Регистрация / Вход
Прислать материал

Поверхностная и объемная наномасштабная модификация и моделирование полимерных материалов

Докладчик: Назаров Виктор Геннадьевич

Должность: Проректор по НИР, Профессор, Доктор технических наук

Цель проекта:
1. Разработка эффективных способов поверхностной и объемной наномасштабной модификации полимерных материалов и их моделирование 2. В настоящем проекте предполагается применить новый подход, заключающийся в развитии многомасштабного моделирования с разработкой частных, переходных и универсальной моделей, отражающих разномасштабные структуры и свойства – молекулярный, нано-, микро- и макроуровни, и формирование различных лабильных структур в полимерах с изменяемыми, в том числе реверсивными, свойствами, как самопроизвольно за счет внутренних кинетических процессов, так и при управляющих регуляторах и под действием факторов окружающей среды.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будут разработаны частные, переходные и вариант универсальной модели по результатам многомасштабного моделирования реверсивных структур в полимерах.
Будет проведена экспериментальная апробация многомасштабного моделирования на конкретных системах и разработаны некоторые реверсивные полимерные и гибридные системы.
Будут созданы полимерные поверхностно и объемно наномасштабные полимерные системы, в том числе с реверсом поверхностных и механических свойств за счет внутренней структурной трансформации и под действием управляемых регуляторов и факторов окружающей среды.
Научно-технические результаты, планируемых к получению при выполнении научных исследований с участием иностранного партнера - создание полимерных объемно модифицированных материалов, обладающих свойствами биодеградации под действием управляемых факторов окружающей среды.
2. Предполагается в рамках решаемой прикладной научной задачи с учетом спектра разнообразных практических вопросов разработать и применить эффективные методы модификации поверхности материалов на основе полимеров и композитов с формированием:
а) гомогенных молекулярных, нано- и микро- и макроструктур, как предельно гидрофобных, подобных фторопластам, так и максимально гидрофильных, а также переходного регулируемого гидрофильно- гидрофобного баланса;
б) градиентных с переменной, плавно и/или скачкообразно изменяющейся по площади (длине) материала нано- и микроструктурой и поверхностной энергией,
в) мозаичных нано- и микроструктур, характеризующихся широким диапазоном изменения локальных значений поверхностной энергии
В рамках объемного наноструктурирования предполагается исследовать различные наполненные полимерные системы.
3. Принципиальными отличиями разрабатываемого подхода от известных являются:
- при многомасштабном моделировании – учет иерархической (реальной) структуры многих сложных, в том числе наноразмерных композитных, полимерных и биологических материалов и объектов;
- варьирование условий процессов и применяемых реагентов, последовательности взаимосвязанных стадий и операций при формировании разнообразной (в том числе мозаичной) по химическому дизайну и физической структуре поверхности и объема полимеров нано- и микро- и макроразмерного уровня различной иерархии;
- реализация локальных значений поверхностной энергии;
- локализация областей с фиксированными значениями поверхностной энергии;
- устойчивость поверхностного модифицированного слоя к многократным деформирующим нагрузкам за счет органичного единства его с полимером-основой;
- возможность модифицировать поверхность материалов и изделий из полимеров различной формы и размеров.
4. В последние годы в научном сообществе в значительной степени достигнуто общее мнение о целесообразности компьютерного, математического моделирования, в первую очередь, сложных систем для экономии времени и ресурсов на практическую реализацию формулируемых научных идей и подходов [Aлфимов М.В. Российские нанотехнологии. 2008. №1-2]. Применение компьютерного моделирования значительно сокращает время поиска эффективных решений и снижает расходы на эти цели. Это не значит, что методами компьютерного моделирования удаётся точно предсказывать структуру полимеров и композитов, но удается оптимизировать цикл экспериментальных исследований, существенно сократить круг вариантов, подлежащих экспериментальной проверке.
В соответствии с этим, научная новизна прикладной научной задачи заключается в поэтапной разработке сначала частных моделей, отражающих разномасштабную структуру полимерных и композитных материалов и соответствующий этой структурной иерархии реверс свойств – на молекулярном, нано-, микро- и макроуровнях, а затем переходных моделей, отражающих разнообразные взаимодействия этих разноуровневых структур с соответствующим проявлением реверса свойств, и как конечная цель – попытка разработки варианта универсальной модели.
