Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn rendro'r wefan heb arddulliau a JavaScript.
Mae cyfran y farchnad ar gyfer systemau rheweiddio amsugno a phympiau gwres yn dal yn gymharol fach o'i gymharu â systemau cywasgydd traddodiadol. Er gwaethaf y fantais enfawr o ddefnyddio gwres rhad (yn lle gwaith trydanol drud), mae gweithredu systemau sy'n seiliedig ar egwyddorion amsugno yn dal i fod yn gyfyngedig i ychydig o gymwysiadau penodol. Y prif anfantais y mae angen ei dileu yw'r gostyngiad mewn pŵer penodol oherwydd dargludedd thermol isel a sefydlogrwydd isel yr amsugnydd. Mae systemau rheweiddio amsugno masnachol o'r radd flaenaf ar hyn o bryd yn seiliedig ar amsugnwyr sy'n seiliedig ar gyfnewidwyr gwres platiau wedi'u gorchuddio i optimeiddio'r capasiti oeri. Mae'r canlyniadau'n hysbys bod lleihau trwch yr haen yn arwain at ostyngiad yn yr rhwystriant trosglwyddo màs, ac mae cynyddu'r gymhareb arwynebedd i gyfaint y strwythurau dargludol yn cynyddu pŵer heb beryglu effeithlonrwydd. Gall y ffibrau metel a ddefnyddir yn y gwaith hwn ddarparu arwynebedd penodol yn yr ystod o 2500–50,000 m2/m3. Mae tri dull ar gyfer cael haenau tenau iawn ond sefydlog o hydradau halen ar arwynebau metel, gan gynnwys ffibrau metel, ar gyfer cynhyrchu haenau yn dangos am y tro cyntaf gyfnewidydd gwres dwysedd pŵer uchel. Dewisir y driniaeth arwyneb yn seiliedig ar anodizing alwminiwm i greu bond cryfach rhwng y cotio a'r swbstrad. Dadansoddwyd microstrwythur yr arwyneb canlyniadol gan ddefnyddio microsgopeg electron sganio. Defnyddiwyd sbectrosgopeg is-goch trawsnewid Fourier adlewyrchiad cyflawn llai a sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni i wirio am bresenoldeb y rhywogaeth a ddymunir yn yr assay. Cadarnhawyd eu gallu i ffurfio hydradau gan ddadansoddiad thermogravimetric cyfun (TGA)/dadansoddiad thermogravimetric gwahaniaethol (DTG). Canfuwyd ansawdd gwael dros 0.07 g (dŵr)/g (cyfansawdd) yn y cotio MgSO4, gan ddangos arwyddion o ddadhydradu tua 60 °C ac yn atgynhyrchadwy ar ôl ailhydradu. Cafwyd canlyniadau cadarnhaol hefyd gyda SrCl2 a ZnSO4 gyda gwahaniaeth màs o tua 0.02 g/g islaw 100 °C. Dewiswyd hydroxyethylcellulose fel ychwanegyn i gynyddu sefydlogrwydd ac adlyniad y cotio. Gwerthuswyd priodweddau amsugnol y cynhyrchion gan ddefnyddio TGA-DTG ar yr un pryd a nodweddwyd eu glynu gan ddull yn seiliedig ar y profion a ddisgrifir yn ISO2409. Mae cysondeb ac adlyniad y cotio CaCl2 wedi gwella'n sylweddol wrth gynnal ei allu amsugno gyda gwahaniaeth pwysau o tua 0.1 g/g ar dymheredd islaw 100 °C. Yn ogystal, mae MgSO4 yn cadw'r gallu i ffurfio hydradau, gan ddangos gwahaniaeth màs o fwy na 0.04 g/g ar dymheredd islaw 100 °C. Yn olaf, archwiliwyd ffibrau metel wedi'u gorchuddio. Mae'r canlyniadau'n dangos y gall dargludedd thermol effeithiol y strwythur ffibr wedi'i orchuddio ag Al2(SO4)3 fod 4.7 gwaith yn uwch o'i gymharu â chyfaint Al2(SO4)3 pur. Archwiliwyd cotio'r haenau a astudiwyd yn weledol, a gwerthuswyd y strwythur mewnol gan ddefnyddio delwedd microsgopig o'r trawsdoriadau. Cafwyd cotio o Al2(SO4)3 gyda thrwch o tua 50 µm, ond rhaid optimeiddio'r broses gyffredinol i gyflawni dosbarthiad mwy unffurf.
Mae systemau amsugno wedi denu llawer o sylw dros yr ychydig ddegawdau diwethaf gan eu bod yn darparu dewis arall sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd yn lle pympiau gwres cywasgu neu systemau rheweiddio traddodiadol. Gyda safonau cysur yn codi a thymheredd cyfartalog byd-eang, gall systemau amsugno leihau dibyniaeth ar danwydd ffosil yn y dyfodol agos. Yn ogystal, gellir trosglwyddo unrhyw welliannau mewn pympiau rheweiddio neu wres amsugno i storio ynni thermol, sy'n cynrychioli cynnydd ychwanegol yn y potensial ar gyfer defnyddio ynni cynradd yn effeithlon. Prif fantais pympiau gwres amsugno a systemau rheweiddio yw y gallant weithredu gyda màs gwres isel. Mae hyn yn eu gwneud yn addas ar gyfer ffynonellau tymheredd isel fel ynni solar neu wres gwastraff. O ran cymwysiadau storio ynni, mae gan amsugno'r fantais o ddwysedd ynni uwch a llai o wasgariad ynni o'i gymharu â storio gwres synhwyrol neu gudd.
