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吸着冷凍システムとヒートポンプの市場シェアは、従来の圧縮機システムに比べて依然として比較的小さい。高価な電気工事ではなく安価な熱を利用できるという大きな利点があるにもかかわらず、吸着原理に基づくシステムの導入は依然として限られた特定の用途に限られている。克服すべき主な欠点は、吸着剤の熱伝導率の低さと安定性の低さに起因する比出力の低下である。現在、最先端の商用吸着冷凍システムは、冷却能力を最適化するためにコーティングされたプレート式熱交換器をベースとした吸着器をベースとしている。コーティングの厚さを薄くすると物質移動インピーダンスが低下し、導電性構造の表面積と体積比を大きくすると効率を損なうことなく出力が向上することはよく知られている。本研究で使用した金属繊維は、2,500～50,000 m²/m³の比表面積を実現できる。金属繊維を含む金属表面に、非常に薄くても安定した塩水和物コーティングを形成する3つの方法により、コーティング製造のための高出力密度熱交換器が初めて実現された。アルミニウム陽極酸化処理に基づく表面処理は、コーティングと基材との結合を強化するために選択されています。得られた表面の微細構造は、走査型電子顕微鏡を使用して分析されました。全反射低減フーリエ変換赤外分光法とエネルギー分散型X線分光法を使用して、分析で目的の種が存在するかどうかを確認しました。水和物を形成する能力は、熱重量分析（TGA）と示差熱重量分析（DTG）の組み合わせによって確認されました。MgSO4コーティングでは、0.07 g（水）/g（複合体）を超える品質の悪いものが見つかり、約60 °Cで脱水の兆候が見られ、再水和後に再現可能でした。100 °C未満で約0.02 g/gの質量差があるSrCl2とZnSO4でも肯定的な結果が得られました。コーティングの安定性と接着性を高めるために、添加剤としてヒドロキシエチルセルロースが選択されました。製品の吸着特性は同時TGA-DTG法によって評価され、接着性はISO2409に記載されている試験に基づく方法によって特性評価されました。CaCl2コーティングの粘稠度と接着性は、100℃未満の温度で約0.1 g/gの質量差で吸着容量を維持しながら大幅に改善されました。さらに、MgSO4は水和物を形成する能力を保持しており、100℃未満の温度で0.04 g/gを超える質量差を示します。最後に、コーティングされた金属繊維を検査しました。その結果、Al2(SO4)3でコーティングされた繊維構造の有効熱伝導率は、純粋なAl2(SO4)3の体積と比較して4.7倍高くなる可能性があることが示されました。調査したコーティングのコーティングは目視で検査し、断面の顕微鏡画像を使用して内部構造を評価しました。厚さ約50 µmのAl2(SO4)3コーティングが得られましたが、より均一な分布を実現するには、プロセス全体を最適化する必要があります。
吸着システムは、従来の圧縮式ヒートポンプや冷凍システムに代わる環境に優しい代替手段として、過去数十年にわたり大きな注目を集めてきました。快適性基準の上昇と地球の平均気温の上昇に伴い、近い将来、吸着システムによって化石燃料への依存度が低下する可能性があります。さらに、吸着冷凍やヒートポンプの改良点は蓄熱にも応用でき、一次エネルギーの有効利用の可能性をさらに高めることができます。吸着ヒートポンプと冷凍システムの主な利点は、低い熱量で動作できることです。そのため、太陽エネルギーや廃熱などの低温源に適しています。エネルギー貯蔵用途において、吸着は顕熱蓄熱や潜熱蓄熱に比べてエネルギー密度が高く、エネルギー損失が少ないという利点があります。
