Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on piiratud CSS-i tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada värskendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim). Seni aga renderdame saiti jätkuva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.
Adsorptsioonjahutussüsteemide ja soojuspumpade turuosa on traditsiooniliste kompressorsüsteemidega võrreldes endiselt suhteliselt väike. Vaatamata odava soojuse kasutamise tohutule eelisele (kallite elektritööde asemel) on adsorptsioonipõhimõtetel põhinevate süsteemide rakendamine siiski piiratud mõne konkreetse rakendusega. Peamine puudus, mis tuleb kõrvaldada, on erivõimsuse vähenemine adsorbendi madala soojusjuhtivuse ja madala stabiilsuse tõttu. Praegused tipptasemel kaubanduslikud adsorptsioonjahutussüsteemid põhinevad jahutusvõimsuse optimeerimiseks kaetud plaatsoojusvahetitel põhinevatel adsorberitel. Tulemused on hästi teada, et katte paksuse vähendamine viib massiülekande impedantsi vähenemiseni ning juhtivate struktuuride pindala ja mahu suhte suurendamine suurendab võimsust ilma efektiivsust kahjustamata. Selles töös kasutatud metallkiud võivad pakkuda eripinda vahemikus 2500–50 000 m2/m3. Kolm meetodit väga õhukeste, kuid stabiilsete soolahüdraatide katete saamiseks metallpindadele, sealhulgas metallkiududele, katete tootmiseks demonstreerivad esmakordselt suure võimsustihedusega soojusvahetit. Alumiiniumi anodeerimisel põhinev pinnatöötlus on valitud katte ja aluspinna vahelise tugevama sideme loomiseks. Saadud pinna mikrostruktuuri analüüsiti skaneeriva elektronmikroskoopia abil. Soovitud liikide esinemise kontrollimiseks testis kasutati vähendatud kogupeegelduse Fourier' teisendusega infrapunaspektroskoopiat ja energiadispersiivset röntgenspektroskoopiat. Nende võimet moodustada hüdraate kinnitati kombineeritud termogravimeetrilise analüüsi (TGA)/diferentsiaalse termogravimeetrilise analüüsi (DTG) abil. MgSO4 kattekihis leiti halb kvaliteet üle 0,07 g (vesi)/g (komposiit), mis näitas dehüdratsiooni märke umbes 60 °C juures ja oli pärast rehüdratsiooni korratav. Positiivseid tulemusi saadi ka SrCl2 ja ZnSO4 puhul, massierinevusega umbes 0,02 g/g alla 100 °C. Katte stabiilsuse ja adhesiooni suurendamiseks valiti lisandiks hüdroksüetüültselluloos. Toodete adsorptsiooniomadusi hinnati samaaegse TGA-DTG abil ja nende adhesiooni iseloomustati meetodil, mis põhines standardis ISO2409 kirjeldatud testidel. CaCl2 katte konsistents ja adhesioon paranevad märkimisväärselt, säilitades samal ajal selle adsorptsioonivõime, mille kaaluvahe on temperatuuril alla 100 °C umbes 0,1 g/g. Lisaks säilitab MgSO4 võime moodustada hüdraate, näidates massivahe temperatuuridel alla 100 °C üle 0,04 g/g. Lõpuks uuritakse kaetud metallkiude. Tulemused näitavad, et Al2(SO4)3-ga kaetud kiudstruktuuri efektiivne soojusjuhtivus võib olla 4,7 korda suurem võrreldes puhta Al2(SO4)3 mahuga. Uuritud katete katet uuriti visuaalselt ja sisemist struktuuri hinnati ristlõigete mikroskoopilise kujutise abil. Saadi umbes 50 µm paksune Al2(SO4)3 kate, kuid ühtlasema jaotuse saavutamiseks tuleb kogu protsessi optimeerida.
Adsorptsioonsüsteemid on viimastel aastakümnetel palju tähelepanu pälvinud, kuna need pakuvad keskkonnasõbralikku alternatiivi traditsioonilistele kompressioon-soojuspumpadele või jahutussüsteemidele. Tõusvate mugavusstandardite ja globaalsete keskmiste temperatuuride tõttu võivad adsorptsioonsüsteemid lähitulevikus vähendada sõltuvust fossiilkütustest. Lisaks saab kõiki adsorptsioonjahutuse või -soojuspumpade täiustusi üle kanda soojusenergia salvestamisele, mis kujutab endast täiendavat primaarenergia tõhusa kasutamise potentsiaali suurenemist. Adsorptsioonsoojuspumpade ja -külmutussüsteemide peamine eelis on see, et need saavad töötada väikese soojusmassiga. See muudab need sobivaks madala temperatuuriga allikate, näiteks päikeseenergia või jääksoojuse jaoks. Energia salvestamise rakenduste osas on adsorptsioonil eeliseks suurem energiatihedus ja väiksem energia hajumine võrreldes tundliku või latentse soojuse salvestamisega.
