Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi sonuçlar için, tarayıcınızın daha yeni bir sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamlılığını sağlamak için siteyi stil veya JavaScript olmadan görüntülüyoruz.
Stearik asit (SA), enerji depolama cihazlarında faz değişim malzemesi (PCM) olarak kullanılır. Bu çalışmada, SiO2 kabuk yüzey aktif maddesinin mikroenkapsülasyonu için sol-jel yöntemi kullanılmıştır. Çeşitli miktarlarda SA (5, 10, 15, 20, 30 ve 50 g), 10 mL tetraetil ortosilikat (TEOS) içine kapsüllenmiştir. Sentezlenen mikroenkapsüle faz değişim malzemesi (MEPCM), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon sonuçları, SA'nın SiO2 ile başarılı bir şekilde kapsüllendiğini göstermiştir. Termogravimetrik analiz (TGA), MEPCM'nin CA'dan daha iyi termal kararlılığa sahip olduğunu göstermiştir. Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) kullanılarak, MEPCM'nin entalpi değerinin 30 ısıtma-soğutma döngüsünden sonra bile değişmediği tespit edildi. Tüm mikroenkapsüle edilmiş numuneler arasında, MEPCM içeren 50 g SA'nın erime ve katılaşma gizli ısıları en yüksek olup, sırasıyla 182,53 J/g ve 160,12 J/g idi. Paket verimlilik değeri termal veriler kullanılarak hesaplandı ve aynı numune için en yüksek verimlilik %86,68 olarak bulundu.
İnşaat sektöründe kullanılan enerjinin yaklaşık %58'i binaların ısıtılması ve soğutulması için kullanılmaktadır¹. Bu nedenle, çevresel kirliliği dikkate alan verimli enerji sistemleri oluşturmak en gerekli olanıdır². Faz değişim malzemeleri (PCM) kullanan gizli ısı teknolojisi, düşük sıcaklık dalgalanmalarında yüksek enerji depolayabilir³⁻⁴⁻⁵⁻⁶ ve ısı transferi, güneş enerjisi depolama, havacılık ve iklimlendirme⁷⁻⁸⁻⁹ gibi alanlarda yaygın olarak kullanılabilir. PCM, gün boyunca bina dış cephelerinden termal enerjiyi emer ve gece boyunca enerji salar¹⁰. Bu nedenle, faz değişim malzemeleri termal enerji depolama malzemeleri olarak önerilmektedir. Ayrıca, katı-katı, katı-sıvı, sıvı-gaz ​​ve katı-gaz¹¹ gibi farklı PCM türleri bulunmaktadır. Bunlar arasında en popüler ve sık kullanılan faz değişim malzemeleri katı-katı faz değişim malzemeleri ve katı-sıvı faz değişim malzemeleridir. Bununla birlikte, sıvı-gaz ​​ve katı-gaz ​​faz geçiş malzemelerinin muazzam hacimsel değişimleri nedeniyle uygulamaları çok zordur.
PCM'nin özellikleri nedeniyle çeşitli uygulamaları vardır: 15°C'nin altındaki sıcaklıklarda eriyenler, soğuk sıcaklıkları korumak için klima sistemlerinde, 90°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda eriyenler ise yangınları önlemek için ısıtma sistemlerinde kullanılabilir.12 Uygulamaya ve erime noktası aralığına bağlı olarak, çeşitli organik ve inorganik kimyasallardan çeşitli faz değişim malzemeleri sentezlenmiştir.13,14,15 Parafin, yüksek gizli ısı, aşındırıcı olmama, güvenlik ve geniş bir erime noktası aralığına sahip olması nedeniyle en yaygın kullanılan faz değişim malzemesidir.16,17,18,19,20,21
Ancak, faz değişim malzemelerinin düşük ısı iletkenliği nedeniyle, faz değişim işlemi sırasında ana malzemenin sızmasını önlemek için bir kabuk (dış katman) içine alınmaları gerekir.22 Ayrıca, işletme hataları veya dış basınç dış katmanı (kaplamayı) hasar verebilir ve erimiş faz değişim malzemesi yapı malzemeleriyle reaksiyona girerek gömülü çelik çubukların korozyonuna neden olabilir ve böylece binanın kullanılabilirliğini azaltabilir.23 Bu nedenle, yukarıdaki sorunları çözebilecek yeterli kabuk malzemesine sahip kapsüllenmiş faz değişim malzemelerinin sentezlenmesi önemlidir.24
Faz değişim malzemelerinin mikroenkapsülasyonu, ısı transferini etkili bir şekilde artırabilir, çevresel reaktiviteyi azaltabilir ve hacim değişikliklerini kontrol edebilir. PCM kapsüllemesi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir; bunlar arasında arayüzey polimerizasyonu25,26,27,28, yerinde polimerizasyon29,30,31,32, koaservasyon33,34,35 ve sol-jel işlemleri36,37,38,39 yer almaktadır. Formaldehit reçinesi mikroenkapsülasyon için kullanılabilir40,41,42,43. Kabuk malzemesi olarak melamin-formaldehit ve üre-formaldehit reçineleri kullanılır ve bunlar genellikle çalışma sırasında toksik formaldehit yayarlar. Bu nedenle, bu malzemelerin ambalajlama işlemlerinde kullanılması yasaktır. Bununla birlikte, ölçeklenebilir termal enerji depolama için çevre dostu faz değişim malzemeleri, yağ asitleri ve lignin bazlı hibrit nanokapsüller kullanılarak sentezlenebilir44.
