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Apr 21, 2024

Ein neuartiges formstabiles Phasenwechselmaterial mit Kamm

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5243 (2023) Diesen Artikel zitieren 1714 Zugriffe auf Metrikdetails Zur Verbesserung der Homogenität von Phasenwechselmaterialien (PCMs)-Verbundwerkstoffen für thermische Energie

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5243 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Um die Homogenität von Verbundwerkstoffen aus Phasenwechselmaterialien (PCMs) für die Speicherung thermischer Energie zu verbessern, wird das auf Poly(ethylenglykolmonomethylether) basierende Trimethylolpropan (Ymer-N120) mit langen Ethoxylketten eingesetzt, um kammartiges Polyurethan zu bilden, das als Folgendes fungierte: unterstützende Materialien für PCMs. Und die Ergebnisse der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), der Röntgenbeugung, der Differentialscanningkalorimetrie, der beschleunigten Temperaturwechselprüfung, der thermogravimetrischen Analyse und der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) deuteten auf ein vernetztes Polyurethan hin, das mit Myristinsäure (MA) in Mikrometergröße eingebettet ist. Kristalle wurden während des thermischen Härtungsprozesses hergestellt. Das erhaltene kammartige Polyurethan (YP) kann Materialien zur Unterstützung der 3D-Struktur zum Schmelzen von MA bereitstellen. Und die lange Ethoxylkette von Ymer-N120 fördert das Schmelzen von MA und bildet mikrometergroße Kristalle. Die Ergebnisse der thermischen Zuverlässigkeitsprüfung bestätigten die Vorteile derselben Methylengruppen in Seitenketten und legten nahe, dass die maximale Haltefähigkeit von YP-Vernetzungen etwa 50 Gew.-% der Verbundstoffe beträgt. Mit der Zugabe von 50 Gew.-% MA kann YPM50 eine hohe latente Wärme (über 90 J/g YPM50) mit guter thermischer Stabilität (da seine anfängliche Zersetzungstemperatur 190 °C erreicht) ohne Leckage liefern (nach 500-maligem beschleunigten Temperaturwechsel). testen). Alle Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Struktur eine wirksame Lösung für das Austreten von PCMs bietet, die eine vielversprechende Anwendung bei TES darstellen.

Die Erforschung und Nutzung von Energie ist zu einem entscheidenden und dringenden Thema geworden, da die Erde unter der Energiekrise und der Umweltverschmutzung leidet1,2,3. Die Technologie der thermischen Energiespeicherung (TES) kann das zeitliche und räumliche Missverhältnis zwischen Energiebedarf und -angebot4 beheben und wird zur Gewinnung erneuerbarer Energie5,6,7,8 und zur Sammlung der häuslichen/industriellen Abfallenergie9,10 eingesetzt. Phasenwechselmaterialien (PCMs), die Wärmeenergie durch Schmelzen und Kristallisieren kristalliner Materialien reversibel speichern und freisetzen können11,12, haben große Aufmerksamkeit für TES13-Systeme in folgenden Bereichen auf sich gezogen: Konstruktionen und Gebäude13,14,15, Solarenergiespeicher16,17, 18, Geothermiespeicher4, Batterie-Wärmemanagementsystem (BTMS)12,19 und andere Wärmemanagementsysteme. Aufgrund der hohen Energiedichte und der vernachlässigbaren Temperatur- und Volumenschwankung von PCMs während des Energiespeicherprozesses werden PCMs wie Fettalkohol20, Polyethylenglykol21, Paraffin22 und Fettsäure23 in vielen Bereichen wie intelligenten Gebäuden, Luft- und Raumfahrt, intelligenten Textilien und der Industrie umfassend eingesetzt Wärmerückgewinnung usw.

Unter den PCMs wurden die Fettsäuren mit langen flexiblen Ketten aufgrund ihrer einstellbaren Phasenwechseltemperatur, Ungiftigkeit und chemischen Stabilität eingehend untersucht24,25. Oberhalb der Schmelztemperatur (Tm) 26 kommt es jedoch zu einem Austritt der Fettsäuren, was zu einem Ausfall des TES-Systems, einer Geräteverschmutzung und sogar Brandgefahr führen kann und die Entwicklung von Fettsäuren eingeschränkt hat. Daher werden die Fettsäuren immer von porösen Trägermaterialien27 wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Graphen, expandiertem Graphit usw. eingekapselt, um formstabile PCMs (FSPCMs) herzustellen, um das Austreten von Fettsäuren auch über Tm zu verhindern. Beispielsweise hat Hu28 über FSPCMs auf der Basis von Fettsäureeutektika berichtet, die durch den Einsatz reduzierter Graphenoxid/Kohlenstoff-Nanofilz-Trägermaterialien eine hervorragende Energiespeicherfähigkeit und eine hervorragende Formstabilisierung zeigen.

