ИСТИНА

Целью данного проекта является исследование процесса пластической деформации частично кристаллического сверхвысокомолекулярного полиэтилена при деформировании в присутствии физически активных жидких сред по механизму межкристаллитного крейзинга и разработка научных основ создания мезопористых и функциональных нанокомпозиционных материалов на его основе.

This project is targeted on the comprehensive study of plastic deformation of semicrystalline ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMW PE) in air and in the presence of physically active liquid environments (PALEs) via environmental crazing over a broad interval of tensile strains as the development of a scientific platform for the preparation of a new class of mesoporous and functional nanocomposite materials with valuable applied characteristics based on UHMW PE. The novelty and importance of this study are primarily related to the unique properties of this polymer as an engineering and biomedical material such as physiological inertness, high wearability, excellent chemical stability (even with respect to acids and alkali), hydrophobicity, high toughness even at low temperatures, high strength characteristics, low density as compared with other thermoplastics (< 1 g/cm3), low friction coefficient, low adhesion, low water sorption, high electroinsulating and dielectric properties, stability to the action of high-energy radiation (gamma and X-rays), etc. Studies within the framework of this project involves the systematic investigation on the mechanism of plastic deformation and structural evolution of the polymer upon deformation in air and in the presence of the PALE, the description of the mechanism of environmental intercrystallite crazing (EIC) for UHMW PE as compared with conventional high-density polyethylene (HDPE) and specific features of the development of fibrillar-porous structure of UHMW PE, investigation of the effect of the deformation conditions over a broad interval of tensile strains (from 50% to the elongation at break) and the nature of the PALE (for a wide scope of organic solvents as aliphatic alcohols and hydrocarbons) on the efficiency of the EIC, study of the deformation via the EIC mechanism in the presence of fine oil-in-water dispersions with high water content (above 90%) as well as the study of the potential and specific features of the biaxial tensile drawing of UHMW PE via the EIC. This project is aimed at the study of the mechanism of plastic deformation of UHMW PE via the EIC and evaluation of the conditions providing the EIC of UHMW PE for the controlled formation of the porous polymer structure as well as this work involves the development of the approaches for the preparation of the materials with desired structural characteristics (porosity, pore size, etc.) and applied properties. This project includes the characterization of the EIC process as the method for the preparation of mesoporous materials based on UHMW PE, detailed characterization of the mechanical properties and structural morphology of the porous UHMW PE films by modern physicochemical methods such as tensile tests, differential scanning calorimetry, optical microscopy, scanning and transmission electron microscopy, atomic force microscopy, pressure-driven liquid permeability supported by the use of hydrodynamic models describing the liquid flow through porous media, X-ray analysis, vapor and air permeability, low-temperature nitrogen adsorption, etc. The studies within the framework of this project present the fundamental academic interest from the viewpoint of the investigation of plastic deformation of UHMW PE via the mechanism of intercrystallite crazing as well as the evident practical value as the approach for the controlled structural modification of such unique polymer as UHMW PE via the EIC method for the preparation of a new class of mesoporous materials (separators for lithium batteries, sorbents, membranes, breathable materials, porous polymer matrices, waterproof materials, gas storage materials, etc.) and development of the approaches for the fabrication of nanocomposite functional materials based on UHMW PE, including biomedical materials with antibacterial activity, sensor materials, metal-containing composites, etc.

