Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamahusay na resulta, inirerekomenda namin na gumamit ka ng mas bagong bersyon ng iyong browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang styling o JavaScript.
Ang stearic acid (SA) ay ginagamit bilang isang phase change material (PCM) sa mga energy storage device. Sa pag-aaral na ito, ginamit ang sol-gel method upang i-microencapsulate ang SiO2 shell surfactant. Iba't ibang dami ng SA (5, 10, 15, 20, 30, at 50 g) ang isinama sa 10 mL ng tetraethyl orthosilicate (TEOS). Ang synthesized microencapsulated phase change material (MEPCM) ay kinilala gamit ang Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), at scanning electron microscopy (SEM). Ipinakita ng mga resulta ng characterization na ang SA ay matagumpay na na-encapsulate ng SiO2. Ipinakita ng Thermogravimetric analysis (TGA) na ang MEPCM ay may mas mahusay na thermal stability kaysa sa CA. Gamit ang differential scanning calorimetry (DSC), natuklasan na ang enthalpy value ng MEPCM ay hindi nagbago kahit na pagkatapos ng 30 heating-cooling cycles. Sa lahat ng mga sample na na-microencapsulate, 50 g ng SA na naglalaman ng MEPCM ang may pinakamataas na latent heat ng pagkatunaw at pagtigas, na 182.53 J/g at 160.12 J/g, ayon sa pagkakabanggit. Ang halaga ng kahusayan ng pakete ay kinalkula gamit ang thermal data at ang pinakamataas na kahusayan ay natagpuan para sa parehong sample na 86.68%.
Humigit-kumulang 58% ng enerhiyang ginagamit sa industriya ng konstruksyon ay ginagamit upang painitin at palamigin ang mga gusali1. Samakatuwid, ang pinakamahalagang bagay ay ang paglikha ng mahusay na mga sistema ng enerhiya na isinasaalang-alang ang polusyon sa kapaligiran2. Ang teknolohiya ng latent heat gamit ang mga phase change materials (PCM) ay maaaring mag-imbak ng mataas na enerhiya sa mababang pagbabago-bago ng temperatura3,4,5,6 at maaaring malawakang gamitin sa mga larangan tulad ng paglipat ng init, pag-iimbak ng enerhiya mula sa araw, aerospace at air conditioning7,8,9. Ang PCM ay sumisipsip ng thermal energy mula sa mga panlabas na bahagi ng gusali sa araw at naglalabas ng enerhiya sa gabi10. Samakatuwid, ang mga phase change materials ay inirerekomenda bilang mga thermal energy storage materials. Bilang karagdagan, mayroong iba't ibang uri ng PCM tulad ng solid-solid, solid-liquid, liquid-gas at solid-gas11. Kabilang sa mga ito, ang pinakasikat at madalas na ginagamit na mga phase change materials ay ang solid-solid phase change materials at solid-liquid phase change materials. Gayunpaman, ang kanilang aplikasyon ay napakahirap dahil sa napakalaking volumetric changes ng liquid-gas at solid-gas phase transition materials.
Ang PCM ay may iba't ibang gamit dahil sa mga katangian nito: ang mga natutunaw sa temperaturang mas mababa sa 15°C ay maaaring gamitin sa mga sistema ng air conditioning upang mapanatili ang malamig na temperatura, at ang mga natutunaw sa temperaturang higit sa 90°C ay maaaring gamitin sa mga sistema ng pag-init upang maiwasan ang sunog12. Depende sa aplikasyon at saklaw ng melting point, iba't ibang materyales sa phase change ang na-synthesize mula sa iba't ibang organiko at inorganikong kemikal13,14,15. Ang paraffin ang pinakakaraniwang ginagamit na materyal sa phase change na may mataas na latent heat, non-corrosionness, kaligtasan at malawak na saklaw ng melting point16,17,18,19,20,21.
Gayunpaman, dahil sa mababang thermal conductivity ng mga materyales na nagbabago ng phase, kailangan itong i-encapsulate sa isang shell (panlabas na layer) upang maiwasan ang pagtagas ng base material habang isinasagawa ang phase change22. Bukod pa rito, ang mga error sa pagpapatakbo o panlabas na presyon ay maaaring makapinsala sa panlabas na layer (cladding), at ang tinunaw na materyal na nagbabago ng phase ay maaaring mag-react sa mga materyales sa pagtatayo, na magdudulot ng kalawang sa mga naka-embed na steel bar, sa gayon ay binabawasan ang kakayahang magamit ng gusali23. Samakatuwid, mahalagang i-synthesize ang mga naka-encapsulate na materyales na nagbabago ng phase na may sapat na materyal na shell, na maaaring makalutas sa mga problemang nabanggit24.
Ang microencapsulation ng mga materyales na nagbabago ng phase ay maaaring epektibong magpataas ng paglipat ng init at mabawasan ang reaktibiti sa kapaligiran, at makontrol ang mga pagbabago sa volume. Iba't ibang pamamaraan ang nabuo para sa PCM encapsulation, katulad ng interfacial polymerization25,26,27,28, in situ polymerization29,30,31,32, coacervation33,34,35 at mga proseso ng sol-gel36,37,38,39. Maaaring gamitin ang formaldehyde resin para sa microencapsulation40,41,42,43. Ang melamine-formaldehyde at urea-formaldehyde resins ay ginagamit bilang mga materyales sa shell, na kadalasang naglalabas ng nakalalasong formaldehyde habang ginagamit. Samakatuwid, ang mga materyales na ito ay ipinagbabawal na gamitin sa mga proseso ng packaging. Gayunpaman, ang mga materyales na nagbabago ng phase na environment-friendly para sa scalable thermal energy storage ay maaaring i-synthesize gamit ang hybrid nanocapsules batay sa mga fatty acid at lignin 44.
