Комплексные исследования синтеза и функционализации углеродных наноматериалов, процессов формирования и свойств нанокомпозитов и полимерных композиционных материалов

Отчет 177 с., рис. 97, . табл. 32, 339 библиографических источников. АМФИФИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, АЭРОГЕЛИ, БЕНГАЛЬСКИЙ РОЗОВЫЙ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ, МАЛОСЛОЙНЫЕ ГРАФЕНОВЫЕ НАНОПЛАСТИНКИ, МЕЗОПОРЫ, НАНОКОМПОЗИТЫ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, 2D МОЛЕКУЛЫ, МОРФОЛОГИЯ, НАНОЧАСТИЦЫ, ОКСИД ГРАФЕНА, ОЛИГОПЕПТИД, ПЛЕНКИ, ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН, ПРОВОДЯЩИЕ ПОЛИМЕРЫ, РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ В ГЕОМЕТРИИ СО СКОЛЬЗЯЩИМ ПУЧКОМ, САМООРГАНИЗАЦИЯ, N-ВИНИЛПИРРОЛИДОН, СОРБЦИЯ, СУПЕРГИДРОФОБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, СУПЕРКОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЛАСТИКИ, ТЕМПЛАТНЫЕ АГЕНТЫ, ТЕРМОЛИЗ, ТРЕХМЕРНАЯ РАДИКАЛЬНАЯ CОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ, ФАЗОВОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ, ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ФОТОРАЗДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ, ФУЛЛЕРЕНЫ, ЭПОКСИДНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ, ЭПР, ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ Объекты исследования: Углеродные нанотрубки, оксид графена, фуллерены, политетрафторэтилен, проводящие полимеры, эпоксидные и термопластичные матрицы (связующее), наночастицы металлов и оксидов, негомогенные системы, пленки с эффектом памяти формы различной архитектуры, нанопористые сетчатые сополимеры N-винилпирролидона Цели работы: Разработка методов синтеза, проведение комплексных исследований структуры и свойств конструкционных и функциональных полимерных композиционных материалов, в том числе содержащих структурные элементы наномасштабных размеров, с целью получения новых фундаментальных знаний о строении синтетических полимерных наноструктур и композитов, закономерностях формирования их структуры, о теоретических и прикладных аспектах упрочнения и формоизменения полимерных композиционных материалов. Исследования будут сосредоточены на разработке физико-химических основ и высокоэффективных методов синтеза и функционализации наночастиц различной природы и морфологии, получения новых полимерных композиционных материалов и наноматериалов, включая мезопористые полимеры и самоорганизующиеся амфифильные клинообразные мезогены, обладающих особыми физическими, химическими, ионно-транспортными, антикоррозионными, механическими свойствами, биологической совместимостью, а также эффектом «памяти формы». Актуальность, научная значимость и новизна работы: Разработка полимерных композиционных материалов с различными видами волокнистых и дисперсных углеродных, металлических, неорганических и органических наполнителей с высокими эксплуатационными и новыми функциональными возможностями является одним из приоритетных направлений развития современных технологий и техники. Синтез и реализация в рамках проекта новых ПМК и наноматериалов, включая мезопористые и самоорганизующиеся амфифильные (со)полимеры и их композиты, обладающих высокими деформационными и ударно-прочностными характеристиками, ионно-транспортными, сорбционными и антибактериальными свойствами, биологической совместимостью, а также эффектом «памяти формы» позволяет рассматривать разработанные материалы в качестве перспективных для использования в авиакосмической технике, приборостроении, микроэлектронике, медицине и других высокотехнологичных областях промышленности. К наиболее существенным научным результатам проекта, имеющим принципиальную новизну, относятся создание новых гибридных аэрогельных материалов с супергидрофобными свойствами на основе ПТФЭ-восстановленный оксид графена; теоретическое и экспериментальное обоснования роли межфазного слоя и адгезионных взаимодействий в системе полимер-волокнистый наполнитель и их модификации наночастицами; разработка подходов к процессам эффективного разделения и повышения стабильности фотозарядов в системах полисопряженный полимер-фуллерен; продемонстрирована корреляция между морфологией поверхности и строением исходных координационных полимеров и получаемых нанокомпозитов на их основе, что позволяет получать новые нанокомпозитные материалы заданной архитектуры и морфологии; впервые получены матрично-стабилизированные биметаллические наночастицы в N-допированной углеродной оболочке; разработана методика получения заданных самоорганизующихся структур на основе клинообразных мезогенов под внешними воздействиями; разработан метод изготовления теплостойкого связующего, модифицированного суперконструкционными пластиками, с высокими значениями ударной вязкости при сохранении теплофизических свойств термореактивной матрицы; оптимизированы структура и состав композитной углеродной нанобумаги - перспективного электродного материала силового суперконденсатора. Научная значимость работы обусловлена тем, что полученные новые фундаментальные знания о влиянии пространственной структуры и строения композита, характера взаимодействия наполнителя и матричного полимера и их модификации на свойства и характеристики ПКМ позволяют предложить перспективные подходы к научному прогнозированию и формированию комплекса физико-механических и функциональных свойств ПКМ на стадии их синтеза и последующей обработки и расширить область практического применения функциональных композитных материалов в целом. Результаты работы: Впервые получен супергидрофобный аэрогель на основе политетрафторэтилена и оксида графена (ПТФЭ/ВОГ) с плотностью 30 мг/см3. Разработана новая технология получения гранулированного аэрогеля ПТФЭ/ВОГ, практически исключающая растрескивание гранул и описаны его свойства как сорбента изопропилового спирта в цикле сорбция/сжигание. Показано, что при циклировании увеличивается как сорбционная