Les fluctuations de température étant assez imprévisibles dans le monde entier, il est de plus en plus nécessaire de trouver des solutions de rechange plus efficaces sur le plan énergétique qui réduiraient la charge sur les réseaux de poudre en difficulté.
Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l’université A&M du Texas ont créé de nouveaux composites de matériaux à changement de phase (phase-change material = PCM) imprimables en 3D, capables de réguler les températures ambiantes à l’intérieur des bâtiments grâce à un processus de fabrication plus simple et plus rentable.
La Division of Materials Research Career Award de la National Science Foundation a financé cette recherche, qui a ensuite été publiée dans le numéro de juin de la revue Matter.
Selon les chercheurs, pour réguler la température ambiante à l’intérieur des bâtiments, le nouveau matériau utilise un processus de fabrication plus simple et plus rentable. En outre, il peut être ajouté aux matériaux de construction, comme la peinture, ou imprimé en 3D en tant qu’éléments décoratifs pour la maison afin de s’intégrer de manière transparente dans différents environnements intérieurs.
« La possibilité d’intégrer des matériaux à changement de phase dans les matériaux de construction à l’aide d’une méthode évolutive ouvre la voie à une régulation plus passive de la température dans les nouvelles constructions et les structures existantes », a déclaré Emily Pentzer, professeur associé au département de science et de génie des matériaux et au département de chimie.
Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) sont les méthodes les plus couramment utilisées pour réguler la température dans les établissements résidentiels et commerciaux. Cependant, ces systèmes consomment beaucoup d’énergie. En outre, ils utilisent des substances à effet de serre, appelées réfrigérants, pour générer de l’air frais et sec. Ces problèmes constants avec les systèmes CVC ont déclenché des recherches sur des matériaux et des technologies alternatifs qui nécessitent moins d’énergie pour fonctionner et peuvent réguler la température de manière proportionnelle aux systèmes CVC.
L’un des matériaux qui a suscité beaucoup d’intérêt pour la régulation de la température est le matériau à changement de phase. Comme leur nom l’indique, ces composés changent d’état physique en fonction de la température de l’environnement. Ainsi, lorsque les matériaux à changement de phase stockent de la chaleur, ils passent de l’état solide à l’état liquide lorsqu’ils absorbent de la chaleur et vice versa lorsqu’ils libèrent de la chaleur. Ainsi, contrairement aux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) qui dépendent uniquement d’une alimentation externe pour chauffer et refroidir, ces matériaux sont des composants passifs qui ne nécessitent aucune électricité externe pour réguler la température.
L’approche traditionnelle de la fabrication des matériaux de construction en matériaux à changement de phase (MCP) consiste à former une enveloppe séparée autour de chaque particule de MCP, comme une tasse pour contenir de l’eau, puis à ajouter ces MCP nouvellement enveloppés aux matériaux de construction. Cependant, il est difficile de trouver des matériaux de construction compatibles à la fois avec le MCP et son enveloppe. En outre, cette méthode conventionnelle réduit également le nombre de particules de MCP pouvant être incorporées aux matériaux de construction.
« Imaginez qu’une casserole soit remplie d’œufs et d’eau », explique Ciera Cipriani, chercheur diplômé en technologie spatiale de la NASA au département de science et de génie des matériaux. « Si chaque œuf doit être placé dans un récipient individuel pour être cuit dur, il y aura moins d’œufs dans la casserole. En retirant les récipients en plastique, véritable coquille dans notre recherche, un plus grand nombre d’œufs, ou de MCP, peuvent occuper un plus grand volume en s’entassant plus étroitement dans l’eau/résine. »
Pour surmonter ces difficultés, des études antérieures ont montré que lorsqu’on utilise une cire de paraffine à changement de phase mélangée à une résine liquide, la résine sert à la fois d’enveloppe et de matériau de construction. Cette méthode permet d’enfermer les particules de MCP dans leurs poches individuelles, ce qui leur permet de subir un changement de phase en toute sécurité et de gérer l’énergie thermique sans fuite.
De même, Pentzer et son équipe ont d’abord combiné des résines liquides sensibles à la lumière avec une poudre de paraffine à changement de phase pour créer un nouveau composite d’encre imprimable en 3D, améliorant ainsi le processus de production des matériaux de construction contenant des MCP et éliminant plusieurs étapes, dont l’encapsulation.
Le mélange résine/MCP est mou, pâteux et malléable, ce qui le rend idéal pour l’impression 3D mais pas pour la construction de structures. En utilisant une résine photosensible, ils l’ont durcie à l’aide d’une lumière ultraviolette pour solidifier la pâte imprimable en 3D, ce qui permet de l’adapter aux applications du monde réel.
En outre, ils ont constaté que la cire à changement de phase intégrée dans la résine n’était pas affectée par la lumière ultraviolette et constituait 70 % de la structure imprimée. Il s’agit d’un pourcentage plus élevé par rapport à la plupart des matériaux actuellement utilisés dans l’industrie.
Ensuite, ils ont testé la thermorégulation de leurs composites à changement de phase en imprimant en 3D un modèle réduit en forme de maison et en mesurant la température à l’intérieur de la maison lorsqu’elle était placée dans un four. Leur analyse a montré que la température du modèle différait de 40 % par rapport aux températures extérieures pour les cycles thermiques de chauffage et de refroidissement, par rapport aux modèles fabriqués à partir de matériaux traditionnels.
À l’avenir, les chercheurs expérimenteront différents matériaux à changement de phase autres que la cire de paraffine afin que ces composites puissent fonctionner dans des plages de température plus larges et gérer davantage d’énergie thermique au cours d’un cycle donné.
« Nous sommes enthousiasmés par le potentiel de notre matériau pour maintenir le confort des bâtiments tout en réduisant la consommation d’énergie », a déclaré Peiran Wei, chercheur au département de science et d’ingénierie des matériaux et à la Soft Matter Facility. « Nous pouvons combiner plusieurs MCP avec des températures de fusion différentes et les distribuer avec précision dans diverses zones d’un seul objet imprimé pour fonctionner tout au long des quatre saisons et à travers le monde. »
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