Die Stabilität und Zuverlässigkeit der FSPCMs ist jedoch aufgrund der schlechteren Grenzflächeninteraktion zwischen Fettsäuren und Trägermaterialien gering, was zum Versagen der FSPCMs führen kann, sobald das Trägergerüst äußeren Kräften und chemischen Lösungsmitteln ausgesetzt ist. Der Einsatz einer Polymermatrix als Trägermaterial ist eine der effizientesten Möglichkeiten, die Stabilität und Zuverlässigkeit von FSPCMs auf Fettsäurebasis zu verbessern. Die Polymernetzwerke, insbesondere die vernetzenden Polymernetzwerke, können das Austreten geschmolzener Fettsäure wirksam verhindern, wenn die Temperatur höher als die Schmelztemperatur der Fettsäure ist29. Beispielsweise stellte Pandey30 eine poröse amphiphile Polymermatrix mit hoher Wiederholbarkeit des Phasentransfers und langer Haltbarkeit aufgrund der guten Wasserdispergierbarkeit der Polymerpartikel her. Allerdings kommt es nach mehreren wiederholten Phasenwechselprozessen zu einer Grenzflächeninkompatibilität zwischen der Fett- und Polymermatrix, die zum Austritt von Fettsäuren führt. Daher ist es notwendig und interessant, stabile und zuverlässige FSPCMs herzustellen, indem die Wechselwirkung zwischen Fett- und Polymermatrix verbessert wird 25, 31. Das kammartige Polymer mit seitlichen Alkylketten wurde aufgrund der Wechselwirkung seiner langen Seitenketten mit PCMs untersucht. Yao32 verwendete ein kammartiges strukturelles Phasenwechsel-Unterstützungsmaterial (PPEGMA), um durch die Wirkung der induzierten Dipolkraft enge Verflechtungen zwischen den seitlichen langen Ketten von Polymer- und PCM-Ketten zu erzeugen.

In dieser Arbeit wurde ein vernetzendes Polyurethan (genannt YP) durch kurzes thermisches Aushärten von Polyarylpolymethylenisocyanat (PAPI) als Kupplungsmittel und Trimethylolpropan (Ymer-N120) auf Poly(ethylenglykolmonomethylether)-Basis mit flexibler Kette als Polyol hergestellt. Inzwischen wurde die lange flexible Kette von Ymer-N120 zu den Seitenketten von YP. Die hergestellten kammartigen YP-Netzwerke fungierten als Stützgerüst zur Kapselung von Myristinsäure (MA) zur Speicherung thermischer Energie. Und die langen Seitenketten begünstigen die Verstärkung der Wechselwirkung zwischen MA und Polymermatrix, wodurch die Verteilung von MA verbessert wird. Diese Strategie zeigt deutliche Fortschritte, darunter eine kompakte Syntheseroute, einen sauberen Herstellungsprozess ohne organische Lösungsmittel oder die Entstehung giftiger Gase. Darüber hinaus wurden die chemische Struktur, das Kristallverhalten, das Phasenwechselverhalten, die thermische Zuverlässigkeit, die thermische Stabilität und die mikroskopische Morphologie der ausgehärteten FSPCMs ausführlich analysiert. Alle Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese kammartige Struktur mit langen flexiblen Ketten eine mögliche Lösung für das Austreten von schmelzendem MA darstellt.

Trimethylolpropan auf Poly(ethylenglykolmonomethylether)-Basis (Ymer N120, Mw = 1000 g/mol) wurde von Perstorp bezogen. Myristinsäure (MA, CAS: 544-63-8) wurde von Kelong Chemical Reagent (Chengdu, China) bereitgestellt; Polyarylpolymethylenisocyanat (PAPI, Mw = 381 g/mol; NCO-Gew.-% = 33,07; durchschnittliche Funktionalität beträgt 3) wurde von Yantai Wanhua Polyurethan Co., Ltd. (Shandong, China) bezogen. Alle Materialien wurden unbehandelt verwendet.

3,00 (± 0,01) g (0,003 mol) getrocknetes Ymer N120, 0,76 (± 0,01) g (0,002 mol) PAPI und unterschiedliche Mengen MA wurden in den Kolben dekantiert und durch mechanisches Rühren etwa 10 Minuten lang vermischt, um eine homogene Mischung zu bilden 80 °C. Nach dem Entgasen wurde die Mischung in eine Tetrafluorethylenplatte überführt und in einen Vakuumofen bei 80 °C gestellt. Die Mischung wurde 4 Stunden lang auf 80 °C erhitzt und anschließend 2 Stunden lang auf 120 °C erhitzt. Der Aushärtungsweg ist in Abb. 1 dargestellt und die vernetzten Polyurethanmaterialien (PU) wurden als YP bezeichnet. Entsprechend der Zugabe von MA wurden die erhaltenen PU-basierten PCM-Verbundwerkstoffe als YPM50 (YP mit 50 Gew.-% MA hinzugefügt) bzw. YPM60 (YP mit 60 Gew.-% MA hinzugefügt) bezeichnet.

Der Aushärtungsweg von YPM50-Phasenwechselkompositen.

