Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για καλύτερα αποτελέσματα, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε μια νεότερη έκδοση του προγράμματος περιήγησής σας (ή να απενεργοποιήσετε τη Λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ ή JavaScript.
Το στεατικό οξύ (SA) χρησιμοποιείται ως υλικό αλλαγής φάσης (PCM) σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος sol-gel για την μικροενθυλάκωση επιφανειοδραστικής ουσίας κελύφους SiO2. Διάφορες ποσότητες SA (5, 10, 15, 20, 30 και 50 g) ενθυλακώθηκαν σε 10 mL ορθοπυριτικού τετρααιθυλίου (TEOS). Το συνθετικό μικροενθυλακωμένο υλικό αλλαγής φάσης (MEPCM) χαρακτηρίστηκε με φασματοσκοπία υπέρυθρης μετατροπής Fourier (FT-IR), περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Τα αποτελέσματα χαρακτηρισμού έδειξαν ότι το SA ενθυλακώθηκε με επιτυχία από SiO2. Η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) έδειξε ότι το MEPCM έχει καλύτερη θερμική σταθερότητα από το CA. Χρησιμοποιώντας διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), διαπιστώθηκε ότι η τιμή ενθαλπίας του MEPCM δεν άλλαξε ακόμη και μετά από 30 κύκλους θέρμανσης-ψύξης. Μεταξύ όλων των μικροενθυλακωμένων δειγμάτων, 50 g SA που περιείχαν MEPCM είχαν την υψηλότερη λανθάνουσα θερμότητα τήξης και στερεοποίησης, οι οποίες ήταν 182,53 J/g και 160,12 J/g, αντίστοιχα. Η τιμή απόδοσης συσκευασίας υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας θερμικά δεδομένα και η υψηλότερη απόδοση βρέθηκε για το ίδιο δείγμα, η οποία ήταν 86,68%.
Περίπου το 58% της ενέργειας που χρησιμοποιείται στον κατασκευαστικό κλάδο χρησιμοποιείται για τη θέρμανση και την ψύξη κτιρίων1. Επομένως, το πιο απαραίτητο είναι η δημιουργία αποδοτικών ενεργειακών συστημάτων που λαμβάνουν υπόψη την περιβαλλοντική ρύπανση2. Η τεχνολογία λανθάνουσας θερμότητας που χρησιμοποιεί υλικά αλλαγής φάσης (PCM) μπορεί να αποθηκεύει υψηλή ενέργεια σε χαμηλές διακυμάνσεις θερμοκρασίας3,4,5,6 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε τομείς όπως η μεταφορά θερμότητας, η αποθήκευση ηλιακής ενέργειας, η αεροδιαστημική και ο κλιματισμός7,8,9. Το PCM απορροφά θερμική ενέργεια από το εξωτερικό των κτιρίων κατά τη διάρκεια της ημέρας και απελευθερώνει ενέργεια τη νύχτα10. Επομένως, τα υλικά αλλαγής φάσης συνιστώνται ως υλικά αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Επιπλέον, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι PCM όπως στερεά-στερεά, στερεά-υγρά, υγρά-αέρια και στερεά-αέρια11. Μεταξύ αυτών, τα πιο δημοφιλή και συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά αλλαγής φάσης είναι τα υλικά αλλαγής φάσης στερεά-στερεά και τα υλικά αλλαγής φάσης στερεά-υγρά. Ωστόσο, η εφαρμογή τους είναι πολύ δύσκολη λόγω των τεράστιων ογκομετρικών αλλαγών των υλικών μετάβασης φάσης υγρού-αερίου και στερεάς-αερίου.
Το PCM έχει ποικίλες εφαρμογές λόγω των ιδιοτήτων του: αυτά που τήκονται σε θερμοκρασίες κάτω των 15°C μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα κλιματισμού για τη διατήρηση χαμηλών θερμοκρασιών, ενώ αυτά που τήκονται σε θερμοκρασίες άνω των 90°C μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα θέρμανσης για την πρόληψη πυρκαγιών12. Ανάλογα με την εφαρμογή και το εύρος σημείου τήξης, έχουν συντεθεί διάφορα υλικά αλλαγής φάσης από διαφορετικές οργανικές και ανόργανες χημικές ουσίες13,14,15. Η παραφίνη είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό αλλαγής φάσης με υψηλή λανθάνουσα θερμότητα, μη διαβρωτικότητα, ασφάλεια και ευρύ εύρος σημείου τήξης16,17,18,19,20,21.
Ωστόσο, λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας των υλικών αλλαγής φάσης, πρέπει να ενθυλακώνονται σε ένα κέλυφος (εξωτερικό στρώμα) για να αποτρέπεται η διαρροή του βασικού υλικού κατά τη διαδικασία αλλαγής φάσης22. Επιπλέον, λειτουργικά σφάλματα ή εξωτερική πίεση μπορούν να προκαλέσουν ζημιά στο εξωτερικό στρώμα (επένδυση) και το τηγμένο υλικό αλλαγής φάσης μπορεί να αντιδράσει με τα δομικά υλικά, προκαλώντας διάβρωση των ενσωματωμένων χαλύβδινων ράβδων, μειώνοντας έτσι τη λειτουργικότητα του κτιρίου23. Επομένως, είναι σημαντικό να συντίθενται ενθυλακωμένα υλικά αλλαγής φάσης με επαρκές υλικό κελύφους, το οποίο μπορεί να λύσει τα παραπάνω προβλήματα24.
Η μικροενθυλάκωση υλικών αλλαγής φάσης μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά τη μεταφορά θερμότητας και να μειώσει την περιβαλλοντική αντιδραστικότητα, καθώς και να ελέγξει τις αλλαγές όγκου. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την ενθυλάκωση PCM, δηλαδή ο διεπιφανειακός πολυμερισμός25,26,27,28, ο πολυμερισμός in situ29,30,31,32, η συσσωμάτωση33,34,35 και οι διαδικασίες sol-gel36,37,38,39. Η ρητίνη φορμαλδεΰδης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μικροενθυλάκωση40,41,42,43. Οι ρητίνες μελαμίνης-φορμαλδεΰδης και ουρίας-φορμαλδεΰδης χρησιμοποιούνται ως υλικά κελύφους, οι οποίες συχνά εκπέμπουν τοξική φορμαλδεΰδη κατά τη λειτουργία. Επομένως, απαγορεύεται η χρήση αυτών των υλικών σε διαδικασίες συσκευασίας. Ωστόσο, φιλικά προς το περιβάλλον υλικά αλλαγής φάσης για κλιμακωτή αποθήκευση θερμικής ενέργειας μπορούν να συντεθούν χρησιμοποιώντας υβριδικές νανοκάψουλες με βάση λιπαρά οξέα και λιγνίνη44.