Mae pympiau gwres amsugno a systemau oeri yn dilyn yr un cylch thermodynamig â'u cymheiriaid cywasgu anwedd. Y prif wahaniaeth yw disodli cydrannau'r cywasgydd ag amsugnwyr. Mae'r elfen yn gallu amsugno anwedd oergell pwysedd isel ar dymheredd cymedrol, gan anweddu mwy o oergell hyd yn oed pan fydd yr hylif yn oer. Mae angen sicrhau oeri cyson yr amsugnwr er mwyn gwahardd enthalpi'r amsugno (exotherm). Mae'r amsugnwr yn cael ei adfywio ar dymheredd uchel, gan achosi i anwedd yr oergell ddadsorbio. Rhaid i wresogi barhau i ddarparu enthalpi'r dadsorbio (endothermig). Gan fod prosesau amsugno yn cael eu nodweddu gan newidiadau tymheredd, mae dwysedd pŵer uchel yn gofyn am ddargludedd thermol uchel. Fodd bynnag, dargludedd thermol isel yw'r prif anfantais o bell ffordd yn y rhan fwyaf o gymwysiadau.
Y brif broblem gyda dargludedd yw cynyddu ei werth cyfartalog wrth gynnal y llwybr cludo sy'n darparu llif yr anweddau amsugno/dadamsugno. Defnyddir dau ddull yn gyffredin i gyflawni hyn: cyfnewidwyr gwres cyfansawdd a chyfnewidwyr gwres wedi'u gorchuddio. Y deunyddiau cyfansawdd mwyaf poblogaidd a llwyddiannus yw'r rhai sy'n defnyddio ychwanegion sy'n seiliedig ar garbon, sef graffit estynedig, carbon wedi'i actifadu, neu ffibrau carbon. Trwythodd Oliveira et al. 2 bowdr graffit estynedig â chalsiwm clorid i gynhyrchu amsugnwr â chynhwysedd oeri penodol (SCP) o hyd at 306 W/kg a chyfernod perfformiad (COP) o hyd at 0.46. Cynigiodd Zajaczkowski et al. 3 gyfuniad o graffit estynedig, ffibr carbon a chalsiwm clorid gyda chyfanswm dargludedd o 15 W/mK. Profodd Jian et al4 gyfansoddion gyda graffit naturiol estynedig wedi'i drin ag asid sylffwrig (ENG-TSA) fel swbstrad mewn cylch oeri amsugno dau gam. Rhagwelodd y model COP o 0.215 i 0.285 ac SCP o 161.4 i 260.74 W/kg.
Yr ateb mwyaf hyfyw o bell ffordd yw'r cyfnewidydd gwres wedi'i orchuddio. Gellir rhannu mecanweithiau cotio'r cyfnewidwyr gwres hyn yn ddau gategori: synthesis uniongyrchol a gludyddion. Y dull mwyaf llwyddiannus yw synthesis uniongyrchol, sy'n cynnwys ffurfio deunyddiau amsugno'n uniongyrchol ar wyneb cyfnewidwyr gwres o'r adweithyddion priodol. Mae Sotech5 wedi patentio dull ar gyfer syntheseiddio seolit ​​wedi'i orchuddio i'w ddefnyddio mewn cyfres o oeryddion a weithgynhyrchir gan Fahrenheit GmbH. Profodd Schnabel et al6 berfformiad dau seolit ​​wedi'u gorchuddio ar ddur di-staen. Fodd bynnag, dim ond gydag amsugnyddion penodol y mae'r dull hwn yn gweithio, sy'n gwneud cotio â gludyddion yn ddewis arall diddorol. Mae rhwymwyr yn sylweddau goddefol a ddewisir i gefnogi adlyniad amsugnol a/neu drosglwyddo màs, ond nid ydynt yn chwarae unrhyw rôl mewn gwella amsugno na dargludedd. Gorchuddiodd Freni et al. 7 gyfnewidwyr gwres alwminiwm gyda seolit ​​AQSOA-Z02 wedi'i sefydlogi â rhwymwr wedi'i seilio ar glai. Astudiodd Calabrese et al.8 baratoi haenau seolit ​​gyda rhwymwyr polymerig. Cynigiodd Ammann et al.9 ddull ar gyfer paratoi haenau seolit ​​mandyllog o gymysgeddau magnetig o alcohol polyfinyl. Defnyddir alwmina (alwmina) hefyd fel rhwymwr 10 yn yr amsugnwr. Hyd y gwyddom ni, dim ond mewn cyfuniad ag amsugnwyr ffisegol11,12 y defnyddir cellwlos a hydroxyethyl cellwlos. Weithiau ni ddefnyddir y glud ar gyfer y paent, ond fe'i defnyddir i adeiladu'r strwythur 13 ar ei ben ei hun. Mae'r cyfuniad o fatricsau polymer alginad â hydradau halen lluosog yn ffurfio strwythurau gleiniau cyfansawdd hyblyg sy'n atal gollyngiadau yn ystod sychu ac yn darparu trosglwyddiad màs digonol. Defnyddiwyd clai fel bentonit ac attapulgit fel rhwymwyr ar gyfer paratoi cyfansoddion15,16,17. Defnyddiwyd ethylcellulose i ficro-gapsiwleiddio clorid calsiwm18 neu sylffid sodiwm19.
