Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы нәтижелерге қол жеткізу үшін браузеріңіздің жаңа нұсқасын пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдеусіз немесе JavaScriptсіз көрсетіп жатырмыз.
Стеарин қышқылы (SA) энергия сақтау құрылғыларында фазалық ауысу материалы (PCM) ретінде қолданылады. Бұл зерттеуде SiO2 қабықшасының беттік белсенді затын микрокапсуляциялау үшін золь-гель әдісі қолданылды. Әртүрлі мөлшердегі SA (5, 10, 15, 20, 30 және 50 г) 10 мл тетраэтилортосиликатқа (TEOS) инкапсуляцияланды. Синтезделген микрокапсуляцияланған фазалық ауысу материалы (MEPCM) Фурье түрлендіру инфрақызыл спектроскопиясы (FT-IR), рентген дифракциясы (XRD), рентген фотоэлектронды спектроскопиясы (XPS) және сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM) арқылы сипатталды. Сипаттама нәтижелері SA-ның SiO2 арқылы сәтті инкапсуляцияланғанын көрсетті. Термогравиметриялық талдау (TGA) MEPCM-нің CA-ға қарағанда термиялық тұрақтылығы жақсы екенін көрсетті. Дифференциалды сканерлеу калориметриясын (DSC) қолдану арқылы MEPCM энтальпия мәні 30 қыздыру-салқындату циклінен кейін де өзгермегені анықталды. Барлық микрокапсулаланған үлгілердің ішінде MEPCM бар 50 г SA балқу мен қатаюдың ең жоғары жасырын жылуына ие болды, олар сәйкесінше 182,53 Дж/г және 160,12 Дж/г құрады. Қаптаманың тиімділік мәні жылу деректерін пайдалану арқылы есептелді және сол үлгі үшін ең жоғары тиімділік анықталды, ол 86,68% құрады.
Құрылыс индустриясында пайдаланылатын энергияның шамамен 58%-ы ғимараттарды жылыту және салқындату үшін жұмсалады1. Сондықтан, ең қажеттісі - қоршаған ортаның ластануын ескеретін тиімді энергия жүйелерін құру2. Фазалық ауысу материалдарын (ФАТ) пайдаланатын жасырын жылу технологиясы төмен температура ауытқуларында жоғары энергияны сақтай алады3,4,5,6 және жылу беру, күн энергиясын сақтау, аэроғарыш және ауа баптау сияқты салаларда кеңінен қолданылуы мүмкін7,8,9. ФАТ күндіз ғимараттың сыртқы қабаттарынан жылу энергиясын сіңіреді және түнде энергия бөледі10. Сондықтан фазалық ауысу материалдары жылу энергиясын сақтау материалдары ретінде ұсынылады. Сонымен қатар, қатты-қатты, қатты-сұйық, сұйық-газ және қатты-газ сияқты әртүрлі ФАТ түрлері бар11. Олардың ішінде ең танымал және жиі қолданылатын фазалық ауысу материалдары - қатты-қатты фазалық ауысу материалдары және қатты-сұйық фазалық ауысу материалдары. Дегенмен, оларды қолдану сұйық-газ және қатты-газ фазалық ауысу материалдарының үлкен көлемдік өзгерістеріне байланысты өте қиын.
PCM қасиеттеріне байланысты әртүрлі қолданыстарға ие: 15°C-тан төмен температурада балқитындарды суық температураны ұстап тұру үшін ауа баптау жүйелерінде, ал 90°C-тан жоғары температурада балқитындарды өрттің алдын алу үшін жылыту жүйелерінде пайдалануға болады12. Қолданылуы мен балқу температурасының диапазонына байланысты әртүрлі органикалық және бейорганикалық химиялық заттардан әртүрлі фазалық өзгеру материалдары синтезделген13,14,15. Парафин - жоғары жасырын жылу, коррозияға төзімділік, қауіпсіздік және кең балқу температурасы диапазоны бар ең көп қолданылатын фазалық өзгеру материалы16,17,18,19,20,21.
Дегенмен, фазалық ауысу материалдарының жылу өткізгіштігі төмен болғандықтан, оларды фазалық ауысу процесінде негізгі материалдың ағып кетуіне жол бермеу үшін қабыққа (сыртқы қабатқа) орау қажет22. Сонымен қатар, пайдалану қателіктері немесе сыртқы қысым сыртқы қабатты (қаптаманы) зақымдауы мүмкін, ал балқытылған фазалық ауысу материалы құрылыс материалдарымен әрекеттесіп, ендірілген болат арматуралардың коррозиясын тудыруы мүмкін, осылайша ғимараттың қызмет ету қабілетін төмендетеді23. Сондықтан, жоғарыда аталған мәселелерді шеше алатын жеткілікті қабық материалымен орауланған фазалық ауысу материалдарын синтездеу маңызды24.
Фазалық өзгермелі материалдарды микрокапсуляциялау жылу беруді тиімді түрде арттырып, қоршаған ортаның реактивтілігін төмендетіп, көлем өзгерістерін басқара алады. PCM инкапсуляциясы үшін әртүрлі әдістер әзірленді, атап айтқанда, фазааралық полимерлеу25,26,27,28, in situ полимерлеу29,30,31,32, коацервация33,34,35 және золь-гель процестері36,37,38,39. Формальдегид шайырын микрокапсуляциялау үшін пайдалануға болады40,41,42,43. Меламин-формальдегид және мочевина-формальдегид шайырлары қабық материалдары ретінде қолданылады, олар жұмыс кезінде көбінесе улы формальдегид бөледі. Сондықтан бұл материалдарды қаптау процестерінде пайдалануға тыйым салынады. Дегенмен, масштабталатын жылу энергиясын сақтауға арналған экологиялық таза фазалық өзгермелі материалдарды май қышқылдары мен лигнинге негізделген гибридті нанокапсулаларды пайдаланып синтездеуге болады 44.
