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

Diep onder de grond, waar mijnwerkers de hulpbronnen winnen die het moderne leven aandrijven, wordt de aarde zelf een gevaar. In deze diepe tunnels is het gesteente zo heet dat de temperaturen kunnen oplopen tot boven de veertig graden Celsius, wat een drukkende omgeving creëert die de gezondheid van werknemers en de veiligheid van de operaties bedreigt. Om dit te bestrijden, wenden ingenieurs zich tot een slimme oplossing: het vullen van de lege ruimtes die achterblijven door de mijnbouw met een speciaal soort beton dat warmte kan absorberen en opslaan, waardoor het fungeert als een thermische spons om de mijn te koelen. Het sleutelingredient in deze spons is paraffine, dezelfde wasachtige substantie die in kaarsen wordt gevonden, die uitstekend is in het opzuigen van warmte wanneer het smelt. Echter, paraffine heeft een fataal gebrek voor deze taak: wanneer het warm wordt, verandert het in een vloeistof en lekt het eruit, wat de sterkte van het beton ruïneert en een bende veroorzaakt. Om dit op te lossen, wikkelen wetenschappers de paraffine in een klein, beschermend omhulsel, waardoor het een microscopische capsule wordt die solide en ingesloten blijft, zelfs wanneer de hitte stijgt.

Een team onderzoekers van de Shandong University of Science and Technology en de Henan University of Engineering zette zich scharen om deze kleine capsules sterker en veiliger te maken. Ze wisten dat de schillen, gemaakt van een veelvoorkomende industriële hars, vaak te zwak waren en giftige chemicaliën konden lekken tijdens hun creatie. Om beide problemen tegelijk op te lossen, introduceerden ze een piepkleine hoeveelheid nano-silica, wat in essentie microscopisch glasstof is, in het mengsel. Ze wilden zien of dit fijne poeder de schil kon versterken zoals wapeningsstaal in beton, terwijl het ook als een spons kon fungeren om de ongewenste giftige chemicaliën die overblijven na het productieproces op te zuigen. Door zorgvuldig aan te passen hoeveel nano-silica ze toevoegden, ontdekten ze een precieze balans die een superieur materiaal creëerde, klaar voor de barre omstandigheden van een diepe mijn.

De onderzoekers begonnen door de was, de hars en de nano-silica te mengen in een waterige oplossing, gebruikmakend van een proces dat de schillagen laag voor laag rond de vloeibare wasdruppels opbouwt. Ze testten vijf verschillende hoeveelheden nano-silica, variërend van helemaal niets tot een klein percentage, om te zien hoe het poeder het eindproduct veranderde. Wanneer ze de capsules onder een krachtige microscoop bekeken, was het verschil duidelijk. De capsules zonder enige nano-silica hadden ruwe oppervlakken met kleine gaatjes en deukjes, als een slecht gebakken koekje dat ongelijkmatig is gekrompen. Deze imperfecties waren gevaarlijk omdat ze ontsnappingsroutes boden voor de was om later uit te lekken. Naarmate de onderzoekers meer nano-silica toevoegden, werd het oppervlak gladder en dichter. De kleine glasdeeltjes vulden de microscopische openingen op, waardoor een strakke, naadloze huid ontstond. Te veel poeder toevoegen zorgde er echter voor dat de deeltjes samenklonterden tot harde klonten, wat daadwerkelijk nieuwe scheuren en zwakke plekken in de schil veroorzaakte. Het ideale punt werd gevonden bij een specifieke, lage dosering waarbij de deeltjes perfect verspreid waren en de gaatjes vulden zonder te klonteren.

Met de best uitziende capsules in handen, testte het team hoe goed ze warmte opslaan. Ze warmden de capsules op en keken hoe ze smolten en weer afkoelden. De capsules met de optimale hoeveelheid nano-silica presteerden uitzonderlijk goed. Ze smolten bij een temperatuur van net onder zesenzestig graden Celsius, wat perfect is voor het absorberen van de warmte in een diepe mijn. Belangrijker nog, ze hielden bijna evenveel warmte-energie vast als de pure was, wat bewees dat de schil de hoofdtaken van het materiaal niet in de weg zat. De nano-silica hielp de was ook om sneller weer te stollen wanneer het afkoelde, wat een fenomeen verminderde dat superkoeling wordt genoemd, waarbij de vloeistof vloeibaar blijft zelfs wanneer het zou moeten bevriezen. Dit betekende dat de capsules sneller konden reageren op temperatuurveranderingen, waardoor het koelsysteem efficiënter werd.

De studie keek ook naar de milieukant van het maken van deze capsules. Het proces van het creëren van de harsschil laat meestal water achter dat vervuild is met vrij formaldehyde, een giftige chemische stof. De onderzoekers ontdekten dat de nano-silica fungeerde als een magneet voor deze toxine. Naarmate de hoeveelheid nano-silica toenam, daalde de hoeveelheid giftig formaldehyde in het afvalwater aanzienlijk. Bij de optimale dosering verwijderde de nano-silica meer dan twintig procent van het formaldehyde uit het afvalwater. Dit betekende dat het materiaal niet alleen beter was in zijn werk, maar ook schoner te produceren was, waardoor de vervuiling die gepaard gaat met de creatie ervan werd verminderd.

Om te bewijzen dat deze kleine capsules de echte wereld zouden overleven, mengden de onderzoekers ze in een partij beton die ontworpen is voor mijnbouw-backfilling. Ze vergeleken dit mengsel met een mengsel van gewone, niet-ingekapselde was en een standaard controle zonder enige was. Het beton dat de rauwe, niet-ingekapselde was bevat, brokkelde onder druk af omdat de vloeibare was erdoorheen sijpelde en de verbindingen tussen de rotsen en het cement verzwakte. In tegenstelling hiertoe behield het beton dat de nano-silica versterkte capsules bevatte, zijn vorm en sterkte bijna even goed als het standaardbeton zonder enige was. De kleine schillen beschermden de was binnenin, waardoor het niet lekte en de structuur beschadigde, terwijl de versterkte schil zelf sterk genoeg was om het verpletterende gewicht van het omliggende gesteente te weerstaan.

De uiteindelijke conclusie was duidelijk: het toevoegen van een kleine, precieze hoeveelheid nano-silica creëert een warmteopslagcapsule die sterker, efficiënter en milieuvriendelijker is dan eerdere versies. Dit materiaal lost succesvol de tweeledige problemen van lekkage en structurele verzwakking op, waardoor het een levensvatbare kandidaat is voor het koelen van diepe mijnen. Door een eenvoudige was te veranderen in een robuust, warmteabsorberend bouwblok, biedt dit onderzoek een praktische weg naar veiligere, comfortabelere werkomstandigheden in de diepste delen van de aarde, waar de hitte het meest intens is.