Tak fordi du besøgte Nature.com.Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden stilarter og JavaScript.
Markedsandelen for adsorptionskøleanlæg og varmepumper er stadig relativt lille sammenlignet med traditionelle kompressoranlæg.På trods af den store fordel ved at bruge billig varme (i stedet for dyrt el-arbejde), er implementeringen af ​​systemer baseret på adsorptionsprincipper stadig begrænset til nogle få specifikke applikationer.Den største ulempe, der skal elimineres, er faldet i specifik effekt på grund af lav termisk ledningsevne og lav stabilitet af adsorbenten.Nuværende avancerede kommercielle adsorptionskølesystemer er baseret på adsorbere baseret på pladevarmevekslere coated for at optimere kølekapaciteten.Resultaterne er velkendte, at formindskelse af tykkelsen af ​​belægningen fører til et fald i masseoverførselsimpedansen, og forøgelse af forholdet mellem overfladeareal og volumen af ​​de ledende strukturer øger effekten uden at gå på kompromis med effektiviteten.Metalfibrene, der anvendes i dette arbejde, kan give et specifikt overfladeareal i området 2500-50.000 m2/m3.Tre metoder til at opnå meget tynde, men stabile belægninger af salthydrater på metaloverflader, herunder metalfibre, til fremstilling af belægninger demonstrerer for første gang en varmeveksler med høj effekttæthed.Overfladebehandlingen baseret på aluminiumanodisering er valgt for at skabe en stærkere binding mellem belægningen og underlaget.Mikrostrukturen af ​​den resulterende overflade blev analyseret under anvendelse af scanningselektronmikroskopi.Reduceret total refleksion Fourier-transformation infrarød spektroskopi og energidispersiv røntgenspektroskopi blev brugt til at kontrollere tilstedeværelsen af ​​den ønskede art i assayet.Deres evne til at danne hydrater blev bekræftet ved kombineret termogravimetrisk analyse (TGA)/differentiel termogravimetrisk analyse (DTG).Dårlig kvalitet over 0,07 g (vand)/g (komposit) blev fundet i MgSO4-belægningen, som viste tegn på dehydrering ved ca. 60 °C og reproducerbar efter rehydrering.Positive resultater blev også opnået med SrCl2 og ZnSO4 med en masseforskel på ca. 0,02 g/g under 100 °C.Hydroxyethylcellulose blev valgt som et additiv for at øge stabiliteten og vedhæftningen af ​​belægningen.Produkternes adsorptionsegenskaber blev evalueret ved samtidig TGA-DTG, og deres adhæsion blev karakteriseret ved en metode baseret på testene beskrevet i ISO2409.Konsistensen og vedhæftningen af ​​CaCl2-belægningen er væsentligt forbedret, mens dens adsorptionskapacitet bevares med en vægtforskel på omkring 0,1 g/g ved temperaturer under 100 °C.Derudover bevarer MgSO4 evnen til at danne hydrater, hvilket viser en masseforskel på mere end 0,04 g/g ved temperaturer under 100 °C.Til sidst undersøges coatede metalfibre.Resultaterne viser, at den effektive varmeledningsevne af fiberstrukturen belagt med Al2(SO4)3 kan være 4,7 gange højere sammenlignet med volumenet af ren Al2(SO4)3.Belægningen af ​​de undersøgte belægninger blev undersøgt visuelt, og den indre struktur blev vurderet ved hjælp af et mikroskopisk billede af tværsnittene.En belægning af Al2(SO4)3 med en tykkelse på ca. 50 µm blev opnået, men den samlede proces skal optimeres for at opnå en mere ensartet fordeling.
Adsorptionssystemer har fået stor opmærksomhed gennem de seneste årtier, da de udgør et miljøvenligt alternativ til traditionelle kompressionsvarmepumper eller køleanlæg.Med stigende komfortstandarder og globale gennemsnitstemperaturer kan adsorptionssystemer reducere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer i den nærmeste fremtid.Derudover kan eventuelle forbedringer i adsorptionskøle- eller varmepumper overføres til termisk energilager, hvilket repræsenterer en yderligere forøgelse af potentialet for effektiv udnyttelse af primærenergi.Den største fordel ved adsorptionsvarmepumper og køleanlæg er, at de kan arbejde med lav varmemasse.Dette gør dem velegnede til lavtemperaturkilder såsom solenergi eller spildvarme.Med hensyn til energilagringsapplikationer har adsorption fordelen af ​​højere energitæthed og mindre energiafledning sammenlignet med fornuftig eller latent varmelagring.
