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El ácido esteárico (AE) 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 capa de SiO2. Se encapsularon diversas cantidades de AE ​​(5, 10, 15, 20, 30 y 50 g) en 10 mL de ortosilicato de tetraetilo (TEOS). El material de cambio de fase microencapsulado (MEPCM) sintetizado se caracterizó mediante 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 (MEB). Los resultados de la caracterización mostraron que el AE se encapsuló con éxito en SiO2. El análisis termogravimétrico (TGA) mostró que el MEPCM tiene mejor estabilidad térmica que el CA. Mediante 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, la muestra de 50 g de SA que contenía MEPCM presentó el mayor calor latente de fusión y solidificación, de 182,53 J/g y 160,12 J/g, respectivamente. El valor de eficiencia del encapsulado se calculó utilizando datos térmicos, obteniéndose la mayor eficiencia del 86,68% para la misma muestra.
Aproximadamente el 58% de la energía utilizada en la industria de la construcción se emplea para calentar y enfriar edificios1. Por lo tanto, es fundamental crear sistemas energéticos eficientes que tengan en cuenta la contaminación ambiental2. La tecnología de calor latente que utiliza materiales de cambio de fase (PCM) permite almacenar alta energía con bajas fluctuaciones de temperatura3,4,5,6 y puede utilizarse ampliamente en campos como la transferencia de calor, el almacenamiento de energía solar, la industria aeroespacial y el aire acondicionado7,8,9. Los PCM absorben energía térmica de los exteriores de los edificios durante el día y la liberan por la noche10. Por consiguiente, 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 de cambio de fase sólido-sólido y sólido-líquido. Sin embargo, su aplicación es muy compleja debido a los enormes cambios volumétricos que experimentan estos materiales.
Los materiales de cambio de fase (PCM) tienen diversas aplicaciones debido a sus propiedades: aquellos que se funden a temperaturas inferiores a 15 °C pueden utilizarse en sistemas de aire acondicionado para mantener bajas temperaturas, y aquellos que se funden a temperaturas superiores a 90 °C pueden utilizarse en sistemas de calefacción para prevenir incendios12. Dependiendo de la aplicación y del rango de punto de fusión, se han sintetizado diversos materiales de cambio de fase a partir de diferentes productos químicos orgánicos e inorgánicos13,14,15. La parafina es el material de cambio de fase más utilizado, con alto calor latente, no corrosividad, seguridad y un amplio rango de punto 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 capa exterior para evitar fugas del material base durante el proceso de cambio de fase22. Además, errores operativos o 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 embebidas y, por lo tanto, reduciendo la vida útil del edificio23. Por consiguiente, es importante sintetizar materiales de cambio de fase encapsulados con suficiente material de recubrimiento, lo que puede solucionar los problemas mencionados24.
La microencapsulación de materiales de cambio de fase puede aumentar eficazmente la transferencia de calor y reducir la reactividad ambiental, además de 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 puede utilizarse para la microencapsulación40,41,42,43. Las resinas de melamina-formaldehído y urea-formaldehído se utilizan como materiales de recubrimiento, que a menudo emiten formaldehído tóxico durante su funcionamiento. Por lo tanto, está prohibido el uso de estos materiales en procesos de envasado. Sin embargo, se pueden sintetizar materiales de cambio de fase respetuosos con el medio ambiente para el almacenamiento de energía térmica escalable 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, disminuye el calor latente y aumenta la hidrofobicidad de la superficie. El ácido láurico puede ser un material central potencial y eficaz para las fibras de kapok46. Además, Latibari et al. 47 sintetizaron PCMs a base de ácido esteárico utilizando TiO2 como material de recubrimiento. Zhu et al. prepararon nanocápsulas de n-octadecano y silicona como PCMs potenciales 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 ecológica, médicamente importante y económica que puede utilizarse para almacenar energía térmica debido a su alto valor de entalpía (~200 J/g) y 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 estructuras de hormigón macizo. Por lo tanto, el uso de CA microencapsulado con una capa de SiO2 puede solucionar 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, estudiamos 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, C18H36O2, punto de fusión: 72 °C), como material base, se adquirió de Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sur. El tetraetilortosilicato (TEOS, C8H20O4Si), como solución precursora, se adquirió de Acros Organics, Geel, Bélgica. Además, el etanol absoluto (EA, C2H5OH) y el lauril sulfato de sodio (SLS, C12H25NaO4S) se adquirieron de Daejung Chemical & Metals Co., Ltd., Gyeonggi-do, Corea del Sur, y se utilizaron como disolventes y tensioactivos, respectivamente. También se utilizó agua destilada como disolvente.
