Grazas por visitar Nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter mellores resultados, recomendámosche que uses unha versión máis recente do teu navegador (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos nin JavaScript.
O ácido esteárico (SA) utilízase como material de cambio de fase (PCM) en dispositivos de almacenamento de enerxía. Neste estudo, utilizouse o método sol-gel para microencapsular o surfactante de cuberta de SiO2. Encapsuláronse varias cantidades de SA (5, 10, 15, 20, 30 e 50 g) en 10 mL de ortosilicato de tetraetilo (TEOS). O material de cambio de fase microencapsulado sintetizado (MEPCM) caracterizouse mediante espectroscopia de infravermellos por transformada de Fourier (FT-IR), difracción de raios X (XRD), espectroscopia fotoelectrónica de raios X (XPS) e microscopía electrónica de varrido (SEM). Os resultados da caracterización mostraron que o SA foi encapsulado con éxito por SiO2. A análise termogravimétrica (TGA) mostrou que o MEPCM ten unha mellor estabilidade térmica que o CA. Usando calorimetría diferencial de varrido (DSC), descubriuse que o valor de entalpía do MEPCM non cambiou mesmo despois de 30 ciclos de quecemento-arrefriamento. Entre todas as mostras microencapsuladas, 50 g de SA que contiña MEPCM tiveron a maior calor latente de fusión e solidificación, que foron de 182,53 J/g e 160,12 J/g, respectivamente. O valor da eficiencia do encapsulado calculouse utilizando datos térmicos e a maior eficiencia atopouse para a mesma mostra, que foi do 86,68 %.
Aproximadamente o 58 % da enerxía utilizada na industria da construción utilízase para quentar e arrefriar edificios1. Polo tanto, o máis necesario é crear sistemas enerxéticos eficientes que teñan en conta a contaminación ambiental2. A tecnoloxía de calor latente que emprega materiais de cambio de fase (PCM) pode almacenar moita enerxía a baixas flutuacións de temperatura3,4,5,6 e pode empregarse amplamente en campos como a transferencia de calor, o almacenamento de enerxía solar, a industria aeroespacial e o aire acondicionado7,8,9. O PCM absorbe a enerxía térmica do exterior dos edificios durante o día e libéraa pola noite10. Polo tanto, recoméndanse os materiais de cambio de fase como materiais de almacenamento de enerxía térmica. Ademais, existen diferentes tipos de PCM, como sólido-sólido, sólido-líquido, líquido-gas e sólido-gas11. Entre eles, os materiais de cambio de fase máis populares e utilizados son os materiais de cambio de fase sólido-sólido e os materiais de cambio de fase sólido-líquido. Non obstante, a súa aplicación é moi difícil debido aos enormes cambios volumétricos dos materiais de transición de fase líquido-gas e sólido-gas.
O PCM ten diversas aplicacións debido ás súas propiedades: os que se funden a temperaturas inferiores a 15 °C pódense usar en sistemas de aire acondicionado para manter temperaturas frías, e os que se funden a temperaturas superiores a 90 °C pódense usar en sistemas de calefacción para previr incendios12. Dependendo da aplicación e do rango de puntos de fusión, sintetizáronse varios materiais de cambio de fase a partir de diferentes produtos químicos orgánicos e inorgánicos13,14,15. A parafina é o material de cambio de fase máis utilizado, con alta calor latente, non corrosivo, seguro e un amplo rango de puntos de fusión16,17,18,19,20,21.
Non obstante, debido á baixa condutividade térmica dos materiais de cambio de fase, deben encapsularse nunha cuberta (capa exterior) para evitar fugas do material base durante o proceso de cambio de fase22. Ademais, os erros operativos ou a presión externa poden danar a capa exterior (revestimento), e o material de cambio de fase fundido pode reaccionar cos materiais de construción, causando a corrosión das barras de aceiro incrustadas, reducindo así a capacidade de servizo do edificio23. Polo tanto, é importante sintetizar materiais de cambio de fase encapsulados con material de cuberta suficiente, o que pode resolver os problemas anteriores24.
A microencapsulación de materiais de cambio de fase pode aumentar eficazmente a transferencia de calor e reducir a reactividade ambiental, así como controlar os cambios de volume. Desenvolvéronse varios métodos para a encapsulación de PCM, concretamente a polimerización interfacial25,26,27,28, a polimerización in situ29,30,31,32, a coacervación33,34,35 e os procesos sol-xel36,37,38,39. A resina de formaldehído pódese usar para a microencapsulación40,41,42,43. As resinas de melamina-formaldehído e urea-formaldehído utilízanse como materiais de cuberta, que a miúdo emiten formaldehído tóxico durante o funcionamento. Polo tanto, o uso destes materiais está prohibido nos procesos de envasado. Non obstante, pódense sintetizar materiais de cambio de fase respectuosos co medio ambiente para o almacenamento de enerxía térmica escalable utilizando nanocápsulas híbridas baseadas en ácidos graxos e lignina44.