Adsorptionsvarmepumper og kølesystemer følger samme termodynamiske cyklus som deres dampkompressionsmodstykker.Den største forskel er udskiftningen af ​​kompressorkomponenter med adsorbere.Elementet er i stand til at adsorbere lavtrykskølemiddeldampe ved moderate temperaturer og fordamper mere kølemiddel, selv når væsken er kold.Det er nødvendigt at sikre konstant afkøling af adsorberen for at udelukke adsorptionsentalpien (exoterm).Adsorberen regenereres ved høj temperatur, hvilket får kølemiddeldampen til at desorbere.Opvarmning skal fortsætte med at give desorptionsentalpien (endotermisk).Fordi adsorptionsprocesser er karakteriseret ved temperaturændringer, kræver høj effekttæthed høj varmeledningsevne.Imidlertid er lav varmeledningsevne langt den største ulempe i de fleste applikationer.
Hovedproblemet med ledningsevne er at øge dens gennemsnitlige værdi og samtidig opretholde den transportvej, der sørger for strømmen af ​​adsorptions-/desorptionsdampe.To tilgange bruges almindeligvis til at opnå dette: sammensatte varmevekslere og coatede varmevekslere.De mest populære og succesrige kompositmaterialer er dem, der bruger kulstofbaserede additiver, nemlig ekspanderet grafit, aktivt kul eller kulfibre.Oliveira et al.2 imprægneret ekspanderet grafitpulver med calciumchlorid til fremstilling af en adsorber med en specifik kølekapacitet (SCP) på op til 306 W/kg og en ydelseskoefficient (COP) på op til 0,46.Zajaczkowski et al.3 foreslog en kombination af ekspanderet grafit, kulfiber og calciumchlorid med en samlet ledningsevne på 15 W/mK.Jian et al4 testede kompositter med svovlsyrebehandlet ekspanderet naturlig grafit (ENG-TSA) som substrat i en to-trins adsorptionsafkølingscyklus.Modellen forudsagde COP fra 0,215 til 0,285 og SCP fra 161,4 til 260,74 W/kg.
Langt den mest levedygtige løsning er den coatede varmeveksler.Belægningsmekanismerne for disse varmevekslere kan opdeles i to kategorier: direkte syntese og klæbemidler.Den mest succesrige metode er direkte syntese, som involverer dannelsen af ​​adsorberende materialer direkte på overfladen af ​​varmevekslere fra de passende reagenser.Sotech5 har patenteret en metode til at syntetisere coated zeolit ​​til brug i en serie af kølere fremstillet af Fahrenheit GmbH.Schnabel et al6 testede ydeevnen af ​​to zeolitter belagt på rustfrit stål.Denne metode fungerer dog kun med specifikke adsorbenter, hvilket gør belægning med lim til et interessant alternativ.Bindemidler er passive stoffer, der er valgt til at understøtte sorbentadhæsion og/eller masseoverførsel, men spiller ingen rolle i adsorption eller ledningsevneforbedring.Freni et al.7 coatede aluminium varmevekslere med AQSOA-Z02 zeolit ​​stabiliseret med et lerbaseret bindemiddel.Calabrese et al.8 undersøgte fremstillingen af ​​zeolitbelægninger med polymere bindemidler.Ammann et al.9 foreslog en fremgangsmåde til fremstilling af porøse zeolitbelægninger fra magnetiske blandinger af polyvinylalkohol.Alumina (aluminiumoxid) bruges også som bindemiddel 10 i adsorberen.Så vidt vi ved, anvendes cellulose og hydroxyethylcellulose kun i kombination med fysiske adsorbenter11,12.Nogle gange bruges limen ikke til malingen, men bruges til at bygge strukturen 13 på egen hånd.Kombinationen af ​​alginatpolymermatricer med multiple salthydrater danner fleksible kompositperlestrukturer, der forhindrer lækage under tørring og giver tilstrækkelig masseoverførsel.Ler som bentonit og attapulgit er blevet brugt som bindemidler til fremstilling af kompositter15,16,17.Ethylcellulose er blevet brugt til at mikroindkapsle calciumchlorid18 eller natriumsulfid19.