Adsorptsioon-soojuspumbad ja jahutussüsteemid järgivad sama termodünaamilist tsüklit kui nende auruga kokkusurumisega analoogid. Peamine erinevus seisneb kompressori komponentide asendamises adsorberitega. Element suudab adsorbeerida madalrõhu külmaaine auru mõõdukal temperatuuril, aurustades rohkem külmaainet isegi siis, kui vedelik on külm. Adsorberi pidev jahutamine on vajalik, et välistada adsorptsiooni entalpia (eksotermiline). Adsorber regenereeritakse kõrgel temperatuuril, põhjustades külmaaine auru desorbeerumise. Kuumutamine peab jätkuma, et tagada desorptsiooni entalpia (endotermiline). Kuna adsorptsiooniprotsesse iseloomustavad temperatuurimuutused, nõuab suur võimsustihedus suurt soojusjuhtivust. Madal soojusjuhtivus on aga enamiku rakenduste peamine puudus.
Juhtivuse peamine probleem on selle keskmise väärtuse suurendamine, säilitades samal ajal transporditee, mis tagab adsorptsiooni-/desorptsiooniaurude voolu. Selle saavutamiseks kasutatakse tavaliselt kahte lähenemisviisi: komposiit-soojusvahetid ja kaetud soojusvahetid. Kõige populaarsemad ja edukamad komposiitmaterjalid on need, mis kasutavad süsinikupõhiseid lisandeid, nimelt paisutatud grafiiti, aktiivsütt või süsinikkiude. Oliveira jt2 immutasid paisutatud grafiidipulbrit kaltsiumkloriidiga, et saada adsorber, mille erijahutusvõimsus (SCP) oli kuni 306 W/kg ja jõudluskoefitsient (COP) kuni 0,46. Zajaczkowski jt3 pakkusid välja paisutatud grafiidi, süsinikkiu ja kaltsiumkloriidi kombinatsiooni kogujuhtivusega 15 W/mK. Jian jt4 testisid komposiite, mille substraadiks oli väävelhappega töödeldud paisutatud looduslik grafiit (ENG-TSA) kaheastmelises adsorptsioonjahutustsüklis. Mudel ennustas COP-ks 0,215 kuni 0,285 ja SCP-ks 161,4 kuni 260,74 W/kg.
Kõige elujõulisem lahendus on kaetud soojusvaheti. Nende soojusvahetite katmismehhanismid võib jagada kahte kategooriasse: otsene süntees ja liimid. Edukaim meetod on otsene süntees, mis hõlmab adsorbeerivate materjalide moodustamist otse soojusvahetite pinnale sobivatest reagentidest. Sotech5 on patenteerinud meetodi kaetud tseoliidi sünteesimiseks, mida kasutatakse Fahrenheit GmbH toodetud jahutite seerias. Schnabel jt6 testisid kahe roostevabale terasele kaetud tseoliidi toimivust. See meetod töötab aga ainult spetsiifiliste adsorbentidega, mis muudab liimidega katmise huvitavaks alternatiiviks. Sideained on passiivsed ained, mis on valitud sorbendi adhesiooni ja/või massiülekande toetamiseks, kuid ei mängi mingit rolli adsorptsioonis ega juhtivuse suurendamises. Freni jt7 katsid alumiiniumist soojusvaheteid AQSOA-Z02 tseoliidiga, mis oli stabiliseeritud savipõhise sideainega. Calabrese jt8 uurisid tseoliitkatete valmistamist polümeersete sideainetega. Ammann jt9 pakkusid välja meetodi poorsete tseoliitkatete valmistamiseks polüvinüülalkoholi magnetilistest segudest. Alumiiniumoksiidi (alumiiniumoksiidi) kasutatakse adsorberis ka sideainena 10. Meie teada kasutatakse tselluloosi ja hüdroksüetüültselluloosi ainult koos füüsikaliste adsorbentidega 11, 12. Mõnikord ei kasutata liimi värvi jaoks, vaid seda kasutatakse struktuuri 13 eraldi ehitamiseks. Alginaatpolümeermaatriksite ja mitmete soolahüdraatide kombinatsioon moodustab painduvaid komposiitgraanulite struktuure, mis takistavad lekkimist kuivamise ajal ja tagavad piisava massiülekande. Komposiitide valmistamisel on sideainetena kasutatud savisid nagu bentoniit ja attapulgiit 15, 16, 17. Etüültselluloosi on kasutatud kaltsiumkloriidi 18 või naatriumsulfiidi 19 mikrokapseldamiseks.