Gellir rhannu cyfansoddion â strwythur metel mandyllog yn gyfnewidwyr gwres ychwanegol a chyfnewidwyr gwres wedi'u gorchuddio. Mantais y strwythurau hyn yw'r arwynebedd penodol uchel. Mae hyn yn arwain at arwyneb cyswllt mwy rhwng yr amsugnwr a'r metel heb ychwanegu màs anadweithiol, sy'n lleihau effeithlonrwydd cyffredinol y cylch rheweiddio. Mae Lang et al. 20 wedi gwella dargludedd cyffredinol amsugnwr seolit ​​gyda strwythur crwybr alwminiwm. Gwellodd Gillerminot et al. 21 ddargludedd thermol haenau seolit ​​NaX gydag ewyn copr a nicel. Er bod cyfansoddion yn cael eu defnyddio fel deunyddiau newid cyfnod (PCMs), mae canfyddiadau Li et al. 22 a Zhao et al. 23 hefyd o ddiddordeb ar gyfer cemisugniad. Cymharasant berfformiad graffit ehangedig ac ewyn metel a daethant i'r casgliad mai dim ond os nad oedd cyrydiad yn broblem yr oedd yr olaf yn well. Yn ddiweddar, mae Palomba et al. wedi cymharu strwythurau mandyllog metelaidd eraill 24. Mae Van der Pal et al. wedi astudio halwynau metel wedi'u hymgorffori mewn ewynnau 25. Mae'r holl enghreifftiau blaenorol yn cyfateb i haenau trwchus o amsugnwyr gronynnol. Nid yw strwythurau mandyllog metel yn cael eu defnyddio'n ymarferol i orchuddio amsugnwyr, sy'n ateb mwy optimaidd. Gellir dod o hyd i enghraifft o rwymo i seolitau yn Wittstadt et al. 26 ond ni wnaed unrhyw ymdrech i rwymo hydradau halen er gwaethaf eu dwysedd ynni uwch 27.
Felly, bydd tri dull ar gyfer paratoi haenau amsugnol yn cael eu harchwilio yn yr erthygl hon: (1) haen rhwymwr, (2) adwaith uniongyrchol, a (3) triniaeth arwyneb. Hydroxyethylcellulose oedd y rhwymwr o ddewis yn y gwaith hwn oherwydd sefydlogrwydd a adroddwyd yn flaenorol ac adlyniad haen da ar y cyd ag amsugnyddion ffisegol. Ymchwiliwyd i'r dull hwn i ddechrau ar gyfer haenau gwastad ac yn ddiweddarach fe'i cymhwyswyd i strwythurau ffibr metel. Yn flaenorol, adroddwyd ar ddadansoddiad rhagarweiniol o'r posibilrwydd o adweithiau cemegol gyda ffurfio haenau amsugnol. Mae profiad blaenorol bellach yn cael ei drosglwyddo i orchuddio strwythurau ffibr metel. Y driniaeth arwyneb a ddewiswyd ar gyfer y gwaith hwn yw dull sy'n seiliedig ar anodizing alwminiwm. Mae anodizing alwminiwm wedi'i gyfuno'n llwyddiannus â halwynau metel at ddibenion esthetig29. Yn yr achosion hyn, gellir cael haenau sefydlog iawn sy'n gwrthsefyll cyrydiad. Fodd bynnag, ni allant gynnal unrhyw broses amsugno na dad-amsugno. Mae'r papur hwn yn cyflwyno amrywiad o'r dull hwn sy'n caniatáu symud màs gan ddefnyddio priodweddau gludiog y broses wreiddiol. Hyd eithaf ein gwybodaeth, nid oes yr un o'r dulliau a ddisgrifir yma wedi'u hastudio o'r blaen. Maent yn cynrychioli technoleg newydd ddiddorol iawn oherwydd eu bod yn caniatáu ffurfio haenau amsugnol hydradol, sydd â nifer o fanteision dros yr amsugnyddion ffisegol a astudir yn aml.
Darparwyd y platiau alwminiwm stampiedig a ddefnyddiwyd fel swbstradau ar gyfer yr arbrofion hyn gan ALINVEST Břidličná, Gweriniaeth Tsiec. Maent yn cynnwys 98.11% alwminiwm, 1.3622% haearn, 0.3618% manganîs ac olion o gopr, magnesiwm, silicon, titaniwm, sinc, cromiwm a nicel.
Dewisir y deunyddiau a ddewisir ar gyfer cynhyrchu cyfansoddion yn unol â'u priodweddau thermodynamig, sef, yn dibynnu ar faint o ddŵr y gallant ei amsugno/dadamsugno ar dymheredd islaw 120°C.
Mae magnesiwm sylffad (MgSO4) yn un o'r halwynau hydradol mwyaf diddorol ac a astudiwyd30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Mae'r priodweddau thermodynamig wedi'u mesur yn systematig a chanfuwyd eu bod yn addas ar gyfer cymwysiadau ym meysydd rheweiddio amsugno, pympiau gwres a storio ynni. Defnyddiwyd magnesiwm sylffad sych CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, yr Almaen).
Mae calsiwm clorid (CaCl2) (H319) yn halen arall sydd wedi'i astudio'n dda oherwydd bod gan ei hydrad briodweddau thermodynamig diddorol41,42,43,44. Defnyddiwyd 97% o'r hecsahydrad calsiwm clorid Rhif CAS 7774-34-7 (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, yr Almaen).
Mae gan sylffad sinc (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) a'i hydradau briodweddau thermodynamig sy'n addas ar gyfer prosesau amsugno tymheredd isel45,46. Defnyddiwyd heptahydrad sylffad sinc CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, yr Almaen).
Mae gan glorid strontiwm (SrCl2) (H318) briodweddau thermodynamig diddorol hefyd4,45,47 er ei fod yn aml yn cael ei gyfuno ag amonia mewn ymchwil pympiau gwres amsugno neu storio ynni. Defnyddiwyd clorid strontiwm hecsahydrad CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, UDA) ar gyfer y synthesis.
Nid yw sylffad copr (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ymhlith yr hydradau a geir yn aml yn y llenyddiaeth broffesiynol, er bod ei briodweddau thermodynamig o ddiddordeb ar gyfer cymwysiadau tymheredd isel48,49. Defnyddiwyd sylffad copr CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, UDA) ar gyfer y synthesis.
Mae clorid magnesiwm (MgCl2) yn un o'r halwynau hydradol sydd wedi derbyn mwy o sylw yn ddiweddar ym maes storio ynni thermol50,51. Defnyddiwyd clorid magnesiwm hecsahydrad CAS-Nr.7791-18-6 gradd fferyllol pur (Applichem GmbH., Darmstadt, yr Almaen) ar gyfer yr arbrofion.
