Введение к работе
Актуальность темы. Сетчатые полимеры представляют собой уншсальныЯ класс материалов с высокой эластичностью, значительными прочностными показателями и т.д. Полимерные сетки находят широкое применение в технике, медицине, при развитии высоких технологий. Получение полимерных сеточных материалов с заданным комплексом параметров требует установления количественных связей между структурой сеток и их свойствами, проявляемыми в различных условиях. Современные экспериментальные методы исследования сетчатых полимеров (например, спектроскопия, рентгенография, малоугловое рассеяние нейтронов) несмотря на свою эффективность обладают рядом недостатков. Прежде всего, в лабораторных условиях или при промышленном производстве сложно синтезировать абсолютно идентичные образцы сеток, а даже небольшие различия структуры, неизбежно возникающие при синтезе, могут сильно влиять на наблюдаемые свойства, что резко затрудняет получение воспроизводимых результатов. Кроме того, из-за чрезвычайно сложного строения сеток и непостоянства их состава интерпретация опытных данных на молекулярном уровне составляет значительную проблему. С другой стороны, в аналитических теориях главная трудность заключается в том, что предсказываемые закономерности справедливы только для сильно идеализированных случаев - для бесконечно больших систем, имеющих обычно строго регулярную структуру. Известно однако, что реальные полимерные сетки, получаемые в результате реакций полимеризации или поликонденсации, практически всегда характеризуются неоднородностями химического состава, молекулярно-массового распределения и пространственной структуры. Обычно эти неоднородности рассматриваются как нежелательный фактор, отрицательно влияющий на механические свойства. Однако бывают и исключения. Например, наличие микрогетерогенностей структуры сетчатых полимеров может играть важную роль в процессах регулируемого транспорта низко- или высокомолекулярных веществ через сетки (в частности, при гель-электрофорезе). Получение материалов с оптимальными параметрами в последнем случае требует исследования причин возникновения и разработки средств контроля структурных неоднородностей. Неясными на сегодняшний день остаются и теоретические объяснения причин возникновения неоднородностей сеток. Если исходить из современных теоретических представлений, то максимальный пространственный масштаб, на котором проявляются структурные неоднородности, не должен превышать среднего размера сеточной ячейки (для густо сшитых систем это отвечает нескольким нанометрам). Тем не менее прецизионные эксперименты по светорассеянию и малоугловому рассеянию нейтронов, выполненные в последние годы, однозначно указывают на существование структурных гетерогеиностей гораздо большего масштаба, отвечающего десяткам или даже сотням нанометров. В такой ситуации повышается роль численных методов компьютерной имитации. В этом случае с использовани-
ем достаточно простых математических моделей можно строго контролировать условия проведения химического синтеза, степень конверсии, непосредственно наблюдать формирование структурных неоднородностей, анализировать топологию сеточного каркаса. Кроме того, не составляет труда проводить исследования в таких условиях, которые сложно или невозможно воссоздать в реальном эксперименте. Наконец, методы компьютерного моделирования позволяют проверить выводы аналитических теорий, основанных часто на весьма грубых приближениях. Таким образом, разработка математических моделей, методов компьютерной имитации, средств анализа структуры, топологии и динамических свойств полимерных сеток является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.
Общая цель работы состоит в разработке новых моделей и методик компьютерной имитации полимерных сеток, а также в исследовании на этой основе структуры, топологии и ряда динамических свойств сетчатых полимеров. К конкретным задачам работы относится:
описание композиционного состава системы, возникающей в различных условиях при химической реакции би- и трифункциональных мономеров;
анализ строения и топологических особенностей таких сеток;
изучение пространственного распределения структурных неоднородностей в набухших и сжатых сетках;
проверка гипотезы о неэргодичности поведения для густо сшитых полимерных сеток;
исследование динамических свойств и эффектов теплопередачи в сеточных системах;
моделирование процессов необратимой агрегации (самосборки) цепных молекул с различным числом и распределением ассоциирующих групп, расчет геометрических (фрактальных) характеристик возникающих агрегатов;
численное моделирование коллапса заряженных сеток.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
развиты эффективные модели и методики компьютерной имитации, позволяющие описывать процесс образования полимерных сеток при взаимодействии мономеров с различной функциональностью;
представлены доказательства того, что сетки данного типа относятся к числу так называемых неэргодических случайных сред, проявляющих это свойство на масштабах ~102 нм;
показано, что в условиях термодинамически плохого растворителя сжатые сетки обладают квазипериодической микродоменной структурой;
с использованием кинетически-контролируемой модели Идена изучена агрегация цепей с различным числом ассоциирующих групп;
установлено, что при растяжении цепей теплопроводность системы растет за счет уменьшения температурного градиента;
при исследовании коллапса полиэлектролитных сеток, в отличие от предыдущих работ, явным образом учтено влияние контрионов, что позволило выявить новые закономерности процесса (в частности, установить многостадийность и существенную нелинейность процесса).
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные модели, методы расчета, компьютерные программы, а также полученные результаты позволяют совершенствовать условия получения полимерных сеток, проводить направленный синтез материалов с заданными свойствами, регулировать их структуру.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Российской научной конференции с участием зарубежных ученых "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных средах" (Тверь, 1994), на XII Международном семинаре по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Харьков, 1994), на Международной конференции "Наноструктуры и процессы самосборки в полимерных системах" (С.-Петербург - Москва, 1995), на IX Международном симпозиуме северных стран "Компьютерное моделирование жидкостей и твердых тел" (Швеция, Ґетеборг, 1995), на Международном симпозиуме "Полиэлектролиты-95" (Германия, Потсдам, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 107 наименований. Диссертация содержит 132 страницы текста, включая 46 рисунков.
![Ионообменные свойства полимера на основе фенилкаликс[4]резорцинарена](/i/i/4587/328952.png "Ионообменные свойства полимера на основе фенилкаликс[4]резорцинарена Федяева Оксана Николаевна")