Poorse metallstruktuuriga komposiitmaterjalid võib jagada lisandsoojusvahetiteks ja kaetud soojusvahetiteks. Nende struktuuride eeliseks on suur eripind. See annab adsorbendi ja metalli vahel suurema kontaktpinna ilma inertse massi lisamiseta, mis vähendab jahutustsükli üldist efektiivsust. Lang jt 20 on parandanud tseoliidist adsorberi üldist juhtivust alumiiniumist kärgstruktuuriga. Gillerminot jt 21 parandasid NaX tseoliidi kihtide soojusjuhtivust vase ja nikli vahuga. Kuigi komposiite kasutatakse faasimuutusmaterjalidena (PCM), pakuvad Li jt 22 ja Zhao jt 23 tulemused huvi ka keemilise adsorptsiooni jaoks. Nad võrdlesid paisutatud grafiidi ja metallvahu toimivust ning jõudsid järeldusele, et viimane on eelistatav ainult siis, kui korrosioon ei ole probleem. Palomba jt on hiljuti võrrelnud teisi metallilisi poorseid struktuure 24. Van der Pal jt on uurinud vahtudesse kinnistatud metallisooli 25. Kõik eelnevad näited vastavad osakeste adsorbentide tihedatele kihtidele. Metallist poorseid struktuure adsorberite katmiseks praktiliselt ei kasutata, mis on optimaalsem lahendus. Näite tseoliitidega sidumisest võib leida Wittstadt jt. tööst 26, kuid soolahüdraate pole vaatamata nende suuremale energiatihedusele 27 püütud siduda.
Seega uuritakse selles artiklis kolme adsorbentkatete valmistamise meetodit: (1) sideainega katmine, (2) otsene reaktsioon ja (3) pinnatöötlus. Hüdroksüetüültselluloos oli selles töös valitud sideaine tänu varem teatatud stabiilsusele ja heale katte adhesioonile kombinatsioonis füüsikaliste adsorbentidega. Seda meetodit uuriti algselt tasaste katete jaoks ja hiljem rakendati metallkiudstruktuuridele. Varem esitati esialgne analüüs keemiliste reaktsioonide võimalikkuse kohta adsorbentkatete moodustumisel. Varasemad kogemused kantakse nüüd üle metallkiudstruktuuride katmisele. Selles töös valitud pinnatöötlus on alumiiniumanodeerimisel põhinev meetod. Alumiiniumanodeerimist on esteetilistel eesmärkidel edukalt kombineeritud metallisooladega29. Nendel juhtudel on võimalik saada väga stabiilseid ja korrosioonikindlaid katteid. Kuid need ei saa läbi viia adsorptsiooni- ega desorptsiooniprotsessi. See artikkel esitab selle lähenemisviisi variandi, mis võimaldab massi liigutada, kasutades algse protsessi adhesiooniomadusi. Meie teada pole ühtegi siin kirjeldatud meetoditest varem uuritud. Need esindavad väga huvitavat uut tehnoloogiat, kuna võimaldavad moodustada hüdreeritud adsorbentkatteid, millel on mitmeid eeliseid sageli uuritud füüsikaliste adsorbentide ees.
Nendes katsetes substraatidena kasutatud stantsitud alumiiniumplaadid tarnis ALINVEST Břidličná Tšehhi Vabariigist. Need sisaldavad 98,11% alumiiniumi, 1,3622% rauda, ​​0,3618% mangaani ning vase, magneesiumi, räni, titaani, tsingi, kroomi ja nikli jälgi.
Komposiitmaterjalide valmistamiseks valitud materjalid valitakse vastavalt nende termodünaamilistele omadustele, nimelt vastavalt vee hulgale, mida nad suudavad adsorbeerida/desorbeerida temperatuuril alla 120 °C.
Magneesiumsulfaat (MgSO4) on üks huvitavamaid ja uuritud hüdreeritud sooli30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Termodünaamilisi omadusi on süstemaatiliselt mõõdetud ja leitud, et need sobivad rakendusteks adsorptsioonjahutuse, soojuspumpade ja energia salvestamise valdkonnas. Kasutati kuiva magneesiumsulfaati CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Saksamaa).
Kaltsiumkloriid (CaCl2) (H319) on veel üks hästi uuritud sool, kuna selle hüdraadil on huvitavad termodünaamilised omadused41,42,43,44. Kaltsiumkloriidheksahüdraat CAS-nr 7774-34-7 97% kasutatud (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Saksamaa).
Tsinksulfaadil (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) ja selle hüdraatidel on termodünaamilised omadused, mis sobivad madalatemperatuurseteks adsorptsiooniprotsessideks45,46. Kasutati tsinksulfaadi heptahüdraati CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Saksamaa).
Strontsiumkloriidil (SrCl2) (H318) on samuti huvitavad termodünaamilised omadused4,45,47, kuigi seda kombineeritakse sageli ammoniaagiga adsorptsioon-soojuspumpade või energia salvestamise uuringutes. Sünteesiks kasutati strontsiumkloriidi heksahüdraati CAS-nr 10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA).
