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L'acido stearico (SA) è utilizzato come materiale a cambiamento di fase (PCM) nei dispositivi di accumulo di energia. In questo studio, è stato utilizzato il metodo sol-gel per microincapsulare il tensioattivo a guscio di SiO2. Diverse quantità di SA (5, 10, 15, 20, 30 e 50 g) sono state incapsulate in 10 mL di tetraetil ortosilicato (TEOS). Il materiale a cambiamento di fase microincapsulato (MEPCM) sintetizzato è stato caratterizzato mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), diffrazione dei raggi X (XRD), spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e microscopia elettronica a scansione (SEM). I risultati della caratterizzazione hanno mostrato che l'SA è stato incapsulato con successo da SiO2. L'analisi termogravimetrica (TGA) ha mostrato che il MEPCM ha una migliore stabilità termica rispetto al CA. Utilizzando la calorimetria differenziale a scansione (DSC), si è scoperto che il valore di entalpia del MEPCM non cambiava nemmeno dopo 30 cicli di riscaldamento-raffreddamento. Tra tutti i campioni microincapsulati, 50 g di SA contenente MEPCM presentavano il calore latente di fusione e solidificazione più elevato, rispettivamente pari a 182,53 J/g e 160,12 J/g. Il valore di efficienza del package è stato calcolato utilizzando dati termici e l'efficienza più elevata è stata riscontrata per lo stesso campione, pari all'86,68%.
Circa il 58% dell'energia utilizzata nel settore edile viene utilizzata per riscaldare e raffrescare gli edifici1. Pertanto, la cosa più necessaria è creare sistemi energetici efficienti che tengano conto dell'inquinamento ambientale2. La tecnologia del calore latente che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM) può immagazzinare elevata energia a basse fluttuazioni di temperatura3,4,5,6 e può essere ampiamente utilizzata in settori come il trasferimento di calore, l'accumulo di energia solare, l'aerospaziale e la climatizzazione7,8,9. I PCM assorbono l'energia termica dalle facciate degli edifici durante il giorno e la rilasciano di notte10. Pertanto, i materiali a cambiamento di fase sono raccomandati come materiali per l'accumulo di energia termica. Inoltre, esistono diversi tipi di PCM, come solido-solido, solido-liquido, liquido-gas e solido-gas11. Tra questi, i materiali a cambiamento di fase più popolari e utilizzati sono i materiali a cambiamento di fase solido-solido e i materiali a cambiamento di fase solido-liquido. Tuttavia, la loro applicazione è molto difficile a causa delle enormi variazioni volumetriche dei materiali di transizione di fase liquido-gas e solido-gas.
Il PCM ha diverse applicazioni grazie alle sue proprietà: quelli che fondono a temperature inferiori a 15 °C possono essere utilizzati negli impianti di condizionamento per mantenere basse temperature, mentre quelli che fondono a temperature superiori a 90 °C possono essere utilizzati negli impianti di riscaldamento per prevenire incendi12. A seconda dell'applicazione e dell'intervallo del punto di fusione, sono stati sintetizzati vari materiali a cambiamento di fase da diverse sostanze chimiche organiche e inorganiche13,14,15. La paraffina è il materiale a cambiamento di fase più comunemente utilizzato, con elevato calore latente, non corrosività, sicurezza e un ampio intervallo del punto di fusione16,17,18,19,20,21.
Tuttavia, a causa della bassa conduttività termica dei materiali a cambiamento di fase, questi devono essere incapsulati in un guscio (strato esterno) per evitare perdite del materiale di base durante il processo di cambiamento di fase22. Inoltre, errori operativi o pressioni esterne possono danneggiare lo strato esterno (rivestimento) e il materiale a cambiamento di fase fuso può reagire con i materiali da costruzione, causando la corrosione delle barre di acciaio incorporate, riducendo così la funzionalità dell'edificio23. Pertanto, è importante sintetizzare materiali a cambiamento di fase incapsulati con materiale di guscio sufficiente, in grado di risolvere i problemi sopra menzionati24.
La microincapsulazione di materiali a cambiamento di fase può aumentare efficacemente il trasferimento di calore e ridurre la reattività ambientale, oltre a controllare le variazioni di volume. Sono stati sviluppati vari metodi per l'incapsulamento di PCM, ovvero la polimerizzazione interfacciale25,26,27,28, la polimerizzazione in situ29,30,31,32, la coacervazione33,34,35 e i processi sol-gel36,37,38,39. La resina formaldeide può essere utilizzata per la microincapsulazione40,41,42,43. Le resine melammina-formaldeide e urea-formaldeide vengono utilizzate come materiali di rivestimento, ma spesso emettono formaldeide tossica durante il funzionamento. Pertanto, l'utilizzo di questi materiali nei processi di imballaggio è vietato. Tuttavia, materiali a cambiamento di fase ecocompatibili per l'accumulo di energia termica scalabile possono essere sintetizzati utilizzando nanocapsule ibride a base di acidi grassi e lignina44.
