Физико-химия полимеров

Композиты

Сегодня роль полимеров в жизнедеятельности человека столь велика, что об уровне жизни можно судить по уровню потребления этих материалов. По прогнозам экспертов ООН производство полимерных, в том числе композиционных материалов будет развиваться более опережающими темпами по сравнению с другими материалами. Отсюда повышенный интерес исследователей практически ко всем разделам науки о полимерах, диапазон проблем которой чрезвычайно широк и охватывает многие области специальных знаний.

Физико-химия полимеров является одним из важнейших разделов современной науки о полимерах и охватывает следующий ряд проблем:

  • Разработка теоретических проблем реакций в смесях полимеров охватывает условия протекания макромолекулярных реакций, взаимодиффузии компонентов, изменения состава и свойств реакционной смеси под совместным влиянием макромолекулярных реакций и взаимодиффузии, фазового разделения компонентов в несовместимой смеси и т.д. Неясен механизм химического взаимодействия функциональных мономеров с макромолекулами при проведении реакции в полимерных расплавах при воздействии нестационарных тепловых и силовых полей, это характерно для современной реакционной переработки.
  • Чисто физическими являются теоретические проблемы электро- и теплопроводности органических полимеров, электролюминисценции.
  • Важнейшее значение имеют теоретические исследования в области физики жидкокристаллических полимерных систем, а так же исследования, посвященные генерации жидкокристаллического порядка в полимерных системах.
  • Прогресс в области гетерогенных полимерных композиционных материалов невозможен без дальнейшего развития физико-химических представлений о межфазных явлениях в системах полимер-твердое тело (в том числе, когда твердые неполимерные частицы находятся в ультродисперсном состоянии и склонны к кластерообразованию), а так же полимер-полимер и полимер-жидкость.
  • Одной из задач физико-химии полимеров является использование теоретической концепции и разработанных экспериментальных методик для анализа природных систем с целью установления корреляции между структурой и свойствами. В результате должен быть найден ответ на вопрос – как работают сложные биокомпозитные структуры, внесен вклад в эволюцию нашего понимания законов природы.

В значительной степени благодаря усилиям физиков и физико-химиков полимерщиков приоткрыт занавес над пониманием структуры биокомпозитов. При этом сформулированы 3 правила для сложных макромолекулярных ансамблей.

Первое правило гласит, что структура композита построена по принципу дискретных уровней или масштабов. Эксперименты показывают, что минимальное число таких подуровней в биообъектах не бывает меньше четырех. Установлено, что и все биокомпозитные системы имеют четыре структурных подуровня: молекулярного, нано-, микро- и макроскопического масштаба.

Второе правило утверждает, что различные структурные уровни поддерживаются в компактном виде благодаря специфическим взаимодействиям между компонентами. Какова бы ни была природа связей между элементами структуры, требуется достаточный уровень адгезии, в том числе и механической природы, чтобы обеспечить целостность и работоспособность всей системы.

Третье правило указывает на то обстоятельство, что эти сильновзаимодействующие друг с другом структурные подуровни организованы в композитной системе сложной иерархии так, чтобы обеспечить широкий спектр функциональных потребностей, которые в ряде случаев должны быть адаптивными.

Свойства материалов со сложной иерархической структурой в значительной мере зависят от формирования границ раздела между элементами различного масштаба и состава. Электронные снимки перламутра раковины моллюска показывают, что он является сложным композитом. Между толстыми слоями арагонита (карбоната кальция) наблюдаются тонкие прослойки ультратонких слоев сложного аминополисахарида, покрытых протеином.

Упомянутые, слоеные структуры, характерные для биообъектов, могут быть получены на стадии переработки полимеров, например, методом соэкструзии.

Когда слои обладают относительно большой толщиной (49 слоев), материал разрушается сразу после перехода через предел текучести, свидетельствуя о том, что доминирующую роль играет более хрупкий ПСАН – компонент. Однако, когда слои становятся достаточно маленькими (776 слоев), система оказывается способной к значительному растяжению после образования шейки, указывая на то, что более пластичный ПК играет решающую роль в процессе. Причина такой трансформации процесса, определяемой только толщиной слоя, может быть найдена из анализа процессов микродеформации (образования микротрещин), контролирующих способность к растяжению.