Zhang et al.45 et al. sintetizaron ácido láurico a partir de ortosilicato de tetraetilo e concluíron que a medida que aumenta a relación en volume de metiltrietoxisilano a ortosilicato de tetraetilo, a calor latente diminúe e a hidrofobicidade superficial aumenta. O ácido láurico pode ser un material central potencial e eficaz para as fibras de kapok46. Ademais, Latibari et al.47 sintetizaron PCM baseados en ácido esteárico utilizando TiO2 como material de cuberta. Zhu et al. prepararon nanocápsulas de n-octadecano e silicona como posibles PCM48. A partir dunha revisión da literatura, é difícil comprender a dosificación recomendada para a formación de materiais de cambio de fase microencapsulados eficaces e estables.
Polo tanto, segundo o coñecemento dos autores, a cantidade de material de cambio de fase empregado para a microencapsulación é un parámetro importante para a produción de materiais de cambio de fase microencapsulados eficientes e estables. O uso de diferentes cantidades de materiais de cambio de fase permitiranos dilucidar as diferentes propiedades e estabilidade dos materiais de cambio de fase microencapsulados. O ácido esteárico (ácido graxo) é unha substancia respectuosa co medio ambiente, médicamente importante e económica que se pode empregar para almacenar enerxía térmica porque ten un alto valor de entalpía (~200 J/g) e pode soportar temperaturas de ata 72 °C. Ademais, o SiO2 non é inflamable, proporciona unha maior resistencia mecánica, condutividade térmica e mellor resistencia química aos materiais do núcleo e actúa como material puzolánico na construción. Cando o cemento se mestura con auga, os PCM mal encapsulados poden rachar debido ao desgaste mecánico e ás altas temperaturas (calor de hidratación) xeradas en estruturas de formigón macizas. Polo tanto, o uso de CA microencapsulado cunha cuberta de SiO2 pode resolver este problema. Polo tanto, o obxectivo deste estudo foi investigar o rendemento e a eficiencia dos PCM sintetizados mediante o proceso sol-gel en aplicacións de construción. Neste traballo, estudamos sistematicamente diferentes cantidades de SA (como material base) de 5, 10, 15, 20, 30 e 50 g encapsulados en cubertas de SiO2. Utilizouse unha cantidade fixa de tetraetilortosilicato (TEOS) nun volume de 10 ml como solución precursora para a formación da cuberta de SiO2.
O ácido esteárico de grao reactivo (SA, C18H36O2, punto de fusión: 72 °C) como material central adquiriuse a Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea do Sur. O tetraetilortosilicato (TEOS, C8H20O4Si) como solución precursora adquiriuse a Acros Organics, Geel, Bélxica. Ademais, etanol absoluto (EA, C2H5OH) e lauril sulfato de sodio (SLS, C12H25NaO4S) adquiriuse a Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Gyeonggi-do, Corea do Sur, e empregáronse como solventes e surfactantes, respectivamente. Tamén se emprega auga destilada como solvente.
Mesturáronse diferentes cantidades de SA con diferentes proporcións de lauril sulfato de sodio (SLS) en 100 mL de auga destilada usando un axitador magnético a 800 rpm e 75 °C durante 1 h (Táboa 1). As emulsións de SA dividíronse en dous grupos: (1) mesturáronse 5, 10 e 15 g de SA con 0,10 g de SLS en 100 ml de auga destilada (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3), (2) mesturáronse 20, 30 e 50 g de SA con 0,15, 0,20 e 0,25 g de SLS con 100 ml de auga destilada (SATEOS4, SATEOS5 e SATEOS6). Usáronse 0,10 g de SLS con 5, 10 e 15 g de SA para formar as respectivas emulsións. Posteriormente, propúxose aumentar o número de SLS para SATEOS4, SATEOS5 e SATEOS6. A táboa 1 mostra as proporcións de CA e SLS empregadas para obter solucións de emulsión estables.
