Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Pangsa pasar sistem refrigerasi adsorpsi dan pompa kalor masih relatif kecil dibandingkan dengan sistem kompresor tradisional. Meskipun keuntungan besar menggunakan kalor murah (alih-alih pekerjaan listrik mahal), penerapan sistem berdasarkan prinsip adsorpsi masih terbatas pada beberapa aplikasi tertentu. Kerugian utama yang perlu dihilangkan adalah penurunan daya spesifik karena konduktivitas termal rendah dan stabilitas adsorben rendah. Sistem refrigerasi adsorpsi komersial terkini didasarkan pada adsorber yang berbasis pada penukar kalor pelat yang dilapisi untuk mengoptimalkan kapasitas pendinginan. Hasilnya diketahui bahwa penurunan ketebalan lapisan menyebabkan penurunan impedansi perpindahan massa, dan peningkatan rasio luas permukaan terhadap volume struktur konduktif meningkatkan daya tanpa mengorbankan efisiensi. Serat logam yang digunakan dalam pekerjaan ini dapat menyediakan luas permukaan spesifik dalam kisaran 2500–50.000 m2/m3. Tiga metode untuk memperoleh lapisan hidrat garam yang sangat tipis tetapi stabil pada permukaan logam, termasuk serat logam, untuk produksi lapisan menunjukkan untuk pertama kalinya penukar kalor dengan kepadatan daya tinggi. Perlakuan permukaan berdasarkan anodisasi aluminium dipilih untuk menciptakan ikatan yang lebih kuat antara lapisan dan substrat. Mikrostruktur permukaan yang dihasilkan dianalisis menggunakan mikroskop elektron pemindaian. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier dengan refleksi total tereduksi dan spektroskopi sinar-X dispersif energi digunakan untuk memeriksa keberadaan spesies yang diinginkan dalam pengujian. Kemampuan mereka untuk membentuk hidrat dikonfirmasi oleh analisis termogravimetri gabungan (TGA)/analisis termogravimetri diferensial (DTG). Kualitas buruk lebih dari 0,07 g (air)/g (komposit) ditemukan pada lapisan MgSO4, menunjukkan tanda-tanda dehidrasi pada sekitar 60 °C dan dapat direproduksi setelah rehidrasi. Hasil positif juga diperoleh dengan SrCl2 dan ZnSO4 dengan perbedaan massa sekitar 0,02 g/g di bawah 100 °C. Hidroksietilselulosa dipilih sebagai aditif untuk meningkatkan stabilitas dan adhesi lapisan. Sifat-sifat adsorptif produk dievaluasi dengan TGA-DTG simultan dan adhesi mereka dikarakterisasi dengan metode berdasarkan pengujian yang dijelaskan dalam ISO2409. Konsistensi dan adhesi lapisan CaCl2 ditingkatkan secara signifikan sambil mempertahankan kapasitas adsorpsinya dengan perbedaan berat sekitar 0,1 g/g pada suhu di bawah 100 °C. Selain itu, MgSO4 mempertahankan kemampuan untuk membentuk hidrat, menunjukkan perbedaan massa lebih dari 0,04 g/g pada suhu di bawah 100 °C. Akhirnya, serat logam yang dilapisi diperiksa. Hasilnya menunjukkan bahwa konduktivitas termal efektif dari struktur serat yang dilapisi dengan Al2(SO4)3 dapat 4,7 kali lebih tinggi dibandingkan dengan volume Al2(SO4)3 murni. Pelapisan pelapis yang dipelajari diperiksa secara visual, dan struktur internal dievaluasi menggunakan gambar mikroskopis dari penampang melintang. Pelapisan Al2(SO4)3 dengan ketebalan sekitar 50 µm diperoleh, tetapi keseluruhan proses harus dioptimalkan untuk mencapai distribusi yang lebih seragam.
Sistem adsorpsi telah mendapatkan banyak perhatian selama beberapa dekade terakhir karena menyediakan alternatif yang ramah lingkungan untuk pompa kalor kompresi tradisional atau sistem refrigerasi. Dengan meningkatnya standar kenyamanan dan suhu rata-rata global, sistem adsorpsi dapat mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil dalam waktu dekat. Selain itu, setiap peningkatan dalam refrigerasi adsorpsi atau pompa kalor dapat dialihkan ke penyimpanan energi termal, yang merupakan peningkatan tambahan dalam potensi penggunaan energi primer yang efisien. Keuntungan utama dari pompa kalor adsorpsi dan sistem refrigerasi adalah bahwa mereka dapat beroperasi dengan massa kalor yang rendah. Hal ini membuatnya cocok untuk sumber suhu rendah seperti energi surya atau panas buangan. Dalam hal aplikasi penyimpanan energi, adsorpsi memiliki keuntungan dari kepadatan energi yang lebih tinggi dan disipasi energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan penyimpanan kalor sensibel atau laten.