Zhang et al. 45 hanno sintetizzato acido laurico da tetraetil ortosilicato e hanno concluso che all'aumentare del rapporto in volume tra metiltrietossisilano e tetraetil ortosilicato, il calore latente diminuisce e l'idrofobicità superficiale aumenta. L'acido laurico può essere un potenziale ed efficace materiale di base per le fibre di kapok 46. Inoltre, Latibari et al. 47 hanno sintetizzato PCM a base di acido stearico utilizzando TiO2 come materiale di rivestimento. Zhu et al. hanno preparato nanocapsule di n-ottadecano e silicone come potenziali PCM 48. Da una revisione della letteratura, è difficile comprendere il dosaggio raccomandato per la formazione di materiali a cambiamento di fase microincapsulati efficaci e stabili.
Pertanto, a conoscenza degli autori, la quantità di materiale a cambiamento di fase utilizzato per la microincapsulazione è un parametro importante per la produzione di materiali a cambiamento di fase microincapsulati efficienti e stabili. L'utilizzo di diverse quantità di materiali a cambiamento di fase ci consentirà di chiarire le diverse proprietà e la stabilità dei materiali a cambiamento di fase microincapsulati. L'acido stearico (acido grasso) è una sostanza ecologica, importante dal punto di vista medico ed economica che può essere utilizzata per immagazzinare energia termica grazie al suo elevato valore di entalpia (~200 J/g) e alla sua capacità di resistere a temperature fino a 72 °C. Inoltre, il SiO2 non è infiammabile, offre una maggiore resistenza meccanica, conduttività termica e una migliore resistenza chimica ai materiali del nucleo, e agisce come materiale pozzolanico in edilizia. Quando il cemento viene miscelato con acqua, i PCM mal incapsulati possono fessurarsi a causa dell'usura meccanica e delle alte temperature (calore di idratazione) generate nelle strutture in calcestruzzo di grandi dimensioni. Pertanto, l'uso di CA microincapsulato con un guscio di SiO2 può risolvere questo problema. Pertanto, l'obiettivo di questo studio era quello di indagare le prestazioni e l'efficienza dei PCM sintetizzati mediante processo sol-gel in applicazioni edilizie. In questo lavoro, abbiamo studiato sistematicamente diverse quantità di SA (come materiale base) di 5, 10, 15, 20, 30 e 50 g incapsulate in gusci di SiO2. Una quantità fissa di tetraetilortosilicato (TEOS) in un volume di 10 ml è stata utilizzata come soluzione precursore per la formazione del guscio di SiO2.
L'acido stearico di grado reattivo (SA, C18H36O2, punto di fusione: 72 °C) come materiale di base è stato acquistato da Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sud. Il tetraetilortosilicato (TEOS, C8H20O4Si) come soluzione precursore è stato acquistato da Acros Organics, Geel, Belgio. Inoltre, l'etanolo assoluto (EA, C2H5OH) e il lauril solfato di sodio (SLS, C12H25NaO4S) sono stati acquistati da Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sud, e sono stati utilizzati rispettivamente come solventi e tensioattivi. Anche l'acqua distillata viene utilizzata come solvente.
Diverse quantità di SA sono state miscelate con diverse proporzioni di sodio lauril solfato (SLS) in 100 mL di acqua distillata utilizzando un agitatore magnetico a 800 rpm e 75 °C per 1 h (Tabella 1). Le emulsioni di SA sono state divise in due gruppi: (1) 5, 10 e 15 g di SA sono stati miscelati con 0,10 g di SLS in 100 mL di acqua distillata (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3), (2) 20, 30 e 50 g di SA sono stati miscelati con 0,15, 0,20 e 0,25 g di SLS sono stati miscelati con 100 mL di acqua distillata (SATEOS4, SATEOS5 e SATEOS6). 0,10 g di SLS sono stati utilizzati con 5, 10 e 15 g di SA per formare le rispettive emulsioni. Successivamente, è stato proposto di aumentare il numero di SLS per SATEOS4, SATEOS5 e SATEOS6. La Tabella 1 mostra i rapporti tra CA e SLS utilizzati per ottenere soluzioni di emulsione stabili.
