Хвала вам што сте посетили Nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказиваћемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Тржишни удео адсорпционих расхладних система и топлотних пумпи је и даље релативно мали у поређењу са традиционалним компресорским системима. Упркос огромној предности коришћења јефтине топлоте (уместо скупих електричних радова), имплементација система заснованих на принципима адсорпције је и даље ограничена на неколико специфичних примена. Главни недостатак који треба елиминисати је смањење специфичне снаге због ниске топлотне проводљивости и ниске стабилности адсорбента. Тренутни комерцијални адсорпциони расхладни системи засновани су на адсорберима заснованим на плочастим измењивачима топлоте обложеним ради оптимизације капацитета хлађења. Резултати су добро познати да смањење дебљине премаза доводи до смањења импедансе преноса масе, а повећање односа површине и запремине проводних структура повећава снагу без угрожавања ефикасности. Метална влакна која се користе у овом раду могу обезбедити специфичну површину у распону од 2500–50.000 м2/м3. Три методе за добијање веома танких, али стабилних премаза хидрата соли на металним површинама, укључујући метална влакна, за производњу премаза, први пут демонстрирају измењивач топлоте високе густине снаге. Површинска обрада заснована на анодизирању алуминијума је изабрана да би се створила јача веза између премаза и подлоге. Микроструктура резултујуће површине анализирана је скенирајућом електронском микроскопијом. Инфрацрвена спектроскопија са Фуријеовом трансформацијом и смањеном тоталном рефлексијом и енергетски дисперзивна рендгенска спектроскопија коришћене су за проверу присуства жељених врста у тесту. Њихова способност формирања хидрата потврђена је комбинованом термогравиметријском анализом (TGA)/диференцијалном термогравиметријском анализом (DTG). Лош квалитет преко 0,07 г (вода)/г (композит) пронађен је у MgSO4 премазу, показујући знаке дехидрације на око 60 °C и репродуцибилне након рехидратације. Позитивни резултати су такође добијени са SrCl2 и ZnSO4 са масеном разликом од око 0,02 г/г испод 100 °C. Хидроксиетилцелулоза је изабрана као адитив за повећање стабилности и адхезије премаза. Адсорптивна својства производа су процењена истовременом TGA-DTG анализом, а њихова адхезија је окарактерисана методом заснованом на тестовима описаним у ISO2409. Конзистенција и адхезија CaCl2 премаза су значајно побољшани, уз одржавање његовог адсорпционог капацитета са разликом у тежини од око 0,1 г/г на температурама испод 100 °C. Поред тога, MgSO4 задржава способност формирања хидрата, показујући разлику у маси од више од 0,04 г/г на температурама испод 100 °C. Коначно, испитана су обложена метална влакна. Резултати показују да ефективна топлотна проводљивост структуре влакана обложене са Al2(SO4)3 може бити 4,7 пута већа у поређењу са запремином чистог Al2(SO4)3. Премаз проучаваних премаза је визуелно испитан, а унутрашња структура је процењена помоћу микроскопског снимка попречних пресека. Добијен је премаз Al2(SO4)3 дебљине око 50 µм, али целокупни процес мора бити оптимизован како би се постигла равномернија расподела.
Адсорпциони системи су привукли велику пажњу у последњих неколико деценија јер пружају еколошки прихватљиву алтернативу традиционалним компресионим топлотним пумпама или системима за хлађење. Са растућим стандардима комфора и просечним глобалним температурама, адсорпциони системи би могли смањити зависност од фосилних горива у блиској будућности. Поред тога, сва побољшања у адсорпционом хлађењу или топлотним пумпама могу се пренети на складиштење топлотне енергије, што представља додатно повећање потенцијала за ефикасно коришћење примарне енергије. Главна предност адсорпционих топлотних пумпи и система за хлађење је то што могу да раде са малом топлотном масом. То их чини погодним за изворе ниских температура као што су соларна енергија или отпадна топлота. Што се тиче примене складиштења енергије, адсорпција има предност веће густине енергије и мањег расипања енергије у поређењу са складиштењем осетљиве или латентне топлоте.
