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El ácido esteárico (SA) se utiliza como material de cambio de fase (PCM) en dispositivos de almacenamiento de energía. En este estudio, se utilizó el método sol-gel para microencapsular el surfactante de la cubierta de SiO2. Varias cantidades de SA (5, 10, 15, 20, 30 y 50 g) se encapsularon en 10 mL de ortosilicato de tetraetilo (TEOS). El material de cambio de fase microencapsulado sintetizado (MEPCM) se caracterizó por espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados de la caracterización mostraron que el SA fue encapsulado con éxito por SiO2. El análisis termogravimétrico (TGA) mostró que el MEPCM tiene mejor estabilidad térmica que el CA. Utilizando calorimetría diferencial de barrido (DSC), se encontró que el valor de entalpía del MEPCM no cambió incluso después de 30 ciclos de calentamiento-enfriamiento. Entre todas las muestras microencapsuladas, 50 g de SA con MEPCM presentaron los mayores calores latentes de fusión y solidificación, de 182,53 J/g y 160,12 J/g, respectivamente. El valor de eficiencia del empaque se calculó utilizando datos térmicos, y la mayor eficiencia se encontró para la misma muestra: 86,68 %.
Aproximadamente el 58% de la energía utilizada en la industria de la construcción se utiliza para calentar y enfriar edificios1. Por lo tanto, lo más necesario es crear sistemas energéticos eficientes que tengan en cuenta la contaminación ambiental2. La tecnología de calor latente que utiliza materiales de cambio de fase (PCM) puede almacenar alta energía a bajas fluctuaciones de temperatura3,4,5,6 y puede usarse ampliamente en campos como la transferencia de calor, el almacenamiento de energía solar, la industria aeroespacial y el aire acondicionado7,8,9. El PCM absorbe energía térmica de los exteriores de los edificios durante el día y libera energía por la noche10. Por lo tanto, los materiales de cambio de fase se recomiendan como materiales de almacenamiento de energía térmica. Además, existen diferentes tipos de PCM, como sólido-sólido, sólido-líquido, líquido-gas y sólido-gas11. Entre ellos, los materiales de cambio de fase más populares y utilizados son los materiales de cambio de fase sólido-sólido y los materiales de cambio de fase sólido-líquido. Sin embargo, su aplicación es muy difícil debido a los enormes cambios volumétricos de los materiales de transición de fase líquido-gas y sólido-gas.
El PCM tiene diversas aplicaciones debido a sus propiedades: aquellos que se funden a temperaturas inferiores a 15 °C se pueden utilizar en sistemas de aire acondicionado para mantener temperaturas bajas, y aquellos que se funden a temperaturas superiores a 90 °C se pueden utilizar en sistemas de calefacción para prevenir incendios12. Dependiendo de la aplicación y el rango de punto de fusión, se han sintetizado diversos materiales de cambio de fase a partir de diferentes sustancias químicas orgánicas e inorgánicas13,14,15. La parafina es el material de cambio de fase más utilizado, con alto calor latente, no corrosivo, seguro y un amplio rango de puntos de fusión16,17,18,19,20,21.
Sin embargo, debido a la baja conductividad térmica de los materiales de cambio de fase, es necesario encapsularlos en una carcasa (capa exterior) para evitar fugas del material base durante el proceso de cambio de fase22. Además, errores operativos o la presión externa pueden dañar la capa exterior (revestimiento), y el material de cambio de fase fundido puede reaccionar con los materiales de construcción, provocando la corrosión de las barras de acero incrustadas, lo que reduce la capacidad de servicio del edificio23. Por lo tanto, es importante sintetizar materiales de cambio de fase encapsulados con suficiente material de carcasa, lo que puede resolver los problemas mencionados24.
La microencapsulación de materiales de cambio de fase puede aumentar eficazmente la transferencia de calor y reducir la reactividad ambiental, y controlar los cambios de volumen. Se han desarrollado varios métodos para la encapsulación de PCM, a saber, polimerización interfacial25,26,27,28, polimerización in situ29,30,31,32, coacervación33,34,35 y procesos sol-gel36,37,38,39. La resina de formaldehído se puede utilizar para la microencapsulación40,41,42,43. Las resinas de melamina-formaldehído y urea-formaldehído se utilizan como materiales de cubierta, que a menudo emiten formaldehído tóxico durante la operación. Por lo tanto, estos materiales están prohibidos para ser utilizados en procesos de envasado. Sin embargo, los materiales de cambio de fase respetuosos con el medio ambiente para el almacenamiento de energía térmica escalable se pueden sintetizar utilizando nanocápsulas híbridas basadas en ácidos grasos y lignina 44.
