Ultrazvuk unapređuje materijale s faznom promjenom za pohranu energije

Kako raste globalna potražnja za učinkovitim upravljanjem energijom, materijali s faznom promjenom (PCM) privlače pozornost kao snažno rješenje za pohranu toplinske energije. Ti materijali mogu apsorbirati i oslobađati velike količine topline tijekom taljenja i skrućivanja, što ih čini vrijednima za primjene od regulacije klimatskih uvjeta u zgradama do hlađenja baterija i sustava obnovljive energije.
Međutim, unatoč obećavajućim svojstvima, mnogi PCM-ovi suočavaju se s praktičnim izazovima koji ograničavaju njihovu široku primjenu. Istraživači i inženjeri sve se više okreću obradi ultrazvukom velike snage – poznatoj i kao sonikacija – kako bi prevladali te prepreke i iskoristili puni potencijal materijala s faznom promjenom.
Ultrazvučna obrada omogućuje stvaranje PCM-ova poboljšanih nanočesticama i nanoenkapsuliranih PCM-ova, poboljšava stabilnost disperzije i pomaže optimizirati toplinsku učinkovitost. Zbog toga se sonikacija sve više ističe kao jedna od najučinkovitijih tehnologija za proizvodnju naprednih sustava s PCM-ovima.

Ultrazvučni homogenizator UIP2000hdT za obradu PCM-ova

Zašto su materijali s faznom promjenom važni za pohranu energije

Materijali s faznom promjenom pohranjuju energiju u obliku latentne topline, koja se apsorbira tijekom taljenja i oslobađa kada se materijal skrutne. Za razliku od konvencionalnih materijala koji pohranjuju toplinu isključivo promjenom temperature, PCM-ovi mogu pohranjivati i oslobađati velike količine energije pri gotovo stalnim temperaturama.
To svojstvo čini ih vrlo privlačnima za sustave upravljanja toplinom. U zgradama PCM-ovi mogu regulirati unutarnju temperaturu tako što tijekom dana apsorbiraju višak topline i oslobađaju ga kada temperature padnu. U sustavima obnovljive energije pomažu pohraniti toplinsku energiju iz solarnih kolektora. Sve se više upotrebljavaju i za hlađenje elektronike, upravljanje toplinom baterija i prijevoz pri kontroliranoj temperaturi.
Hidrati soli i organski materijali među najviše su proučavanim PCM-ovima. Primjerice, Glauberova sol (natrijev sulfat dekahidrat) privukla je znatno zanimanje zbog visoke entalpije taljenja i prikladne temperature faznog prijelaza. Te joj značajke omogućuju učinkovitu pohranu znatnih količina toplinske energije.
Ipak, mnogi sustavi s PCM-ovima pokazuju probleme sa stabilnošću koje je potrebno riješiti prije njihove široke primjene.

Trajni izazovi konvencionalnih PCM-ova

Iako materijali s faznom promjenom mogu pohranjivati velike količine energije, njihova učinkovitost u praksi često ovisi o tome koliko dobro materijal zadržava stabilnost tijekom ponovljenih ciklusa zagrijavanja i hlađenja. Mnogi PCM-ovi podložni su segregaciji faza, pothlađivanju i slaboj stabilnosti disperzije, što s vremenom može smanjiti toplinsku učinkovitost.
U sustavima s hidratima soli, poput Glauberove soli, ti su problemi osobito izraženi. Segregacija faza može nastati kada se različite komponente razdvoje tijekom taljenja, dok pothlađivanje može spriječiti kristalizaciju materijala pri očekivanoj temperaturi. Time se odgađa oslobađanje topline i smanjuje učinkovitost sustava.
Još je jedan čest problem stvaranje agregata pri ugradnji aditiva ili nanočestica u formulacije PCM-ova. Konvencionalnim metodama miješanja često se ne uspijeva postići jednolika disperzija čestica, što rezultira nestabilnim disperzijama i neujednačenim toplinskim ponašanjem.
Kako bi prevladali ta ograničenja, istraživači se sve više oslanjaju na ultrazvučnu obradu, koja pruža vrlo učinkovitu metodu dispergiranja materijala na mikro- i nanorazini.
 

