Gli ultrasuoni favoriscono lo sviluppo dei materiali a cambiamento di fase per l’accumulo di energia

Con la crescente domanda globale di una gestione efficiente dell’energia, i materiali a cambiamento di fase (PCM) stanno suscitando interesse come soluzione efficace per l’accumulo di energia termica. Questi materiali possono assorbire e rilasciare grandi quantità di calore durante la fusione e la solidificazione, risultando preziosi per applicazioni che spaziano dalla climatizzazione degli edifici al raffreddamento delle batterie e ai sistemi di energia rinnovabile.
Tuttavia, nonostante le loro promettenti proprietà, molti PCM presentano difficoltà pratiche che ne limitano l’impiego su larga scala. Ricercatori e ingegneri ricorrono sempre più spesso al trattamento con ultrasuoni ad alta potenza – noto anche come sonicazione – per superare questi ostacoli e sfruttare appieno il potenziale dei materiali a cambiamento di fase.
Il trattamento a ultrasuoni consente di creare PCM potenziati con nanomateriali e nanoincapsulati, migliora la stabilità delle dispersioni e contribuisce a ottimizzare le prestazioni termiche. Di conseguenza, la sonicazione si sta affermando come una delle tecnologie più efficaci per produrre sistemi avanzati a base di PCM.

Omogeneizzatore a ultrasuoni UIP2000hdT per il trattamento dei PCM

Perché i materiali a cambiamento di fase sono importanti per l’accumulo di energia

I materiali a cambiamento di fase accumulano energia sotto forma di calore latente, che viene assorbito durante la fusione e rilasciato quando il materiale solidifica. A differenza dei materiali convenzionali, che accumulano calore esclusivamente attraverso variazioni di temperatura, i PCM possono accumulare e rilasciare grandi quantità di energia a temperature pressoché costanti.
Questa proprietà li rende particolarmente interessanti per i sistemi di gestione termica. Negli edifici, i PCM possono regolare le temperature interne assorbendo il calore in eccesso durante il giorno e rilasciandolo quando le temperature diminuiscono. Nei sistemi di energia rinnovabile, contribuiscono ad accumulare l’energia termica proveniente dai collettori solari. Sono inoltre sempre più utilizzati nel raffreddamento dei dispositivi elettronici, nella gestione termica delle batterie e nel trasporto a temperatura controllata.
I sali idrati e i materiali organici sono tra i PCM più studiati. Ad esempio, il sale di Glauber (solfato di sodio decaidrato) ha suscitato notevole interesse grazie alla sua elevata entalpia di fusione e alla sua adeguata temperatura di transizione di fase. Queste caratteristiche gli consentono di accumulare in modo efficiente quantità significative di energia termica.
Tuttavia, molti sistemi a base di PCM presentano problemi di stabilità che devono essere risolti prima di poter essere adottati su larga scala.

Le persistenti difficoltà dei PCM convenzionali

Sebbene i materiali a cambiamento di fase possano accumulare grandi quantità di energia, le loro prestazioni pratiche dipendono spesso dalla capacità del materiale di mantenersi stabile durante ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento. Molti PCM presentano segregazione di fase, sottoraffreddamento e scarsa stabilità delle dispersioni, tutti fenomeni che possono compromettere le prestazioni termiche nel tempo.
Nei sistemi a base di sali idrati, come il sale di Glauber, questi problemi sono particolarmente marcati. La segregazione di fase può verificarsi quando i diversi componenti si separano durante la fusione, mentre il sottoraffreddamento può impedire al materiale di cristallizzare alla temperatura prevista. Ciò ritarda il rilascio del calore e riduce l’efficienza del sistema.
Un altro problema comune è la formazione di aggregati quando si incorporano additivi o nanoparticelle nelle formulazioni di PCM. I metodi di miscelazione convenzionali spesso non riescono a disperdere uniformemente le particelle, producendo dispersioni instabili e un comportamento termico non uniforme.
Per affrontare queste limitazioni, i ricercatori ricorrono sempre più spesso al trattamento a ultrasuoni, che offre un metodo altamente efficace per disperdere i materiali su scala micrometrica e nanometrica.
 

