Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
Az adszorpciós hűtőrendszerek és hőszivattyúk piaci részesedése még mindig viszonylag kicsi a hagyományos kompresszoros rendszerekhez képest.Az olcsó hőhasználat óriási előnye ellenére (a költséges elektromos munka helyett) az adszorpciós elveken alapuló rendszerek megvalósítása még mindig néhány konkrét alkalmazásra korlátozódik.A fő hátrány, amelyet ki kell küszöbölni, a fajlagos teljesítmény csökkenése az alacsony hővezetőképesség és az adszorbens alacsony stabilitása miatt.A jelenlegi legkorszerűbb kereskedelmi adszorpciós hűtőrendszerek a hűtési kapacitás optimalizálása érdekében bevont lemezes hőcserélőkön alapuló adszorbereken alapulnak.Az eredmények jól ismertek, hogy a bevonat vastagságának csökkentése a tömegátviteli impedancia csökkenéséhez vezet, a vezetőképes szerkezetek felületének térfogatarányának növelése pedig a hatékonyság csökkenése nélkül növeli a teljesítményt.A munkához felhasznált fémszálak 2500-50 000 m2/m3 fajlagos felületet tudnak biztosítani.Három módszer nagyon vékony, de stabil sóhidrát bevonatok előállítására fémfelületeken, beleértve a fémszálakat is, bevonatok előállításához, először mutat be nagy teljesítménysűrűségű hőcserélőt.Az alumínium eloxáláson alapuló felületkezelést úgy választjuk meg, hogy erősebb kötést hozzon létre a bevonat és az aljzat között.A kapott felület mikroszerkezetét pásztázó elektronmikroszkóppal elemeztük.Csökkentett teljes reflexió Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiát és energiadiszperzív röntgenspektroszkópiát használtunk a kívánt fajok jelenlétének ellenőrzésére a vizsgálatban.Hidrátképző képességüket kombinált termogravimetriás analízis (TGA)/differenciális termogravimetriás analízis (DTG) igazolta.A MgSO4 bevonatban 0,07 g (víz)/g (kompozit) feletti rossz minőséget találtak, amely körülbelül 60 °C-on a kiszáradás jeleit mutatja, és rehidratálás után reprodukálható.Pozitív eredményeket kaptunk az SrCl2-vel és ZnSO4-al is, 100 °C alatt körülbelül 0,02 g/g tömegkülönbséggel.A hidroxi-etil-cellulózt választottuk adalékanyagként a bevonat stabilitásának és adhéziójának növelésére.A termékek adszorpciós tulajdonságait szimultán TGA-DTG-vel értékelték és adhéziójukat az ISO2409-ben leírt teszteken alapuló módszerrel jellemezték.A CaCl2 bevonat konzisztenciája és adhéziója jelentősen javul, miközben adszorpciós kapacitása 100 °C alatti hőmérsékleten körülbelül 0,1 g/g tömegkülönbséggel megmarad.Ezenkívül a MgSO4 megtartja a hidrátképző képességét, és 100 °C alatti hőmérsékleten több mint 0,04 g/g tömegkülönbséget mutat.Végül a bevont fémszálakat vizsgálják.Az eredmények azt mutatják, hogy az Al2(SO4)3-mal bevont szálszerkezet effektív hővezető képessége 4,7-szer nagyobb lehet a tiszta Al2(SO4)3 térfogatához képest.A vizsgált bevonatok bevonatát szemrevételezéssel vizsgáltuk, a belső szerkezetet a keresztmetszetek mikroszkópos felvételével értékeltük.Körülbelül 50 µm vastag Al2(SO4)3 bevonatot kaptunk, de a teljes folyamatot optimalizálni kell az egyenletesebb eloszlás eléréséhez.
Az adszorpciós rendszerek nagy figyelmet kaptak az elmúlt évtizedekben, mivel környezetbarát alternatívát jelentenek a hagyományos kompressziós hőszivattyúkkal vagy hűtőrendszerekkel szemben.A növekvő komfortnormák és a globális átlaghőmérséklet miatt az adszorpciós rendszerek csökkenthetik a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget a közeljövőben.Ezen túlmenően az adszorpciós hűtési vagy hőszivattyús fejlesztések átvihetők a hőenergia tárolására, ami további növekedést jelent a primer energia hatékony felhasználásában.Az adszorpciós hőszivattyúk és hűtőrendszerek fő előnye, hogy alacsony hőtömeggel működnek.Ez alkalmassá teszi azokat alacsony hőmérsékletű forrásokhoz, mint például a napenergia vagy a hulladékhő.Az energiatárolási alkalmazások tekintetében az adszorpció előnye a nagyobb energiasűrűség és kisebb energiadisszipáció az érzékelhető vagy látens hőtároláshoz képest.
