Ультразвук сприяє розвитку матеріалів з фазовим переходом для накопичення енергії

Оскільки глобальний попит на ефективне управління енергією зростає, матеріали з фазовим переходом (МФП) привертають увагу як потужне рішення для накопичення теплової енергії. Ці матеріали можуть поглинати та вивільняти великі кількості тепла під час плавлення та затвердіння, що робить їх цінними для застосувань, починаючи від клімат-контролю в будівлях і закінчуючи охолодженням акумуляторів та системами відновлюваної енергії.
Однак, попри свої перспективні властивості, багато МФП стикаються з практичними проблемами, які обмежують їхнє широке використання. Дослідники та інженери дедалі частіше звертаються до високоефективної ультразвукової обробки – також відомої як сонікація – щоб подолати ці перешкоди та розкрити повний потенціал матеріалів з фазовим переходом.
Ультразвукова обробка дозволяє створювати МФП, вдосконалені наночастинками, та наноінкапсульовані МФП, покращує стабільність дисперсії та допомагає оптимізувати теплові характеристики. Як наслідок, сонікація стає однією з найефективніших технологій для виробництва передових систем на основі МФП.

Ультразвуковий гомогенізатор UIP2000hdT для обробки МФП

Чому матеріали з фазовим переходом важливі для накопичення енергії

Матеріали з фазовим переходом зберігають енергію у формі прихованої теплоти, яка поглинається під час плавлення та вивільняється, коли матеріал затвердіває. На відміну від звичайних матеріалів, що зберігають тепло лише через зміну температури, МФП можуть зберігати та вивільняти великі кількості енергії при майже постійній температурі.
Ця властивість робить їх надзвичайно привабливими для систем термічного управління. У будівлях МФП можуть регулювати температуру в приміщенні, поглинаючи надлишкове тепло вдень і вивільняючи його, коли температура падає. У системах відновлюваної енергії вони допомагають зберігати теплову енергію від сонячних колекторів. Вони також дедалі частіше використовуються в охолодженні електроніки, термічному управлінні акумуляторами та транспортуванні з контрольованою температурою.
Сольові гідрати та органічні матеріали є одними з найбільш досліджених МФП. Наприклад, глауберова сіль (сульфат натрію декагідрат) привернула значну увагу завдяки своїй високій ентальпії плавлення та відповідній температурі фазового переходу. Ці характеристики дозволяють їй ефективно зберігати значні кількості теплової енергії.
Проте багато систем на основі МФП демонструють проблеми зі стабільністю, які необхідно вирішити перед їхнім широким впровадженням.

Тривалі проблеми звичайних МФП

Хоча матеріали з фазовим переходом можуть зберігати великі кількості енергії, їхня практична ефективність часто залежить від того, наскільки добре матеріал залишається стабільним під час повторюваних циклів нагрівання та охолодження. Багато МФП страждають від фазового розшарування, переохолаження та поганої стабільності дисперсії, що може погіршувати теплові характеристики з часом.
У системах на основі сольових гідратів, таких як глауберова сіль, ці проблеми є особливо вираженими. Фазове розшарування може виникати, коли різні компоненти розділяються під час плавлення, тоді як переохолаження може перешкоджати кристалізації матеріалу при очікуваній температурі. Це затримує вивільнення тепла та знижує ефективність системи.
Ще однією поширеною проблемою є утворення агрегатів, коли добавки або наночастинки вводяться до рецептур МФП. Звичайні методи змішування часто не забезпечують рівномірної дисперсії частинок, що призводить до нестабільних дисперсій та непослідовної теплової поведінки.
Щоб подолати ці обмеження, дослідники дедалі частіше покладаються на ультразвукову обробку, яка пропонує високоефективний метод диспергування матеріалів на мікро- та нанорівні.

