Nature.comにご訪問いただきありがとうございます。お使いのブラウザのバージョンはCSSのサポートが制限されています。最適な表示のためには、より新しいバージョンのブラウザをご利用いただくか、Internet Explorerの互換表示モードを無効にすることをお勧めします。当面の間、継続的なサポートを確保するため、スタイルシートやJavaScriptを使用せずにサイトを表示しております。
ステアリン酸（SA）は、エネルギー貯蔵デバイスの相変化材料（PCM）として使用されています。本研究では、ゾルゲル法を用いてSiO2シェル界面活性剤をマイクロカプセル化しました。様々な量のSA（5、10、15、20、30、50 g）を10 mLのテトラエチルオルトシリケート（TEOS）にカプセル化しました。合成したマイクロカプセル化相変化材料（MEPCM）は、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）、X線回折（XRD）、X線光電子分光法（XPS）、走査型電子顕微鏡（SEM）によって特性評価されました。特性評価の結果、SAがSiO2によって正常にカプセル化されたことが示されました。熱重量分析（TGA）により、MEPCMはCAよりも優れた熱安定性を持つことが示されました。示差走査熱量測定（DSC）を用いて、MEPCMのエンタルピー値は30回の加熱冷却サイクル後も変化しないことが分かりました。マイクロカプセル化されたサンプルの中で、MEPCMを含む50gのSAが最も高い融解潜熱と凝固潜熱を示し、それぞれ182.53 J/gと160.12 J/gであった。熱データを用いてパッケージ効率を計算したところ、同じサンプルで86.68%という最高の効率が得られた。
建設業界で使用されるエネルギーの約58%は、建物の暖房と冷房に使用されています1。したがって、環境汚染を考慮した効率的なエネルギーシステムを構築することが最も重要です2。相変化材料（PCM）を使用した潜熱技術は、低い温度変動で高いエネルギーを蓄えることができ3,4,5,6、熱伝達、太陽エネルギー貯蔵、航空宇宙、空調などの分野で幅広く使用できます7,8,9。PCMは日中に建物の外壁から熱エネルギーを吸収し、夜間にエネルギーを放出します10。したがって、相変化材料は熱エネルギー貯蔵材料として推奨されています。また、固体-固体、固体-液体、液体-気体、固体-気体など、さまざまな種類のPCMがあります11。その中でも、最も一般的で頻繁に使用されている相変化材料は、固体-固体相変化材料と固体-液体相変化材料です。しかし、液体-気体および固体-気体の相変化材料は体積変化が非常に大きいため、その応用は非常に困難です。
PCMはその特性により様々な用途に使用されています。15℃以下の温度で融解するものは、冷房システムで低温を維持するために使用でき、90℃以上の温度で融解するものは、暖房システムで火災を防ぐために使用できます12。用途と融点範囲に応じて、さまざまな有機および無機化学物質からさまざまな相変化材料が合成されています13,14,15。パラフィンは、高い潜熱、非腐食性、安全性、広い融点範囲を持つ最も一般的に使用されている相変化材料です16,17,18,19,20,21。
しかし、相変化材料は熱伝導率が低いため、相変化プロセス中に基材が漏れるのを防ぐためにシェル（外層）でカプセル化する必要がある22。さらに、操作ミスや外部圧力によって外層（被覆材）が損傷したり、溶融した相変化材料が建材と反応して埋め込み鉄筋の腐食を引き起こし、建物の使用性が低下する可能性がある23。したがって、上記の問題を解決できる十分なシェル材料を備えたカプセル化相変化材料を合成することが重要である24。
相変化材料のマイクロカプセル化は、熱伝達を効果的に増加させ、環境反応性を低減し、体積変化を制御することができます。PCMカプセル化には、界面重合25,26,27,28、in situ重合29,30,31,32、コアセルベーション33,34,35、ゾルゲルプロセス36,37,38,39など、さまざまな方法が開発されています。ホルムアルデヒド樹脂はマイクロカプセル化に使用できます40,41,42,43。メラミンホルムアルデヒド樹脂と尿素ホルムアルデヒド樹脂はシェル材料として使用されますが、運転中に有毒なホルムアルデヒドを放出することがよくあります。そのため、これらの材料は包装プロセスでの使用が禁止されています。しかし、脂肪酸とリグニンに基づくハイブリッドナノカプセルを使用して、拡張可能な熱エネルギー貯蔵用の環境に優しい相変化材料を合成できます44。
