Разработка новых типов высокотехнологичных полимерных и композиционных материалов с комплексом специальных свойств на основе гибко- и жесткоцепных полимеров различной природы с использованием новых принципов и теоретических подходов для различных областей промышленного производства, строительства и медицины

В отчетном 2024 гг. выполнена НИР по теме № FFSM-2024-0002 "Создание нового поколения интеллектуальных полимерных и композиционных материалов со специальными свойствами на основе гибко- и жесткоцепных полимеров различной природы с использованием новых принципов и теоретических подходов для различных областей промышленного производства, строительства и медицины" (№ госрегистрации 124022800152-7). Объектом исследования являлись полимерные и полимерные композиционные материалы на основе крупнотоннажных полимеров и перспективных функциональных высокодисперсных наполнителей. Цель работы — разработка научно-технологических основ получения новых типов полимерных и композиционных материалов, обладающих высокими механическими и специальными функциональными свойствами (улучшенными электрофизическими характеристиками, пониженной горючестью), для использования в различных областях производства деталей и элементов конструкций и функциональных устройств широкого назначения. Исследовано модифицирующее действие перспективного промышленного функционального нанодисперсного наполнителя (наноалмазная шихта детонационного синтеза, АШ) на функциональные характеристики и свойства межфазного интерфейса полимерных композитов на примере коммерчески доступной смолы Epikote 828 и стандартной АШ детонационного синтеза, полученной в результате подрыва тринитротолуола. Установлено, что увеличение содержания АШ приводит к снижению прочности эпоксидного связующего на разрыв и повышает эффективную степень его сшивки. Вместе с тем, устойчивость к образованию трещины при невысоких скоростях приложения нагрузки остается высокой. Исследовано влияние скорости прокатки, при которой полимерная пленка непрерывно протягивается между двумя валками, вращающимися в противоположных направлениях, на механизм пластического течения плёнок полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Показано, что прокатка подавляет хрупкое разрушение ПЭТФ вплоть до низких температур. Изучено влияние теплоотдачи на автоколебания при растяжении ПЭТФ. Установлено, что коэффициент теплоотдачи зависит от растяжения образца. Полученные результаты позволяют эффективно модифицировать свойства и характеристики крупнотоннажных полимеров посредством термомеханической обработки. Изучена структура и механические свойства однокомпонентных самоармированных композиционных материалов (СКМ) с однонаправленным армированием на основе волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), изготовленных методом термического прессования. Выполнены испытания на изгиб, на растяжение и на ударную вязкость для выявления свойств однокомпонентных однонаправленных СКМ на основе волокон СВМПЭ. По результатам испытаний на изгиб, растяжение и по результатам ударных испытаний установлено, что адгезионное взаимодействие по механизму взаимодиффузии макромолекул на поверхности волокон в составе СКМ является достаточно слабым, по крайней мере, в сравнении с классическими связующими. Вместе с тем, при испытании на растяжение был достигнут один из максимальных результатов предела прочности для данного класса материалов. Исследованы синергетические эффекты снижения горючести эпоксидных смол при использовании нестехиометрических P,N-антипиренов нестехиометрического состава на основе меламина и аммонийных производных фосфорной кислоты в эпоксидной полимерной матрице “холодного” отверждения. Образование термостойких интермедиатов при термодеструкции эпоксидных смол объясняет более высокие значения кислородных индексов эпоксидных смол, отвержденных различными способами и отвердителями, по сравнению, например, с полиолефинами. Наличие термостойких интермедиатов способствует образованию барьерного слоя на поверхности полимера, ограничивая доступ кислорода в зону горения. Исследованы синергетические эффекты фосфор- и азотсодержащих компонентов в интумесцентных огнезащитных покрытиях (ИОЗП). Разработаны ИОЗП, которые позволяют исключить пентаэритрит в качестве источника углерода, как это имеет место в традиционных ОЗП. Последний ингибирует “холодное” отверждение эпоксидных смол и его использование нежелательно, поскольку оно снижает огнезащиту крупногабаритных изделий с использованием ОЗП на эпоксидной основе. Исследована возможность получения пленок и пластин композитов на основе полилактида и наноуглерода методом 3D печати, исследованы электрические и электродинамические свойства полученных образцов. Для изотактического полипропилена (ИПП), композитов ИПП с графеновыми нанопластинами, восстановленным оксидом графена, углеродными нанотрубками (одностенными и многостенными, и их смесями), полученными in situ полимеризацией, были определены величины коэффициента отражения электромагнитных волн СВЧ-диапазона при разных частотах для образцов, расположенных на металлической подложке. Установлено, что нанокомпозиты на основе ИПП с нанотрубками и графеновыми нанопластинами, полученные методом полимеризации in situ, перспективны для создания экранов и поглотителей электромагнитного излучения. Впервые синтезирован новый высокомолекулярный полиимид на основе двух циклоалифатических мономеров и 1R,3S-изофорондиамина, выделенного в виде индивидуального соединения из товарного смесевого продукта «изофорондиамин», и диангидрида норборнантетракарбоновой кислоты (NBDA). На основе циклоалифатического диангидрида NBDA также синтезирована и охарактеризована серия новых полиимидов и ряда ароматических диаминов. Исследован эффект поверхностного модифицирования пленок полиэтилиденнорбрнена в низкотемпературной плазме постоянного тока на воздухе с целью улучшения газоразделительных характеристик. Воздействие на пленки низкотемпературной плазмы существенно изменяет химический состав поверхности, приводит к также увеличению шероховатости поверхности. и вызывает избирательное снижение проницаемости для всех постоянных газов, за исключением гелия и водорода. Поучено значительное улучшение газоразделительных свойств пленочных мембран PENB, например, селективность по O2/N2 увеличилась более чем в два раза, а селективность по H2/CH4 увеличилась более чем в 20 раз относительно исходных параметров. Использование модифицирования с помощью низкотемпературной плазменной обработки открывает новые возможности для улучшения газоразделительных свойств новых и существующих полимеров и полимерных мембран. Разработаны и оптимизированы механохимические методы выделения и модифицирования природных полимеров и изучена взаимосвязь их структуры со свойствами материалов на их основе для применения в качестве компонентов широкого круга функциональных материалов. Методом импульсного механического воздействия, приводящего к реологическому взрыву и радиочастотному отклику, получен и исследован ряд композиционных материалов. Получены новые данные по радиочастотному отклику на ударное воздействие и по релаксации упругой энергии для наполненных эпоксидно-ангидридных компаундов, которые могут быть использованы для выбора составов при проектировании конструкционных материалов, таких как высоковольтные системы передачи и распределения электроэнергии, защитные покрытия гражданских объектов. Для композиции полилактид–восстановленный оксид графена обнаружен эффект изменения частоты механически активированного тока при быстром разрушении типа реологического взрыва. Впервые одностадийным экологически чистым способом в полимерной матрице, допированной комплексом Gd(QH)3 (QH — лиганд на основе 3,6-ди-трет-бутил фенола, экологически чистого антиоксиданта), получены суперпарамагнитные наночастицы элементного гадолиния размером 5-10 нм. Впервые при механохимическом воздействии в экструдере получены коллоидные системы хитина в системе щелочь/мочевина. Изучена взаимосвязь между параметрами процессов и структурой и свойствами полученных продуктов, получены характеристики наноразмерных структур макромолекул в водных растворителях. Разработанные процессы перспективны для разработки функциональных материалов с новыми свойствами. Поставленные задачи решены полностью. Полученные результаты являются абсолютно новыми, не описанными ранее в научной литературе, и по актуальности и эффективности разработанных подходов соответствуют мировому уровню научных исследований.