Οι Zhang et al. 45 και άλλοι συνέθεσαν λαυρικό οξύ από ορθοπυριτικό τετρααιθυλεστέρα και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι καθώς αυξάνεται η αναλογία όγκου του μεθυλοτριαιθοξυσιλανίου προς το ορθοπυριτικό τετρααιθυλεστέρα, μειώνεται η λανθάνουσα θερμότητα και αυξάνεται η υδροφοβικότητα της επιφάνειας. Το λαυρικό οξύ μπορεί να είναι ένα πιθανό και αποτελεσματικό υλικό πυρήνα για ίνες καπόκ46. Επιπλέον, οι Latibari et al. 47 συνέθεσαν PCM με βάση το στεαρικό οξύ χρησιμοποιώντας TiO2 ως υλικό κελύφους. Οι Zhu et al. παρασκεύασαν νανοκάψουλες n-οκταδεκανίου και σιλικόνης ως πιθανά PCM48. Από μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, είναι δύσκολο να κατανοηθεί η συνιστώμενη δοσολογία για τον σχηματισμό αποτελεσματικών και σταθερών μικροενθυλακωμένων υλικών αλλαγής φάσης.
Συνεπώς, κατά την γνώση των συγγραφέων, η ποσότητα του υλικού αλλαγής φάσης που χρησιμοποιείται για τη μικροενθυλάκωση είναι μια σημαντική παράμετρος για την παραγωγή αποτελεσματικών και σταθερών μικροενθυλακωμένων υλικών αλλαγής φάσης. Η χρήση διαφορετικών ποσοτήτων υλικών αλλαγής φάσης θα μας επιτρέψει να διευκρινίσουμε τις διαφορετικές ιδιότητες και τη σταθερότητα των μικροενθυλακωμένων υλικών αλλαγής φάσης. Το στεατικό οξύ (λιπαρό οξύ) είναι μια φιλική προς το περιβάλλον, ιατρικά σημαντική και οικονομική ουσία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση θερμικής ενέργειας επειδή έχει υψηλή τιμή ενθαλπίας (~200 J/g) και μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως 72 °C. Επιπλέον, το SiO2 είναι μη εύφλεκτο, παρέχει υψηλότερη μηχανική αντοχή, θερμική αγωγιμότητα και καλύτερη χημική αντοχή στα υλικά του πυρήνα και δρα ως ποζολανικό υλικό στις κατασκευές. Όταν το τσιμέντο αναμειγνύεται με νερό, τα κακώς ενθυλακωμένα PCM μπορούν να ραγίσουν λόγω μηχανικής φθοράς και υψηλών θερμοκρασιών (θερμότητα ενυδάτωσης) που παράγονται σε ογκώδεις κατασκευές από σκυρόδεμα. Επομένως, η χρήση μικροενθυλακωμένου CA με κέλυφος SiO2 μπορεί να λύσει αυτό το πρόβλημα. Επομένως, ο στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να διερευνηθεί η απόδοση και η αποτελεσματικότητα των PCM που συντίθενται με τη μέθοδο sol-gel σε κατασκευαστικές εφαρμογές. Σε αυτή την εργασία, μελετήσαμε συστηματικά διαφορετικές ποσότητες SA (ως βασικό υλικό) των 5, 10, 15, 20, 30 και 50 g ενθυλακωμένων σε κελύφη SiO2. Μια σταθερή ποσότητα τετρααιθυλορθοπυριτικού άλατος (TEOS) σε όγκο 10 ml χρησιμοποιήθηκε ως πρόδρομο διάλυμα για τον σχηματισμό του κελύφους SiO2.
Στεατικό οξύ δραστικής ποιότητας (SA, C18H36O2, σημείο τήξης: 72°C) ως υλικό πυρήνα αγοράστηκε από την Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Νότια Κορέα. Τετρααιθυλορθοπυριτικό (TEOS, C8H20O4Si) ως πρόδρομο διάλυμα αγοράστηκε από την Acros Organics, Geel, Βέλγιο. Επιπλέον, απόλυτη αιθανόλη (EA, C2H5OH) και λαυρυλοθειικό νάτριο (SLS, C12H25NaO4S) αγοράστηκαν από την Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Νότια Κορέα, και χρησιμοποιήθηκαν ως διαλύτες και επιφανειοδραστικές ουσίες, αντίστοιχα. Αποσταγμένο νερό χρησιμοποιείται επίσης ως διαλύτης.
Διαφορετικές ποσότητες SA αναμίχθηκαν με διαφορετικές αναλογίες λαυρυλοθειικού νατρίου (SLS) σε 100 mL απεσταγμένου νερού χρησιμοποιώντας μαγνητικό αναδευτήρα στις 800 rpm και στους 75 °C για 1 ώρα (Πίνακας 1). Τα γαλακτώματα SA χωρίστηκαν σε δύο ομάδες: (1) 5, 10 και 15 g SA αναμίχθηκαν με 0,10 g SLS σε 100 ml απεσταγμένου νερού (SATEOS1, SATEOS2 και SATEOS3), (2) 20, 30 και 50 g SA αναμίχθηκαν με 0,15, 0,20 και 0,25 g SLS αναμίχθηκαν με 100 ml απεσταγμένου νερού (SATEOS4, SATEOS5 και SATEOS6). 0,10 g SLS χρησιμοποιήθηκαν με 5, 10 και 15 g SA για να σχηματιστούν τα αντίστοιχα γαλακτώματα. Στη συνέχεια, προτάθηκε η αύξηση του αριθμού των SLS για τα SATEOS4, SATEOS5 και SATEOS6. Ο Πίνακας 1 δείχνει τις αναλογίες CA και SLS που χρησιμοποιήθηκαν για την απόκτηση σταθερών διαλυμάτων γαλακτώματος.
