از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین نتیجه، توصیه می‌کنیم از نسخه جدیدتر مرورگر خود استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل یا جاوا اسکریپت نمایش می‌دهیم.
اسید استئاریک (SA) به عنوان یک ماده تغییر فاز دهنده (PCM) در دستگاه‌های ذخیره انرژی استفاده می‌شود. در این مطالعه، از روش سل-ژل برای میکروکپسوله کردن سورفکتانت پوسته SiO2 استفاده شد. مقادیر مختلفی از SA (5، 10، 15، 20، 30 و 50 گرم) در 10 میلی‌لیتر تترااتیل ارتوسیلیکات (TEOS) کپسوله شدند. ماده تغییر فاز دهنده میکروکپسوله شده (MEPCM) سنتز شده با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، پراش اشعه ایکس (XRD)، طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مشخص شد. نتایج مشخصه‌یابی نشان داد که SA با موفقیت توسط SiO2 کپسوله شده است. آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (TGA) نشان داد که MEPCM پایداری حرارتی بهتری نسبت به CA دارد. با استفاده از کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC)، مشخص شد که مقدار آنتالپی MEPCM حتی پس از 30 چرخه گرمایش-سرمایش تغییر نمی‌کند. در بین تمام نمونه‌های میکروکپسوله شده، 50 گرم SA حاوی MEPCM بالاترین گرمای نهان ذوب و انجماد را داشت که به ترتیب 182.53 J/g و 160.12 J/g بودند. مقدار راندمان بسته‌بندی با استفاده از داده‌های حرارتی محاسبه شد و بالاترین راندمان برای همین نمونه که 86.68٪ بود، یافت شد.
تقریباً 58٪ از انرژی مورد استفاده در صنعت ساخت و ساز برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها استفاده می‌شود1. بنابراین، ضروری‌ترین چیز ایجاد سیستم‌های انرژی کارآمد است که آلودگی محیط زیست را در نظر بگیرند2. فناوری گرمای نهان با استفاده از مواد تغییر فاز (PCM) می‌تواند انرژی بالایی را در نوسانات دمای پایین ذخیره کند3،4،5،6 و می‌تواند به طور گسترده در زمینه‌هایی مانند انتقال حرارت، ذخیره انرژی خورشیدی، هوافضا و تهویه مطبوع7،8،9 استفاده شود. PCM در طول روز انرژی حرارتی را از نمای بیرونی ساختمان جذب می‌کند و در شب انرژی را آزاد می‌کند10. بنابراین، مواد تغییر فاز به عنوان مواد ذخیره انرژی حرارتی توصیه می‌شوند. علاوه بر این، انواع مختلفی از PCM مانند جامد-جامد، جامد-مایع، مایع-گاز و جامد-گاز11 وجود دارد. در میان آنها، محبوب‌ترین و پرکاربردترین مواد تغییر فاز، مواد تغییر فاز جامد-جامد و مواد تغییر فاز جامد-مایع هستند. با این حال، کاربرد آنها به دلیل تغییرات حجمی عظیم مواد انتقال فاز مایع-گاز و جامد-گاز بسیار دشوار است.
PCM به دلیل خواصش کاربردهای متنوعی دارد: آن‌هایی که در دمای زیر 15 درجه سانتیگراد ذوب می‌شوند، می‌توانند در سیستم‌های تهویه مطبوع برای حفظ دمای سرد استفاده شوند و آن‌هایی که در دمای بالای 90 درجه سانتیگراد ذوب می‌شوند، می‌توانند در سیستم‌های گرمایشی برای جلوگیری از آتش‌سوزی استفاده شوند12. بسته به کاربرد و محدوده نقطه ذوب، مواد تغییر فاز دهنده مختلفی از مواد شیمیایی آلی و معدنی مختلف سنتز شده‌اند13،14،15. پارافین رایج‌ترین ماده تغییر فاز دهنده مورد استفاده با گرمای نهان بالا، عدم خوردگی، ایمنی و محدوده نقطه ذوب وسیع است16،17،18،19،20،21.
با این حال، به دلیل رسانایی حرارتی پایین مواد تغییر فاز، آنها باید در یک پوسته (لایه بیرونی) محصور شوند تا از نشت ماده پایه در طول فرآیند تغییر فاز جلوگیری شود22. علاوه بر این، خطاهای عملیاتی یا فشار خارجی می‌تواند به لایه بیرونی (روکش) آسیب برساند و ماده تغییر فاز مذاب می‌تواند با مصالح ساختمانی واکنش نشان دهد و باعث خوردگی میله‌های فولادی تعبیه شده شود و در نتیجه قابلیت سرویس‌دهی ساختمان را کاهش دهد23. بنابراین، سنتز مواد تغییر فاز محصور شده با مواد پوسته کافی که می‌تواند مشکلات فوق را حل کند، مهم است24.
ریزکپسوله‌سازی مواد تغییر فاز می‌تواند به طور مؤثر انتقال حرارت را افزایش داده و واکنش‌پذیری محیطی را کاهش داده و تغییرات حجم را کنترل کند. روش‌های مختلفی برای کپسوله‌سازی PCM توسعه داده شده است، یعنی پلیمریزاسیون بین سطحی25،26،27،28، پلیمریزاسیون درجا29،30،31،32، کواسرواسیون33،34،35 و فرآیندهای سل-ژل36،37،38،39. رزین فرمالدئید می‌تواند برای میکروکپسوله‌سازی استفاده شود40،41،42،43. رزین‌های ملامین-فرمالدئید و اوره-فرمالدئید به عنوان مواد پوسته استفاده می‌شوند که اغلب در حین کار فرمالدئید سمی منتشر می‌کنند. بنابراین، استفاده از این مواد در فرآیندهای بسته‌بندی ممنوع است. با این حال، مواد تغییر فاز سازگار با محیط زیست برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی مقیاس‌پذیر را می‌توان با استفاده از نانوکپسول‌های هیبریدی مبتنی بر اسیدهای چرب و لیگنین44 سنتز کرد.
