Изменение климата сделало миллионы людей уязвимыми перед экстремальными погодными условиями. Поскольку колебания температуры становятся все более обычным явлением во всем мире, обычные энергоемкие системы охлаждения и нагрева нуждаются в более инновационной и энергоэффективной альтернативе, которая, в свою очередь, снижает нагрузку на уже испытывающие трудности электрические сети.
В новом исследовании исследователи из Техасского университета A&M создали новые композитные материалы с фазовым переходом (PCM) для 3D-печати, которые могут регулировать температуру окружающей среды внутри зданий с помощью более простого и экономичного производственного процесса. Кроме того, эти композиты могут быть добавлены к строительным материалам , таким как краска, или напечатаны на 3D-принтере в качестве декоративных элементов интерьера для беспрепятственной интеграции в различные внутренние помещения.
«Возможность интегрировать материалы с фазовым переходом в строительные материалы с использованием масштабируемого метода открывает возможности для обеспечения более пассивного регулирования температуры как в новых, так и в уже существующих структурах», — сказала доктор Эмили Пентцер, доцент кафедры материаловедения и инженерии. и химический факультет.
Это исследование было опубликовано в июньском номере журнала Matter .
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) — наиболее часто используемые методы регулирования температуры в жилых и коммерческих помещениях. Однако эти системы потребляют много энергии. Кроме того, они используют тепличные материалы, называемые хладагентами, для создания холодного и сухого воздуха. Эти постоянные проблемы с системами HVAC вызвали исследования альтернативных материалов и технологий, которые требуют меньше энергии для работы и могут регулировать температуру, соизмеримую с системами HVAC.
Одним из материалов, которые вызывают большой интерес для регулирования температуры, являются материалы с фазовым переходом. Как следует из названия, эти соединения меняют свое физическое состояние в зависимости от температуры окружающей среды. Таким образом, когда материалы с фазовым переходом накапливают тепло, они превращаются из твердого тела в жидкость при поглощении тепла и наоборот, когда выделяют тепло. Таким образом, в отличие от систем HVAC, которые полагаются исключительно на внешнюю энергию для нагрева и охлаждения, эти материалы являются пассивными компонентами, не требующими внешнего электричества для регулирования температуры.
Традиционный подход к производству строительных материалов из ПКМ требует формирования отдельной оболочки вокруг каждой частицы ПКМ, например чашки для воды, а затем добавления этих недавно заключенных в оболочку ПКМ к строительным материалам. Однако найти строительные материалы, совместимые как с PCM, так и с его оболочкой, было непросто. Кроме того, этот традиционный метод также уменьшает количество частиц ПКМ, которые могут быть включены в строительные материалы.
«Представьте, что вы наполняете горшок яйцами и водой», — сказала Сиера Сиприани, научный сотрудник НАСА по космическим технологиям в Департаменте материаловедения и инженерии. «Если каждое яйцо нужно поместить в отдельный контейнер для варки вкрутую, в кастрюлю поместится меньше яиц. Удалив пластиковые контейнеры, настоящая скорлупа в нашем исследовании, больше яиц или PCM может занять больший объем. путем более плотной упаковки в воду / смолу «.
Предыдущие исследования показали, что для преодоления этих проблем при использовании парафинового воска с изменяющейся фазой, смешанного с жидкой смолой, смола действует как оболочка, так и строительный материал. Этот метод блокирует частицы ПКМ внутри их индивидуальных карманов, позволяя им безопасно претерпевать фазовый переход и управлять тепловой энергией без утечки.
Точно так же Пентцер и ее команда сначала объединили светочувствительные жидкие смолы с порошком парафинового воска с изменяющейся фазой, чтобы создать новый чернильный композит для 3D-печати, улучшив процесс производства строительных материалов, содержащих ПКМ, и устранили несколько этапов, включая инкапсуляцию.
Смесь смолы и ПКМ мягкая, пастообразная и податливая, что делает ее идеальной для 3D-печати, но не для строительных конструкций. Следовательно, используя светочувствительную смолу, они отвердили ее ультрафиолетовым светом, чтобы отвердить пасту для 3D-печати, что сделало ее пригодной для использования в реальных условиях.
Кроме того, они обнаружили, что изменяющий фазу воск, внедренный в смолу, не подвергался воздействию ультрафиолетового света и составлял 70% печатной структуры. Это более высокий процент по сравнению с большинством доступных в настоящее время материалов, используемых в промышленности.
Затем они проверили терморегуляцию своих композитов с изменяющейся фазой, напечатав на 3D-принтере небольшую модель в форме дома и измерив температуру внутри дома, когда он был помещен в духовку. Их анализ показал, что температура модели отличается на 40% от температуры окружающей среды для тепловых циклов нагрева и охлаждения по сравнению с моделями, изготовленными из традиционных материалов.
В будущем исследователи будут экспериментировать с различными материалами с фазовым переходом, помимо парафинового воска, чтобы эти композиты могли работать в более широких диапазонах температур и управлять большей тепловой энергией в течение заданного цикла.
«Мы воодушевлены потенциалом нашего материала для обеспечения комфорта в зданиях при одновременном снижении энергопотребления», — сказал д-р Пейран Вей, научный сотрудник Департамента материаловедения и инженерии, а также лаборатории Soft Matter Facility. «Мы можем комбинировать несколько PCM с разными температурами плавления и точно распределять их по различным областям одного печатного объекта, чтобы работать в течение всех четырех сезонов и по всему миру».
Дополнительная информация: Пейран Вей и др., Регулирование тепловой энергии с помощью 3D-печати композитных материалов с полимерным фазовым переходом, Matter (2021). DOI: 10.1016 / j.matt.2021.03.019
Иллюстрация: Инженерный колледж Техасского университета A&M
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК