کاهش دمای باتری لپ‌تاپ با عایق‌های‌ نانو کامپوزیت‌های الیاف

در اين پژوهش، کامپوزيت مواد تغيير فازدهنده حاوي نانوذرات اکسيد آهن به شکل پايدارشده روي الياف پلي‌استري به منظور مديريت و ذخيره انرژي حرارتي بر اساس يک روش تک‌مرحله‌اي و مقرون به صرفه سنتز شده است که باعث برطرف‌کردن معايب مواد تغيير فازدهنده آلي، (موادي که براي ذخيره انرژي حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند) مي‌شود.

مجيد منتظر، عضو هيئت علمي و استاد تمام دانشکده مهندسي نساجي دانشگاه صنعتي اميرکبير درباره لزوم انجام اين طرح گفت: امروزه عدم وابستگي به سوخت‌هاي فسيلي و استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير مانند انرژي حرارتي، از جمله موضوعات حائز اهميت در جهان است. ذخيره و مديريت انرژي حرارتي از طريق مواد تغيير فازدهنده که در طي تغيير فاز قادر به ذخيره يا رهايش گرما هستند، امکان‌پذير است. اين مواد عمدتاً بر پايه ترکيبات آلي و تغييرفاز جامد- مايع بوده که با دو مشکل اساسي هدايت حرارتي کم و رهايش در طي فرآيندهاي گرمايش/سرمايش مواجه هستند که سبب ايجاد محدوديت در کاربرد آنها مي‌شود.

وي با بيان اينکه در اين پژوهش، کامپوزيت مواد تغييرفازدهنده حاوي نانوذرات اکسيد آهن به شکل پايدارشده روي الياف پلي‌استري به منظور مديريت و ذخيره انرژي حرارتي و برطرف‌کردن معايب ذکرشده بر اساس يک روش تک‌مرحله‌اي و مقرون به صرفه سنتز شده است، اظهار کرد: از ترکيب اسيدهاي چرب، پلي‌استر و نانوذرات اکسيد آهن به ترتيب به عنوان مواد تغييرفازدهنده، ماده زمينه و نانوپرکننده استفاده شد.

منتظر با اشاره به ويژگي‌هاي نوآورانه اين طرح افزود: در پژوهش‌هاي گذشته و کارهاي مشابه از فرآيند الکتروريسي مواد تغييرفازدهنده يا ميکرو/نانو کپسول‌کردن و يا فرآيند پليمريزاسيون استفاده شده که نيازمند تجهيزات و امکانات پيشرفته بوده و هزينه‌بر هستند. حال آنکه، در اين پژوهش، مواد تغييرفازدهنده از طريق فرآيند ساده جذب سطحي براساس جاذبه آبگريزي- آبگريزي روي الياف پلي‌استر بارگذاري شدند. همچنين در پژوهش‌هاي مشابه، نانوذرات يا به صورت جداگانه سنتز شده و به مواد تغييرفازدهنده اضافه مي‌شوند و يا خريداري شده و مورداستفاده قرار مي‌گيرند. ولي در اين تحقيق، نانوذرات اکسيد آهن به صورت هم‌زمان سنتز و در کامپوزيت اسيدهاي چرب/پلي‌استر بارگذاري شدند. با درنظرگرفتن اين موارد، کامپوزيت‌هاي حساس به دماي سنتزشده با اين روش نه تنها مي‌توانند مشکل هدايت حرارتي ضعيف و نشت ترکيبات در هنگام چرخه‌هاي سرمايش/گرمايش را برطرف کنند بلکه به صورت تک‌مرحله‌اي توليد شده و نيازي به سنتز جداگانه نانوذرات و بارگذاري آن‌ها، فرآيندهاي الکتروريسي و نانو/ميکرو کپسول‌کردن و يا استفاده از حلال ندارند که از جمله مزاياي آن به شمار مي رود.»