Colocar 10 ml de TEOS, 10 ml de etanol (EA) e 20 ml de auga destilada nun vaso de precipitados de 100 ml. Para estudar a eficiencia de encapsulación de diferentes proporcións de capas de SA e SiO2, rexistrouse o coeficiente de síntese de todas as mostras. A mestura axitouse cun axitador magnético a 400 rpm e 60 °C durante 1 hora. A continuación, engadiuse a solución precursora gota a gota á emulsión de SA preparada, axitouse vigorosamente a 800 rpm e 75 °C durante 2 horas e filtrouse para obter un po branco. O po branco lavouse con auga destilada para eliminar o SA residual e secouse nun forno de baleiro a 45 °C durante 24 horas. Como resultado, obtívose unha SC microencapsulada cunha capa de SiO2. O proceso completo de síntese e preparación de SA microencapsulado móstrase na Figura 1.
Preparáronse microcápsulas de SA cunha cuberta de SiO2 mediante o método sol-gel, e o seu mecanismo de encapsulación móstrase na Figura 2. O primeiro paso consiste en preparar unha emulsión de SA nunha solución acuosa con SLS como surfactante. Neste caso, o extremo hidrofóbico da molécula de SA únese ao SLS e o extremo hidrofílico ás moléculas de auga, formando unha emulsión estable. Así, as unidades hidrofóbicas do SLS están protexidas e cobren a superficie da pinga de SA. Por outra banda, a hidrólise das solucións de TEOS ocorre lentamente polas moléculas de auga, o que leva á formación de TEOS hidrolizado en presenza de etanol (Fig. 2a) 49,50,51. O TEOS hidrolizado sofre unha reacción de condensación, durante a cal o TEOS n-hidrolizado forma clústeres de sílice (Fig. 2b). Os clústeres de sílice foron encapsulados por SA52 en presenza de SLS (Fig. 2c), o que se denomina proceso de microencapsulación.
Diagrama esquemático da microencapsulación de CA cunha capa de SiO2 (a) hidrólise de TEOS (b) condensación do hidrolizado e (c) encapsulación de CA cunha capa de SiO2.
A análise química do SA a granel e do SA microencapsulado realizouse empregando un espectrómetro de infravermellos por transformada de Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, EUA) e os espectros rexistráronse no rango de 500 a 4000 cm-1.
Empregouse un difractómetro de raios X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Xapón) para analizar as fases a granel de SA e os materiais das microcápsulas. A exploración estrutural por raios X realizouse no rango de 2θ = 5°–95° cunha velocidade de exploración de 4°/min, empregando radiación Cu-Kα (λ = 1,541 Å), condicións de funcionamento de 25 kV e 100 mA, en modo de exploración continua. As imaxes de raios X construíronse no rango de 2θ = 5–50°, xa que non se observou ningún pico despois de 50° en todas as mostras.
A espectroscopia de fotoelectróns de raios X (XPS, Scienta Omicron R3000, EUA) realizouse empregando Al Kα (1486,6 eV) como fonte de raios X para comprender o estado químico do SA a granel, así como os elementos presentes no material de encapsulación. Os espectros XPS recollidos calibráronse ao pico C 1s empregando carbono exótico (enerxía de enlace 284,6 eV). Despois da corrección de fondo empregando o método Shirley, os picos de alta resolución de cada elemento deconvolucionáronse e axustáronse a funcións gaussianas/lorentzianas empregando o software CASA XPS.
A morfoloxía das mostras de SC a granel e microencapsuladas examinouse mediante microscopía electrónica de varrido (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, República Checa) equipada con espectroscopía de raios X por dispersión de enerxía (EDS) a 15 kV. Antes da obtención de imaxes por SEM, as mostras foron recubertas con platino (Pt) para evitar os efectos de carga.
As propiedades térmicas (punto de fusión/solidificación e calor latente) e a fiabilidade (ciclos térmicos) determináronse mediante calorimetría diferencial de varrido (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, EUA) a unha velocidade de quecemento/arrefriamento de 10 °C/min a 40 °C e 90 °C con purga continua de nitróxeno. A análise de perda de peso realizouse cun analizador TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, EUA) nun fluxo continuo de nitróxeno a partir dunha temperatura de 40–600 °C, cunha velocidade de quecemento de 10 °C/min.
