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SYNTHESIS OF THERMOREGULATINGMICROCAPSULES AND THEIR APPLICATION
IN BUILDING MATERIALS
ANA M. BORREGUERO, ÁNGEL SERRANO, IRENE IZARRA, MANUEL CARMONA AND JUAN F. RODRÍGUEZ
II WORKSHOP CYTEMA
“EFICIENCIA ENERGÉTICA E INNOVACIÓN EN ENERGÍA RENOVABLE: HACIA UN NUEVO MODELO SOCIAL DE PRODUCCIÓN”
27th June, Ciudad Real, Spain
WORKSHOP “EFICIENCIA ENERGÉTICA E INNOVACIÓN EN ENERGÍA RENOVABLE: HACIA UN NUEVO MODELO SOCIAL DE PRODUCCIÓN”
27th June, Ciudad Real, Spain
FUNDING
2
- Desarrollo de Nuevo Conocimiento y Tecnología Inteligente MaterialesOrgánicos y Cerámicos, Orientado a la Mejora de la Productividad y laCreación de Negocio en el Ámbito de una Edificación más Sostenible(Proyecto Prometeo). Proyecto CENIT-ACCIONA. From 01/09/2006 to31/08/2009 (208.800 €)
- Acuerdo Marco de Colaboración para Investigación en MaterialesAvanzados y su Aplicación en Construcción. ACCIONA. From 19/12/2012to 06/08/2015 (41.818,18 €)
- New Advanced Insulation Phase Change Materials. NANOPCM. 7th FP -EUROPEAN COMMISSION (Ref. 260056). From 01/06/2010 to31/05/2013 (304.906,6 €).
- Nanocomposite for building constructions and civil infraestructures:European network pilot production line to promote industrial applicationcases. Nanoleap. H2020 - EUROPEAN COMMISSION (Ref. 646397).From 01/01/2015 to 30/06/2018 (6.878.350,00 €).
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INTRODUCTION
3
European Directive on energy efficiency 2012/27/UE
o 40% Total energy consumptiono 36% CO2 Emission
Buildings
CURRENT SOLUTIONS
New building materials and designs
European Directive on the energy performance of buildings 2010/31/UE
Climate and Energy Targets
Fossil fuel Renewable Energies
Reduce in a 20% the Union’s primary energy consumption by 2020 compare to 1990
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INTRODUCTION
4
ALTERNATIVE
PASSIVE SOLAR HEAT STORAGE
Inexhaustible source Free Large surface area of buildings
exposed to the sun
It needs to be absorbed, stored and released
ABSORB STORAGE RELEASE
PCMs(Phase Change Materials)
Applied
Building Materials
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INTRODUCTION
5
How do PCMs work?
T Outside> T MeltingPCM melts
(Heat required)
T Outside< T MeltingPCM solidifies(Heat released)
HOT OUTSIDE
Heat Required
COOL OUTSIDE
Heat Released
INSIDE THE BUILDING TEMPERATURE REMAINS CLOSE TO THE MELTING POINT
Money spent in energy
consumptionEnvironmental
pollution
Energy consumption in heaters and air
conditioners
REDUCTION OF:REDUCTION OF:
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INTRODUCTIONPCMS INCORPORATION IN BUILDINGS
• Building materials to incorporate PCMs:- Gypsum- Polyurethane foams - Concrete
• Ways of incorporating PCMs into building materials:- Direct incorporation- PCMs microencapsulation and further incorporation
• Properties of proper PCMs for applications in buildings- Melting temperature about 25ºC - High latent heat of fusion- Low cost - Good availability- Non-toxic - Non-corrosive
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INTRODUCTIONPCMS INCORPORATION IN BUILDINGS
PCMs microencapsulation and further incorporation
SHELL: POLYMERS
- To avoid PCM interaction with the rest of building materials.- To avoid the PCM leakage when they remain liquid. - To give a high area of heat transfer.- Easy handling. - Microcapsules properties modification
MAIN REASONS FOR PCMS MICROENCAPSULATION:
-Low cost-Chemically inert respecting the building materials-Low density
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Production of Microcapsulesat Lab Scale
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Spray drying technique
Suspension polymerization
Gas for solvent evaporation
Feed
Gas + solvent Product
Patent: EP1828.2A
Patent: WO2007/107171 A1
MICROCAPSULES SYNTHESIS
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MICROCAPSULES CHARACTERIZATION
-10 0 10 20 30 40-3
-2
-1
0
Hf=96,2 J/g
Hf=96,7 J/g
Inte
nsid
ad (u
.a.)
