ساخت الیاف الکتروریسی‌شده دارای مخلوط اسیدهای چرب سه‌تایی اوتکتیک به‌عنوان مواد تغییرفاز برای کاربرد در منسوجات

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

آزمایشگاه بیومتریال و شیمی دارویی، مرکز تحقیقاتی توکسین، دانشگاه علوم پزشکی آجا، صندوق پستی 1411718541، تهران، ایران

چکیده

فرضیه: مواد تغییر فاز (PCM) به‌دلیل مزایای ویژه‌ای از قبیل چگالی ذخیره انرژی زیاد و نوسان‌های دمایی کم حین تغییر فاز در سامانه‌های ذخیره انرژی استفاده می‌شوند. اسیدهای چرب نیز با دارابودن ویژگی‌هایی نظیر ظرفیت گرمایی نهان زیاد، دوستدار محیط‌ زیست‌بودن، مقاومت شیمیایی و خورنده‌نبودن، از مهم‌ترین انواع PCMs آلی هستند. از مشکلات عمده اسیدهای چرب، ایجاد نشتی در فرایندهای مکرر ذخیره-بازیابی انرژی است. این مشکل را می‌توان با کپسولی‌کردن PCMs در ماتریس پلیمری در مقیاس ماکرو-نانو برطرف کرد. اگرچه کپسولی‌کردن PCMs به روش‌های مختلف انجام‌شدنی بوده، اما استفاده از ساختارهای پلیمری از روش‌های کارآمد است. الکتروریسی روش انعطاف‌پذیر نوینی است که ساخت الیاف پلیمری فرانرم را با ابعاد گسترده امکان‌پذیر می‌سازد.
روش‌ها: در این مطالعه، الکتروریسی مخلوط اسیدهای چرب سه‌تایی اوتکتیک برای ساخت نانوالیاف با خواص گرمایی مناسب انجام شد. بدین منظور مواد تغییر فاز شامل کاپریک اسید (CA)، لائوریک اسید (LA) و پالمیتیک اسید (PA) و مخلوط سه‌تایی اوتکتیک آن‌ها به‌عنوان PCM و پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA) به‌عنوان ماتریس نگه‌دارنده به‌کار گرفته شدند. از روش الکتروریسی نیز برای تولید الیاف استفاده شد.
یافته‌ها: برای بررسی و شناسایی خواص شیمیایی، شکل‌شناسی و گرمایی کامپوزیت‌های تولیدشده، آزمون‌های مختلف از جمله طیف‌سنجی زیر‌قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM)، گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) و گرماوزن‌سنجی (TGA) به‌کار گرفته شدند. نتایج آزمون FTIR نشان داد، هیچ واکنش شیمیایی بین مواد انجام نشده است. نتایج آزمون SEM نشان داد، الیاف به‌درستی و بدون دانه تشکیل شدند و تشکیل پیوند هیدروژنی بین PLA و مخلوط اوتکتیک اسید چرب (C-L-P) امکان کپسولی‌شدن PCMs را در ماتریس پلیمری تقویت می‌کند. همچنین دیده شد، الیاف کامپوزیتی تولیدشده دارای محدوده تغییر فاز مناسبی حدود C°12 بودند و نمونه‌هایی مناسب از الیاف PCM دارند که می‌توانند در سامانه‌های ذخیره-بازیابی انرژی مانند منسوجات به‌کار روند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Fabrication of Electrospun Fibers Containing Ternary Eutectic Fatty Acid Mixture as Phase-Change Materials for Application in Textiles

نویسندگان [English]

