Ultralyd fremmer udviklingen af faseændringsmaterialer til energilagring

I takt med at den globale efterspørgsel efter effektiv energistyring vokser, får faseændringsmaterialer (PCM’er) øget opmærksomhed som en effektiv løsning til termisk energilagring. Disse materialer kan optage og afgive store mængder varme under smeltning og størkning, hvilket gør dem værdifulde til anvendelser lige fra klimastyring i bygninger til batterikøling og systemer til vedvarende energi.
Trods deres lovende egenskaber står mange PCM’er imidlertid over for praktiske udfordringer, der begrænser deres udbredte anvendelse. Forskere og ingeniører anvender i stigende grad behandling med højeffektultralyd – også kendt som sonikering – for at overvinde disse hindringer og udnytte faseændringsmaterialernes fulde potentiale.
Ultralydsbehandling muliggør fremstilling af nanoforstærkede og nanoindkapslede PCM’er, forbedrer dispersionsstabiliteten og hjælper med at optimere den termiske ydeevne. Sonikering er derfor ved at blive en af de mest effektive teknologier til fremstilling af avancerede PCM-systemer.

Ultralydshomogenisator UIP2000hdT til behandling af PCM’er

Hvorfor faseændringsmaterialer er vigtige for energilagring

Faseændringsmaterialer lagrer energi i form af latent varme, som optages under smeltning og afgives, når materialet størkner. I modsætning til konventionelle materialer, der alene lagrer varme gennem temperaturændringer, kan PCM’er lagre og afgive store mængder energi ved næsten konstante temperaturer.
Denne egenskab gør dem særdeles attraktive til systemer til termisk styring. I bygninger kan PCM’er regulere indendørstemperaturen ved at optage overskudsvarme om dagen og afgive den, når temperaturen falder. I systemer til vedvarende energi hjælper de med at lagre termisk energi fra solfangere. De anvendes også i stigende grad til elektronikkøling, termisk styring af batterier og temperaturkontrolleret transport.
Salthydrater og organiske materialer er blandt de mest undersøgte PCM’er. Eksempelvis har glaubersalt (natriumsulfatdecahydrat) tiltrukket betydelig interesse på grund af sin høje smelteentalpi og egnede faseovergangstemperatur. Disse egenskaber gør det muligt at lagre betydelige mængder termisk energi effektivt.
Mange PCM-systemer har dog stabilitetsproblemer, som skal løses, før de kan tages i bred anvendelse.

De vedvarende udfordringer ved konventionelle PCM’er

Selvom faseændringsmaterialer kan lagre store mængder energi, afhænger deres praktiske ydeevne ofte af, hvor godt materialet forbliver stabilt under gentagne opvarmnings- og afkølingscyklusser. Mange PCM’er har problemer med faseadskillelse, underafkøling og dårlig dispersionsstabilitet, som alle kan forringe den termiske ydeevne over tid.
I salthydratsystemer såsom glaubersalt er disse problemer særligt udtalte. Faseadskillelse kan forekomme, når forskellige komponenter adskilles under smeltning, mens underafkøling kan forhindre materialet i at krystallisere ved den forventede temperatur. Dette forsinker varmeafgivelsen og reducerer systemets effektivitet.
Et andet almindeligt problem er dannelsen af aggregater, når tilsætningsstoffer eller nanopartikler indarbejdes i PCM-formuleringer. Konventionelle blandingsmetoder formår ofte ikke at dispergere partikler ensartet, hvilket resulterer i ustabile dispersioner og uensartet termisk adfærd.
For at afhjælpe disse begrænsninger anvender forskere i stigende grad ultralydsbehandling, som er en særdeles effektiv metode til dispergering af materialer på mikro- og nanoskala.
 

