Ultrazvuk posouvá vývoj materiálů s fázovou změnou pro akumulaci energie

S rostoucí celosvětovou poptávkou po efektivním řízení energie se materiály s fázovou změnou (PCM) dostávají do popředí zájmu jako účinné řešení pro akumulaci tepelné energie. Tyto materiály dokážou při tání a tuhnutí pohlcovat a uvolňovat velká množství tepla, díky čemuž jsou cenné pro aplikace od klimatizace budov až po chlazení baterií a systémy obnovitelné energie.
Navzdory svým slibným vlastnostem však mnoho PCM naráží na praktické problémy, které omezují jejich široké využití. Výzkumníci a inženýři se stále častěji obracejí k vysoce výkonnému ultrazvukovému zpracování – známému také jako sonikace – s cílem tyto překážky překonat a plně využít potenciál materiálů s fázovou změnou.
Ultrazvukové zpracování umožňuje vytvářet nanoobohacené a nanoenkapsulované PCM, zlepšuje stabilitu disperzí a pomáhá optimalizovat tepelné vlastnosti. Sonikace se tak stává jednou z nejúčinnějších technologií pro výrobu pokročilých systémů PCM.

Ultrazvukový homogenizátor UIP2000hdT pro zpracování PCM

Proč jsou materiály s fázovou změnou důležité pro akumulaci energie

Materiály s fázovou změnou ukládají energii ve formě latentního tepla, které se pohlcuje při tání a uvolňuje při tuhnutí materiálu. Na rozdíl od konvenčních materiálů, které ukládají teplo pouze prostřednictvím změny teploty, dokážou PCM ukládat a uvolňovat velká množství energie při téměř konstantní teplotě.
Tato vlastnost je činí velmi atraktivními pro systémy tepelného managementu. V budovách mohou PCM regulovat vnitřní teplotu tím, že během dne pohlcují přebytečné teplo a uvolňují ho, když teploty klesnou. V systémech obnovitelné energie pomáhají ukládat tepelnou energii ze solárních kolektorů. Stále častěji se používají také při chlazení elektroniky, v tepelném managementu baterií a v přepravě s řízenou teplotou.
Hydráty solí a organické materiály patří k nejvíce zkoumaným PCM. Například Glauberova sůl (dekahydrát síranu sodného) vzbudila značný zájem díky vysoké entalpii tání a vhodné teplotě fázového přechodu. Tyto vlastnosti jí umožňují efektivně ukládat značné množství tepelné energie.
Mnoho systémů PCM však vykazuje problémy se stabilitou, které je nutné vyřešit, než budou moci být široce zavedeny.

Přetrvávající problémy konvenčních PCM

Přestože materiály s fázovou změnou dokážou ukládat velká množství energie, jejich praktický výkon často závisí na tom, jak dobře materiál zůstává stabilní během opakovaných cyklů ohřevu a chlazení. Mnoho PCM trpí fázovou segregací, podchlazením a nízkou stabilitou disperze, což vše může v průběhu času zhoršovat tepelné vlastnosti.
V systémech hydrátů solí, jako je Glauberova sůl, jsou tyto problémy obzvláště výrazné. Fázová segregace může nastat, když se jednotlivé složky při tání oddělí, zatímco podchlazení může bránit krystalizaci materiálu při očekávané teplotě. To zpožďuje uvolňování tepla a snižuje účinnost systému.
Dalším častým problémem je tvorba agregátů při začleňování aditiv nebo nanočástic do formulací PCM. Konvenční metody míchání často nedokážou částice rovnoměrně dispergovat, což vede k nestabilním disperzím a nekonzistentnímu tepelnému chování.
Aby tato omezení překonali, spoléhají výzkumníci stále častěji na ultrazvukové zpracování, které nabízí vysoce účinnou metodu dispergace materiálů v mikro- a nanoměřítku.
 