吸着式ヒートポンプと冷凍システムは、蒸気圧縮式ヒートポンプと冷凍システムと同じ熱力学サイクルに従います。主な違いは、コンプレッサー部品を吸着器に置き換えた点です。吸着器は、低圧の冷媒蒸気を中温で吸着することができ、液体が冷たい場合でも多くの冷媒を蒸発させます。吸着エンタルピー（発熱）を排除するために、吸着器を常に冷却する必要があります。吸着器は高温で再生され、冷媒蒸気が脱着します。脱着エンタルピー（吸熱）を提供するために、加熱を継続する必要があります。吸着プロセスは温度変化を特徴とするため、高い電力密度には高い熱伝導率が求められます。しかし、ほとんどの用途において、低い熱伝導率は圧倒的に大きな欠点となります。
導電率の主な問題は、吸着/脱着蒸気の流れを提供する輸送経路を維持しながら、導電率の平均値を高めることです。これを実現するために、複合熱交換器とコーティング熱交換器という 2 つの方法が一般的に使用されています。最も普及し成功を収めている複合材料は、炭素ベースの添加剤、つまり膨張黒鉛、活性炭、または炭素繊維を使用するものです。Oliveira ら 2 は、膨張黒鉛粉末に塩化カルシウムを含浸させて、最大 306 W/kg の比冷却容量 (SCP) と最大 0.46 の性能係数 (COP) を備えた吸着体を製造しました。Zajaczkowski ら 3 は、総導電率が 15 W/mK の膨張黒鉛、炭素繊維、および塩化カルシウムの組み合わせを提案しました。Jian ら 4 は、硫酸処理した膨張天然黒鉛 (ENG-TSA) を基質とした複合材料を 2 段階の吸着冷却サイクルでテストしました。モデルは COP を 0.215 ～ 0.285、SCP を 161.4 ～ 260.74 W/kg と予測しました。
最も実現可能な解決策は、コーティングされた熱交換器です。これらの熱交換器のコーティング機構は、直接合成と接着剤の2つのカテゴリーに分けられます。最も成功している方法は直接合成で、適切な試薬から熱交換器の表面に直接吸着材を形成します。Sotech5は、Fahrenheit GmbH社製の一連の冷却器に使用するためのコーティングされたゼオライトの合成方法の特許を取得しています。Schnabelら6は、ステンレス鋼にコーティングされた2種類のゼオライトの性能を試験しました。しかし、この方法は特定の吸着剤でのみ機能するため、接着剤によるコーティングは興味深い代替手段となります。バインダーは、吸着剤の接着や物質移動を促進するために選択される受動的な物質であり、吸着や導電性の向上には役立ちません。Freniら7は、粘土系バインダーで安定化されたAQSOA-Z02ゼオライトでアルミニウム熱交換器をコーティングしました。Calabreseら8は、ポリマーバインダーを用いたゼオライトコーティングの調製を研究しました。 Ammann et al.9 は、ポリビニルアルコールの磁性混合物から多孔質ゼオライトコーティングを調製する方法を提案した。アルミナ（アルミナ）も吸着器の結合剤として使用されている 10 。我々の知る限り、セルロースおよびヒドロキシエチルセルロースは物理吸着剤と組み合わせてのみ使用されている 11,12 。接着剤は塗料には使用されず、単独で構造を構築するために使用される 13 場合もある。アルギン酸ポリマーマトリックスと複数の塩水和物の組み合わせにより、乾燥中の漏れを防ぎ、適切な物質移動を提供する柔軟な複合ビーズ構造が形成される。ベントナイトやアタパルジャイトなどの粘土は、複合材料の製造のための結合剤として使用されている 15,16,17 。エチルセルロースは、塩化カルシウム 18 または硫化ナトリウム 19 をマイクロカプセル化するために使用されている。
多孔質金属構造を有する複合材料は、添加剤型熱交換器とコーティング型熱交換器に分けられます。これらの構造の利点は、比表面積が大きいことです。これにより、冷凍サイクル全体の効率を低下させる不活性物質を追加することなく、吸着剤と金属との接触面積が広くなります。Lang ら 20 は、アルミニウムハニカム構造のゼオライト吸着器の全体的な伝導率を改善しました。Gillerminot ら 21 は、銅とニッケルのフォームを使用して NaX ゼオライト層の熱伝導率を改善しました。複合材料は相変化材料 (PCM) として使用されますが、Li ら 22 と Zhao ら 23 の研究結果は化学吸着にも興味深いものです。彼らは膨張黒鉛と金属フォームの性能を比較し、腐食が問題にならない場合にのみ後者が好ましいと結論付けました。Palomba らは最近、他の金属多孔質構造を比較しました24。Van der Pal ら泡に埋め込まれた金属塩を研究した研究がある 25 。これまでの例はすべて、微粒子吸着剤の高密度層に対応している。金属多孔質構造は、吸着剤をコーティングするのに実際には使用されていない。これはより最適な解決策である。ゼオライトへの結合の例はWittstadtら 26 に見られるが、塩水和物はエネルギー密度が高いにもかかわらず、結合は試みられていない 27 。
本稿では、吸着剤コーティングを作製するための3つの方法、すなわち(1)バインダーコーティング、(2)直接反応、(3)表面処理について検討する。ヒドロキシエチルセルロースは、物理吸着剤と組み合わせることで安定性と良好なコーティング密着性が報告されているため、本研究でバインダーとして選択した。この方法は当初、平面コーティングについて検討され、その後、金属繊維構造に適用された。吸着剤コーティングの形成における化学反応の可能性に関する予備的な分析が報告されていた。現在、これまでの経験は金属繊維構造のコーティングに応用されている。本研究で選択した表面処理は、アルミニウム陽極酸化処理に基づく方法である。アルミニウム陽極酸化処理は、美観向上を目的として金属塩と組み合わせることで成功を収めている29。これらの場合、非常に安定で耐腐食性の高いコーティングが得られる。しかし、吸着または脱着プロセスは実行できない。本稿では、このアプローチの変形を提示する。この方法では、元のプロセスの接着特性を利用して質量を移動させることができる。我々の知る限り、ここで説明する方法はいずれもこれまで研究されていない。これらは、頻繁に研究されている物理吸着剤に比べて多くの利点を持つ水和吸着剤コーティングの形成を可能にするため、非常に興味深い新技術です。
これらの実験の基板として使用した打ち抜きアルミニウム板は、チェコ共和国のALINVEST Břidličná社から提供されたものです。アルミニウム98.11%、鉄1.3622%、マンガン0.3618%、そして微量の銅、マグネシウム、シリコン、チタン、亜鉛、クロム、ニッケルを含んでいます。
複合材料の製造に選ばれる材料は、その熱力学的特性、すなわち 120°C 未満の温度で吸着/脱着できる水の量に応じて選択されます。
硫酸マグネシウム（MgSO4）は、最も興味深く研究されている水和塩の一つです30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41。熱力学的特性は体系的に測定されており、吸着冷凍、ヒートポンプ、エネルギー貯蔵の分野への応用に適していることが分かっています。乾燥硫酸マグネシウムCAS番号7487-88-9 99%（Grüssing GmbH、ドイツ、ニーダーザクセン州フィルサム）を使用しました。
塩化カルシウム（CaCl2）（H319）も、その水和物が興味深い熱力学的特性を示すことから、よく研究されている塩の一つです41,42,43,44。塩化カルシウム六水和物 CAS番号 7774-34-7 97%使用（Grüssing, GmbH, Filsum, Niedersachsen, Germany）。
硫酸亜鉛（ZnSO4）（H3O2、H318、H410）とその水和物は、低温吸着プロセスに適した熱力学的特性を有する45,46。硫酸亜鉛七水和物CAS番号7733-02-0 99.5%（Grüssing GmbH、Filsum、Niedersachsen、ドイツ）を使用しました。
塩化ストロンチウム（SrCl2）（H318）も興味深い熱力学的特性4,45,47を有するが、吸着ヒートポンプやエネルギー貯蔵の研究ではアンモニアと組み合わせられることが多い。合成には、塩化ストロンチウム六水和物CAS番号10.476-85-4 99.0–102.0%（Sigma Aldrich、米国ミズーリ州セントルイス）を使用した。
