توصيفگر ها :
پلي‌اتيلن گليكول , گرافيت , مواد تغييرفازدهنده شكل ثابت , ماتريس‌هاي حمايت‌كنندة هيبريدي كربني , منسوج هوشمند گرمايي
چكيده فارسي :
هدف از انجام اين رساله، آماده‌سازي ماتريس حمايت‌كنندة هيبريدي كربني مزو متخلخل براي تثبيت شكل پلي‌اتيلن گليكول به‌عنوان مادة تغييرفازدهنده، با قابليت هدايت گرمايي بالا و ذخيرة انرژي گرمايي مطلوب است كه به‌عنوان ساختاري مناسب براي تهية منسوج هوشمند گرمايي بكار گرفته شود. براي رسيدن به اين هدف، اثر ماتريس‌هاي كربني با ساختارها و شيمي سطح مختلف و همچنين مخلوط آن‌ها به‌عنوان ماتريس‌هاي حمايت‌كنندة پلي‌اتيلن گليكول بر خواص گرمايي نانومواد تغيير فاز دهندة حاصل، بررسي شد. در اين راستا دو متغير اصلي اثرگذار بر خواص گرمايي نانومواد تغييرفازدهنده شامل خصوصيات شيمي سطح و نوع ساختار ماتريس‌هاي حمايت‌كنندة كربني بررسي شد. ساختار شيميايي نمونه هاي تهيه شده با استفاده از آزمون‌هاي گرماوزن‌سنجي (TGA)، طيف‌سنجي تبديل فوريه (FTIR)، طيف‌سنجي رامان (Raman) و آزمون پراش انرژي پرتو ايكس (EDX) بررسي شد. جهت بررسي مورفولوژي ماتريس‌هاي حمايت‌كننده و نانومواد تغيير فاز دهندة شكل ثابت تهيه‌شده در اين رساله از ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني (FESEM) و ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) استفاده شد. ساختار فيزيكي نمونه ها نيز با استفاده از آزمون جذب و واجذب نيتروژن، تعيين اندازة نانوذرات (DLS) و پراش اشعة ايكس (XRD) بررسي شد. درنهايت اثر تغيير فيزيكي و شيميايي ساختار بر خواص گرمايي نمونه هاي تهيه شده، با استفاده از آزمون‌هاي تعيين هدايت گرمايي، TGA وكالريمتر پويشي تفاضلي (DSC) بررسي شد. از روش محاسباتي شبيه‌سازي ديناميك مولكولي نيز براي ارزيابي اثر گروهاي عاملي اكسيژن‌دار در ميزان جذب و نفوذ زنجيره‌هاي پلي‌اتيلن گليكول در ماتريس هاي تهيه شده و هدايت گرمايي مواد تغيير فاز دهندة شكل ثابت حاصل، استفاده شد. نتايج نشان داد كه تفاوت در ميزان گروههاي عاملي اكسيژن‌دار نانوذرات گرافيت بر ميزان نفوذ و برهمكنش ميان مادة تغييرفازدهنده و ماتريس حمايت‌كننده اثرگذار بوده است. به طوري كه هدايت گرمايي اندازه گيري شده براي نمونه حاوي گروههاي عاملي اكسيژن دار حدود 18 درصد كمتر از ساير نمونه ها بوده است. بعد از تهيه مواد تغيير فاز دهندة حاوي پلي‌اتيلن گليكول و نانوالياف كربن خالص و حاوي نانوذرات گرافيت و ارزيابي خواص نمونه‌هاي تهيه‌شده با آزمون‌هاي استاندارد موجود، نتايج نشان داد كه ماتريس‌هاي كربني تهيه‌شده ضمن جلوگيري از نشت مادة تغييرفازدهنده، سبب بهبود خواص گرمايي و به‌خصوص هدايت گرمايي نمونه‌ها شده است. به‌طوري‌كه نانومواد تغيير فاز دهندة شكل ثابت تهيه‌شده با ماتريس هيبريدي نانوالياف كربن - نانو گرافيت خواص گرمايي بهتري را نسبت به نمونه‌هاي تهيه‌شده با ماتريس‌هاي كربني تك جزئي نشان داده‌اند. به دليل اينكه مخلوط ماتريس‌هاي كربني با ابعاد و ساختارهاي متفاوت در افزايش هدايت گرمايي اثر هم‌افزايي داشته و بدين ترتيب ساير خواص گرمايي مورد انتظار از يك مادة تغييرفازدهنده را بهبود مي‌بخشد. نمونه هاي تهيه شده در اين بخش داراي دماهاي انتقال فاز مناسب با گرماي نهان 1/55 تا 3/84 ژول بر گرم بوده اند. درنهايت، منسوج بي بافت پلي‌استري پوشش داده شده با نانو مادة تغيير فاز دهندة بهينه، تهيه و خواص فيزيكي آن نظير خواص گرمايي، نفوذپذيري هوا، ثبات شستشويي و سايشي، با پارچة بدون پوشش مقايسه شد. منسوجات پوشش داده شده، محدودة دماي تغيير فاز 1/30-4/34 درجة سانتي‌گراد و 3/24-2/19 درجة سانتي‌گراد را به ترتيب براي فرآيند ذوب و انجماد با گرماي نهان 9/22-9/8 ژول بر گرم و 4/21-2/11 ژول بر گرم را نتيجه داده‌اند. استفاده از ماتريس حمايت‌كنندة هيبريدي كربني