5. Существует несколько общих положений, необходимых для достижения поставленной задачи.Для проявления реверса свойств в практически значимом диапазоне для позитивного функционирования различных систем формируемые структуры, при прочих равных условиях, должны быть лабильными, подвижными, а в точках равновесия – наоборот, относительно стабильными и устойчивыми. Свойства систем в точках равновесия должны существенно отличаться, чтобы практически важные свойства давали возможность реализовать различные функциональные задачи. Формируемые полимеры и композиты, очевидно, должны характеризоваться гетерогенной структурой, т.к. реверс свойств возможен при негомогенной, неоднородной структуре и химическом строении всей системы. Наиболее очевидными примерами подобных систем являются материалы с известным «эффектом памяти формы». Однако, наиболее широко такие эффекты следует ожидать и прогнозировать для систем с изменяющейся структурой и строением поверхности, т.к. именно она определяет многие важнейшие свойства полимеров и композитов - смачиваемость по жидкостям, адгезию, трение, оптические характеристики, биосовместимость и другие.В проекте предполагается использовать и при моделировании, и при экспериментальной апробации наноструктурированные материалы, которые, в общем случае, можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым материалам относятся, как правило, однокомпонентные, содержащие в своем составе неупорядоченным образом упакованные, наноструктуры одинакового химического состава и размера. К простым материалам можно отнести наномодифицированные, например, косметические материалы (кремы для загара, содержащие в своем составе наночастицы окиси циркония), защитные покрытия на текстильных материалах или других изделиях, смазочные покрытия, краски, лекарственные материалы, продукты питания, упаковочные материалы, бумагу, мембранные материалы, компактированные наноструктурированные керамики, разнообразные нанокомпозитные пленки, объемные нанокомпозитные материалы и т.д. Свойства простых материалов определяются в значительной степени свойствами наноструктур, включенных в материал. Сложные наноструктурированные материалы можно определить как многокомпонентные и иерархически организованные материалы, которые содержат субструктуры разного уровня масштаба, вложенные друг в друга (типа «русской матрешки»). Такие материалы пока практически отсутствуют на рынке товарной продукции, но именно они имеют значительный потенциал развития. Биологические материалы относятся к «сложным» материалам и именно иерархичность их строения определяет их уникальные свойства и, в первую очередь, «разнообразие» их свойств при «однообразии» их химического состава. В проекте предполагается исследовать ряд сложных полимерных систем с наноструктурированными наполнителями и гомогенно и гетерогенно модифицированной поверхностью.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные результаты предполагается использовать в системах уплотнительной техники, при создании интеллектуальной упаковки продуктов питания, медикаментов и изделий различного назначения, средствах кодирования, записи и воспроизведения информации, для защиты товаров от подделки, в строительстве, узлах и конструкциях с регулирующими механизмами, покрытиях с изменяемыми поверхностными характеристиками, а также в производствах по утилизации полимерных упаковочных материалов, в том числе содержащих биоразлагаемые ингредиенты.
2. Возможными потребителями ожидаемых результатов могут быть предприятия и организации, которые производят системы и материалы уплотнительной техники, выпускают интеллектуальную упаковку продуктов питания, медикаментов и изделий различного назначения на основе термохромных эффектов, средства кодирования, записи и воспроизведения информации, материалы для защиты товаров от подделки, в строительстве, узлах и конструкциях с регулирующими механизмами, покрытиях с изменяемыми поверхностными характеристиками.
3. Актуальность проблемы моделирования и разработки интеллектуальных самонастраиваемых систем (полимерных, композитных и гибридных материалов и устройств на их основе) обусловлена интенсивным развитием междисциплинарных исследований на стыке математики, физики, химии и биологии. Анализ тенденций развития фундаментальных работ и технологий получения новых полимерных и композиционных материалов, в том числе и наносистем, с комплексом позитивных физико-химических свойств показывает, что традиционные методы синтеза — полимеризация и поликонденсация — во многом исчерпали себя и вероятность появления полимеров с характеристиками, существенно превосходящими достигнутый известный уровень, значительно уменьшилась. Третье общее направление получения полимеров — их модификация — ускоренно развивается в последние годы. Среди разнообразных способов модификации полимеров особенно перспективными в практическом и интересными в фундаментальном аспектах являются два направления – введение в материал наночастиц различной природы и модификация поверхности материалов (изделий) с формированием нанопокрытий. Модификация поверхности полимерных материалов и изделий из них — интенсивно развивающееся многоуровневое научное направление, основным объектом которого является трансформация структуры поверхностного и переходного слоев, позволяющее на основе известных полимеров разрабатывать технологии получения качественно иных материалов с комплексом улучшенных физико-химических и эксплуатационных свойств.

Текущие результаты проекта:
Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, патентной и методической литературы по исследуемой проблеме. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96. Исследованы физико-химические свойства поверхностно и объемно модифицированных наноматериалов.