Ultrazvuk posúva vývoj materiálov s fázovou premenou na ukladanie energie

S rastúcim celosvetovým dopytom po efektívnom hospodárení s energiou získavajú materiály s fázovou premenou (PCM) pozornosť ako účinné riešenie na ukladanie tepelnej energie. Tieto materiály dokážu počas topenia a tuhnutia absorbovať a uvoľňovať veľké množstvá tepla, vďaka čomu sú cenné v aplikáciách od regulácie vnútorného prostredia budov cez chladenie batérií až po systémy využívajúce obnoviteľné zdroje energie.
Napriek svojim sľubným vlastnostiam však mnohé PCM čelia praktickým problémom, ktoré obmedzujú ich široké využitie. Výskumníci a inžinieri sa čoraz častejšie obracajú na spracovanie vysokovýkonným ultrazvukom – známe aj ako sonikácia – s cieľom prekonať tieto prekážky a naplno využiť potenciál materiálov s fázovou premenou.
Ultrazvukové spracovanie umožňuje vytvárať PCM vylepšené nanočasticami a nanoenkapsulované PCM, zlepšuje stabilitu disperzií a pomáha optimalizovať tepelné vlastnosti. Sonikácia sa tak stáva jednou z najúčinnejších technológií na výrobu pokročilých systémov PCM.

Ultrazvukový homogenizátor UIP2000hdT na spracovanie PCM

Prečo sú materiály s fázovou premenou dôležité pre ukladanie energie

Materiály s fázovou premenou ukladajú energiu vo forme latentného tepla, ktoré sa absorbuje počas topenia a uvoľňuje pri tuhnutí materiálu. Na rozdiel od konvenčných materiálov, ktoré ukladajú teplo iba prostredníctvom zmeny teploty, dokážu PCM ukladať a uvoľňovať veľké množstvá energie pri takmer konštantných teplotách.
Vďaka tejto vlastnosti sú veľmi atraktívne pre systémy tepelného manažmentu. V budovách môžu PCM regulovať vnútornú teplotu absorbovaním prebytočného tepla počas dňa a jeho uvoľňovaním pri poklese teploty. V systémoch využívajúcich obnoviteľné zdroje energie pomáhajú ukladať tepelnú energiu zo solárnych kolektorov. Čoraz častejšie sa využívajú aj na chladenie elektroniky, tepelný manažment batérií a prepravu s regulovanou teplotou.
Hydráty solí a organické materiály patria medzi najviac skúmané PCM. Napríklad Glauberova soľ (dekahydrát síranu sodného) vzbudila značný záujem vďaka vysokej entalpii topenia a vhodnej teplote fázovej premeny. Tieto vlastnosti jej umožňujú efektívne ukladať značné množstvá tepelnej energie.
Mnohé systémy PCM však vykazujú problémy so stabilitou, ktoré je potrebné vyriešiť pred ich širokým zavedením do praxe.

Pretrvávajúce problémy konvenčných PCM

Hoci materiály s fázovou premenou dokážu ukladať veľké množstvá energie, ich praktická účinnosť často závisí od toho, do akej miery si materiál zachováva stabilitu počas opakovaných cyklov ohrevu a chladenia. Mnohé PCM trpia segregáciou fáz, podchladením a nedostatočnou stabilitou disperzií, čo môže časom zhoršiť ich tepelné vlastnosti.
V systémoch na báze hydrátov solí, ako je Glauberova soľ, sú tieto problémy obzvlášť výrazné. K segregácii fáz môže dochádzať, keď sa jednotlivé zložky počas topenia oddeľujú, zatiaľ čo podchladenie môže brániť kryštalizácii materiálu pri očakávanej teplote. Tým sa oneskoruje uvoľňovanie tepla a znižuje účinnosť systému.
Ďalším bežným problémom je tvorba agregátov pri začleňovaní prísad alebo nanočastíc do formulácií PCM. Konvenčné metódy miešania často nedokážu častice rovnomerne dispergovať, čo vedie k nestabilným disperziám a nekonzistentnému tepelnému správaniu.
Na prekonanie týchto obmedzení sa výskumníci čoraz častejšie spoliehajú na ultrazvukové spracovanie, ktoré predstavuje vysoko účinnú metódu dispergovania materiálov na mikro- a nanoúrovni.
 