Zhang et al. 45 et al. sintetizaron ácido láurico a partir de ortosilicato de tetraetilo y concluyeron que, a medida que aumenta la relación de volumen de metiltrietoxisilano a ortosilicato de tetraetilo, el calor latente disminuye y la hidrofobicidad de la superficie aumenta. El ácido láurico puede ser un material de núcleo potencial y eficaz para fibras de kapok46. Además, Latibari et al. 47 sintetizaron PCM basados ​​en ácido esteárico utilizando TiO2 como material de cubierta. Zhu et al. prepararon nanocápsulas de n-octadecano y silicona como posibles PCM 48. A partir de una revisión de la literatura, es difícil comprender la dosis recomendada para la formación de materiales de cambio de fase microencapsulados eficaces y estables.
Por lo tanto, según el conocimiento de los autores, la cantidad de material de cambio de fase utilizado para la microencapsulación es un parámetro importante para la producción de materiales de cambio de fase microencapsulados eficientes y estables. El uso de diferentes cantidades de materiales de cambio de fase nos permitirá dilucidar las diferentes propiedades y la estabilidad de los materiales de cambio de fase microencapsulados. El ácido esteárico (ácido graso) es una sustancia respetuosa con el medio ambiente, de importancia médica y económica que puede utilizarse para almacenar energía térmica debido a su alto valor de entalpía (~200 J/g) y a su capacidad para soportar temperaturas de hasta 72 °C. Además, el SiO2 no es inflamable, proporciona mayor resistencia mecánica, conductividad térmica y mejor resistencia química a los materiales del núcleo, y actúa como material puzolánico en la construcción. Cuando el cemento se mezcla con agua, los PCM mal encapsulados pueden agrietarse debido al desgaste mecánico y a las altas temperaturas (calor de hidratación) generadas en las estructuras de hormigón macizo. Por lo tanto, el uso de CA microencapsulado con una capa de SiO2 puede resolver este problema. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue investigar el rendimiento y la eficiencia de los PCM sintetizados mediante el proceso sol-gel en aplicaciones de construcción. En este trabajo, se estudiaron sistemáticamente diferentes cantidades de SA (como material base) de 5, 10, 15, 20, 30 y 50 g encapsuladas en capas de SiO₂. Se utilizó una cantidad fija de tetraetilortosilicato (TEOS) en un volumen de 10 ml como solución precursora para la formación de la capa de SiO₂.
El ácido esteárico de grado reactivo (SA, C₄H₃₆O₂, punto de fusión: 72 °C) como material de núcleo se adquirió de Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sur. El tetraetilortosilicato (TEOS, C₄H₂O₃Si) como solución precursora se adquirió de Acros Organics, Geel, Bélgica. Además, el etanol absoluto (EA, C₂H₃OH) y el lauril sulfato de sodio (SLS, C₄H₂NaO₃S) se adquirieron de Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sur, y se utilizaron como disolventes y surfactantes, respectivamente. También se utilizó agua destilada como disolvente.
Diferentes cantidades de SA se mezclaron con diferentes proporciones de lauril sulfato de sodio (SLS) en 100 mL de agua destilada utilizando un agitador magnético a 800 rpm y 75 °C durante 1 h (Tabla 1). Las emulsiones de SA se dividieron en dos grupos: (1) 5, 10 y 15 g de SA se mezclaron con 0,10 g de SLS en 100 ml de agua destilada (SATEOS1, SATEOS2 y SATEOS3), (2) 20, 30 y 50 g de SA se mezclaron con 0,15, 0,20 y 0,25 g de SLS se mezclaron con 100 ml de agua destilada (SATEOS4, SATEOS5 y SATEOS6). Se utilizaron 0,10 g de SLS con 5, 10 y 15 g de SA para formar las respectivas emulsiones. Posteriormente, se propuso aumentar la cantidad de SLS para SATEOS4, SATEOS5 y SATEOS6. La Tabla 1 muestra las proporciones de CA y SLS utilizadas para obtener soluciones de emulsión estables.