Hvordan sonikering forbedrer PCM-formulering

Sonikering bygger på fænomenet akustisk kavitation, som opstår, når ultralydsbølger med høj intensitet forplanter sig gennem en væske. Disse bølger danner mikroskopiske bobler, der hurtigt kollapser og skaber lokale zoner med ekstrem temperatur, ekstremt tryk og ekstreme forskydningskræfter.
Denne proces skaber intense blandingsforhold, som ikke kan opnås med traditionel mekanisk omrøring. Sonikering kan derfor nedbryde partikelagglomerater, reducere partikelstørrelsen og fordele tilsætningsstoffer jævnt i hele PCM-matricen.
Eksperimentel forskning i PCM-dispersioner viser, at ultralydsblanding giver betydeligt mindre aggregater og mere homogene blandinger end magnetisk omrøring, hvilket resulterer i forbedret stabilitet og reproducerbarhed.
Disse forbedringer påvirker den termiske ydeevne direkte, fordi en homogen dispersion sikrer, at faseændringen sker ensartet i hele materialet.

Hvorfor sonikering forbedrer PCM-stabiliteten

Forskning viser, at blandingsmetoden spiller en afgørende rolle for PCM’ers ydeevne.
Eksempelvis viste forsøg med PCM-dispersioner baseret på salthydrater, at ultralydsblanding forbedrede homogeniteten og stabiliteten sammenlignet med traditionelle blandingsmetoder

Ultralydsbehandling forbedrer PCM-systemer gennem flere mekanismer:

1. Mindre partikelstørrelse
   Kavitationskræfter bryder store krystaller eller aggregater op i fine partikler.
2. Mere ensartet dispersion
   Ultralyd sikrer, at tilsætningsstoffer såsom kernedannende midler og fortykningsmidler fordeles jævnt.
3. Reduceret sedimentation
   Finere partikler forbliver suspenderet længere.
4. Bedre termisk ydeevne
   Homogene systemer udviser mere ensartede faseovergange og højere effektiv varmelagring.

Nanoforstærkede faseændringsmaterialer: Forbedring af varmeledningsevnen

En af de mest spændende udviklinger inden for PCM-forskning er fremkomsten af nanoforstærkede faseændringsmaterialer (NePCM’er). I disse systemer indarbejdes nanopartikler i PCM-matricen for at forbedre varmeledningsevnen og fremskynde varmeoverførslen.
Nanomaterialer såsom grafen, kulstofnanorør og metaloxider kan forbedre varmeoverførselshastigheden betydeligt. Nanopartikler har imidlertid tendens til at agglomerere på grund af stærke tiltrækningskræfter mellem partiklerne. Hvis disse klynger ikke dispergeres korrekt, kan de forventede forbedringer af varmeledningsevnen ikke opnås.
Ultralydsbehandling spiller en afgørende rolle her. De intense kavitationskræfter, der genereres ved sonikering, bryder nanopartikelklynger op og fordeler dem ensartet i hele PCM’et. De resulterende nanoforstærkede PCM’er udviser hurtigere varmeoptagelse og varmeafgivelse, hvilket gør dem langt mere effektive til termisk energilagring.

Nanoindkapsling: Forebyggelse af lækage og forbedring af holdbarheden

En anden vigtig innovation, som ultralydsbehandling muliggør, er nanoindkapsling af faseændringsmaterialer.
I nanoindkapslede PCM’er er faseændringsmaterialet omsluttet af en beskyttende skal – ofte fremstillet af polymerer, silica eller hybridmaterialer. Denne skal forhindrer lækage, når PCM’et smelter, og beskytter materialet mod kemisk nedbrydning.
Sonikering muliggør fremstilling af ekstremt fine emulsioner, som danner grundlag for mikro- og nanokapsler. Processen genererer ensartede dråber, som senere danner PCM-kernen, mens skalmaterialerne polymeriserer eller gennemgår kondensationsreaktioner omkring dem. De resulterende kapsler har snævre størrelsesfordelinger og forbedret mekanisk stabilitet.
Sådanne indkapslede PCM’er anvendes i stigende grad til avancerede anvendelser, herunder intelligente tekstiler, belægninger, elektronikkøling og systemer til termisk styring.

