lag på SA-overfladen. Efter vellykket syntese af mikroindkapslet SA viste FT-IR, XRD, XPS, SEM og EDS resultater tilstedeværelsen af ​​SiO2. SEM-analyse viser, at SATEOS6-prøven udviser veldefinerede sfæriske partikler omgivet af SiO2-skaller på SA-overfladen. MEPCM med lavere SA-indhold udviser dog agglomerering, hvilket reducerer PCM's ydeevne. XPS-analyse viste tilstedeværelsen af ​​Si-O-Si og Si-OH i mikrokapselprøverne, hvilket afslørede adsorptionen af ​​SiO2 på SA-overfladen. Ifølge den termiske ydeevneanalyse viser SATEOS6 den mest lovende varmelagringsevne med smelte- og størkningstemperaturer på henholdsvis 70,37 °C og 64,27 °C og latent smelte- og størkningsvarme på henholdsvis 182,53 J/g og 160,12 J/g G. Den maksimale pakningseffektivitet for SATEOS6 er 86,68 %. TGA- og DSC-termisk cyklusanalyse bekræftede, at SATEOS6 stadig har god termisk stabilitet og pålidelighed, selv efter 30 opvarmnings- og køleprocesser.
Yang T., Wang XY og Li D. Ydelsesanalyse af termokemisk fastgas-kompositadsorptionssystem til termisk energilagring og forbedring af dets effektivitet. anvendelse. hot. ingeniør. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. og Al-Hallaj, S. En gennemgang af faseændringsenergilagring: materialer og anvendelser. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS og Saini JS Varmeoverføringsevne i termiske energilagringssystemer ved hjælp af PCM-kapsler: en gennemgang. opdatering. support. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. og Bruno, F. En gennemgang af lagringsmaterialer og teknologier til forbedring af termisk ydeevne til termiske lagringssystemer med faseskift ved høj temperatur. opdatering. support. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Fremstilling og karakterisering af nanoindkapslede termiske energi n-tetradecan faseændringsmaterialer. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. og Li, M. Syntese af nye formstabile faseændringskompositmaterialer ved hjælp af modificerede grafen-aerogeler til solenergikonvertering og -lagring. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., og Fang, G. Morfologisk karakterisering og anvendelse af faseændringsmaterialer i termisk energilagring: en gennemgang. opdatering. support. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).