Ultrazvok spodbuja napredek materialov s fazno spremembo za shranjevanje energije

Ker svetovno povpraševanje po učinkovitem upravljanju energije narašča, materiali s fazno spremembo (PCM) pritegujejo pozornost kot zmogljiva rešitev za shranjevanje toplotne energije. Ti materiali lahko med taljenjem in strjevanjem absorbirajo in sproščajo velike količine toplote, zato so dragoceni za uporabo na področjih od uravnavanja notranje klime v stavbah do hlajenja baterij in sistemov obnovljivih virov energije.
Kljub obetavnim lastnostim pa se številni PCM soočajo s praktičnimi izzivi, ki omejujejo njihovo široko uporabo. Raziskovalci in inženirji se vse pogosteje odločajo za obdelavo z ultrazvokom visoke moči – imenovano tudi sonikacija – da bi premagali te ovire in v celoti izkoristili potencial materialov s fazno spremembo.
Ultrazvočna obdelava omogoča izdelavo PCM, izboljšanih z nanodelci, in nanokapsuliranih PCM, izboljšuje stabilnost disperzij in pomaga optimizirati toplotne lastnosti. Sonikacija se zato uveljavlja kot ena najučinkovitejših tehnologij za izdelavo naprednih sistemov PCM.

Ultrazvočni homogenizator UIP2000hdT za obdelavo PCM

Zakaj so materiali s fazno spremembo pomembni za shranjevanje energije

Materiali s fazno spremembo shranjujejo energijo v obliki latentne toplote, ki se absorbira med taljenjem in sprosti, ko se material strdi. V nasprotju s konvencionalnimi materiali, ki toploto shranjujejo zgolj s spreminjanjem temperature, lahko PCM shranjujejo in sproščajo velike količine energije pri skoraj konstantnih temperaturah.
Zaradi te lastnosti so zelo privlačni za sisteme toplotnega upravljanja. V stavbah lahko PCM uravnavajo notranje temperature tako, da čez dan absorbirajo odvečno toploto in jo sproščajo, ko temperature padejo. V sistemih obnovljivih virov energije pomagajo shranjevati toplotno energijo iz sončnih kolektorjev. Vse pogosteje se uporabljajo tudi za hlajenje elektronike, toplotno upravljanje baterij in prevoz z nadzorovano temperaturo.
Hidrati soli in organski materiali sodijo med najbolj raziskovane PCM. Na primer, Glauberjeva sol (natrijev sulfat dekahidrat) je pritegnila precejšnje zanimanje zaradi visoke talilne entalpije in primerne temperature faznega prehoda. Ti lastnosti ji omogočata učinkovito shranjevanje znatnih količin toplotne energije.
Vendar imajo številni sistemi PCM težave s stabilnostjo, ki jih je treba odpraviti, preden se lahko široko uveljavijo.

Vztrajni izzivi konvencionalnih PCM

Čeprav lahko materiali s fazno spremembo shranjujejo velike količine energije, je njihova učinkovitost v praksi pogosto odvisna od tega, kako dobro material ohranja stabilnost med ponavljajočimi se cikli segrevanja in ohlajanja. Številni PCM imajo težave z ločevanjem faz, podhladitvijo in slabo stabilnostjo disperzij, kar lahko sčasoma poslabša njihove toplotne lastnosti.
V sistemih s hidrati soli, kot je Glauberjeva sol, so te težave še posebej izrazite. Do ločevanja faz lahko pride, ko se različne sestavine med taljenjem ločijo, podhladitev pa lahko prepreči kristalizacijo materiala pri pričakovani temperaturi. To zakasni sproščanje toplote in zmanjša učinkovitost sistema.
Druga pogosta težava je nastajanje agregatov pri vključevanju dodatkov ali nanodelcev v formulacije PCM. Konvencionalne metode mešanja pogosto ne uspejo enakomerno dispergirati delcev, zato nastanejo nestabilne disperzije z neenotnim toplotnim obnašanjem.
Za odpravljanje teh omejitev se raziskovalci vse pogosteje zanašajo na ultrazvočno obdelavo, ki ponuja zelo učinkovito metodo dispergiranja materialov na mikro- in nanoravni.
 