Ako sonikácia zlepšuje prípravu formulácií PCM

Sonikácia je založená na jave akustickej kavitácie, ku ktorému dochádza pri šírení ultrazvukových vĺn s vysokou intenzitou kvapalinou. Tieto vlny vytvárajú mikroskopické bubliny, ktoré rýchlo kolabujú a vytvárajú lokalizované oblasti s extrémnou teplotou, tlakom a šmykovými silami.
Tento proces vytvára podmienky intenzívneho miešania, ktoré nemožno dosiahnuť tradičným mechanickým miešaním. Vďaka tomu môže sonikácia rozrušovať aglomeráty častíc, zmenšovať veľkosť častíc a rovnomerne rozptyľovať prísady v celej matrici PCM.
Experimentálny výskum disperzií PCM preukazuje, že ultrazvukové miešanie vytvára výrazne menšie agregáty a homogénnejšie zmesi než magnetické miešanie, čo vedie k lepšej stabilite a reprodukovateľnosti.
Tieto zlepšenia priamo ovplyvňujú tepelné vlastnosti, pretože homogénna disperzia zabezpečuje rovnomerný priebeh fázovej premeny v celom materiáli.

Prečo sonikácia zlepšuje stabilitu PCM

Výskum ukazuje, že spôsob miešania zohráva kľúčovú úlohu vo funkčných vlastnostiach PCM.
Napríklad experimenty s disperziami PCM na báze hydrátov solí preukázali, že ultrazvukové miešanie zlepšilo homogenitu a stabilitu v porovnaní s tradičnými metódami miešania

Ultrazvukové spracovanie zlepšuje systémy PCM prostredníctvom viacerých mechanizmov:

1. Menšia veľkosť častíc
   Kavitačné sily rozrušujú veľké kryštály alebo agregáty na jemné častice.
2. Lepšia rovnomernosť disperzie
   Ultrazvuk zabezpečuje rovnomerné rozptýlenie prísad, ako sú nukleačné činidlá a zahusťovadlá.
3. Znížená sedimentácia
   Jemnejšie častice zostávajú dlhšie v suspenzii.
4. Lepšie tepelné vlastnosti
   Homogénne systémy vykazujú rovnomernejší priebeh fázových prechodov a vyššiu efektívnu akumuláciu tepla.

Materiály s fázovou premenou obohatené nanočasticami: zlepšenie tepelnej vodivosti

Jedným z najzaujímavejších pokrokov vo výskume PCM je vznik materiálov s fázovou premenou obohatených nanočasticami (NePCMs). V týchto systémoch sa nanočastice začleňujú do matrice PCM s cieľom zvýšiť tepelnú vodivosť a urýchliť prenos tepla.
Nanomateriály, ako sú grafén, uhlíkové nanorúrky a oxidy kovov, môžu výrazne zvýšiť rýchlosť prenosu tepla. Nanočastice však majú tendenciu aglomerovať v dôsledku silných príťažlivých síl medzi časticami. Ak tieto zhluky nie sú správne dispergované, očakávané zlepšenie tepelnej vodivosti nemožno dosiahnuť.
Ultrazvukové spracovanie tu zohráva kľúčovú úlohu. Intenzívne kavitačné sily vznikajúce pri sonikácii rozrušujú zhluky nanočastíc a rovnomerne ich rozptyľujú v celom PCM. Výsledné PCM obohatené nanočasticami vykazujú rýchlejšiu absorpciu a uvoľňovanie tepla, vďaka čomu sú oveľa účinnejšie pri akumulácii tepelnej energie.

Nanoenkapsulácia: zabránenie úniku a zlepšenie trvanlivosti

Ďalšou dôležitou inováciou, ktorú umožňuje ultrazvukové spracovanie, je nanoenkapsulácia materiálov s fázovou premenou.
V nanoenkapsulovaných PCM je materiál s fázovou premenou uzavretý v ochrannom obale – často vyrobenom z polymérov, oxidu kremičitého alebo hybridných materiálov. Tento obal zabraňuje úniku pri tavení PCM a chráni materiál pred chemickou degradáciou.
Sonikácia umožňuje výrobu mimoriadne jemných emulzií, ktoré slúžia ako základ pre mikrokapsuly a nanokapsuly. Pri tomto procese vznikajú rovnomerné kvapôčky, ktoré neskôr tvoria jadro PCM, zatiaľ čo materiály obalu okolo nich polymerizujú alebo kondenzujú. Výsledné kapsuly vykazujú úzku distribúciu veľkosti a lepšiu mechanickú stabilitu.
Takéto enkapsulované PCM sa čoraz viac používajú v pokročilých aplikáciách vrátane inteligentných textílií, povlakov, chladenia elektroniky a systémov tepelného manažmentu.

