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

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 проекта 22-73-10081

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

Руководитель Кузнецов Никита Михайлович, Доктор физико-математических наук

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

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 слова стимул-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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения третьего этапа проекта оптимизированы методики формования высокопористых композиционных частиц поли(3,4-этилендиокситиофен)полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) с непроводящими полимерами (полиэтиленгликоль (PEG), полистиролсульфонат (PSS) и полиакриламид (PAA)) путем распыления в жидкий азот и последующей сублимационной сушки. Используемые полимеры с одной стороны компенсируют избыточный заряд PEDOT, а с другой играют роль связующего при формировании высокопористого каркаса. Полученные частицы были охарактеризованы комплексом взаимодополняющих структурных и физико-химических методов, включающих растровую электронную микроскопию, ИК-спектроскопию, методы рассеяния рентгеновских лучей. Подтверждена композиционная природа частиц PEDOT:PSS/PEG (PSS, PAA) Выявлена аморфная структура частиц. Проведены прецизионные механические испытания индивидуальных крупных частиц PEDOT:PSS и композиционных частиц PEDOT:PSS/PSS состава 1/99 на одноосное сжатие, в том числе при циклическом нагружении. Получены статистически достоверные кривые деформирования и с применением метода конечных элементов определены константы материала. Показана корректность описания нелинейного поведения материалов, а результаты модели верифицированы на частицах другого размера. Построены трехмерные модели высокопористых частиц с учетом ключевых морфологических характеристик, путем воспроизведения стохастического распределения включений внутри заданного объема, а также на основе уравнений поверхностей и примитивов с использованием разбиения Вороного и гироидной ячейки. Исследован механизм контактного взаимодействия между деформируемыми пористыми частицами при формировании модельной колончатой структуры. Выявлено, что величина сила реакции уменьшается с ростом числа взаимодействующих частиц. Получены новые электрореологические жидкости – дисперсии высокопористых полимерных частиц в силиконовом масле. В качестве наполнителя рассмотрены частицы PEDOT:PSS, PSS, PAA, а также композиционные частицы PEDOT:PSS с PEG, PSS и PAA при различном соотношении компонентов. Определены рабочие диапазоны напряженности электрического поля, выявлены наиболее перспективные композиционные наполнители в зависимости от соотношения компонентов для проявления значительного электрореологического эффекта дисперсий. Впервые выявлена электрореологическая активность частиц PSS. Показано активационное действие небольшого количества PEDOT в составе пористых частиц на электрореологическое поведение жидкостей. Детально исследовано реологическое поведение жидкостей без и под действием электрического поля: в широком диапазоне скоростей сдвига получены зависимости напряжения сдвига и вязкости, частотные зависимости модулей накопления и потерь, получены зависимости статического предела текучести от напряженности электрического поля, проанализирован механизм эффекта. По данным деформационных осцилляционных тестов определен линейный диапазон вязкоупругих свойств. Выявлены различия в реологическом поведении жидкостей без и под действием электрического поля в зависимости от состава используемых частиц. Выявлено влияние химической природы непроводящей полимерной компоненты в составе композиционных частиц на электрореологическое поведение дисперсий и рабочий диапазон напряженности электрического поля. Наибольшее значение статического предела текучести 350 Па достигнуто для 1 масс.% суспензии высокопористых частиц PEDOT:PSS/PАА состава 30/70 при 4 кВ/мм. Жидкости обладают контрастным изменением реологического поведения от вязкого к упругому под действием электрического поля. Обнаружено, что для электрореологического эффекта большинства жидкостей характерен механизм насыщенной поляризации – зависимость значений предела текучести от напряженности электрического поля пропорциональна единице. Показана высокая седиментационная устойчивость всех суспензий с высокопористыми наполнителями. Структурные изменения в жидкостях, вызванные действием электрического поля, на макроуровне визуализированы методом оптической микроскопии. Эффективность применения высокопористых композиционных наполнителей на основе PEDOT:PSS была рассмотрена с позиций электрических характеристик. Данные диэлектрических спектров дисперсий в широком диапазоне частот свидетельствуют о росте проводимости и диэлектрической проницаемости с увеличением содержания PEDOT в составе композиционных частиц, а также с ростом температуры. Максимум на спектрах диэлектрических потерь связан с поляризацией наполнителя под действием электрического поля, а его смещение в сторону высоких частот с увеличением температуры свидетельствует об активационной природе процесса. Интенсивность электрореологического эффекта, а также контрастность изменения реологического поведения при стимулировании зависит от состава используемых частиц и электрических характеристик суспензий. Таким образом показана принципиальная возможность создания электрореологических жидкостей с направленно-регулируемыми свойствами за счет изменения состава композиционных частиц наполнителя на основе PEDOT:PSS. Результаты проекта были представлены на Всероссийских и международных научных конференциях, а также подготовлены к публикации в высокорейтинговых журналах.