硫酸銅（CuSO4）（H302、H315、H319、H410）は、専門文献で頻繁に見られる水和物ではありませんが、その熱力学的特性は低温用途において興味深いものです48,49。合成には、硫酸銅CAS番号7758-99-8 99%（Sigma Aldrich、米国ミズーリ州セントルイス）を使用しました。
塩化マグネシウム（MgCl2）は、近年、熱エネルギー貯蔵の分野で注目を集めている水和塩の一つです50,51。実験には、塩化マグネシウム六水和物CAS番号7791-18-6、純粋医薬品グレード（Applichem GmbH、ドイツ、ダルムシュタット）を使用しました。
前述の通り、類似の用途で良好な結果が得られたため、ヒドロキシエチルセルロースを選択しました。合成に使用した材料は、ヒドロキシエチルセルロースCAS番号9004-62-0（Sigma Aldrich、米国ミズーリ州セントルイス）です。
金属繊維は、短いワイヤーを圧縮焼結法（るつぼ溶融抽出法（CME）52）によって接合して作られます。つまり、その熱伝導率は、製造に使用された金属のバルク伝導率や最終構造の多孔度だけでなく、糸同士の結合の質にも左右されます。繊維は等方性ではなく、製造中に特定の方向に分散する傾向があるため、横方向の熱伝導率は大幅に低くなります。
吸水特性は、真空パッケージ（Netzsch TG 209 F1 Libra）内で同時熱重量分析（TGA）/示差熱重量分析（DTG）を使用して調査されました。測定は、流量10 ml / minの窒素流中で、酸化アルミニウムるつぼを使用して25〜150°Cの温度範囲で実施されました。加熱速度は1°C / min、サンプル重量は10〜20 mgの範囲で変化し、分解能は0.1μgでした。この研究では、単位面積あたりの質量差には大きな不確実性があることに注意する必要があります。TGA-DTGで使用されるサンプルは非常に小さく、不規則にカットされているため、面積の決定が不正確になります。これらの値は、大きな偏差を考慮に入れた場合にのみ、より広い面積に外挿できます。
減衰全反射フーリエ変換赤外分光計（Bruker Vertex 80 v FTIR）（Bruker Optik GmbH、ドイツ、ライプツィヒ）とATRプラチナアクセサリ（Bruker Optik GmbH、ドイツ）を用いて、ATR-FTIRスペクトルを取得しました。純粋な乾燥ダイヤモンド結晶のスペクトルは、サンプルを実験測定のバックグラウンドとして使用する前に、真空中で直接測定しました。サンプルは真空中で、スペクトル分解能2 cm-1、平均スキャン回数32で測定しました。波数範囲は8000～500 cm-1です。スペクトル解析はOPUSプログラムを用いて行いました。
SEM分析は、Zeiss社製DSM 982 Geminiを用いて加速電圧2kVおよび5kVで実施しました。エネルギー分散型X線分光法（EDX）は、ペルチェ冷却シリコンドリフト検出器（SSD）を搭載したThermo Fischer System 7を用いて実施しました。
金属板の作製は、53と同様の手順で行った。まず、板を50%硫酸に15分間浸漬する。次に、1M水酸化ナトリウム溶液に約10秒間浸漬する。その後、サンプルを大量の蒸留水で洗浄し、蒸留水に30分間浸漬する。予備的な表面処理を行った後、サンプルを3%飽和溶液に浸漬する。HECおよび対象塩。最後に、サンプルを取り出し、60℃で乾燥させる。
陽極酸化処理は、不動態金属上の自然酸化層を増強し、強化します。アルミニウムパネルは硬化状態で硫酸で陽極酸化処理され、その後熱水中で封孔処理されました。陽極酸化処理は、1 mol/l NaOH（600秒）で初期エッチングを行った後、1 mol/l HNO3（60秒）で中和した後に行われました。電解液は、2.3 M H2SO4、0.01 M Al2(SO4)3、および1 M MgSO4 + 7H2Oの混合液です。陽極酸化処理は、（40 ± 1）°C、30 mA/cm2で1200秒間実施しました。封孔処理は、資料に記載されているさまざまな塩水（MgSO4、CaCl2、ZnSO4、SrCl2、CuSO4、MgCl2）で実施しました。サンプルはその中で1800秒間煮沸されます。