Kako sonikacija izboljšuje formulacijo PCM

Sonikacija temelji na pojavu akustične kavitacije, ki nastane, ko se ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti širijo skozi tekočino. Ti valovi ustvarjajo mikroskopske mehurčke, ki hitro implodirajo in ustvarjajo lokalizirana območja ekstremne temperature, tlaka in strižnih sil.
Ta proces ustvarja intenzivne pogoje mešanja, ki jih s tradicionalnim mehanskim mešanjem ni mogoče doseči. Sonikacija lahko zato razbije aglomerate delcev, zmanjša velikost delcev in enakomerno porazdeli dodatke po celotni matrici PCM.
Eksperimentalne raziskave disperzij PCM kažejo, da ultrazvočno mešanje ustvari bistveno manjše agregate in bolj homogene zmesi kot magnetno mešanje, kar izboljša stabilnost in ponovljivost.
Te izboljšave neposredno vplivajo na toplotne lastnosti, saj homogena disperzija zagotavlja, da fazna sprememba poteka enotno po celotnem materialu.

Zakaj sonikacija izboljšuje stabilnost PCM

Raziskave kažejo, da ima metodologija mešanja ključno vlogo pri učinkovitosti PCM.
Na primer, poskusi z disperzijami PCM na osnovi hidratov soli so pokazali, da ultrazvočno mešanje v primerjavi s tradicionalnimi metodami mešanja izboljša homogenost in stabilnost

Ultrazvočna obdelava izboljšuje sisteme PCM z več mehanizmi:

1. Manjša velikost delcev
   Kavitacijske sile razbijejo velike kristale ali agregate v drobne delce.
2. Izboljšana enakomernost disperzije
   Ultrazvok zagotavlja enakomerno porazdelitev dodatkov, kot so nukleacijska sredstva in zgoščevala.
3. Zmanjšana sedimentacija
   Drobnejši delci ostanejo suspendirani dlje časa.
4. Boljše toplotne lastnosti
   Homogeni sistemi izkazujejo bolj enotne fazne prehode in večjo efektivno sposobnost shranjevanja toplote.

Materiali s fazno spremembo, izboljšani z nanodelci: izboljšanje toplotne prevodnosti

Eden najbolj vznemirljivih dosežkov pri raziskavah PCM je pojav materialov s fazno spremembo, izboljšanih z nanodelci (NePCM). V teh sistemih se nanodelci vključijo v matrico PCM, da izboljšajo toplotno prevodnost in pospešijo prenos toplote.
Nanomateriali, kot so grafen, ogljikove nanocevke in kovinski oksidi, lahko bistveno povečajo hitrost prenosa toplote. Vendar so nanodelci zaradi močnih privlačnih sil med delci nagnjeni k aglomeraciji. Če ti skupki niso ustrezno dispergirani, pričakovanih izboljšav toplotne prevodnosti ni mogoče doseči.
Ultrazvočna obdelava ima pri tem ključno vlogo. Intenzivne kavitacijske sile, ki jih ustvari sonikacija, razbijejo skupke nanodelcev in jih enakomerno porazdelijo po celotnem PCM. Tako nastali PCM, izboljšani z nanodelci, hitreje absorbirajo in sproščajo toploto, zato so veliko učinkovitejši za shranjevanje toplotne energije.

Nanokapsuliranje: preprečevanje iztekanja in izboljšanje trajnosti

Druga pomembna inovacija, ki jo omogoča ultrazvočna obdelava, je nanokapsuliranje materialov s fazno spremembo.
Pri nanokapsuliranih PCM je material s fazno spremembo zaprt v zaščitno lupino – pogosto izdelano iz polimerov, silicijevega dioksida ali hibridnih materialov. Ta lupina preprečuje iztekanje ob taljenju PCM in material ščiti pred kemijsko razgradnjo.
Sonikacija omogoča izdelavo izjemno finih emulzij, ki služijo kot osnova za mikro- in nanokapsule. Proces ustvari enakomerne kapljice, ki pozneje tvorijo jedro PCM, medtem ko materiali lupine okoli njih polimerizirajo ali reagirajo s kondenzacijo. Nastale kapsule imajo ozke porazdelitve velikosti in izboljšano mehansko stabilnost.
Takšni kapsulirani PCM se vse pogosteje uporabljajo na naprednih področjih, vključno s pametnimi tekstilijami, premazi, hlajenjem elektronike in sistemi toplotnega upravljanja.

