Выбор термоаккумулирующего материала с целью разработки «умных чернил» для 3D-печати в строительстве

Введение. 3D-печать является перспективной технологией, позволяющей повысить эффективность строительства. На сегодняшний день одним из основных недостатков данной технологии остается малая функциональность печатаемых изделий, в частности, для теплоизоляции и кондиционирования напечатанных зданий используются традиционные методы, что снижает производительность технологии. В связи с этим применение термоаккумулирующих материалов (ТАМ) с функцией фазового перехода в строительной 3D-печати для обеспечения постоянной комфортной температуры в здании представляется перспективным. Исследован композиционный ТАМ на основе парафина для разработки «умных» строительных «чернил», которые обеспечат напечатанные здания, эксплуатируемые в умеренной климатической зоне, функцией пассивной терморегуляции.

Материалы и методы. Использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии для изучения тепловых эффектов фазовых переходов композиционных ТАМ, состоящих из парафина, парафинового масла и вазелина.

Результаты. Зафиксировано снижение пиковых температур фазовых переходов ТАМ при плавлении — с 53,8 до 32 °C, при кристаллизации — с 47,6 до 32,6 °C. Для двухкомпонентного состава максимальное снижение энтальпии составило при плавлении со 102,4 до 27,0 Дж/г, при кристаллизации — с 47,7 до 8,5 Дж/г; для трехкомпонентного состава энтальпия при плавлении — 60,6 Дж/г, при кристаллизации — 20,6 Дж/г. Пиковая температура плавления для смесей с 60 и 40 % парафина — 39,4 и 39,9 °C, пиковая температура кристаллизации — 43,5 и 33,8 °C соответственно.

Выводы. Проведенные исследования показали, что использование парафинового масла и вазелина позволяет сместить границы температур тепловых эффектов ТАМ на основе парафина в сторону меньших значений. Вместе с этим фиксируется снижение интенсивности соответствующих пиков на термограммах, что свидетельствует о снижении энтальпии процессов фазовых переходов. Получение трехкомпонентных ТАМ дает возможность сохранить более высокую энтальпию, обеспечив последовательное фазовое преобразование каждого из них.

1. Mohan M.K., Rahul A.V., Schutter G.D., Tittelboom K.V. Extrusion-based concrete 3D printing from a material perspective : a state-of-the-art review // Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 115. P. 103855. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2020.103855

2. Иноземцев А.С. Современная теория и практика технологии бетонов для 3D-печати в строи-тельстве // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 2. С. 216–245. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.2.216-245

3. Raphael B., Senthilnathan S., Patel A., Bhat S. A review of concrete 3D printed structural members // Frontiers in Built Environment. 2023. Vol. 8. DOI: 10.3389/fbuil.2022.1034020

4. Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Адам-цевич А.О. Международный опыт исследований в области аддитивного строительного производ-ства // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 4–10. DOI: 10.31659/0044-4472-2023-11-4-10. EDN FOCIIT.

5. Jahangir M.H., Ziyaei M., Kargarzadeh A. Evaluation of thermal behavior and life cycle cost analysis of greenhouses with bio-phase change materials in multiple locations // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 54. P. 105176. DOI: 10.1016/j.est.2022.105176

6. Jayalath A., San Nicolas R., Sofi M., Shanks R., Ngo T., Aye L. et al. Properties of cementitious mortar and concrete containing micro-encapsulated phase change materials // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 120. Pp. 408–417. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.201b6.05.116

7. Hunger M., Entrop A.G., Mandilaras I., Brouwers H., Founti M. The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Issue 10. Pp. 731–743. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.08.002

8. Eddhahak A., Drissi S., Colin J., Caré S., Neji J. Effect of phase change materials on the hydration reaction and kinetic of PCM-mortars // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2014. Vol. 117. Issue 2. Pp. 537–545. DOI: 10.1007/s10973-014-3844-x

9. Aguayo M., Das S., Maroli A., Kabay N., Mertens J.C. E., Rajan S.D. et al. The influence of microencapsulated phase change material (PCM) characteristics on the microstructure and strength of cementitious composites: Experiments and finite element simulations // Cement and Concrete Composites. 2016. Vol. 73. Pp. 29–41. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2016.06.018

10. Jeong S.-G., Jeon J., Cha J., Kim J., Kim S. Preparation and evaluation of thermal enhanced silica fume by incorporating organic PCM, for application to concrete // Energy and Buildings. 2013. Vol. 62. Pp. 190–195. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.02.053

11. Sarı A. Thermal energy storage characteristics of bentonite-based composite PCMs with enhanced thermal conductivity as novel thermal storage building materials // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 117. Pp. 132–141. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.02.078

12. Min H.-W., Kim S., Kim H.S. Investigation on thermal and mechanical characteristics of concrete mixed with shape stabilized phase change material for mix design // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 149. Pp. 749–762. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.05.176

13. Marani A., Nehdi M.L. Integrating phase change materials in construction materials : critical review // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 217. Pp. 36–49. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.05.064

14. Aguayo M., Das. S., Castro C., Kabay N., Sant G., Neithalath N. Porous inclusions as hosts for phase change materials in cementitious composites: Characterization, thermal performance, and analytical models // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 134. Pp. 574–584. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.185

15. Methode Kalombe R., Sobhansarbandi S., Kevern J. Low-cost phase change materials based concrete for reducing deicing needs // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 363. P. 129129. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129129

16. Sharma M., Bose D. High temperature energy storage and phase change materials : a review // Latent Heat-Based Thermal Energy Storage Systems. 2020. Pp. 51–95. DOI: 10.1201/9780429328640-3

17. Ling T.-C., Poon C.-S. Use of phase change materials for thermal energy storage in concrete : an overview // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 46. Pp. 55–62. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.031

18. Zalba B., Marı́n J. M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. Issue 3. Pp. 251–283. DOI: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8

19. Берг Л.Г. Термография и области ее при-менения. Гипс и продукты его обезвоживания // Труды сессии ЛОНИТО силикатной промышлен-ности. Промстройиздат, 1949.

20. Pielichowska K., Pielichowski K. Phase change materials for thermal energy storage // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 65. Pp. 67–123. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2014.03.005