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흡착식 냉동 시스템 및 열 펌프의 시장 점유율은 여전히 ​​전통적인 압축기 시스템에 비해 상대적으로 작습니다.(값비싼 전기 작업 대신) 값싼 열을 사용하는 큰 이점에도 불구하고 흡착 원리에 기반한 시스템의 구현은 여전히 ​​몇 가지 특정 응용 분야로 제한됩니다.제거해야 할 주요 단점은 열전도율이 낮고 흡착제의 안정성이 낮아 비동력이 감소한다는 것입니다.최신 기술의 상업용 흡착식 냉동 시스템은 냉각 용량을 최적화하기 위해 코팅된 판형 열교환기를 기반으로 하는 흡착기를 기반으로 합니다.결과는 코팅의 두께를 줄이면 물질 전달 임피던스가 감소하고 전도성 구조의 표면적 대 체적 비율을 증가시키면 효율을 손상시키지 않고 전력을 증가시킨다는 것이 잘 알려져 있습니다.이 작업에 사용된 금속 섬유는 2500~50,000m2/m3 범위의 비표면적을 제공할 수 있습니다.코팅 생산을 위해 금속 섬유를 포함한 금속 표면에 염수화물의 매우 얇지만 안정적인 코팅을 얻기 위한 세 가지 방법은 처음으로 고출력 밀도 열 교환기를 보여줍니다.알루미늄 아노다이징을 기반으로 한 표면 처리는 코팅과 기판 사이에 더 강한 결합을 만들기 위해 선택됩니다.얻어진 표면의 미세구조를 주사전자현미경으로 분석하였다.감소된 전반사 푸리에 변환 적외선 분광법 및 에너지 분산형 X선 분광법을 사용하여 분석에서 원하는 종의 존재를 확인했습니다.수화물을 형성하는 이들의 능력은 조합된 열중량 분석(TGA)/시차 열중량 분석(DTG)에 의해 확인되었습니다.MgSO4 코팅에서 0.07g(물)/g(복합재) 이상의 열악한 품질이 발견되어 약 60°C에서 탈수 징후를 보이고 재수화 후 재현 가능합니다.100°C 미만에서 약 0.02g/g의 질량 차이로 SrCl2 및 ZnSO4에서도 긍정적인 결과가 얻어졌습니다.하이드록시에틸셀룰로오스는 코팅의 안정성과 접착력을 높이기 위해 첨가제로 선택되었습니다.제품의 흡착 특성은 동시 TGA-DTG에 의해 평가되었으며 접착력은 ISO2409에 설명된 테스트를 기반으로 한 방법으로 특성화되었습니다.CaCl2 코팅의 일관성과 접착력은 100°C 미만의 온도에서 약 0.1g/g의 중량 차이로 흡착 용량을 유지하면서 크게 개선되었습니다.또한 MgSO4는 수화물을 형성하는 능력을 유지하여 100°C 미만의 온도에서 0.04g/g 이상의 질량 차이를 나타냅니다.마지막으로 코팅된 금속 섬유를 검사합니다.결과는 Al2(SO4)3로 코팅된 섬유 구조의 유효 열전도율이 순수 Al2(SO4)3의 부피에 비해 4.7배 더 높을 수 있음을 보여줍니다.연구된 코팅의 코팅을 육안으로 검사하고 단면의 현미경 이미지를 사용하여 내부 구조를 평가했습니다.약 50μm 두께의 Al2(SO4)3 코팅이 얻어졌지만 보다 균일한 분포를 달성하려면 전체 프로세스를 최적화해야 합니다.
흡착 시스템은 전통적인 압축 열 펌프 또는 냉동 시스템에 대한 환경 친화적인 대안을 제공하기 때문에 지난 수십 년 동안 많은 관심을 받았습니다.안락함 기준이 높아지고 지구 평균 기온이 높아지면 흡착 시스템이 가까운 미래에 화석 연료에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다.또한 흡착식 냉동 또는 열 펌프의 모든 개선 사항은 열 에너지 저장으로 전환될 수 있으며 이는 1차 에너지의 효율적인 사용 가능성을 추가로 증가시킵니다.흡착식 열 펌프 및 냉동 시스템의 주요 이점은 낮은 열량으로 작동할 수 있다는 것입니다.따라서 태양 에너지 또는 폐열과 같은 저온 소스에 적합합니다.에너지 저장 응용 분야에서 흡착은 현열 또는 잠열 저장에 비해 에너지 밀도가 높고 에너지 소산이 적다는 이점이 있습니다.
