Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для дасягнення найлепшых вынікаў рэкамендуем выкарыстоўваць больш новую версію браўзера (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы адлюстроўваем сайт без стыляў і JavaScript.
Стэарынавая кіслата (СК) выкарыстоўваецца ў якасці матэрыялу з фазавым пераходам (ФПМ) у прыладах назапашвання энергіі. У гэтым даследаванні для мікракапсуляцыі павярхоўна-актыўнага рэчыва SiO2 быў выкарыстаны золь-гель метад. Розныя колькасці СК (5, 10, 15, 20, 30 і 50 г) былі інкапсуляваны ў 10 мл тэтраэтылартасілікату (ТЭАС). Сінтэзаваны мікракапсуляваны матэрыял з фазавым пераходам (МФПМ) быў ахарактарызаваны з дапамогай інфрачырвонай спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е (FT-IR), рэнтгенаўскай дыфракцыі (XRD), рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS) і сканіруючай электроннай мікраскапіі (SEM). Вынікі характарызацыі паказалі, што СК быў паспяхова інкапсуляваны SiO2. Тэрмагравіметрычны аналіз (ТГА) паказаў, што МФПМ мае ​​лепшую тэрмічную стабільнасць, чым КА. З дапамогай дыферэнцыяльнай сканіруючай каларыметрыі (ДСК) было выяўлена, што значэнне энтальпіі МФПМ не змянілася нават пасля 30 цыклаў награвання-астуджэння. Сярод усіх мікракапсуляваных узораў 50 г СК, якія змяшчаюць MEPCM, мелі найвышэйшую схаваную цеплыню плаўлення і зацвярдзення, якая склала 182,53 Дж/г і 160,12 Дж/г адпаведна. Значэнне эфектыўнасці ўпакоўкі было разлічана з выкарыстаннем цеплавых дадзеных, і найвышэйшая эфектыўнасць была выяўлена для таго ж узору і склала 86,68%.
Прыкладна 58% энергіі, якая выкарыстоўваецца ў будаўнічай галіне, выкарыстоўваецца для ацяплення і астуджэння будынкаў1. Таму самае неабходнае — стварыць эфектыўныя энергетычныя сістэмы, якія ўлічваюць забруджванне навакольнага асяроддзя2. Тэхналогія схаванага цяпла з выкарыстаннем матэрыялаў з фазавым пераходам (PCM) можа назапашваць высокую энергію пры нізкіх ваганнях тэмпературы3,4,5,6 і можа шырока выкарыстоўвацца ў такіх галінах, як цеплаперадача, назапашванне сонечнай энергіі, аэракасмічная прамысловасць і кандыцыянаванне паветра7,8,9. PCM паглынае цеплавую энергію з вонкавых паверхняў будынкаў на працягу дня і вызваляе энергію ўначы10. Таму матэрыялы з фазавым пераходам рэкамендуюцца ў якасці матэрыялаў для назапашвання цеплавой энергіі. Акрамя таго, існуюць розныя тыпы PCM, такія як цвёрдае цела-цвёрдае цела, цвёрдае цела-вадкасць, вадкасць-газ і цвёрдае цела-газ11. Сярод іх найбольш папулярнымі і часта выкарыстоўванымі матэрыяламі з фазавым пераходам з'яўляюцца матэрыялы з фазавым пераходам цвёрдае цела-цвёрдае цела і матэрыялы з фазавым пераходам цвёрдае цела-вадкасць. Аднак іх ужыванне вельмі складанае з-за велізарных аб'ёмных змен матэрыялаў з фазавым пераходам вадкасць-газ і цвёрдае цела-газ.
Дзякуючы сваім уласцівасцям, PCM мае розныя сферы прымянення: тыя, што плавяцца пры тэмпературах ніжэй за 15°C, могуць выкарыстоўвацца ў сістэмах кандыцыянавання паветра для падтрымання нізкіх тэмператур, а тыя, што плавяцца пры тэмпературах вышэй за 90°C, могуць выкарыстоўвацца ў сістэмах ацяплення для прадухілення пажараў12. У залежнасці ад прымянення і дыяпазону тэмператур плаўлення, розныя матэрыялы з фазавым пераходам былі сінтэзаваны з розных арганічных і неарганічных хімічных рэчываў13,14,15. Парафін з'яўляецца найбольш часта выкарыстоўваным матэрыялам з фазавым пераходам, які мае высокую схаваную цеплыню, неагрэсіўнасць, бяспеку і шырокі дыяпазон тэмператур плаўлення16,17,18,19,20,21.
Аднак з-за нізкай цеплаправоднасці матэрыялаў з фазавым пераходам іх неабходна інкапсуляваць у абалонку (знешні пласт), каб прадухіліць уцечку асноўнага матэрыялу падчас працэсу фазавага пераходу22. Акрамя таго, эксплуатацыйныя памылкі або знешні ціск могуць пашкодзіць вонкавы пласт (абалонку), а расплаўлены матэрыял з фазавым пераходам можа рэагаваць з будаўнічымі матэрыяламі, выклікаючы карозію ўбудаваных сталёвых стрыжняў, тым самым зніжаючы эксплуатацыйную прыдатнасць будынка23. Таму важна сінтэзаваць інкапсуляваныя матэрыялы з фазавым пераходам з дастатковай колькасцю матэрыялу абалонкі, што можа вырашыць вышэйзгаданыя праблемы24.