Az adszorpciós hőszivattyúk és hűtőrendszerek ugyanazt a termodinamikai ciklust követik, mint a gőzkompressziós társaik.A fő különbség a kompresszor alkatrészeinek adszorberekkel való cseréje.Az elem mérsékelt hőmérsékleten képes alacsony nyomású hűtőközeggőzt adszorbeálni, így még hideg folyadék esetén is több hűtőközeget párologtat el.Biztosítani kell az adszorber állandó hűtését, hogy kizárjuk az adszorpció entalpiáját (exoterm).Az adszorber magas hőmérsékleten regenerálódik, aminek következtében a hűtőközeg gőze deszorbeálódik.A melegítésnek továbbra is biztosítania kell a deszorpció entalpiáját (endoterm).Mivel az adszorpciós folyamatokat hőmérséklet-változások jellemzik, a nagy teljesítménysűrűség magas hővezető képességet igényel.Az alacsony hővezetőképesség azonban messze a fő hátrány a legtöbb alkalmazásban.
A vezetőképesség fő problémája, hogy az adszorpciós/deszorpciós gőzök áramlását biztosító szállítási útvonalat megtartva növelje átlagértékét.Ennek eléréséhez általában két megközelítést alkalmaznak: kompozit hőcserélőket és bevonatos hőcserélőket.A legnépszerűbb és legsikeresebb kompozit anyagok azok, amelyek szénalapú adalékanyagokat, nevezetesen expandált grafitot, aktív szenet vagy szénszálakat használnak.Oliveira et al.2 kalcium-kloriddal impregnált expandált grafitpor akár 306 W/kg fajlagos hűtőkapacitású (SCP) és legfeljebb 0,46 teljesítménytényező (COP) adszorber előállításához.Zajaczkowski et al.A 3. ábra expandált grafit, szénszál és kalcium-klorid kombinációját javasolta 15 W/mK összvezetőképességgel.Jian és munkatársai4 kénsavval kezelt expandált természetes grafittal (ENG-TSA) teszteltek kompozitokat szubsztrátként egy kétlépcsős adszorpciós hűtési ciklusban.A modell 0,215 és 0,285 közötti COP-értéket, 161,4 és 260,74 W/kg közötti SCP-t prognosztizált.
Messze a legéletképesebb megoldás a bevonatos hőcserélő.Ezeknek a hőcserélőknek a bevonási mechanizmusa két kategóriába sorolható: közvetlen szintézisre és ragasztókra.A legsikeresebb módszer a közvetlen szintézis, amelynek során a megfelelő reagensekből adszorbeáló anyagokat képeznek közvetlenül a hőcserélők felületén.A Sotech5 szabadalmaztatott egy eljárást bevont zeolit ​​szintetizálására a Fahrenheit GmbH által gyártott hűtősorozatban történő felhasználásra.Schnabel és munkatársai6 két rozsdamentes acélra bevont zeolit ​​teljesítményét tesztelték.Ez a módszer azonban csak meghatározott adszorbensekkel működik, ami érdekes alternatívává teszi a ragasztóval történő bevonást.A kötőanyagok passzív anyagok, amelyeket a szorbens adhézió és/vagy a tömegátadás elősegítésére választottak, de nem játszanak szerepet az adszorpcióban vagy a vezetőképesség fokozásában.Freni és mtsai.7 db bevonatos alumínium hőcserélő agyag alapú kötőanyaggal stabilizált AQSOA-Z02 zeolittal.Calabrese és munkatársai8 zeolit ​​bevonatok polimer kötőanyagokkal történő előállítását tanulmányozták.Ammann és munkatársai 9 eljárást javasoltak porózus zeolit ​​bevonatok előállítására polivinil-alkohol mágneses keverékéből.Az adszorberben 10 kötőanyagként alumínium-oxidot (timföld) is használnak.Tudomásunk szerint a cellulózt és a hidroxi-etil-cellulózt csak fizikai adszorbensekkel együtt használják11,12.Néha a ragasztót nem a festékhez használják, hanem a 13 szerkezet önálló felépítésére használják.Az alginát polimer mátrixok több sóhidráttal való kombinációja rugalmas kompozit gyöngyszerkezeteket képez, amelyek megakadályozzák a szivárgást a szárítás során, és megfelelő tömegátadást biztosítanak.Az olyan agyagokat, mint a bentonit és az attapulgit, kötőanyagként használták kompozitok előállításához15, 16, 17.Az etil-cellulózt kalcium-klorid18 vagy nátrium-szulfid19 mikrokapszulázására használták.
