Os ultrassons promovem avanços nos materiais de mudança de fase para armazenamento de energia

À medida que cresce a procura global de uma gestão eficiente da energia, os materiais de mudança de fase (PCMs) estão a ganhar destaque como uma solução poderosa para o armazenamento de energia térmica. Estes materiais podem absorver e libertar grandes quantidades de calor durante a fusão e a solidificação, tornando-os valiosos para aplicações que vão da climatização de edifícios ao arrefecimento de baterias e aos sistemas de energias renováveis.
No entanto, apesar das suas propriedades promissoras, muitos PCMs enfrentam desafios práticos que limitam a sua utilização generalizada. Os investigadores e engenheiros recorrem cada vez mais ao processamento ultrassónico de alta potência – também conhecido como sonicação – para superar estes obstáculos e explorar todo o potencial dos materiais de mudança de fase.
O processamento ultrassónico permite criar PCMs melhorados com nanopartículas e nanoencapsulados, melhora a estabilidade das dispersões e ajuda a otimizar o desempenho térmico. Como resultado, a sonicação está a afirmar-se como uma das tecnologias mais eficazes para produzir sistemas avançados de PCMs.

Homogeneizador ultrassónico UIP2000hdT para processamento de PCMs

Porque são os materiais de mudança de fase importantes para o armazenamento de energia

Os materiais de mudança de fase armazenam energia sob a forma de calor latente, que é absorvido durante a fusão e libertado quando o material solidifica. Ao contrário dos materiais convencionais, que armazenam calor apenas através da variação de temperatura, os PCMs podem armazenar e libertar grandes quantidades de energia a temperaturas quase constantes.
Esta propriedade torna-os muito atrativos para os sistemas de gestão térmica. Nos edifícios, os PCMs podem regular as temperaturas interiores, absorvendo o excesso de calor durante o dia e libertando-o quando as temperaturas descem. Nos sistemas de energias renováveis, ajudam a armazenar energia térmica proveniente de coletores solares. São também cada vez mais utilizados no arrefecimento de equipamentos eletrónicos, na gestão térmica de baterias e no transporte com temperatura controlada.
Os sais hidratados e os materiais orgânicos estão entre os PCMs mais amplamente estudados. Por exemplo, o sal de Glauber (sulfato de sódio deca-hidratado) tem suscitado um interesse considerável devido à sua elevada entalpia de fusão e à sua temperatura de transição de fase adequada. Estas características permitem-lhe armazenar quantidades significativas de energia térmica de forma eficiente.
Contudo, muitos sistemas de PCMs apresentam problemas de estabilidade que têm de ser resolvidos antes de poderem ser amplamente adotados.

Os desafios persistentes dos PCMs convencionais

Embora os materiais de mudança de fase possam armazenar grandes quantidades de energia, o seu desempenho prático depende frequentemente da capacidade do material de se manter estável durante ciclos repetidos de aquecimento e arrefecimento. Muitos PCMs apresentam segregação de fases, sobrearrefecimento e fraca estabilidade das dispersões, fatores que podem degradar o desempenho térmico ao longo do tempo.
Nos sistemas de sais hidratados, como o sal de Glauber, estes problemas são particularmente acentuados. A segregação de fases pode ocorrer quando diferentes componentes se separam durante a fusão, enquanto o sobrearrefecimento pode impedir que o material cristalize à temperatura esperada. Isto atrasa a libertação de calor e reduz a eficiência do sistema.
Outro problema comum é a formação de agregados quando são incorporados aditivos ou nanopartículas nas formulações de PCMs. Os métodos de mistura convencionais muitas vezes não conseguem dispersar as partículas uniformemente, originando dispersões instáveis e um comportamento térmico inconsistente.
Para ultrapassar estas limitações, os investigadores recorrem cada vez mais ao processamento ultrassónico, que oferece um método altamente eficaz para dispersar materiais à escala micrométrica e nanométrica.
 