Temperature (ºC)
Material Original After thermal treatment
-10 0 10 20 30 40-4
-3
-2
-1
0
HfJ/g
HfJ/g
Inte
nsity
(u.a
.)
Temperatura (ºC)
Microcapsule Pure paraffin
Scanning Electron Microscopy (SEM)Low Angle Laser Light Scattering (LALLS)
Differential Scanning Calorimetry (DSC)
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NANOPARTICLES ADDITION
mSD-RT27-ZnO mSD-RT27-CNFs mSD-RT27-Nanosilicon
MICROCAPSULES SYNTHESIS
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Production of Microcapsulesat Pilot Plant Scale
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SCALING UP
Centrifuge equipment
10 L glassreactor
Lab scale
2L glassreactor
MICROCAPSULES SYNTHESIS
1000 L glassreactor
Pilot plant scale
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Feed Tank 500 mL Feed Tank 1200 LProduct
0.5 kg/d
10 kg/h
SCALING UPMICROCAPSULES SYNTHESIS
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Applications
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APPLICATION IN BUILDING MATERIALS
EXTERNAL
SHEET
RESIN
CORE (POLYURETHANE
FOAM)
PU Foams
Gypsum blocks
Microcapsules
Gypsum crystals
The aim of this work is to develop new materials exhibiting high TES capacity.
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Gypsum
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•Effect of Microcapsule Type•Different microencapsulated PCMs contents•Effect of the water content
•Crystal size•Porosity•Density•Mechanical Properties•Thermal analyses: Latent Heat or Thermal Energy Storage (TES) Capacity, Thermal conductivity•
OPTIMIZATION of the water/Hem ratioMaximum content of two types of microcapsules (MC-PS
y MC-SD)
For microcapsule contents above 15% the mixture becomes unwieldy, setting quickly and making the
manufacture of the samples impossible.
APPLICATION IN GYPSUM BLOCKS
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Flowdirection Flow
direction
Input heat flux sensor
Output heat flux sensor
Output heat flux sensorOutput heatflux sensor
Upper Temp Upper Temp
Center Temp
Down Temp Down TempCenter Temp
Aluminium cellHot side
THERMAL BEHAVIOUREXPERIMENTAL SET UP
APPLICATION IN PU FOAMS
Thermal treatment: Cell temperature change from 18 to 40ºC
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↑ MC Content
↓ T transition stateEffect of PCM
Thermal Results Using MC-SP
0 5000 10000 15000 20000 25000
18
20
22
24
26
28
30
32
Tem
pera
ture
؛) C
)time (sec)
0 15 45 50
% SP Microcapsules
0.8 water/Hem
0 5000 10000 15000 20000
18
20
22
24
26
28
30
32
Tem
pera
ture
؛) C
)
time (sec)
0 15 20
% SP Microcapsules
0.57 water/Hem
↑ MC Content
↓ T stationary state
0 5000 10000 15000 20000
18
20
22
24
26
28
30
32
Tem
pera
ture
؛) C
)
time (sec)
0 15 30
% SP Microcapsules
0.7 water/Hem
APPLICATION IN GYPSUM BLOCKS
Maximum content = 45%wt
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↑ MC Content
↓ T transition state
↑ MC Content
↓ T stationary state
Thermal Results Using MC-SD
0 5000 10000 15000 20000
18
20
22
24
26
28
30
32
Tem
pera
ture
؛) C
)
time (sec)
0 30 SD 35 SD
% SD Microcapsules
0.7 water/Hem
0 5000 10000 15000 20000 25000
18
20
22
24
26
28
30
32
0.8 water/Hem
Tem
pera
ture
؛) C
)
time (sec)
0 15 40 50
% SD Microcapsules
0 5000 10000 15000 20000
18
20
22
24
26
28
30
Tem
pera
ture
؛) C
)
time (sec)
0 40 55
% SD Microcapsules
0.9 water/Hem
APPLICATION IN GYPSUM BLOCKS
Maximum content = 55%wt
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Study of input and outpus heat flows in
order to determine the accumulated heat
‐50
0
50
100
150
200
250
0 5000 10000 15000 20000 25000
Heatflows(W/m
2 )
Time (sec)
Heat Flows
q out5
q out6
q in7
q in 12
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 5000 10000 15000 20000 25000Q (w
)Time (sec)
Accumulation
