بررسی تجربی و تحلیلی عملکرد حرارتی ریز لایه های حاوی مواد تغییر فاز دهنده تولید شده به روش الکتروریسی

STUDENT

DEGREE

YEAR

This Thesis aimed to investigate the fabrication facility of thermoregulating core–shell fibrous layers containing PCMs by coaxial electrospinning process and evaluation of thermal performance by means of the experimental and theoretical approach. In the experimental part, the effect of different parameters such as the type and concentration of polymer shells (PAN, PVDF and PVP), the flow rates of the core and shell fluid, and the voltage were investigated. The results showed a significant effect of these factors on the formation of core-shell structure and the thermal performance of the fibrous layers. The PVP solution had a better ability to form the core–shell structure than the other two polymer solutions. According to morphological investigation, high shell concentration enhanced both the core and overall fiber diameter. In addition, increasing the voltage had an adverse effect on fiber morphology and increasing the shell and core flow rate affected the fiber morphology. In the next step, the thermal properties of fibrous layers containing octadecane and hexadecane were evaluated. DSC results showed that the fiber latent heat increases with decreasing the shell feed rate and increasing the core feed rate. The phase change enthalpy of fibrous layers with both types of PCM was obtained 80-83 J/g, indicating 36-38% loading of PCM into the fiber. Moreover, the thermal cycling test showed that the fibrous layers containing PCMs had good thermal reliability. Thermal performance of the single and double layer structure of the samples was evaluated by the dynamic simulated body conditions. The results showed that the samples had a good thermal performance during the ambient temperature changes, and skin temperature decreased with a slower rate in both single and double layer structures. As a result, hexadexane, with a near-ambient phase change temperature, is generally more appropriate for creating insulation effects while octadecane with a phase change temperature far from the ambient temperature is more appropriate for preventing the thermal shock at the onset of the cooling process. The temperature difference between PVP and PCM-PVP samples was obtained 11-12 ° C, indicating a good response of the PCM-PVP fibrous layers at the simulated body condition. In addition, three indices, including the mean and the maximum temperature difference, the mean gradient temperature ( G T ), and the cooling rate, were derived from the dynamic test results. The mean temperature difference showed no significant differences between the samples containing PCMs, while the G T and the cooling rate showed longer thermal response times in the samples containing hexadecane in comparison with the other samples. In the theoretical part, the mathematical model was defined and developed to predict the thermal behavior of fibrous layers at the simulated body condition. The apparent heat capacity and heat source model were used to consider the phase change process at the heat transfer equation. Both of models showed a good agreement with the experimental results. In the apparent heat capacity model, DSC data was used to estimate the Capp value. In the heat source model, a sigmoid function as a nonlinear function was used to express the liquid mass fraction related to the temperature. The results showed that the nonlinear function has closer results to the experimental data rather than linear functions. Despite the well-fitting models, the results showed that both mentioned models were related to the cooling rate of DSC, and so that by changing the cooling/ heating rate of the sample under experimental conditions, the model results could not correctly predict the experimental results. Therefore, with evaluating the results of DSC in different cooling rate, the new Gaussian model was proposed as a comprehensive model with the ability to estimate the apparent heat capacity and the liquid mass fraction function related to the cooling rate of sample. The results showed that the proposed model could correctly predict the experimental results. Finally, the effect of different factors such as porosity, layer thickness, phase change temperature of PCM, ambient temperature and air velocity on the thermal performance of the samples were predicted by the proposed Gaussian model.