Vasksulfaat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) ei kuulu erialases kirjanduses sageli esinevate hüdraatide hulka, kuigi selle termodünaamilised omadused pakuvad huvi madalatemperatuuriliste rakenduste puhul48,49. Sünteesiks kasutati vasksulfaati CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Magneesiumkloriid (MgCl2) on üks hüdreeritud sooladest, mis on viimasel ajal pälvinud rohkem tähelepanu soojusenergia salvestamise valdkonnas50,51. Katsetes kasutati farmatseutilise kvaliteediga magneesiumkloriidheksahüdraati CAS-Nr 7791-18-6 (Applichem GmbH., Darmstadt, Saksamaa).
Nagu eespool mainitud, valiti hüdroksüetüültselluloos sarnaste rakenduste positiivsete tulemuste tõttu. Meie sünteesis kasutatud materjal on hüdroksüetüültselluloos CAS-nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
Metallkiud valmistatakse lühikestest traatidest, mis on kokku liidetud kokkusurumise ja paagutamise teel – seda protsessi nimetatakse tiiglisulatusekstraktsiooniks (CME)52. See tähendab, et nende soojusjuhtivus sõltub mitte ainult tootmises kasutatavate metallide mahujuhtivusest ja lõppstruktuuri poorsusest, vaid ka niitide vaheliste sidemete kvaliteedist. Kiud ei ole isotroopsed ja kipuvad tootmise ajal teatud suunas jaotuma, mis muudab soojusjuhtivuse põikisuunas palju madalamaks.
Veeimavusomadusi uuriti vaakumpakendis (Netzsch TG 209 F1 Libra) samaaegse termogravimeetrilise analüüsi (TGA)/diferentsiaaltermogravimeetrilise analüüsi (DTG) abil. Mõõtmised viidi läbi voolava lämmastiku atmosfääris voolukiirusel 10 ml/min ja temperatuurivahemikus 25 kuni 150 °C alumiiniumoksiidtiiglites. Kuumutamiskiirus oli 1 °C/min, proovi kaal varieerus 10 kuni 20 mg, lahutusvõime oli 0,1 μg. Käesolevas töös tuleb märkida, et massi erinevus pinnaühiku kohta on suure määramatusega. TGA-DTG-s kasutatud proovid on väga väikesed ja ebakorrapäraselt lõigatud, mis muudab nende pindala määramise ebatäpseks. Neid väärtusi saab suuremale pindalale ekstrapoleerida ainult siis, kui arvesse võetakse suuri kõrvalekaldeid.
Nõrgestatud täieliku peegelduse Fourier' teisendusega infrapunaspektrid (ATR-FTIR) saadi Bruker Vertex 80 v FTIR spektromeetril (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Saksamaa), kasutades ATR plaatina lisatarvikut (Bruker Optik GmbH, Saksamaa). Puhaste kuivade teemantkristallide spektrid mõõdeti otse vaakumis enne proovide kasutamist eksperimentaalsete mõõtmiste taustana. Proove mõõdeti vaakumis, kasutades spektraalset lahutusvõimet 2 cm-1 ja keskmist skaneeringute arvu 32. Lainearvude vahemik oli 8000 kuni 500 cm-1. Spektraalanalüüs viidi läbi OPUS programmi abil.
SEM-analüüs viidi läbi Zeissi DSM 982 Gemini elektronmikroskoobiga kiirenduspingetel 2 ja 5 kV. Energiadispersiivne röntgenspektroskoopia (EDX) viidi läbi Thermo Fischer System 7 abil, kasutades Peltieri jahutatud räni triivdetektorit (SSD).
Metallplaatide ettevalmistamine viidi läbi sarnaselt protseduurile, mida on kirjeldatud punktis 53. Esmalt kasteti plaat 15 minutiks 50% väävelhappesse. Seejärel asetati need umbes 10 sekundiks 1 M naatriumhüdroksiidi lahusesse. Seejärel pesti proove suure koguse destilleeritud veega ja leotati seejärel destilleeritud vees 30 minutit. Pärast eelnevat pinnatöötlust kasteti proovid 3% küllastunud HEC ja sihtsoola lahusesse. Lõpuks võeti need välja ja kuivatati temperatuuril 60 °C.
Anodeerimismeetod tugevdab ja tugevdab passiivmetalli looduslikku oksiidikihti. Alumiiniumpaneelid anodeeriti kõvastunud olekus väävelhappega ja seejärel suleti kuuma veega. Anodeerimisele järgnes esialgne söövitamine 1 mol/l NaOH-ga (600 s) ja seejärel neutraliseerimine 1 mol/l HNO3-ga (60 s). Elektrolüüdilahus on segu 2,3 ​​M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 ja 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodeerimine viidi läbi temperatuuril (40 ± 1) °C, voolutugevusel 30 mA/cm2 1200 sekundi jooksul. Sulgemisprotsess viidi läbi erinevates soolveelahustes, nagu on kirjeldatud materjalides (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Proovi keedeti selles 1800 sekundit.
