Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы натыйжаларга жетүү үчүн, браузериңиздин жаңы версиясын колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде Шайкештик режимин өчүрүп коюңуз). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдештирбестен же JavaScriptсиз көрсөтүп жатабыз.
Стеарин кислотасы (SA) энергия сактоочу түзүлүштөрдө фазалык өзгөрүүчү материал (PCM) катары колдонулат. Бул изилдөөдө SiO2 кабыгынын беттик активдүү затын микрокапсуляциялоо үчүн золь-гель ыкмасы колдонулган. SAнын ар кандай өлчөмдөрү (5, 10, 15, 20, 30 жана 50 г) 10 мл тетраэтил ортосиликатына (TEOS) капсулаланган. Синтезделген микрокапсулаланган фазалык өзгөрүүчү материал (MEPCM) Фурье трансформациясынын инфракызыл спектроскопиясы (FT-IR), рентген дифракциясы (XRD), рентген фотоэлектрондук спектроскопиясы (XPS) жана сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) менен мүнөздөлгөн. Мүнөздөмөлөрдүн жыйынтыктары SAнын SiO2 менен ийгиликтүү капсулаланганын көрсөттү. Термогравиметриялык анализ (TGA) MEPCMдин CAга караганда жылуулук туруктуулугу жакшыраак экенин көрсөттү. Дифференциалдык сканерлөөчү калориметрияны (DSC) колдонуу менен MEPCMдин энтальпия мааниси 30 ысытуу-муздатуу циклинен кийин да өзгөрбөгөнү аныкталды. Бардык микрокапсулаланган үлгүлөрдүн ичинен MEPCM камтыган 50 г SA эрүүнүн жана катуулануунун эң жогорку жашыруун жылуулугуна ээ болгон, алар тиешелүүлүгүнө жараша 182,53 Дж/г жана 160,12 Дж/г түзгөн. Таңгактын натыйжалуулугунун мааниси жылуулук маалыматтарын колдонуу менен эсептелген жана ошол эле үлгү үчүн эң жогорку натыйжалуулук табылган, ал 86,68% түзгөн.
Курулуш тармагында колдонулган энергиянын болжол менен 58% имараттарды жылытуу жана муздатуу үчүн колдонулат1. Ошондуктан, эң зарыл нерсе - айлана-чөйрөнүн булганышын эске алган натыйжалуу энергия системаларын түзүү2. Фазалык өзгөрмө материалдарды (ФӨМ) колдонуу менен жашыруун жылуулук технологиясы төмөнкү температуранын өзгөрүшүндө жогорку энергияны сактай алат3,4,5,6 жана жылуулук берүү, күн энергиясын сактоо, аэрокосмостук жана кондиционерлөө сыяктуу тармактарда кеңири колдонулушу мүмкүн7,8,9. ФӨМ күндүз имараттын сыртынан жылуулук энергиясын сиңирип, түнкүсүн энергияны бөлүп чыгарат10. Ошондуктан, фазалык өзгөрмө материалдары жылуулук энергиясын сактоочу материалдар катары сунушталат. Мындан тышкары, ФӨМдин катуу-катуу, катуу-суюк, суюк-газ жана катуу-газ сыяктуу ар кандай түрлөрү бар11. Алардын арасында эң популярдуу жана көп колдонулган фазалык өзгөрмө материалдары катуу-катуу фазалык өзгөрмө материалдары жана катуу-суюк фазалык өзгөрмө материалдары болуп саналат. Бирок, аларды колдонуу суюк-газ жана катуу-газ фазалык өткөөл материалдарынын чоң көлөмдүк өзгөрүүлөрүнөн улам абдан кыйын.
ПКМ өзүнүн касиеттерине байланыштуу ар кандай колдонулуштарга ээ: 15°Cден төмөн температурада эригендерди муздак температураны сактоо үчүн кондиционер системаларында колдонсо болот, ал эми 90°Cден жогору температурада эригендерди өрттүн алдын алуу үчүн жылытуу системаларында колдонсо болот12. Колдонулушуна жана эрүү температурасынын диапазонуна жараша, ар кандай органикалык жана органикалык эмес химиялык заттардан ар кандай фазалык өзгөрмө материалдары синтезделген13,14,15. Парафин - жогорку жашыруун жылуулукка, дат баспагандыкка, коопсуздукка жана кеңири эрүү температурасынын диапазонуна ээ болгон эң көп колдонулган фазалык өзгөрмө материалы16,17,18,19,20,21.
Бирок, фазалык өзгөрүүлөрдүн материалдарынын жылуулук өткөрүмдүүлүгү төмөн болгондуктан, аларды фазалык өзгөрүүлөр процессинде негизги материалдын агып кетишине жол бербөө үчүн кабыкка (сырткы катмарга) ороп коюу керек22. Мындан тышкары, эксплуатациялык каталар же тышкы басым сырткы катмарга (каптамага) зыян келтириши мүмкүн, ал эми эриген фазалык өзгөрүүлөрдүн материалы курулуш материалдары менен реакцияга кирип, орнотулган болот тилкелеринин дат басышына алып келиши мүмкүн, ошону менен имараттын иштөөгө жарамдуулугун төмөндөтөт23. Ошондуктан, жогорудагы көйгөйлөрдү чече турган жетиштүү кабык материалы менен каптап коюлган фазалык өзгөрүүлөрдүн материалдарын синтездөө маанилүү24.
Фазалык өзгөрмө материалдарды микрокапсуляциялоо жылуулук өткөрүмдүүлүгүн натыйжалуу жогорулатып, айлана-чөйрөнүн реактивдүүлүгүн төмөндөтүп, көлөмдүн өзгөрүшүн көзөмөлдөй алат. PCM инкапсуляциясы үчүн ар кандай ыкмалар иштелип чыккан, атап айтканда, фаза аралык полимерлөө25,26,27,28, in situ полимерлөө29,30,31,32, коацервация33,34,35 жана золь-гель процесстери36,37,38,39. Формальдегид чайырын микрокапсуляциялоо үчүн колдонсо болот40,41,42,43. Меламин-формальдегид жана мочевина-формальдегид чайырлары кабык материалдары катары колдонулат, алар көп учурда иштөө учурунда уулуу формальдегид бөлүп чыгарат. Ошондуктан, бул материалдарды таңгактоо процесстеринде колдонууга тыюу салынат. Бирок, масштабдуу жылуулук энергиясын сактоо үчүн экологиялык жактан таза фазалык өзгөрмө материалдарын май кислоталарына жана лигнинге негизделген гибриддик нанокапсулаларды колдонуу менен синтездөөгө болот44.
