Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Útgáfan af vafranum sem þú notar hefur takmarkaðan CSS-stuðning. Til að ná sem bestum árangri mælum við með að þú notir nýrri útgáfu af vafranum þínum (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, birtum við síðuna án stíl eða JavaScript.
Stearínsýra (SA) er notuð sem fasabreytingarefni (PCM) í orkugeymslutækjum. Í þessari rannsókn var sól-gel aðferðin notuð til að örhjúpa SiO2 skel yfirborðsvirkt efni. Ýmsar magn af SA (5, 10, 15, 20, 30 og 50 g) var innlimað í 10 ml af tetraetýlortósílíkati (TEOS). Smíðaða örhjúpaða fasabreytingarefnið (MEPCM) var einkennt með Fourier umbreytingar innrauða litrófsgreiningu (FT-IR), röntgengeislun (XRD), röntgenljósrafeinda litrófsgreiningu (XPS) og skannandi rafeindasmásjá (SEM). Niðurstöður greiningarinnar sýndu að SA var með góðum árangri innlimað með SiO2. Hitaþyngdarmæling (TGA) sýndi að MEPCM hefur betri hitastöðugleika en CA. Með því að nota mismunadreifingarskönnunarhitamælingu (DSC) kom í ljós að entalpíugildi MEPCM breyttist ekki jafnvel eftir 30 hitunar- og kælingarlotur. Af öllum örhjúpuðum sýnum höfðu 50 g af SA sem innihélt MEPCM hæstu bræðslu- og storknunarhitann, sem voru 182,53 J/g og 160,12 J/g, talið í sömu röð. Nýtni pakkans var reiknuð út með hitauppstreymisgögnum og hæsta nýtingin fannst fyrir sama sýnið, sem var 86,68%.
Um það bil 58% af orkunni sem notuð er í byggingariðnaðinum er notuð til að hita og kæla byggingar1. Þess vegna er nauðsynlegast að skapa skilvirk orkukerfi sem taka tillit til umhverfismengun2. Varmatækni með duldum fasabreytingarefnum (PCM) getur geymt mikla orku við litlar hitasveiflur3,4,5,6 og er hægt að nota hana mikið á sviðum eins og varmaflutningi, sólarorkugeymslu, geimferða- og loftkælingar7,8,9. PCM gleypir varmaorku frá ytra byrði bygginga á daginn og losar orku á nóttunni10. Þess vegna eru fasabreytingarefni ráðlögð sem varmaorkugeymsluefni. Að auki eru til mismunandi gerðir af PCM eins og fast-fast efni, fast-vökvi, fljótandi-gas og fast-gas11. Meðal þeirra eru vinsælustu og mest notuðu fasabreytingarefnin fast-fast fasabreytingarefni og fast-vökvi fasabreytingarefni. Hins vegar er notkun þeirra mjög erfið vegna gríðarlegra rúmmálsbreytinga á fljótandi-gas og fast-gas fasabreytingarefnum.
PCM hefur margvísleg notkunarsvið vegna eiginleika sinna: þau sem bráðna við hitastig undir 15°C má nota í loftkælikerfum til að viðhalda köldu hitastigi og þau sem bráðna við hitastig yfir 90°C má nota í hitakerfum til að koma í veg fyrir eldsvoða12. Eftir notkun og bræðslumarksbili hafa ýmis fasabreytingarefni verið búin til úr mismunandi lífrænum og ólífrænum efnum13,14,15. Paraffín er algengasta fasabreytingarefnið með mikinn dulinn hita, tæringarleysi, öryggi og breitt bræðslumarksbil16,17,18,19,20,21.
Hins vegar, vegna lágrar varmaleiðni fasabreytingarefna, þarf að innhylla þau í skel (ytra lag) til að koma í veg fyrir leka grunnefnisins meðan á fasabreytingarferlinu stendur22. Að auki geta rekstrarvillur eða ytri þrýstingur skemmt ytra lagið (klæðninguna) og bráðið fasabreytingarefni getur brugðist við byggingarefni, valdið tæringu á innfelldum stálstöngum og þar með dregið úr notagildi byggingarinnar23. Þess vegna er mikilvægt að mynda innhyllt fasabreytingarefni með nægilegu skeljarefni, sem getur leyst ofangreind vandamál24.
Örhjúpun á fasabreytingarefnum getur aukið varmaflutning á áhrifaríkan hátt, dregið úr umhverfishvörfum og stjórnað rúmmálsbreytingum. Ýmsar aðferðir hafa verið þróaðar fyrir PCM-hjúpun, þ.e. fjölliðun á millifleti25,26,27,28, fjölliðun á staðnum29,30,31,32, samloðun33,34,35 og sol-gel aðferðir36,37,38,39. Formaldehýð plastefni er hægt að nota fyrir örhjúpun40,41,42,43. Melamín-formaldehýð og þvagefnis-formaldehýð plastefni eru notuð sem skelefni, sem gefa oft frá sér eitrað formaldehýð við notkun. Þess vegna er bannað að nota þessi efni í umbúðaferlum. Hins vegar er hægt að mynda umhverfisvæn fasabreytingarefni fyrir stigstærða varmaorkugeymslu með því að nota blendinga nanóhylki sem byggja á fitusýrum og ligníni 44.