Uuriti kolme erinevat komposiitmaterjalide tootmise meetodit: liimkatmist, otsest reaktsiooni ja pinnatöötlust. Iga treeningmeetodi eeliseid ja puudusi analüüsitakse ja arutatakse süstemaatiliselt. Tulemuste hindamiseks kasutati otsest vaatlust, nanokujutist ja keemilist/elementanalüüsi.
Soolahüdraatide adhesiooni suurendamiseks valiti konversioonipinna töötlemise meetodiks anodeerimine. See pinnatöötlus loob alumiiniumoksiidi (alumiiniumoksiidi) poorse struktuuri otse alumiiniumpinnale. Traditsiooniliselt koosneb see meetod kahest etapist: esimene etapp loob alumiiniumoksiidi poorse struktuuri ja teine ​​etapp loob alumiiniumhüdroksiidi katte, mis sulgeb poorid. Järgnevalt on toodud kaks meetodit soola blokeerimiseks ilma gaasifaasile juurdepääsu blokeerimata. Esimene koosneb kärgstruktuuri süsteemist, mis kasutab esimeses etapis saadud väikeseid alumiiniumoksiidi (Al2O3) torusid adsorbendi kristallide hoidmiseks ja selle adhesiooni suurendamiseks metallpindadele. Saadud kärgstruktuuride läbimõõt on umbes 50 nm ja pikkus 200 nm (joonis 1a). Nagu varem mainitud, suletakse need õõnsused tavaliselt teises etapis õhukese Al2O(OH)2 böhmiidi kihiga, mida toetab alumiiniumoksiidi toru keetmisprotsess. Teises meetodis modifitseeritakse seda tihendusprotsessi nii, et soolakristallid püütakse kinni ühtlaselt katvas böhmiidi (Al2O(OH)) kihis, mida antud juhul tihendamiseks ei kasutata. Teine etapp viiakse läbi vastava soola küllastunud lahuses. Kirjeldatud mustrite suurused on vahemikus 50–100 nm ja näevad välja nagu pritsitud tilgad (joonis 1b). Tihendusprotsessi tulemusel saadud pinnal on väljendunud ruumiline struktuur ja suurenenud kontaktpind. See pinnamuster koos oma paljude sidemekonfiguratsioonidega sobib ideaalselt soolakristallide kandmiseks ja hoidmiseks. Mõlemad kirjeldatud struktuurid tunduvad olevat tõeliselt poorsed ja neil on väikesed õõnsused, mis sobivad hästi soolahüdraatide säilitamiseks ja aurude adsorbeerimiseks soolale adsorberi töötamise ajal. Nende pindade elementanalüüs EDX-i abil suudab aga tuvastada böhmiidi pinnal magneesiumi ja väävli jälgi, mida alumiiniumoksiidi pinnal ei tuvastata.
Proovi ATR-FTIR kinnitas, et tegemist oli magneesiumsulfaadiga (vt joonis 2b). Spektris on iseloomulikud sulfaatiooni piigid lainepikkustel 610–680 ja 1080–1130 cm–1 ning iseloomulikud võrevee piigid lainepikkustel 1600–1700 cm–1 ja 3200–3800 cm–1 (vt joonis 2a, c). Magneesiumioonide olemasolu spektrit peaaegu ei muuda54.
(a) Böhmiidiga kaetud MgSO4 alumiiniumplaadi EDX, (b) Böhmiidi ja MgSO4 katete ATR-FTIR spektrid, (c) puhta MgSO4 ATR-FTIR spektrid.
Adsorptsiooni efektiivsuse säilimist kinnitati TGA abil. Joonisel 3b on näidatud umbes 60 °C juures olev desorptsioonipiik. See piik ei vasta puhta soola TGA-s täheldatud kahe piigi temperatuurile (joonis 3a). Hinnati adsorptsiooni-desorptsiooni tsükli korduvust ja sama kõverat täheldati ka pärast proovide asetamist niiskesse atmosfääri (joonis 3c). Desorptsiooni teises etapis täheldatud erinevused võivad olla tingitud voolavas atmosfääris toimuvast dehüdratsioonist, kuna see viib sageli mittetäieliku dehüdratsioonini. Need väärtused vastavad ligikaudu 17,9 g/m2-le esimeses veetustamisel ja 10,3 g/m2-le teises veetustamisel.
Böhmiidi ja MgSO4 TGA analüüsi võrdlus: puhta MgSO4 (a), segu (b) ja rehüdratsioonijärgse MgSO4 (c) TGA analüüs.
Sama meetodit viidi läbi kaltsiumkloriidi kui adsorbendiga. Tulemused on esitatud joonisel 4. Pinna visuaalsel kontrollil ilmnesid metallilise kuma väikesed muutused. Karvkate on vaevu nähtav. SEM kinnitas väikeste kristallide olemasolu, mis olid pinnal ühtlaselt jaotunud. TGA ei näidanud aga dehüdratsiooni alla 150 °C. See võib olla tingitud asjaolust, et soola osakaal on TGA tuvastamiseks substraadi kogumassiga võrreldes liiga väike.