Versare 10 ml di TEOS, 10 ml di etanolo (EA) e 20 ml di acqua distillata in un becher da 100 ml. Per studiare l'efficienza di incapsulamento di diversi rapporti di gusci di SA e SiO2, è stato registrato il coefficiente di sintesi di tutti i campioni. La miscela è stata agitata con un agitatore magnetico a 400 rpm e 60 °C per 1 ora. La soluzione precursore è stata quindi aggiunta goccia a goccia all'emulsione di SA preparata, agitata vigorosamente a 800 rpm e 75 °C per 2 ore e filtrata per ottenere una polvere bianca. La polvere bianca è stata lavata con acqua distillata per rimuovere i residui di SA ed essiccata in un forno sotto vuoto a 45 °C per 24 ore. Come risultato, è stata ottenuta una SC microincapsulata con un guscio di SiO2. L'intero processo di sintesi e preparazione della SA microincapsulata è mostrato in Figura 1.
Le microcapsule di SA con un guscio di SiO₂ sono state preparate con il metodo sol-gel e il loro meccanismo di incapsulamento è mostrato in Figura 2. Il primo passaggio prevede la preparazione di un'emulsione di SA in una soluzione acquosa con SLS come tensioattivo. In questo caso, l'estremità idrofobica della molecola di SA si lega a SLS e l'estremità idrofila a molecole d'acqua, formando un'emulsione stabile. Pertanto, le porzioni idrofobiche di SLS sono protette e ricoprono la superficie della gocciolina di SA. D'altra parte, l'idrolisi delle soluzioni di TEOS avviene lentamente da parte delle molecole d'acqua, portando alla formazione di TEOS idrolizzato in presenza di etanolo (Fig. 2a) 49,50,51. Il TEOS idrolizzato subisce una reazione di condensazione, durante la quale il TEOS n-idrolizzato forma cluster di silice (Fig. 2b). I cluster di silice sono stati incapsulati da SA₂ in presenza di SLS (Fig. 2c), processo chiamato microincapsulazione.
Diagramma schematico della microincapsulazione di CA con un guscio di SiO2 (a) idrolisi di TEOS (b) condensazione dell'idrolizzato e (c) incapsulamento di CA con un guscio di SiO2.
L'analisi chimica dell'SA in massa e dell'SA microincapsulata è stata effettuata utilizzando uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, USA) e gli spettri sono stati registrati nell'intervallo da 500 a 4000 cm-1.
Un diffrattometro a raggi X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Giappone) è stato utilizzato per analizzare le fasi SA in massa e i materiali delle microcapsule. La scansione strutturale a raggi X è stata eseguita nell'intervallo 2θ = 5°–95° con una velocità di scansione di 4°/min, utilizzando radiazione Cu-Kα (λ = 1,541 Å), condizioni operative di 25 kV e 100 mA, in modalità di scansione continua. Le immagini a raggi X sono state costruite nell'intervallo 2θ = 5–50°, poiché non è stato osservato alcun picco oltre i 50° in tutti i campioni.
La spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS, Scienta Omicron R3000, USA) è stata eseguita utilizzando Al Kα (1486,6 eV) come sorgente di raggi X per comprendere lo stato chimico dell'SA in massa e gli elementi presenti nel materiale di incapsulamento. Gli spettri XPS raccolti sono stati calibrati sul picco C1s utilizzando carbonio esotico (energia di legame 284,6 eV). Dopo la correzione del fondo con il metodo Shirley, i picchi ad alta risoluzione di ciascun elemento sono stati deconvoluti e adattati alle funzioni gaussiane/lorentziane utilizzando il software CASA XPS.
La morfologia delle cellule staminali staminali massive e microincapsulate è stata esaminata utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, Repubblica Ceca) dotata di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) a 15 kV. Prima dell'imaging SEM, i campioni sono stati rivestiti con platino (Pt) per evitare effetti di carica.
Le proprietà termiche (punto di fusione/solidificazione e calore latente) e l'affidabilità (ciclo termico) sono state determinate mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) a una velocità di riscaldamento/raffreddamento di 10 °C/min a 40 °C e 90 °C con spurgo continuo di azoto. L'analisi della perdita di peso è stata effettuata utilizzando un analizzatore TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, USA) in un flusso continuo di azoto a partire da una temperatura di 40–600 °C, con una velocità di riscaldamento di 10 °C/min.