Colocar 10 ml de TEOS, 10 ml de etanol (EA) y 20 ml de agua destilada en un vaso de precipitados de 100 ml. Para estudiar la eficiencia de encapsulación de diferentes proporciones de capas de SA y SiO₂, se registró el coeficiente de síntesis de todas las muestras. La mezcla se agitó con un agitador magnético a 400 rpm y 60 °C durante 1 hora. Luego, la solución precursora se añadió gota a gota a la emulsión de SA preparada, se agitó vigorosamente a 800 rpm y 75 °C durante 2 horas y se filtró para obtener un polvo blanco. El polvo blanco se lavó con agua destilada para eliminar el SA residual y se secó en un horno de vacío a 45 °C durante 24 horas. Como resultado, se obtuvo un SC microencapsulado con una capa de SiO₂. El proceso completo de síntesis y preparación del SA microencapsulado se muestra en la Figura 1.
Las microcápsulas de SA con una cubierta de SiO₂ se prepararon mediante el método sol-gel, y su mecanismo de encapsulación se muestra en la Figura 2. El primer paso consiste en preparar una emulsión de SA en una solución acuosa con SLS como surfactante. En este caso, el extremo hidrófobo de la molécula de SA se une al SLS y el extremo hidrófilo a las moléculas de agua, formando una emulsión estable. De este modo, las fracciones hidrófobas del SLS quedan protegidas y cubren la superficie de la gota de SA. Por otro lado, la hidrólisis de las soluciones de TEOS se produce lentamente por las moléculas de agua, lo que conduce a la formación de TEOS hidrolizado en presencia de etanol (Fig. 2a) 49,50,51. El TEOS hidrolizado experimenta una reacción de condensación, durante la cual el TEOS n-hidrolizado forma cúmulos de sílice (Fig. 2b). Los cúmulos de sílice fueron encapsulados por SA₁₂ en presencia de SLS (Fig. 2c), lo que se denomina proceso de microencapsulación.
Diagrama esquemático de la microencapsulación de CA con una capa de SiO2 (a) hidrólisis de TEOS (b) condensación del hidrolizado y (c) encapsulación de CA con una capa de SiO2.
El análisis químico del SA a granel y del SA microencapsulado se llevó a cabo utilizando un espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR, Perkin Elmer UATR Two, EE. UU.) y los espectros se registraron en el rango de 500 a 4000 cm-1.
Se utilizó un difractómetro de rayos X (DRX, D/MAX-2500, Rigaku, Japón) para analizar las fases SA en masa y los materiales de las microcápsulas. El escaneo estructural con rayos X se realizó en el rango 2θ = 5°–95° con una velocidad de escaneo de 4°/min, utilizando radiación Cu-Kα (λ = 1,541 Å), condiciones de operación de 25 kV y 100 mA, en modo de escaneo continuo. Las imágenes de rayos X se generaron en el rango 2θ = 5–50°, ya que no se observó ningún pico después de 50° en ninguna de las muestras.
Se realizó espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS, Scienta Omicron R3000, EE. UU.) utilizando Al Kα (1486,6 eV) como fuente de rayos X para comprender el estado químico del SA en masa, así como los elementos presentes en el material de encapsulación. Los espectros XPS obtenidos se calibraron con respecto al pico C 1s utilizando carbono exótico (energía de enlace de 284,6 eV). Tras la corrección de fondo mediante el método de Shirley, los picos de alta resolución de cada elemento se deconvolucionaron y se ajustaron a funciones gaussianas/lorentzianas mediante el software CASA XPS.
La morfología de las células madre en masa y las células madre microencapsuladas se examinó mediante microscopía electrónica de barrido (MEB, MIRA3, TESCAN, Brno, República Checa) equipada con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) a 15 kV. Antes de obtener imágenes MEB, las muestras se recubrieron con platino (Pt) para evitar efectos de carga.
Las propiedades térmicas (punto de fusión/solidificación y calor latente) y la fiabilidad (ciclado térmico) se determinaron mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC, TA Instrument, Discovery DSC, Newcastle, EE. UU.) a una velocidad de calentamiento/enfriamiento de 10 °C/min a 40 °C y 90 °C con purga continua de nitrógeno. El análisis de pérdida de peso se realizó con un analizador TGA (TA Instrument, Discovery TGA, New Castle, EE. UU.) en un flujo continuo de nitrógeno a partir de una temperatura de 40–600 °C, con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min.