A figura 3 mostra os espectros FTIR do SC a granel, así como do SC microencapsulado (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 e SATEOS6). Os picos de absorción a 2910 cm-1 e 2850 cm-1 en todas as mostras (SA así como SA microencapsulado) atribúense ás vibracións de estiramento simétricas dos grupos –CH3 e –CH2, respectivamente10,50. O pico a 1705 cm-1 corresponde ao estiramento vibratorio da unión C=O. Os picos a 1470 cm-1 e 1295 cm-1 atribúense á vibración de flexión no plano do grupo funcional –OH, mentres que os picos a 940 cm-1 e 719 cm-1 corresponden á vibración no plano e á vibración de deformación no plano de rendemento, respectivamente, do grupo –OH. Tamén se observaron picos de absorción de SA a 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 e 719 cm-1 en todos os SA microencapsulados. Ademais, observouse un pico recentemente descuberto a 1103 cm-1 correspondente á vibración de estiramento antisimétrica da banda Si-O-Si na microcápsula de SA. Os resultados de FT-IR son consistentes cos de Yuan et al. 50. Prepararon con éxito SA microencapsulado nunha proporción de amoníaco/etanol e descubriron que non se produciu ningunha interacción química entre o SA e o SiO2. Os resultados do presente estudo de FT-IR mostran que a cuberta de SiO2 encapsulou con éxito o SA (núcleo) mediante o proceso de condensación e polimerización de TEOS hidrolizado. A un contido de SA máis baixo, a intensidade do pico da banda Si-O-Si é maior (Fig. 3b-d). A medida que a cantidade de SA aumenta a máis de 15 g, a intensidade do pico e o ensanchemento da banda Si-O-Si diminúen gradualmente, o que indica a formación dunha fina capa de SiO2 na superficie de SA.
Espectros FTIR de (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6.
Os patróns de XRD do SA a granel e do SA microencapsulado móstranse na Figura 4. Os picos de XRD están situados a 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}segundo JCPDS nº 0381923, 02)\), 21,42° en todas as mostras (311), 24,04° (602) e 39,98° (913) asígnanse ao SA. Distorsión e hibrididade co CA a granel debido a factores incertos como o surfactante (SLS), outras substancias residuais e a microencapsulación de SiO250. Despois de que se produza a encapsulación, a intensidade dos picos principais (300), (500), (311) e (602) diminúe gradualmente en comparación co CA a granel, o que indica unha diminución da cristalinidade da mostra.
Patróns de XRD de (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6.
A intensidade de SATEOS1 diminúe drasticamente en comparación con outras mostras. Non se observaron outros picos en todas as mostras microencapsuladas (Fig. 4b–g), o que confirma que se produce a adsorción física de SiO252 en lugar da interacción química na superficie da SA. Ademais, tamén se concluíu que a microencapsulación de SA non levou á aparición de novas estruturas. O SiO2 permanece intacto na superficie da SA sen ningunha reacción química e, a medida que a cantidade de SA diminúe, os picos existentes fanse máis evidentes (SATEOS1). Este resultado indica que o SiO2 encapsula principalmente a superficie da SA. O pico en (700) desaparece por completo e o pico en \((\overline{5}02)\) convértese nunha protuberancia en SATEOS 1 (Fig. 4b), o que está asociado a unha cristalinidade reducida e un aumento do amorfismo. O SiO2 é de natureza amorfa, polo que os picos observados de 2θ = 19° a 25° teñen unha protuberancia e un ensanche53 (Fig. 4b–g), o que confirma a existencia de SiO252 amorfo. A menor intensidade do pico de difracción do SA microencapsulado débese ao efecto de nucleación da parede interna de sílice e ao comportamento limitante da cristalización49. Crese que cun menor contido de SA, fórmase unha capa de sílice máis grosa debido á presenza dunha gran cantidade de TEOS, que se adsorbe en gran medida na superficie externa do SA. Non obstante, a medida que aumenta a cantidade de SA, aumenta a superficie das pingas de SA na solución de emulsión e requírese máis TEOS para unha encapsulación axeitada. Polo tanto, cun maior contido de SA, suprímese o pico de SiO2 en FT-IR (Fig. 3) e a intensidade do pico de difracción preto de 2θ = 19–25° en XRF (Fig. 4) diminúe e a expansión tamén diminúe. Non visible. Non obstante, como se pode ver na Figura 4, en canto a cantidade de SA aumenta de 5 g (SATEOS1) a 50 g (SATEOS6), os picos aproxímanse moito ao SA a granel, e o pico en (700) aparece con todas as intensidades de pico identificadas. Este resultado correlaciónase cos resultados de FT-IR, onde a intensidade do pico de SiO2 SATEOS6 diminúe a 1103 cm-1 (Fig. 3g).
