Preparation, Characterization of n-Hexadecane-based Microcapsules as a Phase Change Material and Determination of ItsThermal Performance via T-History Method

Faz Değiştiren Madde Olarak n-Hekzadekan Esaslı Mikrokapsüllerin Hazırlanması, Karakterizasyonu ve Isıl Performansının T-Kayıt Yöntemiyle Belirlenmesi

Abstract

Phase change materials (PCMs) are new generation energy storage materials that allow the storage of thermal energy as latent heat, allowing the storage or release of large amounts of heat during the phase change from liquid to solid or solid to liquid. PCMs have to be encapsulated on a macro or micro / nano scale to maintain a certain volume during phase change. By means of the encapsulation process, the degree to which the material is affected from external environments is reduced and it is possible to keep the material constant volume during the phase change process of the material from solid to liquid and the heat transfer surface is increased. In this study, n-hexadecane (n-HD), which is a paraffin which is in the class of organic PCMs and which has the potential to be used as heat storage material with the appropriate phase change temperature range in order to provide the thermal comfort of the indoor environment in buildings, is encapsulated in micro-dimension by phase inversion emulsification method. Styrene (St) and cross-linker divinylbenzene (DVB), commonly used for insulation purposes in buildings, were used as the shell in the encapsulation process of nhexadecane, which is not suitable for direct applications due to leakage problems during phase change process. The thermal properties of the obtained microcapsules were investigated by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA) whereas morphological properties and chemical structure of them were determined by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), respectively. The melting enthalpy of the obtained microcapsules was 131,074 J / g, while the PCM content was calculated as 68.55%. The heat storage properties of microencapsulated PCM (MicroPCM) and pure nhexadecane were comparatively tested in a temperature controlled circulation bath system. The thermal properties obtained in the measurements performed by T-History method are presented in comparison with the results obtained from DSC analysis. It is envisaged that microcapsules containing n-hexadecane phase change material are suitable for use in indoor applications in buildings in terms of particle size range, phase change temperature range, heat storage capacity and thermal performance and they can provide significant gains in terms of energy savings in buildings.

Özet

Faz değiştiren maddeler (FDM’ler), ısıl enerjinin gizli ısı olarak depolanabilmesine olanak sağlayan, sıvıdan katıya ya da katıdansıvıya faz değişimi esnasında büyük miktarda ısının depolanmasına veya salınmasına izin veren yeni nesil enerji depolamamalzemeleridir. FDM’lerin faz değişimi esnasında belirli bir hacimde tutmak amacıyla makro veya mikro/nano ölçektekapsüllenmeleri gerekmektedir. Kapsülleme işlemi sayesinde malzemenin dış çevrelerden etkilenme derecesi azaltıldığı gibimalzemenin katıdan sıvıya geçişi esnasında mevcut kabuk hacminde sabit tutulması mümkün olmakta ve ısı transfer yüzeyi dearttırılmaktadır. Bu çalışmada, organik FDM’ler sınıfında yer alan bir parafin olan ve binalarda iç ortamın ısıl konforunun sağlanmasıhususunda uygun faz değişim sıcaklık aralığı sayesinde ısı depolama malzemesi olarak kullanım potansiyeli bulunan n-hekzadekan(n-HD), faz inversiyon emülsifikasyonu yöntemiyle mikro boyutta kapsüllenmiştir. Faz dönüşümü esnasında sızdırma probleminedeniyle doğrudan uygulamalarda kullanımı uygun olmayan n-hekzadekanın kapsülleme işleminde, kabuk olarak binalarda yalıtımamaçlı sıklıkla kullanılan stiren (St) ve çapraz bağlayıcı divinilbenzen (DVB) kullanılmıştır. Elde edilen mikrokapsüllerin ısılözellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve Termogravimetrik Analiz (TGA) ile incelenirken, morfolojik özellikleri vekimyasal yapısı ise sırasıyla Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi ilebelirlenmiştir. Elde edilen mikrokapsüllerin erime entalpisi 131,074 J/g olarak bulunurken, FDM içeriği %68,55 olarakhesaplanmıştır. Mikrokapsüllenmiş FDM’nin (MikroFDM) ve saf n-hekzadekanın ısı depolama özellikleri sıcaklık kontrollüsirkülasyonlu bir banyo sisteminde karşılaştırmalı olarak test edilmiştir. T-Kayıt yöntemiyle gerçekleştirilen ölçümlerde elde edilenısıl özellikler DSC analizinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. N-hekzadekan faz değişim maddesini içerenmikrokapsüllerin sahip oldukları boyut aralığı, faz değişim sıcaklık aralığı, ısı depolama kapasitesi ve gösterdikleri ısıl performansaçısından binalarda iç mekan uygulamalarında ısıl konforun sağlanması noktasında kullanımının uygun olduğu ve binalarda enerjitasarrufu açısından önemli kazanımlar sağlayabilecekleri öngörülmüştür.