Чжан жана башкалар 45 жана башкалар тетраэтилортосиликаттан лаурин кислотасын синтездеп, метилтриэтоксисилан менен тетраэтилортосиликаттын көлөмдүк катышы жогорулаган сайын, жашыруун жылуулук азаят жана беттик гидрофобдук жогорулайт деген тыянакка келишкен. Лаурин кислотасы капок булалары үчүн потенциалдуу жана натыйжалуу өзөктүк материал болушу мүмкүн46. Мындан тышкары, Латибари жана башкалар 47 TiO2 кабык материалы катары колдонуп, стеарин кислотасына негизделген PCMдерди синтездешкен. Чжу жана башкалар n-октадекан жана силикон нанокапсулаларын потенциалдуу PCMдер катары даярдашкан48. Адабияттарды карап чыгуудан натыйжалуу жана туруктуу микрокапсулаланган фазалык өзгөрүү материалдарын түзүү үчүн сунушталган дозаны түшүнүү кыйын.
Ошондуктан, авторлордун билишинче, микрокапсуляция үчүн колдонулган фазалык өзгөрүү материалынын көлөмү натыйжалуу жана туруктуу микрокапсуляцияланган фазалык өзгөрүү материалдарын өндүрүү үчүн маанилүү параметр болуп саналат. Ар кандай өлчөмдөгү фазалык өзгөрүү материалдарын колдонуу микрокапсуляцияланган фазалык өзгөрүү материалдарынын ар кандай касиеттерин жана туруктуулугун аныктоого мүмкүндүк берет. Стеарин кислотасы (май кислотасы) - бул экологиялык жактан таза, медициналык жактан маанилүү жана үнөмдүү зат, ал жылуулук энергиясын сактоо үчүн колдонулушу мүмкүн, анткени ал жогорку энтальпия маанисине ээ (~200 Дж/г) жана 72 °C чейинки температурага туруштук бере алат. Мындан тышкары, SiO2 күйбөйт, жогорку механикалык бекемдикти, жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жана өзөк материалдарына жакшыраак химиялык туруктуулукту камсыз кылат жана курулушта пуццолан материалы катары иштейт. Цемент суу менен аралаштырылганда, начар капсуляцияланган PCM массивдүү бетон конструкцияларында пайда болгон механикалык эскирүүдөн жана жогорку температурадан (гидратация жылуулугунан) улам жарака кетиши мүмкүн. Ошондуктан, SiO2 кабыгы бар микрокапсуляцияланган CA колдонуу бул көйгөйдү чече алат. Ошондуктан, бул изилдөөнүн максаты курулуш колдонмолорунда золь-гель процесси менен синтезделген ПКМдердин иштешин жана натыйжалуулугун изилдөө болгон. Бул иште биз SiO2 кабыктарына капсулаланган 5, 10, 15, 20, 30 жана 50 г ар кандай өлчөмдөгү SA (негизги материал катары) системалуу түрдө изилдедик. SiO2 кабыгын түзүү үчүн прекурсордук эритме катары 10 мл көлөмдөгү тетраэтилортосиликаттын (TEOS) белгиленген өлчөмү колдонулган.
Реактивдүү класстагы стеарин кислотасы (SA, C18H36O2, эрүү температурасы: 72°C) өзөк материалы катары Түштүк Кореянын Кёнгидо шаарындагы Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. компаниясынан сатылып алынган. Алдын ала эритме катары тетраэтилортосиликат (TEOS, C8H20O4Si) Бельгиянын Гил шаарындагы Acros Organics компаниясынан сатылып алынган. Мындан тышкары, абсолюттук этанол (EA, C2H5OH) жана натрий лаурил сульфаты (SLS, C12H25NaO4S) Түштүк Кореянын Кёнгидо шаарындагы Daejung Chemical & Metals Co., Ltd. компаниясынан сатылып алынган жана тиешелүү түрдө эриткичтер жана беттик активдүү заттар катары колдонулган. Эриткич катары дистилденген суу да колдонулат.
Ар кандай өлчөмдөгү SA 100 мл дистилденген сууга ар кандай пропорциядагы натрий лаурил сульфаты (SLS) менен 800 айн/мин жана 75 °C температурада магниттик аралаштыргычты колдонуп 1 саат бою аралаштырылган (1-таблица). SA эмульсиялары эки топко бөлүнгөн: (1) 5, 10 жана 15 г SA 100 мл дистилденген сууга (SATEOS1, SATEOS2 жана SATEOS3) 0,10 г SLS менен аралаштырылган, (2) 20, 30 жана 50 г SA 0,15, 0,20 жана 0,25 г SLS 100 мл дистилденген суу (SATEOS4, SATEOS5 жана SATEOS6) менен аралаштырылган. Тиешелүү эмульсияларды түзүү үчүн 0,10 г SLS 5, 10 жана 15 г SA менен колдонулган. Кийинчерээк, SATEOS4, SATEOS5 жана SATEOS6 үчүн SLS санын көбөйтүү сунушталган. 1-таблицада туруктуу эмульсия эритмелерин алуу үчүн колдонулган CA жана SLS катыштары көрсөтүлгөн.