Os estados químicos dos elementos presentes en SA, SATEOS1 e SATEOS6 móstranse nas Figuras 1 e 2, Figuras 5, 6, 7 e 8 e Táboa 2. As medicións de SA a granel, SATEOS1 e SATEOS6 móstranse na Figura 5 e as medicións de alta resolución para C 1s, O 1s e Si 2p móstranse nas Figuras 5, 6, 7 e 8 e Táboa 2, 6, 7 e 8 respectivamente. Os valores de enerxía de enlace obtidos por XPS resúmense na Táboa 2. Como se pode ver na Figura 5, observáronse picos evidentes de Si 2s e Si 2p en SATEOS1 e SATEOS6, onde se produciu a microencapsulación da capa de SiO2. Investigadores anteriores informaron dun pico similar de Si 2s a 155,1 eV54. A presenza de picos de Si en SATEOS1 (Fig. 5b) e SATEOS6 (Fig. 5c) confirma os datos de FT-IR (Fig. 3) e XRD (Fig. 4).
Como se mostra na Figura 6a, os C 1s do SA a granel teñen tres picos diferentes de CC, califático e O=C=O na enerxía de enlace, que son 284,5 eV, 285,2 eV e 289,5 eV, respectivamente. Os picos C–C, califático e O=C=O tamén se observaron en SATEOS1 (Fig. 6b) e SATEOS6 (Fig. 6c) e resúmense na Táboa 2. Ademais disto, o pico C 1s tamén corresponde a un pico Si-C adicional a 283,1 eV (SATEOS1) e 283,5 eV (SATEOS6). As nosas enerxías de enlace observadas para C–C, califático, O=C=O e Si–C correlaciónanse ben con outras fontes55,56.
Os espectros XPS de O 1 SA, SATEOS1 e SATEOS6 móstranse nas figuras 7a–c, respectivamente. O pico O 1s do SA a granel está deconvolucionado e ten dous picos, concretamente C=O/C–O (531,9 eV) e C–O–H (533,0 eV), mentres que o O 1 de SATEOS1 e SATEOS6 é consistente. Só hai tres picos: C=O/C–O, C–O–H e Si–OH55,57,58. A enerxía de enlace de O 1s en SATEOS1 e SATEOS6 cambia lixeiramente en comparación co SA a granel, o que está asociado a un cambio no fragmento químico debido á presenza de SiO2 e Si-OH no material da cuberta.
Os espectros de XPS de Si 2p de SATEOS1 e SATEOS6 móstranse na Figura 8a e b, respectivamente. No CA a granel, non se observou Si 2p debido á ausencia de SiO2. O pico de Si 2p corresponde a 105,4 eV para SATEOS1 e 105,0 eV para SATEOS6, correspondente a Si-O-Si, mentres que o pico de SATEOS1 é de 103,5 eV e o pico de SATEOS6 é de 103,3 eV, correspondente a Si-OH55. O axuste dos picos de Si-O-Si e Si-OH en SATEOS1 e SATEOS6 revelou unha microencapsulación exitosa de SiO2 na superficie do núcleo de SA.
A morfoloxía do material microencapsulado é moi importante, xa que afecta á solubilidade, estabilidade, reactividade química, fluidez e resistencia59. Polo tanto, empregouse o SEM para caracterizar a morfoloxía do SA a granel (100×) e do SA microencapsulado (500×), como se mostra na Figura 9. Como se pode ver na Figura 9a, o bloque de SA ten unha forma elíptica. O tamaño das partículas supera as 500 micras. Non obstante, unha vez que o proceso de microencapsulación continúa, a morfoloxía cambia drasticamente, como se mostra nas Figuras 9b–g.
Imaxes SEM de (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6 a ×500.
Na mostra SATEOS1, obsérvanse partículas de SA cuasiesféricas envoltas en SiO2 máis pequenas cunha superficie rugosa (Fig. 9b), o que pode deberse á hidrólise e polimerización por condensación de TEOS na superficie de SA, acelerando a rápida difusión das moléculas de etanol. Como resultado, deposítanse partículas de SiO2 e obsérvase aglomeración52,60. Esta cuberta de SiO2 proporciona resistencia mecánica ás partículas de CA microencapsuladas e tamén impide as fugas de CA fundido a temperaturas máis altas10. Este resultado indica que as microcápsulas de SA que conteñen SiO2 poden usarse como materiais potenciais de almacenamento de enerxía61. Como se pode ver na Figura 9b, a mostra SATEOS1 ten unha distribución uniforme de partículas cunha capa grosa de SiO2 que encapsula a SA. O tamaño das partículas de SA microencapsulado (SATEOS1) é de aproximadamente 10–20 μm (Fig. 9b), que é significativamente menor en comparación coa SA a granel debido ao menor contido de SA. O grosor da capa de microcápsulas débese á hidrólise e á polimerización por condensación da solución precursora. A aglomeración ocorre a doses máis baixas de SA, é dicir, ata 15 g (Fig. 9b-d), pero en canto se aumenta a dose, non se observa aglomeración, senón que se observan partículas esféricas claramente definidas (Fig. 9e-g) 62.
