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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 un tensioattivo con guscio di SiO2. Diverse quantità di SA (5, 10, 15, 20, 30 e 50 g) sono state incapsulate in 10 mL di ortosilicato di tetraetile (TEOS). Il materiale a cambiamento di fase microincapsulato (MEPCM) sintetizzato è stato caratterizzato mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), diffrazione di 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 all'acido citrico (CA). Utilizzando la calorimetria differenziale a scansione (DSC), è stato riscontrato che il valore di entalpia del MEPCM non è cambiato nemmeno dopo 30 cicli di riscaldamento-raffreddamento. Tra tutti i campioni microincapsulati, 50 g di SA contenente MEPCM hanno mostrato il calore latente di fusione e solidificazione più elevato, pari rispettivamente a 182,53 J/g e 160,12 J/g. Il valore di efficienza del confezionamento è stato calcolato utilizzando i 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 è impiegata per riscaldare e raffreddare gli edifici1. Pertanto, è fondamentale creare sistemi energetici efficienti che tengano conto dell'inquinamento ambientale2. La tecnologia del calore latente, che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM), è in grado di immagazzinare grandi quantità di energia a basse fluttuazioni di temperatura3,4,5,6 e può essere ampiamente utilizzata in campi quali il trasferimento di calore, l'accumulo di energia solare, l'industria aerospaziale e la climatizzazione7,8,9. I PCM assorbono energia termica dalle superfici esterne degli edifici durante il giorno e la rilasciano durante la notte10. Per questo motivo, i materiali a cambiamento di fase sono raccomandati come materiali per l'accumulo di energia termica. Esistono inoltre diverse tipologie di PCM, come quelli solido-solido, solido-liquido, liquido-gas e solido-gas11. Tra questi, i materiali a cambiamento di fase più diffusi e utilizzati sono quelli solido-solido e solido-liquido. Tuttavia, la loro applicazione è resa complessa dalle enormi variazioni di volume dei materiali a transizione di fase liquido-gas e solido-gas.
I materiali a cambiamento di fase (PCM) hanno diverse applicazioni grazie alle loro proprietà: quelli che fondono a temperature inferiori a 15 °C possono essere utilizzati nei sistemi di condizionamento dell'aria per mantenere basse temperature, mentre quelli che fondono a temperature superiori a 90 °C possono essere utilizzati nei sistemi di riscaldamento per prevenire gli incendi12. A seconda dell'applicazione e dell'intervallo di punto di fusione, sono stati sintetizzati diversi materiali a cambiamento di fase a partire da diverse sostanze chimiche organiche e inorganiche13,14,15. La paraffina è il materiale a cambiamento di fase più comunemente utilizzato, grazie al suo elevato calore latente, alla non corrosività, alla sicurezza e all'ampio intervallo di punto di fusione16,17,18,19,20,21.
Tuttavia, a causa della bassa conduttività termica dei materiali a cambiamento di fase, è necessario incapsularli in un guscio (strato esterno) per evitare la fuoriuscita 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 d'acciaio incorporate, riducendo così la funzionalità dell'edificio23. Pertanto, è importante sintetizzare materiali a cambiamento di fase incapsulati con una quantità sufficiente di materiale di rivestimento, che può risolvere i problemi sopracitati24.
La microincapsulazione dei materiali a cambiamento di fase può aumentare efficacemente il trasferimento di calore, ridurre la reattività ambientale e controllare le variazioni di volume. Sono stati sviluppati diversi metodi per l'incapsulazione dei PCM, tra cui 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 di formaldeide può essere utilizzata per la microincapsulazione40,41,42,43. Le resine melammina-formaldeide e urea-formaldeide sono utilizzate come materiali di rivestimento, che spesso emettono formaldeide tossica durante il funzionamento. Pertanto, l'uso di questi materiali è vietato nei processi di confezionamento. Tuttavia, è possibile sintetizzare materiali a cambiamento di fase ecocompatibili per l'accumulo di energia termica su larga scala utilizzando nanocapsule ibride a base di acidi grassi e lignina44.
