- 新型膜材料由食品廢料製成，提升熱傳導和儲存效能。
- 該膜可承受1,000次熱循環，保留90.2%焓。
- 膜設計允許水蒸氣通過，並提高熱傳遞效率。
- 研究為食品廢料提供新用途，需進一步研究生產成本。
一種由食品廢料部分製成的新型膜材料，可能有助於建築物儲存熱量、更有效地傳輸熱能並同時管理濕氣。研究人員將來源於食品廢料的生物炭、石墨烯和相變材料結合，製成了一種專為熱管理和能量回收通風設計的紙質膜。該材料解決了相變材料的一個常見問題：這些材料在融化時吸收熱量，而在固化時釋放熱量。儘管這類材料對於儲存熱能十分有用，但許多此類材料的熱導率較低，並且在變為液態時可能會滲漏。
研究人員通過在華氏 752 度下碳化混合食品廢料來製造生物炭，然後在華氏 1,112 到 1,472 度之間用氫氧化鉀進行活化。他們添加了石墨烯，並將所產生的多孔結構浸透入十六烷中，這是一種用於儲存和釋放熱量的相變材料。特別是在華氏 1,292 度激活的版本表現尤為出色，開發出每克 323.1 平方米的表面積，其中介孔佔其孔結構的 82.8%。這些孔為相變材料提供了空間，同時有助於將其固定在適當位置。
膜材料的製造過程
石墨烯進一步改善了複合材料的熱性能。與使用原始生物炭製成的複合材料相比，使用石墨烯工程的系統使潛熱儲存量提高了多達 72%。經過優化的 FK7G/C22 複合材料在華氏 116.1 度時達到 93.1 J/g 的相變焓。在經過 1,000 次加熱和冷卻循環後，它還能保留高達 90.2% 的焓，表明該材料能夠承受多次熱儲存和釋放。
熱性能與濕氣管理
隨後，研究人員將該複合材料整合進入商業紙質膜中，所產生的材料設計用於通風系統，能夠在交換熱量的同時允許水蒸氣通過。延世大學的對應作者金秀敏教授表示：「通過工程化廢物衍生的生物炭，並將其與石墨烯和相變材料整合，我們能夠在單一膜系統中結合熱能儲存、熱傳遞、結構穩定性和濕氣管理。」該膜的熱儲存率比參考的原始紙膜高出 96.1%，同時保留了 80.2% 的大宗複合材料的潛熱。
這意味著基於紙質的系統能夠儲存該材料的顯著熱儲存能力的同時，提高熱傳遞效率。濕氣處理是設計的另一個關鍵部分。該膜記錄的等效空氣層厚度為 0.71，低於 1.0 的關鍵閾值，顯示出高水蒸氣透過性。研究人員表示，它還滿足相關的 ISO 12572 和 ASTM 性能標準。這種組合可能在能量回收通風中發揮作用，讓進出空氣流交換熱量和濕氣。相變層可以暫時儲存熱能，並在條件改變時釋放。
食品廢料的新用途
這一方法還為食品廢料提供了另一種潛在用途。研究人員將其碳含量轉化為多孔材料，作為熱能儲存的結構框架，而非僅僅視其為需要處理的廢物。團隊表示，該材料最終可用於能量回收通風、建築外立面、熱舒適系統及其他建築應用。然而，大規模部署還需要進一步研究生產能源需求、製造成本及技術經濟性能。相關研究結果已發表在《Biochar》期刊中。
膜材料在建築應用中的潛力
這種新型膜材料的開發不僅展示了利用食品廢料的創新思維，還強調了其在建築熱管理中的潛在應用。通過結合生物炭、石墨烯和相變材料，研究人員成功提升了熱傳導效率和儲存能力，這對於提升建築物的能源效率至關重要。此外，該材料的可持續性和高性能使其在環保建築中具有重要意義，未來可能成為建築材料的一個重要選擇。