Τοποθετήστε 10 ml TEOS, 10 ml αιθανόλης (EA) και 20 ml απεσταγμένο νερό σε ένα ποτήρι ζέσεως των 100 ml. Για να μελετηθεί η αποτελεσματικότητα ενθυλάκωσης διαφορετικών αναλογιών κελυφών SA και SiO2, καταγράφηκε ο συντελεστής σύνθεσης όλων των δειγμάτων. Το μείγμα αναδεύτηκε με μαγνητικό αναδευτήρα στις 400 στροφές/λεπτό και στους 60°C για 1 ώρα. Το πρόδρομο διάλυμα προστέθηκε στη συνέχεια στάγδην στο παρασκευασμένο γαλάκτωμα SA, αναδεύτηκε έντονα στις 800 στροφές/λεπτό και στους 75°C για 2 ώρες και διηθήθηκε για να ληφθεί μια λευκή σκόνη. Η λευκή σκόνη πλύθηκε με απεσταγμένο νερό για την απομάκρυνση του υπολειμματικού SA και ξηράνθηκε σε φούρνο κενού στους 45°C για 24 ώρες. Ως αποτέλεσμα, ελήφθη ένα μικροενθυλακωμένο SC με κέλυφος SiO2. Η όλη διαδικασία σύνθεσης και παρασκευής μικροενθυλακωμένου SA φαίνεται στο Σχήμα 1.
Μικροκάψουλες SA με κέλυφος SiO2 παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο sol-gel και ο μηχανισμός ενθυλάκωσής τους φαίνεται στο Σχήμα 2. Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει την παρασκευή ενός γαλακτώματος SA σε ένα υδατικό διάλυμα με SLS ως επιφανειοδραστικό. Σε αυτήν την περίπτωση, το υδρόφοβο άκρο του μορίου SA συνδέεται με το SLS και το υδρόφιλο άκρο με μόρια νερού, σχηματίζοντας ένα σταθερό γαλάκτωμα. Έτσι, τα υδρόφοβα τμήματα του SLS προστατεύονται και καλύπτουν την επιφάνεια της σταγόνας SA. Από την άλλη πλευρά, η υδρόλυση των διαλυμάτων TEOS συμβαίνει αργά από μόρια νερού, οδηγώντας στο σχηματισμό υδρολυμένων TEOS παρουσία αιθανόλης (Εικ. 2α) 49,50,51. Τα υδρολυμένα TEOS υφίστανται μια αντίδραση συμπύκνωσης, κατά την οποία τα n-υδρολυμένα TEOS σχηματίζουν συστάδες πυριτίας (Εικ. 2β). Τα συστάδες πυριτίας ενθυλακώθηκαν με SA52 παρουσία SLS (Εικ. 2γ), η οποία ονομάζεται διαδικασία μικροενθυλάκωσης.
Σχηματικό διάγραμμα μικροενθυλάκωσης CA με κέλυφος SiO2 (α) υδρόλυση TEOS (β) συμπύκνωση του υδρολύματος και (γ) ενθυλάκωση CA με κέλυφος SiO2.
Η χημική ανάλυση του χύδην SA και του μικροενθυλακωμένου SA πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας φασματόμετρο υπέρυθρης ακτινοβολίας μετασχηματισμού Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, ΗΠΑ) και τα φάσματα καταγράφηκαν στην περιοχή από 500 έως 4000 cm-1.
Για την ανάλυση των φάσεων SA και των υλικών μικροκάψουλας χρησιμοποιήθηκε περιθλασίμετρο ακτίνων Χ (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Ιαπωνία). Η σάρωση δομής με ακτίνες Χ πραγματοποιήθηκε στην περιοχή 2θ = 5°–95° με ταχύτητα σάρωσης 4°/min, χρησιμοποιώντας ακτινοβολία Cu-Kα (λ = 1,541 Å), συνθήκες λειτουργίας 25 kV και 100 mA, σε λειτουργία συνεχούς σάρωσης. Οι εικόνες ακτίνων Χ κατασκευάστηκαν στην περιοχή 2θ = 5–50°, καθώς δεν παρατηρήθηκε κορυφή μετά τις 50° σε όλα τα δείγματα.
Πραγματοποιήθηκε φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS, Scienta Omicron R3000, ΗΠΑ) χρησιμοποιώντας AlKα (1486,6 eV) ως πηγή ακτίνων Χ για την κατανόηση της χημικής κατάστασης του SA σε μορφή χύδην, καθώς και των στοιχείων που υπάρχουν στο υλικό ενθυλάκωσης. Τα συλλεχθέντα φάσματα XPS βαθμονομήθηκαν στην κορυφή C1s χρησιμοποιώντας εξωτικό άνθρακα (ενέργεια σύνδεσης 284,6 eV). Μετά τη διόρθωση υποβάθρου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Shirley, οι κορυφές υψηλής ανάλυσης κάθε στοιχείου αποσυνελίχθηκαν και προσαρμόστηκαν σε συναρτήσεις Gauss/Lorentzian χρησιμοποιώντας το λογισμικό CASA XPS.
Η μορφολογία του χύδην SC και του μικροενθυλακωμένου SC εξετάστηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM, MIRA3, TESCAN, Μπρνο, Τσεχική Δημοκρατία) εξοπλισμένη με φασματοσκοπία ακτίνων Χ με ενεργειακή διασπορά (EDS) στα 15 kV. Πριν από την απεικόνιση με SEM, τα δείγματα επικαλύφθηκαν με πλατίνα (Pt) για την αποφυγή φαινομένων φόρτισης.
Οι θερμικές ιδιότητες (σημείο τήξης/στερεοποίησης και λανθάνουσα θερμότητα) και η αξιοπιστία (θερμικός κύκλος) προσδιορίστηκαν με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, ΗΠΑ) με ρυθμό θέρμανσης/ψύξης 10 °C/λεπτό στους 40 °C και 90 °C με συνεχή έκπλυση αζώτου. Η ανάλυση απώλειας βάρους πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας αναλυτή TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, ΗΠΑ) σε συνεχή ροή αζώτου ξεκινώντας από θερμοκρασία 40–600 °C, με ρυθμό θέρμανσης 10 °C/λεπτό.