La Figura 3 mostra gli spettri FTIR di SC bulk e di SC microincapsulato (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 e SATEOS6). I picchi di assorbimento a 2910 cm-1 e 2850 cm-1 in tutti i campioni (SA e SA microincapsulato) sono attribuiti alle vibrazioni di stretching simmetrico dei gruppi –CH3 e –CH2, rispettivamente10,50. Il picco a 1705 cm-1 corrisponde allo stretching vibrazionale del legame C=O. I picchi a 1470 cm-1 e 1295 cm-1 sono attribuiti alla vibrazione di flessione nel piano del gruppo funzionale –OH, mentre i picchi a 940 cm-1 e 719 cm-1 corrispondono rispettivamente alla vibrazione nel piano e alla vibrazione di deformazione nel piano di snervamento del gruppo –OH. Picchi di assorbimento di SA a 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 e 719 cm-1 sono stati osservati anche in tutti gli SA microincapsulati. Inoltre, è stato osservato un picco di recente scoperta a 1103 cm-1 corrispondente alla vibrazione di stretching antisimmetrica della banda Si-O-Si nella microcapsula di SA. I risultati FT-IR sono coerenti con quelli di Yuan et al. 50 Hanno preparato con successo SA microincapsulato in rapporto ammoniaca/etanolo e hanno scoperto che non si è verificata alcuna interazione chimica tra SA e SiO₂. I risultati dell'attuale studio FT-IR mostrano che il guscio di SiO₂ ha incapsulato con successo SA (nucleo) attraverso il processo di condensazione e polimerizzazione di TEOS idrolizzato. A un contenuto inferiore di SA, l'intensità del picco della banda Si-O-Si è maggiore (Fig. 3b-d). Man mano che la quantità di SA aumenta fino a superare i 15 g, l'intensità del picco e l'allargamento della banda Si-O-Si diminuiscono gradualmente, indicando la formazione di un sottile strato di SiO2 sulla superficie di SA.
Spettri FTIR di (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6.
I modelli XRD di SA in massa e SA microincapsulato sono mostrati nella Figura 4. I picchi XRD si trovano a 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}secondo JCPDS n. 0381923, 02)\), 21,42° in tutti i campioni (311), 24,04° (602) e 39,98° (913) sono assegnati a SA. Distorsione e ibridazione con CA in massa dovute a fattori incerti come tensioattivo (SLS), altre sostanze residue e microincapsulazione di SiO250. Dopo l'incapsulamento, l'intensità dei picchi principali (300), (500), (311) e (602) diminuisce gradualmente rispetto al CA in massa, indicando una diminuzione della cristallinità del campione.
Modelli XRD di (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6.
L'intensità di SATEOS1 diminuisce drasticamente rispetto ad altri campioni. Non sono stati osservati altri picchi in tutti i campioni microincapsulati (Fig. 4b–g), il che conferma che sulla superficie dell'SA si verifica l'adsorbimento fisico di SiO252 piuttosto che l'interazione chimica. Inoltre, si è anche concluso che la microincapsulazione di SA non ha portato alla comparsa di nuove strutture. SiO2 rimane intatto sulla superficie dell'SA senza alcuna reazione chimica e, al diminuire della quantità di SA, i picchi esistenti diventano più evidenti (SATEOS1). Questo risultato indica che SiO2 incapsula principalmente la superficie dell'SA. Il picco in (700) scompare completamente e il picco in \((\overline{5}02)\) diventa una gobba in SATEOS 1 (Fig. 4b), che è associata a una ridotta cristallinità e a un aumento dell'amorfismo. SiO2 è di natura amorfa, quindi i picchi osservati da 2θ = 19° a 25° presentano una gobba e un allargamento53 (Fig. 4b–g), il che conferma l'esistenza di SiO252 amorfo. La minore intensità del picco di diffrazione dell'SA microincapsulato è dovuta all'effetto di nucleazione della parete interna di silice e al comportamento di cristallizzazione limitante49. Si ritiene che con un contenuto inferiore di SA si formi un guscio di silice più spesso a causa della presenza di una grande quantità di TEOS, che viene ampiamente adsorbito sulla superficie esterna dell'SA. Tuttavia, all'aumentare della quantità di SA, aumenta anche la superficie delle goccioline di SA nella soluzione di emulsione e per un corretto incapsulamento è necessaria una maggiore quantità di TEOS. Pertanto, con un contenuto di SA più elevato, il picco di SiO2 in FT-IR viene soppresso (Fig. 3) e l'intensità del picco di diffrazione vicino a 2θ = 19–25° in XRF (Fig. 4) diminuisce, così come l'espansione. Non visibile. Tuttavia, come si può osservare in Figura 4, non appena la quantità di SA viene aumentata da 5 g (SATEOS1) a 50 g (SATEOS6), i picchi diventano molto vicini all'SA in massa e il picco a (700) appare con tutte le intensità di picco identificate. Questo risultato è correlato ai risultati FT-IR, dove l'intensità del picco di SiO2 SATEOS6 diminuisce a 1103 cm-1 (Fig. 3g).