Der FTIR-Test wurde zunächst verwendet, um die chemische Struktur und Reaktion von Ymer-N120 und PAPI sowie die Zugabe von MA in kammartigen Vernetzungen zu untersuchen. Wie in Abb. 2 gezeigt, zeugen die scheinbaren Absorptionspeaks von –NH–COO– um 1598 cm–1 und 1534 cm–1 in YP von der Polykondensation von Ymer-N120 und PAPI. Die –NH–COO–-Absorptionspeaks, die auch in YPM50 und YPM60 auftreten, weisen ebenfalls darauf hin, dass die Reaktion von Ymer-N120 und PAPI durch die Zugabe von MA nicht unterbrochen wird. Darüber hinaus treten in YPM50 und YPM60 offensichtliche Peaks um 1097 cm-1, 963 cm-1, 842 cm-1 und 766 cm-1 auf, die zur C-O-C-Gruppe, -CH2- und -CH3-Gruppe gehören. Darüber hinaus werden zwei charakteristische, durch gestrichelte Linien markierte Peaks bei etwa 2913 cm−1 und 2847 cm−1, die zum Methylen von MA gehören, auch in YPM50 und YPM60 beobachtet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass PCMs auf YP- und MA-Basis erfolgreich durch einstufige Polymerisation hergestellt wurden.

Die FTIR-Spektren von YP, MA, YPM50 und YPM60.

Die kristalline Struktur von YP, MA und YPM50 wird mittels XRD untersucht, wie in Abb. 3 gezeigt. In YP wird ein stumpfer und breiter Peak bei 21,6° festgestellt, was auf die amorphe Struktur von YP hinweist. Der MA-Kristall weist sieben scharfe Peaks bei 6,09°, 8,99°, 14,51°, 21,97°, 24,44°, 40,44° und 46,51° auf. Die sieben ähnlich scharfen Peaks wurden auch in YPM50 beobachtet, was auf die hervorragende kristalline Leistung von MA hinweist, selbst wenn es in YP eingekapselt ist. Die nahezu gleiche Peakposition von reinem MA und YPM50 legt nahe, dass die langen flexiblen Ketten von Ymer-N120 dazu führen, dass aliphatische MA-Moleküle leicht geordnete kristalline Mikrokügelchen bilden, wenn die Temperatur unter dem Gefrierpunkt von MA liegt. Die vernachlässigbare Differenzierung des Beugungswinkels und des d-Abstands der Kristallebenen lässt darauf schließen, dass die inhärenten kristallinen Eigenschaften von MA nicht durch das Polymergerüst beeinflusst wurden. Im Vergleich zu reinem MA zeigt YPM50 aufgrund der Zugabe von Polymergerüsten in PCM-Verbundwerkstoffen eine geringere Peakintensität. Die Methode zur Schätzung der Teillöslichkeitsparameter von Polymeren und reinen organischen Verbindungen wird anhand von Gruppenbeiträgen festgelegt. Die Gleichung zur Schätzung von δ lautet wie folgt:

Dabei sind Fi die Gruppenbeiträge vom Typ i zur molaren Gravitationskonstante, ρ und Mw die Dichte und das Molekulargewicht von Polymeren und reinen organischen Verbindungen. Gemäß der obigen Gleichung beträgt der Löslichkeitsparameter von YP 7,701 und liegt sehr nahe an dem von MA (7,558). Die nahe beieinander liegenden Löslichkeitsparameter von YP und MA ließen auf eine gute Kompatibilität schließen.

Das XRD-Diffraktogramm von YP, MA und YPM50.

Die Phasenwechseleigenschaften, die durch die reversible Kristallisation und das Schmelzen kristalliner Segmente entstehen, sind die vorherrschenden Eigenschaften von PCMs. Die Phasenänderungstemperatur, einschließlich Kristalltemperatur (Tc), Schmelztemperatur (Tm), Kristallenthalpie (ΔHc) und Schmelzenthalpie (ΔHm), wurden in diesem Teil mittels DSC-Analyse gemessen. Wie in Abb. 4a gezeigt, zeigt Ymer-N120 eine offensichtliche kristalline Leistung und weist eine hohe latente Wärme auf [115,6 J/g ΔHm, 108,5 J/g ΔHc (Abb. 4b)]. Der Einbau von PAPI schränkt die kristallinen Eigenschaften von Ymer-N120-Segmenten ein, was sich darin widerspiegelt, dass im Testbereich für YP kein Peak festgestellt wird, was mit den XRD-Ergebnissen übereinstimmt. Aufgrund der hervorragenden Phasenwechseleigenschaften (205,0 J/g ΔHm und 205,0 J/g ΔHc) von MA weisen YPM50 und YPM60 offensichtliche endotherme Peaks und exotherme Peaks auf, die den Peaks von MA während der Heiz- und Kühlzyklen ähneln (Abb. 4c). YPM50 hat eine Energiespeicherfähigkeit von 92,6 J/g ΔHm und 91,3 J/g ΔHc, YPM60 zeigt das höhere latente Hoch mit 113,4 J/g ΔHm und 110,5 J/g ΔHc (Abb. 4d). Im Vergleich zu reinem MA führt der abnehmende funktionelle Phasenwechselbestandteil zu einem niedrigeren latenten Wert in YPM50 und YPM60. Darüber hinaus schränken der Lösungseffekt und der gehinderte Effekt von Polymergerüsten auch die Kristallfähigkeit von MA ein. Die Phasenwechseltemperatur (Tc und Tm) bestimmt den Anwendungstemperaturbereich von PCMs, der Phasenwechseltemperaturbereich von YPM50 und YPM60 liegt bei etwa 33,1–57 °C, was für den Einsatz in intelligenten Gebäuden und Textilien geeignet ist. Verglichen mit Tc (49,0 °C) und Tm (57,0 °C) von MA betragen die Tc von YPM50 und YPM60 37,1 °C bzw. 33,1 °C, die Tm von YPM50 und YPM60 betragen entsprechend 57,0 °C und 59,5 °C . Die geringfügige Änderung von Tc von YPM50 und YPM60 wird durch den Lösungseffekt der flexiblen Seitenketten verursacht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich durch die kammartigen PU-Vernetzungen auch der Einsatztemperaturbereich erweitert.