A porózus fémszerkezetű kompozitok additív hőcserélőkre és bevonatos hőcserélőkre oszthatók.Ezen szerkezetek előnye a nagy fajlagos felület.Ez nagyobb érintkezési felületet eredményez az adszorbens és a fém között inert tömeg hozzáadása nélkül, ami csökkenti a hűtési ciklus általános hatékonyságát.Lang et al.20 javították az alumínium méhsejt szerkezetű zeolit ​​adszorber általános vezetőképességét.Gillerminot et al.21 javította a NaX zeolit ​​rétegek hővezető képességét réz és nikkel habbal.Bár a kompozitokat fázisváltó anyagként (PCM) használják, Li et al.22 és Zhao et al.A 23-as vegyületek kemiszorpció szempontjából is érdekesek.Összehasonlították az expandált grafit és a fémhab teljesítményét, és arra a következtetésre jutottak, hogy az utóbbi csak akkor előnyös, ha a korrózió nem jelent problémát.Palomba et al.a közelmúltban más fémes porózus szerkezeteket hasonlítottak össze24.Van der Pal et al.tanulmányozták a habokba ágyazott fémsókat 25 .Minden korábbi példa a szemcsés adszorbensek sűrű rétegeinek felel meg.A porózus fémszerkezeteket gyakorlatilag nem használják az adszorberek bevonására, ami optimálisabb megoldás.A zeolitokhoz való kötődésre Wittstadt et al.26, de nem tettek kísérletet a sóhidrátok megkötésére a nagyobb energiasűrűség ellenére 27 .
Így ebben a cikkben az adszorbens bevonatok elkészítésének három módszerét vizsgáljuk meg: (1) kötőanyag bevonat, (2) közvetlen reakció és (3) felületkezelés.A hidroxi-etil-cellulóz volt a választott kötőanyag ebben a munkában a korábban közölt stabilitás és jó bevonattapadás miatt fizikai adszorbensekkel kombinálva.Ezt a módszert kezdetben lapos bevonatoknál vizsgálták, majd később fémszálas szerkezetekre alkalmazták.Korábban az adszorbens bevonatok képződésével járó kémiai reakciók lehetőségének előzetes elemzését közölték.A korábbi tapasztalatokat mostanra a fémszálas szerkezetek bevonatába ültetik át.A munkához választott felületkezelés alumínium eloxáláson alapuló eljárás.Az alumínium eloxálást esztétikai célokra sikeresen kombinálták fémsókkal29.Ezekben az esetekben nagyon stabil és korrózióálló bevonatok nyerhetők.Azonban nem tudnak semmilyen adszorpciós vagy deszorpciós folyamatot végrehajtani.Ez a cikk ennek a megközelítésnek egy olyan változatát mutatja be, amely lehetővé teszi a tömeg mozgatását az eredeti eljárás ragasztó tulajdonságainak felhasználásával.Legjobb tudomásunk szerint az itt leírt módszerek egyikét sem tanulmányozták korábban.Nagyon érdekes új technológiát képviselnek, mert lehetővé teszik hidratált adszorbens bevonatok kialakítását, amelyek számos előnnyel rendelkeznek a gyakran vizsgált fizikai adszorbensekkel szemben.
A kísérletekhez szubsztrátumként használt bélyegzett alumíniumlemezeket az ALINVEST Břidličná, Csehország biztosította.98,11% alumíniumot, 1,3622% vasat, 0,3618% mangánt és nyomokban rezet, magnéziumot, szilíciumot, titánt, cinket, krómot és nikkelt tartalmaznak.
A kompozitok gyártásához választott anyagokat termodinamikai tulajdonságaiknak megfelelően választják ki, vagyis attól függően, hogy 120°C alatti hőmérsékleten mekkora vízmennyiséget tudnak adszorbeálni/deszorbeálni.
A magnézium-szulfát (MgSO4) az egyik legérdekesebb és leginkább tanulmányozott hidratált só30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.A termodinamikai tulajdonságokat szisztematikusan mérték, és alkalmasnak találták az adszorpciós hűtés, hőszivattyúk és energiatárolás területén.CAS-Nr.7487-88-9 99%-os száraz magnézium-szulfátot (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Németország) használtunk.
A kalcium-klorid (CaCl2) (H319) egy másik jól tanulmányozott só, mivel hidrátja érdekes termodinamikai tulajdonságokkal rendelkezik41,42,43,44.Kalcium-klorid-hexahidrát CAS-szám7774-34-7 97%-ban használt (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Németország).
A cink-szulfát (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) és hidrátjai alacsony hőmérsékletű adszorpciós folyamatokhoz alkalmas termodinamikai tulajdonságokkal rendelkeznek45,46.CAS-Nr.7733-02-0 99,5%-os cink-szulfát-heptahidrátot (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Németország) használtunk.
A stroncium-klorid (SrCl2) (H318) szintén érdekes termodinamikai tulajdonságokkal rendelkezik4,45,47, bár gyakran kombinálják ammóniával az adszorpciós hőszivattyús vagy energiatárolási kutatásokban.A szintézishez stroncium-klorid-hexahidrátot, CAS-Nr.10.476-85-4 99.0-102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA) használtunk.
A réz-szulfát (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) nem tartozik a szakirodalomban gyakran előforduló hidrátok közé, bár termodinamikai tulajdonságai alacsony hőmérsékletű alkalmazásoknál érdekesek48,49.A szintézishez CAS-Nr.7758-99-8 99%-os réz-szulfátot (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) használtunk.