Se mezclaron diferentes cantidades de SA con diferentes proporciones de lauril sulfato de sodio (SLS) en 100 mL de agua destilada usando 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 en 100 ml de agua destilada (SATEOS4, SATEOS5 y SATEOS6). Se usó 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 SA y capas de 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.
Se prepararon microcápsulas de SA con una cubierta de SiO2 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 hidrofóbico de la molécula de SA se une al SLS, y el extremo hidrofílico a las moléculas de agua, formando una emulsión estable. De esta manera, las fracciones hidrofóbicas del SLS quedan protegidas y cubren la superficie de la gota de SA. Por otro lado, la hidrólisis de las soluciones de TEOS ocurre lentamente por acción de las moléculas de agua, lo que lleva 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 n-TEOS hidrolizado forma cúmulos de sílice (Fig. 2b). Los cúmulos de sílice fueron encapsulados por SA52 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 de 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 (XRD, D/MAX-2500, Rigaku, Japón) para analizar las fases SA a granel y los materiales de las microcápsulas. El escaneo estructural por 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 construyeron en el rango 2θ = 5–50°, ya que no se observó ningún pico después de 50° en todas las muestras.
Se realizó espectroscopia de fotoelectrones 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 a granel, 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 del fondo mediante el método de Shirley, los picos de alta resolución de cada elemento se deconvolucionaron y ajustaron a funciones gaussianas/lorentzianas utilizando el software CASA XPS.
Se examinó la morfología de los SC a granel y microencapsulados mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, MIRA3, TESCAN, Brno, República Checa) equipada con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) a 15 kV. Antes de la obtención de imágenes SEM, 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 (ciclos térmicos) se determinaron mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC, TA Instruments, 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 llevó a cabo utilizando un analizador TGA (TA Instruments, 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 a granel, 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 de deformación en el plano y el rendimiento, respectivamente, del grupo –OH. También se observaron picos de absorción de SA en 2910, 2850, 1705, 1470, 1295, 940 y 719 cm-1 en todos los SA microencapsulados. Además, se observó un pico recientemente descubierto en 1103 cm-1 correspondiente a la vibración de estiramiento antisimétrico de la banda Si-O-Si en la microcápsula de SA. Los resultados de FT-IR son consistentes con Yuan et al. 50 Ellos prepararon con éxito SA microencapsulado en una proporción de amoníaco/etanol y encontraron que no ocurrió interacción química entre SA y SiO2. Los resultados del estudio FT-IR actual muestran que la capa 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 DRX de SA a granel y SA microencapsulado se muestran en la Figura 4. Los picos de DRX se encuentran 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 el surfactante (SLS), otras sustancias residuales y la 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 todas las muestras microencapsuladas (Fig. 4b–g), lo que confirma que la adsorción física de SiO252 en lugar de la interacción química ocurre en la superficie de SA. Además, también se concluyó que la microencapsulación de SA no condujo a la aparición de ninguna estructura nueva. El SiO2 permanece intacto en la superficie de SA sin ninguna reacción química, y a medida que la cantidad de SA disminuye, los picos existentes se vuelven más evidentes (SATEOS1). Este resultado indica que el SiO2 encapsula principalmente la superficie de 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 está asociado con una cristalinidad reducida y un mayor amorfismo. El SiO2 es de naturaleza amorfa, por lo que los picos observados de 2θ = 19° a 25° tienen una joroba y 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 al comportamiento de cristalización limitante49. 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 externa del SA. Sin embargo, a medida que aumenta la cantidad de SA, aumenta el área superficial de las gotas de SA en la solución de emulsión y 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 y la expansión también disminuye. No visible. Sin embargo, como se puede observar en la Figura 4, al aumentar la cantidad de SA de 5 g (SATEOS1) a 50 g (SATEOS6), los picos se aproximan mucho al SA en masa, y aparece el pico en (700) 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, SATEOS1 y SATEOS6 a granel 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 capa de SiO2. Investigadores anteriores han reportado un pico de Si 2s similar en 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 a granel tiene tres picos diferentes de CC, califático y O=C=O en la energía de enlace, que son 284,5 eV, 285,2 eV y 289,5 eV, respectivamente. Los picos C–C, califático y O=C=O también se observaron en SATEOS1 (Fig. 6b) y SATEOS6 (Fig. 6c) y se resumen en la Tabla 2. Además de esto, el pico C 1s también corresponde a un pico Si-C adicional en 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 O 1 SA, SATEOS1 y SATEOS6 se muestran en las Figuras 7a–c, respectivamente. El pico O 1s de SA a granel se deconvoluciona y tiene dos picos, a saber, C=O/C–O (531,9 eV) y C–O–H (533,0 eV), mientras que el O 1 de SATEOS1 y SATEOS6 es consistente. Hay solo tres picos: C=O/C–O, C–O–H y Si–OH55,57,58. La energía de enlace O 1s en SATEOS1 y SATEOS6 cambia ligeramente en comparación con SA a granel, lo que está asociado con un cambio en el fragmento químico debido a la presencia de SiO2 y Si-OH en el material de la capa.
Los espectros XPS de Si 2p de SATEOS1 y SATEOS6 se muestran en las figuras 8a y 8b, respectivamente. En CA masivo, 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, correspondiente a Si-O-Si, mientras que el pico de SATEOS1 es de 103,5 eV y el pico de SATEOS6 es de 103,3 eV, correspondiente a Si-OH55. El ajuste de los picos Si-O-Si y Si-OH en SATEOS1 y SATEOS6 reveló una microencapsulación exitosa de SiO2 en la superficie del núcleo SA.
La morfología del material microencapsulado es muy importante, 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 los 500 micras. Sin embargo, a medida que continúa el proceso de microencapsulación, la morfología cambia drásticamente, como se muestra en las Figuras 9 b–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 más pequeñas, cuasi-esféricas y recubiertas de SiO2 con una superficie rugosa (Fig. 9b), lo que puede deberse a la hidrólisis y polimerización por condensación de TEOS en la superficie de SA, acelerando la rápida difusión de moléculas de etanol. Como resultado, se depositan partículas de SiO2 y se observa aglomeración52,60. Esta capa de SiO2 proporciona resistencia mecánica a las partículas de CA microencapsuladas y también evita la fuga de CA fundido a temperaturas más altas10. Este resultado indica que las microcápsulas de SA que contienen SiO2 pueden utilizarse como materiales potenciales de almacenamiento de energía61. Como puede verse en la Figura 9b, la muestra SATEOS1 tiene una distribución uniforme de partículas con una gruesa capa 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 polimerización por condensación de la solución precursora. La aglomeración ocurre a dosis más bajas de SA, es decir, hasta 15 g (Fig. 9b-d), pero tan pronto como aumenta 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. Así, se encontró que SATEOS1 exhibía 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).
Comparado 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 tasa 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, causando 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 de energía dispersiva (EDS) de SA a granel y SA microencapsulado se presentan en la Tabla 3. Como puede verse en esta tabla, el contenido de Si disminuye gradualmente de SATEOS1 (12,34%) a SATEOS6 (2,68%). Aumento de SA. Por lo tanto, podemos decir que un aumento en la cantidad de SA conduce a una disminución en la deposición de SiO2 en la superficie de SA. No hay valores consistentes para los contenidos de C y O en la Tabla 3 debido al análisis semicuantitativo de EDS51. El contenido de Si de SA microencapsulado se correlacionó con los resultados de FT-IR, XRD y XPS.
