Кафедра химии и физики полимеров

и полимерных материалов

им. Б.А. Догадкина

Кафедра имеет широкие научные связи внутри России. со странами СНГ (Украина, Белоруссия, Армения) и зарубежными (Болгария, Польша, Китай, Голландия, Канада, США). Многие сотрудники выезжали на стажировку и работу в страны дальнего зарубежья, участвовали в работе международных и российских научных конференций по полимерам с докладами.

Итоги научной деятельности работников кафедры ежегодно публикуются в научных журналах «Высокомолекулярные соединения», «Каучук и резина», «Пластмассы», сборниках трудов научных конференций, в зарубежных изданиях. Сотрудники, аспиранты и студенты кафедры участвуют в ежегодных научных симпозиумах, конференциях по эластомерам и пластикам, в т.ч. международных.

На кафедре разрабатываются, нередко впервые в мире, важные проблемы науки и технологии полимеров. В их числе создание и прогнозирование структуры сетчатых полимеров и свойств материалов на их основе. Например, получены системы на основе смесей из двух, трёх полимеров с синергическим улучшением их свойств ( прочность, стойкость к агрессивным средам) по сравнению с исходными компонентами. Разработаны модифицирующие системы для повышения прочности связи эластомеров с различными субстратами (металлы, керамика, волокна). Предложены эффективные способы смешения разных полимеров с выигрышем в затратах энергии с созданием устойчивых фазовых структур в материалах на их основе. Разработаны биоинертные, тромборезистентные материалы для сердечно-сосудистой хирургии, эндопротезирования и других областей медицины. Предложены эффективные способы защиты окружающей среды при переработке отходов полимерной промышленности и изделий из полимерных композиций. Во всех этих работах активно участвуют студенты, аспиранты, молодые учёные.

В научной группе профессора  Владимира Андреевича Шершнёва ведутся работы по изучению формирования сетчатых полимеров, главным образом на основе исходных углеводородных эластомеров (полиизопрен, полибутадиен и сополимеры бутадиена со стиролом, акрилонитрилом, изобутилена с изопреном, этилена, пропилена с диенами и др.). Изучаются процессы сшивания макромолекул в присутствии активирующих эти реакции веществ (оксиды, соли металлов). Рассматривается механизм топохимических реакций на поверхности нерастворимых в эластомерах компонентов, ведётся поиск оптимальных условий проведения таких реакций. Особое внимание уделяется созданию сетчатых материалов на основе композиций из двух эластомеров, в которых формируется фазовая структура с различной степенью сшивания фаз, что позволяет получить материалы с повышенной прочностью, эластичностью, динамической долговечностью. Это особенно важно при создании материалов, в которых один из компонентов обладает высокой эластичностью, но малой устойчивостью к действию тепла, кислорода, озона, а другой является тепло-озоно-стойким. Совулканизация таких систем рассматривается с позиций различий механизма и кинетики реакции формирования сетчатых структур в каждом из компонентов смеси. Это позволяет получать прогнозируемые и качественные структуры композитов в целом, что особенно важно для получения материалов типа термоэластопластов по более экономичному пути по сравнению с их синтезом в процессах ионной сополимеризации. Материалы обладают пластичностью при повышенных температурах   (условия их переработки) и принимают свойства усиленных вулканизатов при понижении температур (условия эксплуатации изделий).

Работы ведутся с применением новых методов исследования как процесса создания сетчатых структур, так и оценки их свойств в конечных материалах (например: термомеханический анализ, динамический механический анализ, ЯМР, ЭПР и др.). В этом направлении руководителем научной группы выпущено с успешной защитой кандидатских диссертаций более 20 аспирантов.

На кафедре химии и физики полимеров и полимерных материалов под руководством профессора Евгения Эдуардовича Потапова проводятся исследования, находящиеся на стыке самых разных наук: полимеры и биотехнология, плазмохимия, химия высокочастотных излучений, химия электромагнитных и электрических полей, тонкая органическая химия. Использование теоретических основ указанных выше отраслей знаний в сочетании с основными принципами технологии переработки полимеров и полимерных модификаций позволили или уже решить или решить в ближайшем будущем некоторые основополагающие проблемы полимерного теоретического и прикладного материаловедения: создать модифицированные в плазме минеральные наполнители, биологически активные (кератины) добавки к эластомерным материалам как в твёрдом виде, так и виде латексов, разработать новые методы изготовления клеевых композиций в электромагнитных полях, что позволяет получить адгезионные соединения, успешно работающие в условиях космоса, использовать СВЧ-излучения для регенерации полимеров и эластомеров и т.д. и т.п.