Zhang et al. 45 hanno sintetizzato l'acido laurico dal tetraetil ortosilicato e hanno concluso che, all'aumentare del rapporto volumetrico tra metiltrietossisilano e tetraetil ortosilicato, il calore latente diminuisce e l'idrofobicità superficiale aumenta. L'acido laurico può essere un materiale di base potenziale ed efficace per le fibre di kapok46. 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 PCM48. 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 ecocompatibile, di importanza medica ed economica che può essere utilizzata per immagazzinare energia termica poiché ha un elevato valore di entalpia (~200 J/g) e può resistere a temperature fino a 72 °C. Inoltre, il SiO2 non è infiammabile, fornisce maggiore resistenza meccanica, conduttività termica e migliore resistenza chimica ai materiali del nucleo e agisce come materiale pozzolanico nell'edilizia. Quando il cemento viene miscelato con acqua, i PCM scarsamente incapsulati possono fessurarsi a causa dell'usura meccanica e delle alte temperature (calore di idratazione) generate nelle strutture in calcestruzzo massiccio. Pertanto, l'uso di CA microincapsulato con un guscio di SiO2 può risolvere questo problema. Pertanto, lo scopo di questo studio era quello di indagare le prestazioni e l'efficienza dei PCM sintetizzati mediante processo sol-gel in applicazioni edili. In questo lavoro, abbiamo studiato sistematicamente diverse quantità di SA (come materiale di base) pari a 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), utilizzato come materiale di base, è stato acquistato da Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sud. Il tetraetilortosilicato (TEOS, C8H20O4Si), utilizzato come soluzione precursore, è stato acquistato da Acros Organics, Geel, Belgio. Inoltre, l'etanolo assoluto (EA, C2H5OH) e il sodio lauril solfato (SLS, C12H25NaO4S), acquistati da Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sud, sono stati utilizzati rispettivamente come solventi e tensioattivi. Anche l'acqua distillata è stata utilizzata come solvente.
Quantità diverse di SA sono state mescolate con proporzioni diverse di sodio lauril solfato (SLS) in 100 mL di acqua distillata utilizzando un agitatore magnetico a 800 rpm e 75 °C per 1 ora (Tabella 1). Le emulsioni di SA sono state divise in due gruppi: (1) 5, 10 e 15 g di SA sono stati mescolati 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 mescolati con 0,15, 0,20 e 0,25 g di SLS sono stati mescolati 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 di 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 SA e gusci di 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 energicamente 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 l'SA residuo e asciugata in un forno sottovuoto a 45 °C per 24 ore. Come risultato, è stato ottenuto un SC microincapsulato con un guscio di SiO2. L'intero processo di sintesi e preparazione dell'SA microincapsulato 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 nella 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 all'SLS e l'estremità idrofila alle molecole d'acqua, formando un'emulsione stabile. Pertanto, le porzioni idrofobiche dell'SLS sono protette e ricoprono la superficie della goccia di SA. D'altra parte, l'idrolisi delle soluzioni di TEOS avviene lentamente per opera 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 SA52 in presenza di SLS (Fig. 2c), processo chiamato microincapsulamento.
Schema di microincapsulamento dell'acido citrico (CA) con un guscio di SiO2: (a) idrolisi del TEOS, (b) condensazione dell'idrolizzato e (c) incapsulamento dell'acido citrico (CA) con un guscio di SiO2.
L'analisi chimica dell'acido salicilico (SA) in forma sfusa e microincapsulata è stata effettuata utilizzando uno spettrometro a infrarossi 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.
Per analizzare le fasi SA e i materiali delle microcapsule è stato utilizzato un diffrattometro a raggi X (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Giappone). La scansione strutturale a raggi X è stata effettuata 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'acido salicilico (SA) in massa e gli elementi presenti nel materiale di incapsulamento. Gli spettri XPS raccolti sono stati calibrati rispetto al picco C 1s utilizzando carbonio esotico (energia di legame 284,6 eV). Dopo la correzione del fondo mediante il metodo di Shirley, i picchi ad alta risoluzione di ciascun elemento sono stati deconvoluti e adattati a funzioni gaussiane/lorentziane utilizzando il software CASA XPS.
