Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzerin versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı nəticələr üçün brauzerinizin daha yeni versiyasından istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stil və ya JavaScript olmadan göstəririk.
Stearin turşusu (SA) enerji saxlama cihazlarında faza dəyişmə materialı (PCM) kimi istifadə olunur. Bu tədqiqatda, SiO2 qabıqlı səthi aktiv maddəsini mikrokapsullaşdırmaq üçün sol-gel metodundan istifadə edilmişdir. Müxtəlif miqdarda SA (5, 10, 15, 20, 30 və 50 q) 10 ml tetraetil ortosilikatda (TEOS) kapsullaşdırılmışdır. Sintez edilmiş mikrokapsullaşdırılmış faza dəyişmə materialı (MEPCM) Furye çevirmə infraqırmızı spektroskopiyası (FT-IR), rentgen difraksiyası (XRD), rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) və skanlama elektron mikroskopiyası (SEM) ilə xarakterizə edilmişdir. Xarakterizasiya nəticələri göstərdi ki, SA uğurla SiO2 ilə kapsullaşdırılmışdır. Termoqravimetrik analiz (TGA) göstərdi ki, MEPCM CA-dan daha yaxşı istilik stabilliyinə malikdir. Diferensial skanlama kalorimetriyasından (DSC) istifadə edərək, MEPCM-in entalpiya dəyərinin 30 isitmə-soyutma dövründən sonra belə dəyişmədiyi aşkar edilmişdir. Bütün mikrokapsulalanmış nümunələr arasında MEPCM tərkibli 50 q SA ən yüksək gizli ərimə və bərkimə istiliyinə malik idi ki, bu da müvafiq olaraq 182.53 J/q və 160.12 J/q təşkil edirdi. Paket səmərəliliyi dəyəri istilik məlumatlarından istifadə etməklə hesablanmış və eyni nümunə üçün ən yüksək səmərəlilik 86.68% təşkil etmişdir.
Tikinti sənayesində istifadə olunan enerjinin təxminən 58%-i binaların istiləşməsi və soyudulması üçün istifadə olunur1. Buna görə də, ən vacib şey ətraf mühitin çirklənməsini nəzərə alan səmərəli enerji sistemlərinin yaradılmasıdır2. Faza dəyişmə materiallarından (FDT) istifadə edən gizli istilik texnologiyası aşağı temperatur dalğalanmalarında yüksək enerjini saxlaya bilər3,4,5,6 və istilik ötürülməsi, günəş enerjisinin saxlanması, aerokosmik və kondisionerləşdirmə kimi sahələrdə geniş istifadə edilə bilər7,8,9. FDT gün ərzində binanın xarici hissəsindən istilik enerjisini udur və gecə enerjini buraxır10. Buna görə də, faza dəyişmə materialları istilik enerjisi saxlama materialları kimi tövsiyə olunur. Bundan əlavə, bərk-bərk, bərk-maye, maye-qaz və bərk-qaz kimi müxtəlif növ FDT ...
PCM xüsusiyyətlərinə görə müxtəlif tətbiqlərə malikdir: 15°C-dən aşağı temperaturda əriyənlər soyuq temperaturu saxlamaq üçün kondisioner sistemlərində, 90°C-dən yuxarı temperaturda əriyənlər isə yanğınların qarşısını almaq üçün istilik sistemlərində istifadə edilə bilər12. Tətbiqindən və ərimə nöqtəsi diapazonundan asılı olaraq, müxtəlif üzvi və qeyri-üzvi kimyəvi maddələrdən müxtəlif faza dəyişmə materialları sintez edilmişdir13,14,15. Parafin yüksək gizli istilik, korroziyaya davamlılıq, təhlükəsizlik və geniş ərimə nöqtəsi diapazonuna malik ən çox istifadə edilən faza dəyişmə materialıdır16,17,18,19,20,21.
Lakin, faza dəyişmə materiallarının istilik keçiriciliyi aşağı olduğundan, faza dəyişmə prosesi zamanı əsas materialın sızmasının qarşısını almaq üçün onları qabıqda (xarici təbəqədə) kapsullaşdırmaq lazımdır22. Bundan əlavə, əməliyyat səhvləri və ya xarici təzyiq xarici təbəqəyə (örtük) zərər verə bilər və əridilmiş faza dəyişmə materialı tikinti materialları ilə reaksiyaya girərək içəriyə yerləşdirilmiş polad çubuqların korroziyasına səbəb ola bilər və bununla da binanın istismar qabiliyyətini azaldır23. Buna görə də, yuxarıdakı problemləri həll edə biləcək kifayət qədər qabıq materialı ilə kapsullaşdırılmış faza dəyişmə materiallarını sintez etmək vacibdir24.
Faza dəyişmə materiallarının mikrokapsullaşdırılması istilik ötürülməsini effektiv şəkildə artıra və ətraf mühitin reaktivliyini azalda, həcm dəyişikliklərini idarə edə bilər. PCM kapsullaşdırılması üçün müxtəlif üsullar hazırlanmışdır, yəni səthlərarası polimerləşmə25,26,27,28, yerində polimerləşmə29,30,31,32, koaservasiya33,34,35 və sol-gel prosesləri36,37,38,39. Formaldehid qətranı mikrokapsullaşdırma üçün istifadə edilə bilər40,41,42,43. Melamin-formaldehid və karbamid-formaldehid qətranı qabıq materialları kimi istifadə olunur və əməliyyat zamanı tez-tez zəhərli formaldehid buraxır. Buna görə də, bu materialların qablaşdırma proseslərində istifadəsi qadağandır. Bununla belə, miqyaslı istilik enerjisi saxlama üçün ekoloji cəhətdən təmiz faza dəyişmə materialları yağ turşuları və liqnin 44 əsasında hibrid nanokapsullardan istifadə etməklə sintez edilə bilər.