Come la sonicazione migliora la formulazione dei PCM

La sonicazione si basa sul fenomeno della cavitazione acustica, che si verifica quando onde ultrasoniche ad alta intensità si propagano attraverso un liquido. Queste onde generano bolle microscopiche che collassano rapidamente, producendo zone localizzate caratterizzate da temperature, pressioni e forze di taglio estreme.
Questo processo crea condizioni di miscelazione intense che non possono essere ottenute con la tradizionale agitazione meccanica. Di conseguenza, la sonicazione può disgregare gli agglomerati di particelle, ridurre le dimensioni delle particelle e distribuire uniformemente gli additivi in tutta la matrice del PCM.
La ricerca sperimentale sulle dispersioni di PCM dimostra che la miscelazione a ultrasuoni produce aggregati significativamente più piccoli e miscele più omogenee rispetto all’agitazione magnetica, migliorando la stabilità e la riproducibilità.
Questi miglioramenti influenzano direttamente le prestazioni termiche, perché una dispersione omogenea garantisce che il cambiamento di fase avvenga in modo uniforme in tutto il materiale.

Perché la sonicazione migliora la stabilità dei PCM

La ricerca dimostra che il metodo di miscelazione svolge un ruolo cruciale nelle prestazioni dei PCM.
Ad esempio, esperimenti condotti su dispersioni di PCM a base di sali idrati hanno dimostrato che la miscelazione a ultrasuoni migliorava l’omogeneità e la stabilità rispetto ai metodi di miscelazione tradizionali

Il trattamento a ultrasuoni migliora i sistemi a base di PCM attraverso diversi meccanismi:

1. Dimensioni delle particelle più piccole
   Le forze di cavitazione frammentano cristalli o aggregati di grandi dimensioni in particelle fini.
2. Maggiore uniformità della dispersione
   Gli ultrasuoni assicurano che additivi come gli agenti nucleanti e gli addensanti siano distribuiti uniformemente.
3. Sedimentazione ridotta
   Le particelle più fini rimangono in sospensione più a lungo.
4. Migliori prestazioni termiche
   I sistemi omogenei presentano transizioni di fase più uniformi e una maggiore capacità effettiva di accumulo del calore.

Materiali a cambiamento di fase potenziati con nanomateriali: migliorare la conducibilità termica

Uno degli sviluppi più interessanti nella ricerca sui PCM è la comparsa dei materiali a cambiamento di fase potenziati con nanomateriali (NePCM). In questi sistemi, le nanoparticelle vengono incorporate nella matrice del PCM per migliorare la conducibilità termica e accelerare il trasferimento di calore.
Nanomateriali come il grafene, i nanotubi di carbonio e gli ossidi metallici possono aumentare significativamente le velocità di trasferimento del calore. Tuttavia, le nanoparticelle tendono ad agglomerarsi a causa delle forti forze attrattive tra le particelle. Se questi agglomerati non vengono dispersi correttamente, non è possibile ottenere i miglioramenti attesi della conducibilità termica.
Il trattamento a ultrasuoni svolge qui un ruolo cruciale. Le intense forze di cavitazione generate dalla sonicazione disgregano gli agglomerati di nanoparticelle e le distribuiscono uniformemente in tutto il PCM. I PCM potenziati con nanomateriali così ottenuti assorbono e rilasciano il calore più rapidamente, risultando molto più efficienti nelle applicazioni di accumulo di energia termica.

Nanoincapsulamento: prevenire le fuoriuscite e migliorare la durabilità

Un’altra importante innovazione resa possibile dal trattamento a ultrasuoni è il nanoincapsulamento dei materiali a cambiamento di fase.
Nei PCM nanoincapsulati, il materiale a cambiamento di fase è racchiuso in un guscio protettivo – spesso costituito da polimeri, silice o materiali ibridi. Questo guscio impedisce le fuoriuscite quando il PCM fonde e protegge il materiale dalla degradazione chimica.
La sonicazione consente di produrre emulsioni estremamente fini che costituiscono la base per microcapsule e nanocapsule. Il processo genera goccioline uniformi che successivamente formano il nucleo del PCM, mentre i materiali del guscio polimerizzano o condensano attorno a esse. Le capsule risultanti presentano distribuzioni dimensionali ristrette e una migliore stabilità meccanica.
Questi PCM incapsulati sono sempre più utilizzati in applicazioni avanzate, tra cui tessuti intelligenti, rivestimenti, raffreddamento dei dispositivi elettronici e sistemi di gestione termica.

La cera di paraffina come PCM: un esempio pratico di sonicazione

I materiali organici a cambiamento di fase, come la cera di paraffina, sono ampiamente utilizzati grazie alla loro stabilità chimica, alla loro natura non corrosiva e alle temperature di fusione favorevoli. I PCM a base di paraffina sono comunemente utilizzati nei materiali da costruzione, nei sistemi solari termici e nelle tecnologie di regolazione termica.
Tuttavia, anche la cera di paraffina presenta una conducibilità termica relativamente bassa e può formare goccioline o aggregati di grandi dimensioni quando viene incorporata in emulsioni o materiali compositi. La sonicazione offre una soluzione efficace a questi problemi.
Quando la cera di paraffina viene trattata con ultrasuoni ad alta potenza, le forze di cavitazione suddividono la cera fusa in goccioline estremamente fini, creando emulsioni o dispersioni stabili. Ciò consente di distribuire uniformemente la cera all’interno di un fluido vettore o di una matrice polimerica. Le formulazioni di PCM risultanti presentano migliori proprietà di trasferimento del calore e una maggiore stabilità durante ripetuti cicli di cambiamento di fase.
Il trattamento a ultrasuoni è inoltre ampiamente utilizzato per produrre microcapsule di paraffina, nelle quali le goccioline di cera fusa vengono incapsulate in gusci polimerici. Queste capsule impediscono le fuoriuscite durante la fusione e consentono di integrare i PCM a base di paraffina nei materiali da costruzione, nei rivestimenti o nei tessuti.

Perché i sonicatori Hielscher sono ideali per il trattamento dei PCM

Le apparecchiature a ultrasuoni ad alta potenza sono essenziali per ottenere la qualità di dispersione richiesta dalle formulazioni avanzate di PCM. Hielscher Ultrasonics è diventata un fornitore leader di processori a ultrasuoni sia per i laboratori di ricerca sia per la produzione industriale.
I sistemi Hielscher offrono un controllo preciso dell’ampiezza ultrasonica, della potenza immessa e del tempo di trattamento, consentendo ai ricercatori di perfezionare le formulazioni di PCM con una riproducibilità eccezionale. I loro processori a ultrasuoni generano campi di cavitazione intensi e costanti, garantendo un’efficiente riduzione delle dimensioni delle particelle, deagglomerazione e omogeneizzazione.
Un altro vantaggio fondamentale della tecnologia Hielscher è la scalabilità. I processi sviluppati nei sistemi di laboratorio possono essere trasferiti direttamente ai reattori industriali a ultrasuoni, consentendo ai produttori di passare dalla sperimentazione su piccola scala alla produzione commerciale senza modificare i parametri di processo di base.
I processori a ultrasuoni Hielscher sono già stati utilizzati in studi scientifici per la preparazione di dispersioni di PCM, dimostrando la loro efficacia nel produrre miscele omogenee e nel ridurre gli aggregati di particelle.

Progressi nello sviluppo dei PCM mediante sonicazione

Con l’evoluzione dei sistemi energetici e la crescente domanda di un accumulo termico efficiente, i materiali avanzati a cambiamento di fase svolgeranno un ruolo sempre più importante. Le prestazioni di questi materiali dipendono non soltanto dalla loro composizione chimica, ma anche dai metodi utilizzati per prepararli e trattarli.
Il trattamento a ultrasuoni offre uno strumento potente e versatile per controllare la microstruttura dei sistemi a base di PCM. Consentendo di ottenere dispersioni uniformi, di integrare nanoparticelle e di realizzare il nanoincapsulamento, la sonicazione contribuisce a superare molte delle limitazioni che hanno tradizionalmente ostacolato le tecnologie dei PCM.

Il trattamento a ultrasuoni sta rapidamente diventando una tecnologia abilitante fondamentale per i PCM di nuova generazione, tra cui:

• PCM potenziati con nanomateriali
• PCM nanoincapsulati
• Compositi a base di PCM ad alta conducibilità
• Emulsioni e dispersioni stabili di PCM

I sonicatori Hielscher ad alte prestazioni per uso industriale consentono un aumento di scala lineare fino alla produzione su larga scala – trasformando così i materiali a cambiamento di fase da promettenti materiali di laboratorio in soluzioni affidabili per il moderno accumulo di energia e la gestione termica.

Letteratura / Riferimenti

• 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.