Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren nabigatzailearen bertsioak CSS euskarri mugatua du. Emaitza onenak lortzeko, gomendatzen dizugu zure nabigatzailearen bertsio berriago bat erabiltzea (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea). Bitartean, etengabeko laguntza bermatzeko, gunea estilo edo JavaScript gabe erakusten ari gara.
Azido estearikoa (SA) energia biltegiratzeko gailuetan fase-aldaketako material (PCM) gisa erabiltzen da. Ikerketa honetan, sol-gel metodoa erabili zen SiO2 oskolaren gainazal-aktibo mikrokapsulatzeko. SA kantitate desberdinak (5, 10, 15, 20, 30 eta 50 g) 10 mL tetraetil ortosilikato (TEOS)-tan kapsulatu ziren. Sintetizatutako fase-aldaketako material mikrokapsulatua (MEPCM) Fourier transformazioko infragorri espektroskopia (FT-IR), X izpien difrakzioa (XRD), X izpien fotoelektroi espektroskopia (XPS) eta eskaneatze-mikroskopia elektronikoa (SEM) bidez karakterizatu zen. Karakterizazio-emaitzek erakutsi zuten SA arrakastaz kapsulatu zela SiO2-k. Analisi termograbimetrikoak (TGA) erakutsi zuen MEPCM-k CA-k baino egonkortasun termiko hobea duela. Eskaneatze-kalorimetria diferentziala (DSC) erabiliz, ikusi zen MEPCM-ren entalpia-balioa ez zela aldatu 30 berotze-hozte zikloren ondoren ere. Mikrokapsulatutako lagin guztien artean, MEPCM zuen 50 g SA-k izan zuen urtze- eta solidotze-bero latente handiena, 182,53 J/g eta 160,12 J/g-koak, hurrenez hurren. Paketearen eraginkortasunaren balioa datu termikoak erabiliz kalkulatu zen eta eraginkortasun handiena lagin berarentzat aurkitu zen, % 86,68koa izanik.
Eraikuntza-industrian erabiltzen den energiaren % 58 inguru eraikinak berotzeko eta hozteko erabiltzen da1. Beraz, beharrezkoena ingurumen-kutsadura kontuan hartzen duten energia-sistema eraginkorrak sortzea da2. Fase-aldaketako materialak (PCM) erabiltzen dituen bero latentearen teknologiak energia handia biltegiratu dezake tenperatura-gorabehera baxuetan3,4,5,6 eta oso erabil daiteke bero-transferentzian, eguzki-energiaren biltegiratzean, aeroespazialkian eta aire girotuan7,8,9. PCM-k eraikinen kanpoaldeko energia termikoa xurgatzen du egunean zehar eta energia askatzen du gauez10. Beraz, fase-aldaketako materialak gomendatzen dira energia termikoa biltegiratzeko material gisa. Horrez gain, PCM mota desberdinak daude, hala nola solido-solidoa, solido-likidoa, likido-gasa eta solido-gasa11. Horien artean, fase-aldaketako material ezagunenak eta erabilienak solido-solido fase-aldaketako materialak eta solido-likido fase-aldaketako materialak dira. Hala ere, haien aplikazioa oso zaila da likido-gas eta solido-gas fase-trantsizioko materialen bolumen-aldaketa izugarriengatik.
PCM-k hainbat aplikazio ditu bere propietateengatik: 15 °C-tik beherako tenperaturetan urtzen direnak aire girotuko sistemetan erabil daitezke tenperatura hotzak mantentzeko, eta 90 °C-tik gorako tenperaturetan urtzen direnak berokuntza sistemetan erabil daitezke suteak saihesteko12. Aplikazioaren eta urtze-puntuaren tartearen arabera, fase-aldaketako material desberdinak sintetizatu dira produktu kimiko organiko eta ez-organiko desberdinetatik13,14,15. Parafina da fase-aldaketako material erabiliena, bero latente handia, korrosibotasun eza, segurtasuna eta urtze-puntuaren tarte zabala dituelarik16,17,18,19,20,21.
Hala ere, fase-aldaketako materialen eroankortasun termiko baxua dela eta, maskor batean (kanpoko geruza) kapsulatu behar dira fase-aldaketa prozesuan oinarrizko materiala isurtzea saihesteko22. Gainera, funtzionamendu-erroreek edo kanpoko presioak kanpoko geruza (estaldura) kaltetu dezakete, eta fase-aldaketako material urtuak eraikuntza-materialekin erreakzionatu dezake, txertatutako altzairuzko barren korrosioa eraginez, eta horrela eraikinaren zerbitzu-gaitasuna murriztuz23. Beraz, garrantzitsua da maskor-material nahikoa duten fase-aldaketako material kapsulatuak sintetizatzea, goiko arazoak konpondu ahal izateko24.
Fase-aldaketako materialen mikrokapsulazioak bero-transferentzia eraginkortasunez handitu eta ingurumen-erreaktibotasuna murriztu dezake, eta bolumen-aldaketak kontrolatu. Hainbat metodo garatu dira PCM kapsulatzeko, hain zuzen ere, gainazaleko polimerizazioa25,26,27,28, in situ polimerizazioa29,30,31,32, koazerbazioa33,34,35 eta sol-gel prozesuak36,37,38,39. Formaldehido erretxina erabil daiteke mikrokapsulaziorako40,41,42,43. Melamina-formaldehido eta urea-formaldehido erretxinak erabiltzen dira oskolaren material gisa, eta askotan formaldehido toxikoa isurtzen dute funtzionamenduan zehar. Beraz, material hauek debekatuta daude ontziratze-prozesuetan erabiltzea. Hala ere, energia termiko eskalagarria biltegiratzeko ingurumena errespetatzen duten fase-aldaketako materialak sintetizatu daitezke gantz-azidoetan eta ligninan oinarritutako nanokapsula hibridoak erabiliz44.