ژانگ و همکارانش اسید لوریک را از تترااتیل ارتوسیلیکات سنتز کردند و نتیجه گرفتند که با افزایش نسبت حجمی متیل تری اتوکسی سیلان به تترااتیل ارتوسیلیکات، گرمای نهان کاهش یافته و آبگریزی سطح افزایش می‌یابد. اسید لوریک ممکن است یک ماده هسته بالقوه و مؤثر برای الیاف کاپوک باشد46. علاوه بر این، لاتیباری و همکارانش 47 PCM های مبتنی بر اسید استئاریک را با استفاده از TiO2 به عنوان ماده پوسته سنتز کردند. ژو و همکارانش نانوکپسول‌های n-اکتادکان و سیلیکون را به عنوان PCM های بالقوه تهیه کردند48. از بررسی مقالات، درک دوز توصیه شده برای تشکیل مواد تغییر فاز میکروکپسوله شده مؤثر و پایدار دشوار است.
بنابراین، تا آنجا که نویسندگان می‌دانند، مقدار ماده تغییر فاز مورد استفاده برای میکروکپسولاسیون، پارامتر مهمی برای تولید مواد تغییر فاز میکروکپسوله شده کارآمد و پایدار است. استفاده از مقادیر مختلف مواد تغییر فاز به ما این امکان را می‌دهد که خواص مختلف و پایداری مواد تغییر فاز میکروکپسوله شده را روشن کنیم. اسید استئاریک (اسید چرب) یک ماده سازگار با محیط زیست، از نظر پزشکی مهم و اقتصادی است که می‌تواند برای ذخیره انرژی حرارتی مورد استفاده قرار گیرد زیرا مقدار آنتالپی بالایی (~200 J/g) دارد و می‌تواند تا دمای 72 درجه سانتیگراد را تحمل کند. علاوه بر این، SiO2 غیر قابل اشتعال است، مقاومت مکانیکی بالاتر، رسانایی حرارتی و مقاومت شیمیایی بهتری در برابر مواد هسته ایجاد می‌کند و به عنوان یک ماده پوزولانی در ساخت و ساز عمل می‌کند. هنگامی که سیمان با آب مخلوط می‌شود، PCM های ضعیف کپسوله شده می‌توانند به دلیل سایش مکانیکی و دمای بالا (گرمای هیدراتاسیون) تولید شده در سازه‌های بتنی عظیم، ترک بخورند. بنابراین، استفاده از CA میکروکپسوله شده با پوسته SiO2 می‌تواند این مشکل را حل کند. بنابراین، هدف از این مطالعه بررسی عملکرد و کارایی PCM های سنتز شده با فرآیند سل-ژل در کاربردهای ساختمانی بود. در این کار، ما به طور سیستماتیک مقادیر مختلف SA (به عنوان ماده پایه) 5، 10، 15، 20، 30 و 50 گرم را که در پوسته‌های SiO2 کپسوله شده بودند، مطالعه کردیم. مقدار ثابتی از تترااتیل اورتوسیلیکات (TEOS) در حجم 10 میلی‌لیتر به عنوان محلول پیش‌ساز برای تشکیل پوسته SiO2 استفاده شد.
اسید استئاریک درجه واکنش‌پذیر (SA، C18H36O2، نقطه ذوب: 72 درجه سانتیگراد) به عنوان ماده اصلی از شرکت Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.، گیونگی-دو، کره جنوبی خریداری شد. تترا اتیل اورتوسیلیکات (TEOS، C8H20O4Si) به عنوان محلول پیش‌ساز از Acros Organics، گیل، بلژیک خریداری شد. علاوه بر این، اتانول مطلق (EA، C2H5OH) و سدیم لوریل سولفات (SLS، C12H25NaO4S) از شرکت Daejung Chemical & Metals Co. Ltd، گیونگی-دو، کره جنوبی خریداری شدند و به ترتیب به عنوان حلال و سورفکتانت استفاده شدند. آب مقطر نیز به عنوان حلال استفاده می‌شود.
مقادیر مختلف SA با نسبت‌های مختلف سدیم لوریل سولفات (SLS) در 100 میلی‌لیتر آب مقطر با استفاده از همزن مغناطیسی در 800 دور در دقیقه و دمای 75 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت مخلوط شدند (جدول 1). امولسیون‌های SA به دو گروه تقسیم شدند: (1) 5، 10 و 15 گرم SA با 0.10 گرم SLS در 100 میلی‌لیتر آب مقطر مخلوط شدند (SATEOS1، SATEOS2 و SATEOS3)، (2) 20، 30 و 50 گرم SA با 0.15، 0.20 و 0.25 گرم SLS با 100 میلی‌لیتر آب مقطر مخلوط شدند (SATEOS4، SATEOS5 و SATEOS6). 0.10 گرم SLS با 5، 10 و 15 گرم SA برای تشکیل امولسیون‌های مربوطه استفاده شد. متعاقباً، پیشنهاد شد که تعداد SLS برای SATEOS4، SATEOS5 و SATEOS6 افزایش یابد. جدول 1 نسبت‌های CA و SLS مورد استفاده برای به دست آوردن محلول‌های امولسیونی پایدار را نشان می‌دهد.
10 میلی‌لیتر TEOS، 10 میلی‌لیتر اتانول (EA) و 20 میلی‌لیتر آب مقطر را در یک بشر 100 میلی‌لیتری بریزید. برای مطالعه راندمان کپسوله‌سازی نسبت‌های مختلف پوسته‌های SA و SiO2، ضریب سنتز همه نمونه‌ها ثبت شد. مخلوط با همزن مغناطیسی با سرعت 400 دور در دقیقه و دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت هم زده شد. سپس محلول پیش‌ساز به صورت قطره‌ای به امولسیون SA تهیه شده اضافه شد، به مدت 2 ساعت با سرعت 800 دور در دقیقه و دمای 75 درجه سانتیگراد به شدت هم زده شد و برای به دست آوردن پودر سفید، فیلتر شد. پودر سفید با آب مقطر شسته شد تا SA باقیمانده حذف شود و به مدت 24 ساعت در آون خلاء با دمای 45 درجه سانتیگراد خشک شد. در نتیجه، یک SC میکروکپسوله شده با پوسته SiO2 به دست آمد. کل فرآیند سنتز و تهیه SA میکروکپسوله شده در شکل 1 نشان داده شده است.
میکروکپسول‌های SA با پوسته SiO2 به روش سل-ژل تهیه شدند و مکانیسم کپسوله‌سازی آنها در شکل 2 نشان داده شده است. مرحله اول شامل تهیه امولسیون SA در محلول آبی با SLS به عنوان سورفکتانت است. در این حالت، انتهای آبگریز مولکول SA به SLS و انتهای آبدوست به مولکول‌های آب متصل می‌شود و یک امولسیون پایدار تشکیل می‌دهد. بنابراین، بخش‌های آبگریز SLS محافظت می‌شوند و سطح قطره SA را می‌پوشانند. از سوی دیگر، هیدرولیز محلول‌های TEOS به آرامی توسط مولکول‌های آب رخ می‌دهد و منجر به تشکیل TEOS هیدرولیز شده در حضور اتانول می‌شود (شکل 2a) 49،50،51. TEOS هیدرولیز شده تحت یک واکنش تراکمی قرار می‌گیرد که طی آن TEOS هیدرولیز شده n-هیدرولیز شده خوشه‌های سیلیس را تشکیل می‌دهد (شکل 2b). خوشه‌های سیلیس توسط SA52 در حضور SLS (شکل 2c) کپسوله شدند که به آن فرآیند میکروکپسولاسیون می‌گویند.
نمودار شماتیک ریزپوشانی CA با پوسته‌ای از SiO2 (الف) هیدرولیز TEOS (ب) تراکم هیدرولیزات و (ج) کپسوله کردن CA با پوسته‌ای از SiO2.
آنالیز شیمیایی SA توده‌ای و SA میکروکپسوله شده با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR، Perkin Elmer UATR Two، ایالات متحده) انجام شد و طیف‌ها در محدوده 500 تا 4000 cm-1 ثبت شدند.
برای تجزیه و تحلیل فازهای حجیم SA و مواد میکروکپسول از یک پراش‌سنج اشعه ایکس (XRD، D/MAX-2500، ریگاکو، ژاپن) استفاده شد. اسکن ساختاری اشعه ایکس در محدوده 2θ = 5°–95° با سرعت اسکن 4°/min، با استفاده از تابش Cu-Kα (λ = 1.541 Å)، شرایط عملیاتی 25 کیلوولت و 100 میلی‌آمپر، در حالت اسکن پیوسته انجام شد. تصاویر اشعه ایکس در محدوده 2θ = 5–50° ساخته شدند، زیرا هیچ پیکی پس از 50° در همه نمونه‌ها مشاهده نشد.
طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS، Scienta Omicron R3000، ایالات متحده) با استفاده از Al Kα (1486.6 eV) به عنوان منبع اشعه ایکس برای درک وضعیت شیمیایی SA توده‌ای و همچنین عناصر موجود در ماده کپسوله‌سازی انجام شد. طیف‌های XPS جمع‌آوری‌شده با استفاده از کربن اگزوتیک (انرژی اتصال 284.6 eV) تا پیک C 1s کالیبره شدند. پس از تصحیح پس‌زمینه با استفاده از روش شرلی، پیک‌های با وضوح بالای هر عنصر واپیچیده و با استفاده از نرم‌افزار CASA XPS با توابع گاوسی/لورنتزی برازش داده شدند.
مورفولوژی SC توده‌ای و SC میکروکپسوله شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM، MIRA3، TESCAN، برنو، جمهوری چک) مجهز به طیف‌سنجی اشعه ایکس با پراکندگی انرژی (EDS) در 15 کیلوولت بررسی شد. قبل از تصویربرداری SEM، نمونه‌ها با پلاتین (Pt) پوشش داده شدند تا از اثرات بار الکتریکی جلوگیری شود.
خواص حرارتی (نقطه ذوب/انجماد و گرمای نهان) و قابلیت اطمینان (چرخه حرارتی) با استفاده از کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC، TA Instrument، Discovery DSC، نیوکاسل، ایالات متحده) با سرعت گرمایش/سرمایش 10 درجه سانتیگراد در دقیقه در دمای 40 درجه سانتیگراد و 90 درجه سانتیگراد با تخلیه مداوم نیتروژن تعیین شدند. تجزیه و تحلیل کاهش وزن با استفاده از یک آنالیزور TGA (TA Instrument، Discovery TGA، نیوکاسل، ایالات متحده) در جریان مداوم نیتروژن با شروع از دمای 40 تا 600 درجه سانتیگراد و با سرعت گرمایش 10 درجه سانتیگراد در دقیقه انجام شد.