.исследование исходной морфологии и механических характеристик сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) при деформировании на воздухе и в присутствии физически активных жидких сред (ФАЖС) в сравнении с полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП) - 2020; - исследование процесса структурной эволюции полимера и формирования пористой структуры в процессе деформирования по механизму межкристаллитного крейзинга в широком интервале степеней вытяжки (от 50% и выше), установление механизма межкристаллитного крейзинга (МКК) для СВМПЭ- 2020-2021; -исследование влияния условий проведения деформирования СВМПЭ (природы ФАЖС и степени вытяжки) на процесс межкристаллитного крейзинга и его эффективность, определение условий реализации МКК для СВМПЭ, поиск оптимальных условий проведения межкристаллитного крейзинга в контролируемом режиме для создания пористых материалов на основе СВМПЭ -2020-2021; -исследование структурной морфологии пористых материалов на основе СВМПЭ в зависимости от условий деформирования и эффективности межкристаллитного крейзинга, определение параметров пористой структуры (пористость, размеры пор, характер распределения пор) различными физико-химическими методами, включая метод жидкостной проницаемости с использованием моделей гидродинамического течения жидкостей по пористым средам - 2020-2021; - исследование свойств полученных пористых материалов, включая механические и прочностные характеристики, изучение воздухопроницаемости (число Герли) и паропроницаемости, оценка гидроизоляционных, газоемкостных (gas storage) и теплоизоляционных свойств полученных материалов на основе СВМПЭ, а также оценка потенциала крейзинга как метода направленной структурной модификации СВМПЭ материалов с точки зрения перспектив их потенциального практического использования -2021-2022; -исследование процесса последовательной двухосной вытяжки СВМПЭ в присутствии ФАЖС в двух взаимно перпендикулярных направлениях по механизму МКК в зависимости от степени вытяжки, природы среды, оценка пористости и размеров пор, исследование механических характеристик полученных двухосно ориентированных СВМПЭ (ДО СВМПЭ) материалов, изучение воздухопроницаемости (число Герли) и паропроницаемости, оценка гидроизоляционных, газоемкостных (gas storage) и теплоизоляционных свойств полученных материалов на основе СВМПЭ - 2020-2022; -разработка подходов к созданию многокомпонентных гибридных функциональных нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ, разработка различных подходов к введению различных, в том числе термодинамически несовместимых функциональных добавок в СВМПЭ как непосредственно в процессе вытяжки СВМПЭ в присутствии ФАЖС с растворенной добавкой (добавками) (силовое импрегнирование), а также при последующем пассивном влажном импрегнировании из растворов 2021-2022; - изучение структурной морфологии и свойств полученных нанокомпозиционных материалов, исследование характера распределения введенной добавки в нанокомпозиционном материале на основе СВМПЭ, определение концентрационных режимов введения добавки в полимер, разработка методов in situ формирования наночастиц непосредственно в пористой полимерной матрице при проведении химических реакций с участием введенного прекурсора методом bottom-up синтеза на примере введения солей серебра и последующего восстановления ионов серебра методом bottom-up до ноль-валентного состояния - 2021-2022; -исследование функциональных свойств полученных гибридных нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ и определение потенциала их практического использования, оценка антибактериальных свойств нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ с наночастицами серебра по отношению к грам-положительным и грам-отрицательным бактериям - 2022.

Авторы данного проекта на протяжении многих лет проводят исследования по фундаментальным теоретическим и прикладным аспектам пластической деформации полимеров и крейзинга полимеров на кафедре высокомолекулярных соединений Химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова в составе коллектива, который является признанным лидером данного научного направления как в отечественной, так и в зарубежной науке. Исследования, проведенные в рамках данного направления, впервые позволили подробно и систематически описать механизм крейзинга для широкого круга стеклообразных и частично кристаллических полимеров.Фундаментальные исследования авторов данного проекта позволили разработать научное направление по созданию нового поколения нанокомпозиционных полимерных материалов с заданными функциональными характеристиками за счет введения в полимер различного рода функциональных добавок при его деформировании по механизму крейзинга таких, как красители, сенсорные добавки, металлы, антибактериальные добавки, антипирены и пр. Авторы данного проекта впервые предложили и разработали современные экспериментальные и теоретические подходы, в том числе и оригинальные подходы, к описанию крейзинга полимеров, а также реализовали в ходе исследований современные физико-химические методы, которые позволяют в полной мере охарактеризовать данный процесс и изучить структуру полимерных материалов (метод дефектоскопии с использованием контрастирующих красителей, метод сканирующей электронной микроскопии, метод трансмиссионной микроскопии, метод дифференциальной сканирующей калориметрии, метод низкотемпературной сорбции азота, атомно-силовая микроскопия, метод проницания жидкостей под действием градиента давления, метод световой микроскопии и поляризационной микроскопии и пр.). Данный проект полностью опирается на научные разработки коллектива в области крейзинга полимеров в жидких средах.