Kompositter med en porøs metalstruktur kan opdeles i additive varmevekslere og coatede varmevekslere.Fordelen ved disse strukturer er det høje specifikke overfladeareal.Dette resulterer i en større kontaktflade mellem adsorbent og metal uden tilsætning af en inert masse, hvilket reducerer den samlede effektivitet af kølecyklussen.Lang et al.20 har forbedret den overordnede ledningsevne af en zeolitadsorber med en bikagestruktur af aluminium.Gillerminot et al.21 forbedrede den termiske ledningsevne af NaX-zeolitlag med kobber- og nikkelskum.Selvom kompositter bruges som faseændringsmaterialer (PCM'er), er resultaterne af Li et al.22 og Zhao et al.23 er også af interesse for kemisorption.De sammenlignede ydeevnen af ​​ekspanderet grafit og metalskum og konkluderede, at sidstnævnte kun var at foretrække, hvis korrosion ikke var et problem.Palomba et al.har for nylig sammenlignet andre metalliske porøse strukturer24.Van der Pal et al.har studeret metalsalte indlejret i skum 25 .Alle tidligere eksempler svarer til tætte lag af partikelformige adsorbenter.Metalporøse strukturer bruges praktisk talt ikke til at belægge adsorbere, hvilket er en mere optimal løsning.Et eksempel på binding til zeolitter kan findes i Wittstadt et al.26, men der er ikke gjort forsøg på at binde salthydrater på trods af deres højere energitæthed 27 .
Således vil tre metoder til fremstilling af adsorberende belægninger blive udforsket i denne artikel: (1) bindemiddelbelægning, (2) direkte reaktion og (3) overfladebehandling.Hydroxyethylcellulose var det foretrukne bindemiddel i dette arbejde på grund af tidligere rapporteret stabilitet og god belægningsadhæsion i kombination med fysiske adsorbenter.Denne metode blev oprindeligt undersøgt for flade belægninger og senere anvendt på metalfiberstrukturer.Tidligere blev der rapporteret om en foreløbig analyse af muligheden for kemiske reaktioner med dannelse af adsorberende belægninger.Tidligere erfaringer overføres nu til belægning af metalfiberstrukturer.Den valgte overfladebehandling til dette arbejde er en metode baseret på aluminiumanodisering.Aluminiumanodisering er med succes blevet kombineret med metalsalte til æstetiske formål29.I disse tilfælde kan der opnås meget stabile og korrosionsbestandige belægninger.De kan dog ikke udføre nogen adsorptions- eller desorptionsproces.Dette papir præsenterer en variant af denne tilgang, der tillader masse at blive flyttet ved hjælp af klæbende egenskaber af den oprindelige proces.Så vidt vi ved, er ingen af ​​de her beskrevne metoder tidligere blevet undersøgt.De repræsenterer en meget interessant ny teknologi, fordi de tillader dannelsen af ​​hydratiserede adsorberende belægninger, som har en række fordele i forhold til de ofte undersøgte fysiske adsorbenter.
De stemplede aluminiumsplader, der blev brugt som substrater til disse eksperimenter, blev leveret af ALINVEST Břidličná, Tjekkiet.De indeholder 98,11% aluminium, 1,3622% jern, 0,3618% mangan og spor af kobber, magnesium, silicium, titanium, zink, krom og nikkel.
De valgte materialer til fremstilling af kompositter er udvalgt i overensstemmelse med deres termodynamiske egenskaber, nemlig afhængig af mængden af ​​vand, som de kan adsorbere/desorbere ved temperaturer under 120°C.
Magnesiumsulfat (MgSO4) er et af de mest interessante og undersøgte hydratiserede salte30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.De termodynamiske egenskaber er systematisk målt og fundet egnet til anvendelser inden for adsorptionskøling, varmepumper og energilagring.Tør magnesiumsulfat CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) blev anvendt.
Calciumchlorid (CaCl2) (H319) er et andet velundersøgt salt, fordi dets hydrat har interessante termodynamiske egenskaber41,42,43,44.Calciumchloridhexahydrat CAS-nr.7774-34-7 97% brugt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland).
Zinksulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) og dets hydrater har termodynamiske egenskaber, der er egnede til adsorptionsprocesser ved lav temperatur45,46.Zinksulfat-heptahydrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Tyskland) blev anvendt.
Strontiumchlorid (SrCl2) (H318) har også interessante termodynamiske egenskaber4,45,47 selvom det ofte kombineres med ammoniak i adsorptionsvarmepumpe- eller energilagringsforskning.Strontiumchloridhexahydrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0-102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) blev brugt til syntesen.
Kobbersulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) er ikke blandt de hydrater, der ofte findes i faglitteraturen, selvom dets termodynamiske egenskaber er af interesse for lavtemperaturapplikationer48,49.Kobbersulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) blev anvendt til syntesen.
