Ultrasoon geluid bevordert faseovergangsmaterialen voor energieopslag

Nu de wereldwijde vraag naar efficiënt energiebeheer groeit, krijgen faseovergangsmaterialen (PCM’s) steeds meer aandacht als krachtige oplossing voor thermische energieopslag. Deze materialen kunnen tijdens het smelten en stollen grote hoeveelheden warmte opnemen en afgeven, waardoor ze waardevol zijn voor toepassingen die uiteenlopen van klimaatbeheersing in gebouwen tot batterijkoeling en systemen voor hernieuwbare energie.
Ondanks hun veelbelovende eigenschappen kampen veel PCM’s echter met praktische uitdagingen die hun brede toepassing beperken. Onderzoekers en ingenieurs wenden zich steeds vaker tot ultrasone verwerking met hoog vermogen – ook bekend als sonicatie – om deze obstakels te overwinnen en het volledige potentieel van faseovergangsmaterialen te benutten.
Ultrasone verwerking maakt de productie van met nanodeeltjes verbeterde en nanogeëncapsuleerde PCM’s mogelijk, verbetert de dispersiestabiliteit en helpt de thermische prestaties te optimaliseren. Daardoor ontwikkelt sonicatie zich tot een van de effectiefste technologieën voor de productie van geavanceerde PCM-systemen.

Ultrasone homogenisator UIP2000hdT voor de verwerking van PCM’s

Waarom faseovergangsmaterialen belangrijk zijn voor energieopslag

Faseovergangsmaterialen slaan energie op in de vorm van latente warmte, die tijdens het smelten wordt opgenomen en wordt afgegeven wanneer het materiaal stolt. Anders dan conventionele materialen die warmte uitsluitend door temperatuurverandering opslaan, kunnen PCM’s grote hoeveelheden energie opslaan en afgeven bij vrijwel constante temperaturen.
Deze eigenschap maakt ze zeer aantrekkelijk voor systemen voor thermisch beheer. In gebouwen kunnen PCM’s de binnentemperatuur regelen door overdag overtollige warmte op te nemen en deze af te geven wanneer de temperatuur daalt. In systemen voor hernieuwbare energie helpen ze thermische energie van zonnecollectoren op te slaan. Ze worden ook steeds vaker gebruikt voor elektronicakoeling, thermisch beheer van batterijen en temperatuurgecontroleerd vervoer.
Zouthydraten en organische materialen behoren tot de meest onderzochte PCM’s. Zo heeft glauberzout (natriumsulfaatdecahydraat) veel belangstelling gewekt vanwege zijn hoge smeltenthalpie en geschikte faseovergangstemperatuur. Dankzij deze eigenschappen kan het aanzienlijke hoeveelheden thermische energie efficiënt opslaan.
Toch vertonen veel PCM-systemen stabiliteitsproblemen die moeten worden aangepakt voordat ze op grote schaal kunnen worden toegepast.

De aanhoudende uitdagingen van conventionele PCM’s

Hoewel faseovergangsmaterialen grote hoeveelheden energie kunnen opslaan, hangen hun praktische prestaties vaak af van hoe goed het materiaal stabiel blijft tijdens herhaalde verwarmings- en afkoelingscycli. Veel PCM’s kampen met fasesegregatie, onderkoeling en slechte dispersiestabiliteit, die allemaal de thermische prestaties in de loop van de tijd kunnen verslechteren.
In systemen met zouthydraten, zoals glauberzout, zijn deze problemen bijzonder uitgesproken. Fasesegregatie kan optreden wanneer verschillende componenten tijdens het smelten van elkaar scheiden, terwijl onderkoeling kan verhinderen dat het materiaal bij de verwachte temperatuur kristalliseert. Dit vertraagt de warmteafgifte en vermindert de efficiëntie van het systeem.
Een ander veelvoorkomend probleem is de vorming van aggregaten wanneer additieven of nanodeeltjes in PCM-formuleringen worden verwerkt. Conventionele mengmethoden slagen er vaak niet in deeltjes gelijkmatig te dispergeren, wat leidt tot instabiele dispersies en inconsistent thermisch gedrag.
Om deze beperkingen aan te pakken, vertrouwen onderzoekers steeds vaker op ultrasone verwerking, die een zeer effectieve methode biedt voor het dispergeren van materialen op micro- en nanoschaal.
 