  • Alireza Khajeh-Amiri
  • Ramin Zibaseresht
Biomaterial and Medicinal Laboratory, Toxin Research Institute, AJA University of Medical Sciences, P.O. Box 1411718541, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Phase-change materials (PCMs) are utilized in energy conservation systems due to their outstanding merits including high energy storage capacity and small temperature variation in the phase transition interval. Fatty acids are the preferable kind of organic PCMs due to their features such as high latent heat capacity, environmental friendly, chemical resistance and non-corrosive properties. For practical applications, fatty acid PCM suffers from leakage during frequent storage/retrieval process. This flaw can be mitigated by encapsulation of PCM in a micro/nano-sized supporting matrix. Although PCM encapsulation can be accomplished in various ways, the polymeric holding structures are efficient methods. Electrospinning is a novel flexible technique which facilitates the fabrication of ultrafine polymeric fibers in large scale and wide range of diameters.
Methods: Electrospinning of ternary eutectic fatty acid mixture was carried out to fabricate nanofibers with appropriate thermal properties. The phase-change materials (PCMs) used including capric acid (CA), palmitic acid (PA), lauric acid (LA) and their ternary eutectics were supported by polymeric matrix of polylactic acid (PLA) in production of nanofibers through the electrospinning technique.
Findings: The fabricated composites have undergone various characterization tests including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) to study their chemical, morphological and thermal properties. The FTIR analyses showed that no chemical reaction occurred by composite constituents. The SEM analysis showed that the fibers were formed smoothly and without beads. In addition, the formation of hydrogen bond between PLA and ternary eutectic fatty acid mixture (C-L-P) showed the capability to encapsulate PCMs into the PLA polymer matrix. It was also observed that the composite fibers have an appropriate phase transition temperature range of about 12˚C and are suitable fibers which contain PCM having capability in energy storage/retrieval systems (e.g. textiles) to operate at low temperatures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • phase-change material
  • electrospinning
  • composite fibers
  • thermal energy storage/retrieval
  • textiles
  1. Kenisarin M.M. and Kenisarina K.M., Form-Stable Phase Change Materials for Thermal Energy Storage, Renew. Sustain. Energy Rev.,16, 1999-2040, 2012.
  2. Pielichowska K. and Pielichowski K., Phase Change Materials for Thermal Energy Storage, Prog. Mater. Sci., 65, 67-123, 2014.
  3. Anu Bhushani J. and Anandharamakrishnan C., Electrospinning and Electrospraying Techniques: Potential Food Based Applications, Trends, Food Sci. Technol., 38, 21-33, 2014.
  4. Li M., Kao H., Wu Z., and Tan J., Study on Preparation and Thermal Property of Binary Fatty Acid and the Binary Fatty Acids/Diatomite Composite Phase Change Materials, Appl. Energy, 88, 1606-1612, 2011.
  5. Haider A., Haider S., and Kang I.K., A Comprehensive Review Summarizing the Effect of Electrospinning Parameters and Potential Applications of Nanofibers in Biomedical and Biotechnology, Arab. J. Chem., 11, 1165-1188, 2018.
  6. Wang T., Ji X., Jin L., Feng Z., Wu J., Zheng J., Wang H., Xu Z.W., Guo L., and He N., Fabrication and Characterization of Heparin-grafted Poly-L-Lactic Acid-Chitosan Core-Shell Nanofibers Scaffold for Vascular Gasket, ACS Appl. Mater. Interfaces, 5, 3757-3763, 2013.
  7. Murugan R. and Ramakrishna S., Design Strategies of Tissue Engineering Scaffolds with Controlled Fiber Orientation, Tissue Eng., 13, 1845-1866, 2007.
  8. Perán M., García M.A., Lopez-Ruiz E., Jiménez G., and Marchal J.A., How Can Nanotechnology Help to Repair the Body? Advances in Cardiac, Skin, Bone, Cartilage and Nerve Tissue Regeneration, Materials (Basel), 6, 1333-1359, 2013.
  9. Ravi S. and Chaikof  E.L., Biomaterials for Vascular Tissue Engineering, Regen. Med., 5, 107-120, 2010.