شکل 3 طیف FTIR نمونه SC حجیم و همچنین نمونه SC میکروکپسوله شده (SATEOS1، SATEOS2، SATEOS3، SATEOS4، SATEOS5 و SATEOS6) را نشان می‌دهد. پیک‌های جذب در 2910 cm-1 و 2850 cm-1 در تمام نمونه‌ها (SA و همچنین SA میکروکپسوله شده) به ترتیب به ارتعاشات کششی متقارن گروه‌های –CH3 و –CH2 نسبت داده می‌شوند10،50. پیک در 1705 cm-1 مربوط به کشش ارتعاشی پیوند C=O است. پیک‌ها در 1470 cm-1 و 1295 cm-1 مربوط به ارتعاش خمشی درون صفحه‌ای گروه عاملی –OH هستند، در حالی که پیک‌ها در 940 cm-1 و 719 cm-1 به ترتیب به ارتعاش درون صفحه‌ای و ارتعاش تغییر شکل تسلیم-صفحه‌ای گروه OH مربوط می‌شوند. پیک‌های جذب SA در 2910، 2850، 1705، 1470، 1295، 940 و 719 cm-1 نیز در تمام SAهای میکروکپسوله شده مشاهده شد. علاوه بر این، یک پیک تازه کشف شده در 1103 cm-1 مربوط به ارتعاش کششی نامتقارن باند Si-O-Si در میکروکپسول SA مشاهده شد. نتایج FT-IR با نتایج Yuan و همکارانش مطابقت دارد. 50 آنها با موفقیت SA میکروکپسوله شده را در نسبت آمونیاک/اتانول تهیه کردند و دریافتند که هیچ برهمکنش شیمیایی بین SA و SiO2 رخ نداده است. نتایج مطالعه FT-IR فعلی نشان می‌دهد که پوسته SiO2 با موفقیت SA (هسته) را از طریق فرآیند تراکم و پلیمریزاسیون TEOS هیدرولیز شده، کپسوله کرده است. در محتوای SA کمتر، شدت پیک باند Si-O-Si بیشتر است (شکل 3b-d). با افزایش مقدار SA به بیش از 15 گرم، شدت پیک و پهن شدن نوار Si-O-Si به تدریج کاهش می‌یابد که نشان دهنده تشکیل یک لایه نازک SiO2 روی سطح SA است.
طیف‌های FTIR مربوط به (الف) SA، (ب) SATEOS1، (ج) SATEOS2، (د) SATEOS3، (ه) SATEOS4، (و) SATEOS5 و (ز) SATEOS6.
الگوهای XRD مربوط به SA توده‌ای و SA میکروکپسوله شده در شکل 4 نشان داده شده است. پیک‌های XRD در 2θ = 6.50° (300)، 10.94° (500)، 15.46° (700)، 20.26° ((\overline {5}طبق JCPDS شماره 0381923، 02)\)، 21.42° در تمام نمونه‌ها (311)، 24.04° (602) و 39.98° (913) به SA اختصاص داده شده‌اند. اعوجاج و هیبریداسیون با CA توده‌ای به دلیل عوامل نامشخصی مانند سورفکتانت (SLS)، سایر مواد باقیمانده و میکروکپسولاسیون SiO250 رخ می‌دهد. پس از کپسوله شدن، شدت پیک‌های اصلی (300)، (500)، (311) و (602) در مقایسه با CA توده‌ای به تدریج کاهش می‌یابد که نشان دهنده کاهش بلورینگی نمونه است.
الگوهای XRD مربوط به (الف) SA، (ب) SATEOS1، (ج) SATEOS2، (د) SATEOS3، (ه) SATEOS4، (و) SATEOS5 و (ز) SATEOS6.
شدت SATEOS1 در مقایسه با سایر نمونه‌ها به شدت کاهش می‌یابد. هیچ پیک دیگری در تمام نمونه‌های میکروکپسوله شده مشاهده نشد (شکل 4b-g)، که تأیید می‌کند جذب فیزیکی SiO252 به جای برهمکنش شیمیایی روی سطح SA رخ می‌دهد. علاوه بر این، همچنین نتیجه گرفته شد که میکروکپسوله کردن SA منجر به ظهور هیچ ساختار جدیدی نشده است. SiO2 بدون هیچ واکنش شیمیایی روی سطح SA دست نخورده باقی می‌ماند و با کاهش مقدار SA، پیک‌های موجود آشکارتر می‌شوند (SATEOS1). این نتیجه نشان می‌دهد که SiO2 عمدتاً سطح SA را کپسوله می‌کند. پیک در (700) کاملاً ناپدید می‌شود و پیک در \((\overline{5}02)\) در SATEOS 1 به یک برآمدگی تبدیل می‌شود (شکل 4b)، که با کاهش بلورینگی و افزایش آمورفیسم همراه است. SiO2 ماهیتی آمورف دارد، بنابراین پیک‌های مشاهده شده از 2θ = 19° تا 25° دارای برآمدگی و پهن‌شدگی هستند53 (شکل 4b-g) که وجود SiO252 آمورف را تأیید می‌کند. شدت پیک پراش پایین‌تر SA میکروکپسوله شده به دلیل اثر هسته‌زایی دیواره داخلی سیلیس و رفتار محدودکننده تبلور است49. اعتقاد بر این است که با محتوای SA کمتر، به دلیل وجود مقدار زیادی TEOS که تا حد زیادی روی سطح بیرونی SA جذب می‌شود، پوسته سیلیسی ضخیم‌تری تشکیل می‌شود. با این حال، با افزایش مقدار SA، مساحت سطح قطرات SA در محلول امولسیون افزایش می‌یابد و TEOS بیشتری برای کپسوله شدن مناسب مورد نیاز است. بنابراین، با افزایش محتوای SA، پیک SiO2 در FT-IR سرکوب می‌شود (شکل 3) و شدت پیک پراش نزدیک 2θ = 19-25° در XRF (شکل 4) کاهش می‌یابد و انبساط نیز کاهش می‌یابد. قابل مشاهده نیست. با این حال، همانطور که در شکل 4 مشاهده می‌شود، به محض اینکه مقدار SA از 5 گرم (SATEOS1) به 50 گرم (SATEOS6) افزایش می‌یابد، پیک‌ها بسیار نزدیک به SA توده‌ای می‌شوند و پیک در (700) با تمام شدت‌های پیک شناسایی شده ظاهر می‌شود. این نتیجه با نتایج FT-IR همبستگی دارد، جایی که شدت پیک SiO2 SATEOS6 در 1103 cm-1 کاهش می‌یابد (شکل 3g).