Zhang et al. 45 et al.-ek azido laurikoa sintetizatu zuten tetraetil ortosilikatotik eta ondorioztatu zuten metiltrietoxisilanoaren eta tetraetil ortosilikatoaren arteko bolumen-erlazioa handitzen den heinean, bero latentea gutxitu egiten dela eta gainazaleko hidrofobikotasuna handitzen dela. Azido laurikoa kapok zuntzetarako nukleo-material potentzial eta eraginkorra izan daiteke46. Horrez gain, Latibari et al.-ek 47 azido estearikoan oinarritutako PCMak sintetizatu zituzten TiO2 oskola-material gisa erabiliz. Zhu et al.-ek n-oktadekano eta silikona nanokapsulak prestatu zituzten PCM potentzial gisa48. Literatura berrikuspen batetik, zaila da ulertzea fase-aldaketako material mikrokapsulatu eraginkor eta egonkorrak eratzeko gomendatutako dosia.
Beraz, egileen jakintzaren arabera, mikrokapsulaziorako erabiltzen den fase-aldaketako materialaren kantitatea parametro garrantzitsua da mikrokapsulatutako fase-aldaketako material eraginkor eta egonkorrak ekoizteko. Fase-aldaketako materialen kantitate desberdinak erabiltzeak mikrokapsulatutako fase-aldaketako materialen propietate eta egonkortasun desberdinak argitzeko aukera emango digu. Azido estearikoa (gantz-azidoa) ingurumena errespetatzen duen, medikuntza aldetik garrantzitsua den eta ekonomikoa den substantzia bat da, energia termikoa gordetzeko erabil daitekeena, entalpia-balio handia duelako (~200 J/g) eta 72 °C-ko tenperaturak jasan ditzakeelako. Gainera, SiO2 ez da sukoia, erresistentzia mekaniko handiagoa, eroankortasun termiko handiagoa eta erresistentzia kimiko hobea ematen die nukleoko materialei, eta eraikuntzan material puzolaniko gisa jokatzen du. Zementua urarekin nahasten denean, gaizki kapsulatutako PCMak pitzatu egin daitezke higadura mekanikoaren eta hormigoizko egitura masiboetan sortutako tenperatura altuen (hidratazio-beroaren) ondorioz. Beraz, SiO2 geruza batekin mikrokapsulatutako CA erabiltzeak arazo hau konpondu dezake. Beraz, ikerketa honen helburua eraikuntza-aplikazioetan sol-gel prozesuaren bidez sintetizatutako PCMen errendimendua eta eraginkortasuna ikertzea izan zen. Lan honetan, sistematikoki aztertu ditugu 5, 10, 15, 20, 30 eta 50 g-ko SA kantitate desberdinak (oinarrizko material gisa), SiO2 geruzatan kapsulatuta. 10 ml-ko bolumeneko tetraetilortosilikato (TEOS) kantitate finko bat erabili zen SiO2 geruza eratzeko aitzindari-soluzio gisa.
Nukleo-material gisa erreaktibo maila duen azido estearikoa (SA, C18H36O2, urtze-puntua: 72°C) Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.-tik erosi zen, Gyeonggi-do, Hego Korea. Tetraetilortosilikatoa (TEOS, C8H20O4Si) aitzindari-soluzio gisa Acros Organics-etik erosi zen, Geel, Belgika. Horrez gain, etanol absolutua (EA, C2H5OH) eta sodio lauril sulfatoa (SLS, C12H25NaO4S) Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.-tik erosi ziren, Gyeonggi-do, Hego Korea, eta disolbatzaile eta gainazal-aktibo gisa erabili ziren, hurrenez hurren. Ur destilatua ere erabiltzen da disolbatzaile gisa.
SA kantitate desberdinak sodio lauril sulfato (SLS) proportzio desberdinekin nahastu ziren 100 mL ur destilatutan, irabiagailu magnetiko bat erabiliz 800 rpm-tan eta 75 °C-tan ordubetez (1. taula). SA emultsioak bi taldetan banatu ziren: (1) 5, 10 eta 15 g SA 0,10 g SLSrekin nahastu ziren 100 ml ur destilatutan (SATEOS1, SATEOS2 eta SATEOS3), (2) 20, 30 eta 50 g SA 0,15, 0,20 eta 0,25 g SLSrekin nahastu ziren 100 ml ur destilatutan (SATEOS4, SATEOS5 eta SATEOS6). 0,10 g SLS erabili zen 5, 10 eta 15 g SArekin emultsio bakoitza osatzeko. Ondoren, SATEOS4, SATEOS5 eta SATEOS6-rako SLS kopurua handitzea proposatu zen. 1. taulan emultsio-soluzio egonkorrak lortzeko erabilitako CA eta SLS proportzioak ageri dira.