Hoe sonicatie de formulering van PCM’s verbetert

Sonicatie berust op het verschijnsel akoestische cavitatie, dat optreedt wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit zich door een vloeistof voortplanten. Deze golven genereren microscopische bellen die snel imploderen en plaatselijke zones met extreme temperaturen, drukken en afschuifkrachten creëren.
Dit proces creëert intense mengomstandigheden die met traditioneel mechanisch roeren niet kunnen worden bereikt. Daardoor kan sonicatie deeltjesagglomeraten afbreken, de deeltjesgrootte verkleinen en additieven gelijkmatig over de gehele PCM-matrix verdelen.
Experimenteel onderzoek naar PCM-dispersies toont aan dat ultrasoon mengen aanzienlijk kleinere aggregaten en homogenere mengsels oplevert dan magnetisch roeren, wat resulteert in een verbeterde stabiliteit en reproduceerbaarheid.
Deze verbeteringen beïnvloeden de thermische prestaties rechtstreeks, omdat een homogene dispersie ervoor zorgt dat de faseovergang overal in het materiaal consistent verloopt.

Waarom sonicatie de stabiliteit van PCM’s verbetert

Onderzoek toont aan dat de mengmethode een cruciale rol speelt in de prestaties van PCM’s.
Zo toonden experimenten met PCM-dispersies op basis van zouthydraten aan dat ultrasoon mengen de homogeniteit en stabiliteit verbeterde ten opzichte van traditionele mengmethoden

Ultrasone verwerking verbetert PCM-systemen via verschillende mechanismen:

1. Kleinere deeltjesgrootte
   Cavitatiekrachten breken grote kristallen of aggregaten op in fijne deeltjes.
2. Verbeterde uniformiteit van de dispersie
   Ultrasoon geluid zorgt ervoor dat additieven zoals kiemvormingsmiddelen en verdikkingsmiddelen gelijkmatig worden verdeeld.
3. Verminderde sedimentatie
   Fijnere deeltjes blijven langer in suspensie.
4. Betere thermische prestaties
   Homogene systemen vertonen consistentere faseovergangen en een hogere effectieve warmteopslag.

Met nanodeeltjes verbeterde faseovergangsmaterialen: verbetering van de warmtegeleiding

Een van de interessantste ontwikkelingen in het PCM-onderzoek is de opkomst van met nanodeeltjes verbeterde faseovergangsmaterialen (NePCM’s). In deze systemen worden nanodeeltjes in de PCM-matrix verwerkt om de warmtegeleiding te verbeteren en de warmteoverdracht te versnellen.
Nanomaterialen zoals grafeen, koolstofnanobuisjes en metaaloxiden kunnen de snelheid van de warmteoverdracht aanzienlijk verhogen. Nanodeeltjes hebben echter de neiging te agglomereren door sterke aantrekkingskrachten tussen de deeltjes. Als deze clusters niet goed worden gedispergeerd, kunnen de verwachte verbeteringen in de warmtegeleiding niet worden bereikt.
Ultrasone verwerking speelt hierbij een cruciale rol. De intense cavitatiekrachten die door sonicatie worden gegenereerd, breken clusters van nanodeeltjes uiteen en verdelen ze gelijkmatig over het gehele PCM. De resulterende met nanodeeltjes verbeterde PCM’s nemen warmte sneller op en geven deze sneller af, waardoor ze veel efficiënter zijn voor toepassingen voor thermische energieopslag.

Nano-encapsulatie: lekkage voorkomen en de duurzaamheid verbeteren

Een andere belangrijke innovatie die door ultrasone verwerking mogelijk wordt gemaakt, is de nano-encapsulatie van faseovergangsmaterialen.
In nanogeëncapsuleerde PCM’s is het faseovergangsmateriaal ingesloten in een beschermende schil – vaak gemaakt van polymeren, silica of hybride materialen. Deze schil voorkomt lekkage wanneer het PCM smelt en beschermt het materiaal tegen chemische afbraak.
Sonicatie maakt de productie mogelijk van uiterst fijne emulsies die als basis dienen voor micro- en nanocapsules. Het proces genereert uniforme druppels die later de PCM-kern vormen, terwijl schilmaterialen eromheen polymeriseren of een condensatiereactie ondergaan. De resulterende capsules vertonen een smalle grootteverdeling en een verbeterde mechanische stabiliteit.
Dergelijke geëncapsuleerde PCM’s worden steeds vaker gebruikt in geavanceerde toepassingen, waaronder slim textiel, coatings, elektronicakoeling en systemen voor thermisch beheer.