Широкий спектр проблем охватывается бурноразвивающейся супрамолекулярной химией. Одним из вопросов является реализация перехода от молекулярной химии к молекулярным и супрамолекулярным устройствам.

Создание таких устройств должно включать в себя, по крайней мере, 3 основных этапа:

  • Конструирование или синтез органических молекул, несущих определенную функцию. Это задача молекулярной химии, играющей вопросы организации отдельных атомов, связывания их между собой и расположения их определенным образом друг относительно друга с целью придания молекуле желаемой пространственной структуры.
  • Создание организованных многомолекулярных ансамблей. Очевидно, что известные технологические способы ориентации полимерных материалов, например вытяжка, кристаллизация, ориентация в потоке непригодны для получения ансамблей молекулярных размеров. Эта задача решается другими способами, прежде всего самосборкой и принудительной организацией. Спонтанное формирование двойной спирали нуклеиновых кислот, включающее в себя распознавание и селективное спаривание оснований – классический пример самосборки.
  • Создание молекулярных (супрамолекулярных) устройств. Для того чтобы молекулярная конструкция приобрела статус устройства, она должна быть способна к выполнению определенной функции.

Известны решения этой проблемы на более высоком масштабном уровне, например в существующих устройствах хранения и обработки информации, использующих лишь один физический эффект. Тенденция к миниатюризации электронных приборов вплоть до молекулярных, устройств влечет за собой проблему реализации и интеграции в одной конструкции различных физических эффектов. Будучи ограничена лишь «туннельной безопасностью», задающей расстояние между молекулами – ключами в 5 – 10 нанометров, такая технология позволила бы упаковывать молекулярные электронные элементы с плотностью 1018 единиц на 1 см³.

Таким образом, для создания молекулярных устройств необходим поиск молекулярных компонентов, способных выполнять заданную функцию и пригодных для внедрения в определенным образом организованную систему, формируемыми различными типами молекулярных ансамблей. Главная особенность таких компонентов и образуемых из них устройств состоит в том, что они выполняют свои функции на основе свойств молекул и супрамолекул.

Применение органических полимерных фотопроводников в электрофотографии явилось первым и пока единственным примером широкомасштабного промышленного использования этих полимеров как материалов с уникальными электронными свойствами. Достаточно сказать, что в настоящее время большинство копировальных аппаратов, лазерные принтеры и ряд других электрофотографических устройств в качестве основного активного элемента используют органические полимерные фоторецепторы.

Несмотря на большое число экспериментальных и теоретических работ по электронному транспорту в диэлектрических полимерах, опубликованных в последние годы, до сих пор отсутствует общепризнанная теоретическая модель. В проблеме электронного транспорта в неупорядоченных диэлектрических органических слоях тесно переплетаются интерес к фундаментальным вопросам – механизму переноса электрона между идентичными центрами в органической среде, влиянию на перенос физико-химических характеристик среды, образованию рекомбинационных возбужденных состояний, испускающих свет, — и необходимость максимального улучшения электрических и светоэмиссионных параметров органических слоев в широко используемых и вновь разрабатывающихся оптоэлектронных устройствах. Понимание, описание и моделирование комплекса названных процессов будет способствовать получению новых интересных научных и практически отдельно важных результатов и ускоренному развитию всей проблемы в целом.

Лаборатория фильтровальных технологий «Криброл» более 10 лет занимается исследованиями в области практического применения композитных материалов в различных отраслях промышленности. Внедрение инновационных разработок нашей компании на предприятиях приносит не только экономический эффект, связанный с уменьшением затрат на энергетические процессы, расходные материалы, повышением качества выпускаемой продукции и т.п., но и упрощает технологический цикл, а также проявляет заботу об  окружающей среде.


Еще статьи по данной теме:

Comments are closed.


Свяжитесь с нами

Имя

e-mail


Введите код с картинки captcha