A magnézium-klorid (MgCl2) azon hidratált sók egyike, amely az utóbbi időben nagyobb figyelmet kapott a hőenergia-tárolás területén50,51.A kísérletekhez CAS-Nr.7791-18-6 tiszta gyógyszerészeti minőségű magnézium-klorid-hexahidrátot (Applichem GmbH., Darmstadt, Németország) használtunk.
Mint fentebb említettük, a hidroxi-etil-cellulózt a hasonló alkalmazásokban elért pozitív eredmények miatt választottuk.A szintézisünkben felhasznált anyag hidroxi-etil-cellulóz, CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA).
A fémszálak rövid huzalokból készülnek, amelyeket tömörítéssel és szintereléssel kötnek össze, ez az eljárás a tégelyes olvadékextrakció (CME)52 néven ismert.Ez azt jelenti, hogy hővezető képességük nem csak a gyártás során felhasznált fémek ömlesztett vezetőképességétől és a végső szerkezet porozitásától függ, hanem a szálak közötti kötések minőségétől is.A szálak nem izotrópok, és a gyártás során hajlamosak bizonyos irányban eloszlani, ami miatt a keresztirányú hővezető képesség sokkal alacsonyabb.
A vízabszorpciós tulajdonságokat szimultán termogravimetriás analízis (TGA)/differenciális termogravimetriás analízis (DTG) segítségével vizsgáltuk vákuumcsomagban (Netzsch TG 209 F1 Libra).A méréseket áramló nitrogénatmoszférában, 10 ml/perc áramlási sebességgel és 25-150°C hőmérséklet-tartományban végeztük alumínium-oxid tégelyben.A hevítési sebesség 1 °C/perc volt, a minta tömege 10-20 mg között változott, a felbontás 0,1 μg volt.Ebben a munkában meg kell jegyezni, hogy az egységnyi felületre jutó tömegkülönbségnek nagy a bizonytalansága.A TGA-DTG-ben használt minták nagyon kicsik és szabálytalanul vágottak, ami miatt a területmeghatározásuk pontatlan.Ezeket az értékeket csak akkor lehet nagyobb területre extrapolálni, ha nagy eltéréseket is figyelembe veszünk.
Csillapított teljes visszaverődés A Fourier transzformációs infravörös (ATR-FTIR) spektrumokat Bruker Vertex 80 v FTIR spektrométeren (Bruker Optik GmbH, Lipcse, Németország) vettük fel egy ATR platina tartozék (Bruker Optik GmbH, Németország) segítségével.A tiszta, száraz gyémántkristályok spektrumát közvetlenül vákuumban mértük, mielőtt a mintákat használtam volna a kísérleti mérésekhez háttérként.A mintákat vákuumban mértük, 2 cm-1 spektrális felbontással és 32 átlagos pásztázási számmal. A hullámszám 8000 és 500 cm-1 között van.A spektrális elemzést az OPUS program segítségével végeztük.
A SEM analízist a Zeiss DSM 982 Gemini készülékével végeztük 2 és 5 kV gyorsítófeszültség mellett.Az energiadiszperzív röntgenspektroszkópiát (EDX) Thermo Fischer System 7 rendszerrel végeztük Peltier hűtött szilícium-drift detektorral (SSD).
A fémlemezek elkészítését az 53. pontban leírtakhoz hasonló eljárással végeztük. Először merítse a lemezt 50%-os kénsavba.15 perc.Ezután körülbelül 10 másodpercre 1 M nátrium-hidroxid-oldatba vezetjük.Ezután a mintákat nagy mennyiségű desztillált vízzel mostuk, majd 30 percig desztillált vízben áztattuk.Az előzetes felületkezelést követően a mintákat 3%-os telített oldatba merítettük.HEC és célsó.Végül vegyük ki és szárítsuk meg 60°C-on.
Az eloxálási módszer fokozza és megerősíti a passzív fém természetes oxidrétegét.Az alumínium paneleket keményített állapotban kénsavval eloxáltuk, majd forró vízben lezártuk.Az eloxálást egy kezdeti maratás követte 1 mol/l NaOH-val (600 s), majd semlegesítés 1 mol/l HNO3-ban (60 s).Az elektrolit oldat 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 és 1 M MgSO4 + 7H2O keveréke.Az eloxálást (40 ± 1) °C-on, 30 mA/cm2-en 1200 másodpercig végeztük.A lezárási folyamatot különféle sóoldatokban végeztük az anyagoknál leírtak szerint (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2).A mintát 1800 másodpercig forraljuk benne.
A kompozitok előállításának három különböző módszerét vizsgálták: ragasztós bevonatot, közvetlen reakciót és felületkezelést.Az egyes képzési módszerek előnyeit és hátrányait szisztematikusan elemzik és megvitatják.Az eredmények értékeléséhez közvetlen megfigyelést, nanoképalkotást és kémiai/elemanalízist alkalmaztunk.
