Совершенствование технологии микрокапсулирования применительно к полимерных композиционным материалам

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«МИРЭА – Российский технологический университет»
РТУ МИРЭА
Институт перспективных технологий и индустриального программирования
(наименование института (филиала)
Кафедра цифровых и аддитивных технологий
(наименование кафедры)
Обзорная статья
Совершенствование технологии микрокапсулирования применительно к
полимерных композиционным материалам
Автор:
Студент группы ТЛМО-01-21
« __» __________ 2022
г.
Андреева С.А,
(подпись и расшифровка подписи)
Руководитель
от кафедры
«___» _________ 2022 г. (Тюрина С.А.)
(подпись и расшифровка подписи)
Аннотация
Исследованы различные методы микрокапсулирования полимерных
композиционных материалов, а также влияние ряда факторов на процесс
получения микрокапсул. Рассмотрены основные области применения
технологии
микрокапсулирования.
Изучено
влияние
структуры
микрокапсулированных материалов на качество получаемого продукта.
Ключевые
слова:
Полимерные
композиционные
материалы,
Микрокапсулирование, Материал фазового перехода, Самовосстановление,
Тепловые свойства
Москва 2022
1. Введение
Микрокапсулирование — это процесс покрытия отдельных частиц или
капель сплошной пленкой для получения капсул размером от микрометра до
миллиметра,
известных
как
микрокапсулы.
Микрокапсулированные
материалы состоят из двух основных частей: ядра и полимерной или
неорганической оболочки (рис. 1).
Рисунок 1 – Описание строения микрокапсулы
Существует
несколько
используемых
для
используемые
методы
физических
производства
и
микрокапсул
микрокапсуляции
-
химических
[1].
методов,
Наиболее
распылительная
часто
сушка,
коацервация и эмульсионная полимеризация.
2. Распылительная сушка
Инкапсуляция с распылительной сушкой представляет собой недорогой
коммерческий
процесс,
который
осуществляется
путем
распыления
однородной смеси материала ядра и оболочки в нагретую камеру, где
происходит быстрое испарение с образованием микрокапсул (рис. 2):
Рисунок 3 - Схематическое изображение оборудования для
распылительной сушки
На рис. 5 показаны микрокапсулы парафина Rubitherm® RT27 с
углеродными
нановолокнами
(УНВ)
с
использованием
полиэтилена-
этилвинилацетата низкой плотности (ПЭНП-ЭВА) в качестве полимерной
оболочки. Это микрокапсулированный изменяющий агрегатное состояние
материал (MEPCM), относящийся к категории энергоообменных смарт
материалов. Основным его свойством является способность удерживать и
отдавать большое количество тепловой энергии, сохраняя при этом
постоянную температуру. Использование УНВ привело к увеличению выхода
капсулирования до 49% и повышению теплопроводности и жесткости
микрокапсул при сохранении постоянной теплоемкости. [2]
Рисунок 5 – Фотография микрокапсулы, полученная с помощью
электронного сканирующего микроскопа
3. Коацервация
Термин коацервация произошел от латинского слова «acervus», что
означает «куча». Основным процессом в методе сложной коацервации
является осаждение материала оболочки на эмульгированные частицы ядра
путем добавления второго водного раствора полимера с последующим
изменением среды. Затем проводится стабилизация микрокапсул путем
сшивания, десольватации или термической обработки [3].
Ондер и др. [4] разработали технологию инкапсуляции парафинового
воска, подходящего для текстильных изделий, путем сложной коацервации
смеси желатина и камеди акации. Данная технология используется при
создании одежды для активного отдыха такими фирмами как Outlast® и
ComforTemp®.
4. Эмульсионная полимеризация
При эмульсионной полимеризации инициатор растворим в водной фазе,
а мономер эмульгируется в полимеризационной среде с помощью
поверхностно-активного
вещества.
Мономер
распределяется
между
капельной эмульсией, мицеллами поверхностно-активного вещества и водной
фазой. [5].
Данный метод находит широкое применение при микрокапсулировании
эпоксидиановых смол для самовосстанавливающихся композиций. В работе
Терехова и соавт. [6] были получены микрофотографии, на которых видно, как
при получении скола происходит разрушение части микрокапсул с
последующим высвобождением закапсулированной эпоксидной смолы –
«лечащего агента».