複合材料を製造するための3つの異なる方法（接着コーティング、直接反応、表面処理）について調査しました。各方法の利点と欠点を体系的に分析・考察しました。結果の評価には、直接観察、ナノイメージング、化学分析／元素分析が用いられました。
陽極酸化は、塩水和物の付着性を高めるための変換表面処理方法として選択されました。この表面処理は、アルミニウム表面に直接アルミナ（酸化アルミニウム）の多孔質構造を作成します。伝統的に、この方法は2段階で構成されています。第1段階では酸化アルミニウムの多孔質構造を作成し、第2段階では細孔を閉じる水酸化アルミニウムのコーティングを作成します。以下は、ガス相へのアクセスをブロックせずに塩をブロックする2つの方法です。1つ目は、第1段階で得られた小さな酸化アルミニウム（Al2O3）チューブを使用して吸着剤の結晶を保持し、金属表面への付着性を高めるハニカムシステムです。得られたハニカムの直径は約50 nm、長さは200 nmです（図1a）。前述のように、これらの空洞は通常、第2段階で、アルミナチューブの沸騰プロセスによってサポートされたAl2O（OH）2ベーマイトの薄い層で閉じられます。第二の方法では、このシーリングプロセスを修正し、塩結晶を均一に覆うベーマイト（Al2O(OH)）層に捕捉します。ベーマイトは、この場合シーリングには使用されません。第二段階は、対応する塩の飽和溶液中で行われます。ここで示されたパターンは、50～100 nmの範囲のサイズを持ち、飛沫状の水滴のように見えます（図1b）。シーリングプロセスの結果として得られる表面は、接触面積が増加した顕著な空間構造を有しています。この表面パターンは、多様な結合構造とともに、塩結晶を担持・保持するのに理想的です。ここで示された両方の構造は、真に多孔質であり、吸着装置の作動中に塩水和物を保持し、蒸気を塩に吸着するのに適していると思われる小さな空洞を有しています。しかし、EDXを用いたこれらの表面の元素分析では、ベーマイト表面に微量のマグネシウムと硫黄が検出されますが、これらはアルミナ表面では検出されません。
試料のATR-FTIR分析により、元素が硫酸マグネシウムであることが確認されました（図2b参照）。スペクトルには、610～680 cm–1および1080～1130 cm–1に特徴的な硫酸イオンピーク、および1600～1700 cm–1および3200～3800 cm–1に特徴的な格子水ピークが認められました（図2a、c参照）。マグネシウムイオンの存在はスペクトルにほとんど変化を与えません54。
(a) ベーマイトコーティングされた MgSO4 アルミニウム板の EDX、(b) ベーマイトおよび MgSO4 コーティングの ATR-FTIR スペクトル、(c) 純粋な MgSO4 の ATR-FTIR スペクトル。
吸着効率の維持はTGAによって確認されました。図3bには約60℃の脱着ピークが示されています。このピークは、純塩のTGAで観察された2つのピークの温度（図3a）とは一致しません。吸着-脱着サイクルの再現性を評価したところ、サンプルを湿潤雰囲気に置いた後も同じ曲線が観察されました（図3c）。脱着の第2段階で観察された差異は、流動雰囲気下での脱水の結果である可能性があります。流動雰囲気下では、脱水が不完全になることが多いためです。これらの値は、最初の脱水では約17.9 g/m2、2回目の脱水では約10.3 g/m2に相当します。
ベーマイトと MgSO4 の TGA 分析の比較: 純粋な MgSO4 (a)、混合物 (b)、および再水和後 (c) の TGA 分析。
同様の方法を、吸着剤として塩化カルシウムを用いて実施した。結果を図4に示す。表面を目視で観察したところ、金属光沢にわずかな変化が認められた。毛羽はほとんど見えなくなった。SEMでは、表面に均一に分散した小さな結晶の存在が確認された。しかし、TGAでは150℃以下では脱水は見られなかった。これは、TGAで検出するには、基質の総質量に比べて塩分の割合が少なすぎるためと考えられる。
