Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi natijalarga erishish uchun brauzeringizning yangi versiyasidan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz yoki JavaScriptsiz namoyish etmoqdamiz.
Stearin kislotasi (SA) energiya saqlash qurilmalarida fazaviy o'zgarish materiali (PCM) sifatida ishlatiladi. Ushbu tadqiqotda SiO2 qobiq sirt faol moddasini mikrokapsulyatsiya qilish uchun sol-gel usuli qo'llanildi. Turli miqdordagi SA (5, 10, 15, 20, 30 va 50 g) 10 ml tetraetil ortosilikat (TEOS) ga joylashtirildi. Sintezlangan mikrokapsulyatsiyalangan fazaviy o'zgarish materiali (MEPCM) Furye transform infraqizil spektroskopiyasi (FT-IR), rentgen difraksiyasi (XRD), rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) va skanerlash elektron mikroskopiyasi (SEM) bilan tavsiflandi. Xarakteristika natijalari shuni ko'rsatdiki, SA SiO2 bilan muvaffaqiyatli joylashtirildi. Termogravimetrik tahlil (TGA) shuni ko'rsatdiki, MEPCM CA ga qaraganda yaxshiroq issiqlik barqarorligiga ega. Differentsial skanerlash kalorimetriyasi (DSC) yordamida MEPCM ning entalpiya qiymati 30 ta isitish-sovutish siklidan keyin ham o'zgarmasligi aniqlandi. Barcha mikrokapsulalangan namunalar orasida MEPCM o'z ichiga olgan 50 g SA eng yuqori erish va qotish issiqligiga ega bo'lib, mos ravishda 182,53 J/g va 160,12 J/g ni tashkil etdi. Paket samaradorligi qiymati issiqlik ma'lumotlari yordamida hisoblab chiqildi va eng yuqori samaradorlik xuddi shu namunada topildi, bu 86,68% ni tashkil etdi.
Qurilish sanoatida ishlatiladigan energiyaning taxminan 58% binolarni isitish va sovutish uchun ishlatiladi1. Shuning uchun eng zarur narsa atrof-muhit ifloslanishini hisobga oladigan samarali energiya tizimlarini yaratishdir2. Faza o'zgarishi materiallaridan (PCM) foydalanadigan yashirin issiqlik texnologiyasi past harorat tebranishlarida yuqori energiyani saqlashi mumkin3,4,5,6 va issiqlik uzatish, quyosh energiyasini saqlash, aerokosmik va konditsionerlash kabi sohalarda keng qo'llanilishi mumkin7,8,9. PCM kunduzi binoning tashqi qismidan issiqlik energiyasini yutadi va kechasi energiya chiqaradi10. Shuning uchun faza o'zgarishi materiallari issiqlik energiyasini saqlash materiallari sifatida tavsiya etiladi. Bundan tashqari, qattiq-qattiq, qattiq-suyuq, suyuq-gaz va qattiq-gaz kabi turli xil PCM turlari mavjud11. Ular orasida eng mashhur va tez-tez ishlatiladigan faza o'zgarishi materiallari qattiq-qattiq faza o'zgarishi materiallari va qattiq-suyuq faza o'zgarishi materiallari hisoblanadi. Biroq, ularni qo'llash suyuq-gaz va qattiq-gaz faza o'tish materiallarining ulkan hajmli o'zgarishlari tufayli juda qiyin.
PCM o'zining xususiyatlari tufayli turli xil qo'llanilishlarga ega: 15°C dan past haroratlarda eriydiganlar sovuq haroratni saqlab turish uchun konditsioner tizimlarida, 90°C dan yuqori haroratlarda eriydiganlar esa yong'inlarning oldini olish uchun isitish tizimlarida ishlatilishi mumkin12. Qo'llanilishi va erish nuqtasi diapazoniga qarab, turli xil organik va noorganik kimyoviy moddalardan turli xil fazaviy o'zgarish materiallari sintez qilingan13,14,15. Parafin yuqori yashirin issiqlik, korroziyaga chidamlilik, xavfsizlik va keng erish nuqtasi diapazoniga ega bo'lgan eng ko'p ishlatiladigan fazaviy o'zgarish materialidir16,17,18,19,20,21.
Biroq, faza o'zgarishi materiallarining past issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli, faza o'zgarishi jarayonida asosiy materialning oqishini oldini olish uchun ularni qobiq (tashqi qatlam) ichiga joylashtirish kerak22. Bundan tashqari, operatsion xatolar yoki tashqi bosim tashqi qatlamga (qoplama) zarar etkazishi mumkin va eritilgan faza o'zgarishi materiali qurilish materiallari bilan reaksiyaga kirishib, ko'milgan po'lat panjaralarning korroziyasini keltirib chiqarishi va shu bilan binoning xizmat ko'rsatish qobiliyatini pasaytirishi mumkin23. Shuning uchun, yuqoridagi muammolarni hal qilishi mumkin bo'lgan yetarli qobiq materiali bilan kapsulalangan faza o'zgarishi materiallarini sintez qilish muhimdir24.
Faza o'zgaruvchan materiallarni mikrokapsulyatsiya qilish issiqlik uzatishni samarali ravishda oshirishi va atrof-muhit reaktivligini kamaytirishi, shuningdek, hajm o'zgarishlarini boshqarishi mumkin. PCM kapsulyatsiyasi uchun turli usullar ishlab chiqilgan, ya'ni interfeys polimerizatsiyasi25,26,27,28, in situ polimerizatsiyasi29,30,31,32, koatservatsiya33,34,35 va sol-gel jarayonlari36,37,38,39. Formaldegid qatroni mikrokapsulyatsiya uchun ishlatilishi mumkin40,41,42,43. Melamin-formaldegid va karbamid-formaldegid qatronlari qobiq materiallari sifatida ishlatiladi, ular ko'pincha ish paytida zaharli formaldegid chiqaradi. Shuning uchun, bu materiallarni qadoqlash jarayonlarida ishlatish taqiqlanadi. Biroq, kengaytiriladigan issiqlik energiyasini saqlash uchun ekologik toza faza o'zgarishi materiallari yog 'kislotalari va lignin 44 asosidagi gibrid nanokapsulalar yordamida sintez qilinishi mumkin.