Zhang o.fl. 45 mynduðu laurínsýru úr tetraetýlortósílíkati og komust að þeirri niðurstöðu að þegar rúmmálshlutfall metýltríetoxýsílans og tetraetýlortósílíkats eykst, minnkar dulinn hiti og vatnsfælni yfirborðsins eykst. Laurínsýra gæti verið mögulegt og áhrifaríkt kjarnaefni fyrir kapok trefjar 46. Að auki mynduðu Latibari o.fl. 47 stearínsýru-byggð PCM með því að nota TiO2 sem skeljarefni. Zhu o.fl. bjuggu til n-oktadekan og sílikon nanóhylki sem hugsanleg PCM 48. Samkvæmt yfirliti yfir fræðirit er erfitt að skilja ráðlagðan skammt fyrir myndun áhrifaríkra og stöðugra örhjúpaðra fasabreytingarefna.
Því er magn fasabreytingarefnis sem notað er til örhjúpunar, að því er höfundarnir vita, mikilvægur þáttur í framleiðslu á skilvirkum og stöðugum örhjúpuðum fasabreytingarefnum. Notkun mismunandi magns af fasabreytingarefnum mun gera okkur kleift að skýra mismunandi eiginleika og stöðugleika örhjúpaðra fasabreytingarefna. Stearínsýra (fitusýra) er umhverfisvænt, læknisfræðilega mikilvægt og hagkvæmt efni sem hægt er að nota til að geyma varmaorku vegna þess að það hefur hátt entalpíugildi (~200 J/g) og þolir hitastig allt að 72°C. Að auki er SiO2 ekki eldfimt, veitir meiri vélrænan styrk, varmaleiðni og betri efnaþol fyrir kjarnaefni og virkar sem pozzolan efni í byggingariðnaði. Þegar sementi er blandað við vatn geta illa hjúpuð PCM sprungið vegna vélræns slits og mikils hitastigs (vökvunarvarma) sem myndast í gríðarlegum steinsteypuvirkjum. Því getur notkun örhjúpaðs kalsíums (CA) með SiO2 skel leyst þetta vandamál. Þess vegna var markmið þessarar rannsóknar að kanna afköst og skilvirkni PCM-efna sem mynduð voru með sol-gel aðferð í byggingariðnaði. Í þessu verki rannsökuðum við kerfisbundið mismunandi magn af SA (sem grunnefni) upp á 5, 10, 15, 20, 30 og 50 g innhjúpað SiO2 skeljum. Ákveðið magn af tetraetýlortósílikati (TEOS) í 10 ml rúmmáli var notað sem forveralausn fyrir myndun SiO2 skeljarinnar.
Hvarfgjörn sterínsýra (SA, C18H36O2, bræðslumark: 72°C) sem kjarnaefni var keypt frá Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Suður-Kóreu. Tetraetýlortósílíkat (TEOS, C8H20O4Si) sem forveralausn var keypt frá Acros Organics, Geel, Belgíu. Að auki voru algert etanól (EA, C2H5OH) og natríumlárýlsúlfat (SLS, C12H25NaO4S) keypt frá Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Suður-Kóreu, og voru notuð sem leysiefni og yfirborðsefni, talið í sömu röð. Eimað vatn er einnig notað sem leysiefni.
Mismunandi magn af SA var blandað saman við mismunandi hlutföll af natríumlaurýlsúlfati (SLS) í 100 ml af eimuðu vatni með segulhrærivél við 800 snúninga á mínútu og 75°C í 1 klst. (Tafla 1). SA-fleyti voru skipt í tvo hópa: (1) 5, 10 og 15 g af SA voru blandað saman við 0,10 g af SLS í 100 ml af eimuðu vatni (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3), (2) 20, 30 og 50 g af SA voru blandað saman við 0,15, 0,20 og 0,25 g af SLS voru blandað saman við 100 ml af eimuðu vatni (SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6). 0,10 g af SLS voru notuð með 5, 10 og 15 g af SA til að mynda viðkomandi fleyti. Í kjölfarið var lagt til að auka fjölda SLS fyrir SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6. Tafla 1 sýnir hlutföll CA og SLS sem notuð voru til að fá stöðugar emulsilausnir.
Setjið 10 ml af TEOS, 10 ml af etanóli (EA) og 20 ml af eimuðu vatni í 100 ml bikarglas. Til að kanna skilvirkni innhylkingar mismunandi hlutfölla SA og SiO2 skelja var myndunarstuðull allra sýna skráður. Blandan var hrærð með segulhrærivél við 400 snúninga á mínútu og 60°C í 1 klukkustund. Forveralausninni var síðan bætt dropavislega út í tilbúna SA emulsioninn, hrært kröftuglega við 800 snúninga á mínútu og 75°C í 2 klukkustundir og síað til að fá hvítt duft. Hvíta duftið var þvegið með eimuðu vatni til að fjarlægja leifar af SA og þurrkað í lofttæmisofni við 45°C í 24 klukkustundir. Fyrir vikið fékkst örinnhylkt SC með skel úr SiO2. Allt ferlið við myndun og undirbúning örinnhylkts SA er sýnt á mynd 1.
SA örhylki með SiO2 skel voru útbúin með sol-gel aðferðinni og innlimunarferlið er sýnt á mynd 2. Fyrsta skrefið felur í sér að útbúa SA emulsie í vatnslausn með SLS sem yfirborðsvirku efni. Í þessu tilviki binst vatnsfælni endi SA sameindarinnar við SLS og vatnssækni endi við vatnssameindir og myndar stöðuga emulsie. Þannig eru vatnsfælnu einingarnar í SLS verndaðar og þekja yfirborð SA dropans. Hins vegar á sér vatnsrof TEOS lausna hægt stað af vatnssameindum, sem leiðir til myndunar vatnsrofins TEOS í viðurvist etanóls (Mynd 2a) 49,50,51. Vatnsrofið TEOS gengst undir þéttingarviðbrögð, þar sem n-vatnsrofið TEOS myndar kísilklasa (Mynd 2b). Kísilklasarnir voru innlimaðir með SA52 í viðurvist SLS (Mynd 2c), sem kallast örinnlimunarferlið.
Skýringarmynd af örhjúpun á kalsíum (CA) með SiO2-hjúpi (a) vatnsrof á TEOS (b) þéttingu vatnsrofsins og (c) hjúpun á CA með SiO2-hjúpi.
Efnagreining á SA í lausu og örinnhylkuðu SA var framkvæmd með Fourier umbreytingar innrauða litrófsmæli (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, Bandaríkin) og litróf voru skráð á bilinu 500 til 4000 cm-1.
Röntgengeislunardreifimælir (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japan) var notaður til að greina SA fasana í lausu og örhylkjaefnin. Röntgenbyggingarskönnun var framkvæmd á bilinu 2θ = 5°–95° með skönnunarhraða 4°/mín., með Cu-Kα geislun (λ = 1,541 Å), rekstrarskilyrði 25 kV og 100 mA, í samfelldri skönnunarham. Röntgenmyndir voru teknar á bilinu 2θ = 5–50°, þar sem enginn toppur sást eftir 50° í öllum sýnum.
Röntgenljósrafeindalitrófsgreining (XPS, Scienta Omicron R3000, Bandaríkin) var framkvæmd með AlKα (1486,6 eV) sem röntgengeislunargjafa til að skilja efnafræðilegt ástand SA í lausu sem og frumefnin sem eru til staðar í innhylkingarefninu. Söfnuðu XPS litrófin voru kvörðuð að C1s tindinum með því að nota framandi kolefni (bindiorka 284,6 eV). Eftir bakgrunnsleiðréttingu með Shirley aðferðinni voru háskerpu tindar hvers frumefnis afföllaðir og aðlagaðir að Gauss/Lorentzian föllum með því að nota CASA XPS hugbúnað.
Lögun SC í lausu og örhjúpuðum SC var skoðuð með skannandi rafeindasmásjá (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Tékklandi) sem er búin orkudreifandi röntgenlitrófsgreiningu (EDS) við 15 kV. Fyrir SEM myndgreiningu voru sýnin húðuð með platínu (Pt) til að forðast hleðsluáhrif.
Varmaeiginleikar (bræðslumark/storknunarmark og dulinn varmi) og áreiðanleiki (varmahringrás) voru ákvarðaðir með mismunadreifingarskönnunarhitamælingu (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, Bandaríkjunum) við upphitunar-/kælingarhraða 10°C/mín. við 40°C og 90°C með samfelldri köfnunarefnishreinsun. Þyngdartapsgreining var framkvæmd með TGA greiningartæki (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, Bandaríkjunum) í samfelldu köfnunarefnisflæði sem byrjaði við hitastig 40–600°C, með upphitunarhraða 10°C/mín.
