Multi-Layer Phase Change Materials System for Thermal Energy Storage

Kai Yang, M.Eng.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem disertační práce je připravit a charakterizovat vícevrstvou tkaninu pro tlumení tepelných šoků z okolí s využitím materiálu s fázovou změnou (PCM) a ochranu před únikem PCM v kapalném stavu (nad a v oblasti změny fáze). Ačkoli jsou známy textilie obsahující PCM v různé formě (obvykle zapouzdřených v mikro kapsulích), existují stále problémy s jejich praktickým použitím. Množství PCM ve vláknech nebo tkaninách je omezené, protože se významně zhoršují jiné vlastnosti (např. mechanické vlastnosti, prodyšnost atd.). Navržená vícevrstvá textilie se skládá z vrstvy plněné PCM, bariérové vrstvy a ochranné vrstvy. Řízením mezifázové adheze roztavených PCM na bariérové vrstvě nebo ochranné vrstvě bylo zcela zabráněno jevu úniku. PEG a parafínový vosk byly vybrány jako vhodné PCM v připravené vícevrstvé textilii. Maximální množství PCM v připravené vícevrstvé tkanině bylo 45 % hmotnostních procent, což výrazně převyšuje množství kapsulí PCM na textiliích. Celková hodnota entalpie vícevrstvé tkaniny byla také vysoká, tj. 78 J/g, což podporovalo tepelné tlumící efekty. Kromě toho zavedení kovových mikročástic do vrstvy plněné PCM o zvýšilo přenos tepla celou vícevrstvou textilii. Zlepšení prodyšnosti připravené vícevrstvé tkaniny byl také realizováno úpravou vrstvy plněné PCM. Vrstva plněná PCM byla rozdělena na vzduchové kapsy a kapsy obsahující PCM. Zkomplikoval se však přenos tepla prodyšnější vícevrstvou textilií. Optimální velikost vzduchových kapes byla silně ovlivněna vzájemným přenosem tepla mezi PCM obsahující kapsami a vzduchovými kapsami. Výzkumná práce poskytla nejen novou alternativu k přípravě textilií obsahující PCM, ale také rozšířila aplikaci speciálních nanovlákenných membrán v inteligentních textiliích. Bylo ověřeno, že nanovlákenná PUR membrána začleněná do vícevrstvé textilie splňuje požadavky zabránění úniku PCM při fázových změnách a zajištuje jejich praktické použití.

Abstract:

The aim of the dissertation work is to prepare and characterize a multi-layer fabric for buffering thermal shocks from the environment using a phase change material (PCM) and protection against leakage of PCM in the liquid state (above and in the phase change region) Although there have been various PCM contained textiles, there are still some problems with their practical use. The amount of PCM in fibers or fabric is limited when they significantly deteriorate other properties (e.g., mechanical property, breathability etc.). The multi-layer fabric is composed from PCM-loaded layer, barrier layer and protective layer. By controlling the interfacial adhesion of melting PCMs on barrier layer or protection layer, the leakage phenomena were totally avoided. The PEG and paraffin wax were selected as PCMs in such multi-layer fabric. The maximum loading amount of PCMs in the multi-layer fabric was 45 wt%. Correspondingly, the overall enthalpy value of the multi-layer fabric was high as 78 J/g, which supported thermal buffering effects Besides, the introduction of metal microparticles in the PCM-loaded layer was able to enhance heat transfer through the whole multi-layer fabric. Furthermore, the breathability of the multi-layer fabric was also realized by modifying PCM-loaded layer. The PCM-loaded layer was split to system of air pockets and PCM pockets. However, the heat transfer through the breathable multi-layer fabric became complicated. The size of air pockets was strongly connected to the mutual heat transfer between PCM pockets and air pockets. The research work not only provided an alternative to have a textile containing PCM, but also extended the application of nanofibrous membranes in smart textiles. It has been verified that the nanofibrous PUR membrane incorporated into the multilayer textiles meets the requirements of preventing PCM leakage during phase changes and ensures their practical use.

Keywords

PCM, PUR nanovlákenná membrána, únik PCM, mezifázová adheze, akumulace tepelné energie, tepelný tlumicí efekt, kovové částice, prodyšnost

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 1. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jiří Militký, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering