Coздaние нoвых мнoгoкoмпoнентных пoлимeрныx кoмпoзиций и их пeрeрабoткa в мaтeриaлы нa ocнoвe cтруктурнo-рeoлoгичeскoгo пoдхoдa

Основной целью проекта является создание новых полимерных композиционных материалов, отвечающих требованиям их целевого использования (таргет-материалов) при решении актуальных задач современной технологии формования прекурсоров для углеродных волокон и получения высокоточных изделий методом порошковой технологии. Решение этих задач основывается на структурно-реологическом подходе, согласно которому свойства композиционных материалов для указанных применений основываются на регулировании их структуры на всех стадиях получения, а выбор режима формования, обеспечивающий получение целевых показателей, определяется реологическими параметрами композиций. В качестве полимера-матрицы для получения прекурсоров будут использованы полиакрилонитрил и целлюлоза.Получение прекурсоров нового типа основывается на двух базовых принципах. Во-первых, при получении волокна будет реализован метод механотропного формования, не имеющий аналогов в мировой научной практике. Принцип механотропного формования основан на фазовых и релаксационных переходах, вызываемых деформированием. Именно этот аспект положен в качестве базиса работ в настоящем проекте. Во-вторых, тонкая модификация структуры нити будет достигаться использованием нанодобавок различного типа, как на основе углерода (углеродных нанотрубок, графена, наноалмазов), так и ряда кремнийорганических соединений, включая специально синтезированных для этой цели. Присутствие нанотрубок в волокне повышает его прочность, но основную роль углеродные наполнители играют в процессе карбонизации, предотвращая локальные перегревы за счет высокой теплопроводности и, таким образом, повышая выход по углероду. Кроме того, в присутствии нанотрубок возрастает доля лабильной ротационно-разупорядоченной фазы в структуре ПАН, с которой мы связываем успех трансформации белых волокон в высококачественные черные. Именно с этой фазы начинаются химические изменения структуры, такие как циклизация нитрильных групп, дегидрирование, формирование полиядерных структур. Вводимые нанодобавки будут способствовать структурной модификации волокон, улучшая степень самоорганизации во длине волокна. Не исключено, что присутствие углеродных наночастиц, практически всегда содержащих на поверхности функциональные группы, может изменить механизм химических перестроек при карбонизации, поэтому важным будет анализ газовых продуктов методом ИК-спектроскопии.Предлагаемая методология получения прекурсоров позволит достичь следующих результатов: микронного диаметра волокна, высокой молекулярной ориентации ПАН, равномерности структуры по сечению волокна, устранив нежелательную морфологию типа «оболочка-ядро». Новым классом прекурсоров, разрабатываемых в рамках тематики проекта является получения гибридных волокон на основе ПАН и целлюлозы с добавками кремнийорганических соединений. Здесь ожидается получение новых результатов, касающихся их роли как пламягасителей, повышающих выход по углероду при термолизе. Введение кремнийорганических соединений внутрь волокна априори является более эффективным в этом плане по сравнению с обычно используемой пропиткой. Анализ морфологии таких волокон, в частности формы и размеров включений кремнийорганики и исследование процесса карбонизации обоих видов волокон в модельных условиях наряду с анализом газообразных продуктов пиролиза, позволит получить новые результаты относительно механизма химических превращений при термообработке. Доказательство формирования частиц карбида кремния, их химическое строение и морфология также является важным результатом исследования. Особый интерес представляет возможность получения волокнистых включений карбида кремния.Важным научно-техническим результатом будет формование нанокомпозитных волокон ПАН/целлюлоза из растворов в N-метилморфолин-N-оксиде с модернизацией созданного ранее стенда с добавлением горячей промывки и сушки "на проходе". В этом случае можно добиться остаточного содержания ММО на уровне нескольких ppm. При таком содержании аминоксид не будет оказывать деструктивного влияния на процесс трансформации белых волокон в черные, хотя и без этих стадий прочность УВ из целлюлозы превышала 1.2 ГПа. В результате, будет выявлен механизм термолиза двух полимеров-прекурсоров и проанализированы механические характеристики исходных и черных волокон. Процесс получения прекурсоров и дальнейшей переработки белых волокон включает в качестве средств физико-химической поддержки: а) рентгеноструктурные исследования; б) ДСК и ТГА; в) механические характеристики; г) термолиз с получением новых углеродных волокон высокого качества. Как естественный "партнер" механотропного формования будет детально исследован процесс электроформования волокон, поскольку ранее было показано, что именно фазовый переход, вызывающий отделение растворителя при высоких кратностях вытяжки является первой стадией процесса и лишь затем идет испарение растворителя. Важной задачей проекта будет масштабирование полученных лабораторных результатов при создании прекурсоров с требуемыми характеристиками. Формование волокон-прекурсоров будет проводиться на многофункциональном экспериментальном стенде, специально созданном для этой цели в лаборатории, позволяющем осуществлять как мокрое, так и сухо-мокрое и сухое формование, т.е. с использованием жидкого осадителя или без него. Дальнейшим этапом в развитии этого направления будет создание макета печи для термообработки, позволяющей создавать инертную атмосферу, варьировать скорость подъема температуры и создавать определенное натяжение, что определяет целевые показатели свойств конечных изделий.К проблемам создания композитов, отвечающих требованиям их целевого использования, относится также разработка новых многокомпонентных полимер-неорганических композиционных материалов на основе полимеров и порошков металлов и керамики. Эти материалы ориентированы на решение актуальных задач современной технологии литья под давлением высокоточных изделий и 3D печати методом порошковой технологии. Решение этих задач основывается на структурно-реологическом подходе, согласно которому свойства композиционных материалов для указанного применения основываются на регулировании их структуры на всех стадиях получения и переработки, отражающейся на реологических свойствах. Принципиальная новизна развиваемого метода конструирования и изготовления высокоточных изделий состоит в сочетании классического литья под давлением пластмасс и технологии спекания металлических порошков, что предопределяет сложность процесса с точки зрения реологии и высокую точность конечных изделий сложной конфигурации из практически любых материалов, включая мелкодисперсные порошки керамики, любых сталей, оксиды циркония, алюминия, карбидов вольфрама, кобальта, кремния. Разрабатываемые таргет-материалы, используемые в рассматриваемом процессе, снимают практически все ограничения по сложности формы изготавливаемой детали. Все, что было крайне сложно реализовать из-за ограничений механической обработки, становится доступно. Конструкторы получают возможность ставить при проектировании на первое место функциональность изделия без ограничений традиционных технологий. В рамках решаемой задачи можно получать изделия сложной конфигурации с высокой воспроизводимостью по качеству и минимальной толщиной сечения от 0,4 до 30 мм, а также придавать их поверхностям практически любые свойства — от гладких до текстурированных с минимальными допусками по размерам.