ИСТИНА

Проект посвящен фундаментальной проблеме современного материаловедения – развитию научных принципов создания и модификации новых эластомерных материалов с регулируемой молекулярной структурой (молекулярная масса, состав, стереорегулярность) и физико-механическими характеристиками, установлению взаимосвязи между структурой и свойствами полимеров. Особое внимание будет уделено структурным и термодинамическим аспектам перехода пластик–эластомер в широком диапазоне условий для разработки материалов, эксплуатируемых в экстремальной климатической зоне Арктики – при низких температурах и в агрессивных средах. Актуальность поставленной в рамках Проекта-2019 научной проблемы сохраняется и сегодня. Это связано с двумя причинами. Во-первых, остается невыясненным вопрос, почему теоретические модели деформации, основанные исключительно на расчете изменении энтропии системы (модели Ховарда, Арруды-Бойс, скользящих узлов молекулярной сетки зацеплений) хорошо описывают поведение систем кристалличностью до 90%, в которых, несомненно, происходит значительная перестройка кристаллической фазы. Решить эту проблему призван метод деформационной калориметрии, поэтому его применение станет одной из важных составляющих продолжения проекта в 2022-2023 годах. Во-вторых, ранее нами было показано, что дефекты сетки молекулярной зацеплений могут иметь различную природу. Одной из возможностей таких изменений является введение в полимерную матрицу наночастиц. В 2021 году нами были проведены поисковые исследования молекулярного композита полисилоксанов с MQ-смолами, особенностью которых является высокое сродство матрицы и наночастиц, поскольку обе компоненты построены из одних и тех же силоксановых фрагментов. Такие системы являются интересными как с практической точки зрения (смазки и эластомеры, способные работать в экстремальных условиях Арктики), так и с теоретической точки зрения – применения разработанного нами системного подхода к установлению общей модели деформации полимера.

В рамках Проекта 2022 планируется применить развитые в Проекте-2019 подходы к абсолютно новому классу систем – молекулярным композитам полисилоксанов с MQ-смолами, особенностью которых является высокое сродство матрицы и наночастиц, поскольку обе компоненты построены из одних и тех же силоксановых фрагментов. Такие системы имеют значительный потенциал практического применения, поскольку, во-первых, они изготавливаются из коммерчески доступных составляющих, во-вторых, отличаются простотой и быстротой получения материала, в-третьих, обладают чрезвычайно низкими температурами стеклования, что делает их кандидатами на использование в условиях Крайнего Севера в качестве смазок и эластомерных прокладок. В то же время, простота и быстрота получения вулканизатов создает обманчивое впечатление о простоте и протекающих в системе процессов. На самом деле это сложный многоуровневый процесс конкурирующих взаимодействий, имеющих химическую (образование химических связей) и физическую (водородные связи и другие полярные взаимодействия) составляющие. Сложность процесса обусловлена многообразием функциональных групп и, как уже отмечено выше, многообразием возможных реакций. Понимание таких процессов будет способствовать направленному синтезу материалов с заданными функциональными свойствами. Разработанный в рамках Проекта-2019 комплексный подход, включающий в себя рентгеноструктурные исследования, физико-механические испытания, а также теоретический анализ кривых растяжения, позволит успешно решить поставленную таким образом задачу. В 2022-2023 годах будут получены молекулярные композиты полисилоксанов с MQ-смолами различного состава и строения, включая коммерчески доступные полидиметилсилоксаны c концевыми гидроксильными группами марок СКТН-А и СКТН-Е, различающиеся по молекулярной массе, модифицированные 3-аминопропилдиэтоксисилильными группами по концам цепи. Будут получены кривые "истинное напряжение – истинная кратность вытяжки" для молекулярных композитов полисилоксанов с MQ-смолами различного состава и строения. К полученным кривым "истинное напряжение – истинная кратность вытяжки" для молекулярных композитов полисилоксанов с MQ-смолами различного состава и строения будут применены различные модельные подходы. Второй важной задачей, которая будет решена в рамках Проекта-2022, станут исследования изученных нами ранее систем (сополимеры этилена с октеном различной плотности, облученные различными дозами ионизирующего излучения) методом деформационной калориметрии. Ее решение поможет снять противоречие, указанное нами ранее – почему теоретические модели деформации, основанные исключительно на расчете изменении энтропии системы (модели Ховарда, Арруды-Бойс, скользящих узлов молекулярной сетки зацеплений) хорошо описывают поведение систем кристалличностью до 90%, в которых, несомненно, происходит значительная перестройка кристаллической фазы. В результате будут получены чрезвычайно важные с общетеоретической точки зрения результаты – установлены и описаны границы применения энтропийных моделей деформации полимерных материалов. Важным аспектом, определяющим научную новизну и оригинальность представленной работы, является применение уникального комплекса методов, включающего в себя структурные, теплофизические и физико-механические исследования. В частности, будут использованы метод измерения параметров элементарной ячейки при повышенных температурах, методика определения структурных параметров при воздействии постоянно действующей нагрузки. Использование структурно-термодинамического подхода, основанного на одновременном измерении структурных и термодинамических характеристик деформации (как эластомеров, так и термопластов) методом деформационной калориметрии позволит провести анализ энтропийного и энергетических вкладов при деформации гетерогенных систем. Кроме того, при проведении механических испытаний образцов будут получены кривые "истинное напряжение - истинная кратность вытяжки" благодаря оригинальному способу определения текущего поперечного сечения образца c помощью цифровой макросъемки, дающему возможность получения корректных кривых даже при значительной пористости материала. Таким образом, полученные результаты не будут уступать международному уровню исследований в области полимерного материаловедения, а в некоторых аспектах будут его превосходить. В результате выполнения работы будут получены новые данные о механизме и специфике деформационного поведения термоэластопластичных материалов, что позволит дать научно обоснованные рекомендации по направленному изменению их характеристик, а также пополнить общие представления о взаимосвязи между структурой и свойствами полимерных систем. Проведенные исследования позволят внести существенный вклад в решение фундаментальной проблемы современного материаловедения – развитие научных принципов создания и модификации высокопрочных высокомодульных эластомерных материалов с регулируемой молекулярной структурой (молекулярная масса, состав, стереорегулярность) и физико-механическими характеристиками, установлению взаимосвязи между структурой и свойствами полимеров. Кроме того, будут разработаны рекомендации для направленной модификации структуры крупнотоннажных и элементоорганических полимеров с целью их эксплуатации в агрессивных средах и в суровых климатических условиях Арктики. Необходимо отметить, что предлагаемый подход имеет важную коммерческую составляющую. Она заключается в возможности сравнительно дешевой модификации современных крупнотоннажных и широко распространенных полимеров (полиэтилен, полипропилен, резины) введением небольшого количества добавок, значительно повышающих механические и теплофизические свойства материала и, соответственно, качество промышленного продукта. Актуальность такого подхода подтверждается существенным интересом крупных производителей полимерной продукции (DSM, Sabic, Toyota) к исследованиям в представленном направлении.