Caracterização e análise experimental de trocador de calor feito em PDMS com adição de nanopartículas de resíduos da bateria

Abstract

O expressivo consumismo observado na sociedade atual torna preocupante a questão do gerenciamento dos resíduos gerados, especialmente dos provenientes de equipamentos elétricos e eletrônicos, que possuem compostos tóxicos ao meio ambiente e, consequentemente, podem afetar a saúde dos seres vivos. Dentro dessa perspectiva, há um interesse crescente pelo desenvolvimento de novos produtos considerando o modelo de economia circular. Nessa concepção, os resíduos obtidos no término do ciclo de vida de um produto são reintroduzidos como matéria- prima para a obtenção de um novo produto. Esta pesquisa insere-se nesse contexto ao reciclar baterias em fim de vida útil para obter partículas contendo elementos metálicos de sua composição e fabricar um novo material compósito de matriz polimérica. Mais precisamente, neste estudo é abordada a incorporação de nanopartículas obtidas de um processo hidrometalúrgico de reciclagem de baterias de íons de lítio no polidimetilsiloxano (PDMS), em diferentes proporções de concentração (0%, 5%, 10% e 15%), o que representa uma alternativa ambientalmente sustentável para o descarte incorreto e apresenta viés para a aplicação desses compósitos em microssistemas de gerenciamento térmico. Para realizar as análises, a pesquisa foi dividida em duas partes principais, sendo uma delas destinada à caracterização dos materiais, enquanto a segunda parte focou em experimentos termohidrodinâmicos com microtrocadores de calor fabricados com esses compósitos. As análises microscópicas e espectroscópicas dos compósitos desenvolvidos evidenciaram a presença de materiais metálicos, como o cobalto, além de fenômenos de agregação e aglomeração das partículas. Essa característica contribuiu para a formação de um cenário mecânico distinto nos compósitos, marcado pelo aumento da rigidez e pela redução da resistência e da elasticidade, proporcional ao teor de preenchimento acrescentado. As propriedades térmicas também foram alteradas com a incorporação das partículas, estabelecendo uma redução do calor específico à pressão constante e o aumento da condutividade térmica, este último alcançando um aumento de 67,12% na comparação entre o PDMS – 0 (0%) e o PDMS – 15 (15%). Para os testes experimentais com os microtrocadores de calor em bancada, dois arranjos de micropilares foram considerados: alinhado e escalonado. Nesses testes, a temperatura e a queda de pressão foram avaliadas considerando diferentes vazões do fluido de trabalho (água deionizada de alta pureza), potências de aquecimento e concentrações de partículas da reciclagem de bateria no material polimérico. Os resultados evidenciaram a preferência do compósito com 15% de nanopartículas metálicas para aplicações em gerenciamento térmico, o que se revelou por meio de menores temperaturas e maiores índices do coeficiente de transferência de calor por convecção. Ainda, como esperado, o aumento da queda de pressão foi proporcional ao aumento da vazão volumétrica do escoamento. Ambos os resultados foram significativamente afetados pela qualidade superficial dos micropilares dos arranjos desenvolvidos, devido à precisão geométrica dos moldes de fabricação. Os micropilares do arranjo alinhado estiveram melhor definidos geometricamente sobre a superfície, o que contribuiu para melhores resultados de transferência de calor e maior queda de pressão em comparação com o arranjo escalonado, no qual os micropilares apresentaram defeitos estruturais visíveis.

The significant consumerism observed in contemporary society raises concerns regarding the management of generated waste, particularly that originating from electrical and electronic equipment, which contains toxic compounds harmful to the environment and, consequently, may affect the health of living beings. From this perspective, there is a growing interest in the development of new products based on the circular economy model. Under this concept, waste obtained at the end of a product’s lifecycle is reintroduced as raw material for the production of a new product. This research is situated within this context by recycling end-of-life batteries to obtain particles containing metallic elements from their composition and to manufacture a new polymer-matrix composite material. More specifically, this study addresses the incorporation of nanoparticles obtained from a hydrometallurgical recycling process of lithium-ion batteries into polydimethylsiloxane (PDMS) at different concentration levels (0%, 5%, 10%, and 15%), representing an environmentally sustainable alternative to improper disposal and indicating potential applications of these composites in thermal management microsystems. To conduct the analyses, the research was divided into two main parts: one focused on materials characterization, and the other on thermohydrodynamic experiments using micro heat exchangers fabricated from these composites. Microscopic and spectroscopic analyses of the developed composites revealed the presence of metallic materials, such as cobalt, as well as particle aggregation and agglomeration phenomena. These characteristics contributed to the formation of a distinct mechanical behavior in the composites, characterized by increased stiffness and reduced strength and elasticity, proportional to the added filler content. Thermal properties were also modified by the incorporation, resulting in a reduction in the specific heat capacity at constant pressure and an increase in thermal conductivity, the latter reaching a 67.12% increase when comparing PDMS – 0 (0%) and PDMS – 15 (15%). For the experimental bench tests with the micro heat exchangers, two micropillar arrangements were considered: in-line and staggered. In these tests, temperature and pressure drop were evaluated under different working fluid flow rates (high-purity deionized water), heating powers, and concentrations of battery-recycling particles in the polymeric material. The results demonstrated a preference for the composite containing 15% metallic nanoparticles for thermal management applications, as evidenced by lower temperatures and higher convective heat transfer coefficients. Additionally, as expected, the increase in pressure drop was proportional to the increase in volumetric flow rate. Both results were significantly affected by the surface quality of the micropillars in the developed arrangements, due to the geometric precision of the fabrication molds. The micropillars in the in-line arrangement were better geometrically defined on the surface, contributing to improved heat transfer performance and higher pressure drop compared to the staggered arrangement, in which the micropillars exhibited visible structural defects.