Jarri 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA) eta 20 ml ur destilatu 100 ml-ko beaker batean. SA eta SiO2 geruzen proportzio desberdinen kapsulazio-eraginkortasuna aztertzeko, lagin guztien sintesi-koefizientea erregistratu zen. Nahastea irabiagailu magnetiko batekin irabiatu zen 400 rpm-tan eta 60 °C-tan ordubetez. Ondoren, aitzindari-soluzioa tantaka gehitu zitzaion prestatutako SA emultsioari, indarrez irabiatu zen 800 rpm-tan eta 75 °C-tan 2 orduz, eta iragazi egin zen hauts zuri bat lortzeko. Hauts zuria ur destilatuarekin garbitu zen hondar SA kentzeko eta hutseko labe batean lehortu zen 45 °C-tan 24 orduz. Ondorioz, SiO2 geruza batekin mikrokapsulatutako SC bat lortu zen. Mikrokapsulatutako SAren sintesi eta prestaketa prozesu osoa 1. irudian ageri da.
SiO2 geruza duten SA mikrokapsulak sol-gel metodoaren bidez prestatu ziren, eta haien kapsulazio-mekanismoa 2. irudian ageri da. Lehen urratsa SA emultsio bat prestatzea da, SLS gainazal-aktibo gisa erabiliz ur-disoluzio batean. Kasu honetan, SA molekularen mutur hidrofoboa SLSri lotzen zaio, eta mutur hidrofiloa ur molekulei, emultsio egonkor bat eratuz. Horrela, SLSren zati hidrofoboak babestuta daude eta SA tantaren gainazala estaltzen dute. Bestalde, TEOS disoluzioen hidrolisia poliki gertatzen da ur molekulen bidez, etanolaren aurrean hidrolizatutako TEOSa eratuz (2a irudia) 49,50,51. Hidrolizatutako TEOSak kondentsazio-erreakzio bat jasaten du, eta horren bidez n-hidrolizatutako TEOSak silize-klusterrak eratzen ditu (2b irudia). Silize-klusterrak SA52-k kapsulatu zituen SLSren aurrean (2c irudia), eta horri mikrokapsulazio-prozesua deritzo.
CAren mikrokapsulazioaren diagrama eskematikoa SiO2 geruza batekin (a) TEOSen hidrolisia (b) hidrolizatuaren kondentsazioa eta (c) CAren kapsulazioa SiO2 geruza batekin.
SA masiboaren eta mikrokapsulatutako SAren analisi kimikoa Fourier transformatuko infragorri espektrometro bat (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, AEB) erabiliz egin zen, eta espektroak 500 eta 4000 cm-1 arteko tartean erregistratu ziren.
X izpien difraktometro bat (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japonia) erabili zen SA fase masiboak eta mikrokapsula materialak aztertzeko. X izpien egitura-eskaneatzea 2θ = 5°–95° tartean egin zen, 4°/min-ko eskaneatze-abiadurarekin, Cu-Kα erradiazioa (λ = 1.541 Å) erabiliz, 25 kV eta 100 mA-ko funtzionamendu-baldintzetan, eskaneatze jarraituaren moduan. X izpien irudiak 2θ = 5–50° tartean eraiki ziren, lagin guztietan 50°-tik aurrera ez baitzen gailurrik ikusi.
X izpien fotoelektroi espektroskopia (XPS, Scienta Omicron R3000, AEB) Al Kα (1486.6 eV) erabiliz egin zen X izpien iturri gisa, SA masiboaren egoera kimikoa eta kapsulatze-materialean dauden elementuak ulertzeko. Bildutako XPS espektroak C 1s gailurrera kalibratu ziren karbono exotikoa erabiliz (284.6 eV-ko lotura-energia). Shirley metodoa erabiliz atzeko planoa zuzendu ondoren, elementu bakoitzaren bereizmen handiko gailurrak dekonboluzionatu eta funtzio gaussiar/lorentziarretara egokitu ziren CASA XPS softwarea erabiliz.
SC masiboaren eta mikrokapsulatutako SCren morfologia eskaneatze-mikroskopia elektronikoa (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Txekiar Errepublika) erabiliz aztertu zen, 15 kV-tan energia-dispertsioko X izpien espektroskopia (EDS) batekin hornituta. SEM irudiak hartu aurretik, laginak platinoz (Pt) estali ziren karga-efektuak saihesteko.
Ezaugarri termikoak (urtze/solidotze puntua eta bero latentea) eta fidagarritasuna (ziklo termikoa) kalorimetria diferentzialaren bidez (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, AEB) zehaztu ziren, 10 °C/min-ko berotze/hozte abiaduran 40 °C-tan eta 90 °C-tan nitrogeno-purga jarraituarekin. Pisu-galeraren analisia TGA analizatzaile bat erabiliz egin zen (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, AEB), nitrogeno-fluxu jarraitu batean, 40-600 °C-ko tenperaturan hasita, 10 °C/min-ko berotze-abiadurarekin.