Адсорпционе топлотне пумпе и системи за хлађење прате исти термодинамички циклус као и њихови пандани са компресијом паре. Главна разлика је замена компоненти компресора адсорберима. Елемент је у стању да адсорбује пару расхладног средства ниског притиска на умереним температурама, испаравајући више расхладног средства чак и када је течност хладна. Потребно је обезбедити константно хлађење адсорбера како би се искључила енталпија адсорпције (егзотерма). Адсорбер се регенерише на високој температури, што узрокује десорбцију паре расхладног средства. Загревање мора да се настави да би се обезбедила енталпија десорпције (ендотерма). Пошто се процеси адсорпције карактеришу променама температуре, велика густина снаге захтева високу топлотну проводљивост. Међутим, ниска топлотна проводљивост је далеко главни недостатак у већини примена.
Главни проблем проводљивости је повећање њене просечне вредности уз одржавање транспортне путање која обезбеђује проток адсорпционих/десорпционих пара. Да би се ово постигло, уобичајено се користе два приступа: композитни измењивачи топлоте и обложени измењивачи топлоте. Најпопуларнији и најуспешнији композитни материјали су они који користе адитиве на бази угљеника, наиме експандирани графит, активни угаљ или угљенична влакна. Оливеира и др.2 импрегнирали су прах експандираног графита калцијум хлоридом да би произвели адсорбер са специфичним капацитетом хлађења (SCP) до 306 W/kg и коефицијентом перформанси (COP) до 0,46. Зајачковски и др.3 предложили су комбинацију експандираног графита, угљеничних влакана и калцијум хлорида са укупном проводљивошћу од 15 W/mK. Ђиан и др.4 тестирали су композите са експандираним природним графитом третираним сумпорном киселином (ENG-TSA) као подлогом у двостепеном циклусу адсорпционог хлађења. Модел је предвидео COP од 0,215 до 0,285 и SCP од 161,4 до 260,74 W/kg.
Убедљиво најодрживије решење је обложени измењивач топлоте. Механизми облагања ових измењивача топлоте могу се поделити у две категорије: директна синтеза и лепкови. Најуспешнија метода је директна синтеза, која подразумева формирање адсорбујућих материјала директно на површини измењивача топлоте из одговарајућих реагенса. Sotech5 је патентирао метод за синтезу обложеног зеолита за употребу у серији хладњака које производи Fahrenheit GmbH. Schnabel и др.6 тестирали су перформансе два зеолита обложених на нерђајућем челику. Међутим, ова метода ради само са специфичним адсорбентима, што чини облагање лепковима занимљивом алтернативом. Везива су пасивне супстанце изабране да подрже адхезију сорбента и/или пренос масе, али не играју никакву улогу у побољшању адсорпције или проводљивости. Freni и др.7 обложили су алуминијумске измењиваче топлоте AQSOA-Z02 зеолитом стабилизованим везивом на бази глине. Calabrese и др.8 проучавали су припрему зеолитних премаза са полимерним везивима. Ammann и др.9 предложили су метод за припрему порозних зеолитних премаза од магнетних смеша поливинил алкохола. Алуминијум оксид (глиница) се такође користи као везиво 10 у адсорберу. Колико нам је познато, целулоза и хидроксиетил целулоза се користе само у комбинацији са физичким адсорбентима11,12. Понекад се лепак не користи за боју, већ се користи за изградњу саме структуре 13. Комбинација алгинатних полимерних матрица са вишеструким хидратима соли формира флексибилне композитне структуре перли које спречавају цурење током сушења и обезбеђују адекватан пренос масе. Глине попут бентонита и атапулгита коришћене су као везива за припрему композита15,16,17. Етилцелулоза је коришћена за микрокапсулацију калцијум хлорида18 или натријум сулфида19.