Como a sonicação melhora a formulação de PCMs

A sonicação baseia-se no fenómeno da cavitação acústica, que ocorre quando ondas ultrassónicas de alta intensidade se propagam através de um líquido. Estas ondas geram bolhas microscópicas que colapsam rapidamente, produzindo zonas localizadas com temperaturas, pressões e forças de cisalhamento extremas.
Este processo cria condições de mistura intensa que não podem ser alcançadas com a agitação mecânica tradicional. Como resultado, a sonicação pode desfazer aglomerados de partículas, reduzir o tamanho das partículas e distribuir os aditivos uniformemente por toda a matriz do PCM.
A investigação experimental sobre dispersões de PCMs demonstra que a mistura ultrassónica produz agregados significativamente mais pequenos e misturas mais homogéneas do que a agitação magnética, melhorando a estabilidade e a reprodutibilidade.
Estas melhorias influenciam diretamente o desempenho térmico, porque uma dispersão homogénea assegura que a mudança de fase ocorre de forma consistente em todo o material.

Porque a sonicação melhora a estabilidade dos PCMs

A investigação mostra que a metodologia de mistura desempenha um papel crucial no desempenho dos PCMs.
Por exemplo, experiências com dispersões de PCMs à base de sais hidratados demonstraram que a mistura ultrassónica melhorou a homogeneidade e a estabilidade em comparação com os métodos de mistura tradicionais

O processamento ultrassónico melhora os sistemas de PCMs através de vários mecanismos:

1. Menor tamanho das partículas
   As forças de cavitação fragmentam cristais ou agregados grandes em partículas finas.
2. Maior uniformidade da dispersão
   Os ultrassons asseguram uma distribuição uniforme de aditivos como agentes de nucleação e espessantes.
3. Menor sedimentação
   As partículas mais finas permanecem em suspensão durante mais tempo.
4. Melhor desempenho térmico
   Os sistemas homogéneos apresentam transições de fase mais consistentes e um maior armazenamento efetivo de calor.

Materiais de mudança de fase melhorados com nanopartículas: melhorar a condutividade térmica

Um dos desenvolvimentos mais empolgantes na investigação sobre PCMs é o aparecimento de materiais de mudança de fase melhorados com nanopartículas (NePCMs). Nestes sistemas, as nanopartículas são incorporadas na matriz do PCM para aumentar a condutividade térmica e acelerar a transferência de calor.
Nanomateriais como o grafeno, os nanotubos de carbono e os óxidos metálicos podem melhorar significativamente as taxas de transferência de calor. No entanto, as nanopartículas tendem a aglomerar-se devido às fortes forças de atração entre partículas. Se estes aglomerados não forem devidamente dispersos, não será possível alcançar as melhorias esperadas na condutividade térmica.
O processamento ultrassónico desempenha aqui um papel crucial. As intensas forças de cavitação geradas pela sonicação desfazem os aglomerados de nanopartículas e distribuem-nas uniformemente por todo o PCM. Os PCMs melhorados com nanopartículas resultantes apresentam uma absorção e uma libertação de calor mais rápidas, tornando-os muito mais eficientes para aplicações de armazenamento de energia térmica.

Nanoencapsulação: evitar fugas e melhorar a durabilidade

Outra inovação importante possibilitada pelo processamento ultrassónico é a nanoencapsulação de materiais de mudança de fase.
Nos PCMs nanoencapsulados, o material de mudança de fase fica encerrado num invólucro protetor – frequentemente constituído por polímeros, sílica ou materiais híbridos. Este invólucro evita fugas quando o PCM funde e protege o material da degradação química.
A sonicação permite produzir emulsões extremamente finas que servem de base para microcápsulas e nanocápsulas. O processo gera gotículas uniformes que mais tarde formam o núcleo de PCM, enquanto os materiais do invólucro polimerizam ou condensam em torno delas. As cápsulas resultantes apresentam distribuições estreitas de tamanhos e maior estabilidade mecânica.
Estes PCMs encapsulados são cada vez mais utilizados em aplicações avançadas, incluindo têxteis inteligentes, revestimentos, arrefecimento de equipamentos eletrónicos e sistemas de gestão térmica.

