نانوالیاف کامپوزیتی تنظیم‌کننده گرمایی از پلی‌اتیلن‌گلیکول، پلی(وینیل‌الکل) و نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، گروه مهندسی نساجی، تهران، ایران، صندوق پستی 775-14515

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی نساجی، قطب علمی سازه‌های الیافی متعامل و بهبود محیط، صندوق پستی ۴۴۱۳-۱۵۸۷۵

3 تهران، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده علوم زیستی و بیوتکنولوژی، گروه میکروبیولوژی و بیوتکنولوژِی میکروبی، صندوق پستی 1719-16765

10.22063/jipst.2020.1691

چکیده

فرضیه‌: امروزه کاربرد روش‌های نوین برای تهیه انرژی پاک و تجدیدپذیر مانند انرژی گرمایی بیشتر احساس می‌شود. استفاده از مواد تغییر فاز (PCMs) از مهم‌ترین روش‌های ذخیره‌سازی انرژی گرمایی است که به‌عنوان مواد پاک و تجدیدپذیر در الیاف تنظیم‌کننده گرمایی برای منسوجات هوشمند به‌کار گرفته می‌شوند. پلی‌اتیلن‌گلیکول (PEG) ماده تغییر فازجامد-مایع با ویژگی‌های مناسب است که به کپسولی‌کردن نیاز دارد. الکتروریسی تک‌فازی ترکیبی شامل پلیمر ماتریس و PCM روشی برای کپسولی‌کردن است. از طرفی، افزودن اکسید فلزی می‌تواند به افزایش رسانندگی گرمایی مواد تغییر فاز منجر شود. این پژوهش با هدف تولید نانوالیاف تنظیم‌کننده گرمایی از پلیمرهای پلی(‌وینیل‌الکل) (PVA) و PEG و نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید (TiO2) انجام شده است.
روش‌ها: در این پژوهش، نانوذرات TiO2 به محلول ترکیبی بهینه شامل PVA و PEG افزوده و محلول حاصل با روش تک‌فازی الکتروریسی شد و سپس عملکرد تنظیم‌کنندگی گرمایی آن بررسی شد. برای دستیابی به این هدف، آزمون‌های DSC ،DTG  FTIR و XRD به‌کار گرفته شد و از نانوالیاف تصاویر FE-SEM،EDS و نگاشت عنصری تهیه شد.
یافته‌ها: براساس نتایج آزمون DSC آنتالپی‌های ذوب و تبلور نانوالیاف تولیدشده بیشتر از پودر خالص PEG به‌دست آمد. همچنین طبق تصاویر FE-SEM ،EDS و نگاشت عنصری وجود نانوذرات TiO2 در نانوالیاف تأیید شد. براساس آزمون DTG وجود نانوذرات TiO2 و PVA موجب
افزایش دمای تخریب PEG در نانوالیاف در مقایسه با پودر PEG شد. طیف FTIR وجود پلیمرها و نانوذرات TiO2 را نشان داد. الگوی XRD نشانگر ساختار بلوری نانوالیاف بود. بنابر نتایج، نانوالیاف‌ تهیه‌شده می‌توانند به‌عنوان ماده تنظیم‌کننده گرمایی شکل پایدار در کاربردهای مختلف استفاده شوند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Thermal Regulating Nanofibers Composite from Polyethylene Glycol, Poly(vinyl alcohol) and Titanium Dioxide Nanoparticles

نویسندگان [English]