100 мл стаканга 10 мл TEOS, 10 мл этанол (EA) жана 20 мл дистилденген суу салыңыз. SA жана SiO2 кабыктарынын ар кандай катыштарынын капсуляциялоо эффективдүүлүгүн изилдөө үчүн бардык үлгүлөрдүн синтез коэффициенти жазылып алынган. Аралашма магниттик аралаштыргыч менен 400 айн/мин жана 60°C ылдамдыкта 1 саат аралаштырылган. Андан кийин прекурсордук эритме даярдалган SA эмульсиясына тамчылатып кошулуп, 800 айн/мин жана 75°C ылдамдыкта 2 саат бою катуу аралаштырылып, ак порошок алынганга чейин чыпкаланган. Ак порошок калдык SAны алып салуу үчүн дистилденген суу менен жуулуп, 45°C температурада 24 саат бою вакуумдук меште кургатылган. Натыйжада, SiO2 кабыгы бар микрокапсулаланган SC алынган. Микрокапсулаланган SA синтезинин жана даярдоонун бүт процесси 1-сүрөттө көрсөтүлгөн.
SiO2 кабыгы бар SA микрокапсулалары золь-гель ыкмасы менен даярдалган жана алардын капсуляция механизми 2-сүрөттө көрсөтүлгөн. Биринчи кадам SLS беттик активдүү зат катары колдонулган суу эритмесинде SA эмульсиясын даярдоону камтыйт. Бул учурда, SA молекуласынын гидрофобдук учу SLS менен, ал эми гидрофилдик учу суу молекулалары менен байланышып, туруктуу эмульсияны түзөт. Ошентип, SLSтин гидрофобдук бөлүктөрү корголуп, SA тамчысынын бетин жаап турат. Башка жагынан алганда, TEOS эритмелеринин гидролизи суу молекулалары тарабынан жай жүрөт, бул этанолдун катышуусунда гидролизденген TEOSтун пайда болушуна алып келет (2a-сүрөт) 49,50,51. Гидролизденген TEOS конденсация реакциясына дуушар болот, анын жүрүшүндө n-гидролизденген TEOS кремний диоксидинин кластерлерин түзөт (2b-сүрөт). Кремний диоксидинин кластерлери SLSтин катышуусунда SA52 менен капсулаланган (2c-сүрөт), бул микрокапсуляция процесси деп аталат.
SiO2 кабыгы менен CA микрокапсуляциясынын схемалык диаграммасы (а) TEOS гидролизи (б) гидролизаттын конденсациясы жана (в) SiO2 кабыгы менен CA инкапсуляциясы.
Көлөмдүү SA жана микрокапсулаланган SAнын химиялык анализи Фурье трансформацияланган инфракызыл спектрометрин (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, АКШ) колдонуу менен жүргүзүлдү жана спектрлер 500дөн 4000 см-1ге чейинки диапазондо жазылды.
SA фазаларынын көлөмүн жана микрокапсула материалдарын талдоо үчүн рентген дифрактометри (XRD, D/MAX-2500, Ригаку, Япония) колдонулган. Рентгендик структуралык сканерлөө 2θ = 5°–95° диапазонунда, 4°/мин сканерлөө ылдамдыгы менен, 25 кВ жана 100 мА иштөө шарттарында, 2θ = 5°–95° диапазонунда үзгүлтүксүз сканерлөө режиминде жүргүзүлдү. Рентген сүрөттөрү 2θ = 5–50° диапазонунда курулган, анткени бардык үлгүлөрдө 50° тан кийин эч кандай чоку байкалган эмес.
Рентген фотоэлектрондук спектроскопиясы (XPS, Scienta Omicron R3000, АКШ) SAнын көлөмдүү химиялык абалын, ошондой эле инкапсуляциялык материалдагы элементтерди түшүнүү үчүн рентген булагы катары Al Kα (1486,6 эВ) колдонулуп жүргүзүлдү. Чогултулган XPS спектрлери экзотикалык көмүртекти (байланыш энергиясы 284,6 эВ) колдонуу менен C 1s чокусуна чейин калибрленген. Ширли ыкмасын колдонуу менен фондук коррекциядан кийин, ар бир элементтин жогорку чечилиштеги чокулары деконволюцияланып, CASA XPS программасын колдонуу менен Гаусс/Лоренц функцияларына ылайыкташтырылган.
Көлөмдүү СК жана микрокапсулаланган СК морфологиясы 15 кВ чыңалуудагы энергияны дисперсиялык рентген спектроскопиясы (EDS) менен жабдылган сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM, MIRA3, TESCAN, Брно, Чехия) аркылуу изилденген. SEM сүрөткө тартуудан мурун, заряддоо эффекттеринен качуу үчүн үлгүлөр платина (Pt) менен капталган.
Жылуулук касиеттери (эрүү/катуулануу температурасы жана жашыруун жылуулук) жана ишенимдүүлүк (жылуулук цикли) дифференциалдык сканерлөөчү калориметрия (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Ньюкасл, АКШ) аркылуу 40°C жана 90°C температурада 10°C/мин ысытуу/муздатуу ылдамдыгында үзгүлтүксүз азот менен тазалоо менен аныкталган. Салмакты жоготуу анализи TGA анализаторун (TA Instrument, Discovery TGA, Ньюкасл, АКШ) колдонуу менен 40–600°C температурада башталган, 10°C/мин ысытуу ылдамдыгы менен азоттун үзгүлтүксүз агымында жүргүзүлдү.