Gli stati chimici degli elementi presenti in SA, SATEOS1 e SATEOS6 sono mostrati nelle Figure 1 e 2. Figure 5, 6, 7 e 8 e Tabella 2. Le scansioni di misurazione per SA, SATEOS1 e SATEOS6 in massa sono mostrate nella Figura 5 e le scansioni ad alta risoluzione per C1s, O1s e Si2p sono mostrate rispettivamente nelle Figure 5, 6, 7 e 8 e Tabella 2. 6, 7 e 8. I valori di energia di legame ottenuti tramite XPS sono riassunti nella Tabella 2. Come si può vedere dalla Figura 5, sono stati osservati picchi evidenti di Si2s e Si2p in SATEOS1 e SATEOS6, dove si è verificata la microincapsulazione del guscio di SiO2. Ricercatori precedenti hanno riportato un picco simile di Si2s a 155,1 eV54. La presenza di picchi di Si in SATEOS1 (Fig. 5b) e SATEOS6 (Fig. 5c) conferma i dati FT-IR (Fig. 3) e XRD (Fig. 4).
Come mostrato nella Figura 6a, il C1s dell'SA in massa presenta tre diversi picchi di CC, califatico e O=C=O all'energia di legame, che sono rispettivamente 284,5 eV, 285,2 eV e 289,5 eV. Picchi C–C, califatico e O=C=O sono stati osservati anche in SATEOS1 (Fig. 6b) e SATEOS6 (Fig. 6c) e sono riassunti nella Tabella 2. Oltre a questo, il picco C1s corrisponde anche a un ulteriore picco Si-C a 283,1 eV (SATEOS1) e 283,5 eV (SATEOS6). Le nostre energie di legame osservate per C–C, califatico, O=C=O e Si–C sono ben correlate con altre fonti55,56.
Gli spettri XPS di O₂ SA, SATEOS1 e SATEOS6 sono mostrati rispettivamente nelle Figure 7a–c. Il picco di O₂ s dell'SA in massa è deconvoluto e presenta due picchi, ovvero C=O/C–O (531,9 eV) e C–O–H (533,0 eV), mentre l'O₂ di SATEOS1 e SATEOS6 è coerente. Ci sono solo tre picchi: C=O/C–O, C–O–H e Si–OH55,57,58. L'energia di legame di O₂ s in SATEOS1 e SATEOS6 varia leggermente rispetto all'SA in massa, il che è associato a una variazione nel frammento chimico dovuta alla presenza di SiO₂ e Si-OH nel materiale del guscio.
Gli spettri XPS Si 2p di SATEOS1 e SATEOS6 sono mostrati rispettivamente nelle Figure 8a e b. Nel CA bulk, Si 2p non è stato osservato a causa dell'assenza di SiO2. Il picco Si 2p corrisponde a 105,4 eV per SATEOS1 e 105,0 eV per SATEOS6, corrispondente a Si-O-Si, mentre il picco di SATEOS1 è 103,5 eV e il picco di SATEOS6 è 103,3 eV, corrispondente a Si-OH55. L'adattamento dei picchi Si-O-Si e Si-OH in SATEOS1 e SATEOS6 ha rivelato un'efficace microincapsulazione di SiO2 sulla superficie del core SA.
La morfologia del materiale microincapsulato è molto importante, in quanto influenza solubilità, stabilità, reattività chimica, fluidità e resistenza59. Pertanto, è stata utilizzata la microscopia elettronica a scansione (SEM) per caratterizzare la morfologia dell'SA in massa (100×) e dell'SA microincapsulato (500×), come mostrato in Figura 9. Come si può vedere dalla Figura 9a, il blocco di SA ha una forma ellittica. La dimensione delle particelle supera i 500 micron. Tuttavia, una volta che il processo di microincapsulazione prosegue, la morfologia cambia drasticamente, come mostrato nelle Figure 9 b–g.
Immagini SEM di (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6 a ×500.