Paraffinewas als PCM: een praktisch voorbeeld van sonicatie

Organische faseovergangsmaterialen zoals paraffinewas worden veel gebruikt vanwege hun chemische stabiliteit, niet-corrosieve karakter en gunstige smelttemperaturen. PCM’s op basis van paraffine worden veelvuldig gebruikt in bouwmaterialen, thermische zonne-energiesystemen en technologieën voor thermische regeling.
Paraffinewas heeft echter ook een relatief lage warmtegeleiding en kan grote druppels of aggregaten vormen wanneer deze in emulsies of composietmaterialen wordt verwerkt. Sonicatie biedt een krachtige oplossing voor deze uitdagingen.
Wanneer paraffinewas met ultrasoon geluid met hoog vermogen wordt verwerkt, breken cavitatiekrachten de gesmolten was op in uiterst fijne druppels, waardoor stabiele emulsies of dispersies ontstaan. Hierdoor kan de was gelijkmatig worden verdeeld in een dragervloeistof of polymeermatrix. De resulterende PCM-formuleringen vertonen verbeterde warmteoverdrachtseigenschappen en een verhoogde stabiliteit tijdens herhaalde faseovergangscycli.
Ultrasone verwerking wordt ook veel gebruikt voor de productie van paraffinemicrocapsules, waarbij druppels gesmolten was worden ingekapseld in polymeerschillen. Deze capsules voorkomen lekkage tijdens het smelten en maken het mogelijk om paraffine-PCM’s te integreren in bouwmaterialen, coatings of textiel.

Waarom sonicators van Hielscher ideaal zijn voor de verwerking van PCM’s

Ultrasone apparatuur met hoog vermogen is essentieel om de dispersiekwaliteit te bereiken die voor geavanceerde PCM-formuleringen vereist is. Hielscher Ultrasonics is uitgegroeid tot een toonaangevende leverancier van ultrasone processoren voor zowel onderzoekslaboratoria als industriële productie.
Systemen van Hielscher bieden nauwkeurige controle over de ultrasone amplitude, het toegevoerde vermogen en de verwerkingstijd, waardoor onderzoekers PCM-formuleringen met uitzonderlijke reproduceerbaarheid nauwkeurig kunnen afstemmen. Hun ultrasone processoren genereren sterke en consistente cavitatievelden, wat zorgt voor efficiënte deeltjesverkleining, deagglomeratie en homogenisatie.
Een ander belangrijk voordeel van de technologie van Hielscher is de schaalbaarheid. Processen die in laboratoriumsystemen worden ontwikkeld, kunnen rechtstreeks worden overgebracht naar industriële ultrasone reactoren, waardoor fabrikanten van kleinschalige experimenten naar commerciële productie kunnen overstappen zonder de onderliggende procesparameters te wijzigen.
Ultrasone processoren van Hielscher zijn al gebruikt in wetenschappelijke studies voor het bereiden van PCM-dispersies, waarmee hun effectiviteit bij het produceren van homogene mengsels en het verkleinen van deeltjesaggregaten is aangetoond.

Vooruitgang in de ontwikkeling van PCM’s met sonicatie

Naarmate energiesystemen zich ontwikkelen en de vraag naar efficiënte warmteopslag groeit, zullen geavanceerde faseovergangsmaterialen een steeds belangrijkere rol spelen. De prestaties van deze materialen hangen niet alleen af van hun chemische samenstelling, maar ook van de methoden die worden gebruikt om ze te bereiden en te verwerken.
Ultrasone verwerking biedt een krachtig en veelzijdig hulpmiddel om de microstructuur van PCM-systemen te beheersen. Door uniforme dispersies, integratie van nanodeeltjes en nano-encapsulatie mogelijk te maken, helpt sonicatie veel van de beperkingen te overwinnen die PCM-technologieën van oudsher hebben belemmerd.

Ultrasone verwerking ontwikkelt zich snel tot een essentiële technologie die de volgende generatie PCM’s mogelijk maakt, waaronder:

• Met nanodeeltjes verbeterde PCM’s
• Nanogeëncapsuleerde PCM’s
• PCM-composieten met hoge warmtegeleiding
• Stabiele PCM-emulsies en -dispersies

De sonicators van Hielscher van industriële kwaliteit met hoge prestaties maken lineaire opschaling naar grootschalige productie mogelijk – waardoor faseovergangsmaterialen veranderen van veelbelovende laboratoriummaterialen in betrouwbare oplossingen voor moderne energieopslag en thermisch beheer.

Literatuur / Referenties

• 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.