Як сонікація покращує рецептури МФП

Ультразвукова обробка базується на явищі акустичної кавітації, яке виникає, коли високі інтенсивності ультразвукових хвиль поширюються через рідину. Ці хвилі створюють мікроскопічні бульбашки, які швидко колапсують, виробляючи локальні зони екстремальної температури, тиску та зсувних сил.
Цей процес створює інтенсивні умови змішування, які неможливо досягти за допомогою традиційного механічного перемішування. В результаті ультразвукова обробка може руйнувати агломерати частинок, зменшувати розмір частинок і рівномірно розподіляти добавки по всій матриці ФМЗМ.
Експериментальні дослідження дисперсій ФМЗМ демонструють, що ультразвукове змішування виробляє значно менші агрегати та більш гомогенні суміші, ніж магнітне перемішування, що призводить до покращеної стабільності та відтворюваності.
Ці покращення безпосередньо впливають на теплові характеристики, оскільки гомогенна дисперсія забезпечує те, що фазовий перехід відбувається послідовно по всьому матеріалу.

Чому ультразвукова обробка покращує стабільність ФМЗМ

Дослідження показують, що методологія змішування відіграє вирішальну роль у характеристиках ФМЗМ.
Наприклад, експерименти з дисперсіями ФМЗМ на основі соляних гідратів продемонстрували, що ультразвукове змішування покращило гомогенність і стабільність порівняно з традиційними методами змішування

Ультразвукова обробка покращує системи ФМЗМ через кілька механізмів:

1. Менший розмір частинок
   Сили кавітації руйнують великі кристали або агрегати на дрібні частинки.
2. Покращена однорідність дисперсії
   Ультразвук забезпечує рівномірний розподіл таких добавок, як затравлюючі агенти та загусники.
3. Зменшена седиментація
   Більш дрібні частинки залишаються у суспензії довше.
4. Кращі теплові характеристики
   Гомогенні системи демонструють більш послідовні фазові переходи та вищу ефективну теплоємність.

Нанопокращені матеріали з фазовим переходом: покращення теплопровідності

Одним із найцікавіших досягнень у дослідженні ФМЗМ є поява нанопокращених матеріалів з фазовим переходом (NePCM). У цих системах наночастинки вбудовуються в матрицю ФМЗМ для покращення теплопровідності та прискорення теплопередачі.
Наноматеріали, такі як графен, вуглецеві нанотрубки та оксиди металів, можуть значно покращити швидкості теплопередачі. Однак наночастинки мають тенденцію до агломерації через сильні сили притягання між частинками. Якщо ці кластери не дисперговані належним чином, очікувані покращення теплопровідності не можуть бути досягнуті.
Ультразвукова обробка відіграє вирішальну роль тут. Інтенсивні сили кавітації, вироблені ультразвуковою обробкою, руйнують кластери наночастинок і розподіляють їх рівномірно по всьому ФМЗМ. Отримані нанопокращені ФМЗМ демонструють швидше поглинання та виділення тепла, роблячи їх набагато ефективнішими для застосувань у зберіганні теплової енергії.

Наноінкапсуляція: запобігання витокам і покращення довговічності

Ще однією важливою інновацією, можливою завдяки ультразвуковій обробці, є наноінкапсуляція матеріалів з фазовим переходом.
У наноінкапсульованих ФМЗМ матеріал з фазовим переходом оточений захисною оболонкою – часто виготовленою з полімерів, діоксиду кремнію або гібридних матеріалів. Ця оболонка запобігає витокам, коли ФМЗМ плавиться, і захищає матеріал від хімічної деградації.
Ультразвукова обробка дозволяє виробляти надзвичайно дрібні емульсії, які служать основою для мікро- та нанокапсул. Процес виробляє однорідні краплі, які пізніше формують ядро ФМЗМ, тоді як матеріали оболонки полімеризуються або конденсуються навколо них. Отримані капсули демонструють вузькі розподіли розмірів і покращену механічну стабільність.
Такі інкапсульовані ФМЗМ дедалі частіше використовуються в передових застосуваннях, включаючи розумні текстильні вироби, покриття, охолодження електроніки та системи терморегулювання.