Nel campione SATEOS1, si osservano particelle di SA quasi sferiche più piccole, avvolte in SiO2 e con una superficie ruvida (Fig. 9b), che potrebbero essere dovute all'idrolisi e alla polimerizzazione per condensazione di TEOS sulla superficie di SA, accelerando la rapida diffusione delle molecole di etanolo. Di conseguenza, le particelle di SiO2 vengono depositate e si osserva un'agglomerazione52,60. Questo guscio di SiO2 fornisce resistenza meccanica alle particelle di CA microincapsulate e impedisce anche la fuoriuscita di CA fusa a temperature più elevate10. Questo risultato indica che le microcapsule di SA contenenti SiO2 possono essere utilizzate come potenziali materiali di accumulo di energia61. Come si può vedere dalla Figura 9b, il campione SATEOS1 presenta una distribuzione uniforme delle particelle con uno spesso strato di SiO2 che incapsula la SA. La dimensione delle particelle di SA microincapsulato (SATEOS1) è di circa 10-20 μm (Fig. 9b), che è significativamente inferiore rispetto alla SA in massa a causa del minore contenuto di SA. Lo spessore dello strato di microcapsule è dovuto all'idrolisi e alla polimerizzazione per condensazione della soluzione precursore. L'agglomerazione si verifica a dosi inferiori di SA, ovvero fino a 15 g (Fig. 9b-d), ma non appena il dosaggio viene aumentato, non si osserva alcuna agglomerazione, ma si osservano particelle sferiche chiaramente definite (Fig. 9e-g) 62 .
Inoltre, quando la quantità di tensioattivo SLS è costante, il contenuto di SA (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3) influenza anche l'efficienza, la forma e la distribuzione granulometrica. Pertanto, si è scoperto che SATEOS1 presenta dimensioni delle particelle più piccole, distribuzione uniforme e superficie densa (Fig. 9b), il che è stato attribuito alla natura idrofila di SA che promuove la nucleazione secondaria in condizioni di tensioattivo costante63. Si ritiene che aumentando il contenuto di SA da 5 a 15 g (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3) e utilizzando una quantità costante di tensioattivo, ovvero 0,10 g di SLS (Tabella 1), il contributo di ciascuna particella della molecola di tensioattivo diminuirà, riducendo così la dimensione delle particelle e la dimensione delle particelle. La distribuzione di SATEOS2 (Fig. 9c) e SATEOS3 (Fig. 9d) differisce dalla distribuzione di SATEOS 1 (Fig. 9b).
Rispetto a SATEOS1 (Fig. 9b), SATEOS2 ha mostrato una morfologia densa di SA microincapsulato e una dimensione delle particelle aumentata (Fig. 9c). Ciò è dovuto all'agglomerazione 49, che riduce la velocità di coagulazione (Fig. 2b). All'aumentare della quantità di SC con l'aumentare di SLS, le microcapsule diventano chiaramente visibili, come mostrato nella Figura 2. Inoltre, le Figure 9e–g mostrano che tutte le particelle sono chiaramente sferiche per forma e dimensioni. È stato riconosciuto che in presenza di grandi quantità di SA, è possibile ottenere una quantità appropriata di oligomeri di silice, causando un'adeguata condensazione e incapsulamento e quindi la formazione di microcapsule ben definite 49. Dai risultati del SEM, è chiaro che SATEOS6 ha formato microcapsule corrispondenti rispetto a una piccola quantità di SA.
I risultati della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) di SA bulk e SA microincapsulato sono presentati nella Tabella 3. Come si può vedere da questa tabella, il contenuto di Si diminuisce gradualmente da SATEOS1 (12,34%) a SATEOS6 (2,68%). Aumento di SA. Pertanto, possiamo affermare che un aumento della quantità di SA porta a una diminuzione della deposizione di SiO2 sulla superficie di SA. Non ci sono valori coerenti per i contenuti di C e O nella Tabella 3 a causa dell'analisi semi-quantitativa di EDS51. Il contenuto di Si di SA microincapsulato è stato correlato con i risultati di FT-IR, XRD e XPS.
Il comportamento di fusione e solidificazione dell'SA sfuso e dell'SA microincapsulato con guscio di SiO2 è mostrato nelle Figure 1 e 2. Sono mostrati rispettivamente nelle Figure 10 e 11, mentre i dati termici sono riportati nella Tabella 4. Le temperature di fusione e solidificazione dell'SA microincapsulato sono risultate diverse. All'aumentare della quantità di SA, le temperature di fusione e solidificazione aumentano e si avvicinano ai valori dell'SA sfuso. Dopo la microincapsulazione dell'SA, la parete di silice aumenta la temperatura di cristallizzazione e la sua parete funge da nucleo per promuovere l'eterogeneità. Pertanto, all'aumentare della quantità di SA, anche le temperature di fusione (Fig. 10) e solidificazione (Fig. 11) aumentano gradualmente49,51,64. Tra tutti i campioni di SA microincapsulato, SATEOS6 ha mostrato le temperature di fusione e solidificazione più elevate, seguito da SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 e SATEOS1.