흡착식 열 펌프 및 냉각 시스템은 증기 압축 대응 장치와 동일한 열역학 주기를 따릅니다.주요 차이점은 압축기 구성 요소를 흡착기로 교체하는 것입니다.이 요소는 적당한 온도에서 저압 냉매 증기를 흡착할 수 있어 액체가 차가울 때에도 더 많은 냉매를 증발시킵니다.흡착 엔탈피(발열)를 배제하기 위해 흡착기의 지속적인 냉각이 필요합니다.흡착기는 고온에서 재생되어 냉매 증기가 탈착됩니다.가열은 탈착 엔탈피(흡열)를 계속 제공해야 합니다.흡착 공정은 온도 변화를 특징으로 하기 때문에 높은 전력 밀도에는 높은 열전도율이 필요합니다.그러나 낮은 열전도율은 대부분의 응용 분야에서 가장 큰 단점입니다.
전도도의 주요 문제는 흡착/탈착 증기의 흐름을 제공하는 수송 경로를 유지하면서 평균값을 높이는 것입니다.이를 달성하기 위해 복합 열교환기와 코팅 열교환기의 두 가지 접근 방식이 일반적으로 사용됩니다.가장 인기 있고 성공적인 복합 재료는 탄소 기반 첨가제, 즉 팽창 흑연, 활성 탄소 또는 탄소 섬유를 사용하는 재료입니다.Oliveiraet al.2 최대 306 W/kg의 특정 냉각 용량(SCP)과 최대 0.46의 성능 계수(COP)를 갖는 흡착제를 생성하기 위해 염화칼슘으로 함침된 팽창 흑연 분말.Zajaczkowski et al.3은 총 전도도가 15W/mK인 팽창 흑연, 탄소 섬유 및 염화칼슘의 조합을 제안했습니다.Jian 등4은 2단계 흡착 냉각 주기에서 기판으로 황산 처리 팽창 천연 흑연(ENG-TSA)을 사용하여 복합재를 테스트했습니다.이 모델은 COP를 0.215에서 0.285로, SCP를 161.4에서 260.74 W/kg으로 예측했습니다.
지금까지 가장 실행 가능한 솔루션은 코팅된 열교환기입니다.이러한 열교환기의 코팅 메커니즘은 직접 합성과 접착제의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.가장 성공적인 방법은 적절한 시약으로부터 열 교환기 표면에 직접 흡착 물질을 형성하는 직접 합성입니다.Sotech5는 Fahrenheit GmbH에서 제조한 일련의 냉각기에 사용하기 위해 코팅된 제올라이트를 합성하는 방법에 대한 특허를 받았습니다.Schnabel et al6은 스테인리스 스틸에 코팅된 두 가지 제올라이트의 성능을 테스트했습니다.그러나 이 방법은 특정 흡착제에서만 작동하므로 접착제를 사용한 코팅이 흥미로운 대안이 됩니다.바인더는 흡착제 접착 및/또는 물질 전달을 지원하기 위해 선택된 수동 물질이지만 흡착 또는 전도성 향상에는 역할을 하지 않습니다.Freniet al.점토 기반 결합제로 안정화된 AQSOA-Z02 제올라이트로 코팅된 7개의 알루미늄 열교환기.Calabrese et al.8은 고분자 결합제로 제올라이트 코팅을 준비하는 방법을 연구했습니다.Ammann 등은 폴리비닐 알코올의 자성 혼합물로부터 다공성 제올라이트 코팅을 제조하는 방법을 제안했습니다.알루미나(alumina)는 흡착기에서 바인더(10)로도 사용된다.우리가 아는 한, 셀룰로오스와 하이드록시에틸 셀룰로오스는 물리적 흡착제11,12와 함께만 사용됩니다.때로는 접착제가 페인트에 사용되지 않고 자체적으로 구조(13)를 구축하는 데 사용됩니다.알긴산 폴리머 매트릭스와 여러 염 수화물의 조합은 유연한 복합 비드 구조를 형성하여 건조 중 누출을 방지하고 적절한 물질 전달을 제공합니다.벤토나이트 및 아타풀자이트와 같은 점토는 복합재15,16,17의 제조를 위한 바인더로 사용되었습니다.에틸셀룰로오스는 염화칼슘18 또는 황화나트륨19을 마이크로캡슐화하는 데 사용되었습니다.