Zhang və digərləri 45 və digərləri tetraetil ortosilikatdan laurin turşusunu sintez etmiş və metiltrietoksisilanın tetraetil ortosilikata həcm nisbəti artdıqca gizli istiliyin azaldığı və səthin hidrofobikliyinin artdığı qənaətinə gəlmişlər. Laurin turşusu kapok lifləri üçün potensial və effektiv əsas material ola bilər46. Bundan əlavə, Latibari və digərləri 47 TiO2-ni qabıq materialı kimi istifadə edərək stearin turşusu əsaslı PCM-lər sintez etmişdir. Zhu və digərləri potensial PCM-lər kimi n-oktadekan və silikon nanokapsullar hazırlamışlar48. Ədəbiyyatın icmalından effektiv və sabit mikrokapsulalı faza dəyişmə materiallarının əmələ gəlməsi üçün tövsiyə olunan dozanı anlamaq çətindir.
Buna görə də, müəlliflərin bildiyinə görə, mikrokapsullaşdırma üçün istifadə olunan faza dəyişmə materialının miqdarı səmərəli və sabit mikrokapsullaşdırılmış faza dəyişmə materiallarının istehsalı üçün vacib parametrdir. Müxtəlif miqdarda faza dəyişmə materiallarından istifadə etmək mikrokapsullaşdırılmış faza dəyişmə materiallarının müxtəlif xüsusiyyətlərini və stabilliyini aydınlaşdırmağa imkan verəcəkdir. Stearin turşusu (yağ turşusu) yüksək entalpiya dəyərinə (~200 J/g) malik olduğu və 72 °C-yə qədər temperatura davam gətirə bildiyi üçün istilik enerjisini saxlamaq üçün istifadə edilə bilən ekoloji cəhətdən təmiz, tibbi cəhətdən əhəmiyyətli və iqtisadi bir maddədir. Bundan əlavə, SiO2 yanmaz, daha yüksək mexaniki möhkəmlik, istilik keçiriciliyi və əsas materiallara qarşı daha yaxşı kimyəvi müqavimət təmin edir və tikintidə pozzolan material kimi çıxış edir. Sement su ilə qarışdırıldıqda, zəif kapsullaşdırılmış PCM-lər mexaniki aşınma və kütləvi beton konstruksiyalarda yaranan yüksək temperatur (hidratasiya istiliyi) səbəbindən çatlaya bilər. Buna görə də, SiO2 qabığı olan mikrokapsullaşdırılmış CA-nın istifadəsi bu problemi həll edə bilər. Buna görə də, bu tədqiqatın məqsədi tikinti tətbiqlərində sol-gel prosesi ilə sintez edilmiş PCM-lərin performansını və səmərəliliyini araşdırmaq idi. Bu işdə biz SiO2 qabıqlarına kapsullaşdırılmış 5, 10, 15, 20, 30 və 50 q-lıq müxtəlif miqdarda SA-nı (əsas material kimi) sistematik şəkildə öyrəndik. SiO2 qabığının əmələ gəlməsi üçün öncül məhlul kimi 10 ml həcmdə sabit miqdarda tetraetilorthosilikat (TEOS) istifadə edilmişdir.
Əsas material kimi reaktiv dərəcəli stearin turşusu (SA, C18H36O2, ərimə nöqtəsi: 72°C) Cənubi Koreyanın Gyeonggi-do şəhərindəki Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. şirkətindən alınıb. Xülasə məhlulu kimi tetraetilorthosilikat (TEOS, C8H20O4Si) Belçikanın Geel şəhərindəki Acros Organics şirkətindən alınıb. Bundan əlavə, Cənubi Koreyanın Gyeonggi-do şəhərindəki Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. şirkətindən mütləq etanol (EA, C2H5OH) və natrium lauril sulfat (SLS, C12H25NaO4S) alınıb və müvafiq olaraq həlledici və səthi aktiv maddələr kimi istifadə edilib. Distillə edilmiş su da həlledici kimi istifadə olunur.
Müxtəlif miqdarda SA, 100 ml distillə edilmiş suda 800 dövr/dəqiqə və 75 °C-də maqnit qarışdırıcı istifadə edilərək 1 saat ərzində müxtəlif nisbətlərdə natrium lauril sulfat (SLS) ilə qarışdırıldı (Cədvəl 1). SA emulsiyaları iki qrupa bölündü: (1) 5, 10 və 15 q SA 100 ml distillə edilmiş suda (SATEOS1, SATEOS2 və SATEOS3) 0,10 q SLS ilə qarışdırıldı, (2) 20, 30 və 50 q SA 0,15, 0,20 və 0,25 q SLS ilə qarışdırıldı, 100 ml distillə edilmiş su ilə (SATEOS4, SATEOS5 və SATEOS6) qarışdırıldı. Müvafiq emulsiyaları əmələ gətirmək üçün 0,10 q SLS 5, 10 və 15 q SA ilə istifadə edildi. Daha sonra SATEOS4, SATEOS5 və SATEOS6 üçün SLS sayının artırılması təklif edildi. Cədvəl 1-də stabil emulsiya məhlulları əldə etmək üçün istifadə edilən CA və SLS nisbətləri göstərilir.