Zhang va boshqalar 45 va boshqalar tetraetil ortosilikatdan laurin kislotasini sintez qilishdi va metiltrietoksisilanning tetraetil ortosilikatga hajm nisbati oshgani sayin, yashirin issiqlik kamayadi va sirt hidrofobikligi oshadi degan xulosaga kelishdi. Laurin kislotasi kapok tolalari uchun potentsial va samarali yadro materiali bo'lishi mumkin46. Bundan tashqari, Latibari va boshqalar 47 TiO2 ni qobiq materiali sifatida ishlatib, stearin kislotasi asosidagi PCMlarni sintez qilishdi. Zhu va boshqalar n-oktadekan va silikon nanokapsulalarini potentsial PCMlar sifatida tayyorlashdi48. Adabiyotlarni ko'rib chiqishdan samarali va barqaror mikrokapsulalangan faza o'zgarishi materiallarini hosil qilish uchun tavsiya etilgan dozani tushunish qiyin.
Shuning uchun, mualliflarning ma'lumotlariga ko'ra, mikrokapsulyatsiya uchun ishlatiladigan faza o'zgarishi materialining miqdori samarali va barqaror mikrokapsulyatsiyalangan faza o'zgarishi materiallarini ishlab chiqarish uchun muhim parametr hisoblanadi. Turli miqdordagi faza o'zgarishi materiallaridan foydalanish mikrokapsulyatsiyalangan faza o'zgarishi materiallarining turli xususiyatlari va barqarorligini aniqlashga imkon beradi. Stearin kislotasi (yog 'kislotasi) ekologik toza, tibbiy jihatdan muhim va iqtisodiy modda bo'lib, u yuqori entalpiya qiymatiga (~200 J/g) ega va 72 °C gacha bo'lgan haroratga bardosh bera oladi, shuning uchun issiqlik energiyasini saqlash uchun ishlatilishi mumkin. Bundan tashqari, SiO2 yonmaydi, yuqori mexanik mustahkamlik, issiqlik o'tkazuvchanligi va yadro materiallariga nisbatan yaxshiroq kimyoviy qarshilik ko'rsatadi va qurilishda pozzolan material sifatida ishlaydi. Tsement suv bilan aralashtirilganda, yomon kapsulalangan PCMlar mexanik aşınma va massiv beton konstruktsiyalarda hosil bo'lgan yuqori harorat (gidratatsiya issiqligi) tufayli yorilishi mumkin. Shuning uchun, SiO2 qobig'i bo'lgan mikrokapsulyatsiyalangan CA dan foydalanish bu muammoni hal qilishi mumkin. Shuning uchun, ushbu tadqiqotning maqsadi qurilish qo'llanmalarida sol-gel jarayoni bilan sintezlangan PCMlarning ishlashi va samaradorligini o'rganish edi. Ushbu ishda biz SiO2 qobiqlariga kapsulalangan 5, 10, 15, 20, 30 va 50 g SA ning turli miqdorini (asosiy material sifatida) tizimli ravishda o'rgandik. SiO2 qobig'ini hosil qilish uchun oldingi eritma sifatida 10 ml hajmdagi tetraetilortosilikat (TEOS) ning belgilangan miqdori ishlatilgan.
Asosiy material sifatida reaktiv stearin kislotasi (SA, C18H36O2, erish nuqtasi: 72°C) Janubiy Koreyaning Gyeonggi-do shahridagi Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. kompaniyasidan sotib olindi. Oldindan eritma sifatida tetraetilorthosilikat (TEOS, C8H20O4Si) Belgiyaning Geel shahridagi Acros Organics kompaniyasidan sotib olindi. Bundan tashqari, Janubiy Koreyaning Gyeonggi-do shahridagi Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. kompaniyasidan mutlaq etanol (EA, C2H5OH) va natriy lauril sulfat (SLS, C12H25NaO4S) sotib olindi va mos ravishda erituvchi va sirt faol moddalar sifatida ishlatildi. Distillangan suv ham erituvchi sifatida ishlatiladi.
Turli miqdordagi SA 100 ml distillangan suvda 800 rpm va 75 °C da magnit aralashtirgich yordamida turli nisbatlarda natriy lauril sulfat (SLS) bilan 1 soat davomida aralashtirildi (1-jadval). SA emulsiyalari ikki guruhga bo'lindi: (1) 5, 10 va 15 g SA 100 ml distillangan suvda (SATEOS1, SATEOS2 va SATEOS3) 0,10 g SLS bilan aralashtirildi, (2) 20, 30 va 50 g SA 0,15, 0,20 va 0,25 g SLS bilan 100 ml distillangan suv (SATEOS4, SATEOS5 va SATEOS6) bilan aralashtirildi. Tegishli emulsiyalarni hosil qilish uchun 0,10 g SLS 5, 10 va 15 g SA bilan ishlatildi. Keyinchalik, SATEOS4, SATEOS5 va SATEOS6 uchun SLS sonini ko'paytirish taklif qilindi. 1-jadvalda barqaror emulsiya eritmalarini olish uchun ishlatiladigan CA va SLS nisbatlari ko'rsatilgan.
