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.