นาโนเทค สวทช. พัฒนาวัสดุเปลี่ยนสถานะ PCM เสริมเทคโนโลยีเคลือบและกักเก็บ
เพิ่มประสิทธิภาพ ความทนทาน ตอบความต้องการอุตฯ ก่อสร้าง สิ่งทอ โซลาร์เซลล์
ผนังบ้านเย็น ฝ้าเพดานดูดซับความร้อน เสื้อใส่แล้วเย็น หรือโซลาร์เซลล์โมดูล อาจใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ (PCM) ที่มีสมบัติการดูด-คายความร้อนเป็นส่วนผสมพิเศษ นักวิจัยนาโนเทค (สวทช.) พัฒนาเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานความร้อนด้วยวัสดุเปลี่ยนสถานะแคปซูล ชูจุดต่างด้วยการเสริมเทคโนโลยีเคลือบและเทคโนโลยีกักเก็บ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทาน ประหยัดพลังงานและต้นทุน จดสิทธิบัตรพร้อมส่งไม้ต่อเอกชน สร้างโอกาสต่อยอดนวัตกรรมไทยสู่อุตสาหกรรมก่อสร้าง ตกแต่งภายใน สิ่งทอ หรือพลังงานทางเลือก
ดร.วรายุทธ สะโจมแสง นักวิจัยจากทีมวิจัยนาโนเทคโนโลยีเพื่อสิ่งเเวดล้อม กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สวทช.) กล่าวว่า โครงการวิจัยเรื่อง “เทคโนโลยีกักเก็บพลัง งานความร้อนด้วยวัสดุเปลี่ยนสถานะแคปซูล” เป็นการพัฒนาวัสดุเปลี่ยนสถานะ โดยใช้เทคโนโลยีการเคลือบ (Coating technology) และเทคโนโลยีการกักเก็บ (Encapsulation technology) ด้วยวิธีทางเคมี (Chemical method)
“ปัจจุบัน วิกฤตการณ์สภาวะโลกร้อน ก๊าซเรือนกระจก เชื้อเพลิงธรรมชาติที่มีอยู่จำกัด และราคาที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้มีการคิดค้นเทคโนโลยีและนวัตกรรมต่างๆที่เกี่ยวข้องกับพลังงานทดแทนหรือแนวทางการลดการใช้พลังงาน เพื่อลดการใช้พลังงานจากเชื้อเพลิง” ดร.วรายุทธฯ กล่าว
เทคโนโลยีกักเก็บพลังงานความร้อน (Thermal Energy Storage) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สามารถการกักเก็บพลังงานความร้อนในรูปของการทำความร้อนหรือความเย็นด้วยวัสดุตัวกลาง คือ วัสดุเปลี่ยนสถานะ (Phase Change Materials, PCMs) เรียกสั้นๆ ว่า (PCM) ที่มีคุณสมบัติด้านการกักเก็บความร้อนในรูปของความร้อนแฝง (Latent heat) และทำหน้าที่รักษาอุณหภูมิให้แก่ระบบ เมื่อสภาพแวดล้อมมีอุณหภูมิสูงขึ้นวัสดุ (PCM) จะดูดซับความร้อนจากสภาพแวดล้อมไว้ในตัววัสดุในช่วงของการหลอมละลายจากของแข็งไปเป็นของเหลว เพื่อทำให้อุณหภูมิของระบบคงที่หรือเปลี่ยนแปลงไปเพียงเล็กน้อย ในทางกลับกันเมื่อสภาพแวดล้อมเย็นลง วัสดุ (PCM) จะถ่ายเทพลังงานสู่ระบบเมื่อเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง เพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ ปรากฎการณ์นี้เองทำให้เกิดกระบวนการดูด-คายความร้อน ซึ่งส่งผลต่ออุณหภูมิภายนอกของสิ่งแวดล้อม
