مواد تغییر فاز دهنده کپسوله‌شده مبتنی بر روش میکروسیال: مبانی، پیشرفت و چشم‌اندازها

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) :

چکیده

کپسوله­‌سازی مواد تغییر فاز دهنده (PCM) در پوسته‌­های محافظ می­‌تواند به طور برگشت‌­پذیر مقادیر زیادی گرما را در محدوده باریکی از دمای عملیاتی جذب و آزاد نماید و نشت را در طول فرآیند انتقال فاز برطرف نماید. بنابراین، PCM­های کپسوله­‌شده توجه زیادی را در مدیریت حرارتی به خود جلب نموده‌­اند. با این حال، خواص حرارتی ضعیف، خواص فیزیکی ناپایدار و خواص شیمیایی غیرقابل تنظیم، کاربردهای آن­ها در دنیای واقعی را محدود می­‌نماید. روش میکرو سیال کنترل دقیق و قابل تنظیم کپسوله‌­سازی را ارائه می‌­دهد و امکان ساخت PCM­های کارآمد و تثبیت شده با خواص مطلوب را فراهم می‌­نماید. این بررسی به طور جامع پیشرفت‌­های اخیر در PCM­های کپسوله‌­شده مبتنی بر روش میکروسیال (ME-PCM) را خلاصه می­‌نماید. فناوری‌های مبتنی بر روش میکروسیال برای ساخت کپسول‌های ME-PCM و الیاف ME-PCM برجسته شده‌اند و کاربردهای ME-PCM در تنظیم حرارتی، پاسخ حرارتی و لوازم الکترونیک پوشیدنی مورد بررسی قرار می‌گیرند. علاوه بر این، دیدگاه‌هایی در مورد جهت‌گیری‌های آینده برای برنامه‌های کاربردی در مقیاس بزرگ ارائه شده و معتقدیم که این بررسی می‌تواند الهام‌بخش محققان برای ابداع روش‌های کپسول‌سازی جدید و مؤثر برای ME-PCM باشد.

نتیجه‌­گیری و چشم­‌انداز

در نتیجه، کپسوله‌­سازی PCM­ها از طریق روش میکروسیال نه تنها مدیریت موثر انرژی حرارتی و کاهش نشت را امکان‌­پذیر می‌­نماید، بلکه پتانسیل ساخت PCM با خواص حرارتی، فیزیکی و شیمیایی مورد نظر را نیز دارد. بنابراین، ME-PCM­ها برای ذخیره‌­سازی حرارتی، تنظیم حرارتی و تثبیت دما امیدوار کننده هستند. در این بررسی، توسعه ME-PCM­ها خلاصه شده و تحقیقات از هندسه دستگاه میکروسیال و تولید ME-PCM تا کاربردهای پاسخگو به حرارت و تنظیم حرارت را پوشش می‌دهد. ME-PCM­ها، از جمله کپسول‌­ها و الیاف، می‌­توانند از نظر اندازه، مواد، خواص حرارتی و مکانیکی و غیره سفارشی شوند. مروری بر نسبت جرم و CV کپسوله‌­های ME-PCM و راندمان کپسوله‌­سازی الیاف ME-PCM ارائه شده است. مطالعات نسبت کپسوله‌­سازی الیاف و کپسول‌­های ME-PCM را به ترتیب بیش از 90٪ و 70٪ به دست آورده‌­اند.

اگرچه ME-PCM­ها در تئوری و فناوری پیشرفت‌­های زیادی را تجربه نموده‌­اند، اما همچنان چالش­‌هایی در بهبود عملکرد و تجاری‌­سازی آن ها وجود دارد. در ادامه مسیرهای بالقوه برای طراحی ME-PCM­ها را از نظر سه جنبه مهم مورد بحث قرار گرفته می‌­شود: (1) افزایش هدایت حرارتی ME-PCMها، (2) بهبود خواص مکانیکی پوسته و غلاف و (3) تولید ME-PCMها با توان عملیاتی بالا.