Парафіновий віск як ФМЗМ: практичний приклад ультразвукової обробки

Органічні матеріали з фазовим переходом, такі як парафіновий віск, широко використовуються завдяки їхній хімічній стабільності, некорозійності та сприятливим температурам плавлення. PCM на основі парафіну зазвичай використовуються у будівельних матеріалах, сонячних теплових системах та технологіях терморегулювання.
Однак парафіновий віск також має відносно низьку теплопровідність і може утворювати великі краплі або агрегати при включенні в емульсії або композитні матеріали. Ультразвукова обробка пропонує потужне рішення для цих проблем.
Коли парафіновий віск обробляється високим потужним ультразвуком, кавітаційні сили розбивають розплавлений віск на надзвичайно дрібні краплі, створюючи стабільні емульсії або дисперсії. Це дозволяє рівномірно розподілити віск у рідкому носії або полімерній матриці. Отримані формуляції PCM демонструють покращені властивості теплопереносу та підвищену стабільність під час повторюваних циклів фазового переходу.
Ультразвукова обробка також широко використовується для виробництва парафінових мікрокапсул, де краплі розплавленого воску інкапсульовані в полімерні оболонки. Ці капсули запобігають витоку під час плавлення та дозволяють інтегрувати парафінові PCM у будівельні матеріали, покриття або текстиль.

Чому ультразвукові обробники Hielscher ідеально підходять для обробки PCM

Високопотужне ультразвукове обладнання є необхідним для досягнення якості дисперсії, потрібної для передових формуляцій PCM. Hielscher Ultrasonics стала провідним постачальником ультразвукових процесорів як для дослідницьких лабораторій, так і для промислового виробництва.
Системи Hielscher забезпечують точний контроль над амплітудою ультразвуку, потужністю та часом обробки, що дозволяє дослідникам точно налаштовувати формуляції PCM з винятковою відтворюваністю. Їхні ультразвукові процесори генерують сильні та стабільні поля кавітації, що гарантує ефективне зменшення розміру частинок, деагломерацію та гомогенізацію.
Ще однією ключовою перевагою технології Hielscher є масштабованість. Процеси, розроблені в лабораторних системах, можуть бути безпосередньо перенесені на промислові ультразвукові реактори, що дозволяє виробникам переходити від експериментів у малих масштабах до комерційного виробництва без зміни базових параметрів процесу.
Ультразвукові процесори Hielscher вже використовувалися в наукових дослідженнях для підготовки дисперсій PCM, демонструючи свою ефективність у виробництві гомогенних сумішей та зменшенні агрегатів частинок.

Прогрес у розробці PCM за допомогою ультразвукової обробки

Оскільки енергетичні системи еволюціонують, а попит на ефективне теплове накопичення зростає, передові матеріали з фазовим переходом відіграватимуть дедалі важливішу роль. Ефективність цих матеріалів залежить не лише від їхнього хімічного складу, а й від методів, що використовуються для їх підготовки та обробки.
Ультразвукова обробка надає потужний та універсальний інструмент для контролю мікроструктури систем PCM. Забезпечуючи рівномірні дисперсії, інтеграцію наночастинок та наноінкапсуляцію, ультразвукова обробка допомагає подолати багато обмежень, які традиційно гальмували розвиток технологій PCM.

Ультразвукова обробка швидко стає ключовою технологією, що забезпечує створення PCM наступного покоління, включаючи:

• Нанопосилені PCM
• Наноінкапсульовані PCM
• Композитні PCM з високою теплопровідністю
• Стабільні емульсії та дисперсії PCM

Високопродуктивні промислові ультразвукові обробники Hielscher дозволяють здійснювати лінійне масштабування до великомасштабного виробництва – перетворюючи матеріали з фазовим переходом із перспективних лабораторних матеріалів на надійні рішення для сучасного накопичення енергії та термічного управління.

Література / Посилання

• 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.