Развитие работы в данных направлениях позволило вплотную подойти к созданию полного синтетического аналога натурального каучука, продукта жизнедеятельности тропического дерева - гевеи.

 В отмеченных выше исследованиях широко применяются самые современные методы исследования полимеров: ИК- и УФ-спектроскопия, ЯМР- и ЭПР-спекроскопия, электронная микроскопия и т.д.

Все эти вопросы подробно освещаются в лекционных лабораторных курсах, читаемых на кафедре; в исследовательской работе принимают участие студенты, специализирующиеся в областях бакалавриата, магистратуры, в Высшей инженерной школе.

Под руководством профессора Юрия Петровича Мирошникова на кафедре проводятся фундаментальные научные исследования  в области прогнозирования морфологии и свойств бинарных и многокомпонентных смесей полимеров.

Смеси полимеров – относительно молодая, быстро развивающаяся область физики и механики полимеров. Ее появление обусловлено растущими требованиями к новым полимерным материалам со стороны авиакосмической, автомобильной, машиностроительной, текстильной и многих других отраслей промышленности. Удовлетворение этих требований путем синтеза новых полимеров не всегда осуществимо и целесообразно, так как требует огромных материальных затрат и времени. Во многих случаях более рациональным признан путь, в соответствии с которым новое качество материалу можно придать смешением его с другим полимером, обладающим этим качеством. Все это напоминает развитие металлургии сплавов, когда на основе ограниченного числа чистых металлов и немногих других элементов периодической системы Д.И. Менделеева разработаны и применяются десятки тысяч материалов, часто превосходящие по свойствам смешиваемые компоненты.

         Однако аналогия между сплавами металлов и полимеров далеко не полная. Дело в том, что большая часть существующих полимеров являются термодинамически несовместимыми, т.е. образуют при смешении гетерогенные неравновесные системы, в которых компоненты формируют собственные фазы с границей раздела между ними. Поэтому для получения материала с необходимыми свойствами необходимо подобрать соответствующие индивидуальные полимеры с нужными вязкоупругими и межфазными характеристиками, чтобы в результате их смешения сформировалась определенная фазовая структура, от которой и зависят конечные качества смеси.

    Для решения этих задач развиваются следующие научные направления:

1. Механизмы процессов смешения

Исследуется поведение капель дисперсной фазы в системах на основе модельных жидких систем и реальных полимерных смесей в различных потоках с целью изучения механизмов диспергирования полимеров друг в друге в процессах смешения. Последние включают деформацию, разрушение и коалесценцию капель, помещенных в среду другой несмешивающейся жидкости. Работы в этом направлении позволят в дальнейшем разработать способы адекватного прогнозирования параметров фазовой структуры смесей полимеров и оптимальных способов смешения.

2. Межфазные явления в смесях полимеров

         Одной из важнейших характеристик, непосредственно влияющих на свойства любой гетерогенной системы, является величина межфазной адгезии, определяющаяся межфазным натяжением. Чем выше межфазная адгезия (или ниже межфазное натяжение), тем сильнее взаимодействие полимеров на границе раздела фаз и тем лучше (в большинстве случаев) конечные свойства материала. Существует очень ограниченный перечень приемов воздействия на величину межфазного натяжения, так как оно определяется, главным образом, химической природой смешиваемых полимеров. В нашей лаборатории, как и во многих других лабораториях мира, ведется интенсивный поиск добавок, повышающих межфазную адгезию в смесях полимеров. Такие добавки получили название компатибилизаторов.

3. Многослойные смеси полимеров

         Подобные материалы состоят из чередующихся слоев двух или более несовместимых полимеров. Число слоев в принципе не ограничено и может достигать нескольких сотен при толщине 10 и менее микрометров. Такие материалы находят применение в качестве мембран, упаковочных изделий, изделий специального назначения и т.д. В серии наших работ показано, что многослойные смеси полимеров являются прекрасными моделями при исследовании межфазных явлений.