Jak sonikace zlepšuje formulaci PCM

Sonikace je založena na jevu akustické kavitace, k níž dochází, když se kapalinou šíří ultrazvukové vlny o vysoké intenzitě. Tyto vlny vytvářejí mikroskopické bubliny, které rychle kolabují a vytvářejí lokalizované zóny extrémní teploty, tlaku a smykových sil.
Tento proces vytváří podmínky intenzivního míchání, kterých nelze dosáhnout tradičním mechanickým mícháním. Sonikace tak dokáže rozbít aglomeráty částic, zmenšit velikost částic a rovnoměrně distribuovat aditiva v celé matrici PCM.
Experimentální výzkum disperzí PCM prokazuje, že ultrazvukové míchání vytváří výrazně menší agregáty a homogennější směsi než magnetické míchání, což vede ke zlepšené stabilitě a reprodukovatelnosti.
Tato zlepšení přímo ovlivňují tepelné vlastnosti, protože homogenní disperze zajišťuje, že fázová změna probíhá konzistentně v celém objemu materiálu.

Proč sonikace zlepšuje stabilitu PCM

Výzkum ukazuje, že metodika míchání hraje zásadní roli ve výkonu PCM.
Například experimenty s disperzemi PCM na bázi hydrátů solí prokázaly, že ultrazvukové míchání zlepšilo homogenitu a stabilitu ve srovnání s tradičními metodami míchání

Ultrazvukové zpracování zlepšuje systémy PCM prostřednictvím několika mechanismů:

1. Menší velikost částic
   Kavitační síly rozbíjejí velké krystaly nebo agregáty na jemné částice.
2. Lepší rovnoměrnost disperze
   Ultrazvuk zajišťuje rovnoměrnou distribuci aditiv, jako jsou nukleační činidla a zahušťovadla.
3. Omezená sedimentace
   Jemnější částice zůstávají déle v suspenzi.
4. Lepší tepelné vlastnosti
   Homogenní systémy vykazují konzistentnější fázové přechody a vyšší efektivní akumulaci tepla.

Nanoobohacené materiály s fázovou změnou: zlepšení tepelné vodivosti

Jedním z nejzajímavějších vývojových trendů ve výzkumu PCM je nástup nanoobohacených materiálů s fázovou změnou (NePCM). V těchto systémech se do matrice PCM začleňují nanočástice, které zvyšují tepelnou vodivost a urychlují přenos tepla.
Nanomateriály, jako je grafen, uhlíkové nanotrubice a oxidy kovů, mohou výrazně zvýšit rychlost přenosu tepla. Nanočástice však mají sklon k aglomeraci v důsledku silných přitažlivých sil mezi částicemi. Pokud tyto shluky nejsou správně dispergovány, nelze očekávaného zlepšení tepelné vodivosti dosáhnout.
Ultrazvukové zpracování zde hraje zásadní roli. Intenzivní kavitační síly vznikající při sonikaci rozbíjejí shluky nanočástic a rovnoměrně je distribuují v celém PCM. Výsledné nanoobohacené PCM vykazují rychlejší pohlcování a uvolňování tepla, díky čemuž jsou pro aplikace akumulace tepelné energie mnohem účinnější.

Nanoenkapsulace: prevence úniku a zlepšení trvanlivosti

Další důležitou inovací, kterou ultrazvukové zpracování umožňuje, je nanoenkapsulace materiálů s fázovou změnou.
V nanoenkapsulovaných PCM je materiál s fázovou změnou uzavřen v ochranném obalu – často z polymerů, oxidu křemičitého nebo hybridních materiálů. Tento obal zabraňuje úniku při tání PCM a chrání materiál před chemickou degradací.
Sonikace umožňuje výrobu extrémně jemných emulzí, které slouží jako základ pro mikro- a nanokapsle. Proces vytváří rovnoměrné kapičky, které později tvoří jádro PCM, zatímco materiály obalu kolem nich polymerují nebo kondenzují. Výsledné kapsle vykazují úzkou distribuci velikosti a zlepšenou mechanickou stabilitu.
Takto enkapsulované PCM se stále častěji používají v pokročilých aplikacích, včetně chytrých textilií, povlaků, chlazení elektroniky a systémů tepelného managementu.