Kako sonikacija poboljšava formuliranje PCM-ova

Sonikacija se temelji na pojavi akustične kavitacije, koja nastaje kada se ultrazvučni valovi visokog intenziteta šire kroz tekućinu. Ti valovi stvaraju mikroskopske mjehuriće koji naglo kolabiraju, stvarajući lokalizirana područja ekstremne temperature, tlaka i smičnih sila.
Taj proces stvara uvjete intenzivnog miješanja koji se ne mogu postići tradicionalnim mehaničkim miješanjem. Zbog toga sonikacija može razbiti aglomerate čestica, smanjiti veličinu čestica i ravnomjerno rasporediti dodatke po cijeloj PCM matrici.
Eksperimentalna istraživanja disperzija PCM-ova pokazuju da ultrazvučno miješanje stvara znatno manje agregate i homogenije smjese od magnetskog miješanja, čime se poboljšavaju stabilnost i ponovljivost.
Ta poboljšanja izravno utječu na toplinska svojstva jer homogena disperzija osigurava da se fazna promjena odvija ujednačeno u cijelom materijalu.

Zašto sonikacija poboljšava stabilnost PCM-ova

Istraživanja pokazuju da metodologija miješanja ima ključnu ulogu u svojstvima PCM-ova.
Primjerice, pokusi s disperzijama PCM-ova na bazi hidrata soli pokazali su da ultrazvučno miješanje poboljšava homogenost i stabilnost u usporedbi s tradicionalnim metodama miješanja

Ultrazvučna obrada poboljšava sustave s PCM-ovima putem nekoliko mehanizama:

1. Manja veličina čestica
   Kavitacijske sile razbijaju velike kristale ili agregate u sitne čestice.
2. Poboljšana ujednačenost disperzije
   Ultrazvuk osigurava ravnomjernu raspodjelu dodataka kao što su nukleacijska sredstva i zgušnjivači.
3. Smanjena sedimentacija
   Sitnije čestice dulje ostaju suspendirane.
4. Bolja toplinska svojstva
   Homogeni sustavi pokazuju ujednačenije fazne prijelaze i veću efektivnu pohranu topline.

Materijali s faznom promjenom poboljšani nanočesticama: poboljšanje toplinske vodljivosti

Jedan od najuzbudljivijih napredaka u istraživanju PCM-ova jest pojava materijala s faznom promjenom poboljšanih nanočesticama (NePCM-ovi). U tim se sustavima nanočestice ugrađuju u PCM matricu radi poboljšanja toplinske vodljivosti i ubrzavanja prijenosa topline.
Nanomaterijali poput grafena, ugljikovih nanocijevi i metalnih oksida mogu znatno povećati brzinu prijenosa topline. Međutim, nanočestice su sklone aglomeraciji zbog snažnih privlačnih sila među česticama. Ako se te nakupine pravilno ne dispergiraju, očekivana poboljšanja toplinske vodljivosti ne mogu se postići.
Ultrazvučna obrada ovdje ima ključnu ulogu. Intenzivne kavitacijske sile koje nastaju sonikacijom razbijaju nakupine nanočestica i ravnomjerno ih raspoređuju po cijelom PCM-u. Dobiveni PCM-ovi poboljšani nanočesticama brže apsorbiraju i oslobađaju toplinu, što ih čini mnogo učinkovitijima za primjene u pohrani toplinske energije.

Nanoenkapsulacija: sprječavanje istjecanja i poboljšanje trajnosti

Još jedna važna inovacija koju omogućuje ultrazvučna obrada jest nanoenkapsulacija materijala s faznom promjenom.
U nanoenkapsuliranim PCM-ovima materijal s faznom promjenom zatvoren je unutar zaštitne ovojnice – često izrađene od polimera, silicijeva dioksida ili hibridnih materijala. Ta ovojnica sprječava istjecanje kada se PCM tali i štiti materijal od kemijske razgradnje.
Sonikacija omogućuje proizvodnju iznimno finih emulzija koje služe kao osnova za mikro- i nanokapsule. Proces stvara ujednačene kapljice koje poslije tvore PCM jezgru, dok materijali ovojnice polimeriziraju ili kondenziraju oko njih. Dobivene kapsule imaju uske raspodjele veličina i poboljšanu mehaničku stabilnost.
Takvi enkapsulirani PCM-ovi sve se više upotrebljavaju u naprednim primjenama, uključujući pametne tekstile, premaze, hlađenje elektronike i sustave upravljanja toplinom.