حالت‌های شیمیایی عناصر موجود در SA، SATEOS1 و SATEOS6 در شکل‌های 1 و 2 نشان داده شده‌اند. شکل‌های 5، 6، 7 و 8 و جدول 2. اسکن‌های اندازه‌گیری برای SA، SATEOS1 و SATEOS6 با حجم زیاد در شکل 5 و اسکن‌های با وضوح بالا برای C1s، O1s و Si2p به ترتیب در شکل‌های 5، 6، 7 و 8 و جدول 2 نشان داده شده‌اند. 6، 7 و 8. مقادیر انرژی اتصال به‌دست‌آمده توسط XPS در جدول 2 خلاصه شده‌اند. همانطور که از شکل 5 مشاهده می‌شود، پیک‌های واضح Si2s و Si2p در SATEOS1 و SATEOS6 مشاهده شد، جایی که ریزپوشانی پوسته SiO2 رخ داده است. محققان قبلی پیک Si2s مشابهی را در 155.1 eV54 گزارش کرده‌اند. وجود پیک‌های Si در SATEOS1 (شکل 5b) و SATEOS6 (شکل 5c) داده‌های FT-IR (شکل 3) و XRD (شکل 4) را تأیید می‌کند.
همانطور که در شکل 6a نشان داده شده است، C1s های SA توده‌ای دارای سه پیک مختلف CC، خلیفه‌ای و O=C=O در انرژی اتصال هستند که به ترتیب 284.5 eV، 285.2 eV و 289.5 eV می‌باشند. پیک‌های C-C، خلیفه‌ای و O=C=O همچنین در SATEOS1 (شکل 6b) و SATEOS6 (شکل 6c) مشاهده شده و در جدول 2 خلاصه شده‌اند. علاوه بر این، پیک C1s همچنین مربوط به یک پیک Si-C اضافی در 283.1 eV (SATEOS1) و 283.5 eV (SATEOS6) است. انرژی‌های اتصال مشاهده شده ما برای C-C، خلیفه‌ای، O=C=O و Si-C به خوبی با سایر منابع 55،56 همبستگی دارند.
طیف‌های XPS مربوط به O1SA، SATEOS1 و SATEOS6 به ترتیب در شکل‌های 7a-c نشان داده شده‌اند. پیک O1s مربوط به SA توده‌ای، واپیچیده است و دو پیک دارد، به نام‌های C=O/C–O (531.9 eV) و C–O–H (533.0 eV)، در حالی که O1 مربوط به SATEOS1 و SATEOS6 ثابت است. تنها سه پیک وجود دارد: C=O/C–O، C–O–H و Si–OH55،57،58. انرژی اتصال O1s در SATEOS1 و SATEOS6 در مقایسه با SA توده‌ای کمی تغییر می‌کند که با تغییر در قطعه شیمیایی به دلیل وجود SiO2 و Si-OH در ماده پوسته مرتبط است.
طیف‌های XPS Si 2p مربوط به SATEOS1 و SATEOS6 به ترتیب در شکل‌های 8a و 8b نشان داده شده‌اند. در CA توده‌ای، Si 2p به دلیل عدم وجود SiO2 مشاهده نشد. پیک Si 2p مربوط به SATEOS1 معادل 105.4 eV و برای SATEOS6 معادل 105.0 eV است که مربوط به Si-O-Si می‌باشد، در حالی که پیک SATEOS1 معادل 103.5 eV و پیک SATEOS6 معادل 103.3 eV است که مربوط به Si-OH55 می‌باشد. برازش پیک‌های Si-O-Si و Si-OH در SATEOS1 و SATEOS6، ریزپوشانی موفقیت‌آمیز SiO2 را روی سطح هسته SA نشان داد.
مورفولوژی ماده میکروکپسوله شده بسیار مهم است و بر حلالیت، پایداری، واکنش‌پذیری شیمیایی، جریان‌پذیری و استحکام تأثیر می‌گذارد59. بنابراین، از SEM برای توصیف مورفولوژی SA توده‌ای (100×) و SA میکروکپسوله شده (500×) استفاده شد، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است. همانطور که از شکل 9a مشاهده می‌شود، بلوک SA شکل بیضوی دارد. اندازه ذرات از 500 میکرون فراتر می‌رود. با این حال، هنگامی که فرآیند میکروکپسوله شدن ادامه می‌یابد، مورفولوژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند، همانطور که در شکل‌های 9b-g نشان داده شده است.
تصاویر SEM از (الف) SA (×100)، (ب) SATEOS1، (ج) SATEOS2، (د) SATEOS3، (ه) SATEOS4، (و) SATEOS5 و (ز) SATEOS6 با بزرگنمایی 500 برابر.
در نمونه SATEOS1، ذرات SA شبه‌کروی کوچک‌تر پیچیده‌شده با SiO2 با سطح ناهموار مشاهده می‌شوند (شکل 9b)، که ممکن است به دلیل هیدرولیز و پلیمریزاسیون تراکمی TEOS روی سطح SA باشد که انتشار سریع مولکول‌های اتانول را تسریع می‌کند. در نتیجه، ذرات SiO2 رسوب می‌کنند و تجمع مشاهده می‌شود52،60. این پوسته SiO2 استحکام مکانیکی ذرات CA میکروکپسوله شده را فراهم می‌کند و همچنین از نشت CA مذاب در دماهای بالاتر جلوگیری می‌کند10. این نتیجه نشان می‌دهد که میکروکپسول‌های SA حاوی SiO2 می‌توانند به عنوان مواد ذخیره انرژی پتانسیل استفاده شوند61. همانطور که از شکل 9b مشاهده می‌شود، نمونه SATEOS1 دارای توزیع ذرات یکنواخت با یک لایه ضخیم SiO2 است که SA را در بر می‌گیرد. اندازه ذرات SA میکروکپسوله شده (SATEOS1) تقریباً 10 تا 20 میکرومتر است (شکل 9b) که به دلیل محتوای SA کمتر، در مقایسه با SA توده‌ای به طور قابل توجهی کوچکتر است. ضخامت لایه میکروکپسول به دلیل هیدرولیز و پلیمریزاسیون تراکمی محلول پیش ماده است. در دوزهای کمتر SA، یعنی تا 15 گرم، تجمع رخ می‌دهد (شکل 9b-d)، اما به محض افزایش دوز، هیچ تجمعی مشاهده نمی‌شود، اما ذرات کروی با تعریف واضح مشاهده می‌شوند (شکل 9e-g) 62.