SATEOS1 mostra il punto di fusione più basso (68,97 °C) e la temperatura di solidificazione più bassi (60,60 °C), dovuti alle dimensioni ridotte delle particelle, in cui il movimento delle particelle di SA all'interno delle microcapsule è molto ridotto e il guscio di SiO2 forma uno strato spesso, limitando quindi l'allungamento e il movimento del materiale del nucleo49. Questa ipotesi è correlata ai risultati del SEM, in cui SATEOS1 ha mostrato una dimensione delle particelle inferiore (Fig. 9b), dovuta al fatto che le molecole di SA sono confinate in un'area molto piccola delle microcapsule. La differenza nelle temperature di fusione e solidificazione della massa principale, così come di tutte le microcapsule di SA con gusci di SiO2, è compresa tra 6,10 e 8,37 °C. Questo risultato indica che l'SA microincapsulato può essere utilizzato come potenziale materiale di accumulo di energia grazie alla buona conduttività termica del guscio di SiO265.
Come si può vedere dalla Tabella 4, SATEOS6 ha l'entalpia più alta tra tutte le cellule staminali microincapsulate (Fig. 9g) grazie al corretto incapsulamento osservato tramite SEM. Il tasso di impaccamento di SA può essere calcolato utilizzando l'equazione (1). (1) Confrontando i dati di calore latente di SA49 microincapsulato.
Il valore R rappresenta il grado di incapsulamento (%) della SC microincapsulata, ΔHMEPCM,m rappresenta il calore latente di fusione della SC microincapsulata e ΔHPCM,m rappresenta il calore latente di fusione della SC. Inoltre, l'efficienza di confezionamento (%) viene calcolata come un altro importante parametro tecnico, come mostrato nell'equazione (1). (2)49.
Il valore E rappresenta l'efficienza di incapsulamento (%) del CA microincapsulato, ΔHMEPCM,s rappresenta il calore latente di polimerizzazione del CA microincapsulato e ΔHPCM,s rappresenta il calore latente di polimerizzazione del CA.
Come mostrato nella Tabella 4, il grado di impaccamento e l'efficienza di SATEOS1 sono rispettivamente del 71,89% e del 67,68%, mentre il grado di impaccamento e l'efficienza di SATEOS6 sono rispettivamente del 90,86% e dell'86,68% (Tabella 4). Il campione SATEOS6 presenta il coefficiente di incapsulamento e l'efficienza più elevati tra tutti gli SA microincapsulati, a indicare la sua elevata capacità termica. Pertanto, la transizione da solido a liquido richiede grandi quantità di energia. Inoltre, la differenza nelle temperature di fusione e solidificazione di tutte le microcapsule di SA e del SA in massa durante il processo di raffreddamento indica che il guscio di silice è spazialmente confinato durante la sintesi delle microcapsule. Pertanto, i risultati mostrano che all'aumentare della quantità di SC, la velocità di incapsulamento e l'efficienza aumentano gradualmente (Tabella 4).
Le curve TGA dell'SA sfuso e dell'SA microincapsulato con un guscio di SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6) sono mostrate nella Figura 12. Le proprietà di stabilità termica dell'SA sfuso (SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6) sono state confrontate con i campioni microincapsulati. Dalla curva TGA emerge chiaramente che la perdita di peso dell'SA sfuso e dell'SA microincapsulato mostra una diminuzione graduale e molto lieve da 40 °C a 190 °C. A questa temperatura, lo SC sfuso non subisce decomposizione termica, mentre lo SC microincapsulato rilascia acqua adsorbita anche dopo essiccazione a 45 °C per 24 ore. Ciò ha comportato una leggera perdita di peso,49 ma oltre questa temperatura il materiale ha iniziato a degradarsi. A un contenuto di SA inferiore (ad esempio SATEOS1), il contenuto di acqua adsorbita è maggiore e quindi la perdita di massa fino a 190 °C è maggiore (inserto in Fig. 12). Non appena la temperatura supera i 190 °C, il campione inizia a perdere massa a causa dei processi di decomposizione. L'SA in massa inizia a decomporsi a 190 °C e solo il 4% rimane a 260 °C, mentre SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 ne trattengono rispettivamente il 50%, il 20% e il 12% a questa temperatura. Dopo 300 °C, la perdita di massa dell'SA in massa è stata di circa il 97,60%, mentre la perdita di massa di SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 è stata rispettivamente di circa il 54,20%, l'82,40% e il 90,30%. Con un aumento del contenuto di SA, il contenuto di SiO2 diminuisce (Tabella 3) e si osserva un assottigliamento del guscio al SEM (Fig. 9). Pertanto, la perdita di peso dell'SA microincapsulata è inferiore rispetto all'SA in massa, il che è spiegato dalle proprietà favorevoli del guscio di SiO2, che promuove la formazione di uno strato carbonioso-silicato-carbonioso sulla superficie dell'SA, isolando così il nucleo di SA e rallentando il rilascio dei prodotti volatili risultanti10. Questo strato di carbone forma una barriera protettiva fisica durante la decomposizione termica, limitando la transizione delle molecole infiammabili nella fase gassosa66,67. Oltre a ciò, possiamo anche osservare risultati significativi in ​​termini di perdita di peso: SATEOS1 mostra valori inferiori rispetto a SATEOS3, SATEOS6 e SA. Questo perché la quantità di SA in SATEOS1 è inferiore rispetto a SATEOS3 e SATEOS6, dove il guscio di SiO2 forma uno strato spesso. Al contrario, la perdita di peso totale dell'SA in massa raggiunge il 99,50% a 415 °C. Tuttavia, SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 hanno mostrato rispettivamente una perdita di peso del 62,50%, 85,50% e 93,76% a 415 °C. Questo risultato indica che l'aggiunta di TEOS migliora la degradazione dell'SA formando uno strato di SiO2 sulla superficie dell'SA. Questi strati possono formare una barriera protettiva fisica e, pertanto, si può osservare un miglioramento della stabilità termica del CA microincapsulato.