3-сүрөттө көлөмдүү SC жана микрокапсулаланган SC (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 жана SATEOS6) FTIR спектрлери көрсөтүлгөн. Бардык үлгүлөрдөгү (SA жана микрокапсулаланган SA) 2910 см-1 жана 2850 см-1деги сиңирүү чокулары тиешелүүлүгүнө жараша –CH3 жана –CH2 топторунун симметриялуу созулуш термелүүсүнө байланыштуу10,50. 1705 см-1деги чоку C=O байланышынын термелүү созулушуна туура келет. 1470 см-1 жана 1295 см-1деги чокулар –OH функционалдык тобунун тегиздиктеги ийилүү термелүүсүнө байланыштуу, ал эми 940 см-1 жана 719 см-1деги чокулар тиешелүүлүгүнө жараша тегиздиктеги термелүү жана -тегиздик деформация термелүүсүнө туура келет. -тегиздик деформация термелүүсүнө тиешелүү – OH тобу. SAнын 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 жана 719 см-1деги абсорбциялык чокулары бардык микрокапсулаланган SAларда да байкалган. Мындан тышкары, SA микрокапсуласында Si-O-Si тилкесинин антисимметриялык созулуш термелүүсүнө туура келген 1103 см-1деги жаңы ачылган чоку байкалган. FT-IR жыйынтыктары Юань жана башкалар менен дал келет. 50 Алар микрокапсулаланган SAны аммиак/этанол катышында ийгиликтүү даярдашкан жана SA менен SiO2 ортосунда эч кандай химиялык өз ара аракеттенүү болбогонун аныкташкан. Учурдагы FT-IR изилдөөсүнүн жыйынтыктары SiO2 кабыгы SAны (өзөктү) конденсация процесси жана гидролизденген TEOS полимерлениши аркылуу ийгиликтүү каптаганын көрсөтүп турат. SA курамы төмөн болгондо, Si-O-Si тилкесинин чоку интенсивдүүлүгү жогору болот (3b-d-сүрөт). SAнын көлөмү 15 г дан ашык көбөйгөн сайын, чокунун интенсивдүүлүгү жана Si-O-Si тилкесинин кеңейиши акырындык менен төмөндөйт, бул SAнын бетинде SiO2 жука катмарынын пайда болгонун көрсөтөт.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 жана (g) SATEOS6нын FTIR спектрлери.
Көлөмдүү SA жана микрокапсуляцияланган SAнын рентгендик дифракциялык схемалары 4-сүрөттө көрсөтүлгөн. Рентгендик дифракциялык чокулар JCPDS № 0381923, 02 боюнча 2θ = 6.50° (300), 10.94° (500), 15.46° (700), 20.26° \((\overline {5}), бардык үлгүлөрдө (311), 24.04° (602) жана 39.98° (913) SAга таандык. Беттик активдүү зат (SLS), башка калдык заттар жана SiO250 микрокапсуляциясы сыяктуу белгисиз факторлордон улам көлөмдүү CA менен бурмалануу жана гибриддүүлүк. Капсуляция болгондон кийин, негизги чокулардын (300), (500), (311) жана (602) интенсивдүүлүгү көлөмдүү CAга салыштырмалуу акырындык менен төмөндөйт, бул үлгүнүн кристаллдуулугунун төмөндөшүн көрсөтөт.
(a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 жана (g) SATEOS6 рентгендик сүрөт үлгүлөрү.
SATEOS1 интенсивдүүлүгү башка үлгүлөргө салыштырмалуу кескин төмөндөйт. Бардык микрокапсулаланган үлгүлөрдө башка чокулар байкалган эмес (4b–g-сүрөт), бул SA бетинде химиялык өз ара аракеттенүүнүн ордуна SiO252 физикалык адсорбциясы жүрөрүн тастыктайт. Мындан тышкары, SAнын микрокапсулаланышы жаңы структуралардын пайда болушуна алып келбеген деген тыянак чыгарылган. SiO2 SA бетинде эч кандай химиялык реакциясыз бүтүн бойдон калат жана SAнын көлөмү азайган сайын, учурдагы чокулар айкыныраак болуп калат (SATEOS1). Бул жыйынтык SiO2 негизинен SA бетин каптап тураарын көрсөтүп турат. (700) чокусу толугу менен жоголот, ал эми \((\overline{5}02)\) чокусу SATEOS 1де дөңсөөгө айланат (4b-сүрөт), бул кристаллдуулуктун төмөндөшү жана аморфизмдин жогорулашы менен байланыштуу. SiO2 аморфтук мүнөзгө ээ, ошондуктан 2θ = 19°тан 25°ка чейин байкалган чокулар өркөчтүү жана кеңейген53 (4b–g-сүрөт), бул аморфтук SiO252нин бар экендигин тастыктайт. Микрокапсулаланган SAнын дифракциялык чоку интенсивдүүлүгүнүн төмөндүгү кремнийдин ички дубалынын нуклеациялык эффектисине жана кристаллдашуу жүрүм-турумун чектөөчү факторго байланыштуу49. SAнын курамы төмөн болгондо, SAнын сырткы бетинде көбүнчө адсорбцияланган көп сандагы TEOSтун болушунан улам калыңыраак кремний кабыгы пайда болот деп эсептелет. Бирок, SAнын көлөмү көбөйгөн сайын, эмульсия эритмесиндеги SA тамчыларынын беттик аянты көбөйөт жана туура капсулалоо үчүн көбүрөөк TEOS талап кылынат. Ошондуктан, SAнын курамы жогору болгондо, FT-IRдеги SiO2 чокусу басылат (3-сүрөт) жана XRFте 2θ = 19–25°ка жакын дифракциялык чокунун интенсивдүүлүгү төмөндөйт (4-сүрөт) жана кеңейүү да азаят. Көрүнбөйт. Бирок, 4-сүрөттөн көрүнүп тургандай, SAнын көлөмү 5 г (SATEOS1) дан 50 г (SATEOS6) га чейин көбөйгөндө, чокулар SAнын жалпы көлөмүнө абдан жакын болуп калат жана (700) чокусу бардык чокулардын интенсивдүүлүгү аныкталган учурда пайда болот. Бул жыйынтык FT-IR жыйынтыктары менен корреляцияланат, мында SiO2 SATEOS6 чокусунун интенсивдүүлүгү 1103 см-1де төмөндөйт (3g-сүрөт).
SA, SATEOS1 жана SATEOS6 курамындагы элементтердин химиялык абалдары 1 жана 2-сүрөттөрдө көрсөтүлгөн. 5, 6, 7 жана 8-сүрөттөр жана 2-таблица. SA, SATEOS1 жана SATEOS6 үчүн өлчөө сканерлери 5-сүрөттө, ал эми C 1s, O 1s жана Si 2p үчүн жогорку чечилиштеги сканерлер тиешелүүлүгүнө жараша 5, 6, 7 жана 8-сүрөттөрдө жана 2, 6, 7 жана 8-таблицаларда көрсөтүлгөн. XPS аркылуу алынган байланыш энергиясынын маанилери 2-таблицада кыскача берилген. 5-сүрөттөн көрүнүп тургандай, SiO2 кабыгынын микрокапсуляциясы болгон SATEOS1 жана SATEOS6да Si 2s жана Si 2p чокулары байкалган. Мурунку изилдөөчүлөр 155,1 eV54 деңгээлиндеги ушул сыяктуу Si 2s чокулары жөнүндө билдиришкен. SATEOS1 (5b-сүрөт) жана SATEOS6 (5c-сүрөт) изотопторунда Si чокуларынын болушу FT-IR (3-сүрөт) жана XRD (4-сүрөт) маалыматтарын тастыктайт.
6а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, көлөмдүү SAнын C 1s байланыш энергиясында CC, халифаттык жана O=C=O үч башка чокуларына ээ, алар тиешелүүлүгүнө жараша 284,5 эВ, 285,2 эВ жана 289,5 эВ түзөт. C–C, халифаттык жана O=C=O чокулары SATEOS1 (6b-сүрөт) жана SATEOS6 (6c-сүрөт) да байкалган жана 2-таблицада кыскача көрсөтүлгөн. Мындан тышкары, C 1s чокусу 283,1 эВ (SATEOS1) жана 283,5 эВ (SATEOS6) болгон кошумча Si-C чокусуна туура келет. C–C, халифаттык, O=C=O жана Si–C үчүн байкалган байланыш энергиялары башка булактар ​​менен жакшы корреляцияланат55,56.
O1 SA, SATEOS1 жана SATEOS6 XPS спектрлери тиешелүүлүгүнө жараша 7a–c сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. Көлөмдүү SAнын O1s чокусу деконволюцияланган жана эки чокуга ээ, атап айтканда C=O/C–O (531,9 эВ) жана C–O–H (533,0 эВ), ал эми SATEOS1 жана SATEOS6нын O1и ырааттуу. үч гана чоку бар: C=O/C–O, C–O–H жана Si–OH55,57,58. SATEOS1 жана SATEOS6дагы O1s байланыш энергиясы көлөмдүү SAга салыштырмалуу бир аз өзгөрөт, бул кабык материалында SiO2 жана Si-OH болушунан улам химиялык фрагменттин өзгөрүшү менен байланыштуу.
SATEOS1 жана SATEOS6нын Si 2p XPS спектрлери тиешелүүлүгүнө жараша 8a жана b сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. Көлөмдүү CAда SiO2 жоктугунан улам Si 2p байкалган эмес. Si 2p чокусу SATEOS1 үчүн 105,4 эВ жана SATEOS6 үчүн 105,0 эВ туура келет, бул Si-O-Siге туура келет, ал эми SATEOS1 чокусу 103,5 эВ жана SATEOS6 чокусу 103,3 эВ, бул Si-OH55ке туура келет. SATEOS1 жана SATEOS6до Si-O-Si жана Si-OH чокусунун туураланышы SA өзөгүнүн бетинде SiO2нин ийгиликтүү микрокапсуляциясын көрсөттү.
Микрокапсуляцияланган материалдын морфологиясы абдан маанилүү, ал эригичтигине, туруктуулугуна, химиялык реактивдүүлүгүнө, агып кетүүчүлүгүнө жана бекемдигине таасир этет59. Ошондуктан, 9-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, көлөмдүү SA (100×) жана микрокапсуляцияланган SA (500×) морфологиясын мүнөздөө үчүн SEM колдонулган. 9a-сүрөттөн көрүнүп тургандай, SA блогу эллиптикалык формага ээ. Бөлүкчөлөрдүн өлчөмү 500 микрондон ашат. Бирок, микрокапсуляция процесси улана бергенден кийин, 9b–g сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, морфология кескин өзгөрөт.
(a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 жана (g) SATEOS6нын ×500дөгү SEM сүрөттөрү.
SATEOS1 үлгүсүндө, орой беттүү кичирээк квазисфералык SiO2 менен оролгон SA бөлүкчөлөрү байкалат (9b-сүрөт), бул TEOSтун SA бетинде гидролиздениши жана конденсацияланышы менен байланыштуу болушу мүмкүн, бул этанол молекулаларынын тез диффузиясын тездетет. Натыйжада, SiO2 бөлүкчөлөрү чөкмөгө түшүп, агломерация байкалат52,60. Бул SiO2 кабыгы микрокапсулаланган CA бөлүкчөлөрүнө механикалык бекемдик берет жана ошондой эле эриген CAнын жогорку температурада агып кетишине жол бербейт10. Бул жыйынтык SiO2 камтыган SA микрокапсулаларын потенциалдуу энергия сактоочу материалдар катары колдонууга болорун көрсөтүп турат61. 9b-сүрөттөн көрүнүп тургандай, SAны каптаган калың SiO2 катмары менен бирдей бөлүкчөлөрдүн бөлүштүрүлүшүнө ээ. Микрокапсулаланган SAнын (SATEOS1) бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү болжол менен 10–20 мкм (9b-сүрөт), бул SAнын курамынын төмөндүгүнөн улам көлөмдүү SAга салыштырмалуу бир топ кичине. Микрокапсула катмарынын калыңдыгы прекурсордук эритменин гидролизи жана конденсациялык полимерленишине байланыштуу. Агломерация SAнын төмөнкү дозаларында, башкача айтканда, 15 г чейин болот (9b-d сүрөт), бирок дозасы көбөйгөндөн кийин агломерация байкалбайт, бирок так аныкталган тоголок бөлүкчөлөр байкалат (9e-g сүрөт) 62.