陽極酸化法による硫酸銅コーティングの表面処理の結果を図5に示す。この場合、期待されたCuSO4のAl酸化物構造への組み込みは起こらなかった。代わりに、典型的なターコイズ染料に用いられる水酸化銅Cu(OH)2によく見られる、緩い針状結晶が観察された。
陽極酸化表面処理は、塩化ストロンチウムと組み合わせてテストされました。結果は、不均一な被覆を示しました (図 6a を参照)。塩が表面全体を覆っているかどうかを判断するために、EDX 分析を実施しました。灰色の領域の点 (図 6b の点 1) の曲線は、ストロンチウムが少なく、アルミニウムが多いことを示しています。これは、測定ゾーンのストロンチウム含有量が低いことを示し、塩化ストロンチウムの被覆率が低いことを示しています。逆に、白い領域はストロンチウム含有量が高く、アルミニウム含有量が低いです (図 6b の点 2～6)。白い領域の EDX 分析では、より暗い点 (図 6b の点 2 と 4)、塩素が低く、硫黄が高いことが示されています。これは、硫酸ストロンチウムの形成を示している可能性があります。より明るい点は、塩素含有量が高く、硫黄含有量が低いことを反映しています (図 6b の点 3、5、および 6)。これは、白色コーティングの主要部分が予想通り塩化ストロンチウムで構成されているという事実によって説明できます。サンプルのTGA分析は、純粋な塩化ストロンチウムの特性温度におけるピークによって分析結果の解釈を裏付けました（図6c）。これらの値が小さいのは、金属担体の質量と比較して塩分が少量であるためです。実験で測定された脱着質量は、150℃の温度において吸着器の単位面積あたり7.3 g/m2の脱着量に相当します。
エロキサール処理した硫酸亜鉛コーティングも試験した。肉眼では、コーティングは非常に薄く均一な層である（図7a）。しかし、SEM観察では、小さな結晶で覆われた表層と、その間に空隙が見られる領域が見られた（図7b）。コーティングと基材のTGAを純粋な塩と比較した（図7c）。純粋な塩は59.1℃に1つの非対称ピークを示す。コーティングされたアルミニウムは55.5℃と61.3℃に2つの小さなピークを示し、硫酸亜鉛水和物の存在を示している。実験で明らかになった質量差は、脱水温度150℃で10.9 g/m²に相当する。
前回出願53と同様に、吸着剤コーティングの接着性と安定性を向上させるため、ヒドロキシエチルセルロースをバインダーとして使用しました。材料の適合性と吸着性能への影響はTGAによって評価しました。分析は総質量に対して実施され、サンプルにはコーティング基材として使用される金属板が含まれます。接着性は、ISO2409規格で定義されているクロスノッチ試験に基づく試験によって試験しました（ノッチの厚さと幅の仕様によっては、ノッチ分離の仕様を満たさない場合があります）。
パネルを塩化カルシウム（CaCl2）でコーティングすると（図8a参照）、不均一な分布が生じましたが、横方向ノッチテストに使用した純粋なアルミニウムコーティングでは観察されませんでした。純粋なCaCl2の結果と比較すると、TGA（図8b）は、それぞれ40°Cと20°Cのより低い温度にシフトした2つの特徴的なピークを示しています。純粋なCaCl2サンプル（図8cの右側のサンプル）は粉末状の沈殿物であり、最上部の粒子が除去されるため、断面テストでは客観的な比較ができません。HECの結果は、満足のいく接着性を備えた非常に薄く均一なコーティングを示しました。図8bに示されている質量差は、150°Cの温度で吸着器の単位面積あたり51.3 g/m2に相当します。