La Figura 3 muestra los espectros FTIR de SC en masa, así como de SC microencapsulado (SATEOS1, SATEOS2, SATEOS3, SATEOS4, SATEOS5 y SATEOS6). Los picos de absorción a 2910 cm⁻¹ y 2850 cm⁻¹ en todas las muestras (SA y SA microencapsulado) se atribuyen a las vibraciones de estiramiento simétrico de los grupos –CH3 y –CH2, respectivamente10,50. El pico a 1705 cm⁻¹ corresponde al estiramiento vibracional del enlace C=O. Los picos a 1470 cm⁻¹ y 1295 cm⁻¹ se atribuyen a la vibración de flexión en el plano del grupo funcional –OH, mientras que los picos a 940 cm⁻¹ y 719 cm⁻¹ corresponden a la vibración en el plano y a la vibración de deformación en el plano de fluencia, respectivamente. También se observaron picos de absorción de SA a 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 y 719 cm-1 en todo el SA microencapsulado. Además, se observó un pico recién descubierto a 1103 cm-1 correspondiente a la vibración de estiramiento antisimétrica de la banda Si-O-Si en la microcápsula de SA. Los resultados de FT-IR son consistentes con Yuan et al. 50 Prepararon con éxito SA microencapsulado en una proporción de amoníaco/etanol y encontraron que no se produjo interacción química entre SA y SiO2. Los resultados del estudio FT-IR actual muestran que la cubierta de SiO2 encapsuló con éxito SA (núcleo) a través del proceso de condensación y polimerización de TEOS hidrolizado. A menor contenido de SA, la intensidad del pico de la banda Si-O-Si es mayor (Fig. 3b-d). A medida que la cantidad de SA aumenta a más de 15 g, la intensidad del pico y el ensanchamiento de la banda Si-O-Si disminuyen gradualmente, lo que indica la formación de una capa delgada de SiO2 en la superficie de SA.
Espectros FTIR de (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 y (g) SATEOS6.
Los patrones de XRD de SA a granel y SA microencapsulado se muestran en la Figura 4. Los picos de XRD se ubican en 2θ = 6,50° (300), 10,94° (500), 15,46° (700), 20,26° \((\overline {5}según JCPDS No. 0381923, 02)\), 21,42° en todas las muestras (311), 24,04° (602) y 39,98° (913) se asignan a SA. Distorsión e hibridación con CA a granel debido a factores inciertos como surfactante (SLS), otras sustancias residuales y microencapsulación de SiO250. Después de que ocurre la encapsulación, la intensidad de los picos principales (300), (500), (311) y (602) disminuye gradualmente en comparación con CA a granel, lo que indica una disminución en la cristalinidad de la muestra.
Patrones de XRD de (a) SA, (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 y (g) SATEOS6.
La intensidad de SATEOS1 disminuye drásticamente en comparación con otras muestras. No se observaron otros picos en ninguna de las muestras microencapsuladas (Fig. 4b–g), lo que confirma que la adsorción física de SiO₂₄, en lugar de la interacción química, ocurre en la superficie del SA. Además, se concluyó que la microencapsulación del SA no produjo la aparición de nuevas estructuras. El SiO₂ permanece intacto en la superficie del SA sin ninguna reacción química, y a medida que disminuye la cantidad de SA, los picos existentes se vuelven más evidentes (SATEOS1). Este resultado indica que el SiO₂ encapsula principalmente la superficie del SA. El pico en (700) desaparece por completo, y el pico en \((\overline{5}0₂)\) se convierte en una joroba en SATEOS 1 (Fig. 4b), lo que se asocia con una menor cristalinidad y un mayor amorfismo. El SiO₂ es amorfo por naturaleza, por lo que los picos observados entre 2θ = 19° y 25° presentan una joroba y un ensanchamiento53 (Fig. 4b–g), lo que confirma la existencia de SiO₂ amorfo52. La menor intensidad del pico de difracción del SA microencapsulado se debe al efecto de nucleación de la pared interna de sílice y a la limitación de la cristalización49. Se cree que con un menor contenido de SA, se forma una capa de sílice más gruesa debido a la presencia de una gran cantidad de TEOS, que se adsorbe en gran medida en la superficie exterior del SA. Sin embargo, a medida que aumenta la cantidad de SA, aumenta el área superficial de las gotitas de SA en la solución de emulsión, por lo que se requiere más TEOS para una encapsulación adecuada. Por lo tanto, con un mayor contenido de SA, el pico de SiO₂ en FT-IR se suprime (Fig. 3), y la intensidad del pico de difracción cerca de 2θ = 19–25° en XRF (Fig. 4) disminuye, al igual que la expansión. No visible. Sin embargo, como se observa en la Figura 4, al aumentar la cantidad de SA de 5 g (SATEOS1) a 50 g (SATEOS6), los picos se acercan mucho al SA total, y el pico en (700) aparece con todas las intensidades de pico identificadas. Este resultado se correlaciona con los resultados de FT-IR, donde la intensidad del pico de SiO₂ SATEOS6 disminuye a 1103 cm⁻¹ (Fig. 3g).
