СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКИ, ТЕРМИЧЕСКИ И /ИЛИ МЕХАНИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ОБЪЕМНОЙ МОДИФИКАЦИИ (этап № 3, заключительный) государственное задание № FZRR-2020-0024 от «01» января 2020 года

РЕФЕРАТ Отчет содержит: 169 стр., 103 иллюстрации, 32 таблицы, 229 литературных источников. Ключевые слова: микрофлюидика, математическое моделирование, биостойкость, газофазное фторирование, износ, смачивание, адгезия, композитные филаменты, термомехническая обработка, аддитивное прототипирование, углеродные нанотрубки, оксифторирование, морфология, индуцированная модификация, химическая модификация, структрура и свойства полимеров Объекты исследований: полимерные и композиционные материалы (филаменты, пленки, нетканые иглопробивные полотна), изготовленные с помощью различных способов хемо-, термо-, механо- и электроиндуцированных поверхностной и объёмной модификаций термопластов. Цель исследования: проект направлен на проведение фундаментальных научных исследований и получение практических результатов в области создания автоматизированной системы цифрового проектирования композиционных полимерных материалов на основе полимеров различного назначения, применения и аддитивного прототипирования элементарных устройств планарной микрофлюидики на их основе. Результаты работы и их новизна: установлены структурно-функциональные связи между физико-химическими и эксплуатационными характеристиками элементов и устройств микрофлюидики, изготовленных на основе объемно и поверхностно модифицированных филаментов: а) разработаны филаменты на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (АБС) и полиэтилентерефталатгликоля (ПЭТГ) с наполнителями различной химической природы (углеродные нанотрубки, шунгит, MoS2, фотохромы) для экструзионного аддитивного прототипирования: величина адгезии наполненных филаментов к поверхности фторированных подложек в ~3 раза выше в сравнении с исходными полимерами, что выше запланированного результата; б) изготовлены посредством 3D-печати прототипы устройств микрофлюидики на базе объемно модифицированных филаментов и поверхностно модифицированных полимеров с системой микроканалов для массопереноса лекарственных препаратов; осуществлено введение в полимерную матрицу филаментов скрытых меток (микрокапсул с фотохромными соединениями) для защиты устройств микрофлюидики от фальсификации; в) определены транспортные, адгезионные и сорбционные свойства прототипов устройств микрофлюидики - экспериментальные результаты дополнительно 4 верифицированы количественной характеризацией СЭМ-изображений поверхности модифицированных полимеров; г) впервые описаны химический состав, строение, микрорельеф и нанотекстура нового типа композиционных материалов, из которых сформированы прототипы устройств микрофлюидики (микросмесителя, датчика давления, биосенсора) на твёрдой, гибкой и нетканой основе; д) осуществлена идентификация классов и спецификация параметров моделей описывающих систему связей между технологическими режимами процессов изготовления прототипов устройств микрофлюидики, их морфологическими характеристикам и функциональными свойствами. Научная новизна проекта заключается в предложенной системе способов направленного объемного и поверхностного структурирования полимерных матриц методами мультигазофазной модификации, обеспечивающего возможность динамического управления смачиваемостью, адгезией и проницаемостью полимерных материалов за счет изменения химического состава и морфологии поверхности (макро-, микро- и нанонеоднородностей) прототипов изделий микрофлюидики. Область применения: разработанные методы и техники изготовления элементов и устройств микрофлюидики с помощью сочетания технологий 3D-печати, поверхностной и объемной модификации полимерных материалов могут стать как альтернативой традиционным дорогостоящим и многоступенчатым способам создания устройств микрофлюидики (фотолитография, микропечать, мягкая литография и др.), так и основой элементной базы для осуществления лабораторных экспериментов биологического и химического анализа и синтеза, подбора рецептур и оценки эффективности лекарственных препаратов. В соответствии с утверждёнными в заявке формулировками технического задания: 1. Изготовлены объемно модифицированные филаменты на базе углеродных нанотрубок и традиционных полимеров 3D-печати (АБС и/или ПЛА, и/или ПЭТГ). Установлено влияние режима экструзии филамента на его функциональные свойства. 2. Изготовлены посредством 3D-печати отдельные элементы и прототипы устройств микрофлюидики на базе объемно модифицированных филаментов и поверхностно модифицированных полимеров. 3. Оптимизированы условия поверхностного фторирования и объемной модификации для реализации высоких физико-химических свойств отдельных элементов и прототипов устройств микрофлюидики – поверхностных (смачивание), адгезионных, сорбционно-десорбционных, поверхностного массопереноса функциональных жидкостей. 5 4. Разработан программный комплекс по математическому моделированию структуры и свойств поверхностно и объемно модифицированных полимеров. Величина адгезии объемно модифицрованного филамента к поверхности фторированных полимеров более, чем на 30%, выше, в сравнении с исходными. Изготовленные элементы и прототипы устройств микрофлюидики на базе поверхностно модифицированных полимеров обеспечивают направленный массоперенос функциональных жидкостей, скорость которого более, чем на 50% выше, в сравнении с исходными полимерами. Технология изготовления элементов и устройств микрофлюидики на базе поверхностно и объемно модифицированных полимеров может стать альтернативой традиционным способам изготовления устройств микрофлюидики (фотолитография, микропечать, мягкая литография и др.), которые являются многоступенчатыми и дорогостоящими процессами. Разработанные элементы и устройства микрофлюидики могут стать основой элементной базы для осуществления лабораторных экспериментов (биологического и химического анализа и синтеза, подбора рецептур и оценки эффективности лекарственных препаратов.