Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη Λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα αποδώσουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Το μερίδιο αγοράς των συστημάτων ψύξης με προσρόφηση και των αντλιών θερμότητας εξακολουθεί να είναι σχετικά μικρό σε σύγκριση με τα παραδοσιακά συστήματα συμπιεστών. Παρά το τεράστιο πλεονέκτημα της χρήσης φθηνής θερμότητας (αντί για ακριβές ηλεκτρικές εργασίες), η εφαρμογή συστημάτων που βασίζονται στις αρχές της προσρόφησης εξακολουθεί να περιορίζεται σε λίγες συγκεκριμένες εφαρμογές. Το κύριο μειονέκτημα που πρέπει να εξαλειφθεί είναι η μείωση της ειδικής ισχύος λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας και της χαμηλής σταθερότητας του προσροφητικού. Τα τρέχοντα εμπορικά συστήματα ψύξης με προσρόφηση βασίζονται σε προσροφητές που βασίζονται σε εναλλάκτες θερμότητας πλάκας επικαλυμμένους για βελτιστοποίηση της ψυκτικής ικανότητας. Τα αποτελέσματα είναι γνωστά ότι η μείωση του πάχους της επικάλυψης οδηγεί σε μείωση της σύνθετης αντίστασης μεταφοράς μάζας και η αύξηση του λόγου επιφάνειας προς όγκο των αγώγιμων δομών αυξάνει την ισχύ χωρίς να διακυβεύεται η απόδοση. Οι μεταλλικές ίνες που χρησιμοποιούνται σε αυτή την εργασία μπορούν να παρέχουν μια ειδική επιφάνεια στην περιοχή των 2500-50.000 m2/m3. Τρεις μέθοδοι για την απόκτηση πολύ λεπτών αλλά σταθερών επικαλύψεων ένυδρων αλάτων σε μεταλλικές επιφάνειες, συμπεριλαμβανομένων των μεταλλικών ινών, για την παραγωγή επικαλύψεων επιδεικνύουν για πρώτη φορά έναν εναλλάκτη θερμότητας υψηλής πυκνότητας ισχύος. Η επιφανειακή επεξεργασία που βασίζεται στην ανοδίωση αλουμινίου επιλέχθηκε για να δημιουργήσει ισχυρότερο δεσμό μεταξύ της επικάλυψης και του υποστρώματος. Η μικροδομή της προκύπτουσας επιφάνειας αναλύθηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας με μετασχηματισμό Fourier μειωμένης ολικής ανάκλασης και φασματοσκοπία ακτίνων Χ με ενεργειακή διασπορά για να ελεγχθεί η παρουσία των επιθυμητών ειδών στη δοκιμασία. Η ικανότητά τους να σχηματίζουν ένυδρες ενώσεις επιβεβαιώθηκε με συνδυασμένη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA)/διαφορική θερμοβαρυμετρική ανάλυση (DTG). Στην επικάλυψη MgSO4 βρέθηκε κακή ποιότητα άνω των 0,07 g (νερό)/g (σύνθετο), η οποία παρουσίαζε σημάδια αφυδάτωσης στους περίπου 60 °C και αναπαραγώγιμη μετά από επανυδάτωση. Θετικά αποτελέσματα ελήφθησαν επίσης με SrCl2 και ZnSO4 με διαφορά μάζας περίπου 0,02 g/g κάτω από τους 100 °C. Η υδροξυαιθυλοκυτταρίνη επιλέχθηκε ως πρόσθετο για την αύξηση της σταθερότητας και της πρόσφυσης της επικάλυψης. Οι προσροφητικές ιδιότητες των προϊόντων αξιολογήθηκαν με ταυτόχρονη TGA-DTG και η πρόσφυσή τους χαρακτηρίστηκε με μια μέθοδο που βασίζεται στις δοκιμές που περιγράφονται στο ISO2409. Η συνοχή και η πρόσφυση της επικάλυψης CaCl2 βελτιώνονται σημαντικά διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα προσρόφησης με διαφορά βάρους περίπου 0,1 g/g σε θερμοκρασίες κάτω των 100 °C. Επιπλέον, το MgSO4 διατηρεί την ικανότητα να σχηματίζει ένυδρα άλατα, παρουσιάζοντας διαφορά μάζας μεγαλύτερη από 0,04 g/g σε θερμοκρασίες κάτω των 100 °C. Τέλος, εξετάζονται οι επικαλυμμένες μεταλλικές ίνες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα της δομής των ινών που επικαλύπτονται με Al2(SO4)3 μπορεί να είναι 4,7 φορές υψηλότερη σε σύγκριση με τον όγκο του καθαρού Al2(SO4)3. Η επικάλυψη των μελετώμενων επικαλύψεων εξετάστηκε οπτικά και η εσωτερική δομή αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας μικροσκοπική εικόνα των διατομών. Λήφθηκε μια επικάλυψη Al2(SO4)3 με πάχος περίπου 50 µm, αλλά η συνολική διαδικασία πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να επιτευχθεί μια πιο ομοιόμορφη κατανομή.
Τα συστήματα προσρόφησης έχουν τραβήξει την προσοχή τις τελευταίες δεκαετίες, καθώς παρέχουν μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε σχέση με τις παραδοσιακές αντλίες θερμότητας συμπίεσης ή τα συστήματα ψύξης. Με τα αυξανόμενα πρότυπα άνεσης και τις μέσες παγκόσμιες θερμοκρασίες, τα συστήματα προσρόφησης ενδέχεται να μειώσουν την εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα στο εγγύς μέλλον. Επιπλέον, τυχόν βελτιώσεις στην ψύξη με προσρόφηση ή στις αντλίες θερμότητας μπορούν να μεταφερθούν στην αποθήκευση θερμικής ενέργειας, γεγονός που αντιπροσωπεύει μια πρόσθετη αύξηση των δυνατοτήτων για αποτελεσματική χρήση της πρωτογενούς ενέργειας. Το κύριο πλεονέκτημα των αντλιών θερμότητας και των συστημάτων ψύξης με προσρόφηση είναι ότι μπορούν να λειτουργούν με χαμηλή θερμική μάζα. Αυτό τα καθιστά κατάλληλα για πηγές χαμηλής θερμοκρασίας, όπως η ηλιακή ενέργεια ή η απορριπτόμενη θερμότητα. Όσον αφορά τις εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας, η προσρόφηση έχει το πλεονέκτημα της υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητας και της μικρότερης απαγωγής ενέργειας σε σύγκριση με την αποθήκευση αισθητής ή λανθάνουσας θερμότητας.
Οι αντλίες θερμότητας προσρόφησης και τα συστήματα ψύξης ακολουθούν τον ίδιο θερμοδυναμικό κύκλο με τα αντίστοιχα συστήματα συμπίεσης ατμών. Η κύρια διαφορά είναι η αντικατάσταση των εξαρτημάτων του συμπιεστή με προσροφητές. Το στοιχείο είναι σε θέση να προσροφά ατμούς ψυκτικού χαμηλής πίεσης σε μέτριες θερμοκρασίες, εξατμίζοντας περισσότερο ψυκτικό ακόμη και όταν το υγρό είναι κρύο. Είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί η συνεχής ψύξη του προσροφητή, προκειμένου να αποκλειστεί η ενθαλπία προσρόφησης (εξώθερμη). Ο προσροφητής αναγεννάται σε υψηλή θερμοκρασία, προκαλώντας την εκρόφηση των ατμών ψυκτικού. Η θέρμανση πρέπει να συνεχίσει να παρέχει την ενθαλπία εκρόφησης (ενδόθερμη). Επειδή οι διεργασίες προσρόφησης χαρακτηρίζονται από αλλαγές θερμοκρασίας, η υψηλή πυκνότητα ισχύος απαιτεί υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Ωστόσο, η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα είναι μακράν το κύριο μειονέκτημα στις περισσότερες εφαρμογές.
Το κύριο πρόβλημα της αγωγιμότητας είναι η αύξηση της μέσης τιμής της διατηρώντας παράλληλα την οδό μεταφοράς που παρέχει τη ροή των ατμών προσρόφησης/εκρόφησης. Δύο προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται συνήθως για την επίτευξη αυτού του στόχου: οι σύνθετοι εναλλάκτες θερμότητας και οι επικαλυμμένοι εναλλάκτες θερμότητας. Τα πιο δημοφιλή και επιτυχημένα σύνθετα υλικά είναι αυτά που χρησιμοποιούν πρόσθετα με βάση τον άνθρακα, δηλαδή διογκωμένο γραφίτη, ενεργό άνθρακα ή ίνες άνθρακα. Οι Oliveira et al. 2 εμποτίζουν σκόνη διογκωμένου γραφίτη με χλωριούχο ασβέστιο για να παράγουν έναν προσροφητή με ειδική ψυκτική ικανότητα (SCP) έως 306 W/kg και συντελεστή απόδοσης (COP) έως 0,46. Οι Zajaczkowski et al. 3 πρότειναν έναν συνδυασμό διογκωμένου γραφίτη, ινών άνθρακα και χλωριούχου ασβεστίου με συνολική αγωγιμότητα 15 W/mK. Οι Jian et al. 4 δοκίμασαν σύνθετα υλικά με διογκωμένο φυσικό γραφίτη επεξεργασμένο με θειικό οξύ (ENG-TSA) ως υπόστρωμα σε έναν κύκλο ψύξης προσρόφησης δύο σταδίων. Το μοντέλο προέβλεψε COP από 0,215 έως 0,285 και SCP από 161,4 έως 260,74 W/kg.
Η πιο βιώσιμη λύση είναι μακράν ο επικαλυμμένος εναλλάκτης θερμότητας. Οι μηχανισμοί επικάλυψης αυτών των εναλλακτών θερμότητας μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: άμεση σύνθεση και κόλλες. Η πιο επιτυχημένη μέθοδος είναι η άμεση σύνθεση, η οποία περιλαμβάνει τον σχηματισμό προσροφητικών υλικών απευθείας στην επιφάνεια των εναλλακτών θερμότητας από τα κατάλληλα αντιδραστήρια. Η Sotech5 έχει κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια μέθοδο για τη σύνθεση επικαλυμμένου ζεόλιθου για χρήση σε μια σειρά ψυκτικών μηχανημάτων που κατασκευάζονται από την Fahrenheit GmbH. Οι Schnabel et al6 δοκίμασαν την απόδοση δύο ζεολίθων επικαλυμμένων σε ανοξείδωτο χάλυβα. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος λειτουργεί μόνο με συγκεκριμένα προσροφητικά, γεγονός που καθιστά την επικάλυψη με κόλλες μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση. Τα συνδετικά υλικά είναι παθητικές ουσίες που επιλέγονται για να υποστηρίζουν την προσκόλληση ή/και τη μεταφορά μάζας του προσροφητικού υλικού, αλλά δεν παίζουν κανένα ρόλο στην προσρόφηση ή την ενίσχυση της αγωγιμότητας. Οι Freni et al. 7 ανέπτυξαν επικαλυμμένους εναλλάκτες θερμότητας αλουμινίου με ζεόλιθο AQSOA-Z02 σταθεροποιημένο με συνδετικό υλικό με βάση την άργιλο. Οι Calabrese et al. 8 μελέτησαν την παρασκευή επικαλύψεων ζεόλιθου με πολυμερικά συνδετικά υλικά. Οι Ammann et al. 9 πρότειναν μια μέθοδο για την παρασκευή πορωδών επικαλύψεων ζεόλιθου από μαγνητικά μείγματα πολυβινυλικής αλκοόλης. Η αλουμίνα (αλουμίνα) χρησιμοποιείται επίσης ως συνδετικό υλικό 10 στον προσροφητή. Από όσο γνωρίζουμε, η κυτταρίνη και η υδροξυαιθυλοκυτταρίνη χρησιμοποιούνται μόνο σε συνδυασμό με φυσικά προσροφητικά11,12. Μερικές φορές η κόλλα δεν χρησιμοποιείται για το χρώμα, αλλά χρησιμοποιείται για την κατασκευή της δομής 13 από μόνη της. Ο συνδυασμός μητρών πολυμερούς αλγινικού με πολλαπλά ένυδρα άλατα σχηματίζει εύκαμπτες σύνθετες δομές σφαιριδίων που αποτρέπουν τη διαρροή κατά την ξήρανση και παρέχουν επαρκή μεταφορά μάζας. Άργιλοι όπως ο μπεντονίτης και ο ατταπουλγίτης έχουν χρησιμοποιηθεί ως συνδετικά υλικά για την παρασκευή σύνθετων υλικών15,16,17. Η αιθυλοκυτταρίνη έχει χρησιμοποιηθεί για τη μικροενθυλάκωση χλωριούχου ασβεστίου18 ή θειούχου νατρίου19.