Мындан тышкары, SLS беттик активдүү затынын көлөмү туруктуу болгондо, SA курамы (SATEOS1, SATEOS2 жана SATEOS3) да натыйжалуулукка, формага жана бөлүкчөлөрдүн өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшүнө таасир этет. Ошентип, SATEOS1 бөлүкчөлөрдүн өлчөмүнүн кичирээктигин, бирдей бөлүштүрүлүшүн жана тыгыз бетин көрсөтөт (9b-сүрөт), бул SAнын гидрофилдик мүнөзүнө байланыштуу, ал туруктуу беттик активдүү зат63 астында экинчилик ядронун пайда болушуна өбөлгө түзөт. SA курамын 5тен 15 гга чейин көбөйтүү (SATEOS1, SATEOS2 жана SATEOS3) жана беттик активдүү заттын туруктуу өлчөмүн, башкача айтканда, 0,10 г SLS колдонуу менен (1-таблица), беттик активдүү зат молекуласынын ар бир бөлүкчөсүнүн салымы азаят, ошону менен бөлүкчөлөрдүн өлчөмү жана бөлүкчөлөрдүн өлчөмү азаят деп эсептелет. SATEOS2 (9c-сүрөт) жана SATEOS3 (9d-сүрөт) бөлүштүрүлүшү SATEOS 1дин бөлүштүрүлүшүнөн айырмаланат (9b-сүрөт).
SATEOS1 менен салыштырганда (9b-сүрөт), SATEOS2 микрокапсулаланган SAнын тыгыз морфологиясын көрсөттү жана бөлүкчөлөрдүн өлчөмү чоңойду (9c-сүрөт). Бул коагуляция ылдамдыгын төмөндөтүүчү агломерация 49га байланыштуу (2b-сүрөт). SLS көбөйгөн сайын SC көлөмү көбөйгөн сайын, микрокапсулалар даана көрүнүп калат, бул сүрөттө көрсөтүлгөндөй, агрегация кантип пайда болот. Мындан тышкары, 9e–g сүрөттөрүндө бардык бөлүкчөлөрдүн формасы жана өлчөмү боюнча ачык тоголок экени көрсөтүлгөн. Көп өлчөмдөгү SA болгондо, тиешелүү өлчөмдөгү кремний олигомерлерин алууга болот, бул тиешелүү конденсацияны жана инкапсуляцияны жана ошентип, жакшы аныкталган микрокапсулалардын пайда болушун шарттайт49. SEM жыйынтыктарынан SA аз өлчөмдөгү SAга салыштырмалуу SA6 тиешелүү микрокапсулаларды түзгөнү айкын көрүнүп турат.
Көлөмдүү SA жана микрокапсула SAнын энергия дисперсиялык рентген спектроскопиясынын (ЭДС) жыйынтыктары 3-таблицада келтирилген. Бул таблицадан көрүнүп тургандай, Si курамы акырындык менен SATEOS1ден (12,34%) SATEOS6га (2,68%) чейин төмөндөйт. SAнын көбөйүшү. Ошондуктан, SAнын көлөмүнүн көбөйүшү SA бетинде SiO2 чөкмөсүнүн азайышына алып келет деп айта алабыз. EDS51дин жарым сандык анализинен улам, 3-таблицада C жана O курамы үчүн ырааттуу маанилер жок. Микрокапсулаланган SAнын Si курамы FT-IR, XRD жана XPS жыйынтыктары менен корреляцияланган.
Көп көлөмдүү SAнын, ошондой эле SiO2 кабыгы бар микрокапсуляцияланган SAнын эрүү жана катып калуу жүрүм-туруму 1 жана 2-сүрөттөрдө көрсөтүлгөн. Алар тиешелүү түрдө 10 жана 11-сүрөттөрдө, ал эми жылуулук маалыматтары 4-таблицада көрсөтүлгөн. Микрокапсуляцияланган SAнын эрүү жана катып калуу температуралары ар кандай экени аныкталган. SAнын көлөмү көбөйгөн сайын, эрүү жана катып калуу температуралары жогорулап, көп көлөмдүү SAнын маанилерине жакындайт. SA микрокапсуляциясынан кийин, кремний диоксидинин дубалы кристаллдашуу температурасын жогорулатат жана анын дубалы гетерогендүүлүктү жогорулатуучу өзөк катары кызмат кылат. Ошондуктан, SAнын көлөмү көбөйгөн сайын, эрүү (10-сүрөт) жана катып калуу (11-сүрөт) температуралары да акырындык менен жогорулайт49,51,64. Бардык микрокапсуляцияланган SA үлгүлөрүнүн арасында SATEOS6 эң жогорку эрүү жана катып калуу температураларын көрсөттү, андан кийин SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 жана SATEOS1.
SATEOS1 эң төмөнкү эрүү температурасын (68,97 °C) жана катуулануу температурасын (60,60 °C) көрсөтөт, бул бөлүкчөлөрдүн кичине өлчөмүнө байланыштуу, анда микрокапсулалардын ичиндеги SA бөлүкчөлөрүнүн кыймылы өтө аз жана SiO2 кабыгы калың катмарды түзөт, ошондуктан Core Material созулууну жана кыймылды чектейт49. Бул гипотеза SEM жыйынтыктарына байланыштуу, анда SATEOS1 бөлүкчөлөрдүн кичине өлчөмүн көрсөттү (9b-сүрөт), бул SA молекулалары микрокапсулалардын өтө кичинекей аймагында жайгашкандыгына байланыштуу. Негизги массанын, ошондой эле SiO2 кабыктары бар бардык SA микрокапсулаларынын эрүү жана катуулануу температураларынын айырмасы 6,10–8,37 °C диапазонунда. Бул жыйынтык SiO2 кабыгынын 65 жакшы жылуулук өткөрүмдүүлүгүнө байланыштуу микрокапсулаланган SA потенциалдуу энергия сактоочу материал катары колдонулушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат.
4-таблицадан көрүнүп тургандай, SATEOS6 бардык микрокапсуляцияланган SCлердин арасында эң жогорку энтальпияга ээ (9g-сүрөт), анткени SEM тарабынан байкалган туура инкапсуляция бар. SA таңгактоо ылдамдыгын (1) теңдемени колдонуу менен эсептеп чыгууга болот. (1) Микрокапсуляцияланган SA49дун жашыруун жылуулук маалыматтарын салыштыруу менен.