Το Σχήμα 3 δείχνει τα φάσματα FTIR του ογκώδους SC καθώς και του μικροενθυλακωμένου SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 και SATEOS6). Οι κορυφές απορρόφησης στα 2910 cm-1 και 2850 cm-1 σε όλα τα δείγματα (SA καθώς και μικροενθυλακωμένο SA) αποδίδονται στις συμμετρικές ταλαντώσεις τάνυσης των ομάδων –CH3 και –CH2, αντίστοιχα10,50. Η κορυφή στα 1705 cm-1 αντιστοιχεί σε ταλαντωτική τάνυση του δεσμού C=O. Οι κορυφές στα 1470 cm-1 και 1295 cm-1 αποδίδονται στην ενδοεπιπεδική ταλάντωση κάμψης της λειτουργικής ομάδας –OH, ενώ οι κορυφές στα 940 cm-1 και 719 cm-1 αντιστοιχούν στην ενδοεπιπεδική ταλάντωση και την ενδοεπιπεδική ταλάντωση παραμόρφωσης διαρροής, αντίστοιχα – ομάδα OH. Κορυφές απορρόφησης του SA στα 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 και 719 cm-1 παρατηρήθηκαν επίσης σε όλα τα μικροενθυλακωμένα SA. Επιπλέον, μια πρόσφατα ανακαλυφθείσα κορυφή στα 1103 cm-1 που αντιστοιχεί στην αντισυμμετρική δόνηση τάνυσης της ζώνης Si-O-Si παρατηρήθηκε στη μικροκάψουλα SA. Τα αποτελέσματα FT-IR συμφωνούν με αυτά των Yuan et al. 50. Παρασκεύασαν με επιτυχία μικροενθυλακωμένα SA σε αναλογία αμμωνίας/αιθανόλης και διαπίστωσαν ότι δεν υπήρξε χημική αλληλεπίδραση μεταξύ SA και SiO2. Τα αποτελέσματα της τρέχουσας μελέτης FT-IR δείχνουν ότι το κέλυφος SiO2 ενθυλάκωσε με επιτυχία το SA (πυρήνα) μέσω της διαδικασίας συμπύκνωσης και πολυμερισμού υδρολυμένων TEOS. Σε χαμηλότερη περιεκτικότητα σε SA, η ένταση της κορυφής της ζώνης Si-O-Si είναι υψηλότερη (Εικ. 3b-d). Καθώς η ποσότητα του SA αυξάνεται σε περισσότερο από 15 g, η ένταση της κορυφής και η διεύρυνση της ζώνης Si-O-Si μειώνονται σταδιακά, υποδεικνύοντας τον σχηματισμό ενός λεπτού στρώματος SiO2 στην επιφάνεια του SA.
Φάσματα FTIR των (α) SA, (β) SATEOS1, (γ) SATEOS2, (δ) SATEOS3, (ε) SATEOS4, (στ) SATEOS5 και (ζ) SATEOS6.
Τα πρότυπα XRD της χύδην SA και της μικροενθυλακωμένης SA φαίνονται στο Σχήμα 4. Οι κορυφές XRD βρίσκονται στις γωνίες 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}σύμφωνα με το JCPDS Αρ. 0381923, 02)\), 21,42° σε όλα τα δείγματα (311), 24,04° (602) και 39,98° (913) αποδίδονται στην SA. Η παραμόρφωση και η υβριδικότητα με την χύδην CA λόγω αβέβαιων παραγόντων όπως το επιφανειοδραστικό (SLS), άλλες υπολειμματικές ουσίες και η μικροενθυλάκωση του SiO250. Μετά την ενθυλάκωση, η ένταση των κύριων κορυφών (300), (500), (311) και (602) μειώνεται σταδιακά σε σύγκριση με την χύδην CA, υποδεικνύοντας μείωση στην κρυσταλλικότητα του δείγματος.
Διαγράμματα XRD των (α) SA, (β) SATEOS1, (γ) SATEOS2, (δ) SATEOS3, (ε) SATEOS4, (στ) SATEOS5 και (ζ) SATEOS6.
Η ένταση του SATEOS1 μειώνεται απότομα σε σύγκριση με άλλα δείγματα. Δεν παρατηρήθηκαν άλλες κορυφές σε όλα τα μικροενθυλακωμένα δείγματα (Εικ. 4b–g), γεγονός που επιβεβαιώνει ότι στην επιφάνεια του SA λαμβάνει χώρα φυσική προσρόφηση του SiO252 και όχι χημική αλληλεπίδραση. Επιπλέον, συμπεραίνεται επίσης ότι η μικροενθυλάκωση του SA δεν οδήγησε στην εμφάνιση νέων δομών. Το SiO2 παραμένει άθικτο στην επιφάνεια του SA χωρίς καμία χημική αντίδραση και καθώς η ποσότητα του SA μειώνεται, οι υπάρχουσες κορυφές γίνονται πιο εμφανείς (SATEOS1). Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι το SiO2 ενθυλακώνει κυρίως την επιφάνεια του SA. Η κορυφή στο (700) εξαφανίζεται εντελώς και η κορυφή στο \((\overline{5}02)\) γίνεται εξόγκωμα στο SATEOS 1 (Εικ. 4b), γεγονός που σχετίζεται με μειωμένη κρυσταλλικότητα και αυξημένο αμορφισμό. Το SiO2 είναι άμορφο στη φύση του, επομένως οι κορυφές που παρατηρούνται από 2θ = 19° έως 25° έχουν καμπύλη και διεύρυνση53 (Εικ. 4b–g), γεγονός που επιβεβαιώνει την ύπαρξη άμορφου SiO252. Η χαμηλότερη ένταση της κορυφής περίθλασης του μικροενθυλακωμένου SA οφείλεται στο φαινόμενο πυρήνωσης του εσωτερικού τοιχώματος του πυριτίου και στην περιοριστική συμπεριφορά κρυστάλλωσης49. Πιστεύεται ότι με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε SA, σχηματίζεται ένα παχύτερο κέλυφος πυριτίου λόγω της παρουσίας μεγάλης ποσότητας TEOS, το οποίο προσροφάται σε μεγάλο βαθμό στην εξωτερική επιφάνεια του SA. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται η ποσότητα του SA, η επιφάνεια των σταγονιδίων SA στο διάλυμα γαλακτώματος αυξάνεται και απαιτείται περισσότερο TEOS για σωστή ενθυλάκωση. Επομένως, με υψηλότερη περιεκτικότητα σε SA, η κορυφή SiO2 στο FT-IR καταστέλλεται (Εικ. 3) και η ένταση της κορυφής περίθλασης κοντά στις 2θ = 19–25° στο XRF (Εικ. 4) μειώνεται και η διαστολή μειώνεται επίσης. Δεν είναι ορατό. Ωστόσο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, μόλις η ποσότητα του SA αυξηθεί από 5 g (SATEOS1) σε 50 g (SATEOS6), οι κορυφές γίνονται πολύ κοντά στην SA όγκου και η κορυφή στο (700) εμφανίζεται με όλες τις εντάσεις κορυφών που έχουν εντοπιστεί. Αυτό το αποτέλεσμα συσχετίζεται με τα αποτελέσματα FT-IR, όπου η ένταση της κορυφής SiO2 SATEOS6 μειώνεται στα 1103 cm-1 (Εικ. 3g).