Magnesiumchlorid (MgCl2) er et af de hydrerede salte, der for nylig har fået mere opmærksomhed inden for termisk energilagring50,51.Magnesiumchloridhexahydrat CAS-Nr.7791-18-6 ren farmaceutisk kvalitet (Applichem GmbH., Darmstadt, Tyskland) blev anvendt til eksperimenterne.
Som nævnt ovenfor blev hydroxyethylcellulose valgt på grund af de positive resultater i lignende anvendelser.Materialet anvendt i vores syntese er hydroxyethylcellulose CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metalfibre er lavet af korte tråde, der er bundet sammen ved kompression og sintring, en proces kendt som digelsmelteekstraktion (CME)52.Dette betyder, at deres varmeledningsevne ikke kun afhænger af bulkledningsevnen af ​​de metaller, der anvendes ved fremstillingen, og porøsiteten af ​​den endelige struktur, men også af kvaliteten af ​​bindingerne mellem trådene.Fibrene er ikke isotrope og har tendens til at blive fordelt i en bestemt retning under produktionen, hvilket gør den termiske ledningsevne i tværretningen meget lavere.
Vandabsorptionsegenskaberne blev undersøgt under anvendelse af simultan termogravimetrisk analyse (TGA)/differentiel termogravimetrisk analyse (DTG) i en vakuumpakke (Netzsch TG 209 F1 Libra).Målingerne blev udført i en strømmende nitrogenatmosfære med en strømningshastighed på 10 ml/min og et temperaturområde fra 25 til 150°C i aluminiumoxiddigler.Opvarmningshastigheden var 1 °C/min, prøvevægten varierede fra 10 til 20 mg, opløsningen var 0,1 μg.I dette arbejde skal det bemærkes, at masseforskellen pr. overfladeenhed har stor usikkerhed.Prøverne brugt i TGA-DTG er meget små og uregelmæssigt skåret, hvilket gør deres områdebestemmelse unøjagtig.Disse værdier kan kun ekstrapoleres til et større område, hvis der tages højde for store afvigelser.
Svækket totalreflektion Fourier transformation infrarød (ATR-FTIR) spektre blev erhvervet på et Bruker Vertex 80 v FTIR spektrometer (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Tyskland) under anvendelse af et ATR platin tilbehør (Bruker Optik GmbH, Tyskland).Spektrene af rene tørre diamantkrystaller blev målt direkte i vakuum, før prøverne blev brugt som baggrund for eksperimentelle målinger.Prøverne blev målt i vakuum under anvendelse af en spektral opløsning på 2 cm-1 og et gennemsnitligt antal scanninger på 32. Bølgetal i området fra 8000 til 500 cm-1.Spektralanalyse blev udført ved hjælp af OPUS-programmet.
SEM-analyse blev udført under anvendelse af en DSM 982 Gemini fra Zeiss ved accelererende spændinger på 2 og 5 kV.Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX) blev udført under anvendelse af et Thermo Fischer System 7 med en Peltier-kølet siliciumdriftdetektor (SSD).
Fremstillingen af ​​metalplader blev udført i overensstemmelse med proceduren svarende til den beskrevet i 53. Nedsænk først pladen i 50 % svovlsyre.15 minutter.Derefter blev de indført i 1 M natriumhydroxidopløsning i ca. 10 sekunder.Derefter blev prøverne vasket med en stor mængde destilleret vand og derefter gennemblødt i destilleret vand i 30 minutter.Efter indledende overfladebehandling blev prøverne nedsænket i en 3% mættet opløsning.HEC og målsalt.Tag dem til sidst ud og tør dem ved 60°C.
Anodiseringsmetoden forstærker og styrker det naturlige oxidlag på det passive metal.Aluminiumspanelerne blev anodiseret med svovlsyre i hærdet tilstand og derefter forseglet i varmt vand.Anodisering fulgte en indledende ætsning med 1 mol/l NaOH (600 s) efterfulgt af neutralisering i 1 mol/l HNO3 (60 s).Elektrolytopløsningen er en blanding af 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 og 1 M MgSO4 + 7H2O.Anodisering blev udført ved (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 i 1200 sekunder.Forseglingsprocessen blev udført i forskellige saltvandsopløsninger som beskrevet i materialerne (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).Prøven koges i den i 1800 sekunder.
Tre forskellige metoder til fremstilling af kompositter er blevet undersøgt: klæbende belægning, direkte reaktion og overfladebehandling.Fordele og ulemper ved hver træningsmetode analyseres og diskuteres systematisk.Direkte observation, nanobilleddannelse og kemisk/grundstofanalyse blev brugt til at evaluere resultaterne.