• افزایش هدایت حرارتی ME-PCMها

اگرچه ME-PCM گرمای نهان بالایی دارند، اما رسانایی حرارتی آن­ها به دلیل پوسته اطراف آن پایین است. دوپینگ نانومواد با رسانایی حرارتی بالا مانند گرافن و نانوذرات به PCM یا مواد پوسته، می‌تواند هدایت حرارتی کلی را افزایش دهد. بیشتر نانومواد دوپینگ شده حاضر به دلیل اختلاف چگالی زیاد  به سختی در PCM­ها برای درازمدت پراکنده می‌­شوند که منجر به عدم یکنواختی ME-PCMها می‌­شود. بنابراین، توسعه روش‌های مؤثر برای ساخت ME-PCM برای افزایش رسانایی حرارتی با طراحی دستگاه‌های میکروسیال و بهینه‌سازی پراکندگی نانومواد ضروری است.

• بهبود خواص مکانیکی پوسته و غلاف

برای گسترش کاربرد ME-PCMها، پوسته­‌ها و غلاف‌­ها به استحکام و چقرمگی بالایی نیاز دارند. اگرچه MEPCM­های ساخته­‌شده در حال حاضر پیشرفت­‌هایی را در خواص مکانیکی تجربه نموده‌­اند، اما پوسته کپسول‌­ها و غلاف الیاف هنوز به اندازه کافی قوی نیستند تا در برابر تنش‌­های مکانیکی شدید مقاومت نمایند. به عنوان مثال، الیاف ME-PCM، که به صورت منسوجات ساخته شده است باید ضد خستگی باشد تا با حرکت انسان سازگار شود. بنابراین، یک روش پوشش پایدار و قابل اعتماد را می‌­توان برای افزایش خواص مکانیکی، در نتیجه مقاومت و جلوگیری از شکستگی و نشت ناشی از نیروهای خارجی مورد بررسی قرار داد.

• تولید ME-PCMها با توان عملیاتی بالا

این مزایای اقتصادی مهم می‌­تواند به تجاری‌­سازی ME-PCM کمک نماید. کاربردهای مقیاس صنعتی مانند ذخیره‌­سازی انرژی حرارتی با ظرفیت بالا، تنظیم دما، و انتشار انرژی حرارتی طولانی مدت، به مقادیر زیادی کپسول و الیاف ME-PCM نیاز دارند. روش‌های میکروسیال با توان بالا برای تولید مقادیر کافی ME-PCM حیاتی هستند. یک انتخاب ممکن اینست که هندسه‌های موازی‌پذیر برای تهیه کپسول‌های ME-PCM یا توسعه چرخش دمشی قابل کنترل برای تهیه الیاف ME-PCM ساخته شود. علی­رغم دستاوردهای قابل توجه اخیر ME-PCM با افزایش تقاضا برای مدیریت حرارتی در مناطق وسیع، توسعه ME-PCM هنوز در مرحله اولیه است. محققان هنوز نیاز به بررسی بیشتر PCM­ها و مواد پوسته مناسب و همچنین بهینه­‌سازی توسعه و کاربردهای آتی آن­ها برای تجاری‌­سازی دارند. امیدواریم که این بررسی بتواند به ایجاد یک راهنمای استاندارد برای فرآیندهای میکروسیال و ابداع روش‌های کپسول‌سازی جدید و مؤثر برای ME-PCM کمک نماید.

دانلود فایل : مواد تغییر فاز دهنده کپسوله‌­شده مبتنی بر روش میکرو سیال: مبانی، پیشرفت و چشم­‌اندازها

Reference:

Gao, Wei, et al. "Microfluidic method–based encapsulated phase change materials: Fundamentals, progress, and prospects." Renewable and Sustainable Energy Reviews 171 (2023): 112998.

https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112998 ‏

ترجمه و ویرایش: دانیال ابراهیم زاده