Οι χημικές καταστάσεις των στοιχείων που υπάρχουν στα SA, SATEOS1 και SATEOS6 φαίνονται στα Σχήματα 1 και 2. Τα Σχήματα 5, 6, 7 και 8 και ο Πίνακας 2. Οι σαρώσεις μέτρησης για τα SA, SATEOS1 και SATEOS6 φαίνονται στο Σχήμα 5 και οι σαρώσεις υψηλής ανάλυσης για τα C1s, O1s και Si2p φαίνονται στα Σχήματα 5, 6, 7 και 8 και στον Πίνακα 2, 6, 7 και 8 αντίστοιχα. Οι τιμές ενέργειας σύνδεσης που ελήφθησαν από το XPS συνοψίζονται στον Πίνακα 2. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 5, παρατηρήθηκαν εμφανείς κορυφές Si2s και Si2p στα SATEOS1 και SATEOS6, όπου έλαβε χώρα μικροενθυλάκωση του κελύφους SiO2. Προηγούμενοι ερευνητές έχουν αναφέρει μια παρόμοια κορυφή Si2s στα 155,1 eV54. Η παρουσία κορυφών Si στα SATEOS1 (Εικόνα 5b) και SATEOS6 (Εικόνα 5c) επιβεβαιώνει τα δεδομένα FT-IR (Εικόνα 3) και XRD (Εικόνα 4).
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6α, το C1s του SA έχει τρεις διαφορετικές κορυφές CC, καλιφατική και O=C=O στην ενέργεια σύνδεσης, οι οποίες είναι 284,5 eV, 285,2 eV και 289,5 eV, αντίστοιχα. Οι κορυφές C–C, καλιφατικές και O=C=O παρατηρήθηκαν επίσης στο SATEOS1 (Εικόνα 6b) και στο SATEOS6 (Εικόνα 6c) και συνοψίζονται στον Πίνακα 2. Επιπλέον, η κορυφή C1s αντιστοιχεί επίσης σε μια επιπλέον κορυφή Si-C στα 283,1 eV (SATEOS1) και 283,5 eV (SATEOS6). Οι παρατηρούμενες ενέργειες σύνδεσης για το C–C, καλιφατική, O=C=O και Si–C συσχετίζονται καλά με άλλες πηγές55,56.
Τα φάσματα XPS των O1SA, SATEOS1 και SATEOS6 παρουσιάζονται στα Σχήματα 7a–c, αντίστοιχα. Η κορυφή O1s του SA σε μορφή μάζας είναι αποσυνελιγμένη και έχει δύο κορυφές, συγκεκριμένα C=O/C–O (531,9 eV) και C–O–H (533,0 eV), ενώ το O1 των SATEOS1 και SATEOS6 είναι συνεπές. Υπάρχουν μόνο τρεις κορυφές: C=O/C–O, C–O–H και Si–OH55,57,58. Η ενέργεια σύνδεσης O1s στα SATEOS1 και SATEOS6 αλλάζει ελαφρώς σε σύγκριση με το SA σε μορφή μάζας, η οποία σχετίζεται με μια αλλαγή στο χημικό θραύσμα λόγω της παρουσίας SiO2 και Si-OH στο υλικό του κελύφους.
Τα φάσματα Si 2p XPS των SATEOS1 και SATEOS6 παρουσιάζονται στα Σχήματα 8a και b, αντίστοιχα. Σε χύδην CA, το Si 2p δεν παρατηρήθηκε λόγω της απουσίας SiO2. Η κορυφή Si 2p αντιστοιχεί σε 105,4 eV για το SATEOS1 και 105,0 eV για το SATEOS6, που αντιστοιχεί στο Si-O-Si, ενώ η κορυφή SATEOS1 είναι 103,5 eV και η κορυφή SATEOS6 είναι 103,3 eV, που αντιστοιχεί στο Si-OH55. Η προσαρμογή των κορυφών Si-O-Si και Si-OH στα SATEOS1 και SATEOS6 αποκάλυψε επιτυχή μικροενθυλάκωση του SiO2 στην επιφάνεια του πυρήνα SA.
Η μορφολογία του μικροενθυλακωμένου υλικού είναι πολύ σημαντική, επηρεάζοντας τη διαλυτότητα, τη σταθερότητα, τη χημική αντιδραστικότητα, τη ρευστότητα και την αντοχή59. Επομένως, η Ηλεκτρομαγνητική Μηχανική (SEM) χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό της μορφολογίας του χύδην SA (100×) και του μικροενθυλακωμένου SA (500×), όπως φαίνεται στο Σχήμα 9. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 9α, το μπλοκ SA έχει ελλειπτικό σχήμα. Το μέγεθος των σωματιδίων υπερβαίνει τα 500 μικρά. Ωστόσο, μόλις συνεχιστεί η διαδικασία μικροενθυλάκωσης, η μορφολογία αλλάζει δραματικά, όπως φαίνεται στα Σχήματα 9b–g.
Εικόνες SEM των (α) SA (×100), (β) SATEOS1, (γ) SATEOS2, (δ) SATEOS3, (ε) SATEOS4, (στ) SATEOS5 και (ζ) SATEOS6 στα ×500.
Στο δείγμα SATEOS1, παρατηρούνται μικρότερα σχεδόν σφαιρικά σωματίδια SA τυλιγμένα με SiO2 με τραχιά επιφάνεια (Εικ. 9b), τα οποία μπορεί να οφείλονται στην υδρόλυση και τον πολυμερισμό συμπύκνωσης του TEOS στην επιφάνεια του SA, επιταχύνοντας την ταχεία διάχυση των μορίων αιθανόλης. Ως αποτέλεσμα, εναποτίθενται σωματίδια SiO2 και παρατηρείται συσσωμάτωση52,60. Αυτό το κέλυφος SiO2 παρέχει μηχανική αντοχή στα μικροενθυλακωμένα σωματίδια CA και επίσης αποτρέπει τη διαρροή τηγμένου CA σε υψηλότερες θερμοκρασίες10. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι οι μικροκάψουλες SA που περιέχουν SiO2 μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πιθανά υλικά αποθήκευσης ενέργειας61. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 9b, το δείγμα SATEOS1 έχει ομοιόμορφη κατανομή σωματιδίων με ένα παχύ στρώμα SiO2 που ενθυλακώνει το SA. Το μέγεθος σωματιδίων του μικροενθυλακωμένου SA (SATEOS1) είναι περίπου 10-20 μm (Εικ. 9b), το οποίο είναι σημαντικά μικρότερο σε σύγκριση με το χύδην SA λόγω της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε SA. Το πάχος του στρώματος της μικροκάψουλας οφείλεται στην υδρόλυση και τον πολυμερισμό συμπύκνωσης του προδρόμου διαλύματος. Η συσσωμάτωση εμφανίζεται σε χαμηλότερες δόσεις SA, δηλαδή έως 15 g (Εικ. 9b-d), αλλά μόλις αυξηθεί η δοσολογία, δεν παρατηρείται συσσωμάτωση, αλλά παρατηρούνται σαφώς καθορισμένα σφαιρικά σωματίδια (Εικ. 9e-g) 62.
Επιπλέον, όταν η ποσότητα του επιφανειοδραστικού SLS είναι σταθερή, η περιεκτικότητα σε SA (SATEOS1, SATEOS2 και SATEOS3) επηρεάζει επίσης την απόδοση, το σχήμα και την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Έτσι, διαπιστώθηκε ότι το SATEOS1 παρουσιάζει μικρότερο μέγεθος σωματιδίων, ομοιόμορφη κατανομή και πυκνή επιφάνεια (Εικ. 9b), κάτι που αποδόθηκε στην υδρόφιλη φύση του SA που προάγει τη δευτερογενή πυρήνωση υπό σταθερό επιφανειοδραστικό63. Πιστεύεται ότι αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε SA από 5 σε 15 g (SATEOS1, SATEOS2 και SATEOS3) και χρησιμοποιώντας μια σταθερή ποσότητα επιφανειοδραστικού, δηλαδή 0,10 g SLS (Πίνακας 1), η συνεισφορά κάθε σωματιδίου του μορίου επιφανειοδραστικού θα μειωθεί, μειώνοντας έτσι το μέγεθος των σωματιδίων και το μέγεθος των σωματιδίων. Η κατανομή των SATEOS2 (Εικ. 9c) και SATEOS3 (Εικ. 9d) διαφέρει από την κατανομή του SATEOS 1 (Εικ. 9b).
Σε σύγκριση με το SATEOS1 (Εικ. 9b), το SATEOS2 έδειξε πυκνή μορφολογία μικροενθυλακωμένης SA και το μέγεθος των σωματιδίων αυξήθηκε (Εικ. 9c). Αυτό οφείλεται στη συσσωμάτωση 49, η οποία μειώνει τον ρυθμό πήξης (Εικ. 2b). Καθώς η ποσότητα του SC αυξάνεται με την αύξηση του SLS, οι μικροκάψουλες γίνονται σαφώς ορατές, όπως φαίνεται στο Σχήμα. Πώς συμβαίνει η συσσωμάτωση. Επιπλέον, τα Σχήματα 9e–g δείχνουν ότι όλα τα σωματίδια έχουν σαφώς σφαιρικό σχήμα και μέγεθος. Έχει αναγνωριστεί ότι παρουσία μεγάλων ποσοτήτων SA, μπορεί να ληφθεί κατάλληλη ποσότητα ολιγομερών πυριτίας, προκαλώντας κατάλληλη συμπύκνωση και ενθυλάκωση και, ως εκ τούτου, τον σχηματισμό σαφώς καθορισμένων μικροκαψουλών49. Από τα αποτελέσματα SEM, είναι σαφές ότι το SATEOS6 σχημάτισε αντίστοιχες μικροκάψουλες σε σύγκριση με μια μικρή ποσότητα SA.
Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας ακτίνων Χ με διασπορά ενέργειας (EDS) της SA σε μορφή χύδην και της SA σε μικροκάψουλες παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. Όπως φαίνεται από αυτόν τον πίνακα, η περιεκτικότητα σε Si μειώνεται σταδιακά από SATEOS1 (12,34%) σε SATEOS6 (2,68%). Αύξηση της SA. Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι η αύξηση της ποσότητας της SA οδηγεί σε μείωση της εναπόθεσης SiO2 στην επιφάνεια της SA. Δεν υπάρχουν συνεπείς τιμές για τις περιεκτικότητες σε C και O στον Πίνακα 3 λόγω της ημι-ποσοτικής ανάλυσης της EDS51. Η περιεκτικότητα σε Si της μικροενθυλακωμένης SA συσχετίστηκε με τα αποτελέσματα FT-IR, XRD και XPS.
Η συμπεριφορά τήξης και στερεοποίησης του χύδην SA καθώς και του μικροενθυλακωμένου SA με κέλυφος SiO2 παρουσιάζονται στα Σχήματα 1 και 2. Παρουσιάζονται στα Σχήματα 10 και 11 αντίστοιχα, και τα θερμικά δεδομένα παρουσιάζονται στον Πίνακα 4. Οι θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης του μικροενθυλακωμένου SA βρέθηκαν διαφορετικές. Καθώς αυξάνεται η ποσότητα του SA, οι θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης αυξάνονται και πλησιάζουν τις τιμές του χύδην SA. Μετά τη μικροενθυλάκωση του SA, το τοίχωμα πυριτίας αυξάνει τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης και το τοίχωμά του λειτουργεί ως πυρήνας για την προώθηση της ετερογένειας. Επομένως, καθώς αυξάνεται η ποσότητα του SA, οι θερμοκρασίες τήξης (Εικ. 10) και στερεοποίησης (Εικ. 11) αυξάνονται επίσης σταδιακά49,51,64. Μεταξύ όλων των δειγμάτων μικροενθυλακωμένου SA, το SATEOS6 παρουσίασε τις υψηλότερες θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης, ακολουθούμενο από τα SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 και SATEOS1.
Το SATEOS1 παρουσιάζει το χαμηλότερο σημείο τήξης (68,97 °C) και θερμοκρασία στερεοποίησης (60,60 °C), το οποίο οφείλεται στο μικρότερο μέγεθος σωματιδίων στο οποίο η κίνηση των σωματιδίων SA μέσα στις μικροκάψουλες είναι πολύ μικρή και το κέλυφος SiO2 σχηματίζει ένα παχύ στρώμα και επομένως το υλικό πυρήνα περιορίζει την έκταση και την κίνηση49. Αυτή η υπόθεση σχετίζεται με τα αποτελέσματα SEM, όπου το SATEOS1 έδειξε μικρότερο μέγεθος σωματιδίων (Εικ. 9b), το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόρια SA περιορίζονται σε μια πολύ μικρή περιοχή των μικροκαψουλών. Η διαφορά στις θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης της κύριας μάζας, καθώς και όλων των μικροκαψουλών SA με κελύφη SiO2, κυμαίνεται από 6,10–8,37 °C. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η μικροενθυλακωμένη SA μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πιθανό υλικό αποθήκευσης ενέργειας λόγω της καλής θερμικής αγωγιμότητας του κελύφους SiO2 65.
Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 4, το SATEOS6 έχει την υψηλότερη ενθαλπία μεταξύ όλων των μικροενθυλακωμένων SC (Εικ. 9g) λόγω της σωστής ενθυλάκωσης που παρατηρείται από το SEM. Ο ρυθμός συσκευασίας SA μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1). (1) Συγκρίνοντας τα δεδομένα λανθάνουσας θερμότητας του μικροενθυλακωμένου SA49.
Η τιμή R αντιπροσωπεύει τον βαθμό ενθυλάκωσης (%) του μικροενθυλακωμένου SC, το ΔHMEPCM,m αντιπροσωπεύει την λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης του μικροενθυλακωμένου SC και το ΔHPCM,m αντιπροσωπεύει την λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης του SC. Επιπλέον, η απόδοση συσκευασίας (%) υπολογίζεται ως μια άλλη σημαντική τεχνική παράμετρος, όπως φαίνεται στην Εξίσωση (1). (2)49.
Η τιμή E αντιπροσωπεύει την απόδοση ενθυλάκωσης (%) του μικροενθυλακωμένου CA, το ΔHMEPCM,s αντιπροσωπεύει την λανθάνουσα θερμότητα σκλήρυνσης του μικροενθυλακωμένου CA και το ΔHPCM,s αντιπροσωπεύει την λανθάνουσα θερμότητα σκλήρυνσης του CA.
Όπως φαίνεται στον Πίνακα 4, ο βαθμός και η απόδοση συσκευασίας του SATEOS1 είναι 71,89% και 67,68% αντίστοιχα, και ο βαθμός και η απόδοση συσκευασίας του SATEOS6 είναι 90,86% και 86,68% αντίστοιχα (Πίνακας 4). Το δείγμα SATEOS6 παρουσιάζει τον υψηλότερο συντελεστή ενθυλάκωσης και απόδοση μεταξύ όλων των μικροενθυλακωμένων SA, υποδεικνύοντας την υψηλή θερμική του ικανότητα. Επομένως, η μετάβαση από στερεό σε υγρό απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Επιπλέον, η διαφορά στις θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης όλων των μικροκαψουλών SA και του χύδην SA κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψύξης υποδεικνύει ότι το κέλυφος πυριτίου είναι χωρικά περιορισμένο κατά τη σύνθεση των μικροκαψουλών. Έτσι, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι καθώς αυξάνεται η ποσότητα του SC, ο ρυθμός και η απόδοση ενθυλάκωσης αυξάνονται σταδιακά (Πίνακας 4).
Οι καμπύλες TGA του χύδην SA και του μικροκάψουλας SA με κέλυφος SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 και SATEOS6) φαίνονται στο Σχήμα 12. Οι ιδιότητες θερμικής σταθερότητας του χύδην SA (SATEOS1, SATEOS3 και SATEOS6) συγκρίθηκαν με δείγματα σε μικροκάψουλες. Από την καμπύλη TGA είναι σαφές ότι η απώλεια βάρους του χύδην SA καθώς και του μικροκάψουλας SA δείχνει μια ομαλή και πολύ μικρή μείωση από 40°C σε 190°C. Σε αυτή τη θερμοκρασία, το χύδην SC δεν υφίσταται θερμική αποσύνθεση, ενώ το μικροκάψουλα SC απελευθερώνει προσροφημένο νερό ακόμη και μετά από ξήρανση στους 45°C για 24 ώρες. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα μικρή απώλεια βάρους,49 αλλά πέρα ​​από αυτή τη θερμοκρασία το υλικό άρχισε να αποικοδομείται. Σε χαμηλότερη περιεκτικότητα σε SA (δηλαδή SATEOS1), η περιεκτικότητα σε προσροφημένο νερό είναι υψηλότερη και επομένως η απώλεια μάζας έως τους 190°C είναι υψηλότερη (ένθετο στο Σχήμα 12). Μόλις η θερμοκρασία ανέβει πάνω από τους 190 °C, το δείγμα αρχίζει να χάνει μάζα λόγω των διεργασιών αποσύνθεσης. Το SA σε όγκο αρχίζει να αποσυντίθεται στους 190 °C και μόνο το 4% παραμένει στους 260 °C, ενώ τα SATEOS1, SATEOS3 και SATEOS6 διατηρούν 50%, 20% και 12% σε αυτή τη θερμοκρασία, αντίστοιχα. Μετά τους 300 °C, η απώλεια μάζας του SA σε όγκο ήταν περίπου 97,60%, ενώ η απώλεια μάζας των SATEOS1, SATEOS3 και SATEOS6 ήταν περίπου 54,20%, 82,40% και 90,30%, αντίστοιχα. Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε SA, η περιεκτικότητα σε SiO2 μειώνεται (Πίνακας 3) και παρατηρείται λέπτυνση του κελύφους στο SEM (Εικ. 9). Έτσι, η απώλεια βάρους του μικροενθυλακωμένου SA είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με το χύμα SA, γεγονός που εξηγείται από τις ευνοϊκές ιδιότητες του κελύφους SiO2, το οποίο προάγει τον σχηματισμό ενός ανθρακούχου πυριτικού-ανθρακούχου στρώματος στην επιφάνεια του SA, απομονώνοντας έτσι τον πυρήνα του SA και επιβραδύνοντας την απελευθέρωση των προκύπτοντων πτητικών προϊόντων10. Αυτό το στρώμα άνθρακα σχηματίζει ένα φυσικό προστατευτικό φράγμα κατά τη θερμική αποσύνθεση, περιορίζοντας τη μετάβαση των εύφλεκτων μορίων στην αέρια φάση66,67. Εκτός από αυτό, μπορούμε επίσης να δούμε σημαντικά αποτελέσματα απώλειας βάρους: Το SATEOS1 παρουσιάζει χαμηλότερες τιμές σε σύγκριση με τα SATEOS3, SATEOS6 και SA. Αυτό συμβαίνει επειδή η ποσότητα SA στο SATEOS1 είναι μικρότερη από ό,τι στα SATEOS3 και SATEOS6, όπου το κέλυφος SiO2 σχηματίζει ένα παχύ στρώμα. Αντίθετα, η συνολική απώλεια βάρους του χύμα SA φτάνει το 99,50% στους 415 °C. Ωστόσο, τα SATEOS1, SATEOS3 και SATEOS6 παρουσίασαν απώλεια βάρους 62,50%, 85,50% και 93,76% αντίστοιχα στους 415 °C. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η προσθήκη TEOS βελτιώνει την αποικοδόμηση του SA σχηματίζοντας ένα στρώμα SiO2 στην επιφάνεια του SA. Αυτά τα στρώματα μπορούν να σχηματίσουν ένα φυσικό προστατευτικό φράγμα και επομένως μπορεί να παρατηρηθεί βελτίωση στη θερμική σταθερότητα του μικροενθυλακωμένου CA.
