De nouveaux composites à changement de phase imprimables en 3D peuvent réguler les températures à l’intérieur des bâtiments

De nouveaux composites à changement de phase imprimables en 3D peuvent réguler les températures à l'intérieur des bâtiments

De nouveaux matériaux composites à changement de phase peuvent réguler les températures ambiantes à l’intérieur des bâtiments. Crédit: Texas A&M University College of Engineering

Les changements climatiques ont rendu des millions de personnes vulnérables aux phénomènes météorologiques extrêmes. Alors que les fluctuations de température deviennent de plus en plus courantes dans le monde, les systèmes de refroidissement et de chauffage conventionnels énergivores ont besoin d’une alternative plus innovante et économe en énergie, et à leur tour, allègent le fardeau des réseaux électriques déjà en difficulté.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de la Texas A&M University ont créé de nouveaux composites de matériaux à changement de phase (PCM) imprimables en 3D qui peuvent réguler les températures ambiantes à l’intérieur des bâtiments à l’aide d’un processus de fabrication plus simple et plus rentable. De plus, ces composites peuvent être ajoutés aux matériaux de construction, comme la peinture, ou imprimés en 3D comme éléments décoratifs pour la maison pour s’intégrer de manière transparente dans différents environnements intérieurs.

« La capacité d’intégrer des matériaux à changement de phase dans des matériaux de construction à l’aide d’une méthode évolutive ouvre des opportunités pour produire une régulation de température plus passive dans les nouvelles constructions et les structures déjà existantes », a déclaré le Dr Emily Pentzer, professeure agrégée au Département de science et génie des matériaux. et le département de chimie.

Cette étude a été publiée dans le numéro de juin de la revue Matière.

Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) sont les méthodes les plus couramment utilisées pour réguler les températures dans les établissements résidentiels et commerciaux. Cependant, ces systèmes sont très gourmands en énergie. De plus, ils utilisent des matériaux de serre, appelés réfrigérants, pour générer de l’air frais et sec. Ces problèmes persistants avec les systèmes CVC ont déclenché des recherches sur des matériaux et des technologies alternatifs qui nécessitent moins d’énergie pour fonctionner et peuvent réguler la température en fonction des systèmes CVC.

L’un des matériaux qui a suscité le plus d’intérêt pour la régulation de la température est le matériau à changement de phase. Comme leur nom l’indique, ces composés changent d’état physique en fonction de la température de l’environnement. Ainsi, lorsque les matériaux à changement de phase stockent de la chaleur, ils passent de solide à liquide en absorbant de la chaleur et vice versa lorsqu’ils libèrent de la chaleur. Ainsi, contrairement aux systèmes CVC qui dépendent uniquement de l’alimentation externe pour chauffer et refroidir, ces matériaux sont des composants passifs, ne nécessitant aucune électricité externe pour réguler la température.

L’approche traditionnelle de la fabrication de matériaux de construction PCM nécessite de former une coque séparée autour de chaque particule de PCM, comme une tasse pour retenir l’eau, puis d’ajouter ces PCM nouvellement encapsulés aux matériaux de construction. Cependant, trouver des matériaux de construction compatibles à la fois avec le PCM et sa coque a été un défi. De plus, cette méthode conventionnelle diminue également le nombre de particules PCM pouvant être incorporées dans les matériaux de construction.

« Imaginez que vous remplissiez une casserole d’œufs et d’eau », a déclaré Ciera Cipriani, chercheuse diplômée en technologie spatiale de la NASA au Département de science et génie des matériaux. « Si chaque œuf doit être placé dans un récipient individuel pour être cuit dur, moins d’œufs rentreront dans le pot. En enlevant les récipients en plastique, la véritable coquille dans notre recherche, plus d’œufs, ou PCM, peuvent occuper un plus grand volume en s’entassant plus étroitement dans l’eau/la résine. »

Pour surmonter ces défis, des études antérieures ont montré que lors de l’utilisation de cire de paraffine à changement de phase mélangée à de la résine liquide, la résine agit à la fois comme coque et matériau de construction. Cette méthode verrouille les particules PCM à l’intérieur de leurs poches individuelles, leur permettant de subir un changement de phase en toute sécurité et de gérer l’énergie thermique sans fuite.

De même, Pentzer et son équipe ont d’abord combiné des résines liquides photosensibles avec une poudre de cire de paraffine à changement de phase pour créer un nouveau composite d’encre imprimable en 3D, améliorant le processus de production des matériaux de construction contenant des MCP et éliminant plusieurs étapes, y compris l’encapsulation.

Le mélange résine/PCM est doux, pâteux et malléable, ce qui le rend idéal pour l’impression 3D mais pas pour les structures de construction. Par conséquent, en utilisant une résine photosensible, ils l’ont durcie avec une lumière ultraviolette pour solidifier la pâte imprimable en 3D, la rendant ainsi adaptée aux applications du monde réel.

De plus, ils ont découvert que la cire à changement de phase incorporée dans la résine n’était pas affectée par la lumière ultraviolette et constituait 70 % de la structure imprimée. Il s’agit d’un pourcentage plus élevé par rapport à la plupart des matériaux actuellement disponibles et utilisés dans l’industrie.

Ensuite, ils ont testé la thermorégulation de leurs composites à changement de phase en imprimant en 3D un modèle en forme de maison à petite échelle et en mesurant la température à l’intérieur de la maison lorsqu’elle était placée dans un four. Leur analyse a montré que la température du modèle différait de 40 % par rapport aux températures extérieures pour les cycles thermiques de chauffage et de refroidissement par rapport aux modèles fabriqués à partir de matériaux traditionnels.

À l’avenir, les chercheurs expérimenteront différents matériaux à changement de phase en dehors de la cire de paraffine afin que ces composites puissent fonctionner à des plages de température plus larges et gérer plus d’énergie thermique au cours d’un cycle donné.

« Nous sommes enthousiasmés par le potentiel de notre matériau pour maintenir le confort des bâtiments tout en réduisant la consommation d’énergie », a déclaré le Dr Peiran Wei, chercheur au Département de science et d’ingénierie des matériaux et à la Soft Matter Facility. « Nous pouvons combiner plusieurs PCM avec différentes températures de fusion et les répartir avec précision dans différentes zones d’un seul objet imprimé pour fonctionner pendant les quatre saisons et à travers le monde. »


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Plus d’information:
Peiran Wei et al, Régulation de l’énergie thermique avec des composites de matériaux polymères à changement de phase imprimés en 3D, Matière (2021). DOI : 10.1016/j.matt.2021.03.019

Fourni par l’Université A&M du Texas

Citation: De nouveaux composites à changement de phase imprimables en 3D peuvent réguler les températures à l’intérieur des bâtiments (2021, 9 juillet) récupéré le 9 juillet 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-07-3d-printable-phase-changing-composites-temperatures. html

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