Konverziós felületkezelési módszerként az eloxálást választottuk a sóhidrátok tapadásának fokozása érdekében.Ez a felületkezelés porózus alumínium-oxid (timföld) szerkezetet hoz létre közvetlenül az alumínium felületén.Hagyományosan ez a módszer két szakaszból áll: az első lépésben porózus alumínium-oxid szerkezetet hoznak létre, a másodikban pedig alumínium-hidroxid bevonatot, amely bezárja a pórusokat.A következő két módszer a só blokkolására szolgál a gázfázishoz való hozzáférés megakadályozása nélkül.Az első egy méhsejtrendszerből áll, amely az első lépésben kapott kis alumínium-oxid (Al2O3) csöveket használja az adszorbens kristályok megtartására és a fémfelületekhez való tapadásának fokozására.A kapott méhsejt átmérője körülbelül 50 nm, hossza pedig 200 nm (1a. ábra).Amint azt korábban említettük, ezeket az üregeket általában egy második lépésben egy vékony Al2O(OH)2 böhmitréteggel zárják le, amelyet az alumínium-oxid csöves forralási eljárás alátámaszt.A második módszernél ezt a tömítési folyamatot úgy módosítják, hogy a sókristályok egy egyenletesen fedő böhmitrétegbe (Al2O(OH)) kerülnek be, amelyet jelen esetben nem használnak tömítésre.A második lépést a megfelelő só telített oldatában hajtjuk végre.A leírt minták mérete 50–100 nm tartományba esik, és úgy néznek ki, mint a kifröccsent cseppek (1b. ábra).A tömítési eljárás eredményeként kapott felület markáns térszerkezetű, megnövelt érintkezési felülettel.Ez a felületi mintázat a sok kötési konfigurációval együtt ideális sókristályok szállítására és megtartására.Mindkét leírt szerkezet valóban porózusnak tűnik, és kis üregekkel rendelkezik, amelyek alkalmasnak tűnnek a sóhidrátok megtartására és a gőzök sóhoz való adszorbeálására az adszorber működése során.Azonban ezeknek a felületeknek az EDX-el végzett elemanalízise nyomokban kimutatható magnézium és kén a böhmit felületén, ami alumínium-oxid felület esetén nem mutatható ki.
A minta ATR-FTIR-je megerősítette, hogy az elem magnézium-szulfát (lásd a 2b. ábrát).A spektrum jellegzetes szulfátioncsúcsokat 610–680 és 1080–1130 cm–1-nél, rácsos vízcsúcsokat pedig 1600–1700 cm–1 és 3200–3800 cm–1-nél mutat (lásd 2a, c ábra).).A magnéziumionok jelenléte szinte nem változtatja meg a spektrumot54.
(a) böhmittel bevont MgSO4 alumíniumlemez EDX, (b) böhmit és MgSO4 bevonatok ATR-FTIR spektruma, (c) tiszta MgSO4 ATR-FTIR spektruma.
Az adszorpciós hatékonyság fenntartását a TGA igazolta.ábrán.A 3b. ábra kb.60°C.Ez a csúcs nem felel meg a tiszta só TGA-jában megfigyelt két csúcs hőmérsékletének (3a. ábra).Az adszorpció-deszorpció ciklus megismételhetőségét értékeltük, és ugyanezt a görbét figyeltük meg a minták nedves atmoszférába helyezése után (3c. ábra).A deszorpció második szakaszában megfigyelt eltérések az áramló atmoszférában történő kiszáradás következményei lehetnek, mivel ez gyakran tökéletlen kiszáradáshoz vezet.Ezek az értékek kb. 17,9 g/m2-nek felelnek meg az első víztelenítésnél és 10,3 g/m2-nek a második víztelenítésnél.
Böhmit és MgSO4 TGA analízisének összehasonlítása: TGA analízis a tiszta MgSO4 (a), keverék (b) és rehidratálás után (c).
Ugyanezt a módszert kalcium-kloriddal mint adszorbenssel hajtottuk végre.Az eredményeket a 4. ábra mutatja be. A felület szemrevételezése kisebb változásokat mutatott ki a fémes izzásban.A szőr alig látszik.A SEM megerősítette a felületen egyenletesen eloszló kis kristályok jelenlétét.A TGA azonban nem mutatott kiszáradást 150 °C alatt.Ennek oka lehet, hogy a só aránya túl kicsi a szubsztrát teljes tömegéhez képest a TGA-val történő kimutatáshoz.
A réz-szulfát bevonat eloxálási módszerrel végzett felületkezelésének eredményeit az 1. ábra mutatja.5. Ebben az esetben a várt CuSO4 beépülése az Al-oxid szerkezetbe nem következett be.Ehelyett laza tűket figyelnek meg, mivel ezeket általában a réz-hidroxid Cu(OH)2-hez használják tipikus türkiz festékekkel.