100 ml lik stakanga 10 ml TEOS, 10 ml etanol (EA) va 20 ml distillangan suv soling. SA va SiO2 qobiqlarining turli nisbatlarining kapsulalash samaradorligini o'rganish uchun barcha namunalarning sintez koeffitsienti qayd etildi. Aralashma magnit aralashtirgich bilan 400 rpm va 60°C da 1 soat davomida aralashtirildi. Keyin prekursor eritmasi tayyorlangan SA emulsiyasiga tomchilab qo'shildi, 800 rpm va 75°C da 2 soat davomida kuchli aralashtirildi va oq kukun hosil bo'lguncha filtrlandi. Oq kukun qoldiq SA ni olib tashlash uchun distillangan suv bilan yuvildi va 45°C da vakuumli pechda 24 soat davomida quritildi. Natijada, SiO2 qobig'i bo'lgan mikrokapsulalangan SC olindi. Mikrokapsulalangan SA ni sintez qilish va tayyorlashning butun jarayoni 1-rasmda ko'rsatilgan.
SiO2 qobig'iga ega SA mikrokapsulalari sol-gel usuli bilan tayyorlangan va ularning kapsulalash mexanizmi 2-rasmda ko'rsatilgan. Birinchi bosqich sirt faol moddasi sifatida SLS bilan suvli eritmada SA emulsiyasini tayyorlashni o'z ichiga oladi. Bu holda, SA molekulasining gidrofob uchi SLS ga, gidrofil uchi esa suv molekulalariga bog'lanib, barqaror emulsiya hosil qiladi. Shunday qilib, SLS ning gidrofob qismlari himoyalangan va SA tomchisining yuzasini qoplaydi. Boshqa tomondan, TEOS eritmalarining gidrolizi suv molekulalari tomonidan sekin sodir bo'ladi, bu esa etanol ishtirokida gidrolizlangan TEOS hosil bo'lishiga olib keladi (2a-rasm) 49,50,51. Gidrolizlangan TEOS kondensatsiya reaksiyasiga uchraydi, bu jarayonda n-gidrolizlangan TEOS kremniy klasterlarini hosil qiladi (2b-rasm). Kvarts klasterlari SLS ishtirokida SA52 bilan kapsulalangan (2c-rasm), bu mikrokapsulyatsiya jarayoni deb ataladi.
SiO2 qobig'i bilan CA mikrokapsulyatsiyasining sxematik diagrammasi (a) TEOS gidrolizi (b) gidrolizatning kondensatsiyasi va (c) SiO2 qobig'i bilan CA kapsülasyonu.
Ommaviy SA va mikrokapsulalangan SA ning kimyoviy tahlili Furye transform infraqizil spektrometri (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, AQSh) yordamida amalga oshirildi va spektrlar 500 dan 4000 sm-1 gacha bo'lgan diapazonda qayd etildi.
SA fazalari va mikrokapsula materiallarining asosiy qismini tahlil qilish uchun rentgen difraktometri (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Yaponiya) ishlatilgan. Rentgen strukturaviy skanerlash 2θ = 5°–95° diapazonida, 4°/min skanerlash tezligida, 25 kV va 100 mA ish sharoitida, uzluksiz skanerlash rejimida Cu-Kα nurlanishidan (λ = 1.541 Å) foydalanib amalga oshirildi. Rentgen tasvirlari 2θ = 5–50° diapazonida yaratildi, chunki barcha namunalarda 50° dan keyin cho'qqi kuzatilmadi.
Rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS, Scienta Omicron R3000, AQSh) SA massasining kimyoviy holatini, shuningdek, kapsulalash materialida mavjud bo'lgan elementlarni tushunish uchun rentgen manbai sifatida Al Kα (1486,6 eV) yordamida amalga oshirildi. To'plangan XPS spektrlari ekzotik uglerod (bog'lanish energiyasi 284,6 eV) yordamida C 1s cho'qqisiga kalibrlandi. Shirley usuli yordamida fon tuzatishidan so'ng, har bir elementning yuqori aniqlikdagi cho'qqilari dekonvolyutatsiya qilindi va CASA XPS dasturi yordamida Gauss/Lorentzian funktsiyalariga moslashtirildi.
Ommaviy SC va mikrokapsulalangan SC morfologiyasi 15 kV da energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi (EDS) bilan jihozlangan skanerlash elektron mikroskopiyasi (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Chexiya Respublikasi) yordamida o'rganildi. SEM tasvirlashdan oldin, zaryadlash effektlaridan qochish uchun namunalar platina (Pt) bilan qoplangan.
Issiqlik xususiyatlari (erish/qattiqlashish nuqtasi va yashirin issiqlik) va ishonchlilik (issiqlik sikllanishi) differentsial skanerlash kalorimetriyasi (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, AQSh) yordamida 40 °C va 90 °C da 10 °C/min isitish/sovutish tezligida uzluksiz azotni tozalash bilan aniqlandi. Vazn yo'qotish tahlili TGA analizatori (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, AQSh) yordamida 40–600 °C haroratda boshlanadigan uzluksiz azot oqimida, 10 °C/min isitish tezligi bilan amalga oshirildi.