Mynd 3 sýnir FTIR litróf fyrir SC í lausu sem og örhjúpað SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 og SATEOS6). Gleyptopparnir við 2910 cm-1 og 2850 cm-1 í öllum sýnum (SA sem og örhjúpað SA) eru raknir til samhverfrar teygjusveiflna –CH3 og –CH2 hópanna, talið í sömu röð10,50. Toppurinn við 1705 cm-1 samsvarar titringsteygju C=O tengisins. Topparnir við 1470 cm-1 og 1295 cm-1 eru raknir til beygjusveiflna í –OH virka hópnum í planinu, en topparnir við 940 cm-1 og 719 cm-1 samsvara titringi í planinu og aflögunarsveiflunni í afkastaflinu, talið í sömu röð – OH hópnum. Frásogstoppar SA við 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 og 719 cm-1 sáust einnig í öllu örhjúpuðu SA. Að auki sást nýuppgötvaður toppur við 1103 cm-1 sem samsvarar andhverfu teygjusveiflu Si-O-Si bandsins í SA örhjúpnum. Niðurstöður FT-IR eru í samræmi við Yuan o.fl. 50. Þeir útbjuggu með góðum árangri örhjúpað SA í ammoníak/etanólhlutfallinu og komust að því að engin efnasamskipti áttu sér stað milli SA og SiO2. Niðurstöður núverandi FT-IR rannsóknar sýna að SiO2 skelin tókst að innhylja SA (kjarna) með þéttingarferli og fjölliðun vatnsrofsins TEOS. Við lægra SA innihald er toppstyrkur Si-O-Si bandsins hærri (Mynd 3b-d). Þegar magn SA eykst í meira en 15 g, minnkar styrkleiki tindsins og breikkun Si-O-Si bandsins smám saman, sem bendir til myndunar þunns lags af SiO2 á yfirborði SA.
FTIR litróf fyrir (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6.
XRD-mynstrin fyrir SA í lausu og örhjúpuðu SA eru sýnd á mynd 4. XRD-tindar eru staðsettir við 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5} samkvæmt JCPDS nr. 0381923, 02)\), 21,42° í öllum sýnum (311), 24,04° (602) og 39,98° (913) eru úthlutað til SA. Röskun og blendingur við CA í lausu vegna óvissuþátta eins og yfirborðsvirks efnis (SLS), annarra leifaefna og örhjúpunar SiO250. Eftir að hjúpun á sér stað minnkar styrkleiki aðaltoppanna (300), (500), (311) og (602) smám saman samanborið við CA í lausu, sem bendir til lækkunar á kristöllun sýnisins.
XRD-mynstur af (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6.
Styrkur SATEOS1 minnkar skarpt samanborið við önnur sýni. Engir aðrir tindar sáust í öllum örhjúpuðu sýnunum (Mynd 4b–g), sem staðfestir að líkamleg aðsog SiO252 á sér stað á yfirborði SA frekar en efnafræðileg víxlverkun. Þar að auki var einnig komist að þeirri niðurstöðu að örhjúpun SA leiddi ekki til þess að nýir byggingar mynduðust. SiO2 helst óbreytt á yfirborði SA án nokkurra efnahvarfa og þegar magn SA minnkar verða núverandi tindar augljósari (SATEOS1). Þessi niðurstaða bendir til þess að SiO2 hylur aðallega yfirborð SA. Toppurinn við (700) hverfur alveg og toppurinn við \((\overline{5}02)\) verður að hnúði í SATEOS 1 (Mynd 4b), sem tengist minnkaðri kristöllun og aukinni kristallamyndun. SiO2 er ókristallað að eðlisfari, þannig að topparnir sem sjást frá 2θ = 19° til 25° eru með hnúð og breikkun53 (Mynd 4b–g), sem staðfestir tilvist ókristallaðs SiO252. Lægri styrkleiki beygjutoppsins í örhjúpuðu SA er vegna kjarnamyndunaráhrifa innveggsins í kísil og takmarkandi kristöllunarhegðun49. Talið er að með lægra SA innihaldi myndist þykkari kísilhjúpur vegna mikils magns af TEOS, sem að mestu leyti er aðsogað á ytra yfirborð SA. Hins vegar, þegar magn SA eykst, eykst yfirborðsflatarmál SA dropanna í fleytinu og meira TEOS er nauðsynlegt fyrir rétta hjúpun. Þess vegna, með hærra SA innihaldi, er SiO2 toppurinn í FT-IR bælt niður (Mynd 3), og styrkleiki beygjutoppsins nálægt 2θ = 19–25° í XRF (Mynd 4) minnkar og útþenslan minnkar einnig. Ekki sjáanlegt. Hins vegar, eins og sjá má á mynd 4, um leið og magn SA er aukið úr 5 g (SATEOS1) í 50 g (SATEOS6), verða topparnir mjög nálægt magni SA og toppurinn við (700) birtist með öllum toppstyrkleikum greindum. Þessi niðurstaða samsvarar niðurstöðum FT-IR, þar sem styrkleiki SiO2 SATEOS6 toppsins minnkar við 1103 cm-1 (mynd 3g).