Die (a) DSC-Kurven von Ymer-N120, YP und MA (b) Phasenwechseleigenschaften von Ymer-N120 und MA (c) DSC-Kurven von YP, YPM50 und YPM60 (d) Phasenwechseleigenschaften von YP, YPM50 und YPM60.

Die thermische Zuverlässigkeit ist ein wirksamer Faktor und bestimmt die Lebensdauer von PCMs. Die thermische Zuverlässigkeit von YPM50 und YPM60 wird auch durch beschleunigte thermische Zyklen und DSC-Tests bewertet. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Abb. 5a, c dargestellt, und die Daten der Phasenänderungseigenschaften sind gleichzeitig in Abb. 5b, d aufgeführt. Die thermisch behandelten PCM-Verbundwerkstoffe weisen ähnliche einzelne exotherme und endotherme Peaks der Originalprobe auf. Das YPM50-500 (YPM50 wurde durch 500 Heiz-Kühl-Zyklen thermisch behandelt) erstarrt bei 39,98 °C mit 87,6 J/g latenter Gefrierwärme und schmilzt bei 53,5 °C mit 88,6 J/g latenter Schmelzwärme, die leicht verschoben sind im Vergleich zu denen von YPM50. Die geringe Abnahme der latenten Wärme und der Phasenübergangstemperatur lässt darauf schließen, dass die Phasenübergangseigenschaften von YPM50 aufgrund der guten Beschichtungsfähigkeit der YP-Vernetzungsnetzwerke durch die 500-malige Wärmebehandlung nicht beeinflusst werden. Während Tc, Tm, ΔHc und ΔHm von YPM60-500 etwa 29,16 °C, 56,26 °C, 85,6 J/g (mit 22,5 % Abnahme) und 91,1 J/g (mit 19,6 % Abnahme) betragen. Diese starken Rückgänge sind auf das Austreten von schmelzendem MA zurückzuführen. Die bessere thermische Zuverlässigkeit von YPM50 legt nahe, dass die optimale Zugabe von MA 50 Gew.-% beträgt.

Die (a) DSC-Kurven von YPM50, YPM50-100 und YPM50-500 (b) Phasenänderungseigenschaften von YPM50, YPM50-100 und YPM50-500 (c) DSC-Kurven von YPM60, YPM60-100 und YPM60-500 (d ) Phasenwechseleigenschaften von YPM60, YPM60-100 und YPM60-500.

Darüber hinaus wurde ein einfaches Gerät (siehe Abb. S1 in den Zusatzinformationen) mit einer PI-basierten Heizung (50 mm, 2,7 Ω) als Wärmequelle eingesetzt, um die potenzielle Anwendung unserer Proben im Bereich des Wärmemanagements weiter zu bewerten. Als Wärmemanagementschicht wurden YP- und YPM50-Filme gleicher Größe verwendet (Abb. 6a). In der Zwischenzeit wurde die Infrarot-Wärmekamera (FLIR T420) verwendet, um die Echtzeittemperatur des Heizgeräts während des Betriebs aufzuzeichnen (siehe Echtzeitvideo im Zusatzvideo 1). Wie in Abb. 6b dargestellt, beträgt zu Beginn die Temperatur von drei Punkten (sp1 ist die Temperatur der PI-Heizung mit YPM50-Folie, sp2 ist die Temperatur der PI-Heizung mit YP-Folie, sp3 ist die Umgebungstemperatur während des Tests). fast gleich (Abb. 6c), als die Heizungen eingeschaltet wurden (Abb. 6d), stieg die Temperatur von YP innerhalb von 75 s schnell auf 67,9 °C an; Nach der Integration mit MA wurde die Heizrate des YPM50 jedoch offensichtlich verlangsamt, und die Endtemperatur beträgt 52,6 °C nach 75 s Erhitzen (Abb. 6e). Dann wurde die Heizung ausgeschaltet (Abb. 6f), die Temperatur von YP sank um 59 %, während die von YPM50 um 35 % sank (Abb. 6g). Und nach 304 s war die Temperatur des PI-Heizers mit YPM50 immer noch höher als die des PI-Heizers mit YP (Abb. 6h). Diese Ergebnisse zeigten, dass unser YPM50 vielversprechende Aussichten im Bereich des Wärmemanagements hat.

Die (a) Wärmemanagementschicht (b) Temperaturentwicklungskurven der Proben während des Erhitzens und Abkühlens. Die Kontrollprobe war die Umgebungstemperatur; Die Infrarotwärme stellt sich vor (sp1 ist die Temperatur des PI-basierten Heizgeräts mit YPM50-Folie, sp2 ist die Temperatur des PI-basierten Heizgeräts mit YP-Folie, sp3 ist die Umgebungstemperatur während des Tests) (c) unter Raumtemperatur (d) bei Heizgeräten Einschalten (e) beim schnellen Aufwärtsfahren (f) beim Ausschalten der Heizgeräte (g) beim schnellen Absenken (h) nach dem Ausschalten 304 s.

Die thermische Stabilität vorbereiteter PCM-Verbundwerkstoffe wird ebenfalls mit TGA untersucht. Die zugehörigen TGA- und DTG-Kurven sind in Abb. 7 aufgeführt. In Abb. 7a tritt bei MA ein Massenverlust bei 180 °C auf, der durch die Verdampfung verursacht wird, während YP aufgrund seiner Zersetzungstemperatur über 310 °C eine ausgezeichnete thermische Stabilität aufweist. Bei Zugabe von MA weisen YPM50- und YPM60-Proben einen vorherigen Massenverlustpeak bei der Siedetemperatur von MA auf, während YP einen einstufigen Abbaumechanismus zeigt (siehe Abb. 7b). Wie in Tabelle 1 aufgeführt, ist die anfängliche Massenverlusttemperatur von YPM50 und YPM60 etwas höher als die von reinem MA, was auf die Schutzwirkung von YP-Netzwerken auf MA hinweist. Außerdem ist die anfängliche thermische Zersetzungstemperatur von YPM50 und YPM60 deutlich höher als ihre Phasenübergangstemperatur, was darauf hindeutet, dass die thermische Stabilität die erforderliche Phasenübergangstemperatur vollständig erfüllt. YP und YPM50 wurden 20 Minuten lang in flüssigem Stickstoff abgekühlt und dann in flüssigem Stickstoff gebrochen. Die Bruchfläche wurde mit Gold besprüht, um die Verteilung von MA in YP-Netzwerken mittels REM weiter zu untersuchen. Die Oberflächenmorphologie von YP und YPM50 ist in Abb. 7c bzw. d dargestellt. Das YP weist eine glatte Oberfläche auf, während das YPM50 eine raue und pockennarbige Oberfläche mit deutlicher Erkennung einer körnigen MA-Kristalldispersion (ca. 30–50 μm) in der YP-Matrix aufweist. Die feine Verteilung von MA legt nahe, dass die Vernetzungen mit langen flexiblen Ketten als hervorragende Trägermaterialien für PCM-Verbundwerkstoffe fungieren. Die SEM-Abbildung von YPM50 nach 500 thermischen Zyklen des Wärme-Kühl-Zyklus in einer temperaturkontrollierten Kammer ist in Abb. S2 beigefügt (Hintergrundinformationen). Es gibt morphologische Veränderungen von YPM50-500. Die Mikropartikel von MA werden immer schwächer und kleiner. Diese Veränderungen deuten darauf hin, dass es durch die Wirkung der induzierten Dipolkraft enge Verflechtungen zwischen den seitlichen langen Ketten von YP und MA gibt. Nach mehreren thermischen Zyklen erwacht die Schnittstelle zwischen YP und MA. Und die Abnahme der Enthalpie bestätigte auch die Auflösungskapazität der Seitenketten von YP. Und diese Art von Struktur unterstützt eine vielversprechende Präventions- und Kontrollstrategie für die Leckage MA oberhalb der Schmelztemperatur.

Die (a) TGA-Kurven von YP, YPM50, YPM60 und MA (b) DTG-Kurven von YP, YPM50, YPM60 und MA (c) SEM-Bilder von YP (d) SEM-Bilder von YPM50.