Чжан және т.б. 45 және т.б. тетраэтилортосиликаттан лаурин қышқылын синтездеп, метилтриэтоксисиланның тетраэтилортосиликатқа көлемдік қатынасы артқан сайын жасырын жылу төмендейді және беттік гидрофобтық артады деген қорытындыға келді. Лаурин қышқылы капок талшықтары үшін әлеуетті және тиімді негізгі материал болуы мүмкін46. Сонымен қатар, Латибари және т.б. 47 TiO2 қабық материалы ретінде пайдаланып, стеарин қышқылына негізделген PCM синтездеді. Чжу және т.б. n-октадекан және силикон нанокапсулаларын әлеуетті PCM ретінде дайындады48. Әдебиеттерге шолудан тиімді және тұрақты микрокапсулаланған фазалық өзгеру материалдарын қалыптастыру үшін ұсынылған дозаны түсіну қиын.
Сондықтан, авторлардың білуінше, микрокапсуляция үшін қолданылатын фазалық өзгеріс материалының мөлшері тиімді және тұрақты микрокапсуляцияланған фазалық өзгеріс материалдарын өндіру үшін маңызды параметр болып табылады. Фазалық өзгеріс материалдарының әртүрлі мөлшерін пайдалану микрокапсуляцияланған фазалық өзгеріс материалдарының әртүрлі қасиеттері мен тұрақтылығын анықтауға мүмкіндік береді. Стеарин қышқылы (май қышқылы) - экологиялық таза, медициналық тұрғыдан маңызды және үнемді зат, ол жылу энергиясын сақтау үшін пайдаланылуы мүмкін, себебі оның энтальпия мәні жоғары (~200 Дж/г) және 72 °C дейінгі температураға төтеп бере алады. Сонымен қатар, SiO2 жанбайды, жоғары механикалық беріктік, жылу өткізгіштік және негізгі материалдарға жақсы химиялық төзімділік береді және құрылыста пуццолан материалы ретінде әрекет етеді. Цемент сумен араласқан кезде, нашар инкапсуляцияланған PCM механикалық тозу мен массивтік бетон конструкцияларында пайда болатын жоғары температураға (гидратация жылуына) байланысты жарылып кетуі мүмкін. Сондықтан, SiO2 қабығы бар микрокапсуляцияланған CA қолдану бұл мәселені шеше алады. Сондықтан, бұл зерттеудің мақсаты құрылыс қолданбаларында золь-гель процесі арқылы синтезделген ПХМ-дердің өнімділігі мен тиімділігін зерттеу болды. Бұл жұмыста біз SiO2 қабықшаларына капсулаланған 5, 10, 15, 20, 30 және 50 г SA (негізгі материал ретінде) әртүрлі мөлшерін жүйелі түрде зерттедік. SiO2 қабығын қалыптастыру үшін 10 мл көлемдегі тетраэтилортосиликаттың (TEOS) белгіленген мөлшері пайдаланылды.
Негізгі материал ретінде реактивті стеарин қышқылы (SA, C18H36O2, балқу температурасы: 72°C) Оңтүстік Кореяның Кёнгидо қаласындағы Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. компаниясынан сатып алынды. Алдын ала ерітінді ретінде тетраэтилортосиликат (TEOS, C8H20O4Si) Бельгияның Гил қаласындағы Acros Organics компаниясынан сатып алынды. Сонымен қатар, Оңтүстік Кореяның Кёнгидо қаласындағы Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. компаниясынан абсолютті этанол (EA, C2H5OH) және натрий лаурилсульфаты (SLS, C12H25NaO4S) сатып алынды және тиісінше еріткіштер және беттік белсенді заттар ретінде пайдаланылды. Дистилденген су да еріткіш ретінде қолданылады.
Әртүрлі мөлшердегі SA 100 мл дистилденген суда 800 айн/мин және 75 °C температурада магнитті араластырғышты пайдаланып, әртүрлі пропорциядағы натрий лаурилсульфатымен (SLS) 1 сағат бойы араластырылды (1-кесте). SA эмульсиялары екі топқа бөлінді: (1) 5, 10 және 15 г SA 100 мл дистилденген суда (SATEOS1, SATEOS2 және SATEOS3) 0,10 г SLS-пен араластырылды, (2) 20, 30 және 50 г SA 0,15, 0,20 және 0,25 г SLS-пен 100 мл дистилденген сумен (SATEOS4, SATEOS5 және SATEOS6) араластырылды. Тиісті эмульсияларды қалыптастыру үшін 0,10 г SLS 5, 10 және 15 г SA-мен бірге қолданылды. Кейіннен SATEOS4, SATEOS5 және SATEOS6 үшін SLS санын көбейту ұсынылды. 1-кестеде тұрақты эмульсиялық ерітінділерді алу үшін қолданылатын CA және SLS қатынасы көрсетілген.