100 ml-lik stəkana 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA) və 20 ml distillə edilmiş su tökün. SA və SiO2 qabıqlarının müxtəlif nisbətlərinin kapsullaşdırma səmərəliliyini öyrənmək üçün bütün nümunələrin sintez əmsalı qeydə alınıb. Qarışıq maqnit qarışdırıcı ilə 400 dövr/dəqiqə və 60°C-də 1 saat ərzində qarışdırılıb. Daha sonra prekursor məhlulu hazırlanmış SA emulsiyasına damcı şəklində əlavə edilib, 800 dövr/dəqiqə və 75°C-də 2 saat ərzində güclü şəkildə qarışdırılıb və ağ toz əldə etmək üçün süzülüb. Ağ toz qalıq SA-nı təmizləmək üçün distillə edilmiş su ilə yuyulub və 45°C-də vakuum sobasında 24 saat ərzində qurudulub. Nəticədə, SiO2 qabığı olan mikrokapsullanmış SC əldə edilib. Mikrokapsullanmış SA-nın sintezi və hazırlanmasının bütün prosesi Şəkil 1-də göstərilib.
SiO2 qabığı olan SA mikrokapsulları sol-gel üsulu ilə hazırlanmışdır və onların kapsullaşma mexanizmi Şəkil 2-də göstərilmişdir. İlk addım, səthi aktiv maddə kimi SLS ilə sulu məhlulda SA emulsiyasının hazırlanmasını əhatə edir. Bu halda, SA molekulunun hidrofob ucu SLS-ə, hidrofilik ucu isə su molekullarına bağlanaraq sabit bir emulsiya əmələ gətirir. Beləliklə, SLS-in hidrofob hissələri qorunur və SA damcısının səthini örtür. Digər tərəfdən, TEOS məhlullarının hidrolizi su molekulları tərəfindən yavaş-yavaş baş verir və bu da etanolun iştirakı ilə hidroliz olunmuş TEOS-un əmələ gəlməsinə səbəb olur (Şəkil 2a) 49,50,51. Hidroliz olunmuş TEOS kondensasiya reaksiyasına məruz qalır, bu müddət ərzində n-hidroliz olunmuş TEOS silisium klasterləri əmələ gətirir (Şəkil 2b). Silisium klasterləri SLS iştirakı ilə SA52 ilə kapsullaşdırılıb (Şəkil 2c), bu da mikrokapsullaşma prosesi adlanır.
SiO2 qabığı ilə CA-nın mikrokapsullaşdırılmasının sxematik diaqramı (a) TEOS-un hidrolizi (b) hidrolizatın kondensasiyası və (c) SiO2 qabığı ilə CA-nın kapsullaşdırılması.
Həcmli SA və mikrokapsulalı SA-nın kimyəvi analizi Furye transformasiyalı infraqırmızı spektrometr (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, ABŞ) istifadə edilərək aparılmış və spektrlər 500 ilə 4000 sm-1 arasında qeydə alınmışdır.
Toplu SA fazalarını və mikrokapsül materiallarını təhlil etmək üçün rentgen difraktometrindən (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Yaponiya) istifadə edilmişdir. Rentgen struktur skanlama, 2θ = 5°–95° diapazonunda, 4°/dəq skanlama sürəti ilə, 25 kV və 100 mA iş şəraitində, Cu-Kα şüalanmasından (λ = 1.541 Å) istifadə edilərək, davamlı skanlama rejimində aparılmışdır. Bütün nümunələrdə 50°-dən sonra heç bir pik müşahidə edilmədiyi üçün rentgen görüntüləri 2θ = 5–50° diapazonunda qurulmuşdur.
Toplu SA-nın kimyəvi vəziyyətini, eləcə də kapsula materialında mövcud olan elementləri anlamaq üçün rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS, Scienta Omicron R3000, ABŞ) Al Kα (1486.6 eV) rentgen mənbəyi kimi istifadə edilərək aparılmışdır. Toplanmış XPS spektrləri ekzotik karbon (bağlama enerjisi 284.6 eV) istifadə edərək C 1s zirvəsinə kalibrlənmişdir. Şirli metodundan istifadə edərək fon korreksiyasından sonra hər bir elementin yüksək qətnaməli zirvələri dekonvolusiya edilmiş və CASA XPS proqram təminatından istifadə edərək Qauss/Lorentzian funksiyalarına uyğunlaşdırılmışdır.
Toplu SC və mikrokapsulalı SC-nin morfologiyası 15 kV-da enerji-dispersiyaedici rentgen spektroskopiyası (EDS) ilə təchiz olunmuş skanedici elektron mikroskopiyası (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Çexiya) istifadə edilərək araşdırılmışdır. SEM görüntüləməsindən əvvəl, doldurma effektlərindən qaçınmaq üçün nümunələr platin (Pt) ilə örtülmüşdür.
İstilik xüsusiyyətləri (ərimə/bərkimə nöqtəsi və gizli istilik) və etibarlılıq (istilik dövrü) diferensial skanlama kalorimetriyası (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, ABŞ) ilə 40 °C-də 10 °C/dəq istilik/soyutma sürətində və davamlı azot təmizlənməsi ilə təyin edilmişdir. Çəki itkisi təhlili, 40-600 °C temperaturda başlayan, 10 °C/dəq istilik sürəti ilə davamlı azot axınında TGA analizatoru (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, ABŞ) istifadə edilərək aparılmışdır.