Pompa kalor adsorpsi dan sistem refrigerasi mengikuti siklus termodinamika yang sama dengan pompa kalor kompresi uap. Perbedaan utamanya adalah penggantian komponen kompresor dengan penyerap. Elemen tersebut mampu menyerap uap refrigeran bertekanan rendah pada suhu sedang, menguapkan lebih banyak refrigeran bahkan saat cairannya dingin. Pendinginan penyerap harus dipastikan konstan untuk menghilangkan entalpi adsorpsi (eksoterm). Penyerap diregenerasi pada suhu tinggi, yang menyebabkan uap refrigeran terlepas. Pemanasan harus terus dilakukan untuk menghasilkan entalpi desorpsi (endotermik). Karena proses adsorpsi dicirikan oleh perubahan suhu, kerapatan daya yang tinggi memerlukan konduktivitas termal yang tinggi. Namun, konduktivitas termal yang rendah sejauh ini merupakan kelemahan utama dalam sebagian besar aplikasi.
Masalah utama konduktivitas adalah meningkatkan nilai rata-ratanya sambil mempertahankan jalur transportasi yang menyediakan aliran uap adsorpsi/desorpsi. Dua pendekatan yang umum digunakan untuk mencapai hal ini: penukar panas komposit dan penukar panas berlapis. Material komposit yang paling populer dan berhasil adalah material yang menggunakan aditif berbasis karbon, yaitu grafit yang diperluas, karbon aktif, atau serat karbon. Oliveira et al. 2 menghamili bubuk grafit yang diperluas dengan kalsium klorida untuk menghasilkan penyerap dengan kapasitas pendinginan spesifik (SCP) hingga 306 W/kg dan koefisien kinerja (COP) hingga 0,46. Zajaczkowski et al. 3 mengusulkan kombinasi grafit yang diperluas, serat karbon, dan kalsium klorida dengan konduktivitas total 15 W/mK. Jian et al4 menguji komposit dengan grafit alami yang diperluas yang diolah dengan asam sulfat (ENG-TSA) sebagai substrat dalam siklus pendinginan adsorpsi dua tahap. Model tersebut meramalkan COP dari 0,215 hingga 0,285 dan SCP dari 161,4 hingga 260,74 W/kg.
Solusi yang paling layak sejauh ini adalah penukar kalor berlapis. Mekanisme pelapisan penukar kalor ini dapat dibagi menjadi dua kategori: sintesis langsung dan perekat. Metode yang paling berhasil adalah sintesis langsung, yang melibatkan pembentukan bahan penyerap langsung pada permukaan penukar kalor dari reagen yang sesuai. Sotech5 telah mematenkan metode untuk mensintesis zeolit ​​berlapis untuk digunakan dalam serangkaian pendingin yang diproduksi oleh Fahrenheit GmbH. Schnabel et al6 menguji kinerja dua zeolit ​​yang dilapisi pada baja tahan karat. Namun, metode ini hanya bekerja dengan penyerap tertentu, yang menjadikan pelapisan dengan perekat sebagai alternatif yang menarik. Pengikat adalah zat pasif yang dipilih untuk mendukung adhesi sorben dan/atau perpindahan massa, tetapi tidak berperan dalam penyerapan atau peningkatan konduktivitas. Freni et al. 7 penukar kalor aluminium berlapis dengan zeolit ​​AQSOA-Z02 yang distabilkan dengan pengikat berbasis lempung. Calabrese et al.8 mempelajari persiapan pelapis zeolit ​​dengan pengikat polimer. Ammann dkk.9 mengusulkan metode untuk menyiapkan lapisan zeolit ​​berpori dari campuran magnetik polivinil alkohol. Alumina (alumina) juga digunakan sebagai pengikat 10 dalam penyerap. Sepengetahuan kami, selulosa dan hidroksi etil selulosa hanya digunakan dalam kombinasi dengan penyerap fisik11,12. Terkadang lem tidak digunakan untuk cat, tetapi digunakan untuk membangun struktur 13 sendiri. Kombinasi matriks polimer alginat dengan beberapa hidrat garam membentuk struktur manik komposit fleksibel yang mencegah kebocoran selama pengeringan dan memberikan perpindahan massa yang memadai. Tanah liat seperti bentonit dan attapulgit telah digunakan sebagai pengikat untuk persiapan komposit15,16,17. Etilselulosa telah digunakan untuk membungkus mikro kalsium klorida18 atau natrium sulfida19.