Sina Zhang et al. 45 et al. ay nag-synthesize ng lauric acid mula sa tetraethyl orthosilicate at napagpasyahan na habang tumataas ang volume ratio ng methyltriethoxysilane sa tetraethyl orthosilicate, bumababa ang latent heat at tumataas ang surface hydrophobicity. Ang Lauric acid ay maaaring isang potensyal at epektibong core material para sa mga kapok fibers46. Bukod pa rito, sina Latibari et al. 47 ay nag-synthesize ng stearic acid-based PCMs gamit ang TiO2 bilang shell material. Si Zhu et al. ay naghanda ng n-octadecane at silicone nanocapsules bilang potensyal na PCMs48. Mula sa isang pagsusuri ng literatura, mahirap maunawaan ang inirerekomendang dosis para sa pagbuo ng epektibo at matatag na microencapsulated phase change materials.
Samakatuwid, sa kaalaman ng mga may-akda, ang dami ng materyal na nagbabago ng yugto na ginagamit para sa microencapsulation ay isang mahalagang parameter para sa produksyon ng mahusay at matatag na mga materyales na nagbabago ng yugto na may microencapsulate. Ang paggamit ng iba't ibang dami ng mga materyales na nagbabago ng yugto ay magbibigay-daan sa amin upang linawin ang iba't ibang katangian at katatagan ng mga materyales na nagbabago ng yugto na may microencapsulate. Ang stearic acid (fatty acid) ay isang environment-friendly, mahalaga sa medisina, at matipid na sangkap na maaaring gamitin upang mag-imbak ng thermal energy dahil mayroon itong mataas na enthalpy value (~200 J/g) at kayang tiisin ang temperaturang hanggang 72 °C. Bukod pa rito, ang SiO2 ay hindi nasusunog, nagbibigay ng mas mataas na mekanikal na lakas, thermal conductivity, at mas mahusay na kemikal na resistensya sa mga pangunahing materyales, at gumaganap bilang isang pozzolanic na materyal sa konstruksyon. Kapag ang semento ay hinaluan ng tubig, ang mga PCM na hindi maayos ang pagkaka-encapsulate ay maaaring pumutok dahil sa mekanikal na pagkasira at mataas na temperatura (init ng hydration) na nabuo sa malalaking istruktura ng kongkreto. Samakatuwid, ang paggamit ng microencapsulated CA na may SiO2 shell ay maaaring malutas ang problemang ito. Samakatuwid, ang layunin ng pag-aaral na ito ay upang siyasatin ang pagganap at kahusayan ng mga PCM na na-synthesize sa pamamagitan ng prosesong sol-gel sa mga aplikasyon ng konstruksyon. Sa gawaing ito, sistematiko naming pinag-aralan ang iba't ibang dami ng SA (bilang batayang materyal) na 5, 10, 15, 20, 30 at 50 g na nakapaloob sa mga SiO2 shell. Isang takdang dami ng tetraethylorthosilicate (TEOS) sa dami na 10 ml ang ginamit bilang precursor solution para sa pagbuo ng SiO2 shell.
Ang reactive grade stearic acid (SA, C18H36O2, melting point: 72°C) bilang pangunahing materyal ay binili mula sa Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, South Korea. Ang Tetraethylorthosilicate (TEOS, C8H20O4Si) bilang precursor solution ay binili mula sa Acros Organics, Geel, Belgium. Bukod pa rito, ang absolute ethanol (EA, C2H5OH) at sodium lauryl sulfate (SLS, C12H25NaO4S) ay binili mula sa Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, South Korea, at ginamit bilang mga solvent at surfactant, ayon sa pagkakabanggit. Ang distilled water ay ginagamit din bilang solvent.
Iba't ibang dami ng SA ang hinaluan ng iba't ibang proporsyon ng sodium lauryl sulfate (SLS) sa 100 mL ng distilled water gamit ang magnetic stirrer sa 800 rpm at 75 °C sa loob ng 1 oras (Talahanayan 1). Ang mga emulsyon ng SA ay hinati sa dalawang grupo: (1) 5, 10 at 15 g ng SA ay hinaluan ng 0.10 g ng SLS sa 100 ml ng distilled water (SATEOS1, SATEOS2 at SATEOS3), (2) 20, 30 at 50 g ng SA ay hinaluan ng 0.15, 0.20 at 0.25 g ng SLS ay hinaluan ng 100 ml ng distilled water (SATEOS4, SATEOS5 at SATEOS6). 0.10 g SLS ang ginamit kasama ng 5, 10 at 15 g SA upang mabuo ang kani-kanilang mga emulsyon. Kasunod nito, iminungkahi na dagdagan ang bilang ng SLS para sa SATEOS4, SATEOS5 at SATEOS6. Ipinapakita ng Talahanayan 1 ang mga proporsyon ng CA at SLS na ginamit upang makakuha ng matatag na solusyon ng emulsyon.
Maglagay ng 10 ml TEOS, 10 ml ethanol (EA) at 20 ml distilled water sa isang 100 ml beaker. Upang pag-aralan ang encapsulation efficiency ng iba't ibang ratio ng SA at SiO2 shells, itinala ang synthesis coefficient ng lahat ng sample. Hinalo ang mixture gamit ang magnetic stirrer sa 400 rpm at 60°C sa loob ng 1 oras. Ang precursor solution ay idinagdag nang patak-patak sa inihandang SA emulsion, hinalo nang malakas sa 800 rpm at 75 °C sa loob ng 2 oras, at sinala upang makakuha ng puting pulbos. Ang puting pulbos ay hinugasan ng distilled water upang maalis ang natitirang SA at pinatuyo sa vacuum oven sa 45°C sa loob ng 24 na oras. Bilang resulta, isang microencapsulated SC na may shell ng SiO2 ang nakuha. Ang buong proseso ng synthesis at paghahanda ng microencapsulated SA ay ipinapakita sa Figure 1.