Мікракапсуляцыя матэрыялаў з фазавым пераходам можа эфектыўна павялічыць цеплаперадачу і знізіць рэакцыйную здольнасць навакольнага асяроддзя, а таксама кантраляваць змены аб'ёму. Для інкапсуляцыі PCM былі распрацаваны розныя метады, а менавіта міжфазная палімерызацыя25,26,27,28, палімерызацыя in situ29,30,31,32, каацервацыя33,34,35 і золь-гель працэсы36,37,38,39. Для мікракапсуляцыі можа выкарыстоўвацца фармальдэгідная смала40,41,42,43. У якасці абалонкавых матэрыялаў выкарыстоўваюцца меламінафармальдэгідныя і мачавінафармальдэгідныя смалы, якія часта вылучаюць таксічны фармальдэгід падчас працы. Таму гэтыя матэрыялы забароненыя да выкарыстання ў працэсах упакоўкі. Аднак экалагічна чыстыя матэрыялы з фазавым пераходам для маштабаванага захоўвання цеплавой энергіі можна сінтэзаваць з выкарыстаннем гібрыдных нанакапсул на аснове тоўстых кіслот і лігніну44.
Чжан і інш.45 сінтэзавалі лаўрынавую кіслату з тэтраэтылартасілікату і прыйшлі да высновы, што па меры павелічэння аб'ёмнага суадносін метылтрыэтаксісілану да тэтраэтылартасілікату схаваная цеплыня памяншаецца, а паверхневая гідрафобнасць павялічваецца. Лаўрынавая кіслата можа быць патэнцыйным і эфектыўным матэрыялам асяродка для капокавых валокнаў46. Акрамя таго, Лацібары і інш.47 сінтэзавалі PCM на аснове стэарынавай кіслаты, выкарыстоўваючы TiO2 у якасці матэрыялу абалонкі. Чжу і інш. падрыхтавалі н-актадэкан і сіліконавыя нанакапсулы ў якасці патэнцыйных PCM48. З агляду літаратуры цяжка зразумець рэкамендаваную дазоўку для ўтварэння эфектыўных і стабільных мікракапсуляваных матэрыялаў з фазавым пераходам.
Такім чынам, наколькі вядома аўтарам, колькасць матэрыялу з фазавым пераходам, які выкарыстоўваецца для мікракапсуляцыі, з'яўляецца важным параметрам для вытворчасці эфектыўных і стабільных мікракапсуляваных матэрыялаў з фазавым пераходам. Выкарыстанне рознай колькасці матэрыялаў з фазавым пераходам дазволіць нам высветліць розныя ўласцівасці і стабільнасць мікракапсуляваных матэрыялаў з фазавым пераходам. Стэарынавая кіслата (тлустая кіслата) - гэта экалагічна чыстае, медыцынска важнае і эканамічнае рэчыва, якое можна выкарыстоўваць для назапашвання цеплавой энергіі, паколькі яно мае высокае значэнне энтальпіі (~200 Дж/г) і можа вытрымліваць тэмпературы да 72 °C. Акрамя таго, SiO2 не гаручы, забяспечвае больш высокую механічную трываласць, цеплаправоднасць і лепшую хімічную ўстойлівасць да асноўных матэрыялаў, а таксама дзейнічае як пуцаланавы матэрыял у будаўніцтве. Пры змешванні цэменту з вадой дрэнна інкапсуляваныя PCM могуць трэскацца з-за механічнага зносу і высокіх тэмператур (цяпла гідратацыі), якія ўтвараюцца ў масіўных бетонных канструкцыях. Такім чынам, выкарыстанне мікракапсуляванага CA з абалонкай SiO2 можа вырашыць гэтую праблему. Такім чынам, мэтай гэтага даследавання было вывучэнне прадукцыйнасці і эфектыўнасці PCM, сінтэзаваных золь-гель метадам, у будаўніцтве. У гэтай працы мы сістэматычна вывучалі розныя колькасці SA (у якасці асноўнага матэрыялу) вагой 5, 10, 15, 20, 30 і 50 г, інкапсуляваных у абалонкі SiO2. Фіксаваная колькасць тэтраэтылартасілікату (TEOS) у аб'ёме 10 мл выкарыстоўвалася ў якасці раствора-папярэдніка для фарміравання абалонкі SiO2.
Стэарынавая кіслата рэакцыйнай якасці (SA, C18H36O2, тэмпература плаўлення: 72°C) у якасці асноўнага матэрыялу была набыта ў Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Кёнгі-до, Паўднёвая Карэя. Тэтраэтылартасілікат (TEOS, C8H20O4Si) у якасці раствора-папярэдніка быў набыты ў Acros Organics, Геель, Бельгія. Акрамя таго, абсалютны этанол (EA, C2H5OH) і лаўрылсульфат натрыю (SLS, C12H25NaO4S) былі набыты ў Daejung Chemical & Metals Co., Ltd, Кёнгі-до, Паўднёвая Карэя, і выкарыстоўваліся ў якасці растваральнікаў і павярхоўна-актыўных рэчываў адпаведна. Дыстыляваная вада таксама выкарыстоўваецца ў якасці растваральніка.
Розныя колькасці СК змешвалі з рознымі прапорцыямі лаўрылсульфату натрыю (SLS) у 100 мл дыстыляванай вады з дапамогай магнітнай мяшалкі пры 800 абаротаў у хвіліну і тэмпературы 75 °C на працягу 1 гадзіны (табліца 1). Эмульсіі СК былі падзелены на дзве групы: (1) 5, 10 і 15 г СК змешвалі з 0,10 г SLS у 100 мл дыстыляванай вады (SATEOS1, SATEOS2 і SATEOS3), (2) 20, 30 і 50 г СК змешвалі з 0,15, 0,20 і 0,25 г SLS змешвалі са 100 мл дыстыляванай вады (SATEOS4, SATEOS5 і SATEOS6). 0,10 г SLS выкарыстоўвалі з 5, 10 і 15 г СК для ўтварэння адпаведных эмульсій. Пасля гэтага было прапанавана павялічыць колькасць SLS для SATEOS4, SATEOS5 і SATEOS6. У табліцы 1 паказаны суадносіны CA і SLS, якія выкарыстоўваюцца для атрымання стабільных эмульсійных раствораў.
