Введение к работе
Актуальность темы. Большинство материалов, используемых в различных областях техники, представляют собой многокомпонентные дисперсные системы, причем в процессе их переработки дисперсионная среда в таких системах является жидкостью. Поэтому для изучения их поведения ключевую роль играет реология. Как общее правило, реологические свойства различных дисперсий исследуют на примере отдельных классов материалов. Между тем, актуальной научной и научно-технической задачей является комплексное изучение реологических свойств различных систем с разными дисперсионными средами с тем, чтобы установить общие закономерности их поведения.
Для дисперсных систем характерно специфическое
структурообразование, зависящее как от природы коллоидной и/или полимерной системы, так и от режима их деформирования. Структурообразование в рассматриваемом в данной работе контексте выражается в существовании твердообразной структуры, разрушаемой при некотором критическом напряжении, после чего материал становится текучим. Систематическое исследование структуры и реологических свойств основных классов дисперсных систем - концентрированных эмульсий и суспензий с различной дисперсионной средой - водой, маслом и расплавом полимера, представляет собой актуальную задачу современной науки о материалах. Эта задача относится к проблематике, решаемой в рамках приоритетного направления науки и техники "Индустрия наносистем и материалов", а также в критической технологии "Нанотехнологии и наноматериалы", поскольку исследуемые материалы, по сути, являются нанокомпозитами.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы Минобразования РФ ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 гг. (Гос. Контракты № 683 и № 02.740.11.5180) и грантов РФФИ (10-03-90002-Бел_а, 10-03-00079_а).
Цель работы: комплексное исследование реологических свойств эмульсий и суспензий с низкомолекулярными и полимерными дисперсионными средами для установления роли специфического структурообразования в особенностях проявления реологических свойств.
Конкретные задачи работы:
- получить полную реологическую характеристику гелей на основе цистеина
с серебром при использовании водной дисперсионной среды при различном
составе электролитов и варьируемой в широких пределах концентрации
дисперсной фазы; изучить физико-химическую структуру этих гелей и
выявить движущую силу структурообразования в этих системах;
- исследовать реологические свойства суспензий оксидов металлов в
масляной фазе, применяемых для создания электрореологических сред, в
широком диапазоне режимов деформирования; сопоставить реологические
характеристики этих систем с особенностями специфических
взаимодействий;
сопоставить поверхностные и объемные свойства эмульсий, содержащих наночастицы в качестве компонента, играющего роль стабилизатора и концентрирующегося на межфазных поверхностях;
получить нанокомпозит на основе эпоксидной смолы, модифицированной наночастицами глины и детонационных алмазов, исследовать его реологические и адгезионные свойства, структуру и физико-механические характеристики отвержденного композиционного материала.
Научная новизна. В работе впервые:
получены количественные реологические характеристики широкого круга водных дисперсий на основе комплекса L-цистеин/серебро в присутствии различных электролитов и определены условия перехода от геля к маловязкой жидкой среде, при этом показано, что супрамолекулярные гели в таких системах могут формироваться даже при столь низкой концентрации дисперсной фазы, как 6-Ю"4 масс. %;
показано, что даже очень разбавленные гели в области низких напряжений ведут себя как твердообразные среды с модулем упругости, не зависящим от частоты в широком диапазоне частот; доказано наличие эффекта послойного течения при разрушении (переходе через предел текучести) таких гелей;
предложена и обоснована новая физико-химическая модель, описывающая механизм формирования перколяционной сетки в гелях системы цистеин/серебро;
установлены области стабильного и неустойчивого (автоколебательного) деформирования концентрированных суспензий и доказан вероятностный характер перехода к неустойчивому течению, при этом обнаружен эффект гетерогенного течения суспензий в виде трехслойного потока с узкой маловязкой прослойкой дисперсионной среды, по которой фактически и происходит сдвиговое течение;
- показана корреляция между межфазными и объемными свойствами
эмульсий с наноразмерными твердыми частицами, причем наночастицы и
полимерное ПАВ демонстрируют синергический эффект;
получены композиции эпоксидного олигомера с наноразмерным наполнителем, обладающие повышенными физико-механическими характеристиками и адгезией к армирующим волокнам, при этом предложен метод оценки адгезионного взаимодействия любого непроводящего
полимерного связующего к углеродному волокну электрохимическим методом.
Практическая значимость работы:
- выполненные исследования реологических свойств гелей L-nHCTeHH/Ag,
обладающих ярко выраженной бактерицидной активностью, позволяют
оптимизировать состав композиций для наиболее эффективного применения
в медицинской практике;
результаты исследования суспензий позволяют оптимизировать их составы для создания электрореологических сред и установить области скоростей и напряжений сдвига, в которых эти системы могут применяться;
сопоставление межфазных и объемных реологических свойств эмульсий с наноразмерным наполнителем позволяют установить оптимальный состав, обеспечивающий их стабилизацию;
- разработанные составы нанокомпозиционных материалов на основе
эпоксидных смол обладают повышенной адгезией к углеродным волокнам,
что позволяет рекомендовать их к использованию в качестве связующих для
армированных пластиков.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментального исследования реологических свойств
водных супрамолекулярных гелей на основе L-uncTenHa/Ag и различных
электролитов и доказательство возможности существования этих гелей при
необыкновенно низких концентрациях дисперсной фазы, не превышающей
6-Ю"4 масс. %;
- концепцию дуализма свойств таких гелей, как твердообразных сред в
области линейного вязкоупругого поведения, и одновременно обладающих
текучестью во всем диапазоне напряжений сдвига;
- модель перколяционной структуры геля, основную на доказанных
специфических взаимодействиях компонентов на различных стадиях его
формирования;
эффект автоколебаний и его границы при деформировании концентрированных суспензий в широком диапазоне скоростей (напряжений) сдвига;
сопоставление межфазных и объемных реологических свойств полимерных эмульсий с наноразмерным твердым эмульгатором, демонстрирующее их корреляцию и усиление эффекта стабилизации эмульсий наночастицами при наличии поверхностной активности хотя бы одного из растворенных полимеров;
составы новых нанокомпозиционных материалов на основе эпоксидного олигомера, обладающие высокими показателями механических свойств.
Личный вклад автора:
Автор лично выполнил весь объем экспериментальных исследований, на основании которых предложил оригинальную рео-структурную модель поведения гетерофазных систем.
Апробация результатов исследования:
Основные результаты работы были представлены на следующих международных и отечественных научных конференциях: I Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (2008, Москва); конференции Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, посвященная 75-летию института (2009, Москва); XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов" (2009, Москва); II конференции молодых ученых "Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем" (2009, Липки); XVI Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (2009, Яльчик); II Международном конкурсе научных работ молодых ученых
в области нанотехнологий (2009, Москва); V Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-2009 (2009, Москва); 2-й Всероссийском семинаре "Физико-химия поверхностей и наноразмерных систем" (2010, Москва); XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов" (2010, Москва); V Всероссийской Каргинской конференции "Полимеры-2010" (2010, Москва); V International Conference Times Of Polymers and Composites (2010, Искья, Италия); 25 Симпозиуме по реологии (2010, Осташков); III Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (2010, Москва); 34th Annual Meeting of The Adhesion Society (2011, Саванна, США); III конференции молодых ученых "Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем" (2011, Суздаль); 7th Annual European Rheology Conference (2011, Суздаль).
Публикации:
6 статей в отечественных и зарубежных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ, в которых опубликованы результаты диссертационной работы, а также 18 тезисов докладов на российских и международных научных конференциях.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения (3 главы), приложения, выводов, списка литературы (196 наименований). Общий объем диссертации составляет 178 стр., включая 85 рисунков, 2 таблицы и 24 формулы.
