کامپوزیت پلی اتیلن گلیکول PEG - دیاتومیت

کامپوزیت پلی اتیلن گلیکول (PEG) / دیاتومیت بعنوان یک ماده جدید تغییر فاز پایدار (PCM) برای ذخیره انرژی حرارتی

این مقاله به بحث در مورد تهیه و تعیین خواص ذخیرۀ انرژی حرارتی در کامپوزیت پلی اتیلن گلیکول (PEG)/دیاتومیت بعنوان یک مادۀ تغییر فاز مرکب جدید (PCM) با شکل پایدار می پردازد. PCM از طریق ترکیب PEG در منافذ دیاتومیت تهیه می شود. PEG را می توان تا 50 درصد وزنی در منافذ دیاتومیت بدون نشت PEG ذوب شده از کامپوزیت حفظ کرد. PCM مرکب با استفاده از تکنیک تحلیل SEM و FT-IR بررسی شد. خواص حرارتی PCM نیز با تجزیه و تحلیل DSC تعیین شد. نتایج حاصل از بررسی DSC نشان داد مه دمای ذوب و گرمای پنهان کامپوزیت PCM به ترتیب 27.70 و 87.09 ژول بر گرم است. آزمایش چرخه حرارتی برای تعیین قابلیت ثبات حرارتی PCM انجام شد و نتایج به دست آمده نشان داد که که PCM قابلیت ثبات حرارتی و پایداری شیمیایی خوبی دارد. تجزیه و تحلیل TG نیز نشان داد که PEG آغشته به دیاتومیت نیز از پایداری حرارتی خوبی برخوردار بود. هدایت حرارتی PCM با افزودن گرافیت منبسط شده در کسرهای حجمی مختلف بهبود یافت. عملکرد ذخیره انرژی حرارتی آن هم مورد آزمایش قرار گرفت.

ذخیره سازی انرژی حرارتی (TES) بعنوان یکی از فناوری های کلیدی برای تأمین انرژی در آینده شناخته می شود. سه روش برای آن دسته بندی شده است: ذخیره حرارت محسوس، ذخیرۀ حرارت پنهان و ذخیره حرارت واکنش شیمیایی برگشت پذیر. از بین این روش ها، ذخیرۀ انرژی پنهان که با استفاده از ماده تغییر فاز (PCM) محقق می شود، به دلیل مزایای آن در چگالی ذخیره سازی انرژی بالا و خواص همدما، مؤثرترین روش است. در برخی از پژوهش ها به بررسی ایدۀ بهبود آسایش حرارتی ساختارهای سبک با ادغام PCM ها پرداخته شده است. بیشتر مطالعات بر روی کپسول های ماکرو یا فرایندهای غوطه وری مستقیم برای ادغام PCM در ساختارها متمرکز بود. با این حال، ادغام PCM محصور شده با ماتریس پلیمری در ساختار اغلب به بررسی های بیشتری نیاز دارد و هزینه سیستم ها را افزایش می دهد. علاوه براین، استفاده از PCM با رسانایی حرارتی کم در این نوع کامپوزیت منجر به نرخ انتقال حرارت پایین در طول فرایند تخلیه گرما می شود. مصالح ساختمانی حاوی PCM که یک فناوری کلیدی برای غلبه بر بسیاری از این مشکلات محسوب می شود، ممکن است امکان ذخیره سازی انرژی مؤثر در صنعت ساختمان را فراهم کند. در سال های اخیر، بسیاری از جایگزین های آن مانند PCM های معدنی، آلی و ترکیب آنها برای تولید مصالح ساختمانی مورد مطالعه قرار گرفته اند. پلی اتیلن گلیکول (PEG) به دلیل خواص منحصر به فرد مانند دمای تغییر فاز مناسب، ظرفیت حرارت پنهان بالا، ذوب همزمان، غیر سمی بودن، عدم خنک سازی بالا، فشار بخار کم، عدم تغییر حجم یا کمتر در حین تغییر فاز جامد - مایع، پایداری حرارتی و ثبات شیمیایی پس از استفاده طولانی مدت بسیار مورد توجه است. همچنین PEG را می توان مستقیم در مواد متخلخل ترکیب کرد.