3. irudiak SC masiboaren eta SC mikrokapsulatuen (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 eta SATEOS6) FTIR espektroak erakusten ditu. Lagin guztietan (SA zein SA mikrokapsulatuetan) 2910 cm-1 eta 2850 cm-1-ko xurgapen-pikoak –CH3 eta –CH2 taldeen luzapen-bibrazio simetrikoei egozten zaizkie, hurrenez hurren10,50. 1705 cm-1-ko pikoa C=O loturaren bibrazio-luzapenari dagokio. 1470 cm-1 eta 1295 cm-1-ko pikoak –OH talde funtzionalaren plano barruko tolestura-bibrazioari egozten zaizkio, eta 940 cm-1 eta 719 cm-1-ko pikoak, berriz, plano barruko bibrazioari eta –OH taldearen etekinari dagozkio, hurrenez hurren. SAren xurgapen-pikoak 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 eta 719 cm-1-tan ere ikusi ziren mikrokapsulatutako SA guztietan. Horrez gain, 1103 cm-1-tan aurkitutako piko berri bat ikusi zen SA mikrokapsulan, Si-O-Si bandaren luzapen-bibrazio antisimetrikoari dagokiona. FT-IR emaitzak bat datoz Yuan et al.-ekin. 50. Arrakastaz prestatu zuten mikrokapsulatutako SA amoniako/etanol erlazioan eta ikusi zuten ez zela interakzio kimikorik gertatu SA eta SiO2 artean. Oraingo FT-IR ikerketaren emaitzek erakusten dute SiO2 oskolak arrakastaz kapsulatu zuela SA (nukleoa) hidrolizatutako TEOSen kondentsazio-prozesuaren eta polimerizazioaren bidez. SA eduki txikiagoan, Si-O-Si bandaren pikoaren intentsitatea handiagoa da (3b-d irudia). SA kantitatea 15 g baino gehiagora handitzen den heinean, gailurraren intentsitatea eta Si-O-Si bandaren zabaltzea pixkanaka gutxitzen dira, SAren gainazalean SiO2 geruza mehe baten eraketa adieraziz.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 eta (g) SATEOS6-ren FTIR espektroak.
SA masiboaren eta mikrokapsulatutako SAren XRD ereduak 4. irudian ageri dira. XRD gailurrak 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}JCPDS 0381923, 02 zk. arabera)\) angeluetan daude, 21,42° lagin guztietan (311), 24,04° (602) eta 39,98° (913) SAri esleitzen zaizkio. Distortsioa eta hibriditatea CA masiboarekin faktore ziurgabeengatik gertatzen dira, hala nola gainazal-aktiboagatik (SLS), beste substantzia hondar batzuengatik eta SiO250-ren mikrokapsulazioagatik. Kapsulazioa gertatu ondoren, gailur nagusien (300), (500), (311) eta (602) intentsitatea pixkanaka gutxitzen da CA masiboarekin alderatuta, laginaren kristalinitatearen gutxitzea adieraziz.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 eta (g) SATEOS6-ren XRD ereduak.
SATEOS1-en intentsitatea nabarmen jaisten da beste laginekin alderatuta. Ez zen beste gailurrik ikusi mikrokapsulatutako lagin guztietan (4b-g irudia), eta horrek baieztatzen du SiO252-ren adsorzio fisikoa gertatzen dela SA gainazalean, elkarreragin kimikoa baino gehiago. Horrez gain, ondorioztatu zen SAren mikrokapsulazioak ez zuela egitura berririk agertzea eragin. SiO2 osorik mantentzen da SA gainazalean erreakzio kimikorik gabe, eta SA kantitatea gutxitu ahala, dauden gailurrak nabarmenagoak dira (SATEOS1). Emaitza honek adierazten du SiO2-k batez ere SA gainazala kapsulatzen duela. (700)-ko gailurra erabat desagertzen da, eta \((\overline{5}02)\)-ko gailurra konkor bat bihurtzen da SATEOS 1-en (4b irudia), kristalinitate murriztuarekin eta amorfismo handituarekin lotuta dagoena. SiO2 izaera amorfoa da, beraz, 2θ = 19°-tik 25°-ra behatutako gailurrek konkor bat eta zabalera bat dute53 (4b-g irudiak), eta horrek SiO252 amorfoaren existentzia baieztatzen du. Mikrokapsulatutako SAren difrakzio-gailurraren intentsitate txikiagoa silize-hormaren nukleazio-efektuaren eta kristalizazio-portaera mugatzailearen ondorio da49. Uste da SA eduki txikiagoarekin silize-geruza lodiagoa sortzen dela TEOS kopuru handia dagoelako, eta kopuru hori neurri handi batean SAren kanpoko gainazalean adsorbatzen da. Hala ere, SA kopurua handitzen den heinean, emultsio-soluzioan SA tanten azalera handitzen da eta TEOS gehiago behar da kapsulazio egokia lortzeko. Beraz, SA eduki handiagoarekin, FT-IR-ko SiO2 gailurra gutxitzen da (3. irudia), eta XRF-n 2θ = 19-25°-tik gertu dagoen difrakzio-gailurraren intentsitatea gutxitzen da (4. irudia) eta hedapena ere gutxitzen da. Ez da ikusten. Hala ere, 4. irudian ikus daitekeen bezala, SA kantitatea 5 g-tik (SATEOS1) 50 g-ra (SATEOS6) handitzen den bezain laster, gailurrak SA bolumenaren oso antzekoak bihurtzen dira, eta (700) puntuko gailurra agertzen da identifikatutako gailur intentsitate guztiekin. Emaitza hau FT-IR emaitzekin korrelatzen da, non SiO2 SATEOS6 gailurraren intentsitatea 1103 cm-1-tan gutxitzen den (3g irudia).
