سنتز و ارزیابی میکروکپسول‌های تغییر فاز دهنده‌ی مغناطیسی با پوسته‌ی دوگانه‌ی آلی-معدنی

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) :

چکیده

مواد تغییر فاز دهنده‌ی میکروکپسوله‌ شده‌ی مغناطیسی، می‌توانند تنظیم دمای موضعی را با استفاده از قابلیت مغناطیسی خود به سرعت فراهم آورند و به راحتی بازیابی شوند. با این حال، کپسوله کردن همزمان مواد مغناطیسی معدنی و مواد تغییر فاز دهنده‌ی آلی به دلیل سازگاری ضعیف آن‌ها، یک چالش است. در این پژوهش، مخلوط آبی حاوی متیلول‌ملامین و سدیم آلژینات بارگذاری‌شده با نانوذرات Fe₃O₄ مغناطیسی (SA-Fe₃O₄)‌ تهیه شده و با امولسیون پارافین مخلوط شده است. پس از این‌که متیلول‌ملامین برای پلیمریزه شدن درجا در سطح مشترک قطرات امولسیون پارافین وارد شد، میکروکپسول‌های تغییر فاز دهنده‌ی مغناطیسی اولیه (P-MPCM) متشکل از یک هسته‌ی پارافینی و پوسته‌ی کامپوزیت رزین فرمالدهید ملامین/SA-Fe₃O₄ تشکیل شدند. سپس، ذرات سل SiO₂ روی سطح P-MPCM جذب شدند تا MPCM نهایی با یک ساختار پلیمری دو پوسته‌ای SiO₂ (PS-MPCM) را تشکیل دهند. ساختار پلیمری-SiO₂ دو پوسته‌ای مغناطیسی، با واکنش مغناطیسی سریع (می‌تواند به سرعت تحت میدان‌های مغناطیسی گردآوری شود)، آنتالپی تغییر فاز بالا (J⋅ g^-1 184.4) و استحکام ساختاری عالی را برای PS-MPCM فراهم خواهد نمود. آنتالپی تغییر فاز و مغناطیس اشباع PS-MPCM سنتز شده، پس از 200 چرخه‌ی حرارتی، تغییر کمی را تجربه می‌نماید. علاوه بر این، راندمان تبدیل نورگرمایی عالی (93.9%) از مزایای PS-MPCM است، که می‌توان از آن برای تبدیل انرژی خورشیدی در کاربرد‌های واقعی استفاده نمود. این پژوهش، روشی نوین برای سنتز MPCM با رسانایی حرارتی بالا در حدود 0.64 W⋅ m^-1⋅ K^-1، پاسخ مغناطیسی سریع و قابلیت استفاده مجدد را ارائه می‌دهد که می‌تواند به‌طور بالقوه برای تنظیم دما به صورت موضعی و هدفمند اعمال شود.