Komposit dengan struktur logam berpori dapat dibagi menjadi penukar kalor aditif dan penukar kalor berlapis. Keuntungan dari struktur ini adalah luas permukaan spesifik yang tinggi. Hal ini menghasilkan permukaan kontak yang lebih besar antara adsorben dan logam tanpa penambahan massa inert, yang mengurangi efisiensi keseluruhan siklus pendinginan. Lang et al. 20 telah meningkatkan konduktivitas keseluruhan adsorber zeolit ​​dengan struktur sarang lebah aluminium. Gillerminot et al. 21 meningkatkan konduktivitas termal lapisan zeolit ​​NaX dengan busa tembaga dan nikel. Meskipun komposit digunakan sebagai bahan pengubah fase (PCM), temuan Li et al. 22 dan Zhao et al. 23 juga menarik untuk kemisorpsi. Mereka membandingkan kinerja grafit yang diperluas dan busa logam dan menyimpulkan bahwa yang terakhir lebih disukai hanya jika korosi tidak menjadi masalah. Palomba et al. baru-baru ini membandingkan struktur berpori logam lainnya24. Van der Pal et al. telah mempelajari garam logam yang tertanam dalam busa25. Semua contoh sebelumnya sesuai dengan lapisan padat adsorben partikulat. Struktur berpori logam praktis tidak digunakan untuk melapisi adsorber, yang merupakan solusi yang lebih optimal. Contoh pengikatan dengan zeolit ​​dapat ditemukan di Wittstadt et al. 26 tetapi belum ada upaya yang dilakukan untuk mengikat hidrat garam meskipun kepadatan energinya lebih tinggi 27 .
Dengan demikian, tiga metode untuk menyiapkan lapisan penyerap akan dieksplorasi dalam artikel ini: (1) pelapisan pengikat, (2) reaksi langsung, dan (3) perlakuan permukaan. Hidroksietilselulosa adalah pengikat pilihan dalam penelitian ini karena stabilitas yang telah dilaporkan sebelumnya dan daya rekat pelapis yang baik dalam kombinasi dengan penyerap fisik. Metode ini awalnya diteliti untuk pelapisan datar dan kemudian diterapkan pada struktur serat logam. Sebelumnya, analisis awal tentang kemungkinan reaksi kimia dengan pembentukan lapisan penyerap telah dilaporkan. Pengalaman sebelumnya kini ditransfer ke pelapisan struktur serat logam. Perlakuan permukaan yang dipilih untuk penelitian ini adalah metode yang didasarkan pada anodisasi aluminium. Anodisasi aluminium telah berhasil dikombinasikan dengan garam logam untuk tujuan estetika29. Dalam kasus ini, pelapisan yang sangat stabil dan tahan korosi dapat diperoleh. Namun, pelapisan tersebut tidak dapat melakukan proses adsorpsi atau desorpsi apa pun. Makalah ini menyajikan varian dari pendekatan ini yang memungkinkan massa dipindahkan menggunakan sifat perekat dari proses asli. Sejauh pengetahuan kami, tidak ada metode yang dijelaskan di sini yang telah dipelajari sebelumnya. Mereka mewakili teknologi baru yang sangat menarik karena memungkinkan pembentukan lapisan penyerap terhidrasi, yang memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan penyerap fisik yang sering dipelajari.
Pelat aluminium bercap yang digunakan sebagai substrat untuk percobaan ini disediakan oleh ALINVEST Břidličná, Republik Ceko. Pelat ini mengandung 98,11% aluminium, 1,3622% besi, 0,3618% mangan, dan sedikit tembaga, magnesium, silikon, titanium, seng, kromium, dan nikel.
Bahan-bahan yang dipilih untuk pembuatan komposit dipilih sesuai dengan sifat termodinamikanya, yaitu tergantung pada jumlah air yang dapat diserap/dihilangkan pada suhu di bawah 120°C.
Magnesium sulfat (MgSO4) adalah salah satu garam terhidrasi yang paling menarik dan banyak dipelajari30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. Sifat termodinamikanya telah diukur secara sistematis dan terbukti cocok untuk aplikasi di bidang pendinginan adsorpsi, pompa kalor, dan penyimpanan energi. Magnesium sulfat kering CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Jerman) digunakan.
Kalsium klorida (CaCl2) (H319) adalah garam lain yang telah diteliti dengan baik karena hidratnya memiliki sifat termodinamika yang menarik41,42,43,44. Kalsium klorida heksahidrat CAS-No. 7774-34-7 97% digunakan (Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Jerman).
Seng sulfat (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) dan hidratnya memiliki sifat termodinamika yang sesuai untuk proses penyerapan suhu rendah45,46. Seng sulfat heptahidrat CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Jerman) digunakan.
Strontium klorida (SrCl2) (H318) juga memiliki sifat termodinamika yang menarik4,45,47 meskipun sering dikombinasikan dengan amonia dalam penelitian pompa kalor adsorpsi atau penyimpanan energi. Strontium klorida heksahidrat CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, AS) digunakan untuk sintesis.
Tembaga sulfat (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) tidak termasuk dalam hidrat yang sering ditemukan dalam literatur profesional, meskipun sifat termodinamikanya menarik untuk aplikasi suhu rendah48,49. Tembaga sulfat CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, AS) digunakan untuk sintesis.
Magnesium klorida (MgCl2) merupakan salah satu garam terhidrasi yang akhir-akhir ini semakin banyak mendapat perhatian di bidang penyimpanan energi termal50,51. Magnesium klorida heksahidrat CAS-Nr.7791-18-6 dengan mutu farmasi murni (Applichem GmbH., Darmstadt, Jerman) digunakan untuk percobaan.