Efnafræðileg ástand frumefnanna sem eru til staðar í SA, SATEOS1 og SATEOS6 er sýnt á myndum 1 og 2. Myndir 5, 6, 7 og 8 og töflu 2. Mælingar fyrir SA, SATEOS1 og SATEOS6 í lausu eru sýndar á mynd 5 og hágæða skannanir fyrir C1s, O1s og Si2p eru sýndar á myndum 5, 6, 7 og 8 og töflu 2, 6, 7 og 8, talið í sömu röð. Bindingarorkugildin sem fengust með XPS eru tekin saman í töflu 2. Eins og sjá má á mynd 5 sáust greinilegir Si2s og Si2p toppar í SATEOS1 og SATEOS6, þar sem örinnhylking SiO2 skeljarinnar átti sér stað. Fyrri rannsakendur hafa greint frá svipuðum Si2s toppi við 155,1 eV54. Tilvist Si-tinda í SATEOS1 (mynd 5b) og SATEOS6 (mynd 5c) staðfestir gögnin úr FT-IR (mynd 3) og XRD (mynd 4).
Eins og sést á mynd 6a, hefur C1s í lausu SA þrjá mismunandi tinda, CC, kalífatískt og O=C=O við bindingarorkuna, sem eru 284,5 eV, 285,2 eV og 289,5 eV, talið í sömu röð. C–C, kalífatískir og O=C=O tindar sáust einnig í SATEOS1 (mynd 6b) og SATEOS6 (mynd 6c) og eru teknir saman í töflu 2. Auk þessa samsvarar C1s tindurinn einnig viðbótar Si-C tindi við 283,1 eV (SATEOS1) og 283,5 eV (SATEOS6). Mæld bindingarorka okkar fyrir C–C, kalífatískt, O=C=O og Si–C samsvarar vel öðrum orkugjöfum55,56.
XPS litrófin fyrir O1SA, SATEOS1 og SATEOS6 eru sýnd á myndum 7a–c, talið í sömu röð. O1s tindurinn í SA í lausu er afföllinn og hefur tvo tinda, þ.e. C=O/C–O (531,9 eV) og C–O–H (533,0 eV), en O1 fyrir SATEOS1 og SATEOS6 er samræmt. Það eru aðeins þrír tinda: C=O/C–O, C–O–H og Si–OH55,57,58. Bindingarorka O1s í SATEOS1 og SATEOS6 breytist lítillega samanborið við SA í lausu, sem tengist breytingu á efnabrotinu vegna nærveru SiO2 og Si-OH í skeljarefninu.
Si 2p XPS litrófin fyrir SATEOS1 og SATEOS6 eru sýnd á mynd 8a og b, talið í sömu röð. Í magni af kalsíumframleiðslu sást ekki Si 2p vegna skorts á SiO2. Si 2p toppurinn samsvarar 105,4 eV fyrir SATEOS1 og 105,0 eV fyrir SATEOS6, sem samsvarar Si-O-Si, en SATEOS1 toppurinn er 103,5 eV og SATEOS6 toppurinn er 103,3 eV, sem samsvarar Si-OH55. Aðlögun Si-O-Si og Si-OH toppa í SATEOS1 og SATEOS6 sýndi fram á vel heppnaða örinnhylkun SiO2 á yfirborði SA kjarnans.
Lögun örhjúpaðs efnis er mjög mikilvæg og hefur áhrif á leysni, stöðugleika, efnahvarfgirni, flæði og styrk59. Þess vegna var rafeindasmásjá (SEM) notuð til að lýsa lögun lausu SA (100×) og örhjúpaðs SA (500×), eins og sýnt er á mynd 9. Eins og sjá má á mynd 9a er SA-blokkin sporöskjulaga. Agnastærðin er meiri en 500 míkron. Hins vegar, þegar örhjúpunarferlið heldur áfram, breytist lögunin verulega, eins og sýnt er á myndum 9 b–g.
SEM myndir af (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 og (g) SATEOS6 við ×500.
Í SATEOS1 sýninu sjást smærri, hálfkúlulaga SiO2-vafðar SA-agnir með hrjúfu yfirborði (mynd 9b), sem gæti stafað af vatnsrof og þéttingarfjölliðun TEOS á yfirborði SA, sem hraðar hraðri dreifingu etanólsameinda. Fyrir vikið setjast SiO2-agnir saman og kekkjun sést52,60. Þessi SiO2-hjúpur veitir örhjúpuðu CA-ögnunum vélrænan styrk og kemur einnig í veg fyrir leka á bráðnu CA við hærra hitastig10. Þessi niðurstaða bendir til þess að SA-örhjúp sem innihalda SiO2 geti verið notuð sem hugsanleg orkugeymsluefni61. Eins og sjá má á mynd 9b hefur SATEOS1 sýnið einsleita agnadreifingu með þykku SiO2-lagi sem umlykur SA. Agnastærð örhjúpaðs SA (SATEOS1) er um það bil 10–20 μm (mynd 9b), sem er marktækt minna samanborið við SA í lausu vegna lægra SA-innihalds. Þykkt örhýðislagsins stafar af vatnsrof og þéttingarfjölliðun forveralausnarinnar. Samloðun á sér stað við lægri skammta af SA, þ.e. allt að 15 g (Mynd 9b-d), en um leið og skammturinn er aukinn sést engin samloðun, heldur sjást greinilega kúlulaga agnir (Mynd 9e-g) 62.