Paraffinvoks som PCM: Et praktisk eksempel på sonikering

Organiske faseændringsmaterialer såsom paraffinvoks anvendes i vid udstrækning på grund af deres kemiske stabilitet, ikke-korrosive egenskaber og fordelagtige smeltetemperaturer. Paraffinbaserede PCM’er anvendes ofte i byggematerialer, solvarmesystemer og teknologier til termisk regulering.
Paraffinvoks har dog også en relativt lav varmeledningsevne og kan danne store dråber eller aggregater, når den indarbejdes i emulsioner eller kompositmaterialer. Sonikering tilbyder en effektiv løsning på disse udfordringer.
Når paraffinvoks behandles med højeffektultralyd, bryder kavitationskræfter den smeltede voks op i ekstremt fine dråber og skaber stabile emulsioner eller dispersioner. Dette gør det muligt at fordele voksen ensartet i en bærevæske eller polymermatrix. De resulterende PCM-formuleringer udviser forbedrede varmeoverførselsegenskaber og øget stabilitet under gentagne faseændringscyklusser.
Ultralydsbehandling anvendes også i vid udstrækning til fremstilling af paraffinmikrokapsler, hvor dråber af smeltet voks indkapsles i polymerskaller. Disse kapsler forhindrer lækage under smeltning og gør det muligt at integrere paraffin-PCM’er i byggematerialer, belægninger eller tekstiler.

Hvorfor Hielschers sonikeringsapparater er ideelle til PCM-behandling

Udstyr til højeffektultralyd er afgørende for at opnå den dispersionskvalitet, som kræves til avancerede PCM-formuleringer. Hielscher Ultrasonics er blevet en førende leverandør af ultralydsprocessorer til både forskningslaboratorier og industriel fremstilling.
Systemer fra Hielscher giver præcis kontrol over ultralydsamplitude, effekttilførsel og behandlingstid, hvilket gør det muligt for forskere at finjustere PCM-formuleringer med enestående reproducerbarhed. Deres ultralydsprocessorer genererer kraftige og ensartede kavitationsfelter, hvilket sikrer effektiv reduktion af partikelstørrelsen, deagglomerering og homogenisering.
En anden væsentlig fordel ved teknologien fra Hielscher er skalerbarheden. Processer, der er udviklet i laboratoriesystemer, kan overføres direkte til industrielle ultralydsreaktorer, hvilket gør det muligt for producenter at gå fra forsøg i lille skala til kommerciel produktion uden at ændre de underliggende procesparametre.
Ultralydsprocessorer fra Hielscher er allerede blevet anvendt i videnskabelige undersøgelser til fremstilling af PCM-dispersioner, hvilket har vist deres effektivitet til at fremstille homogene blandinger og reducere partikelaggregater.

Fremskridt inden for PCM-udvikling med sonikering

Efterhånden som energisystemer udvikler sig, og efterspørgslen efter effektiv termisk lagring vokser, vil avancerede faseændringsmaterialer spille en stadig vigtigere rolle. Disse materialers ydeevne afhænger ikke kun af deres kemiske sammensætning, men også af de metoder, der anvendes til at fremstille og behandle dem.
Ultralydsbehandling er et effektivt og alsidigt værktøj til at styre mikrostrukturen i PCM-systemer. Ved at muliggøre ensartede dispersioner, integration af nanopartikler og nanoindkapsling hjælper sonikering med at overvinde mange af de begrænsninger, der traditionelt har hæmmet PCM-teknologier.

Ultralydsbehandling er hurtigt ved at blive en central teknologi, der muliggør næste generation af PCM’er, herunder:

• Nanoforstærkede PCM’er
• Nanoindkapslede PCM’er
• PCM-kompositter med høj varmeledningsevne
• Stabile PCM-emulsioner og -dispersioner

Hielschers højtydende sonikeringsapparater i industrikvalitet muliggør lineær opskalering til produktion i stor skala – og omdanner dermed faseændringsmaterialer fra lovende laboratoriematerialer til pålidelige løsninger til moderne energilagring og termisk styring.

Litteratur / Referencer

• 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.