Анализ современных литературных данных относительно получения стабильных пористых материалов на основе СВМПЭ со всей убедительностью доказывает актуальность данного направления и необходимость поиска новых подходов к формированию пористой структуры и получению пористых материалов на основе СВМПЭ для различного рода практических применений. Решение данной проблемы в рамках заявляемого проекта включает в себя выполнение широкого круга систематических научных исследований, которые позволят получить следующие результаты: -описание процессов пластической деформации СВМПЭ при деформировании на воздухе и в присутствии ФАЖС в широком диапазоне степеней вытяжки до стадии ориентационного упрочнения, исследование структурной эволюции и процесса формирования фибриллярно-пористой структуры СВМПЭ в широком диапазоне степеней вытяжки, исследование структурной анизотропии образцов СВМПЭ при проведении деформирования в различных направлениях, описание механизма межкристаллитного крейзинга (МКК), определение условий реализации МКК для СВМПЭ, оптимизация условий деформирования для реализации эффективного и контролируемого крейзинга и достижения высоких значений пористости; - описание влияния условий деформирования на параметры пористой структуры СВМПЭ (пористость, размер пор и пр.) при деформировании образцов в присутствии ФАЖС по механизму межкристаллитного крейзинга, проведение направленного процесса МКК для формирования пористой структуры и отработка условий стабилизации высокоразвитой поверхности для придания стабильности формы; -описание влияния природы ФАЖС на эффективность межкристаллитного крейзинга для широкого круга ФАЖС таких, как алифатические спирты и углеводороды, а также экологически чистые двухфазные системы типа масло-в-воде с высоким содержанием воды (более 90%) в виде мелкодисперсных эмульсий; -описание процесса механизма низкотемпературной обратимой деформации образцов СВМПЭ после проведения деформирования в присутствии ФАЖС по механизму межкристаллитного крейзинга и определение механизма данного явления и влияющих на него факторов (степень вытяжки, природа среды), а также разработка методов предотвращения процессов низкотемпературной обратимой деформации и залечивания пористости, стабилизация пористой структуры при проведении отжига при повышенной температуре, определение преимуществ данного процесса залечивания пористости для направленного инкапсулирования и иммобизации введенных добавок; - исследование структуры и свойств пористых образцов СВМПЭ после проведения деформирования в присутствии ФАЖС по механизму межкристаллитного крейзинга с использованием различных современных физико-химических методов таких, как метод проницания жидкостей под действием градиента давления с последующим расчетом параметров пористой структуры (диаметра пор и фибрилл, а также удельной поверхности) в рамках различных гидродинамических моделей, описывающих протекание жидкости по пористой среде, методы оптической и электронной микроскопии, методом низкотемпературной сорбции азота, метод дефектоскопии при контрастировании пористой структуры полимера красителями с последующим исследованием контрастированных пленок ПЭВП методом оптической микроскопии; -описание механических и функциональных свойств полученных пористых СВМПЭ материалов как гидроизоляционных и термоизоляционных материалов, исследование воздухопроницаемости (число Герли), газоемкости (gas storage) характеристик, паропроницаемости и проницаемости жидкостей под действием градиента давления (измерение коэффициента проницаемости); - описание процесса двухосной вытяжки образцов при последовательном деформировании по механизму межкристаллитного крейзинга в двух взаимно перпендикулярных направлениях как метода направленного модифицирования структуры СВМПЭ и получения стабильных пористых материалов на основе СВМПЭ; - разработка методов введения различного рода термодинамически несовместимых добавок в СВМПЭ при силовом импрегнировании непосредственно в процессе вытяжки СВМПЭ в ФАЖС и при последующем пассивном влажном импрегнировании из растворов вводимой добавки, определение концентрационных режимов проведения процесса введения добавки в полимер, описание характера распределения добавки в полимере, отработка методов направленного получения нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ на примере введения модельных добавок (красителей таких, как Родамин 6G, Судан IV и Бриллиантовый зеленый) и функциональных добавок для получения нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ с заданными свойствами; - разработка метода непрямого введения целевой добавки-прекурсора и последующей химической модификации на примере введения солей серебра и последующего in situ восстановления до ноль-валентного серебра, определение фазового состава полученных нанокомпозиционных материалов и характера распределения наночастиц серебра в полимерной матрице; -оценка антибактериальных свойств полученных нанокомпозицонных материалов на основе СВМПЭ и наночастиц серебра по отношению к грам-положительным и грам-отрицательным бактериям. Исследования в данном направлении представляют интерес как с точки зрения изучения механизмов пластической деформации СВМПЭ в присутствии ФАЖС и низкотемпературной обратимой деформации, так и с практической точки зрения получения стабильных нанопористых полимерных материалов и функциональных нанокомпозитов на основе СВМПЭ