Zhang ve ark. 45, tetraetil ortosilikattan laurik asit sentezlediler ve metiltrietoksisilanın tetraetil ortosilikata hacim oranı arttıkça gizli ısının azaldığını ve yüzey hidrofobikliğinin arttığını sonucuna vardılar. Laurik asit, kapok lifleri için potansiyel ve etkili bir çekirdek malzeme olabilir46. Ayrıca, Latibari ve ark. 47, kabuk malzemesi olarak TiO2 kullanarak stearik asit bazlı PCM'ler sentezlediler. Zhu ve ark., potansiyel PCM'ler olarak n-oktadekan ve silikon nanokapsüller hazırladılar48. Literatür taramasından, etkili ve kararlı mikroenkapsüle edilmiş faz değişim malzemelerinin oluşumu için önerilen dozajı anlamak zordur.
Bu nedenle, yazarların bilgisine göre, mikroenkapsülasyon için kullanılan faz değişim malzemesinin miktarı, verimli ve kararlı mikroenkapsüle edilmiş faz değişim malzemelerinin üretimi için önemli bir parametredir. Farklı miktarlarda faz değişim malzemesi kullanmak, mikroenkapsüle edilmiş faz değişim malzemelerinin farklı özelliklerini ve kararlılığını aydınlatmamızı sağlayacaktır. Stearik asit (yağ asidi), yüksek entalpi değerine (~200 J/g) sahip olması ve 72 °C'ye kadar sıcaklıklara dayanabilmesi nedeniyle termal enerjiyi depolamak için kullanılabilen, çevre dostu, tıbbi açıdan önemli ve ekonomik bir maddedir. Ayrıca, SiO2 yanıcı değildir, çekirdek malzemelere daha yüksek mekanik dayanım, termal iletkenlik ve daha iyi kimyasal direnç sağlar ve inşaatta puzolanik bir malzeme olarak işlev görür. Çimento suyla karıştırıldığında, yetersiz kapsüllenmiş PCM'ler, mekanik aşınma ve büyük beton yapılarda oluşan yüksek sıcaklıklar (hidratasyon ısısı) nedeniyle çatlayabilir. Bu nedenle, SiO2 kabuklu mikroenkapsüle edilmiş CA kullanımı bu sorunu çözebilir. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı, sol-jel yöntemiyle sentezlenen faz değişim malzemelerinin (PCM'ler) inşaat uygulamalarındaki performansını ve verimliliğini araştırmaktır. Bu çalışmada, SiO2 kabuklarına kapsüllenmiş farklı miktarlarda (5, 10, 15, 20, 30 ve 50 g) SA (baz malzeme olarak) sistematik olarak incelenmiştir. SiO2 kabuğunun oluşumu için öncü çözelti olarak 10 ml hacminde sabit miktarda tetraetilortosilikat (TEOS) kullanılmıştır.
Çekirdek malzeme olarak reaktif sınıf stearik asit (SA, C18H36O2, erime noktası: 72°C), Güney Kore, Gyeonggi-do'daki Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.'den satın alındı. Ön madde çözeltisi olarak tetraetilortosilikat (TEOS, C8H20O4Si), Belçika, Geel'deki Acros Organics'ten satın alındı. Ayrıca, mutlak etanol (EA, C2H5OH) ve sodyum lauril sülfat (SLS, C12H25NaO4S) Güney Kore, Gyeonggi-do'daki Daejung Chemical & Metals Co., Ltd.'den satın alındı ​​ve sırasıyla çözücü ve yüzey aktif madde olarak kullanıldı. Damıtılmış su da çözücü olarak kullanıldı.
Farklı miktarlarda SA, 100 mL damıtılmış suda farklı oranlarda sodyum lauril sülfat (SLS) ile manyetik karıştırıcı kullanılarak 800 rpm'de ve 75 °C'de 1 saat süreyle karıştırıldı (Tablo 1). SA emülsiyonları iki gruba ayrıldı: (1) 5, 10 ve 15 g SA, 100 ml damıtılmış suda 0,10 g SLS ile karıştırıldı (SATEOS1, SATEOS2 ve SATEOS3), (2) 20, 30 ve 50 g SA, 100 ml damıtılmış suda 0,15, 0,20 ve 0,25 g SLS ile karıştırıldı (SATEOS4, SATEOS5 ve SATEOS6). 0,10 g SLS, ilgili emülsiyonları oluşturmak için 5, 10 ve 15 g SA ile kullanıldı. Daha sonra, SATEOS4, SATEOS5 ve SATEOS6 için SLS sayısının artırılması önerildi. Tablo 1, kararlı emülsiyon çözeltileri elde etmek için kullanılan CA ve SLS oranlarını göstermektedir.
100 ml'lik bir behere 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA) ve 20 ml damıtılmış su koyun. Farklı SA ve SiO2 kabuk oranlarının kapsülleme verimliliğini incelemek için tüm numunelerin sentez katsayısı kaydedildi. Karışım, manyetik karıştırıcı ile 400 rpm'de ve 60°C'de 1 saat boyunca karıştırıldı. Daha sonra öncü çözelti, hazırlanan SA emülsiyonuna damla damla eklendi, 800 rpm'de ve 75°C'de 2 saat boyunca kuvvetlice karıştırıldı ve beyaz bir toz elde etmek için filtrelendi. Beyaz toz, kalan SA'yı uzaklaştırmak için damıtılmış su ile yıkandı ve 45°C'de 24 saat boyunca vakumlu fırında kurutuldu. Sonuç olarak, SiO2 kabuğuna sahip mikro kapsüllenmiş bir SC elde edildi. Mikro kapsüllenmiş SA'nın sentez ve hazırlama sürecinin tamamı Şekil 1'de gösterilmiştir.