El comportamiento de fusión y solidificación de SA a granel, así como de SA microencapsulado con capa de SiO2, se muestra 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 de 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 de SA a granel. Después de la microencapsulación de 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 las partículas de SA dentro de las microcápsulas es muy pequeño y la capa 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 de todas las microcápsulas de SA con capas de SiO2, está en el rango de 6,10–8,37 °C. Este resultado indica que el SA microencapsulado puede usarse como un material potencial de almacenamiento de energía debido a la buena conductividad térmica de la capa de SiO2 65.
Como se puede observar en la Tabla 4, SATEOS6 tiene la entalpía más alta entre todos los SC microencapsulados (Fig. 9g) debido a la encapsulación adecuada observada por SEM. La tasa de empaquetamiento de SA se puede calcular utilizando la ecuación (1). (1) Al comparar los datos de calor latente de SA49 microencapsulado.
El valor R representa el grado de encapsulación (%) de SC microencapsulado, ΔHMEPCM,m representa el calor latente de fusión de SC microencapsulado y ΔHPCM,m representa el calor latente de fusión de SC. Además, la eficiencia de empaque (%) se calcula como otro parámetro técnico importante, como se muestra en la ecuación (1). (2)49.
El valor E representa la eficiencia de encapsulación (%) de CA microencapsulado, ΔHMEPCM,s representa el calor latente de curado de CA microencapsulado y ΔHPCM,s representa el calor latente de curado de CA.
Como se muestra en la Tabla 4, el grado de empaquetamiento y la eficiencia de SATEOS1 son 71,89% y 67,68%, respectivamente, y el grado de empaquetamiento y la eficiencia de SATEOS6 son 90,86% y 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 SA a granel durante el proceso de enfriamiento indica que la capa de sílice está confinada espacialmente durante la síntesis de la microcápsula. 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 TGA de SA a granel y SA microencapsulado con una capa de SiO2 (SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6) se muestran en la Figura 12. Las propiedades de estabilidad térmica de SA a granel (SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6) se compararon con las de las muestras microencapsuladas. Es evidente en la curva TGA que la pérdida de peso de SA a granel, así como de SA microencapsulado, muestra una disminución suave y muy leve desde 40 °C hasta 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. Con 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 procesos de descomposición. El SA a granel comienza a descomponerse a 190 °C y solo queda un 4 % a 260 °C, mientras que SATEOS1, SATEOS3 y SATEOS6 retienen un 50 %, un 20 % y un 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 capa de SiO2, que promueve la formación de una capa carbonácea de silicato-carbonácea en la superficie del SA, aislando así el núcleo de 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 de pérdida de peso significativos: 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 capa de SiO2 forma una capa gruesa. En contraste, 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 constituir una barrera protectora física, lo que permite observar una mejora en la estabilidad térmica del CA microencapsulado.
Los resultados de confiabilidad térmica de 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 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 valor de entalpía incluso después del 30.º ciclo de calentamiento y el proceso de enfriamiento. 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 la disminución de 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 y 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, debido a sus óptimas temperaturas de fusión y solidificación y a su entalpía estable.
Curvas DSC obtenidas para las muestras SA (a) y SATEOS6 (b) en el primer y trigésimo ciclo de calentamiento y enfriamiento.
En este estudio, se llevó a cabo una investigación sistemática de la microencapsulación utilizando SA como material central y SiO2 como material de recubrimiento. El TEOS se utiliza como precursor para formar una capa de soporte de SiO2 y una capa protectora en la superficie de SA. Tras 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 presenta partículas esféricas bien definidas rodeadas por capas de SiO2 en la superficie de SA. Sin embargo, el MEPCM con menor contenido de SA presenta 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 de SA. Según el análisis de rendimiento térmico, SATEOS6 muestra la capacidad de almacenamiento de calor más prometedora, con temperaturas de fusión y solidificación de 70,37 °C y 64,27 °C, respectivamente, y calor latente de fusión y solidificación de 182,53 J/g y 160,12 J/g·g, respectivamente. La eficiencia máxima de encapsulado de SATEOS6 es del 86,68 %. El análisis del ciclo térmico TGA y DSC confirmó que SATEOS6 mantiene una buena estabilidad térmica y fiabilidad incluso después de 30 ciclos de calentamiento y enfriamiento.
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