4. Многокомпонентные смеси полимеров

         Иногда смешением двух полимеров не удается реализовать требуемый набор (комплекс) свойств смеси. В этом случае число смешиваемых полимеров увеличивают до трех-пяти и даже более компонентов. Подобные системы являются гораздо более сложными по сравнению с бинарными композициями. Это относится, прежде всего, к морфологии смеси, когда компоненты могут распределяться индивидуально или капсулировать (обволакивать) друг друга, формировать взаимно непрерывные сетки и т.д.

Это направление наиболее интенсивно развивается нами в настоящее время.

5. Методы исследования, используемые в наших работах:

1.    Реология смесей полимеров; микрореология деформируемых капель в полимерных эмульсиях;

2. Сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия; оптическая микроскопия;

3.    Измерение поверхностных и межфазных натяжений в полимерах и их смесях;

4.    Компьютерный анализ изображений;

5.  Дифференциальная сканирующая калориметрия.  Динамическая механическая спектроскопия

 Активное участие в работах принимают аспиранты и студенты.

Ещё лет тридцать тому назад в США решили сопоставить вес добываемого сырья всех видов, включая импортируемое, с весом полезной продукции, непосредственно используемой человеком. Оказалось, что вес полезной продукции, используемой людьми, находится всего лишь на уровне полутора процентов от общего веса перерабатываемых материалов. Эти соотношения вряд ли заметно изменились к настоящему времени. Расчёты эти проводились очень скурпулёзно. Учитывался вес даже таких изделий, как, например: чулки, колготки и т. п. Данные этих расчётов были опубликованы Фордом, бывшим в то время президентом США. Приведённые выше данные легко понять, поскольку при добыче руд образуется большое количество отвалов. Для выплавки, например, железа нужен кокс, электроэнергия. В качестве отходов – образуются шлаки. При работе тепловых электростанций, работающих на каменном угле, образуются многие миллионы тонн золы. Важно отметить, что добыча природных ресурсов становится всё более дорогостоящей, а в ряде случаев ограниченной, например, из-за относительно малого количества висмута в земной коре. Полезная продукция, будь то одежда, обувь или автомобили, в процессе эксплуатации выходит из строя. В результате этого образуются свалки, представляющие собой значительную угрозу экологии. Так, например: в США возгорание свалок отработанных шин в ряде случаев вызывает необходимость эвакуации населения. Поэтому работы по использованию отходов и отработанных изделий постепенно становится важнейшим направлением научных исследований.    

Работы по исследованию продуктов переработки вторичных резин проводится на кафедре Химии и физики полимеров и полимерных материалов им. Б.А. Догадкина научной группой под руководством ст. н. с.  Владимира Владимировича Маркова. Все эти исследования ведутся совместно с кафедрой Химии и технологии переработки эластомеров, Институтом биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и фирмой "Поликров", тесное сотрудничество с которыми является залогом успешной работы. Например, по применению продуктов переработки вторичных резин в кровельных и гидроизоляционных рулонных изделиях. В разработанной рецептуре использовано большое количество продуктов переработки отработанных диафрагм – бутилрегенерата (100 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука). Особенности этой рецептуры заключается в том, что их применение позволило отказаться от такого энергоёмкого процесса, как вулканизация рулонных гидроизоляционных и кровельных материалов и соответственно от необходимости для этого процесса дорогостоящего импортного оборудования типа «Berstorff». Материалы выпускаются промышленностью. Работы в рассматриваемом направлении продолжаются.

Среди других направлений научной работы кафедры можно назвать изучение процессов старения полимеров и разработку методов защиты от него. Старение опасно не только для живых организмов; все материальные объекты в той или иной степени подвержены старению, будь то коррозия и усталость металлов или выветривание горных пород, однако, наиболее быстро происходит старение полимеров и полимерных материалов. Понимание механизмов старения позволяет найти и способы борьбы с ним, а изыскание эффективных методов защиты от старения может позволить продлить сроки жизни полимерных изделий. Основное внимание в работах кафедры уделяется защите от старения каучуков и резин, как самых нестойких к окислению, озону, усталости и другим подобным воздействиям материалов.