Seperti disebutkan di atas, hidroksi etil selulosa dipilih karena hasil positif dalam aplikasi serupa. Bahan yang digunakan dalam sintesis kami adalah hidroksi etil selulosa CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, AS).
Serat logam terbuat dari kawat pendek yang diikat bersama-sama melalui kompresi dan sintering, suatu proses yang dikenal sebagai ekstraksi lelehan wadah (CME)52. Ini berarti bahwa konduktivitas termalnya tidak hanya bergantung pada konduktivitas massal logam yang digunakan dalam pembuatan dan porositas struktur akhir, tetapi juga pada kualitas ikatan antara benang. Serat tidak isotropik dan cenderung terdistribusi dalam arah tertentu selama produksi, yang membuat konduktivitas termal dalam arah melintang jauh lebih rendah.
Sifat penyerapan air diselidiki menggunakan analisis termogravimetri simultan (TGA)/analisis termogravimetri diferensial (DTG) dalam kemasan vakum (Netzsch TG 209 F1 Libra). Pengukuran dilakukan dalam atmosfer nitrogen yang mengalir pada laju aliran 10 ml/menit dan kisaran suhu dari 25 hingga 150°C dalam wadah aluminium oksida. Laju pemanasan adalah 1 °C/menit, berat sampel bervariasi dari 10 hingga 20 mg, resolusinya adalah 0,1 μg. Dalam pekerjaan ini, perlu dicatat bahwa perbedaan massa per satuan permukaan memiliki ketidakpastian yang besar. Sampel yang digunakan dalam TGA-DTG sangat kecil dan dipotong tidak teratur, yang membuat penentuan luasnya tidak akurat. Nilai-nilai ini hanya dapat diekstrapolasi ke area yang lebih besar jika penyimpangan besar diperhitungkan.
Spektrum Fourier transform infrared (ATR-FTIR) refleksi total yang dilemahkan diperoleh pada spektrometer FTIR Bruker Vertex 80 v (Bruker Optik GmbH, Leipzig, Jerman) menggunakan aksesori platinum ATR (Bruker Optik GmbH, Jerman). Spektrum kristal berlian kering murni diukur secara langsung dalam ruang hampa sebelum menggunakan sampel sebagai latar belakang untuk pengukuran eksperimental. Sampel diukur dalam ruang hampa menggunakan resolusi spektral 2 cm-1 dan jumlah pemindaian rata-rata 32. Rentang bilangan gelombang dari 8000 hingga 500 cm-1. Analisis spektral dilakukan menggunakan program OPUS.
Analisis SEM dilakukan menggunakan DSM 982 Gemini dari Zeiss pada tegangan percepatan 2 dan 5 kV. Spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) dilakukan menggunakan Thermo Fischer System 7 dengan detektor pergeseran silikon (SSD) berpendingin Peltier.
Persiapan pelat logam dilakukan sesuai dengan prosedur yang sama dengan yang dijelaskan pada 53. Pertama, rendam pelat dalam asam sulfat 50%. 15 menit. Kemudian, pelat dimasukkan ke dalam larutan natrium hidroksida 1 M selama sekitar 10 detik. Kemudian, sampel dicuci dengan sejumlah besar air suling, lalu direndam dalam air suling selama 30 menit. Setelah perlakuan permukaan awal, sampel direndam dalam larutan jenuh 3%. HEC dan garam target. Terakhir, angkat dan keringkan pada suhu 60°C.
Metode anodisasi meningkatkan dan memperkuat lapisan oksida alami pada logam pasif. Panel aluminium dianodisasi dengan asam sulfat dalam keadaan mengeras dan kemudian disegel dalam air panas. Anodisasi diikuti dengan etsa awal dengan 1 mol/l NaOH (600 detik) diikuti dengan netralisasi dalam 1 mol/l HNO3 (60 detik). Larutan elektrolit adalah campuran 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3, dan 1 M MgSO4 + 7H2O. Anodisasi dilakukan pada (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 selama 1200 detik. Proses penyegelan dilakukan dalam berbagai larutan air garam seperti yang dijelaskan dalam materi (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Sampel direbus di dalamnya selama 1800 detik.
Tiga metode berbeda untuk memproduksi komposit telah diteliti: pelapisan perekat, reaksi langsung, dan perawatan permukaan. Keuntungan dan kerugian dari setiap metode pelatihan dianalisis dan didiskusikan secara sistematis. Pengamatan langsung, pencitraan nano, dan analisis kimia/unsur digunakan untuk mengevaluasi hasilnya.
