Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большой класс оптоэлектрон-ных изделий представляют гибкие полимерные оптические волноводы, состоящие из оптоволокон, полимерной матрицы и внешней полимерной оплетки.
Основным требованием к полимерной матрице таких волноводов является низкая и стабильная во времени величина ее диэлектрической проницаемости. Из-за недостаточно низкой величины диэлектрической проницаемости полимерной матрицы происходят большие потери сигнала. Кроме того, со временем потери усиливаются из-за падения стабильности величины диэлектрической проницаемости (это обусловлено линейной топологией макромолекул в используемых полимерных матрицах). Таким образом, в сфере гибких полимерных оптических волноводов обозначилась проблема нехватки полимерных матриц с низкой, регулируемой и стабильной во времени величиной диэлектрической проницаемости.
Для увеличения стабильности во времени величины диэлектрической проницаемости создают «смесевые» полимерные матрицы, представляющие собой смесь линейных и разветвленных макромолекул (линейно-разветвленные полимерные матрицы). Диэлектрическую проницаемость как линейных, так и линейно-разветвленных матриц можно снизить за счет уменьшения их молекулярной массы, т.е. путем получения не высокомолекулярного полимера, у которого изменение длины цепей не сказывается на изменении его свойств, а оли-гомера, у которого изменение длины цепей на свойства влияет существенно. Помимо этого, величина диэлектрической проницаемости полимерной матрицы зависит от того, в каком физическом состоянии (стеклообразном или высокоэластическом) находится матрица в условиях эксплуатации волновода. Фактически, это означает, что такие теплофизические характеристики полимерной матрицы, как температура стеклования и коэффициенты теплового расширения в стеклообразном и высокоэластическом состояниях, определяют величину диэлектрической проницаемости. В последние годы, благодаря появлению контролируемой радикальной полимеризации с обратимой передачей цепи, или RAFT-полимеризации (RAFT от англ. Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer), протекающей в присутствии тритиокарбонатов, стало возможным не только точно регулировать молекулярно-массовые характеристики полимера, но и получать в единой реакционной системе и линейные, и разветвленные макромолекулы, т.е. синтезировать линейно-разветвленную полимерную матрицу, не проводя никаких дополнительных операций, в частности, смешения.
Поэтому актуальным является создание теоретического фундамента для прогнозирования молекулярно-массовых, теплофизических и диэлектрических характеристик получаемых методом RAFT-полимеризации полимерных матриц гибких оптических волноводов.
Объектом исследования стал полибутилакрилат, который является одним из самых востребованных в качестве матрицы гибких оптических волноводов крупнотоннажных полимеров.
Цель работы - разработка на примере полибутилакрилата принципов теоретической оценки молекулярно-массовых, теплофизических и диэлектрических свойств полимерных матриц гибких оптических волноводов, получаемых методом RAFT-полимеризации.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработка кинетической модели процесса RAFT-полимеризации бу-тилакрилата, протекающего в присутствии тритиокарбоната. Проверка ее адекватности путем сопоставления прогнозируемых и экспериментальных значений молекулярно-массовых характеристик экспериментальных образцов образующегося полимера .
-
Осуществление на основе разработанной кинетической модели количественной оценки влияния условий проведения полимеризации (концентрации исходных реагентов и температуры) на молекулярно-массовые характеристики получаемого полимера.
-
Установление связи диэлектрической проницаемости и определяющих ее теплофизических свойств (температуры стеклования, коэффициентов теплового расширения) с молекулярно-массовыми характеристиками RAFT-поли-бутилакрилата. Проверка адекватности установленных закономерностей путем сопоставления прогнозируемых и экспериментальных значений теплофизических характеристик и диэлектрической проницаемости RAFT-полибутилак-рилата.
-
Исследование влияния условий полимеризации на теплофизические характеристики и диэлектрическую проницаемость RAFT-полибутилакрилата.
Научная новизна. Разработана и экспериментально подтверждена на адекватность кинетическая модель процесса RAFT-полимеризации бутилакри-лата, протекающего в присутствии тритиокарбоната. Модель позволила установить влияние условий проведения RAFT-полимеризации на молекулярно-массовые характеристики полимера.
В рамках инкрементального и полуэмпирического прогностических подходов получены и экспериментально апробированы теоретические закономерности, устанавливающие связь молекулярно-массовых характеристик RAFT-полибутилакрилата с его диэлектрической проницаемостью и определяющими ее теплофизическими характеристиками. В рамках полученных закономерностей определено влияние условий проведения полимеризации на значения рассматриваемых свойств.
Практическая значимость работы. Полученные теоретические закономерности могут применяться:
для подбора к гибким оптическим волноводам RAFT-полибутилакри-латных матриц, обладающих требуемыми значениями диэлектрической проницаемости (или других полимерных матриц, получаемых аналогичным методом);
для разработки стадии получения полимерной матрицы в рамках технологии изготовления гибкого оптического волновода.
Далее используется сокращение - RAFT-полибутилакрилат.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на: Научной школе с международным участием «Актуальные проблемы науки о полимерах» (Казань, 2011), Международной молодежной научно-практической конференции «Альфред Нобель и достижения мировой науки и цивилизации за 110 лет» (Казань, 2011), Международной научной школе «Актуальные проблемы физи-ко-химии полимеров и композиционных материалов» (Казань, 2012), Международной молодежной школе «Компьютерное моделирование новых материалов» (Москва, 2012), IV Международной конференции «Biomaterials and Nanobioma-terials: Recent Advances Safety-Toxicology and Ecology Issues» (Греция, Крит, Гераклион, 2013); IV Всероссийской научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (с международным участием) (Тамбов, 2012), Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения» (Нижнекамск, 2012), 55-й научной конференции МФТИ (Москва, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Уфа, 2012), Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике (Москва, 2012).
Научные исследования поддержаны грантом Инвестиционно-венчурного фонда РТ «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации «Старт инноваций» (2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для размещения материалов диссертаций; 8 статей в сборниках трудов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 176 страницах, содержит 48 рисунков и 21 таблицу, состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения и списка литературы, насчитывающего 180 наименований.