Şəkil 3-də həm toplu SC-nin, həm də mikrokapsulalanmış SC-nin (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 və SATEOS6) FTIR spektrləri göstərilir. Bütün nümunələrdə (SA, eləcə də mikrokapsulalanmış SA) 2910 sm-1 və 2850 sm-1-dəki udma pikləri müvafiq olaraq –CH3 və –CH2 qruplarının simmetrik dartılma vibrasiyalarına aid edilir10,50. 1705 sm-1-dəki pik C=O rabitəsinin vibrasiyalı dartılmasına uyğundur. 1470 sm-1 və 1295 sm-1-dəki piklər –OH funksional qrupunun müstəvidaxili əyilmə vibrasiyasına, 940 sm-1 və 719 sm-1-dəki piklər isə müstəvidaxili vibrasiyaya və məhsuldarlığa uyğun gəlir. -müstəvi deformasiya vibrasiyası müvafiq olaraq – OH qrupuna aiddir. Bütün mikrokapsulalanmış SA-larda 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 və 719 sm-1-də SA-nın udma pikləri də müşahidə edilmişdir. Bundan əlavə, SA mikrokapsulasında Si-O-Si zolağının antisimmetrik dartılma vibrasiyasına uyğun gələn 1103 sm-1-də yeni kəşf edilmiş pik müşahidə edilmişdir. FT-IR nəticələri Yuan və digərləri ilə uyğundur. 50 Onlar mikrokapsulalanmış SA-nı ammonyak/etanol nisbətində uğurla hazırladılar və SA ilə SiO2 arasında heç bir kimyəvi qarşılıqlı təsirin baş vermədiyini aşkar etdilər. Hazırkı FT-IR tədqiqatının nəticələri göstərir ki, SiO2 qabığı kondensasiya prosesi və hidroliz olunmuş TEOS-un polimerləşməsi yolu ilə SA-nı (nüvəni) uğurla kapsullaşdırmışdır. Daha aşağı SA tərkibində Si-O-Si zolağının pik intensivliyi daha yüksəkdir (Şəkil 3b-d). SA miqdarı 15 q-dan çox artdıqca, pik intensivliyi və Si-O-Si zolağının genişlənməsi tədricən azalır ki, bu da SA səthində nazik SiO2 təbəqəsinin əmələ gəlməsini göstərir.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 və (g) SATEOS6-nın FTIR spektrləri.
Toplu SA və mikrokapsulalı SA-nın XRD nümunələri Şəkil 4-də göstərilmişdir. XRD pikləri JCPDS № 0381923, 02-yə əsasən 2θ = 6.50° (300), 10.94° (500), 15.46° (700), 20.26° \((\overline {5}), bütün nümunələrdə (311), 24.04° (602) və 39.98° (913) SA-ya aid edilir. Səthi aktiv maddə (SLS), digər qalıq maddələr və SiO250-ün mikrokapsulalanması kimi qeyri-müəyyən amillərə görə toplu CA ilə təhrif və hibridlik. Kapsulalanma baş verdikdən sonra əsas piklərin (300), (500), (311) və (602) intensivliyi toplu CA ilə müqayisədə tədricən azalır ki, bu da nümunənin kristallığının azaldığını göstərir.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 və (g) SATEOS6-nın rentgen görüntüləmə nümunələri.
SATEOS1-in intensivliyi digər nümunələrlə müqayisədə kəskin şəkildə azalır. Bütün mikrokapsulalanmış nümunələrdə başqa heç bir pik müşahidə edilməyib (Şəkil 4b–g), bu da SA səthində kimyəvi qarşılıqlı təsir əvəzinə SiO252-nin fiziki adsorbsiyasının baş verdiyini təsdiqləyir. Bundan əlavə, SA-nın mikrokapsulalaşdırılmasının heç bir yeni strukturun yaranmasına səbəb olmadığı qənaətinə gəlinib. SiO2 heç bir kimyəvi reaksiya olmadan SA səthində bütöv qalır və SA miqdarı azaldıqca mövcud piklər daha aydın görünür (SATEOS1). Bu nəticə göstərir ki, SiO2 əsasən SA səthini əhatə edir. (700)-dəki pik tamamilə yox olur və \((\overline{5}02)\)-dəki pik SATEOS 1-də bir qövsə çevrilir (Şəkil 4b), bu da kristallığın azalması və amorfizmin artması ilə əlaqələndirilir. SiO2 təbiətcə amorfdur, buna görə də 2θ = 19°-dən 25°-yə qədər müşahidə edilən zirvələr qabarıq və genişlənməyə malikdir53 (Şəkil 4b–g), bu da amorf SiO252-nin mövcudluğunu təsdiqləyir. Mikrokapsulalı SA-nın daha aşağı difraksiya pik intensivliyi silisiumun daxili divarının nüvələşmə effekti və məhdudlaşdırıcı kristallaşma davranışı ilə əlaqədardır49. Daha aşağı SA tərkibi ilə, əsasən SA-nın xarici səthində adsorbsiya olunan çox miqdarda TEOS-un olması səbəbindən daha qalın silisium qabığının əmələ gəldiyi güman edilir. Lakin, SA miqdarı artdıqca, emulsiya məhlulundakı SA damcılarının səth sahəsi artır və düzgün kapsullaşma üçün daha çox TEOS tələb olunur. Buna görə də, daha yüksək SA tərkibi ilə FT-IR-də SiO2 pik basılır (Şəkil 3) və XRF-də 2θ = 19–25° yaxınlığında difraksiya pikinin intensivliyi azalır (Şəkil 4) və genişlənmə də azalır. Görünmür. Lakin, Şəkil 4-də göründüyü kimi, SA miqdarı 5 q-dan (SATEOS1) 50 q-a (SATEOS6) qədər artırıldıqdan sonra piklər toplu SA-ya çox yaxınlaşır və (700)-dəki pik müəyyən edilmiş bütün pik intensivlikləri ilə görünür. Bu nəticə FT-IR nəticələri ilə əlaqəlidir, burada SiO2 SATEOS6 pikinin intensivliyi 1103 sm-1-də azalır (Şəkil 3g).