Anodisasi dipilih sebagai metode perlakuan permukaan konversi untuk meningkatkan daya rekat hidrat garam. Perlakuan permukaan ini menciptakan struktur berpori dari alumina (alumina) langsung pada permukaan aluminium. Secara tradisional, metode ini terdiri dari dua tahap: tahap pertama menciptakan struktur berpori dari aluminium oksida, dan tahap kedua menciptakan lapisan aluminium hidroksida yang menutup pori-pori. Berikut ini adalah dua metode pemblokiran garam tanpa menghalangi akses ke fase gas. Yang pertama terdiri dari sistem sarang lebah menggunakan tabung aluminium oksida (Al2O3) kecil yang diperoleh pada langkah pertama untuk menahan kristal adsorben dan meningkatkan daya rekatnya ke permukaan logam. Sarang lebah yang dihasilkan memiliki diameter sekitar 50 nm dan panjang 200 nm (Gbr. 1a). Seperti disebutkan sebelumnya, rongga-rongga ini biasanya ditutup pada langkah kedua dengan lapisan tipis boehmite Al2O(OH)2 yang didukung oleh proses perebusan tabung alumina. Pada metode kedua, proses penyegelan ini dimodifikasi sedemikian rupa sehingga kristal garam terperangkap dalam lapisan boehmite (Al2O(OH)) yang menutupi secara merata, yang tidak digunakan untuk penyegelan dalam kasus ini. Tahap kedua dilakukan dalam larutan jenuh garam yang sesuai. Pola yang dijelaskan memiliki ukuran dalam kisaran 50–100 nm dan tampak seperti tetesan yang terciprat (Gbr. 1b). Permukaan yang diperoleh sebagai hasil dari proses penyegelan memiliki struktur spasial yang jelas dengan area kontak yang meningkat. Pola permukaan ini, bersama dengan banyak konfigurasi ikatannya, sangat ideal untuk membawa dan menahan kristal garam. Kedua struktur yang dijelaskan tampaknya benar-benar berpori dan memiliki rongga kecil yang tampaknya sangat cocok untuk menahan hidrat garam dan menyerap uap ke garam selama pengoperasian penyerap. Namun, analisis unsur permukaan ini menggunakan EDX dapat mendeteksi sejumlah kecil magnesium dan sulfur pada permukaan boehmite, yang tidak terdeteksi dalam kasus permukaan alumina.
ATR-FTIR sampel mengonfirmasi bahwa unsur tersebut adalah magnesium sulfat (lihat Gambar 2b). Spektrum menunjukkan puncak ion sulfat yang khas pada 610–680 dan 1080–1130 cm–1 dan puncak air kisi yang khas pada 1600–1700 cm–1 dan 3200–3800 cm–1 (lihat Gambar 2a, c). Kehadiran ion magnesium hampir tidak mengubah spektrum54.
(a) EDX pelat aluminium MgSO4 berlapis boehmite, (b) Spektrum ATR-FTIR lapisan boehmite dan MgSO4, (c) Spektrum ATR-FTIR MgSO4 murni.
Mempertahankan efisiensi adsorpsi dikonfirmasi oleh TGA. Pada gambar 3b menunjukkan puncak desorpsi sekitar 60°C. Puncak ini tidak sesuai dengan suhu dua puncak yang diamati dalam TGA garam murni (Gambar 3a). Pengulangan siklus adsorpsi-desorpsi dievaluasi, dan kurva yang sama diamati setelah menempatkan sampel dalam atmosfer lembab (Gambar 3c). Perbedaan yang diamati pada tahap kedua desorpsi mungkin merupakan hasil dehidrasi dalam atmosfer yang mengalir, karena hal ini sering menyebabkan dehidrasi yang tidak lengkap. Nilai-nilai ini sesuai dengan sekitar 17,9 g/m2 pada pengeringan pertama dan 10,3 g/m2 pada pengeringan kedua.
Perbandingan analisis TGA boehmite dan MgSO4: Analisis TGA MgSO4 murni (a), campuran (b) dan setelah rehidrasi (c).
Metode yang sama dilakukan dengan kalsium klorida sebagai adsorben. Hasilnya disajikan dalam Gambar 4. Pemeriksaan visual pada permukaan menunjukkan perubahan kecil pada kilauan metalik. Bulu hampir tidak terlihat. SEM mengonfirmasi keberadaan kristal kecil yang tersebar merata di permukaan. Namun, TGA tidak menunjukkan dehidrasi di bawah 150°C. Hal ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa proporsi garam terlalu kecil dibandingkan dengan total massa substrat untuk dideteksi oleh TGA.
Hasil perlakuan permukaan lapisan tembaga sulfat dengan metode anodisasi ditunjukkan pada gambar 5. Dalam kasus ini, penggabungan CuSO4 yang diharapkan ke dalam struktur Al oksida tidak terjadi. Sebaliknya, jarum longgar diamati karena jarum tersebut umumnya digunakan untuk tembaga hidroksida Cu(OH)2 yang digunakan dengan pewarna pirus biasa.