Змясціце 10 мл TEOS, 10 мл этанолу (EA) і 20 мл дыстыляванай вады ў шклянку аб'ёмам 100 мл. Для вывучэння эфектыўнасці інкапсуляцыі розных суадносін абалонак SA і SiO2 быў зафіксаваны каэфіцыент сінтэзу ўсіх узораў. Сумесь перамешвалі магнітнай мяшалкай пры 400 аб/мін і тэмпературы 60°C на працягу 1 гадзіны. Затым раствор папярэдніка дадавалі па кроплях да падрыхтаванай эмульсіі SA, энергічна перамешвалі пры 800 аб/мін і тэмпературы 75°C на працягу 2 гадзін і фільтравалі для атрымання белага парашка. Белы парашок прамывалі дыстыляванай вадой для выдалення рэшткаў SA і сушылі ў вакуумнай печы пры тэмпературы 45°C на працягу 24 гадзін. У выніку быў атрыманы мікракапсуляваны SC з абалонкай з SiO2. Увесь працэс сінтэзу і падрыхтоўкі мікракапсуляванага SA паказаны на малюнку 1.
Мікракапсулы SA з абалонкай SiO2 былі падрыхтаваны золь-гель метадам, і механізм іх інкапсуляцыі паказаны на малюнку 2. Першы этап уключае падрыхтоўку эмульсіі SA ў водным растворы з SLS у якасці павярхоўна-актыўнага рэчыва. У гэтым выпадку гідрафобны канец малекулы SA звязваецца з SLS, а гідрафільны канец - з малекуламі вады, утвараючы стабільную эмульсію. Такім чынам, гідрафобныя фрагменты SLS абаронены і пакрываюць паверхню кроплі SA. З іншага боку, гідроліз раствораў TEOS адбываецца павольна малекуламі вады, што прыводзіць да ўтварэння гідралізаванага TEOS у прысутнасці этанолу (мал. 2a) 49,50,51. Гідралізаваны TEOS падвяргаецца рэакцыі кандэнсацыі, падчас якой n-гідралізаваны TEOS утварае кластары крэмнезёму (мал. 2b). Кластары крэмнезёму былі інкапсуляваны SA52 у прысутнасці SLS (мал. 2c), што называецца працэсам мікраінкапсуляцыі.
Схематычная дыяграма мікраінкапсуляцыі CA з абалонкай SiO2: (а) гідроліз TEOS, (б) кандэнсацыя гідралізату і (в) інкапсуляцыя CA з абалонкай SiO2.
Хімічны аналіз аб'ёмнай СК і мікракапсуляванай СК быў праведзены з выкарыстаннем інфрачырвонага спектрометра з пераўтварэннем Фур'е (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, ЗША), а спектры былі запісаны ў дыяпазоне ад 500 да 4000 см-1.
Для аналізу аб'ёмных фаз антысаліцыннай кіслаты і мікракапсульных матэрыялаў выкарыстоўваўся рэнтгенаўскі дыфрактометр (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Японія). Рэнтгенаструктурнае сканаванне праводзілася ў дыяпазоне 2θ = 5°–95° са хуткасцю сканавання 4°/мін, з выкарыстаннем выпраменьвання Cu-Kα (λ = 1,541 Å), працоўнымі ўмовамі 25 кВ і 100 мА, у рэжыме бесперапыннага сканавання. Рэнтгенаўскія выявы былі пабудаваныя ў дыяпазоне 2θ = 5–50°, паколькі пік пасля 50° не назіраўся ні ва ўсіх узорах.
Рэнтгенаўская фотаэлектронная спектраскапія (XPS, Scienta Omicron R3000, ЗША) была праведзена з выкарыстаннем AlKα (1486,6 эВ) у якасці крыніцы рэнтгенаўскага выпраменьвання для разумення хімічнага стану аб'ёмнага антыаксіду вугляроду, а таксама элементаў, якія прысутнічаюць у матэрыяле для інкапсуляцыі. Сабраныя XPS-спектры былі калібраваны па піку C1s з выкарыстаннем экзатычнага вугляроду (энергія сувязі 284,6 эВ). Пасля карэкцыі фону з выкарыстаннем метаду Шырлі пікі высокага разрознення кожнага элемента былі дэканвалюваны і апраксімаваны па функцыях Гаўса/Ларэнца з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння CASA XPS.
Марфалогія аб'ёмных і мікракапсуляваных SC была даследавана з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (SEM, MIRA3, TESCAN, Брно, Чэхія), абсталяванай энергетычна-дысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіяй (EDS) пры 15 кВ. Перад SEM-візуалізацыяй узоры былі пакрытыя плацінай (Pt), каб пазбегнуць эфектаў зарадкі.
Тэрмічныя ўласцівасці (тэмпература плаўлення/зацвярдзення і схаваная цеплыня) і надзейнасць (тэрмацыклічнасць) вызначаліся метадам дыферэнцыяльнай сканіруючай каларыметрыі (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Ньюкасл, ЗША) пры хуткасці награвання/астуджэння 10 °C/мін пры 40 °C і 90 °C з бесперапыннай прадуўкай азотам. Аналіз страты вагі праводзіўся з дапамогай TGA-аналізатара (TA Instrument, Discovery TGA, Нью-Касл, ЗША) у бесперапынным патоку азоту, пачынаючы з тэмпературы 40–600 °C, з хуткасцю награвання 10 °C/мін.
На малюнку 3 паказаны спектры ІЧ-Фур'е аб'ёмнага SC, а таксама мікракапсуляванага SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 і SATEOS6). Пікі паглынання пры 2910 см-1 і 2850 см-1 ва ўсіх узорах (SA, а таксама мікракапсуляванага SA) адносяцца да сіметрычных валентных ваганняў груп –CH3 і –CH2 адпаведна10,50. Пік пры 1705 см-1 адпавядае вагальнаму расцяжэнню сувязі C=O. Пікі пры 1470 см-1 і 1295 см-1 адносяцца да плоскаснага дэфармацыйнага вагання функцыянальнай групы –OH, у той час як пікі пры 940 см-1 і 719 см-1 адпавядаюць плоскасным ваганням і дэфармацыйным ваганням групы –OH адпаведна. Пікі паглынання СК пры 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 і 719 см-1 таксама назіраліся ва ўсіх мікракапсуляваных СК. Акрамя таго, у мікракапсуле СК назіраўся нядаўна выяўлены пік пры 1103 см-1, які адпавядае антысіметрычнаму ваганню расцяжэння паласы Si-O-Si. Вынікі FT-IR адпавядаюць вынікам працы Юаня і інш.50. Яны паспяхова падрыхтавалі мікракапсуляваную СК у суадносінах аміяк/этанол і выявілі, што хімічнага ўзаемадзеяння паміж СК і SiO2 не адбылося. Вынікі бягучага FT-IR даследавання паказваюць, што абалонка SiO2 паспяхова інкапсулявала СК (ядро) праз працэс кандэнсацыі і палімерызацыі гідралізаванага TEOS. Пры меншым утрыманні СК інтэнсіўнасць піка паласы Si-O-Si вышэйшая (мал. 3b-d). Па меры павелічэння колькасці СК больш чым да 15 г інтэнсіўнасць піка і пашырэнне паласы Si-O-Si паступова памяншаюцца, што сведчыць аб утварэнні тонкага пласта SiO2 на паверхні СК.
ІЧ-спектры FT-дыяпазону (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 і (g) SATEOS6.
Дыфрактограмы аб'ёмнага СК і мікракапсуляванага СК паказаны на малюнку 4. Пікі рэнтгенаўскай дыфракцыі размешчаны пры 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}згодна з JCPDS № 0381923, 02)\), 21,42° ва ўсіх узорах (311), 24,04° (602) і 39,98° (913) адносяцца да СК. Скажэнне і гібрыдызм з аб'ёмным КА з-за нявызначаных фактараў, такіх як павярхоўна-актыўныя рэчывы (SLS), іншыя рэшткавыя рэчывы і мікракапсуляцыя SiO250. Пасля інкапсуляцыі інтэнсіўнасць асноўных пікаў (300), (500), (311) і (602) паступова памяншаецца ў параўнанні з аб'ёмным КА, што сведчыць аб зніжэнні крышталічнасці ўзору.
Рэнтгенаструктурны аналіз (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 і (g) SATEOS6.
Інтэнсіўнасць SATEOS1 рэзка зніжаецца ў параўнанні з іншымі ўзорамі. Ніякіх іншых пікаў не назіралася ва ўсіх мікракапсуляваных узорах (мал. 4b–g), што пацвярджае фізічную адсорбцыю SiO252, а не хімічнае ўзаемадзеянне на паверхні SA. Акрамя таго, быў зроблены вывад, што мікракапсуляцыя SA не прывяла да з'яўлення якіх-небудзь новых структур. SiO2 застаецца цэлым на паверхні SA без якой-небудзь хімічнай рэакцыі, і па меры памяншэння колькасці SA існуючыя пікі становяцца больш відавочнымі (SATEOS1). Гэты вынік паказвае, што SiO2 у асноўным інкапсулюе паверхню SA. Пік пры (700) цалкам знікае, а пік пры \((\overline{5}02)\) ператвараецца ў гарб у SATEOS 1 (мал. 4b), што звязана са зніжэннем крышталічнасці і павелічэннем амарфізму. SiO2 мае аморфную прыроду, таму пікі, якія назіраюцца ад 2θ = 19° да 25°, маюць гарбінку і пашырэнне53 (мал. 4b–g), што пацвярджае існаванне аморфнага SiO252. Ніжэйшая інтэнсіўнасць дыфракцыйнага піка мікраінкапсуляванага СК абумоўлена эфектам нуклеацыі ўнутранай сценкі крэмнезёму і абмежаваннем крышталізацыйных паводзін49. Лічыцца, што пры меншым утрыманні СК утвараецца больш тоўстая крэмнезёмная абалонка з-за прысутнасці вялікай колькасці TEOS, які ў значнай ступені адсарбуецца на вонкавай паверхні СК. Аднак, па меры павелічэння колькасці СК, плошча паверхні кропель СК у эмульсійным растворы павялічваецца, і для належнай інкапсуляцыі патрабуецца больш TEOS. Такім чынам, пры больш высокім утрыманні СК пік SiO2 у FT-IR падаўляецца (мал. 3), а інтэнсіўнасць дыфракцыйнага піка каля 2θ = 19–25° у XRF (мал. 4) памяншаецца, і пашырэнне таксама памяншаецца. Не бачна. Аднак, як відаць на малюнку 4, як толькі колькасць СК павялічваецца з 5 г (SATEOS1) да 50 г (SATEOS6), пікі становяцца вельмі блізкімі да аб'ёмнага СК, і пік пры (700) з'яўляецца з усімі выяўленымі інтэнсіўнасцямі пікаў. Гэты вынік карэлюе з вынікамі ІЧ-спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е, дзе інтэнсіўнасць піка SiO2 SATEOS6 памяншаецца пры 1103 см-1 (мал. 3g).