SA, SATEOS1 eta SATEOS6-n dauden elementuen egoera kimikoak 1. eta 2. irudietan, 5., 6., 7. eta 8. irudietan eta 2. taulan ageri dira. SA, SATEOS1 eta SATEOS6-ren neurketa-eskaneatzeak 5. irudian ageri dira, eta C 1s, O 1s eta Si 2p-ren bereizmen handiko eskaneatzeak 5., 6., 7. eta 8. irudietan eta 2., 6., 7. eta 8. taulan, hurrenez hurren. XPS bidez lortutako lotura-energiaren balioak 2. taulan laburbildu dira. 5. irudian ikus daitekeen bezala, Si 2s eta Si 2p gailur nabarmenak ikusi ziren SATEOS1 eta SATEOS6-n, non SiO2 geruzaren mikrokapsulazioa gertatu zen. Aurreko ikertzaileek antzeko Si 2s gailur bat jakinarazi dute 155.1 eV54-tan. SATEOS1-en (5b irudia) eta SATEOS6-n (5c irudia) Si gailurren presentziak FT-IR (3 irudia) eta XRD (4 irudia) datuak berresten ditu.
6a irudian erakusten den bezala, SA masiboaren C 1s-ek hiru gailur desberdin ditu: CC, kalifatikoa eta O=C=O lotura-energian, 284.5 eV, 285.2 eV eta 289.5 eV, hurrenez hurren. C–C, kalifatikoa eta O=C=O gailurrak SATEOS1-en (6b irudia) eta SATEOS6-n (6c irudia) ere ikusi ziren, eta 2. taulan laburbildu dira. Horrez gain, C 1s gailurra Si-C gailur gehigarri bati ere badagokio, 283.1 eV-tan (SATEOS1) eta 283.5 eV-tan (SATEOS6). C–C, kalifatikoa, O=C=O eta Si–C-rako behatutako lotura-energiak ondo korrelazionatzen dira beste iturri batzuekin55,56.
O 1 SA, SATEOS1 eta SATEOS6-ren XPS espektroak 7a-c irudietan ageri dira, hurrenez hurren. SA masiboaren O 1s gailurra dekonboluzionatua da eta bi gailur ditu, hots, C=O/C–O (531.9 eV) eta C–O–H (533.0 eV), SATEOS1 eta SATEOS6-ren O 1-ak, berriz, koherenteak dira. Hiru gailur baino ez daude: C=O/C–O, C–O–H eta Si–OH55,57,58. SATEOS1 eta SATEOS6-n O 1s lotura-energia SA masiboarekin alderatuta apur bat aldatzen da, eta hori oskola-materialean SiO2 eta Si-OH egoteagatik zati kimikoan izandako aldaketarekin lotuta dago.
SATEOS1 eta SATEOS6-ren Si 2p XPS espektroak 8a eta 8b irudietan ageri dira, hurrenez hurren. CA masiboan, ez zen Si 2p ikusi SiO2-ren faltagatik. Si 2p gailurra 105.4 eV-ri dagokio SATEOS1-entzat eta 105.0 eV-ri SATEOS6-rentzat, Si-O-Si-ri dagokiona, SATEOS1 gailurra 103.5 eV-koa den bitartean eta SATEOS6 gailurra 103.3 eV-koa, Si-OH55-ri dagokiona. SATEOS1 eta SATEOS6-n Si-O-Si eta Si-OH gailurren doikuntzak SiO2-ren mikrokapsulazio arrakastatsua agerian utzi zuen SA nukleoaren gainazalean.
Mikrokapsulatutako materialaren morfologia oso garrantzitsua da, disolbagarritasunean, egonkortasunean, erreaktibotasun kimikoan, jariakortasunean eta erresistentzian eragina baitu59. Hori dela eta, SEM erabili zen SA masiboaren (100×) eta mikrokapsulatutako SAren (500×) morfologia karakterizatzeko, 9. irudian erakusten den bezala. 9a irudian ikus daitekeen bezala, SA blokeak forma eliptikoa du. Partikula-tamaina 500 mikra baino handiagoa da. Hala ere, mikrokapsulazio-prozesua jarraitzen duenean, morfologia izugarri aldatzen da, 9b-g irudietan erakusten den bezala.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 eta (g) SATEOS6-ren SEM irudiak ×500-tan.
SATEOS1 laginean, gainazal zakarra duten SiO2z bildutako SA partikula kuasi-esferiko txikiagoak ikusten dira (9b irudia), eta hori TEOSen hidrolisi eta kondentsazio polimerizazioaren ondoriozkoa izan daiteke SA gainazalean, etanol molekulen difusio azkarra bizkortuz. Ondorioz, SiO2 partikulak metatzen dira eta aglomerazioa ikusten da52,60. SiO2 geruza honek erresistentzia mekanikoa ematen die mikrokapsulatutako CA partikulei eta CA urtuaren isurketa ere eragozten du tenperatura altuagoetan10. Emaitza honek adierazten du SiO2 duten SA mikrokapsulak energia biltegiratzeko material potentzial gisa erabil daitezkeela61. 9b irudian ikus daitekeen bezala, SATEOS1 laginak partikula banaketa uniformea ​​du, SiO2 geruza lodi batek SA biltzen duelarik. Mikrokapsulatutako SAren (SATEOS1) partikula tamaina 10-20 μm ingurukoa da (9b irudia), eta hori nabarmen txikiagoa da SA masiboarekin alderatuta, SA eduki txikiagoa duelako. Mikrokapsula geruzaren lodiera aitzindari-soluzioaren hidrolisiaren eta kondentsazio-polimerizazioaren ondorio da. Aglomerazioa SA dosi txikiagoetan gertatzen da, hau da, 15 g-raino (9b-d irudiak), baina dosia handitzen den bezain laster, ez da aglomeraziorik ikusten, baina argi definitutako partikula esferikoak ikusten dira (9e-g irudiak) 62.