Zhangら45はテトラエチルオルトシリケートからラウリン酸を合成し、メチルトリエトキシシランとテトラエチルオルトシリケートの体積比が増加するにつれて潜熱が減少し、表面疎水性が増加すると結論付けた。ラウリン酸はカポック繊維の潜在的かつ効果的なコア材料である可能性がある46。さらに、Latibariら47はTiO2をシェル材料として使用してステアリン酸ベースのPCMを合成した。Zhuらはn-オクタデカンとシリコーンナノカプセルを潜在的なPCMとして準備した48。文献のレビューから、効果的で安定したマイクロカプセル化相変化材料の形成に推奨される投与量を理解することは難しい。
したがって、著者らの知る限り、マイクロカプセル化に使用する相変化材料の量は、効率的で安定したマイクロカプセル化相変化材料の製造において重要なパラメータである。相変化材料の量を変えることで、マイクロカプセル化相変化材料のさまざまな特性と安定性を明らかにすることができる。ステアリン酸（脂肪酸）は、環境に優しく、医学的に重要で経済的な物質であり、高いエンタルピー値（約200 J/g）を持ち、72 °Cまでの温度に耐えることができるため、熱エネルギーを貯蔵するために使用できる。さらに、SiO2は不燃性であり、コア材料に高い機械的強度、熱伝導率、優れた耐薬品性を提供し、建設においてポゾラン材料として機能する。セメントが水と混合されると、カプセル化が不十分なPCMは、機械的摩耗と大規模なコンクリート構造物で発生する高温（水和熱）によりひび割れる可能性がある。したがって、SiO2シェルでマイクロカプセル化されたCAを使用することで、この問題を解決できる。したがって、本研究の目的は、ゾルゲル法で合成したPCMの建築用途における性能と効率を調査することであった。本研究では、SiO2シェルに封入されたSA（基材）の量を5、10、15、20、30、50gと変化させて系統的に研究した。SiO2シェルの形成には、10mlのテトラエチルオルトシリケート（TEOS）を一定量用いた前駆体溶液を使用した。
コア材料として、反応性ステアリン酸（SA、C18H36O2、融点：72℃）を韓国京畿道のDaejung Chemical & Metals Co., Ltd.から購入した。前駆体溶液として、テトラエチルオルトシリケート（TEOS、C8H20O4Si）をベルギーのヘールにあるAcros Organicsから購入した。また、溶媒および界面活性剤として、無水エタノール（EA、C2H5OH）とラウリル硫酸ナトリウム（SLS、C12H25NaO4S）を韓国京畿道のDaejung Chemical & Metals Co., Ltd.から購入した。蒸留水も溶媒として使用した。
異なる量のSAを、異なる割合のラウリル硫酸ナトリウム（SLS）とともに、100 mLの蒸留水にマグネチックスターラーを用いて800 rpm、75 °Cで1時間混合した（表1）。SAエマルジョンは2つのグループに分けられた：（1）5、10、15 gのSAを0.10 gのSLSとともに100 mlの蒸留水に混合（SATEOS1、SATEOS2、SATEOS3）、（2）20、30、50 gのSAを0.15、0.20、0.25 gのSLSとともに100 mlの蒸留水に混合（SATEOS4、SATEOS5、SATEOS6）。0.10 gのSLSは、5、10、15 gのSAとともに、それぞれのエマルジョンを形成するために使用された。その後、SATEOS4、SATEOS5、SATEOS6ではSLSの数を増やすことが提案された。表1は、安定なエマルション溶液を得るために使用されたCAとSLSの比率を示している。
10 ml の TEOS、10 ml のエタノール (EA)、および 20 ml の蒸留水を 100 ml ビーカーに入れます。SA と SiO2 シェルの比率が異なる場合のカプセル化効率を調べるために、すべてのサンプルの合成係数を記録しました。混合物をマグネチックスターラーで 400 rpm、60 °C で 1 時間攪拌しました。次に、前駆体溶液を調製した SA エマルジョンに滴下し、800 rpm、75 °C で 2 時間激しく攪拌し、ろ過して白色粉末を得ました。白色粉末を蒸留水で洗浄して残留 SA を除去し、真空オーブンで 45 °C で 24 時間乾燥させました。その結果、SiO2 シェルを持つマイクロカプセル化された SC が得られました。マイクロカプセル化された SA の合成と調製の全プロセスを図 1 に示します。