علاوه بر این، هنگامی که مقدار سورفکتانت SLS ثابت است، محتوای SA (SATEOS1، SATEOS2 و SATEOS3) نیز بر راندمان، شکل و توزیع اندازه ذرات تأثیر می‌گذارد. بنابراین، مشخص شد که SATEOS1 اندازه ذرات کوچکتر، توزیع یکنواخت و سطح متراکمی را نشان می‌دهد (شکل 9b)، که به ماهیت آبدوست SA که هسته‌زایی ثانویه را تحت سورفکتانت ثابت ترویج می‌دهد، نسبت داده می‌شود63. اعتقاد بر این است که با افزایش محتوای SA از 5 به 15 گرم (SATEOS1، SATEOS2 و SATEOS3) و استفاده از مقدار ثابت سورفکتانت، یعنی 0.10 گرم SLS (جدول 1)، سهم هر ذره از مولکول سورفکتانت کاهش می‌یابد و در نتیجه اندازه ذرات و اندازه ذرات کاهش می‌یابد. توزیع SATEOS2 (شکل 9c) و SATEOS3 (شکل 9d) با توزیع SATEOS 1 (شکل 9b) متفاوت است.
در مقایسه با SATEOS1 (شکل 9b)، SATEOS2 مورفولوژی متراکمی از SA میکروکپسوله شده نشان داد و اندازه ذرات افزایش یافت (شکل 9c). این به دلیل تجمع 49 است که سرعت انعقاد را کاهش می‌دهد (شکل 2b). با افزایش مقدار SC با افزایش SLS، میکروکپسول‌ها به وضوح قابل مشاهده می‌شوند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. نحوه تجمع. علاوه بر این، شکل‌های 9e-g نشان می‌دهند که همه ذرات از نظر شکل و اندازه به وضوح کروی هستند. مشخص شده است که در حضور مقادیر زیادی SA، می‌توان مقدار مناسبی از الیگومرهای سیلیس را به دست آورد که باعث تراکم و کپسوله شدن مناسب و در نتیجه تشکیل میکروکپسول‌های با تعریف مناسب می‌شود49. از نتایج SEM، مشخص است که SATEOS6 در مقایسه با مقدار کمی SA، میکروکپسول‌های مربوطه را تشکیل داده است.
نتایج طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDS) SA توده‌ای و SA میکروکپسوله در جدول 3 ارائه شده است. همانطور که از این جدول مشاهده می‌شود، محتوای Si به تدریج از SATEOS1 (12.34٪) به SATEOS6 (2.68٪) کاهش می‌یابد. افزایش SA. بنابراین، می‌توان گفت که افزایش مقدار SA منجر به کاهش رسوب SiO2 روی سطح SA می‌شود. به دلیل تجزیه و تحلیل نیمه کمی EDS51، مقادیر ثابتی برای محتوای C و O در جدول 3 وجود ندارد. محتوای Si SA میکروکپسوله شده با نتایج FT-IR، XRD و XPS همبستگی داشت.
رفتار ذوب و انجماد SA توده‌ای و همچنین SA میکروکپسوله شده با پوسته SiO2 در شکل‌های 1 و 2 نشان داده شده است. این موارد به ترتیب در شکل‌های 10 و 11 و داده‌های حرارتی در جدول 4 نشان داده شده‌اند. دمای ذوب و انجماد SA میکروکپسوله شده متفاوت بود. با افزایش مقدار SA، دمای ذوب و انجماد افزایش یافته و به مقادیر SA توده‌ای نزدیک می‌شود. پس از میکروکپسوله کردن SA، دیواره سیلیسی دمای تبلور را افزایش می‌دهد و دیواره آن به عنوان هسته برای افزایش ناهمگنی عمل می‌کند. بنابراین، با افزایش مقدار SA، دمای ذوب (شکل 10) و انجماد (شکل 11) نیز به تدریج افزایش می‌یابد49،51،64. در بین تمام نمونه‌های SA میکروکپسوله شده، SATEOS6 بالاترین دمای ذوب و انجماد را نشان داد و پس از آن SATEOS5، SATEOS4، SATEOS3، SATEOS2 و SATEOS1 قرار گرفتند.
SATEOS1 کمترین نقطه ذوب (68.97 درجه سانتیگراد) و دمای انجماد (60.60 درجه سانتیگراد) را نشان می‌دهد، که به دلیل اندازه ذرات کوچکتر است که در آن حرکت ذرات SA درون میکروکپسول‌ها بسیار کم است و پوسته SiO2 یک لایه ضخیم تشکیل می‌دهد و از این رو ماده اصلی کشش و حرکت را محدود می‌کند49. این فرضیه با نتایج SEM مرتبط است، جایی که SATEOS1 اندازه ذرات کوچکتری را نشان داد (شکل 9b)، که به دلیل این واقعیت است که مولکول‌های SA در ناحیه بسیار کوچکی از میکروکپسول‌ها محدود شده‌اند. تفاوت در دمای ذوب و انجماد توده اصلی، و همچنین تمام میکروکپسول‌های SA با پوسته‌های SiO2، در محدوده 6.10-8.37 درجه سانتیگراد است. این نتیجه نشان می‌دهد که SA میکروکپسوله شده به دلیل رسانایی حرارتی خوب پوسته SiO2 65 می‌تواند به عنوان یک ماده ذخیره انرژی بالقوه استفاده شود.
همانطور که از جدول 4 مشاهده می‌شود، SATEOS6 به دلیل کپسوله شدن مناسب مشاهده شده توسط SEM، بالاترین آنتالپی را در بین تمام SCهای میکروکپسوله شده دارد (شکل 9g). نرخ بسته‌بندی SA را می‌توان با استفاده از معادله (1) محاسبه کرد. (1) با مقایسه داده‌های گرمای نهان SA49 میکروکپسوله شده.