منجر به افزايش 454 درصدي هدايت گرمايي شد. بنابراين در مقايسه با ساير مطالعات انجام شده در اين زمينه، ضمن دستيابي به حداكثر آنتالپي گرماي نهان گزارش شده، بالاترين ميزان هدايت گرمايي حاصل شد. علاوه بر اين، كاهش وزن منسوجات پس از آزمون‌هاي ارزيابي ثبات سايشي و شستشويي نيز كمتر از 4 درصد بوده است، بنابراين اثر كمي را بر خواص گرمايي نمونه‌ها داشته است. درنهايت، منسوج هوشمند گرمايي شكل ثابت تهيه شده در اين رساله مي‌تواند براي استفاده در صنايع مختلف مانند نساجي، ساختمان و دستگاه‌هاي الكترونيكي براي مديريت انرژي گرمايي در دماي پايين مناسب باشد.
چكيده انگليسي :
Recently, engineers and researchers have shown great interest in thermal energy storage (TES) through phase change materials (PCMs). However, their problems related to low thermal conductivity (TC), leakage, and a high degree of supercooling hinder their practical applications in heat storage systems. This study is focused on solving these technical concerns via introducing innovative nanocomposites as shape-stabilized PCMs (SSPCMs) by incorporating polyethylene glycol (PEG) into graphite oxide nanoparticles (GONP) and reduced GONP (rGONP) to conquer leakage along with phase transition to raise the TC of PCM. Moreover, the influence of graphite surface chemistry of nanoparticles on the thermal behavior of prepared SSPCMs was investigated. Also, Molecular Dynamics (MD) simulations were conducted for a thermophysical analysis of prepared SSPCMs. Study follows by design PEG/rGONP incorporated in carbon nanofiber (CNF) SSPCMs with different amounts of rGONP in nanofibers via an electrospinning process. Also, in this study, for the first time, novel, flexible, and shape-stable PEG/50CNF+5orGONP/non-woven polyester nanocomposites were prepared by applying pad-dry-cure method. The textural and chemical characteristics, crystallization, interfacial interactions, and thermal properties of samples were evaluated using nitrogen adsorption-desorption isotherms, FTIR, Raman, XRD, FESEM, TGA, and DSC analyses. The results revealed that the thermal conduction could be improved by introducing graphite whit nanostructure and a low amount of oxygen-containing functional groups. So that the TC measured for PEG/rGONP is about 18% higher than that of PEG/GONP. According to the results, PEG/CNF with and without rGONP loadings had suitable phase transition temperatures with the latent heat ranging from approximately 55.1 to 84.3 J g-1. Furthermore, the TC of PCM was synergistically enhanced by CNF and rGONP; this was followed by a gradual increase in the former with the rGONP content. The coated fabrics indicated promising phase change temperature intervals of 30.1-31.4°C and 19.2-24.3°C for melting and freezing, with latent heats of 8.9-22.9 J g-1 and 11.2-21.4 J g-1, respectively. The CNF+rGONP embedment led to the rise of TC by 454 %, which is higher than most of the reported values in the literatures. Additionally, the weight losses of the fabrics following abrasion and washing fastness tests were found to be less than 4%, indicating that the improvement of thermal behavior could be stable in the application. These fabrics demonstrated excellent hi-tech applications for practical thermal energy regulation due to rapid thermal response.