Fel y soniwyd uchod, dewiswyd hydroxyethyl cellulose oherwydd y canlyniadau cadarnhaol mewn cymwysiadau tebyg. Y deunydd a ddefnyddir yn ein synthesis yw hydroxyethyl cellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, UDA).
Gwneir ffibrau metel o wifrau byr wedi'u bondio gyda'i gilydd trwy gywasgu a sinteru, proses a elwir yn echdynnu toddi croeslin (CME)52. Mae hyn yn golygu bod eu dargludedd thermol yn dibynnu nid yn unig ar ddargludedd swmp y metelau a ddefnyddir wrth eu cynhyrchu a mandylledd y strwythur terfynol, ond hefyd ar ansawdd y bondiau rhwng yr edafedd. Nid yw'r ffibrau'n isotropig ac maent yn tueddu i gael eu dosbarthu i gyfeiriad penodol yn ystod y cynhyrchiad, sy'n gwneud y dargludedd thermol i'r cyfeiriad traws yn llawer is.
Ymchwiliwyd i'r priodweddau amsugno dŵr gan ddefnyddio dadansoddiad thermogravimetric ar yr un pryd (TGA)/dadansoddiad thermogravimetric gwahaniaethol (DTG) mewn pecyn gwactod (Netzsch TG 209 F1 Libra). Cynhaliwyd y mesuriadau mewn awyrgylch nitrogen llifo ar gyfradd llif o 10 ml/mun ac ystod tymheredd o 25 i 150°C mewn croesfachau alwminiwm ocsid. Roedd y gyfradd wresogi yn 1 °C/mun, roedd pwysau'r sampl yn amrywio o 10 i 20 mg, roedd y datrysiad yn 0.1 μg. Yn y gwaith hwn, dylid nodi bod gan y gwahaniaeth màs fesul uned arwyneb ansicrwydd mawr. Mae'r samplau a ddefnyddir yn TGA-DTG yn fach iawn ac wedi'u torri'n afreolaidd, sy'n gwneud eu penderfyniad arwynebedd yn anghywir. Dim ond os ystyrir gwyriadau mawr y gellir allosod y gwerthoedd hyn i arwynebedd mwy.
Cafwyd sbectrwm isgoch trawsnewid Fourier adlewyrchiad cyflawn gwanedig (ATR-FTIR) ar sbectromedr Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Leipzig, yr Almaen) gan ddefnyddio affeithiwr platinwm ATR (Bruker Optik GmbH, yr Almaen). Mesurwyd sbectrwm crisialau diemwnt sych pur yn uniongyrchol mewn gwactod cyn defnyddio'r samplau fel cefndir ar gyfer mesuriadau arbrofol. Mesurwyd y samplau mewn gwactod gan ddefnyddio datrysiad sbectrol o 2 cm-1 a nifer cyfartalog o sganiau o 32. Mae'r rhif tonfedd o 8000 i 500 cm-1. Perfformiwyd dadansoddiad sbectrol gan ddefnyddio'r rhaglen OPUS.
Perfformiwyd dadansoddiad SEM gan ddefnyddio DSM 982 Gemini gan Zeiss ar folteddau cyflymu o 2 a 5 kV. Perfformiwyd sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni (EDX) gan ddefnyddio System Thermo Fischer 7 gyda synhwyrydd drifft silicon wedi'i oeri gan Peltier (SSD).
Cynhaliwyd paratoi platiau metel yn ôl y weithdrefn debyg i'r un a ddisgrifiwyd yn 53. Yn gyntaf, trochwch y plât mewn asid sylffwrig 50%. 15 munud. Yna cawsant eu cyflwyno i doddiant sodiwm hydrocsid 1 M am tua 10 eiliad. Yna golchwyd y samplau gyda llawer iawn o ddŵr distyll, ac yna eu socian mewn dŵr distyll am 30 munud. Ar ôl triniaeth arwyneb ragarweiniol, trochwyd y samplau mewn toddiant dirlawn 3%. HEC a halen targed. Yn olaf, tynnwch nhw allan a'u sychu ar 60°C.
Mae'r dull anodisio yn gwella ac yn cryfhau'r haen ocsid naturiol ar y metel goddefol. Cafodd y paneli alwminiwm eu hanodisio ag asid sylffwrig mewn cyflwr caled ac yna eu selio mewn dŵr poeth. Dilynodd anodisio ysgythriad cychwynnol gydag 1 mol/l NaOH (600 eiliad) ac yna niwtraleiddio mewn 1 mol/l HNO3 (60 eiliad). Mae'r hydoddiant electrolyt yn gymysgedd o 2.3 M H2SO4, 0.01 M Al2(SO4)3, ac 1 M MgSO4 + 7H2O. Cynhaliwyd anodisio ar (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 am 1200 eiliad. Cynhaliwyd y broses selio mewn amrywiol hydoddiannau heli fel y disgrifir yn y deunyddiau (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Berwir y sampl ynddo am 1800 eiliad.
Mae tri dull gwahanol ar gyfer cynhyrchu cyfansoddion wedi cael eu hymchwilio: cotio gludiog, adwaith uniongyrchol, a thriniaeth arwyneb. Mae manteision ac anfanteision pob dull hyfforddi yn cael eu dadansoddi a'u trafod yn systematig. Defnyddiwyd arsylwi uniongyrchol, nanodelweddu, a dadansoddiad cemegol/elfennol i werthuso'r canlyniadau.
Dewiswyd anodizing fel dull trin wyneb trosi i gynyddu adlyniad hydradau halen. Mae'r driniaeth wyneb hon yn creu strwythur mandyllog o alwmina (alwmina) yn uniongyrchol ar wyneb yr alwminiwm. Yn draddodiadol, mae'r dull hwn yn cynnwys dau gam: mae'r cam cyntaf yn creu strwythur mandyllog o alwminiwm ocsid, ac mae'r ail gam yn creu haen o alwminiwm hydrocsid sy'n cau'r mandyllau. Dyma ddau ddull o rwystro halen heb rwystro mynediad i'r cyfnod nwy. Mae'r cyntaf yn cynnwys system diliau mêl gan ddefnyddio tiwbiau alwminiwm ocsid (Al2O3) bach a geir yn y cam cyntaf i ddal y crisialau amsugnol a chynyddu ei adlyniad i arwynebau metel. Mae gan y diliau mêl sy'n deillio o hyn ddiamedr o tua 50 nm a hyd o 200 nm (Ffig. 1a). Fel y soniwyd yn gynharach, mae'r ceudodau hyn fel arfer yn cael eu cau mewn ail gam gyda haen denau o boehmit Al2O(OH)2 a gefnogir gan y broses ferwi tiwb alwmina. Yn yr ail ddull, mae'r broses selio hon yn cael ei haddasu yn y fath fodd fel bod y crisialau halen yn cael eu dal mewn haen unffurf o boehmit (Al2O(OH)), nad yw'n cael ei ddefnyddio ar gyfer selio yn yr achos hwn. Cynhelir yr ail gam mewn toddiant dirlawn o'r halen gyfatebol. Mae gan y patrymau a ddisgrifir feintiau yn yr ystod o 50–100 nm ac maent yn edrych fel diferion wedi'u tasgu (Ffig. 1b). Mae gan yr wyneb a geir o ganlyniad i'r broses selio strwythur gofodol amlwg gydag arwynebedd cyswllt cynyddol. Mae'r patrwm wyneb hwn, ynghyd â'u nifer o gyfluniadau bondio, yn ddelfrydol ar gyfer cario a dal crisialau halen. Mae'n ymddangos bod y ddau strwythur a ddisgrifir yn wirioneddol fandyllog ac mae ganddynt geudodau bach sy'n ymddangos yn addas iawn ar gyfer cadw hydradau halen ac amsugno anweddau i'r halen yn ystod gweithrediad yr amsugnwr. Fodd bynnag, gall dadansoddiad elfennol o'r arwynebau hyn gan ddefnyddio EDX ganfod symiau hybrin o fagnesiwm a sylffwr ar wyneb boehmit, nad ydynt yn cael eu canfod yn achos arwyneb alwmina.
Cadarnhaodd ATR-FTIR y sampl mai magnesiwm sylffad oedd yr elfen (gweler Ffigur 2b). Mae'r sbectrwm yn dangos copaon ïon sylffad nodweddiadol ar 610–680 a 1080–1130 cm–1 a chopaon dŵr dellt nodweddiadol ar 1600–1700 cm–1 a 3200–3800 cm–1 (gweler Ffig. 2a, c). Nid yw presenoldeb ïonau magnesiwm bron yn newid y sbectrwm54.
(a) EDX plât alwminiwm MgSO4 wedi'i orchuddio â boehmit, (b) sbectrwm ATR-FTIR o orchuddion boehmit ac MgSO4, (c) sbectrwm ATR-FTIR o MgSO4 pur.
Cadarnhawyd cynnal effeithlonrwydd amsugno gan TGA. Ar ffig. 3b dangosir brig dadamsugno o tua 60°C. Nid yw'r brig hwn yn cyfateb i dymheredd y ddau gopa a welwyd yn TGA halen pur (Ffig. 3a). Gwerthuswyd ailadroddadwyedd y cylch amsugno-dadamsugno, a gwelwyd yr un gromlin ar ôl gosod y samplau mewn awyrgylch llaith (Ffig. 3c). Gall y gwahaniaethau a welwyd yn ail gam y dadamsugno fod yn ganlyniad dadhydradu mewn awyrgylch llifo, gan fod hyn yn aml yn arwain at ddadhydradu anghyflawn. Mae'r gwerthoedd hyn yn cyfateb i tua 17.9 g/m2 yn y dad-ddyfrio cyntaf a 10.3 g/m2 yn yr ail ddad-ddyfrio.
Cymhariaeth o ddadansoddiad TGA o boehmite a MgSO4: dadansoddiad TGA o MgSO4 pur (a), cymysgedd (b) ac ar ôl ailhydradu (c).
Cynhaliwyd yr un dull gyda chalsiwm clorid fel amsugnydd. Cyflwynir y canlyniadau yn Ffigur 4. Datgelodd archwiliad gweledol o'r wyneb newidiadau bach yn y llewyrch metelaidd. Prin y gellir gweld y ffwr. Cadarnhaodd SEM bresenoldeb crisialau bach wedi'u dosbarthu'n gyfartal dros yr wyneb. Fodd bynnag, ni ddangosodd TGA unrhyw ddadhydradiad islaw 150°C. Gall hyn fod oherwydd y ffaith bod cyfran yr halen yn rhy fach o'i gymharu â chyfanswm màs y swbstrad i'w ganfod gan TGA.
Dangosir canlyniadau triniaeth arwyneb y cotio sylffad copr gan ddefnyddio'r dull anodi yn ffig. 5. Yn yr achos hwn, ni ddigwyddodd y broses ddisgwyliedig o ymgorffori CuSO4 yn strwythur ocsid Al. Yn lle hynny, gwelir nodwyddau rhydd gan eu bod yn cael eu defnyddio'n gyffredin ar gyfer hydrocsid copr Cu(OH)2 a ddefnyddir gyda llifynnau turquoise nodweddiadol.