Композити са порозном металном структуром могу се поделити на адитивне измењиваче топлоте и обложене измењиваче топлоте. Предност ових структура је велика специфична површина. То резултира већом контактном површином између адсорбента и метала без додавања инертне масе, што смањује укупну ефикасност циклуса хлађења. Ланг и др. 20 су побољшали укупну проводљивост зеолитног адсорбера са алуминијумском саћастом структуром. Гилерминот и др. 21 су побољшали топлотну проводљивост NaX зеолитних слојева помоћу бакарне и никлове пене. Иако се композити користе као материјали за промену фазе (PCM), налази Ли и др. 22 и Жао и др. 23 су такође од интереса за хемисорпцију. Они су упоредили перформансе експандираног графита и металне пене и закључили да је ова друга пожељнија само ако корозија није проблем. Паломба и др. су недавно упоредили друге металне порозне структуре 24. Ван дер Пал и др. су проучавали металне соли уграђене у пене 25. Сви претходни примери одговарају густим слојевима честичних адсорбената. Металне порозне структуре се практично не користе за облагање адсорбера, што је оптималније решење. Пример везивања за зеолите може се наћи код Витштата и др. 26, али није учињен покушај везивања хидрата соли упркос њиховој већој густини енергије 27.
Стога ће у овом чланку бити истражене три методе за припрему адсорбентних премаза: (1) премаз везивом, (2) директна реакција и (3) обрада површине. Хидроксиетилцелулоза је била везиво по избору у овом раду због претходно објављене стабилности и добре адхезије премаза у комбинацији са физичким адсорбентима. Ова метода је првобитно испитивана за равне премазе, а касније је примењена на структуре од металних влакана. Претходно је објављена прелиминарна анализа могућности хемијских реакција са формирањем адсорбентних премаза. Претходно искуство се сада преноси на премазивање структура од металних влакана. Обрада површине изабрана за овај рад је метода заснована на анодизацији алуминијума. Анодизација алуминијума је успешно комбинована са металним солима у естетске сврхе29. У овим случајевима могу се добити веома стабилни и на корозију отпорни премази. Међутим, они не могу да спроведу никакав процес адсорпције или десорпције. Овај рад представља варијанту овог приступа која омогућава померање масе коришћењем адхезивних својстава оригиналног процеса. Колико нам је познато, ниједна од овде описаних метода није претходно проучавана. Они представљају веома занимљиву нову технологију јер омогућавају формирање хидратисаних адсорбентних премаза, који имају низ предности у односу на често проучаване физичке адсорбенте.
Штанцане алуминијумске плоче које су коришћене као подлоге за ове експерименте обезбедила је компанија ALINVEST Břidlična, Чешка Република. Садрже 98,11% алуминијума, 1,3622% гвожђа, 0,3618% мангана и трагове бакра, магнезијума, силицијума, титанијума, цинка, хрома и никла.
Материјали изабрани за израду композита бирају се у складу са њиховим термодинамичким својствима, наиме, у зависности од количине воде коју могу да адсорбују/десорбују на температурама испод 120°C.
Магнезијум сулфат (MgSO4) је једна од најзанимљивијих и најпроучаванијих хидратисаних соли 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41. Термодинамичка својства су систематски мерена и утврђено је да су погодна за примену у областима адсорпционог хлађења, топлотних пумпи и складиштења енергије. Коришћен је суви магнезијум сулфат CAS-Nr.7487-88-9 99% (Grüssing GmbH, Филсум, Доња Саксонија, Немачка).
Калцијум хлорид (CaCl2) (H319) је још једна добро проучена со јер његов хидрат има занимљива термодинамичка својства41,42,43,44. Калцијум хлорид хексахидрат, CAS-бр. 7774-34-7, коришћено је 97% (Grüssing, GmbH, Филсум, Доња Саксонија, Немачка).
Цинк сулфат (ZnSO4) (H3O2, H318, H410) и његови хидрати имају термодинамичка својства погодна за процесе адсорпције на ниским температурама45,46. Коришћен је цинк сулфат хептахидрат CAS-Nr.7733-02-0 99,5% (Grüssing GmbH, Филсум, Доња Саксонија, Немачка).
Стронцијум хлорид (SrCl2) (H318) такође има занимљива термодинамичка својства4,45,47 иако се често комбинује са амонијаком у истраживањима адсорпционих топлотних пумпи или складиштења енергије. За синтезу је коришћен стронцијум хлорид хексахидрат CAS-Nr.10.476-85-4 99,0–102,0% (Sigma Aldrich, Сент Луис, Мисури, САД).
