Untersuchung zum Kristallisationsverhalten in n-Octadecan-Wasser-Dispersionen

Ein häufiges Problem bei dispergierten Phasenwechselmaterialien (PCM) ist die relativ starke Unterkühlung. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Nukleationsmechanismen an nicht-ionischen Tensiden und Nukleation-fördernden Additiven in n Octadecan-Wasser-Dispersionen. Da die Tenside in der Regel nur einen geringen Effekt auf die Unterkühlung haben und ein paar Studien zeigen, dass die Nukleation-fördernde Wirkung von Additiven durch thermisch-mechanische Belastungen reduziert werden kann, sollte auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse eine oberflächenaktive Substanz gefunden werden, die die Tensid-Funktion und die Nukleation-fördernde Wirkung der Additive vereint. Mit diesem System sollte die Annahme bestätigt werden, dass die Nukleation-fördernde Wirkung von wasserlöslichen Tensiden gegenüber thermisch-mechanischen Belastungen resistent ist. Aus kalorimetrischen Messungen und Partikelgrößenbestimmungen durch Lichtstreuung wurden für die PCM-Dispersionen volumenbezogenen Nukleationsraten ermittelt, die die aus der Nukleationstheorie hergeleiteten Nukleationsmechanismen verifizieren. Die Analysen bestätigen außerdem, dass die nicht-ionischen Tenside mit einer linearen Alkylkette im Wesentlichen nur die Oberflächenenergie der endständigen CH3-Fläche der n Octadecan-Cluster beeinflussen können und somit die Unterkühlung um maximal 2.5 K reduziert werden kann. Die temperaturabhängigen Röntgenbeugungsanalysen von PCM-Dispersionen mit Additiven zeigen, dass vor allem kristalline Grenzflächen mit Alkan-ähnlicher Kristallstruktur (Rotatorphase) die Nukleation signifikant beeinflussen können (Unterkühlung bis <2 K). Weiterhin wurde eine Korrelation zwischen der Nukleation-fördernden Wirkung und der Phasenseparationstemperatur der Additive festgestellt, wobei die Phasenseparationstemperatur hauptsächlich von der Molmasse und der Konzentration des Additivs im PCM abhängt. Es wird postuliert, dass thermisch-mechanische Belastungen zu einer reduzierten Konzentration der Additive in den PCM-Partikeln und damit zu einer geringeren Nukleation-fördernden Wirkung führen. Als alternatives System werden PCM-Dispersionen entwickelt, die durch das wasserlösliche Polymer Polyvinylalkohol (PVA) stabilisiert werden. Die Polyvinylalkohole vermögen die Unterkühlung auf <2 K zu reduzieren, wobei die Nukleation-fördernde Wirkung auch nach 10000 thermisch-mechanischen Belastungszyklen stabil bleibt. Da die Kristallstruktur von PVA Ähnlichkeiten zur Rotatorphase der Alkane aufweist, wird ein Nukleationsmechanismus postuliert, bei dem die Oberflächenenergie der seitlichen Alkan-Fläche durch teilkristalline Bereiche des PVA positiv beeinflusst wird. Somit konnte ein Tensid-System gefunden werden, dass eine hohe Nukleation-fördernde Wirkung aufweist, die auch nach über 10000 thermisch-mechanischen Belastungszyklen stabil bleibt.