다공성 금속 구조를 가진 복합재는 추가 열교환기와 코팅 열교환기로 나눌 수 있습니다.이러한 구조의 장점은 높은 비표면적입니다.그 결과 불활성 물질을 추가하지 않고도 흡착제와 금속 사이의 접촉면이 더 넓어져 냉동 사이클의 전체 효율이 감소합니다.Lang et al.20은 알루미늄 허니컴 구조를 가진 제올라이트 흡착제의 전반적인 전도성을 향상시켰다.Gillerminotet al.21은 구리 및 니켈 폼으로 NaX 제올라이트 층의 열전도도를 개선했습니다.복합 재료가 PCM(Phase Change Material)으로 사용되지만 Li et al.22 및 Zhao et al.23은 또한 화학 흡착에 관심이 있습니다.그들은 팽창 흑연과 금속 발포체의 성능을 비교했고 부식이 문제가 되지 않는 경우에만 후자가 바람직하다고 결론지었습니다.Palombaet al.최근에 다른 금속 다공성 구조를 비교했습니다.Van der Pal et al.폼에 내장된 금속염을 연구했습니다 25 .이전의 모든 예는 미립자 흡착제의 조밀한 층에 해당합니다.금속 다공성 구조는 더 최적의 솔루션인 흡착체를 코팅하는 데 실제로 사용되지 않습니다.제올라이트에 결합하는 예는 Wittstadt et al.26 하지만 더 높은 에너지 밀도에도 불구하고 염수화물을 결합시키려는 시도는 이루어지지 않았습니다 27 .
따라서 이 글에서는 흡착제 코팅을 준비하는 세 가지 방법인 (1) 결합제 코팅, (2) 직접 반응 및 (3) 표면 처리에 대해 살펴볼 것입니다.Hydroxyethylcellulose는 물리적 흡착제와 함께 이전에 보고된 안정성과 우수한 코팅 접착력으로 인해 이 작업에서 선택한 결합제였습니다.이 방법은 처음에 평면 코팅에 대해 조사되었으며 나중에 금속 섬유 구조에 적용되었습니다.이전에는 흡착제 코팅의 형성과 함께 화학 반응의 가능성에 대한 예비 분석이 보고되었습니다.이전 경험은 이제 금속 섬유 구조의 코팅으로 이전되고 있습니다.이 작업을 위해 선택한 표면 처리는 알루미늄 아노다이징을 기반으로 한 방법입니다.알루미늄 아노다이징은 심미적 목적을 위해 금속염과 성공적으로 결합되었습니다29.이 경우 매우 안정적이고 부식에 강한 코팅을 얻을 수 있습니다.그러나 그들은 흡착 또는 탈착 과정을 수행할 수 없습니다.이 백서에서는 원래 프로세스의 접착 특성을 사용하여 질량을 이동할 수 있는 이 접근 방식의 변형을 제시합니다.우리가 아는 한, 여기에 설명된 방법 중 어느 것도 이전에 연구된 적이 없습니다.그들은 자주 연구되는 물리적 흡착제에 비해 많은 이점을 갖는 수화된 흡착제 코팅을 형성할 수 있기 때문에 매우 흥미로운 신기술을 나타냅니다.
이 실험을 위한 기판으로 사용된 스탬핑 알루미늄 판은 체코 공화국의 ALINVEST Břidličná에서 제공되었습니다.그들은 98.11% 알루미늄, 1.3622% 철, 0.3618% 망간 및 미량의 구리, 마그네슘, 실리콘, 티타늄, 아연, 크롬 및 니켈을 포함합니다.
복합재 제조를 위해 선택된 재료는 열역학적 특성, 즉 120°C 미만의 온도에서 흡착/탈착할 수 있는 물의 양에 따라 선택됩니다.
황산마그네슘(MgSO4)은 가장 흥미롭고 연구된 수화된 염 중 하나입니다30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41.열역학적 특성은 체계적으로 측정되었으며 흡착식 냉동, 열 펌프 및 에너지 저장 분야의 응용 분야에 적합한 것으로 밝혀졌습니다.건식 황산마그네슘 CAS-Nr.7487-88-9 99%(Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany)를 사용하였다.
염화칼슘(CaCl2)(H319)은 그 수화물이 흥미로운 열역학적 특성을 가지고 있기 때문에 잘 연구된 또 다른 염입니다41,42,43,44.염화칼슘 육수화물 CAS 번호7774-34-7 97% 사용됨(Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany).
황산아연(ZnSO4)(H3O2, H318, H410) 및 그 수화물은 저온 흡착 공정에 적합한 열역학적 특성을 가지고 있습니다45,46.황산 아연 7수화물 CAS-Nr.7733-02-0 99.5%(Grüssing GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany)를 사용하였다.
염화스트론튬(SrCl2)(H318)도 흥미로운 열역학적 특성4,45,47을 가지고 있지만 흡착 히트 펌프 또는 에너지 저장 연구에서 종종 암모니아와 결합됩니다.Strontium chloride hexahydrate CAS-Nr.10.476-85-4 99.0–102.0% (Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, USA)를 합성에 사용했습니다.
황산구리(CuSO4)(H302, H315, H319, H410)는 전문 문헌에서 자주 발견되는 수화물에 속하지 않지만, 그 열역학적 특성은 저온 응용 분야에서 중요합니다48,49.황산구리 CAS-Nr.7758-99-8 99%(Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 합성에 사용하였다.