Az eloxált felületkezelést stroncium-kloriddal kombinálva is teszteltük.Az eredmények egyenetlen lefedettséget mutattak (lásd a 6a. ábrát).Annak megállapítására, hogy a só a teljes felületet beborította-e, EDX analízist végeztünk.A szürke terület egy pontjára vonatkozó görbe (1. pont a 6b. ábrán) kevés stronciumot és sok alumíniumot mutat.Ez azt jelzi, hogy a mért zónában alacsony a stronciumtartalom, ami viszont a stroncium-klorid alacsony lefedettségét jelzi.Ezzel szemben a fehér területeken magas a stroncium és alacsony az alumíniumtartalom (2–6. pont a 6b. ábrán).A fehér terület EDX-analízise sötétebb pontokat (2. és 4. pont a 6b. ábrán), alacsony klór- és magas kéntartalmat mutat.Ez stroncium-szulfát képződésére utalhat.A világosabb pontok magas klórtartalmat és alacsony kéntartalmat tükröznek (3., 5. és 6. pont a 6b. ábrán).Ez azzal magyarázható, hogy a fehér bevonat nagy részét a várt stroncium-klorid alkotja.A minta TGA-ja megerősítette az analízis értelmezését a tiszta stroncium-klorid jellemző hőmérsékletén elért csúccsal (6c. ábra).Kis értéküket a fém hordozó tömegéhez képest kis mennyiségű só igazolja.A kísérletekben meghatározott deszorpciós tömeg az adszorber egységnyi területére 150°C hőmérsékleten leadott 7,3 g/m2 mennyiségnek felel meg.
Eloxallal kezelt cink-szulfát bevonatokat is teszteltek.Makroszkóposan a bevonat nagyon vékony és egyenletes réteg (7a. ábra).A SEM azonban kis kristályokkal borított felületet mutatott ki, amelyeket üres területek választanak el (7b. ábra).A bevonat és a szubsztrát TGA-ját a tiszta sóéval hasonlítottuk össze (7c. ábra).A tiszta sónak egy aszimmetrikus csúcsa van 59,1 °C-on.A bevont alumínium két kis csúcsot mutatott 55,5 °C és 61,3 °C hőmérsékleten, ami cink-szulfát-hidrát jelenlétét jelzi.A kísérletben feltárt tömegkülönbség 10,9 g/m2-nek felel meg 150°C-os dehidratálási hőmérsékleten.
Az előző bejelentéshez53 hasonlóan kötőanyagként hidroxi-etil-cellulózt használtak a szorbens bevonat adhéziójának és stabilitásának javítására.Az anyagkompatibilitást és az adszorpciós teljesítményre gyakorolt ​​hatást TGA-val értékelték.Az elemzés a teljes tömegre vonatkoztatva történik, azaz a minta egy bevonathordozóként használt fémlemezt tartalmaz.A tapadást az ISO2409 specifikációban meghatározott keresztbevágás-teszten alapuló teszttel vizsgálják (a specifikáció vastagságától és szélességétől függően nem felel meg a bevágások szétválasztására vonatkozó előírásoknak).
A panelek kalcium-kloriddal (CaCl2) történő bevonása (lásd a 8a. ábrát) egyenetlen eloszlást eredményezett, ami a keresztirányú bevágásos vizsgálathoz használt tiszta alumínium bevonatnál nem volt megfigyelhető.A tiszta CaCl2-ra vonatkozó eredményekhez képest a TGA (8b. ábra) két jellemző csúcsot mutat, amelyek alacsonyabb hőmérsékletek, 40, illetve 20 °C felé tolódnak el.A keresztmetszeti vizsgálat nem teszi lehetővé az objektív összehasonlítást, mert a tiszta CaCl2 minta (a 8c. ábrán jobb oldali minta) porszerű csapadék, amely eltávolítja a legfelső részecskéket.A HEC eredmények nagyon vékony és egyenletes bevonatot mutattak, kielégítő tapadóképességgel.ábrán látható tömegkülönbség.A 8b. ábra 51,3 g/m2-nek felel meg az adszorber egységnyi területére 150 °C hőmérsékleten.
A tapadás és az egyenletesség tekintetében pozitív eredményeket értek el magnézium-szulfáttal (MgSO4) is (lásd 9. ábra).A bevonat deszorpciós folyamatának elemzése egy kb.60°C.Ez a hőmérséklet megfelel a fő deszorpciós lépésnek, amely a tiszta sók dehidratálásánál látható, és egy másik lépést jelent 44 °C-on.Ez megfelel a hexahidrátról a pentahidrátra való átmenetnek, és nem figyelhető meg a kötőanyagokkal ellátott bevonatok esetében.A keresztmetszeti vizsgálatok jobb eloszlást és tapadást mutatnak a tiszta só felhasználásával készült bevonatokhoz képest.A TGA-DTC-ben megfigyelt tömegkülönbség 18,4 g/m2-nek felel meg az adszorber egységnyi területére 150 °C hőmérsékleten.