I risultati di affidabilità termica dell'SA in massa e del miglior campione microincapsulato (ovvero SATEOS 6) dopo 30 cicli di riscaldamento e raffreddamento di DSC51,52 sono mostrati nella Figura 13. Si può osservare che l'SA in massa (Figura 13a) non mostra alcuna differenza nella temperatura di fusione, nella solidificazione e nel valore di entalpia, mentre SATEOS6 (Fig. 13b) non mostra alcuna differenza nella temperatura e nel valore di entalpia anche dopo il 30° ciclo di riscaldamento e il processo di raffreddamento. L'SA in massa ha mostrato un punto di fusione di 72,10 °C, una temperatura di solidificazione di 64,69 °C e il calore di fusione e solidificazione dopo il primo ciclo erano rispettivamente di 201,0 J/g e 194,10 J/g. Dopo il 30° ciclo, il punto di fusione di questi valori è sceso a 71,24 °C, la temperatura di solidificazione è scesa a 63,53 °C e il valore di entalpia è diminuito del 10%. Le variazioni nelle temperature di fusione e solidificazione, così come le diminuzioni nei valori di entalpia, indicano che il CA in massa non è affidabile per applicazioni non microincapsulate. Tuttavia, dopo una corretta microincapsulazione (SATEOS6), le temperature di fusione e solidificazione e i valori di entalpia non cambiano (Fig. 13b). Una volta microincapsulato con gusci di SiO2, il SA può essere utilizzato come materiale a cambiamento di fase in applicazioni termiche, in particolare in edilizia, grazie alle sue temperature di fusione e solidificazione ottimali e all'entalpia stabile.
Curve DSC ottenute per i campioni SA (a) e SATEOS6 (b) al 1° e 30° ciclo di riscaldamento e raffreddamento.
In questo studio, è stata condotta un'indagine sistematica sulla microincapsulazione utilizzando SA come materiale di base e SiO2 come materiale di rivestimento. TEOS viene utilizzato come precursore per formare uno strato di supporto di SiO2 e uno strato protettivo sulla superficie di SA. Dopo la sintesi di SA microincapsulato, i risultati di FT-IR, XRD, XPS, SEM ed EDS hanno mostrato la presenza di SiO2. L'analisi SEM mostra che il campione SATEOS6 presenta particelle sferiche ben definite circondate da gusci di SiO2 sulla superficie di SA. Tuttavia, il MEPCM con un contenuto inferiore di SA mostra agglomerazione, che riduce le prestazioni del PCM. L'analisi XPS ha mostrato la presenza di Si-O-Si e Si-OH nei campioni di microcapsule, che ha rivelato l'adsorbimento di SiO2 sulla superficie di SA. Secondo l'analisi delle prestazioni termiche, SATEOS6 mostra la capacità di accumulo di calore più promettente, con temperature di fusione e solidificazione rispettivamente di 70,37 °C e 64,27 °C e calore latente di fusione e solidificazione rispettivamente di 182,53 J/g e 160,12 J/g. L'efficienza massima di confezionamento di SATEOS6 è dell'86,68%. L'analisi del ciclo termico TGA e DSC ha confermato che SATEOS6 mantiene una buona stabilità termica e affidabilità anche dopo 30 processi di riscaldamento e raffreddamento.
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