Vasksulfaatkatte anodeerimismeetodil pinnatöötluse tulemused on näidatud joonisel 5. Sel juhul ei toimunud oodatud CuSO4 liitumist Al-oksiidi struktuuri. Selle asemel on täheldatud lahtisi nõelu, nagu tavaliselt kasutatakse vaskhüdroksiidi Cu(OH)2 puhul, mida kasutatakse tüüpiliste türkiissiniste värvainetega.
Anodeeritud pinnatöötlust testiti ka koos strontsiumkloriidiga. Tulemused näitasid ebaühtlast katvust (vt joonis 6a). Selleks, et teha kindlaks, kas sool kattis kogu pinna, viidi läbi EDX-analüüs. Halli ala punkti (punkt 1 joonisel 6b) kõver näitab vähe strontsiumi ja palju alumiiniumi. See näitab madalat strontsiumisisaldust mõõdetud tsoonis, mis omakorda näitab madalat strontsiumkloriidi katvust. Seevastu valgetel aladel on kõrge strontsiumisisaldus ja madal alumiiniumisisaldus (punktid 2–6 joonisel 6b). Valge ala EDX-analüüs näitab tumedamaid punkte (punktid 2 ja 4 joonisel 6b), madalat kloorisisaldust ja kõrget väävlisisaldust. See võib viidata strontsiumsulfaadi moodustumisele. Heledamad punktid peegeldavad kõrget kloorisisaldust ja madalat väävlisisaldust (punktid 3, 5 ja 6 joonisel 6b). Seda saab seletada asjaoluga, et valge katte põhiosa koosneb eeldatavast strontsiumkloriidist. Proovi TGA kinnitas analüüsi tõlgendust piigiga puhta strontsiumkloriidi iseloomulikul temperatuuril (joonis 6c). Nende väikest väärtust saab põhjendada soola väikese fraktsiooniga võrreldes metallkandja massiga. Katsetes määratud desorptsioonimass vastab kogusele 7,3 g/m2, mis eraldub adsorberi pindalaühiku kohta temperatuuril 150 °C.
Testiti ka eloksaaliga töödeldud tsinksulfaatkatteid. Makroskoopiliselt on kate väga õhuke ja ühtlane kiht (joonis 7a). SEM-pildil selgus aga, et pind on kaetud väikeste kristallidega, mida eraldavad tühjad alad (joonis 7b). Katte ja aluspinna TGA-d võrreldi puhta soola omaga (joonis 7c). Puhtal soolal on üks asümmeetriline piik temperatuuril 59,1 °C. Kaetud alumiiniumil ilmnesid kaks väikest piiki temperatuuridel 55,5 °C ja 61,3 °C, mis viitab tsinksulfaathüdraadi olemasolule. Eksperimendis ilmnenud massierinevus vastab 10,9 g/m2-le dehüdratsioonitemperatuuril 150 °C.
Nagu eelmises taotluses53, kasutati sideainena hüdroksüetüültselluloosi, et parandada sorbendikatte adhesiooni ja stabiilsust. Materjali ühilduvust ja mõju adsorptsioonivõimele hinnati TGA abil. Analüüs viiakse läbi kogumassi suhtes, st proov sisaldab katte alusmaterjalina kasutatavat metallplaati. Adhesiooni testitakse ISO2409 spetsifikatsioonis määratletud ristlõikekatsel põhineva katsega (sälkade eraldusspetsifikatsiooni ei saa täita, olenevalt spetsifikatsiooni paksusest ja laiusest).
Paneelide katmine kaltsiumkloriidiga (CaCl2) (vt joonis 8a) andis tulemuseks ebaühtlase jaotuse, mida ei täheldatud põikilõikekatses kasutatud puhta alumiiniumkatte puhul. Võrreldes puhta CaCl2 tulemustega näitab TGA (joonis 8b) kahte iseloomulikku piiki, mis nihkuvad vastavalt madalamate temperatuuride, vastavalt 40 ja 20 °C, suunas. Ristlõikekatse ei võimalda objektiivset võrdlust, kuna puhas CaCl2 proov (joonisel 8c paremal olev proov) on pulbriline sadestis, mis eemaldab pealmised osakesed. HEC tulemused näitasid väga õhukest ja ühtlast katet rahuldava adhesiooniga. Joonisel 8b näidatud massierinevus vastab 51,3 g/m2 adsorberi pindalaühiku kohta temperatuuril 150 °C.
Adhesiooni ja ühtluse osas saadi positiivseid tulemusi ka magneesiumsulfaadiga (MgSO4) (vt joonis 9). Katte desorptsiooniprotsessi analüüs näitas ühe piigi olemasolu umbes 60 °C juures. See temperatuur vastab puhaste soolade dehüdratsioonil täheldatavale peamisele desorptsioonietapile, mis esindab teist etappi temperatuuril 44 °C. See vastab üleminekule heksahüdraadist pentahüdraadiks ja seda ei täheldata sideainetega katete puhul. Ristlõikekatsed näitavad paremat jaotumist ja adhesiooni võrreldes puhta soola abil valmistatud katetega. TGA-DTC-s täheldatud massierinevus vastab 18,4 g/m2 adsorberi pindalaühiku kohta temperatuuril 150 °C.