Рисунок 8 – Микроструктура скола отвержденного связующего ВСЭ30, наполненного микрокапсулами (а, б), и участков с высвободившейся
эпоксидной смолой (в, г)
Такие самовосстанавливающиеся материалы очень важны в области
авиастроения, так как они позволяют уменьшить временные и финансовые
расходы на техническое обслуживание изделий и продлить период
эксплуатации материала. Наиболее перспективный исходный материал для
получения оболочки микрокапсул, наполненных эпоксидными смолами карбамидоформальдегидный
олигомер
[7].
Преимуществом
его
использования является дешевизна, доступность и нереакционноспособность
по отношению к наполнителю.
Эмульсионным
методом
получают
также
микрокапсулы
для
самосмазывающихся полимерных композитов. Было обнаружено, что
полярный растворитель, выделяющийся после развития трещины, может
смачивать поверхность полимера и набухать в объеме полимера, что приводит
к миграции полимерной цепи на поверхность трещины и залечиванию
поверхности трещины. Линь Чжан и др. создали бифункциональные капсулы,
содержащие органический растворитель дибутилфталат и льняное масло,
которые были заполнены матрицей из эпоксидной смолы и отверждены с
образованием композитных материалов. Эффективность самовосстановления
полученных материалов была выше 96 % по объему, коэффициент трения был
снижен на 92 %, а скорость износа уменьшилась в три раза [8].
5. Выводы
Технология микрокапсуляции находит свое применение при создании
энергообменных
смарт
материалов,
самовосстанавливающихся
конструкционных и самосмазывающихся композитов.
Основные направления совершенствования рассмотренных технологий:
 наполнение ядра микрокапсулы углеродными нановолокнами для
повышения эффективности МЕРСМ;
 инкапсулирование парафинов желатином и камедью акации для
создания сохраняющей тепло одежды;
 получение
эпоксидных
карбамидоформальдегидного
микрокапсул
олигомера
в
для
оболочке
удешевления
самовосстанавливающихся авиационных ПКМ;
 создание бифункциональных микрокапсул для самосмазывающихся
ПКМ.
Список литературы
1. Тяги В.В., Кошик СК, Тяги СК, Акияма Т. Разработка технологии
материалов с фазовым переходом на основе микрокапсул для зданий:
обзор. Renew Sustain Energy Rev, 15 (2011), стр. 1373–1391.
2. М.Н.А.Хауладер,
М.С.Уддин,
М.М.Хин.
Микрокапсулированная
система хранения тепловой энергии ПКМ. Appl Energy, 74 (2003), стр.
195-202.
3. Н. В. Н. Джоти, П. М. Прасанна, С. Н. Сакаркар, К. С. Прабха, П. С.
Рамая, Г. Шраван. Методы микрокапсулирования, факторы, влияющие
на эффективность инкапсуляции. J Microencapsul, 27 (2010), стр. 187197.
4. Э. Ондер, Н. Сарье, Э. Чимен. Инкапсуляция материалов с фазовым
переходом путем сложной коацервации для улучшения тепловых
характеристик тканых материалов. Thermochim Acta, 467 (2008), стр. 6372.
5. Р.
Аршади.
Суспензионная,
эмульсионная
и
дисперсионная
полимеризация: методический обзор. Коллоидный полимер Sci., 270
(1992), стр. 717-732.
6. Терехов И.В., Шленский В.А., Куршев Е.В., Лонский С.Л., Дятлов В.А.
Исследование факторов, влияющих на образование эпоксисодержащих
микрокапсул
для
самовосстанавливающихся
композиций
//
Авиационные материалы и технологии №3 (52). 2018. С. 27-34.
7. Раскутин А.Е., Хрульков А.В., Язвенко Л.Н. Полимерное пленочное
покрытие для конструкций из ПКМ (обзор) // Труды ВИАМ: электрон.
науч.-технич. журн. 2017. №2 (50). Ст. 05.
8. Л. Чжан, Х. Ван, Ф. Хэ, Х. Чен, Г. Си, Б. Вэй, Д. Лю, Б. Хе, Ч. П. Ву.
Самовосстанавливающиеся полимерные композиты, полученные in situ,
содержащие бифункциональные микрокапсулы // Composites Part B:
Engineering. 2022. Том 232.