SiO2シェルを有するSAマイクロカプセルはゾルゲル法によって調製され、そのカプセル化メカニズムを図2に示す。最初のステップでは、界面活性剤としてSLSを含む水溶液中でSAエマルジョンを調製する。この場合、SA分子の疎水性末端はSLSに、親水性末端は水分子に結合し、安定なエマルジョンを形成する。したがって、SLSの疎水性部分は保護され、SA液滴の表面を覆う。一方、TEOS溶液の加水分解は水分子によってゆっくりと進行し、エタノールの存在下で加水分解TEOSが形成される（図2a）49,50,51。加水分解TEOSは縮合反応を起こし、その過程でn-加水分解TEOSがシリカクラスターを形成する（図2b）。シリカクラスターはSLSの存在下でSA52によってカプセル化され（図2c）、これをマイクロカプセル化プロセスと呼ぶ。
CAをSiO2シェルでマイクロカプセル化する概略図。(a)TEOSの加水分解、(b)加水分解物の縮合、(c)CAをSiO2シェルでカプセル化する。
バルクSAとマイクロカプセル化SAの化学分析は、フーリエ変換赤外分光計（FT-IR、Perkin Elmer UATR Two、米国）を使用して実施され、スペクトルは500～4000 cm-1の範囲で記録された。
バルクSA相およびマイクロカプセル材料の分析には、X線回折装置（XRD、D/MAX-2500、リガク、日本）を使用した。X線構造スキャンは、Cu-Kα線（λ = 1.541 Å）、動作条件25 kV、100 mA、連続スキャンモードで、2θ = 5°～95°の範囲で、スキャン速度4°/分で実施した。すべてのサンプルで50°以降にピークが見られなかったため、X線画像は2θ = 5～50°の範囲で構築した。
バルクSAの化学状態およびカプセル化材料中に存在する元素を理解するために、X線源としてAl Kα（1486.6 eV）を用いたX線光電子分光法（XPS、Scienta Omicron R3000、米国）を実施した。収集したXPSスペクトルは、特殊炭素（結合エネルギー284.6 eV）を用いてC 1sピークに較正した。Shirley法によるバックグラウンド補正後、各元素の高分解能ピークをCASA XPSソフトウェアを用いてデコンボリューションし、ガウス関数またはローレンツ関数にフィッティングした。
バルクSCおよびマイクロカプセル化SCの形態は、エネルギー分散型X線分光法（EDS）を備えた走査型電子顕微鏡（SEM、MIRA3、TESCAN、チェコ共和国ブルノ）を用いて15kVで観察した。SEM画像撮影前に、帯電効果を避けるため、サンプルを白金（Pt）でコーティングした。
熱特性（融点/凝固点および潜熱）と信頼性（熱サイクル）は、示差走査熱量測定（DSC、TA Instrument、Discovery DSC、米国ニューキャッスル）により、40 °C および 90 °C で 10 °C/分の加熱/冷却速度で、窒素を連続的にパージしながら測定した。重量減少分析は、TGA 分析装置（TA Instrument、Discovery TGA、米国ニューキャッスル）を用いて、40～600 °C の温度から開始し、10 °C/分の加熱速度で窒素を連続的に流しながら行った。
図 3 は、バルク SC およびマイクロカプセル化された SC (SATEOS1、SATEOS2、SATEOS3、SATEOS4、SATEOS5、SATEOS6) の FTIR スペクトルを示しています。すべてのサンプル (SA およびマイクロカプセル化された SA) の 2910 cm-1 および 2850 cm-1 の吸収ピークは、それぞれ –CH3 および –CH2 基の対称伸縮振動に起因します 10,50。1705 cm-1 のピークは、C=O 結合の伸縮振動に対応します。1470 cm-1 および 1295 cm-1 のピークは、–OH 官能基の面内曲げ振動に起因し、940 cm-1 および 719 cm-1 のピークは、それぞれ –OH 基の面内振動および面内変形振動に対応します。 