Бакар сулфат (CuSO4) (H302, H315, H319, H410) није међу хидратима који се често налазе у стручној литератури, иако су његова термодинамичка својства интересантна за примене на ниским температурама48,49. За синтезу је коришћен бакар сулфат CAS-бр. 7758-99-8 99% (Sigma Aldrich, Сент Луис, Мисури, САД).
Магнезијум хлорид (MgCl2) је једна од хидратисаних соли која је недавно добила више пажње у области складиштења топлотне енергије50,51. За експерименте је коришћен магнезијум хлорид хексахидрат CAS-бр. 7791-18-6, чисти фармацеутски квалитет (Applichem GmbH., Дармштат, Немачка).
Као што је горе поменуто, хидроксиетил целулоза је изабрана због позитивних резултата у сличним применама. Материјал који је коришћен у нашој синтези је хидроксиетил целулоза CAS-Nr 9004-62-0 (Sigma Aldrich, Сент Луис, Мисури, САД).
Метална влакна се праве од кратких жица спојених компресијом и синтеровањем, процесом познатим као екстракција растопљеним лонцем (CME)52. То значи да њихова топлотна проводљивост зависи не само од проводљивости метала који се користе у производњи и порозности коначне структуре, већ и од квалитета веза између нити. Влакна нису изотропна и имају тенденцију да буду распоређена у одређеном правцу током производње, што чини топлотну проводљивост у попречном правцу знатно нижом.
Особине апсорпције воде испитиване су коришћењем симултане термогравиметријске анализе (TGA)/диференцијалне термогравиметријске анализе (DTG) у вакуумском паковању (Netzsch TG 209 F1 Libra). Мерења су спроведена у проточној атмосфери азота при брзини протока од 10 ml/min и температурном опсегу од 25 до 150°C у лончићима од алуминијум оксида. Брзина загревања је била 1 °C/min, тежина узорка је варирала од 10 до 20 mg, резолуција је била 0,1 μg. У овом раду треба напоменути да разлика у маси по јединици површине има велику несигурност. Узорци који се користе у TGA-DTG су веома мали и неправилно исечени, што чини њихово одређивање површине нетачним. Ове вредности се могу екстраполирати на већу површину само ако се узму у обзир велика одступања.
Спектри ослабљеног тоталног рефлексног Фуријеовог трансформационог инфрацрвеног зрачења (ATR-FTIR) су добијени на Bruker Vertex 80 v FTIR спектрометру (Bruker Optik GmbH, Лајпциг, Немачка) коришћењем ATR платинастог додатка (Bruker Optik GmbH, Немачка). Спектри чистих сувих кристала дијаманта су мерени директно у вакууму пре коришћења узорака као позадине за експериментална мерења. Узорци су мерени у вакууму коришћењем спектралне резолуције од 2 цм-1 и просечног броја скенирања од 32. Распон таласних бројева од 8000 до 500 цм-1. Спектрална анализа је извршена коришћењем OPUS програма.
SEM анализа је извршена коришћењем DSM 982 Gemini уређаја компаније Zeiss при убрзавајућим напонима од 2 и 5 kV. Енергетски дисперзивна X-зрачна спектроскопија (EDX) је извршена коришћењем Thermo Fischer система 7 са Peltier хлађеним силицијумским дрифт детектором (SSD).
Припрема металних плоча је спроведена према поступку сличном оном описаном у 53. Прво, плоча је потопљена у 50% сумпорну киселину. 15 минута. Затим је потопљена у 1 М раствор натријум хидроксида на око 10 секунди. Након тога, узорци су испрани великом количином дестиловане воде, а затим потопљени у дестилованој води 30 минута. Након претходне обраде површине, узорци су потопљени у 3% засићени раствор HEC и циљане соли. На крају, извађени су и осушени на 60°C.