硫酸マグネシウム（MgSO4）を用いた場合も、接着性と均一性に関して良好な結果が得られました（図9参照）。コーティングの脱着プロセスを分析したところ、約60℃にピークが1つ存在することが示されました。この温度は、純粋な塩の脱水反応で見られる主要な脱着ステップに対応し、44℃にも別のステップが存在します。これは六水和物から五水和物への遷移に相当し、バインダーを用いたコーティングでは観察されません。断面試験では、純粋な塩を使用して作製されたコーティングと比較して、分布と接着性が改善されていることが示されています。TGA-DTCで観察された質量差は、150℃の温度で吸着器の単位面積あたり18.4 g/m2に相当します。
表面の凹凸により、塩化ストロンチウム (SrCl2) はフィン上に不均一なコーティングを施します (図 10a)。 しかし、横方向ノッチ試験の結果は均一な分布を示し、接着性が大幅に向上しました (図 10c)。 TGA 分析では重量差がごくわずかでしたが、これは金属基板に比べて塩分含有量が少ないことが原因であると考えられます。 ただし、曲線上のステップは脱水プロセスの存在を示していますが、ピークは純粋な塩の特性評価で得られた温度に関連しています。 図 10b で観察された 110°C と 70.2°C のピークは、純粋な塩の分析でも見られました。 ただし、50°C で純粋な塩で観察された主な脱水ステップは、バインダーを使用した曲線には反映されていませんでした。 対照的に、バインダー混合物は 20.2°C と 94.1°C の 2 つのピークを示しましたが、これらは純粋な塩では測定されていませんでした (図 10b)。 150℃の温度では、観測された質量差は吸着器の単位面積あたり7.2g/m2に相当します。
HECと硫酸亜鉛（ZnSO4）の組み合わせは、許容できる結果をもたらさなかった（図11）。コーティングされた金属のTGA分析では、脱水プロセスは確認されなかった。コーティングの分布と密着性は改善されたものの、その特性は依然として最適には程遠い。
金属繊維を薄く均一な層でコーティングする最も簡単な方法は湿式含浸法 (図 12a) です。この方法では、対象となる塩を準備し、金属繊維に水溶液を含浸させます。
湿式含浸法の準備では、主に2つの問題に直面します。まず、生理食塩水の表面張力により、多孔質構造への液体の適切な浸透が阻害されます。外表面の結晶化（図12d）と構造内部の気泡（図12c）は、表面張力を下げ、サンプルを蒸留水で予め湿らせることでしか軽減できません。また、サンプル内部の空気を抜く、あるいは構造内に溶液の流れを作り出すことで強制的に溶解させる方法も、構造への完全な充填を確実にする効果的な方法です。
調製中に遭遇した2つ目の問題は、塩の一部から膜が剥がれることでした（図12b参照）。この現象は、溶解面に乾燥コーティングが形成されることで特徴付けられ、対流刺激による乾燥が停止し、拡散刺激による乾燥プロセスが開始されます。2つ目のメカニズムは1つ目のメカニズムよりもはるかに遅いため、適切な乾燥時間には高温が必要となり、サンプル内部に気泡が発生するリスクが高まります。この問題は、濃度変化（蒸発）ではなく温度変化に基づく代替結晶化法（図13のMgSO4の例を参照）を導入することで解決されます。
MgSO4 を使用した冷却および固相と液相の分離中の結晶化プロセスの概略図。
この方法を用いれば、室温（HT）以上で飽和食塩水を調製できます。前者では、温度を室温より下げることで結晶化を促しました。後者では、サンプルを室温（RT）まで冷却した際に結晶化が起こりました。結果として、結晶（B）と溶解した（A）の混合物が得られ、その液体部分は圧縮空気によって除去されます。この方法は、これらの水和物に膜が形成されるのを防ぐだけでなく、他の複合材料の調製に必要な時間を短縮します。ただし、圧縮空気による液体の除去は、食塩のさらなる結晶化を招き、結果としてコーティングが厚くなります。
金属表面をコーティングするもう一つの方法は、化学反応によって目的の塩を直接生成することです。フィンやチューブの金属表面で酸を反応させることで製造されるコーティング熱交換器は、以前の研究で報告されているように、多くの利点があります。この方法をファイバーに適用したところ、反応中にガスが発生したため、非常に悪い結果となりました。水素ガスの泡の圧力はプローブ内部で上昇し、生成物が排出される際に変化します（図14a）。