2910、2850、1705、1470、1295、940、719 cm-1 の SA の吸収ピークも、すべてのマイクロカプセル化された SA で観察されました。さらに、SA マイクロカプセルでは、Si-O-Si バンドの非対称伸縮振動に対応する 1103 cm-1 の新たに発見されたピークが観察されました。FT-IR の結果は Yuan ら 50 と一致しています。彼らはアンモニア/エタノール比でマイクロカプセル化された SA をうまく調製し、SA と SiO2 の間に化学的相互作用が起こらないことを発見しました。現在の FT-IR 研究の結果は、加水分解された TEOS の縮合プロセスと重合によって SiO2 シェルが SA (コア) をうまくカプセル化していることを示しています。SA 含有量が低いほど、Si-O-Si バンドのピーク強度が高くなります (図 3b-d)。 SAの量が15gを超えると、ピークの強度とSi-O-Siバンドの広がりが徐々に減少し、SAの表面に薄いSiO2層が形成されていることを示している。
(a) SA、(b) SATEOS1、(c) SATEOS2、(d) SATEOS3、(e) SATEOS4、(f) SATEOS5、(g) SATEOS6のFTIRスペクトル。
バルクSAとマイクロカプセル化SAのXRDパターンを図4に示します。XRDピークは、2θ = 6.50° (300)、10.94° (500)、15.46° (700)、20.26° (JCPDS No. 0381923, 02)、21.42° (311)、24.04° (602)、39.98° (913)に位置し、これらはSAに割り当てられています。界面活性剤(SLS)、その他の残留物質、SiO250のマイクロカプセル化などの不確定な要因により、バルクCAとの歪みと混成が生じます。カプセル化後、バルクCAと比較して、メインピーク(300)、(500)、(311)、(602)の強度が徐々に低下し、サンプルの結晶性が低下していることを示しています。
(a) SA、(b) SATEOS1、(c) SATEOS2、(d) SATEOS3、(e) SATEOS4、(f) SATEOS5、(g) SATEOS6のXRDパターン。
SATEOS1 の強度は他のサンプルと比較して急激に低下します。すべてのマイクロカプセル化サンプルで他のピークは観察されず (図 4b – g)、これは SA 表面で化学的相互作用ではなく SiO252 の物理的吸着が起こることを示しています。さらに、SA のマイクロカプセル化によって新しい構造が出現しないことも結論付けられました。SiO2 は化学反応を起こさずに SA 表面にそのまま残り、SA の量が減少するにつれて、既存のピークがより明確になります (SATEOS1)。この結果は、SiO2 が主に SA 表面をカプセル化していることを示しています。 (700) のピークは完全に消失し、\((\overline{5}02)\) のピークは SATEOS 1 でハンプになります (図 4b)。これは結晶性の低下と非晶質の増加に関連しています。 SiO2は非晶質であるため、2θ = 19°から25°で観測されるピークにはハンプと広がりが見られます53（図4b～g）。これは非晶質SiO2の存在を裏付けています52。マイクロカプセル化されたSAの回折ピーク強度が低いのは、シリカ内壁の核生成効果と結晶化挙動の制限によるものです49。SA含有量が低い場合、SAの外面に大きく吸着されるTEOSの量が多いため、より厚いシリカシェルが形成されると考えられます。しかし、SAの量が増加すると、エマルジョン溶液中のSA液滴の表面積が増加し、適切なカプセル化にはより多くのTEOSが必要になります。したがって、SA含有量が高い場合、FT-IRのSiO2ピークは抑制され（図3）、XRFの2θ = 19～25°付近の回折ピークの強度が低下し（図4）、広がりも減少します。見えません。しかし、図4に示すように、SAの量が5g（SATEOS1）から50g（SATEOS6）に増加するとすぐに、ピークはバルクSAに非常に近くなり、（700）のピークがすべてのピーク強度とともに現れます。この結果は、1103 cm-1のSiO2 SATEOS6ピークの強度が減少するFT-IRの結果（図3g）と一致しています。