Profwyd y driniaeth arwyneb anodised hefyd ar y cyd â chlorid strontiwm. Dangosodd y canlyniadau orchudd anwastad (gweler Ffigur 6a). I benderfynu a oedd yr halen yn gorchuddio'r wyneb cyfan, perfformiwyd dadansoddiad EDX. Mae'r gromlin ar gyfer pwynt yn yr ardal lwyd (pwynt 1 yn Ffig. 6b) yn dangos ychydig o strontiwm a llawer o alwminiwm. Mae hyn yn dynodi cynnwys isel o strontiwm yn y parth a fesurwyd, sydd, yn ei dro, yn dynodi gorchudd isel o glorid strontiwm. I'r gwrthwyneb, mae gan ardaloedd gwyn gynnwys uchel o strontiwm a chynnwys isel o alwminiwm (pwyntiau 2–6 yn Ffig. 6b). Mae dadansoddiad EDX o'r ardal wen yn dangos dotiau tywyllach (pwyntiau 2 a 4 yn Ffig. 6b), isel mewn clorin ac uchel mewn sylffwr. Gall hyn ddangos ffurfio sylffad strontiwm. Mae dotiau mwy disglair yn adlewyrchu cynnwys clorin uchel a chynnwys sylffwr isel (pwyntiau 3, 5, a 6 yn Ffig. 6b). Gellir esbonio hyn gan y ffaith bod prif ran yr haen wen yn cynnwys y clorid strontiwm disgwyliedig. Cadarnhaodd TGA y sampl ddehongliad y dadansoddiad gyda brig ar dymheredd nodweddiadol clorid strontiwm pur (Ffig. 6c). Gellir cyfiawnhau eu gwerth bach gan gyfran fach o halen o'i gymharu â màs y gefnogaeth fetel. Mae'r màs dadamsugno a bennwyd yn yr arbrofion yn cyfateb i'r swm o 7.3 g/m2 a ryddheir fesul uned arwynebedd o'r amsugnwr ar dymheredd o 150°C.
Profwyd haenau sinc sylffad wedi'u trin ag eloxal hefyd. Yn macrosgopig, mae'r haen yn haen denau ac unffurf iawn (Ffig. 7a). Fodd bynnag, datgelodd SEM arwynebedd wedi'i orchuddio â chrisialau bach wedi'u gwahanu gan ardaloedd gwag (Ffig. 7b). Cymharwyd TGA yr haen a'r swbstrad â halen pur (Ffigwr 7c). Mae gan halen pur un brig anghymesur ar 59.1°C. Dangosodd yr alwminiwm wedi'i orchuddio ddau gopa bach ar 55.5°C a 61.3°C, sy'n dangos presenoldeb hydrad sinc sylffad. Mae'r gwahaniaeth màs a ddatgelwyd yn yr arbrawf yn cyfateb i 10.9 g/m2 ar dymheredd dadhydradu o 150°C.
Fel yn y cais blaenorol53, defnyddiwyd hydroxyethyl cellwlos fel rhwymwr i wella adlyniad a sefydlogrwydd yr haen amsugnol. Aseswyd cydnawsedd deunyddiau ac effaith ar berfformiad amsugno gan TGA. Cynhelir y dadansoddiad mewn perthynas â'r cyfanswm màs, h.y. mae'r sampl yn cynnwys plât metel a ddefnyddir fel swbstrad cotio. Profir adlyniad gan brawf yn seiliedig ar y prawf croes-rhigyn a ddiffinnir yn y fanyleb ISO2409 (ni all fodloni'r fanyleb gwahanu rhigyn yn dibynnu ar drwch a lled y fanyleb).
Arweiniodd cotio'r paneli â chalsiwm clorid (CaCl2) (gweler Ffig. 8a) at ddosbarthiad anwastad, na welwyd yn yr haen alwminiwm pur a ddefnyddiwyd ar gyfer y prawf hollt traws. O'i gymharu â'r canlyniadau ar gyfer CaCl2 pur, mae TGA (Ffig. 8b) yn dangos dau gopa nodweddiadol wedi symud tuag at dymheredd is o 40 a 20°C, yn y drefn honno. Nid yw'r prawf trawsdoriad yn caniatáu cymhariaeth wrthrychol oherwydd bod y sampl CaCl2 pur (sampl ar y dde yn Ffig. 8c) yn waddod powdrog, sy'n tynnu'r gronynnau uchaf. Dangosodd canlyniadau HEC haen denau ac unffurf iawn gydag adlyniad boddhaol. Mae'r gwahaniaeth màs a ddangosir yn ffig. 8b yn cyfateb i 51.3 g/m2 fesul uned arwynebedd yr amsugnwr ar dymheredd o 150°C.
Cafwyd canlyniadau cadarnhaol o ran adlyniad ac unffurfiaeth hefyd gyda sylffad magnesiwm (MgSO4) (gweler Ffig. 9). Dangosodd dadansoddiad o'r broses dadamsugno o'r haen fod un brig o tua 60°C yn bresennol. Mae'r tymheredd hwn yn cyfateb i'r prif gam dadamsugno a welir wrth ddadhydradu halwynau pur, sy'n cynrychioli cam arall ar 44°C. Mae'n cyfateb i'r newid o hecsahydrad i bentahydrad ac ni chaiff ei arsylwi yn achos haenau gyda rhwymwyr. Mae profion trawsdoriad yn dangos dosbarthiad ac adlyniad gwell o'i gymharu â haenau a wnaed gan ddefnyddio halen pur. Mae'r gwahaniaeth màs a welwyd yn TGA-DTC yn cyfateb i 18.4 g/m2 fesul uned arwynebedd yr amsugnwr ar dymheredd o 150°C.
Oherwydd anghysondebau ar yr wyneb, mae gan glorid strontiwm (SrCl2) orchudd anwastad ar yr esgyll (Ffig. 10a). Fodd bynnag, dangosodd canlyniadau'r prawf rhicyn traws ddosbarthiad unffurf gyda glynu'n sylweddol well (Ffig. 10c). Dangosodd dadansoddiad TGA wahaniaeth bach iawn mewn pwysau, y mae'n rhaid ei fod oherwydd y cynnwys halen is o'i gymharu â'r swbstrad metel. Fodd bynnag, mae'r camau ar y gromlin yn dangos presenoldeb proses ddadhydradu, er bod y brig yn gysylltiedig â'r tymheredd a geir wrth nodweddu halen pur. Canfuwyd y copaon ar 110°C a 70.2°C a welwyd yn Ffig. 10b hefyd wrth ddadansoddi halen pur. Fodd bynnag, ni adlewyrchwyd y prif gam dadhydradu a welwyd mewn halen pur ar 50°C yn y cromliniau gan ddefnyddio'r rhwymwr. Mewn cyferbyniad, dangosodd y cymysgedd rhwymwr ddau gopa ar 20.2°C a 94.1°C, na chawsant eu mesur ar gyfer yr halen pur (Ffig. 10b). Ar dymheredd o 150 °C, mae'r gwahaniaeth màs a welwyd yn cyfateb i 7.2 g/m2 fesul uned arwynebedd yr amsugnydd.
Ni roddodd y cyfuniad o HEC a sylffad sinc (ZnSO4) ganlyniadau derbyniol (Ffigur 11). Ni ddatgelodd dadansoddiad TGA o'r metel wedi'i orchuddio unrhyw brosesau dadhydradu. Er bod dosbarthiad ac adlyniad y cotio wedi gwella, mae ei briodweddau ymhell o fod yn optimaidd o hyd.
Y ffordd symlaf o orchuddio ffibrau metel â haen denau ac unffurf yw trwytho gwlyb (Ffig. 12a), sy'n cynnwys paratoi'r halen darged a thrwytho ffibrau metel â hydoddiant dyfrllyd.
Wrth baratoi ar gyfer trwytho gwlyb, mae dau brif broblem yn codi. Ar y naill law, mae tensiwn arwyneb y toddiant halwynog yn atal yr hylif rhag cael ei ymgorffori'n gywir yn y strwythur mandyllog. Dim ond trwy ostwng y tensiwn arwyneb a gwlychu'r sampl ymlaen llaw â dŵr distyll y gellir lleihau crisialu ar yr wyneb allanol (Ffig. 12d) a swigod aer sydd wedi'u dal y tu mewn i'r strwythur (Ffig. 12c). Mae gorfodi hydoddiant yn y sampl trwy wagio'r aer y tu mewn neu drwy greu llif hydoddiant yn y strwythur yn ffyrdd effeithiol eraill o sicrhau bod y strwythur yn cael ei lenwi'n llwyr.
Yr ail broblem a gafwyd yn ystod y paratoi oedd tynnu'r ffilm oddi ar ran o'r halen (gweler Ffig. 12b). Nodweddir y ffenomen hon gan ffurfio haen sych ar wyneb y diddymiad, sy'n atal y sychu a ysgogir gan ddarfudiad ac yn cychwyn y broses a ysgogir gan drylediad. Mae'r ail fecanwaith yn llawer arafach na'r cyntaf. O ganlyniad, mae angen tymheredd uchel am amser sychu rhesymol, sy'n cynyddu'r risg o swigod yn ffurfio y tu mewn i'r sampl. Datrysir y broblem hon trwy gyflwyno dull crisialu amgen yn seiliedig nid ar newid crynodiad (anweddiad), ond ar newid tymheredd (fel yn yr enghraifft gyda MgSO4 yn Ffig. 13).
Cynrychiolaeth sgematig o'r broses grisialu yn ystod oeri a gwahanu cyfnodau solet a hylif gan ddefnyddio MgSO4.
Gellir paratoi toddiannau halen dirlawn ar neu uwchlaw tymheredd ystafell (HT) gan ddefnyddio'r dull hwn. Yn yr achos cyntaf, gorfodwyd crisialu trwy ostwng y tymheredd islaw tymheredd ystafell. Yn yr ail achos, digwyddodd crisialu pan oerwyd y sampl i dymheredd ystafell (RT). Y canlyniad yw cymysgedd o grisialau (B) a thoddyddion (A), y mae'r rhan hylifol ohono'n cael ei thynnu gan aer cywasgedig. Mae'r dull hwn nid yn unig yn osgoi ffurfio ffilm ar yr hydradau hyn, ond hefyd yn lleihau'r amser sydd ei angen ar gyfer paratoi cyfansoddion eraill. Fodd bynnag, mae tynnu hylif gan aer cywasgedig yn arwain at grisialu ychwanegol o'r halen, gan arwain at haen fwy trwchus.
Mae dull arall y gellir ei ddefnyddio i orchuddio arwynebau metel yn cynnwys cynhyrchu halwynau targed yn uniongyrchol trwy adweithiau cemegol. Mae gan gyfnewidwyr gwres wedi'u gorchuddio a wneir trwy adwaith asidau ar arwynebau metel esgyll a thiwbiau nifer o fanteision, fel yr adroddwyd yn ein hastudiaeth flaenorol. Arweiniodd cymhwyso'r dull hwn i ffibrau at ganlyniadau gwael iawn oherwydd ffurfio nwyon yn ystod yr adwaith. Mae pwysau swigod nwy hydrogen yn cronni y tu mewn i'r stiliwr ac yn symud wrth i'r cynnyrch gael ei daflu allan (Ffig. 14a).
Mae'r haen wedi'i haddasu trwy adwaith cemegol i reoli trwch a dosbarthiad yr haen yn well. Mae'r dull hwn yn cynnwys pasio ffrwd niwl asid trwy'r sampl (Ffigur 14b). Disgwylir i hyn arwain at haen unffurf trwy adwaith â metel y swbstrad. Roedd y canlyniadau'n foddhaol, ond roedd y broses yn rhy araf i'w hystyried yn ddull effeithiol (Ffig. 14c). Gellir cyflawni amseroedd adwaith byrrach trwy wresogi lleol.