100 мл стаканға 10 мл TEOS, 10 мл этанол (EA) және 20 мл дистилденген су салыңыз. SA және SiO2 қабықтарының әртүрлі қатынасының инкапсуляция тиімділігін зерттеу үшін барлық үлгілердің синтез коэффициенті жазылды. Қоспа магнитті араластырғышпен 400 айн/мин және 60°C жылдамдықпен 1 ​​сағат бойы араластырылды. Содан кейін прекурсорлық ерітінді дайындалған SA эмульсиясына тамшылатып қосылды, 800 айн/мин және 75°C жылдамдықпен 2 сағат бойы қарқынды араластырылды және ақ ұнтақ алынғанша сүзілді. Ақ ұнтақ қалдық SA-ны кетіру үшін дистилденген сумен жуылып, 45°C температурада вакуумдық пеште 24 сағат бойы кептірілді. Нәтижесінде SiO2 қабығы бар микрокапсулаланған SC алынды. Микрокапсулаланған SA синтезі мен дайындаудың бүкіл процесі 1-суретте көрсетілген.
SiO2 қабығы бар SA микрокапсулалары золь-гель әдісімен дайындалды, және олардың инкапсуляция механизмі 2-суретте көрсетілген. Бірінші қадам беттік белсенді зат ретінде SLS қосылған сулы ерітіндіде SA эмульсиясын дайындауды қамтиды. Бұл жағдайда SA молекуласының гидрофобты ұшы SLS-пен, ал гидрофильді ұшы су молекулаларымен байланысып, тұрақты эмульсия түзеді. Осылайша, SLS гидрофобты бөліктері қорғалады және SA тамшысының бетін жабады. Екінші жағынан, TEOS ерітінділерінің гидролизі су молекулаларымен баяу жүреді, бұл этанолдың қатысуымен гидролизденген TEOS-тың пайда болуына әкеледі (2a-сурет) 49,50,51. Гидролизденген TEOS конденсация реакциясына ұшырайды, оның барысында n-гидролизденген TEOS кремний диоксиді кластерлерін түзеді (2b-сурет). Кремний диоксиді кластерлері SLS қатысуымен SA52 арқылы инкапсуляцияланды (2c-сурет), бұл микрокапсуляция процесі деп аталады.
SiO2 қабығы бар CA микрокапсуляциясының схемалық диаграммасы (а) TEOS гидролизі (б) гидролизаттың конденсациясы және (в) SiO2 қабығы бар CA инкапсуляциясы.
Көлемді SA және микрокапсулаланған SA химиялық талдауы Фурье түрлендіруші инфрақызыл спектрометрін (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, АҚШ) қолдану арқылы жүргізілді және спектрлер 500-ден 4000 см-1-ге дейінгі диапазонда жазылды.
SA фазаларының көлемдік массасын және микрокапсула материалдарын талдау үшін рентгендік дифрактометр (XRD, D/MAX-2500, Ригаку, Жапония) пайдаланылды. Рентгендік құрылымдық сканерлеу 2θ = 5°–95° диапазонында, 4°/мин сканерлеу жылдамдығымен, 25 кВ және 100 мА жұмыс жағдайларында, үздіксіз сканерлеу режимінде, Cu-Kα сәулеленуін (λ = 1,541 Å) қолдана отырып жүргізілді. Рентгендік кескіндер 2θ = 5–50° диапазонында жасалды, себебі барлық үлгілерде 50°-тан кейін шың байқалмады.
Көлемді SA химиялық күйін, сондай-ақ инкапсуляция материалындағы элементтерді түсіну үшін рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS, Scienta Omicron R3000, АҚШ) рентген көзі ретінде Al Kα (1486,6 эВ) көмегімен жүргізілді. Жиналған XPS спектрлері экзотикалық көміртекті (байланыстыру энергиясы 284,6 эВ) пайдаланып C 1s шыңына дейін калибрленді. Ширли әдісін қолданып фондық түзетуден кейін әрбір элементтің жоғары ажыратымдылықтағы шыңдары деконволюцияланды және CASA XPS бағдарламалық жасақтамасын пайдаланып Гаусс/Лоренц функцияларына сәйкестендірілді.
Көлемді СК және микрокапсулаланған СК морфологиясы 15 кВ кернеудегі энергияны дисперсиялық рентгендік спектроскопиямен (ЭДС) жабдықталған сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM, MIRA3, TESCAN, Брно, Чехия) арқылы зерттелді. ЭДС бейнелеу алдында зарядтау әсерлерін болдырмау үшін үлгілер платинамен (Pt) қапталды.
Термиялық қасиеттер (балқу/қатайту температурасы және жасырын жылу) және сенімділік (термиялық цикл) дифференциалды сканерлеу калориметриясы (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Ньюкасл, АҚШ) арқылы 40°C және 90°C температурада 10°C/мин қыздыру/салқындату жылдамдығымен үздіксіз азотты тазарту арқылы анықталды. Салмақ жоғалтуды талдау TGA анализаторын (TA Instrument, Discovery TGA, Ньюкасл, АҚШ) пайдаланып, 40-600°C температурада басталатын, 10°C/мин қыздыру жылдамдығымен үздіксіз азот ағынында жүргізілді.