염화마그네슘(MgCl2)은 최근 열 에너지 저장 분야에서 더 많은 관심을 받고 있는 수화된 염 중 하나입니다50,51.염화마그네슘 6수화물 CAS-Nr.7791-18-6 순수 제약 등급(Applichem GmbH., Darmstadt, Germany)을 실험에 사용하였다.
위에서 언급한 바와 같이 유사한 적용에서 긍정적인 결과 때문에 하이드록시에틸 셀룰로오스가 선택되었습니다.합성에 사용된 물질은 하이드록시에틸 셀룰로오스 CAS-Nr 9004-62-0(Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA)입니다.
금속 섬유는 도가니 용융 추출(CME)52로 알려진 공정인 압축 및 소결에 의해 함께 결합된 짧은 와이어로 만들어집니다.이는 열전도율이 제조에 사용되는 금속의 벌크 전도율과 최종 구조의 다공성뿐만 아니라 스레드 사이의 결합 품질에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.섬유는 등방성이 아니며 생산 중에 특정 방향으로 분포되는 경향이 있어 가로 방향의 열전도율이 훨씬 낮아집니다.
진공 패키지(Netzsch TG 209 F1 Libra)에서 동시 열중량 분석(TGA)/시차 열중량 분석(DTG)을 사용하여 수분 흡수 특성을 조사했습니다.측정은 산화알루미늄 도가니에서 10 ml/min의 유속 및 25 내지 150℃의 온도 범위에서 흐르는 질소 분위기에서 수행하였다.가열 속도는 1 °C/분이었고, 샘플 무게는 10에서 20 mg까지 다양했으며 분해능은 0.1 μg이었습니다.이 작업에서 단위 표면당 질량 차이는 큰 불확실성을 갖는다는 점에 유의해야 합니다.TGA-DTG에 사용되는 샘플은 매우 작고 불규칙하게 절단되어 면적 측정이 부정확합니다.이 값은 큰 편차를 고려한 경우에만 더 큰 영역으로 추정할 수 있습니다.
ATR 백금 액세서리(Bruker Optik GmbH, Germany)를 사용하여 Bruker Vertex 80 v FTIR 분광계(Bruker Optik GmbH, Leipzig, Germany)에서 감쇠된 전반사 푸리에 변환 적외선(ATR-FTIR) 스펙트럼을 획득했습니다.순수한 건조 다이아몬드 결정의 스펙트럼은 샘플을 실험 측정을 위한 배경으로 사용하기 전에 진공에서 직접 측정되었습니다.샘플은 2cm-1의 분광 분해능과 32회의 평균 스캔 수를 사용하여 진공에서 측정되었습니다. 파수 범위는 8000~500cm-1입니다.스펙트럼 분석은 OPUS 프로그램을 사용하여 수행되었습니다.
SEM 분석은 2 및 5 kV의 가속 전압에서 Zeiss의 DSM 982 Gemini를 사용하여 수행되었습니다.Peltier 냉각 실리콘 드리프트 검출기(SSD)가 장착된 Thermo Fischer System 7을 사용하여 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 수행했습니다.
금속판의 준비는 53에 설명된 것과 유사한 절차에 따라 수행되었습니다. 먼저 금속판을 50% 황산에 담급니다.15 분.그런 다음 약 10초 동안 1M 수산화나트륨 용액에 주입했습니다.그런 다음 시료를 다량의 증류수로 세척한 후 증류수에 30분 동안 담갔다.예비 표면 처리 후 샘플을 3% 포화 용액에 담갔다.HEC 및 표적 염.마지막으로 꺼내서 60°C에서 건조시킵니다.
아노다이징 방법은 수동 금속의 자연 산화물 층을 강화하고 강화합니다.알루미늄 패널은 경화된 상태에서 황산으로 양극 산화 처리된 후 뜨거운 물에 밀봉되었습니다.아노다이징은 1 mol/l NaOH(600초)로 초기 에칭한 다음 1 mol/l HNO3(60초)에서 중화합니다.전해질 용액은 2.3M H2SO4, 0.01M Al2(SO4)3 및 1M MgSO4 + 7H2O의 혼합물입니다.아노다이징은 (40 ± 1)°C, 30mA/cm2에서 1200초 동안 수행되었습니다.밀봉 공정은 재료(MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2)에 설명된 대로 다양한 염수 용액에서 수행되었습니다.샘플을 1800초 동안 끓입니다.
복합 재료를 생산하는 세 가지 다른 방법인 접착 코팅, 직접 반응 및 표면 처리가 조사되었습니다.각 훈련 방법의 장단점을 체계적으로 분석하고 논의합니다.직접관찰, 나노이미징, 화학적/원소 분석을 통해 결과를 평가하였다.
