Фазопереходные теплоаккумулирующие материалы нового поколения на основе парафинов и углеродных нанонаполнителей. Многомасштабное компьютерное моделирование и эксперимент

Композиты на основе парафинов, наполненных молекулами асфальтенов, представляют собой перспективный класс материалов с точки зрения их применения в тепловых аккумуляторах. С целью всестороннего изучения этих композитных материалов в рамках данного проекта были объединены усилия двух исследовательских групп: группы, занимающейся компьютерным моделированием, и экспериментальной группы. В рамках трехлетнего проекта (201-2021 гг.) был выполнен большой объем работы. В компьютерном моделировании использовался метод молекулярной динамики в совокупности с атомистическими и крупнозернистыми моделями. В экспериментальных исследованиях для выделения асфальтенов использовалось фракционирование, химическая модификация проводилась с помощью крекинга и сульфирования. Полученные экспериментальные композитные образцы парафина с асфальтенами изучали с помощью оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа и реологических измерений на ротационном реометре. С помощью методов многомасштабного компьютерного моделирования был проведен анализ структурных, динамических и теплопроводящих свойств парафина, наполненного молекулами асфальтенов. Было показано, что агрегация наполнителя в парафине (и соответственно теплопроводящие свойства композитного образца) может быть существенно улучшена за счет химической модификации молекул асфальтенов путем удаления их боковых алифатических групп. Данные теоретические результаты были использованы при проведении экспериментальных исследований, которые были направлены на выделение асфальтенов различного происхождения и на их химическую модификацию, на отработку методологии создания композитов на основе парафина и асфальтенов, а также на измерение физико-химических свойств получившихся композитных материалов. В то время как для систем, наполненных нефтяными асфальтенами, экспериментально не было зафиксировано существенного увеличения теплопроводности, оказалось, что добавление в парафин модифицированных «техногенных» асфальтенов (т.е. асфальтенов, получаемых из тяжелой смолы пиролиза) приводит к заметному росту теплопроводности композита, предсказанному в компьютерном моделировании. В целом, полученные в проекте результаты вносят существенный вклад в решение фундаментальной и важной с практической точки зрения проблемы — установление молекулярных механизмов, отвечающих за теплофизические свойства и морфологию теплоаккумулирующих материалов на основе парафинов. Данная проблема приобретает в последние годы все большую актуальность, поскольку создание доступных устройств для накопления и распределения тепловой энергии способно существенно снизить потребление ископаемого топлива, внося тем самым вклад в снижение углеродного следа экономики.