コーティングの厚さと分布をより適切に制御するため、化学反応によってコーティングを改質しました。この方法では、サンプルに酸性ミストを流します（図14b）。これにより、基材の金属との反応により均一なコーティングが形成されることが期待されます。結果は良好でしたが、プロセスが遅すぎるため、効果的な方法とは言えませんでした（図14c）。局所加熱により、反応時間を短縮できます。
上記の方法の欠点を克服するために、接着剤を使用したコーティング方法が研究されました。前のセクションで示した結果に基づいて、HEC が選択されました。すべてのサンプルは 3% wt で準備されました。バインダーは塩と混合されます。繊維はリブと同じ手順に従って前処理されました。つまり、50% vol に 15 分以内に浸漬しました。硫酸に浸し、次に水酸化ナトリウムに 20 秒間浸し、蒸留水で洗浄し、最後に蒸留水に 30 分間浸しました。この場合、含浸前に追加の手順が追加されました。サンプルを希薄ターゲット塩溶液に短時間浸し、約 60°C で乾燥させます。このプロセスは、金属の表面を改質して、最終段階でコーティングの分布を改善する核生成サイトを作成するように設計されています。繊維構造には、フィラメントがより細く密集している側と、フィラメントがより太く分布が少ない反対側があります。これは52の製造工程の結果です。
塩化カルシウム (CaCl2) の結果は、表 1 にまとめられ、写真で示されています。接種後の被覆率は良好です。表面に目に見える結晶がないストランドでも、金属反射が減少し、仕上がりの変化を示していました。ただし、サンプルを CaCl2 と HEC の水性混合物に含浸させ、約 60°C の温度で乾燥させた後、コーティングは構造の交差点に集中しました。これは、溶液の表面張力によって引き起こされる効果です。浸漬後、液体は表面張力によりサンプル内に残ります。基本的に、これは構造の交差点で発生します。試験片の最良の側には、塩で満たされた穴がいくつかあります。コーティング後、重量は 0.06 g/cm3 増加しました。
硫酸マグネシウム（MgSO4）によるコーティングにより、単位体積あたりの塩生成量が増加しました（表2）。この場合、測定された増加量は0.09 g/cm3です。シーディングプロセスにより、サンプルは広範囲に覆われました。コーティングプロセス後、塩はサンプルの薄い側の大部分を塞いでいます。さらに、マットの一部の領域は塞がれていますが、ある程度の多孔性は維持されています。この場合、構造の交差点で塩の形成が容易に観察され、コーティングプロセスは主に液体の表面張力によるものであり、塩と金属基板との相互作用によるものではないことが確認されました。
塩化ストロンチウム（SrCl2）とHECの組み合わせの結果は、前の例と同様の特性を示しました（表3）。この場合、サンプルの薄い側はほぼ完全に覆われています。サンプルから蒸気が放出された結果、乾燥中に形成された個々の細孔のみが観察されます。マット側で観察されたパターンは前の例と非常に似ており、その領域は塩で塞がれており、繊維は完全に覆われていません。
繊維構造が熱交換器の熱性能に及ぼすプラスの効果を評価するために、コーティングされた繊維構造の有効熱伝導率を測定し、純粋なコーティング材料と比較しました。熱伝導率は、図15aに示すフラットパネル装置を用いて、既知の熱伝導率を持つ参照材料を用いて、ASTM D 5470-2017に従って測定しました。他の過渡測定法と比較して、この原理は、測定が定常状態で十分なサンプルサイズ（ベース面積30×30mm2、高さ約15mm）で行われるため、本研究で使用されている多孔質材料には有利です。純粋なコーティング材料（参照）とコーティングされた繊維構造のサンプルは、繊維方向と繊維方向に垂直な方向の測定用に準備され、異方性熱伝導率の影響を評価しました。試験片は、試験片内の構造を反映しない試験片準備による表面粗さの影響を最小限に抑えるために、表面を研磨（P320グリット）しました。