SA、SATEOS1、SATEOS6 に含まれる元素の化学状態を図 1 および 2 に示します。図 5、6、7、8 および表 2 。バルク SA、SATEOS1、SATEOS6 の測定スキャンを図 5 に示し、C 1s、O 1s、Si 2p の高分解能スキャンを図 5、6、7、8 および表 2 に示します。それぞれ 6、7、8 です。XPS で得られた結合エネルギー値を表 2 にまとめます。図 5 からわかるように、SiO2 シェルのマイクロカプセル化が起こった SATEOS1 および SATEOS6 では、明らかな Si 2s および Si 2p ピークが観察されました。以前の研究者は、155.1 eV に同様の Si 2s ピークを報告しています 54。 SATEOS1（図5b）とSATEOS6（図5c）にSiピークが存在することは、FT-IR（図3）とXRD（図4）のデータを裏付けています。
図 6 a に示すように、バルク SA の C 1s には、結合エネルギーがそれぞれ 284.5 eV、285.2 eV、289.5 eV の CC、カリファティック、および O=C=O の 3 つの異なるピークがあります。C–C、カリファティック、および O=C=O のピークは、SATEOS1 (図 6b) および SATEOS6 (図 6c) でも観察され、表 2 にまとめられています。これに加えて、C 1s ピークは、283.1 eV (SATEOS1) および 283.5 eV (SATEOS6) の追加の Si-C ピークにも対応しています。C–C、カリファティック、O=C=O、および Si–C の観測された結合エネルギーは、他のソース 55,56 とよく相関しています。
O 1 SA、SATEOS1、SATEOS6 の XPS スペクトルをそれぞれ図 7a～c に示します。バルク SA の O 1s ピークはデコンボリューションされ、C=O/C–O (531.9 eV) と C–O–H (533.0 eV) の 2 つのピークがありますが、SATEOS1 と SATEOS6 の O 1 は一致しています。ピークは C=O/C–O、C–O–H、Si–OH の 3 つだけです 55,57,58。SATEOS1 と SATEOS6 の O 1s 結合エネルギーはバルク SA と比較してわずかに変化しますが、これはシェル材料に SiO2 と Si-OH が存在することによる化学フラグメントの変化に関連しています。
SATEOS1とSATEOS6のSi 2p XPSスペクトルをそれぞれ図8aとbに示します。バルクCAでは、SiO2が存在しないためSi 2pは観測されませんでした。Si 2pピークは、SATEOS1では105.4 eV、SATEOS6では105.0 eVで、Si-O-Siに対応します。一方、SATEOS1のピークは103.5 eV、SATEOS6のピークは103.3 eVで、Si-OH55に対応します。SATEOS1とSATEOS6のSi-O-SiとSi-OHのピークフィッティングにより、SAコア表面へのSiO2のマイクロカプセル化が成功したことが明らかになりました。
マイクロカプセル化された材料の形態は非常に重要であり、溶解性、安定性、化学反応性、流動性、強度に影響します59。そのため、図9に示すように、バルクSA（100倍）とマイクロカプセル化されたSA（500倍）の形態をSEMで特徴付けました。図9aからわかるように、SAブロックは楕円形をしています。粒子サイズは500マイクロメートルを超えています。しかし、マイクロカプセル化プロセスが続くと、図9b～gに示すように、形態は劇的に変化します。
(a) SA (×100)、(b) SATEOS1、(c) SATEOS2、(d) SATEOS3、(e) SATEOS4、(f) SATEOS5、(g) SATEOS6のSEM画像（×500）。
SATEOS1 サンプルでは、​​表面が粗い、より小さな準球形の SiO2 で覆われた SA 粒子が観察される (図 9b)。これは、SA 表面での TEOS の加水分解と縮合重合により、エタノール分子の急速な拡散が促進されたためと考えられる。その結果、SiO2 粒子が堆積し、凝集が観察される 52,60。この SiO2 シェルは、マイクロカプセル化された CA 粒子に機械的強度を与え、高温での溶融 CA の漏出も防ぐ 10。この結果は、SiO2 を含む SA マイクロカプセルが潜在的なエネルギー貯蔵材料として使用できることを示唆している 61。図 9b からわかるように、SATEOS1 サンプルは、厚い SiO2 層で SA をカプセル化した均一な粒子分布を有している。マイクロカプセル化された SA (SATEOS1) の粒子サイズは約 10～20 μm (図 9b) であり、SA 含有量が少ないため、バルク SA と比較してかなり小さい。マイクロカプセル層の厚さは、前駆体溶液の加水分解と縮合重合によるものです。SA​​の投与量が少ない場合、すなわち15gまででは凝集が起こりますが（図9b-d）、投与量を増やすとすぐに凝集は見られなくなり、明確な球状粒子が観察されます（図9e-g）62。