Τα σύνθετα υλικά με πορώδη μεταλλική δομή μπορούν να χωριστούν σε προσθετικούς εναλλάκτες θερμότητας και σε επικαλυμμένους εναλλάκτες θερμότητας. Το πλεονέκτημα αυτών των δομών είναι η υψηλή ειδική επιφάνεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής μεταξύ του προσροφητικού και του μετάλλου χωρίς την προσθήκη αδρανούς μάζας, η οποία μειώνει τη συνολική απόδοση του κύκλου ψύξης. Οι Lang et al. 20 έχουν βελτιώσει τη συνολική αγωγιμότητα ενός προσροφητή ζεόλιθου με κυψελοειδή δομή αλουμινίου. Οι Gillerminot et al. 21 έχουν βελτιώσει τη θερμική αγωγιμότητα των στρωμάτων ζεόλιθου NaX με αφρό χαλκού και νικελίου. Αν και τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται ως υλικά αλλαγής φάσης (PCM), τα ευρήματα των Li et al. 22 και Zhao et al. 23 παρουσιάζουν επίσης ενδιαφέρον για τη χημειορόφηση. Συνέκριναν την απόδοση του διογκωμένου γραφίτη και του μεταλλικού αφρού και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο τελευταίος ήταν προτιμότερος μόνο εάν η διάβρωση δεν αποτελούσε πρόβλημα. Οι Palomba et al. έχουν πρόσφατα συγκρίνει άλλες μεταλλικές πορώδεις δομές24. Οι Van der Pal et al. έχουν μελετήσει μεταλλικά άλατα ενσωματωμένα σε αφρούς25. Όλα τα προηγούμενα παραδείγματα αντιστοιχούν σε πυκνά στρώματα σωματιδιακών προσροφητικών. Οι μεταλλικές πορώδεις δομές πρακτικά δεν χρησιμοποιούνται για την επικάλυψη προσροφητικών μέσων, κάτι που αποτελεί μια πιο βέλτιστη λύση. Ένα παράδειγμα σύνδεσης με ζεόλιθους μπορεί να βρεθεί στο Wittstadt et al. 26, αλλά δεν έχει γίνει καμία προσπάθεια σύνδεσης ένυδρων αλάτων παρά την υψηλότερη ενεργειακή τους πυκνότητα 27.
Έτσι, σε αυτό το άρθρο θα διερευνηθούν τρεις μέθοδοι για την παρασκευή προσροφητικών επικαλύψεων: (1) επικάλυψη με συνδετικό υλικό, (2) άμεση αντίδραση και (3) επιφανειακή επεξεργασία. Η υδροξυαιθυλοκυτταρίνη ήταν το συνδετικό υλικό επιλογής σε αυτή την εργασία λόγω της προηγουμένως αναφερόμενης σταθερότητας και της καλής πρόσφυσης της επικάλυψης σε συνδυασμό με φυσικά προσροφητικά. Αυτή η μέθοδος αρχικά ερευνήθηκε για επίπεδες επικαλύψεις και αργότερα εφαρμόστηκε σε δομές μεταλλικών ινών. Προηγουμένως, αναφέρθηκε μια προκαταρκτική ανάλυση της πιθανότητας χημικών αντιδράσεων με τον σχηματισμό προσροφητικών επικαλύψεων. Η προηγούμενη εμπειρία μεταφέρεται τώρα στην επικάλυψη δομών μεταλλικών ινών. Η επιφανειακή επεξεργασία που επιλέχθηκε για αυτήν την εργασία είναι μια μέθοδος που βασίζεται στην ανοδίωση αλουμινίου. Η ανοδίωση αλουμινίου έχει συνδυαστεί με επιτυχία με μεταλλικά άλατα για αισθητικούς σκοπούς29. Σε αυτές τις περιπτώσεις, μπορούν να ληφθούν πολύ σταθερές και ανθεκτικές στη διάβρωση επικαλύψεις. Ωστόσο, δεν μπορούν να πραγματοποιήσουν καμία διαδικασία προσρόφησης ή εκρόφησης. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια παραλλαγή αυτής της προσέγγισης που επιτρέπει τη μετακίνηση μάζας χρησιμοποιώντας τις συγκολλητικές ιδιότητες της αρχικής διαδικασίας. Από όσο γνωρίζουμε, καμία από τις μεθόδους που περιγράφονται εδώ δεν έχει μελετηθεί προηγουμένως. Αντιπροσωπεύουν μια πολύ ενδιαφέρουσα νέα τεχνολογία επειδή επιτρέπουν τον σχηματισμό ενυδατωμένων προσροφητικών επικαλύψεων, οι οποίες έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με τα συχνά μελετώμενα φυσικά προσροφητικά.
Οι σφραγισμένες πλάκες αλουμινίου που χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα για αυτά τα πειράματα παρέχονταν από την ALINVEST Břidličná, Τσεχική Δημοκρατία. Περιέχουν 98,11% αλουμίνιο, 1,3622% σίδηρο, 0,3618% μαγγάνιο και ίχνη χαλκού, μαγνησίου, πυριτίου, τιτανίου, ψευδαργύρου, χρωμίου και νικελίου.
Τα υλικά που επιλέγονται για την κατασκευή σύνθετων υλικών επιλέγονται σύμφωνα με τις θερμοδυναμικές τους ιδιότητες, δηλαδή ανάλογα με την ποσότητα νερού που μπορούν να προσροφήσουν/εκροφήσουν σε θερμοκρασίες κάτω των 120°C.
Το θειικό μαγνήσιο (MgSO4) είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα και μελετημένα ένυδρα άλατα30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Οι θερμοδυναμικές ιδιότητες έχουν μετρηθεί συστηματικά και έχουν βρεθεί κατάλληλες για εφαρμογές στους τομείς της ψύξης με προσρόφηση, των αντλιών θερμότητας και της αποθήκευσης ενέργειας. Χρησιμοποιήθηκε ξηρό θειικό μαγνήσιο CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Γερμανία).
Το χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2) (H319) είναι ένα άλλο καλά μελετημένο άλας επειδή η ένυδρη μορφή του έχει ενδιαφέρουσες θερμοδυναμικές ιδιότητες41,42,43,44. Εξαένυδρο χλωριούχο ασβέστιο CAS-Αριθ. 7774-34-7 Χρησιμοποιείται το 97% (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Γερμανία).
Ο θειικός ψευδάργυρος (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) και τα ένυδρα άλατά του έχουν θερμοδυναμικές ιδιότητες κατάλληλες για διεργασίες προσρόφησης σε χαμηλή θερμοκρασία45,46. Χρησιμοποιήθηκε επταένυδρος θειικός ψευδάργυρος CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Γερμανία).
Το χλωριούχο στρόντιο (SrCl2) (H318) έχει επίσης ενδιαφέρουσες θερμοδυναμικές ιδιότητες4,45,47, αν και συχνά συνδυάζεται με αμμωνία σε αντλίες θερμότητας προσρόφησης ή σε έρευνα αποθήκευσης ενέργειας. Για τη σύνθεση χρησιμοποιήθηκε εξαένυδρο χλωριούχο στρόντιο CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Ο θειικός χαλκός (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) δεν συγκαταλέγεται στους υδρίτες που απαντώνται συχνά στην επαγγελματική βιβλιογραφία, αν και οι θερμοδυναμικές του ιδιότητες παρουσιάζουν ενδιαφέρον για εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας48,49. Για τη σύνθεση χρησιμοποιήθηκε θειικός χαλκός CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ΗΠΑ).
Το χλωριούχο μαγνήσιο (MgCl2) είναι ένα από τα ενυδατωμένα άλατα που έχει πρόσφατα προσελκύσει μεγαλύτερη προσοχή στον τομέα της αποθήκευσης θερμικής ενέργειας50,51. Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε εξαένυδρο χλωριούχο μαγνήσιο CAS-Nr.7791-18-6 καθαρής φαρμακευτικής ποιότητας (Applichem GmbH., Darmstadt, Γερμανία).
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η υδροξυαιθυλοκυτταρίνη επιλέχθηκε λόγω των θετικών αποτελεσμάτων σε παρόμοιες εφαρμογές. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στη σύνθεσή μας είναι η υδροξυαιθυλοκυτταρίνη CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, ΗΠΑ).
Οι μεταλλικές ίνες κατασκευάζονται από κοντά σύρματα που συνδέονται μεταξύ τους με συμπίεση και πυροσυσσωμάτωση, μια διαδικασία γνωστή ως εκχύλιση με τήξη σε χωνευτήριο (CME)52. Αυτό σημαίνει ότι η θερμική τους αγωγιμότητα εξαρτάται όχι μόνο από την αγωγιμότητα όγκου των μετάλλων που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή και το πορώδες της τελικής δομής, αλλά και από την ποιότητα των δεσμών μεταξύ των νημάτων. Οι ίνες δεν είναι ισότροπες και τείνουν να κατανέμονται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση κατά την παραγωγή, γεγονός που καθιστά τη θερμική αγωγιμότητα στην εγκάρσια κατεύθυνση πολύ χαμηλότερη.
Οι ιδιότητες απορρόφησης νερού διερευνήθηκαν χρησιμοποιώντας ταυτόχρονη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA)/διαφορική θερμοβαρυμετρική ανάλυση (DTG) σε συσκευασία κενού (Netzsch TG 209 F1 Libra). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ατμόσφαιρα ρέοντος αζώτου με ρυθμό ροής 10 ml/min και εύρος θερμοκρασίας από 25 έως 150°C σε χωνευτήρια οξειδίου του αργιλίου. Ο ρυθμός θέρμανσης ήταν 1 °C/min, το βάρος του δείγματος κυμαινόταν από 10 έως 20 mg, η διακριτική ικανότητα ήταν 0,1 μg. Σε αυτή την εργασία, πρέπει να σημειωθεί ότι η διαφορά μάζας ανά μονάδα επιφάνειας έχει μεγάλη αβεβαιότητα. Τα δείγματα που χρησιμοποιούνται στο TGA-DTG είναι πολύ μικρά και ακανόνιστα κομμένα, γεγονός που καθιστά τον προσδιορισμό της επιφάνειάς τους ανακριβή. Αυτές οι τιμές μπορούν να παρεκταθούν σε μεγαλύτερη περιοχή μόνο εάν ληφθούν υπόψη οι μεγάλες αποκλίσεις.
Τα φάσματα εξασθενημένης ολικής ανάκλασης μετασχηματισμού Fourier υπέρυθρης ακτινοβολίας (ATR-FTIR) ελήφθησαν σε φασματόμετρο Bruker Vertex 80 v FTIR (Bruker Optik GmbH, Λειψία, Γερμανία) χρησιμοποιώντας ένα εξάρτημα πλατίνας ATR (Bruker Optik GmbH, Γερμανία). Τα φάσματα καθαρών ξηρών κρυστάλλων διαμαντιού μετρήθηκαν απευθείας στο κενό πριν από τη χρήση των δειγμάτων ως φόντο για πειραματικές μετρήσεις. Τα δείγματα μετρήθηκαν στο κενό χρησιμοποιώντας φασματική ανάλυση 2 cm-1 και μέσο αριθμό σαρώσεων 32. Το εύρος κυματαριθμών κυμαίνεται από 8000 έως 500 cm-1. Η φασματική ανάλυση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα OPUS.
Η ανάλυση SEM πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα DSM 982 Gemini από την Zeiss σε τάσεις επιτάχυνσης 2 και 5 kV. Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ με διασπορά ενέργειας (EDX) πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα Thermo Fischer System 7 με ανιχνευτή ολίσθησης πυριτίου (SSD) με ψύξη Peltier.
Η παρασκευή των μεταλλικών πλακών πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τη διαδικασία παρόμοια με αυτήν που περιγράφεται στο 53. Αρχικά, η πλάκα βυθίστηκε σε διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου 50% για 15 λεπτά. Στη συνέχεια, εισήχθησαν σε διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου 1 Μ για περίπου 10 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, τα δείγματα πλύθηκαν με μεγάλη ποσότητα απεσταγμένου νερού και στη συνέχεια μουλιάστηκαν σε απεσταγμένο νερό για 30 λεπτά. Μετά από προκαταρκτική επιφανειακή επεξεργασία, τα δείγματα βυθίστηκαν σε κορεσμένο διάλυμα HEC και άλατος-στόχου 3%. Τέλος, αφαιρέθηκαν και ξηράνθηκαν στους 60°C.
Η μέθοδος ανοδίωσης ενισχύει και ενισχύει το φυσικό στρώμα οξειδίου στο παθητικό μέταλλο. Τα πάνελ αλουμινίου ανοδώθηκαν με θειικό οξύ σε σκληρυμένη κατάσταση και στη συνέχεια σφραγίστηκαν σε ζεστό νερό. Η ανοδίωση ακολούθησε μια αρχική χάραξη με 1 mol/l NaOH (600 s) ακολουθούμενη από εξουδετέρωση σε 1 mol/l HNO3 (60 s). Το διάλυμα ηλεκτρολύτη είναι ένα μείγμα 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 και 1 M MgSO4 + 7H2O. Η ανοδίωση πραγματοποιήθηκε στους (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 για 1200 δευτερόλεπτα. Η διαδικασία σφράγισης πραγματοποιήθηκε σε διάφορα διαλύματα άλμης όπως περιγράφεται στα υλικά (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Το δείγμα βράζεται σε αυτήν για 1800 δευτερόλεπτα.
Έχουν διερευνηθεί τρεις διαφορετικές μέθοδοι για την παραγωγή σύνθετων υλικών: η συγκολλητική επίστρωση, η άμεση αντίδραση και η επιφανειακή επεξεργασία. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε μεθόδου εκπαίδευσης αναλύονται και συζητούνται συστηματικά. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν άμεση παρατήρηση, νανοαπεικόνιση και χημική/στοιχειακή ανάλυση.
Η ανοδίωση επιλέχθηκε ως μέθοδος επεξεργασίας επιφάνειας μετατροπής για την αύξηση της πρόσφυσης των ένυδρων αλάτων. Αυτή η επιφανειακή επεξεργασία δημιουργεί μια πορώδη δομή αλουμίνας (αλουμίνας) απευθείας στην επιφάνεια του αλουμινίου. Παραδοσιακά, αυτή η μέθοδος αποτελείται από δύο στάδια: το πρώτο στάδιο δημιουργεί μια πορώδη δομή οξειδίου του αργιλίου και το δεύτερο στάδιο δημιουργεί μια επίστρωση υδροξειδίου του αργιλίου που κλείνει τους πόρους. Οι ακόλουθες μέθοδοι μπλοκαρίσματος του αλατιού χωρίς να εμποδίζεται η πρόσβαση στην αέρια φάση. Η πρώτη αποτελείται από ένα σύστημα κηρήθρας που χρησιμοποιεί μικρούς σωλήνες οξειδίου του αργιλίου (Al2O3) που λαμβάνονται στο πρώτο βήμα για να συγκρατούν τους κρυστάλλους προσροφητικού και να αυξάνουν την πρόσφυσή του στις μεταλλικές επιφάνειες. Οι προκύπτουσες κηρήθρες έχουν διάμετρο περίπου 50 nm και μήκος 200 nm (Εικ. 1α). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτές οι κοιλότητες συνήθως κλείνονται σε ένα δεύτερο βήμα με ένα λεπτό στρώμα βοημίτη Al2O(OH)2 που υποστηρίζεται από τη διαδικασία βρασμού του σωλήνα αλουμίνας. Στη δεύτερη μέθοδο, αυτή η διαδικασία σφράγισης τροποποιείται με τέτοιο τρόπο ώστε οι κρύσταλλοι αλατιού να παγιδεύονται σε ένα ομοιόμορφα καλυπτικό στρώμα βοημίτη (Al2O(OH)2), το οποίο δεν χρησιμοποιείται για σφράγιση σε αυτή την περίπτωση. Το δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται σε ένα κορεσμένο διάλυμα του αντίστοιχου άλατος. Τα περιγραφόμενα μοτίβα έχουν μεγέθη στην περιοχή των 50-100 nm και μοιάζουν με πιτσιλιές σταγόνων (Εικ. 1β). Η επιφάνεια που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της διαδικασίας σφράγισης έχει μια έντονη χωρική δομή με αυξημένη επιφάνεια επαφής. Αυτό το επιφανειακό μοτίβο, μαζί με τις πολλές διαμορφώσεις σύνδεσης, είναι ιδανικό για τη μεταφορά και συγκράτηση κρυστάλλων αλατιού. Και οι δύο περιγραφόμενες δομές φαίνεται να είναι πραγματικά πορώδεις και έχουν μικρές κοιλότητες που φαίνεται να είναι κατάλληλες για τη συγκράτηση υδριτών αλατιού και την προσρόφηση ατμών στο άλας κατά τη λειτουργία του προσροφητή. Ωστόσο, η στοιχειακή ανάλυση αυτών των επιφανειών χρησιμοποιώντας EDX μπορεί να ανιχνεύσει ίχνη μαγνησίου και θείου στην επιφάνεια του βοημίτη, οι οποίες δεν ανιχνεύονται στην περίπτωση μιας επιφάνειας αλουμίνας.
Η φασματοσκοπία ATR-FTIR του δείγματος επιβεβαίωσε ότι το στοιχείο ήταν θειικό μαγνήσιο (βλ. Σχήμα 2β). Το φάσμα δείχνει χαρακτηριστικές κορυφές θειικών ιόντων στα 610–680 και 1080–1130 cm–1 και χαρακτηριστικές κορυφές νερού πλέγματος στα 1600–1700 cm–1 και 3200–3800 cm–1 (βλ. Σχήμα 2α, γ). Η παρουσία ιόντων μαγνησίου σχεδόν δεν αλλάζει το φάσμα54.
(α) EDX πλάκας αλουμινίου MgSO4 επικαλυμμένης με βοημίτη, (β) φάσματα ATR-FTIR επιστρώσεων βοημίτη και MgSO4, (γ) φάσματα ATR-FTIR καθαρού MgSO4.
Η διατήρηση της αποτελεσματικότητας της προσρόφησης επιβεβαιώθηκε με TGA. Στο σχήμα 3b φαίνεται μια κορυφή εκρόφησης περίπου 60°C. Αυτή η κορυφή δεν αντιστοιχεί στη θερμοκρασία των δύο κορυφών που παρατηρήθηκαν στην TGA καθαρού άλατος (Σχήμα 3α). Αξιολογήθηκε η επαναληψιμότητα του κύκλου προσρόφησης-εκρόφησης και η ίδια καμπύλη παρατηρήθηκε μετά την τοποθέτηση των δειγμάτων σε υγρή ατμόσφαιρα (Σχήμα 3γ). Οι διαφορές που παρατηρήθηκαν στο δεύτερο στάδιο της εκρόφησης μπορεί να είναι αποτέλεσμα αφυδάτωσης σε ρέουσα ατμόσφαιρα, καθώς αυτό συχνά οδηγεί σε ατελή αφυδάτωση. Αυτές οι τιμές αντιστοιχούν σε περίπου 17,9 g/m2 στην πρώτη αφυδάτωση και 10,3 g/m2 στη δεύτερη αφυδάτωση.
Σύγκριση της ανάλυσης TGA του βαιμίτη και του MgSO4: Ανάλυση TGA καθαρού MgSO4 (α), μείγματος (β) και μετά από επανυδάτωση (γ).
Η ίδια μέθοδος πραγματοποιήθηκε με χλωριούχο ασβέστιο ως προσροφητικό. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Η οπτική επιθεώρηση της επιφάνειας αποκάλυψε μικρές αλλαγές στη μεταλλική λάμψη. Η γούνα είναι μόλις ορατή. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM) επιβεβαίωσε την παρουσία μικρών κρυστάλλων ομοιόμορφα κατανεμημένων στην επιφάνεια. Ωστόσο, η TGA δεν έδειξε αφυδάτωση κάτω από τους 150°C. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι η αναλογία άλατος είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τη συνολική μάζα του υποστρώματος για ανίχνευση με TGA.
Τα αποτελέσματα της επιφανειακής επεξεργασίας της επικάλυψης θειικού χαλκού με τη μέθοδο ανοδίωσης φαίνονται στο σχήμα 5. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν έλαβε χώρα η αναμενόμενη ενσωμάτωση CuSO4 στη δομή του οξειδίου του Al. Αντίθετα, παρατηρούνται χαλαρές βελόνες, καθώς χρησιμοποιούνται συνήθως για το υδροξείδιο του χαλκού Cu(OH)2 που χρησιμοποιείται με τυπικές βαφές τυρκουάζ.