Þar að auki, þegar magn SLS yfirborðsvirks efnis er stöðugt, hefur SA innihaldið (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3) einnig áhrif á skilvirkni, lögun og dreifingu agnastærðar. Þannig kom í ljós að SATEOS1 sýnir minni agnastærð, jafna dreifingu og þétt yfirborð (Mynd 9b), sem var rakið til vatnssækins eðlis SA sem stuðlar að annars stigs kjarnamyndun undir stöðugu yfirborðsvirku efni63. Talið er að með því að auka SA innihaldið úr 5 í 15 g (SATEOS1, SATEOS2 og SATEOS3) og nota stöðugt magn af yfirborðsvirku efni, þ.e. 0,10 g af SLS (Tafla 1), muni framlag hverrar agnar yfirborðsvirka sameindarinnar minnka, sem dregur úr agnastærð og agnastærð. Dreifing SATEOS2 (Mynd 9c) og SATEOS3 (Mynd 9d) er frábrugðin dreifingu SATEOS 1 (Mynd 9b).
Í samanburði við SATEOS1 (mynd 9b) sýndi SATEOS2 þétta formgerð örhjúpaðs SA og agnastærðin jókst (mynd 9c). Þetta er vegna samloðunar 49, sem dregur úr storknunarhraða (mynd 2b). Þegar magn SC eykst með aukinni SLS verða örhylkin greinilega sýnileg, eins og sést á mynd 9e-g um hvernig samloðun á sér stað. Að auki sýna myndir 9e-g að allar agnir eru greinilega kúlulaga að lögun og stærð. Það hefur verið viðurkennt að í viðurvist mikils magns af SA er hægt að fá viðeigandi magn af kísilólígómerum, sem veldur viðeigandi þéttingu og innlimun og þar með myndun vel skilgreindra örhylkja 49. Af SEM niðurstöðum er ljóst að SATEOS6 myndaði samsvarandi örhylki samanborið við lítið magn af SA.
Niðurstöður orkudreifandi röntgenlitrófsgreiningar (EDS) á SA í lausu og SA í örhylkjum eru kynntar í töflu 3. Eins og sjá má í þessari töflu lækkar Si-innihaldið smám saman úr SATEOS1 (12,34%) í SATEOS6 (2,68%). Aukning á SA. Því má segja að aukning á magni SA leiði til minnkunar á útfellingu SiO2 á yfirborði SA. Engin samræmd gildi eru fyrir C- og O-innihald í töflu 3 vegna hálf-magngreiningar á EDS51. Si-innihald örhylkisins SA var í samræmi við niðurstöður úr FT-IR, XRD og XPS.
Bræðslu- og storknunarhegðun SA í lausu og SA í örhjúpu með SiO2 hjúp er sýnd á myndum 1 og 2. Þau eru sýnd á myndum 10 og 11, talið í sömu röð, og hitauppstreymisgögnin eru sýnd í töflu 4. Bræðslu- og storknunarhitastig örhjúpaðs SA reyndist vera mismunandi. Þegar magn SA eykst hækka bræðslu- og storknunarhitastigin og nálgast gildi SA í lausu. Eftir örhjúpun SA hækkar kristöllunarhitastig kísilveggsins og veggur hans virkar sem kjarni til að stuðla að ólíkleika. Þess vegna, þegar magn SA eykst, hækka bræðslu- (mynd 10) og storknunarhitastig (mynd 11) einnig smám saman49,51,64. Af öllum örhjúpuðum SA sýnum sýndi SATEOS6 hæstu bræðslu- og storknunarhitastigin, á eftir komu SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 og SATEOS1.
SATEOS1 sýnir lægsta bræðslumark (68,97 °C) og storknunarhita (60,60 °C), sem stafar af minni agnastærð þar sem hreyfing SA agna inni í örhylkjunum er mjög lítil og SiO2 skelin myndar þykkt lag og því takmarkar kjarnaefnið teygju og hreyfingu49. Þessi tilgáta tengist SEM niðurstöðum, þar sem SATEOS1 sýndi minni agnastærð (Mynd 9b), sem stafar af því að SA sameindir eru takmarkaðar innan mjög lítils svæðis örhylkjanna. Munurinn á bræðslu- og storknunarhita aðalmassans, sem og allra SA örhylkja með SiO2 skeljum, er á bilinu 6,10–8,37 °C. Þessi niðurstaða bendir til þess að örhjúpað SA geti verið notað sem hugsanlegt orkugeymsluefni vegna góðrar varmaleiðni SiO2 skeljarinnar 65.