Los estados químicos de los elementos presentes en SA, SATEOS1 y SATEOS6 se muestran en las Figuras 1 y 2. Figuras 5, 6, 7 y 8 y Tabla 2. Los escaneos de medición para SA a granel, SATEOS1 y SATEOS6 se muestran en la Figura 5 y los escaneos de alta resolución para C 1s, O 1s y Si 2p se muestran en las Figuras 5, 6, 7 y 8 y Tabla 2. 6, 7 y 8 respectivamente. Los valores de energía de enlace obtenidos por XPS se resumen en la Tabla 2. Como se puede ver en la Figura 5, se observaron picos obvios de Si 2s y Si 2p en SATEOS1 y SATEOS6, donde ocurrió la microencapsulación de la cubierta de SiO2. Investigadores anteriores han informado de un pico de Si 2s similar a 155,1 eV54. La presencia de picos de Si en SATEOS1 (Fig. 5b) y SATEOS6 (Fig. 5c) confirma los datos de FT-IR (Fig. 3) y XRD (Fig. 4).
Como se muestra en la Figura 6a, el C 1s del SA en masa presenta tres picos diferentes de CC, califático y O=C=O a la energía de enlace, que son 284,5 eV, 285,2 eV y 289,5 eV, respectivamente. También se observaron picos de C–C, califático y O=C=O en SATEOS1 (Fig. 6b) y SATEOS6 (Fig. 6c), que se resumen en la Tabla 2. Además, el pico de C 1s corresponde a un pico adicional de Si-C a 283,1 eV (SATEOS1) y 283,5 eV (SATEOS6). Nuestras energías de enlace observadas para C–C, califático, O=C=O y Si–C se correlacionan bien con otras fuentes55,56.
Los espectros XPS de O₁SA, SATEOS1 y SATEOS6 se muestran en las Figuras 7a-c, respectivamente. El pico de O₁s del SA en masa está deconvolucionado y presenta dos picos: C=O/C–O (531,9 eV) y C–O–H (533,0 eV), mientras que los de O₁ de SATEOS1 y SATEOS6 son consistentes. Solo hay tres picos: C=O/C–O, C–O–H y Si–OH⁻¹ ...
Los espectros XPS de Si 2p de SATEOS1 y SATEOS6 se muestran en las Figuras 8a y b, respectivamente. En CA en masa, no se observó Si 2p debido a la ausencia de SiO₂. El pico de Si 2p corresponde a 105,4 eV para SATEOS1 y 105,0 eV para SATEOS6, correspondientes a Si-O-Si, mientras que el pico de SATEOS1 es de 103,5 eV y el de SATEOS6 es de 103,3 eV, correspondientes a Si-OH₁₃. El ajuste de los picos de Si-O-Si y Si-OH en SATEOS1 y SATEOS6 reveló una microencapsulación exitosa de SiO₂ en la superficie del núcleo de SA.
La morfología del material microencapsulado es fundamental, ya que afecta la solubilidad, la estabilidad, la reactividad química, la fluidez y la resistencia59. Por lo tanto, se utilizó SEM para caracterizar la morfología del SA a granel (100×) y del SA microencapsulado (500×), como se muestra en la Figura 9. Como se puede observar en la Figura 9a, el bloque de SA tiene forma elíptica. El tamaño de partícula supera las 500 micras. Sin embargo, una vez que continúa el proceso de microencapsulación, la morfología cambia drásticamente, como se muestra en las Figuras 9b-g.
Imágenes SEM de (a) SA (×100), (b) SATEOS1, (c) SATEOS2, (d) SATEOS3, (e) SATEOS4, (f) SATEOS5 y (g) SATEOS6 a ×500.
