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吸着式冷凍システムとヒートポンプの市場シェアは、従来のコンプレッサーシステムに比べてまだ比較的小さいです。（高価な電気工事の代わりに）安価な熱を使用するという大きな利点にもかかわらず、吸着原理に基づくシステムの実装は依然としていくつかの特定の用途に限定されています。除去する必要がある主な欠点は、吸着剤の低い熱伝導率と低い安定性による比出力の低下です。現在の最先端の商業用吸着冷凍システムは、冷却能力を最適化するためにコーティングされたプレート熱交換器をベースとした吸着器に基づいています。コーティングの厚さを減少させると物質移動インピーダンスが減少し、導電性構造の体積に対する表面積の比を増加させると、効率を損なうことなく電力が増加するという結果がよく知られています。この研究で使用される金属繊維は、2500 ～ 50,000 m2/m3 の範囲の比表面積を提供できます。コーティングを製造するために、金属繊維を含む金属表面上に塩水和物の非常に薄いが安定したコーティングを得る 3 つの方法により、高出力密度の熱交換器が初めて実証されました。アルミニウム陽極酸化をベースとした表面処理は、コーティングと基材の間により強い結合を生み出すために選択されます。得られた表面の微細構造は、走査型電子顕微鏡を使用して分析されました。全反射低減フーリエ変換赤外分光法とエネルギー分散型 X 線分光法を使用して、アッセイ内に目的の種が存在するかどうかを確認しました。水和物を形成するそれらの能力は、熱重量分析 (TGA)/示差熱重量分析 (DTG) の組み合わせによって確認されました。MgSO4 コーティングでは 0.07 g (水)/g (複合材料) を超える低品質が見つかり、約 60 °C で脱水の兆候が見られ、再水和後に再現可能でした。100 °C 未満で質量差が約 0.02 g/g の SrCl2 と ZnSO4 を使用しても肯定的な結果が得られました。コーティングの安定性と密着性を高めるための添加剤としてヒドロキシエチルセルロースが選択されました。製品の吸着特性は同時 TGA-DTG によって評価され、その接着力は ISO2409 に記載されている試験に基づく方法によって特性評価されました。CaCl2 コーティングの粘稠度および接着性は、100 °C 未満の温度で約 0.1 g/g の重量差で吸着能力を維持しながら、大幅に向上します。さらに、MgSO4 は水和物を形成する能力を保持しており、100 °C 未満の温度では 0.04 g/g を超える質量差を示します。最後に、コーティングされた金属繊維を検査します。結果は、Al2(SO4)3 でコーティングされた繊維構造の有効熱伝導率が、純粋な Al2(SO4)3 の体積と比較して 4.7 倍高くなる可能性があることを示しています。研究したコーティングのコーティングを視覚的に検査し、断面の顕微鏡画像を使用して内部構造を評価しました。厚さ約 50 μm の Al2(SO4)3 コーティングが得られましたが、より均一な分布を達成するにはプロセス全体を最適化する必要があります。
吸着システムは、従来の圧縮ヒートポンプや冷凍システムに代わる環境に優しい代替手段として、過去数十年にわたって多くの注目を集めてきました。快適さの基準と世界の平均気温の上昇により、近い将来、吸着システムは化石燃料への依存を減らす可能性があります。さらに、吸着冷凍やヒートポンプの改善は熱エネルギー貯蔵に応用でき、一次エネルギーの効率的な利用の可能性がさらに高まります。吸着式ヒートポンプと冷凍システムの主な利点は、低い熱量で動作できることです。そのため、太陽エネルギーや廃熱などの低温源に適しています。エネルギー貯蔵用途の観点から見ると、吸着には顕熱または潜熱貯蔵と比較してエネルギー密度が高く、エネルギー散逸が少ないという利点があります。