염수화물의 접착력을 높이기 위한 전환 표면처리 방법으로 아노다이징을 선택하였다.이 표면 처리는 알루미늄 표면에 직접 알루미나(알루미나)의 다공성 구조를 만듭니다.전통적으로 이 방법은 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계는 산화알루미늄의 다공성 구조를 생성하고 두 번째 단계는 기공을 닫는 수산화알루미늄 코팅을 생성합니다.다음은 기상에 대한 접근을 차단하지 않고 염을 차단하는 두 가지 방법입니다.첫 번째는 흡착제 결정을 유지하고 금속 표면에 대한 접착력을 높이기 위해 첫 번째 단계에서 얻은 작은 알루미늄 산화물(Al2O3) 튜브를 사용하는 벌집형 시스템으로 구성됩니다.생성된 벌집은 직경이 약 50nm이고 길이가 200nm입니다(그림 1a).앞서 언급한 바와 같이 이러한 공동은 일반적으로 알루미나 튜브 비등 공정에 의해 지지되는 얇은 Al2O(OH)2 베마이트 층으로 두 번째 단계에서 닫힙니다.두 번째 방법에서, 이 밀봉 공정은 소금 결정이 베마이트(Al2O(OH))의 균일한 피복층에 포획되는 방식으로 수정되며, 이 경우 밀봉에 사용되지 않습니다.두 번째 단계는 해당 염의 포화 용액에서 수행됩니다.설명된 패턴은 50~100nm 범위의 크기를 가지며 튀는 방울처럼 보입니다(그림 1b).실링 공정의 결과로 얻은 표면은 접촉 면적이 증가한 현저한 공간 구조를 갖습니다.이 표면 패턴은 많은 결합 구성과 함께 소금 결정을 운반하고 고정하는 데 이상적입니다.설명된 두 구조 모두 진정으로 다공성인 것으로 보이며 흡착기 작동 중에 염 수화물을 유지하고 증기를 염에 흡착하는 데 매우 적합한 것으로 보이는 작은 공동을 가지고 있습니다.그러나 EDX를 이용한 이들 표면의 원소 분석은 알루미나 표면의 경우 검출되지 않는 베마이트 표면의 미량의 마그네슘과 황을 검출할 수 있다.
샘플의 ATR-FTIR은 원소가 황산마그네슘임을 확인했습니다(그림 2b 참조).스펙트럼은 610–680 및 1080–1130 cm–1에서 특징적인 황산 이온 피크와 1600–1700 cm–1 및 3200–3800 cm–1에서 특징적인 격자 물 피크를 보여줍니다(그림 2a, c 참조).).마그네슘 이온의 존재는 스펙트럼을 거의 변화시키지 않습니다54.
(a) 베마이트 코팅된 MgSO4 알루미늄 판의 EDX, (b) 베마이트 및 MgSO4 코팅의 ATR-FTIR 스펙트럼, (c) 순수한 MgSO4의 ATR-FTIR 스펙트럼.
흡착 효율 유지는 TGA로 확인하였다.무화과에.도 3b는 약섭씨 60도이 피크는 순수한 염의 TGA에서 관찰된 두 피크의 온도와 일치하지 않습니다(그림 3a).흡착-탈착 사이클의 반복성을 평가하였고 샘플을 습한 분위기에 둔 후에도 동일한 곡선이 관찰되었습니다(그림 3c).탈착의 두 번째 단계에서 관찰되는 차이는 종종 불완전한 탈수로 이어지기 때문에 흐르는 대기에서 탈수의 결과일 수 있습니다.이 값은 첫 번째 탈수에서 약 17.9g/m2, 두 번째 탈수에서 10.3g/m2에 해당합니다.
베마이트와 MgSO4의 TGA 분석 비교: 순수한 MgSO4(a), 혼합물(b) 및 재수화 후(c)의 TGA 분석.
흡착제로 염화칼슘을 사용하여 동일한 방법을 수행하였다.결과는 그림 4에 나와 있습니다. 표면을 육안으로 검사한 결과 금속 광택에 약간의 변화가 나타났습니다.모피가 거의 보이지 않습니다.SEM은 표면에 고르게 분포된 작은 결정의 존재를 확인했습니다.그러나 TGA는 150°C 이하에서 탈수를 나타내지 않았다.이것은 TGA에 의한 검출을 위한 기질의 총 질량에 비해 염의 비율이 너무 작다는 사실 때문일 수 있습니다.
아노다이징 방법에 의한 황산구리 코팅의 표면 처리 결과는 도 1에 도시되어 있다.5. 이 경우 Al 산화물 구조에 예상되는 CuSO4의 통합이 발생하지 않았습니다.대신, 일반적인 청록색 염료와 함께 사용되는 수산화구리 Cu(OH)2에 일반적으로 사용되는 느슨한 바늘이 관찰됩니다.