En la muestra SATEOS1, se observan partículas de SA envueltas en SiO2 cuasi-esféricas más pequeñas con una superficie rugosa (Fig. 9b), lo que puede deberse a la hidrólisis y polimerización por condensación de TEOS en la superficie del SA, acelerando la rápida difusión de las moléculas de etanol. Como resultado, se depositan partículas de SiO2 y se observa aglomeración52,60. Esta cubierta de SiO2 proporciona resistencia mecánica a las partículas de CA microencapsuladas y también previene fugas de CA fundido a temperaturas más altas10. Este resultado indica que las microcápsulas de SA que contienen SiO2 pueden usarse como materiales de almacenamiento de energía potencial61. Como puede verse en la Figura 9b, la muestra SATEOS1 tiene una distribución de partículas uniforme con una capa gruesa de SiO2 que encapsula el SA. El tamaño de partícula del SA microencapsulado (SATEOS1) es de aproximadamente 10-20 μm (Fig. 9b), que es significativamente menor en comparación con el SA a granel debido al menor contenido de SA. El espesor de la capa de microcápsulas se debe a la hidrólisis y la polimerización por condensación de la solución precursora. La aglomeración se produce con dosis más bajas de SA, es decir, hasta 15 g (Fig. 9b-d), pero al aumentar la dosis, no se observa aglomeración, sino partículas esféricas claramente definidas (Fig. 9e-g) 62.
Además, cuando la cantidad de surfactante SLS es constante, el contenido de SA (SATEOS1, SATEOS2 y SATEOS3) también afecta la eficiencia, la forma y la distribución del tamaño de partícula. Por lo tanto, se encontró que SATEOS1 exhibe un tamaño de partícula más pequeño, una distribución uniforme y una superficie densa (Fig. 9b), lo que se atribuyó a la naturaleza hidrofílica de SA que promueve la nucleación secundaria bajo surfactante constante63. Se cree que al aumentar el contenido de SA de 5 a 15 g (SATEOS1, SATEOS2 y SATEOS3) y usar una cantidad constante de surfactante, es decir, 0,10 g de SLS (Tabla 1), la contribución de cada partícula de la molécula de surfactante disminuirá, reduciendo así el tamaño de partícula y el tamaño de partícula. La distribución de SATEOS2 (Fig. 9c) y SATEOS3 (Fig. 9d) difiere de la distribución de SATEOS 1 (Fig. 9b).
En comparación con SATEOS1 (Fig. 9b), SATEOS2 mostró una morfología densa de SA microencapsulado y el tamaño de partícula aumentó (Fig. 9c). Esto se debe a la aglomeración 49, que reduce la velocidad de coagulación (Fig. 2b). A medida que la cantidad de SC aumenta con el aumento de SLS, las microcápsulas se vuelven claramente visibles, como se muestra en la Fig. cómo ocurre la agregación. Además, las Figuras 9e-g muestran que todas las partículas son claramente esféricas en forma y tamaño. Se ha reconocido que en presencia de grandes cantidades de SA, se puede obtener una cantidad apropiada de oligómeros de sílice, lo que provoca una condensación y encapsulación apropiadas y, por lo tanto, la formación de microcápsulas bien definidas49. A partir de los resultados de SEM, es claro que SATEOS6 formó microcápsulas correspondientes en comparación con una pequeña cantidad de SA.
Los resultados de la espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDS) del SA en masa y el SA en microcápsulas se presentan en la Tabla 3. Como se puede observar en esta tabla, el contenido de Si disminuye gradualmente desde SATEOS1 (12,34 %) hasta SATEOS6 (2,68 %). Aumento del SA. Por lo tanto, podemos afirmar que un aumento en la cantidad de SA conlleva una disminución en la deposición de SiO₂ en la superficie del SA. No existen valores consistentes para los contenidos de C y O en la Tabla 3 debido al análisis semicuantitativo de EDS51. El contenido de Si del SA microencapsulado se correlacionó con los resultados de FT-IR, XRD y XPS.
El comportamiento de fusión y solidificación del SA a granel, así como del SA microencapsulado con cubierta de SiO2, se muestran en las Figuras 1 y 2. Se muestran en las Figuras 10 y 11 respectivamente, y los datos térmicos se muestran en la Tabla 4. Se encontró que las temperaturas de fusión y solidificación del SA microencapsulado eran diferentes. A medida que aumenta la cantidad de SA, las temperaturas de fusión y solidificación aumentan y se aproximan a los valores del SA a granel. Después de la microencapsulación del SA, la pared de sílice aumenta la temperatura de cristalización y su pared actúa como un núcleo para promover la heterogeneidad. Por lo tanto, a medida que aumenta la cantidad de SA, las temperaturas de fusión (Fig. 10) y solidificación (Fig. 11) también aumentan gradualmente49,51,64. Entre todas las muestras de SA microencapsulado, SATEOS6 exhibió las temperaturas de fusión y solidificación más altas, seguido de SATEOS5, SATEOS4, SATEOS3, SATEOS2 y SATEOS1.