吸着ヒートポンプと冷凍システムは、対応する蒸気圧縮システムと同じ熱力学サイクルに従います。主な違いは、コンプレッサーのコンポーネントが吸着剤に置き換えられたことです。このエレメントは、適度な温度で低圧の冷媒蒸気を吸着することができ、液体が冷たい場合でもより多くの冷媒を蒸発させます。吸着エンタルピー (発熱) を排除するには、吸着器を常に冷却する必要があります。吸着剤は高温で再生され、冷媒蒸気が脱着します。加熱は、脱着エンタルピー (吸熱) を提供し続ける必要があります。吸着プロセスは温度変化によって特徴付けられるため、高い出力密度には高い熱伝導率が必要です。ただし、ほとんどの用途では、熱伝導率が低いことが主な欠点です。
導電率の主な問題は、吸着/脱着蒸気の流れを提供する輸送経路を維持しながら、その平均値を高めることです。これを実現するには、複合熱交換器とコーティング熱交換器という 2 つのアプローチが一般的に使用されます。最も一般的で成功している複合材料は、炭素ベースの添加剤、つまり膨張黒鉛、活性炭、または炭素繊維を使用したものです。オリベイラら。2 膨張黒鉛粉末に塩化カルシウムを含浸させ、比冷却能力 (SCP) が最大 306 W/kg、成績係数 (COP) が最大 0.46 の吸着剤を製造しました。ザヤコウスキーら。3 は、総伝導率が 15 W/mK の膨張黒鉛、炭素繊維、塩化カルシウムの組み合わせを提案しました。Jian ら 4 は、硫酸処理した膨張天然黒鉛 (ENG-TSA) を基材として使用した複合材料を 2 段階の吸着冷却サイクルでテストしました。このモデルは、COP を 0.215 ～ 0.285、SCP を 161.4 ～ 260.74 W/kg と予測しました。
これまでのところ最も実現可能な解決策は、コーティングされた熱交換器です。これらの熱交換器のコーティング機構は、直接合成と接着剤の 2 つのカテゴリに分類できます。最も成功した方法は直接合成です。これは、適切な試薬から熱交換器の表面に吸着材料を直接形成することを伴います。Sotech5 は、Fahrenheit GmbH が製造する一連の冷却器に使用するコーティングされたゼオライトを合成する方法の特許を取得しました。Schnabel ら 6 は、ステンレス鋼上にコーティングされた 2 つのゼオライトの性能をテストしました。ただし、この方法は特定の吸着剤でのみ機能するため、接着剤によるコーティングは興味深い代替手段となります。バインダーは、吸着剤の接着や物質移動をサポートするために選択される受動的な物質ですが、吸着や導電率の向上には何の役割も果たしません。フレニら。粘土ベースのバインダーで安定化された AQSOA-Z02 ゼオライトでコーティングされた 7 つのアルミニウム熱交換器。Calabrese ら 8 は、ポリマーバインダーを使用したゼオライトコーティングの調製を研究しました。Ammannら9は、ポリビニルアルコールの磁性混合物から多孔質ゼオライトコーティングを調製する方法を提案した。アルミナ（アルミナ）は、吸着器のバインダー 10 としても使用されます。私たちの知る限り、セルロースとヒドロキシエチルセルロースは物理吸着剤と組み合わせてのみ使用されます11、12。場合によっては、接着剤はペイントに使用されず、構造体 13 を単独で構築するために使用されます。アルギン酸ポリマーマトリックスと複数の塩水和物を組み合わせることで、乾燥中の漏れを防ぎ、適切な物質移動を実現する柔軟な複合ビーズ構造が形成されます。ベントナイトやアタパルジャイトなどの粘土は、複合材料の調製のための結合剤として使用されてきました15、16、17。エチルセルロースは、塩化カルシウム 18 または硫化ナトリウム 19 をマイクロカプセル化するために使用されています。
多孔質金属構造を有する複合材料は、添加熱交換器とコーティング熱交換器に分類できます。これらの構造の利点は、比表面積が高いことです。これにより、不活性物質を追加することなく吸着剤と金属間の接触面が大きくなり、冷凍サイクルの全体的な効率が低下します。ラングら。２０は、アルミニウムハニカム構造を有するゼオライト吸着体の全体的な導電率を改善した。ギラーミノットら。21 は、銅とニッケルの発泡体を使用して NaX ゼオライト層の熱伝導率を改善しました。複合材料は相変化材料 (PCM) として使用されますが、Li らの発見は次のとおりです。22およびZhaoら。23 は化学吸着にも興味深いものです。彼らは膨張黒鉛と金属発泡体の性能を比較し、腐食が問題にならない場合にのみ後者の方が好ましいと結論付けました。パロンバら。彼らは最近、他の金属多孔質構造を比較しました24。ファン・デル・パルら。は、発泡体に埋め込まれた金属塩を研究している 25 。これまでのすべての例は、粒子吸着剤の緻密な層に対応します。金属多孔質構造は、吸着剤のコーティングには実際には使用されませんが、これはより最適な解決策です。ゼオライトへの結合の例は、Wittstadt et al.しかし、エネルギー密度がより高いにもかかわらず、塩水和物を結合する試みはなされていない 27 。