دیاتومیت که به آن خاک دیاته نیز می گویند، سنگی سفسد یا کرم رنگ و متخلخل است که از بقایای فسیلی دیاتوم ها، که گیاهان آبی تک سلولی با دیواره سلولی سیلیس (یک ترکیب کریستالی سفید یا بی رنگ) هستند ساخته شده است. از خواصی همچون وزن سبک، تخلخل بالا، جذب بالا، خلوص بالا، چند شکلی بودن، سفتی و بی اثری برخوردار است. هم ترکیب شیمیایی و هم ساختار فیزیکی دیاتومیت باعث شده است تا در بسیاری از اهداف علمی و صنعتی کاربرد داشته باشد. حتی در اکثر زمینه ها بعنوان یک عامل فیلتر؛ مواد و مصالح ساختمانی؛ عایق گرما، سرما و صوتی؛ حامل کاتالیزور؛ جاذب فیلر؛ ساینده و مواد اولیه در داروسازی استفاده می شود. همچنین، دیاتومیت به وفور در بازارهای ترکیه موجود است. با توجه به تمام موارد ذکر شده در بالا، دیاتومیت یکی از گزینه های عملی در قالب یک مصالح ساختمانی اقتصادی و سبک برای ترکیب PEG بعنوان PCM برای ذخیرۀ انرژی حرارتی در ساختمان ها است. در این مطالعه، مخلوط  PEG/ دیاتومیت بعنوان یک PCM مرکب جدید و پایدار با استفاده از روش اشباع خلاء تهیه شد. کامپوزیت PCM تهیه شده از نظر سازگاری شیمیایی با کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و تکنیک های آنالیز FT-IR بررسی شد. خواص حرارتی و قابلیت پایداری حرارتی آن هم با استفاده از روش کالریمتری روشی تفاضلی (DSC) و تحلیل TG مورد بررسی قرار گرفت. هدایت حرارتی PCM کامپوزیت پایدار با افزودن گرافیت انبساطی (EG) افزایش یافت. در آخر، عملکرد ذخیره انرژی کامپوزیت PCM/دیاتومیت نیز ارزیابی شد.

خواص PCM کامپوزیت PEG/دیاتومیت پایدار

در شکل زیر، تصاویر SEM دیاتومیت را قبل و بعد از اشباع PEG نشان می دهد.

شکل 1:

با توجه به این تصاویر می توان گفت که PEG به طور کامل در منافذ دیاتومیت بعنوان ماده نگهدارنده پراکنده شده است. این ساختار دوام مکانیکی را برای کامپوزیت فراهم می کند. با این حال، کامپوزیت شکل خود را بدون نشت PEG ذوب شده حفظ کرد تا زمانی که درصد جرمی PEG در دیاتومیت به 50 درصد وزنی رسید. از سوی دیگر، PCM کامپوزیت نیز برای بررسی سازگاری شیمیایی بین PEG و دیاتومیت مشخص شد. به همین منظور، برهمکنش های احتمالی بین PEG و دیاتومیت توسط آنالیز FT-IR مورد ارزیابی قرار گرفت. در شکل زیر بسیاری از پیک های مشخص PEG در آنالیز FT-IR بیان شده است.

شکل 2:

با توجه به این شکل، دیاتومیت خالص دارای نوارهای اصلی جذب در 3748، 1652، 1195، 1093 و 792 سانتیمتر مربع است. پیک 792 سانتیمتر مربع نشان دهندۀ ارتعاش SiO-H است. طیف FTIR در کامپوزیت PEG / دیاتومیت دارای پیک های جذبی جدید 3392، 2875، 1353، 1249 و 950 سانتیمتر مربع مربوط به پیک مشخصه PEG است. علاوه براین، این پیک جدید به استثنای پیک های مشخصه PEG و دیاتومیت، در طیف FTIR مشاهده نشد. این بدان معنا است که هیچ برهمکنش شیمیایی بین آنها وجود ندارد. با این حال، تغییرات در پیک های جذب مشخصه خالص نشان داد که برهمکنش های بین گروه های عملکردی PEG و دیاتومیت ماهیت فیزیکی دارند.

نتیجه گیری

در این مطالعه، کامپوزیت PEG / دیاتومیت بعنوان یک PCM پایدار با استفاده از روش اشباع خلاء با موفقیت تهیه شد. PEG و دیاتومیت به ترتیب بعنوان PCM و مواد نگهدارنده انتخاب شدند. سازگاری شیمیایی بین PEG و دیاتومیت با استفاده از روش FTIR مشخص شد. دمای ذوب، انجماد و حرارت پنهان PCM مرکب به ترتیب 32.19 و 27.70 درجه سلسیوس و 82.22 و 87.09 ژول بر گرم با استفاده از آنالیز DSC اندازه گیری شد. آزمایش چرخه حرارتی نشان داد که کامپوزیت PCM با توجه به تغییرات در خواص حرارتی و ساختار شیمیایی آن پس از 1000 سیکل ذوب/انجماد، دارای قابلیت ثبات حرارتی و شیمیایی خوبی است. تجزیه و تحلیل TG نشان داد که PEG در کامپوزیت به اندازه PEG خالص حتی پس از چرخه حرارتی، از پایداری حرارتی خوبی برخوردار است. هدایت حرارتی PCM نیز با افزودن EG افزایش یافت. افزایش هدایت حرارتی آن هم با مقایسۀ زمان ذوب و انجماد کامپوزیت با یا بدون افزودن EG تأیید شد.