Композитные терморегулирующие покрытия на основе наноразмерных контейнеров с инкапсулированными фазово-переходными материалами

В ходе первого этапа выполнения работы была проведена загрузка неорганических фазово-переходных материалов (кристаллогидратов солей) в алюмосиликатные нанотрубки галлуазита методом вакуумной пропитки. Проведено исследование физико-химических свойств полученных образцов методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), ИК-Фурье спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и энергодисперсионного рентгеновского элементного анализа (EDX). Методами ИК-Фурье спектроскопии, ПЭМ и EDX установлена успешная загрузка кристаллогидратов солей в полость нанотрубок галлуазита. Проведено исследование термической стабильности приготовленных образцов методами ИК-Фурье спектроскопии и ДСК. Установлено, что при нагреве происходит потеря воды в образцах, что негативно сказывается на их термической циклической стабильности. Проведено исследование возможности загрузки функциональных веществ в нанотрубки галлуазита методом индуцированной кристаллизацией адсорбции (ИКА) с использованием модельных наночастиц золота. Проведено сравнение эффективности загрузки наночастиц золота методом ИКА с методами вакуумной пропитки и адсорбции из раствора. Установлено, что нанотрубки галлуазита могут быть использованы в качестве контейнеров для загрузки методом ИКА. По результатам измерения спектров поглощения в УФ-видимой области установлено, что эффективность загрузки наночастиц золота методом ИКА составляет порядка 85% после 5 циклов загрузки, что как минимум в два раз выше, по сравнению с эффективностью загрузки методом вакуумной пропитки и адсорбции из раствора при одинаковом соотношении наночастиц золота и нанотрубок. С помощью ПЭМ установлено, что использование метода ИКА приводит к лучшему проникновению наночастиц золота в полость нанотрубок галлуазита, по сравнению с другими методами. В ходе выполнения второго этапа проекта были проведены исследования возможности повышения стабильности органических фазово-переходных материалов путем их адсорбции на поверхность волокон-субстратов с большой удельной площадью поверхности, используя стеариновую кислоту в качестве модельного органического фазово-переходного материала и волокон микрофибриллярной целлюлозы в качестве субстрата. Было проведено изучение структуры и состава композитных волокон методами сканирующей электронной микроскопии, конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, и ИК-Фурье спектроскопии. Терморегулирующие свойства, термическая и циклическая стабильность и устойчивость формы полученных композитов были исследованы методами дифференциальной сканирующей калориметрии, термогравиметрического анализа и контроля массы при циклическом нагреве и охлаждении образцов. Показано получение композитных волокон с терморегулирующими свойствами и возможность управления их параметрами в процессе получения. Установлено, что адсорбция стеариновой кислоты на поверхность микрофибриллярной целлюлозы повышает ее устойчивость формы и эффективно предотвращает утечку в диапазоне рабочих температур, сопоставимых с величиной температуры плавления стеариновой кислоты. Проведено изучение влияния модификации волокон микрофибриллярной целлюлозы наночастицами серебра на динамику нагрева и охлаждения композитных волокон. Показано, что модификация волокон микрофибриллярной целлюлозы наночастицами серебра приводит к более быстрому нагреву и охлаждению композитов и улучшает динамику высвобождения накопленной тепловой энергии. В ходе выполнения третьего этапа проекта было проведено изучение процессов получения стабильных органических фазово-переходных материалов в инкапсулированной форме. Инкапсуляция проводилась путем получения эмульсии типа «масло в воде», содержащей в масляной фазе растворенный органический ФПМ октадекан, с последующей полимеризацией оболочки на границе раздела фаз масло/вода. В результате были получены капсулы с оболочкой из полиуретана с различным содержанием инкапсулированного ФПМ. Было проведено изучение влияния содержания октадекана в исходной масляной фазе на процесс формирования полиуретановой оболочки, структуру и термореглирующие свойства полученных капсул. Установлено, что увеличение содержания октадекана в масляной фазе приводит к уменьшению толщины формирующейся полиуретановой оболочки при прочих неизменных параметрах синтеза капсул. Терморегулирующими свойствами капсул можно управлять, варьируя содержание октадекана в масляной фазе. При этом эффективность загрузки октадекана увеличивается нелинейно в зависимости от его содержания в масляной фазе и выходит на плато при достижении 66%. Было проведено изучение возможности получения терморегулирующих микрокапсул с полиуретановой оболочкой, загруженных октадеканом, путем полимеризации эмульсии Пикеринга, стабилизированной нанокристаллической целлюлозой. В этом случае нанокристаллическая целлюлоза выступает одновременно в качестве стабилизатора эмульсии и источника гидроксильных групп для сшивки оболочки в ходе реакции полимеризации с растворенным в масляной фазе полиизоцианатом. Установлено, что в данной реакции целлюлоза ведет себя как разветвлённый олиго-полиол с высокой функциональностью (6 гидроксильных групп на мономерное звено), что приводит к образованию жесткой полиуретановой структуры с высокой плотностью уретановых групп. Инкапсуляция октадекана в подобные капсулы значительно повышает его устойчивость формы и термическую стабильность. Проведено изучение возможности применения полученных композитных волокон в качестве функциональных добавок к строительным материалам на примере сухой строительной смеси на цементной основе. Показано, что что добавление композитных терморегулирующих волокон оказывает эффект на динамику теплообмена с окружающей средой материалов на цементной основе. Динамикой теплообмена можно управлять путем варьирования массовой фракции композитных волокон в изначальной сухой смеси. Проведено изучение возможности использования полиуретановых капсул, загруженных октадеканом, в качестве терморегулирующей добавки к акриловой краске. Установлено, что капсулы сохраняют целостность оболочки, структуру и форму при высыхании слоя краски. Эффективностью загрузки при добавлении в краску может достигать до 35% по массе с сохранением консистенции краски, пригодной к нанесению кистью. Энтальпия фазовых переходов краски с добавленными капсулами увеличивается до 41 Дж/г в температурном диапазоне от 10–20°С.