Cera de parafina como PCM: um exemplo prático de sonicação

Os materiais de mudança de fase orgânicos, como a cera de parafina, são amplamente utilizados devido à sua estabilidade química, ao seu caráter não corrosivo e às suas temperaturas de fusão favoráveis. Os PCMs à base de parafina são habitualmente utilizados em materiais de construção, sistemas solares térmicos e tecnologias de regulação térmica.
No entanto, a cera de parafina também apresenta uma condutividade térmica relativamente baixa e pode formar gotículas ou agregados grandes quando é incorporada em emulsões ou materiais compósitos. A sonicação oferece uma solução poderosa para estes desafios.
Quando a cera de parafina é processada com ultrassons de alta potência, as forças de cavitação fragmentam a cera fundida em gotículas extremamente finas, criando emulsões ou dispersões estáveis. Isto permite distribuir uniformemente a cera num fluido portador ou numa matriz polimérica. As formulações de PCMs resultantes apresentam melhores propriedades de transferência de calor e maior estabilidade durante ciclos repetidos de mudança de fase.
O processamento ultrassónico é também amplamente utilizado para produzir microcápsulas de parafina, nas quais as gotículas de cera fundida são encapsuladas em invólucros poliméricos. Estas cápsulas evitam fugas durante a fusão e permitem integrar PCMs de parafina em materiais de construção, revestimentos ou têxteis.

Porque os sonicadores Hielscher são ideais para o processamento de PCMs

Os equipamentos ultrassónicos de alta potência são essenciais para alcançar a qualidade de dispersão exigida pelas formulações avançadas de PCMs. A Hielscher Ultrasonics tornou-se um dos principais fornecedores de processadores ultrassónicos, tanto para laboratórios de investigação como para a produção industrial.
Os sistemas Hielscher proporcionam um controlo preciso da amplitude ultrassónica, da potência fornecida e do tempo de processamento, permitindo aos investigadores ajustar com precisão as formulações de PCMs com uma reprodutibilidade excecional. Os seus processadores ultrassónicos geram campos de cavitação fortes e consistentes, o que assegura uma redução eficiente do tamanho das partículas, a desaglomeração e a homogeneização.
Outra vantagem fundamental da tecnologia Hielscher é a escalabilidade. Os processos desenvolvidos em sistemas laboratoriais podem ser transferidos diretamente para reatores ultrassónicos industriais, permitindo aos fabricantes passar da experimentação em pequena escala para a produção comercial sem alterar os parâmetros subjacentes do processo.
Os processadores ultrassónicos Hielscher já foram utilizados em estudos científicos para preparar dispersões de PCMs, demonstrando a sua eficácia na produção de misturas homogéneas e na redução dos agregados de partículas.

Avanços no desenvolvimento de PCMs com sonicação

À medida que os sistemas energéticos evoluem e a procura de armazenamento térmico eficiente cresce, os materiais avançados de mudança de fase desempenharão um papel cada vez mais importante. O desempenho destes materiais depende não só da sua composição química, mas também dos métodos utilizados para os preparar e processar.
O processamento ultrassónico proporciona uma ferramenta poderosa e versátil para controlar a microestrutura dos sistemas de PCMs. Ao permitir dispersões uniformes, a integração de nanopartículas e a nanoencapsulação, a sonicação ajuda a superar muitas das limitações que tradicionalmente têm dificultado o desenvolvimento das tecnologias de PCMs.

O processamento ultrassónico está rapidamente a tornar-se uma tecnologia fundamental para viabilizar os PCMs da próxima geração, incluindo:

• PCMs melhorados com nanopartículas
• PCMs nanoencapsulados
• Compósitos de PCMs de elevada condutividade
• Emulsões e dispersões estáveis de PCMs

Os sonicadores Hielscher de elevado desempenho e de classe industrial permitem um aumento linear da escala até à produção em grande escala – transformando assim os materiais de mudança de fase, de materiais laboratoriais promissores, em soluções fiáveis para o armazenamento moderno de energia e a gestão térmica.

Bibliografia / Referências

• Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
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• 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.