したがって、この記事では、吸着剤コーティングを調製する 3 つの方法、(1) バインダーコーティング、(2) 直接反応、および (3) 表面処理について検討します。ヒドロキシエチルセルロースは、以前に報告された安定性と物理的吸着剤との組み合わせでの良好なコーティング密着性により、この研究で選択されたバインダーでした。この方法は、当初はフラット コーティング用に研究され、その後金属繊維構造に適用されました。以前、吸着剤コーティングの形成に伴う化学反応の可能性についての予備分析が報告されました。以前の経験は現在、金属繊維構造のコーティングに応用されています。今回選んだ表面処理はアルミアルマイトをベースとした方法です。アルミニウムの陽極酸化処理は、美観を目的として金属塩とうまく組み合わされています29。このような場合、非常に安定した耐食性のコーティングが得られます。ただし、吸着または脱着プロセスを実行することはできません。この論文では、元のプロセスの粘着特性を使用して質量を移動できるようにする、このアプローチの変形を紹介します。私たちの知る限り、ここで説明されている方法はどれもこれまでに研究されたものではありません。これらは、頻繁に研究されている物理吸着剤に比べて多くの利点がある水和吸着剤コーティングの形成を可能にするため、非常に興味深い新技術です。
これらの実験の基板として使用した打ち抜きアルミニウム板は、チェコ共和国の ALINVEST Břidličná から提供されました。アルミニウム 98.11%、鉄 1.3622%、マンガン 0.3618%、および微量の銅、マグネシウム、シリコン、チタン、亜鉛、クロム、ニッケルが含まれています。
複合材料の製造に選択される材料は、その熱力学的特性に従って、つまり 120°C 未満の温度で吸着/脱着できる水の量に応じて選択されます。
硫酸マグネシウム (MgSO4) は、最も興味深く研究されている水和塩の 1 つです 30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41。熱力学特性は系統的に測定されており、吸着冷凍、ヒートポンプ、エネルギー貯蔵の分野での用途に適していることがわかっています。乾燥硫酸マグネシウム CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH、Filsum、ニーダーザクセン、ドイツ) を使用しました。
塩化カルシウム (CaCl2) (H319) は、その水和物に興味深い熱力学特性があるため、よく研究されているもう 1 つの塩です 41、42、43、44。塩化カルシウム六水和物 CAS-No.7774-34-7 97% 使用 (Grüssing, GmbH、Filsum、ニーダーザクセン、ドイツ)。
硫酸亜鉛 (ZnSO4) (H3O2、H318、H410) およびその水和物は、低温吸着プロセスに適した熱力学特性を備えています 45,46。硫酸亜鉛七水和物 CAS-Nr.7733-02-0 99.5% (Grüssing GmbH、Filsum、ニーダーザクセン、ドイツ) を使用しました。
塩化ストロンチウム (SrCl2) (H318) も興味深い熱力学特性を持っています 4,45,47 が、吸着ヒートポンプやエネルギー貯蔵の研究ではアンモニアと組み合わせて使用​​されることがよくあります。合成には塩化ストロンチウム六水和物 CAS-Nr.10.476-85-4 99.0 ～ 102.0% (Sigma Aldrich、米国ミズーリ州セントルイス) を使用しました。