La morfologia del SC sfuso e del SC microincapsulato è stata esaminata mediante 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 (cicli termici) sono state determinate mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, USA) con 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 sfuso 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 stiramento simmetrico dei gruppi –CH3 e –CH2, rispettivamente10,50. Il picco a 1705 cm–1 corrisponde allo stiramento 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 di deformazione nel piano e alla vibrazione di flessione nel piano del gruppo –OH. Picchi di assorbimento di SA a 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 e 719 cm-1 sono stati osservati anche in tutto SA microincapsulato. Inoltre, un picco di nuova scoperta a 1103 cm-1 corrispondente alla vibrazione di stiramento antisimmetrica della banda Si-O-Si è stato osservato nella microcapsula di SA. I risultati FT-IR sono coerenti con Yuan et al. 50 Essi 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 di SA inferiore, l'intensità del picco della banda Si-O-Si è maggiore (Fig. 3b-d). Man mano che la quantità di SA aumenta oltre 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 pattern XRD di SA sfuso e SA microincapsulato sono mostrati nella Figura 4. I picchi XRD sono situati 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 sfuso dovute a fattori incerti come il tensioattivo (SLS), altre sostanze residue e la microincapsulazione di SiO250. Dopo l'incapsulamento, l'intensità dei picchi principali (300), (500), (311) e (602) diminuisce gradualmente rispetto a CA sfuso, indicando una diminuzione della cristallinità del campione.
Diffrazione a raggi X (XRD) di (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 e (g) SATEOS6.
L'intensità di SATEOS1 diminuisce bruscamente rispetto agli altri campioni. Non sono stati osservati altri picchi in tutti i campioni microincapsulati (Fig. 4b–g), il che conferma che sulla superficie di SA si verifica un adsorbimento fisico di SiO252 piuttosto che un'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 di SA senza alcuna reazione chimica e, man mano che la quantità di SA diminuisce, i picchi esistenti diventano più evidenti (SATEOS1). Questo risultato indica che SiO2 incapsula principalmente la superficie di SA. Il picco a (700) scompare completamente e il picco a \((\overline{5}02)\) diventa una gobba in SATEOS 1 (Fig. 4b), che è associata a una cristallinità ridotta e a un amorfismo aumentato. 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 SiO2 amorfo52. La minore intensità del picco di diffrazione di 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 di SA inferiore, si formi un guscio di silice più spesso a causa della presenza di una grande quantità di TEOS, che è ampiamente adsorbito sulla superficie esterna di SA. Tuttavia, all'aumentare della quantità di SA, aumenta l'area superficiale delle goccioline di SA nella soluzione di emulsione e occorre più TEOS per un incapsulamento adeguato. Pertanto, con un contenuto di SA più elevato, il picco SiO2 nell'FT-IR viene soppresso (Fig. 3) e l'intensità del picco di diffrazione vicino a 2θ = 19–25° nell'XRF (Fig. 4) diminuisce e anche l'espansione diminuisce. Non visibile. Tuttavia, come si può vedere nella Figura 4, non appena la quantità di SA viene aumentata da 5 g (SATEOS1) a 50 g (SATEOS6), i picchi diventano molto vicini a quelli dell'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 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 C 1s, O 1s e Si 2p sono mostrate rispettivamente nelle Figure 5, 6, 7 e 8 e nella Tabella 2. 6, 7 e 8. I valori dell'energia di legame ottenuti tramite XPS sono riassunti nella Tabella 2. Come si può vedere dalla Figura 5, sono stati osservati picchi Si 2s e Si 2p evidenti in SATEOS1 e SATEOS6, dove si è verificata la microincapsulazione del guscio di SiO2. Precedenti ricercatori hanno riportato un picco Si 2s simile 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 C 1s del SA massivo presenta tre picchi diversi di CC, califatico e O=C=O all'energia di legame, che sono rispettivamente 284,5 eV, 285,2 eV e 289,5 eV. I 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. Inoltre, il picco C 1s corrisponde anche a un ulteriore picco Si-C a 283,1 eV (SATEOS1) e 283,5 eV (SATEOS6). Le energie di legame da noi osservate per C–C, califatico, O=C=O e Si–C sono in buon accordo con altre fonti55,56.