SiO2 kabuklu SA mikro kapsülleri sol-jel yöntemiyle hazırlanmış olup, kapsülleme mekanizması Şekil 2'de gösterilmiştir. İlk adım, yüzey aktif madde olarak SLS içeren sulu bir çözeltide SA emülsiyonu hazırlamayı içerir. Bu durumda, SA molekülünün hidrofobik ucu SLS'ye, hidrofilik ucu ise su moleküllerine bağlanarak kararlı bir emülsiyon oluşturur. Böylece, SLS'nin hidrofobik kısımları korunur ve SA damlacığının yüzeyini kaplar. Öte yandan, TEOS çözeltilerinin hidrolizi su molekülleri tarafından yavaşça gerçekleşir ve etanol varlığında hidrolize TEOS oluşumuna yol açar (Şekil 2a) 49,50,51. Hidrolize TEOS, yoğunlaşma reaksiyonuna girer ve bu sırada n-hidrolize TEOS silika kümeleri oluşturur (Şekil 2b). Silika kümeleri, SLS varlığında SA52 ile kapsüllendi (Şekil 2c), bu işleme mikroenkapsülasyon süreci denir.
SiO2 kabuğu ile CA'nın mikroenkapsülasyonunun şematik diyagramı (a) TEOS'un hidrolizi (b) hidrolizatın yoğunlaşması ve (c) SiO2 kabuğu ile CA'nın kapsüllenmesi.
Toplu SA ve mikroenkapsüle edilmiş SA'nın kimyasal analizi, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometresi (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, ABD) kullanılarak gerçekleştirildi ve spektrumlar 500 ila 4000 cm-1 aralığında kaydedildi.
SA fazlarının ve mikrokapsül malzemelerinin analizi için bir X-ışını kırınım cihazı (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japonya) kullanıldı. X-ışını yapısal taraması, 2θ = 5°–95° aralığında, 4°/dk tarama hızıyla, Cu-Kα radyasyonu (λ = 1,541 Å), 25 kV ve 100 mA çalışma koşullarında, sürekli tarama modunda gerçekleştirildi. Tüm numunelerde 50°'den sonra herhangi bir tepe noktası gözlenmediğinden, X-ışını görüntüleri 2θ = 5–50° aralığında oluşturuldu.
SA'nın genel kimyasal durumunu ve kapsülleme malzemesinde bulunan elementleri anlamak için X-ışını kaynağı olarak Al Kα (1486,6 eV) kullanılarak X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS, Scienta Omicron R3000, ABD) gerçekleştirildi. Toplanan XPS spektrumları, egzotik karbon (bağlanma enerjisi 284,6 eV) kullanılarak C 1s pikine göre kalibre edildi. Shirley yöntemi kullanılarak arka plan düzeltmesi yapıldıktan sonra, her bir elementin yüksek çözünürlüklü pikleri ayrıştırıldı ve CASA XPS yazılımı kullanılarak Gauss/Lorentz fonksiyonlarına uyduruldu.
Yığın SC ve mikroenkapsüle edilmiş SC'nin morfolojisi, 15 kV'de enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile donatılmış taramalı elektron mikroskobu (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Çek Cumhuriyeti) kullanılarak incelendi. SEM görüntülemesinden önce, şarj etkilerini önlemek için numuneler platin (Pt) ile kaplandı.
Termal özellikler (erime/katılaşma noktası ve gizli ısı) ve güvenilirlik (termal döngü), 40 °C ve 90 °C'de 10 °C/dk ısıtma/soğutma hızıyla ve sürekli azot gazı akışı altında diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, ABD) kullanılarak belirlendi. Ağırlık kaybı analizi, 40–600 °C sıcaklıktan başlayarak, 10 °C/dk ısıtma hızıyla sürekli azot akışı altında bir TGA analizörü (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, ABD) kullanılarak gerçekleştirildi.
Şekil 3, kütlesel SC'nin yanı sıra mikroenkapsüle edilmiş SC'nin (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 ve SATEOS6) FTIR spektrumlarını göstermektedir. Tüm örneklerde (SA ve mikroenkapsüle edilmiş SA) 2910 cm-1 ve 2850 cm-1'deki absorpsiyon pikleri sırasıyla –CH3 ve –CH2 gruplarının simetrik gerilme titreşimlerine atfedilir10,50. 1705 cm–1'deki pik, C=O bağının titreşimsel gerilmesine karşılık gelir. 1470 cm-1 ve 1295 cm-1'deki pikler, –OH fonksiyonel grubunun düzlem içi bükülme titreşimine atfedilirken, 940 cm-1 ve 719 cm-1'deki pikler sırasıyla düzlem içi titreşim ve akma düzlemi deformasyon titreşimine karşılık gelir. Mikroenkapsüle edilmiş tüm SA'larda 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 ve 719 cm-1'de SA'nın absorbsiyon pikleri de gözlemlendi. Ek olarak, SA mikro kapsülünde Si-O-Si bandının antisimetrik gerilme titreşimine karşılık gelen 1103 cm-1'de yeni keşfedilen bir pik gözlemlendi. FT-IR sonuçları Yuan ve ark. 50 ile tutarlıdır. Amonyak/etanol oranında mikroenkapsüle edilmiş SA'yı başarıyla hazırladılar ve SA ile SiO2 arasında kimyasal etkileşim olmadığını buldular. Mevcut FT-IR çalışmasının sonuçları, SiO2 kabuğunun, hidrolize edilmiş TEOS'un yoğunlaşma süreci ve polimerizasyonu yoluyla SA'yı (çekirdek) başarıyla kapsüllediğini göstermektedir. Daha düşük SA içeriğinde, Si-O-Si bandının pik yoğunluğu daha yüksektir (Şekil 3b-d). SA miktarı 15 g'ı aştıkça, tepe noktasının yoğunluğu ve Si-O-Si bandının genişlemesi kademeli olarak azalır; bu da SA yüzeyinde ince bir SiO2 tabakasının oluştuğunu gösterir.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 ve (g) SATEOS6'nın FTIR spektrumları.