Gainera, SLS gainazal-aktiboen kantitatea konstantea denean, SA edukiak (SATEOS1, SATEOS2 eta SATEOS3) eraginkortasunean, forman eta partikula-tamainaren banaketan ere eragina du. Horrela, SATEOS1ek partikula-tamaina txikiagoa, banaketa uniformea ​​eta gainazal trinkoa erakusten dituela ikusi da (9b irudia), eta hori SAren izaera hidrofilikoari egotzi zaio, gainazal-aktibo konstantearen pean bigarren mailako nukleazioa sustatzen baitu63. Uste da SA edukia 5etik 15 g-ra handituz (SATEOS1, SATEOS2 eta SATEOS3) eta gainazal-aktibo kantitate konstante bat erabiliz, hau da, 0,10 g SLS (1. taula), gainazal-aktibo molekularen partikula bakoitzaren ekarpena gutxitu egingo dela, eta horrela partikulen tamaina eta partikulen tamaina murriztuko direla. SATEOS2ren (9c irudia) eta SATEOS3ren (9d irudia) banaketa SATEOS 1en (9b irudia) banaketatik desberdina da.
SATEOS1ekin alderatuta (9b irudia), SATEOS2k SA mikrokapsulatuen morfologia trinkoa erakutsi zuen eta partikulen tamaina handitu egin zen (9c irudia). Hau aglomerazioaren ondorioz gertatzen da 49, eta horrek koagulazio-tasa murrizten du (2b irudia). SC kantitatea handitzen den heinean SLS handitzen den heinean, mikrokapsulak argi ikusten dira, agregazioa nola gertatzen den erakusten den bezala. Gainera, 9e-g irudiek erakusten dute partikula guztiak forma eta tamaina esferikoak direla argi eta garbi. SA kantitate handietan silize oligomero kopuru egokia lor daitekeela onartu da, kondentsazio eta kapsulazio egokia eraginez eta, beraz, ondo definitutako mikrokapsulen eraketa49. SEM emaitzetatik, argi dago SATEOS6k SA kantitate txiki batekin alderatuta dagokion mikrokapsula sortu zuela.
SA masiboaren eta mikrokapsula SAren energia-dispertsioko X izpien espektroskopiaren (EDS) emaitzak 3. taulan ageri dira. Taula honetan ikus daitekeenez, Si edukia pixkanaka jaisten da SATEOS1etik (% 12,34) SATEOS6ra (% 2,68). SAren igoera. Beraz, esan dezakegu SA kantitatearen igoerak SiO2-ren deposizioa gutxitzea dakarrela SAren gainazalean. Ez dago C eta O edukien balio koherenterik 3. taulan, EDS51-en analisi erdi-kuantitatiboa dela eta. Mikrokapsulatutako SAren Si edukia FT-IR, XRD eta XPS emaitzekin korrelazionatu zen.
SA masiboaren eta SiO2 geruzadun SA mikrokapsulatuaren urtze- eta solidotze-portaera 1. eta 2. irudietan ageri da. 10. eta 11. irudietan ageri dira, hurrenez hurren, eta datu termikoak 4. taulan. Mikrokapsulatutako SAren urtze- eta solidotze-tenperaturak desberdinak direla ikusi da. SA kantitatea handitzen den heinean, urtze- eta solidotze-tenperaturak handitzen dira eta SA masiboaren balioetara hurbiltzen dira. SA mikrokapsulatu ondoren, silize-hormak kristalizazio-tenperatura handitzen du, eta bere hormak nukleo gisa jokatzen du heterogeneotasuna sustatzeko. Beraz, SA kantitatea handitzen den heinean, urtze- (10. irudia) eta solidotze- (11. irudia) tenperaturak ere pixkanaka handitzen dira49,51,64. SA mikrokapsulatuen lagin guztien artean, SATEOS6k erakutsi zituen urtze- eta solidotze-tenperatura altuenak, eta ondoren SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 eta SATEOS1 etorri ziren.
SATEOS1-ek urtze-puntu baxuena (68,97 °C) eta solidotze-tenperatura baxuena (60,60 °C) erakusten ditu, eta hori partikula-tamaina txikiagoa delako gertatzen da, non mikrokapsulen barruko SA partikulen mugimendua oso txikia den eta SiO2 oskolak geruza lodi bat osatzen duen eta, beraz, Nukleo Materialak luzapena eta mugimendua mugatzen ditu49. Hipotesi hau SEM emaitzekin lotuta dago, non SATEOS1-ek partikula-tamaina txikiagoa erakutsi zuen (9b irudia), eta hori SA molekulak mikrokapsulen eremu oso txiki batean daudelako gertatzen da. Masa nagusiaren urtze- eta solidotze-tenperaturen arteko aldea, baita SiO2 oskolak dituzten SA mikrokapsula guztiena ere, 6,10-8,37 °C-ko tartean dago. Emaitza honek adierazten du mikrokapsulatutako SA energia biltegiratzeko material potentzial gisa erabil daitekeela SiO2 oskolaren eroankortasun termiko ona dela eta 65.