Gli spettri XPS di O 1 SA, SATEOS1 e SATEOS6 sono mostrati rispettivamente nelle Figure 7a–c. Il picco O 1s di 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 gli spettri O 1 di SATEOS1 e SATEOS6 sono coerenti. Sono presenti solo tre picchi: C=O/C–O, C–O–H e Si–OH55,57,58. L'energia di legame O 1s in SATEOS1 e SATEOS6 cambia leggermente rispetto a SA in massa, il che è associato a un cambiamento nel frammento chimico dovuto 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 8b. Nel CA di massa, il 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 SATEOS1 è a 103,5 eV e il picco SATEOS6 è a 103,3 eV, corrispondente a Si-OH55. L'analisi dei picchi Si-O-Si e Si-OH in SATEOS1 e SATEOS6 ha rivelato la riuscita microincapsulazione di SiO2 sulla superficie del nucleo SA.
La morfologia del materiale microincapsulato è molto importante, in quanto influenza la solubilità, la stabilità, la reattività chimica, la fluidità e la resistenza59. Pertanto, è stato utilizzato il SEM per caratterizzare la morfologia dell'SA sfuso (100×) e dell'SA microincapsulato (500×), come mostrato nella Figura 9. Come si può osservare dalla Figura 9a, il blocco di SA ha una forma ellittica. La dimensione delle particelle supera i 500 micron. Tuttavia, una volta proseguito il processo di microincapsulamento, 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, con una superficie ruvida (Fig. 9b), il che potrebbe essere dovuto all'idrolisi e alla polimerizzazione per condensazione del TEOS sulla superficie di SA, accelerando la rapida diffusione delle molecole di etanolo. Di conseguenza, si depositano particelle di SiO2 e si osserva un'agglomerazione52,60. Questo guscio di SiO2 fornisce resistenza meccanica alle particelle di CA microincapsulate e previene anche la fuoriuscita di CA fuso a temperature più elevate10. Questo risultato indica che le microcapsule di SA contenenti SiO2 possono essere utilizzate come potenziali materiali per l'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 l'SA. La dimensione delle particelle di SA microincapsulato (SATEOS1) è di circa 10-20 μm (Fig. 9b), che è significativamente inferiore rispetto all'SA sfuso 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 più basse di SA, ovvero fino a 15 g (Fig. 9b-d), ma non appena il dosaggio aumenta, non si osserva alcuna agglomerazione, bensì particelle sferiche chiaramente definite (Fig. 9e-g) 62.
Inoltre, quando la quantità di tensioattivo SLS è costante, anche il contenuto di SA (SATEOS1, SATEOS2 e SATEOS3) influenza l'efficienza, la forma e la distribuzione delle dimensioni delle particelle. Pertanto, è stato riscontrato 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 presenza 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 le dimensioni 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 la dimensione delle particelle è aumentata (Fig. 9c). Ciò è dovuto all'agglomerazione 49, che riduce la velocità di coagulazione (Fig. 2b). Man mano che la quantità di SC aumenta con l'aumentare di SLS, le microcapsule diventano chiaramente visibili, come mostrato in Fig. come avviene l'aggregazione. Inoltre, le Figure 9e-g mostrano che tutte le particelle sono chiaramente sferiche per forma e dimensione. È stato riconosciuto che in presenza di grandi quantità di SA, si può ottenere una quantità appropriata di oligomeri di silice, causando un'adeguata condensazione e incapsulamento e quindi la formazione di microcapsule ben definite49. Dai risultati 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 sfuso e SA in microcapsule 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 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, e i dati termici sono mostrati 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 agisce come un 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 bassa (60,60 °C), il che è dovuto alla dimensione delle particelle più piccola in cui il movimento delle particelle di SA all'interno delle microcapsule è molto piccolo e il guscio di SiO2 forma uno strato spesso e quindi il materiale del nucleo limita lo stiramento e il movimento49. Questa ipotesi è correlata ai risultati SEM, dove SATEOS1 ha mostrato una dimensione delle particelle più piccola (Fig. 9b), il che è dovuto al fatto che le molecole di SA sono confinate all'interno di 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 nell'intervallo 6,10–8,37 °C. Questo risultato indica che SA microincapsulato può essere utilizzato come potenziale materiale di accumulo di energia grazie alla buona conduttività termica del guscio di SiO2 65.