Ademais, cando a cantidade de surfactante SLS é constante, o contido de SA (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3) tamén afecta á eficiencia, á forma e á distribución do tamaño das partículas. Así, descubriuse que SATEOS1 presenta un tamaño de partícula menor, unha distribución uniforme e unha superficie densa (Fig. 9b), o que se atribuíu á natureza hidrófila do SA, que promove a nucleación secundaria baixo un surfactante constante63. Crese que ao aumentar o contido de SA de 5 a 15 g (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3) e usar unha cantidade constante de surfactante, é dicir, 0,10 g de SLS (Táboa 1), a contribución de cada partícula da molécula de surfactante diminuirá, reducindo así o tamaño das partículas e o tamaño das partículas. A distribución de SATEOS2 (Fig. 9c) e SATEOS3 (Fig. 9d) difire da distribución de SATEOS 1 (Fig. 9b).
En comparación con SATEOS1 (Fig. 9b), SATEOS2 mostrou unha morfoloxía densa de SA microencapsulado e o tamaño das partículas aumentou (Fig. 9c). Isto débese á aglomeración 49, que reduce a taxa de coagulación (Fig. 2b). A medida que a cantidade de SC aumenta co aumento da SLS, as microcápsulas fanse claramente visibles, como se mostra na Fig. como se produce a agregación. Ademais, as figuras 9e–g mostran que todas as partículas teñen unha forma e un tamaño claramente esféricos. Recoñeceuse que en presenza de grandes cantidades de SA, pódese obter unha cantidade axeitada de oligómeros de sílice, o que provoca unha condensación e encapsulación axeitadas e, polo tanto, a formación de microcápsulas ben definidas49. A partir dos resultados do SEM, é evidente que SATEOS6 formou microcápsulas correspondentes en comparación cunha pequena cantidade de SA.
Os resultados da espectroscopia de raios X por dispersión de enerxía (EDS) de SA a granel e SA en microcápsulas preséntanse na Táboa 3. Como se pode ver nesta táboa, o contido de Si diminúe gradualmente desde SATEOS1 (12,34 %) ata SATEOS6 (2,68 %). Aumento de SA. Polo tanto, podemos dicir que un aumento na cantidade de SA leva a unha diminución na deposición de SiO2 na superficie de SA. Non hai valores consistentes para os contidos de C e O na Táboa 3 debido á análise semicuantitativa de EDS51. O contido de Si de SA microencapsulado correlacionouse cos resultados de FT-IR, XRD e XPS.
O comportamento de fusión e solidificación do SA a granel, así como do SA microencapsulado con capa de SiO2, móstranse nas Figuras 1 e 2. Móstranse nas Figuras 10 e 11 respectivamente, e os datos térmicos móstranse na Táboa 4. Descubriuse que as temperaturas de fusión e solidificación do SA microencapsulado son diferentes. A medida que aumenta a cantidade de SA, as temperaturas de fusión e solidificación aumentan e achéganse aos valores do SA a granel. Despois da microencapsulación de SA, a parede de sílice aumenta a temperatura de cristalización e a súa parede actúa como un núcleo para promover a heteroxeneidade. Polo tanto, a medida que aumenta a cantidade de SA, as temperaturas de fusión (Fig. 10) e solidificación (Fig. 11) tamén aumentan gradualmente49,51,64. Entre todas as mostras de SA microencapsuladas, SATEOS6 presentou as temperaturas de fusión e solidificación máis altas, seguida de SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 e SATEOS1.
SATEOS1 mostra o punto de fusión máis baixo (68,97 °C) e a temperatura de solidificación (60,60 °C), o que se debe ao menor tamaño de partícula no que o movemento das partículas de SA dentro das microcápsulas é moi pequeno e a capa de SiO2 forma unha capa grosa e, polo tanto, o material central limita o estiramento e o movemento49. Esta hipótese está relacionada cos resultados do SEM, onde SATEOS1 mostrou un tamaño de partícula menor (Fig. 9b), o que se debe ao feito de que as moléculas de SA están confinadas dentro dunha área moi pequena das microcápsulas. A diferenza nas temperaturas de fusión e solidificación da masa principal, así como de todas as microcápsulas de SA con capas de SiO2, está no rango de 6,10–8,37 °C. Este resultado indica que o SA microencapsulado pódese usar como un material potencial de almacenamento de enerxía debido á boa condutividade térmica da capa de SiO2 65.