Parafínový vosk ako PCM: praktický príklad sonikácie

Organické materiály s fázovou premenou, ako je parafínový vosk, sa široko používajú vďaka svojej chemickej stabilite, nekorozívnosti a priaznivým teplotám topenia. PCM na báze parafínu sa bežne používajú v stavebných materiáloch, solárnych tepelných systémoch a technológiách regulácie teploty.
Parafínový vosk však má aj relatívne nízku tepelnú vodivosť a pri začleňovaní do emulzií alebo kompozitných materiálov môže vytvárať veľké kvapôčky alebo agregáty. Sonikácia ponúka účinné riešenie týchto problémov.
Pri spracovaní parafínového vosku vysokovýkonným ultrazvukom kavitačné sily rozbíjajú roztavený vosk na mimoriadne jemné kvapôčky, čím vznikajú stabilné emulzie alebo disperzie. To umožňuje rovnomerné rozptýlenie vosku v nosnej kvapaline alebo polymérnej matrici. Výsledné formulácie PCM vykazujú lepšie vlastnosti prenosu tepla a vyššiu stabilitu počas opakovaných cyklov fázovej premeny.
Ultrazvukové spracovanie sa široko používa aj na výrobu parafínových mikrokapsúl, v ktorých sú kvapôčky roztaveného vosku zapuzdrené v polymérnych obaloch. Tieto kapsuly zabraňujú úniku pri topení a umožňujú začlenenie parafínových PCM do stavebných materiálov, náterov alebo textílií.

Prečo sú sonikátory Hielscher ideálne na spracovanie PCM

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia sú nevyhnutné na dosiahnutie kvality disperzie požadovanej pre pokročilé formulácie PCM. Hielscher Ultrasonics sa stal popredným dodávateľom ultrazvukových procesorov pre výskumné laboratóriá aj priemyselnú výrobu.
Systémy Hielscher poskytujú presné riadenie amplitúdy ultrazvuku, privádzaného výkonu a času spracovania, čo výskumníkom umožňuje jemne dolaďovať formulácie PCM s výnimočnou reprodukovateľnosťou. Ich ultrazvukové procesory vytvárajú silné a rovnomerné kavitačné polia, čo zabezpečuje účinné zmenšovanie častíc, deaglomeráciu a homogenizáciu.
Ďalšou kľúčovou výhodou technológie Hielscher je možnosť zväčšovania meradla. Procesy vyvinuté v laboratórnych systémoch možno preniesť priamo do priemyselných ultrazvukových reaktorov, čo výrobcom umožňuje prejsť od experimentov v malom meradle ku komerčnej výrobe bez zmeny základných procesných parametrov.
Ultrazvukové procesory Hielscher sa už použili vo vedeckých štúdiách na prípravu disperzií PCM, čím preukázali svoju účinnosť pri tvorbe homogénnych zmesí a zmenšovaní agregátov častíc.

Pokroky vo vývoji PCM pomocou sonikácie

S vývojom energetických systémov a rastúcim dopytom po účinnom ukladaní tepla budú pokročilé materiály s fázovou premenou zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu. Výkonnosť týchto materiálov závisí nielen od ich chemického zloženia, ale aj od metód používaných na ich prípravu a spracovanie.
Ultrazvukové spracovanie poskytuje účinný a všestranný nástroj na riadenie mikroštruktúry systémov PCM. Tým, že sonikácia umožňuje tvorbu rovnomerných disperzií, začleňovanie nanočastíc a nanoenkapsuláciu, pomáha prekonať mnohé obmedzenia, ktoré tradične brzdili technológie PCM.

Ultrazvukové spracovanie sa rýchlo stáva kľúčovou technológiou umožňujúcou vývoj PCM novej generácie, medzi ktoré patria:

• PCM vylepšené nanočasticami
• Nanoenkapsulované PCM
• Kompozity PCM s vysokou tepelnou vodivosťou
• Stabilné emulzie a disperzie PCM

Vysokovýkonné sonikátory Hielscher určené na priemyselné použitie umožňujú lineárne zväčšovanie meradla až po veľkokapacitnú výrobu – čím premieňajú materiály s fázovou premenou zo sľubných laboratórnych materiálov na spoľahlivé riešenia pre moderné ukladanie energie a riadenie tepelného režimu.

Literatúra / Referencie

• 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.