3-суретте көлемді SC, сондай-ақ микрокапсуляцияланған SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 және SATEOS6) FTIR спектрлері көрсетілген. Барлық үлгілердегі (SA, сондай-ақ микрокапсуляцияланған SA) 2910 см-1 және 2850 см-1 жұтылу шыңдары сәйкесінше –CH3 және –CH2 топтарының симметриялы созылу тербелістеріне жатқызылады10,50. 1705 см-1 шыңы C=O байланысының тербелмелі созылуына сәйкес келеді. 1470 см-1 және 1295 см-1 шыңдары –OH функционалды тобының жазықтықтағы иілу тербелісіне жатқызылады, ал 940 см-1 және 719 см-1 шыңдары сәйкесінше жазықтықтағы діріл мен -жазықтық деформация тербелісіне сәйкес келеді. -жазықтық деформация тербелісіне сәйкес келеді – OH тобы. Барлық микрокапсулаланған SA-да 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 және 719 см-1-дегі SA сіңіру шыңдары да байқалды. Сонымен қатар, SA микрокапсуласында Si-O-Si жолағының антисимметриялық созылу тербелісіне сәйкес келетін 1103 см-1-дегі жаңадан ашылған шың байқалды. FT-IR нәтижелері Юань және т.б. 50 нәтижелерімен сәйкес келеді. Олар микрокапсулаланған SA-ны аммиак/этанол қатынасында сәтті дайындады және SA мен SiO2 арасында химиялық өзара әрекеттесу болмағанын анықтады. Ағымдағы FT-IR зерттеуінің нәтижелері SiO2 қабығының SA (ядросын) конденсация процесі және гидролизденген TEOS полимерленуі арқылы сәтті капсулалағанын көрсетеді. SA құрамы төмен болған кезде Si-O-Si жолағының шың қарқындылығы жоғарырақ болады (3b-d сурет). SA мөлшері 15 г-нан асқан сайын, шыңның қарқындылығы және Si-O-Si жолағының кеңеюі біртіндеп төмендейді, бұл SA бетінде SiO2 жұқа қабатының пайда болғанын көрсетеді.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 және (g) SATEOS6 FTIR спектрлері.
Көлемді SA және микрокапсуляцияланған SA рентгендік дифракция үлгілері 4-суретте көрсетілген. XRD шыңдары JCPDS № 0381923, 02 сәйкес 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}), барлық үлгілерде (311), 24,04° (602) және 39,98° (913) SA-ға жатқызылған. Беттік белсенді зат (SLS), басқа қалдық заттар және SiO250 микрокапсуляциясы сияқты белгісіз факторларға байланысты көлемді CA-мен бұрмалану және будандастыру. Капсуляция орын алғаннан кейін негізгі шыңдардың (300), (500), (311) және (602) қарқындылығы көлемді CA-мен салыстырғанда біртіндеп төмендейді, бұл үлгінің кристалдылығының төмендегенін көрсетеді.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 және (g) SATEOS6 рентгендік дифракциялық үлгілері.
SATEOS1 қарқындылығы басқа үлгілермен салыстырғанда күрт төмендейді. Барлық микрокапсулаланған үлгілерде басқа шыңдар байқалмады (4b–g сурет), бұл SA бетінде химиялық өзара әрекеттесу емес, SiO252 физикалық адсорбциясы жүретінін растайды. Сонымен қатар, SA микрокапсуляциясы жаңа құрылымдардың пайда болуына әкелмегені туралы қорытынды жасалды. SiO2 SA бетінде ешқандай химиялық реакциясыз сақталады және SA мөлшері азайған сайын, бар шыңдар айқынырақ болады (SATEOS1). Бұл нәтиже SiO2 негізінен SA бетін капсулалайтынын көрсетеді. (700) нүктесіндегі шың толығымен жоғалады, ал \((\overline{5}02)\) нүктесіндегі шың SATEOS 1-де төбешікке айналады (4b сурет), бұл кристалдылықтың төмендеуімен және аморфизмнің жоғарылауымен байланысты. SiO2 табиғаты бойынша аморфты, сондықтан 2θ = 19°-тан 25°-қа дейін байқалатын шыңдар өркешті және кеңейеді53 (4b–g сурет), бұл аморфты SiO252 бар екенін растайды. Микрокапсуляцияланған SA дифракциялық шыңының қарқындылығының төмендеуі кремний диоксидінің ішкі қабырғасының ядролану әсеріне және кристалданудың шектеуші мінез-құлқына байланысты49. SA құрамы төмен болған кезде, SA сыртқы бетінде негізінен адсорбцияланатын көп мөлшердегі TEOS болуына байланысты қалың кремний диоксиді қабығы пайда болады деп есептеледі. Дегенмен, SA мөлшері артқан сайын эмульсия ерітіндісіндегі SA тамшыларының беткі ауданы артады және дұрыс капсуляциялау үшін көбірек TEOS қажет. Сондықтан, SA құрамы жоғары болған кезде, FT-IR-дегі SiO2 шыңы басылады (3-сурет), ал XRF-те 2θ = 19–25°-қа жақын дифракциялық шыңның қарқындылығы төмендейді (4-сурет) және кеңею де азаяды. Көрінбейді. Дегенмен, 4-суретте көрсетілгендей, SA мөлшері 5 г-нан (SATEOS1) 50 г-ға (SATEOS6) дейін артқаннан кейін, шыңдар көлемдік SA-ға өте жақын болады және (700) шыңы анықталған барлық шың қарқындылығымен пайда болады. Бұл нәтиже FT-IR нәтижелерімен өзара байланысты, мұнда SiO2 SATEOS6 шыңының қарқындылығы 1103 см-1-де төмендейді (3g-сурет).