  • Sadaf Salimian 1
  • Majid Montazer 2
  • Abu Saeed Rashidi 1
  • Neda Soleimani 3
1 Department of Textile Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 14515-775, Tehran, Iran
2 Department of Textile Engineering, Functional Fibrous Structures and Environmental Enhancement (FFSEE), Amirkabir University of Technology, P.O. Box 15875-4413, Tehran, Iran
3 Department of Microbiology and Microbial Biotechnology, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University, P.O. Box: 16765-1719, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Today, the use of modern methods for producing clean and renewable energy such as thermal energy is more requested. One of the most important methods for storing thermal energy is phase change materials (PCMs), which are used as clean and renewable materials in thermal regulating fibres for smart textiles. Polyethylene glycol (PEG), a solid-liquid phase change material, with proper properties, needs to be encapsulated. A single-phase combination electrospinning composed of matrix polymer and PCM is a method of encapsulation. On the other hand, adding metal oxide can increase the thermal conductivity of the phase change materials. This research was conducted with the aim of producing thermal regulating nanofibers from poly(vinyl alcohol) (PVA) and PEG polymers with titanium dioxide nanoparticles (TiO2).
Methods: TiO2 nanoparticles were added to an optimal combination solution containing PVA and PEG and the resultant solution was electrospun by a single-phase method and its thermal regulating performance was investigated. For this purpose, DSC, DTG, and also FT-IR and XRD tests were used and FE-SEM, EDS and mapping images were obtained from the nanofibers.
Findings: Based on the results of DSC test, the enthalpy of melting and crystallization of the produced nanofibers were higher than those of pure PEG powder. Also, according to FE-SEM, EDS and mapping images, the presence of TiO2 nanoparticles in the mentioned nanofibres was confirmed. Based on the DTG test, the presence of TiO2 nanoparticles and PVA increased the degradation temperature of PEG in nanofibers compared to PEG powder. The FTIR spectrum showed the presence of polymers and TiO2 nanoparticles. The XRD pattern showed a crystalline structure for nanofibres. According to the results, the prepared nanofibres can be used as a form-stable thermo-regulating material in various applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • phase change materials
  • nanofibres
  • poly(vinyl alcohol)
  • polyethylene glycol
  • titanium dioxide nanoparticles