Метода анодирања побољшава и јача природни оксидни слој на пасивном металу. Алуминијумски панели су анодизирани сумпорном киселином у очврслом стању, а затим запечаћени у врућој води. Анодирање је уследило након почетног нагризања са 1 mol/l NaOH (600 s), након чега је уследила неутрализација у 1 mol/l HNO3 (60 s). Раствор електролита је смеша 2,3 M H2SO4, 0,01 M Al2(SO4)3 и 1 M MgSO4 + 7H2O. Анодирање је спроведено на (40 ± 1)°C, 30 mA/cm2 током 1200 секунди. Процес заптивања је спроведен у различитим растворима слане воде као што је описано у материјалима (MgSO4, CaCl2, ZnSO4, SrCl2, CuSO4, MgCl2). Узорак се кува у њему 1800 секунди.
Испитане су три различите методе за производњу композита: адхезивно премазивање, директна реакција и површинска обрада. Предности и мане сваке методе обуке су систематски анализиране и размотрене. За процену резултата коришћено је директно посматрање, наноимаџинг и хемијска/елементарна анализа.
Анодирање је изабрано као метода површинске обраде конверзијом како би се повећала адхезија хидрата соли. Ова површинска обрада ствара порозну структуру алуминијум оксида (глинице) директно на површини алуминијума. Традиционално, ова метода се састоји од две фазе: прва фаза ствара порозну структуру алуминијум оксида, а друга фаза ствара премаз алуминијум хидроксида који затвара поре. У наставку су наведене две методе блокирања соли без блокирања приступа гасној фази. Прва се састоји од система саћа који користи мале цеви алуминијум оксида (Al2O3) добијене у првом кораку за држање кристала адсорбента и повећање његове адхезије на металне површине. Добијене саће имају пречник од око 50 nm и дужину од 200 nm (Сл. 1а). Као што је раније поменуто, ове шупљине се обично затварају у другом кораку танким слојем бемита Al2O(OH)2, који је потпомогнут процесом кључања цеви од алуминијум оксида. У другој методи, овај процес заптивања је модификован на такав начин да се кристали соли хватају у равномерно покривајући слој бемита (Al2O(OH)), који се у овом случају не користи за заптивање. Друга фаза се спроводи у засићеном раствору одговарајуће соли. Описани обрасци имају величине у опсегу од 50–100 nm и изгледају као прскане капљице (Сл. 1б). Површина добијена као резултат процеса заптивања има изражену просторну структуру са повећаном контактном површином. Овај површински образац, заједно са њиховим многим конфигурацијама везивања, идеалан је за ношење и држање кристала соли. Обе описане структуре изгледају заиста порозне и имају мале шупљине које изгледају добро прилагођене задржавању хидрата соли и адсорбовању пара на со током рада адсорбера. Међутим, елементарна анализа ових површина помоћу EDX-а може открити трагове магнезијума и сумпора на површини бемита, који се не детектују у случају површине од алуминијума.
ATR-FTIR анализа узорка је потврдила да је елемент магнезијум сулфат (видети слику 2б). Спектар показује карактеристичне врхове сулфатних јона на 610–680 и 1080–1130 цм–1 и карактеристичне врхове решеткасте воде на 1600–1700 цм–1 и 3200–3800 цм–1 (видети слику 2а, ц). Присуство магнезијумових јона готово не мења спектар54.
(а) EDX алуминијумске плоче обложене бемитом MgSO4, (б) ATR-FTIR спектри бемита и MgSO4 премаза, (ц) ATR-FTIR спектри чистог MgSO4.
Одржавање ефикасности адсорпције потврђено је ТГА анализом. На слици 3б приказан је пик десорпције од приближно 60°C. Овај пик не одговара температури два пика примећена у ТГА чисте соли (слика 3а). Процењена је поновљивост циклуса адсорпције-десорпције, а иста крива је примећена након стављања узорака у влажну атмосферу (слика 3ц). Разлике примећене у другој фази десорпције могу бити резултат дехидрације у проточној атмосфери, јер то често доводи до непотпуне дехидрације. Ове вредности одговарају приближно 17,9 г/м2 у првом одводњавању и 10,3 г/м2 у другом одводњавању.
Поређење ТГА анализе бемита и MgSO4: ТГА анализа чистог MgSO4 (а), смеше (б) и након рехидратације (ц).
Иста метода је спроведена са калцијум хлоридом као адсорбентом. Резултати су приказани на слици 4. Визуелним прегледом површине откривене су мање промене у металном сјају. Крп је једва видљива. СЕМ је потврдио присуство малих кристала равномерно распоређених по површини. Међутим, ТГА није показао дехидратацију испод 150°C. То може бити због чињенице да је удео соли премали у поређењу са укупном масом супстрата за детекцију ТГА.
Резултати површинске обраде премаза бакар сулфатом методом анодирања приказани су на слици 5. У овом случају, очекивано уградња CuSO4 у структуру Al оксида није дошла. Уместо тога, примећују се лабаве иглице, јер се оне обично користе за бакар хидроксид Cu(OH)2 који се користи са типичним тиркизним бојама.
Анодизирана површинска обрада је такође тестирана у комбинацији са стронцијум хлоридом. Резултати су показали неравномерну покривеност (видети слику 6а). Да би се утврдило да ли је со прекрила целу површину, извршена је EDX анализа. Крива за тачку у сивој зони (тачка 1 на слици 6б) показује мало стронцијума и много алуминијума. Ово указује на низак садржај стронцијума у ​​измереној зони, што, заузврат, указује на ниску покривеност стронцијум хлоридом. Насупрот томе, беле области имају висок садржај стронцијума и низак садржај алуминијума (тачке 2–6 на слици 6б). EDX анализа беле области показује тамније тачке (тачке 2 и 4 на слици 6б), низак садржај хлора и висок садржај сумпора. Ово може указивати на формирање стронцијум сулфата. Светлије тачке одражавају висок садржај хлора и низак садржај сумпора (тачке 3, 5 и 6 на слици 6б). Ово се може објаснити чињеницом да главни део белог премаза чини очекивани стронцијум хлорид. ТГА узорка потврдила је интерпретацију анализе са пиком на карактеристичној температури чистог стронцијум хлорида (Сл. 6ц). Њихова мала вредност може се оправдати малим уделом соли у поређењу са масом металног носача. Десорпциона маса одређена у експериментима одговара количини од 7,3 г/м2 ослобођеној по јединици површине адсорбера на температури од 150°C.
Такође су тестирани премази цинк сулфата третирани елоксалом. Макроскопски, премаз је веома танак и уједначен слој (Сл. 7а). Међутим, СЕМ је открио површину прекривену малим кристалима раздвојеним празним областима (Сл. 7б). ТГА премаза и подлоге је упоређен са чистом сољу (Сл. 7ц). Чиста со има један асиметрични врх на 59,1°C. Премазани алуминијум је показао два мала врха на 55,5°C и 61,3°C, што указује на присуство цинк сулфат хидрата. Разлика у маси откривена у експерименту одговара 10,9 г/м2 на температури дехидрације од 150°C.
Као и у претходној пријави53, хидроксиетил целулоза је коришћена као везиво за побољшање адхезије и стабилности сорбентног премаза. Компатибилност материјала и утицај на перформансе адсорпције процењени су ТГА анализом. Анализа се спроводи у односу на укупну масу, тј. узорак укључује металну плочу која се користи као подлога за премаз. Адхезија се тестира тестом заснованим на тесту унакрсног зареза дефинисаном у спецификацији ISO2409 (не може испунити спецификацију раздвајања зареза у зависности од дебљине и ширине спецификације).
Премазивање панела калцијум хлоридом (CaCl2) (видети слику 8а) резултирало је неравномерном расподелом, што није примећено код чистог алуминијумског премаза који је коришћен за тест попречног зареза. У поређењу са резултатима за чисти CaCl2, TGA (слика 8б) показује два карактеристична врха померена ка нижим температурама од 40 и 20°C, респективно. Тест попречног пресека не омогућава објективно поређење јер је узорак чистог CaCl2 (узорак десно на слици 8ц) прашкасти талог, који уклања најгорње честице. Резултати HEC-а показали су веома танак и уједначен премаз са задовољавајућом адхезијом. Разлика у маси приказана на слици 8б одговара 51,3 г/м2 по јединици површине адсорбера на температури од 150°C.
