SUPERVISOR
Nasrin Etesami
نسرین اعتصامی (استاد راهنما)
STUDENT
Samaneh Sami
سمانه سامی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Fabrication, Characterization and Experimental Evaluation of Thermal Performance of Microencapsulated Phase-Change Material Containing Nanoparticles
In the present study, preparation and thermal characterization of the microencapsulated lauric acid (LA) and paraffin (Pa) with a poly(styrene) shell was carried out using an emulsion polymerization technique for the first time. The optimization of the microencapsulation process of the LA and Pa as phase change materials (PCM) was investigated using response surface methodology (RSM). The quadratic polynomial regression model was applied for predicting microencapsulation ratio. The maximum achieved value of microencapsulation ratio under the optimal conditions was 87.7% and 91.64% for Pa and LA, respectively. The optimal independent variables using response surface methodology were PA/styrene (St) mass ratio of 0.39, emulsifier (SDS)/ St mass ratio of 0.035 and the stirring rate of 1500 rpm in the microencapsulation process of PA. For the microencapsulation process of LA, the optimal variables determined LA/St mass ratio of 0.42, SDS/St mass ratio of 0.01, stirring rate of 1076 rpm and the temperature of 55 o C using RSM. Under the optimal conditions, the average diameter of Pa and LA microcapsules is about 18.3 ?m and 1.32 ?m, respectively. Thermogravimeric analysis (TGA) showed that thermal stability of microencapsulated samples are higher than that for pure LA and Pa samples. The results showed that obtained microcapsules with the maximum microencapsulation ratio can be considered to have good potential for energy storage. After determination of the optimal conditions, the effect of presence of three kinds of nanoparticle of MgO, TiO 2 and graphite with mass ratios of 3, 5, 7 and 10% on the thermal properties of the Pa and LA microcapsules was investigated. The microencapsulation ratio of LA increases with amount of MgO and TiO 2 . However, the microencapsulation ratio was reduced with increasing the mass ratio of nano graphite. MgO and TiO 2 nanoparticles were inlayed in paraffin microcapsules by surface modification. The microencapsulation ratio of Pa decreased by increasing the mass ratio of these nanoparticles. It could be due to the difference in the structure of Pa and LA. The diameter of the paraffin microcapsules with nanoparticles is larger than that of the LA microcapsules with similar nanoparticles. The LA and Pa microcapsules with TiO 2 nanoparticles have the maximum microencapsulation ratio compared to other types of nanoparticles. Scanning electron microscopy (SEM) images showed that microcapsules obtained containing TiO 2 were spherical with smooth surface and narrow particle size distribution. The thermal stability and thermal conductivity coefficient for the pure phase change materials, obtained microcapsules with and without nanoparticles were investigated. The thermal stability improved with increasing mass ratio of the nanoparticles, no considerably. Thermal conductivity of the microcapsules was increased with addition of nanoparticles. The results show that LA and Pa microcapsules with TiO 2 nanoparticle have higher thermal stability than other nanoparticles. Thermal performance of the obtained samples was evaluated in a designed experimental setup. The results show that thelopeoftemperature-time in heating curveof the LA samples is more thaa samples. It is verified by the higher thermal conductivity coefficient of LA samples. Also, the slope of heating curves of the LA microcapsules containing MgO, TiO 2 , graphite, and microcapsules without nanoparticle, respectively increases in comparison to the slope of heating curve of the pure LA, due to higher thermal conductivity coefficient of corresponding samples. The Pa and LA microcapsules with MgO nanoparticle have the most thermal conductivity coefficient and attain the highest temperature stability in the heating process. According to the thermal conductivity enhancement of the microcapsules in comparison with the pure samples, the start of melting and solidification process was considerably accelerated in the heating and cooling process, respectively. Keywords: Phase Change Material, Microencapsulation, Polymerization, Optimization, Nanoparticles, Thermal conductivity coefficient, Thermal Performance.
