КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-73-10081

НазваниеИсследование влияния природы частиц полимерных наполнителей различной морфологии на электрореологическую активность их суспензий для создания перспективных стимул-чувствительных материалов

РуководительКузнецов Никита Михайлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2025

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые словастимул-чувствительные материалы, дисперсные системы, коллоиды, электрореологические жидкости, полимеры, целлюлоза, полианилин, PEDOT:PSS, высокопористые наполнители, обратное проектирование, метод конечных элементов, метод конечных объемов, вычислительная гидродинамика

Код ГРНТИ31.25.00 31.15.00 31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Электрореологические жидкости – класс «умных» материалов, изменяющих свое реологическое поведение с вязкого на упругое под действием электрического поля. Обычно, электрореологические жидкости представляют собой суспензии легкополяризуемых частиц наполнителя различной природы (как полимерной, так и неорганической) в жидкой диэлектрической среде и имеют широкий набор потенциальных практических применений в демпфировании, клапанах, передаточных устройствах, микрофлюидике, сенсорах, твердой и мягкой робототехнике и др. Существующие на сегодняшний день материалы имеют ряд недостатков таких как, высокая концентрация дисперсной фазы, высокая вязкость вне электрического поля, седиментационная неустойчивость, высокая стоимость и др., поэтому поиск новых наполнителей и выявление фундаментальных зависимостей влияния природы и морфологии частиц на электрореологическую активность суспензий является актуальной задачей. В рамках проекта предполагается рассмотреть в качестве наполнителей полимерные частицы различной природы и морфологии, в частности целлюлозы, полианилина и поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонатa. Выбранные полимеры отличаются химическим составом и свойствами, и как следствие ожидается различный механизм электрореологического отклика их суспензий. Полианилин и поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS) являются проводящими полимерами в отличие от целлюлозы, причем механизм проводимости также отличается (электронный и ионный). В ходе реализации проекта в широком диапазоне напряженности электрического поля будет исследовано реологическое поведение суспензий различных концентраций для наполнителей различной природы и морфологии. В исследовании предполагается регулировать надмолекулярную структурную организацию частиц с целью получения высокопористых наполнителей с открытыми макропорами, обладающих высокой седиментационной устойчивостью за счет проникновения дисперсионной среды в пористую структуру частиц. Для каждого состава будет выявлена величина критической напряженности поля, приводящей к электрическому пробою (определен рабочий диапазон жидкостей). Для исследования механизма электрореологического эффекта будут исследованы электрофизические характеристики суспензий, получены частотные зависимости диэлектрических спектров, выявлена роль поляризационных процессов и проводимости наполнителя на отклик суспензий, а также будет проведена оценка является ли природа эффекта активационной. Все используемые наполнители будут охарактеризованы набором взаимодополняющих структурных и физико-химических методов. В рамках проекта предполагается решение отдельной междисциплинарной задачи построения твердотельных моделей пористых частиц по данным сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии с учетом следующих основных параметров: диаметр, величина пористости, средний размер пор и их геометрия. Будут определены механические свойства частиц по результатам испытаний на сжатие между параллельными пластинами с последующей процедурой реверс-инжиниринга на основе метода конечных элементов. Впервые будет проведено моделирование поведения деформируемых пористых частиц наполнителя в суспензии на основе метода конечных элементов и метода конечных объемов при действии сдвиговых напряжений: решение связанной задачи взаимодействия деформируемой частицы и жидкости. Таким образом, предлагаемый в работе комплексный подход позволит разработать новые стимул-чувствительные материалы, выявить фундаментальную взаимосвязь между структурой и свойствами наполнителя и электрореологическом откликом суспензий, исходя из характеристик полученных материалов предложить потенциальные практические применения, а также получить расширенное представление о механизме электрореологического эффекта в суспензиях с полимерными наполнителями.

Ожидаемые результаты
При реализации проекта будут разработаны новые электрореологические жидкости наполненные полимерными частицами различной природы. Будут получены частицы различной морфологии на основе целлюлозы, полианилина и PEDOT:PSS, исследована их морфология и структура. Будет отработана методика получения пористых частиц указанных полимеров (подбор подходящего растворителя, осадителя, режима формования частиц и т.д.). Будут получены набор суспензий каждого типа полимерных частиц различной морфологии в среде полидиметилсилоксана (силиконовое масло), оценена седиментационная устойчивость суспензий, систематически изучена зависимость электрореологического поведения жидкостей от концентрации дисперсной фазы и напряженности электрического поля. Результаты проекта позволят выявить фундаментальную связь электрореологического отклика наполнителя, его электрофизических характеристик и формы частиц. Применение комплекса взаимодополняющих структурных экспериментальных методов, таких как оптическая и электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, рентгеновское рассеяние позволит получить представление о влиянии природы полимерных частиц на их структурную организацию в жидкой диэлектрической среде и как следствие свойства конечного материала. В ходе реализации проекта будет предложена аналитическая методика построения твердотельных моделей пористых полимерных частиц по данным электронной микроскопии с учетом размеров частиц, величины пористости, размера пор и их геометрии. Будут определены механические свойства частиц по результатам испытаний на сжатие и последующей процедурой обратного проектирования на основе метода конечных элементов. Впервые будет проведено моделирование поведения деформируемых пористых частиц наполнителя в суспензии. Более глубокое понимание процессов деформирования частиц наполнителя в суспензии позволит прогнозировать свойства новых жидкостей, повысить их эффективность, и существенно продвинуться в создании экологичных «умных» материалов. Методика создания трехмерных моделей высокопористых частиц может быть применена не только при создании стумул-чувствительных материалов, но также при решении фундаментальных и прикладных задач, в частности при моделировании процессов направленной доставки лекарственных средств в виде частиц, их проникновения через стенки органов и тканей, процесса высвобождения лекарства с поверхности частиц, а также из объема в процессе биоразложения. Использование современного оборудования и методов обуславливает соответствие результатов мировому уровню исследований. Полученные в ходе реализации проекта результаты позволят расширить представления о механизме электрореологического эффекта для создания новых, улучшенных стимул-чувствительных материалов, проявляющих контрастное изменение свойств под действием электрического поля. По итогам проекта исходя из эксплуатационных характеристик полученных материалов будет проведен анализ потенциальных областей применения и реализации в конкретных устройствах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе реализации проекта получены новые электрореологические жидкости на основе полидиметилсилоксана, наполненные частицами целлюлозы и ее производных различной морфологии. Синтезированы органорастворимые производные нитрат и фталат диацетата целлюлозы со степенью замещения 28 и 22%, соответственно. Успешную модификацию подтверждали методом ИК-спектроскопии, степень замещения определяли титрованием по известным методикам. Предложены методики получения высокопористых частиц из производных целлюлозы путем распыления из раствора, или дисперсии с применением полимерного связующего, и криолиофилизационной сушки. Методами электронной микроскопии выявлены различия в морфологии и структуре наполнителей. Коммерческие микро- и наночастицы целлюлозы были дополнительно охарактеризованы методом рентгеновского рассеяния, определена степень кристалличности. На модельных индивидуальных высокопористых частицах диацетата целлюлозы крупного размера (1-2 мм) проведены прецизионные механические испытания, получены статистически достоверные кривые деформирования. С помощью метода конечных элементов численно решена задача деформирования частиц без учета их реальной структуры, по результатам решения задачи обратного проектирования определены механических характеристики частиц. Проведена верификация модели на частицах большего диаметра и получено хорошее соответствие между расчетом и экспериментом. Получена билинейная диаграмма деформирования материала, описывающая упруго-пластическое поведение частиц. Предложены алгоритмы построения трехмерных моделей высокопористых частиц, основанные на итерационном разбиении сферы ячейками Вороного или на основе уравнения гироидной поверхности, а также на комбинировании этих подходов. Создана опосредованная обобщённая модель частицы без учета механических характеристик и природы реального полимерного наполнителя. Выбранные методы построения моделей пористых частиц могут быть использованы на следующих этапах проекта для численного моделирования сжатия частицы с учетом ее пористого строения. Все типы частиц (микро-, нано- и высокопористые различного состава) рассмотрены в качестве наполнителей низкоконцентрированных (1-2 масс.%) электрореологических жидкостей. Выявлено различное реологическое поведение суспензий под действием электрического поля в зависимости от химического состава частиц. Суспензии частиц из диацетата целлюлозы и его производных (нитрат, фталат) проявляют слабый отрицательный электрореологический эффект, а суспензии, наполненные микро-, нано- и высокопористыми частицами со связующим, проявляют ярко выраженный переход от вязкого отклика к упругому при приложении электрического поля (положительный электрореологический эффект). В диапазоне напряженностей электрического поля от 0 до 7 кВ/мм детально исследовано реологическое поведение суспензий: получены кривые течения и вязкости, в линейном диапазоне вязкоупругости определены частотные зависимости модулей накопления и потерь, получены зависимости статического предела текучести от напряженности электрического поля, проанализирован механизм эффекта. Максимальное значение предела текучести 450 Па достигнуто для 1 масс.% суспензии пористых композиционных частиц целлюлозы с полиэтиленгликолем при 7 кВ/мм. Оценена седиментационная устойчивость суспензий. Природа электрореологического эффекта исследована с позиций электрофизических характеристик, проведен анализ частотных зависимостей проводимости, истиной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости суспензий при различных температурах. Обнаружено влияние морфологии частиц на поляризационные процессы и величину их энергии активации, которая составила 0,18 эВ и 0,29 эВ для суспензий микро- и наночастиц, соответственно. Интенсивность электрореологического эффекта зависит от формы используемых частиц, способа их диспергирования и электрофизических характеристик. Таким образом варьирование указанных параметров позволяет создавать электрореологические жидкости с направленно-регулируемыми свойствами. Результаты проекта были представлены на Всероссийских конференциях, а также подготовлены к публикации в высокорейтинговых отечественных журналах.

Публикации

1. Н.М. Кузнецов, В.В. Ковалева, А.Ю. Вдовиченко, С.Н. Чвалун Natural Electrorheological Fluids Based on Cellulose Particles in Olive Oil: The Filler Size Effect Colloid Journal, - (год публикации - 2023)

2. Никуленкова О.В., Крупнин А.Е., Загоскин Ю.Д., Малахов С.Н., Кузнецов Н.М., Чвалун С.Н. Расчетно-экспериментальное исследование механических свойств пористых частиц на основе диацетата целлюлозы Российские нанотехнологии, - (год публикации - 2023)

3. Ковалева В.В., Кузнецов Н.М. Электрореологические жидкости, наполненные частицами целлюлозы различной морфологии Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов- 2023», секция «Химия», М.: Издательство «Перо», 2023. – 121 МБ. [Электронное издание]. с. 158 (год публикации - 2023)

4. Кузнецов Н.М., Ковалева В.В., Загоскин Ю.Д., Вдовиченко А.Ю., Чвалун С.Н. Электрореологические жидкости, наполненные частицами полисахаридов: состав, структура, свойства Современная химическая физика XXXIV Симпозиум Сборник тезисов., С. 225. (год публикации - 2022)