Ein neuartiges FSPCM YPM50 wurde für TES hergestellt, indem das vernetzende PU mit flexibler Seitenkette als Stützgerüst und MA als Phasenwechsel-Funktionssegmente verwendet wurden. Die vernetzten Netzwerke können das Austreten von MA oberhalb der Schmelztemperatur verhindern und die flexible Seitenkette trägt dazu bei, die Verteilung von MA im hergestellten YPM50 zu verbessern. Die FTIR-Ergebnisse zeigten, dass PU-Vernetzungen erfolgreich durch einstufige Polymerisation synthetisiert wurden und die Vernetzungsnetzwerke durch die Zugabe von MA nicht beeinträchtigt wurden. Aufgrund der Lösungsmittelwirkung flexibler Seitengruppen in Polyurethannetzwerken war der MA-Kristall gut eingekapselt und gleichmäßig verteilt. Und die latente Wärme von YPM50 und YPM60 übersteigt 90 J/g und 110 J/g, was eine ausgezeichnete Energiespeicherfähigkeit bedeutet, die für das TES sehr attraktiv ist. Darüber hinaus zeigt YPM50 aufgrund des Schutzes flexibler Seitenketten auf MA auch nach 500-maliger Wärmebehandlung eine gute thermische Zuverlässigkeit. Die SEM-Ergebnisse deuten darauf hin, dass das körnige MA gleichmäßig in Vernetzungsnetzwerken verteilt ist. Und diese Struktur unterstützt eine vielversprechende Präventions- und Kontrollstrategie für die Leckage von MA, sogar oberhalb der Schmelztemperatur von MA.

Die chemische Struktur von YP, YPM50 und YPM60 wurde mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrophotometer (Nicolet-560, Nicolet Co., USA) im abgeschwächten Totalreflexionsmodus getestet. Die Messungen wurden im Wellenzahlbereich von 400–4000 cm−1 mit einer Auflösungseinstellung von 4 cm−1 bei Raumtemperatur durchgeführt. Röntgenbeugung (XRD) wurde verwendet, um die Kristallisationseigenschaften von MA, YP und YPM50 mit einem automatischen Diffraktometer (Ultima IV, Rigaku, Japan) bei 35 kV und 30 mA mit Cu Ka-Strahlung zu untersuchen. Die Daten wurden in 5~50° mit einer Scanrate von 0,04°/min bei 25 °C aufgezeichnet. Die Messungen der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) wurden am DSC Q200 (TA, USA) durchgeführt, um die Phasenänderungstemperatur und die latente Wärme von Ymer-N120, MA, YP, YPM50 und YPM60 bei einer Heiz- oder Kühlrate von 10 K/min zu ermitteln mit 5–8 mg. Die Proben wurden zunächst erhitzt, um die Auswirkungen der vorherigen Verarbeitungswärmegeschichte der Proben zu vermeiden, und dann abgekühlt, um die DSC-Kühldaten zu erhalten. Dann brachte der nächste Heizschritt die DSC-Heizleistung. Die Proben wurden im Temperaturbereich von 25–80 °C mit einer Heizrate von 3 K/min erhitzt und dann abgekühlt, und der gleiche Vorgang wurde 100 oder 500 Mal in einer temperaturkontrollierten Kammer wiederholt. Diese wiederholten Tests wurden als beschleunigte thermische Zyklentests konzipiert. Nach 100 oder 500 Tests erhielten diese behandelten Proben die Bezeichnungen YPM50-00, YPM60-00, YPM50-500, YPM60-500. Die folgenden Heiz- und Kühlzyklen von DSC-Tests wurden verwendet, um die Phasenwechseltemperatur und die latente Wärme thermisch behandelter Proben zu untersuchen und ihre thermische Zuverlässigkeit zu bewerten. Die thermische Stabilität von MA, YP, YPM50 und YPM60 wurde durch thermogravimetrische Analyse (TGA) untersucht, die auf einem thermogravimetrischen Analysegerät (TGA4000, PE, USA) von 30 bis 600 °C bei einer Heizrate von 10 K/min im Stickstoffstrom durchgeführt wurde. Die mikrokosmische Morphologie von hergestelltem YP und YPM50 wurde durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, Nova NanoSEM450, Thermo Fisher Scientific, USA) mit einer Beschleunigungsspannung von 5,0 kV beobachtet.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Qi, X.-D., Shao, Y.-W., Wu, H.-Y., Yang, J.-H. & Wang, Y. Flexible Phasenwechsel-Verbundmaterialien mit gleichzeitiger Lichtenergiespeicherung und lichtaktivierter Formgedächtnisfähigkeit. Kompositionen. Wissenschaft. Technol. 181, 107714 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kong, W., Yang, Y., Zhou, C. & Lei, J. Neuartige duroplastische Phasenwechselmaterialien mit einem Härter auf Polycarbonatdiol-Basis als Stützgerüst für die Speicherung thermischer Energie. Energieaufbau. 146, 12–18 (2017).

Artikel Google Scholar

Chi, B., Yao, Y., Cui, S. & Jin, X. Herstellung eines mit Graphenoxid beschichteten Phasenwechselmaterials aus Tetradecanol und expandiertem Graphit zur Speicherung thermischer Energie. Mater. Lette. 282, 128666 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Menendez, J., Ordonez, A., Alvarez, R. & Loredo, J. Energie aus stillgelegten Minen: Unterirdische Energiespeicherung und geothermische Anwendungen. Erneuern. Aufrechterhalten. Energy Rev. 108, 498–512 (2019).

