Разработка и исследование многофункциональных микро- и наноразмерных композиционных полимерных материалов с заданными свойствами

Разработка и исследование новых композиционных полимерных материалов
(КПМ) с заданными свойствами приобретает все большую актуальность в связи с
многофункциональностью их применения в электротехнике, электронной
промышленности, медицине, аддитивных технологиях и в качестве упаковочных
материалов. Из-за ограниченной номенклатуры полимерных материалов,
выпускаемых предприятиями химической промышленности, новые КПМ
получают за счет модификации свойств базовых полимеров путем введения
различных органических и неорганических наполнителей с заданными
свойствами, нехарактерными для полимерной основы. Причем, истощение
запасов углеводородного сырья и других природных ресурсов (в частности,
металлов) заставляет по-новому взглянуть на проблему разработки таких КПМ.
Глобальной проблемой, стоящей перед человечеством, является также
загрязнение окружающей среды отходами синтетических полимеров, поскольку
срок разложения углеводородных полимеров составляет от 500 до 1000 лет.
Поэтому разработка новых КПМ на основе биоразлагаемых полимерных
материалов, получаемых из возобновляемых источников, позволит приблизиться
к решению проблемы защиты окружающей среды.
В этой связи разработка новых КПМ и исследование их основных
электрофизических, теплофизических, реологических и физико-механических
свойств является актуальной задачей не только с научной, но и практической
точек зрения. Такие исследования позволят получить новые знания о физических
процессах, происходящих в композиционных диэлектриках, и оптимизировать
технологические режимы их изготовления и переработки.
Цель работы и задачи исследования Целью данной работы являлись
создание новых композиционных полимерных материалов с заданными
свойствами и разработка технологии их изготовления.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели были
сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработка и изготовление новых композиционных полимерных
материалов с заданными электрическими, теплофизическими и реологическими
свойствами.
2. Исследование электрофизических, теплофизических, реологических и
морфологических свойств разработанных КПМ.
3. Разработка, изготовление и испытание прототипов изделий,
изготовленных из КПМ с заданными свойствами.
4. Разработка и изготовление новых КПМ для трехмерной печати на
основе полилактида.
5. Разработка технологических режимов изготовления лабораторных
партий КПМ для трехмерной печати.
6. Изготовление лабораторных партий КПМ для трехмерной печати.
7. Изготовление прототипов изделий способом трехмерной печати и
исследование их физико-механических свойств.
Перечисленные выше задачи решались при выполнении исследований,
проводившихся по плану научно-исследовательских работ Инженерной школы
новых производственных технологий (ранее Институт физики высоких
технологий) «Национального исследовательского Томского политехнического
университета» (ИШНПТ ФГАОУ ВО НИ ТПУ, г. Томск), в рамках хозяйственных
договоров и гранта РФФИ.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели и решения
задач исследования в работе использованы следующие экспериментальные
методы: оптической и электронной микроскопии, диэлектрической
спектроскопии, ИК-спектроскопии, тепловизионной термометрии,
дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и проведены
исследования теплофизических, физико-механических, электрических и
реологических свойств КПМ.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных
результатов подтверждается применением стандартных современных методов
исследования, оценкой доверительных вероятностей и погрешностей измерений с
помощью методов математической статистики.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту
1. Предложен комплексный подход при разработке электропроводящих
композиций, заключающийся в добавлении небольшого количества (0,1-0,5
вес.%) углеродных нанотрубок в композиции полимерная матрица/технический
углерод (электропроводящая сажа). Предложенный подход позволяет уменьшить
содержание основного наполнителя на 5-15 вес.%, что приводит к улучшению
технологичности новых композиций при их переработке литьем под давлением
или экструзией. Предложенный комплексный подход может быть одним из
реальных путей применения УНТ в крупномасштабном производстве новых
электропроводящих композиций для электротехнической промышленности.
2. Экспериментально показано, что добавление 0,1-3,0 вес.% углеродных
нанотрубок или технического углерода в двойные композиции полимер/графит
позволяет на 20-40% увеличить теплопроводность полимерных композиций как
на основе полиэтилена, так и на основе полилактида.
3. Установлено, что наполнение полилактида порошками вольфрама или
свинца в количестве до 5 вес.% приводит к снижению энергии, необходимой для
приготовления смесей, в 4,7 и 10 раз соответственно по сравнению с исходным
полилактидом. Порошки тяжелых металлов W и Pb в этом случае действуют на
ПЛА-матрицу как инициаторы деструкции, приводя к резкому уменьшению
энергии смешения, вязкости расплава и повышению ПТР композиций.
Практическая значимость работы
1. Разработаны и исследованы новые полимерные электропроводящие и
теплопроводящие композиции на основе полиэтилена и полилактида.
2. Разработаны технологии изготовления электропроводящих и
теплопроводящих композиций.
3. Разработан ряд новых полимерных композиций на основе
полилактида, наполненного органическими и неорганическими наполнителями,
для трехмерной печати.
4. Изготовлены опытные партии полимерных композиций.
5. Изготовлены и исследованы прототипы изделий из новых
полимерных композиций.
6. Исследовано влияние порошков тяжелых металлов на реологические
свойства композиций на основе полилактида. Даны практические рекомендации
по применению порошков металлов при изготовлении композиций на основе
полилактида.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в рамках
исследований, проводимых в международной научно-образовательной
лаборатории «Композиционные материалы и покрытия» и научно-
образовательного центра «Технологии космического материаловедения» ИШНПТ
ФГАОУ ВО НИ ТПУ, г. Томск при непосредственном личном участии автора.
Автор внёс определяющий вклад в выбор методов исследований, проведение
основной части измерений, анализ и интерпретацию полученных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на 7 конференциях и симпозиумах.
Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в 19 печатных работах: 8 статей в зарубежных журналах, в том числе 3 статьи в
журналах с импакт-фактором больше 1, 4 статьи в журналах, рекомендованных
ВАК и 7 докладах на конференциях.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения, списка литературы, включающего 154 наименование. Работа
изложена на 140 страницах, включая 77 рисунок и 9 таблиц.
1. МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