Şekil 4'te, kütle halindeki SA ve mikro kapsüllenmiş SA'nın XRD desenleri gösterilmiştir. XRD pikleri, 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° (JCPDS No. 0381923, 02'ye göre), tüm numunelerde 21,42° (311), 24,04° (602) ve 39,98° (913) değerlerinde SA'ya atanmıştır. Yüzey aktif madde (SLS), diğer kalıntı maddeler ve SiO250'nin mikro kapsüllenmesi gibi belirsiz faktörler nedeniyle kütle halindeki CA ile bozulma ve melezleşme meydana gelmiştir. Kapsülleme gerçekleştikten sonra, ana piklerin (300), (500), (311) ve (602) yoğunluğu, kütle halindeki CA'ya kıyasla kademeli olarak azalır; bu da numunenin kristalliğinde bir azalmaya işaret eder.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 ve (g) SATEOS6'nın XRD desenleri.
SATEOS1'in yoğunluğu diğer örneklere kıyasla keskin bir şekilde azalmaktadır. Tüm mikroenkapsüle edilmiş örneklerde başka tepe noktası gözlenmemiştir (Şekil 4b–g), bu da SA yüzeyinde kimyasal etkileşimden ziyade SiO252'nin fiziksel adsorpsiyonunun gerçekleştiğini doğrulamaktadır. Ayrıca, SA'nın mikroenkapsülasyonunun herhangi bir yeni yapının ortaya çıkmasına yol açmadığı da sonucuna varılmıştır. SiO2, herhangi bir kimyasal reaksiyon olmaksızın SA yüzeyinde bozulmadan kalır ve SA miktarı azaldıkça mevcut tepe noktaları daha belirgin hale gelir (SATEOS1). Bu sonuç, SiO2'nin esas olarak SA yüzeyini kapladığını göstermektedir. (700)'deki tepe noktası tamamen kaybolur ve SATEOS 1'de (Şekil 4b) \((\overline{5}02)\)'deki tepe noktası bir tümsek haline gelir; bu da azalmış kristalinite ve artmış amorfizm ile ilişkilidir. SiO2 doğası gereği amorf olduğundan, 2θ = 19° ile 25° arasında gözlemlenen piklerde bir tümsek ve genişleme vardır53 (Şekil 4b–g), bu da amorf SiO2'nin varlığını doğrular52. Mikroenkapsüle edilmiş SA'nın daha düşük kırınım pik yoğunluğu, silika iç duvarının çekirdeklenme etkisinden ve sınırlayıcı kristalleşme davranışından kaynaklanmaktadır49. Daha düşük SA içeriğiyle, büyük miktarda TEOS'un varlığı nedeniyle daha kalın bir silika kabuğunun oluştuğuna inanılmaktadır; bu TEOS büyük ölçüde SA'nın dış yüzeyine adsorbe olur. Bununla birlikte, SA miktarı arttıkça, emülsiyon çözeltisindeki SA damlacıklarının yüzey alanı artar ve uygun kapsülleme için daha fazla TEOS gerekir. Bu nedenle, daha yüksek SA içeriğiyle, FT-IR'deki SiO2 tepe noktası bastırılır (Şekil 3) ve XRF'de (Şekil 4) 2θ = 19–25° civarındaki kırınım tepe noktasının yoğunluğu azalır ve genleşme de azalır. Görünür değil. Bununla birlikte, Şekil 4'te görülebileceği gibi, SA miktarı 5 g'dan (SATEOS1) 50 g'a (SATEOS6) artırıldığı anda, tepe noktaları kütle halindeki SA'ya çok yaklaşır ve (700)'deki tepe noktası, tanımlanan tüm tepe yoğunluklarıyla birlikte görünür. Bu sonuç, FT-IR sonuçlarıyla da örtüşmektedir; burada SiO2 SATEOS6 tepe noktasının yoğunluğu 1103 cm-1'de azalmaktadır (Şekil 3g).
SA, SATEOS1 ve SATEOS6'da bulunan elementlerin kimyasal durumları Şekil 1 ve 2'de, Şekil 5, 6, 7 ve 8'de ve Tablo 2'de gösterilmiştir. Şekil 5'te SA, SATEOS1 ve SATEOS6'nın kütlesel ölçüm taramaları, Şekil 5'te ise C 1s, O 1s ve Si 2p için yüksek çözünürlüklü taramalar sırasıyla Şekil 5, 6, 7 ve 8'de ve Tablo 2'de gösterilmiştir. XPS ile elde edilen bağlanma enerjisi değerleri Tablo 2'de özetlenmiştir. Şekil 5'ten görülebileceği gibi, SiO2 kabuğunun mikroenkapsülasyonunun gerçekleştiği SATEOS1 ve SATEOS6'da belirgin Si 2s ve Si 2p pikleri gözlemlenmiştir. Önceki araştırmacılar 155,1 eV'de benzer bir Si 2s piki bildirmişlerdir. SATEOS1'de (Şekil 5b) ve SATEOS6'da (Şekil 5c) Si piklerinin varlığı, FT-IR (Şekil 3) ve XRD (Şekil 4) verilerini doğrulamaktadır.