Come si può vedere dalla Tabella 4, SATEOS6 ha l'entalpia più alta tra tutti gli SC microincapsulati (Fig. 9g) a causa del corretto incapsulamento osservato tramite SEM. Il tasso di impaccamento SA può essere calcolato utilizzando l'equazione (1). (1) Confrontando i dati del calore latente di SA49 microincapsulato.
Il valore R rappresenta il grado di incapsulamento (%) di SC microincapsulato, ΔHMEPCM,m rappresenta il calore latente di fusione di SC microincapsulato e ΔHPCM,m rappresenta il calore latente di fusione di SC. Inoltre, l'efficienza di confezionamento (%) è 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 reticolazione del CA microincapsulato e ΔHPCM,s rappresenta il calore latente di reticolazione del CA.
Come mostrato nella Tabella 4, il grado di impacchettamento e l'efficienza di SATEOS1 sono rispettivamente del 71,89% e del 67,68%, mentre il grado di impacchettamento 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, indicando la sua elevata capacità termica. Pertanto, la transizione dallo stato solido a quello liquido richiede grandi quantità di energia. Inoltre, la differenza nelle temperature di fusione e solidificazione di tutte le microcapsule di SA e dell'SA sfuso 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, il tasso di incapsulamento e l'efficienza aumentano gradualmente (Tabella 4).
Le curve TGA dell'SA sfuso e dell'SA in microcapsule con 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 è chiaro che la perdita di peso dell'SA sfuso, così come dell'SA microincapsulato, mostra una diminuzione graduale e molto lieve da 40 °C a 190 °C. A questa temperatura, l'SC sfuso non subisce decomposizione termica, mentre l'SC microincapsulato rilascia l'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 (ovvero SATEOS1), il contenuto di acqua adsorbita è maggiore e quindi la perdita di massa fino a 190 °C è maggiore (riquadro nella Fig. 12). Non appena la temperatura supera i 190 °C, il campione inizia a perdere massa a causa di 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 mantengono rispettivamente il 50%, il 20% e il 12% a questa temperatura. Dopo i 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 l'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 microincapsulato è inferiore rispetto all'SA sfuso, il che si spiega con le proprietà favorevoli del guscio di SiO2, che promuove la formazione di uno strato silicatico-carbonaceo 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 in fase gassosa66,67. Inoltre, possiamo anche osservare risultati di perdita di peso significativi: 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 sfuso raggiunge il 99,50% a 415 °C. Tuttavia, SATEOS1, SATEOS3 e SATEOS6 hanno mostrato una perdita di peso rispettivamente del 62,50%, dell'85,50% e del 93,76% a 415 °C. Questo risultato indica che l'aggiunta di TEOS migliora la degradazione di SA formando uno strato di SiO2 sulla superficie di SA. Questi strati possono formare una barriera protettiva fisica e, pertanto, si può osservare un miglioramento nella stabilità termica di CA microincapsulato.
I risultati di affidabilità termica del SA sfuso 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 notare che il SA sfuso (Figura 13a) non mostra alcuna differenza nella temperatura di fusione, solidificazione e 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 raffreddamento. Il SA sfuso 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 diminuito a 71,24 °C, la temperatura di solidificazione è diminuita a 63,53 °C e il valore di entalpia è diminuito del 10%. Le variazioni delle temperature di fusione e solidificazione, così come le diminuzioni dei valori di entalpia, indicano che il CA sfuso non è affidabile per applicazioni senza microincapsulamento. Tuttavia, dopo un'adeguata 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 nell'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 al 30° ciclo di riscaldamento e raffreddamento.
In questo studio, è stata condotta un'indagine sistematica sulla microincapsulazione utilizzando SA come materiale del nucleo e SiO2 come materiale del guscio. Il TEOS è stato utilizzato come precursore per formare uno strato di supporto di SiO2 e uno strato protettivo sulla superficie di SA. Dopo la sintesi di SA microincapsulata, 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, 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, rivelando 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. G. L'efficienza di confezionamento massima 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 cicli di riscaldamento e raffreddamento.
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