Bulk Nanoencapsulation of Phase Change Materials (PCMs) via Spontaneous Spreading of a UV-Curable Prepolymer = UV 경화성 고분자 전구체의 자발적인 퍼짐을 통한 상전이물질의 벌크 나노캡슐화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Phase change materials (PCMs) have received considerable attention for various latent heat storage systems for efficient thermal energy utilization. And since the time when the concept of encapsulating PCMs was introduced, various encapsulation approaches were proposed to make the effective capsule. Herein, a facile and fast method for the bulk nanoencapsulation of organic PCMs is proposed in novel way, based on the thermodynamically spontaneous spreading phenomenon of three immiscible liquid phases. In this approach, a complete engulfing of PCM nanodroplets (core phase) by immiscible prepolymer droplets (coating phase), both of which are bulk-dispersed in another immiscible medium (continuous phase), is thermodynamically driven by the relation between the surface energies of the core, coating, and continuous phases. To demonstrate the proposed method, melted n-docosane (PCM, core phase) nanodroplets are completely engulfed within a couple of minutes by immiscible polyethylene glycol diacrylate (PEGDA, coating phase) in an aqueous poly(vinyl alcohol) solution (continuous phase), and the PEGDA layer quickly cross-linked upon UV irradiation to form a rigid shell protecting the PCM core. Short manufacture time for encapsulating PCM indicates that this approach is one way for overcoming the conventional problems regarding its productivity. As-produced PCM nanocapsules display promising heat storage and release performances as well as high durability in repeated heating−cooling cycles in both dry and wet states. Therefore, the proposed process may serve as a useful platform for bulk production of PCM nanocapsules with various core and shell compositions in a facile, fast, and scalable way.

국문 초록 (Abstract)

상전이물질 (Phase Change Materials, PCMs)은 효율적인 열 에너지 활용을 위한 다양한 잠열 저장 시스템에서 많은 관심을 받아 왔다. 그리고 상전이물질을 캡슐화하는 개념이 도입된 이후로, 효과적인 캡슐을 만들기 위한 다양한 봉지 공정 방법들이 제안되었다. 본 연구에서는 3개의 비혼화성 액체상들의 열역학적으로 자발적인 퍼짐현상을 기반으로 한 유기 상전이물질의 벌크 나노캡슐화를 위한 손쉽고 빠른 새로운 방법을 제안한다. 이러한 접근법에서 비 혼화성의 고분자 전구체 액적 (코팅상) 에 의한 상전이물질의 나노 크기 액적 (코어상) 의 완전 삼킴 배열이 다른 비혼화성의 매질 (연속상) 에서 벌크 상태로 분산되어 있으며, 이것은 코어상, 코팅상 그리고 연속상 간의 표면 에너지 간의 관계에 의해 열역학적으로 도출될 수 있다. 우리가 제안한 방법을 설명하기 위해, 액체 상태의 n-docosane (n-docosane, PCM, 코어상)의 나노 크기의 액적들이 비혼화성인 폴리에틸렌 글라이콜 디아크릴레이트 (Poly(ethylene glycol) diacrylate, PEGDA, 코팅상) 에 의해 수 분 내에 완전히 감싸지는 것을 관찰했고, 코팅된 PEGDA 층은 UV 조사를 통해 빠르게 경화되어 코어상인 상전이물질을 보호하는 단단한 쉘이 된다. 상기 방법으로 만들어진 상전이물질 나노캡슐은 의미 있는 열 저장 및 방출 성능 및 건식 혹은 습식 상태 모두에서 반복적인 가열-냉각을 수행했을 시 높은 반복성을 보여주었다. 상전이물질 캡슐의 제조 시간이 크게 줄어든다는 점은 생산성 측면에서 기존에 문제점이라고 인식되었던 점을 크게 개선할 수 있는 것이라고 생각된다. 그러므로 제안된 공정은 손쉽고, 빠르며 확장성 있는 방식으로 다양한 코어 및 쉘의 비율을 가지는 상전이물질 나노캡슐의 대량 생산을 위한 유용한 플랫폼의 역할을 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iv
• List of Tables vi
• Abstract vii
• Chapter 1. Introduction
• 1.1 Heat storage system 1
• 1.1.1 The need for sustainable energy 1
• 1.1.2 Thermal storage systems and their types 1
• 1.1.3 Introduction of Phase Change Materials (PCMs) 4
• 1.1.4 Kinds of Phase Change Materials (PCMs) 4
• 1.2 Encapsulation of PCMs 8
• 1.2.1 Conventional methods for encapsulating PCMs 8
• 1.2.2 Encapsulation of PCMs via spontaneous spreading 12
• 1.2.3 Research object 14
• Chapter 2. Experimental and analysis methods
• 2.1 Preparation of PCM nanocapsules (C22H46@cPEG) 15
• 2.1.1 Preparation of C22H46@cPEG 15
• 2.1.2 Preparation of magnetically-responsive C22H46@cPEG 15
• 2.2 Characterization of prepared PCM nanocapsules 16
• 2.2.1 Image analysis 16
• 2.2.2 Hydrodynamic analysis 16
• 2.2.3 Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) 17
• 2.2.4 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 17
• 2.2.5 X-ray Diffraction (XRD) 17
• 2.2.6 Thermal analysis 17
• 2.2.7 Interfacial tension (IFT) 17
• 2.3 Heat effect of prepared C22H46@cPEG on dry or wet state 18
• 2.3.1 Design for dry state usage 18
• 2.3.2 Design for wet state usage 18
• Chapter 3. Results and Discussion
• 3.1 Complete engulfing of n-docosane by PEGDA 19
• 3.1.1 Calculation of spreading coeffieicnt by IFT 19
• 3.1.2 Use of probe sonication for nanoencapsulation 24
• 3.1.3 Crosslinking by UV irradiation 26
• 3.1.4 Surface analysis for PEGDA coating 26
• 3.2 Image analysis of C22H46@cPEG nanocapsules 28
• 3.2.1 Morphology and size distribution of C22H46@cPEG nanocapsules 28
• 3.2.2 Cross-section view analysis of C22H46@cPEG nanocapsules 31
• 3.2.3 Confirmation of core-shell structure using TEM 34
• 3.3 Chemical properties of C22H46@cPEG nanocapsules 37
• 3.3.1 Crystal structure analysis of encapsulated n-docosaneb 37
• 3.3.2 Analysis of latent heat & phase change temperature for C22H46@cPEG nanocapsules 39
• 3.3.3 Thermal stability of C22H46@cPEG nanocapsules 43
• 3.4 Applications 45
• 3.4.1 Scheme for use in dry conditions and its heat effect 45
• 3.4.2 Scheme for use in wet conditions and its heat effect 49
• 3.4.3 Preparation of magnetically responsive C22H46@cPEG nanocapsules & other approaches 52
• Chapter 4. Conclusion
• References 55
• Korean Abstract 61