硫酸銅 (CuSO4) (H302、H315、H319、H410) は専門文献で頻繁に見られる水和物ではありませんが、その熱力学特性は低温用途で興味深いものです 48,49。合成には硫酸銅 CAS-Nr.7758-99-8 99% (Sigma Aldrich、セントルイス、ミズーリ州、米国) を使用しました。
塩化マグネシウム (MgCl2) は、熱エネルギー貯蔵の分野で最近注目を集めている水和塩の 1 つです 50,51。塩化マグネシウム六水和物 CAS-Nr.7791-18-6 の純粋な医薬品グレード (Applichem GmbH.、ダルムシュタット、ドイツ) を実験に使用しました。
前述したように、ヒドロキシエチル セルロースが選択されたのは、同様の用途で良好な結果が得られたためです。合成に使用した材料は、ヒドロキシエチルセルロース CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich、セントルイス、ミズーリ州、米国) です。
金属繊維は、圧縮および焼結によって結合された短いワイヤから作られます。このプロセスは、るつぼ溶融抽出 (CME) として知られています52。これは、熱伝導率が製造に使用される金属のバルク伝導率や最終構造の多孔性に依存するだけでなく、糸間の結合の品質にも依存することを意味します。繊維は等方性ではなく、製造中に特定の方向に分布する傾向があるため、横方向の熱伝導率が大幅に低くなります。
吸水特性は、真空パッケージ (Netzsch TG 209 F1 Libra) 内で同時熱重量分析 (TGA)/示差熱重量分析 (DTG) を使用して調査されました。測定は、酸化アルミニウムるつぼ内で、流速10 ml/min、温度範囲25～150℃の窒素流動雰囲気中で実施されました。加熱速度は 1 °C/min、サンプル重量は 10 ～ 20 mg の範囲で変化し、分解能は 0.1 μg でした。この研究では、単位表面あたりの質量差には大きな不確実性があることに注意する必要があります。TGA-DTG で使用されるサンプルは非常に小さく、不規則に切断されているため、面積の測定が不正確になります。これらの値は、大きな偏差を考慮した場合にのみ、より大きな領域に外挿できます。
減衰全反射フーリエ変換赤外 (ATR-FTIR) スペクトルは、ATR プラチナ アクセサリー (Bruker Optik GmbH、ドイツ) を使用して、Bruker Vertex 80 v FTIR 分光計 (Bruker Optik GmbH、ライプツィヒ、ドイツ) で取得しました。純粋な乾燥ダイヤモンド結晶のスペクトルは、サンプルを実験測定のバックグラウンドとして使用する前に、真空中で直接測定されました。サンプルは、スペクトル分解能 2 cm-1、平均スキャン数 32 を使用して真空中で測定されました。波数範囲は 8000 ～ 500 cm-1 です。スペクトル分析はOPUSプログラムを使用して実行されました。
ＳＥＭ分析は、ＺｅｉｓｓのＤＳＭ ９８２ Ｇｅｍｉｎｉを使用し、加速電圧２ｋＶおよび５ｋＶで実施した。エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX) は、ペルチェ冷却シリコン ドリフト検出器 (SSD) を備えた Thermo Fischer System 7 を使用して実行されました。
金属板の作製は53と同様の手順で行いました。まず、50%硫酸に浸漬します。15分。次いで、それらを１Ｍ水酸化ナトリウム溶液中に約１０秒間導入した。次いで、サンプルを大量の蒸留水で洗浄し、その後、蒸留水に３０分間浸漬した。予備表面処理後、サンプルを 3% 飽和溶液に浸漬しました。HEC と目標塩。最後に取り出して60℃で乾燥させます。
陽極酸化法は、不動態金属上の自然酸化層を強化し、強化します。アルミニウムパネルは硬化した状態で硫酸で陽極酸化処理され、その後熱水中で密封されました。陽極酸化処理は、1 mol/l NaOH (600 秒) による最初のエッチングに続き、1 mol/l HNO3 (60 秒) で中和されました。電解質溶液は、2.3 M H2SO4、0.01 M Al2(SO4)3、および 1 M MgSO4 + 7H2O の混合物です。陽極酸化は、(40±1)℃、30mA/cm2で1200秒間実行されました。封止プロセスは、資料に記載されているさまざまなブライン溶液 (MgSO4、CaCl2、ZnSO4、SrCl2、CuSO4、MgCl2) 中で実行されました。サンプルはその中で 1800 秒間煮沸されます。