さらに、SLS界面活性剤の量が一定の場合、SA含有量（SATEOS1、SATEOS2、SATEOS3）も効率、形状、粒子サイズ分布に影響を与えます。したがって、SATEOS1は粒子サイズが小さく、均一な分布と緻密な表面を示すことがわかりました（図9b）。これは、一定の界面活性剤63の下で二次核生成を促進するSAの親水性によるものです。SA​​含有量を5gから15g（SATEOS1、SATEOS2、SATEOS3）に増やし、界面活性剤の量を0.10g SLS（表1）に一定に保つと、界面活性剤分子の各粒子の寄与が減少し、粒子サイズと粒子サイズが小さくなると考えられます。SATEOS2（図9c）とSATEOS3（図9d）の分布は、SATEOS1（図9b）の分布とは異なります。
SATEOS1（図9b）と比較すると、SATEOS2はマイクロカプセル化されたSAの密な形態を示し、粒子サイズが増加した（図9c）。これは凝集49によるもので、凝集速度が低下する（図2b）。SLSの増加に伴ってSCの量が増えると、図に示すように凝集がどのように起こるかがマイクロカプセルがはっきりと見えるようになる。さらに、図9e～gは、すべての粒子が明らかに球形であり、サイズも球形であることを示している。SAが多量に存在すると、適切な量のシリカオリゴマーが得られ、適切な凝縮とカプセル化が起こり、明確なマイクロカプセルが形成されることが知られている49。SEMの結果から、SATEOS6は少量のSAと比較して対応するマイクロカプセルを形成したことが明らかである。
バルクSAとマイクロカプセルSAのエネルギー分散型X線分光法（EDS）の結果を表3に示します。この表からわかるように、Si含有量はSATEOS1（12.34%）からSATEOS6（2.68%）へと徐々に減少しています。SAの増加。したがって、SA量の増加はSA表面へのSiO2の堆積の減少につながると言えます。EDS51の半定量分析のため、表3のCとO含有量には一貫した値がありません。マイクロカプセル化されたSAのSi含有量は、FT-IR、XRD、およびXPSの結果と相関しています。
バルクSAとSiO2シェルでマイクロカプセル化されたSAの融解および凝固挙動を図1および図2に示します。これらはそれぞれ図10および図11に示されており、熱データは表4に示されています。マイクロカプセル化されたSAの融解温度と凝固温度は異なることがわかりました。SAの量が増加すると、融解温度と凝固温度は上昇し、バルクSAの値に近づきます。SAのマイクロカプセル化後、シリカ壁は結晶化温度を上昇させ、その壁は不均一性を促進するコアとして機能します。したがって、SAの量が増加すると、融解温度（図10）と凝固温度（図11）も徐々に上昇します49,51,64。すべてのマイクロカプセル化されたSAサンプルの中で、SATEOS6が最も高い融解温度と凝固温度を示し、続いてSATEOS5、SATEOS4、SATEOS3、SATEOS2、SATEOS1の順でした。
SATEOS1は最も低い融点（68.97℃）と凝固温度（60.60℃）を示しますが、これは粒子サイズが小さいため、マイクロカプセル内のSA粒子の動きが非常に小さく、SiO2シェルが厚い層を形成し、コア材料が伸縮と動きを制限するためです49。この仮説はSEMの結果に関連しており、SATEOS1はより小さな粒子サイズを示しました（図9b）。これは、SA分子がマイクロカプセルの非常に小さな領域内に閉じ込められているためです。主物質とSiO2シェルを持つすべてのSAマイクロカプセルの融点と凝固温度の差は、6.10～8.37℃の範囲です。この結果は、SiO2シェルの優れた熱伝導性により、マイクロカプセル化されたSAが潜在的なエネルギー貯蔵材料として使用できることを示しています65。