Şekil 6a'da gösterildiği gibi, kütle halindeki SA'nın C 1s'si, bağlanma enerjilerinde sırasıyla 284,5 eV, 285,2 eV ve 289,5 eV olan üç farklı CC, kalifatik ve O=C=O tepesine sahiptir. C–C, kalifatik ve O=C=O tepeleri SATEOS1'de (Şekil 6b) ve SATEOS6'da (Şekil 6c) da gözlemlenmiştir ve Tablo 2'de özetlenmiştir. Buna ek olarak, C 1s tepesi ayrıca 283,1 eV'de (SATEOS1) ve 283,5 eV'de (SATEOS6) ek bir Si-C tepesine karşılık gelir. C–C, kalifatik, O=C=O ve Si–C için gözlemlenen bağlanma enerjilerimiz diğer kaynaklarla iyi bir şekilde örtüşmektedir55,56.
O 1 SA, SATEOS1 ve SATEOS6'nın XPS spektrumları sırasıyla Şekil 7a-c'de gösterilmiştir. Yığın SA'nın O 1s piki ayrıştırılmış olup iki pik içermektedir: C=O/C–O (531,9 eV) ve C–O–H (533,0 eV). SATEOS1 ve SATEOS6'nın O 1'i ise tutarlıdır ve yalnızca üç pik içermektedir: C=O/C–O, C–O–H ve Si–OH55,57,58. SATEOS1 ve SATEOS6'daki O 1s bağlanma enerjisi, yığın SA'ya kıyasla hafifçe değişmektedir; bu durum, kabuk malzemesinde SiO2 ve Si-OH'nin bulunmasından kaynaklanan kimyasal parçadaki bir değişiklikle ilişkilidir.
SATEOS1 ve SATEOS6'nın Si 2p XPS spektrumları sırasıyla Şekil 8a ve b'de gösterilmiştir. Yığın CA'da, SiO2'nin yokluğu nedeniyle Si 2p gözlemlenmemiştir. Si 2p tepe noktası, SATEOS1 için 105,4 eV ve SATEOS6 için 105,0 eV'ye karşılık gelir ve Si-O-Si'ye karşılık gelirken, SATEOS1 tepe noktası 103,5 eV ve SATEOS6 tepe noktası 103,3 eV'ye karşılık gelir ve Si-OH55'e karşılık gelir. SATEOS1 ve SATEOS6'daki Si-O-Si ve Si-OH tepe noktası uyumu, SA çekirdek yüzeyinde SiO2'nin başarılı bir şekilde mikro kapsüllenmesini ortaya koymuştur.
Mikroenkapsüle edilmiş malzemenin morfolojisi, çözünürlüğü, stabilitesini, kimyasal reaktivitesini, akışkanlığını ve mukavemetini etkilediği için çok önemlidir59. Bu nedenle, Şekil 9'da gösterildiği gibi, kütle halindeki SA'nın (100×) ve mikroenkapsüle edilmiş SA'nın (500×) morfolojisini karakterize etmek için SEM kullanılmıştır. Şekil 9a'dan görülebileceği gibi, SA bloğu elips şeklindedir. Parçacık boyutu 500 mikronu aşmaktadır. Bununla birlikte, mikroenkapsülasyon işlemi devam ettiğinde, Şekil 9 b-g'de gösterildiği gibi morfoloji önemli ölçüde değişmektedir.
(a) SA'nın (×100), (b) SATEOS1'in, (c) SATEOS2'nin, (d) SATEOS3'ün, (e) SATEOS4'ün, (f) SATEOS5'in ve (g) SATEOS6'nın ×500 büyütmedeki SEM görüntüleri.
SATEOS1 örneğinde, pürüzlü yüzeye sahip daha küçük, yarı küresel SiO2 ile sarılmış SA parçacıkları gözlemlenmiştir (Şekil 9b). Bu durum, SA yüzeyinde TEOS'un hidrolizi ve yoğunlaşma polimerizasyonundan kaynaklanabilir ve etanol moleküllerinin hızlı difüzyonunu hızlandırabilir. Sonuç olarak, SiO2 parçacıkları birikir ve kümelenme gözlemlenir52,60. Bu SiO2 kabuğu, mikro kapsüllenmiş CA parçacıklarına mekanik dayanıklılık sağlar ve ayrıca daha yüksek sıcaklıklarda erimiş CA'nın sızıntısını önler10. Bu sonuç, SiO2 içeren SA mikro kapsüllerinin potansiyel enerji depolama malzemeleri olarak kullanılabileceğini göstermektedir61. Şekil 9b'den görülebileceği gibi, SATEOS1 örneği, SA'yı saran kalın bir SiO2 tabakası ile homojen bir parçacık dağılımına sahiptir. Mikro kapsüllenmiş SA'nın (SATEOS1) parçacık boyutu yaklaşık 10-20 μm'dir (Şekil 9b), bu da daha düşük SA içeriği nedeniyle kütle halindeki SA'ya kıyasla önemli ölçüde daha küçüktür. Mikrokapsül tabakasının kalınlığı, öncü çözeltinin hidrolizi ve yoğunlaşma polimerizasyonundan kaynaklanmaktadır. Daha düşük SA dozlarında, yani 15 g'a kadar olan dozlarda kümelenme meydana gelir (Şekil 9b-d), ancak doz artırıldığı anda kümelenme gözlenmez, bunun yerine açıkça tanımlanmış küresel parçacıklar gözlenir (Şekil 9e-g) 62.
Ek olarak, SLS yüzey aktif maddesinin miktarı sabit olduğunda, SA içeriği (SATEOS1, SATEOS2 ve SATEOS3) de verimliliği, şekli ve parçacık boyutu dağılımını etkiler. Bu nedenle, SATEOS1'in daha küçük parçacık boyutu, homojen dağılım ve yoğun yüzey sergilediği bulunmuştur (Şekil 9b), bu da SA'nın hidrofilik doğasının sabit yüzey aktif madde altında ikincil çekirdeklenmeyi teşvik etmesine bağlanmıştır63. SA içeriğinin 5'ten 15 g'a (SATEOS1, SATEOS2 ve SATEOS3) artırılması ve sabit miktarda yüzey aktif madde, yani 0,10 g SLS (Tablo 1) kullanılmasıyla, yüzey aktif madde molekülünün her bir parçacığa katkısının azalacağı, böylece parçacık boyutunun ve parçacık boyutunun azalacağı düşünülmektedir. SATEOS2 (Şekil 9c) ve SATEOS3'ün (Şekil 9d) dağılımı, SATEOS 1'in (Şekil 9b) dağılımından farklıdır.
SATEOS1 ile karşılaştırıldığında (Şekil 9b), SATEOS2, mikroenkapsüle edilmiş SA'nın yoğun bir morfolojisini gösterdi ve parçacık boyutu arttı (Şekil 9c). Bu, pıhtılaşma oranını azaltan kümelenmeden kaynaklanmaktadır (Şekil 2b). SC miktarı SLS arttıkça arttıkça, Şekil 9'da gösterildiği gibi, mikro kapsüller açıkça görünür hale gelir ve kümelenme meydana gelir. Ayrıca, Şekil 9e-g, tüm parçacıkların şekil ve boyut olarak açıkça küresel olduğunu göstermektedir. Büyük miktarda SA varlığında, uygun miktarda silika oligomeri elde edilebileceği, uygun yoğunlaşma ve kapsüllemeye ve dolayısıyla iyi tanımlanmış mikro kapsüllerin oluşumuna neden olabileceği kabul edilmiştir49. SEM sonuçlarından, SATEOS6'nın az miktarda SA'ya kıyasla karşılık gelen mikro kapsüller oluşturduğu açıktır.
Tablo 3'te, kütlesel SA ve mikro kapsül SA'nın enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) sonuçları sunulmuştur. Bu tablodan da görülebileceği gibi, Si içeriği SATEOS1'den (%12,34) SATEOS6'ya (%2,68) doğru SA miktarındaki artışla birlikte kademeli olarak azalmaktadır. Bu nedenle, SA miktarındaki artışın SA yüzeyinde SiO2 birikiminde azalmaya yol açtığını söyleyebiliriz. EDS51'in yarı kantitatif analizi nedeniyle Tablo 3'te C ve O içerikleri için tutarlı değerler bulunmamaktadır. Mikro kapsüllenmiş SA'nın Si içeriği, FT-IR, XRD ve XPS sonuçlarıyla ilişkilendirilmiştir.
Şekil 1 ve 2'de, kütle halindeki SA'nın yanı sıra SiO2 kabuğu ile mikroenkapsüle edilmiş SA'nın erime ve katılaşma davranışları gösterilmiştir. Bunlar sırasıyla Şekil 10 ve 11'de gösterilmiş olup, termal veriler Tablo 4'te verilmiştir. Mikroenkapsüle edilmiş SA'nın erime ve katılaşma sıcaklıklarının farklı olduğu bulunmuştur. SA miktarı arttıkça, erime ve katılaşma sıcaklıkları artar ve kütle halindeki SA'nın değerlerine yaklaşır. SA mikroenkapsülasyonundan sonra, silika duvarı kristalleşme sıcaklığını artırır ve duvarı heterojenliği teşvik eden bir çekirdek görevi görür. Bu nedenle, SA miktarı arttıkça, erime (Şekil 10) ve katılaşma (Şekil 11) sıcaklıkları da kademeli olarak artar49,51,64. Tüm mikroenkapsüle edilmiş SA örnekleri arasında, SATEOS6 en yüksek erime ve katılaşma sıcaklıklarını sergilemiş, bunu sırasıyla SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 ve SATEOS1 izlemiştir.
SATEOS1, en düşük erime noktasına (68,97 °C) ve katılaşma sıcaklığına (60,60 °C) sahiptir; bu, mikro kapsüller içindeki SA parçacıklarının hareketinin çok az olduğu daha küçük parçacık boyutundan ve SiO2 kabuğunun kalın bir tabaka oluşturmasından kaynaklanmaktadır; dolayısıyla Çekirdek Malzeme gerilme ve hareketi sınırlandırır49. Bu hipotez, SATEOS1'in daha küçük parçacık boyutu gösterdiği SEM sonuçlarıyla (Şekil 9b) ilişkilidir; bu da SA moleküllerinin mikro kapsüllerin çok küçük bir alanında hapsedilmesinden kaynaklanmaktadır. Ana kütlenin yanı sıra SiO2 kabuklu tüm SA mikro kapsüllerinin erime ve katılaşma sıcaklıklarındaki fark 6,10–8,37 °C aralığındadır. Bu sonuç, mikro kapsüllenmiş SA'nın SiO2 kabuğunun iyi termal iletkenliği nedeniyle potansiyel bir enerji depolama malzemesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir65.
Tablo 4'ten görülebileceği gibi, SATEOS6, SEM ile gözlemlenen uygun kapsülleme nedeniyle tüm mikroenkapsüle edilmiş SC'ler arasında en yüksek entalpiye sahiptir (Şekil 9g). SA paketleme oranı denklem (1) kullanılarak hesaplanabilir. (1) Mikroenkapsüle edilmiş SA49'un gizli ısı verileri karşılaştırılarak.
R değeri, mikroenkapsüle edilmiş SC'nin kapsülleme derecesini (%) temsil eder, ΔHMEPCM,m mikroenkapsüle edilmiş SC'nin erime gizli ısısını temsil eder ve ΔHPCM,m SC'nin erime gizli ısısını temsil eder. Ek olarak, paketleme verimliliği (%) Denklem (1)'de gösterildiği gibi başka bir önemli teknik parametre olarak hesaplanır. (2)49.
E değeri, mikroenkapsüle edilmiş CA'nın kapsülleme verimliliğini (%) temsil eder, ΔHMEPCM,s mikroenkapsüle edilmiş CA'nın kürlenme gizli ısısını temsil eder ve ΔHPCM,s ise CA'nın kürlenme gizli ısısını temsil eder.
Tablo 4'te gösterildiği gibi, SATEOS1'in paketleme derecesi ve verimliliği sırasıyla %71,89 ve %67,68 iken, SATEOS6'nın paketleme derecesi ve verimliliği sırasıyla %90,86 ve %86,68'dir (Tablo 4). SATEOS6 örneği, tüm mikro kapsüllenmiş SA'lar arasında en yüksek kapsülleme katsayısı ve verimliliğini sergileyerek yüksek termal kapasitesini göstermektedir. Bu nedenle, katıdan sıvıya geçiş büyük miktarda enerji gerektirir. Ayrıca, soğutma işlemi sırasında tüm SA mikro kapsüllerinin ve kütle halindeki SA'nın erime ve katılaşma sıcaklıklarındaki fark, silika kabuğunun mikro kapsül sentezi sırasında uzamsal olarak sınırlandırıldığını göstermektedir. Bu nedenle, sonuçlar SC miktarı arttıkça kapsülleme oranının ve verimliliğinin kademeli olarak arttığını göstermektedir (Tablo 4).
Şekil 12'de, kütle halindeki SA ve SiO2 kabuklu mikro kapsül SA'nın (SATEOS1, SATEOS3 ve SATEOS6) TGA eğrileri gösterilmiştir. Kütle halindeki SA'nın (SATEOS1, SATEOS3 ve SATEOS6) termal kararlılık özellikleri, mikro kapsüllenmiş numunelerle karşılaştırılmıştır. TGA eğrisinden, hem kütle halindeki SA'nın hem de mikro kapsüllenmiş SA'nın ağırlık kaybının 40°C'den 190°C'ye kadar düzgün ve çok hafif bir düşüş gösterdiği açıktır. Bu sıcaklıkta, kütle halindeki SC termal bozunmaya uğramazken, mikro kapsüllenmiş SC, 45°C'de 24 saat kurutulduktan sonra bile adsorbe edilmiş suyu serbest bırakır. Bu, hafif bir ağırlık kaybına neden olur,49 ancak bu sıcaklığın ötesinde malzeme bozunmaya başlar. Daha düşük SA içeriğinde (yani SATEOS1), adsorbe edilmiş su içeriği daha yüksektir ve bu nedenle 190°C'ye kadar olan kütle kaybı daha yüksektir (Şekil 12'deki ek grafik). Sıcaklık 190 °C'nin üzerine çıktığı anda, numune bozunma süreçleri nedeniyle kütle kaybetmeye başlar. Toplu SA 190 °C'de bozunmaya başlar ve 260 °C'de sadece %4'ü kalırken, SATEOS1, SATEOS3 ve SATEOS6 bu sıcaklıkta sırasıyla %50, %20 ve %12 oranında kalır. 300 °C'den sonra, toplu SA'nın kütle kaybı yaklaşık %97,60 iken, SATEOS1, SATEOS3 ve SATEOS6'nın kütle kaybı sırasıyla yaklaşık %54,20, %82,40 ve %90,30 olmuştur. SA içeriğinin artmasıyla SiO2 içeriği azalır (Tablo 3) ve SEM'de kabuğun incelmesi gözlemlenir (Şekil 9). Bu nedenle, mikroenkapsüle edilmiş SA'nın ağırlık kaybı, kütle halindeki SA'ya kıyasla daha düşüktür; bu durum, SA yüzeyinde karbonlu silikat-karbonlu bir tabaka oluşumunu teşvik eden ve böylece SA çekirdeğini izole ederek ortaya çıkan uçucu ürünlerin salınımını yavaşlatan SiO2 kabuğunun elverişli özellikleriyle açıklanmaktadır.10 Bu kömür tabakası, termal bozunma sırasında fiziksel bir koruyucu bariyer oluşturarak yanıcı moleküllerin gaz fazına geçişini sınırlandırır.66,67 Buna ek olarak, önemli ağırlık kaybı sonuçları da görebiliriz: SATEOS1, SATEOS3, SATEOS6 ve SA'ya kıyasla daha düşük değerler göstermektedir. Bunun nedeni, SATEOS1'deki SA miktarının, SiO2 kabuğunun kalın bir tabaka oluşturduğu SATEOS3 ve SATEOS6'dakinden daha az olmasıdır. Buna karşılık, kütle halindeki SA'nın toplam ağırlık kaybı 415 °C'de %99,50'ye ulaşmaktadır. Ancak, SATEOS1, SATEOS3 ve SATEOS6, 415 °C'de sırasıyla %62,50, %85,50 ve %93,76 ağırlık kaybı göstermiştir. Bu sonuç, TEOS ilavesinin, SA yüzeyinde bir SiO2 tabakası oluşturarak SA'nın bozunmasını iyileştirdiğini göstermektedir. Bu tabakalar fiziksel bir koruyucu bariyer oluşturabilir ve bu nedenle mikroenkapsüle edilmiş CA'nın termal stabilitesinde bir iyileşme gözlemlenebilir.
