Ultrazvuk unapređuje materijale s promjenom faze za pohranu energije

Kako raste globalna potražnja za efikasnim upravljanjem energijom, materijali s promjenom faze (PCM) sve više privlače pažnju kao snažno rješenje za pohranu toplotne energije. Ovi materijali mogu apsorbirati i otpuštati velike količine topline tokom topljenja i očvršćavanja, zbog čega su vrijedni u primjenama koje se kreću od klimatizacije zgrada do hlađenja baterija i sistema obnovljive energije.
Međutim, uprkos obećavajućim svojstvima, mnogi PCM-ovi suočavaju se s praktičnim izazovima koji ograničavaju njihovu široku upotrebu. Istraživači i inženjeri sve češće se okreću ultrazvučnoj obradi velike snage – poznatoj i kao sonikacija – kako bi prevladali ove prepreke i oslobodili puni potencijal materijala s promjenom faze.
Ultrazvučna obrada omogućava izradu nanopoboljšanih i nanoinkapsuliranih PCM-ova, poboljšava stabilnost disperzije i pomaže u optimizaciji toplotnih performansi. Zbog toga se sonikacija nameće kao jedna od najefikasnijih tehnologija za proizvodnju naprednih PCM sistema.

Ultrazvučni homogenizator UIP2000hdT za obradu PCM-ova

Zašto su materijali s promjenom faze važni za pohranu energije

Materijali s promjenom faze pohranjuju energiju u obliku latentne topline, koja se apsorbira tokom topljenja i otpušta kada se materijal učvrsti. Za razliku od konvencionalnih materijala koji toplinu pohranjuju samo promjenom temperature, PCM-ovi mogu pohraniti i otpustiti velike količine energije pri gotovo konstantnim temperaturama.
Ova osobina čini ih vrlo privlačnima za sisteme upravljanja toplinom. U zgradama PCM-ovi mogu regulirati unutrašnje temperature tako što tokom dana apsorbiraju višak topline, a otpuštaju je kada temperature padnu. U sistemima obnovljive energije pomažu u pohrani toplotne energije iz solarnih kolektora. Sve se češće koriste i za hlađenje elektronike, upravljanje toplinom baterija i transport s kontroliranom temperaturom.
Hidrati soli i organski materijali spadaju među najšire proučavane PCM-ove. Na primjer, Glauberova sol (natrijev sulfat dekahidrat) izazvala je značajan interes zbog visoke entalpije topljenja i prikladne temperature faznog prijelaza. Ove karakteristike omogućavaju joj da efikasno pohrani znatne količine toplotne energije.
Međutim, mnogi PCM sistemi pokazuju probleme sa stabilnošću koji se moraju riješiti prije nego što se mogu široko primijeniti.

Postojani izazovi konvencionalnih PCM-ova

Iako materijali s promjenom faze mogu pohraniti velike količine energije, njihove praktične performanse često ovise o tome koliko materijal ostaje stabilan tokom ponovljenih ciklusa zagrijavanja i hlađenja. Mnogi PCM-ovi pate od segregacije faza, pothlađivanja i slabe stabilnosti disperzije, a sve to s vremenom može pogoršati toplotne performanse.
U sistemima hidrata soli, kao što je Glauberova sol, ovi su problemi posebno izraženi. Do segregacije faza može doći kada se različite komponente razdvoje tokom topljenja, dok pothlađivanje može spriječiti kristalizaciju materijala na očekivanoj temperaturi. To odgađa otpuštanje topline i smanjuje efikasnost sistema.
Još jedan čest problem je stvaranje agregata kada se aditivi ili nanočestice ugrađuju u PCM formulacije. Konvencionalne metode miješanja često ne uspijevaju ravnomjerno dispergirati čestice, što dovodi do nestabilnih disperzija i nedosljednog toplotnog ponašanja.
Da bi se prevladala ova ograničenja, istraživači se sve više oslanjaju na ultrazvučnu obradu, koja nudi vrlo efikasnu metodu za dispergiranje materijala na mikro- i nanoskali.

Kako sonikacija poboljšava PCM formulaciju

Sonikacija se zasniva na fenomenu akustične kavitacije, koja nastaje kada se ultrazvučni talasi visokog intenziteta šire kroz tekućinu. Ovi talasi stvaraju mikroskopske mjehuriće koji se brzo urušavaju, proizvodeći lokalizirane zone ekstremne temperature, pritiska i smičnih sila.
Ovaj proces stvara intenzivne uvjete miješanja koji se ne mogu postići tradicionalnim mehaničkim miješanjem. Zbog toga sonikacija može razbiti aglomerate čestica, smanjiti veličinu čestica i ravnomjerno rasporediti aditive u cijeloj PCM matrici.
Eksperimentalna istraživanja PCM disperzija pokazuju da ultrazvučno miješanje proizvodi znatno manje agregate i homogenije smjese nego magnetno miješanje, što rezultira boljom stabilnošću i ponovljivošću.
Ova poboljšanja direktno utječu na toplotne performanse, jer homogena disperzija osigurava da se promjena faze odvija dosljedno u cijelom materijalu.

Zašto sonikacija poboljšava stabilnost PCM-ova

Istraživanja pokazuju da metodologija miješanja ima ključnu ulogu u performansama PCM-ova.
Na primjer, eksperimenti s PCM disperzijama hidrata soli pokazali su da je ultrazvučno miješanje poboljšalo homogenost i stabilnost u poređenju s tradicionalnim metodama miješanja

Ultrazvučna obrada poboljšava PCM sisteme kroz nekoliko mehanizama:

1. Manja veličina čestica
   Kavitacijske sile razbijaju velike kristale ili agregate na sitne čestice.
2. Poboljšana ujednačenost disperzije
   Ultrazvuk osigurava da su aditivi, kao što su nukleacijska sredstva i zgušnjivači, ravnomjerno raspoređeni.
3. Smanjena sedimentacija
   Sitnije čestice duže ostaju u suspenziji.
4. Bolje toplotne performanse
   Homogeni sistemi pokazuju dosljednije fazne prijelaze i veću efektivnu pohranu topline.

Nanopoboljšani materijali s promjenom faze: poboljšanje toplotne provodljivosti

Jedan od najuzbudljivijih razvoja u istraživanju PCM-ova je pojava nanopoboljšanih materijala s promjenom faze (NePCM). U ovim sistemima nanočestice se ugrađuju u PCM matricu kako bi se povećala toplotna provodljivost i ubrzao prijenos topline.
Nanomaterijali kao što su grafen, ugljikove nanocijevi i metalni oksidi mogu znatno poboljšati brzine prijenosa topline. Međutim, nanočestice se zbog jakih privlačnih sila među česticama skloni aglomerirati. Ako se ovi klasteri ne dispergiraju na odgovarajući način, očekivana poboljšanja toplotne provodljivosti ne mogu se postići.
Ultrazvučna obrada ovdje ima ključnu ulogu. Intenzivne kavitacijske sile koje stvara sonikacija razbijaju klastere nanočestica i ravnomjerno ih raspoređuju u cijelom PCM-u. Dobiveni nanopoboljšani PCM-ovi pokazuju bržu apsorpciju i otpuštanje topline, zbog čega su znatno efikasniji za primjene pohrane toplotne energije.

Nanoinkapsulacija: sprječavanje curenja i poboljšanje trajnosti

Još jedna važna inovacija koju omogućava ultrazvučna obrada je nanoinkapsulacija materijala s promjenom faze.
U nanoinkapsuliranim PCM-ovima materijal s promjenom faze zatvoren je unutar zaštitne ovojnice – često izrađene od polimera, silicija ili hibridnih materijala. Ova ovojnica sprječava curenje kada se PCM topi i štiti materijal od kemijske razgradnje.
Sonikacija omogućava proizvodnju izuzetno finih emulzija koje služe kao osnova za mikro- i nanokapsule. Proces stvara ujednačene kapljice koje kasnije čine PCM jezgru, dok se materijali ovojnice polimeriziraju ili kondenziraju oko njih. Dobivene kapsule pokazuju uske raspodjele veličine i poboljšanu mehaničku stabilnost.
Takvi inkapsulirani PCM-ovi sve se češće koriste u naprednim primjenama, uključujući pametne tekstile, premaze, hlađenje elektronike i sisteme upravljanja toplinom.

