Умные композиционные материалы с перестраиваемой полимерной матрицей
Новые материалы
Наши партнеры
УМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ УМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ УМНЫЕ
Умные полимерные материалы, в настоящее время могут совершить революцию в различных областях промышленности, благодаря их способности изменять свои свойства, под воздействием внешних факторов.

К таким свойствам относятся: способность изменять форму, проводить электрический ток, способность к самовосстановлению, изменение физических характеристик при изменении температур и т.п.
*Bhawani S. A. and all. Smart Polymer Nanocomposites // Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering – 2021. –№ 1. – p. 456.
УМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ УМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ УМНЫЕ
Механизм реакции переэтерификации
... или что делает витримеры витримерами
Термопласт
Витример
Реактопласт
В процессе полимеризации в термопластах образуются ковалентные связи в линейной или слегка разветвленной структуре, которые делают материал пластичнее.
В реактопластах формируются сшитые структуры, которые после образования не могут быть изменены или переформированы.
Витримеры имеют динамические ковалентные связи, связывающие свойства реактопластов и термопластов. Они позволяют “настраивать” материалу свою структуру под действием внешних факторов.
Раскрытие динамических связей под действием температуры
Образование новых связей при охлаждении
Витримеры сохраняют термомеханическую прочность реактопластов и проявляют текучесть при определенных условиях.
Гипотеза
Цель и задачи проекта
Создание и исследование свойств «умных» полимерных композиционных материалов на основе эпоксидных витримеров.
Провести анализ современного состояния в области «умных» композиционных материалов.
Синтезировать отвердитель на основе ß-мирцена и малеинового ангидрида.
Синтезировать «умные» композиционные материалы на основе эпоксидной смолы с различными отвердителями.
Провести исследование физико-механических свойств полученных композиционных материалов.
ХОД РАБОТЫ
1
Синтезировали отвердитель** на основе природного ß-мирцена и малеинового ангидрида. Структура полученного продукта была подтверждена с помощью ИК-спектроскопии и ГХ-МС
**Yang X., Wang C., Li S., Huang K. Study on the synthesis of bio-based epoxy curing agent derived from myrcene and castor oil and the properties of the cured products // RSC Adv.. – 2016. – p. 238-247.
Синтезированный отвердитель
2
Получили базовые образцы на основе эпоксидной смолы с различными отвердителями (синтезированный и малеиновый ангидриды) с различными соотношениями
Компоненты:
  1. Эпоксидная смола (ДГЭБА)
  2. Отвердитель (синтезированный и малеиновый ангидриды и себациновая кислота)
  3. Катализатор (октоат олова, ацетат цинка и хлорид никеля(II))
3
Синтезировали витримеры с различным соотношениями эпоксидная смола:отвердитель:катализатор
T>Tv
Температура витримеризации (переэтерификации)
4
Посмотрели структуру полученных витримеров с помощью сканирующего электронного микроскопа с увеличением на 1000 мкм, 3000 мкм и 10000 мкм
(I) Эпоксидная смола + себациновая кислота

(II) Эпоксидная смола + себациновая кислота + 2,5% октоата олова

(III) Эпоксидная смола + ангидридный отвердитель + 2,5% октоата олова
a – 1000 мкм увеличение, b – 3000 мкм увеличение, c – 10000 мкм увеличение
5
Исследовали прочностных характеристик витримеров
Введение себациновой кислоты в витример и увеличение количества катализатора может значительно улучшить пластичность, максимальное удлинение при разрыве примерно в 2 раза выше по сравнению с базовым образцом.
Введение ангидридного отвердителя приводит к получению более прочных образцов, прочность на разрыв более 60 МПа, модуль упругости 2300 МПа наблюдается при соотношении ЭС:отвердитель – 1:1,5 и добавлении 5 % катализатора.
6
Провели термогравиметрический и динамический анализы
Процесс термодеструкции сопровождается потерей массы до 80% и для витримеров с ангидридным отвердителям протекает в две стадии, первая стадия начинается при температурах 210 °C для витримеров и кислотных отвердителей соответственно. Потеря массы при этом не превышает 10%. Основная стадия термодеструкции начинается при температуре выше 450 °C.
Кривые термодеструкции эпоксидных витримеров с различными отвердителями и количеством катализатора 5%
При температуре 35 °C модули накопления и потерь (E’ и E’’) увеличиваются на 15% и 27% соответственно. При более высокой температуре 170 °C модули потерь витримерной системы увеличиваются значительно по сравнению с невитримерной системой. Это указывает на более высокую мобильность полимера при высоких температурах, вызванных присутствием катализатора.


7
Исследовали химическую стойкость витримеров с разным отвердителями и процентным содержанием катализатора
8
Исследовали самовосстановление и эффект памяти форм
Поверхности поцарапанных покрытий витримеров до и после термического заживления в течение 15 мин при температуре 210 °C


Эффект памяти формы витримеров наблюдается при температуре 210 °С
9
Получили углеродонаполненные композиционные материалы на основе витримеров
Состав композита:
  • Эпоксидная смола : себациновая кислота – 1 : 1,5
  • Количество катализатора – 5 % мол.
  • Углеродный наполнитель – 0,5 % масс.
Условия:
  • Продолжительность диспергирования – 30 мин.
  • Температура отверждения – 180 °C
  • Продолжительность отверждения – 4 ч.
Испытание композиционного материала на способность к электропроводимости
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЫ
Синтезирован биоосновный ангидридный отвердитель с использованием β-мирцена - 1,2,3,6-тетрагидро-4-(4-метилпент-3-ил)-фталевый ангидрид. Анализ ГХ-МС показал наличие в реакционной смеси нескольких изомеров отвердителя, суммарный выход которых составил 93,2 % от теоретически возможного.
Впервые, с использованием катализатора переэтерификации, получены витримеры на основе эпоксидной смолы и синтезированного биоосновного отвердителя. Методом ТГА-анализа показано, что витримеры обладают термооксилительной стойкостью до 490 °С. Введение ангидридного отвердителя приводит к получению более прочных образцов, прочность на разрыв более 60 МПа, модуль упругости – 2300 МПа.
Получены витримеры на основе эпоксидной смолы и себациновой кислоты в качестве отвердителя. Полученные витримеры исследованы методом ТГА-анализа и обладают термооксилительной стойкостью до 460 °С. Введение себациновой кислоты в витример и увеличение количества катализатора может значительно улучшить пластичность – максимальное удлинение при разрыве в 2 раза выше по сравнению с базовым образцом.
С использованием ДМА-анализа установлена более высокая мобильность витримера при высоких температурах, вызванная присутствием катализатора переэтерификации.
С использование оптической микроскопии показано, что витримеры обладают способностью к самозаживлению, а также обладают эффектом памяти формы при температуре 210 °С.
На основе эпоксидных витримеров получен гибкий угленаполненный композиционный материал, обладающий электропроводимостью.
ПЛАНЫ НА ДАЛЬНЕЙШУЮ РАБОТУ
Провести апробацию полученных витримеров в качестве защитных покрытий и покрытий для бионических протезов, а также как основы для печатных плат.
команда проекта
ХИМИК-ТЕХНОЛОГ

Я приехала из Республики Татарстан, обучаюсь в Лицее-интернате для одарённых детей с углублённым изучением химии. На отборочных этапах я представляла проект под названием: "Исследование влияния криогенной обработки металлографическим методом на коррозионную стойкость стали 30ХГСА и на появление межкристаллитной коррозии алюминиевых сплавов". Химия занимает одно из самых важных мест в моей жизни, и я планирую связать с ней всю свою жизнь.
ХИМИК-АНАЛИТИК

Здравствуйте, я учусь в МБОУ "Лицей №40" г. Нижнего Новгорода, мне 16 лет. Попала на образовательную программу "Большие Вызовы", став призером трека "Новые материала" одноименного конкурса научно-технологических проектов с "Калориметрическим изучением бетаметазона дипропионата". В будущем хочу продолжить заниматься наукой.
ХИМИК-СИНТЕТИК

Я из Москвы, учусь в школе ГБОУ №1399 и мне 17 лет. Приехала на смену "Большие Вызовы", став призером по направлению "Новые материалы", с проектом "Оптимизация подходов для получения тиоселеногликольурилов". Мне с детства очень нравится химия и биология, в будущем я планирую стать ученым.

ХИМИК-ИНЖЕНЕР

Мне 16 лет и я из Москвы, учусь в Школе №1392 им. Д.В.Рябинкина. Я стал призёром в "Больших Вызовах" благодаря моему проекту "PetPull: школьная версия для реализации экологического проекта". В нашем исследовании у меня роль химика-инжинера, я спроектировал форму для заливки витримеров.
ХИМИК-СИНТЕТИК

Я из Томска, учусь в школе МБОУ Лицей при ТПУ и мне 17 лет. Приехала на смену "Большие Вызовы", став призером по направлению "Новые материалы", с проектом "Биокомпостируемые полимеры на основе термопластного крахмала". Меня всегда привлекало изучение нового. Мне нравится работать в лаборатории и собирать данные.
ХИМИК-ТЕХНОЛОГ

Я приехала на смену «Большие Вызовы», став победителем по направлению «Новые Материалы», с проектом «Технология переработки шлаков цветной и черной металлургии». Я 5 лет проучилась в «Физико-техническом лицее №1» в городе Саратов. Именно обучение в нём заложило основы моему интересу к замечательным предметам – химии и физике.
руководители проекта
Доцент Отделения химической инженерии Томского политехнического университета.
Область интересов - синтез мономеров и полимеров метатезисной полимеризации, процессы основного органического синтеза.
Доцент Отделения химической инженерии Томского политехнического университета.
Область интересов - органический и нефтехимический синтез, полимерные материалы, экология и рациональное использование природных ресурсов.
Я студентка Томского Политеха по направлению химическая технологии нефтегазохимии и полимерных материалов. Победитель школьных и студенческих олимпиад. Преподаватель в онлайн-школе "Олимпиадная химия".
КОНТАКТЫ
Научных руководителей:
  • Сорока Людмила Станиславовна


  • Троян Анна Алексеевна


  • Манапова Елизавета Эльдаровна


Команды:
stasya_ls@tpu.ru
troyan@tpu.ru
eem20@tpu.ru
Галерея Команды галерея команды галерея