SATEOS1 muestra el punto de fusión más bajo (68,97 °C) y la temperatura de solidificación (60,60 °C), lo que se debe al menor tamaño de partícula en el que el movimiento de partículas de SA dentro de las microcápsulas es muy pequeño y la cubierta de SiO2 forma una capa gruesa y, por lo tanto, el material del núcleo limita el estiramiento y el movimiento49. Esta hipótesis está relacionada con los resultados de SEM, donde SATEOS1 mostró un tamaño de partícula más pequeño (Fig. 9b), lo que se debe al hecho de que las moléculas de SA están confinadas dentro de un área muy pequeña de las microcápsulas. La diferencia en las temperaturas de fusión y solidificación de la masa principal, así como todas las microcápsulas de SA con cubiertas de SiO2, está en el rango de 6,10–8,37 °C. Este resultado indica que el SA microencapsulado se puede utilizar como un material de almacenamiento de energía potencial debido a la buena conductividad térmica de la cubierta de SiO2 65 .
Como se puede observar en la Tabla 4, SATEOS6 presenta la entalpía más alta entre todos los SC microencapsulados (Fig. 9g) debido a la adecuada encapsulación observada mediante SEM. La tasa de empaquetamiento de SA se puede calcular mediante la ecuación (1). (1) Comparando los datos de calor latente de SA49 microencapsulado.
El valor R representa el grado de encapsulación (%) del SC microencapsulado, ΔHMEPCM,m representa el calor latente de fusión del SC microencapsulado y ΔHPCM,m representa el calor latente de fusión del SC. Además, la eficiencia de empaquetado (%) se calcula como otro parámetro técnico importante, como se muestra en la Ecuación (1). (2)49.
El valor E representa la eficiencia de encapsulación (%) del CA microencapsulado, ΔHMEPCM,s representa el calor latente de curado del CA microencapsulado y ΔHPCM,s representa el calor latente de curado del CA.
Como se muestra en la Tabla 4, el grado de empaquetamiento y la eficiencia de SATEOS1 son del 71,89 % y el 67,68 %, respectivamente, y el grado de empaquetamiento y la eficiencia de SATEOS6 son del 90,86 % y el 86,68 %, respectivamente (Tabla 4). La muestra SATEOS6 exhibe el coeficiente de encapsulación y la eficiencia más altos entre todos los SA microencapsulados, lo que indica su alta capacidad térmica. Por lo tanto, la transición de sólido a líquido requiere grandes cantidades de energía. Además, la diferencia en las temperaturas de fusión y solidificación de todas las microcápsulas de SA y el SA a granel durante el proceso de enfriamiento indica que la cubierta de sílice está confinada espacialmente durante la síntesis de microcápsulas. Por lo tanto, los resultados muestran que a medida que aumenta la cantidad de SC, la tasa de encapsulación y la eficiencia aumentan gradualmente (Tabla 4).
Las curvas de TGA del SA a granel y del SA en microcápsulas con una cubierta de SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6) se muestran en la Figura 12. Las propiedades de estabilidad térmica del SA a granel (SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6) se compararon con las de las muestras microencapsuladas. La curva de TGA muestra claramente que la pérdida de peso del SA a granel, así como del SA microencapsulado, muestra una disminución suave y muy leve de 40 °C a 190 °C. A esta temperatura, el SC a granel no sufre descomposición térmica, mientras que el SC microencapsulado libera agua adsorbida incluso después de secarse a 45 °C durante 24 h. Esto resultó en una ligera pérdida de peso,49 pero más allá de esta temperatura el material comenzó a degradarse. A un menor contenido de SA (es decir, SATEOS1), el contenido de agua adsorbida es mayor y, por lo tanto, la pérdida de masa hasta 190 °C es mayor (recuadro en la Fig. 12). Tan pronto como la temperatura supera los 190 °C, la muestra comienza a perder masa debido a los procesos de descomposición. El SA a granel comienza a descomponerse a 190 °C y solo el 4 % permanece a 260 °C, mientras que SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6 retienen el 50 %, el 20 % y el 12 % a esta temperatura, respectivamente. Después de 300 °C, la pérdida de masa del SA a granel fue de aproximadamente el 97,60 %, mientras que la pérdida de masa de SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6 fue de aproximadamente el 54,20 %, el 82,40 % y el 90,30 %, respectivamente. Con un aumento en el contenido de SA, el contenido de SiO₂ disminuye (Tabla 3) y se observa un adelgazamiento de la capa en el SEM (Fig. 9). Por lo tanto, la pérdida de peso del SA microencapsulado es menor en comparación con el SA a granel, lo que se explica por las propiedades favorables de la cubierta de SiO2, que promueve la formación de una capa de silicato-carbonosa carbonosa en la superficie del SA, aislando así el núcleo del SA y ralentizando la liberación de los productos volátiles resultantes10. Esta capa de carbón forma una barrera protectora física durante la descomposición térmica, limitando la transición de moléculas inflamables a la fase gaseosa66,67. Además de esto, también podemos ver resultados significativos de pérdida de peso: SATEOS1 muestra valores más bajos en comparación con SATEOS3, SATEOS6 y SA. Esto se debe a que la cantidad de SA en SATEOS1 es menor que en SATEOS3 y SATEOS6, donde la cubierta de SiO2 forma una capa gruesa. Por el contrario, la pérdida de peso total del SA a granel alcanza el 99,50 % a 415 °C. Sin embargo, SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6 mostraron una pérdida de peso del 62,50 %, 85,50 % y 93,76 %, respectivamente, a 415 °C. Este resultado indica que la adición de TEOS mejora la degradación del SA mediante la formación de una capa de SiO₂ en su superficie. Estas capas pueden formar una barrera protectora física, lo que permite observar una mejora en la estabilidad térmica del CA microencapsulado.