Parafínový vosk jako PCM: praktický příklad sonikace

Organické materiály s fázovou změnou, jako je parafínový vosk, se široce používají díky své chemické stabilitě, nekorozivní povaze a příznivým teplotám tání. PCM na bázi parafínu se běžně používají ve stavebních materiálech, solárních termických systémech a technologiích regulace teploty.
Parafínový vosk však také trpí relativně nízkou tepelnou vodivostí a při začlenění do emulzí nebo kompozitních materiálů může tvořit velké kapky nebo agregáty. Sonikace nabízí pro tyto problémy účinné řešení.
Při zpracování parafínového vosku vysoce výkonným ultrazvukem rozbíjejí kavitační síly roztavený vosk na extrémně jemné kapičky a vytvářejí stabilní emulze nebo disperze. Díky tomu lze vosk rovnoměrně distribuovat v nosné kapalině nebo polymerní matrici. Výsledné formulace PCM vykazují zlepšené vlastnosti přenosu tepla a zvýšenou stabilitu během opakovaných cyklů fázové změny.
Ultrazvukové zpracování se také široce používá k výrobě parafínových mikrokapslí, v nichž jsou kapičky roztaveného vosku enkapsulovány v polymerních obalech. Tyto kapsle zabraňují úniku při tání a umožňují integraci parafínových PCM do stavebních materiálů, povlaků nebo textilií.

Proč jsou sonikátory Hielscher ideální pro zpracování PCM

Vysoce výkonné ultrazvukové zařízení je nezbytné k dosažení kvality disperze, kterou vyžadují pokročilé formulace PCM. Hielscher Ultrasonics se stal předním dodavatelem ultrazvukových procesorů pro výzkumné laboratoře i průmyslovou výrobu.
Systémy Hielscher poskytují přesnou kontrolu nad ultrazvukovou amplitudou, příkonem a dobou zpracování, což výzkumníkům umožňuje jemně ladit formulace PCM s výjimečnou reprodukovatelností. Jejich ultrazvukové procesory generují silná a konzistentní kavitační pole, která zajišťují účinné zmenšování velikosti částic, deaglomeraci a homogenizaci.
Další klíčovou výhodou technologie Hielscher je škálovatelnost. Procesy vyvinuté v laboratorních systémech lze přímo přenést do průmyslových ultrazvukových reaktorů, což výrobcům umožňuje přejít od experimentů v malém měřítku ke komerční výrobě beze změny základních procesních parametrů.
Ultrazvukové procesory Hielscher již byly použity ve vědeckých studiích k přípravě disperzí PCM a prokázaly svou účinnost při výrobě homogenních směsí a omezování agregátů částic.

Pokroky ve vývoji PCM díky sonikaci

S tím, jak se energetické systémy vyvíjejí a roste poptávka po efektivní akumulaci tepla, budou pokročilé materiály s fázovou změnou hrát stále důležitější roli. Výkon těchto materiálů závisí nejen na jejich chemickém složení, ale také na metodách použitých k jejich přípravě a zpracování.
Ultrazvukové zpracování poskytuje účinný a všestranný nástroj pro řízení mikrostruktury systémů PCM. Tím, že umožňuje vytvářet rovnoměrné disperze, integrovat nanočástice a provádět nanoenkapsulaci, pomáhá sonikace překonat mnohá omezení, která technologie PCM tradičně brzdila.

Ultrazvukové zpracování se rychle stává klíčovou umožňující technologií pro PCM nové generace, včetně:

• Nanoobohacených PCM
• Nanoenkapsulovaných PCM
• Kompozitů PCM s vysokou vodivostí
• Stabilních emulzí a disperzí PCM

Vysoce výkonné sonikátory Hielscher průmyslové třídy umožňují lineární zvětšení měřítka až na velkovýrobu – a mění tak materiály s fázovou změnou ze slibných laboratorních materiálů ve spolehlivá řešení pro moderní akumulaci energie a tepelný management.

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.