SUPERVISOR
Nasrin Etesami
نسرین اعتصامی (استاد راهنما)
STUDENT
Shila Rahnamaei
شیلا رهنمائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Fabrication and Characterization of Lauric Acid Microcapsules with and without Silica nanoparticles for Thermal Energy Storage
Among various methods of thermal energy storage, latent heat energy storage is more widely used than sensible and chemical energy. Phase change materials (PCMs) have been extensively used as latent heat storage materials in a variety of fields including solar energy utilization, industrial heat loss recovery, thermal insulation in construction, textile industries and so on. Fatty acids have superior advantages over other PCMs because of their properties such as high enthalpy of latent heat, non- toxicity, non-corrosiveness, non-flammability. In the present work, lauric acid microcapsules were fabricated with polystyrene shell and their thermal properties were compared with pure lauric acid. Then, the effect of silica hydrophobic nanoparticles on the thermal properties of microcapsules has been investigated. In the first step, the lauric acid microcapsule with a polystyrene shell was made without the presence of nanoparticles and its thermal properties was analysied. In the next step, silica nanoparticles, at different weight percentages of 0.75%, 1.5% and 3%, were dispersed once in styrene as microcapsule shell and again in lauric acid as microcapsule core using ultrasonic waves, followed by encapsulation process through emulsion polymerization method. DSC, FT-IR, SEM and XRD analysis, weightless percentage at high temperature, variations in thermal diffusivity of samples and thermal performance of the samples were investigated and compared for all three types of products. Results showed that lauric acid microencapsulated with a considerable encapsulation efficiency (about 78%) and the thermal stability of the resulting micro-capsules was 36% more than that of pure lauric acid. On the other hand, the presence of hydrophobic silica nanoparticles, whether in lauric acid as a core or in polystyrene as a shell, made no chemical bond with the material; however, it disrupted the structure of the microcapsules according to SEM images and converts them into porous micron pores of polystyrene containing lauric acid and nanoparticles. The encapsulation efficiency and thermal stability of the samples containing silica nanoparticles were much lower than the lauric acid microcapsules due to the decrease in the mass fraction of lauric acid limited in polystyrene, however, the encapsulation ratio for the samples containing nanoparticles in the shell was higher than those containing nanoparticles in the core. This may be due to the higher porosity of the structure produced in the samples containing nanoparticles in the shell and the limited of a higher percentage of lauric acid in it. Thermal diffusivity was also 27% higher for pure microcapsule samples than pure lauric acid, but this ratio was significantly lower for samples containing silica nanoparticles. As the percentage of silica nanoparticles in the samples increased, the thermal diffusivity decreased. By evaluating the performance of the while placed in an oil bath at 80 ° C, it was observed that the lauric acid microcapsules without nanoparticles began to melt earlier than all samples containing silica nanoparticles and even pure lauric acid. Keywords: Microencapsulation, PCM, Lauric Acid, Silica Nanoparticles, Thermal Properties
در میان روشهای مختلف ذخیرهسازی انرژی حرارتی، ذخیرهی انرژی حرارت نهان در مقایسه با انرژی محسوس و انرژی شیمیایی، عملکرد بیشتر و گستردهتری دارد. استفاده از مواد تغییر فاز دهنده(PCM)، بهعنوان مواد ذخیره گرمای نهان در زمینههای مختلف ازجمله بهرهبرداری از انرژی خورشیدی، بازیابی اتلاف حرارت صنعتی، عایق حرارتی در ساختمانسازی، صنایع نساجی و ... کاربرد وسیعی دارد. در میان PCM ها، اسیدهای چرب به دلیل دارا بودن خواصی ازجمله حرارت نهان بالا، غیر سمی و غیر خورنده بودن، غیرقابل اشتعال و قیمت پایین، مزایای برتری نسبت به سایر PCM ها دارند. در پروژهی حاضر، میکروکپسولهای لاریک اسید با پوستهی پلی استایرن ساخته شده و خواص حرارتی آن با لاریک اسید خالص مقایسه شده و سپس به بررسی تأثیر نانو ذرات آبگریز سیلیکا بر روی خواص حرارتی میکروکپسولی با هستهی اسید چرب (لاریک اسید) و پوستهی پلی استایرن پرداختهشده است. در گام نخست میکروکپسول لاریک اسید با پوستهی پلی استایرن بدون حضور نانوذره ساخته شده و آنالیزهای حرارتی آن موردبررسی قرارگرفته است. در گام بعدی نانو ذرات سیلیکا در درصدهای وزنی مختلف%75/0، %5/1 و %3 یکبار در استایرن بهعنوان پوستهی میکروکپسول و بار دیگر در لاریک اسید بهعنوان هستهی میکروکپسول با استفاده از امواج مافوق صوت پراکندهشده و سپس فرایند کپسوله سازی با روش پلیمریزلسیون امولسیونی انجامگرفته است. بررسی آنالیزهای DSC، FT-IR، XRD، SEM، کاهش درصد وزنی در دمای بالا، تغییرات ضریب نفوذ گرما و بررسی عملکرد حرارتی نمونهها با زمان برای هر سه نوع محصول انجام و با هم مقایسه شده است. نتایج حاکی از آن است لاریک اسید با نسبت کپسوله سازی قابلملاحظهای (حدود78%) با پلی استایرن میکروکپسوله شده و پایداری حرارتی میکرو کپسولهای حاصل 36% بیش از لاریک اسید خالص محاسبه شد. از طرف دیگر حضور نانو ذرات سیلیکا آبگریز چه در لاریک اسید و چه در پلی استایرن هیچگونه پیوند شیمیایی با مواد برقرار نمیکند اما طبق تصاویر SEM ساختار میکروکپسولها را بههمریخته و آنها را به ذرات میکرونی متخلخلی از پلی استایرن حاوی لاریک اسید و نانو ذرات سیلیکا تبدیل میکند. نسبت کپسوله سازی و پایداری حرارتی نمونههای حاوی نانو ذرات سیلیکا، به دلیل کاهش کسر جرمی لاریک اسید مهارشده در پلی استایرن بسیار کمتر از میکروکپسول لاریک اسید به دست آمد، البته نسبت کپسوله سازی برای نمونههای حاوی نانوذره در پوسته بیشتر از نمونههای حاوی نانوذره در هسته است که میتواند به دلیل تخلخل بیشتر ساختار تولیدشده در نمونههای حاوی نانو ذرات در پوسته و مهار درصد بیشتری از لاریک اسید موجود در آن باشد. ضریب نفوذ گرما نیز برای نمونههای میکروکپسوله بدون نانوذره، 27% بیشتر از لاریک اسید خالص به دست آمد اما این نسبت برای نمونههای حاوی نانوذره سیلیکا کاهش چشمگیری داشته است. هر چه درصد نانوذره سیلیکای موجود در نمونهها بیشتر شده، ضریب نفوذ گرما کاهش بیشتری داشته است. با ارزیابی عملکرد نمونههای ساخته شده هنگام قرار گرفتن در حمام روغن با دمای ? 80 مشاهده شد که میکروکپسولهای لاریک اسید بدون نانوذره، زودتر از تمامی نمونههای حاوی نانوذره سیلیکا و حتی لاریک اسید خالص، شروع به ذوب شدن میکند درحالیکه بازهی زمانی مورد نیاز برای ذوب میکروکپسولها بیشتر از نمونههای حاوی نانوذره است. واژههای کلیدی: میکروکپسوله سازی، PCM، لاریک اسید، نانوذرهی سیلیکا، خواص حرارتی