Ang mga SA microcapsule na may SiO2 shell ay inihanda gamit ang sol-gel method, at ang mekanismo ng kanilang encapsulation ay ipinapakita sa Figure 2. Ang unang hakbang ay kinabibilangan ng paghahanda ng isang SA emulsion sa isang aqueous solution na may SLS bilang surfactant. Sa kasong ito, ang hydrophobic end ng SA molecule ay nagbibigkis sa SLS, at ang hydrophilic end naman sa mga water molecule, na bumubuo ng isang matatag na emulsion. Kaya, ang hydrophobic moieties ng SLS ay protektado at tinatakpan ang ibabaw ng SA droplet. Sa kabilang banda, ang hydrolysis ng mga TEOS solution ay nangyayari nang mabagal ng mga water molecule, na humahantong sa pagbuo ng hydrolyzed TEOS sa presensya ng ethanol (Fig. 2a) 49,50,51. Ang hydrolyzed TEOS ay sumasailalim sa isang condensation reaction, kung saan ang n-hydrolyzed TEOS ay bumubuo ng mga silica cluster (Fig. 2b). Ang mga silica cluster ay nilagyan ng SA52 sa presensya ng SLS (Fig. 2c), na tinatawag na microencapsulation process.
Diagram ng eskematiko ng microencapsulation ng CA na may shell ng SiO2 (a) hydrolysis ng TEOS (b) condensation ng hydrolyzate at (c) encapsulation ng CA na may shell ng SiO2.
Isinagawa ang kemikal na pagsusuri ng bulk SA at microencapsulated SA gamit ang isang Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) at ang mga spectra ay naitala sa hanay mula 500 hanggang 4000 cm-1.
Isang X-ray diffractometer (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan) ang ginamit upang suriin ang mga bulk SA phase at mga materyales ng microcapsule. Isinagawa ang X-ray structural scanning sa hanay na 2θ = 5°–95° na may bilis ng pag-scan na 4°/min, gamit ang Cu-Kα radiation (λ = 1.541 Å), mga kondisyon ng pagpapatakbo na 25 kV at 100 mA, sa continuous scanning mode. Ang mga X-ray image ay binuo sa hanay na 2θ = 5–50°, dahil walang naobserbahang peak pagkatapos ng 50° sa lahat ng sample.
Isinagawa ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) gamit ang Al Kα (1486.6 eV) bilang pinagmumulan ng X-ray upang maunawaan ang kemikal na estado ng bulk SA pati na rin ang mga elementong nasa encapsulation material. Ang mga nakolektang XPS spectra ay ikinalibrate sa C1s peak gamit ang exotic carbon (binding energy 284.6 eV). Pagkatapos ng background correction gamit ang Shirley method, ang mga high-resolution peak ng bawat elemento ay inayos at iniakma sa Gaussian/Lorentzian functions gamit ang CASA XPS software.
Ang morpolohiya ng bulk SC at microencapsulated SC ay sinuri gamit ang scanning electron microscopy (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Czech Republic) na nilagyan ng energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) sa 15 kV. Bago ang SEM imaging, ang mga sample ay pinahiran ng platinum (Pt) upang maiwasan ang mga epekto ng pag-charge.
Ang mga thermal properties (melting/solidication point at latent heat) at reliability (thermal cycling) ay natukoy sa pamamagitan ng differential scanning calorimetry (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) sa heating/cooling rate na 10 °C/min sa 40 °C at 90°C na may tuloy-tuloy na nitrogen purge. Ang weight loss analysis ay isinagawa gamit ang isang TGA analyzer (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) sa isang tuloy-tuloy na daloy ng nitrogen na nagsisimula sa temperaturang 40–600 °C, na may heating rate na 10 °C/min.
Ipinapakita ng Figure 3 ang FTIR spectra ng bulk SC pati na rin ang microencapsulated SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 at SATEOS6). Ang mga absorption peak sa 2910 cm-1 at 2850 cm-1 sa lahat ng sample (SA pati na rin ang microencapsulated SA) ay maiuugnay sa symmetrical stretching vibrations ng –CH3 at –CH2 groups, ayon sa pagkakabanggit10,50. Ang peak sa 1705 cm-1 ay tumutugma sa vibrational stretching ng C=O bond. Ang mga peak sa 1470 cm-1 at 1295 cm-1 ay maiuugnay sa in-plane bending vibration ng –OH functional group, habang ang mga peak sa 940 cm-1 at 719 cm-1 ay tumutugma sa in-plane vibration at yield. -plane deformation vibration, ayon sa pagkakabanggit – OH group. Ang mga peak ng pagsipsip ng SA sa 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 at 719 cm-1 ay naobserbahan din sa lahat ng microencapsulated SA. Bukod pa rito, isang bagong natuklasang peak sa 1103 cm-1 na katumbas ng antisymmetric stretching vibration ng Si-O-Si band ang naobserbahan sa SA microcapsule. Ang mga resulta ng FT-IR ay naaayon kay Yuan et al. 50. Matagumpay nilang inihanda ang microencapsulated SA sa ammonia/ethanol ratio at natuklasan na walang naganap na kemikal na interaksyon sa pagitan ng SA at SiO2. Ipinapakita ng mga resulta ng kasalukuyang pag-aaral ng FT-IR na matagumpay na na-encapsulate ng SiO2 shell ang SA (core) sa pamamagitan ng proseso ng condensation at polymerization ng hydrolyzed TEOS. Sa mas mababang nilalaman ng SA, mas mataas ang peak intensity ng Si-O-Si band (Fig. 3b-d). Habang tumataas ang dami ng SA sa mahigit 15 g, ang tindi ng rurok at ang paglawak ng Si-O-Si band ay unti-unting bumababa, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng manipis na patong ng SiO2 sa ibabaw ng SA.
FTIR spectra ng (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 at (g) SATEOS6.
Ang mga XRD pattern ng bulk SA at microencapsulated SA ay ipinapakita sa Figure 4. Ang mga XRD peak ay matatagpuan sa 2θ = 6.50° (300), 10.94° (500), 15.46° (700), 20.26° \((\overline {5}ayon sa JCPDS No. 0381923, 02)\), 21.42° sa lahat ng sample (311), 24.04° (602) at 39.98° (913) ay itinalaga sa SA. Ang distorsyon at hybridity sa bulk CA dahil sa mga hindi tiyak na salik tulad ng surfactant (SLS), iba pang natitirang sangkap at microencapsulation ng SiO250. Pagkatapos maganap ang encapsulation, ang intensity ng mga pangunahing peak (300), (500), (311), at (602) ay unti-unting bumababa kumpara sa bulk CA, na nagpapahiwatig ng pagbaba sa crystallinity ng sample.
Mga XRD pattern ng (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 at (g) SATEOS6.
Ang intensidad ng SATEOS1 ay bumaba nang husto kumpara sa ibang mga sample. Walang ibang mga peak ang naobserbahan sa lahat ng mga microencapsulated sample (Fig. 4b–g), na nagpapatunay na ang pisikal na adsorption ng SiO252 sa halip na kemikal na interaksyon ang nangyayari sa ibabaw ng SA. Bukod pa rito, napagpasyahan din na ang microencapsulation ng SA ay hindi humantong sa paglitaw ng anumang mga bagong istruktura. Ang SiO2 ay nananatiling buo sa ibabaw ng SA nang walang anumang kemikal na reaksyon, at habang bumababa ang dami ng SA, ang mga umiiral na peak ay nagiging mas halata (SATEOS1). Ang resultang ito ay nagpapahiwatig na ang SiO2 ay pangunahing bumabalot sa ibabaw ng SA. Ang peak sa (700) ay ganap na nawawala, at ang peak sa \((\overline{5}02)\) ay nagiging isang umbok sa SATEOS 1 (Fig. 4b), na nauugnay sa nabawasang crystallinity at pagtaas ng amorphism. Ang SiO2 ay amorphous sa kalikasan, kaya ang mga peak na naobserbahan mula 2θ = 19° hanggang 25° ay may umbok at lumalawak53 (Fig. 4b–g), na nagpapatunay sa pagkakaroon ng amorphous SiO252. Ang mas mababang diffraction peak intensity ng microencapsulated SA ay dahil sa nucleation effect ng silica inner wall at sa limiting crystallization behavior49. Pinaniniwalaan na sa mas mababang nilalaman ng SA, isang mas makapal na silica shell ang nabubuo dahil sa pagkakaroon ng malaking halaga ng TEOS, na higit na naa-adsorb sa panlabas na ibabaw ng SA. Gayunpaman, habang tumataas ang dami ng SA, tumataas ang surface area ng mga droplet ng SA sa emulsion solution at mas maraming TEOS ang kinakailangan para sa wastong encapsulation. Samakatuwid, sa mas mataas na nilalaman ng SA, ang SiO2 peak sa FT-IR ay napipigilan (Fig. 3), at ang intensity ng diffraction peak malapit sa 2θ = 19–25° sa XRF (Fig. 4) ay bumababa at ang expansion ay bumababa rin. Hindi nakikita. Gayunpaman, gaya ng makikita sa Figure 4, sa sandaling tumaas ang dami ng SA mula 5 g (SATEOS1) patungong 50 g (SATEOS6), ang mga peak ay nagiging napakalapit sa bulk SA, at ang peak sa (700) ay lilitaw nang natukoy ang lahat ng peak intensities. Ang resultang ito ay may kaugnayan sa mga resulta ng FT-IR, kung saan ang intensity ng SiO2 SATEOS6 peak ay bumababa sa 1103 cm-1 (Fig. 3g).
Ang mga kemikal na estado ng mga elementong nasa SA, SATEOS1 at SATEOS6 ay ipinapakita sa Mga Larawan 1 at 2. Ang Mga Larawan 5, 6, 7 at 8 at Talahanayan 2. Ang mga measurement scan para sa bulk SA, SATEOS1 at SATEOS6 ay ipinapakita sa Larawan 5 at ang mga high resolution scan para sa C1s, O1s at Si2p ay ipinapakita sa Mga Larawan 5, 6, 7 at 8 at Talahanayan 2. 6, 7 at 8 ayon sa pagkakabanggit. Ang mga binding energy value na nakuha ng XPS ay nakabuod sa Talahanayan 2. Gaya ng makikita sa Larawan 5, ang mga halatang Si2s at Si2p peak ay naobserbahan sa SATEOS1 at SATEOS6, kung saan naganap ang microencapsulation ng SiO2 shell. Ang mga nakaraang mananaliksik ay nag-ulat ng katulad na Si2s peak sa 155.1 eV54. Ang presensya ng mga peak ng Si sa SATEOS1 (Larawan 5b) at SATEOS6 (Larawan 5c) ay nagpapatunay sa datos ng FT-IR (Larawan 3) at XRD (Larawan 4).
Gaya ng ipinapakita sa Figure 6 a, ang C1s ng bulk SA ay may tatlong magkakaibang peak ng CC, caliphatic, at O=C=O sa binding energy, na 284.5 eV, 285.2 eV, at 289.5 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga peak ng C–C, caliphatic at O=C=O ay naobserbahan din sa SATEOS1 (Fig. 6b) at SATEOS6 (Fig. 6c) at nakabuod sa Table 2. Bukod pa rito, ang peak ng C1s ay tumutugma rin sa isang karagdagang Si-C peak sa 283.1 eV (SATEOS1) at 283.5 eV (SATEOS6). Ang aming naobserbahang binding energies para sa C–C, caliphatic, O=C=O at Si–C ay may mahusay na kaugnayan sa iba pang mga pinagmumulan55,56.
Ang XPS spectra ng O1SA, SATEOS1 at SATEOS6 ay ipinapakita sa Figures 7a–c, ayon sa pagkakabanggit. Ang O1s peak ng bulk SA ay deconvoluted at may dalawang peak, katulad ng C=O/C–O (531.9 eV) at C–O–H (533.0 eV), habang ang O1 ng SATEOS1 at SATEOS6 ay pare-pareho. Mayroon lamang tatlong peak: C=O/C–O, C–O–H at Si–OH55,57,58. Ang O1s binding energy sa SATEOS1 at SATEOS6 ay bahagyang nagbabago kumpara sa bulk SA, na nauugnay sa pagbabago sa chemical fragment dahil sa presensya ng SiO2 at Si-OH sa shell material.
Ang Si 2p XPS spectra ng SATEOS1 at SATEOS6 ay ipinapakita sa Figure 8a at b, ayon sa pagkakabanggit. Sa bulk CA, ang Si 2p ay hindi naobserbahan dahil sa kawalan ng SiO2. Ang Si 2p peak ay katumbas ng 105.4 eV para sa SATEOS1 at 105.0 eV para sa SATEOS6, na katumbas ng Si-O-Si, habang ang SATEOS1 peak ay 103.5 eV at ang SATEOS6 peak ay 103.3 eV, na katumbas ng Si-OH55. Ang Si-O-Si at Si-OH peak fitting sa SATEOS1 at SATEOS6 ay nagpakita ng matagumpay na microencapsulation ng SiO2 sa SA core surface.
Napakahalaga ng morpolohiya ng materyal na naka-microencapsulate, na nakakaapekto sa solubility, estabilidad, reaktibiti ng kemikal, kakayahang dumaloy at lakas59. Samakatuwid, ginamit ang SEM upang makilala ang morpolohiya ng bulk SA (100×) at microencapsulated SA (500×), gaya ng ipinapakita sa Figure 9. Gaya ng makikita sa Figure 9a, ang bloke ng SA ay may hugis na elliptical. Ang laki ng particle ay lumalagpas sa 500 microns. Gayunpaman, kapag nagpatuloy ang proseso ng microencapsulation, ang morpolohiya ay lubhang nagbabago, gaya ng ipinapakita sa Figures 9 b–g.
Mga imahe ng SEM ng (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 at (g) SATEOS6 sa ×500.
Sa sample ng SATEOS1, naobserbahan ang mas maliliit na quasi-spherical SiO2-wrapped SA particles na may magaspang na ibabaw (Fig. 9b), na maaaring dahil sa hydrolysis at condensation polymerization ng TEOS sa ibabaw ng SA, na nagpapabilis sa mabilis na pagkalat ng mga molekula ng ethanol. Bilang resulta, ang mga particle ng SiO2 ay naideposito at naobserbahan ang agglomeration52,60. Ang SiO2 shell na ito ay nagbibigay ng mekanikal na lakas sa mga microencapsulated CA particles at pinipigilan din ang pagtagas ng tinunaw na CA sa mas mataas na temperatura10. Ang resultang ito ay nagpapahiwatig na ang mga SA microcapsule na naglalaman ng SiO2 ay maaaring gamitin bilang mga potensyal na materyales sa pag-iimbak ng enerhiya61. Gaya ng makikita sa Figure 9b, ang sample ng SATEOS1 ay may pare-parehong distribusyon ng particle na may makapal na SiO2 layer na bumabalot sa SA. Ang laki ng particle ng microencapsulated SA (SATEOS1) ay humigit-kumulang 10–20 μm (Fig. 9b), na mas maliit kumpara sa bulk SA dahil sa mas mababang nilalaman ng SA. Ang kapal ng patong ng microcapsule ay dahil sa hydrolysis at condensation polymerization ng precursor solution. Nangyayari ang agglomeration sa mas mababang dosis ng SA, ibig sabihin, hanggang 15 g (Fig. 9b-d), ngunit sa sandaling tumaas ang dosis, walang agglomeration na naoobserbahan, ngunit malinaw na natukoy na mga spherical particle ang naoobserbahan (Fig. 9e-g) 62.