Позитивни резултати у погледу адхезије и униформности добијени су и са магнезијум сулфатом (MgSO4) (видети сл. 9). Анализа процеса десорпције премаза показала је присуство једног врха од приближно 60°C. Ова температура одговара главном кораку десорпције који се види код дехидратације чистих соли, што представља још један корак на 44°C. Она одговара прелазу из хексахидрата у пентахидрат и не примећује се у случају премаза са везивима. Тестови попречног пресека показују побољшану расподелу и адхезију у поређењу са премазима направљеним употребом чисте соли. Разлика у маси примећена у TGA-DTC одговара 18,4 g/m2 по јединици површине адсорбера на температури од 150°C.
Због површинских неправилности, стронцијум хлорид (SrCl2) има неуједначен премаз на перајима (Сл. 10а). Међутим, резултати теста попречног зареза показали су равномерну расподелу са значајно побољшаном адхезијом (Сл. 10ц). ТГА анализа је показала веома малу разлику у тежини, што мора бити последица нижег садржаја соли у поређењу са металном подлогом. Међутим, кораци на кривој показују присуство процеса дехидрације, иако је врх повезан са температуром добијеном приликом карактеризације чисте соли. Врхови на 110°C и 70,2°C примећени на Сл. 10б такође су пронађени приликом анализе чисте соли. Међутим, главни корак дехидрације примећен у чистој соли на 50°C није се одразио на криве коришћењем везива. Насупрот томе, смеша везива је показала два врха на 20,2°C и 94,1°C, који нису мерени за чисту со (Сл. 10б). На температури од 150 °C, уочена разлика у маси одговара 7,2 g/m2 по јединици површине адсорбера.
Комбинација HEC и цинк сулфата (ZnSO4) није дала прихватљиве резултате (слика 11). TGA анализа премазаног метала није открила никакве процесе дехидрације. Иако су се расподела и адхезија премаза побољшали, његова својства су и даље далеко од оптималних.
Најједноставнији начин за премазивање металних влакана танким и равномерним слојем је мокра импрегнација (слика 12а), која укључује припрему циљне соли и импрегнацију металних влакана воденим раствором.
Приликом припреме за влажну импрегнацију, јављају се два главна проблема. С једне стране, површински напон физиолошког раствора спречава правилно уграђивање течности у порозну структуру. Кристализација на спољашњој површини (Сл. 12д) и мехурићи ваздуха заробљени унутар структуре (Сл. 12ц) могу се смањити само смањењем површинског напона и претходним влажењем узорка дестилованом водом. Присилно растварање у узорку евакуацијом ваздуха унутра или стварањем протока раствора у структури су други ефикасни начини да се обезбеди потпуно пуњење структуре.
Други проблем који се појавио током припреме био је уклањање филма са дела соли (видети сл. 12б). Овај феномен карактерише формирање сувог премаза на површини растварања, што зауставља конвективно стимулисано сушење и покреће процес стимулисан дифузијом. Други механизам је много спорији од првог. Као резултат тога, потребна је висока температура за разумно време сушења, што повећава ризик од стварања мехурића унутар узорка. Овај проблем је решен увођењем алтернативне методе кристализације која се не заснива на промени концентрације (испаравању), већ на промени температуре (као у примеру са MgSO4 на сл. 13).
Шематски приказ процеса кристализације током хлађења и раздвајања чврсте и течне фазе помоћу MgSO4.
Засићени раствори соли могу се припремити на собној температури (СТ) или изнад ње коришћењем ове методе. У првом случају, кристализација је изазвана снижавањем температуре испод собне температуре. У другом случају, кристализација се догодила када је узорак охлађен на собну температуру (РТ). Резултат је смеша кристала (Б) и раствореног (А), чији се течни део уклања компримованим ваздухом. Овај приступ не само да избегава стварање филма на овим хидратима, већ и смањује време потребно за припрему других композита. Међутим, уклањање течности компримованим ваздухом доводи до додатне кристализације соли, што резултира дебљим премазом.
Друга метода која се може користити за премазивање металних површина укључује директну производњу циљних соли путем хемијских реакција. Премазани измењивачи топлоте направљени реакцијом киселина на металним површинама пераја и цеви имају низ предности, као што је објављено у нашој претходној студији. Примена ове методе на влакна довела је до веома лоших резултата због стварања гасова током реакције. Притисак мехурића водоника се накупља унутар сонде и мења се како се производ избацује (Слика 14а).