I oresgyn anfanteision y dulliau uchod, astudiwyd dull cotio yn seiliedig ar ddefnyddio gludyddion. Dewiswyd HEC yn seiliedig ar y canlyniadau a gyflwynwyd yn yr adran flaenorol. Paratowyd pob sampl ar 3% pwysau. Cymysgir y rhwymwr â halen. Cafodd y ffibrau eu rhag-drin yn ôl yr un weithdrefn ag ar gyfer yr asennau, h.y. eu socian mewn asid sylffwrig 50% cyf. o fewn 15 munud, yna eu socian mewn sodiwm hydrocsid am 20 eiliad, eu golchi mewn dŵr distyll ac yn olaf eu socian mewn dŵr distyll am 30 munud. Yn yr achos hwn, ychwanegwyd cam ychwanegol cyn y trwytho. Trochwch y sampl yn fyr mewn toddiant halen targed gwanedig a'i sychu ar oddeutu 60°C. Mae'r broses wedi'i chynllunio i addasu wyneb y metel, gan greu safleoedd niwcleiadu sy'n gwella dosbarthiad y cotio yn y cam olaf. Mae gan y strwythur ffibrog un ochr lle mae'r ffilamentau'n deneuach ac wedi'u pacio'n dynn, a'r ochr gyferbyn lle mae'r ffilamentau'n fwy trwchus ac wedi'u dosbarthu'n llai. Dyma ganlyniad 52 o brosesau gweithgynhyrchu.
Mae'r canlyniadau ar gyfer calsiwm clorid (CaCl2) wedi'u crynhoi a'u darlunio gyda lluniau yn Nhabl 1. Gorchudd da ar ôl brechu. Roedd hyd yn oed y llinynnau hynny heb grisialau gweladwy ar yr wyneb wedi lleihau adlewyrchiadau metelaidd, gan ddangos newid yn y gorffeniad. Fodd bynnag, ar ôl i'r samplau gael eu trwytho â chymysgedd dyfrllyd o CaCl2 a HEC a'u sychu ar dymheredd o tua 60°C, roedd y haenau wedi'u crynhoi yng nghroesfannau'r strwythurau. Mae hwn yn effaith a achosir gan densiwn arwyneb y toddiant. Ar ôl socian, mae'r hylif yn aros y tu mewn i'r sampl oherwydd ei densiwn arwyneb. Yn y bôn mae'n digwydd yng nghroesfannau strwythurau. Mae gan ochr orau'r sbesimen sawl twll wedi'u llenwi â halen. Cynyddodd y pwysau 0.06 g/cm3 ar ôl ei orchuddio.
Cynhyrchodd cotio â sylffad magnesiwm (MgSO4) fwy o halen fesul uned gyfaint (Tabl 2). Yn yr achos hwn, y cynnydd a fesurwyd yw 0.09 g/cm3. Arweiniodd y broses hau at orchudd helaeth o'r sampl. Ar ôl y broses orchuddio, mae'r halen yn blocio ardaloedd mawr o ochr denau'r sampl. Yn ogystal, mae rhai ardaloedd o'r matte wedi'u blocio, ond cedwir rhywfaint o mandylledd. Yn yr achos hwn, mae ffurfio halen i'w weld yn hawdd wrth groesffordd y strwythurau, gan gadarnhau bod y broses orchuddio yn bennaf oherwydd tensiwn arwyneb yr hylif, ac nid y rhyngweithio rhwng yr halen a'r swbstrad metel.
Dangosodd y canlyniadau ar gyfer y cyfuniad o glorid strontiwm (SrCl2) a HEC briodweddau tebyg i'r enghreifftiau blaenorol (Tabl 3). Yn yr achos hwn, mae ochr deneuach y sampl wedi'i gorchuddio bron yn llwyr. Dim ond mandyllau unigol sy'n weladwy, a ffurfiwyd yn ystod sychu o ganlyniad i ryddhau stêm o'r sampl. Mae'r patrwm a welwyd ar yr ochr matte yn debyg iawn i'r achos blaenorol, mae'r ardal wedi'i blocio â halen ac nid yw'r ffibrau wedi'u gorchuddio'n llwyr.
Er mwyn gwerthuso effaith gadarnhaol y strwythur ffibrog ar berfformiad thermol y cyfnewidydd gwres, penderfynwyd ar ddargludedd thermol effeithiol y strwythur ffibrog wedi'i orchuddio a'i gymharu â'r deunydd cotio pur. Mesurwyd dargludedd thermol yn ôl ASTM D 5470-2017 gan ddefnyddio'r ddyfais panel gwastad a ddangosir yn Ffigur 15a gan ddefnyddio deunydd cyfeirio â dargludedd thermol hysbys. O'i gymharu â dulliau mesur dros dro eraill, mae'r egwyddor hon yn fanteisiol ar gyfer deunyddiau mandyllog a ddefnyddir yn yr astudiaeth gyfredol, gan fod y mesuriadau'n cael eu perfformio mewn cyflwr cyson a chyda maint sampl digonol (arwynebedd sylfaen 30 × 30 mm2, uchder tua 15 mm). Paratowyd samplau o'r deunydd cotio pur (cyfeirnod) a'r strwythur ffibr wedi'i orchuddio ar gyfer mesuriadau i gyfeiriad y ffibr ac yn berpendicwlar i gyfeiriad y ffibr i werthuso effaith dargludedd thermol anisotropig. Malwyd y sbesimenau ar yr wyneb (graean P320) i leihau effaith garwedd arwyneb oherwydd paratoi sbesimen, nad yw'n adlewyrchu'r strwythur o fewn y sbesimen.