Perlakuan permukaan anodized juga diuji dalam kombinasi dengan strontium klorida. Hasilnya menunjukkan cakupan yang tidak merata (lihat Gambar 6a). Untuk menentukan apakah garam menutupi seluruh permukaan, analisis EDX dilakukan. Kurva untuk titik di area abu-abu (titik 1 pada Gambar 6b) menunjukkan sedikit strontium dan banyak aluminium. Ini menunjukkan kandungan strontium yang rendah di zona yang diukur, yang pada gilirannya, menunjukkan cakupan strontium klorida yang rendah. Sebaliknya, area putih memiliki kandungan strontium yang tinggi dan kandungan aluminium yang rendah (titik 2–6 pada Gambar 6b). Analisis EDX pada area putih menunjukkan titik-titik yang lebih gelap (titik 2 dan 4 pada Gambar 6b), rendah klorin dan tinggi sulfur. Ini mungkin menunjukkan pembentukan strontium sulfat. Titik-titik yang lebih terang mencerminkan kandungan klorin yang tinggi dan kandungan sulfur yang rendah (titik 3, 5, dan 6 pada Gambar 6b). Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa bagian utama dari lapisan putih terdiri dari strontium klorida yang diharapkan. TGA sampel mengonfirmasi interpretasi analisis dengan puncak pada suhu karakteristik strontium klorida murni (Gbr. 6c). Nilai kecilnya dapat dibenarkan oleh sebagian kecil garam dibandingkan dengan massa penyangga logam. Massa desorpsi yang ditentukan dalam percobaan sesuai dengan jumlah 7,3 g/m2 yang dilepaskan per satuan luas penyerap pada suhu 150°C.
Lapisan seng sulfat yang diolah dengan Eloxal juga diuji. Secara makroskopis, lapisan tersebut merupakan lapisan yang sangat tipis dan seragam (Gbr. 7a). Namun, SEM menunjukkan area permukaan yang ditutupi oleh kristal-kristal kecil yang dipisahkan oleh area kosong (Gbr. 7b). TGA lapisan dan substrat dibandingkan dengan garam murni (Gambar 7c). Garam murni memiliki satu puncak asimetris pada suhu 59,1°C. Aluminium yang dilapisi menunjukkan dua puncak kecil pada suhu 55,5°C dan 61,3°C, yang menunjukkan adanya seng sulfat hidrat. Perbedaan massa yang terungkap dalam percobaan tersebut setara dengan 10,9 g/m2 pada suhu dehidrasi 150°C.
Seperti pada aplikasi sebelumnya53, hidroksi etil selulosa digunakan sebagai pengikat untuk meningkatkan daya rekat dan stabilitas lapisan penyerap. Kompatibilitas material dan efek pada kinerja penyerapan dinilai dengan TGA. Analisis dilakukan dalam kaitannya dengan massa total, yaitu sampel mencakup pelat logam yang digunakan sebagai substrat pelapis. Daya rekat diuji dengan uji berdasarkan uji takik silang yang ditetapkan dalam spesifikasi ISO2409 (tidak dapat memenuhi spesifikasi pemisahan takik tergantung pada ketebalan dan lebar spesifikasi).
Pelapisan panel dengan kalsium klorida (CaCl2) (lihat Gambar 8a) menghasilkan distribusi yang tidak merata, yang tidak diamati pada lapisan aluminium murni yang digunakan untuk uji takik melintang. Dibandingkan dengan hasil untuk CaCl2 murni, TGA (Gambar 8b) menunjukkan dua puncak karakteristik bergeser ke arah suhu yang lebih rendah masing-masing 40 dan 20°C. Uji penampang tidak memungkinkan perbandingan yang objektif karena sampel CaCl2 murni (sampel di sebelah kanan pada Gambar 8c) adalah endapan bubuk, yang menghilangkan partikel paling atas. Hasil HEC menunjukkan lapisan yang sangat tipis dan seragam dengan daya rekat yang memuaskan. Perbedaan massa yang ditunjukkan pada gambar 8b sesuai dengan 51,3 g/m2 per satuan luas penyerap pada suhu 150°C.
Hasil positif dalam hal adhesi dan keseragaman juga diperoleh dengan magnesium sulfat (MgSO4) (lihat Gambar 9). Analisis proses desorpsi lapisan menunjukkan adanya satu puncak sekitar 60°C. Suhu ini sesuai dengan langkah desorpsi utama yang terlihat dalam dehidrasi garam murni, yang mewakili langkah lain pada 44°C. Ini sesuai dengan transisi dari heksahidrat menjadi pentahidrat dan tidak diamati dalam kasus pelapisan dengan pengikat. Uji penampang menunjukkan distribusi dan adhesi yang lebih baik dibandingkan dengan pelapisan yang dibuat menggunakan garam murni. Perbedaan massa yang diamati dalam TGA-DTC sesuai dengan 18,4 g/m2 per satuan luas penyerap pada suhu 150°C.