SA, SATEOS1 және SATEOS6 құрамындағы элементтердің химиялық күйлері 1 және 2 суреттерде көрсетілген. 5, 6, 7 және 8 суреттер және 2-кесте. SA, SATEOS1 және SATEOS6 көлемдік өлшем сканерлеулері 5-суретте, ал C 1s, O 1s және Si 2p үшін жоғары ажыратымдылықтағы сканерлеулер сәйкесінше 5, 6, 7 және 8 суреттерде және 2, 6, 7 және 8 кестелерде көрсетілген. XPS арқылы алынған байланыс энергиясының мәндері 2-кестеде қорытындыланған. 5-суреттен көрініп тұрғандай, SiO2 қабығының микрокапсуляциясы орын алған SATEOS1 және SATEOS6-да айқын Si 2s және Si 2p шыңдары байқалды. Бұрынғы зерттеушілер 155,1 eV54 кезіндегі ұқсас Si 2s шыңын хабарлаған. SATEOS1 (5b-сурет) және SATEOS6 (5c-сурет) құрамында Si шыңдарының болуы FT-IR (3-сурет) және XRD (4-сурет) деректерін растайды.
6а-суретте көрсетілгендей, көлемді SA-ның C 1s байланыс энергиясында CC, халифаттық және O=C=O үш түрлі шыңына ие, олар сәйкесінше 284,5 эВ, 285,2 эВ және 289,5 эВ құрайды. C–C, халифаттық және O=C=O шыңдары SATEOS1 (6b-сурет) және SATEOS6 (6c-сурет) жүйелерінде де байқалды және 2-кестеде қорытындыланған. Бұған қоса, C 1s шыңы 283,1 эВ (SATEOS1) және 283,5 эВ (SATEOS6) жүйелеріндегі қосымша Si-C шыңына сәйкес келеді. C–C, халифаттық, O=C=O және Si–C үшін байқалған байланыс энергиялары басқа көздермен жақсы корреляцияланады55,56.
O1 SA, SATEOS1 және SATEOS6 XPS спектрлері сәйкесінше 7a–c суреттерінде көрсетілген. Көлемдік SA-ның O1s шыңы деконволюцияланған және екі шыңы бар, атап айтқанда C=O/C–O (531,9 эВ) және C–O–H (533,0 эВ), ал SATEOS1 және SATEOS6-ның O1 шыңы біркелкі. тек үш шың бар: C=O/C–O, C–O–H және Si–OH55,57,58. SATEOS1 және SATEOS6-дағы O1s байланыс энергиясы көлемдік SA-мен салыстырғанда аздап өзгереді, бұл қабық материалында SiO2 және Si-OH болуына байланысты химиялық фрагменттің өзгеруімен байланысты.
SATEOS1 және SATEOS6-ның Si 2p XPS спектрлері сәйкесінше 8a және b суреттерінде көрсетілген. Көлемді CA-да SiO2 болмауына байланысты Si 2p байқалмады. Si 2p шыңы SATEOS1 үшін 105,4 эВ және SATEOS6 үшін 105,0 эВ сәйкес келеді, бұл Si-O-Si-ге сәйкес келеді, ал SATEOS1 шыңы 103,5 эВ және SATEOS6 шыңы 103,3 эВ, бұл Si-OH55-ке сәйкес келеді. SATEOS1 және SATEOS6-дағы Si-O-Si және Si-OH шыңдарының сәйкес келуі SA өзегінің бетінде SiO2-нің сәтті микрокапсуляциясын көрсетті.
Микрокапсуляцияланған материалдың морфологиясы өте маңызды, ол ерігіштігіне, тұрақтылығына, химиялық реактивтілігіне, ағындылығына және беріктігіне әсер етеді59. Сондықтан, 9-суретте көрсетілгендей, көлемді SA (100×) және микрокапсуляцияланған SA (500×) морфологиясын сипаттау үшін SEM қолданылды. 9a-суреттен көрініп тұрғандай, SA блогы эллипс пішініне ие. Бөлшектердің өлшемі 500 микроннан асады. Дегенмен, микрокапсуляция процесі жалғасқаннан кейін, 9b–g суреттерінде көрсетілгендей, морфология күрт өзгереді.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 және (g) SATEOS6-ның ×500 нүктесіндегі SEM кескіндері.
SATEOS1 үлгісінде кедір-бұдыр беті бар кішірек квазисфералық SiO2 оралған SA бөлшектері байқалады (9b-сурет), бұл TEOS-тың SA бетінде гидролизі мен конденсациялық полимерленуіне байланысты болуы мүмкін, бұл этанол молекулаларының тез диффузиясын жеделдетеді. Нәтижесінде SiO2 бөлшектері тұндырылып, агломерация байқалады52,60. Бұл SiO2 қабығы микрокапсулаланған CA бөлшектеріне механикалық беріктік береді, сондай-ақ балқытылған CA-ның жоғары температурада ағып кетуіне жол бермейді10. Бұл нәтиже SiO2 бар SA микрокапсулаларын потенциалды энергия сақтау материалдары ретінде пайдалануға болатынын көрсетеді61. 9b-суреттен көріп отырғанымыздай, SATEOS1 үлгісінде қалың SiO2 қабаты SA-ны қаптайтын біркелкі бөлшектер таралуы бар. Микрокапсулаланған SA (SATEOS1) бөлшектерінің өлшемі шамамен 10-20 мкм (9b-сурет), бұл SA құрамының төмендігіне байланысты көлемді SA-мен салыстырғанда айтарлықтай аз. Микрокапсула қабатының қалыңдығы прекурсор ерітіндісінің гидролизі мен конденсациялық полимерленуіне байланысты. Агломерация SA төмен дозаларында, яғни 15 г дейін жүреді (9b-d сурет), бірақ дозасы арттырылған бойда агломерация байқалмайды, бірақ айқын анықталған сфералық бөлшектер байқалады (9e-g сурет) 62.