1.Masoudi Reihan M. and Babapour A., Review of Phase Change Materials as a Costly Source of Energy, 6th Conference on Efficient Clean Renewable Energies, Tehran, 2015.
2.Chen C., Wang L., and Huang Y., Crosslinking of the Electrospun Polyethylene Glycol/Cellulose Acetate Composite Fibers as Shape-Stabilized Phase Change Materials, Mater. Lett., 63, 569-57, 2009.
3.Jin W., Jeon H.J., kim J.H., and Youk J.H., A Study on the Preparation of Poly(vinyl alcohol) Nanofibers Containing Silver Nanoparticles, Synth. Metal., 157, 454-459, 2007.
4.Zhang H., Fang Y., Guo P., Wang Q., Guo J., and Gong Y., Research of Thermo-Regulating Fibers Based on the Crosslinked Composite Phase Change Materials of PEGA, Adv. Mater. Res., 821-822, 107-110, 2013.
5.Park J.H., Karim M.R., Kim I.K., Cheong I.W., Kim J.W., Bae D.G., Cho J.W., and Yeum J.H., Electrospinning Fabrication and Characterization of Poly(vinyl alcohol)/ Montmorillonite/Silver Hybrid Nanofibers for Antibacterial Applications, Colloid Polym. Sci., 288, 115-121, 2010.
6.Zdraveva E., Fang J., Mijovic B., and Lin T., Electrospun Poly(vinyl alcohol)/Phase Change Material Fibers: Morphology, Heat Properties, and Stability, Indust. Eng. Chem. Res., 54, 8706-8712, 2015.
7.Seifpour M., Nouri M., and Mokhtari J., Phase Change Materials and Their Application in Textiles, J. Text. Sci. Technol., 1, 11-19, 2011.
8.Liu Z., Zhang Y., Hu K., Xiao Y., Wang J., Zhou Ch., and Lei J., Preparation and Properties of Polyethylene Glycol Based Semi-Interpenetrating Polymer Network as Novel Form-Stable Phase Change Materials for Thermal Energy Storage, Energy Build., 127, 327-336, 2016.
9.Chen C., Wang L., and Huang Y., Role of Mn of PEG in the Morphology and Properties of Electrospun PEG/CA Composite Fibers for Thermal Energy Storage, AIChE J., 55, 820-827, 2009.
10.Babapoor A., Karimi G., Golestaneh S., and Mezjin M., Coaxial Electro-Spun PEG/PA6 Composite Fibers: Fabrication and Characterization, Appl. Therm. Eng., 118, 398-407, 2017.
11.Zhang Y., Wang J., Qiu J., Jin X., Umair M., Lu R., Zhang Sh., and Tang B., Ag-Graphene/PEG Composite Phase Change Materials for Enhancing Solar Thermal Energy Conversion and Storage Capacity, Appl. Energy, 237, 83-90, 2019.
12.Wang W., Yang X., Fang Y., and Ding J., Preparation and Performance of Form-Stable Polyethylene Glycol/Silicon Dioxide Composites as Solid-Liquid Phase Change Materials, Appl. Energy, 86, 170-174, 2009.
13.Fang Y., Kang H., Wang W., Liu H., and Gao X., Study on Polyethylene Glycol/Epoxy Resin Composite as a Form-stable Phase Change Material, Energ. Convers. Manage., 51, 2757-2761, 2010.
14.Karaman S., Karaipekli A., Sarl A., and Bic,er A., Polyethylene Glycol (PEG)/Diatomite Composite as a Novel Form-stable Phase Change Material for Thermal Energy Storage, Solar Energ. Mater. Solar Cells, 95, 1647-1653, 2011.
15.Xiong W., Chen Y., Hao M., Zhang L., Mei T., Wang J., Li J., and Wang X., Facile Synthesis of PEG Based Shape-stabilized Phase Change Materials and Their Photo-thermal Energy Conversion, Appl. Therm. Eng., 91, 630-637, 2015.
16.Madaeni S., Semsarzadeh M., Pour-Moghaddasi S., and Neamani H., Study of the Effect of Acetic Acid and Polyethylene Glycol on Morphology and Performance of Poly(vinyl alcohol) Membrane, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 1, 13-20, 2003.
17.Sun D., Xu T., Liu Y., and Zhang M., Preparation of PVA/PEG Phase Change Composite Nanofibers by Electrospinning, Adv. Mater. Res., 306-307, 37-40, 2011.
18.Agool I.R., Kadhim K.J., and Hashim A., Preparation of (Polyvinyl Alcohol-Polyethylene Glycol- Polyvinylpyrrolidone-Titanium oxide Nanoparticles) Nanocomposites: Electrical Properties for Energy Storage and Release, Int. J. Plast. Technol., 6, 206-209, 2016.
19.Khodadadi Jeyhoon M., Nanoparticle-enhanced Phase Change Materials (NEPCM) with Improved Thermal Energy Storage, US Pat., 9,027,633 B2, 2009.
20.Khajeh-Amiri A. and Zibaseresht R., Fabrication of Electrospun Fibers Containing Ternary Eutectic Fatty Acid Mixture as Phase Change Materials for Application in Textiles, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 32, 135-143, 2019.
21.Bashiri-Rezaie A. and Montazer M., One-step Fabrication of Fatty Acids/Nano Copper/Polyester Shape-stable Composite Phase Change Material for Thermal Energy Management and Storage, Appl. Energy, 228, 1911-1920, 2018.
22.Uslu I., Keskin S., Gül A., Ceren Karabulut T., and Levent Aksu M., Preparation and Properties of Electrospun Poly(vinyl Alcohol) Blended Hybrid Polymer with Aloe vera and HPMC as Wound Dressing, Hacettepe J. Biol. Chem., 38, 19-25, 2010.
23.Pakdel E., Daoud W.A., Sun L., and Wang X., Photo Stability of Wool Fabrics Coated with Pure and Modified TiO2 Colloids, J. Colloid Interface Sci., 440, 299-309, 2015.
24.Zhang F., Cheng Z., Cui L., Duan T., Anan A., Zhang Ch., and Kang L., Controllable Synthesis of Ag@TiO2 Hetero Structures with Enhanced Photocatalytic Activities under UV and Visible Excitation, RSC Adv., 6, 1844-1850, 2016.
25.Pakdel E., Daoud W.A., and Wang X., Assimilating the Photo-induced Functions of TiO2-based Compounds in Textiles: Emphasis on the Sol-gel Process, Text. Res. J., 85, 1404-1428, 2015.
26.Montazer M. and Harifi T., Nanofinishing of Textile Materials, Elsevier, UK, 09-128, 2018.
27.Chen C., Wang L., and Huang Y., Electrospinning of Thermo-regulating Ultrafine Fibers Based on Polyethylene Glycol/Cellulose Acetate Composite, Polymer, 48, 5202-5207, 2007.
28.Khanna P.K., Singh N., and Charan Sh., Synthesis of Nano-particles of Anatase-TiO2 and Preparation of Its Optically Transparent Film in PVA, Mater. Lett., 61, 4725-4730, 2007.
29.Mohammadi N., Physical Chemistry of Polymers, Amirkabir University of Technology, Tehran, 1-284, 2015.
30.Umair M.M., Zhang Y., Iqbal K., Zhang Sh., and Tang B., Novel Strategies and Supporting Materials Applied to Shape-stabilize Organic Phase Change Materials for Thermal Energy Storage-A Review, Appl. Energy, 235, 846-873, 2019.