Публикации

1. Ковалева В.В., Кузнецов Н.М., Загоскин Ю.Д., Захаревич А.А., Чвалун С.Н. Электрореологическое поведение суспензий полианилина в полидиметилсилоксане: роль морфологии частиц ПОЛИМЕРЫ – 2024 Сборник тезисов Девятой Всероссийской Каргинской конференции. Издательство: ООО "Месол". Москва., с. 344. (год публикации - 2024)

2. Кузнецов Н.М., Захаревич А.А., Вдовиченко А.Ю., Ковалева В.В., Загоскин Ю.Д., Бакиров А.В., Малахов С.Н., Григорьев Т.Е., Чвалун С.Н. Highly Porous Particles of Cellulose Derivatives for Advanced Applications ChemPlusChem, 2024, e202400375 (год публикации - 2024)
10.1002/cplu.202400375

3. Никуленкова О.В., Крупнин А.Е., Загоскин Ю.Д., Малахов С.Н., Дмитряков П.В., Кузнецов Н.М., Чвалун С.Н. Применение метода конечных элементов к задаче определения механических характеристик индивидуальных пористых частиц различной природы НОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Материалы XX международной научно-практической конференции. Издательство «Принт Центр». Нальчик., с. 161. (год публикации - 2024)

4. Кузнецов Н.М., Ковалева В.В., Загоскин Ю.Д., Чвалун С.Н. Низкоконцентрированные электрореологические жидкости: роль морфологии наполнителя ПОЛИМЕРЫ - 2024 Сборник тезисов Девятой Всероссийской Каргинской конференции. Издательство: ООО "Месол". Москва., с. 358 (год публикации - 2024)

5. Загоскин Ю.Д., Кузнецов Н.М., Григорьев Т.Е., Чвалун С.Н. Пористые полимерные микрочастицы - универсальный наполнитель дисперсных систем для современных применений ПОЛИМЕРЫ – 2024 Сборник тезисов Девятой Всероссийской Каргинской конференции. Издательство: ООО "Месол". Москва., с. 202. (год публикации - 2024)

6. Кузнецов Н.М., Ковалева В.В., Захаревич А.А., Загоскин Ю.Д., Чвалун С.Н. Электрореологические жидкости – «умные» дисперсные системы для современных применений Современная химическая физика XXXVI Симпозиум. Сборник тезисов. ООО «Издательство Доблесть». Москва., c. 30. (год публикации - 2024)

7. Загоскин Ю.Д., Кузнецов Н.М., Григорьев Т.Е., Чвалун С.Н. Универсальный метод получения высокопористых полимерных микрочастиц для различных современных применений Современная химическая физика XXXVI Симпозиум. Сборник тезисов. ООО «Издательство Доблесть». Москва., с. 181. (год публикации - 2024)

8. Захаревич А.А., Кузнецов Н.М., Ковалева В.В., Загоскин Ю.Д., Чвалун С.Н. Влияние условий синтеза на морфологию частиц полианилина Современная химическая физика XXXVI Симпозиум. Сборник тезисов. ООО «Издательство Доблесть». Москва., с. 73. (год публикации - 2024)

9. Ковалева В.В., Кузнецов Н.М., Захаревич А.А., Загоскин Ю.Д., Чвалун С.Н. Электрореологическое поведение суспензий частиц полианилина различной морфологии в силиконовом масле Современная химическая физика XXXVI Симпозиум. Сборник тезисов. ООО «Издательство Доблесть». Москва., с. 199. (год публикации - 2024)

10. Никуленкова О.В., Крупнин А.Е., Загоскин Ю.Д., Малахов С.Н., Дмитряков П.В., Кузнецов Н.М., Чвалун С.Н. Расчетно-экспериментальное исследование механических характеристик пористых частиц различной морфологии, основанное на использовании метода конечных элементов Полимеры 2025: Сборник трудов XXVI Научной конференции Отдела полимеров и композиционных материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова Российской академии наук. — Москва: ТОРУС ПРЕСС., 2025. с. 201-203. (год публикации - 2025)
10.30826/POLYMERS-2025-68

11. Кузнецов Н.М. Роль надмолекулярной структуры полимерных наполнителей при создании высокоэффективных электрореологических жидкостей Всероссийская конференция «Полимеры и композиты на их основе: приклад- ные и экологические решения» (Казань, 2025): тезисы докладов. – Казань: ИОФХ им. А.Е. Арбузова – обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, с. 38. (год публикации - 2025)

12. Загоскин Ю.Д., Кузнецов Н.М., Захаревич А.А., Никуленкова О.В., Крупнин А.Е., Григорьев Т.Е., Чвалун С.Н. Высокопористые полимерные микрочастицы как универсальный наполнитель для различных композиционных материалов Всероссийская конференция «Полимеры и композиты на их основе: приклад- ные и экологические решения» (Казань, 2025): тезисы докладов. – Казань: ИОФХ им. А.Е. Арбузова – обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, с. 139. (год публикации - 2025)

13. Захаревич А.А., Ковалева В.В., Кузнецов Н.М., Загоскин Ю.Д., Малахов С.Н., Чвалун С.Н. Частицы полианилина различной морфологии: Синтез и электрореологический отклик в дисперсиях силиконового масла Химическая физика (год публикации - 2025)