Construction and performance test of high stability heat storage microcapsules based on physical regulation of nano-SiO2

Tief unter der Erde, wo Bergleute die Ressourcen fördern, die das moderne Leben antreiben, wird die Erde selbst zu einer Gefahr. In diesen tiefen Tunneln ist das Gestein so heiß, dass die Temperaturen über vierzig Grad Celsius steigen können, was eine belastende Umgebung schafft, die die Gesundheit der Arbeiter und die Sicherheit des Betriebs bedroht. Um dem entgegenzuwirken, setzen Ingenieure auf eine clevere Lösung: die leeren Räume, die durch den Bergbau hinterlassen werden, mit einer speziellen Art von Beton zu füllen, der Wärme absorbieren und speichern kann und so wie ein thermischer Schwamm wirkt, um die Mine zu kühlen. Die Schlüsselkomponente in diesem Schwamm ist Paraffin, dieselbe wachsartige Substanz, die auch in Kerzen zu finden ist, welche hervorragend darin ist, Wärme aufzusaugen, während sie schmilzt. Paraffin hat jedoch einen entscheidenden Makel für diese Aufgabe: Wenn es heiß wird, wird es flüssig und läuft aus, was die Festigkeit des Betons ruiniert und eine Unordnung verursacht. Um dies zu beheben, hüllen Wissenschaftler das Paraffin in eine winzige, schützende Hülle, wodurch es zu einer mikroskopischen Kapsel wird, die selbst bei steigender Hitze fest und eingeschlossen bleibt.

Ein Forschungsteam der Shandong University of Science and Technology und der Henan University of Engineering setzte sich zum Ziel, diese winzigen Kapseln stärker und sicherer zu machen. Sie wussten, dass die Hüllen, die aus einem gängigen Industrieresin bestehen, oft zu schwach waren und während ihrer Herstellung giftige Chemikalien freisetzen konnten. Um beide Probleme gleichzeitig zu lösen, führten sie eine winzige Menge Nano-Silika ein, was im Grunde mikroskopischer Glasstaub ist, in die Mischung ein. Sie wollten sehen, ob dieses feine Pulver die Hülle wie Bewehrungsstahl in Beton verstärken und gleichzeitig als Schwamm fungieren kann, um die unerwünschten toxischen Chemikalien aufzusaugen, die bei der Herstellung übrig bleiben. Durch die sorgfältige Anpassung der Menge an Nano-Silika, die sie hinzufügten, entdeckten sie ein präzises Gleichgewicht, das ein überlegenes Material für die harten Bedingungen in einer tiefen Mine schuf.

Die Forscher begannen damit, das Wachs, das Harz und das Nano-Silika in einer wässrigen Lösung zu mischen, wobei sie ein Verfahren anwandten, das die Hüllschicht Schicht für Schicht um die flüssigen Wachströpfchen aufbaut. Sie testeten fünf verschiedene Mengen an Nano-Silika, die von gar nichts bis zu einem kleinen Prozentsatz reichten, um zu sehen, wie das Pulver das Endprodukt veränderte. Als sie die Kapseln unter einem leistungsstarken Mikroskop betrachteten, war der Unterschied deutlich. Die Kapseln ohne jegliches Nano-Silika hatten raue Oberflächen mit winzigen Löchern und Dellen, wie ein schlecht gebackener Keks, der ungleichmäßig geschrumpft ist. Diese Unvollkommenheiten waren gefährlich, da sie Fluchtwege für das austretende Wachs boten. Als die Forscher mehr Nano-Silika hinzufügten, wurde die Oberfläche glatter und dichter. Die winzigen Glaspartikel füllten die mikroskopischen Lücken aus und schufen eine feste, nahtlose Haut. Zu viel Pulver führte jedoch dazu, dass die Partikel zu harten Klumpen zusammenklumpten, was tatsächlich neue Risse und Schwachstellen in der Hülle verursachte. Der ideale Punkt wurde bei einer spezifischen, niedrigen Dosierung gefunden, bei der die Partikel perfekt verteilt waren und die Löcher füllten, ohne zu verklumpen.

Mit den am besten aussehenden Kapseln in den Händen testete das Team, wie gut sie Wärme speichern konnten. Sie erwärmten die Kapseln und beobachteten, wie sie schmolzen und wieder abkühlten. Die Kapseln mit der optimalen Menge Nano-Silika schnitten außergewöhnlich gut ab. Sie schmolzen bei einer Temperatur von knapp unter sechsundvierzig Grad Celsius, was perfekt ist, um die Hitze in einer tiefen Mine zu absorbieren.ت Wichtiger noch: Sie hielten fast die gleiche Menge an Wärmeenergie wie das reine Wachs zurück, was bewies, dass die Hülle die Hauptaufgabe des Materials nicht behinderte. Das Nano-Silika half dem Wachs auch dabei, beim Abkühlen schneller wieder fest zu werden, was ein Phänomen reduziert, das als Unterkühlung bezeichnet wird, bei dem die Flüssigkeit flüssig bleibt, obwohl sie gefrieren sollte. Dies bedeutete, dass die Kapseln schneller auf Temperaturänderungen reagieren konnten, was das Kühlsystem effizienter machte.

Die Studie untersuchte auch die ökologische Seite der Herstellung dieser Kapseln. Der Prozess zur Erstellung der Harzhülle hinterlässt in der Regel Wasser, das mit freiem Formaldehyd kontaminiert ist, einem toxischen Chemikalical. Die Forscher fanden heraus, dass das Nano-Silika wie ein Magnet für diesen Giftstoff wirkte. Mit zunehmender Menge an Nano-Silika sank die Menge an toxischem Formaldehyd im Abwasser signifikant. Bei der optimalen Dosierung entfernte das Nano-Silika mehr als zwanzig Prozent des Formaldehyds aus dem Abwasser. Dies bedeutete, dass das Material nicht nur besser bei seiner Arbeit war, sondern auch sauberer herzustellen war, was die mit seiner Entstehung verbundene Verschmutzung reduzierte.

Um zu beweisen, dass diese winzigen Kapseln in der realen Welt bestehen können, mischten die Forscher sie in eine Charge Beton, der für die Verfüllung von Minen konzipiert war. Sie verglichen diese Mischung mit einer, die aus einfachem, nicht verkapseltem Wachs bestand, sowie mit einer Standardkontrolle ohne jegliches Wachs. Der Beton, der das rohe, nicht verkapselte Wachs enthielt, zerbröckelte unter Druck, weil das flüssige Wachs einsickerte und die Bindungen zwischen den Gesteinen und dem Zement schwächte. Im Gegensatz dazu hielten der Beton, der die mit Nano-Silika verstärkten Kapseln enthielt, seine Form und Festigkeit fast so gut wie der Standardbeton ohne Wachs. Die winzigen Hüllen schützten das Wachs im Inneren, verhinderten so das Austreten und die Beschädigung der Struktur, während die verstärkte Hülle selbst stark genug war, um dem erdrückenden Gewicht des umgebenden Gesteins standzuhalten.

Das abschließende Fazit war eindeutig: Das Hinzufügen einer kleinen, präzisen Menge Nano-Silika erzeugt eine wärmespeichernde Kapsel, die stärker, effizienter und umweltfreundlicher ist als frühere Versionen. Dieses Material löst erfolgreich die Zwillingsprobleme von Leckage und struktureller Schwäche und macht es zu einem praktikablen Kandidaten für die Kühlung tiefer Minen. Indem sie ein einfaches Wachs in einen robusten, wärmeabsorbierenden Baustein verwandeln, bietet diese Forschung einen praktischen Weg zu sichereren und komfortableren Arbeitsbedingungen in den tiefsten Teilen der Erde, wo die Hitze am intensivsten ist.