Композитные строительные материалы с фазовым переходом для 3Д-печати

Как следует из названия, эти соединения меняют свое физическое состояние в зависимости от температуры окружающей среды. Когда материалы с фазовым переходом переходят из твердого состояние в жидкое, то поглощают тепло, и наоборот

Поскольку экстремальные температуры окружающей среды становятся все более обычным явлением во всем мире, то, чтобы снизить нагрузку на электрические сети, привычные энергоемкие системы охлаждения и обогрева нуждаются в преобразовании.

Исследователи предлагают рассмотреть композитные материалы с фазовым переходом (МФП), которые можно использовать для 3Д-печати. Они способны регулировать температуру воздуха внутри зданий с помощью простого и экономически выгодного процесса. Эти композиты можно добавлять в строительные материалы, такие как краска, или из них можно изготавливать декоративные элементы интерьера.

Это исследование появилось на страницах научного журнала Matter [1].

Типичные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВиК) потребляют много энергии. Кроме того, в них используются хладагенты, которые вызывают парниковый эффект в земной атмосфере. Поэтому необходимы альтернативные решения и технологии, которые потребляют меньше энергии и имеют производительность, соизмеримую с современными системами ОВиК.

Одним из таких решений являются материалы с фазовым переходом. Как следует из названия, эти соединения меняют свое физическое состояние в зависимости от температуры окружающей среды. Когда МФП переходят из твердого состояние в жидкое, то поглощают тепло, и наоборот. В отличие от систем ОВиК, которые функционируют исключительно от внешних источников энергии, эти материалы действуют пассивно и, чтобы регулировать температуру в помещении, не требуют электричества извне.

Традиционный подход к производству строительных материалов, содержащих МФП, требует, чтобы вокруг каждой такой частицы была сформирована оболочка. Только после этого МФП можно включить в структуру строительного материала. Однако найти комбинацию, чтобы все компоненты могли сочетаться друг с другом, непросто. Кроме этого, традиционный метод не позволяет включить достаточное количество частиц МФП в строительный материал.

«Представьте, что кастрюля наполнена яйцами и водой». «Если каждое яйцо поместить в отдельный контейнер, то в емкость поместится меньше яиц».

Чтобы это преодолеть, исследователи взяли парафиновый воск, который меняет свое фазовое состояние, и смешали его с жидкой смолой. Смола выполняет функцию как оболочки, так и строительного материала. Этот метод запечатывает частицы МФП внутри индивидуальных карманов, позволяя им менять фазовое состояние без утечек. Исследователи объединили светочувствительные жидкие смолы с порошком из парафинового воска. Получились композитные чернила для 3Д-печати, содержащие МФП.

Смесь из смолы и МФП получается мягкой, пастообразной и податливой. Она идеальна для 3Д-печати, но не для строительных конструкций. Светочувствительная смола отверждается с помощью ультрафиолетового света. После специальной обработки она становится пригодной для практического применения.

Сам воск, составляющий 63% печатной структуры, не подвергается воздействию ультрафиолетового света. Достигнутое процентное содержание воска выделяет полученный состав из большинства доступных в настоящее время материалов, которые используются в промышленности.

Исследователи напечатали на 3Д-принтере небольшую модель в форме дома и, измерив температуру внутри него, нагрели. Измерения показали, что температура внутри модели на 40% была ниже температуры окружающей среды. Помимо парафинового воска, в смолу можно интегрировать и другие материалы с различной температурой плавления, чтобы композиты могли работать в более широких диапазонах температур.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.03.019

Источник: Tech Xplore