Artikel Google Scholar

Ferreira, AC, Silva, J., Teixeira, S., Teixeira, JC & Nebra, SA Bewertung der Leistung des Stirlingmotors im Vergleich zweier erneuerbarer Energiequellen: Solarenergie und Biomasse. Erneuern. Energie 154, 581–597 (2020).

Artikel Google Scholar

Gonalves, JM, Martins, PR, Araki, K. & Angnes, L. Jüngste Fortschritte bei der Wasserspaltung und Hybrid-Superkondensatoren auf Basis von Nickel-Vanadium-geschichteten Doppelhydroxiden. J. Energy Chem. 57, 496–515 (2020).

Artikel Google Scholar

Tang, B., Wang, L., Xu, Y., Xiu, J. & Zhang, S. Hexadecanol/Phasenwechsel-Polyurethan-Verbundwerkstoff als formstabiles Phasenwechselmaterial für die Speicherung thermischer Energie. Solarenergie-Mater. Solarzellen 144, 1–6 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Acar, MS Mehrstufige, auf der Struktur eines künstlichen neuronalen Netzwerks basierende Optimierung des mit geothermischer Energie betriebenen Kalina-Zyklus. J. Therm. Anal. Kalorien. 145, 829–849 (2020).

Artikel Google Scholar

Al-Janabi, A. & Al-Azri, N. Auswirkung der Rückgewinnung der industriellen Abwärme im Oman auf Energie und Umwelt. Energy Rep. 6, 526–531 (2020).

Artikel Google Scholar

Vuarnoz, D. et al. Quantitative Machbarkeitsstudie zur magnetokalorischen Energieumwandlung unter Nutzung industrieller Abwärme. Appl. Energie 100, 229–237 (2012).

Artikel Google Scholar

Yang, Y., Kong, W. & Cai, X. Lösungsmittelfreie Herstellung und Leistung neuartiger Fest-Fest-Phasenwechselmaterialien auf Xylit-Basis zur Speicherung thermischer Energie. Energieaufbau. 158, 37–42 (2018).

Artikel Google Scholar

Liu, C. et al. Anwendung von Phasenwechselmaterialien im Batterie-Wärmemanagementsystem: Ein Rückblick. Materialien 13, 4622 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, S., Han, J., Gao, Q., Kang, W. & Wu, D. Laurinsäure/Bentonit/Flockengraphit-Verbundwerkstoff als formstabile Phasenwechselmaterialien für die Speicherung thermischer Energie. Mater. Express 10, 214–224 (2020).

Artikel Google Scholar

Kong, W., Liu, Z., Yang, Y., Zhou, C. & Lei, J. Herstellung und Charakterisierung von Phasenwechselmaterialien aus Asphalt/Laurinsäuremischungen für potenzielle Baumaterialien. Konstr. Bauen. Mater. 152, 568–575 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Ma, Y., Luo, Y., Xu, H., Du, R. & Wang, Y. Übersicht über Luft- und Wasserwärmeenergiespeicherung von Gebäuden mit Phasenwechselmaterialien. Exp. Berechnen. Mehrphasenfluss 3, 77–99 (2021).

Artikel Google Scholar

Céline, M., Yuanyuan, L., Hui, C., Max, Y. & Lars, AB Transparentes Holz zur Speicherung thermischer Energie und reversibler optischer Durchlässigkeit. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 11, 20465–20472 (2019).

Artikel Google Scholar

Zahir, MH, Rahman, MM, Irshad, K. & Rahman, MM Formstabilisierte Phasenwechselmaterialien für die Speicherung von Solarenergie: MgO und Mg(OH)2 gemischt mit Polyethylenglykol. Nanomaterialien 9, 1773 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wei, H. et al. Entwicklung von Phasenwechselmaterialien unter Verwendung von hydrolysiertem Al-Bi-Verbundpulver zur Speicherung von Solarenergie. Chem. Ing. J. 421, 127836 (2020).

Artikel Google Scholar

Bamdezh, MA & Molaeimanesh, GR Rolle der Schaumanisotropie, die im Phasenwechsel-Verbundmaterial für das hybride Wärmemanagementsystem von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. J. Energy Storage 32, 101778 (2020).

Artikel Google Scholar

Reddy, VJ, Akhila, K., Dixit, P., Singh, J. & Chattopadhyay, S. Bewertung der thermischen Pufferleistung von eutektischem Phasenwechselmaterial auf Fettsäuremischung/Fettalkoholbasis und Simulation. J. Energy Storage 38, 102499 (2021).

Artikel Google Scholar

Feng, DL, Zang, YY, Pei, LI, Feng, YH & Zhang, XX Phasenwechselmaterial aus Polyethylenglykol, eingebettet in einen hierarchischen porösen Kohlenstoff mit hervorragender Wärmespeicherkapazität und ausgezeichneter Stabilität. Kompositionen. Wissenschaft. Technol. 210, 108832 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Min, L. Ein Nano-Graphit/Paraffin-Phasenwechselmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Appl. Energie 106, 25–30 (2013).