Anodisering blev valgt som en konverteringsoverfladebehandlingsmetode for at øge vedhæftningen af ​​salthydrater.Denne overfladebehandling skaber en porøs struktur af aluminiumoxid (aluminiumoxid) direkte på aluminiumsoverfladen.Traditionelt består denne metode af to trin: Det første trin skaber en porøs struktur af aluminiumoxid, og det andet trin skaber en belægning af aluminiumhydroxid, der lukker porerne.Følgende er to metoder til at blokere salt uden at blokere adgangen til gasfasen.Det første består af et honeycomb-system, der anvender små aluminiumoxid (Al2O3)-rør opnået i det første trin for at holde de adsorberende krystaller og øge deres vedhæftning til metaloverflader.De resulterende honningkager har en diameter på ca. 50 nm og en længde på 200 nm (fig. 1a).Som nævnt tidligere lukkes disse hulrum sædvanligvis i et andet trin med et tyndt lag Al2O(OH)2-boehmit understøttet af aluminiumoxidrørets kogeproces.I den anden metode modificeres denne forseglingsproces på en sådan måde, at saltkrystallerne fanges i et ensartet dækkende lag af boehmit (Al2O(OH)), som ikke bruges til forsegling i dette tilfælde.Det andet trin udføres i en mættet opløsning af det tilsvarende salt.De beskrevne mønstre har størrelser i området 50-100 nm og ligner sprøjtede dråber (fig. 1b).Overfladen opnået som et resultat af forseglingsprocessen har en udtalt rumlig struktur med et øget kontaktareal.Dette overflademønster, sammen med deres mange bindingskonfigurationer, er ideelt til at bære og holde saltkrystaller.Begge beskrevne strukturer ser ud til at være virkelig porøse og har små hulrum, der ser ud til at være velegnede til at tilbageholde salthydrater og adsorbere dampe til saltet under drift af adsorberen.Grundstofanalyse af disse overflader ved hjælp af EDX kan dog påvise spormængder af magnesium og svovl på overfladen af ​​boehmit, som ikke påvises i tilfælde af en aluminiumoxidoverflade.
ATR-FTIR af prøven bekræftede, at grundstoffet var magnesiumsulfat (se figur 2b).Spektret viser karakteristiske sulfationtoppe ved 610–680 og 1080–1130 cm–1 og karakteristiske gittervandtoppe ved 1600–1700 cm–1 og 3200–3800 cm–1 (se fig. 2a, c).).Tilstedeværelsen af ​​magnesiumioner ændrer næsten ikke spektret54.
(a) EDX af en boehmit-coatet MgSO4-aluminiumplade, (b) ATR-FTIR-spektre af boehmit- og MgSO4-coatinger, (c) ATR-FTIR-spektre af ren MgSO4.
Opretholdelse af adsorptionseffektivitet blev bekræftet af TGA.På fig.3b viser en desorptionstop på ca.60°C.Denne top svarer ikke til temperaturen af ​​de to toppe observeret i TGA af rent salt (fig. 3a).Repeterbarheden af ​​adsorption-desorptionscyklussen blev evalueret, og den samme kurve blev observeret efter placering af prøverne i en fugtig atmosfære (fig. 3c).Forskellene observeret i andet trin af desorption kan være resultatet af dehydrering i en flydende atmosfære, da dette ofte fører til ufuldstændig dehydrering.Disse værdier svarer til cirka 17,9 g/m2 ved første afvanding og 10,3 g/m2 ved anden afvanding.
Sammenligning af TGA-analyse af boehmit og MgSO4: TGA-analyse af rent MgSO4 (a), blanding (b) og efter rehydrering (c).
Den samme metode blev udført med calciumchlorid som adsorbent.Resultaterne er vist i figur 4. Visuel inspektion af overfladen afslørede mindre ændringer i den metalliske glød.Pelsen er knapt synlig.SEM bekræftede tilstedeværelsen af ​​små krystaller jævnt fordelt over overfladen.TGA viste imidlertid ingen dehydrering under 150°C.Dette kan skyldes, at andelen af ​​salt er for lille i forhold til den samlede masse af substratet til påvisning ved TGA.
Resultaterne af overfladebehandling af kobbersulfatbelægningen ved anodiseringsmetoden er vist i fig.5. I dette tilfælde forekom den forventede inkorporering af CuSO4 i Al-oxidstrukturen ikke.I stedet observeres løse nåle, da de almindeligvis bruges til kobberhydroxid Cu(OH)2, der bruges sammen med typiske turkise farvestoffer.