Сонымен қатар, SLS беттік-белсенді затының мөлшері тұрақты болған кезде, SA мөлшері (SATEOS1, SATEOS2 және SATEOS3) тиімділікке, пішінге және бөлшектердің мөлшеріне де әсер етеді. Осылайша, SATEOS1 бөлшектердің мөлшерін кішірек, біркелкі таралуды және тығыз бетті көрсететіні анықталды (9b-сурет), бұл SA гидрофильді сипатына байланысты, бұл тұрақты беттік-белсенді зат63 жағдайында екінші реттік ядролануды күшейтеді. SA мөлшерін 5-тен 15 г-ға дейін арттыру (SATEOS1, SATEOS2 және SATEOS3) және беттік-белсенді заттың тұрақты мөлшерін, яғни 0,10 г SLS (1-кесте) қолдану арқылы беттік-белсенді зат молекуласының әрбір бөлшегінің үлесі азаяды, осылайша бөлшектердің мөлшері мен бөлшектердің өлшемі азаяды деп есептеледі. SATEOS2 (9c-сурет) және SATEOS3 (9d-сурет) таралуы SATEOS 1 таралуынан ерекшеленеді (9b-сурет).
SATEOS1-мен салыстырғанда (9b-сурет), SATEOS2 микрокапсулаланған SA тығыз морфологиясын көрсетті және бөлшектердің мөлшері ұлғайды (9c-сурет). Бұл коагуляция жылдамдығын төмендететін агломерация 49-ға байланысты (2b-сурет). SLS жоғарылауымен SC мөлшері артқан сайын, микрокапсулалардың агрегация қалай жүретіні суретте көрсетілгендей айқын көрінеді. Сонымен қатар, 9e–g суреттерінде барлық бөлшектердің пішіні мен өлшемі бойынша айқын сфералық екені көрсетілген. SA көп мөлшерде болған кезде тиісті мөлшерде кремний диоксиді олигомерлерін алуға болатыны, бұл тиісті конденсация мен инкапсуляцияны тудыратыны және осылайша жақсы анықталған микрокапсулалардың түзілуіне әкелетіні анықталды49. SEM нәтижелерінен SATEOS6 аз мөлшердегі SA-мен салыстырғанда сәйкес микрокапсулаларды түзгені анық.
Көлемді SA және микрокапсула SA энергия дисперсиялық рентген спектроскопиясының (ЭДС) нәтижелері 3-кестеде келтірілген. Осы кестеден көріп отырғанымыздай, Si мөлшері SATEOS1-ден (12,34%) SATEOS6-ға (2,68%) дейін біртіндеп төмендейді. SA мөлшерінің артуы. Сондықтан, SA мөлшерінің артуы SA бетінде SiO2 тұнуының азаюына әкеледі деп айта аламыз. EDS51 жартылай сандық талдауына байланысты 3-кестеде C және O мөлшері үшін біркелкі мәндер жоқ. Микрокапсулаланған SA-ның Si мөлшері FT-IR, XRD және XPS нәтижелерімен корреляцияланды.
Көлемді SA-ның, сондай-ақ SiO2 қабығы бар микрокапсуляцияланған SA-ның балқу және қатаю мінез-құлқы 1 және 2-суреттерде көрсетілген. Олар сәйкесінше 10 және 11-суреттерде көрсетілген, ал термиялық деректер 4-кестеде көрсетілген. Микрокапсуляцияланған SA-ның балқу және қатаю температуралары әртүрлі екені анықталды. SA мөлшері артқан сайын балқу және қатаю температуралары артады және көлемді SA мәндеріне жақындайды. SA микрокапсуляциясынан кейін кремний диоксиді қабырғасы кристалдану температурасын арттырады, ал оның қабырғасы гетерогенділікті арттыру үшін өзек ретінде әрекет етеді. Сондықтан, SA мөлшері артқан сайын балқу (10-сурет) және қатаю (11-сурет) температуралары да біртіндеп артады49,51,64. Барлық микрокапсуляцияланған SA үлгілерінің ішінде SATEOS6 ең жоғары балқу және қатаю температураларын көрсетті, одан кейін SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 және SATEOS1 келеді.
SATEOS1 ең төменгі балқу температурасын (68,97 °C) және қатаю температурасын (60,60 °C) көрсетеді, бұл микрокапсулалардың ішіндегі SA бөлшектерінің қозғалысы өте аз болатын және SiO2 қабығы қалың қабат түзетін бөлшектердің кішірек өлшеміне байланысты және сондықтан негізгі материал созылу мен қозғалысты шектейді49. Бұл гипотеза SEM нәтижелерімен байланысты, мұнда SATEOS1 бөлшектердің кішірек өлшемін көрсетті (9b-сурет), бұл SA молекулаларының микрокапсулалардың өте кішкентай аймағында орналасқандығына байланысты. Негізгі массаның, сондай-ақ SiO2 қабықшалары бар барлық SA микрокапсулаларының балқу және қатаю температураларындағы айырмашылық 6,10–8,37 °C аралығында. Бұл нәтиже SiO2 қабығының жақсы жылу өткізгіштігіне байланысты микрокапсулаланған SA әлеуетті энергия сақтау материалы ретінде пайдаланылуы мүмкін екенін көрсетеді 65.
