Фундаментальные основы создания безотходных производств полимеров и полимерных материалов с программируемым сроком службы, отвечающих современным экологическим требованиям (Полимеры будущегоНИР

Fundamentals for the generation of the wasteless and ecologically safe production of polymers and polymeric materials with controlled operation lifetime (Polymers for future)

Источник финансирования НИР

Хоздоговор, средства организации государственного сектора (608)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 7 октября 2020 г.-31 декабря 2020 г. Фундаментальные основы создания безотходных производств полимеров и полимерных материалов с программируемым сроком службы, отвечающих современным экологическим требованиям (Полимеры будущего
Результаты этапа: Показано, что состав коллоидно стабильных и устойчивых в водно-солевых растворах интерполиэлектролитных комплексов определяется природой и макромолекулярными характеристиками использованных полимеров, а также физико-химических характеристик и рН среды. Определены составы полимеризатов метилметакрилата и выявлены температурные зоны их переработки и модификации, а также температурные зоны термофиксации структуры, формирующейся в материале в процессе внешних температурно-силовых воздействий, и конфигурации конечного изделия. Обосновано применение полимеризатов с незавершенной конверсией для низкотемпературной переработки методами пневмоформования, литья и экструзии, а также модификации пластиков путем ориентационной вытяжки. Изучено физико-механическое и структурно-механическое поведение образцов промышленных полимерных пленок, модифицированных путем ориентационной вытяжки в физически активных жидких средах на основе экологически безопасных водных растворов и эмульсий. На основании полученных результатов разработаны протоколы получения экологически чистых водорастворимых интерполиэлектролитных комплексов основе биодеградируемых полимеров; температурно-концентрационные регламенты низкотемпературной, безотходной и энергосберегающей переработки и модификации пластиков методами пневмоформования, ориентационной вытяжки, экструзии и литья; методы контроля эксплуатационных свойств и качества продукции в зависимости от структуры и состава полимерного прекурсора; экологически безопасные рецептуры для создания мезо- и нанопористых полимерных материалов путем ориентационной вытяжки полимеров в жидких средах как альтернативы существующим токсичным аналогам.
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Фундаментальные основы создания безотходных производств полимеров и полимерных материалов с программируемым сроком службы, отвечающих современным экологическим требованиям (Полимеры будущего
Результаты этапа: Задачи 2-го этапа НИР (2021 г.) выполнены полностью. Результаты получены с использованием современных методологических и инструментальных подходов и соответствуют мировому уровню в области структурных, физических, физико-химических и физико-механических исследований композиций поликомплексов и почвенных субстратов, модифицированных полимерных материалов и полимерных наногелей. Исследования показали возможность создания • защитных покрытий с контролируемой толщиной и высокой противоэрозионной стойкости на основе интерполимерных комплексов на песке, супесчаной и глинистой почве при использовании оригинальной процедуры послойного нанесения полимерных компонентов композиции; • мезопористых и нанокомпозиционных полимерных материалов (пластики, волокна и пленки) с контролируемым распределением (нано)модификатора в объеме образцов, гидрофильно-гидрофобным балансом, конструкционными и функциональными свойствами; • перспективных материалов на основе полимергых гелей для применения в качестве чернил для 3D печати.
3 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Фундаментальные основы создания безотходных производств полимеров и полимерных материалов с программируемым сроком службы, отвечающих современным экологическим требованиям (Полимеры будущего
Результаты этапа: Задачи 3-го этапа НИР (2022 г.) и Проекта в целом (2020 – 2022 гг.) выполнены полностью. Результаты получены с использованием современных методологических и инструментальных подходов и соответствуют мировому уровню в области структурных, физических, физико-химических и физико-механических исследований композиций поликомплексов и почвенных субстратов, модифицированных полимерных материалов, полимерных сеток и наногелей. Основные итоги Проекта в области разработки физико-химических основ создания почвенно-полимерных композиций сводятся к следующим: • показана возможность получения водорастворимых комплексов ИПЭК на основе биодеградируемых полимеров и разработаны и апробированы водные поликомплексные рецептуры в качестве стабилизаторов и связующих неструктурированного песчаного грунта и песчаных почвенных субстратов; • отработана методика формирования защитных покрытий на песке, супесчаной глинистой почве путем послойного нанесения растворов ПЭ на поверхность грунта, что обеспечивает его высокую водостойкость и стойкость к ветровой эрозии; • предложен механизм взаимодействия