емкость, так и удельная поверхность аэрогеля. Изучены свойства активированного угля (АУ) с удельной поверхностью более 3000 м2/г (БЭТ) и определено отношение sp3/sp2, указывающее на sp2 характер исследуемых АУ. Исследован процесс гидрофобизации меламиновых губок. Показано, что обработка растворами теломеров тетрафторэтилена позволяет придать гидрофильному материалу высокогидрофобное состояние, характеризующееся краевым углом смачивания водой 135-140°. В плане исследования материалов на основе металлорганических перовскитов и ПММА при фемтосекундном зондировании на длине волны генерации лазера 1064 нм найдены величины коэффициентов нелинейного поглощения тонких пленок галогенидных перовскитов различной химической структуры, в том числе инкапсурированных в ПММА, на несколько порядков превышающих аналогичные коэффициенты для обычных полупроводников. При облучении фемтосекундными импульсами на длине волны 532 нм зарегистрирована фотохимическая деградация пленок перовскитов с быстрой и медленной фазами процесса. Методом ЭПР исследован процесс фоторазделения зарядов в композите донор электронов полисопряженный полимер PBDB-T / акцептор электронов PC61BM, PC71BM или ITIC-M. Обнаружено, что использование ITIC-M пониженной размерности вместо PCBM существенно усиливает обменное взаимодействие между спинами соседних слоев композита и повышает эффективность фоторазделения заядов. Добавление небольших полисопряженных планарных молекул в композиты существенно увеличивает стабильность фотогенерированных спиновых носителей заряда и энергопреобразующую эффективность композитов. Внешнее магнитное поле существенно влияет на динамику, электронную релаксацию и рекомбинацию спиновых носителей заряда. Полученные результаты могут быть использованы для улучшения характеристик фотовольтаических устройств. Проанализировано влияние различных углеродных нанонаполнителей на кинетику формирования, структуру и свойства эпоксидных композитов. Сделан вывод о том, что межфазный слой в системе волокно-полимерное связующее не представляет собой отдельную фазу, а является переходной областью, которая обладает свойствами, отличающимися от свойств волокна или матрицы. Исследована кинетика фотокаталитической активности н-TiO2/ЭП плёнок, инициированной УФ облучением. Сделан вывод об устойчивости эпоксидного нанокомпозита к УФ – облучению. Получены металлосодержащие нанокомпозиты со структурой ядро-оболочка на основе координационных полимеров (МОКП) – итаконатов переходных металлов. Продемонстрирована корреляция между морфологией поверхности и строением координационных полимеров и соответствующих нанокомпозитов, получаемых из МОКП при низких скоростях нагрева. Впервые методом полимер-опосредованного синтеза получены матрично-стабилизированные биметаллические наночастицы в N-допированной углеродной оболочке FeCo/C-N. Полученные системы представляют интерес в качестве магнитореологических жидкостей для создания на их основе демпфирующих устройств гашения механических колебаний низкочастотной амплитуды. Исследовано влияние природы жесткого сегмента на формирование кристаллической фазы и фазово-разделенную структуру полиуретановых термоэластопластов и их композитов с наночастицами серебра, содержащих поли(бутиленадипинат) в качестве кристаллизуемого мягкого сегмента. Разработана методика получения заданных самоорганизующихся структур на основе клинообразных мезогенов под внешними воздействиями. Методом трехмерной радикальной сополимеризации N-винилпирролидона c диметакрилатом триэтиленгликоля в присутствии макромолекулярного порогена и фотоинициатора под воздействием УФ-облучения получены и исследованы свойства нанопористых полимерных пленок. Разработан метод изготовления теплостойкого связующего, модифицированного суперконструкционными пластиками. Подобраны условия, при которых модифицированное связующее показывает высокие прочностные характеристики и повышенную в 1,5-2 раза ударостойкость при сохранении исходной температуры стеклования. Можно сделать вывод о частичном снижении внутренних напряжений, возникающих при отверждении термореактивной матрицы, за счет заполнения термопластом образовавшегося при отверждении «свободного» объема. Однако основное влияние на физико-механические свойства связующего введение суперконструкционных термопластов полифениленсульфона или полиариленэфиркетона оказывает за счет существенного увеличения энергии, требуемой на рост магистральной трещины сквозь образец, что и выражается в значительном росте ударной прочности. Разработаны методики изготовления тонких пленок эпоксидных связующих и представительных образцов их них для корректного определения их физико-механических свойств. С целью достижения максимальной емкости двойного электрического слоя оптимизированы структура и состав композитной углеродной нанобумаги (КУНБ) - перспективного электродного материала силового суперконденсатора. Обнаружено, что емкость электродов из КУНБ оптимального состава достигает 150 Ф/г (54 Ф/см3), что в пересчете на углеродный ксерогель в нанокомпозите составляет 185 Ф/г. На основе испытаний электродов из нанокомпозитной бумаги в лабораторной сборке симметричного суперконденсатора (СК) с водным электролитом 1M H2SO4 проведен расчет прогнозных характеристик силового СК, работающего в режиме импульсных переключений с эффективностью EF=95%. Полученные на данном этапе выполнения работы результаты актуальны как в аспекте получения новых фундаментальных данных, вносящих вклад в науку о материалах, включая наноматериалы, науку о полимерных композиционных материалах, так и с точки зрения их потенциальной практической значимости. Новизна, актуальность и значимость полученных результатов подтверждается тем, что они опубликованы в отечественных и международных научных журналах (44 статьи), в том числе, относящихся к первому-второму квартилям, а также доложены на российских и международных конференциях (33 тезисов докладов).