4-кестеден көрініп тұрғандай, SATEOS6 барлық микрокапсуляцияланған SC-лер арасында ең жоғары энтальпияға ие (9g-сурет), бұл SEM арқылы байқалатын дұрыс инкапсуляцияға байланысты. SA орау жылдамдығын (1) теңдеуін пайдаланып есептеуге болады. (1) Микрокапсуляцияланған SA49 жасырын жылу деректерін салыстыру арқылы.
R мәні микрокапсуляцияланған SC инкапсуляция дәрежесін (%), ΔHMEPCM,m микрокапсуляцияланған SC балқуының жасырын жылуын, ал ΔHPCM,m SC балқуының жасырын жылуын білдіреді. Сонымен қатар, (1) теңдеуінде көрсетілгендей, қаптама тиімділігі (%) тағы бір маңызды техникалық параметр ретінде есептеледі. (2)49.
E мәні микрокапсуляцияланған КА инкапсуляция тиімділігін (%), ΔHMEPCM,s микрокапсуляцияланған КА-ның жасырын қатаю жылуын, ал ΔHPCM,s КА-ның жасырын қатаю жылуын білдіреді.
4-кестеде көрсетілгендей, SATEOS1 орау дәрежесі мен тиімділігі сәйкесінше 71,89% және 67,68% құрайды, ал SATEOS6 орау дәрежесі мен тиімділігі сәйкесінше 90,86% және 86,68% құрайды (4-кесте). SATEOS6 үлгісі барлық микрокапсулаланған SA арасында ең жоғары инкапсуляция коэффициенті мен тиімділігін көрсетеді, бұл оның жоғары жылу сыйымдылығын көрсетеді. Сондықтан қатты күйден сұйық күйге өту үшін көп мөлшерде энергия қажет. Сонымен қатар, салқындату процесінде барлық SA микрокапсулалары мен көлемді SA балқу және қатаю температураларының айырмашылығы микрокапсула синтезі кезінде кремний диоксиді қабығының кеңістікте шектелгенін көрсетеді. Осылайша, нәтижелер SC мөлшері артқан сайын, инкапсуляция жылдамдығы мен тиімділігі біртіндеп артатынын көрсетеді (4-кесте).
SiO2 қабығы бар көлемді SA және микрокапсула SA (SATEOS1, SATEOS3 және SATEOS6) TGA қисықтары 12-суретте көрсетілген. Көлемді SA (SATEOS1, SATEOS3 және SATEOS6) термиялық тұрақтылық қасиеттері микрокапсулаланған үлгілермен салыстырылды. TGA қисығынан көлемді SA, сондай-ақ микрокапсулаланған SA салмақ жоғалтуы 40°C-тан 190°C-қа дейін тегіс және өте аз төмендейтіні анық. Бұл температурада көлемді SC термиялық ыдырауға ұшырамайды, ал микрокапсулаланған SC 45°C температурада 24 сағат кептіргеннен кейін де адсорбцияланған суды бөліп шығарады. Бұл салмақтың аздап жоғалуына әкелді,49 бірақ бұл температурадан жоғары материал ыдырай бастады. SA құрамы төмен болғанда (яғни SATEOS1), адсорбцияланған су мөлшері жоғары болады, сондықтан 190°C-қа дейінгі масса жоғалту жоғары болады (12-суретте көрсетілген). Температура 190 °C-тан жоғары көтерілген бойда, ыдырау процестеріне байланысты үлгі массасын жоғалта бастайды. Көлемдік SA 190 °C-та ыдырай бастайды және 260 °C-та тек 4% қалады, ал SATEOS1, SATEOS3 және SATEOS6 осы температурада сәйкесінше 50%, 20% және 12% сақтайды. 300 °C-тан кейін көлемдік SA массасының жоғалуы шамамен 97,60% болды, ал SATEOS1, SATEOS3 және SATEOS6 массасының жоғалуы сәйкесінше шамамен 54,20%, 82,40% және 90,30% болды. SA құрамының артуымен SiO2 құрамы азаяды (3-кесте) және SEM-де қабықтың жұқаруы байқалады (9-сурет). Осылайша, микрокапсулаланған SA-ның салмақ жоғалтуы көлемді SA-мен салыстырғанда төмен, бұл SiO2 қабығының қолайлы қасиеттерімен түсіндіріледі, ол SA бетінде көміртекті силикат-көміртекті қабаттың пайда болуына ықпал етеді, осылайша SA өзегін оқшаулайды және нәтижесінде пайда болған ұшқыш өнімдердің бөлінуін баяулатады10. Бұл көмір қабаты термиялық ыдырау кезінде физикалық қорғаныс тосқауылын құрайды, тұтанғыш молекулалардың газ фазасына өтуін шектейді66,67. Бұған қоса, салмақ жоғалтудың айтарлықтай нәтижелерін де көруге болады: SATEOS1 SATEOS3, SATEOS6 және SA-мен салыстырғанда төмен мәндерді көрсетеді. Себебі SATEOS1-дегі SA мөлшері SiO2 қабығы қалың қабат түзетін SATEOS3 және SATEOS6-ға қарағанда аз. Керісінше, көлемді SA-ның жалпы салмақ жоғалтуы 415 °C температурада 99,50%-ға жетеді. Дегенмен, SATEOS1, SATEOS3 және SATEOS6 415 °C температурада тиісінше 62,50%, 85,50% және 93,76% салмақ жоғалтуды көрсетті. Бұл нәтиже TEOS қосу SA бетінде SiO2 қабатын қалыптастыру арқылы SA ыдырауын жақсартатынын көрсетеді. Бұл қабаттар физикалық қорғаныс тосқауылын құра алады, сондықтан микрокапсулаланған CA термиялық тұрақтылығының жақсарғанын байқауға болады.
