Регистрация / Вход
Прислать материал

Поверхностная и объемная наномасштабная модификация и моделирование полимерных материалов

Номер контракта: 14.583.21.0007

Руководитель: Назаров Виктор Геннадьевич

Должность: Профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
структура, свойства, полимеры, наномасштабные структуры, поверхность, фторирование, сульфирование, окисление, релаксация, многомасштабное моделирование, биоразлагаемые полимерные материалы

Цель проекта:
1. 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. 2. Разработка способов поверхностной и объемной наномасштабной модификации полимерных материалов и их моделирование

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов:
1.Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
2. Выполнены выбор и обоснование направления исследований, в том числе:
-Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
-Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.
3 Разработаны и исследованы варианты возможных решений задачи и выбран оптимальный вариант решения задачи.
4.Разработаны новые поверхностно и объемно модифицированные наноматериалы на основе полиолефинов.
5. Исследованы физико-химические свойства поверхностно и объемно модифицированных наноматериалов
6. Разработаны лабораторные методики получения новых наноматериалов
7. Изготовлены экспериментальные образцы новых наноматериалов
8. Разработаны алгоритмы и компьютерная программа для интегрального моделирования свойств наноматериалов рассматриваемого и близких классов.
9 Разработаны предложения по использованию новых наноматериалов

Работы, выполненные Иностранным партнером, в соответствии с "Меморандумом о двустороннем научно-техническом сотрудничестве в области нанотехнологий" от 08.10.2014 между МГУП имени Ивана Федорова (г.Москва, Россия) и Университетом Джунг Бу (г. Инчеон, Республика Корея) иностранным партнером за счет собственных средств (внебюджетных):
1.Выполнен аналитический обзор в области современных методов модификации синтетических полимеров соединениями растительного происхождения
2.Проведены патентные исследования по выбранному научному направлению.
3 Разработаны лабораторные методики получения новых наномодифицированных полимерных материалов, содержащих соединения растительного происхождения.
4. Изготовлены лабораторные образцы новых наномодифицированных полимерных материалов, содержащих соединения растительного происхождения.
5. Проведен комплекс физико-химических исследований лабораторных образцов модифицированных полимерных материалов.
6. Разработаны предложения по использованию новых наномодифицированных материалов

2.Разрабатываемые новые поверхностно и объемно модифицированные полимерные материалы должны быть предназначены для создания нового класса наноматериалов на полимерной или гибридной основе, обладающих устойчивостью к факторам внешней среды и способностью реагировать на изменяющиеся внешние (температура, вода и ее пары) воздействия, контролируемым образом изменяя свои функциональные свойства: смачиваемость – не менее чем на ±15%, снижение проницаемости по низкомолекулярным веществам - не менее чем на 50%, механические свойства.
Разрабатываемые методы моделирования композиций, структуры и функциональных свойств новых наноматериалов должны позволять предсказывать характер и величину отклика новых наноматериалов на внешние воздействия.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разработаны частные, переходные и вариант универсальной модели по результатам многомасштабного моделирования разноразмерных структур в полимерах.
Проведена экспериментальная апробация многомасштабного моделирования на конкретных системах и разработаны некоторые полимерные и гибридные системы.
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, полученные иностранным партнером - созданы полимерные объемно модифицированные материалы, обладающие свойствами биодеградации под действием управляемых факторов окружающей среды.
2. 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-, 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.
3. 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 заключается в разработке частных моделей, отражающих разномасштабную структуру полимерных и композитных материалов и соответствующих этой структурной иерархии свойств – на молекулярном, нано-, микро- и макроуровнях, а затем переходных моделей, отражающих разнообразные взаимодействия этих разноуровневых структур с соответствующим проявлением свойств, и как конечная цель – попытка разработки варианта универсальной модели.
Кроме того, результатами научных исследований является возможность модифицировать поверхность материалов и изделий из полимеров различной формы и размеров, а также их объем ингредиентами растительного происхождения с формированием биоразлагаемых композитов.
4. Существует несколько общих положений, необходимых для достижения поставленной задачи. Для проявления варьируемых 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. 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. 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. 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:
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.
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.
Актуальность проблемы моделирования и разработки 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:
Изготовлены экспериментальные образцы полимерных материалов и проведена сравнительная оценка их физико-химических свойств со свойствами полимерных материалов, используемых в науке и промышленности.
Обобщены результаты исследований и разработаны предложения по использованию результатов теоретических и экспериментальных исследований в науке и промышленности.