4. taulan ikus daitekeen bezala, SATEOS6-k du entalpia handiena mikrokapsulatutako SC guztien artean (9g irudia), SEM bidez ikusi den kapsulazio egokiari esker. SA paketatze-tasa (1) ekuazioa erabiliz kalkula daiteke. (1) Mikrokapsulatutako SA49-ren bero latentearen datuak alderatuz.
R balioak mikrokapsulatutako SC-aren kapsulazio-maila (%) adierazten du, ΔHMEPCM,m-k mikrokapsulatutako SC-aren fusio-bero latentea eta ΔHPCM,m-k SC-aren fusio-bero latentea. Horrez gain, ontziratze-eraginkortasuna (%) beste parametro tekniko garrantzitsu gisa kalkulatzen da, (1) ekuazioan erakusten den bezala. (2)49.
E balioak mikrokapsulatutako CAren kapsulazio-eraginkortasuna (%) adierazten du, ΔHMEPCM,s-k mikrokapsulatutako CAren sendatze-bero latentaren adierazpena da, eta ΔHPCM,s-k CAren sendatze-bero latentaren adierazpena da.
4. taulan erakusten den bezala, SATEOS1-en paketatze-maila eta eraginkortasuna % 71,89 eta % 67,68 dira, hurrenez hurren, eta SATEOS6-en paketatze-maila eta eraginkortasuna % 90,86 eta % 86,68 dira, hurrenez hurren (4. taula). SATEOS6 laginak erakusten du kapsulazio-koefiziente eta eraginkortasun handiena mikrokapsulatutako SA guztien artean, eta horrek adierazten du bere gaitasun termiko handia duela. Beraz, solidotik likidora igarotzeak energia kantitate handiak behar ditu. Gainera, SA mikrokapsula guztien eta SA masiboaren urtze- eta solidotze-tenperaturen arteko aldeak hozte-prozesuan zehar adierazten du silize-oskola espazialki mugatuta dagoela mikrokapsulen sintesian zehar. Beraz, emaitzek erakusten dute SC kantitatea handitzen den heinean, kapsulazio-tasa eta eraginkortasuna pixkanaka handitzen direla (4. taula).
SA masiboaren eta SiO2 geruzadun SA mikrokapsularen (SATEOS1, SATEOS3 eta SATEOS6) TGA kurbak 12. irudian ageri dira. SA masiboaren (SATEOS1, SATEOS3 eta SATEOS6) egonkortasun termikoaren propietateak mikrokapsulatutako laginekin alderatu ziren. TGA kurban argi ikusten da SA masiboaren zein mikrokapsulatutako SAren pisu galerak beherakada leun eta oso txikia erakusten duela 40 °C-tik 190 °C-ra. Tenperatura horretan, SC masiboak ez du deskonposizio termikorik jasaten, SC mikrokapsulatuak, berriz, adsorbatutako ura askatzen du 45 °C-tan 24 orduz lehortu ondoren ere. Horrek pisu galera txikia eragin zuen,49 baina tenperatura horretatik gora materiala degradatzen hasi zen. SA edukia txikiagoa denean (hau da, SATEOS1), adsorbatutako ur edukia handiagoa da eta, beraz, 190 °C-rainoko masa galera handiagoa da (12. irudian txertatua). Tenperatura 190 °C-tik gora igotzen denean, laginak masa galtzen hasten da deskonposizio prozesuen ondorioz. SA masiboa 190 °C-tan hasten da deskonposatzen eta % 4 baino ez da geratzen 260 °C-tan, SATEOS1, SATEOS3 eta SATEOS6-k, berriz, % 50, % 20 eta % 12 mantentzen dituzte tenperatura horretan, hurrenez hurren. 300 °C-tik aurrera, SA masiboaren masa galera % 97,60 ingurukoa izan zen gutxi gorabehera, eta SATEOS1, SATEOS3 eta SATEOS6-rena, berriz, % 54,20, % 82,40 eta % 90,30 ingurukoa izan zen, hurrenez hurren. SA edukia handitzen den heinean, SiO2 edukia gutxitzen da (3. taula), eta oskolaren mehetzea ikusten da SEM-ean (9. irudia). Horrela, mikrokapsulatutako SAren pisu galera SA masiboarekin alderatuta txikiagoa da, eta hori SiO2 geruzaren propietate onuragarriengatik azaltzen da, zeinak SAren gainazalean silikato-karbonozko geruza baten eraketa sustatzen baitu, horrela SAren nukleoa isolatuz eta sortutako produktu lurrunkorren askapena motelduz10. Ikatz-geruza honek babes-hesi fisiko bat osatzen du deskonposizio termikoan, molekula sukoien fase gaseosora igarotzea mugatuz66,67. Horrez gain, pisu galera emaitza nabarmenak ere ikus ditzakegu: SATEOS1-ek balio baxuagoak erakusten ditu SATEOS3, SATEOS6 eta SA-rekin alderatuta. Hau da, SATEOS1-en SA kantitatea SATEOS3 eta SATEOS6-n baino txikiagoa delako, non SiO2 geruza geruza lodi bat osatzen duen. Aldiz, SA masiboaren pisu galera osoa % 99,50era iristen da 415 °C-tan. Hala ere, SATEOS1, SATEOS3 eta SATEOS6-k % 62,50, % 85,50 eta % 93,76ko pisu-galera erakutsi zuten, hurrenez hurren, 415 °C-tan. Emaitza honek adierazten du TEOS gehitzeak SAren degradazioa hobetzen duela SiO2 geruza bat eratuz SAren gainazalean. Geruza hauek babes-hesi fisiko bat osa dezakete, eta, beraz, mikrokapsulatutako CAren egonkortasun termikoan hobekuntza bat ikus daiteke.