3-rasmda ommaviy SC, shuningdek, mikrokapsulalangan SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 va SATEOS6) ning FTIR spektrlari ko'rsatilgan. Barcha namunalardagi (SA, shuningdek, mikrokapsulalangan SA) 2910 sm-1 va 2850 sm-1 dagi yutilish cho'qqilari mos ravishda –CH3 va –CH2 guruhlarining simmetrik cho'zilish tebranishlariga bog'liq10,50. 1705 sm-1 dagi cho'qqi C=O bog'lanishining tebranish cho'zilishi bilan mos keladi. 1470 sm-1 va 1295 sm-1 dagi cho'qqilar –OH funktsional guruhining tekislik ichidagi egilish tebranishiga, 940 sm-1 va 719 sm-1 dagi cho'qqilar esa tekislik ichidagi tebranish va hosilga mos keladi. -tekislik deformatsiya tebranishi mos ravishda – OH guruhi. SA ning 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 va 719 sm-1 dagi yutilish cho'qqilari barcha mikrokapsulalangan SA da ham kuzatildi. Bundan tashqari, SA mikrokapsulasida Si-O-Si tasmasining antisimmetrik cho'zilish tebranishiga mos keladigan 1103 sm-1 da yangi kashf etilgan cho'qqi kuzatildi. FT-IR natijalari Yuan va boshqalar bilan mos keladi. 50 Ular mikrokapsulalangan SA ni ammiak/etanol nisbatida muvaffaqiyatli tayyorladilar va SA va SiO2 o'rtasida kimyoviy o'zaro ta'sir sodir bo'lmaganligini aniqladilar. Joriy FT-IR tadqiqoti natijalari shuni ko'rsatadiki, SiO2 qobig'i SA (yadro) ni kondensatsiya jarayoni va gidrolizlangan TEOS polimerizatsiyasi orqali muvaffaqiyatli kapsulalagan. SA tarkibi pastroq bo'lganda, Si-O-Si tasmasining eng yuqori intensivligi yuqoriroq bo'ladi (3b-d-rasm). SA miqdori 15 g dan oshgani sayin, cho'qqining intensivligi va Si-O-Si tasmasining kengayishi asta-sekin pasayadi, bu esa SA yuzasida yupqa SiO2 qatlami hosil bo'lganligini ko'rsatadi.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 va (g) SATEOS6 ning FTIR spektrlari.
Ommaviy SA va mikrokapsulalangan SA ning XRD naqshlari 4-rasmda ko'rsatilgan. XRD cho'qqilari JCPDS № 0381923, 02 ga muvofiq 2θ = 6.50° (300), 10.94° (500), 15.46° (700), 20.26° \((\overline {5}), barcha namunalarda (311), 24.04° (602) va 39.98° (913) da SA ga tegishli. Sirt faol moddasi (SLS), boshqa qoldiq moddalar va SiO250 ning mikrokapsulalanishi kabi noaniq omillar tufayli ommaviy CA bilan buzilish va gibridlik. Kapsulalanish sodir bo'lgandan so'ng, asosiy cho'qqilarning (300), (500), (311) va (602) intensivligi ommaviy CA ga nisbatan asta-sekin pasayadi, bu namunaning kristalliligining pasayishini ko'rsatadi.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 va (g) SATEOS6 ning rentgen tasvirlari.
SATEOS1 ning intensivligi boshqa namunalarga nisbatan keskin pasayadi. Barcha mikrokapsulalangan namunalarda boshqa cho'qqilar kuzatilmadi (4b–g-rasm), bu SA yuzasida kimyoviy o'zaro ta'sir o'rniga SiO252 ning fizik adsorbsiyasi sodir bo'lishini tasdiqlaydi. Bundan tashqari, SA ning mikrokapsulalanishi yangi tuzilmalarning paydo bo'lishiga olib kelmagan degan xulosaga kelishdi. SiO2 SA yuzasida hech qanday kimyoviy reaksiyasiz saqlanib qoladi va SA miqdori kamaygan sari mavjud cho'qqilar yanada aniqroq bo'ladi (SATEOS1). Bu natija shuni ko'rsatadiki, SiO2 asosan SA yuzasini kapsulalaydi. (700) dagi cho'qqi butunlay yo'qoladi va \((\overline{5}02)\) dagi cho'qqi SATEOS 1 da tepalikka aylanadi (4b-rasm), bu esa kristallikning pasayishi va amorfizmning oshishi bilan bog'liq. SiO2 tabiatda amorfdir, shuning uchun 2θ = 19° dan 25° gacha kuzatilgan cho'qqilar tepalikka va kengayishga ega53 (4b–g-rasm), bu amorf SiO252 ning mavjudligini tasdiqlaydi. Mikrokapsulalangan SA ning past diffraktsiya cho'qqi intensivligi kremniy ichki devorining yadrolanish effekti va kristallanishning cheklovchi xususiyati bilan bog'liq49. SA miqdori pastroq bo'lganda, SA ning tashqi yuzasida asosan adsorbsiyalangan ko'p miqdordagi TEOS mavjudligi sababli qalinroq kremniy qobig'i hosil bo'ladi, deb ishoniladi. Biroq, SA miqdori oshgani sayin, emulsiya eritmasidagi SA tomchilarining sirt maydoni oshadi va to'g'ri kapsulalash uchun ko'proq TEOS talab qilinadi. Shuning uchun, SA miqdori yuqori bo'lganda, FT-IRdagi SiO2 cho'qqisi bostiriladi (3-rasm) va XRFda 2θ = 19–25° ga yaqin diffraktsiya cho'qqisining intensivligi pasayadi (4-rasm) va kengayish ham kamayadi. Ko'rinmaydi. Biroq, 4-rasmda ko'rinib turibdiki, SA miqdori 5 g (SATEOS1) dan 50 g (SATEOS6) gacha oshishi bilan cho'qqilar ommaviy SA ga juda yaqinlashadi va (700) dagi cho'qqi barcha cho'qqi intensivliklari aniqlangan holda paydo bo'ladi. Bu natija FT-IR natijalari bilan bog'liq bo'lib, bu yerda SiO2 SATEOS6 cho'qqisining intensivligi 1103 sm-1 da pasayadi (3g-rasm).