SA, SATEOS1 və SATEOS6-da mövcud olan elementlərin kimyəvi halları Şəkil 1 və 2-də göstərilmişdir. Şəkil 5, 6, 7 və 8-də və Cədvəl 2-də göstərilmişdir. Toplu SA, SATEOS1 və SATEOS6 üçün ölçmə skanları Şəkil 5-də, C 1s, O 1s və Si 2p üçün yüksək qətnaməli skanlar isə Şəkil 5, 6, 7 və 8-də və Cədvəl 2. 6, 7 və 8-də göstərilmişdir. XPS tərəfindən əldə edilən bağlanma enerjisi dəyərləri Cədvəl 2-də ümumiləşdirilmişdir. Şəkil 5-dən göründüyü kimi, SiO2 qabığının mikrokapsullaşmasının baş verdiyi SATEOS1 və SATEOS6-da aşkar Si 2s və Si 2p pikləri müşahidə edilmişdir. Əvvəlki tədqiqatçılar oxşar Si 2s pikinin 155.1 eV54 olduğunu bildirmişdilər. SATEOS1 (Şəkil 5b) və SATEOS6 (Şəkil 5c)-də Si piklərinin olması FT-IR (Şəkil 3) və XRD (Şəkil 4) məlumatlarını təsdiqləyir.
Şəkil 6a-da göstərildiyi kimi, toplu SA-nın C 1-ləri bağlanma enerjisində müvafiq olaraq 284,5 eV, 285,2 eV və 289,5 eV olan üç fərqli CC, xalifatik və O=C=O pikinə malikdir. C–C, xalifatik və O=C=O pikləri SATEOS1 (Şəkil 6b) və SATEOS6 (Şəkil 6c)-də də müşahidə edilmişdir və Cədvəl 2-də ümumiləşdirilmişdir. Bundan əlavə, C 1s pik 283,1 eV (SATEOS1) və 283,5 eV (SATEOS6)-da əlavə Si-C pikinə uyğundur. C–C, xalifatik, O=C=O və Si–C üçün müşahidə etdiyimiz bağlanma enerjiləri digər mənbələrlə yaxşı korrelyasiya edir55,56.
O1 SA, SATEOS1 və SATEOS6-nın XPS spektrləri müvafiq olaraq Şəkil 7a–c-də göstərilmişdir. Toplu SA-nın O1s zirvəsi dekonvolutasiya olunmuşdur və iki zirvəyə malikdir, yəni C=O/C–O (531.9 eV) və C–O–H (533.0 eV), SATEOS1 və SATEOS6-nın O1 isə ardıcıldır. Yalnız üç zirvə var: C=O/C–O, C–O–H və Si–OH55,57,58. SATEOS1 və SATEOS6-da O1s bağlanma enerjisi toplu SA ilə müqayisədə bir qədər dəyişir ki, bu da qabıq materialında SiO2 və Si-OH-un olması səbəbindən kimyəvi fraqmentdə dəyişikliklə əlaqələndirilir.
SATEOS1 və SATEOS6-nın Si 2p XPS spektrləri müvafiq olaraq Şəkil 8a və b-də göstərilmişdir. Toplu CA-da SiO2-nin olmaması səbəbindən Si 2p müşahidə edilməmişdir. Si 2p zirvəsi SATEOS1 üçün 105.4 eV və SATEOS6 üçün 105.0 eV-ə uyğundur ki, bu da Si-O-Si-yə uyğundur, SATEOS1 zirvəsi isə 103.5 eV və SATEOS6 zirvəsi isə 103.3 eV-dir ki, bu da Si-OH55-ə uyğundur. SATEOS1 və SATEOS6-da Si-O-Si və Si-OH zirvələrinin uyğunlaşdırılması SA nüvə səthində SiO2-nin uğurlu mikrokapsulyasiyası aşkar etmişdir.
Mikrokapsulalanmış materialın morfologiyası çox vacibdir və həllolma qabiliyyətinə, stabilliyinə, kimyəvi reaktivliyinə, axıcılığına və möhkəmliyinə təsir göstərir59. Buna görə də, Şəkil 9-da göstərildiyi kimi, toplu SA (100×) və mikrokapsulalanmış SA (500×) morfologiyasını xarakterizə etmək üçün SEM istifadə edilmişdir. Şəkil 9a-dan göründüyü kimi, SA bloku elliptik formaya malikdir. Hissəcik ölçüsü 500 mikronu aşır. Lakin, mikrokapsulalaşdırma prosesi davam etdikdən sonra, Şəkil 9b–g-də göstərildiyi kimi, morfologiya kəskin şəkildə dəyişir.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 və (g) SATEOS6-nın ×500-də SEM təsvirləri.
SATEOS1 nümunəsində, kobud səthə malik daha kiçik kvazisferik SiO2 ilə bükülmüş SA hissəcikləri müşahidə olunur (Şəkil 9b), bu da TEOS-un SA səthində hidrolizi və kondensasiya polimerləşməsi ilə əlaqəli ola bilər ki, bu da etanol molekullarının sürətli diffuziyasını sürətləndirir. Nəticədə, SiO2 hissəcikləri çökür və aqlomerasiya müşahidə olunur52,60. Bu SiO2 qabığı mikrokapsulalanmış CA hissəciklərinə mexaniki möhkəmlik verir və həmçinin daha yüksək temperaturda ərimiş CA-nın sızmasının qarşısını alır10. Bu nəticə göstərir ki, SiO2 ehtiva edən SA mikrokapsülləri potensial enerji saxlama materialları kimi istifadə edilə bilər61. Şəkil 9b-dən göründüyü kimi, SA-nı əhatə edən qalın SiO2 təbəqəsi ilə vahid hissəcik paylanmasına malikdir. Mikrokapsulalanmış SA-nın (SATEOS1) hissəcik ölçüsü təxminən 10-20 μm-dir (Şəkil 9b), bu da daha aşağı SA tərkibinə görə toplu SA ilə müqayisədə xeyli kiçikdir. Mikrokapsül təbəqəsinin qalınlığı prekursor məhlulunun hidrolizi və kondensasiya polimerləşməsi ilə əlaqədardır. Aqlomerasiya SA-nın daha aşağı dozalarında, yəni 15 q-a qədər baş verir (Şəkil 9b-d), lakin doza artırıldıqdan sonra heç bir aqlomerasiya müşahidə olunmur, lakin aydın şəkildə müəyyən edilmiş sferik hissəciklər müşahidə olunur (Şəkil 9e-g) 62.