  10. Færevik H. and Reinertsen R.E., Effects of Wearing Aircrew Protective Clothing on Physiological and Cognitive Responses under Various Ambient Conditions, Ergonomics, 46, 780-799, 2003.
  11. Montain S.J., Sawka M.N., Cadarette B.S., Quigley M.D., and McKay J.M. Physiological Tolerance to Uncompensable Heat Stress: Effects of Exercise Intensity, Protective Clothing, and Climate, J. Appl. Physiol., 77, 216-222, 1994.
  12. O’Brien C., Blanchard L.A., Cadarette B.S., Endrusick T.L., Xu X., Berglund L.G., Sawka M.N., and Hoyt R.W., Methods of Evaluating Protective Clothing Relative to Heat and Cold Stress: Thermal Manikin, Biomedical Modeling, and Human Testing, J. Occup. Environ. Hyg., 8, 588-599, 2011.
  13. Kamon E., Kenney W.L., Deno N.S., Soto K.I., and Carpenter A.J., Readdressing Personal Cooling with Ice, Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 47, 293-298, 1986.
  14. Kenny G.P., Schissler A.R., Stapleton J., Piamonte M., Binder K., Lynn A., Lan C.Q., and Hardcastle S.G., Ice Cooling Vest on Tolerance for Exercise under Uncompensable Heat Stress, J. Occup. Environ. Hyg., 8, 484-491, 2011.
  15. Coleman S.R., Heat Storage Capacity of Gelled Coolants in Ice Vests, Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 50, 325-329, 1989.
  16. Zdraveva E., Fang J., Mijovic B., and Lin T., Electrospun Poly(vinyl alcohol)/Phase Change Material Fibers: Morphology, Heat Properties, and Stability, Ind. Eng. Chem. Res., 54, 8706-8712, 2015.
  17. Rezaei B., Ghani M., Askari M., Shoushtari A.M., and Malek R.M.A., Fabrication of Thermal Intelligent Core/Shell Nanofibers by the Solution Coaxial Electrospinning Process, Adv. Polym. Technol., 35, 2016.
  18. Baghersad S., Mansurnezhad R., Ghasemi-Mobarakeh L., Molahosseini H., and Morshed M., Coating of Silk Fabrics by PVA/Ciprofloxacin HCl Nanofibers for Biomedical Applications, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 171-184, 2016.
  19. Ke H., Investigation of the Effects of Nano-graphite on Morphological Structure and Thermal Performances of Fatty Acid Ternary Eutectics/Polyacrylonitrile/Nano-Graphite Form-Stable Phase Change Composite Fibrous Membranes for Thermal Energy Storage, Sol. Energy, 173, 1197-1206, 2018.
  20. Yuan Y., Zhang N., Tao W., Cao X., and He Y., Fatty Acids as Phase Change Materials: A Review, Renew. Sust. Energ. Rev., 29, 482-498, 2014.
  21. Ke H., Phase Dagrams, Eutectic Mass Ratios and Thermal Energy Storage Properties of Multiple Fatty Acid Eutectics as Novel Solid-Liquid Phase Change Materials for Storage and Retrieval of Thermal Energy, Appl. Therm. Eng., 113, 1319-1331, 2017.
  22. Zhang H., Gao X., Chen C., Xu T., Fang Y., and Zhang Z., Composites. Part A:A Capric–Palmitic–Stearic Acid Ternary Eutectic Mixture/Expanded Graphite Composite Phase Change Material for Thermal Energy Storage, Composites, Part A, 87, 138-145, 2016.
  23. Cai Y.B., Sun G.Y., Liu M.M., Zhang J., Wang Q.Q., and Wei Q.F., Fabrication and Characterization of Capric Lauric Palmitic Acid/Electrospun SiO2 Nanofibers Composite as Form-Stable Phase Change Material for Thermal Energy Storage/Retrieval, Sol. Energy, 118, 87-95, 2015.
  24. Zhang N., Yuan Y., and Wang X., Preparation and Characterization of Lauric–Myristic–Palmitic Acid Ternary Eutectic Mixtures/Expanded Graphite Composite Phase Change Material for Thermal Energy Storage, Chem. Eng. J., 231, 214-219, 2013.
  25. Chen C., Liu K., Wang H., Liu W., and Zhang H., Morphology and Performances of Electrospun Polyethylene Glycol/Poly (D,L-lactide) Phase Change Ultrafine Fibers for Thermal Energy Storage, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 117, 372-381, 2013.
  26. Ke H., Li D., Zhang H., Wang X., Cai Y., Huang F., and Wei Q., Electrospun Form-Stable Phase Change Composite Nanofibers Consisting of Capric Acid-Based Binary Fatty Acid Eutectics and Polyethylene Terephthalate, Fibers Polym., 14, 89-99, 2013.
  27. Cai Y., Xu X., Gao C., Bian T., Qiao H., and Wei Q., Structural Morphology and Thermal Performance of Composite Phase Change Materials Consisting of Capric Acid Series Fatty Acid Eutectics and Electrospun Polyamide 6 Nanofibers for Thermal Energy Storage, Mater. Lett., 89, 43-46, 2012.