Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение физической природы свойств гетерогенных материалов и поиск принципиальных путей управления их характеристиками с последующей оптимизацией составляют научную сущность любой области материаловедения, в том числе и полимерного.
Одним из важнейших направлений в этой области является создание новых функциональных композитов, в которых используются наполнители нанометрового масштаба. При переходе от микро- к наноразмерным наполнителям существует возможность реализации качественных изменений характеристик материала, улучшения или придания ему новых эксплуатационных свойств. Это явление объясняется тем, что характерный размер дисперсной фазы становится сравнимым с радиусом корреляции некоторых физико-химических параметров полимерной матрицы.
С другой стороны, получение нанокомпозитов сопровождается необходимостью разработки способов введения частиц в объем полимера, так как высокие значения их поверхностной энергии приводят к термодинамически выгодному в данном случае процессу агрегирования. Эффективность использования наполнителя в составе материала резко снижается при переходе от гомогенного распределения к неоднородному, сопровождающемуся образованием его агломератов.
К традиционным приемам дезагрегации наполнителя в объеме полимера можно отнести использование поверхностно-активных веществ или предварительную обработку частиц антиадгезивами. Один из современных способов - использование гибридных наночастиц типа «ядро-оболочка». Последняя, обладая хорошим сродством к матричному полимеру, способна воспрепятствовать агрегированию наполнителя.
Таким образом, разработка унифицированного метода синтеза репрезентативного ряда кремнеземных частиц с модифицированной поверхностью, позволяющей «подстраивать» их под конкретную матрицу, а также создание модельных систем для исследования взаимодействия макромолекул полимера с наночастицами наполнителя для оценки влияния на свойства композиционного материала различных факторов (природа поверхностных групп, размер частиц) являются актуальными задачами.
Цель работы: разработка методов синтеза набора кремнеземных гибридных органо-неорганических частиц с поверхностным слоем различной химической природы, получение и исследование свойств модельных полимерных нанокомпозитов.
Достижение поставленной цели осуществлялось решением следующих задач:
осуществить синтез модификаторов и прекурсоров различной химической природы;
разработать методы синтеза молекулярных органо-неорганических наночастиц, охарактеризовать их и исследовать свойства;
получить композиционные материалы на основе различных полимерных матриц (полиэтиленоксид, полилактид);
оценить уровень совместимости компонентов и влияние на нее различных факторов (природы поверхностного слоя, размеров частиц);
исследовать свойства полученных полимерных нанокомпозитов.
Научная новизна полученных результатов. В ходе работы впервые на основе
сверхразветвленного полиэтоксисилоксана и тетраэтоксисилана синтезированы
и охарактеризованы кремнеземные органо-неорганические гибридные системы
типа «ядро/оболочка», химическая структура поверхностных слоев которых
сходна со структурой мономерных звеньев некоторых аморфно-
кристаллических полимерных матриц: полиэтиленоксида (ПЭО), полилактида
(ПЛА). Показано, что химическая природа поверхностного органического слоя
наночастиц наряду с их размером является фактором управления структурой и
свойствами полимерного нанокомпозита.
Практическая значимость работы. Предложенный универсальный синтетический, т. н. «полимерный», подход к синтезу модифицированных кремнеземов может рассматриваться как дальнейшее развитие метода создания гибридных материалов, сочетающих в себе преимущества полимерных матриц и неорганических полициклических структур. Использование гибридных частиц, органическая оболочка которых хорошо совместима с матричным полимером, позволяет получать нанокомпозиты путем экструзионного смешения без привлечения дополнительных способов диспергирования смеси. Выполненный комплекс работ, направленный на понимание механизмов взаимодействия частиц с полимерной матрицей, имеет большое значение для управления свойствами полимерных нанокомпозитов и выявления их уникальных особенностей. В качестве примера можно привести резкое изменение газопроницаемости матрицы полиметилметакрилата (ПММА) при введении в нее частиц силиказоля. Использование модифицированных кремнеземов является эффективным способом модификации свойств полилактида, устраняя
один из недостатков этого полимера - низкую скорость кристаллизации расплава.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на 11-ой и 12-й Андриановской Конференции «Кремнийорганические соединения: синтез, свойства, применение» (Москва, 26—30 сентября 2010, 25—27 сентября 2013); Второй, третьей и четвертой всероссийской школе-конференции для молодых ученых "Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты" (Московская область, пансионат «Союз», 24—29 октября 2010; 23—28 октября 2011; 21—26 октября 2012); 14-м международном симпозиуме ИЮПАК по макромолекулярным комплексам ММС-14 (Хельсинки, Финляндия, 14—17 августа 2011); конференции 6th European Silicon Days (Лион, Франция, 5—7 сентября 2012); 8-й конференции «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 12—15 ноября 2012); 8-й всероссийской конференции по химии и наноматериалам «Менделеев-2013» (Санкт-Петербург, 2—5 апреля 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в реферируемых отечественных и зарубежных журналах, тезисы 9-ти докладов на научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 143 страницах печатного текста, включает 66 рисунков, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 183 наименований.