Bundan əlavə, SLS səthi aktiv maddəsinin miqdarı sabit olduqda, SA tərkibi (SATEOS1, SATEOS2 və SATEOS3) də səmərəliliyə, formaya və hissəcik ölçüsü paylanmasına təsir göstərir. Beləliklə, SATEOS1-in daha kiçik hissəcik ölçüsü, vahid paylanma və sıx səth nümayiş etdirdiyi aşkar edilmişdir (Şəkil 9b), bu da sabit səthi aktiv maddə63 altında ikincil nüvələşməni təşviq edən SA-nın hidrofilik təbiəti ilə əlaqələndirilir. SA tərkibinin 5-dən 15 q-a (SATEOS1, SATEOS2 və SATEOS3) artırılması və sabit miqdarda səthi aktiv maddə, yəni 0,10 q SLS (Cədvəl 1) istifadə edilməsi ilə səthi aktiv maddə molekulunun hər bir hissəciyinin töhfəsinin azalacağına və bununla da hissəcik ölçüsünün və hissəcik ölçüsünün azalacağına inanılır. SATEOS2 (Şəkil 9c) və SATEOS3 (Şəkil 9d) paylanması SATEOS 1-in paylanmasından fərqlənir (Şəkil 9b).
SATEOS1 ilə müqayisədə (Şəkil 9b), SATEOS2 mikrokapsulalı SA-nın sıx morfologiyasını göstərdi və hissəcik ölçüsü artdı (Şəkil 9c). Bu, laxtalanma sürətini azaldan aqlomerasiya 49 ilə əlaqədardır (Şəkil 2b). SLS artdıqca SC miqdarı artdıqca, Şəkildə göstərildiyi kimi, mikrokapsüllər aydın görünür. Bundan əlavə, Şəkil 9e–g bütün hissəciklərin forma və ölçü baxımından açıq şəkildə sferik olduğunu göstərir. Böyük miqdarda SA olduqda, müvafiq miqdarda silisium oliqomerlərinin əldə edilə biləcəyi və müvafiq kondensasiya və kapsullaşmaya və beləliklə, yaxşı müəyyən edilmiş mikrokapsüllərin əmələ gəlməsinə səbəb olduğu məlumdur49. SEM nəticələrindən aydın olur ki, SA az miqdarda SA ilə müqayisədə SATEOS6 müvafiq mikrokapsüllər əmələ gətirmişdir.
Toplu SA və mikrokapsül SA-nın enerji dispersiyaedici rentgen spektroskopiyasının (EDS) nəticələri Cədvəl 3-də təqdim olunur. Bu cədvəldən göründüyü kimi, Si tərkibi tədricən SATEOS1-dən (12.34%) SATEOS6-ya (2.68%) azalır. SA-da artım. Buna görə də deyə bilərik ki, SA miqdarının artması SA səthində SiO2 çöküntüsünün azalmasına səbəb olur. EDS51-in yarı-kəmiyyət təhlili səbəbindən Cədvəl 3-də C və O tərkibi üçün ardıcıl dəyərlər yoxdur. Mikrokapsüllü SA-nın Si tərkibi FT-IR, XRD və XPS nəticələri ilə korrelyasiya edilmişdir.
Toplu SA-nın, eləcə də SiO2 qabıqlı mikrokapsullanmış SA-nın ərimə və bərkimə davranışı Şəkil 1 və 2-də göstərilmişdir. Onlar müvafiq olaraq Şəkil 10 və 11-də, istilik məlumatları isə Cədvəl 4-də göstərilmişdir. Mikrokapsullanmış SA-nın ərimə və bərkimə temperaturlarının fərqli olduğu aşkar edilmişdir. SA miqdarı artdıqca ərimə və bərkimə temperaturları artır və toplu SA dəyərlərinə yaxınlaşır. SA mikrokapsullaşmasından sonra silisium divarı kristallaşma temperaturunu artırır və onun divarı heterojenliyi təşviq etmək üçün nüvə kimi çıxış edir. Buna görə də, SA miqdarı artdıqca ərimə (Şəkil 10) və bərkimə (Şəkil 11) temperaturları da tədricən artır49,51,64. Bütün mikrokapsullanmış SA nümunələri arasında SATEOS6 ən yüksək ərimə və bərkimə temperaturlarını nümayiş etdirdi, ardınca SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 və SATEOS1 gəlir.
SATEOS1 ən aşağı ərimə nöqtəsini (68.97 °C) və bərkimə temperaturunu (60.60 °C) göstərir ki, bu da mikrokapsüllərin içərisində SA hissəciklərinin hərəkətinin çox kiçik olması və SiO2 qabığının qalın bir təbəqə əmələ gətirməsi və buna görə də Əsas Materialın dartılmasını və hərəkətini məhdudlaşdırması ilə əlaqədardır49. Bu fərziyyə, SATEOS1-in daha kiçik hissəcik ölçüsü göstərdiyi SEM nəticələri ilə əlaqədardır (Şəkil 9b), bu da SA molekullarının mikrokapsüllərin çox kiçik bir sahəsində yerləşməsi ilə əlaqədardır. Əsas kütlənin, eləcə də SiO2 qabıqlı bütün SA mikrokapsüllərinin ərimə və bərkimə temperaturlarındakı fərq 6.10–8.37 °C aralığındadır. Bu nəticə göstərir ki, mikrokapsüllü SA, SiO2 qabığının 65 yaxşı istilik keçiriciliyinə görə potensial enerji saxlama materialı kimi istifadə edilə bilər.