A felületi egyenetlenségek miatt a stroncium-klorid (SrCl2) bordáin egyenetlen bevonat található (10a. ábra).A keresztirányú bevágási teszt eredményei azonban egyenletes eloszlást mutattak, jelentősen javult adhézió mellett (10c. ábra).A TGA analízis nagyon kis súlykülönbséget mutatott ki, aminek a fém szubsztrátumhoz viszonyított alacsonyabb sótartalma lehet az oka.A görbe lépései azonban dehidratációs folyamat jelenlétét mutatják, bár a csúcs a tiszta só jellemzésekor kapott hőmérséklethez kapcsolódik.A 110 °C-on és 70,2 °C-on megfigyelt csúcsok az 1-1.A tiszta só elemzésekor a 10b.A tiszta sónál 50 °C-on megfigyelt fő dehidratációs lépés azonban nem tükröződött a kötőanyagot használó görbékben.Ezzel szemben a kötőanyag-keverék két csúcsot mutatott 20,2 °C-on és 94,1 °C-on, amelyeket nem a tiszta sóra mértünk (10b. ábra).150 °C hőmérsékleten a megfigyelt tömegkülönbség 7,2 g/m2-nek felel meg az adszorber egységnyi területére vonatkoztatva.
A HEC és a cink-szulfát (ZnSO4) kombinációja nem adott elfogadható eredményt (11. ábra).A bevont fém TGA-analízise nem mutatott ki dehidratációs folyamatokat.Bár a bevonat eloszlása ​​és tapadása javult, tulajdonságai még mindig messze vannak az optimálistól.
A fémszálak vékony és egyenletes réteggel való bevonásának legegyszerűbb módja a nedves impregnálás (12a. ábra), amely magában foglalja a célsó elkészítését és a fémszálak vizes oldattal történő impregnálását.
A nedves impregnálásra való felkészülés során két fő probléma merül fel.Egyrészt a sóoldat felületi feszültsége megakadályozza a folyadék helyes beépülését a porózus szerkezetbe.A külső felületen a kristályosodás (12d. ábra) és a szerkezet belsejében megrekedt légbuborékok (12c. ábra) csak a felületi feszültség csökkentésével és a minta desztillált vízzel történő előnedvesítésével csökkenthető.A szerkezet teljes feltöltésének további hatékony módja a mintában a levegő kiürítésével vagy a szerkezetben lévő oldatáramolással történő kényszeroldás.
A második probléma, amellyel az előkészítés során találkoztunk, a film eltávolítása volt a só egy részéről (lásd a 12b. ábrát).Ezt a jelenséget az jellemzi, hogy az oldódási felületen száraz bevonat képződik, amely megállítja a konvektív módon stimulált száradást és elindítja a diffúzió által stimulált folyamatot.A második mechanizmus sokkal lassabb, mint az első.Ennek eredményeként az ésszerű száradási idő eléréséhez magas hőmérsékletre van szükség, ami növeli a buborékok kialakulásának kockázatát a mintában.Ezt a problémát egy alternatív kristályosítási módszer bevezetésével oldják meg, amely nem a koncentráció-változáson (párolgáson), hanem a hőmérséklet-változáson alapul (mint a 13. ábrán látható MgSO4 példában).
A kristályosodási folyamat sematikus ábrázolása hűtés közben, valamint a szilárd és folyékony fázisok MgSO4 felhasználásával történő elválasztása.
Telített sóoldatok készíthetők szobahőmérsékleten (HT) vagy magasabb hőmérsékleten ezzel a módszerrel.Az első esetben a kristályosodást úgy kényszerítették ki, hogy a hőmérsékletet szobahőmérséklet alá csökkentették.A második esetben a kristályosodás akkor következett be, amikor a mintát szobahőmérsékletre (RT) hűtöttük.Az eredmény kristályok (B) és oldott (A) keveréke, amelynek folyékony részét sűrített levegővel távolítják el.Ez a megközelítés nemcsak elkerüli a film képződését ezeken a hidrátokon, hanem csökkenti az egyéb kompozitok előállításához szükséges időt is.A folyadék sűrített levegővel történő eltávolítása azonban a só további kristályosodásához vezet, ami vastagabb bevonatot eredményez.
Egy másik módszer, amely fémfelületek bevonására használható, magában foglalja a célsók közvetlen előállítását kémiai reakciókkal.A bordák és csövek fémfelületén lévő savak reakciójával készült bevonatos hőcserélők számos előnnyel rendelkeznek, amint arról korábbi tanulmányunkban beszámoltunk.Ennek a módszernek a rostokra történő alkalmazása nagyon gyenge eredményekhez vezetett a reakció során gázok képződése miatt.A hidrogéngáz-buborékok nyomása felhalmozódik a szondában, és a termék kilökődése közben eltolódik (14a. ábra).
