Новые термоизолирующие материалы на основе функциональных композитных и гибридных структур с фазово-переходными свойствами

Целью проекта является получение композитных и гибридных терморегулирующих структур на основе парафинов и газовых гидратов в качестве фазово-переходных материалов (ФПМ) для создания инновационных термоизолирующих материалов и покрытий с улучшенными энергосберегающими свойствами. Фазово-переходные материалы (ФПМ) позволяют аккумулировать тепловую энергию в виде скрытой теплоты фазовых переходов при плавлении и кристаллизации веществ. Данный способ характеризуется высокой плотностью хранения тепловой энергии в узком интервале температур и позволяет запасать избыток тепловой энергии, когда она доступна и высвобождать, когда она необходима. Одним из классов органических ФПМ являются парафины, представляющие собой предельные углеводороды с температурой плавления и кристаллизации, зависящим от длины углеводородной цепи. В частности, парафины С10–С12 характеризуются температурой плавления в диапазоне от –29°С до –9°С и удельной величиной запасаемой тепловой энергии 200–220 Дж/г, благодаря чему могут быть рассмотрены в качестве терморегулирующих добавок для получения инновационных термоизолирующих материалов, эксплуатируемых в области отрицательных температур. Однако, их недостатком является подверженность утечкам в жидком состоянии. Эффективным способом предотвращения утечек является инкапсуляция парафинов в полимерные контейнеры с полиуретановой оболочкой методом эмульсионной полимеризации, который, тем не менее, не лишен своих недостатков. В частности, данный метод требует формирования прямой эмульсии, в которой в качестве масляной фазы используется тройная система «парафин-растворитель-изоцианат», что требует учета характера взаимодействия данных компонентов. В качестве альтернативы, представляют интерес методы с использованием однокомпонентной масляной фазы (только парафина), например, полимеризация in situ. Кроме того, для сокращения широкого использования ПАВ и перехода к более экологичным способам получения наноматериалов, представляет интерес развитие методов инкапсуляции парафинов в контейнеры с гибридной оболочкой, путем полимерной сшивки эмульсий Пикеринга, стабилизированных наноструктурами природного происхождения – наноцеллюлозой. В свою очередь, зависимость стабильности газовых гидратов от давления и состава газа позволяет задавать температуру фазовых переходов в широком диапазоне (от -20 до 20°С), поэтому данный класс материалов представляет интерес в качестве аккумуляторов холода. Важным аспектом их практического применения является минимизация эффекта переохлаждения, приводящего к возникновению существенной разницы в температурах запасания и высвобождения тепловой энергии, и предотвращение необратимого испарения воды при циклических фазовых превращениях. Получение стабильных композитов на основе различных типов ФПМ является важной задачей, решение которой приведет к созданию новых энергоэффективных материалов с функцией активной терморегуляции, содержащих композитные ФПМ в виде функциональных добавок. Одним из аспектов практического применения терморегулирующих добавок на основе ФПМ, в котором может быть заинтересован реальный сектор экономики РФ, является минимизация естественной убыли при хранении жидких углеводородов в следствие суточных перепадов температур. В этой связи эффективное снижение потерь путем нанесения активных терморегулирующих покрытий на резервуары и ёмкости хранения углеводородов непосредственно сопряжено с изучением состава и температурных условий образования паров углеводородов и разработкой эффективной методологии анализа и мониторинга естественной убыли нефтепродуктов при длительном хранении. Другим аспектом практического применения терморегулирующих добавок на основе ФПМ с отрицательными температурами плавления/кристаллизации, представляющим интерес для реального сектора, являются новые термоизолирующие материалы для обустройства жилых и производственных объектов в условиях северных и арктических регионов. Таким образом, в ходе выполнения проекта планируется разработать и развивать методы и подходы к получению стабильных композитных терморегулирующих материалов с использованием ФПМ, и новых термоизолирующих и энергосберегающих материалов и покрытий на их основе, а именно: • оптимизировать методы инкапсуляции парафинов путем формирования прямых эмульсий, стабилизированных ПАВ, с однокомпонентной масляной фазой; • провести изучение фазовых равновесий в тройных системах «парафин-растворитель-изоцианат» с использованием органических растворителей различной полярности и изоцианатов различной структуры; • оптимизировать методы формирования эмульсий Пикеринга с управляемым характером адсорбции наноцеллюлозы на границе раздела фаз вода/масло и последующей полимерной сшивкой оболочки, в том числе, применительно к инкапсуляции парафинов с отрицательными температурами плавления; • получить новые термоизолирующие материалы и покрытия, содержащие инкапсулированные парафины, и провести изучение их структурных и энергосберегающих свойств • оптимизировать методы получения стабильных композитных фазово-переходных материалов на основе газовых гидратов в условиях, имитирующих природные и технологические системы; • разработать и оптимизировать методологии анализа и мониторинга естественной убыли нефтепродуктов при длительном хранении.