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

Целью проекта является установление молекулярных механизмов, отвечающих за теплофизические свойства и морфологию теплоаккумулирующих материалов на основе парафинов. Данная фундаментальная проблема важна с практической точки зрения, поскольку имеет прямое отношение к созданию доступных устройств для накопления и распределения тепловой энергии. В качестве теплоаккумулирующих материалов в проекте изучались композитные системы на основе парафина и молекул асфальтенов, а также модельных полиароматических углеводородов, при этом использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. С помощью компьютерного моделирования было показано, что размер ядра асфальтенов является одним из важнейших параметров, определяющих их агрегационное поведение в композитных системах на основе парафина. Увеличение размера ароматического ядра усиливает упорядочение асфальтенов в парафине, приводя к формированию протяженных агрегатов. Особенно заметным данный эффект становится после модификации асфальтенов путем удаления алифатической периферии: такие асфальтены образуют колончатые агрегаты из взаимодействующих друг с другом протяженных стопок, существенно увеличивая теплопроводность. Таким образом, согласно результатам моделирования, для увеличения теплопроводности парафина следует использовать асфальтены с ароматическим ядром большого размера. Кроме того, было проведено компьютерное моделирование композитных систем, наполненных молекулами коронена, овалена и гексабензокоронена. Показано, что коронены не агрегируют в парафине и ограничивают его кристаллизацию, в то время как овалены образуют агрегаты из нескольких молекул в жидком парафине. Молекулы гексабензокоронена образуют колончатые агрегаты как в жидком парафине, так и в кристаллическом образце. Добавление гексабензокоронена приводит к увеличению теплопроводности, это коррелирует с образованием и увеличением размера упорядоченных агрегатов при росте концентрации наполнителя. Данный результат находится в согласии с данными экспериментальных исследований, проведенных в рамках проекта. Наконец, для изучения композитов «парафин-асфальтены» на мезоскопических масштабах было проведено крупнозернистое моделирование систем «парафин-асфальтены». Впервые было показано, что средний размер агрегатов асфальтенов не меняется при увеличении размера системы. Однако, для системы с высокой концентрацией модифицированных асфальтенов был обнаружен существенный рост среднего размера агрегата при увеличении размера системы, что соответствовало фазовому разделению молекул асфальтенов и цепей парафина. Для получения оптимальных углеродных структур, приводящих к наибольшему росту теплопроводности композитов на основе парафина, были изучены различные экспериментальные методы модификации асфальтенов, включая фракционирование, окислительную деструкцию и крекинг. Было показано, что термический крекинг асфальтенов может рассматриваться в качестве нового базового подхода для получения углеродных материалов с возможностью регулирования в их составе доли полиароматических и алкильных структур и различной растворимости в органических растворителях. С помощью экспериментальных методов было показано, что молекулы коронена и гексабензокоронена являются несовместимыми с парафином, антрацен слабо растворяется в парафине при высокой температуре, а нафталин полностью растворяется в парафине выше температуры плавления парафина. При добавлении модельных ароматических веществ степень кристалличности парафина увеличивалась в пределах 5%, за исключением нафталина, для которого кристалличность возрастала на четверть. Добавление всех рассмотренных модельных полиароматических веществ приводило к увеличению теплопроводности парафина, при этом наибольший рост наблюдался при концентрации 30 мас. %. Обнаруженное увеличение теплопроводности в системах с гексабензокороненом качественно согласуется с результатами компьютерного моделирования, в котором такое поведение было объяснено образованием протяженных агрегатов гексабензокоронена.