Karena ketidakteraturan permukaan, strontium klorida (SrCl2) memiliki lapisan yang tidak rata pada siripnya (Gbr. 10a). Namun, hasil uji takik melintang menunjukkan distribusi yang seragam dengan daya rekat yang meningkat secara signifikan (Gbr. 10c). Analisis TGA menunjukkan perbedaan berat yang sangat kecil, yang pasti disebabkan oleh kandungan garam yang lebih rendah dibandingkan dengan substrat logam. Namun, langkah-langkah pada kurva menunjukkan adanya proses dehidrasi, meskipun puncaknya dikaitkan dengan suhu yang diperoleh saat mengkarakterisasi garam murni. Puncak pada 110°C dan 70,2°C yang diamati pada Gbr. 10b juga ditemukan saat menganalisis garam murni. Namun, langkah dehidrasi utama yang diamati pada garam murni pada 50°C tidak tercermin dalam kurva menggunakan pengikat. Sebaliknya, campuran pengikat menunjukkan dua puncak pada 20,2°C dan 94,1°C, yang tidak diukur untuk garam murni (Gbr. 10b). Pada suhu 150 °C, perbedaan massa yang diamati sesuai dengan 7,2 g/m2 per satuan luas penyerap.
Kombinasi HEC dan seng sulfat (ZnSO4) tidak memberikan hasil yang dapat diterima (Gambar 11). Analisis TGA pada logam yang dilapisi tidak menunjukkan adanya proses dehidrasi. Meskipun distribusi dan daya rekat lapisan telah membaik, sifat-sifatnya masih jauh dari optimal.
Cara paling sederhana untuk melapisi serat logam dengan lapisan tipis dan seragam adalah impregnasi basah (Gbr. 12a), yang meliputi persiapan garam target dan impregnasi serat logam dengan larutan berair.
Saat mempersiapkan impregnasi basah, dua masalah utama ditemui. Di satu sisi, tegangan permukaan larutan garam mencegah penggabungan cairan yang benar ke dalam struktur berpori. Kristalisasi pada permukaan luar (Gbr. 12d) dan gelembung udara yang terperangkap di dalam struktur (Gbr. 12c) hanya dapat dikurangi dengan menurunkan tegangan permukaan dan membasahi sampel terlebih dahulu dengan air suling. Pelarutan paksa dalam sampel dengan mengeluarkan udara di dalam atau dengan menciptakan aliran larutan dalam struktur adalah cara efektif lainnya untuk memastikan pengisian struktur secara menyeluruh.
Masalah kedua yang ditemui selama persiapan adalah penghilangan lapisan film dari sebagian garam (lihat Gambar 12b). Fenomena ini ditandai dengan terbentuknya lapisan kering pada permukaan pelarutan, yang menghentikan pengeringan yang dirangsang secara konvektif dan memulai proses yang dirangsang oleh difusi. Mekanisme kedua jauh lebih lambat daripada yang pertama. Akibatnya, diperlukan suhu tinggi untuk waktu pengeringan yang wajar, yang meningkatkan risiko terbentuknya gelembung di dalam sampel. Masalah ini dipecahkan dengan memperkenalkan metode kristalisasi alternatif yang tidak didasarkan pada perubahan konsentrasi (penguapan), tetapi pada perubahan suhu (seperti pada contoh dengan MgSO4 pada Gambar 13).
Representasi skematis proses kristalisasi selama pendinginan dan pemisahan fase padat dan cair menggunakan MgSO4.
Larutan garam jenuh dapat disiapkan pada atau di atas suhu ruangan (HT) menggunakan metode ini. Dalam kasus pertama, kristalisasi dipaksakan dengan menurunkan suhu di bawah suhu ruangan. Dalam kasus kedua, kristalisasi terjadi ketika sampel didinginkan hingga suhu ruangan (RT). Hasilnya adalah campuran kristal (B) dan terlarut (A), yang bagian cairnya dihilangkan dengan udara bertekanan. Pendekatan ini tidak hanya menghindari pembentukan lapisan tipis pada hidrat ini, tetapi juga mengurangi waktu yang diperlukan untuk persiapan komposit lainnya. Namun, penghilangan cairan dengan udara bertekanan menyebabkan kristalisasi garam tambahan, sehingga menghasilkan lapisan yang lebih tebal.
Metode lain yang dapat digunakan untuk melapisi permukaan logam melibatkan produksi langsung garam target melalui reaksi kimia. Penukar panas berlapis yang dibuat melalui reaksi asam pada permukaan logam sirip dan tabung memiliki sejumlah keunggulan, seperti yang dilaporkan dalam penelitian kami sebelumnya. Penerapan metode ini pada serat menghasilkan hasil yang sangat buruk karena terbentuknya gas selama reaksi. Tekanan gelembung gas hidrogen terbentuk di dalam probe dan bergeser saat produk dikeluarkan (Gbr. 14a).