Pinna ebatasasuste tõttu on strontsiumkloriidil (SrCl2) ribidel ebaühtlane kate (joonis 10a). Põiki sälgukatse tulemused näitasid aga ühtlast jaotumist koos oluliselt parema adhesiooniga (joonis 10c). TGA analüüs näitas väga väikest kaaluerinevust, mis peab olema tingitud madalamast soolasisaldusest võrreldes metallsubstraadiga. Kõveral olevad astmed näitavad aga dehüdratsiooniprotsessi olemasolu, kuigi piik on seotud puhta soola iseloomustamisel saadud temperatuuriga. Joonistel 10b täheldatud piigid temperatuuridel 110 °C ja 70,2 °C leiti ka puhta soola analüüsimisel. Puhta soola puhul temperatuuril 50 °C täheldatud peamine dehüdratsioonietapp ei kajastunud aga sideainet kasutavatel kõveratel. Seevastu sideaine segu näitas kahte piiki temperatuuridel 20,2 °C ja 94,1 °C, mida puhta soola puhul ei mõõdetud (joonis 10b). Temperatuuril 150 °C vastab täheldatud massierinevus 7,2 g/m2 adsorberi pindalaühiku kohta.
HEC ja tsinksulfaadi (ZnSO4) kombinatsioon ei andnud vastuvõetavaid tulemusi (joonis 11). Kaetud metalli TGA analüüs ei näidanud mingeid dehüdratsiooniprotsesse. Kuigi katte jaotumine ja nakkuvus on paranenud, on selle omadused optimaalsest siiski kaugel.
Lihtsaim viis metallkiudude katmiseks õhukese ja ühtlase kihiga on märgimmutamine (joonis 12a), mis hõlmab sihtsoola ettevalmistamist ja metallkiudude immutamist vesilahusega.
Märgimmutusmeetodil töötlemisel tekib kaks peamist probleemi. Ühelt poolt takistab soolalahuse pindpinevus vedeliku õiget imendumist poorsesse struktuuri. Kristalliseerumist välispinnal (joonis 12d) ja struktuuri sisse jäänud õhumulle (joonis 12c) saab vähendada ainult pindpinevuse vähendamise ja proovi destilleeritud veega niisutamise teel. Teised tõhusad viisid struktuuri täieliku täitmise tagamiseks on proovi sundlahustamine õhu eemaldamise või struktuuri lahusevoolu loomise teel.
Teine ettevalmistamise käigus tekkinud probleem oli kile eemaldumine soola osalt (vt joonis 12b). Seda nähtust iseloomustab kuiva katte moodustumine lahustumispinnale, mis peatab konvektiivselt stimuleeritud kuivamise ja käivitab difusiooni poolt stimuleeritud protsessi. Teine mehhanism on palju aeglasem kui esimene. Selle tulemusena on mõistliku kuivamisaja saavutamiseks vaja kõrget temperatuuri, mis suurendab mullide tekkimise ohtu proovi sees. See probleem lahendatakse alternatiivse kristalliseerimismeetodi kasutuselevõtuga, mis ei põhine kontsentratsiooni muutusel (aurustumisel), vaid temperatuuri muutusel (nagu MgSO4 näites joonisel 13).
Kristalliseerumisprotsessi skemaatiline esitus jahutamise ja tahke ning vedela faasi eraldamise ajal MgSO4 abil.
Küllastunud soolalahuseid saab selle meetodi abil valmistada toatemperatuuril (HT) või sellest kõrgemal. Esimesel juhul sunniti kristalliseerumist temperatuuri langetamisega alla toatemperatuuri. Teisel juhul toimus kristalliseerumine proovi jahutamisel toatemperatuurini (RT). Tulemuseks on kristallide (B) ja lahustunud aine (A) segu, mille vedel osa eemaldatakse suruõhuga. See lähenemisviis mitte ainult ei väldi nendele hüdraatidele kile teket, vaid vähendab ka teiste komposiitide valmistamiseks kuluvat aega. Vedeliku eemaldamine suruõhuga viib aga soola täiendava kristalliseerumiseni, mille tulemuseks on paksem kattekiht.
Teine meetod, mida saab metallpindade katmiseks kasutada, hõlmab sihtsoolade otsest tootmist keemiliste reaktsioonide abil. Kaetud soojusvahetitel, mis on valmistatud hapete reageerimisel ribide ja torude metallpindadel, on mitmeid eeliseid, nagu meie eelmises uuringus teatati. Selle meetodi rakendamine kiududele andis väga halbu tulemusi reaktsiooni käigus tekkivate gaaside tõttu. Vesinikgaasimullide rõhk sondi sees suureneb ja nihkub toote väljutamisel (joonis 14a).
