ИСТИНА

Добавление наночастиц неорганического наполнителя позволяет модифицировать свойства традиционных полимерных материалов и расширить области их практического применения. В частности, благодаря введению наночастиц становится возможным использование дешевых эпоксидных полимеров в качестве матриц для жидкокристаллических дисплеев, для чего необходимы такие свойства, как высокая прозрачность, широкий интервал температур, соответствующих стеклообразному состоянию, устойчивость пространственных размеров (низкий коэффициент термического расширения (КТР)). Эпоксидные полимеры обладают как высокой прозрачностью, так и другими ценными свойствами (великолепной адгезией к различным поверхностям, химической стойкостью и пр.), но имеют низкую температуру стеклования (Тст) и высокий КТР. Наночастицы неорганического наполнителя позволят увеличить Тст и уменьшить КТР полимерной матрицы в результате ограничения сегментальной подвижности полимера, возникающей при взаимодействии наночастиц с полимерными цепями. Проект направлен на исследование влияния содержания наночастиц и характера их взаимодействия с полимерной матрицей на термомеханические свойства нанокомпозитов и на создание на основе полученных знаний нанокомпозитного материала из эпоксидной смолы и частиц двуокиси кремния с более высокой Тст и более низким КТР по сравнению с ненаполненным материалом. В качестве объектов исследования будут использованы циклоалифатический эпоксидный полимер на основе диэпоксида тетрагидробензилового эфира тетрагидробензойной кислоты и наночастицы двуокиси кремния диаметром около 10 нм. Будет изучено влияние содержания наночастиц наполнителя на прозрачность, Тст и КТР нанокомпозита. Можно ожидать, что увеличение содержания наночастиц наполнителя сначала улучшит термомеханические свойства, однако, при очень большом их содержании произойдет некоторое ухудшение свойств. Это может быть обусловлено как фазовым расслоением, так и образованием рыхлых структур из-за того, что наполнитель начнет создавать пространственные затруднения для формирования полимерной сетки. На основе данного исследования будет определено оптимальное содержание частиц наполнителя. Одним из ключевых факторов, определяющих конечные свойства нанокомпозита, является сила взаимодействия между полимером и частицами наполнителя. Насколько нам известно, до сих пор не было проведено систематического исследования этого фактора. В рамках настоящего проекта мы планируем получить гибридные нанокомпозиты с разным типом взаимодействий между наночастицами двуокиси кремния и полимерной матрицей. Для этого на поверхность наночастиц будут введены различные функциональные группы: (1) фенильные группы, обеспечивающие слабые нековалентные (Ван-дер-Ваальсовы) взаимодействия с эпоксидными цепями, (2) простые эфирные группы, обеспечивающие более сильные нековалентные (диполь-дипольные) взаимодействия с полимером и, наконец, (3) ангидридные группы, способные ковалентно связываться с полимерной матрицей, выполняя роль мультифункционального отвердителя эпоксидной смолы. Можно предположить, что наиболее выраженный эффект наполнителя будет достигнут при его ковалентном связывании с полимерными цепями. В результате работы над проектом предполагается получить оптически прозрачные нанокомпозиты, обладающие более высокой Тст (на 50-70 градусов) и более низкими величинами КТР по сравнению с «ненаполненным» полимерным материалом. Столь значительного повышения Тст при введении наночастиц в эпоксидные нанокомпозиты до сих пор достигнуто не было.

В настоящем проекте использован оригинальный подход для улучшения термических свойств дешевых эпоксидных смол путем добавления наночастиц двуокиси кремния, модифицированных прививкой различных функциональных групп, изменяющих характер взаимодействия между наночастицами двуокиси кремния и полимерной матрицей. Разработана методика введения на поверхность наночастиц SiO2 требуемого количества фенильных, простых эфирных и ангидридных групп, причем даже при избытке модификатора на поверхности наночастиц формируется один слой из функциональных групп. Показано, что химическая модификация поверхности наночастиц не приводит к их агрегации между собой. Оптимизированы условия синтеза образцов нанокомпозитов эпоксид / двуокись кремния на основе разработанного нами ранее метода. На примере наночастиц с ангидридными группами на поверхности определено оптимальное содержание наночастиц двуокиси кремния в гибридном материале. Оно составило 30 вес.%. В результате получены оптически прозрачные нанокомпозиты, обладающие более высокой Тст (180оС) и более низкими величинами КТР по сравнению с «ненаполненным» полимерным материалом. Столь значительного повышения Тст при введении наночастиц в эпоксидные нанокомпозиты удалось добиться в результате использования наночастиц с ангидридными функциональными группами, способными образовывать ковалентные связи с полимерной матрицей, выполняя роль полифункционального отвердителя эпоксидной смолы.