SA masiboaren eta mikrokapsulatutako lagin onenaren (hau da, SATEOS 6) fidagarritasun termikoaren emaitzak, DSC51,52-ren 30 berotze eta hozte zikloren ondoren, 13. irudian ageri dira. Ikus daiteke SA masiboak (13a irudia) ez duela urtze-tenperaturan, solidotze-tenperaturan eta entalpia-balioan inolako alderik erakusten, SATEOS6-k (13b irudia) ez duela, berriz, tenperaturan eta entalpia-balioan inolako alderik erakusten, 30. berotze-zikloa eta hozte-prozesua igaro ondoren ere. SA masiboak 72,10 °C-ko urtze-puntua eta 64,69 °C-ko solidotze-tenperatura erakutsi zituen, eta lehen zikloaren ondoren fusio- eta solidotze-beroak 201,0 J/g eta 194,10 J/g izan ziren, hurrenez hurren. 30. zikloaren ondoren, balio horien urtze-puntua 71,24 °C-ra jaitsi zen, solidotze-tenperatura 63,53 °C-ra jaitsi zen eta entalpia-balioa % 10 jaitsi zen. Urtze- eta solidotze-tenperaturen aldaketek, baita entalpia-balioen jaitsierek ere, adierazten dute CA masiboa ez dela fidagarria mikrokapsulaziorik gabeko aplikazioetarako. Hala ere, mikrokapsulazio egokia gertatu ondoren (SATEOS6), urtze- eta solidotze-tenperaturak eta entalpia-balioak ez dira aldatzen (13b irudia). SiO2 geruzekin mikrokapsulatu ondoren, SA fase-aldaketako material gisa erabil daiteke aplikazio termikoetan, batez ere eraikuntzan, bere urtze- eta solidotze-tenperatura optimoei eta entalpia egonkorrari esker.
SA (a) eta SATEOS6 (b) laginetarako lortutako DSC kurbak, 1. eta 30. berotze eta hozte zikloetan.
Ikerketa honetan, mikrokapsulazioaren ikerketa sistematiko bat egin zen, SA nukleo-material gisa eta SiO2 oskola-material gisa erabiliz. TEOS aitzindari gisa erabiltzen da SiO2 euskarri-geruza bat eta babes-geruza bat eratzeko SA gainazalean. Mikrokapsulatutako SAren sintesi arrakastatsua egin ondoren, FT-IR, XRD, XPS, SEM eta EDS emaitzek SiO2-ren presentzia erakutsi zuten. SEM analisiak erakusten du SATEOS6 laginak SiO2 oskolaz inguratutako partikula esferiko ondo definituak dituela SA gainazalean. Hala ere, SA edukiera txikiagoa duen MEPCM-k aglomerazioa erakusten du, eta horrek PCM-ren errendimendua murrizten du. XPS analisiak Si-O-Si eta Si-OH-ren presentzia erakutsi zuen mikrokapsula-laginetan, eta horrek SiO2-ren adsorzioa agerian utzi zuen SA gainazalean. Errendimendu termikoaren analisiaren arabera, SATEOS6-k erakusten du beroa biltegiratzeko gaitasun itxaropentsuena, 70,37 °C-ko eta 64,27 °C-ko urtze- eta solidotze-tenperaturekin, hurrenez hurren, eta 182,53 J/g-ko eta 160,12 J/g-ko urtze- eta solidotze-bero latentearekin, hurrenez hurren. SATEOS6-ren ontziratze-eraginkortasun maximoa % 86,68koa da. TGA eta DSC ziklo termikoaren analisiak baieztatu zuen SATEOS6-k oraindik ere egonkortasun termiko eta fidagarritasun ona duela 30 berotze- eta hozte-prozesuren ondoren ere.
Yang T., Wang XY eta Li D. Energia Termikoa Biltegiratzeko Termokimiko Solido-Gas Konposite Adsorzio Sistemaren Errendimenduaren Azterketa eta Bere Eraginkortasuna Hobetzea. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. eta Al-Hallaj, S. Fase-aldaketako energia-biltegiratzearen berrikuspena: materialak eta aplikazioak. Energia-bihurgailua. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS eta Saini JS PCM kapsulak erabiltzen dituzten energia termikoen biltegiratze sistemen bero-transferentziaren errendimendua: berrikuspena. eguneraketa. laguntza. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. eta Bruno, F. Biltegiratze Materialen eta Errendimendu Termikoaren Hobekuntza Teknologien Berrikuspena Tenperatura Altuko Fase Aldaketako Biltegiratze Termiko Sistemetarako. eguneraketa. laguntza. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Nanokapsulatutako energia termikoko n-tetradekano fase-aldaketako materialen prestaketa eta karakterizazioa. Ingeniari kimikoa. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. eta Li, M. Eguzki-energia bihurtzeko eta biltegiratzeko grafeno aerogel eraldatuak erabiliz forma egonkorreko fase-aldaketako material konposatu berrien sintesia. Sol. Energia materialak. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., eta Fang, G. Fase-aldaketako materialen karakterizazio morfologikoa eta aplikazioa energia termikoaren biltegiratzean: berrikuspena. eguneraketa. laguntza. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).