Хімічныя станы элементаў, якія прысутнічаюць у SA, SATEOS1 і SATEOS6, паказаны на малюнках 1 і 2. Малюнкі 5, 6, 7 і 8, а таксама ў табліцы 2. Вымяральныя сканы для аб'ёмных SA, SATEOS1 і SATEOS6 паказаны на малюнку 5, а сканы высокага разрознення для C 1s, O 1s і Si 2p паказаны на малюнках 5, 6, 7 і 8, а таксама ў табліцы 2. 6, 7 і 8 адпаведна. Значэнні энергіі сувязі, атрыманыя з дапамогай рэнтгенаўскай электрофасфатнай спектраскапіі, падсумаваны ў табліцы 2. Як відаць з малюнка 5, у SATEOS1 і SATEOS6 назіраліся відавочныя пікі Si 2s і Si 2p, дзе адбывалася мікракапсуляцыя абалонкі SiO2. Папярэднія даследчыкі паведамлялі пра падобны пік Si 2s пры 155,1 эВ54. Наяўнасць пікаў Si ў SATEOS1 (мал. 5b) і SATEOS6 (мал. 5c) пацвярджае дадзеныя ІЧ-спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е (мал. 3) і рэнтгенаўскай дыфракцыі (мал. 4).
Як паказана на малюнку 6a, C 1s аб'ёмнага SA мае тры розныя пікі: CC, каліфатычны і O=C=O пры энергіі сувязі, якія складаюць 284,5 эВ, 285,2 эВ і 289,5 эВ адпаведна. Пікі C–C, каліфатычны і O=C=O таксама назіраліся ў SATEOS1 (мал. 6b) і SATEOS6 (мал. 6c) і падсумаваны ў табліцы 2. Акрамя таго, пік C 1s таксама адпавядае дадатковаму піку Si-C пры 283,1 эВ (SATEOS1) і 283,5 эВ (SATEOS6). Нашы назіраныя энергіі сувязі для C–C, каліфатычнага, O=C=O і Si–C добра карэлююць з іншымі крыніцамі55,56.
Рэнтгенафатавая электронная спектраскапія (РФЭС) O1SA, SATEOS1 і SATEOS6 паказана на малюнках 7a–c адпаведна. Пік O1s аб'ёмнага СА дэканвалюцыйны і мае два пікі, а менавіта C=O/C–O (531,9 эВ) і C–O–H (533,0 эВ), у той час як O1 SATEOS1 і SATEOS6 узгодненыя. Ёсць толькі тры пікі: C=O/C–O, C–O–H і Si–OH55,57,58. Энергія сувязі O1s у SATEOS1 і SATEOS6 нязначна змяняецца ў параўнанні з аб'ёмным СА, што звязана са зменай хімічнага фрагмента з-за прысутнасці SiO2 і Si-OH у матэрыяле абалонкі.
Спектры Si 2p XPS для SATEOS1 і SATEOS6 паказаны на малюнку 8a і b адпаведна. У аб'ёмным CA Si 2p не назіраўся з-за адсутнасці SiO2. Пік Si 2p адпавядае 105,4 эВ для SATEOS1 і 105,0 эВ для SATEOS6, што адпавядае Si-O-Si, у той час як пік SATEOS1 складае 103,5 эВ, а пік SATEOS6 — 103,3 эВ, што адпавядае Si-OH55. Апраксімацыя пікаў Si-O-Si і Si-OH у SATEOS1 і SATEOS6 паказала паспяховую мікраінкапсуляцыю SiO2 на паверхні ядра SA.
Марфалогія мікракапсуляванага матэрыялу вельмі важная і ўплывае на растваральнасць, стабільнасць, хімічную рэакцыйную здольнасць, цякучасць і трываласць59. Таму для характарыстыкі марфалогіі аб'ёмнага СК (100×) і мікракапсуляванага СК (500×) выкарыстоўваўся СЭМ, як паказана на малюнку 9. Як відаць з малюнка 9a, блок СК мае эліптычную форму. Памер часціц перавышае 500 мікронаў. Аднак, як толькі працэс мікракапсуляцыі працягваецца, марфалогія рэзка змяняецца, як паказана на малюнках 9b–g.
SEM-выявы (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 і (g) SATEOS6 пры ×500.
Ва ўзоры SATEOS1 назіраюцца меншыя квазісферычныя часціцы SA, абгорнутыя SiO2, з шурпатай паверхняй (мал. 9b), што можа быць звязана з гідролізам і кандэнсацыйнай палімерызацыяй TEOS на паверхні SA, што паскарае хуткую дыфузію малекул этанолу. У выніку часціцы SiO2 адкладаюцца і назіраецца агламерацыя52,60. Гэтая абалонка SiO2 забяспечвае механічную трываласць мікраінкапсуляваным часціцам CA, а таксама прадухіляе ўцечку расплаўленага CA пры больш высокіх тэмпературах10. Гэты вынік сведчыць аб тым, што мікракапсулы SA, якія змяшчаюць SiO2, могуць быць выкарыстаны ў якасці патэнцыйных матэрыялаў для захоўвання энергіі61. Як відаць з малюнка 9b, узор SATEOS1 мае раўнамернае размеркаванне часціц з тоўстым пластом SiO2, які інкапсулюе SA. Памер часціц мікраінкапсуляванага SA (SATEOS1) складае прыблізна 10-20 мкм (мал. 9b), што значна менш у параўнанні з аб'ёмным SA з-за меншага ўтрымання SA. Таўшчыня пласта мікракапсул абумоўлена гідролізам і кандэнсацыйнай палімерызацыяй раствора-папярэдніка. Агламерацыя адбываецца пры меншых дозах СК, г.зн. да 15 г (мал. 9б-г), але як толькі дазоўка павялічваецца, агламерацыі не назіраецца, а назіраюцца выразна акрэсленыя сферычныя часціцы (мал. 9е-г) 62.
Акрамя таго, калі колькасць павярхоўна-актыўнага рэчыва SLS пастаянная, утрыманне SA (SATEOS1, SATEOS2 і SATEOS3) таксама ўплывае на эфектыўнасць, форму і размеркаванне памераў часціц. Такім чынам, было выяўлена, што SATEOS1 мае меншы памер часціц, раўнамернае размеркаванне і шчыльную паверхню (мал. 9b), што тлумачыцца гідрафільнай прыродай SA, якая спрыяе другаснаму зародкаўтварэнню пры пастаянным павярхоўна-актыўным рэчыве63. Мяркуецца, што пры павелічэнні ўтрымання SA з 5 да 15 г (SATEOS1, SATEOS2 і SATEOS3) і выкарыстанні пастаяннай колькасці павярхоўна-актыўнага рэчыва, г.зн. 0,10 г SLS (табліца 1), уклад кожнай часціцы малекулы павярхоўна-актыўнага рэчыва будзе змяншацца, тым самым памяншаючы памер часціц і памер часціц. Размеркаванне SATEOS2 (мал. 9c) і SATEOS3 (мал. 9d) адрозніваецца ад размеркавання SATEOS 1 (мал. 9b).
У параўнанні з SATEOS1 (мал. 9b), SATEOS2 прадэманстраваў шчыльную марфалогію мікраінкапсуляванага SA, а памер часціц павялічыўся (мал. 9c). Гэта звязана з агламерацыяй 49, якая зніжае хуткасць каагуляцыі (мал. 2b). Па меры павелічэння колькасці SC з павелічэннем SLS мікракапсулы становяцца выразна бачнымі, як паказана на мал. 9e–g, як адбываецца агрэгацыя. Акрамя таго, на малюнках 9e–g відаць, што ўсе часціцы маюць выразна сферычную форму і памер. Было прызнана, што ў прысутнасці вялікай колькасці SA можна атрымаць адпаведную колькасць алігамераў крэмнія, што выклікае адпаведную кандэнсацыю і інкапсуляцыю, а значыць, і ўтварэнне добра акрэсленых мікракапсул 49. З вынікаў SEM відаць, што SATEOS6 утварыў адпаведныя мікракапсулы ў параўнанні з невялікай колькасцю SA.
Вынікі энергетычнай дысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі (EDS) аб'ёмнага СК і мікракапсульнага СК прадстаўлены ў табліцы 3. Як відаць з гэтай табліцы, утрыманне Si паступова памяншаецца ад SATEOS1 (12,34%) да SATEOS6 (2,68%). Павелічэнне СК. Такім чынам, можна сказаць, што павелічэнне колькасці СК прыводзіць да памяншэння адкладання SiO2 на паверхні СК. У табліцы 3 няма паслядоўных значэнняў для ўтрымання C і O з-за паўколькаснага аналізу EDS51. Утрыманне Si ў мікракапсуляваным СК карэлявала з вынікамі FT-IR, XRD і XPS.
Паводзіны плаўлення і зацвярдзення аб'ёмнага СК, а таксама мікракапсуляванага СК з абалонкай SiO2 паказаны на малюнках 1 і 2. Яны паказаны на малюнках 10 і 11 адпаведна, а цеплавыя дадзеныя прыведзены ў табліцы 4. Было ўстаноўлена, што тэмпературы плаўлення і зацвярдзення мікракапсуляванага СК адрозніваюцца. Па меры павелічэння колькасці СК тэмпературы плаўлення і зацвярдзення павялічваюцца і набліжаюцца да значэнняў аб'ёмнага СК. Пасля мікракапсуляцыі СК крэмніевая сценка павышае тэмпературу крышталізацыі, і яе сценка дзейнічае як ядро, спрыяючы гетэрагеннасці. Такім чынам, па меры павелічэння колькасці СК тэмпературы плаўлення (мал. 10) і зацвярдзення (мал. 11) таксама паступова павялічваюцца49,51,64. Сярод усіх узораў мікракапсуляванага СК, SATEOS6 прадэманстраваў найвышэйшыя тэмпературы плаўлення і зацвярдзення, за ім ішлі SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 і SATEOS1.
SATEOS1 паказвае найменшую тэмпературу плаўлення (68,97 °C) і тэмпературу зацвярдзення (60,60 °C), што звязана з меншым памерам часціц, пры якім рух часціц SA ўнутры мікракапсул вельмі малы, а абалонка SiO2 утварае тоўсты пласт і, такім чынам, асноўны матэрыял абмяжоўвае расцяжэнне і рух49. Гэтая гіпотэза звязана з вынікамі SEM, дзе SATEOS1 паказаў меншы памер часціц (мал. 9b), што звязана з тым, што малекулы SA знаходзяцца ў вельмі малой плошчы мікракапсул. Розніца ў тэмпературах плаўлення і зацвярдзення асноўнай масы, а таксама ўсіх мікракапсул SA з абалонкамі SiO2 знаходзіцца ў дыяпазоне 6,10–8,37 °C. Гэты вынік паказвае, што мікракапсуляваны SA можа выкарыстоўвацца ў якасці патэнцыйнага матэрыялу для захоўвання энергіі дзякуючы добрай цеплаправоднасці абалонкі SiO265.
Як відаць з Табліцы 4, SATEOS6 мае найвышэйшую энтальпію сярод усіх мікракапсуляваных SC (мал. 9g) дзякуючы правільнай інкапсуляцыі, якая назіраецца з дапамогай SEM. Хуткасць упакоўкі SA можна разлічыць з дапамогай ураўнення (1). (1) Параўноўваючы дадзеныя па схаванай цеплыні мікракапсуляванага SA49.
Значэнне R прадстаўляе ступень інкапсуляцыі (%) мікракапсуляванага SC, ΔHMEPCM,m прадстаўляе схаваную цеплыню плаўлення мікракапсуляванага SC, а ΔHPCM,m прадстаўляе схаваную цеплыню плаўлення SC. Акрамя таго, эфектыўнасць упакоўкі (%) разлічваецца як яшчэ адзін важны тэхнічны параметр, як паказана ў раўнанні (1). (2)49.
Значэнне E прадстаўляе эфектыўнасць інкапсуляцыі (%) мікракапсуляванага CA, ΔHMEPCM,s прадстаўляе схаваную цеплыню зацвярдзення мікракапсуляванага CA, а ΔHPCM,s прадстаўляе схаваную цеплыню зацвярдзення CA.
Як паказана ў Табліцы 4, ступень упакоўкі і эфектыўнасць SATEOS1 складаюць 71,89% і 67,68% адпаведна, а ступень упакоўкі і эфектыўнасць SATEOS6 — 90,86% і 86,68% адпаведна (Табліца 4). Узор SATEOS6 мае найвышэйшы каэфіцыент інкапсуляцыі і эфектыўнасць сярод усіх мікракапсуляваных СК, што сведчыць аб яго высокай цеплаёмістасці. Такім чынам, пераход з цвёрдага стану ў вадкасць патрабуе вялікай колькасці энергіі. Акрамя таго, розніца ў тэмпературах плаўлення і зацвярдзення ўсіх мікракапсул СК і аб'ёмнага СК падчас працэсу астуджэння сведчыць аб тым, што дыяксідакрэмніевая абалонка прасторава абмежаваная падчас сінтэзу мікракапсул. Такім чынам, вынікі паказваюць, што па меры павелічэння колькасці СК хуткасць інкапсуляцыі і эфектыўнасць паступова павялічваюцца (Табліца 4).
Крывыя ТГА аб'ёмнага СК і мікракапсуляванага СК з абалонкай SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 і SATEOS6) паказаны на малюнку 12. Тэрмастабільныя ўласцівасці аб'ёмнага СК (SATEOS1, SATEOS3 і SATEOS6) параўноўваліся з мікракапсуляванымі ўзорамі. З крывой ТГА відаць, што страта вагі аб'ёмнага СК, а таксама мікракапсуляванага СК паказвае плаўнае і вельмі нязначнае зніжэнне ад 40°C да 190°C. Пры гэтай тэмпературы аб'ёмны СК не падвяргаецца тэрмічнаму раскладанню, у той час як мікракапсуляваны СК вызваляе адсарбаваную ваду нават пасля сушкі пры 45°C на працягу 24 гадзін. Гэта прывяло да нязначнай страты вагі,49 але пры вышэйшай тэмпературы матэрыял пачаў дэградаваць. Пры больш нізкім утрыманні СК (г.зн. SATEOS1) утрыманне адсарбаванай вады вышэйшае, і таму страта масы да 190°C вышэйшая (устаўка на мал. 12). Як толькі тэмпература падымаецца вышэй за 190 °C, узор пачынае губляць масу з-за працэсаў раскладання. Асноўная СК пачынае раскладацца пры 190 °C, і толькі 4% застаецца пры 260 °C, у той час як SATEOS1, SATEOS3 і SATEOS6 захоўваюць 50%, 20% і 12% пры гэтай тэмпературы адпаведна. Пасля 300 °C страта масы асноўнай СК склала прыблізна 97,60%, у той час як страта масы SATEOS1, SATEOS3 і SATEOS6 склала прыблізна 54,20%, 82,40% і 90,30% адпаведна. З павелічэннем утрымання СК утрыманне SiO2 памяншаецца (табліца 3), і на SEM назіраецца патанчэнне абалонкі (мал. 9). Такім чынам, страта вагі мікракапсуляванага СК меншая ў параўнанні з аб'ёмным СК, што тлумачыцца спрыяльнымі ўласцівасцямі абалонкі SiO2, якая спрыяе ўтварэнню вугляроднага сілікатна-вугляроднага пласта на паверхні СК, тым самым ізалюючы ядро ​​СК і запавольваючы вызваленне ўтвараемых лятучых прадуктаў10. Гэты пласт вугляроду ўтварае фізічны ахоўны бар'ер падчас тэрмічнага раскладання, абмяжоўваючы пераход гаручых малекул у газавую фазу66,67. Акрамя таго, мы таксама можам бачыць значныя вынікі страты вагі: SATEOS1 паказвае больш нізкія значэнні ў параўнанні з SATEOS3, SATEOS6 і СК. Гэта звязана з тым, што колькасць СК у SATEOS1 меншая, чым у SATEOS3 і SATEOS6, дзе абалонка SiO2 утварае тоўсты пласт. Наадварот, агульная страта вагі аб'ёмнага СК дасягае 99,50% пры 415 °C. Аднак пры тэмпературы 415 °C SATEOS1, SATEOS3 і SATEOS6 паказалі страту вагі 62,50%, 85,50% і 93,76% адпаведна. Гэты вынік сведчыць аб тым, што даданне TEOS паляпшае дэградацыю клятчаткі (SA), утвараючы пласт SiO2 на паверхні CA. Гэтыя пласты могуць утвараць фізічны ахоўны бар'ер, і таму можна назіраць паляпшэнне тэрмічнай стабільнасці мікракапсуляванага CA.
Вынікі цеплавой надзейнасці аб'ёмнага СК і найлепшага мікракапсуляванага ўзору (г.зн. SATEOS 6) пасля 30 цыклаў награвання і астуджэння DSC51,52 паказаны на малюнку 13. Відаць, што аб'ёмны СК (малюнак 13a) не паказвае ніякай розніцы ў тэмпературы плаўлення, зацвярдзення і значэнні энтальпіі, у той час як SATEOS6 (мал. 13b) не паказвае ніякай розніцы ў тэмпературы і значэнні энтальпіі нават пасля 30-га цыклу награвання і працэсу астуджэння. Аб'ёмны СК паказаў тэмпературу плаўлення 72,10 °C, тэмпературу зацвярдзення 64,69 °C, а цеплыня плаўлення і зацвярдзення пасля першага цыклу склала 201,0 Дж/г і 194,10 Дж/г адпаведна. Пасля 30-га цыклу тэмпература плаўлення гэтых значэнняў знізілася да 71,24 °C, тэмпература зацвярдзення знізілася да 63,53 °C, а значэнне энтальпіі знізілася на 10%. Змены тэмператур плаўлення і зацвярдзення, а таксама зніжэнне значэнняў энтальпіі сведчаць аб тым, што аб'ёмны CA ненадзейны для прымянення, не звязанага з мікракапсуляцыяй. Аднак пасля належнай мікракапсуляцыі (SATEOS6) тэмпературы плаўлення і зацвярдзення, а таксама значэнні энтальпіі не змяняюцца (мал. 13b). Пасля мікракапсуляцыі з абалонкамі SiO2, SA можа выкарыстоўвацца ў якасці матэрыялу з фазавым пераходам у цеплавых прымяненнях, асабліва ў будаўніцтве, дзякуючы аптымальным тэмпературам плаўлення і зацвярдзення і стабільнай энтальпіі.
Крывыя ДСК, атрыманыя для ўзораў SA (a) і SATEOS6 (b) пры 1-м і 30-м цыклах награвання і астуджэння.
У гэтым даследаванні было праведзена сістэматычнае даследаванне мікракапсуляцыі з выкарыстаннем СК у якасці асноўнага матэрыялу і SiO2 у якасці матэрыялу абалонкі. TEOS выкарыстоўваецца ў якасці папярэдніка для фарміравання апорнага пласта SiO2 і ахоўнага пласта на паверхні СК. Пасля паспяховага сінтэзу мікракапсуляванага СК, вынікі FT-IR, XRD, XPS, SEM і EDS паказалі наяўнасць SiO2. SEM-аналіз паказвае, што ўзор SATEOS6 мае добра акрэсленыя сферычныя часціцы, акружаныя абалонкамі SiO2 на паверхні СК. Аднак MEPCM з меншым утрыманнем СК праяўляе агламерацыю, што зніжае прадукцыйнасць PCM. XPS-аналіз паказаў наяўнасць Si-O-Si і Si-OH ва ўзорах мікракапсул, што паказала адсорбцыю SiO2 на паверхні СК. Згодна з аналізам цеплавых характарыстык, SATEOS6 дэманструе найбольш перспектыўную здольнасць да назапашвання цяпла, з тэмпературамі плаўлення і зацвярдзення 70,37°C і 64,27°C адпаведна, а таксама схаванай цеплынёй плаўлення і зацвярдзення 182,53 Дж/г і 160,12 Дж/г·г адпаведна. Максімальная эфектыўнасць упакоўкі SATEOS6 складае 86,68%. Тэрмацыклічны аналіз TGA і DSC пацвердзіў, што SATEOS6 усё яшчэ мае добрую цеплавую стабільнасць і надзейнасць нават пасля 30 працэсаў награвання і астуджэння.
Ян Т., Ван Х.Ю. і Лі Д. Аналіз прадукцыйнасці тэрмахімічнай кампазітнай адсорбцыйнай сістэмы на аснове цвёрдацельных рэчываў і газу для захоўвання цеплавой энергіі і павышэнне яе эфектыўнасці. application. hot. engineer. 150, 512–521 (2019).
Фарыд, М.М., Худхайр, А.М., Разак, С. і Аль-Халадж, С. Агляд назапашвання энергіі з фазавым пераходам: матэрыялы і прымяненне. Пераўтваральнік энергіі. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Рэгін А. Ф., Саланкі С. С. і Сайні Дж. С. Характарыстыкі цеплаперадачы сістэм назапашвання цеплавой энергіі з выкарыстаннем капсул PCM: агляд. абнаўленне. падтрымка. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Лю, М., Саман, У. і Бруна, Ф. Агляд матэрыялаў для захоўвання і тэхналогій павышэння цеплавой прадукцыйнасці для сістэм цеплавога захоўвання з фазавым пераходам пры высокіх тэмпературах. абнаўленне. падтрымка. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Фан Гуін, Лі Хун, Лю Сян, Ву С. М. Падрыхтоўка і характарыстыка нанакапсуляваных цеплавых энергетычных н-тэтрадэканавых матэрыялаў з фазавым пераходам. Chemical engineer. J. 153, 217–221 (2009).
Му, Б. і Лі, М. Сінтэз новых формаўстойлівых кампазітных матэрыялаў са змяненнем фазы з выкарыстаннем мадыфікаваных графенавых аэрогеляў для пераўтварэння і захоўвання сонечнай энергіі. Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y. і Fang, G. Марфалагічная характарыстыка і прымяненне матэрыялаў з фазавым пераходам у цеплавых назапашвальніках энергіі: агляд. абнаўленне. падтрымка. Energy Ed. 72, 128–145 (2017).