SA, SATEOS1 va SATEOS6 tarkibidagi elementlarning kimyoviy holatlari 1 va 2-rasmlarda ko'rsatilgan. 5, 6, 7 va 8-rasmlar hamda 2-jadval. Ommaviy SA, SATEOS1 va SATEOS6 uchun o'lchov skanerlashlari 5-rasmda, C 1s, O 1s va Si 2p uchun yuqori aniqlikdagi skanerlashlar esa mos ravishda 5, 6, 7 va 8-rasmlarda hamda 2. 6, 7 va 8-jadvallarda ko'rsatilgan. XPS tomonidan olingan bog'lanish energiyasi qiymatlari 2-jadvalda umumlashtirilgan. 5-rasmdan ko'rinib turibdiki, SiO2 qobig'ining mikrokapsulyatsiyasi sodir bo'lgan SATEOS1 va SATEOS6 da aniq Si 2s va Si 2p cho'qqilari kuzatilgan. Avvalgi tadqiqotchilar shunga o'xshash Si 2s cho'qqisini 155,1 eV54 da qayd etishgan. SATEOS1 (5b-rasm) va SATEOS6 (5c-rasm) da Si cho'qqilarining mavjudligi FT-IR (3-rasm) va XRD (4-rasm) ma'lumotlarini tasdiqlaydi.
6a-rasmda ko'rsatilganidek, ommaviy SA ning C 1s bog'lanish energiyasida uch xil CC, xalifatik va O=C=O cho'qqilariga ega, ular mos ravishda 284,5 eV, 285,2 eV va 289,5 eV ni tashkil qiladi. C–C, xalifatik va O=C=O cho'qqilari SATEOS1 (6b-rasm) va SATEOS6 (6c-rasm) da ham kuzatilgan va 2-jadvalda umumlashtirilgan. Bunga qo'shimcha ravishda, C 1s cho'qqisi 283,1 eV (SATEOS1) va 283,5 eV (SATEOS6) da qo'shimcha Si-C cho'qqisiga ham mos keladi. C–C, xalifatik, O=C=O va Si–C uchun kuzatilgan bog'lanish energiyalari boshqa manbalar bilan yaxshi bog'liq55,56.
O1 SA, SATEOS1 va SATEOS6 ning XPS spektrlari mos ravishda 7a–c rasmlarda ko'rsatilgan. Ommaviy SA ning O1s cho'qqisi dekonvolyutlangan va ikkita cho'qqiga ega, ya'ni C=O/C–O (531.9 eV) va C–O–H (533.0 eV), SATEOS1 va SATEOS6 ning O1 esa izchil. Faqat uchta cho'qqi mavjud: C=O/C–O, C–O–H va Si–OH55,57,58. SATEOS1 va SATEOS6 dagi O1s bog'lanish energiyasi ommaviy SA ga nisbatan biroz o'zgaradi, bu esa qobiq materialida SiO2 va Si-OH mavjudligi sababli kimyoviy fragmentning o'zgarishi bilan bog'liq.
SATEOS1 va SATEOS6 ning Si 2p XPS spektrlari mos ravishda 8a va b-rasmlarda ko'rsatilgan. Ommaviy CA da SiO2 yo'qligi sababli Si 2p kuzatilmadi. Si 2p cho'qqisi SATEOS1 uchun 105,4 eV va SATEOS6 uchun 105,0 eV ga to'g'ri keladi, bu Si-O-Si ga mos keladi, SATEOS1 cho'qqisi esa 103,5 eV va SATEOS6 cho'qqisi esa 103,3 eV ga teng, bu esa Si-OH55 ga mos keladi. SATEOS1 va SATEOS6 dagi Si-O-Si va Si-OH cho'qqilarining moslashishi SA yadro yuzasida SiO2 ning muvaffaqiyatli mikrokapsulyatsiyasini ko'rsatdi.
Mikrokapsulalangan materialning morfologiyasi juda muhim bo'lib, u eruvchanlik, barqarorlik, kimyoviy reaktivlik, oqimlilik va mustahkamlikka ta'sir qiladi59. Shuning uchun, 9-rasmda ko'rsatilgandek, SEM ommaviy SA (100×) va mikrokapsulalangan SA (500×) morfologiyasini tavsiflash uchun ishlatilgan. 9a-rasmdan ko'rinib turibdiki, SA bloki elliptik shaklga ega. Zarrachalar hajmi 500 mikrondan oshadi. Biroq, mikrokapsulalash jarayoni davom etgandan so'ng, 9b–g-rasmlarda ko'rsatilgandek, morfologiya keskin o'zgaradi.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 va (g) SATEOS6 ning ×500 da olingan SEM tasvirlari.
SATEOS1 namunasida qo'pol sirtga ega kichikroq kvazisferik SiO2 bilan o'ralgan SA zarralari kuzatiladi (9b-rasm), bu TEOSning SA yuzasida gidrolizlanishi va kondensatsiya polimerizatsiyasi bilan bog'liq bo'lishi mumkin, bu esa etanol molekulalarining tez tarqalishini tezlashtiradi. Natijada, SiO2 zarralari cho'ktiriladi va aglomeratsiya kuzatiladi52,60. Ushbu SiO2 qobig'i mikrokapsulalangan CA zarralariga mexanik kuch beradi va shuningdek, yuqori haroratlarda erigan CA ning oqishini oldini oladi10. Bu natija shuni ko'rsatadiki, SiO2 ni o'z ichiga olgan SA mikrokapsulalari potentsial energiya saqlash materiallari sifatida ishlatilishi mumkin61. 9b-rasmdan ko'rinib turibdiki, SA ni o'rab turgan qalin SiO2 qatlami bilan zarrachalar taqsimotining bir xilligiga ega. Mikrokapsulalangan SA (SATEOS1) ning zarracha hajmi taxminan 10–20 mkm ni tashkil qiladi (9b-rasm), bu SA tarkibining pastligi sababli ommaviy SA ga nisbatan ancha kichikdir. Mikrokapsula qatlamining qalinligi prekursor eritmasining gidrolizi va kondensatsiya polimerizatsiyasi bilan bog'liq. Aglomeratsiya SA ning past dozalarida, ya'ni 15 g gacha sodir bo'ladi (9b-d-rasm), lekin dozasi oshirilishi bilan aglomeratsiya kuzatilmaydi, lekin aniq belgilangan sharsimon zarrachalar kuzatiladi (9e-g-rasm) 62.