R мааниси микрокапсуляцияланган SCнин капсуляция даражасын (%), ΔHMEPCM,m микрокапсуляцияланган SCнин жашыруун эрүү жылуулугун, ал эми ΔHPCM,m SCнин жашыруун эрүү жылуулугун билдирет. Мындан тышкары, таңгактоо эффективдүүлүгү (%) дагы бир маанилүү техникалык параметр катары эсептелет, бул (1). (2)49 теңдемеде көрсөтүлгөн.
E мааниси микрокапсуляцияланган КАнын капсуляция эффективдүүлүгүн (%) билдирет, ΔHMEPCM,s микрокапсуляцияланган КАнын жашыруун айыктыруу жылуулугун, ал эми ΔHPCM,s КАнын жашыруун айыктыруу жылуулугун билдирет.
4-таблицада көрсөтүлгөндөй, SATEOS1дин таңгактоо даражасы жана натыйжалуулугу тиешелүүлүгүнө жараша 71,89% жана 67,68%, ал эми SATEOS6нын таңгактоо даражасы жана натыйжалуулугу тиешелүүлүгүнө жараша 90,86% жана 86,68% түзөт (4-таблица). SATEOS6 үлгүсү бардык микрокапсулаланган SAлардын арасында эң жогорку капсулалоо коэффициентин жана натыйжалуулугун көрсөтөт, бул анын жогорку жылуулук сыйымдуулугун көрсөтөт. Ошондуктан, катуу абалдан суюк абалга өтүү көп энергияны талап кылат. Мындан тышкары, муздатуу процессинде бардык SA микрокапсулаларынын жана көлөмдүү SAнын эрүү жана катып калуу температураларынын айырмасы микрокапсула синтези учурунда кремний диоксидинин кабыгы мейкиндикте чектелип калганын көрсөтүп турат. Ошентип, жыйынтыктар SC көлөмү көбөйгөн сайын, капсулалоо ылдамдыгы жана натыйжалуулугу акырындык менен жогорулай турганын көрсөтүп турат (4-таблица).
SiO2 кабыгы бар SAнын (SATEOS1, SATEOS3 жана SATEOS6) көлөмдүү SA жана микрокапсула SAнын TGA ийри сызыктары 12-сүрөттө көрсөтүлгөн. Көмүртектүү SAнын (SATEOS1, SATEOS3 жана SATEOS6) жылуулук туруктуулук касиеттери микрокапсулаланган үлгүлөр менен салыштырылган. TGA ийри сызыгынан көлөмдүү SAнын, ошондой эле микрокапсулаланган SAнын салмак жоготуусу 40°Cден 190°Cге чейин жылмакай жана өтө аз төмөндөй турганы айкын көрүнүп турат. Бул температурада көлөмдүү SC жылуулук менен ажыроого дуушар болбойт, ал эми микрокапсулаланган SC 45°Cде 24 саат кургагандан кийин да адсорбцияланган сууну бөлүп чыгарат. Бул салмактын бир аз жоголушуна алып келди,49 бирок бул температурадан жогору материал бузула баштады. SAнын курамы төмөн болгондо (б.а. SATEOS1), адсорбцияланган суунун курамы жогору болот жана ошондуктан 190°Cге чейинки масса жоготуусу жогору болот (12-сүрөттө көрсөтүлгөн). Температура 190 °C жогору көтөрүлгөндө, үлгү ажыроо процесстеринен улам массасын жогото баштайт. SAнын көлөмү 190 °Cде ажыроо башталат жана 260 °Cде анын 4% гана калат, ал эми SATEOS1, SATEOS3 жана SATEOS6 бул температурада тиешелүүлүгүнө жараша 50%, 20% жана 12% сактайт. 300 °Cден кийин, SATEOS1, SATEOS3 жана SATEOS6нын массалык жоготуусу болжол менен 97,60% түздү, ал эми SATEOS1, SATEOS3 жана SATEOS6нын массалык жоготуусу тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен 54,20%, 82,40% жана 90,30% түздү. SAнын курамынын көбөйүшү менен SiO2 курамы азаят (3-таблица) жана SEMде кабыктын жукарышы байкалат (9-сүрөт). Ошентип, микрокапсулаланган SAнын салмак жоготуусу көлөмдүү SAга салыштырмалуу төмөн, бул SiO2 кабыгынын жагымдуу касиеттери менен түшүндүрүлөт, ал SAнын бетинде көмүртектүү силикат-көмүртектүү катмардын пайда болушуна өбөлгө түзөт, ошону менен SA өзөгүн бөлүп, пайда болгон учуучу продуктулардын бөлүнүп чыгышын жайлатат10. Бул көмүр катмары термикалык ажыроо учурунда физикалык коргоочу тосмону түзөт, күйүүчү молекулалардын газ фазасына өтүшүн чектейт66,67. Мындан тышкары, биз салмак жоготуунун олуттуу натыйжаларын да көрө алабыз: SATEOS1 SATEOS3, SATEOS6 жана SAга салыштырмалуу төмөнкү маанилерди көрсөтөт. Себеби SATEOS1деги SAнын көлөмү SiO2 кабыгы калың катмарды түзгөн SATEOS3 жана SATEOS6га караганда аз. Ал эми көлөмдүү SAнын жалпы салмак жоготуусу 415 °C температурада 99,50% га жетет. Бирок, SATEOS1, SATEOS3 жана SATEOS6 415 °C температурада тиешелүүлүгүнө жараша 62,50%, 85,50% жана 93,76% салмак жоготууну көрсөтүштү. Бул жыйынтык TEOS кошуу SA бетинде SiO2 катмарын түзүү менен SAнын деградациясын жакшыртаарын көрсөтүп турат. Бул катмарлар физикалык коргоочу тосмону түзө алат, ошондуктан микрокапсулаланган CAнын жылуулук туруктуулугунун жакшырганын байкоого болот.
