НАНОТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРНАЯ НИША Полимеры как естественные наноструктурированные

НАНОТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРНАЯ «НИША» • Полимеры как естественные наноструктурированные материалы • Придание полимеру заданных свойств путем введения наномодификатора • Полимер как матрица для ннанодиспергированного материала

Классы полимерных материалов Полиуретаны Производные полибутадиена Каучуки Полиамиды (Nylons) (капрон, кевлар) Полиэтилен, полипропилен Волокна Полиакрилаты Полиэфиры (лавсан) Пластики Поликарбонаты Смеси Классы полимеров Композиты Классы полимеров

КАУЧУКИ (Резины)

Основное требование к каучукам высокая эластичность или, иными словами, большие обратимые деформации

На уровне конечного изделия проблему решают в комплексе Композит шины Goodyear !!! до 12 сортов каучука 2 сорта корда 2 сорта стали до 60 химических реагентов

ВОЛОКНА

Основное требование к волокнам высокая прочность вдоль оси волокна РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОРИЕНТАЦИЯ

К чему мы должны стремиться? Структура идеального волокна Все макромолекулы выпрямлены и уложены параллельно другу Предельно достижимая (теоретическая) прочность теор !!!

«холодная» вытяжка на воздухе ориентационная вытяжка структура «шейки»

Основы промышленного производства волокон Кристаллизация + ориентация

Пути решения проблемы Для гибкоцепных полимеров (полиэтилен, полипропилен) Структура расплава или раствора перед формованием Неотъемлемая часть процесса производства волокна стадия ориентационной вытяжки Достигнутые величины прочности 0. 4 ÷ 0. 6 теор Причина Разворачивание (ориентация) макроклубков сопровождается разрывом цепей, зацеплениями и т. д.

Пути решения проблемы Для гибкоцепных полимеров (полиэтилен, полипропилен) Гель-технология Структура раствора перед формованием Структура волокна после ориентационной вытяжки Разворачивание (ориентация) изолированных макроклубков без их разрывов цепей и зацеплений Достигнутые величины прочности близки к теоретическим !!!

Пути решения проблемы Для гибкоцепных полимеров «Сухое» формование волокна Ориентация монокристаллических матов, характеризующихся складчатой конформацией макроцепей Кристаллизация из • Кратность вытяжки: до 400 разбавленных • Модуль упругости: до 200 ГПа растворов • Прочность: до 5 ГПа

ВОЛОКНА на основе полиэтилена и полипропилена Достоинства • Устойчивость к химическим реагентам • УФ- и атмосферостойкость • Модуль упругости – 100 ÷ 200 ГПа • Прочность – 2 ÷ 4 ГПа • Нет равных по удельной прочности Недостаток Низкая теплостойкость (не более 100 С)

Пути решения проблемы Для жесткоцепных полимеров (ароматические полиамиды и полиэфиры) Структура раствора или расплава перед формованием Структура волокна после формования

Арамидные волокна (Кевлар, Терлон, Тварон) • теплостойкость – 400 ÷ 700 С • кислородный индекс – 30 ÷ 70 % • Модуль упругости – до 200 ГПа • Прочность – до 4. 5 ГПа • Устойчивость к высоким температурам и химическим реагентам • Хорошие текстильные свойства ! ткани, ленты, жгуты, канаты, нетканные изделия

Углеродные волокна на основе • полиакрилонитрила • пеков • вискозы Теплостойкость • до 1200 ÷ 1500 С (в присутствии О 2) • до 2000 ÷ 2500 С (без О 2)

ПЛАСТИКИ

Классификация пластиков термопласты и реактопласты По целевому назначению • пластики общего назначения для мало нагруженных деталей и температур эксплуатации не более 100 С (ПЭ, ПП, ПС, ПВХ, ПММА) • инженерные пластики для нагруженных деталей и температур эксплуатации до 200 С (ПЭТФ, ПА) • суперинженерные пластики с температурами эксплуатации более 250 С (полисульфоны, полиимиды)

Основные методы промышленной переработки пластиков ЭКСТРУЗИЯ • листы • ленты • пленки • профили

Основные методы промышленной переработки пластиков ПНЕВМОФОРМОВАНИЕ • полусферы • емкости Пневмоформование в матрицу

Основные методы промышленной переработки пластиков ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ • Изделия (детали) требуемой формы

Основное требование к пластикам Сочетание высокой прочности и эластичности (пластичности) УДАРНАЯ ПРОЧНОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ) (Дж/м 2) или РАБОТА РАЗРУШЕНИЯ в условиях ударного нагружения «Гашение» энергии удара

Пути решения проблемы Необходимо обеспечить в одном материале сосуществование «жестких» (прочных) и «мягких» (эластичных) структурных элементов Эта задача легко решается для пластиков на основе кристаллизующихся полимеров (полиамиды, полиэфиры) С позиций структуры сосуществование прочной кристаллической фазы и эластичной аморфной фазы

Пути решения проблемы для кристаллизующихся пластиков Аморфная матрица Кристаллиты, связанные между собой проходными цепями hard-elastic на основе ПЭ матрица представляет собой каучук

Функциональные полимерные материалы • Оптически прозрачные полимерные материалы • Электропроводящие полимеры и композиты • Жидкокристаллические полимеры

Оптически прозрачные, ударопрочные и теплостойкие полимерные материалы (прозрачная броня) Требования • Высокая прочность • Высокая ударная прочность • Теплостойкость не ниже 160 С с перспективой до 250 С • Прозрачность не ниже 90%

Пластики на основе аморфных полимеров Классификация по конструкционному свойству - ударной прочности Классификация по функциональному свойству – прозрачности химическая модификация поликарбонаты полиакрилаты (ПММА) прозрачны ударопрочны комбинация методов модификации ПВХ, полистирол непрозрачны низкая ударопрочность Ударопрочный полистирол Бамперы автомашин

Авиационное органическое стекло Ориентационная вытяжка • Многоосное растяжение листа ПММА при температурах выше Тс • Охлаждение в деформированном состоянии Эксплуатационные параметры промышленных образцов листового ПММА Промышленный ПММА Параметр Ударная прочность, к. Дж/м 2 Прочность при растяжении, МПа Разрывное удлинение, % Теплостойкость, o. C Прозрачность, % Изотропный (СО-120) Ориентированный (АО-120) 12 75 3. 5 120 92 39 85 12 80 92 Теплостойкость контролируется термостимулированной усадкой ориентированного материала Выигрыш • Ударная прочность • Прочность при растяжении • Разрывное удлинение Проигрыш Теплостойкость контролируется температурой стеклования • Теплостойкость Фиксация ориентированной нано- и/или молекулярной структуры !!!

Для увеличения теплостойкости ориентированного стекла Традиционный подход • Блочная полимеризация ММА до конверсии 100% • Ориентационная вытяжка поместить ориентированный материал в изотропную матрицу с достаточно большой вязкостью Предложенный подход • Блочная полимеризация ММА до конверсии 80% • Ориентационная вытяжка • Дополимеризация и сшивание в нагруженном состоянии Композит: перколированные микро (нано) области ориентированного, изотропного, линейного и сшитого ПММА

? Можно ли обойтись без ориентации и одновременно повысить ударную прочность и теплостойкость Комплексный подход: сшивание Композит: перколированные микро (нано) области линейного и сшитого ПММА Зависимость ударной прочности полимерных стекол на основе ПММА от концентрации сшивателя – диметакрилаттриэтиленгликоля (ТГМ-3)

Основное преимущество низкая плотность Электропроводящие полимеры и композиты Электропроводящий элемент ПОЛИМЕР Низкомолекулярное соединение

Электропроводящие полимеры и композиты Электропроводящий элемент ПОЛИМЕР • полифениленвинилен • полиацетилен • полианилин Недостаток Хрупкость материала Решения проблемы – «заливка» в пластичную полимерную матрицу • Полимер-полимерные композиты • Взаимопроникающие сетки

Электропроводящие полимеры и композиты Электропроводящий элемент Низкомолекулярное соединение Полимерные электропроводящие композиты Формирование в полимерной матрице перколированных электропроводящих областей, например, за счет «крейзинга» полимера в жидкости, содержащей соответствующие добавки

Жидкокристаллические полимеры Многофункциональные гребнеобразные жидкокристаллические полимеры Гребнеобразная макромолекула

Жидкокристаллические полимеры • Фотохромные ЖК полимеры • Хиральные ЖК полимеры • Ионогенные и металлсодержащие сополимеры • ЖК дендримеры Светоуправляемые ЖК полимеры – многофункциональные материалы для информатики, оптоэлектроники, голографии, дисплейной техники ЖК-дендримеры, блок- и содендримеры – наноструктурированные анизотропные гибридные материалы, сочетающие свойства дендритной матрицы и жидких кристаллов • Водородно- и ионносвязанные ЖК полимеры • Полимердиспергированные ЖК системы • Смеси ЖК полимеров с различными допантами

Светоуправляемые фотоактивные ЖК полимеры с фоторегулируемой супрамолекулярной структурой и оптическими свойствами инициирует химические реакции в фотоактивных группах, которые выполняют роль «молекулярных включателей» , запуская цикл структурно-химических превращения ЖК полимер Свет Фотоиндуцированные превращения фотоактивных групп E-Z (транс-цис) изомеризация циклизация димеризация сшивание полимеризация Использование фотоактивные материалы для обратимой (или необратимой) черно-белой и цветной записи и хранения информации, системы с оптической памятью, дисплейная технология, оптоэлектроника, голография, системы телекоммуникаций и т. д. .

Устройства с оптической памятью Материалы для обратимой и необратимой записи черно-белой и цветной информации Фотоперестраиваемые лазеры на основе холестерических жидких кристаллов Сегнетоэлектрические и флуоресцентные материалы Оптические элементы – поляризаторы, спектрозональные фильтры, отражатели, фазовые пластинки Фотоактивные молекулярные переключатели и светомодуляторы Фотоориентируемые и ориентирующие покрытия Металлосодержащие ЖК полимеры и наноструктурированные нанокомпозиты

ПРОГРАММА курса «Полимерные функциональные наноматериалы» Аржаков Максим Сергеевич msa 60@yandex. ru (916) 530 8017 Классификация полимеров. Цепная природа макромолекулы. Понятие о конформации и конфигурации макроцепей. Природа гибкости макромолекул. Количественные оценки гибкости. Модели, описывающие поведение гибко- и жесткоцепных полимеров. Молекулярно-массовые характеристики полимеров. Агрегатные, фазовые и физические состояния полимеров. Термомеханический анализ. Стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее физические состояния полимеров. Температура стеклования и температура текучести. Классификация конструкционных полимерных материалов. Каучуки, волокна, пластики. Области применения и требования к эксплуатационному поведению представителей того или иного класса. Каучуки. Природа вязкоупругости и высокоэластичности каучуков. Волокна. Методы ориентации волокон. Функциональные полимерные материалы. Принципы сочетания функциональных и конструкционных свойств. Электропроводящие полимеры, оптически прозрачные полимеры, жидкокристаллические полимеры. Полимеры как наноструктурированные материалы Наноструктуры в полимерах. Направленное формирование наноструктур в полимерном теле. Концепция «нанореактора» . Полимеры как матрицы для нанодиспергирования модифицирующих добавок и стабилизации наносостояния.