Η ανοδιωμένη επιφανειακή επεξεργασία δοκιμάστηκε επίσης σε συνδυασμό με χλωριούχο στρόντιο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ανομοιόμορφη κάλυψη (βλ. Σχήμα 6α). Για να προσδιοριστεί εάν το άλας κάλυπτε ολόκληρη την επιφάνεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση EDX. Η καμπύλη για ένα σημείο στην γκρίζα περιοχή (σημείο 1 στο Σχήμα 6β) δείχνει λίγο στρόντιο και πολύ αλουμίνιο. Αυτό υποδεικνύει χαμηλή περιεκτικότητα σε στρόντιο στη μετρούμενη ζώνη, η οποία, με τη σειρά της, υποδεικνύει χαμηλή κάλυψη χλωριούχου στρόντιου. Αντίθετα, οι λευκές περιοχές έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε στρόντιο και χαμηλή περιεκτικότητα σε αλουμίνιο (σημεία 2-6 στο Σχήμα 6β). Η ανάλυση EDX της λευκής περιοχής δείχνει πιο σκούρες κουκκίδες (σημεία 2 και 4 στο Σχήμα 6β), χαμηλή περιεκτικότητα σε χλώριο και υψηλή περιεκτικότητα σε θείο. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει τον σχηματισμό θειικού στρόντιου. Οι πιο φωτεινές κουκκίδες αντικατοπτρίζουν υψηλή περιεκτικότητα σε χλώριο και χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο (σημεία 3, 5 και 6 στο Σχήμα 6β). Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι το κύριο μέρος της λευκής επικάλυψης αποτελείται από το αναμενόμενο χλωριούχο στρόντιο. Η TGA του δείγματος επιβεβαίωσε την ερμηνεία της ανάλυσης με μια κορυφή στη χαρακτηριστική θερμοκρασία του καθαρού χλωριούχου στρόντιου (Εικ. 6c). Η μικρή τους τιμή μπορεί να δικαιολογηθεί από ένα μικρό κλάσμα άλατος σε σύγκριση με τη μάζα του μεταλλικού υποστρώματος. Η μάζα εκρόφησης που προσδιορίστηκε στα πειράματα αντιστοιχεί στην ποσότητα των 7,3 g/m2 που αποδίδεται ανά μονάδα επιφάνειας του προσροφητή σε θερμοκρασία 150°C.
Εξετάστηκαν επίσης επιστρώσεις θειικού ψευδαργύρου που είχαν υποστεί επεξεργασία με Eloxal. Μακροσκοπικά, η επικάλυψη είναι ένα πολύ λεπτό και ομοιόμορφο στρώμα (Εικ. 7α). Ωστόσο, η Ηλεκτρομαγνητική Τομογραφία (SEM) αποκάλυψε μια επιφάνεια καλυμμένη με μικρούς κρυστάλλους που χωρίζονται από κενές περιοχές (Εικ. 7β). Η συνολική επιφάνεια (TGA) της επικάλυψης και του υποστρώματος συγκρίθηκε με αυτή του καθαρού άλατος (Εικ. 7γ). Το καθαρό άλας έχει μία ασύμμετρη κορυφή στους 59,1°C. Το επικαλυμμένο αλουμίνιο έδειξε δύο μικρές κορυφές στους 55,5°C και 61,3°C, υποδεικνύοντας την παρουσία ένυδρου θειικού ψευδαργύρου. Η διαφορά μάζας που αποκαλύφθηκε στο πείραμα αντιστοιχεί σε 10,9 g/m2 σε θερμοκρασία αφυδάτωσης 150°C.
Όπως και στην προηγούμενη εφαρμογή53, χρησιμοποιήθηκε υδροξυαιθυλοκυτταρίνη ως συνδετικό υλικό για τη βελτίωση της πρόσφυσης και της σταθερότητας της προσροφητικής επικάλυψης. Η συμβατότητα του υλικού και η επίδραση στην απόδοση προσρόφησης αξιολογήθηκαν με TGA. Η ανάλυση πραγματοποιείται σε σχέση με τη συνολική μάζα, δηλαδή το δείγμα περιλαμβάνει μια μεταλλική πλάκα που χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα επικάλυψης. Η πρόσφυση ελέγχεται με δοκιμή που βασίζεται στη δοκιμή εγκάρσιας εγκοπής που ορίζεται στην προδιαγραφή ISO2409 (δεν μπορεί να πληροί την προδιαγραφή διαχωρισμού εγκοπών ανάλογα με το πάχος και το πλάτος της προδιαγραφής).
Η επικάλυψη των πάνελ με χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2) (βλ. Σχήμα 8α) είχε ως αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη κατανομή, η οποία δεν παρατηρήθηκε στην επίστρωση καθαρού αλουμινίου που χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή εγκάρσιας εγκοπής. Σε σύγκριση με τα αποτελέσματα για το καθαρό CaCl2, το TGA (Σχήμα 8β) δείχνει δύο χαρακτηριστικές κορυφές μετατοπισμένες προς χαμηλότερες θερμοκρασίες 40 και 20°C, αντίστοιχα. Η δοκιμή διατομής δεν επιτρέπει αντικειμενική σύγκριση επειδή το δείγμα καθαρού CaCl2 (δείγμα στα δεξιά στο Σχήμα 8γ) είναι ένα κονιώδες ίζημα, το οποίο αφαιρεί τα ανώτερα σωματίδια. Τα αποτελέσματα HEC έδειξαν μια πολύ λεπτή και ομοιόμορφη επίστρωση με ικανοποιητική πρόσφυση. Η διαφορά μάζας που φαίνεται στο σχήμα 8β αντιστοιχεί σε 51,3 g/m2 ανά μονάδα επιφάνειας του προσροφητή σε θερμοκρασία 150°C.
Θετικά αποτελέσματα όσον αφορά την πρόσφυση και την ομοιομορφία ελήφθησαν επίσης με θειικό μαγνήσιο (MgSO4) (βλ. Σχήμα 9). Η ανάλυση της διαδικασίας εκρόφησης της επικάλυψης έδειξε την παρουσία μίας κορυφής περίπου 60°C. Αυτή η θερμοκρασία αντιστοιχεί στο κύριο βήμα εκρόφησης που παρατηρείται στην αφυδάτωση καθαρών αλάτων, αντιπροσωπεύοντας ένα άλλο βήμα στους 44°C. Αντιστοιχεί στη μετάβαση από εξαένυδρο σε πενταένυδρο και δεν παρατηρείται στην περίπτωση επικαλύψεων με συνδετικά υλικά. Οι δοκιμές διατομής δείχνουν βελτιωμένη κατανομή και πρόσφυση σε σύγκριση με τις επικαλύψεις που κατασκευάζονται με καθαρό αλάτι. Η διαφορά μάζας που παρατηρείται στο TGA-DTC αντιστοιχεί σε 18,4 g/m2 ανά μονάδα επιφάνειας του προσροφητή σε θερμοκρασία 150°C.