DSC51,52 30 қыздыру және салқындату циклінен кейінгі көлемді SA және ең жақсы микрокапсулаланған үлгінің (яғни SATEOS 6) термиялық сенімділік нәтижелері 13-суретте көрсетілген. Көлемді SA (13a-сурет) балқу температурасында, қатаюында және энтальпия мәнінде ешқандай айырмашылық көрсетпейтінін, ал SATEOS6 (13b-сурет) 30-шы қыздыру циклінен кейін де температура мен энтальпия мәнінде және салқындату процесінде ешқандай айырмашылық көрсетпейтінін көруге болады. Көлемді SA балқу температурасы 72,10 °C, қатаю температурасы 64,69 °C, ал бірінші циклден кейінгі балқу мен қатаю жылуы сәйкесінше 201,0 Дж/г және 194,10 Дж/г болды. 30-шы циклден кейін бұл мәндердің балқу температурасы 71,24 °C дейін төмендеді, қатаю температурасы 63,53 °C дейін төмендеді, ал энтальпия мәні 10%-ға төмендеді. Балқу және қатаю температураларының өзгеруі, сондай-ақ энтальпия мәндерінің төмендеуі көлемді CA микрокапсуляцияланбаған қолданбалар үшін сенімсіз екенін көрсетеді. Дегенмен, тиісті микрокапсуляция орын алғаннан кейін (SATEOS6), балқу және қатаю температуралары мен энтальпия мәндері өзгермейді (13b-сурет). SiO2 қабықшаларымен микрокапсуляцияланғаннан кейін, SA оңтайлы балқу және қатаю температуралары мен тұрақты энтальпиясына байланысты термиялық қолданбаларда, әсіресе құрылыста фазалық өзгеріс материалы ретінде пайдаланылуы мүмкін.
1-ші және 30-шы қыздыру және салқындату циклдарында SA (a) және SATEOS6 (b) үлгілері үшін алынған DSC қисықтары.
Бұл зерттеуде SA негізгі материал ретінде және SiO2 қабық материалы ретінде пайдаланылып, микрокапсуляцияны жүйелі зерттеу жүргізілді. TEOS SA бетінде SiO2 тірек қабатын және қорғаныс қабатын қалыптастыру үшін прекурсор ретінде қолданылады. Микрокапсуляцияланған SA, FT-IR, XRD, XPS, SEM және EDS нәтижелерін сәтті синтездегеннен кейін SiO2 бар екенін көрсетті. SEM талдауы SATEOS6 үлгісінде SA бетінде SiO2 қабықшаларымен қоршалған жақсы анықталған сфералық бөлшектер бар екенін көрсетеді. Дегенмен, SA құрамы төмен MEPCM агломерацияны көрсетеді, бұл PCM өнімділігін төмендетеді. XPS талдауы микрокапсула үлгілерінде Si-O-Si және Si-OH бар екенін көрсетті, бұл SiO2 SA бетінде адсорбцияланғанын анықтады. Термиялық өнімділік талдауына сәйкес, SATEOS6 ең перспективалы жылу сақтау қабілетін көрсетеді, балқу және қатаю температуралары сәйкесінше 70,37°C және 64,27°C, ал балқу мен қатаюдың жасырын жылуы сәйкесінше 182,53 Дж/г және 160,12 Дж/г Г. құрайды. SATEOS6-ның максималды қаптама тиімділігі 86,68% құрайды. TGA және DSC жылу циклін талдау SATEOS6-ның 30 қыздыру және салқындату процесінен кейін де жақсы жылу тұрақтылығы мен сенімділігіне ие екенін растады.
Ян Т., Ван XY және Ли Д. Жылу энергиясын сақтауға арналған термохимиялық қатты газды композиттік адсорбциялық жүйенің өнімділігін талдау және оның тиімділігін арттыру. қолданылуы. ыстық. инженер. 150, 512–521 (2019).
Фарид, ММ, Худайр, АМ, Разак, С. және Әл-Халладж, С. Фазалық өзгеріс энергиясын сақтауды шолу: материалдар және қолдану. Энергия түрлендіргіші. Менеджер. 45, 1597–1615 (2004).
Регин А.Ф., Соланки С.С. және Сайни Дж.С. PCM капсулаларын пайдалана отырып, жылу энергиясын сақтау жүйелерінің жылу беру өнімділігі: шолу. жаңарту. қолдау. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. және Bruno, F. Жоғары температуралы фазалық өзгерістерге арналған жылу сақтау жүйелеріне арналған сақтау материалдары мен жылу өнімділігін арттыру технологияларына шолу. жаңарту. қолдау. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Фан Гуойин, Ли Хун, Лю Сян, Ву СМ Нанокапсулаланған жылу энергиясы n-тетрадекан фазалық өзгеру материалдарын дайындау және сипаттау. Химиялық инженер. J. 153, 217–221 (2009).
Му, Б. және Ли, М. Күн энергиясын түрлендіру және сақтау үшін модификацияланған графен аэрогельдерін қолдана отырып, пішіні тұрақты фазалық өзгеретін жаңа композициялық материалдарды синтездеу. Sol. Energy материалдары. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Хуан, К., Альва, Г., Цзя, Ю. және Фан, Г. Жылу энергиясын сақтауда фазалық өзгеру материалдарының морфологиялық сипаттамасы және қолданылуы: шолу. жаңарту. қолдау. Энергия басылымы. 72, 128–145 (2017).