Премаз је модификован хемијском реакцијом како би се боље контролисала дебљина и расподела премаза. Ова метода подразумева пропуштање млаза киселе магле кроз узорак (слика 14б). Очекује се да ће ово резултирати уједначеним премазом реакцијом са металом подлоге. Резултати су били задовољавајући, али је процес био преспор да би се сматрао ефикасном методом (слика 14ц). Краће време реакције може се постићи локализованим загревањем.
Да би се превазишли недостаци горе наведених метода, проучавана је метода премазивања заснована на употреби лепкова. ХЕЦ је изабран на основу резултата представљених у претходном одељку. Сви узорци су припремљени са 3% теж. Везиво је помешано са сољу. Влакна су претходно обрађена према истом поступку као и за ребра, тј. натопљена су у 50% вол. сумпорној киселини у року од 15 минута, затим натопљена у натријум хидроксиду 20 секунди, испрана у дестилованој води и коначно натопљена у дестилованој води 30 минута. У овом случају, додат је додатни корак пре импрегнације. Узорак се кратко потопи у разблажени раствор циљне соли и осуши на приближно 60°C. Процес је осмишљен да модификује површину метала, стварајући места нуклеације која побољшавају расподелу премаза у завршној фази. Влакнаста структура има једну страну где су филаменти тањи и чврсто упаковани, и супротну страну где су филаменти дебљи и мање распоређени. Ово је резултат 52 производна процеса.
Резултати за калцијум хлорид (CaCl2) су сумирани и илустровани сликама у Табели 1. Добра покривеност након инокулације. Чак су и оне нити без видљивих кристала на површини имале смањене металне рефлексије, што указује на промену у завршној обради. Међутим, након што су узорци импрегнирани воденом смешом CaCl2 и HEC и осушени на температури од око 60°C, премази су били концентрисани на пресецима структура. Ово је ефекат узрокован површинским напоном раствора. Након намакања, течност остаје унутар узорка због свог површинског напона. У основи, то се дешава на пресеку структура. Најбоља страна узорка има неколико рупа испуњених сољу. Тежина се повећала за 0,06 г/цм3 након премазивања.
Премазивање магнезијум сулфатом (MgSO4) произвело је више соли по јединици запремине (Табела 2). У овом случају, измерени прираштај је 0,09 г/цм3. Процес засејавања је резултирао великим покривањем узорка. Након процеса премазивања, со блокира велике површине танке стране узорка. Поред тога, неке области матрице су блокиране, али је извесна порозност задржана. У овом случају, формирање соли се лако примећује на пресеку структура, што потврђује да је процес премазивања углавном последица површинског напона течности, а не интеракције између соли и металне подлоге.
Резултати за комбинацију стронцијум хлорида (SrCl2) и HEC показали су слична својства као и у претходним примерима (Табела 3). У овом случају, тања страна узорка је скоро потпуно покривена. Видљиве су само појединачне поре, настале током сушења као резултат ослобађања паре из узорка. Узорак који се примећује на мат страни је веома сличан претходном случају, подручје је блокирано сољу и влакна нису потпуно покривена.
Да би се проценио позитиван ефекат влакнасте структуре на термичке перформансе измењивача топлоте, одређена је ефективна топлотна проводљивост обложене влакнасте структуре и упоређена са чистим материјалом премаза. Топлотна проводљивост је мерена према ASTM D 5470-2017 коришћењем уређаја са равном плочом приказаног на слици 15а користећи референтни материјал са познатом топлотном проводљивошћу. У поређењу са другим методама мерења у пролазним фазама, овај принцип је повољан за порозне материјале који се користе у овој студији, јер се мерења врше у стационарном стању и са довољном величином узорка (основна површина 30 × 30 mm2, висина приближно 15 mm). Узорци чистог материјала премаза (референца) и обложене влакнасте структуре су припремљени за мерења у правцу влакана и нормално на правац влакана како би се проценио ефекат анизотропне топлотне проводљивости. Узорци су брушени на површини (зернистост P320) како би се минимизирао ефекат храпавости површине услед припреме узорка, која не одражава структуру унутар узорка.