Λόγω επιφανειακών ανωμαλιών, το χλωριούχο στρόντιο (SrCl2) έχει ανομοιόμορφη επικάλυψη στα πτερύγια (Εικ. 10α). Ωστόσο, τα αποτελέσματα της δοκιμής εγκάρσιας εγκοπής έδειξαν ομοιόμορφη κατανομή με σημαντικά βελτιωμένη πρόσφυση (Εικ. 10γ). Η ανάλυση TGA έδειξε πολύ μικρή διαφορά στο βάρος, η οποία πρέπει να οφείλεται στη χαμηλότερη περιεκτικότητα σε άλατα σε σύγκριση με το μεταλλικό υπόστρωμα. Ωστόσο, τα βήματα στην καμπύλη δείχνουν την παρουσία μιας διαδικασίας αφυδάτωσης, αν και η κορυφή σχετίζεται με τη θερμοκρασία που επιτεύχθηκε κατά τον χαρακτηρισμό του καθαρού άλατος. Οι κορυφές στους 110°C και 70,2°C που παρατηρήθηκαν στα Σχήματα 10β βρέθηκαν επίσης κατά την ανάλυση του καθαρού άλατος. Ωστόσο, το κύριο βήμα αφυδάτωσης που παρατηρήθηκε στο καθαρό άλας στους 50°C δεν αντικατοπτρίστηκε στις καμπύλες χρησιμοποιώντας το συνδετικό υλικό. Αντίθετα, το μείγμα συνδετικού υλικού έδειξε δύο κορυφές στους 20,2°C και 94,1°C, οι οποίες δεν μετρήθηκαν για το καθαρό άλας (Εικ. 10β). Σε θερμοκρασία 150 °C, η παρατηρούμενη διαφορά μάζας αντιστοιχεί σε 7,2 g/m2 ανά μονάδα επιφάνειας του προσροφητή.
Ο συνδυασμός HEC και θειικού ψευδαργύρου (ZnSO4) δεν έδωσε αποδεκτά αποτελέσματα (Σχήμα 11). Η ανάλυση TGA του επικαλυμμένου μετάλλου δεν αποκάλυψε καμία διεργασία αφυδάτωσης. Αν και η κατανομή και η πρόσφυση της επικάλυψης έχουν βελτιωθεί, οι ιδιότητές της απέχουν ακόμη πολύ από το βέλτιστο.
Ο απλούστερος τρόπος επικάλυψης μεταλλικών ινών με ένα λεπτό και ομοιόμορφο στρώμα είναι ο υγρός εμποτισμός (Εικ. 12α), ο οποίος περιλαμβάνει την παρασκευή του άλατος-στόχου και τον εμποτισμό των μεταλλικών ινών με ένα υδατικό διάλυμα.
Κατά την προετοιμασία για υγρό εμποτισμό, αντιμετωπίζονται δύο κύρια προβλήματα. Αφενός, η επιφανειακή τάση του αλατούχου διαλύματος εμποδίζει τη σωστή ενσωμάτωση του υγρού στην πορώδη δομή. Η κρυστάλλωση στην εξωτερική επιφάνεια (Εικ. 12δ) και οι φυσαλίδες αέρα που παγιδεύονται στο εσωτερικό της δομής (Εικ. 12γ) μπορούν να μειωθούν μόνο με τη μείωση της επιφανειακής τάσης και την προ-ύγρανση του δείγματος με απεσταγμένο νερό. Η αναγκαστική διάλυση στο δείγμα με την εκκένωση του αέρα στο εσωτερικό ή με τη δημιουργία ροής διαλύματος στη δομή είναι άλλοι αποτελεσματικοί τρόποι για να διασφαλιστεί η πλήρης πλήρωση της δομής.
Το δεύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίστηκε κατά την παρασκευή ήταν η αφαίρεση της μεμβράνης από μέρος του άλατος (βλ. Σχήμα 12β). Αυτό το φαινόμενο χαρακτηρίζεται από τον σχηματισμό μιας ξηρής επικάλυψης στην επιφάνεια διάλυσης, η οποία σταματά την ξήρανση που προκαλείται από τη συναγωγή και ξεκινά τη διαδικασία που προκαλείται από τη διάχυση. Ο δεύτερος μηχανισμός είναι πολύ πιο αργός από τον πρώτο. Ως αποτέλεσμα, απαιτείται υψηλή θερμοκρασία για έναν εύλογο χρόνο ξήρανσης, γεγονός που αυξάνει τον κίνδυνο σχηματισμού φυσαλίδων μέσα στο δείγμα. Αυτό το πρόβλημα επιλύεται με την εισαγωγή μιας εναλλακτικής μεθόδου κρυστάλλωσης που δεν βασίζεται στην αλλαγή συγκέντρωσης (εξάτμιση), αλλά στην αλλαγή θερμοκρασίας (όπως στο παράδειγμα με το MgSO4 στο Σχήμα 13).
Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας κρυστάλλωσης κατά την ψύξη και τον διαχωρισμό στερεών και υγρών φάσεων χρησιμοποιώντας MgSO4.
Κορεσμένα διαλύματα αλάτων μπορούν να παρασκευαστούν σε θερμοκρασία δωματίου (HT) ή και πάνω από αυτήν τη μέθοδο. Στην πρώτη περίπτωση, η κρυστάλλωση επιβλήθηκε μειώνοντας τη θερμοκρασία κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου. Στη δεύτερη περίπτωση, η κρυστάλλωση έλαβε χώρα όταν το δείγμα ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου (RT). Το αποτέλεσμα είναι ένα μείγμα κρυστάλλων (Β) και διαλυμένου (Α), το υγρό μέρος του οποίου απομακρύνεται με πεπιεσμένο αέρα. Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο αποφεύγει τον σχηματισμό μιας μεμβράνης σε αυτά τα ένυδρα άλατα, αλλά μειώνει και τον χρόνο που απαιτείται για την παρασκευή άλλων σύνθετων υλικών. Ωστόσο, η απομάκρυνση του υγρού με πεπιεσμένο αέρα οδηγεί σε πρόσθετη κρυστάλλωση του άλατος, με αποτέλεσμα μια παχύτερη επικάλυψη.
Μια άλλη μέθοδος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικάλυψη μεταλλικών επιφανειών περιλαμβάνει την άμεση παραγωγή αλάτων-στόχων μέσω χημικών αντιδράσεων. Οι επικαλυμμένοι εναλλάκτες θερμότητας που κατασκευάζονται με την αντίδραση οξέων στις μεταλλικές επιφάνειες των πτερυγίων και των σωλήνων έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη μελέτη μας. Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε ίνες οδήγησε σε πολύ κακά αποτελέσματα λόγω του σχηματισμού αερίων κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Η πίεση των φυσαλίδων αερίου υδρογόνου συσσωρεύεται μέσα στον καθετήρα και μετατοπίζεται καθώς το προϊόν εκτοξεύεται (Εικ. 14α).