Parafinski vosak kao PCM: praktičan primjer sonikacije

Organski materijali s promjenom faze, kao što je parafinski vosak, naširoko se koriste zbog svoje kemijske stabilnosti, nekorozivnosti i povoljnih temperatura topljenja. PCM-ovi na bazi parafina uobičajeno se koriste u građevinskim materijalima, solarnim toplotnim sistemima i tehnologijama toplotne regulacije.
Međutim, parafinski vosak ima i relativno nisku toplotnu provodljivost te može stvarati velike kapljice ili agregate kada se ugrađuje u emulzije ili kompozitne materijale. Sonikacija nudi snažno rješenje za ove izazove.
Kada se parafinski vosak obrađuje ultrazvukom velike snage, kavitacijske sile razbijaju rastopljeni vosak na izuzetno fine kapljice, stvarajući stabilne emulzije ili disperzije. To omogućava da se vosak ravnomjerno rasporedi unutar noseće tekućine ili polimerne matrice. Dobivene PCM formulacije pokazuju poboljšana svojstva prijenosa topline i povećanu stabilnost tokom ponovljenih ciklusa promjene faze.
Ultrazvučna obrada se također široko koristi za proizvodnju parafinskih mikrokapsula, u kojima su kapljice rastopljenog voska inkapsulirane unutar polimernih ovojnica. Ove kapsule sprječavaju curenje tokom topljenja i omogućavaju ugradnju parafinskih PCM-ova u građevinske materijale, premaze ili tekstil.

Zašto su Hielscher sonikatori idealni za obradu PCM-ova

Ultrazvučna oprema velike snage ključna je za postizanje kvalitete disperzije potrebne za napredne PCM formulacije. Hielscher Ultrasonics postao je vodeći dobavljač ultrazvučnih procesora i za istraživačke laboratorije i za industrijsku proizvodnju.
Hielscher sistemi omogućavaju preciznu kontrolu ultrazvučne amplitude, ulazne snage i vremena obrade, što istraživačima omogućava fino podešavanje PCM formulacija uz izuzetnu ponovljivost. Njihovi ultrazvučni procesori stvaraju snažna i dosljedna kavitacijska polja, što osigurava efikasno smanjenje veličine čestica, deaglomeraciju i homogenizaciju.
Još jedna ključna prednost Hielscher tehnologije je skalabilnost. Procesi razvijeni u laboratorijskim sistemima mogu se direktno prenijeti na industrijske ultrazvučne reaktore, što proizvođačima omogućava prelazak s eksperimentiranja u malom obimu na komercijalnu proizvodnju bez promjene osnovnih procesnih parametara.
Hielscher ultrazvučni procesori već su korišteni u naučnim studijama za pripremu PCM disperzija, čime su pokazali svoju efikasnost u proizvodnji homogenih smjesa i smanjenju agregata čestica.

Napredak u razvoju PCM-ova uz sonikaciju

Kako se energetski sistemi razvijaju, a potražnja za efikasnom pohranom toplote raste, napredni materijali s promjenom faze imat će sve važniju ulogu. Performanse ovih materijala ne ovise samo o njihovom kemijskom sastavu, nego i o metodama koje se koriste za njihovu pripremu i obradu.
Ultrazvučna obrada pruža snažan i svestran alat za kontrolu mikrostrukture PCM sistema. Omogućavanjem ujednačenih disperzija, integracije nanočestica i nanoinkapsulacije, sonikacija pomaže u prevladavanju mnogih ograničenja koja su tradicionalno otežavala PCM tehnologije.

Ultrazvučna obrada brzo postaje ključna tehnologija koja omogućava PCM-ove sljedeće generacije, uključujući:

• Nanopoboljšane PCM-ove
• Nanoinkapsulirane PCM-ove
• PCM kompozite visoke provodljivosti
• Stabilne PCM emulzije i disperzije

Hielscher visokoučinkoviti sonikatori industrijske klase omogućavaju linearno povećanje skale do proizvodnje velikog obima – čime se materijali s promjenom faze pretvaraju iz obećavajućih laboratorijskih materijala u pouzdana rješenja za modernu pohranu energije i upravljanje toplinom.

Literatura / Reference

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
• De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
• De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
• Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.