Bukod pa rito, kapag ang dami ng SLS surfactant ay pare-pareho, ang nilalaman ng SA (SATEOS1, SATEOS2 at SATEOS3) ay nakakaapekto rin sa kahusayan, hugis at distribusyon ng laki ng particle. Kaya, natuklasang ang SATEOS1 ay nagpapakita ng mas maliit na laki ng particle, pare-parehong distribusyon at siksik na ibabaw (Fig. 9b), na iniuugnay sa hydrophilic na katangian ng SA na nagtataguyod ng pangalawang nucleation sa ilalim ng pare-parehong surfactant63. Pinaniniwalaan na sa pamamagitan ng pagtaas ng nilalaman ng SA mula 5 hanggang 15 g (SATEOS1, SATEOS2 at SATEOS3) at paggamit ng pare-parehong dami ng surfactant, i.e. 0.10 g SLS (Talahanayan 1), ang kontribusyon ng bawat particle ng molekula ng surfactant ay bababa, sa gayon ay mababawasan ang laki ng particle at laki ng particle. Ang distribusyon ng SATEOS2 (Fig. 9c) at SATEOS3 (Fig. 9d) ay naiiba sa distribusyon ng SATEOS 1 (Fig. 9b).
Kung ikukumpara sa SATEOS1 (Larawan 9b), ang SATEOS2 ay nagpakita ng siksik na morpolohiya ng microencapsulated SA at ang laki ng particle ay tumaas (Larawan 9c). Ito ay dahil sa agglomeration 49, na nagpapababa sa coagulation rate (Larawan 2b). Habang tumataas ang dami ng SC kasabay ng pagtaas ng SLS, ang mga microcapsule ay nagiging malinaw na nakikita, tulad ng ipinapakita sa Larawan kung paano nangyayari ang aggregation. Bukod pa rito, ipinapakita ng Mga Larawan 9e–g na ang lahat ng particle ay malinaw na spherical sa hugis at laki. Napagtanto na sa pagkakaroon ng malaking dami ng SA, maaaring makuha ang angkop na dami ng silica oligomers, na nagiging sanhi ng angkop na condensation at encapsulation at samakatuwid ay ang pagbuo ng mahusay na natukoy na mga microcapsule49. Mula sa mga resulta ng SEM, malinaw na ang SATEOS6 ay bumuo ng kaukulang mga microcapsule kumpara sa isang maliit na dami ng SA.
Ang mga resulta ng energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) ng bulk SA at microcapsule SA ay ipinapakita sa Table 3. Gaya ng makikita sa table na ito, ang nilalaman ng Si ay unti-unting bumababa mula SATEOS1 (12.34%) hanggang SATEOS6 (2.68%). Pagtaas sa SA. Samakatuwid, masasabi natin na ang pagtaas sa dami ng SA ay humahantong sa pagbaba ng deposition ng SiO2 sa ibabaw ng SA. Walang mga pare-parehong halaga para sa nilalaman ng C at O ​​sa Table 3 dahil sa semi-quantitative analysis ng EDS51. Ang nilalaman ng Si ng microencapsulated SA ay may kaugnayan sa mga resulta ng FT-IR, XRD at XPS.
Ang pagtunaw at pagtigas ng bulk SA pati na rin ang microencapsulated SA na may SiO2 shell ay ipinapakita sa Figures 1 at 2. Ipinapakita ang mga ito sa Figures 10 at 11 ayon sa pagkakabanggit, at ang thermal data ay ipinapakita sa Table 4. Ang temperatura ng pagtunaw at pagtigas ng microencapsulated SA ay natagpuang magkaiba. Habang tumataas ang dami ng SA, tumataas din ang temperatura ng pagtunaw at pagtigas at papalapit sa mga halaga ng bulk SA. Pagkatapos ng microencapsulation ng SA, pinapataas ng silica wall ang temperatura ng crystallization, at ang dingding nito ay gumaganap bilang isang core upang itaguyod ang heterogeneity. Samakatuwid, habang tumataas ang dami ng SA, unti-unting tumataas din ang temperatura ng pagtunaw (Fig. 10) at pagtigas (Fig. 11). Sa lahat ng sample ng microencapsulated SA, ang SATEOS6 ang nagpakita ng pinakamataas na temperatura ng pagtunaw at pagtigas, na sinusundan ng SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2, at SATEOS1.
Ang SATEOS1 ay nagpapakita ng pinakamababang melting point (68.97 °C) at solidification temperature (60.60 °C), na dahil sa mas maliit na laki ng particle kung saan ang paggalaw ng mga SA particle sa loob ng mga microcapsule ay napakaliit at ang SiO2 shell ay bumubuo ng isang makapal na layer at samakatuwid ay nililimitahan ng Core Material ang stretch at paggalaw49. Ang hypothesis na ito ay nauugnay sa mga resulta ng SEM, kung saan ang SATEOS1 ay nagpakita ng mas maliit na laki ng particle (Fig. 9b), na dahil sa katotohanan na ang mga SA molecule ay nakakulong sa loob ng isang napakaliit na lugar ng mga microcapsule. Ang pagkakaiba sa temperatura ng melting at solidification ng pangunahing masa, pati na rin ang lahat ng SA microcapsule na may SiO2 shell, ay nasa hanay na 6.10–8.37 °C. Ang resultang ito ay nagpapahiwatig na ang microencapsulated SA ay maaaring gamitin bilang isang potensyal na materyal sa pag-iimbak ng enerhiya dahil sa mahusay na thermal conductivity ng SiO2 shell 65.
Gaya ng makikita sa Talahanayan 4, ang SATEOS6 ang may pinakamataas na enthalpy sa lahat ng microencapsulated SCs (Fig. 9g) dahil sa wastong encapsulation na naobserbahan ng SEM. Ang SA packing rate ay maaaring kalkulahin gamit ang equation (1). (1) Sa pamamagitan ng paghahambing ng latent heat data ng microencapsulated SA49.
Ang halagang R ay kumakatawan sa antas ng encapsulation (%) ng microencapsulated SC, ang ΔHMEPCM,m ay kumakatawan sa latent heat of fusion ng microencapsulated SC, at ang ΔHPCM,m ay kumakatawan sa latent heat of fusion ng SC. Bukod pa rito, ang packaging efficiency (%) ay kinakalkula bilang isa pang mahalagang teknikal na parameter, gaya ng ipinapakita sa Equation (1). (2)49.