Den anodiserede overfladebehandling blev også testet i kombination med strontiumchlorid.Resultaterne viste ujævn dækning (se figur 6a).For at bestemme, om saltet dækkede hele overfladen, blev der udført en EDX-analyse.Kurven for et punkt i det grå område (punkt 1 i fig. 6b) viser lidt strontium og meget aluminium.Dette indikerer et lavt indhold af strontium i den målte zone, hvilket igen indikerer en lav dækning af strontiumchlorid.Omvendt har hvide områder et højt indhold af strontium og et lavt indhold af aluminium (punkt 2-6 i fig. 6b).EDX-analyse af det hvide område viser mørkere prikker (punkt 2 og 4 i fig. 6b), lavt indhold af chlor og højt indhold af svovl.Dette kan indikere dannelsen af ​​strontiumsulfat.Lysere prikker afspejler højt klorindhold og lavt svovlindhold (punkt 3, 5 og 6 i fig. 6b).Dette kan forklares med, at hovedparten af ​​den hvide belægning består af det forventede strontiumchlorid.Prøvens TGA bekræftede fortolkningen af ​​analysen med en top ved den karakteristiske temperatur for rent strontiumchlorid (fig. 6c).Deres lille værdi kan retfærdiggøres af en lille brøkdel salt i sammenligning med metalstøttens masse.Desorptionsmassen bestemt i forsøgene svarer til mængden af ​​7,3 g/m2 afgivet pr. arealenhed af adsorberen ved en temperatur på 150°C.
Eloxal-behandlede zinksulfatbelægninger blev også testet.Makroskopisk er belægningen et meget tyndt og ensartet lag (fig. 7a).Imidlertid afslørede SEM et overfladeareal dækket med små krystaller adskilt af tomme områder (fig. 7b).TGA for belægningen og substratet blev sammenlignet med den for rent salt (figur 7c).Rent salt har en asymmetrisk top ved 59,1°C.Det coatede aluminium viste to små toppe ved 55,5°C og 61,3°C, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​zinksulfathydrat.Masseforskellen afsløret i forsøget svarer til 10,9 g/m2 ved en dehydreringstemperatur på 150°C.
Som i den tidligere ansøgning53 blev hydroxyethylcellulose brugt som bindemiddel for at forbedre adhæsionen og stabiliteten af ​​den sorberende coating.Materialekompatibilitet og effekt på adsorptionsydelse blev vurderet af TGA.Analysen udføres i forhold til den samlede masse, dvs. prøven indeholder en metalplade, der anvendes som belægningssubstrat.Vedhæftning testes ved en test baseret på krydshaktesten defineret i ISO2409-specifikationen (kan ikke opfylde notchadskillelsesspecifikationen afhængigt af specifikationens tykkelse og bredde).
Belægning af panelerne med calciumchlorid (CaCl2) (se fig. 8a) resulterede i ujævn fordeling, hvilket ikke blev observeret i den rene aluminiumbelægning, der blev brugt til den tværgående notch-test.Sammenlignet med resultaterne for ren CaCl2 viser TGA (fig. 8b) to karakteristiske toppe forskudt mod lavere temperaturer på henholdsvis 40 og 20°C.Tværsnitstesten tillader ikke en objektiv sammenligning, fordi den rene CaCl2-prøve (prøven til højre i fig. 8c) er et pulveragtigt bundfald, som fjerner de øverste partikler.HEC-resultaterne viste en meget tynd og ensartet belægning med tilfredsstillende vedhæftning.Masseforskellen vist i fig.8b svarer til 51,3 g/m2 pr. arealenhed af adsorberen ved en temperatur på 150°C.
Positive resultater med hensyn til adhæsion og ensartethed blev også opnået med magnesiumsulfat (MgSO4) (se fig. 9).Analyse af desorptionsprocessen af ​​belægningen viste tilstedeværelsen af ​​en top på ca.60°C.Denne temperatur svarer til det vigtigste desorptionstrin set i dehydreringen af ​​rene salte, hvilket repræsenterer endnu et trin ved 44°C.Det svarer til overgangen fra hexahydrat til pentahydrat og observeres ikke ved belægninger med bindemidler.Tværsnitstest viser forbedret fordeling og vedhæftning sammenlignet med belægninger fremstillet med rent salt.Masseforskellen observeret i TGA-DTC svarer til 18,4 g/m2 pr. arealenhed af adsorberen ved en temperatur på 150°C.