Como se pode observar na Táboa 4, SATEOS6 ten a maior entalpía entre todos os SC microencapsulados (Fig. 9g) debido á encapsulación axeitada observada por SEM. A taxa de empaquetamento SA pódese calcular usando a ecuación (1). (1) Comparando os datos de calor latente de SA49 microencapsulado.
O valor de R representa o grao de encapsulación (%) do SC microencapsulado, ΔHMEPCM,m representa a calor latente de fusión do SC microencapsulado e ΔHPCM,m representa a calor latente de fusión do SC. Ademais, a eficiencia de empaquetado (%) calcúlase como outro parámetro técnico importante, como se mostra na ecuación (1). (2)49.
O valor de E representa a eficiencia de encapsulación (%) do CA microencapsulado, ΔHMEPCM,s representa a calor latente de curado do CA microencapsulado e ΔHPCM,s representa a calor latente de curado do CA.
Como se mostra na Táboa 4, o grao de empaquetamento e a eficiencia de SATEOS1 son do 71,89 % e do 67,68 %, respectivamente, e o grao de empaquetamento e a eficiencia de SATEOS6 son do 90,86 % e do 86,68 %, respectivamente (Táboa 4). A mostra SATEOS6 presenta o coeficiente e a eficiencia de encapsulamento máis altos entre todos os SA microencapsulados, o que indica a súa alta capacidade térmica. Polo tanto, a transición de sólido a líquido require grandes cantidades de enerxía. Ademais, a diferenza nas temperaturas de fusión e solidificación de todas as microcápsulas de SA e do SA a granel durante o proceso de arrefriamento indica que a cuberta de sílice está espacialmente confinada durante a síntese de microcápsulas. Polo tanto, os resultados mostran que a medida que aumenta a cantidade de SC, a taxa de encapsulamento e a eficiencia aumentan gradualmente (Táboa 4).
As curvas TGA do SA a granel e do SA en microcápsulas cunha cuberta de SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6) móstranse na Figura 12. As propiedades de estabilidade térmica do SA a granel (SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6) comparáronse con mostras microencapsuladas. Da curva TGA despréndese claramente que a perda de peso do SA a granel, así como do SA microencapsulado, mostra unha diminución suave e moi lixeira de 40 °C a 190 °C. A esta temperatura, o SC a granel non sofre descomposición térmica, mentres que o SC microencapsulado libera auga adsorbida mesmo despois de secar a 45 °C durante 24 h. Isto provocou unha lixeira perda de peso,49 pero máis alá desta temperatura o material comezou a degradarse. A un contido de SA máis baixo (é dicir, SATEOS1), o contido de auga adsorbida é maior e, polo tanto, a perda de masa ata 190 °C é maior (recadro na Fig. 12). En canto a temperatura sobe por riba dos 190 °C, a mostra comeza a perder masa debido aos procesos de descomposición. O SA a granel comeza a descompoñerse a 190 °C e só queda o 4 % a 260 °C, mentres que SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 reteñen o 50 %, 20 % e 12 % a esta temperatura, respectivamente. Despois dos 300 °C, a perda de masa do SA a granel foi de aproximadamente o 97,60 %, mentres que a perda de masa de SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 foi de aproximadamente o 54,20 %, 82,40 % e 90,30 %, respectivamente. Cun aumento no contido de SA, o contido de SiO2 diminúe (Táboa 3) e obsérvase un adelgazamento da cuberta no SEM (Fig. 9). Así, a perda de peso do SA microencapsulado é menor en comparación co SA a granel, o que se explica polas propiedades favorables da capa de SiO2, que promove a formación dunha capa de silicato carbonoso na superficie do SA, illando así o núcleo do SA e ralentizando a liberación dos produtos volátiles resultantes10. Esta capa de carbón forma unha barreira protectora física durante a descomposición térmica, limitando a transición de moléculas inflamables á fase gasosa66,67. Ademais disto, tamén podemos ver resultados significativos de perda de peso: SATEOS1 mostra valores máis baixos en comparación con SATEOS3, SATEOS6 e SA. Isto débese a que a cantidade de SA en SATEOS1 é menor que en SATEOS3 e SATEOS6, onde a capa de SiO2 forma unha capa grosa. En contraste, a perda de peso total do SA a granel alcanza o 99,50 % a 415 °C. Non obstante, SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 mostraron unha perda de peso do 62,50 %, 85,50 % e 93,76 %, respectivamente, a 415 °C. Este resultado indica que a adición de TEOS mellora a degradación do SA ao formar unha capa de SiO2 na superficie do SA. Estas capas poden formar unha barreira protectora física e, polo tanto, pódese observar unha mellora na estabilidade térmica do CA microencapsulado.