Parafinski vosek kot PCM: praktični primer sonikacije

Organski materiali s fazno spremembo, kot je parafinski vosek, se široko uporabljajo zaradi svoje kemijske stabilnosti, nekorozivnosti in ugodnih temperatur taljenja. PCM na osnovi parafina se pogosto uporabljajo v gradbenih materialih, solarnih toplotnih sistemih in tehnologijah uravnavanja temperature.
Vendar ima parafinski vosek tudi razmeroma nizko toplotno prevodnost in lahko pri vključevanju v emulzije ali kompozitne materiale tvori velike kapljice ali agregate. Sonikacija ponuja zmogljivo rešitev za te izzive.
Pri obdelavi parafinskega voska z ultrazvokom visoke moči kavitacijske sile razbijejo staljeni vosek v izjemno drobne kapljice in ustvarijo stabilne emulzije ali disperzije. To omogoča enakomerno porazdelitev voska v nosilni tekočini ali polimerni matrici. Nastale formulacije PCM izkazujejo izboljšane lastnosti prenosa toplote in večjo stabilnost med ponavljajočimi se cikli faznih sprememb.
Ultrazvočna obdelava se široko uporablja tudi za izdelavo parafinskih mikrokapsul, pri katerih so kapljice staljenega voska kapsulirane v polimerne lupine. Te kapsule preprečujejo iztekanje med taljenjem in omogočajo vključevanje parafinskih PCM v gradbene materiale, premaze ali tekstilije.

Zakaj so sonikatorji Hielscher idealni za obdelavo PCM

Ultrazvočna oprema visoke moči je nujna za doseganje kakovosti disperzije, potrebne za napredne formulacije PCM. Hielscher Ultrasonics je postal vodilni dobavitelj ultrazvočnih procesorjev tako za raziskovalne laboratorije kot za industrijsko proizvodnjo.
Sistemi Hielscher omogočajo natančen nadzor ultrazvočne amplitude, vnesene moči in časa obdelave, kar raziskovalcem omogoča natančno prilagajanje formulacij PCM z izjemno ponovljivostjo. Njihovi ultrazvočni procesorji ustvarjajo močna in enakomerna kavitacijska polja, kar zagotavlja učinkovito zmanjševanje velikosti delcev, deaglomeracijo in homogenizacijo.
Druga ključna prednost tehnologije Hielscher je možnost povečanja obsega. Procese, razvite v laboratorijskih sistemih, je mogoče neposredno prenesti v industrijske ultrazvočne reaktorje, kar proizvajalcem omogoča prehod od poskusov v majhnem obsegu do komercialne proizvodnje brez spreminjanja osnovnih procesnih parametrov.
Ultrazvočni procesorji Hielscher so že bili uporabljeni v znanstvenih študijah za pripravo disperzij PCM, s čimer so dokazali svojo učinkovitost pri izdelavi homogenih zmesi in zmanjševanju agregatov delcev.

Napredek pri razvoju PCM s sonikacijo

Z razvojem energetskih sistemov in naraščajočim povpraševanjem po učinkovitem shranjevanju toplote bodo napredni materiali s fazno spremembo imeli vse pomembnejšo vlogo. Učinkovitost teh materialov ni odvisna le od njihove kemijske sestave, temveč tudi od metod njihove priprave in obdelave.
Ultrazvočna obdelava ponuja zmogljivo in vsestransko orodje za nadzor mikrostrukture sistemov PCM. Z omogočanjem enakomernih disperzij, vključevanja nanodelcev in nanokapsuliranja sonikacija pomaga premagovati številne omejitve, ki so tradicionalno ovirale tehnologije PCM.

Ultrazvočna obdelava hitro postaja ključna tehnologija, ki omogoča razvoj naslednje generacije PCM, vključno z:

• PCM, izboljšanimi z nanodelci
• Nanokapsuliranimi PCM
• Kompoziti PCM z visoko toplotno prevodnostjo
• Stabilnimi emulzijami in disperzijami PCM

Visokozmogljivi sonikatorji Hielscher za industrijsko uporabo omogočajo linearno povečanje obsega do obsežne proizvodnje – s tem materiale s fazno spremembo iz obetavnih laboratorijskih materialov spreminjajo v zanesljive rešitve za sodobno shranjevanje energije in toplotno upravljanje.

Literatura / viri

• 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.