Η επίστρωση έχει τροποποιηθεί μέσω χημικής αντίδρασης για καλύτερο έλεγχο του πάχους και της κατανομής της. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει τη διέλευση ενός ρεύματος ομίχλης οξέος μέσω του δείγματος (Σχήμα 14β). Αυτό αναμένεται να οδηγήσει σε ομοιόμορφη επίστρωση μέσω αντίδρασης με το μέταλλο υποστρώματος. Τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά, αλλά η διαδικασία ήταν πολύ αργή για να θεωρηθεί αποτελεσματική μέθοδος (Εικ. 14γ). Μικρότεροι χρόνοι αντίδρασης μπορούν να επιτευχθούν με τοπική θέρμανση.
Για να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα των παραπάνω μεθόδων, μελετήθηκε μια μέθοδος επικάλυψης που βασίζεται στη χρήση συγκολλητικών ουσιών. Η HEC επιλέχθηκε με βάση τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη ενότητα. Όλα τα δείγματα παρασκευάστηκαν σε 3% κ.β. Το συνδετικό υλικό αναμειγνύεται με αλάτι. Οι ίνες προεπεξεργάστηκαν σύμφωνα με την ίδια διαδικασία όπως και για τις νευρώσεις, δηλαδή εμποτίστηκαν σε θειικό οξύ 50% κ.ο. εντός 15 λεπτών, στη συνέχεια εμποτίστηκαν σε υδροξείδιο του νατρίου για 20 δευτερόλεπτα, πλύθηκαν σε απεσταγμένο νερό και τέλος εμποτίστηκαν σε απεσταγμένο νερό για 30 λεπτά. Σε αυτήν την περίπτωση, προστέθηκε ένα επιπλέον βήμα πριν από τον εμποτισμό. Εμβαπτίστε το δείγμα για λίγο σε ένα αραιό διάλυμα αλατιού-στόχου και στεγνώστε το στους περίπου 60°C. Η διαδικασία έχει σχεδιαστεί για να τροποποιεί την επιφάνεια του μετάλλου, δημιουργώντας θέσεις πυρήνωσης που βελτιώνουν την κατανομή της επικάλυψης στο τελικό στάδιο. Η ινώδης δομή έχει τη μία πλευρά όπου τα νήματα είναι λεπτότερα και σφιχτά συσκευασμένα, και την αντίθετη πλευρά όπου τα νήματα είναι παχύτερα και λιγότερο κατανεμημένα. Αυτό είναι το αποτέλεσμα 52 διαδικασιών κατασκευής.
Τα αποτελέσματα για το χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2) συνοψίζονται και απεικονίζονται με εικόνες στον Πίνακα 1. Καλή κάλυψη μετά τον εμβολιασμό. Ακόμα και οι κλώνοι χωρίς ορατούς κρυστάλλους στην επιφάνεια είχαν μειωμένες μεταλλικές ανακλάσεις, υποδεικνύοντας μια αλλαγή στο φινίρισμα. Ωστόσο, αφού τα δείγματα εμποτίστηκαν με ένα υδατικό μείγμα CaCl2 και HEC και ξηράνθηκαν σε θερμοκρασία περίπου 60°C, οι επικαλύψεις συμπυκνώθηκαν στις τομές των δομών. Αυτό είναι ένα φαινόμενο που προκαλείται από την επιφανειακή τάση του διαλύματος. Μετά το μούλιασμα, το υγρό παραμένει μέσα στο δείγμα λόγω της επιφανειακής του τάσης. Βασικά συμβαίνει στις τομές των δομών. Η καλύτερη πλευρά του δείγματος έχει αρκετές οπές γεμάτες με αλάτι. Το βάρος αυξήθηκε κατά 0,06 g/cm3 μετά την επικάλυψη.
Η επικάλυψη με θειικό μαγνήσιο (MgSO4) παρήγαγε περισσότερο άλας ανά μονάδα όγκου (Πίνακας 2). Σε αυτήν την περίπτωση, η μετρούμενη αύξηση είναι 0,09 g/cm3. Η διαδικασία σποράς είχε ως αποτέλεσμα εκτεταμένη κάλυψη του δείγματος. Μετά τη διαδικασία επικάλυψης, το άλας μπλοκάρει μεγάλες περιοχές της λεπτής πλευράς του δείγματος. Επιπλέον, ορισμένες περιοχές του υλικού μπλοκάρονται, αλλά διατηρείται κάποιο πορώδες. Σε αυτήν την περίπτωση, ο σχηματισμός άλατος παρατηρείται εύκολα στη διασταύρωση των δομών, επιβεβαιώνοντας ότι η διαδικασία επικάλυψης οφείλεται κυρίως στην επιφανειακή τάση του υγρού και όχι στην αλληλεπίδραση μεταξύ του άλατος και του μεταλλικού υποστρώματος.
Τα αποτελέσματα για τον συνδυασμό χλωριούχου στροντίου (SrCl2) και HEC έδειξαν παρόμοιες ιδιότητες με τα προηγούμενα παραδείγματα (Πίνακας 3). Σε αυτήν την περίπτωση, η λεπτότερη πλευρά του δείγματος καλύπτεται σχεδόν πλήρως. Μόνο μεμονωμένοι πόροι είναι ορατοί, που σχηματίζονται κατά την ξήρανση ως αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ατμού από το δείγμα. Το μοτίβο που παρατηρείται στην ματ πλευρά είναι πολύ παρόμοιο με την προηγούμενη περίπτωση, η περιοχή είναι μπλοκαρισμένη με αλάτι και οι ίνες δεν καλύπτονται πλήρως.
Προκειμένου να αξιολογηθεί η θετική επίδραση της ινώδους δομής στη θερμική απόδοση του εναλλάκτη θερμότητας, προσδιορίστηκε η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα της επικαλυμμένης ινώδους δομής και συγκρίθηκε με το καθαρό υλικό επικάλυψης. Η θερμική αγωγιμότητα μετρήθηκε σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D 5470-2017 χρησιμοποιώντας την επίπεδη συσκευή που φαίνεται στο Σχήμα 15α, χρησιμοποιώντας ένα υλικό αναφοράς με γνωστή θερμική αγωγιμότητα. Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους παροδικής μέτρησης, αυτή η αρχή είναι πλεονεκτική για τα πορώδη υλικά που χρησιμοποιούνται στην παρούσα μελέτη, καθώς οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε σταθερή κατάσταση και με επαρκές μέγεθος δείγματος (εμβαδόν βάσης 30 × 30 mm2, ύψος περίπου 15 mm). Δείγματα του καθαρού υλικού επικάλυψης (αναφοράς) και της επικαλυμμένης ινώδους δομής προετοιμάστηκαν για μετρήσεις προς την κατεύθυνση της ίνας και κάθετα προς την κατεύθυνση της ίνας για να αξιολογηθεί η επίδραση της ανισότροπης θερμικής αγωγιμότητας. Τα δείγματα λειοτριβήθηκαν στην επιφάνεια (κόκκωση P320) για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση της τραχύτητας της επιφάνειας λόγω της προετοιμασίας του δείγματος, η οποία δεν αντικατοπτρίζει τη δομή μέσα στο δείγμα.