وي با اشاره به محدوده دماي کاربردي مناسب اين کامپوزيت‌هاي اليافي گفت: «کامپوزيت‌هاي اليافي سنتزشده مي‌توانند در مصارف مختلف ذخيره و مديريت انرژي حرارتي با توجه به محدوده دماي کاربردي آن‌ها (°C۵۴.۱-۲۶.۹) به کار برده شوند. به عنوان مثال، در صنعت ساختمان، اين کامپوزيت‌ها را مي‌توان در ديواره ساختمان جاسازي کرده و انرژي حرارتي ساختمان را مديريت کرد. اين مواد به هنگام فراواني انرژي (مثلاً در طول روز) گرما را از اتاق گرفته و ذخيره مي‌کنند و در هنگام کمبود انرژي (مثلاً در هنگام شب)، انرژي ذخيره‌شده را به محيط پس مي‌دهند و از اين طريق به‌عنوان عايق ديناميکي عمل کرده و دماي اتاق را بر روي دماي مطلوب نگه مي‌دارند.

مجري طرح از جمله کاربردهاي ديگر اين کامپوزيت‌ها را در صنايع نساجي، پليمر، بسته‌بندي مواد غذايي و سلول‌هاي خورشيدي و حتي باتري‌هاي لپ‌تاپ دانست و خاطر نشان کرد: با به‌کارگيري اين کامپوزيت‌ها مي‌توان انرژي حرارتي را مديريت کرده و دماي مطلوب را براي کاربرد خاص به‌دست آورد. به‌عنوان مثال مي‌توان آنها را به‌عنوان روکش دور باتري لپ‌تاپ استفاده کرد تا به هنگام افزايش دما، گرما جذب آنها شده و در نتيجه دماي باتري کاهش يابد و در يک سطح مطلوب باقي بماند.

به گفته وي، نتايج کليدي اين طرح اين است که سنتز و بارگذاري نانوذرات اکسيد آهن در کامپوزيت اسيدهاي چرپ/پلي‌استر سبب بهبود هدايت حرارتي نمونه‌ها به ميزان ۴۴٫۵ تا ۸۵٫۸ درصد شده که کارايي آنها را افزايش داده و مشکل هدايت حرارتي ضعيف مواد تغييرفازدهنده آلي را برطرف کرده است. نمونه‌هاي سنتزشده داراي مقاومت و پايداري حرارتي مناسب حتي پس از ۱۰۰ چرخه حرارتي ذوب – انجماد بودند. به علاوه، آنها هيچ رهايشي از خود در دماي ۷۵ درجه (بالاي دماي ذوب اسيدهاي چرب) و بعد از ۱۲۰ دقيقه در آزمون نشت‌سنجي نشان ندادند که بيانگر پايداري آن‌ها در کاربردهاي عملي است.

اين عضو هيات علمي دانشگاه صنعتي اميرکبير تاکيد کرد: در اين پژوهش، نانوذرات اکسيد آهن با استفاده از روش احياي شيميايي با به‌کارگيري تري اتانول آمين و کلياب (يک محصول گياهي) سنتز شدند. سنتز ذرات اکسيد آهن در مقياس نانو سبب پخش مناسب ذرات در ماتريس مواد تغيير فازدهنده اسيدهاي چرب شده و در نتيجه ميزان استفاده از ذرات کاهش يافته و بازده هدايت حرارتي افزايش يافته است.

بر اساس اعلام ستاد نانو، اين مقاله بخشي از نتايج پايان‌نامه کارشناسي ارشد علي بشيري رضايي تحت عنوان "تأثير متقابل به‌کارگيري مواد تغييرفازدهنده و سنتز در محل نانوذرات مس و آهن روي کالاي پلي‌استري" در دانشکده مهندسي نساجي دانشگاه صنعتي اميرکبير است که به راهنمايي دکتر مجيد منتظر عضو هيئت علمي اين دانشکده و نويسنده مسئول اين مقاله انجام شده است. اين مقاله با عنوان Shape-stable thermo-responsive nano Fe۳O۴/fatty acids/PET composite phase-change material for thermal energy management and saving applications در مجله Applied Energy با ضريب تأثير ۸٫۴۲۶ در سال ۲۰۲۰ به چاپ رسيده است.