På grund af overfladeujævnheder har strontiumchlorid (SrCl2) en ujævn belægning på finnerne (fig. 10a).Imidlertid viste resultaterne af den tværgående notch-test ensartet fordeling med signifikant forbedret adhæsion (fig. 10c).TGA-analyse viste en meget lille forskel i vægt, hvilket må skyldes det lavere saltindhold sammenlignet med metalsubstratet.Trinene på kurven viser dog tilstedeværelsen af ​​en dehydreringsproces, selvom toppen er forbundet med den opnåede temperatur ved karakterisering af rent salt.Toppene ved 110°C og 70,2°C observeret i fig.10b blev også fundet ved analyse af rent salt.Imidlertid blev det vigtigste dehydreringstrin observeret i rent salt ved 50°C ikke afspejlet i kurverne under anvendelse af bindemidlet.I modsætning hertil viste bindemiddelblandingen to toppe ved 20,2°C og 94,1°C, som ikke blev målt for det rene salt (fig. 10b).Ved en temperatur på 150 °C svarer den observerede masseforskel til 7,2 g/m2 pr. arealenhed af adsorberen.
Kombinationen af ​​HEC og zinksulfat (ZnSO4) gav ikke acceptable resultater (figur 11).TGA-analyse af det belagte metal afslørede ikke nogen dehydreringsprocesser.Selvom fordelingen og vedhæftningen af ​​belægningen er blevet bedre, er dens egenskaber stadig langt fra optimale.
Den enkleste måde at belægge metalfibre med et tyndt og ensartet lag er vådimprægnering (fig. 12a), som omfatter fremstilling af målsaltet og imprægnering af metalfibre med en vandig opløsning.
Ved forberedelse til vådimprægnering støder man på to hovedproblemer.På den ene side forhindrer overfladespændingen af ​​saltvandsopløsningen den korrekte inkorporering af væsken i den porøse struktur.Krystallisation på den ydre overflade (fig. 12d) og luftbobler fanget inde i strukturen (fig. 12c) kan kun reduceres ved at sænke overfladespændingen og forfugt prøven med destilleret vand.Tvunget opløsning i prøven ved at evakuere luften i eller ved at skabe et opløsningsflow i strukturen er andre effektive måder til at sikre fuldstændig fyldning af strukturen.
Det andet problem, man stødte på under forberedelsen, var fjernelsen af ​​filmen fra en del af saltet (se fig. 12b).Dette fænomen er karakteriseret ved dannelsen af ​​en tør belægning på opløsningsoverfladen, som stopper den konvektivt stimulerede tørring og starter den diffusionsstimulerede proces.Den anden mekanisme er meget langsommere end den første.Som følge heraf kræves en høj temperatur til en rimelig tørretid, hvilket øger risikoen for, at der dannes bobler inde i prøven.Dette problem løses ved at introducere en alternativ metode til krystallisation baseret ikke på koncentrationsændring (fordampning), men på temperaturændring (som i eksemplet med MgSO4 i fig. 13).
Skematisk fremstilling af krystallisationsprocessen under afkøling og adskillelse af faste og flydende faser ved hjælp af MgSO4.
Mættede saltopløsninger kan fremstilles ved eller over stuetemperatur (HT) ved hjælp af denne metode.I det første tilfælde blev krystallisation fremtvinget ved at sænke temperaturen til under stuetemperatur.I det andet tilfælde forekom krystallisation, når prøven blev afkølet til stuetemperatur (RT).Resultatet er en blanding af krystaller (B) og opløst (A), hvis flydende del fjernes med trykluft.Denne fremgangsmåde undgår ikke kun dannelsen af ​​en film på disse hydrater, men reducerer også den tid, der kræves til fremstilling af andre kompositter.Fjernelsen af ​​væske med trykluft fører imidlertid til yderligere krystallisation af saltet, hvilket resulterer i en tykkere belægning.
En anden metode, der kan bruges til at belægge metaloverflader, involverer direkte produktion af målsalte gennem kemiske reaktioner.Belagte varmevekslere fremstillet ved reaktion af syrer på metaloverflader af finner og rør har en række fordele, som rapporteret i vores tidligere undersøgelse.Anvendelsen af ​​denne metode på fibre førte til meget dårlige resultater på grund af dannelsen af ​​gasser under reaktionen.Trykket af brintgasboblerne opbygges inde i sonden og skifter, efterhånden som produktet udstødes (fig. 14a).
Belægningen er blevet modificeret gennem en kemisk reaktion for bedre at kontrollere tykkelsen og fordelingen af ​​belægningen.Denne metode involverer at føre en sur tågestrøm gennem prøven (figur 14b).Dette forventes at resultere i en ensartet belægning ved reaktion med substratmetallet.Resultaterne var tilfredsstillende, men processen var for langsom til at blive betragtet som en effektiv metode (fig. 14c).Kortere reaktionstider kan opnås ved lokal opvarmning.
