محققان دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر با استفاده از روشی ساده و کم‌هزینه‌تر نسبت به روش‌های قبلی برای تولید کامپوزیت‌های الیافی، توانستند راهکاری برای مدیریت انرژی حرارتی توسط عایق‌های دینامیکی بر پایه کامپوزیت‌های الیافی حاوی نانوذرات اکسید آهن ارائه دهند. این محصول در صنعت ساختمان، صنایع نساجی، پلیمر، بسته‌بندی مواد غذایی و سلول‌های خورشیدی و حتی باتری‌های لپ‌تاپ کاربرد دارد.
دانشگاه صنعتی امیرکبیر: امکان کاهش دمای باتری لپ‌تاپ با استفاده از عایق نانو
در این پژوهش، کامپوزیت مواد تغییر فازدهنده حاوی نانوذرات اکسید آهن به شکل پایدارشده روی الیاف پلی‌استری به منظور مدیریت و ذخیره انرژی حرارتی براساس یک روش تک‌مرحله‌ای و مقرون به صرفه سنتز شده است که باعث برطرف‌کردن معایب مواد تغییر فازدهنده آلی، (موادی که برای ذخیره انرژی حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند) می‌شود.
مجید منتظر، عضو هیئت علمی و استاد تمام دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر درباره لزوم انجام این طرح گفت: «امروزه عدم وابستگی به سوخت‌های فسیلی و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی حرارتی، از جمله موضوعات حائز اهمیت در جهان است. ذخیره و مدیریت انرژی حرارتی از طریق مواد تغییر فازدهنده که در طی تغییرفاز قادر به ذخیره یا رهایش گرما هستند، امکان‌پذیر است. این مواد عمدتاً بر پایه ترکیبات آلی و تغییرفاز جامد- مایع بوده که با دو مشکل اساسی هدایت حرارتی کم و رهایش در طی فرآیندهای گرمایش/سرمایش مواجه هستند که سبب ایجاد محدودیت در کاربرد آن‌ها می‌شود. در این پژوهش، کامپوزیت مواد تغییرفازدهنده حاوی نانوذرات اکسید آهن به شکل پایدارشده روی الیاف پلی‌استری به منظور مدیریت و ذخیره انرژی حرارتی و برطرف‌کردن معایب ذکرشده براساس یک روش تک‌مرحله‌ای و مقرون به صرفه سنتز شده است. از ترکیب اسیدهای چرب، پلی‌استر و نانوذرات اکسید آهن به ترتیب به عنوان مواد تغییرفازدهنده، ماده زمینه و نانوپرکننده استفاده شده است.»
مجید منتظر درباره ویژگی‌های نوآورانه این طرح گفت: «در پژوهش‌های گذشته و کارهای مشابه از فرآیند الکتروریسی مواد تغییرفازدهنده یا میکرو/نانو کپسول‌کردن و یا فرآیند پلیمریزاسیون استفاده شده که نیازمند تجهیزات و امکانات پیشرفته بوده و هزینه‌بر هستند. حال آنکه، در این پژوهش، مواد تغییرفازدهنده از طریق فرآیند ساده جذب سطحی براساس جاذبه آبگریزی- آبگریزی روی الیاف پلی‌استر بارگذاری شدند. همچنین در پژوهش‌های مشابه، نانوذرات یا به صورت جداگانه سنتز شده و به مواد تغییرفازدهنده اضافه می‌شوند و یا خریداری شده و مورداستفاده قرار می‌گیرند. ولی در این تحقیق، نانوذرات اکسید آهن به صورت هم‌زمان سنتز و در کامپوزیت اسیدهای چرب/پلی‌استر بارگذاری شدند. با درنظرگرفتن این موارد، کامپوزیت‌های حساس به دمای سنتزشده با این روش نه تنها می‌توانند مشکل هدایت حرارتی ضعیف و نشت ترکیبات در هنگام چرخه‌های سرمایش/گرمایش را برطرف کنند بلکه به صورت تک‌مرحله‌ای تولید شده و نیازی به سنتز جداگانه نانوذرات و بارگذاری آن‌ها، فرآیندهای الکتروریسی و نانو/میکرو کپسول‌کردن و یا استفاده از حلال ندارند که از جمله مزایای آن به شمار می رود.»
