Введение к работе
Актуальность немы: Конструирование полимеров,, т.е. направленный поиск соединений с заданной эксплуатациошгой характеристикой является заветной целью химиков-синтетиков. На протяжении всей истории развития химической науки ученые пытались открыть закон, созывающий структуру химических соединений с физическими свойствами. Однако и сегодня, несмотря на значительный прогресс химии, уровень теоретических представлений о характере связи структура - свойства еще далек от завершения и не в полной мере отвечает потребностям хкмиков-сингетпков. Эта ситуация заставляет исследователей в поисках путей направленною синтеза полимеров обращаться к статистическим методам установлегаи связи структура - свойства.. Такие эмпирические методы, основанные на регрессионном анализе, за последнее время получили широкое распространение. Однако их применение за редким исключением, было направлено не на поиск новых соединений, а на подтверждение: существования связи структура - свойства в определенных классах полимеров. Для превращения вычислительных методов в рабочий инструмент хщадкачгонструкторэ полимера необходимоь чтобы результаты их работы могли быть содержательно интерпретссрованы и позволяли получать рекомендации по направленному синтезу соединений с заданными свойствами, а также прогнозировать свойства предлагаемых к сгаггезу соединений, особенно термостойких полимеров, способных длительно эксплуатироваться при высоких температурах. Термостойкие полимеры по праву считаются материалами XXI века. Создание таких полимеров ускоренными темпами стало центральной проблемой химии высокомолекулярных соединений.
Поэтому, особую актуальность приобретает разработка новых подходов с применением ЭВМ для автоматизации всех этапов создания новых термостойких полимеров. Научные и практические интересы, связанные с изучением проблемы прогнозирования свойств полимеров, основанные на связи физических параметров с химическим строением макромолекул с использованием ЭВМ, способствовали становлению нового самостоятельного исследовательского'направления: химическая информатика макромолекул. Основанием) для выполнения настоящей работы является Решение Государственной комиссии РФ №58 от . на проведение научно -исследовательских работ по Секции прикладных проблем при Президиуме РАН: I.Разработка методов компьютерного, проектирования полимеров для совершенствования технологических основ- получения перспективных материалов, используемых в вооружении и военной технике. Шифр" Угорь АН";
2.Разработка состава и технологии изготовления пресс-материала для герметизации СБИС сболыиой емкостью памяти. Шифр "Диагональ - Т'"; Ї.Теоретические и экспериментальные исследования по созданию (Вдшерсальных датчиков на основе новых дарочувствительных полимерных сомпозищтонных материалов и полупроводниковых соединений с целью хдаершенствования снспем обнаружения ПВО. Шифр "Умелец";
Целью работы является установление основных закономерное^ эмпирического и полуэшшрического подхода к исследованию связи "структу] -свойства" макромолекул и, на этой основе, разработка компьютера технологии синтеза (конструирования) новых тепло-термостойких полимеров.
Для достижения данной цели в работе решались следующие задачи:
- исследовать возможности эмпирического и полуэмпирического подхода да
прогнозирования важнейших эксплуатационных параметров полимеров;
- изучить связи "структура - свойства" в полиарилатах и полиимидах
различными функциональными, группами и на этой основе разработа
методику и программу для компьютерного расчета их экеппуатационнь
свойств.
- разработать программное обеспечение' для компьютерного синте
(конструирования) тепло- термостойких полимеров с заданными свойствами,
также для изучения молекулярной подвижности в твердых полиимидах.
установить закономерности термических превращений в полиимидах, а так? в процессах твердофазной циклизации и, на этой основе, разработать спосс управления процессом имидизации.
применить компьютерное моделирование для анализа влияния физическс дефектности на тонкую структуру релаксационных процессов и на важнейпп экешуатационные свойства полиимидов.
Научная ношшіа Впервые проведены анализы существующих методе оценки свойств полимеров с целью выяснения возможностей их применения задачам прогнозирования эксплуатационных характеристик термостойи полимеров и осуществлены, связанные с этим, преобразования расчетнь уравнений с позиции выбранного критерия увеличения отношения: число определяемых полимеров чисто параметров модели (метода). Впервые с этих же позиций получены соотношения, позволяют; прогнозировать поверхностную энергию и диэлектрическую проницаемое теплостойких полимеров, а также расширены возможности расчетных метод< для оценки свойств новых полимеров, содержащих атомы брома, кремни фтора, группировки С=СС12 и 2,5-трштгицендиола, для которых рассчитай молекулярные характеристики и инкременты свойств.
Метод прямого конформационного расчета с полуэмпирическиь потенциалами использован для изучения молекулярной подвижности в твердь полиимидах. Разработана методика и программное обеспечение, котор< позволяет рассчитывать и строить потенциальньш рельеф при движет фрагментов цепи как с учетом "континуальных", так и "дискретных" дефект» структуры полиимидов.
Теоретически, с использованием расчетных методов, и экспериментально
установлены основные закономерности и особенности твердофазной
ішюшзации в полиимидах при различных режима?: имидизации. Предложен
способ управления кинетикой твердофазной циклизации выбором
температурно- 4
временного режима,, низкомолекудярных добавок. Разработана технология злученім лакофольгового подшімидного материала.
На основе системного анализа процесса создания новых полимеров, и )зможностей новых штформационных технологий разработана новая іформацнонная технология ПОИСК, позволяющая визуализіфовать процесе . жструирования химической структуры полимеров. Технология ПОИСК отяется новым оригинальным инструментом, шцегрирующим в себе ^имущества традиционных методов в исследовательской деятельности п )зможности современных ішформациоиньїх технологий. Особенность хнологии ПОИСК состоит в; том, что в нем информационные технологии не меняет? человека в творческом процессе поиска структуры с заданными юйсхвами термостойких полимеров, а берут на себя рутинные операции сборам [ализа, оценки и управления ігнформацией.
В результате проведенных работ предложена система идей; оригинальных ггодологических приемов, расчетных формул, алгоритмов и программ, іразующих основу научного направления, развиваемого автором -
ЇМИЧЕСЖАЯ ИНФОРМАТИКА МАКРОМОЛЕКУЛ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Компьютерная технология проектирования термостойких полимеров* включающая совокупность идей, орипшальных методологических приемов;, алгоритмов и программ, расчетных схем иа основе аддитивного подхода. Расчетные формулы для прогнозирования величин поверхностной энергии и диэлектрической проницаемости термостойких полимеров. Прогнозные структуры полиаридатов, полиимидов, обладающие комплексом заданных свойств.
Способ управления твердофазной циклизацией полиимидов, основанный на использовании результатов, полученных при изучении влияния различных факторов (температурно-временной режим, низкомюлекулярные добавки) на данное явление.
Способ получения лакофольгового полиимидного материала, обладающего повышенной адгезией и высокими механическими характеристиками. Результаты анализа процессов молекулярной подвижности в кристаллических решетках полиимида марки ПМ в отсутствии дефектов, а также при одновременном наличии континуальных и дискретных дефектов. іактнческап ценность работы заключается в том, что в результате стемного анализа: 1)процесса создания новых полимеров 2) возможностей вых информационных технологий, а также на основе полученных формул, лтериментальных данных и развитых теоретических представлений зработаиа компьготерн&ч технология синтеза (конструирования) термостойких пимеров;. Полученные расчетные формулы по оценке величины верхностной энергий и диэлектрической проницаемости позволяют выявить
мосбязь "структура - свойства" в термостойких полимерах, что дозволі разработать методику и программное обеспечение для их прогнозирования.
На основе экспериментальных данных, полученные инкременты гру С=СС12 и атома Вг - в термостойкость, инкремегагы атома F- в теплостойкое инкременты групп -SOj -, атома -Si - и атома -N< в, гетероцикле в молыг поляризацию, позволили расширить возможности методов ггрогнозированго рамках аддитивного подхода.
Результаты моделирования физических дефектов в, полиимидах и анализ, влияния на молекулярную подвижность могут быть использованы л дальнейшего развития теории термостойкости, устойчивости к старению кинетики химических реакций в твердой фазе.
Созданные программы для ЭВМ, позволяющие визуализировать прощ конструирования химической структуры полимеров, использованы в учебн процессе при чтении курсов "Физические методы исследования", "Осно: научных исследований" и спецкурса по "Физике и химии полимеров" Кабардино-Балкарском государственном университете, а также при решен ряда задач в электронике для повышения надежности приборов и устройс используемых в электронной технике.
Апробации работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждал* на республиканских конференциях по применению полимеров в народні хозяйстве (Нальчик,) 982,1983); Всесоюзной научно-технической конференц "Эксплуатационные свойства конструкционных полимерных материалов" Нальчик, 1984); Республиканской конференции "Научные достижения химик народному хозяйству" (Вильнюс,1984); Региональной конференции "Хими Северного Кавказа народному хозяйству"' (Махачкала, 1987, Грозный, 1989); I ей Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствован экспериментальных методов исследовагаїя физических процессов" (Ленингрг 1989), VIlI-ом Всесоюзном симпозиуме по межмолекулярнъш взанмодействи и конформациям молекул (НовоснбирскД990); Региональной конференц "Проблемы контактного взаимодействия, греши и гоноса "(Ростов-на-Дої 1991); Международной научно-практической конференции ELBRUS-97. "Нові информационные технологии и их регаонапьное развитие" (Нальчик 1991 Материалы III Всероссийской научно- методической конференц "Педагогические нововведения в высшей школе: технологии, методика, ольи часть I (Краснодар 1998) Научно-практическая конференция "Нові полимерные композиционные материалы" (Нальчик, 2000 г)
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть гла выводы, заключение, она изложена на 250 страницах, содержит 37 рисунков, таблиц и список литературы из 200 источников.
Похожие диссертации на Компьютерная технология конструирования химической структуры и прогнозирования свойств термостойких полимеров