Artikel Google Scholar

Nazir, H., Batool, M., Ali, M. & Kannan, AM Fettsäurebasiertes eutektisches Phasenwechselsystem für thermische Energiespeicheranwendungen. Appl. Therm. Ing. 142, 466–475 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

San, A. Test der thermischen Zuverlässigkeit einiger Fettsäuren als PCMs, die für solarthermische Latentwärmespeicheranwendungen verwendet werden. Energiewandler. Geschäftsführer 44, 2277–2287 (2003).

Artikel Google Scholar

Zhou, D., Yuan, J., Zhou, Y. & Liu, Y. Herstellung und Charakterisierung von Phasenwechselmaterialien aus Myristinsäure und expandiertem Graphit zur thermischen Energiespeicherung. Wissenschaft. Rep. 10, 10889 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhou, Q., Zhu, ACS-Appl. Polym. Mater. 2, 1865–1873 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Li, A., Dong, C., Gao, H., Chen, X. & Wang, G. Einkapselung von Laurinsäure in reduziertem Graphen-N-dotiertem porösen Kohlenstoff-Trägergerüst für multifunktionale Phasenwechselverbundwerkstoffe. Erneuern. Energie 170, 661–668 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Song, X. et al. Thermisches Verhalten und Formstabilisierung von Phasenwechselmaterialien aus Fettsäureeutektika/elektrogesponnenen Kohlenstoff-Nanofilzen, verbessert durch reduziertes Graphenoxid. Solarenergie-Mater. Solar Cells 191, 306–315 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Sarkar, S., Mestry, S. & Mhaske, S. Entwicklungen bei mit Phasenwechselmaterial (PCM) dotiertem, energieeffizientem Polyurethanschaum (PU) für Anwendungen in der Kühllagerung verderblicher Lebensmittel: Ein Überblick. J. Energy Storage 50, 104620 (2022).

Artikel Google Scholar

Pandey, K., Ali, SF, Gupta, SK, Saikia, P. & Saha, S. Einfache Technik zur Einkapselung von Phasenwechselmaterial in einer amphiphilen Polymermatrix zur Speicherung thermischer Energie. Appl. Energie 292, 116917 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Srivastava, V., Mishra, P. & Sunny,. CMOS-kompatible neuartige Integrationslösung für eine abstimmbare Photodetektion mit großem Bereich unter Verwendung von Heterostrukturen auf der Basis von Phasenwechselmaterialien. Wissenschaft. Rep. 10, 11131 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Meng, Y., Zhao, Y., Zhang, Y. & Tang, B. Durch induzierte Dipolkraft angetriebene formstabile PEG/PPEGMA-Phasenwechsel-Energiespeichermaterialien mit hoher latenter Wärme. Chem. Ing. J. 390, 124618 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

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Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt von der Civil Aviation Flight University of China Scientific Research Foundation (Nr. J2022-83, Nr. J2020-12), dem Science and Technology Project of Sichuan (Nr. 2021YFSY0001, Nr. 2021SZY007) und der Civil Aviation Education Talent Foundation (Nr. MHJY2022013), das autonome Projekt des Sichuan Key Laboratory of Civil Aircraft Fire Science and Safety Engineering (Nr. MZ2022JB03), die Civil Aviation Safety Capacity Construction Foundation (Nr. 202275).

College of Civil Aviation Safety Engineering, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan, 618307, China

Yunyun Yang, Shenghua Xiong, Ju Fu, Yuanhua He, Yi Wu und Yi Xu

Schlüssellabor für Feuerwissenschaft und Sicherheitstechnik für zivile Flugzeuge der Provinz Sichuan, Fluguniversität für zivile Luftfahrt von China, Guanghan, 618307, China

Yunyun Yang, Shenghua Xiong, Ju Fu, Yuanhua He, Yi Wu und Yi Xu

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YY hat die Finanzierung eingeworben und die Konzeptualisierung abgeschlossen. YY und YX haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben. YY und SX haben die Methodik fertiggestellt. SX und YX haben die Daten korrigiert. SX und JF führten die Untersuchung durch. JF, YH und YW haben die formale Analyse abgeschlossen. JF hat die Visualisierung abgeschlossen. YH hat den Originalentwurf geschrieben. YW hat die Validierung durchgeführt. YX hat dieses Projekt betreut. YW und YX stellten die Ressourcen zur Verfügung.

Korrespondenz mit Yi Wu oder Yi Xu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yang, Y., Xiong, S., Fu, J. et al. Ein neuartiges formstabiles Phasenwechselmaterial mit kammartig vernetztem Polyurethan als Stützgerüst. Sci Rep 13, 5243 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21640-3

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Eingegangen: 27. April 2022

Angenommen: 29. September 2022

Veröffentlicht: 31. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21640-3

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