Cədvəl 4-dən göründüyü kimi, SATEOS6, SEM tərəfindən müşahidə edilən düzgün kapsullaşma səbəbindən bütün mikrokapsulalanmış SC-lər arasında ən yüksək entalpiyaya malikdir (Şəkil 9g). SA qablaşdırma sürəti (1) tənliyindən istifadə etməklə hesablana bilər. (1) Mikrokapsulalanmış SA49-un gizli istilik məlumatlarını müqayisə etməklə.
R dəyəri mikrokapsulalanmış SC-nin kapsullaşma dərəcəsini (%), ΔHMEPCM,m mikrokapsulalanmış SC-nin gizli ərimə istiliyini, ΔHPCM,m isə SC-nin gizli ərimə istiliyini təmsil edir. Bundan əlavə, qablaşdırma səmərəliliyi (%) tənlik (1). (2)49-da göstərildiyi kimi, digər vacib texniki parametr kimi hesablanır.
E dəyəri mikrokapsulalanmış CA-nın kapsullaşma səmərəliliyini (%), ΔHMEPCM,s mikrokapsulalanmış CA-nın gizli bərkimə istiliyini, ΔHPCM,s isə CA-nın gizli bərkimə istiliyini təmsil edir.
Cədvəl 4-də göstərildiyi kimi, SATEOS1-in qablaşdırma dərəcəsi və səmərəliliyi müvafiq olaraq 71,89% və 67,68%, SATEOS6-nın qablaşdırma dərəcəsi və səmərəliliyi isə müvafiq olaraq 90,86% və 86,68% təşkil edir (Cədvəl 4). Nümunə SATEOS6, bütün mikrokapsulalı SA-lar arasında ən yüksək kapsullaşma əmsalı və səmərəliliyi nümayiş etdirir ki, bu da onun yüksək istilik tutumunu göstərir. Buna görə də, bərk vəziyyətdən maye vəziyyətə keçid çoxlu miqdarda enerji tələb edir. Bundan əlavə, soyutma prosesi zamanı bütün SA mikrokapsüllərinin və toplu SA-nın ərimə və bərkimə temperaturlarındakı fərq, mikrokapsül sintezi zamanı silisium qabığının fəza baxımından məhdudlaşdığını göstərir. Beləliklə, nəticələr göstərir ki, SC miqdarı artdıqca kapsullaşma sürəti və səmərəliliyi tədricən artır (Cədvəl 4).
Toplu SA və SiO2 qabıqlı mikrokapsül SA-nın (SATEOS1, SATEOS3 və SATEOS6) TGA əyriləri Şəkil 12-də göstərilmişdir. Toplu SA-nın (SATEOS1, SATEOS3 və SATEOS6) istilik stabilliyi xüsusiyyətləri mikrokapsüllü nümunələrlə müqayisə edilmişdir. TGA əyrisindən aydın olur ki, toplu SA-nın, eləcə də mikrokapsüllü SA-nın çəki itkisi 40°C-dən 190°C-yə qədər hamar və çox cüzi bir azalma göstərir. Bu temperaturda toplu SC istilik parçalanmasına məruz qalmır, mikrokapsüllü SC isə 45°C-də 24 saat quruduqdan sonra belə adsorbsiya olunmuş suyu buraxır. Bu, cüzi çəki itkisinə səbəb oldu,49 lakin bu temperaturdan sonra material parçalanmağa başladı. Daha aşağı SA tərkibində (yəni SATEOS1) adsorbsiya olunmuş suyun tərkibi daha yüksəkdir və buna görə də 190°C-yə qədər kütlə itkisi daha yüksəkdir (Şəkil 12-də əlavə). Temperatur 190 °C-dən yuxarı qalxdıqca, parçalanma prosesləri səbəbindən nümunə kütlə itirməyə başlayır. Toplu SA 190 °C-də parçalanmağa başlayır və 260 °C-də yalnız 4% qalır, halbuki SATEOS1, SATEOS3 və SATEOS6 bu temperaturda müvafiq olaraq 50%, 20% və 12% saxlayır. 300 °C-dən sonra toplu SA-nın kütlə itkisi təxminən 97,60%, SATEOS1, SATEOS3 və SATEOS6-nın kütlə itkisi isə müvafiq olaraq təxminən 54,20%, 82,40% və 90,30% təşkil etmişdir. SA tərkibinin artması ilə SiO2 tərkibi azalır (Cədvəl 3) və SEM-də qabığın incəlməsi müşahidə olunur (Şəkil 9). Beləliklə, mikrokapsulalı SA-nın çəki itkisi toplu SA ilə müqayisədə daha azdır ki, bu da SiO2 qabığının əlverişli xüsusiyyətləri ilə izah olunur ki, bu da SA səthində karbonlu silikat-karbonlu təbəqənin əmələ gəlməsini təşviq edir, bununla da SA nüvəsini təcrid edir və nəticədə yaranan uçucu məhsulların buraxılmasını yavaşlatır10. Bu kömür təbəqəsi istilik parçalanması zamanı fiziki qoruyucu baryer əmələ gətirir və alovlanan molekulların qaz fazasına keçidini məhdudlaşdırır66,67. Bundan əlavə, əhəmiyyətli çəki itkisi nəticələrini də görə bilərik: SATEOS1, SATEOS3, SATEOS6 və SA ilə müqayisədə daha aşağı dəyərlər göstərir. Bunun səbəbi, SATEOS1-də SA miqdarının SiO2 qabığının qalın bir təbəqə əmələ gətirdiyi SATEOS3 və SATEOS6-dan daha az olmasıdır. Bunun əksinə olaraq, toplu SA-nın ümumi çəki itkisi 415 °C-də 99,50%-ə çatır. Lakin, SATEOS1, SATEOS3 və SATEOS6 415 °C-də müvafiq olaraq 62.50%, 85.50% və 93.76% çəki itkisi göstərmişdir. Bu nəticə göstərir ki, TEOS-un əlavə edilməsi SA-nın səthində SiO2 təbəqəsi əmələ gətirməklə SA-nın parçalanmasını yaxşılaşdırır. Bu təbəqələr fiziki qoruyucu baryer yarada bilər və buna görə də mikrokapsulalı CA-nın istilik stabilliyində yaxşılaşma müşahidə edilə bilər.