表4からわかるように、SATEOS6はSEMで観察された適切なカプセル化により、すべてのマイクロカプセル化SCの中で最も高いエンタルピーを示します（図9g）。SAの充填率は式（1）を使用して計算できます。（1）マイクロカプセル化SA49の潜熱データを比較することにより。
R値はマイクロカプセル化されたSCのカプセル化度（％）を表し、ΔHMEPCM,mはマイクロカプセル化されたSCの融解潜熱を表し、ΔHPCM,mはSCの融解潜熱を表します。さらに、包装効率（％）は、式（1）に示すように、もう1つの重要な技術パラメータとして計算されます。（2）49。
E値はマイクロカプセル化されたCAのカプセル化効率（％）を表し、ΔHMEPCM,sはマイクロカプセル化されたCAの硬化潜熱を表し、ΔHPCM,sはCAの硬化潜熱を表します。
表4に示すように、SATEOS1の充填度と効率はそれぞれ71.89%と67.68%であり、SATEOS6の充填度と効率はそれぞれ90.86%と86.68%である（表4）。サンプルSATEOS6は、すべてのマイクロカプセル化SAの中で最も高いカプセル化係数と効率を示しており、その高い熱容量を示している。したがって、固体から液体への変化には大量のエネルギーが必要である。さらに、冷却プロセス中のすべてのSAマイクロカプセルとバルクSAの融解温度と凝固温度の差は、マイクロカプセル合成中にシリカシェルが空間的に閉じ込められていることを示している。したがって、結果は、SCの量が増加するにつれて、カプセル化率と効率が徐々に増加することを示している（表4）。
バルクSAとSiO2シェル付きマイクロカプセルSA（SATEOS1、SATEOS3、SATEOS6）のTGA曲線を図12に示します。バルクSA（SATEOS1、SATEOS3、SATEOS6）の熱安定性特性をマイクロカプセル化サンプルと比較しました。TGA曲線から明らかなように、バルクSAとマイクロカプセル化SAの重量減少は40℃から190℃まで滑らかで非常にわずかに減少します。この温度では、バルクSCは熱分解しませんが、マイクロカプセル化SCは45℃で24時間乾燥させた後でも吸着水を放出します。これによりわずかな重量減少が生じますが、49 この温度を超えると材料は分解し始めます。SA含有量が低い場合（つまりSATEOS1）、吸着水含有量が高くなり、したがって190℃までの質量減少が大きくなります（図12の挿入図）。温度が 190 °C を超えるとすぐに、サンプルは分解プロセスにより質量を失い始めます。バルク SA は 190 °C で分解を開始し、260 °C では 4% しか残らないのに対し、SATEOS1、SATEOS3、SATEOS6 はこの温度でそれぞれ 50%、20%、12% を保持します。300 °C を超えると、バルク SA の質量損失は約 97.60% でしたが、SATEOS1、SATEOS3、SATEOS6 の質量損失はそれぞれ約 54.20%、82.40%、90.30% でした。SA 含有量が増加すると、SiO2 含有量が減少し (表 3)、SEM ではシェルの薄化が観察されます (図 9)。したがって、マイクロカプセル化されたSAの重量減少はバルクSAと比較して低く、これはSiO2シェルの好ましい特性によって説明され、これによりSAの表面に炭素質ケイ酸塩-炭素質層の形成が促進され、SAコアが隔離され、結果として生じる揮発性生成物の放出が遅くなります10。この炭化層は、熱分解中に物理的な保護バリアを形成し、可燃性分子の気相への移行を制限します66,67。これに加えて、重量減少の結果も顕著に見られます。SATEOS1は、SATEOS3、SATEOS6、およびSAと比較して低い値を示します。これは、SATEOS1のSAの量が、SiO2シェルが厚い層を形成するSATEOS3およびSATEOS6よりも少ないためです。対照的に、バルクSAの総重量減少は415℃で99.50%に達します。しかしながら、SATEOS1、SATEOS3、およびSATEOS6は、415℃においてそれぞれ62.50%、85.50%、および93.76%の重量減少を示した。この結果は、TEOSの添加がSAの表面にSiO2層を形成することによりSAの分解を促進することを示している。これらの層は物理的な保護バリアを形成することができ、そのためマイクロカプセル化されたCAの熱安定性の向上が観察される。