Şekil 13'te, DSC51,52'nin 30 ısıtma ve soğutma döngüsünden sonra, kütle halindeki SA ve en iyi mikro kapsüllenmiş numunenin (yani SATEOS 6) termal güvenilirlik sonuçları gösterilmektedir. Kütle halindeki SA'nın (Şekil 13a) erime sıcaklığı, katılaşma ve entalpi değerinde herhangi bir fark göstermediği, SATEOS6'nın (Şekil 13b) ise 30. ısıtma döngüsünden ve soğutma işleminden sonra bile sıcaklık ve entalpi değerinde herhangi bir fark göstermediği görülmektedir. Kütle halindeki SA, 72,10 °C erime noktası, 64,69 °C katılaşma sıcaklığı ve ilk döngüden sonraki erime ve katılaşma ısıları sırasıyla 201,0 J/g ve 194,10 J/g olarak belirlenmiştir. 30. döngüden sonra, bu değerlerin erime noktası 71,24 °C'ye, katılaşma sıcaklığı 63,53 °C'ye düştü ve entalpi değeri %10 azaldı. Erime ve katılaşma sıcaklıklarındaki değişiklikler ve entalpi değerlerindeki azalmalar, kütlesel CA'nın mikroenkapsülasyon dışı uygulamalar için güvenilir olmadığını göstermektedir. Bununla birlikte, uygun mikroenkapsülasyon (SATEOS6) gerçekleştikten sonra, erime ve katılaşma sıcaklıkları ve entalpi değerleri değişmez (Şekil 13b). SiO2 kabuklarıyla mikroenkapsüle edildikten sonra, SA, özellikle inşaatta, optimum erime ve katılaşma sıcaklıkları ve kararlı entalpisi nedeniyle termal uygulamalarda faz değişim malzemesi olarak kullanılabilir.
SA (a) ve SATEOS6 (b) örnekleri için 1. ve 30. ısıtma ve soğutma döngülerinde elde edilen DSC eğrileri.
Bu çalışmada, çekirdek malzeme olarak SA ve kabuk malzeme olarak SiO2 kullanılarak mikroenkapsülasyonun sistematik bir incelemesi yapılmıştır. TEOS, SA yüzeyinde bir SiO2 destek tabakası ve koruyucu tabaka oluşturmak için öncü madde olarak kullanılmıştır. Mikroenkapsüle edilmiş SA'nın başarılı sentezinden sonra, FT-IR, XRD, XPS, SEM ve EDS sonuçları SiO2'nin varlığını göstermiştir. SEM analizi, SATEOS6 numunesinin SA yüzeyinde SiO2 kabuklarıyla çevrili, iyi tanımlanmış küresel parçacıklar sergilediğini göstermektedir. Bununla birlikte, daha düşük SA içeriğine sahip MEPCM, PCM'nin performansını düşüren kümelenme göstermektedir. XPS analizi, mikro kapsül numunelerinde Si-O-Si ve Si-OH'nin varlığını göstermiş ve bu da SA yüzeyinde SiO2'nin adsorpsiyonunu ortaya koymuştur. Termal performans analizine göre, SATEOS6, sırasıyla 70,37°C ve 64,27°C erime ve katılaşma sıcaklıkları ve sırasıyla 182,53 J/g ve 160,12 J/g erime ve katılaşma gizli ısıları ile en umut vadeden ısı depolama yeteneğini göstermektedir. SATEOS6'nın maksimum paketleme verimliliği %86,68'dir. TGA ve DSC termal çevrim analizleri, SATEOS6'nın 30 ısıtma ve soğutma işleminden sonra bile iyi termal kararlılığa ve güvenilirliğe sahip olduğunu doğrulamıştır.
Yang T., Wang XY ve Li D. Termokimyasal Katı-Gaz Kompozit Adsorpsiyon Sisteminin Termal Enerji Depolama İçin Performans Analizi ve Verimliliğinin İyileştirilmesi. Uygulama. Sıcak. Mühendislik. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. ve Al-Hallaj, S. Faz değişimli enerji depolamasına ilişkin bir inceleme: malzemeler ve uygulamalar. Enerji dönüştürücü. Yönetici. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS ve Saini JS PCM kapsülleri kullanan termal enerji depolama sistemlerinin ısı transfer performansı: bir inceleme. güncelleme. destek. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. ve Bruno, F. Yüksek Sıcaklık Faz Değişimli Termal Depolama Sistemleri için Depolama Malzemeleri ve Termal Performans Geliştirme Teknolojilerinin Gözden Geçirilmesi. güncelleme. destek. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Nanoenkapsüle edilmiş termal enerji n-tetradekan faz değişim malzemelerinin hazırlanması ve karakterizasyonu. Kimya Mühendisliği Dergisi 153, 217–221 (2009).
Mu, B. ve Li, M. Güneş enerjisi dönüşümü ve depolaması için modifiye edilmiş grafen aerojelleri kullanılarak yeni şekil-kararlı faz değişim kompozit malzemelerinin sentezi. Sol. Enerji malzemeleri. Sol. Hücre 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. ve Fang, G. Faz değişim malzemelerinin termal enerji depolamada morfolojik karakterizasyonu ve uygulaması: bir inceleme. güncelleme. destek. Enerji Ed. 72, 128–145 (2017).