Ang halagang E ay kumakatawan sa kahusayan ng encapsulation (%) ng microencapsulated CA, ang ΔHMEPCM,s ay kumakatawan sa latent heat of cure ng microencapsulated CA, at ang ΔHPCM,s ay kumakatawan sa latent heat of cure ng CA.
Gaya ng ipinapakita sa Talahanayan 4, ang antas ng pag-iimpake at kahusayan ng SATEOS1 ay 71.89% at 67.68%, ayon sa pagkakabanggit, at ang antas ng pag-iimpake at kahusayan ng SATEOS6 ay 90.86% at 86.68%, ayon sa pagkakabanggit (Talahanayan 4). Ang Sample na SATEOS6 ay nagpapakita ng pinakamataas na koepisyent ng encapsulation at kahusayan sa lahat ng microencapsulated SAs, na nagpapahiwatig ng mataas na thermal capacity nito. Samakatuwid, ang paglipat mula solid patungo sa likido ay nangangailangan ng malaking halaga ng enerhiya. Bukod pa rito, ang pagkakaiba sa temperatura ng pagkatunaw at pagtigas ng lahat ng SA microcapsules at bulk SA habang nasa proseso ng paglamig ay nagpapahiwatig na ang silica shell ay nakakulong sa espasyo habang ginagawa ang microcapsule synthesis. Kaya, ipinapakita ng mga resulta na habang tumataas ang dami ng SC, unti-unting tumataas ang encapsulation rate at kahusayan (Talahanayan 4).
Ang mga kurba ng TGA ng bulk SA at microcapsule SA na may SiO2 shell (SATEOS1, SATEOS3 at SATEOS6) ay ipinapakita sa Figure 12. Ang mga katangian ng thermal stability ng bulk SA (SATEOS1, SATEOS3 at SATEOS6) ay inihambing sa mga microencapsulated sample. Malinaw mula sa TGA curve na ang pagbaba ng timbang ng bulk SA pati na rin ang microencapsulated SA ay nagpapakita ng maayos at napakaliit na pagbaba mula 40°C hanggang 190°C. Sa temperaturang ito, ang bulk SC ay hindi sumasailalim sa thermal decomposition, samantalang ang microencapsulated SC ay naglalabas ng adsorbed na tubig kahit na pagkatapos matuyo sa 45 °C sa loob ng 24 na oras. Nagresulta ito sa bahagyang pagbaba ng timbang,49 ngunit lampas sa temperaturang ito ang materyal ay nagsimulang masira. Sa mas mababang nilalaman ng SA (ibig sabihin, SATEOS1), ang adsorbed na nilalaman ng tubig ay mas mataas at samakatuwid ang mass loss hanggang 190 °C ay mas mataas (nakalagay sa Fig. 12). Sa sandaling tumaas ang temperatura sa itaas ng 190 °C, magsisimulang mawalan ng masa ang sample dahil sa mga proseso ng dekomposisyon. Ang bulk SA ay nagsisimulang mabulok sa 190°C at 4% na lamang ang natitira sa 260°C, samantalang ang SATEOS1, SATEOS3 at SATEOS6 ay nagpapanatili ng 50%, 20% at 12% sa temperaturang ito, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ng 300 °C, ang pagkawala ng masa ng bulk SA ay humigit-kumulang 97.60%, habang ang pagkawala ng masa ng SATEOS1, SATEOS3, at SATEOS6 ay humigit-kumulang 54.20%, 82.40%, at 90.30%, ayon sa pagkakabanggit. Sa pagtaas ng nilalaman ng SA, bumababa ang nilalaman ng SiO2 (Talahanayan 3), at ang pagnipis ng shell ay naobserbahan sa SEM (Larawan 9). Kaya naman, ang pagbaba ng timbang ng microencapsulated SA ay mas mababa kumpara sa bulk SA, na ipinaliwanag ng mga kanais-nais na katangian ng SiO2 shell, na nagtataguyod ng pagbuo ng isang carbonaceous silicate-carbonaceous layer sa ibabaw ng SA, sa gayon ay inihihiwalay ang SA core at pinapabagal ang paglabas ng mga nagresultang volatile products10. Ang char layer na ito ay bumubuo ng isang pisikal na proteksiyon na harang sa panahon ng thermal decomposition, na nililimitahan ang paglipat ng mga nasusunog na molekula patungo sa gas phase66,67. Bukod pa rito, makakakita rin tayo ng mga makabuluhang resulta ng pagbaba ng timbang: Ang SATEOS1 ay nagpapakita ng mas mababang mga halaga kumpara sa SATEOS3, SATEOS6 at SA. Ito ay dahil ang dami ng SA sa SATEOS1 ay mas mababa kaysa sa SATEOS3 at SATEOS6, kung saan ang SiO2 shell ay bumubuo ng isang makapal na layer. Sa kabaligtaran, ang kabuuang pagbaba ng timbang ng bulk SA ay umaabot sa 99.50% sa 415 °C. Gayunpaman, ang SATEOS1, SATEOS3, at SATEOS6 ay nagpakita ng 62.50%, 85.50%, at 93.76% na pagbaba ng timbang, ayon sa pagkakabanggit, sa 415 °C. Ipinapahiwatig ng resultang ito na ang pagdaragdag ng TEOS ay nagpapabuti sa pagkasira ng SA sa pamamagitan ng pagbuo ng isang SiO2 layer sa ibabaw ng SA. Ang mga layer na ito ay maaaring bumuo ng isang pisikal na proteksiyon na harang, at samakatuwid ay maaaring maobserbahan ang isang pagbuti sa thermal stability ng microencapsulated CA.
