فناوران - این محصول در صنعت ساختمان، صنایع نساجی، پلیمر، بسته بندی مواد غذایی و سلول های خورشیدی و حتی باتری های لپ تاپ کاربرد دارد.
در این پژوهش، کامپوزیت مواد تغییر فازدهنده حاوی نانوذرات اکسید آهن به شکل پایدارشده روی الیاف پلی استری به منظور مدیریت و ذخیره انرژی حرارتی براساس یک روش تک مرحله ای و مقرون به صرفه سنتز شده است که باعث برطرف کردن معایب مواد تغییر فازدهنده آلی، (موادی که برای ذخیره انرژی حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند) می شود.
مجید منتظر، عضو هیات علمی و استاد تمام دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر درباره لزوم انجام این طرح گفت: امروزه نداشتن وابستگی به سوخت های فسیلی و استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی حرارتی، از جمله موضوعات حائز اهمیت در جهان است.
وی افزود: ذخیره و مدیریت انرژی حرارتی از طریق مواد تغییر فازدهنده که در تغییر فاز قادر به ذخیره یا رهایش گرما هستند، امکان پذیر است. این مواد عمدتاً بر پایه ترکیبات آلی و تغییرفاز جامد- مایع است که با دو مشکل اساسی هدایت حرارتی کم و رهایش در طی فرآیندهای گرمایش/سرمایش مواجه هستند و سبب ایجاد محدودیت در کاربرد آن ها می شود.
منتظر اظهار داشت: در این پژوهش، کامپوزیت مواد تغییر فازدهنده حاوی نانوذرات اکسید آهن به شکل پایدارشده روی الیاف پلی استری به منظور مدیریت و ذخیره انرژی حرارتی و برطرف کردن معایب ذکر شده براساس یک روش تک مرحله ای و مقرون به صرفه سنتز شد. از ترکیب اسیدهای چرب، پلی استر و نانوذرات اکسید آهن به ترتیب به عنوان مواد تغییر فازدهنده، ماده زمینه و نانوپرکننده استفاده شده است.
وی درباره ویژگی های نوآورانه این طرح گفت: در پژوهش های گذشته و کارهای مشابه از فرآیند الکتروریسی مواد تغییرفازدهنده یا میکرو/نانو کپسول کردن و یا فرآیند پلیمریزاسیون استفاده شده که نیازمند تجهیزات و امکانات پیشرفته بوده و هزینه بر هستند. حال آنکه، در این پژوهش، مواد تغییرفازدهنده از طریق فرآیند ساده جذب سطحی براساس جاذبه آب گریزی- آب گریزی روی الیاف پلی استر بارگذاری شدند.
عضو هیات علمی دانشگاه امیرکبیر بیان کرد: در پژوهش های مشابه، نانوذرات یا به صورت جداگانه سنتز شده و به مواد تغییرفازدهنده اضافه می شوند و یا خریداری شده و مورد استفاده قرار می گیرند.
ولی در این تحقیق، نانوذرات اکسید آهن به صورت هم زمان سنتز و در کامپوزیت اسیدهای چرب/پلی استر بارگذاری شدند.
وی گفت: با درنظرگرفتن این موارد، کامپوزیت های حساس به دمای سنتز شده با این روش نه تنها می توانند مشکل هدایت حرارتی ضعیف و نشت ترکیبات در هنگام چرخه های سرمایش/گرمایش را برطرف کنند، بلکه به صورت تک مرحله ای تولید شده و نیازی به سنتز جداگانه نانوذرات و بارگذاری آن ها، فرآیندهای الکتروریسی و نانو/میکرو کپسول کردن و یا استفاده از حلال ندارند که از جمله مزایای آن به شمار می رود.
منتظر درباره محدوده دمای کاربردی مناسب این کامپوزیت های الیافی گفت: کامپوزیت های الیافی سنتزشده می توانند در مصارف مختلف ذخیره و مدیریت انرژی حرارتی با توجه به محدوده دمای کاربردی آن ها (°C۵۴.۱-۲۶.۹) به کار برده شوند. به عنوان مثال،این کامپوزیت ها را در صنعت ساختمان می توان در دیواره ساختمان جاسازی کرده و انرژی حرارتی ساختمان را مدیریت کرد.
وی گفت: این مواد به هنگام فراوانی انرژی (مثلاً در طول روز) گرما را از اتاق گرفته و ذخیره می کنند و هنگام کمبود انرژی (مثلاً شب)، انرژی ذخیره شده را به محیط پس می دهند و به این ترتیب به عنوان عایق دینامیکی عمل کرده و دمای اتاق را روی دمای مطلوب نگه می دارند.
منتظر افزود: از جمله کاربردهای دیگر این کامپوزیت ها، صنایع نساجی، پلیمر، بسته بندی مواد غذایی و سلول های خورشیدی و حتی باتری های لپ تاپ هستند، به این صورت، با به کارگیری این کامپوزیت ها می توان انرژی حرارتی را مدیریت کرده و دمای مطلوب را برای کاربرد خاص به دست آورد.
وی ادامه داد: به عنوان مثال می توان آن ها را به عنوان روکش دور باتری لپ تاپ استفاده کرد تا به هنگام افزایش دما، گرما جذب آن ها شده و در نتیجه دمای باتری کاهش یابد و در یک سطح مطلوب باقی بماند.
عضو هیات علمی دانشگاه امیرکبیر گفت: از جمله نتایج کلیدی این طرح این است که، سنتز و بارگذاری نانوذرات اکسید آهن در کامپوزیت اسیدهای چرپ/پلی استر سبب بهبود هدایت حرارتی نمونه ها به میزان ۴۴٫۵ تا ۸۵٫۸ درصد شده که کارایی آن ها را افزایش داده و مشکل هدایت حرارتی ضعیف مواد تغییرفازدهنده آلی را برطرف کرده است.
وی گفت: نمونه های سنتزشده دارای مقاومت و پایداری حرارتی مناسب حتی پس از ۱۰۰ چرخه حرارتی ذوب – انجماد بودند. به علاوه، آن ها هیچ رهایشی از خود در دمای ۷۵ درجه (بالای دمای ذوب اسیدهای چرب) و بعد از ۱۲۰ دقیقه در آزمون نشت سنجی نشان ندادند که بیانگر پایداری آن ها در کاربردهای عملی است.
در این پژوهش، نانوذرات اکسید آهن با استفاده از روش احیای شیمیایی با به کارگیری تری اتانول آمین و کلیاب (یک محصول گیاهی) سنتز شدند. سنتز ذرات اکسید آهن در مقیاس نانو سبب پخش مناسب ذرات در ماتریس مواد تغییر فازدهنده اسیدهای چرب شده و در نتیجه میزان استفاده از ذرات کاهش یافته و بازده هدایت حرارتی افزایش یافته است.
منتظر گفت: برای ادامه کار، به کارگیری کامپوزیت های پلیمری تولیدشده در مقیاس صنعتی، بررسی کاربردهای عملی آن ها در شرایط مختلف و استفاده از این روش بر روی سایر پلیمرها و الیاف در نظر گرفته شده است.
این مقاله بخشی از نتایج پایان نامه کارشناسی ارشد علی بشیری رضایی تحت عنوان «تأثیر متقابل به کارگیری مواد تغییرفازدهنده و سنتز در محل نانوذرات مس و آهن روی کالای پلی استری» در دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر است که به راهنمایی دکتر مجید منتظر عضو هیات علمی این دانشکده و نویسنده مسوول این مقاله انجام شده است.
این مقاله با عنوان Shape-stable thermo-responsive nano Fe۳O۴/fatty acids/PET composite phase-change material for thermal energy management and saving applications در مجله Applied Energy در سال ۲۰۲۰ به چاپ رسیده است.