For at overvinde ulemperne ved ovennævnte metoder er en belægningsmetode baseret på brug af klæbemidler blevet undersøgt.HEC blev udvalgt på baggrund af resultaterne præsenteret i det foregående afsnit.Alle prøver blev fremstillet ved 3 vægt-%.Bindemidlet blandes med salt.Fibrene blev forbehandlet efter samme fremgangsmåde som for ribbenene, dvs. gennemblødt i 50% vol.inden for 15 minutter.svovlsyre, derefter gennemblødt i natriumhydroxid i 20 sekunder, vasket i destilleret vand og til sidst udblødt i destilleret vand i 30 minutter.I dette tilfælde blev der tilføjet et yderligere trin før imprægneringen.Nedsænk prøven kort i en fortyndet målsaltopløsning og tør ved ca. 60°C.Processen er designet til at modificere overfladen af ​​metallet, hvilket skaber kernedannelsessteder, der forbedrer fordelingen af ​​belægningen i den sidste fase.Den fibrøse struktur har den ene side, hvor filamenterne er tyndere og tætpakket, og den modsatte side, hvor filamenterne er tykkere og mindre fordelt.Dette er resultatet af 52 fremstillingsprocesser.
Resultaterne for calciumchlorid (CaCl2) er opsummeret og illustreret med billeder i tabel 1. God dækning efter podning.Selv de tråde uden synlige krystaller på overfladen havde reducerede metalliske refleksioner, hvilket indikerer en ændring i finish.Efter at prøverne var imprægneret med en vandig blanding af CaCl2 og HEC og tørret ved en temperatur på ca. 60°C, blev belægningerne imidlertid koncentreret ved skæringspunkterne mellem strukturerne.Dette er en effekt forårsaget af opløsningens overfladespænding.Efter iblødsætning forbliver væsken inde i prøven på grund af dens overfladespænding.Dybest set forekommer det i skæringspunktet mellem strukturer.Den bedste side af prøven har flere huller fyldt med salt.Vægten steg med 0,06 g/cm3 efter belægning.
Belægning med magnesiumsulfat (MgSO4) gav mere salt pr. volumenhed (tabel 2).I dette tilfælde er den målte stigning 0,09 g/cm3.Såningsprocessen resulterede i omfattende prøvedækning.Efter belægningsprocessen blokerer saltet store områder af den tynde side af prøven.Derudover er nogle områder af matten blokeret, men en vis porøsitet bibeholdes.I dette tilfælde observeres saltdannelse let ved skæringspunktet mellem strukturerne, hvilket bekræfter, at belægningsprocessen hovedsageligt skyldes væskens overfladespænding og ikke interaktionen mellem saltet og metalsubstratet.
Resultaterne for kombinationen af ​​strontiumchlorid (SrCl2) og HEC viste egenskaber svarende til de foregående eksempler (tabel 3).I dette tilfælde er den tyndere side af prøven næsten fuldstændig dækket.Kun individuelle porer er synlige, dannet under tørring som følge af frigivelse af damp fra prøven.Mønsteret, der observeres på den matte side, ligner meget det foregående tilfælde, området er blokeret med salt, og fibrene er ikke helt dækket.
For at evaluere den positive effekt af den fibrøse struktur på varmevekslerens termiske ydeevne blev den effektive termiske ledningsevne af den coatede fibrøse struktur bestemt og sammenlignet med det rene coatingmateriale.Termisk ledningsevne blev målt i overensstemmelse med ASTM D 5470-2017 ved brug af fladskærmsanordningen vist i figur 15a under anvendelse af et referencemateriale med kendt termisk ledningsevne.Sammenlignet med andre transiente målemetoder er dette princip fordelagtigt for porøse materialer, der anvendes i den aktuelle undersøgelse, da målingerne udføres i en stabil tilstand og med en tilstrækkelig prøvestørrelse (basisareal 30 × 30 mm2, højde ca. 15 mm).Prøver af det rene coatingmateriale (reference) og den coatede fiberstruktur blev forberedt til målinger i fiberens retning og vinkelret på fiberens retning for at evaluere effekten af ​​anisotrop termisk ledningsevne.Prøverne blev slebet på overfladen (P320-korn) for at minimere effekten af ​​overfladeruhed på grund af præparatforberedelse, som ikke afspejler strukturen i prøven.