A bevonatot kémiai reakcióval módosították, hogy jobban szabályozzák a bevonat vastagságát és eloszlását.Ez a módszer abból áll, hogy savas ködáramot vezetnek át a mintán (14b. ábra).Ez várhatóan egyenletes bevonatot eredményez a szubsztrátum fémével való reakció révén.Az eredmények kielégítőek voltak, de a folyamat túl lassú volt ahhoz, hogy hatékony módszernek lehessen tekinteni (14c. ábra).Helyi melegítéssel rövidebb reakcióidő érhető el.
A fenti eljárások hátrányainak kiküszöbölésére ragasztóanyag-használaton alapuló bevonási módszert tanulmányoztak.A HEC kiválasztása az előző részben bemutatott eredmények alapján történt.Minden mintát 3 tömeg%-ban készítettünk.A kötőanyagot sóval összekeverjük.A szálakat a bordákhoz hasonló eljárás szerint előkezeltük, azaz 50 térfogatszázalékban áztattuk.15 percen belül.kénsavval, majd 20 másodpercig nátrium-hidroxiddal áztatjuk, desztillált vízzel mossuk, végül 30 percig desztillált vízben áztatjuk.Ebben az esetben az impregnálás előtt egy további lépést adtunk hozzá.Merítse a mintát rövid időre hígított sóoldatba, és szárítsa meg körülbelül 60 °C-on.Az eljárás célja a fém felületének módosítása, olyan gócképző helyek létrehozása, amelyek javítják a bevonat eloszlását a végső szakaszban.A rostos szerkezetnek van az egyik oldala, ahol a filamentumok vékonyabbak és szorosan össze vannak rakva, a másik oldalon pedig a szálak vastagabbak és kevésbé oszlanak el.Ez 52 gyártási folyamat eredménye.
A kalcium-kloridra (CaCl2) kapott eredményeket az 1. táblázat foglalja össze és képekkel illusztrálja. Jó lefedettség az oltás után.Még azokon a szálakon is, amelyeknek nem voltak látható kristályai a felületen, csökkent a fémes visszaverődés, ami a felület megváltozását jelzi.Miután azonban a mintákat CaCl2 és HEC vizes elegyével impregnáltuk, és körülbelül 60 °C-on szárítottuk, a bevonatokat a szerkezetek metszéspontjain koncentráltuk.Ezt az oldat felületi feszültsége okozza.Áztatás után a folyadék felületi feszültsége miatt a mintában marad.Alapvetően a szerkezetek metszéspontjában fordul elő.A minta legjobb oldalán több sóval töltött lyuk található.A tömeg 0,06 g/cm3-rel nőtt a bevonat után.
A magnézium-szulfáttal (MgSO4) történő bevonat térfogategységenként több sót termel (2. táblázat).Ebben az esetben a mért növekmény 0,09 g/cm3.A vetési folyamat kiterjedt mintalefedettséget eredményezett.A bevonási folyamat után a só a minta vékony oldalán nagy területeket blokkol.Ezenkívül a matt egyes részei eltömődnek, de a porozitás egy része megmarad.Ebben az esetben a sóképződés könnyen megfigyelhető a szerkezetek metszéspontjában, ami megerősíti, hogy a bevonási folyamat elsősorban a folyadék felületi feszültségének köszönhető, nem pedig a só és a fémhordozó kölcsönhatása miatt.
A stroncium-klorid (SrCl2) és HEC kombinációjának eredményei az előző példákhoz hasonló tulajdonságokat mutattak (3. táblázat).Ebben az esetben a minta vékonyabb oldala szinte teljesen be van fedve.Csak az egyes pórusok láthatók, amelyek a szárítás során keletkeznek a mintából kilépő gőz hatására.A matt oldalon megfigyelt mintázat nagyon hasonlít az előző esethez, a területet sóval blokkolja, és a szálakat nem fedi le teljesen.
A rostos szerkezet hőcserélő hőteljesítményére gyakorolt ​​pozitív hatásának értékelése érdekében meghatároztuk a bevont rostos szerkezet effektív hővezető képességét, és összehasonlítottuk a tiszta bevonóanyaggal.A hővezető képességet az ASTM D 5470-2017 szabvány szerint mértük a 15a. ábrán látható lapos panellel, ismert hővezető képességű referenciaanyag felhasználásával.Más tranziens mérési módszerekkel összehasonlítva ez az elv előnyös a jelen vizsgálatban használt porózus anyagoknál, mivel a méréseket állandósult állapotban és megfelelő mintamérettel (alapfelület 30 × 30 mm2, magasság kb. 15 mm) végezzük.A tiszta bevonóanyagból (referencia) és a bevont szálszerkezetből mintákat készítettünk elő a szál irányában és a szál irányára merőlegesen történő mérésekhez, hogy értékeljük az anizotróp hővezető képesség hatását.A próbatesteket a felületen csiszoltuk (P320 szemcseszemcse), hogy minimalizáljuk a minta előkészítésből adódó felületi érdesség hatását, ami nem tükrözi a mintán belüli szerkezetet.