Los resultados de confiabilidad térmica del SA a granel y la mejor muestra microencapsulada (es decir, SATEOS 6) después de 30 ciclos de calentamiento y enfriamiento de DSC51,52 se muestran en la Figura 13. Se puede ver que el SA a granel (Figura 13a) no muestra ninguna diferencia en la temperatura de fusión. solidificación y valor de entalpía, mientras que SATEOS6 (Fig. 13b) no muestra ninguna diferencia en la temperatura y el valor de entalpía incluso después del 30.º ciclo de calentamiento. y el proceso de enfriamiento. El SA a granel mostró un punto de fusión de 72,10 °C, una temperatura de solidificación de 64,69 °C y el calor de fusión y solidificación después del primer ciclo fueron 201,0 J/g y 194,10 J/g, respectivamente. Después del 30.º ciclo, el punto de fusión de estos valores disminuyó a 71,24 °C, la temperatura de solidificación disminuyó a 63,53 °C y el valor de entalpía disminuyó en un 10%. Los cambios en las temperaturas de fusión y solidificación, así como las disminuciones en los valores de entalpía, indican que el CA a granel no es fiable para aplicaciones sin microencapsulación. Sin embargo, tras una microencapsulación adecuada (SATEOS6), las temperaturas de fusión y solidificación, así como los valores de entalpía, no varían (Fig. 13b). Una vez microencapsulado con capas de SiO₂, el SA puede utilizarse como material de cambio de fase en aplicaciones térmicas, especialmente en la construcción, gracias a sus temperaturas óptimas de fusión y solidificación y a su entalpía estable.
Curvas DSC obtenidas para las muestras SA (a) y SATEOS6 (b) en el 1er y 30º ciclo de calentamiento y enfriamiento.
En este estudio, se realizó una investigación sistemática de la microencapsulación utilizando SA como material del núcleo y SiO₂ como material de la cubierta. TEOS se utiliza como precursor para formar una capa de soporte de SiO₂ y una capa protectora en la superficie del SA. Después de la síntesis exitosa de SA microencapsulado, los resultados de FT-IR, XRD, XPS, SEM y EDS mostraron la presencia de SiO₂. El análisis SEM muestra que la muestra SATEOS6 exhibe partículas esféricas bien definidas rodeadas por cubiertas de SiO₂ en la superficie del SA. Sin embargo, MEPCM con menor contenido de SA exhibe aglomeración, lo que reduce el rendimiento del PCM. El análisis XPS mostró la presencia de Si-O-Si y Si-OH en las muestras de microcápsulas, lo que reveló la adsorción de SiO₂ en la superficie del SA. Según el análisis de rendimiento térmico, SATEOS6 presenta la capacidad más prometedora para almacenar calor, con temperaturas de fusión y solidificación de 70,37 °C y 64,27 °C, respectivamente, y calores latentes de fusión y solidificación de 182,53 J/g y 160,12 J/g, respectivamente. La eficiencia máxima de empaquetado de SATEOS6 es del 86,68 %. Los análisis de ciclo térmico por TGA y DSC confirmaron que SATEOS6 mantiene una buena estabilidad térmica y fiabilidad incluso después de 30 procesos de calentamiento y enfriamiento.
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