وی با اشاره به محدوده دمای کاربردی مناسب این کامپوزیت‌های الیافی گفت: «کامپوزیت‌های الیافی سنتزشده می‌توانند در مصارف مختلف ذخیره و مدیریت انرژی حرارتی با توجه به محدوده دمای کاربردی آن‌ها (°C54.1-26.9) به کار برده شوند. به عنوان مثال، در صنعت ساختمان، این کامپوزیت‌ها را می‌توان در دیواره ساختمان جاسازی کرده و انرژی حرارتی ساختمان را مدیریت کرد. این مواد به هنگام فراوانی انرژی (مثلاً در طول روز) گرما را از اتاق گرفته و ذخیره می‌کنند و در هنگام کمبود انرژی (مثلاً در هنگام شب)، انرژی ذخیره‌شده را به محیط پس می‌دهند و بدین ترتیب به‌عنوان عایق دینامیکی عمل کرده و دمای اتاق را بر روی دمای مطلوب نگه می‌دارند. از جمله کاربردهای دیگر این کامپوزیت‌ها، صنایع نساجی، پلیمر، بسته‌بندی مواد غذایی و سلول‌های خورشیدی و حتی باتری‌های لپ‌تاپ هستند. به این صورت، با به‌کارگیری این کامپوزیت‌ها می‌توان انرژی حرارتی را مدیریت کرده و دمای مطلوب را برای کاربرد خاص به‌دست آورد. به‌عنوان مثال می‌توان آن‌ها را به‌عنوان روکش دور باتری لپ‌تاپ استفاده کرده تا به هنگام افزایش دما، گرما جذب آن‌ها شده و در نتیجه دمای باتری کاهش یابد و در یک سطح مطلوب باقی بماند.»
به گفته نویسنده مسئول این مقاله از جمله نتایج کلیدی این طرح این است که، سنتز و بارگذاری نانوذرات اکسید آهن در کامپوزیت اسیدهای چرپ/پلی‌استر سبب بهبود هدایت حرارتی نمونه‌ها به میزان ۴۴٫۵ تا ۸۵٫۸ % شده که کارایی آن‌ها را افزایش داده و مشکل هدایت حرارتی ضعیف مواد تغییرفازدهنده آلی را برطرف کرده است. نمونه‌های سنتزشده دارای مقاومت و پایداری حرارتی مناسب حتی پس از ۱۰۰ چرخه حرارتی ذوب – انجماد بودند. به علاوه، آن‌ها هیچ رهایشی از خود در دمای ۷۵ درجه (بالای دمای ذوب اسیدهای چرب) و بعد از ۱۲۰ دقیقه در آزمون نشت‌سنجی نشان ندادند که بیانگر پایداری آن‌ها در کاربردهای عملی است.
در این پژوهش، نانوذرات اکسید آهن با استفاده از روش احیای شیمیایی با به‌کارگیری تری اتانول آمین و کلیاب (یک محصول گیاهی) سنتز شدند. سنتز ذرات اکسید آهن در مقیاس نانو سبب پخش مناسب ذرات در ماتریس مواد تغییر فازدهنده اسیدهای چرب شده و در نتیجه میزان استفاده از ذرات کاهش یافته و بازده هدایت حرارتی افزایش یافته است.
به گفته منتظر برای ادامه کار، به کارگیری کامپوزیت‌های پلیمری تولیدشده در مقیاس صنعتی، بررسی کاربردهای عملی آن‌ها در شرایط مختلف و استفاده از این روش بر روی سایر پلیمرها و الیاف در نظر گرفته شده است.
این مقاله بخشی از نتایج پایان‌نامه کارشناسی ارشد علی بشیری رضایی تحت عنوان «تأثیر متقابل به‌کارگیری مواد تغییرفازدهنده و سنتز در محل نانوذرات مس و آهن روی کالای پلی‌استری» در دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی امیرکبیر است که به راهنمایی دکتر مجید منتظر عضو هیئت علمی این دانشکده و نویسنده مسئول این مقاله انجام شده است. این مقاله با عنوان Shape-stable thermo-responsive nano Fe3O4/fatty acids/PET composite phase-change material for thermal energy management and saving applications در مجله Applied Energy با ضریب تأثیر ۸٫۴۲۶ در سال ۲۰۲۰ به چاپ رسیده است.