複合材料を製造するための 3 つの異なる方法 (接着剤コーティング、直接反応、および表面処理) が研究されています。各トレーニング方法の長所と短所が体系的に分析され、議論されます。結果を評価するために、直接観察、ナノイメージング、および化学/元素分析が使用されました。
塩水和物の付着力を高めるための化成表面処理方法として陽極酸化処理が選択されました。アルミニウム表面にアルミナ（アルミナ）の多孔質構造を直接形成する表面処理です。従来、この方法は 2 つの段階で構成されています。第 1 段階では酸化アルミニウムの多孔質構造を作成し、第 2 段階では細孔を閉じる水酸化アルミニウムのコーティングを作成します。以下は、気相へのアクセスを遮断せずに塩を遮断する 2 つの方法です。1 つ目は、最初のステップで得られた小さな酸化アルミニウム (Al2O3) チューブを使用したハニカム システムで構成され、吸着剤の結晶を保持し、金属表面への接着力を高めます。得られたハニカムは、直径約 50 nm、長さ 200 nm です (図 1a)。前述したように、これらの空洞は通常、第 2 ステップでアルミナ管沸騰プロセスによってサポートされた Al2O(OH)2 ベーマイトの薄層で閉じられます。2 番目の方法では、この封止プロセスは塩の結晶がベーマイト (Al2O(OH)) の均一な被覆層に捕捉されるように変更されますが、この場合封止には使用されません。第二段階は、対応する塩の飽和溶液中で行われます。記載されているパターンのサイズは 50 ～ 100 nm で、飛び散った水滴のように見えます (図 1b)。シールプロセスの結果として得られる表面は、接触面積が増加した顕著な空間構造を持ちます。この表面パターンとその多くの結合構成は、塩の結晶を運び、保持するのに理想的です。記載されている両方の構造は真に多孔質であるようで、小さな空洞があり、吸着器の動作中に塩水和物を保持し、蒸気を塩に吸着するのに適していると思われます。しかし、EDX を使用したこれらの表面の元素分析では、ベーマイトの表面に微量のマグネシウムと硫黄が検出されますが、アルミナ表面の場合は検出されません。
サンプルの ATR-FTIR により、元素が硫酸マグネシウムであることが確認されました (図 2b を参照)。スペクトルは、610 ～ 680 および 1080 ～ 1130 cm-1 に特徴的な硫酸イオンのピークと、1600 ～ 1700 cm-1 および 3200 ～ 3800 cm-1 に特徴的な格子水のピークを示しています（図 2a、c を参照）。）。マグネシウムイオンの存在はスペクトルをほとんど変化させません54。
(a) ベーマイトでコーティングされた MgSO4 アルミニウム板の EDX、(b) ベーマイトおよび MgSO4 コーティングの ATR-FTIR スペクトル、(c) 純粋な MgSO4 の ATR-FTIR スペクトル。
吸着効率が維持されていることをTGAにより確認しました。図上。図３ｂは、約１００μｍの脱離ピークを示している。60℃。このピークは、純粋な塩の TGA で観察される 2 つのピークの温度に対応しません (図 3a)。吸着・脱着サイクルの再現性を評価したところ、サンプルを湿潤雰囲気に置いた後も同じ曲線が観察されました（図3c）。脱着の第 2 段階で観察される差異は、流動雰囲気中での脱水の結果である可能性があります。これは、不完全な脱水につながることがよくあります。これらの値は、1 回目の脱水では約 17.9 g/m2、2 回目の脱水では約 10.3 g/m2 に相当します。
ベーマイトと MgSO4 の TGA 分析の比較: 純粋な MgSO4 (a)、混合物 (b)、および再水和後の TGA 分析 (c)。
吸着剤として塩化カルシウムを使用して同じ方法を実行しました。結果を図 4 に示します。表面を目視検査すると、金属の輝きにわずかな変化が見られました。毛皮はほとんど見えません。SEM により、表面全体に均一に分布した小さな結晶の存在が確認されました。しかし、TGA では 150℃ 以下では脱水は見られませんでした。これは、TGA による検出には塩の割合が基質の総質量に比べて小さすぎるためである可能性があります。
硫酸銅皮膜を陽極酸化法により表面処理した結果を図1に示します。この場合、予想されたＣｕＳＯ４のＡｌ酸化物構造への取り込みは起こらなかった。代わりに、典型的なターコイズ染料で使用される水酸化銅 Cu(OH)2 によく使用される緩い針状のものが観察されます。
陽極酸化表面処理は、塩化ストロンチウムと組み合わせてテストされました。結果は、不均一なカバレッジを示しました (図 6a を参照)。塩が表面全体を覆っているかどうかを判断するために、EDX 分析が実行されました。灰色の領域の点 (図 6b の点 1) の曲線は、ストロンチウムがほとんどなく、アルミニウムが多量であることを示しています。これは、測定ゾーンのストロンチウムの含有量が低いことを示しており、ひいては塩化ストロンチウムの被覆率が低いことを示しています。逆に、白い領域にはストロンチウムの含有量が高く、アルミニウムの含有量が低くなります（図 6b のポイント 2 ～ 6）。白い領域の EDX 分析では、塩素が少なく硫黄が多い、濃い色の点 (図 6b の点 2 および 4) が示されています。これは硫酸ストロンチウムの形成を示している可能性があります。より明るいドットは、高い塩素含有量と低い硫黄含有量を反映しています (図 6b のポイント 3、5、および 6)。これは、白色コーティングの主要部分が予想される塩化ストロンチウムで構成されているという事実によって説明できます。サンプルの TGA は、純粋な塩化ストロンチウムの特性温度でのピークによる分析の解釈を確認しました (図 6c)。それらの値が小さいことは、金属担体の質量と比較して塩の割合が少ないことによって正当化されます。実験で決定された脱着質量は、150℃の温度で吸着体の単位面積あたり放出される7.3 g/m2の量に相当します。
エロキサール処理された硫酸亜鉛コーティングもテストされました。巨視的に見ると、コーティングは非常に薄く均一な層です (図 7a)。しかし、SEMでは、空の領域によって分離された小さな結晶で覆われた表面領域が明らかになりました（図7b）。コーティングと基材の TGA を純粋な塩の TGA と比較しました (図 7c)。純粋な塩には、59.1℃に 1 つの非対称ピークがあります。コーティングされたアルミニウムは、55.5℃と61.3℃に2つの小さなピークを示し、硫酸亜鉛水和物の存在を示しました。実験で明らかになった質量差は、150℃の脱水温度で 10.9 g/m2 に相当します。
前回の出願 53 と同様に、吸着剤コーティングの接着性と安定性を向上させるために、ヒドロキシエチル セルロースがバインダーとして使用されました。材料の適合性と吸着性能への影響は、TGA によって評価されました。分析は総質量に関して実行されます。つまり、サンプルにはコーティング基材として使用される金属プレートが含まれます。ISO2409仕様に規定されたクロスノッチ試験に準じた試験により密着性を試験します（仕様の厚みや幅によってはノッチ分離仕様を満たせない場合もあります）。
パネルを塩化カルシウム（CaCl2）でコーティングすると（図8aを参照）、不均一な分布が生じましたが、これは横ノッチ試験に使用した純アルミニウムコーティングでは観察されませんでした。純粋な CaCl2 の結果と比較して、TGA (図 8b) は、それぞれ 40 ℃と 20℃の低温側にシフトした 2 つの特徴的なピークを示しています。純粋な CaCl2 サンプル (図 8c の右側のサンプル) は粉末状の沈殿物であり、最上部の粒子が除去されているため、断面テストでは客観的な比較ができません。HEC の結果は、満足のいく接着力を備えた非常に薄く均一なコーティングを示しました。質量の差を図に示します。8bは、150℃の温度における吸着体の単位面積あたり51.3 g/m2に相当します。
硫酸マグネシウム (MgSO4) を使用しても、接着力と均一性の点で良好な結果が得られました (図 9 を参照)。コーティングの脱着プロセスを分析したところ、約 100 μm の 1 つのピークの存在が示されました。60℃。この温度は、純粋な塩の脱水で見られる主な脱着ステップに対応し、44℃での別のステップを表します。これは六水和物から五水和物への遷移に対応し、バインダーを使用したコーティングの場合には観察されません。断面テストでは、純粋な塩を使用して作成したコーティングと比較して、分布と密着性が向上していることが示されています。TGA-DTC で観察された質量差は、温度 150 °C での吸着体の単位面積あたり 18.4 g/m2 に相当します。
表面の不規則性により、塩化ストロンチウム (SrCl2) はフィン上に不均一なコーティングを持ちます (図 10a)。しかし、横方向のノッチテストの結果は、均一な分布を示し、接着力が大幅に向上しました (図 10c)。TGA 分析では、重量の差が非常に小さいことが示されました。これは、金属基材と比較して塩含有量が低いためと考えられます。ただし、ピークは純粋な塩の特性を評価するときに得られる温度に関連していますが、曲線上のステップは脱水プロセスの存在を示しています。図1および2で観察された110℃および70.2℃のピークは、次のとおりです。純粋な塩を分析すると、10b も見つかりました。しかし、50℃で純粋な塩で観察された主な脱水段階は、結合剤を使用した曲線には反映されていませんでした。対照的に、結合剤混合物は20.2℃と94.1℃に2つのピークを示しましたが、これらは純粋な塩では測定されませんでした（図10b）。150 °C の温度で、観察された質量差は、吸着体の単位面積あたり 7.2 g/m2 に相当します。
HEC と硫酸亜鉛 (ZnSO4) の組み合わせでは、許容できる結果が得られませんでした (図 11)。コーティングされた金属の TGA 分析では、脱水プロセスは明らかになりませんでした。コーティングの分布と密着性は改善されましたが、その特性は依然として最適には程遠いです。
金属繊維を薄く均一な層でコーティングする最も簡単な方法は湿式含浸です (図 12a)。これには、目的の塩の調製と水溶液による金属繊維の含浸が含まれます。
湿式含浸の準備をする場合、2 つの主な問題に遭遇します。一方で、食塩水の表面張力により、液体が多孔質構造に正しく取り込まれることが妨げられます。外表面の結晶化 (図 12d) と構造内部に閉じ込められた気泡 (図 12c) は、表面張力を下げ、サンプルを蒸留水で事前に濡らすことによってのみ減らすことができます。構造内の空気を排気したり、構造内に溶液の流れを作り出したりして、サンプルを強制的に溶解することも、構造の完全な充填を確保するための効果的な方法です。
調製中に遭遇する２番目の問題は、塩の一部からフィルムを除去することであった（図１２ｂを参照）。この現象は、溶解表面上に乾燥コーティングが形成されることを特徴とし、対流刺激による乾燥を停止させ、拡散刺激プロセスを開始します。2 番目のメカニズムは最初のメカニズムよりもはるかに遅いです。その結果、適切な乾燥時間を得るには高温が必要となり、サンプル内に気泡が発生する危険性が高まります。この問題は、濃度変化 (蒸発) ではなく温度変化に基づく結晶化の代替方法を導入することで解決されます (図 13 の MgSO4 の例のように)。
MgSO4 を使用した冷却および固相と液相の分離中の結晶化プロセスの概略図。
この方法を使用すると、飽和塩溶液を室温 (HT) 以上で調製できます。最初のケースでは、温度を室温以下に下げることによって結晶化が強制されました。2 番目のケースでは、サンプルが室温 (RT) に冷却されたときに結晶化が発生しました。結果として結晶 (B) と溶解物 (A) の混合物が得られ、その液体部分は圧縮空気によって除去されます。このアプローチは、これらの水和物上での膜の形成を回避するだけでなく、他の複合材料の調製に必要な時間を短縮します。ただし、圧縮空気による液体の除去は塩のさらなる結晶化をもたらし、その結果、より厚いコーティングが得られます。
金属表面をコーティングするために使用できる別の方法には、化学反応による目的の塩の直接生成が含まれます。以前の研究で報告したように、フィンやチューブの金属表面での酸の反応によって作られたコーティングされた熱交換器には多くの利点があります。この方法を繊維に適用すると、反応中にガスが発生するため、非常に悪い結果が得られました。水素ガスの泡の圧力がプローブ内に蓄積し、生成物が排出されるにつれて変化します (図 14a)。