양극 산화된 표면 처리는 또한 염화스트론튬과 함께 테스트되었습니다.결과는 적용 범위가 고르지 않은 것으로 나타났습니다(그림 6a 참조).염이 전체 표면을 덮고 있는지 확인하기 위해 EDX 분석을 수행했습니다.회색 영역의 한 점(그림 6b의 점 1)에 대한 곡선은 스트론튬이 적고 알루미늄이 많은 것을 보여줍니다.이것은 측정된 영역에서 스트론튬의 낮은 함량을 나타내며, 이는 차례로 염화스트론튬의 낮은 적용 범위를 나타냅니다.반대로 흰색 영역은 스트론튬 함량이 높고 알루미늄 함량이 낮습니다(그림 6b의 2~6 지점).흰색 영역의 EDX 분석은 더 어두운 점(그림 6b의 지점 2 및 4), 염소가 적고 황이 높습니다.이것은 황산스트론튬의 형성을 나타낼 수 있습니다.더 밝은 점은 높은 염소 함량과 낮은 황 함량을 나타냅니다(그림 6b의 3, 5 및 6 지점).이는 백색 코팅의 주요 부분이 예상되는 염화스트론튬으로 구성되어 있다는 사실로 설명할 수 있습니다.샘플의 TGA는 순수한 염화스트론튬의 특성 온도에서 피크로 분석의 해석을 확인했습니다(그림 6c).그들의 작은 가치는 금속 지지체의 질량과 비교하여 작은 양의 소금으로 정당화될 수 있습니다.실험에서 결정된 탈착 질량은 150°C의 온도에서 흡착기의 단위 면적당 7.3g/m2의 양에 해당합니다.
Eloxal 처리된 황산아연 코팅도 테스트되었습니다.거시적으로 코팅은 매우 얇고 균일한 층입니다(그림 7a).그러나 SEM은 빈 영역으로 분리된 작은 결정으로 덮인 표면 영역을 나타냅니다(그림 7b).코팅 및 기판의 TGA를 순수한 염의 TGA와 비교했습니다(그림 7c).순수한 소금은 59.1°C에서 하나의 비대칭 피크를 가집니다.코팅된 알루미늄은 55.5°C와 61.3°C에서 두 개의 작은 피크를 보여 황산아연 수화물의 존재를 나타냅니다.실험에서 밝혀진 질량 차이는 탈수 온도 150°C에서 10.9g/m2에 해당합니다.
이전 출원53에서와 같이 흡착제 코팅의 접착력과 안정성을 향상시키기 위해 결합제로 하이드록시에틸 셀룰로오스를 사용했습니다.재료 호환성 및 흡착 성능에 대한 영향은 TGA에 의해 평가되었습니다.분석은 전체 질량과 관련하여 수행됩니다. 즉, 샘플은 코팅 기판으로 사용되는 금속판을 포함합니다.접착력은 ISO2409 규격에 정의된 크로스 노치 테스트(사양 두께 및 폭에 따라 노치 분리 규격을 충족할 수 없음)를 기반으로 한 테스트로 테스트됩니다.
염화칼슘(CaCl2)으로 패널을 코팅하면(그림 8a 참조) 균일하지 않은 분포가 발생했으며 이는 가로 노치 테스트에 사용된 순수 알루미늄 코팅에서는 관찰되지 않았습니다.순수한 CaCl2에 대한 결과와 비교하여 TGA(그림 8b)는 각각 40°C와 20°C의 낮은 온도 쪽으로 이동한 두 개의 특징적인 피크를 보여줍니다.순수한 CaCl2 샘플(그림 8c의 오른쪽 샘플)은 최상층 입자를 제거하는 분말 침전물이기 때문에 단면 테스트는 객관적인 비교를 허용하지 않습니다.HEC 결과는 만족스러운 접착력을 가진 매우 얇고 균일한 코팅을 보여주었습니다.그림에 표시된 질량 차이.8b는 150°C의 온도에서 흡착기의 단위 면적당 51.3g/m2에 해당합니다.
접착력과 균일성 측면에서 긍정적인 결과는 황산마그네슘(MgSO4)에서도 얻어졌습니다(그림 9 참조).코팅의 탈착 과정을 분석한 결과 약 1개의 피크가 존재하는 것으로 나타났습니다.섭씨 60도이 온도는 순수한 염의 탈수에서 볼 수 있는 주요 탈착 단계에 해당하며 44°C에서 또 다른 단계를 나타냅니다.이는 6수화물에서 5수화물로의 전이에 해당하며 바인더가 포함된 코팅의 경우에는 관찰되지 않습니다.단면 테스트는 순수한 소금을 사용하여 만든 코팅에 비해 향상된 분포 및 접착력을 보여줍니다.TGA-DTC에서 관찰된 질량 차이는 150°C의 온도에서 흡착기의 단위 면적당 18.4g/m2에 해당합니다.