“ด้วยคุณสมบัติในการดูด-คายความร้อนนี้ (PCM) จึงกลายเป็นส่วนประกอบหนึ่งที่ภาคอุตสาหกรรมต่างๆ นำไปใช้เพิ่มประสิทธิภาพ หรือเสริมฟังก์ชั่นการดูดความร้อน ไม่ว่าจะเป็นอุตสาหกรรมก่อสร้างและตกแต่งภายใน ในการทำฝ้า ผนัง หลังคา หรือสีทาบ้านดูดซับความร้อน ทำให้ภายในบ้านเย็น เช่นเดียวกับอุตสาหกรรมสิ่งทอ ที่ใช้ (PCM) ในเส้นใย ทำให้กลายเป็นสิ่งทอที่ดูดซับความร้อน ใส่แล้วเย็น รวมไปถึงโมดูลของแผงโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่ที่ใช้ (PCM) ในการดูดซับความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของโมดูลในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและยืดอายุการใช้งานเพิ่มมากขึ้น” ดร.วรายุทธฯ ชี้
อย่างไรก็ดี ปัญหาหนึ่งของวัสดุ (PCM) เกิดจากสมบัติการเปลี่ยนสถานะกลับไปมาระหว่างของแข็งกับของเหลวทำให้การใช้งานวัสดุ (PCM) โดยตรงมีข้อจำกัดหรืออาจทำให้เกิดปัญหาการรั่วไหลและติดไฟได้ รวมไปถึงการถ่ายเทความร้อนของวัสดุ (PCM) มีประสิทธิภาพต่ำเมื่อถูกกักเก็บไว้ในแคปซูลหรือในภาชนะนำส่ง (carrier) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ (PCM) บริสุทธิ์ ดังนั้น ดร.วรายุทธฯ และทีมวิจัยนาโนเทคจึงได้พัฒนา (PCM) ในรูปของแคปซูลที่เป็นผงแห้งเพื่อนำมาใช้ในการกักเก็บพลังงานในรูปแบบความร้อนเพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวรวมถึงยังสามารถลดปัญหาเรื่องข้อจำกัดในการถ่ายเทความร้อนของวัสดุเปลี่ยนสถานะ เนื่องจากเทคโนโลยีดังกล่าวสามารถเพิ่มพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อนของสาร
งานวิจัยนี้จะใช้เทคโนโลยีการเคลือบ (Coating technology) และเทคโนโลยีการกักเก็บ (Encapsulation technology) ด้วยวิธีทางเคมี (Chemical method) ของสาร (PCM) ด้วยแคปซูลวัสดุผสมซิลิกาเป็นหลัก เนื่องจากวัสดุผสมซิลิกาเป็นวัสดุที่ทำหน้าที่เป็นเปลือกห่อหุ้มที่แข็งแรงกว่าเปลือกพอลิเมอร์ นอกจากนี้ ประโยชน์และข้อดีจากวัสดุผสมซิลิกา คือ เสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์ที่ดีเยี่ยม (excellent thermophysical stability) ขณะที่สาร (PCM) ที่ใช้เป็นตัวแทนของ (PCM) สามารถเลือกจากกลุ่มสารอินทรีย์ คือ สารพาราฟิน เช่น n-hexadecane (C16) n-octadecane (C18) หรือกลุ่มที่ไม่ใช่พาราฟิน เช่น กรดไขมันและอนุพันธ์กรดไขมัน แอลกอฮอล์ เป็นต้น หรือสาร (PCM) ทางการค้า ซึ่งสามารถเลือกใช้ให้เหมาะสมกับช่วงอุณหภูมิในประเทศไทยหรือการประยุกต์ใช้งาน
จากการศึกษาของทีมวิจัยพบว่าสามารถเตรียมแคปซูลเพื่อห่อหุ้มวัสดุ (PCM) ได้ 3 แบบ ได้แก่ แคปซูลซิลิกา แคปซูลซิลิกาผสมโลหะออกไซด์ และแคปซูลซิลิกาเคลือบพอลิเมอร์ โดยผ่านปฏิกิริยาอิมัลชั่นพอลิเมอร์ไรเซชัน โดยไม่ต้องใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ใช้เพียงน้ำเป็นตัวทำละลาย และยังสามารถเตรียมได้จากการใช้รอบในการกวนที่ต่ำ ทั้งยังทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิไม่สูงมากคือไม่เกิน 100 องศาเซลเซียส สามารถแยกแคปซูลออกด้วยการตกตะกอน ขนาดของอนุภาคของซิลิกาอยู่ในช่วง 0.04-13 ไมโครเมตร มีประสิทธิภาพการห่อหุ้มอยู่ในช่วง 60-100 เปอร์เซ็นต์ มีค่าพลังงานความร้อนในการหลอมเหลว และค่าพลังงานความร้อนในการเกิดผลึก หลังการกักเก็บสาร (PCM) ในซิลิกาแคปซูลทั้ง 3 แบบ สูงกว่าสาร (PCM) บริสุทธิ์ “ที่สำคัญ การกักเก็บวัสดุ (PCM) ในแคปซูลซิลิกาไม่ส่งผลต่อการลดค่าพลังงานความร้อนแฝง ซึ่งเป็นจุดเด่นของงานวิจัยนี้” นักวิจัยนาโนเทค ชี้
ข้อดีของานวิจัยนี้คือ สามารถเตรียมวัสดุ (PCM) ในรูปแคปซูลแบบผงแห้งซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้ง่ายกว่าวัสดุ (PCM) ที่ไม่ได้ห่อหุ้ม เนื่องจากการเปลี่ยนสถานะกลับไปมาซ้ำๆกันหลายพันรอบทำให้เกิดกระบวนการดูด-คายความร้อนเกิดขึ้นภายในแคปซูลที่มีความแข็งแรงไม่เกิดการรั่วไหล โดย (PCM) ในแคปซูลซิลิกาไม่ส่งผลต่อการลดค่าพลังงานความร้อนแฝงของวัสดุ (PCM) ซึ่งเป็นจุดเด่นของงานวิจัยนี้ ทำให้ปริมาณการใช้ PCM ในรูปแคปซูลแบบผงแห้งในปริมาณน้อยลง นอกจากนี้กระบวนการสังเคราะห์ใช้อุณหภูมิไม่สูงมากนัก และการทำให้เป็นผงแห้งใช้กระบวนการตกตะกอนและอบที่อุณหภูมิต่ำทำให้ประหยัดพลังงานและต้นทุน โดยในกระบวนการผลิตสามารถต่อยอดเทคโนโลยีในเชิงพาณิชย์ได้
ดร.วรายุทธฯ ชี้ว่า วัสดุ (PCM) ในรูปแคปซูลแบบผงแห้งสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการควบคุมอุณหภูมิของระบบที่เปลี่ยนแปลงขึ้นและลงอย่างต่อเนื่องให้มีความสมดุล โดยสามารถประยุกต์ใช้ในวัสดุก่อสร้าง (Construction) หรือวัสดุภายในอาคาร สิ่งทอ สีทาบ้าน แบตเตอร์รี่ โซล่าเซลล์ และบรรจุภัณฑ์ เป็นต้น
“แม้วัสดุ (PCM) ในรูปแคปซูลแบบผงแห้งจะมีใช้อยู่แล้วในท้องตลาด แต่วัสดุ (PCM) จากงานวิจัยนี้ ที่ใช้เทคโนโลยีเคลือบและกักเก็บ จะทำให้เพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ (PCM) ให้มากขึ้น แม้จะเพิ่มต้นทุนในส่วนของเปลือกหุ้มที่เป็นซิลิกา แต่สามารถใช้ในปริมาณที่น้อยลงถึง 30-50% ขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งาน โดยศักยภาพยังเท่าเดิม ทำให้สามารถแข่งขันได้ในเชิงพาณิชย์ รวมทั้งเอื้อต่อการพัฒนาสูตรผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่ต้องใช้วัสดุ (PCM) เป็นส่วนประกอบในผลิตภัณฑ์” นักวิจัยนาโนเทคชี้
ปัจจุบัน วัสดุ (PCM) ในรูปแคปซูลแบบผงแห้งภายใต้นาโนเทค (สวทช.) ได้จดอนุสิทธิบัตร เลขที่คำขอ 2203001455 วิธีการเตรียมแคปซูลเพื่อห่อหุ้มวัสดุกักเก็บความร้อน เมื่อวันที่ 13 มิถุนายน 2565 และอยู่ระหว่างการแสวงหาผู้ประกอบการเพื่อรับการถ่ายทอดเทคโนโลยี นำนวัตกรรมไทยไปสู่การใช้ประโยชน์อย่างแท้จริง
สุรเชษฐ ศิลานนท์ รายงาน