コーティングは化学反応によって改質され、コーティングの厚さと分布をより適切に制御します。この方法では、酸性ミスト流をサンプルに通過させます (図 14b)。これにより、下地金属との反応により均一なコーティングが得られることが期待されます。結果は満足のいくものでしたが、プロセスが遅すぎて効果的な方法とは言えませんでした (図 14c)。局所加熱により反応時間を短縮できます。
上記の方法の欠点を克服するために、接着剤の使用に基づくコーティング方法が研究されている。HEC は、前のセクションで示した結果に基づいて選択されました。すべてのサンプルは 3% wt. で調製されました。結合剤は塩と混合されます。繊維は、リブの場合と同じ手順に従って前処理した。すなわち、５０％容量の溶液に浸漬した。15分以内に。硫酸に浸した後、水酸化ナトリウムに２０秒間浸漬し、蒸留水で洗浄し、最後に蒸留水に３０分間浸漬した。この場合、含浸の前に追加のステップが追加されました。サンプルを希薄なターゲット塩溶液に短時間浸し、約 60°C で乾燥させます。このプロセスは金属の表面を改質し、最終段階でのコーティングの分布を改善する核生成サイトを作成するように設計されています。繊維構造には、フィラメントがより薄く密に詰まっている片面と、フィラメントがより厚く分散が少ない反対側があります。これは52の製造プロセスの結果です。
塩化カルシウム (CaCl2) の結果を表 1 にまとめ、写真とともに示します。接種後の良好な被覆率。表面に目に見える結晶がないストランドでも金属反射が減少しており、仕上げの変化を示しています。しかし、サンプルに CaCl2 と HEC の水性混合物を含浸させ、約 60℃の温度で乾燥させた後、コーティングは構造の交差点に集中しました。これは溶液の表面張力によって引き起こされる効果です。浸漬後、液体は表面張力によりサンプル内に残ります。基本的には構造物の交差点で発生します。標本の最も良い面には、塩で満たされたいくつかの穴があります。コーティング後、重量は 0.06 g/cm3 増加しました。
硫酸マグネシウム (MgSO4) でコーティングすると、単位体積あたりにより多くの塩が生成されました (表 2)。この場合、測定された増分は 0.09 g/cm3 です。播種プロセスにより、広範なサンプル範囲が得られました。コーティングプロセスの後、塩はサンプルの薄い側の広い領域をブロックします。さらに、マットの一部の領域はブロックされていますが、ある程度の多孔性は保持されています。この場合、構造の交差点で塩の形成が容易に観察され、コーティングプロセスが主に液体の表面張力によるものであり、塩と金属基板の間の相互作用によるものではないことが確認されます。
塩化ストロンチウム (SrCl2) と HEC の組み合わせの結果は、前の例と同様の特性を示しました (表 3)。この場合、サンプルの薄い側がほぼ完全に覆われます。乾燥中にサンプルから蒸気が放出された結果、個々の細孔のみが表示されます。マット面で観察されるパターンは前のケースと非常に似ており、その領域は塩でブロックされており、繊維は完全には覆われていません。
熱交換器の熱性能に対する繊維構造のプラスの効果を評価するために、コーティングされた繊維構造の有効熱伝導率が測定され、純粋なコーティング材料と比較されました。熱伝導率は、図 15a に示すフラット パネル デバイスを使用し、既知の熱伝導率を持つ基準材料を使用して ASTM D 5470-2017 に従って測定されました。他の過渡測定法と比較して、この原理は、測定が定常状態で十分なサンプルサイズ（底面積30×30 mm2、高さ約15 mm）で実行されるため、今回の研究で使用される多孔質材料にとって有利です。異方性熱伝導率の効果を評価するために、純粋なコーティング材料 (参照) とコーティングされた繊維構造のサンプルを繊維の方向および繊維の方向に垂直な方向に測定するために準備しました。試験片の準備による表面粗さの影響を最小限に抑えるために、試験片の表面を研磨しました (P320 グリット)。これは試験片内の構造を反映しません。