مقدار R نشان دهنده درجه کپسوله شدن (%) SC میکروکپسوله شده، ΔHMEPCM,m نشان دهنده گرمای نهان ذوب SC میکروکپسوله شده و ΔHPCM,m نشان دهنده گرمای نهان ذوب SC است. علاوه بر این، راندمان بسته بندی (%) به عنوان یکی دیگر از پارامترهای فنی مهم، همانطور که در معادله (1) نشان داده شده است، محاسبه می شود. (2)49.
مقدار E نشان دهنده راندمان کپسوله کردن (%) CA میکروکپسوله شده، ΔHMEPCM,s نشان دهنده گرمای نهان پخت CA میکروکپسوله شده و ΔHPCM,s نشان دهنده گرمای نهان پخت CA است.
همانطور که در جدول 4 نشان داده شده است، درجه فشردگی و راندمان SATEOS1 به ترتیب 71.89٪ و 67.68٪ و درجه فشردگی و راندمان SATEOS6 به ترتیب 90.86٪ و 86.68٪ است (جدول 4). نمونه SATEOS6 بالاترین ضریب کپسوله شدن و راندمان را در بین تمام SA های میکروکپسوله شده نشان می دهد که نشان دهنده ظرفیت حرارتی بالای آن است. بنابراین، انتقال از جامد به مایع به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد. علاوه بر این، تفاوت در دمای ذوب و انجماد همه میکروکپسول های SA و SA توده ای در طول فرآیند خنک کننده نشان می دهد که پوسته سیلیس در طول سنتز میکروکپسول از نظر فضایی محدود شده است. بنابراین، نتایج نشان می دهد که با افزایش مقدار SC، سرعت کپسوله شدن و راندمان به تدریج افزایش می یابد (جدول 4).
منحنی‌های TGA نمونه حجیم SA و نمونه میکروکپسوله SA با پوسته SiO2 (SATEOS1، SATEOS3 و SATEOS6) در شکل 12 نشان داده شده است. خواص پایداری حرارتی نمونه حجیم SA (SATEOS1، SATEOS3 و SATEOS6) با نمونه‌های میکروکپسوله شده مقایسه شدند. از منحنی TGA مشخص است که کاهش وزن نمونه حجیم SA و همچنین نمونه میکروکپسوله شده، کاهشی ملایم و بسیار جزئی از دمای 40 درجه سانتیگراد تا 190 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. در این دما، نمونه حجیم SC دچار تجزیه حرارتی نمی‌شود، در حالی که نمونه میکروکپسوله شده حتی پس از خشک شدن در دمای 45 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت، آب جذب شده را آزاد می‌کند. این امر منجر به کاهش وزن جزئی شد،49 اما فراتر از این دما، ماده شروع به تخریب کرد. در محتوای SA کمتر (یعنی SATEOS1)، محتوای آب جذب شده بیشتر است و از این رو کاهش جرم تا دمای 190 درجه سانتیگراد بیشتر است (شکل 12). به محض اینکه دما از 190 درجه سانتیگراد بالاتر می‌رود، نمونه به دلیل فرآیندهای تجزیه شروع به از دست دادن جرم می‌کند. SA توده‌ای در دمای 190 درجه سانتیگراد شروع به تجزیه می‌کند و تنها 4٪ در دمای 260 درجه سانتیگراد باقی می‌ماند، در حالی که SATEOS1، SATEOS3 و SATEOS6 به ترتیب 50٪، 20٪ و 12٪ را در این دما حفظ می‌کنند. پس از 300 درجه سانتیگراد، کاهش جرم SA توده‌ای تقریباً 97.60٪ بود، در حالی که کاهش جرم SATEOS1، SATEOS3 و SATEOS6 به ترتیب تقریباً 54.20٪، 82.40٪ و 90.30٪ بود. با افزایش محتوای SA، محتوای SiO2 کاهش می‌یابد (جدول 3) و نازک شدن پوسته در SEM مشاهده می‌شود (شکل 9). بنابراین، کاهش وزن SA میکروکپسوله شده در مقایسه با SA توده‌ای کمتر است، که با خواص مطلوب پوسته SiO2 توضیح داده می‌شود، که تشکیل یک لایه سیلیکات-کربنی کربنی روی سطح SA را تقویت می‌کند و در نتیجه هسته SA را ایزوله کرده و آزاد شدن محصولات فرار حاصل را کند می‌کند10. این لایه زغالی در طول تجزیه حرارتی یک مانع محافظ فیزیکی تشکیل می‌دهد و انتقال مولکول‌های قابل اشتعال به فاز گاز را محدود می‌کند66،67. علاوه بر این، می‌توانیم نتایج قابل توجهی از کاهش وزن را نیز مشاهده کنیم: SATEOS1 مقادیر کمتری را در مقایسه با SATEOS3، SATEOS6 و SA نشان می‌دهد. دلیل این امر این است که مقدار SA در SATEOS1 کمتر از SATEOS3 و SATEOS6 است، جایی که پوسته SiO2 یک لایه ضخیم تشکیل می‌دهد. در مقابل، کل کاهش وزن SA توده‌ای در دمای 415 درجه سانتیگراد به 99.50٪ می‌رسد. با این حال، SATEOS1، SATEOS3 و SATEOS6 به ترتیب 62.50٪، 85.50٪ و 93.76٪ کاهش وزن را در دمای 415 درجه سانتیگراد نشان دادند. این نتیجه نشان می‌دهد که افزودن TEOS با تشکیل یک لایه SiO2 روی سطح SA، تخریب SA را بهبود می‌بخشد. این لایه‌ها می‌توانند یک سد محافظ فیزیکی تشکیل دهند و بنابراین می‌توان بهبود پایداری حرارتی CA میکروکپسوله شده را مشاهده کرد.