Katet on keemilise reaktsiooni abil modifitseeritud, et katte paksust ja jaotumist paremini kontrollida. See meetod hõlmab happeuduvoolu juhtimist läbi proovi (joonis 14b). See peaks alusmetalliga reageerides andma ühtlase katte. Tulemused olid rahuldavad, kuid protsess oli liiga aeglane, et seda saaks pidada efektiivseks meetodiks (joonis 14c). Lühemaid reaktsiooniaegu saab saavutada lokaliseeritud kuumutamise abil.
Eeltoodud meetodite puuduste ületamiseks uuriti liimide kasutamisel põhinevat katmismeetodit. HEC valiti eelmises osas esitatud tulemuste põhjal. Kõik proovid valmistati 3% massiprotsendilise väävelhappega. Sideaine segati soolaga. Kiude eeltöödeldi sama protseduuri kohaselt nagu ribide puhul, st leotati 15 minutit 50% väävelhappes, seejärel leotati 20 sekundit naatriumhüdroksiidis, pesti destilleeritud vees ja lõpuks leotati destilleeritud vees 30 minutit. Sel juhul lisati enne immutamist täiendav etapp. Proov kasteti lühidalt lahjendatud sihtsoola lahusesse ja kuivatati umbes 60 °C juures. Protsessi eesmärk on muuta metalli pinda, luues tuumastumiskohti, mis parandavad katte jaotumist viimases etapis. Kiudstruktuuril on ühel küljel õhemad ja tihedalt pakitud kiud ning teisel küljel paksemad ja vähem jaotunud kiud. See on 52 tootmisprotsessi tulemus.
Kaltsiumkloriidi (CaCl2) tulemused on kokku võetud ja piltidega illustreeritud tabelis 1. Hea katvus pärast inokuleerimist. Isegi nendel kiududel, millel pinnal polnud nähtavaid kristalle, oli vähenenud metalliline peegeldus, mis viitab viimistluse muutumisele. Pärast proovide immutamist CaCl2 ja HEC vesilahuse seguga ning kuivatamist temperatuuril umbes 60 °C kontsentreerusid katted struktuuride ristumiskohtades. See on lahuse pindpinevuse põhjustatud efekt. Pärast leotamist jääb vedelik pindpinevuse tõttu proovi sisse. Põhimõtteliselt toimub see struktuuride ristumiskohtades. Proovi paremal küljel on mitu soolaga täidetud auku. Pärast katmist suurenes kaal 0,06 g/cm3 võrra.
Magneesiumsulfaadiga (MgSO4) katmine andis mahuühiku kohta rohkem soola (tabel 2). Sel juhul on mõõdetud juurdekasv 0,09 g/cm3. Külviprotsess andis tulemuseks ulatusliku proovi katvuse. Pärast katmisprotsessi blokeerib sool proovi õhukese külje suuri alasid. Lisaks on mõned mati alad blokeeritud, kuid teatud poorsus säilib. Sel juhul on struktuuride ristumiskohas soola moodustumine kergesti jälgitav, mis kinnitab, et katmisprotsess on peamiselt tingitud vedeliku pindpinevusest, mitte soola ja metallaluspinna vastastikmõjust.
Strontsiumkloriidi (SrCl2) ja HEC kombinatsiooni tulemused näitasid sarnaseid omadusi eelmiste näidetega (tabel 3). Sel juhul on proovi õhem külg peaaegu täielikult kaetud. Näha on ainult üksikud poorid, mis tekkisid kuivamise ajal proovist auru eraldumise tagajärjel. Matil poolel täheldatud muster on väga sarnane eelmisele juhtumile, ala on soolaga blokeeritud ja kiud ei ole täielikult kaetud.
Kiudstruktuuri positiivse mõju hindamiseks soojusvaheti soojusomadustele määrati kaetud kiudstruktuuri efektiivne soojusjuhtivus ja võrreldi seda puhta kattematerjaliga. Soojusjuhtivust mõõdeti vastavalt standardile ASTM D 5470-2017, kasutades joonisel 15a näidatud lameekraaniseadet ja teadaoleva soojusjuhtivusega võrdlusmaterjali. Võrreldes teiste siirdemõõtmismeetoditega on see põhimõte käesolevas uuringus kasutatud poorsete materjalide puhul kasulik, kuna mõõtmised tehakse statsionaarses olekus ja piisava proovi suurusega (aluspind 30 × 30 mm2, kõrgus umbes 15 mm). Puhta kattematerjali (võrdlus) ja kaetud kiudstruktuuri proovid valmistati ette mõõtmisteks kiu suunas ja kiu suunaga risti, et hinnata anisotroopse soojusjuhtivuse mõju. Proovid lihviti pinnal (P320 tera), et minimeerida proovi ettevalmistamisest tingitud pinnakareduse mõju, mis ei peegelda proovi struktuuri.