نتیجه‌گیری

در این پژوهش، میکروکپسول‌های تغییر فاز دهنده‌ی مغناطیسی با دو پوسته‌ی آلی-معدنی (PS-MPCM)، با نرخ کپسوله‌سازی بالا و پاسخ مغناطیسی سریع با روش پلیمریزاسیون قطره‌ای دو مرحله‌ای امولسیون، با موفقیت آماده شده‌اند. یک ماده‌ی پخش‌کننده‌ی آب‌دوست، SA، به عنوان حامل نانوذرات Fe₃O₄ با اندازه ذرات nm 5 استفاده شد. پارافین ابتدا توسط پوسته‌ی پلیمری کامپوزیتی SA-Fe₃O₄/MF کپسوله شد؛ سپس، ذرات کروی PS-MPCM  با ابعاد میکرون، و توزیع قطر ذرات در بازه‌ی 16-4 μm، پس از تشکیل مداوم پوسته SiO₂ بر روی پوسته پلیمری، سنتز شدند. PS-MPCM به دست‌آمده دارای دمای تغییر فاز در محدوده‌ی 30-20 درجه‌ی سانتی‌گراد، آنتالپی تغییر فاز 184.4 J. g^-1 (‌آنتالپی نظری پارافین 203.9 J. g^-1 است) و رسانش 0.64 W.m^-1. K^-1 است. نرخ کپسوله‌سازی بالای پارافین (74.1%) و نانوذرات Fe₃O₄ (مغناطش اشباع PS-MPCM، برابر 3.98 emu. g^-1 است) PSMPCM به دست‌آمده را قادر می‌سازد تا به تنظیم دمای موضعی، مغناطیسی شدن سریع و بازیابی از طریق جدایش مغناطیسی دست یابد. شکل ‌شناسی و ویژگی‌های حرارتی PS- MPCM  پس از 200 چرخه‌ی حرارتی، تغییر کمی از خود نشان می‌دهد؛ پس از گرم شدن PS-MPCM در دمای 50 درجه سانتی‌گراد به مدت 200 ساعت، نرخ نشت 3.65% است، که نشان می‌دهد که ساختار دو پوسته‌ای پلیمر-سیلیکا به محصول نهایی PS-MPCM، استحکام ساختاری عالی بخشیده است. راندمان تبدیل نورگرمایی عالی (93.9%) از دیگر مزایای PS-MPCM است، که از این مزیت برای تبدیل انرژی خورشیدی در کاربرد‌های واقعی استفاده می‌شود.  تاثیرات ترکیب پوسته‌ی پلیمری کامپوزیتی و جرم تغذیه‌ی پارافین (mP) روی تشکیل PS-MPCM بررسی شده است و ثابت شد که SA و MF در تشکیل موفقیت‌آمیز این ساختار دو پوسته‌ای، نقشی کلیدی بازی می‌کنند؛ بنابراین تاثیر قابل توجهی روی عملکرد PS-MPCM  دارند. هنگامی که مقادیر سایر اجزا ثابت باشند، اندازه‌ی ذرات، نسبت کپسوله‌سازی پارافین و نانوذرات  Fe₃O₄و رسانایی حرارتی PS-MPCM  را می‌توان با  mPتنظیم نمود. با توجه به نسبت کپسوله‌سازی بالای پارافین، پاسخ مغناطیسی سریع، راندمان تبدیل نورگرمایی عالی و پایداری شیمیایی بالا، می‌توان انتظار داشت که از  PS-MPCM در سیستم خنک‌کننده‌ی جریان پنل فتوولتائیک استفاده شود. برای مثال، PS-MPCM را می‌توان پشت پنل فتوولتائیک به شکل یک ماژول مواد تغییر فاز دهنده‌ی فتوولتائیک متصل کرد تا به چندین هدف دست یافت. هدف نخست، پایین نگهداشتن دمای سلول‌های فتوولتائیک تحت تابش طولانی مدت نور خورشید است زیرا آنتالپی PS-MPCM  بالا است. هدف دوم، جلوگیری از گرم شدن موضعی بیش از حد پنل فتوولتائیک از طریق حرکت مغناطیسی سریع میکروکپسول‌ها است. هدف سوم، بهبود بیش‌تر بازده‌ی انرژی خورشیدی، به دلیل راندمان تبدیل نورگرمایی بالا PS-MPCM است و هدف چهارم، حصول اطمینان از دوام سیستم خنک‌کننده به دلیل پایداری خوب میکروکپسول‌های داخل پوسته‌ی سیلیکا در اکثر محیط‌های مایع است.

در مجموع، این پژوهش نه تنها یک روش کارآمد برای به دست آوردن میکروکپسول‌های تغییر فاز دهنده‌ی مغناطیسی با ساختار دو پوسته‌ای پلیمر-سیلیکا با هدایت حرارتی بالا، آنتالپی تغییر فاز ایده‌آل، پاسخ مغناطیسی سریع و قابلیت استفاده‌ی مجدد عالی ارائه می‌دهد، بلکه کاربرد میکروکپسول‌های تغییر فاز دهنده‌ی مغناطیسی در سیستم خنک‌کننده‌ی جریان پنل فتوولتائیک که دارای  عملکرد تنظیم دمای موضعی است را نیز گسترش می‌دهد.

دانلود فایل : سنتز و ارزیابی میکروکپسول‌های تغییر فاز دهنده‌ی مغناطیسی با پوسته‌ی دوگانه‌ی آلی-معدنی 

DOI: 10.1016/j.solmat.2022.111716

ترجمه و ویرایش : علیرضا دهقان