در سال های اخیر مواد تغییر فاز دهنده در بین موضوعات مورد مطالعه در زمینه ذخیره انرژی گرمایی، توجه چشمگیری را به خود اختصاص داده است. مواد تغییرفازدهنده (PCMs) مقدار زیادی انرژی گرمایی را در نقطه تغییر فاز خود جذب، ذخیره و یا آزاد می کنند، بنابراین می توانند برای کاربردهای ذخیره انرژی مفید باشند. در زمینه منسوجات هوشمند، در دو دهه اخیر، محققان تلاش های گسترده ای برای تولید لایه های حاوی مواد تغییرفازدهنده به عنوان منسوجات هوشمند با خاصیت تنظیم دما انجام داده اند. با پیشرفت فناوری نانو، کپسوله کردن مواد فعال داخل ساختارهای میکرو یا نانو در کاربردهای مختلف مورد توجه قرار گرفته است. در همین راستا کپسوله کردن مستقیم PCM داخل پوسته پلیمری با استفاده از روش الکتروریسی ایده جالبی است که اخیراً برای تولید الیاف تغییرفازدهنده استفاده شده است. ریزلایه های تولید شده به روش الکتروریسی می توانند به طور مستقیم در کاربردهای مختلف نظیر پوشاک، صنعت بسته بندی مواد حساس به تغییرات دما، کامپوزیت های مورد کاربرد در ساختمان و همچنین ذخیره انرژی خورشیدی بدون نیاز به کپسوله کردن اضافی استفاده شوند. هدف اصلی این پژوهش، تولید ریزلایه های حاوی PCM به روش الکتروریسی و مطالعه رفتار حرارتی آن از دو دیدگاه تجربی و نظری است. در بخش تجربی، اثر پارامترهای مختلف از جمله نوع و غلظت پوسته پلیمری (PAN,PVDF وPVP)، نرخ تغذیه پوسته و مغزی و ولتاژ بر مورفولوژی الیاف تولید شده بررسی گردید. نتایج این بخش، تأثیر معنادار این عوامل در شکل گیری ساختار پوسته- مغزی و میزان عملکرد حرارتی محصول نهایی را نشان داد. محلول PVP در مقایسه با محلول PAN و PVDF به عنوان پوسته پلیمری نتایج بهتری نشان داد. با مشاهده مورفولوژی الیاف، سطح بالای غلظت پلیمر به عنوان مقدار بهینه برای تولید الیاف پوسته - مغزی انتخاب شد. در مرحله بعد، اثر پارامترهای الکتروریسی همچون ولتاژ و نرخ تغذیه پوسته و مغزی روی ساختار پوسته-مغزی PCM بررسی شد. افزایش ولتاژ اثر نامطلوبی بر مورفولوژی الیاف داشت. افزایش نرخ تغذیه پوسته و مغزی نیز بر مورفولوژی الیاف اثرگذار بود. با انتخاب مقادیر بهینه پارامترهای مختلف، خواص حرارتی لایه های الیاف تغییرفازدهنده حاوی اکتادکان و هگزادکان به عنوان PCM مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج DSC نشان داد با کاهش نرخ تغذیه پوسته و افزایش نرخ تغذیه مغزی، گرمای نهان الیاف افزایش می یابد. آنتالپی تغییر فاز لایه های تولید شده از الیاف پوسته- مغزی با دو نوع PCM هگزادکان و اکتادکان در محدوده J/g 83-80 بدست آمد که نشان دهنده %38-36 بارگذاری PCM در محصول نهایی می باشد. همچنین نتایج آزمایش سیکل حرارتی نشان داد که الیاف تولیدشده از پایداری حرارتی خوبی برخوردارند. عملکرد حرارتی ریزلایه های تولید شده در دستگاه شبیه ساز بدن مورد بررسی قرار گرفت. لایه های مختلف در چیدمان تک لایه و دولایه عملکرد حرارتی خوبی نشان دادند. نمونه الیاف حاوی اکتادکان باجلوگیری از شوک حرارتی در ابتدای فرایند کاهش ناگهانی دما و هگزادکان در دماهای پایین تر و در زمان های انتهایی فرایند، باعث تأخیر در کاهش دمای پوست شدند. اختلاف دما بین الیاف PVP و PCM-PVP در دمای تغییر فاز در محدوده °C 12-11 بدست آمد که نشان دهنده عکس العمل خوب لایه های الیاف PCM-PVP در شرایط مشابه بدن است. شاخص های مختلف تنظیم کنندگی حرارتی شامل اختلاف دمای میانگین و ماکزیمم، گرادیان تغییرات دما ( G T ) و نرخ سرد شدن برای نمونه ریزلایه ها تعریف و از داده های تجربی استخراج شدند. با توجه به مقادیر اختلاف دمای میانگین، تفاوت معناداری بین نمونه های حاوی PCM وجود نداشت؛ درحالی که مقادیر شاخص G T و نرخ سرد شدن، پاسخ حرارتی طولانی تر نمونه حاوی هگزادکان نسبت به سایر نمونه ها را نشان داد. در بخش نظری، مدل ریاضی برای پیش بینی رفتار حرارتی ریزلایه ها تعریف و توسعه داده شد. از دو مدل ظرفیت گرمایی ظاهری و چشمه گرما برای مدلسازی تغییر فاز در الیاف استفاده شد که هر دو مدل انطباق بالایی با نتایج تجربی نشان دادند. در مدل ظرفیت گرمایی ظاهری از داده های DSC برای تخمین مقدار C app استفاده شد. بعد از مقایسه نتایج مدل و تجربی، برای نزدیک شدن داده های مدل و تجربی، مدل ظرفیت گرمایی ظاهری بهبودیافته توسعه داده شد. در مدل چشمه گرما با درنظرگرفتن تغییر فاز غیرهمدما برای نمونه لایه های الیاف حاوی PCM، از تابع سیگموئیدی برای بیان کسر جرمی تغییر فاز نسبت به دما استفاده گردید. همچنین از نتایج مدل ظرفیت گرمایی بهبود یافته برای تصحیح تابع کسر جرمی استفاده شد. نتایج نشان داد تابع کسر جرمی غیرخطی تعریف شده نسبت به توابع خطی ، نتایج نزدیک تری به داده های تجربی دارد. علیرغم تطابق خوب مدل با نتایج تجربی، نتایج نشان داد که مدل های مذکور وابسته به نرخ DSC است و بنابراین با تغییر نرخ سرد/گرم شدن نمونه در شرایط تجربی، نتایج مدل ممکن است پیش بینی درستی از نتایج واقعی نداشته باشند. بنابراین در بخش نهایی، با بررسی نتایج DSC در نرخ روبش دمایی مختلف، مدل جدید گاوسین به عنوان یک مدل جامع با قابلیت تخمین مقدار ظرفیت گرمایی ظاهری و تابع کسر جرمی تغییر فاز متناسب با نرخ سردشدن نمونه، پیشنهاد گردید. نتایج نشان داد مدل ارائه‌شده قابلیت پیش بینی درست نتایج تجربی را دارا است. پس از تأیید اعتبار مدل ، تأثیر عوامل مختلف از جمله درصد تخلخل، ضخامت لایه، دما و بازه تغییر فاز PCM، دمای محیط و سرعت هوا بر عملکرد حرارتی نمونه ها توسط مدل پیش بینی شد.