Τα αποτελέσματα θερμικής αξιοπιστίας του χύδην SA και του καλύτερου μικροενθυλακωμένου δείγματος (δηλαδή του SATEOS 6) μετά από 30 κύκλους θέρμανσης και ψύξης του DSC51,52 φαίνονται στο Σχήμα 13. Μπορεί να φανεί ότι το χύδην SA (Σχήμα 13a) δεν παρουσιάζει καμία διαφορά στη θερμοκρασία τήξης, τη στερεοποίηση και την τιμή ενθαλπίας, ενώ το SATEOS6 (Σχήμα 13b) δεν παρουσιάζει καμία διαφορά στη θερμοκρασία και την τιμή ενθαλπίας ακόμη και μετά τον 30ό κύκλο θέρμανσης και τη διαδικασία ψύξης. Το χύδην SA έδειξε σημείο τήξης 72,10 °C, θερμοκρασία στερεοποίησης 64,69 °C, και η θερμότητα σύντηξης και στερεοποίησης μετά τον πρώτο κύκλο ήταν 201,0 J/g και 194,10 J/g, αντίστοιχα. Μετά τον 30ό κύκλο, το σημείο τήξης αυτών των τιμών μειώθηκε στους 71,24 °C, η θερμοκρασία στερεοποίησης μειώθηκε στους 63,53 °C και η τιμή ενθαλπίας μειώθηκε κατά 10%. Οι αλλαγές στις θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης, καθώς και οι μειώσεις στις τιμές ενθαλπίας, υποδεικνύουν ότι η χύδην CA είναι αναξιόπιστη για εφαρμογές που δεν περιλαμβάνουν μικροενθυλάκωση. Ωστόσο, μετά την κατάλληλη μικροενθυλάκωση (SATEOS6), οι θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης και οι τιμές ενθαλπίας δεν αλλάζουν (Εικ. 13β). Μόλις μικροενθυλακωθεί με κελύφη SiO2, η SA μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό αλλαγής φάσης σε θερμικές εφαρμογές, ειδικά στις κατασκευές, λόγω των βέλτιστων θερμοκρασιών τήξης και στερεοποίησης και της σταθερής ενθαλπίας της.
Καμπύλες DSC που ελήφθησαν για τα δείγματα SA (a) και SATEOS6 (b) στον 1ο και 30ό κύκλο θέρμανσης και ψύξης.
Σε αυτή τη μελέτη, πραγματοποιήθηκε μια συστηματική διερεύνηση της μικροενθυλάκωσης χρησιμοποιώντας SA ως υλικό πυρήνα και SiO2 ως υλικό κελύφους. Το TEOS χρησιμοποιείται ως πρόδρομος για τον σχηματισμό ενός στρώματος υποστήριξης SiO2 και ενός προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια SA. Μετά την επιτυχή σύνθεση μικροενθυλακωμένης SA, τα αποτελέσματα FT-IR, XRD, XPS, SEM και EDS έδειξαν την παρουσία SiO2. Η ανάλυση SEM δείχνει ότι το δείγμα SATEOS6 παρουσιάζει σαφώς καθορισμένα σφαιρικά σωματίδια που περιβάλλονται από κελύφη SiO2 στην επιφάνεια SA. Ωστόσο, το MEPCM με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε SA παρουσιάζει συσσωμάτωση, η οποία μειώνει την απόδοση του PCM. Η ανάλυση XPS έδειξε την παρουσία Si-O-Si και Si-OH στα δείγματα μικροκάψουλας, γεγονός που αποκάλυψε την προσρόφηση SiO2 στην επιφάνεια SA. Σύμφωνα με την ανάλυση θερμικής απόδοσης, το SATEOS6 παρουσιάζει την πιο πολλά υποσχόμενη ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας, με θερμοκρασίες τήξης και στερεοποίησης 70,37°C και 64,27°C, αντίστοιχα, και λανθάνουσα θερμότητα τήξης και στερεοποίησης 182,53 J/g και 160,12 J/g/G αντίστοιχα. Η μέγιστη απόδοση συσκευασίας του SATEOS6 είναι 86,68%. Η ανάλυση θερμικού κύκλου TGA και DSC επιβεβαίωσε ότι το SATEOS6 εξακολουθεί να έχει καλή θερμική σταθερότητα και αξιοπιστία ακόμη και μετά από 30 διαδικασίες θέρμανσης και ψύξης.
Yang T., Wang XY και Li D. Ανάλυση Απόδοσης Θερμοχημικού Συστήματος Προσρόφησης Σύνθετου Στερεού-Αερίου για Αποθήκευση Θερμικής Ενέργειας και Βελτίωση της Απόδοσής του. εφαρμογή. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. και Al-Hallaj, S. Μια ανασκόπηση της αποθήκευσης ενέργειας με αλλαγή φάσης: υλικά και εφαρμογές. Μετατροπέας ενέργειας. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS και Saini JS Απόδοση μεταφοράς θερμότητας συστημάτων αποθήκευσης θερμικής ενέργειας που χρησιμοποιούν κάψουλες PCM: ανασκόπηση. ενημέρωση. υποστήριξη. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. και Bruno, F. Ανασκόπηση Υλικών Αποθήκευσης και Τεχνολογιών Βελτίωσης Θερμικής Απόδοσης για Συστήματα Θερμικής Αποθήκευσης Αλλαγής Φάσης Υψηλής Θερμοκρασίας. ενημέρωση. υποστήριξη. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Παρασκευή και χαρακτηρισμός νανοενθυλακωμένων υλικών αλλαγής φάσης n-τετραδεκανίου θερμικής ενέργειας. Χημικός μηχανικός. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. και Li, M. Σύνθεση νέων σύνθετων υλικών με σταθερή αλλαγή φάσης χρησιμοποιώντας τροποποιημένα αερογέλες γραφενίου για μετατροπή και αποθήκευση ηλιακής ενέργειας. Sol. Ενεργειακά υλικά. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., και Fang, G. Μορφολογικός χαρακτηρισμός και εφαρμογή υλικών αλλαγής φάσης στην αποθήκευση θερμικής ενέργειας: ανασκόπηση. ενημέρωση. υποστήριξη. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).