14.577.21.0235

Цели исследования: 1) Разработка основ технологии получения радиационно-сшитых композитных материалов различного назначения путем проведения радиационной прививки полимеров к растворенной целлюлозе с последующим осаждением из раствора композитного материала.
2) Создание научно-технологического задела для разработки новых продуктов и/или технологий на основе комплексного использования возобновляемого сырья.
Задачи исследования: Основными задачами проекта являются:
1) разработка способов получения композитных материалов на основе целлюлозы различного назначения;
2) характеризация полученных материалов с помощью современных методов исследования;
3) испытания полученных материалов в соответствии с предполагаемым назначением.

Целлюлоза является самым распространенным биополимером на Земле и широко используется в качестве материала для одежды, утилитарных предметов, письменных нужд. Тем не менее, материалы на основе целлюлозы могли бы найти еще более широкое применение, если бы они сочетали дешевизну и прочность целлюлозы со свойствами синтетических полимеров: гидрофобностью, стойкостью к химическому воздействию, блеском. Повышение химической стойкости и функционализация целлюлозных материалов может проводиться по аналогии с природными решениями: в живых организмах, как правило, целлюлоза помещена в матрикс гемицеллюлоз и лигнина, образуя композитный лигноцеллюлозный материал. Среди способов функционализации целлюлозы особенно выделяется прививка полимеров под действием ионизирующих излучений: этот метод прост в реализации (при наличии источника радиации), не требует дополнительного введения радикальных инициаторов или фотоинициаторов, применим к широкому кругу мономеров, служащих сырьем для прививаемых полимеров [Roy, D. et al. (2009). Chemical Society Reviews, 38(7), 2046-2064. DOI: 10.1039/b808639g]. Следует отметить, что действие ионизирующих излучений несет угрозу уменьшения прочности целлюлозных волокон из-за случайных разрывов связей между звеньями биополимера, что вынуждает применять для активации прививки малые дозы облучения (до 30 кГр) [Siró, I., & Plackett, D. (2010). Cellulose, 17(3), 459-494. DOI: 10.1007/s10570-010-9405-y].
В ходе выполнения проекта будут разработаны новые функциональные композитные материалы на основе целлюлозы.

В последние годы многие исследователи проявляют интерес к теме получения композитных материалов на основе целлюлозы и различных мономеров: к наиболее цитируемым работам в этой области относятся исследования, посвященные получению привитых сополимеров целлюлозы и поливинилфосфорной кислоты [Gashti, M. P., & Almasian, A. (2013). Composites Part B: Engineering, 45(1), 282-289. DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.07.052], целлюлозы и полилактида с привитым малеиновым ангидридом [Zhou, C. et al. (2013). ACS applied materials & interfaces, 5(9), 3847-3854. DOI: 10.1021/am4005072], целлюлозы и полигидроксиэтилметакрилата [Kodama, Y., Barsbay, M., & Güven, O. (2014). Radiation Physics and Chemistry, 94, 98-104. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2013.07.016]. Прививка полимеров позволяет придавать целлюлозным материалам новые свойства: так, прививка полиакриламида к карбоксиметилцеллюлозе позволяет существенно повысить ее сорбционные свойства [Hemvichian, K., Chanthawong, A., & Suwanmala, P. (2014). Radiation Physics and Chemistry, 103, 167-171. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2014.05.064], а прививка поли(4-винилпиридин)а позволяет получить обратимый флоккулянт, свойства которого зависят от pH среды [Kan, K. H. et al. (2013). Biomacromolecules, 14(9), 3130-3139. DOI: 10.1021/bm400752k]. Прививка к целлюлозе аминоалкильных групп позволяет получить антибактериальные композитные мембраны [Fernandes, S. C. et al. (2013). ACS applied materials & interfaces,5(8), 3290-3297. DOI: 10.1021/am400338n], а прививка 2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты позволяет получать ион-проводящие мембраны для топливных элементов [Lin, C. W. et al. (2013). Journal of Power Sources, 232, 297-305. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.01.047] или для установок обратного осмоса [Mosry, A. et al. (2016). Water Science and Technology: Water Supply, ws2016025. DOI: 10.2166/ws.2016.025].

Применение радиационной прививки полимеров позволит успешно получить ряд ценных функциональных композитных материалов, а внедрение красителей и наночастиц металлов – придать полученным композитам ценные потребительские свойства (интенсивную стойкую окраску, блеск, флуоресценцию, гониохромизм).

В результате выполнения проекта будут разработаны методики и регламенты получения композитных материалов различного назначения на основе целлюлозы. Благодаря присутствию целлюлозы в составе композитов получаемые материалы будут иметь контролируемую биоразлагаемость, для чего будут специально проведены экспериментальные исследования биоразлагаемости под действием различных микроорганизмов. Выбор прививаемого полимера будет существенно влиять на свойства получаемых композитов, в результате чего будет возможно применять полученные материалы как для конструкционных и декоративных покрытий (биоразлагаемая упаковка, обладающая свойствами удерживать красители, а также, опционально, флуоресцентными и гониохроматическими свойствами; легкие и прочные декоративные покрытия для предметов обихода и транспортных средств, целлюлозные материалы для 3D-печати), так и для функциональных изделий (сорбирующие и фильтрующие материалы, половолоконные мембраны для водоподготовки, диализа, иммобилизации ферментов и микроорганизмов). Следует отметить, что использование радиационной обработки обеспечит не только надежную сшивку полимеров, но и любопытные оптические свойства получаемых композитов: в зависимости от поглощенной дозы ионизирующего излучения материалы на основе целлюлозы будут изменять прозрачность и окраску за счет накопления дефектов в структуре материала. Такие оптические свойства могут быть подчеркнуты и усилены введением добавок красителей, структурных алюмосиликатных добавок (галлуазит), наночастиц металлов. Полученные материалы будут охарактеризованы с применением современных методов исследования (спектроскопия оптической плотности в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, инфракрасная и комбинационного рассеяния спектроскопия, оптическая и электронная микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, определение доступной поверхности по адсорбции азота и другие физико-химические методы исследования), что обеспечит возможность коммерциализации полученных материалов и/или способов их получения.

Практическая значимость проекта заключается в создании новых композитных материалов, которые могут использоваться для формирования защитных и декоративных покрытий на различных изделиях, для получения фильтрующих материалов (в том числе, для стерилизующих фильтров), для разделяющих мембран (в том числе, половолоконных мембран).
Внедрение результатов проекта будет способствовать развитию технологий производства защитных и декоративных покрытий, фильтрующих материалов и разделяющих мембран с использованием возобновляемого сырья.