Eins og sjá má í töflu 4 hefur SATEOS6 hæstu entalpíu allra örhjúpaðra SC (mynd 9g) vegna réttrar hjúpunar sem sést með rafeindasmásjá. Pökkunarhraða SA er hægt að reikna út með jöfnu (1). (1) Með því að bera saman dulda hitagögn örhjúpaðs SA49.
R-gildið táknar innhjúpunarstig (%) örhjúpaðs SC, ΔHMEPCM,m táknar dulda bræðsluhita örhjúpaðs SC og ΔHPCM,m táknar dulda bræðsluhita SC. Að auki er pökkunarhagkvæmni (%) reiknuð sem annar mikilvægur tæknilegur breyta, eins og sýnt er í jöfnu (1). (2)49.
E-gildið táknar innhylkingarhagkvæmni (%) örinnhylkts kalsíum(CA), ΔHMEPCM,s táknar leyndan herðingarvarma örinnhylkts kalsíum(CA) og ΔHPCM,s táknar leyndan herðingarvarma kalsíum(CA).
Eins og sést í töflu 4 eru pakkningarstig og skilvirkni SATEOS1 71,89% og 67,68%, talið í sömu röð, og pakkningarstig og skilvirkni SATEOS6 eru 90,86% og 86,68%, talið í sömu röð (Tafla 4). Sýnið af SATEOS6 sýnir hæsta innhylkingarstuðulinn og skilvirkni allra örinnhylkjaðra SA, sem bendir til mikillar varmagetu þess. Þess vegna krefst umbreytingin úr föstu formi í fljótandi formi mikillar orku. Að auki bendir munurinn á bræðslu- og storknunarhita allra SA örhylkja og SA í lausu við kælingu til þess að kísilhjúpurinn sé rúmfræðilega takmarkaður við myndun örhylkja. Þannig sýna niðurstöðurnar að þegar magn SC eykst, eykst innhylkingarhraðinn og skilvirkni smám saman (Tafla 4).
TGA-kúrfurnar fyrir SA í lausu og SA í örhylkjum með SiO2-hjúp (SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6) eru sýndar á mynd 12. Varmastöðugleiki SA í lausu (SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6) var borinn saman við örhylkt sýni. Af TGA-kúrfunni sést greinilega að þyngdartap SA í lausu, sem og örhylkts SA, sýnir jafna og mjög litla lækkun frá 40°C í 190°C. Við þetta hitastig brotnar SC í lausu ekki niður í varma, en örhylkt SC losar aðsogað vatn jafnvel eftir þurrkun við 45°C í 24 klst. Þetta leiddi til lítils þyngdartaps,49 en eftir þetta hitastig byrjaði efnið að brotna niður. Við lægra SA-innihald (þ.e. SATEOS1) er aðsogað vatnsinnihald hærra og því er massatapið upp að 190°C hærra (innskot á mynd 12). Um leið og hitastigið fer yfir 190°C byrjar sýnið að tapa massa vegna niðurbrotsferla. Laus SA byrjar að brotna niður við 190°C og aðeins 4% er eftir við 260°C, en SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 halda 50%, 20% og 12% við þetta hitastig, talið í sömu röð. Eftir 300°C var massatap lauss SA um það bil 97,60%, en massatap SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 var um það bil 54,20%, 82,40% og 90,30%, talið í sömu röð. Með aukningu á SA innihaldi minnkar SiO2 innihaldið (Tafla 3) og þynning skeljarinnar sést í rafeindasmásjá (Mynd 9). Þannig er þyngdartap örhjúpaðs SA minna samanborið við SA í lausu, sem skýrist af hagstæðum eiginleikum SiO2 skeljarinnar, sem stuðlar að myndun kolefniskennds kísil-kolefnislags á yfirborði SA, og einangrar þannig SA kjarnann og hægir á losun rokgjörnra afurða sem myndast10. Þetta kollag myndar efnislega verndarhindrun við varmauppbrot, sem takmarkar umskipti eldfimra sameinda í gasfasa66,67. Auk þessa sjáum við einnig verulegar niðurstöður varðandi þyngdartap: SATEOS1 sýnir lægri gildi samanborið við SATEOS3, SATEOS6 og SA. Þetta er vegna þess að magn SA í SATEOS1 er minna en í SATEOS3 og SATEOS6, þar sem SiO2 skelin myndar þykkt lag. Aftur á móti nær heildarþyngdartap SA í lausu 99,50% við 415°C. Hins vegar sýndu SATEOS1, SATEOS3 og SATEOS6 62,50%, 85,50% og 93,76% þyngdartap, talið í sömu röð, við 415°C. Þessi niðurstaða bendir til þess að viðbót TEOS bæti niðurbrot SA með því að mynda SiO2 lag á yfirborði SA. Þessi lög geta myndað efnislega verndarhindrun og því má sjá aukningu á hitastöðugleika örhjúpaðs CA.