표면의 불규칙성으로 인해 염화스트론튬(SrCl2)은 핀에 균일하지 않은 코팅을 가지고 있습니다(그림 10a).그러나 횡노치 시험 결과 접착력이 상당히 향상된 균일한 분포를 보였다(Fig. 10c).TGA 분석 결과 무게 차이가 매우 작았는데, 이는 금속 기판에 비해 염분 함량이 낮기 때문임에 틀림없습니다.그러나 곡선의 단계는 탈수 과정의 존재를 보여주지만 피크는 순수한 소금을 특성화할 때 얻은 온도와 관련이 있습니다.110°C와 70.2°C에서 피크가 Fig.10b는 순수한 소금을 분석할 때도 발견되었습니다.그러나 50°C의 순수한 소금에서 관찰되는 주요 탈수 단계는 결합제를 사용한 곡선에 반영되지 않았습니다.대조적으로 결합제 혼합물은 20.2°C와 94.1°C에서 두 개의 피크를 보였으며 순수한 염에 대해서는 측정되지 않았습니다(그림 10b).150°C의 온도에서 관찰된 질량 차이는 흡착기의 단위 면적당 7.2g/m2에 해당합니다.
HEC와 황산아연(ZnSO4)의 조합은 허용 가능한 결과를 제공하지 못했습니다(그림 11).코팅된 금속의 TGA 분석은 탈수 과정을 나타내지 않았습니다.코팅의 분포 및 접착력이 향상되었지만 그 특성은 여전히 ​​최적이 아닙니다.
금속 섬유를 얇고 균일한 층으로 코팅하는 가장 간단한 방법은 습식 함침(그림 12a)으로, 대상 염을 준비하고 금속 섬유를 수용액으로 함침하는 것을 포함합니다.
습식 함침을 준비할 때 두 가지 주요 문제에 직면하게 됩니다.한편으로, 식염수 용액의 표면 장력은 액체가 다공성 구조에 올바르게 통합되는 것을 방지합니다.외부 표면의 결정화(그림 12d)와 구조 내부에 갇힌 기포(그림 12c)는 표면 장력을 낮추고 샘플을 증류수로 사전 적심으로써만 줄일 수 있습니다.내부의 공기를 제거하거나 구조에 용액 흐름을 생성하여 샘플을 강제로 용해하는 것은 구조를 완전히 채우는 다른 효과적인 방법입니다.
준비 중에 발생한 두 번째 문제는 소금의 일부에서 필름이 제거되는 것이었습니다(그림 12b 참조).이 현상은 용해 표면에 건조 코팅이 형성되어 대류 자극 건조를 중지하고 확산 자극 과정을 시작하는 것을 특징으로 합니다.두 번째 메커니즘은 첫 번째 메커니즘보다 훨씬 느립니다.결과적으로 합리적인 건조 시간 동안 높은 온도가 필요하므로 샘플 내부에 기포가 형성될 위험이 높아집니다.이 문제는 농도 변화(증발)가 아닌 온도 변화(그림 13의 MgSO4의 예에서와 같이)에 기반한 대체 결정화 방법을 도입함으로써 해결됩니다.
MgSO4를 사용하여 고체 및 액체 상을 냉각 및 분리하는 동안 결정화 과정의 개략도.
포화 염 용액은 이 방법을 사용하여 실온(HT) 이상에서 준비할 수 있습니다.첫 번째 경우, 결정화는 온도를 실온 이하로 낮춤으로써 강제되었습니다.두 번째 경우에는 시료를 실온(RT)으로 식힐 때 결정화가 발생했습니다.결과는 결정(B)과 용해된(A)의 혼합물이며 액체 부분은 압축 공기에 의해 제거됩니다.이 접근 방식은 이러한 수화물에 대한 필름 형성을 방지할 뿐만 아니라 다른 복합 재료를 준비하는 데 필요한 시간을 줄여줍니다.그러나 압축 공기로 액체를 제거하면 소금이 추가로 결정화되어 코팅이 두꺼워집니다.
금속 표면을 코팅하는 데 사용할 수 있는 또 다른 방법은 화학 반응을 통해 대상 염을 직접 생성하는 것입니다.핀과 튜브의 금속 표면에서 산의 반응에 의해 만들어진 코팅된 열교환기는 이전 연구에서 보고된 바와 같이 여러 가지 장점이 있습니다.이 방법을 섬유에 적용하면 반응 중 가스 형성으로 인해 결과가 매우 좋지 않습니다.수소 가스 기포의 압력은 프로브 내부에 축적되고 제품이 배출될 때 이동합니다(그림 14a).
코팅은 코팅의 두께와 분포를 더 잘 제어하기 위해 화학 반응을 통해 수정되었습니다.이 방법은 샘플을 통해 산성 미스트 스트림을 통과시키는 것을 포함합니다(그림 14b).이는 모재 금속과의 반응에 의해 균일한 코팅을 가져올 것으로 기대된다.결과는 만족스러웠지만 프로세스가 너무 느려 효과적인 방법으로 간주되지 않았습니다(그림 14c).국소 가열을 통해 더 짧은 반응 시간을 달성할 수 있습니다.
이러한 방법들의 단점을 극복하기 위해 접착제를 이용한 코팅 방법이 연구되고 있다.HEC는 이전 섹션에서 제시된 결과를 기반으로 선택되었습니다.모든 샘플은 3% wt.바인더는 소금과 혼합됩니다.섬유는 리브와 동일한 절차, 즉 50% vol.15분 이내.황산, 수산화나트륨에 20초간 담근 후 증류수로 세척하고 마지막으로 증류수에 30분간 담가둔다.이 경우 함침 전에 추가 단계가 추가되었습니다.샘플을 희석된 목표 염 용액에 잠시 담그고 약 60°C에서 건조시킵니다.이 공정은 금속 표면을 수정하여 최종 단계에서 코팅 분포를 개선하는 핵 생성 사이트를 생성하도록 설계되었습니다.섬유질 구조는 필라멘트가 더 얇고 촘촘하게 채워진 한쪽 면과 필라멘트가 더 두껍고 덜 분포된 반대쪽 면을 가지고 있습니다.이것은 52가지 제조 공정의 결과입니다.
염화칼슘(CaCl2)에 대한 결과는 표 1의 그림과 함께 요약 및 설명되어 있습니다. 접종 후 적용 범위가 양호합니다.표면에 눈에 보이는 결정이 없는 가닥조차도 금속 반사가 감소하여 마감의 변화를 나타냅니다.그러나 샘플을 CaCl2와 HEC의 수성 혼합물로 함침시키고 약 60°C의 온도에서 건조시킨 후 코팅은 구조의 교차점에 집중되었습니다.이것은 용액의 표면 장력에 의한 효과입니다.담금 후 액체는 표면 장력으로 인해 샘플 내부에 남아 있습니다.기본적으로 구조의 교차점에서 발생합니다.표본의 가장 좋은 면에는 소금으로 채워진 여러 개의 구멍이 있습니다.중량은 코팅 후 0.06g/cm3 증가하였다.
황산마그네슘(MgSO4)으로 코팅하면 단위 부피당 더 많은 염이 생성됩니다(표 2).이 경우 측정된 증분은 0.09g/cm3입니다.시딩 프로세스는 광범위한 샘플 범위를 가져왔습니다.코팅 공정 후 소금은 샘플의 얇은 면의 넓은 영역을 차단합니다.또한 매트의 일부 영역이 차단되지만 일부 다공성은 유지됩니다.이 경우 구조의 교차점에서 염 형성이 쉽게 관찰되어 코팅 공정이 주로 액체의 표면 장력으로 인한 것이지 염과 금속 기판 사이의 상호 작용이 아님을 확인했습니다.
염화스트론튬(SrCl2)과 HEC의 조합에 대한 결과는 이전 실시예와 유사한 특성을 보였다(표 3).이 경우 샘플의 얇은 면이 거의 완전히 덮입니다.샘플에서 증기가 방출되어 건조 중에 형성된 개별 기공만 보입니다.무광택 면에서 관찰되는 패턴은 이전의 경우와 매우 유사하며, 해당 영역이 염분으로 막혀 있고 섬유가 완전히 덮이지 않습니다.
열교환기의 열 성능에 대한 섬유 구조의 긍정적인 효과를 평가하기 위해 코팅된 섬유 구조의 유효 열전도도를 결정하고 순수한 코팅 재료와 비교했습니다.열전도율은 알려진 열전도율을 가진 기준 물질을 사용하여 그림 15a에 표시된 평면 패널 장치를 사용하여 ASTM D 5470-2017에 따라 측정되었습니다.다른 과도 측정 방법과 비교할 때, 이 원리는 측정이 정상 상태에서 충분한 샘플 크기(기본 면적 30 × 30mm2, 높이 약 15mm)로 수행되기 때문에 현재 연구에 사용된 다공성 재료에 유리합니다.이방성 열전도도의 영향을 평가하기 위해 섬유 방향 및 섬유 방향에 수직으로 측정하기 위해 순수한 코팅 재료(기준) 및 코팅된 섬유 구조의 샘플을 준비했습니다.시편 준비로 인한 표면 거칠기의 영향을 최소화하기 위해 시편을 표면(P320 그릿)에 연마하여 시편 내부의 구조를 반영하지 않습니다.