طراحي و سنتز نانوكامپوزيت هاي تغييرفازدهنده شكل-ثابت بر پايه سيليكاي مزومتخلخل-گرافن اكسايد كاهش يافته/پارافين و بررسي عملكرد حرارتي آن

چكيده فارسي :

به دليل پايين بودن ضريب هدايت حرارتي مواد تغيير فاز دهنده، تلاش¬هاي بسياري براي افزايش ضريب هدايت حرارتي و افزايش كارايي سامانه¬هاي ذخيره انرژي حرارتي شده است. در بين روش¬هاي مورد استفاده جهت افزايش هدايت حرارتي مواد تغيير فاز دهنده، استفاده از ساختارهاي پيوسته حاوي گرافن، به دليل خصوصيت هدايت گرمايي ويژه خود، مي¬تواند هدايت حرارتي مواد تغيير فاز دهنده كامپوزيتي را به طور چشمگيري افزايش دهد. نشت مواد تغيير فاز دهنده بعد از ذوب، تغييرات حجمي¬ درحين و بعد از تغيير فاز و اكسايش مواد تغيير فاز دهنده، از ديگر مشكلاتي است كه باعث كاهش ظرفيت ذخيره انرژي و محدوديت كاربرد گسترده اين مواد مي-شود. اين مشكلات را مي¬توان با ايجاد مواد تغيير فاز دهنده شكل ثابت حل كرد. در پژوهش حاضر در راستاي تسهيل انتقال حرارت و جلوگيري از نشت پارافين به عنوان ماده تغيير فاز دهنده بعد از ذوب، فوم سه بعدي متخلخل سيليكاي مزومتخلخل-گرافن سنتز شد. به اين منظور بعد از سنتز اكسيد گرافن به روش هامر اصلاح شده، سل سيليكاي مزومتخلخل-گرافن با مقادير مختلف اكسيد گرافن اوليه(0 تا 200 ميلي¬گرم)، به روش قالبگيري مولكولي تهيه شد و سپس فوم سه بعدي كامپوزيتي مزومتخلخل سيليكا-گرافن با استفاده از فوم پلي يورتان به عنوان الگو و كلسينه شدن تحت بستر كك سنتز شد. مشخصه¬يابي پراش پرتو ايكس(XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي(SEM)، آناليز BET ، طيف سنج مادون قرمز تبديل فوريه(FT-IR)، آناليز رامان انجام شد. نتايج نشان مي¬دهد فوم¬هاي يكپارچه سيليكاي مزومتخلخل-گرافن كه داراي تخلخل¬هاي ميكرومتري در داخل فوم و تخلخل¬هاي نانومتري روي ديواره تخلخل¬هاي ميكروني است به طور موفقيت آميزي تهيه شده است. رشته¬هاي SBA-15 با تخلخل¬هاي استوانه¬اي بسيار منظم تشكيل شده و لابه¬لاي صفحات گرافن قرار گرفته و منجر به ايجاد سطح ويژه بالاي m2/g 564-664 كامپوزيت¬ها و حجم تخلخل¬هاي cm3/g9833/0 -6544/0، شده است. با افزايش ميزان اكسيد گرافن اوليه، سطح ويژه و حجم تخلخل¬هاي فوم¬هاي سيليكا-گرافن افزايش يافته است به طوري كه نمونه حاوي 200 ميلي¬گرم اكسيدگرافن اوليه، داراي بالاترين سطح ويژه و حجم تخلخل-هاي به ترتيب برابر با m2/g 664 و cm3/g9833/0 است. نتايج نشان مي¬دهدكه در حين عمليات حرارتي تحت بستر كك علاوه بر حذف كامل مواد آلي شامل سرفكتانت¬ها و فوم پلي يورتان، گروه¬هاي عاملي حاوي اكسيژن روي سطح اكسيد گرافن نيز تا حد زيادي تغيير يافته كه نشانگر احيا شدن اكسيدگرافن است. كامپوزيت¬هاي تغيير فازدهنده پارافين/سيليكا-گرافن با جذب موم پارافين بر روي سطح و داخل تخلخل¬هاي فوم¬هاي سيليكا-گرافن به روش اشباع تحت خلا تهيه شد. بيشترين درصد وزني پارافين جذب شده با نشتي صفر و بيشترين ميزان آنتالپي به ترتيب برابر با 85 درصد وزني و J/g 45/141مربوط به نمونه حاوي 100 ميلي¬گرم اكسيدگرافن اوليه است.حضور لايه نازك كربني بر روي سطح و ديواره مزوتخلخل¬ها از برهمكنش¬هاي قوي بين پارافين و سيليكا جلوگيري كرده كه نتيجه آن ضريب جذب بالاي پارافين بدون نشتي و آنتالپي ذوب بالا و نزديك به تئوري است. نتايج آزمون گرمانسجي افتراقي نشان مي¬دهد كه كامپوزيت¬هاي پارافين/سيليكا-گرافن سازگاري شيميايي و پايداري حرارتي خوبي در محدوده دماي كاربرد دارند. تمامي كامپوزيت-هاي سنتز شده در اين مطالعه قابليت ذخيره سازي حرارت بالاتر از 99 درصد از خود نشان مي¬دهند كه اين امر بيانگر اين است كه تقريبا تمام پارافين كپسوله شده در كامپوزيت¬ها به طور موثري گرماي نهان را در اثر تغيير فاز ذخيره مي¬كنند. هدايت حرارتي پارافين با قرارگرفتن در زمينه فوم سيليكا-گرافن به طور قابل توجهي افزايش يافته است و براي نمونه حاوي 100 ميلي¬گرم اكسيدگرافن اوليه بهW/m.k 84/0 رسيده است كه حدود342 درصد افزايش يافته است. بنابراين كامپوزيت¬هاي پارافين/سيليكا-گرافن قابليت بالايي جهت كاربردهاي ذخيره انرژي دارد.

چكيده انگليسي :

In the present study, in order to facilitate heat transfer and prevent paraffin leakage after melting, the silica-graphene mesoporous structure was synthesized. For this purpose, after synthesizing graphene oxide by modified Hummer method, mesoporous-graphene silica sol was prepared by molecular molding method and then calcination was performed under the coke bed. Paraffin/silica-graphene phase change composite were prepared by vacuum impregnation method. Field scanning electron microscopy (FESEM), BET analysis, and differential scanning calorimetry (DSC) were performed. The results show that SBA-15 rods are formed with very regular cylindrical porosities and wrapped up with graphene sheets, resulting a specific surface area of 639 m2/g and total pore volume of 0.8055cm3/g. the amount of paraffin supercooling was favourably reduced by confining into the mesoporous silica-graphene support. The melting time of paraffin is reduced by 72% by encapsulating paraffin in a silica-graphene structure. This indicates that the high thermal conductivity of the silica-graphene composite is responsible for accelerating the phase transition, which improves energy storage and release efficiency.

فلاحتيان، مهناز

طراحي و سنتز نانوكامپوزيت هاي تغييرفازدهنده شكل-ثابت بر پايه سيليكاي مزومتخلخل-گرافن اكسايد كاهش يافته/پارافين و بررسي عملكرد حرارتي آن

مواد تغيير فاز دهنده , كامپوزيت پارافين/سيليكا-گرافن , كامپوزيت تغيير فاز دهنده شكل-ثابت , سيليكاي مزومتخلخل