Os resultados de fiabilidade térmica do SA a granel e a mellor mostra microencapsulada (é dicir, SATEOS 6) despois de 30 ciclos de quentamento e arrefriamento de DSC51,52 móstranse na Figura 13. Pódese observar que o SA a granel (Figura 13a) non mostra ningunha diferenza na temperatura de fusión, solidificación e valor de entalpía, mentres que o SATEOS6 (Fig. 13b) non mostra ningunha diferenza na temperatura e valor de entalpía mesmo despois do 30º ciclo de quentamento e o proceso de arrefriamento. O SA a granel mostrou un punto de fusión de 72,10 °C, unha temperatura de solidificación de 64,69 °C, e a calor de fusión e solidificación despois do primeiro ciclo foi de 201,0 J/g e 194,10 J/g, respectivamente. Despois do 30º ciclo, o punto de fusión destes valores diminuíu a 71,24 °C, a temperatura de solidificación diminuíu a 63,53 °C e o valor de entalpía diminuíu un 10 %. Os cambios nas temperaturas de fusión e solidificación, así como as diminucións nos valores de entalpía, indican que o CA a granel non é fiable para aplicacións que non impliquen microencapsulación. Non obstante, despois de que se produza a microencapsulación axeitada (SATEOS6), as temperaturas de fusión e solidificación e os valores de entalpía non cambian (Fig. 13b). Unha vez microencapsulado con cubertas de SiO2, o SA pódese usar como material de cambio de fase en aplicacións térmicas, especialmente na construción, debido ás súas temperaturas óptimas de fusión e solidificación e á súa entalpía estable.
Curvas DSC obtidas para as mostras SA (a) e SATEOS6 (b) nos ciclos 1.º e 30.º de quecemento e arrefriamento.
Neste estudo, levouse a cabo unha investigación sistemática da microencapsulación utilizando SA como material central e SiO2 como material de cuberta. O TEOS utilízase como precursor para formar unha capa de soporte de SiO2 e unha capa protectora na superficie de SA. Tras a síntese exitosa de SA microencapsulado, os resultados de FT-IR, XRD, XPS, SEM e EDS mostraron a presenza de SiO2. A análise SEM mostra que a mostra SATEOS6 presenta partículas esféricas ben definidas rodeadas por cubertas de SiO2 na superficie de SA. Non obstante, o MEPCM con menor contido de SA presenta aglomeración, o que reduce o rendemento do PCM. A análise XPS mostrou a presenza de Si-O-Si e Si-OH nas mostras de microcápsulas, o que revelou a adsorción de SiO2 na superficie de SA. Segundo a análise do rendemento térmico, o SATEOS6 mostra a capacidade de almacenamento de calor máis prometedora, con temperaturas de fusión e solidificación de 70,37 °C e 64,27 °C, respectivamente, e calor latente de fusión e solidificación de 182,53 J/g e 160,12 J/g. g, respectivamente. A eficiencia máxima de empaquetado do SATEOS6 é do 86,68 %. A análise do ciclo térmico TGA e DSC confirmou que o SATEOS6 aínda ten unha boa estabilidade térmica e fiabilidade mesmo despois de 30 procesos de quecemento e arrefriamento.
Yang T., Wang XY e Li D. Análise do rendemento dun sistema de adsorción composto termoquímico sólido-gas para o almacenamento de enerxía térmica e mellora da súa eficiencia. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Khudhair, AM, Razak, S. e Al-Hallaj, S. Unha revisión do almacenamento de enerxía por cambio de fase: materiais e aplicacións. Energy convertor. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS e Saini JS. Rendemento da transferencia de calor dos sistemas de almacenamento de enerxía térmica mediante cápsulas PCM: unha revisión, actualización e soporte. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. e Bruno, F. Unha revisión dos materiais de almacenamento e as tecnoloxías de mellora do rendemento térmico para sistemas de almacenamento térmico de cambio de fase a alta temperatura. Actualización. Soporte. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM. Preparación e caracterización de materiais de cambio de fase de n-tetradecano con enerxía térmica nanoencapsulados. Enxeñeiro químico. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. e Li, M. Síntese de novos materiais compostos de cambio de fase con forma estable utilizando aeroxeles de grafeno modificados para a conversión e almacenamento de enerxía solar. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. e Fang, G. Caracterización morfolóxica e aplicación de materiais de cambio de fase no almacenamento de enerxía térmica: unha revisión, actualización e apoio. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).