0 5000 10000 15000 20000
20
24
28
32
36
Tdow
n C؛)
)
time (sec)
Tdown Tmiddle Ttop
0.9 Water/Hem 55% SD Microcapsules
APPLICATION IN GYPSUM BLOCKS
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Thermal Capacity MC-SD and MC-SPThermal Capacity MC-SD and MC-SP
↑MC/Hem = ↑Cp
0 10 20 30 40 50 600.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0.7 SD 0.8 SD 0.9 SD 0.57 SP 0.65 SP 0.7 SP 0.8 SP Linear Fit of SD Linear Fit of SP
(J/gC؛
)
Microcapsule (%)
APPLICATION IN GYPSUM BLOCKS
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3.6 1063.6 106
1m3 of gypsum boards with water/Hem ratio of 0.7 and 35% of MC-SD
Due to the microcapsules:Savings of 10,56 kWh/operating cycle
0.35 kg CO2/ kWh(CNE, 2010)
Reduction of 3,7 kg CO2emissions/operating cycle
APPLICATION IN GYPSUM BLOCKS
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PU Foams
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n O=C=N-R–N=C=O + n HO-R’-OHPolyisocyanate Polyol Polyurethane
[-CO-NH-R–NH-CO-O-R’-O-] n
Polyol
Additives:blowing agent (Water), surfactant (Tegostab 8404), catalyst (Tegoamin BDE)
PCMs
Mix
Polyisocyanate
Different microencapsulated
PCMs contentsUp to a 50 wt%
• Microcapsules distribution•Rising process•Latent Heat or Thermal Energy Storage (TES) Capacity• Foam structure and cell size• Density• Mechanical properties
Microencapsulated PCMs are stable in polyisocyante and poliol
APPLICATION IN PU FOAMS
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THERMAL CHARACTERIZATION - DSC
-0,45
-0,4
-0,35
-0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
Inte
nsity
(u.a
)
Temperature (ºC)
0% Middle
10% Middle
20% Middle
30% Middle
40% Middle
50% Middle
% PCM QDOWN(J/g)
QMIDDLE(J/g)
QUP(J/g)
QEXP(J/g)
QTH(J/g)
0 0 0 0 0 010 7,46 7,014 7,77 7,41 8,5820 16,57 15,82 16,71 16,37 17,1630 26,49 25,44 24,57 25,50 25,7440 36,52 33,82 32,9 34,41 34,3250 39,21 40,57 37,31 39,03 42,91
3
1
3
1exp
··
iii
iii
i
erimental
V
VQQ
Microcapsules were homogeneously distributed into the whole foam
Microcapsules Content (%wt)
Latent Heat
)(gWeightFoam(g)masslesmicrocapsu(J/g)Q
(J/g)Q lesmicrocápsultheoretica
Hf=40.57 J/gT=23.5ºC
DSC analyses
APPLICATION IN PU FOAMS
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Similar temperatures at stationary condition, but
big difference in the transition step
15
20
25
30
35
40
0 5000 10000 15000 20000
Tem
pera
ture
(ºC
)
t (s)
Tup average 0%
Tup average 10%
Tup average 20%
Tup average 30%
Tup average 40%
Tup average 50%
Tbath
External Temperature
Melting of PCM by energyabsorption
THERMAL BEHAVIOUR EXPERIMENTAL SET UPAPPLICATION IN PU FOAMS
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APPLICATION IN PU FOAMS
3.6 1063.6 106
1m3 of PU foam boards with a 50% of MC-SD)
Due to the microcapsules:Savings of 5,4 kWh/operating cycle
0.35 kg CO2/ kWh(CNE, 2010)
Reduction of 1,9 kg CO2emissions/operating cycle
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Conclusions
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CONCLUSIONS
Besides, these use of thesematerials in buildings contributeto reduce the CO2 emissions
These composite materials allow tosave energy by absorbing andreleasing the solar energy
Two different processes for the PCMs microencapsulation have beensuccessfully developed and scaled up, showing their feasibility for anindustrial scale.The incorporation of these microcapsules into gypsum and PU foamsimproved the TES capacity of these materials.
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27th June, Ciudad Real, Spain
Thank you for your attention
AcknowledgmentsAcciona Infraestructuras S.A.
Spanish Ministry of Science and InnovationThe European Commission
SYNTHESIS OF THERMOREGULATINGMICROCAPSULES AND THEIR APPLICATION
IN BUILDING MATERIALS