Bundan tashqari, SLS sirt faol moddasining miqdori doimiy bo'lganda, SA miqdori (SATEOS1, SATEOS2 va SATEOS3) ham samaradorlik, shakl va zarrachalar hajmining taqsimlanishiga ta'sir qiladi. Shunday qilib, SATEOS1 kichikroq zarrachalar hajmi, bir xil taqsimlanish va zich sirtni namoyon qilishi aniqlandi (9b-rasm), bu SA ning gidrofil tabiati bilan bog'liq bo'lib, doimiy sirt faol moddasi63 ostida ikkilamchi yadrolanishni rag'batlantiradi. SA miqdorini 5 g dan 15 g gacha oshirish (SATEOS1, SATEOS2 va SATEOS3) va doimiy miqdordagi sirt faol moddasi, ya'ni 0,10 g SLS (1-jadval) dan foydalanish orqali sirt faol moddasi molekulasining har bir zarrachasining hissasi kamayadi va shu bilan zarrachalar hajmi va zarrachalar hajmi kamayadi, deb ishoniladi. SATEOS2 (9c-rasm) va SATEOS3 (9d-rasm) ning taqsimlanishi SATEOS 1 ning taqsimlanishidan farq qiladi (9b-rasm).
SATEOS1 bilan taqqoslaganda (9b-rasm), SATEOS2 mikrokapsulalangan SA ning zich morfologiyasini ko'rsatdi va zarrachalar hajmi oshdi (9c-rasm). Bu koagulyatsiya tezligini pasaytiradigan 49 aglomeratsiyasi tufayli yuzaga keladi (2b-rasm). SLS ortishi bilan SC miqdori oshgani sayin, mikrokapsulalarning aniq ko'rinib turishi, rasmda ko'rsatilganidek, agregatsiya qanday sodir bo'lishi. Bundan tashqari, 9e–g-rasmlarda barcha zarrachalar shakli va o'lchami jihatidan aniq sharsimon ekanligi ko'rsatilgan. Ko'p miqdorda SA mavjud bo'lganda, tegishli miqdordagi kremniy oligomerlarini olish mumkinligi, bu esa tegishli kondensatsiya va kapsulalanishga va shuning uchun aniq belgilangan mikrokapsulalarning hosil bo'lishiga olib kelishi aniqlangan49. SEM natijalaridan ko'rinib turibdiki, SATEOS6 oz miqdordagi SA ga nisbatan mos keladigan mikrokapsulalarni hosil qilgan.
Ommaviy SA va mikrokapsula SA ning energiya dispersli rentgen spektroskopiyasi (EDS) natijalari 3-jadvalda keltirilgan. Ushbu jadvaldan ko'rinib turibdiki, Si miqdori asta-sekin SATEOS1 (12,34%) dan SATEOS6 (2,68%) gacha kamayadi. SA ning oshishi. Shuning uchun, SA miqdorining ortishi SA yuzasida SiO2 cho'kmasining kamayishiga olib keladi, deyishimiz mumkin. EDS51 ning yarim miqdoriy tahlili tufayli 3-jadvalda C va O miqdori uchun izchil qiymatlar yo'q. Mikrokapsulalangan SA ning Si miqdori FT-IR, XRD va XPS natijalari bilan o'zaro bog'liq edi.
Ommaviy SA ning, shuningdek, SiO2 qobig'i bilan mikrokapsulalangan SA ning erish va qotish xususiyati 1 va 2-rasmlarda ko'rsatilgan. Ular mos ravishda 10 va 11-rasmlarda, termal ma'lumotlar esa 4-jadvalda ko'rsatilgan. Mikrokapsulalangan SA ning erish va qotish harorati har xil ekanligi aniqlandi. SA miqdori oshgani sayin, erish va qotish harorati oshadi va ommaviy SA qiymatlariga yaqinlashadi. SA mikrokapsulalangandan so'ng, kremniy devori kristallanish haroratini oshiradi va uning devori heterojenlikni oshirish uchun yadro vazifasini bajaradi. Shuning uchun, SA miqdori oshgani sayin, erish (10-rasm) va qotish (11-rasm) harorati ham asta-sekin oshadi 49,51,64. Barcha mikrokapsulalangan SA namunalari orasida SATEOS6 eng yuqori erish va qotish haroratini ko'rsatdi, undan keyin SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 va SATEOS1.
SATEOS1 eng past erish nuqtasini (68,97 °C) va qotish haroratini (60,60 °C) ko'rsatadi, bu mikrokapsulalardagi SA zarrachalarining harakati juda kichik bo'lgan kichikroq zarracha hajmi bilan bog'liq va SiO2 qobig'i qalin qatlam hosil qiladi va shuning uchun yadro materiali cho'zilish va harakatni cheklaydi49. Bu gipoteza SEM natijalari bilan bog'liq, bu yerda SATEOS1 kichikroq zarracha hajmini ko'rsatdi (9b-rasm), bu SA molekulalari mikrokapsulalarning juda kichik maydonida joylashganligi bilan bog'liq. Asosiy massaning, shuningdek, SiO2 qobiqli barcha SA mikrokapsulalarining erish va qotish haroratidagi farq 6,10–8,37 °C oralig'ida. Bu natija shuni ko'rsatadiki, mikrokapsulalangan SA SiO2 qobig'ining yaxshi issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli potentsial energiya saqlash materiali sifatida ishlatilishi mumkin 65.