Niðurstöður hitauppstreymisáreiðanleika magns SA og besta örhjúpaða sýnisins (þ.e. SATEOS 6) eftir 30 hitunar- og kælingarlotur af DSC51,52 eru sýndar á mynd 13. Þar sést að magns SA (mynd 13a) sýnir engan mun á bræðslumarki, storknunar- og entalpíugildi, en SATEOS6 (mynd 13b) sýnir engan mun á hitastigi og entalpíugildi, jafnvel eftir 30. hitunarlotuna og kælingarferlið. Magns SA sýndi bræðslumark upp á 72,10 °C, storknunarhitastig upp á 64,69 °C, og samruna- og storknunarvarmi eftir fyrsta lotuna var 201,0 J/g og 194,10 J/g, talið í sömu röð. Eftir 30. lotuna lækkaði bræðslumark þessara gilda í 71,24 °C, storknunarhitastigið lækkaði í 63,53 °C og entalpíugildið lækkaði um 10%. Breytingar á bræðslu- og storknunarhita, sem og lækkun á entalpíugildum, benda til þess að magn CA sé óáreiðanlegt fyrir notkun sem ekki er örinnhylking. Hins vegar, eftir að viðeigandi örinnhylking hefur átt sér stað (SATEOS6), breytast bræðslu- og storknunarhitastig og entalpíugildi ekki (Mynd 13b). Þegar SA hefur verið örinnhylkt með SiO2 skeljum er hægt að nota það sem fasabreytingarefni í varmaforritum, sérstaklega í byggingariðnaði, vegna bestu bræðslu- og storknunarhitastigs þess og stöðugs entalpíu.
DSC-kúrfur sem fengust fyrir sýnin SA (a) og SATEOS6 (b) við 1. og 30. hitunar- og kælingarlotur.
Í þessari rannsókn var framkvæmd kerfisbundin rannsókn á örhjúpun með því að nota SA sem kjarnaefni og SiO2 sem skeljarefni. TEOS er notað sem forveri til að mynda SiO2 stuðningslag og verndarlag á yfirborði SA. Eftir vel heppnaða myndun örhjúpaðs SA, sýndu niðurstöður FT-IR, XRD, XPS, SEM og EDS nærveru SiO2. SEM greining sýnir að SATEOS6 sýnið sýnir vel skilgreindar kúlulaga agnir umkringdar SiO2 skeljum á yfirborði SA. Hins vegar sýnir MEPCM með lægra SA innihald kekkjun, sem dregur úr afköstum PCM. XPS greining sýndi nærveru Si-O-Si og Si-OH í örhjúpssýnunum, sem leiddi í ljós aðsog SiO2 á yfirborði SA. Samkvæmt greiningu á varmaafköstum sýnir SATEOS6 efnilegasta varmageymslugetu, með bræðslu- og storknunarhita upp á 70,37°C og 64,27°C, talið í sömu röð, og dulda bræðslu- og storknunarvarma upp á 182,53 J/g og 160,12 J/g G, talið í sömu röð. Hámarks pökkunarnýtni SATEOS6 er 86,68%. TGA og DSC varmagreiningar staðfestu að SATEOS6 hefur enn góðan varmastöðugleika og áreiðanleika jafnvel eftir 30 hitunar- og kælingarferli.
Yang T., Wang XY og Li D. Árangursgreining á varmaefnafræðilegu samsettu aðsogskerfi úr föstu og lofttegundum fyrir geymslu varmaorku og aukin skilvirkni þess. notkun. hot. verkfræðingur. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. og Al-Hallaj, S. Yfirlit yfir orkugeymslu með fasabreytingum: efni og notkun. Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS og Saini JS Varmaflutningsgeta varmaorkugeymslukerfa með PCM hylkjum: yfirlit. uppfærsla. stuðningur. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. og Bruno, F. Yfirlit yfir geymsluefni og tækni til að auka varmaafköst fyrir háhitastigs fasabreytingar í varmageymslukerfum. uppfærsla. stuðningur. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Undirbúningur og einkenni nanóinnhjúpaðra varmaorku n-tetradekan fasabreytingarefna. Chemical. engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. og Li, M. Myndun nýrra formstöðugra fasabreytingarsamsettra efna með því að nota breytt grafen-aerogel fyrir umbreytingu og geymslu sólarorku. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., og Fang, G. Formfræðileg einkenni og notkun fasabreytingarefna í varmaorkugeymslu: yfirlit. uppfærsla. stuðningur. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).