Ang mga resulta ng thermal reliability ng bulk SA at ang pinakamahusay na microencapsulated sample (ibig sabihin, SATEOS 6) pagkatapos ng 30 heating at cooling cycle ng DSC51,52 ay ipinapakita sa Figure 13. Makikita na ang bulk SA (Figure 13a) ay hindi nagpapakita ng anumang pagkakaiba sa temperatura ng pagkatunaw, solidification at enthalpy value, habang ang SATEOS6 (Fig. 13b) ay hindi nagpapakita ng anumang pagkakaiba sa temperatura at enthalpy value kahit na pagkatapos ng ika-30 heating cycle at proseso ng paglamig. Ang Bulk SA ay nagpakita ng melting point na 72.10 °C, solidification temperature na 64.69 °C, at ang init ng fusion at solidification pagkatapos ng unang cycle ay 201.0 J/g at 194.10 J/g, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ng ika-30 cycle, ang melting point ng mga halagang ito ay bumaba sa 71.24 °C, ang solidification temperature ay bumaba sa 63.53 °C, at ang enthalpy value ay bumaba ng 10%. Ang mga pagbabago sa temperatura ng pagkatunaw at solidification, pati na rin ang pagbaba sa mga halaga ng enthalpy, ay nagpapahiwatig na ang bulk CA ay hindi maaasahan para sa mga aplikasyon na hindi microencapsulation. Gayunpaman, pagkatapos maganap ang wastong microencapsulation (SATEOS6), ang mga temperatura ng pagkatunaw at solidification at mga halaga ng enthalpy ay hindi nagbabago (Fig. 13b). Kapag na-microencapsulate na gamit ang SiO2 shells, ang SA ay maaaring gamitin bilang isang phase change material sa mga thermal application, lalo na sa konstruksyon, dahil sa pinakamainam na temperatura ng pagkatunaw at solidification at matatag na enthalpy nito.
Mga kurba ng DSC na nakuha para sa mga sample na SA (a) at SATEOS6 (b) sa ika-1 at ika-30 na siklo ng pag-init at paglamig.
Sa pag-aaral na ito, isang sistematikong pagsisiyasat sa microencapsulation ang isinagawa gamit ang SA bilang pangunahing materyal at SiO2 bilang materyal ng shell. Ang TEOS ay ginagamit bilang precursor upang bumuo ng isang SiO2 support layer at isang protective layer sa ibabaw ng SA. Matapos ang matagumpay na synthesis ng microencapsulated SA, ipinakita ng mga resulta ng FT-IR, XRD, XPS, SEM at EDS ang presensya ng SiO2. Ipinapakita ng SEM analysis na ang sample ng SATEOS6 ay nagpapakita ng mahusay na tinukoy na spherical particles na napapalibutan ng mga SiO2 shell sa ibabaw ng SA. Gayunpaman, ang MEPCM na may mas mababang nilalaman ng SA ay nagpapakita ng agglomeration, na nagpapababa sa performance ng PCM. Ipinakita ng XPS analysis ang presensya ng Si-O-Si at Si-OH sa mga sample ng microcapsule, na nagpakita ng adsorption ng SiO2 sa ibabaw ng SA. Ayon sa thermal performance analysis, ang SATEOS6 ay nagpapakita ng pinakamaaasahan na kakayahan sa pag-iimbak ng init, na may temperatura ng pagkatunaw at pagtigas na 70.37°C at 64.27°C, ayon sa pagkakabanggit, at latent heat ng pagkatunaw at pagtigas na 182.53 J/g at 160.12 J/g. G. ayon sa pagkakabanggit. Ang pinakamataas na packaging efficiency ng SATEOS6 ay 86.68%. Kinumpirma ng TGA at DSC thermal cycle analysis na ang SATEOS6 ay mayroon pa ring mahusay na thermal stability at reliability kahit na pagkatapos ng 30 proseso ng pag-init at paglamig.
Yang T., Wang XY at Li D. Pagsusuri ng Pagganap ng Thermochemical Solid-Gas Composite Adsorption System para sa Thermal Energy Storage at Pagpapabuti ng Kahusayan Nito. aplikasyon. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. at Al-Hallaj, S. Isang pagsusuri sa pag-iimbak ng enerhiya sa pagbabago ng yugto: mga materyales at aplikasyon. Tagapagpalit ng enerhiya. Tagapamahala. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS at Saini JS Pagganap ng paglipat ng init ng mga sistema ng pag-iimbak ng thermal energy gamit ang mga PCM capsule: isang pagsusuri. update. suporta. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. at Bruno, F. Isang Pagsusuri sa mga Materyales sa Pag-iimbak at mga Teknolohiya sa Pagpapahusay ng Pagganap ng Thermal para sa mga Sistema ng Pag-iimbak ng Thermal sa Mataas na Temperatura na May Pagbabago ng Yugto. update. suporta. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Paghahanda at paglalarawan ng mga materyales na may nanoencapsulated thermal energy n-tetradecane phase change. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. at Li, M. Sintesis ng mga nobelang composite material na matatag sa hugis at nagbabagong yugto gamit ang mga binagong graphene aerogels para sa solar energy conversion at storage. Sol. Mga materyales sa enerhiya. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., at Fang, G. Morpolohikal na paglalarawan at aplikasyon ng mga materyales na nagbabago ng yugto sa pag-iimbak ng enerhiyang thermal: isang pagsusuri. update. suporta. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).