図 13 に、DSC 51,52 の 30 回の加熱および冷却サイクル後のバルク SA と最良のマイクロカプセル化サンプル (すなわち SATEOS 6) の熱信頼性の結果を示します。バルク SA (図 13a) は、融点、凝固、エンタルピー値に違いが見られませんが、SATEOS6 (図 13b) は、30 回目の加熱サイクル後でも温度とエンタルピー値に違いが見られません。バルク SA は、融点が 72.10 °C、凝固温度が 64.69 °C であり、最初のサイクル後の融解熱と凝固熱はそれぞれ 201.0 J/g と 194.10 J/g でした。 30回目のサイクル後、これらの値の融点は71.24℃に低下し、凝固温度は63.53℃に低下し、エンタルピー値は10%低下しました。融点と凝固温度の変化、およびエンタルピー値の低下は、バルクCAがマイクロカプセル化されていない用途には信頼できないことを示しています。しかし、適切なマイクロカプセル化が行われた後（SATEOS6）、融点と凝固温度およびエンタルピー値は変化しません（図13b）。一度SiO2シェルでマイクロカプセル化されると、SAは最適な融点と凝固温度および安定したエンタルピーのため、特に建設などの熱用途で相変化材料として使用できます。
試料SA（a）およびSATEOS6（b）について、1回目と30回目の加熱および冷却サイクルで得られたDSC曲線。
本研究では、コア材料としてSA、シェル材料としてSiO2を用いて、マイクロカプセル化の系統的な調査を行った。TEOSは、SiO2支持層およびSA表面上の保護層を形成するための前駆体として使用される。マイクロカプセル化SAの合成が成功した後、FT-IR、XRD、XPS、SEM、およびEDSの結果はSiO2の存在を示した。SEM分析は、SATEOS6サンプルが、SA表面上のSiO2シェルに囲まれた明確な球状粒子を示すことを示している。しかし、SA含有量の低いMEPCMは凝集を示し、PCMの性能を低下させる。XPS分析は、マイクロカプセルサンプル中にSi-O-SiおよびSi-OHが存在することを示し、これはSA表面へのSiO2の吸着を示している。熱性能分析によると、SATEOS6は最も有望な蓄熱能力を示し、融解温度は70.37℃、凝固温度は64.27℃、融解潜熱は182.53 J/g、凝固潜熱は160.12 J/gであった。SATEOS6の最大包装効率は86.68%である。TGAおよびDSC熱サイクル分析により、SATEOS6は30回の加熱および冷却プロセス後も良好な熱安定性と信頼性を維持していることが確認された。
Yang T.、Wang XY、Li D.「熱エネルギー貯蔵のための熱化学固体-ガス複合吸着システムの性能分析とその効率の向上」応用熱工学150、512–521（2019）。
Farid, MM、Khudhair, AM、Razak, S.、Al-Hallaj, S.「相変化エネルギー貯蔵のレビュー：材料と応用」Energy converter. Manager. 45, 1597–1615 (2004).
Regin AF、Solanki SS、Saini JS「PCMカプセルを用いた熱エネルギー貯蔵システムの熱伝達性能：レビュー、更新、サポート」Energy Rev 12、2438–2458（2008）。
Liu, M.、Saman, W.、Bruno, F.「高温相変化蓄熱システム用蓄熱材料および熱性能向上技術のレビュー」更新。サポート。Energy Rev 16、2118–2132 (2012)。
Fang Guoying、Li Hong、Liu Xiang、Wu SM「ナノカプセル化された熱エネルギーn-テトラデカン相変化材料の調製と特性評価」Chemical Engineers J. 153, 217–221 (2009)。
Mu, B. および Li, M. 太陽エネルギー変換および貯蔵のための改質グラフェンエアロゲルを用いた新規形状安定相変化複合材料の合成。Sol. Energy materials. Sol. Cell 191, 466–475 (2019).
Huang, K., Alva, G., Jia, Y., and Fang, G. 相変化材料の形態学的特性評価と熱エネルギー貯蔵への応用：レビュー、更新、サポート。Energy Ed. 72, 128–145 (2017).