در پژوهش حاضر، برای نخستین بار، ساخت و بررسی خصوصیات حرارتی میکروکپسوله های لاریک اسید و پارافین به کمک پوسته ی پلی استایرن و به روش پلیمریزاسیون امولسیونی قطره ای انجام شد. بهینه سازی میکروکپسوله سازی لاریک اسید و پارافین به عنوان ماده تعییر فاز دهنده به کمک روش رویه پاسخ، مورد ارزیابی قرار گرفت. مدل مرتبه دوم بمنظور پیش بینی نسبت میکروکپسوله سازی مشتق شد. حداکثر میزان نسبت میکروکپسوله سازی پارافین و لاریک اسید در شرایط بهینه به ترتیب 7/87% و 64/91% بدست آمد. مقادیر بهینه سه متغیر مستقل در فرآیند میکروکپسوله سازی پارافین، شامل نسبت جرمی پارافین به استایرن برابر39/0، نسبت جرمی عامل معلق ساز به استایرن برابر 035/0، سرعت همزن برابر rpm 1500 به کمک روش رویه پاسخ بدست آمد. برای فرآیند میکروکپسوله سازی لاریک اسید نیز مقادیر بهینه چهار متغیر شامل نسبت جرمی لاریک اسید به استایرن برابر 42/0، نسبت جرمی عامل معلق ساز به استایرن برابر 01/0، سرعت همزن برابر rpm 1076 و دمای o C 55 به کمک روش رویه پاسخ تعیین شد. در شرایط بهینه، قطر متوسط میکروکپسول های پارافین و لاریک اسید به ترتیب حدودµm 3/18 و µm 32/1 است. بررسی آنالیز پایداری حرارتی (TG) میکروکپسول های پارافین و لاریک اسید در مقایسه با پارافین و لاریک اسید خالص نشان می دهد که میکروکپسوله سازی موجب بهبود پایداری این دو ماده تغییر فاز دهنده می شود که نشان دهنده قابلیت مناسب میکروکپسول های تهیه شده برای ذخیره سازی انرژی می باشد. پس از مشخص شدن شرایط عملیاتی بهینه فرآیند میکروکپسوله سازی، جهت بررسی اثر حضور نانوذرات در ساختار میکروکپسول ها بر خواص حرارتی آن، سه نوع نانو ذره ی منیزیم اکساید، تیتانیوم اکساید و گرافیت با مقدار 3، 5، 7 و 10 درصد جرمی نسبت به مونومر به میکروکپسول های پارافین و لاریک اسید افزوده شدند. در مورد میکروکپسول های لاریک اسید حاوی نانو ذرات، با افزایش درصد جرمی نانو ذرات منیزیم اکساید و تیتانیوم اکساید، نسبت میکروکپسوله سازی افزایش می یابد ولی در مورد گرافیت با افزایش درصد جرمی نانو گرافیت، نسبت میکروکپسوله سازی کاهش زیادی می یابد. در مورد میکروکپسول های پارافین حاوی نانوذرات، نانو ذرات منیزیم اکساید و تیتانیوم اکساید به کمک اصلاح سطح درساختار میکروکپسول های پارافین قرار گرفتند. با افزایش درصد جرمی این نانو ذرات، نسبت میکروکپسوله سازی پارافین کاهش پیدا کرد، که این تفاوت می تواند ناشی از تفاوت در ساختار دو ماده تغییر فاز دهنده باشد. اندازه میکروکپسول های پارافینی پس از افزودن نانو ذرات به ساختار آن ها در مقایسه با میکروکپسول های لاریک اسید با نانو ذرات مشابه بزرگتر است. میکروکپسول های لاریک اسید و پارافین حاوی نانو ذره تیتانیوم اکساید در میان انواع مختلف نانو ذرات بکار رفته دارای بیشترین مقادیر نسبت میکروکپسوله سازی، توزیع اندازه ذرات یکنواخت تر و مورفولوژی ذرات تشکیل شده کروی تر و با سطح یکنواخت تر هستند. پایداری حرارتی و ضریب هدایت حرارتی دو ماده تغییر فاز دهنده، میکروکپسول های این دو ماده بدون حضور و با حضور نانو ذرات مختلف مورد بررسی قرار گرفتند. افزایش درصد نانوذرات موجب بالا رفتن نامحسوس میزان پایداری می شود و ضریب هدایت حرارتی میکروکپسول ها نیز بالا می رود. نتایج نشان می دهد که برای هر دو ماده تغییر فازدهنده لاریک اسید و پارافین، نانو ذرات تیتانیوم اکساید پایداری بالاتری نسبت به دیگر نانو ذرات ایجاد می کند. ارزیابی عملکرد حرارتی نمونه های ساخته شده در سامانه آزمایشگاهی نشان داد که شیب نمودار تغییرات دما بر حسب زمان برای نمونه های لاریک اسید در مقایسه با پارافین بیشتر است. این نتایج با توجه به بالاتر بودن ضریب هدایت حرارتی نمونه های لاریک اسید قابل توجیه است. همچنین شیب نمودارهای گرمایش نمونه های لاریک اسید میکروکپسوله حاوی نانوذرات (به ترتیب نانوذرات منیزیم اکساید، تیتانیوم اکساید و گرافیت) و بعد از آن لاریک اسید میکروکپسوله شده نسبت به شیب نمودار گرمایش لاریک اسید خالص در حال افزایش است و این افزایش در سرعت انتقال گرما با نتایج ضریب هدایت حرارتی نمونه های مربوطه همخوانی دارد. شیب نمودارهای گرمایش نمونه های حاوی پارافین نیز با افزایش ضریب هدایت حرارتی افزایش می یابد. نمونه پارافین و لاریک اسید میکروکپسوله حاوی منیزم اکساید بیشترین ضریب هدایت حرارتی را داشته و در فرآیند گرمایش به بیشترین دما ی پایداری رسیده است. درصد تسریع در زمان شروع فرآیند ذوب و درصد تسریع در شروع فرآیند انجماد به ترتیب در فرآیند گرمایش و سرمایش در سامانه طراحی شده، با توجه به درصد بهبود در ضریب هدایت حرارتی برای نمونه های کپسوله شده مختلف در مقایسه با نمونه خالص در حال افزایش است. کلمات کلیدی: ماده تغییرفازدهنده، میکروکپسوله سازی، پلیمریزاسیون، بهینه سازی، نانوذرات، ضریب هدایت حرارتی، عملکرد حرارتی.