Lapisan tersebut telah dimodifikasi melalui reaksi kimia untuk mengendalikan ketebalan dan distribusi lapisan dengan lebih baik. Metode ini melibatkan pengaliran aliran kabut asam melalui sampel (Gambar 14b). Hal ini diharapkan menghasilkan lapisan yang seragam melalui reaksi dengan logam substrat. Hasilnya memuaskan, tetapi prosesnya terlalu lambat untuk dianggap sebagai metode yang efektif (Gbr. 14c). Waktu reaksi yang lebih singkat dapat dicapai dengan pemanasan lokal.
Untuk mengatasi kelemahan metode di atas, metode pelapisan berdasarkan penggunaan perekat telah dipelajari. HEC dipilih berdasarkan hasil yang disajikan pada bagian sebelumnya. Semua sampel disiapkan pada 3% berat. Pengikat dicampur dengan garam. Serat diolah terlebih dahulu sesuai dengan prosedur yang sama seperti untuk tulang rusuk, yaitu direndam dalam 50% vol. dalam waktu 15 menit. asam sulfat, kemudian direndam dalam natrium hidroksida selama 20 detik, dicuci dalam air suling dan akhirnya direndam dalam air suling selama 30 menit. Dalam hal ini, langkah tambahan ditambahkan sebelum impregnasi. Celupkan sampel sebentar dalam larutan garam target encer dan keringkan pada suhu sekitar 60°C. Proses ini dirancang untuk memodifikasi permukaan logam, menciptakan lokasi nukleasi yang meningkatkan distribusi pelapisan pada tahap akhir. Struktur berserat memiliki satu sisi di mana filamen lebih tipis dan padat, dan sisi yang berlawanan di mana filamen lebih tebal dan kurang terdistribusi. Ini adalah hasil dari 52 proses manufaktur.
Hasil untuk kalsium klorida (CaCl2) dirangkum dan diilustrasikan dengan gambar pada Tabel 1. Cakupan yang baik setelah inokulasi. Bahkan untaian tanpa kristal yang terlihat di permukaan telah mengurangi pantulan metalik, yang menunjukkan perubahan pada lapisan akhir. Namun, setelah sampel diresapi dengan campuran berair CaCl2 dan HEC dan dikeringkan pada suhu sekitar 60°C, pelapisan terkonsentrasi di persimpangan struktur. Ini adalah efek yang disebabkan oleh tegangan permukaan larutan. Setelah perendaman, cairan tetap berada di dalam sampel karena tegangan permukaannya. Pada dasarnya itu terjadi di persimpangan struktur. Sisi terbaik spesimen memiliki beberapa lubang yang diisi dengan garam. Berat meningkat sebesar 0,06 g/cm3 setelah pelapisan.
Pelapisan dengan magnesium sulfat (MgSO4) menghasilkan lebih banyak garam per satuan volume (Tabel 2). Dalam kasus ini, kenaikan yang diukur adalah 0,09 g/cm3. Proses penyemaian menghasilkan cakupan sampel yang luas. Setelah proses pelapisan, garam menghalangi area yang luas dari sisi tipis sampel. Selain itu, beberapa area matte terhalang, tetapi beberapa porositas dipertahankan. Dalam kasus ini, pembentukan garam mudah diamati di persimpangan struktur, yang mengonfirmasi bahwa proses pelapisan terutama disebabkan oleh tegangan permukaan cairan, dan bukan interaksi antara garam dan substrat logam.
Hasil untuk kombinasi strontium klorida (SrCl2) dan HEC menunjukkan sifat yang mirip dengan contoh sebelumnya (Tabel 3). Dalam kasus ini, sisi sampel yang lebih tipis hampir tertutup seluruhnya. Hanya pori-pori individual yang terlihat, terbentuk selama pengeringan akibat pelepasan uap dari sampel. Pola yang diamati pada sisi matte sangat mirip dengan kasus sebelumnya, area tersebut terhalang oleh garam dan serat tidak tertutup seluruhnya.
Untuk mengevaluasi efek positif dari struktur berserat pada kinerja termal penukar panas, konduktivitas termal efektif dari struktur berserat berlapis ditentukan dan dibandingkan dengan bahan pelapis murni. Konduktivitas termal diukur menurut ASTM D 5470-2017 menggunakan perangkat panel datar yang ditunjukkan pada Gambar 15a menggunakan bahan referensi dengan konduktivitas termal yang diketahui. Dibandingkan dengan metode pengukuran transien lainnya, prinsip ini menguntungkan untuk bahan berpori yang digunakan dalam studi saat ini, karena pengukuran dilakukan dalam keadaan stabil dan dengan ukuran sampel yang cukup (luas dasar 30 × 30 mm2, tinggi sekitar 15 mm). Sampel bahan pelapis murni (referensi) dan struktur serat berlapis disiapkan untuk pengukuran ke arah serat dan tegak lurus terhadap arah serat untuk mengevaluasi efek konduktivitas termal anisotropik. Spesimen digiling di permukaan (pasir P320) untuk meminimalkan efek kekasaran permukaan karena persiapan spesimen, yang tidak mencerminkan struktur di dalam spesimen.