DSC51,52нин 30 ысытуу жана муздатуу циклинен кийинки көлөмдүү SA жана эң жакшы микрокапсулаланган үлгүнүн (б.а. SATEOS 6) жылуулук ишенимдүүлүгүнүн жыйынтыктары 13-сүрөттө көрсөтүлгөн. Көмүртектүү SA (13a-сүрөт) эрүү температурасында, катууланууда жана энтальпия маанисинде эч кандай айырмачылык көрсөтпөгөнүн, ал эми SATEOS6 (13b-сүрөт) 30-ысытуу циклинен кийин да температурада жана энтальпия маанисинде эч кандай айырмачылык көрсөтпөгөнүн көрүүгө болот. Көмүртектүү SA эрүү температурасын 72,10 °C, катуулануу температурасын 64,69 °C, ал эми биринчи циклден кийинки эрүү жана катуулануу жылуулугун тиешелүүлүгүнө жараша 201,0 Дж/г жана 194,10 Дж/г түзгөн. 30-циклден кийин бул маанилердин эрүү температурасы 71,24 °C чейин төмөндөгөн, катуулануу температурасы 63,53 °C чейин төмөндөгөн жана энтальпиянын мааниси 10% га төмөндөгөн. Эрүү жана катуулануу температураларынын өзгөрүшү, ошондой эле энтальпиянын маанилеринин төмөндөшү, көлөмдүү CA микрокапсуляцияланбаган колдонмолор үчүн ишенимсиз экенин көрсөтүп турат. Бирок, туура микрокапсуляция болгондон кийин (SATEOS6), эрүү жана катуулануу температуралары жана энтальпиянын маанилери өзгөрбөйт (13b-сүрөт). SiO2 кабыктары менен микрокапсуляциялангандан кийин, SA оптималдуу эрүү жана катуулануу температуралары жана туруктуу энтальпиясынан улам жылуулук колдонмолорунда, айрыкча курулушта фазалык өзгөрүү материалы катары колдонулушу мүмкүн.
1-чи жана 30-жылытуу жана муздатуу циклдеринде SA (a) жана SATEOS6 (b) үлгүлөрү үчүн алынган DSC ийри сызыктары.
Бул изилдөөдө SA негизги материал катары, ал эми SiO2 кабык материалы катары колдонулуп, микрокапсуляцияны системалуу изилдөө жүргүзүлдү. TEOS SA бетинде SiO2 колдоочу катмарын жана коргоочу катмарды түзүү үчүн прекурсор катары колдонулат. Микрокапсуляцияланган SA ийгиликтүү синтезделгенден кийин, FT-IR, XRD, XPS, SEM жана EDS жыйынтыктары SiO2нин бар экендигин көрсөттү. SEM анализи SATEOS6 үлгүсүндө SA бетинде SiO2 кабыктары менен курчалган жакшы аныкталган тоголок бөлүкчөлөр бар экенин көрсөтүп турат. Бирок, SA курамы төмөн MEPCM агломерацияны көрсөтөт, бул PCMдин иштешин төмөндөтөт. XPS анализи микрокапсула үлгүлөрүндө Si-O-Si жана Si-OH бар экендигин көрсөттү, бул SiO2нин SA бетинде адсорбциясын көрсөттү. Жылуулук көрсөткүчтөрүн талдоо боюнча, SATEOS6 жылуулукту сактоонун эң келечектүү жөндөмүн көрсөтөт, эрүү жана катып калуу температуралары тиешелүүлүгүнө жараша 70,37°C жана 64,27°C, ал эми эрүүнүн жана катып калуунун жашыруун жылуулугу тиешелүүлүгүнө жараша 182,53 Дж/г жана 160,12 Дж/г. Г. түзөт. SATEOS6нын максималдуу таңгактоо натыйжалуулугу 86,68% түзөт. TGA жана DSC жылуулук циклин талдоо SATEOS6 30 ысытуу жана муздатуу процессинен кийин дагы эле жакшы жылуулук туруктуулугуна жана ишенимдүүлүгүнө ээ экенин тастыктады.
Ян Т., Ван XY жана Ли Д. Жылуулук энергиясын сактоо үчүн термохимиялык катуу газ-композиттик адсорбция системасынын иштешин талдоо жана анын натыйжалуулугун жогорулатуу. колдонмо. ысык. инженер. 150, 512–521 (2019).
Фарид, ММ, Худайр, АМ, Разак, С. жана Аль-Халлаж, С. Фазанын өзгөрүшүндөгү энергияны сактоого сереп: материалдар жана колдонмолор. Энергияны конвертер. Менеджер. 45, 1597–1615 (2004).
Регин А.Ф., Соланки С.С. жана Сайни Ж.С. PCM капсулаларын колдонуу менен жылуулук энергиясын сактоо системаларынын жылуулук алмашуу көрсөткүчтөрү: сереп. жаңыртуу. колдоо. Energy Rev 12, 2438–2458 (2008).
Liu, M., Saman, W. жана Bruno, F. Жогорку температурадагы фазалык өзгөрүүчү жылуулук сактоо системалары үчүн сактоочу материалдардын жана жылуулук натыйжалуулугун жогорулатуучу технологияларга сереп. жаңыртуу. колдоо. Energy Rev 16, 2118–2132 (2012).
Фан Гуойин, Ли Хун, Лю Сян, Ву СМ Нанокапсулаланган жылуулук энергиясы n-тетрадекан фазалык өзгөрүү материалдарын даярдоо жана мүнөздөө. Химиялык инженер. J. 153, 217–221 (2009).
Му, Б. жана Ли, М. Күн энергиясын конвертациялоо жана сактоо үчүн модификацияланган графен аэрогелдерин колдонуу менен жаңы формага туруктуу фазалык өзгөрүүчү композиттик материалдарды синтездөө. Күн энергиясы материалдары. Күн клеткасы 191, 466–475 (2019).
Хуан, К., Алва, Г., Цзя, Ю. жана Фан, Г. Жылуулук энергиясын сактоодо фазалык өзгөрмө материалдардын морфологиялык мүнөздөмөсү жана колдонулушу: сереп. жаңыртуу. колдоо. Энергия басылмасы. 72, 128–145 (2017).