DSC51,52-nin 30 qızdırma və soyutma dövründən sonra toplu SA və ən yaxşı mikrokapsüllü nümunənin (yəni SATEOS 6) istilik etibarlılığı nəticələri Şəkil 13-də göstərilmişdir. Göründüyü kimi, toplu SA (Şəkil 13a) ərimə temperaturu, bərkimə və entalpiya dəyərində heç bir fərq göstərmir, SATEOS6 (Şəkil 13b) isə 30-cu qızdırma dövründən və soyutma prosesindən sonra belə temperatur və entalpiya dəyərində heç bir fərq göstərmir. Toplu SA ərimə nöqtəsi 72,10 °C, bərkimə temperaturu 64,69 °C, ilk dövrdən sonra isə ərimə və bərkimə istiliyi müvafiq olaraq 201,0 J/q və 194,10 J/q olmuşdur. 30-cu dövrdən sonra bu dəyərlərin ərimə nöqtəsi 71,24 °C-yə, bərkimə temperaturu 63,53 °C-yə, entalpiya dəyəri isə 10% azalıb. Ərimə və bərkimə temperaturlarındakı dəyişikliklər, eləcə də entalpiya dəyərlərindəki azalmalar göstərir ki, toplu CA mikrokapsullaşdırma olmayan tətbiqlər üçün etibarsızdır. Lakin, düzgün mikrokapsullaşdırma baş verdikdən sonra (SATEOS6) ərimə və bərkimə temperaturları və entalpiya dəyərləri dəyişmir (Şəkil 13b). SiO2 qabıqları ilə mikrokapsullaşdırıldıqdan sonra, optimal ərimə və bərkimə temperaturları və sabit entalpiyası səbəbindən SA istilik tətbiqlərində, xüsusən də tikintidə faza dəyişmə materialı kimi istifadə edilə bilər.
SA (a) və SATEOS6 (b) nümunələri üçün 1-ci və 30-cu isitmə və soyutma dövrlərində əldə edilən DSC əyriləri.
Bu tədqiqatda, əsas material kimi SA və qabıq materialı kimi SiO2 istifadə edilərək mikrokapsullaşmanın sistematik tədqiqi aparılmışdır. TEOS, SA səthində SiO2 dəstək təbəqəsi və qoruyucu təbəqə yaratmaq üçün bir öncü kimi istifadə olunur. Mikrokapsullanmış SA-nın uğurlu sintezindən sonra FT-IR, XRD, XPS, SEM və EDS nəticələri SiO2-nin mövcudluğunu göstərdi. SEM analizi göstərir ki, SA səthində SiO2 qabıqları ilə əhatə olunmuş yaxşı müəyyən edilmiş sferik hissəciklər nümayiş etdirir. Lakin, daha aşağı SA tərkibli MEPCM aqlomerasiya nümayiş etdirir ki, bu da PCM-in performansını azaldır. XPS analizi mikrokapsul nümunələrində Si-O-Si və Si-OH-nin mövcudluğunu göstərdi ki, bu da SiO2-nin SA səthində adsorbsiyasını aşkar etdi. İstilik performansının təhlilinə görə, SATEOS6 ən perspektivli istilik saxlama qabiliyyətini göstərir, ərimə və bərkimə temperaturu müvafiq olaraq 70.37°C və 64.27°C, ərimə və bərkimənin gizli istiliyi isə müvafiq olaraq 182.53 J/q və 160.12 J/q.Q təşkil edir. SATEOS6-nın maksimum qablaşdırma səmərəliliyi 86.68%-dir. TGA və DSC istilik dövrü təhlili SATEOS6-nın 30 istilik və soyutma prosesindən sonra belə yaxşı istilik stabilliyinə və etibarlılığına malik olduğunu təsdiqlədi.
Yang T., Wang XY və Li D. İstilik Enerjisinin Saxlanması üçün Termokimyəvi Bərk-Qaz Kompozit Adsorbsiya Sisteminin Performans Təhlili və Onun Səmərəliliyinin Artırılması. tətbiqi. isti. mühəndis. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. və Al-Hallaj, S. Faza dəyişikliyi enerjisinin saxlanmasına dair icmal: materiallar və tətbiqlər. Enerji çeviricisi. Menecer. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS və Saini JS PCM kapsulalarından istifadə edərək istilik enerjisi saxlama sistemlərinin istilik ötürmə performansı: icmal. yeniləmə. dəstək. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. və Bruno, F. Yüksək Temperaturlu Faza Dəyişikliyi Termal Saxlama Sistemləri üçün Saxlama Materialları və İstilik Performansının Artırılması Texnologiyalarına Baxış. yeniləmə. dəstək. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Nanokapsulalı istilik enerjisi n-tetradekan faza dəyişmə materiallarının hazırlanması və xarakteristikası. Kimya mühəndisi. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. və Li, M. Günəş enerjisinin çevrilməsi və saxlanması üçün modifikasiya olunmuş qrafen aerogellərindən istifadə edərək yeni forma-stabil faza dəyişikliyi kompozit materiallarının sintezi. Sol. Enerji materialları. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. və Fang, G. İstilik enerjisinin saxlanmasında faza dəyişmə materiallarının morfoloji xarakteristikası və tətbiqi: icmal. yeniləmə. dəstək. Energy Redaktoru. 72, 128–145 (2017).