نتایج قابلیت اطمینان حرارتی SA توده‌ای و بهترین نمونه میکروکپسوله شده (یعنی SATEOS 6) پس از 30 چرخه گرمایش و سرمایش DSC51،52 در شکل 13 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که SA توده‌ای (شکل 13a) هیچ تفاوتی در دمای ذوب، انجماد و مقدار آنتالپی نشان نمی‌دهد، در حالی که SATEOS6 (شکل 13b) حتی پس از سی‌امین چرخه گرمایش و فرآیند سرمایش نیز هیچ تفاوتی در دما و مقدار آنتالپی نشان نمی‌دهد. SA توده‌ای نقطه ذوب 72.10 درجه سانتیگراد، دمای انجماد 64.69 درجه سانتیگراد و گرمای ذوب و انجماد پس از اولین چرخه به ترتیب 201.0 ژول بر گرم و 194.10 ژول بر گرم را نشان داد. پس از سی‌امین چرخه، نقطه ذوب این مقادیر به ۷۱.۲۴ درجه سانتی‌گراد، دمای انجماد به ۶۳.۵۳ درجه سانتی‌گراد و مقدار آنتالپی ۱۰٪ کاهش یافت. تغییرات در دمای ذوب و انجماد و همچنین کاهش در مقادیر آنتالپی نشان می‌دهد که CA فله برای کاربردهای غیر میکروکپسوله‌سازی غیرقابل اعتماد است. با این حال، پس از انجام میکروکپسوله‌سازی مناسب (SATEOS6)، دمای ذوب و انجماد و مقادیر آنتالپی تغییر نمی‌کنند (شکل ۱۳b). SA پس از میکروکپسوله‌سازی با پوسته‌های SiO2، به دلیل دمای ذوب و انجماد بهینه و آنتالپی پایدار، می‌تواند به عنوان یک ماده تغییر فاز دهنده در کاربردهای حرارتی، به ویژه در ساخت و ساز، مورد استفاده قرار گیرد.
منحنی‌های DSC به‌دست‌آمده برای نمونه‌های SA (a) و SATEOS6 (b) در چرخه‌های گرمایش و سرمایش اول و سی‌ام.
در این مطالعه، یک بررسی سیستماتیک از ریزپوشانی با استفاده از SA به عنوان ماده اصلی و SiO2 به عنوان ماده پوسته انجام شد. TEOS به عنوان پیش‌ساز برای تشکیل یک لایه پشتیبان SiO2 و یک لایه محافظ روی سطح SA استفاده می‌شود. پس از سنتز موفقیت‌آمیز SA میکروپوشانی شده، نتایج FT-IR، XRD، XPS، SEM و EDS وجود SiO2 را نشان داد. تجزیه و تحلیل SEM نشان می‌دهد که نمونه SATEOS6 ذرات کروی کاملاً مشخصی را نشان می‌دهد که توسط پوسته‌های SiO2 روی سطح SA احاطه شده‌اند. با این حال، MEPCM با محتوای SA کمتر، تجمع نشان می‌دهد که عملکرد PCM را کاهش می‌دهد. تجزیه و تحلیل XPS وجود Si-O-Si و Si-OH را در نمونه‌های میکروکپسول نشان داد که جذب SiO2 روی سطح SA را نشان داد. طبق تحلیل عملکرد حرارتی، SATEOS6 با دمای ذوب و انجماد به ترتیب 70.37 درجه سانتیگراد و 64.27 درجه سانتیگراد و گرمای نهان ذوب و انجماد به ترتیب 182.53 ژول بر گرم و 160.12 ژول بر گرم بر گرم، امیدوارکننده‌ترین قابلیت ذخیره‌سازی گرما را نشان می‌دهد. حداکثر راندمان بسته‌بندی SATEOS6، 86.68٪ است. تحلیل چرخه حرارتی TGA و DSC تأیید کرد که SATEOS6 حتی پس از 30 فرآیند گرمایش و سرمایش، همچنان از پایداری حرارتی و قابلیت اطمینان خوبی برخوردار است.
یانگ تی.، وانگ ایکس وای و لی دی. تحلیل عملکرد سیستم جذب کامپوزیت جامد-گاز ترموشیمیایی برای ذخیره انرژی حرارتی و بهبود راندمان آن. کاربرد. مهندسی داغ. 150، 512–521 (2019).
فرید، ام. ام، خضیر، ای. ام، رزاق، اس. و الحلاج، اس. مروری بر ذخیره‌سازی انرژی تغییر فاز: مواد و کاربردها. مبدل انرژی. مدیر. 45، 1597–1615 (2004).
Regin AF، Solanki SS و Saini JS عملکرد انتقال حرارت سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی با استفاده از کپسول‌های PCM: یک بررسی. به‌روزرسانی. پشتیبانی. Energy Rev 12، 2438–2458 (2008).
لیو، م.، سامان، دبلیو. و برونو، ف. مروری بر مواد ذخیره‌سازی و فناوری‌های بهبود عملکرد حرارتی برای سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی تغییر فاز در دمای بالا. به‌روزرسانی. پشتیبانی. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
فانگ گوئینگ، لی هونگ، لیو شیانگ، وو اس ام. تهیه و توصیف مواد تغییر فاز دهنده n-تترادکان با انرژی حرارتی نانوکپسوله شده. مهندسی شیمی. مجله 153، 217–221 (2009).
مو، ب. و لی، م. سنتز مواد کامپوزیتی تغییر فاز دهنده جدید با شکل پایدار با استفاده از آئروژل‌های گرافنی اصلاح‌شده برای تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191، 466–475 (2019).
هوانگ، ک.، آلوا، گ.، جیا، ی.، و فانگ، گ. توصیف مورفولوژیکی و کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در ذخیره انرژی حرارتی: یک بررسی. به‌روزرسانی. پشتیبانی. ویرایش انرژی. 72، 128–145 (2017).