4-jadvaldan ko'rinib turibdiki, SATEOS6 barcha mikrokapsulalangan SClar orasida eng yuqori entalpiyaga ega (9g-rasm), chunki SEM tomonidan kuzatilgan to'g'ri kapsulatsiya mavjud. SA qadoqlash tezligini (1) tenglama yordamida hisoblash mumkin. (1) Mikrokapsulalangan SA49 ning yashirin issiqlik ma'lumotlarini taqqoslash orqali.
R qiymati mikrokapsulalangan SC ning kapsulalanish darajasini (%), ΔHMEPCM,m mikrokapsulalangan SC ning yashirin erish issiqligini va ΔHPCM,m SC ning yashirin erish issiqligini ifodalaydi. Bundan tashqari, qadoqlash samaradorligi (%) (1) tenglamada ko'rsatilgandek, yana bir muhim texnik parametr sifatida hisoblanadi. (2)49.
E qiymati mikrokapsulalangan CA ning kapsulalash samaradorligini (%), ΔHMEPCM,s mikrokapsulalangan CA ning yashirin qotishi issiqligini va ΔHPCM,s CA ning yashirin qotishi issiqligini ifodalaydi.
4-jadvalda ko'rsatilganidek, SATEOS1 ning qadoqlash darajasi va samaradorligi mos ravishda 71,89% va 67,68% ni, SATEOS6 ning qadoqlash darajasi va samaradorligi esa mos ravishda 90,86% va 86,68% ni tashkil qiladi (4-jadval). SATEOS6 namunasi barcha mikrokapsulalangan SAlar orasida eng yuqori kapsulalash koeffitsienti va samaradorligini namoyish etadi, bu uning yuqori issiqlik sig'imini ko'rsatadi. Shuning uchun, qattiq holatdan suyuqlikka o'tish katta miqdorda energiya talab qiladi. Bundan tashqari, sovutish jarayonida barcha SA mikrokapsulalari va ommaviy SA ning erish va qotish haroratidagi farq mikrokapsula sintezi paytida kremniy qobig'ining fazoviy jihatdan cheklanganligini ko'rsatadi. Shunday qilib, natijalar shuni ko'rsatadiki, SC miqdori oshgani sayin, kapsulalash tezligi va samaradorligi asta-sekin oshadi (4-jadval).
SiO2 qobig'iga ega bo'lgan ommaviy SA va mikrokapsula SA (SATEOS1, SATEOS3 va SATEOS6) ning TGA egri chiziqlari 12-rasmda ko'rsatilgan. Katta hajmli SA (SATEOS1, SATEOS3 va SATEOS6) ning termal barqarorlik xususiyatlari mikrokapsulalangan namunalar bilan taqqoslandi. TGA egri chizig'idan ko'rinib turibdiki, ommaviy SA ning ham, mikrokapsulalangan SA ning ham vazn yo'qotishi 40°C dan 190°C gacha silliq va juda ozgina pasayishni ko'rsatadi. Bu haroratda ommaviy SC termal parchalanishga uchramaydi, mikrokapsulalangan SC esa 45°C da 24 soat davomida quritgandan keyin ham adsorblangan suvni chiqaradi. Bu ozgina vazn yo'qotishiga olib keldi,49 ammo bu haroratdan tashqarida material parchalana boshladi. Pastroq SA tarkibida (ya'ni SATEOS1) adsorblangan suv miqdori yuqoriroq bo'ladi va shuning uchun 190°C gacha massa yo'qotishi yuqoriroq bo'ladi (12-rasmga qarang). Harorat 190 °C dan oshishi bilan, parchalanish jarayonlari tufayli namuna massasini yo'qotishni boshlaydi. Ommaviy SA 190 °C da parchalana boshlaydi va 260 °C da atigi 4% qoladi, SATEOS1, SATEOS3 va SATEOS6 esa bu haroratda mos ravishda 50%, 20% va 12% ni saqlab qoladi. 300 °C dan keyin ommaviy SA ning massa yo'qotilishi taxminan 97,60% ni tashkil etdi, SATEOS1, SATEOS3 va SATEOS6 ning massa yo'qotilishi esa mos ravishda taxminan 54,20%, 82,40% va 90,30% ni tashkil etdi. SA miqdorining oshishi bilan SiO2 miqdori kamayadi (3-jadval) va SEMda qobiqning yupqalashishi kuzatiladi (9-rasm). Shunday qilib, mikrokapsulalangan SA ning vazn yo'qotishi ommaviy SA ga nisbatan pastroq, bu SiO2 qobig'ining qulay xususiyatlari bilan izohlanadi, bu SA yuzasida uglerodli silikat-uglerodli qatlam hosil bo'lishiga yordam beradi, shu bilan SA yadrosini ajratib oladi va hosil bo'lgan uchuvchan mahsulotlarning chiqishini sekinlashtiradi10. Bu ko'mir qatlami termik parchalanish paytida jismoniy himoya to'sig'ini hosil qiladi, yonuvchan molekulalarning gaz fazasiga o'tishini cheklaydi66,67. Bunga qo'shimcha ravishda, biz vazn yo'qotishning sezilarli natijalarini ham ko'rishimiz mumkin: SATEOS1 SATEOS3, SATEOS6 va SA ga nisbatan pastroq qiymatlarni ko'rsatadi. Buning sababi, SATEOS1 dagi SA miqdori SiO2 qobig'i qalin qatlam hosil qiladigan SATEOS3 va SATEOS6 ga qaraganda kamroq. Aksincha, ommaviy SA ning umumiy vazn yo'qotishi 415 °C da 99,50% ga etadi. Biroq, SATEOS1, SATEOS3 va SATEOS6 415 °C da mos ravishda 62,50%, 85,50% va 93,76% vazn yo'qotishni ko'rsatdi. Bu natija shuni ko'rsatadiki, TEOS qo'shilishi SA yuzasida SiO2 qatlamini hosil qilish orqali SA ning parchalanishini yaxshilaydi. Bu qatlamlar jismoniy himoya to'sig'ini hosil qilishi mumkin va shuning uchun mikrokapsulalangan CA ning termal barqarorligining yaxshilanishi kuzatilishi mumkin.