Parafinski vosak kao PCM: praktičan primjer sonikacije

Organski materijali s faznom promjenom, poput parafinskog voska, široko se upotrebljavaju zbog svoje kemijske stabilnosti, nekorozivnosti i povoljnih temperatura taljenja. PCM-ovi na bazi parafina često se upotrebljavaju u građevinskim materijalima, solarnim toplinskim sustavima i tehnologijama toplinske regulacije.
Međutim, parafinski vosak također ima relativno nisku toplinsku vodljivost i može stvarati velike kapljice ili agregate kada se ugrađuje u emulzije ili kompozitne materijale. Sonikacija nudi učinkovito rješenje za te izazove.
Kada se parafinski vosak obrađuje ultrazvukom velike snage, kavitacijske sile razbijaju rastaljeni vosak u iznimno sitne kapljice, stvarajući stabilne emulzije ili disperzije. Time se omogućuje ravnomjerna raspodjela voska unutar nosivog fluida ili polimerne matrice. Dobivene formulacije PCM-a pokazuju poboljšana svojstva prijenosa topline i veću stabilnost tijekom ponovljenih ciklusa fazne promjene.
Ultrazvučna obrada također se široko upotrebljava za proizvodnju parafinskih mikrokapsula, pri čemu se kapljice rastaljenog voska inkapsuliraju unutar polimernih ovojnica. Te kapsule sprječavaju istjecanje tijekom taljenja i omogućuju ugradnju parafinskih PCM-ova u građevinske materijale, premaze ili tekstil.

Zašto su sonikatori Hielscher idealni za obradu PCM-ova

Ultrazvučna oprema velike snage ključna je za postizanje kvalitete disperzije potrebne za napredne formulacije PCM-a. Hielscher Ultrasonics postao je vodeći dobavljač ultrazvučnih procesora za istraživačke laboratorije i industrijsku proizvodnju.
Sustavi Hielscher omogućuju preciznu kontrolu ultrazvučne amplitude, unesene snage i vremena obrade, što istraživačima omogućuje fino podešavanje formulacija PCM-a uz iznimnu ponovljivost. Njihovi ultrazvučni procesori stvaraju snažna i postojana kavitacijska polja, čime se osiguravaju učinkovito smanjenje veličine čestica, deaglomeracija i homogenizacija.
Još jedna ključna prednost tehnologije Hielscher jest mogućnost povećanja mjerila procesa. Procesi razvijeni u laboratorijskim sustavima mogu se izravno prenijeti u industrijske ultrazvučne reaktore, što proizvođačima omogućuje prijelaz s pokusa u malom mjerilu na komercijalnu proizvodnju bez promjene temeljnih procesnih parametara.
Ultrazvučni procesori Hielscher već su upotrijebljeni u znanstvenim istraživanjima za pripremu disperzija PCM-a, pri čemu su pokazali učinkovitost u proizvodnji homogenih smjesa i smanjenju agregata čestica.

Napredak u razvoju PCM-ova primjenom sonikacije

Kako se energetski sustavi razvijaju i raste potražnja za učinkovitim pohranjivanjem toplinske energije, napredni materijali s faznom promjenom imat će sve važniju ulogu. Svojstva tih materijala ne ovise samo o njihovu kemijskom sastavu nego i o metodama njihove pripreme i obrade.
Ultrazvučna obrada pruža učinkovit i svestran alat za kontrolu mikrostrukture sustava PCM-a. Omogućujući ujednačene disperzije, ugradnju nanočestica i nanoinkapsulaciju, sonikacija pomaže prevladati mnoga ograničenja koja su tradicionalno kočila tehnologije PCM-a.

Ultrazvučna obrada brzo postaje ključna tehnologija koja omogućuje razvoj PCM-ova sljedeće generacije, uključujući:

• PCM-ove poboljšane nanočesticama
• Nanoinkapsulirane PCM-ove
• Kompozite PCM-a visoke toplinske vodljivosti
• Stabilne emulzije i disperzije PCM-a

Sonikatori Hielscher visokih performansi za industrijsku primjenu omogućuju linearno povećanje mjerila procesa do proizvodnje velikih razmjera – čime se materijali s faznom promjenom iz obećavajućih laboratorijskih materijala pretvaraju u pouzdana rješenja za suvremenu 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.