DSC51,52 ning 30 ta isitish va sovutish siklidan keyin quyma SA va eng yaxshi mikrokapsulalangan namunaning (ya'ni SATEOS 6) termal ishonchlilik natijalari 13-rasmda ko'rsatilgan. Ko'rinib turibdiki, quyma SA (13a-rasm) erish harorati, qattiqlashishi va entalpiya qiymatida hech qanday farq ko'rsatmaydi, SATEOS6 (13b-rasm) esa 30-isitish siklidan keyin ham harorat va entalpiya qiymatida hech qanday farq ko'rsatmaydi. Quyma SA erish nuqtasi 72,10 °C, qattiqlashish harorati 64,69 °C va birinchi sikldan keyin erish va qattiqlashish issiqligi mos ravishda 201,0 J/g va 194,10 J/g ni tashkil etdi. 30-tsikldan so'ng, bu qiymatlarning erish nuqtasi 71,24 °C gacha, qotish harorati 63,53 °C gacha pasaydi va entalpiya qiymati 10% ga kamaydi. Erish va qotish haroratining o'zgarishi, shuningdek, entalpiya qiymatlarining pasayishi, ommaviy CA mikrokapsulyatsiya bo'lmagan ilovalar uchun ishonchsiz ekanligini ko'rsatadi. Biroq, to'g'ri mikrokapsulyatsiya sodir bo'lgandan so'ng (SATEOS6), erish va qotish harorati va entalpiya qiymatlari o'zgarmaydi (13b-rasm). SiO2 qobiqlari bilan mikrokapsulyatsiya qilingandan so'ng, SA optimal erish va qotish harorati va barqaror entalpiyasi tufayli issiqlik qo'llanmalarida, ayniqsa qurilishda faza o'zgarishi materiali sifatida ishlatilishi mumkin.
1 va 30-chi isitish va sovutish sikllarida SA (a) va SATEOS6 (b) namunalari uchun olingan DSC egri chiziqlari.
Ushbu tadqiqotda SA yadro materiali va SiO2 qobiq materiali sifatida ishlatilgan holda mikrokapsulyatsiyani tizimli tekshirish amalga oshirildi. TEOS SA yuzasida SiO2 tayanch qatlami va himoya qatlamini hosil qilish uchun prekursor sifatida ishlatiladi. Mikrokapsulalangan SA muvaffaqiyatli sintez qilingandan so'ng, FT-IR, XRD, XPS, SEM va EDS natijalari SiO2 mavjudligini ko'rsatdi. SEM tahlili shuni ko'rsatadiki, SATEOS6 namunasi SA yuzasida SiO2 qobiqlari bilan o'ralgan aniq belgilangan sharsimon zarrachalarni namoyish etadi. Biroq, SA miqdori pastroq bo'lgan MEPCM aglomeratsiyani namoyon qiladi, bu esa PCM ning ishlashini pasaytiradi. XPS tahlili mikrokapsula namunalarida Si-O-Si va Si-OH mavjudligini ko'rsatdi, bu esa SA yuzasida SiO2 ning adsorbsiyasini aniqladi. Issiqlik samaradorligi tahliliga ko'ra, SATEOS6 eng istiqbolli issiqlik saqlash qobiliyatini ko'rsatadi, mos ravishda 70,37°C va 64,27°C erish va qotish harorati, mos ravishda 182,53 J/g va 160,12 J/g. G eritish va qotishning yashirin issiqligi bilan. SATEOS6 ning maksimal qadoqlash samaradorligi 86,68% ni tashkil qiladi. TGA va DSC issiqlik sikli tahlili SATEOS6 ning 30 ta isitish va sovutish jarayonlaridan keyin ham yaxshi issiqlik barqarorligi va ishonchliligiga ega ekanligini tasdiqladi.
Yang T., Wang XY va Li D. Issiqlik energiyasini saqlash uchun termokimyoviy qattiq-gaz kompozit adsorbsiya tizimining samaradorligini tahlil qilish va uning samaradorligini oshirish. qo'llanilishi. issiq. muhandis. 150, 512–521 (2019).
Farid, MM, Xudhair, AM, Razak, S. va Al-Hallaj, S. Faza o'zgarishi energiyasini saqlashga sharh: materiallar va qo'llanmalar. Energiya konvertori. Menejer. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF, Solanki SS va Saini JS PCM kapsulalaridan foydalangan holda issiqlik energiyasini saqlash tizimlarining issiqlik uzatish samaradorligi: sharh. yangilanish. qo'llab-quvvatlash. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. va Bruno, F. Yuqori haroratli fazali o'zgarishli issiqlik saqlash tizimlari uchun saqlash materiallari va issiqlik samaradorligini oshirish texnologiyalari sharhi. yangilash. qo'llab-quvvatlash. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Fang Guoying, Li Hong, Liu Xiang, Wu SM Nanokapsulalangan issiqlik energiyasi n-tetradekan fazaviy o'zgarish materiallarini tayyorlash va tavsiflash. Kimyoviy muhandis. J. 153, 217–221 (2009).
Mu, B. va Li, M. Quyosh energiyasini konvertatsiya qilish va saqlash uchun modifikatsiyalangan grafen aerogellaridan foydalangan holda yangi shaklga barqaror fazaviy o'zgarish kompozit materiallarini sintez qilish. Quyosh energiyasi materiallari. Quyosh hujayrasi 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. va Fang, G. Issiqlik energiyasini saqlashda fazaviy o'zgarish materiallarining morfologik tavsifi va qo'llanilishi: sharh. yangilash. qo'llab-quvvatlash. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).