полиэлектролитов и поликомплексов с изотропными частицами кварца и анизотропными пластинчатыми кристаллитами каолинита; • показана нетоксичность биополимерных комплексов в отношении растений при норме внесения 1% от массы почвы, полимер-почвенные защитные покрытия, образующиеся после связывания почвы и полиэлектролитов, не препятствуют прорастанию злаковых и травянистых растений; • установлена способность поликомплексов к биодеструкции под действием ферментов и почвенных микроорганизмов и их высокая сорбционная емкость по отношению к катионам тяжелых металлов; • обработка почвы биополимерными ИПЭК-кондиционерами рекомендована для нужд противоэрозионных агротехнологий с целью создания временных эрозионно-стойких покрытий, разлагающихся после прорастания семян и формирования скрепляющей почву корневой системы. В области структурно-механической модификации крупнотоннажных полимеров (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат) по механизму крейзинга путем ориентационной вытяжки пленок и волокон в физически активных жидких средах (ФАЖС): • установлено существование пороговых концентраций водно-спиртовых ФАСЖ, ниже которых крейзинг полностью подавлен. Активности жидкой среды возрастает при переходе к высшим спиртам – пороговая концентрация понижается с 25% до 0.5% при переходе от этанола к бутанолу, что позволяет значительно сократить использование органических растворителей. При этом использование водно-спиртовых растворов определяет возможности введения в гидрофобные полимеры водорастворимых добавок для создания функциональных нанокомпозиционных материалов, включая материалы на основе гидрофобных и гидрофильных компонентов. • разработаны и апробированы экологически чистые рецептуры (эмульсии типа «масло-в-воде» с содержанием воды более 95%) как альтернатива для использования водно-органических ФАСЖ, что открывает возможность введения маслорастворимых добавок в полимеры. • установлен факт значительной гидрофобизации поверхности полимера за счет формирования на поверхности регулярного рельефа наноразмерного масштаба. Впервые предложен новый подход к повышению смачиваемости поверхности гидрофобных полимеров и эффективному введению модифицирующих добавок из водных растворов в полимеры при использовании органосиликонового суперсмачивателя Сильвет. • разработаны новые подходы для получения стабильных материалов, основанные на обработке ПЭО-содержащих нанокомпозитов полиакриловой кислотой с образованием интерполимерных поликомплексов и УФ-инициированной сшивке ПЭО в присутствии пентаэритриол триакрилата. • сформулированы рекомендации по созданию новых мезопористых инновационных композитов за счет оптимального выбора исходного полимера с учетом экономической целесообразности и возможных областей использования, а также лабораторные регламенты и режимы крейзинга полимеров для получения материалов с заданной морфологией, пористостью, поверхностным рельефом и гидрофильно-липофильным балансом поверхности для решения конкретных практических задач. В области использования реакционноспособных прекурсоров (системы «полимер – мономер – инициатор» (ПМИ системы)) для производства и переработки пластиков на лабораторном и опытно-промышленном уровнях: • установлены граничные температуры зон переработки и термофиксации метакриловых ПМИ систем, зависящие от состава или конверсии полимеризата. • показано, что для метакриловых ПМИ систем мономер является «временным пластификатором» полимеризата, обеспечивая значительное (на 50–100С) понижение температуры переработки и модификации материала методами пневмоформования, прессования, ориентации и т.п. Последующая дополимеризация мономера при повышении температуры сопровождается термофиксацией изделия и надмолекулярных структур, сформированных в процессе переработки. Отмечено, что указанная дополимеризация простым образом решает проблему исчерпания остаточного мономера. Данный подход позволяет полностью исключить использование и утилизацию вспомогательных систем, а также стадию очистки конечного продукта. • сформулированы и апробированы подходы использования ПМИ систем для контроля равномерности распределения наномодификаторов (сферические частицы порошка ZrO2-CeO2 и квантовые точки CdSe) в объеме метакриловой матрице, также для повышения теплостойкости полиметилметакрилата до 250С за счет формирования густо сшитого поверхностного слоя без физической границы раздела с основой и без снижения ударной прочностью и способности к переработке путем вакуумного формования. • разработаны двухкомпонентные реакционноспособные рецептуры, позволяющие напылять полимочевинные покрытия со спектром конструкционных свойств от каучуков до жестких пластиков с использованием ограниченного набора исходных реагентов и малых (1 – 2 масс. %) добавок фторопласта и полиметилсилоксанового пластификатора, а также их комбинацией. В области перспективного развития 3D-печати гелей на основе двойных сеток, нанокомпозитных гелей и изделий произвольной конфигурации с наиболее высокой механической прочностью и максимальным пространственным разрешением при использовании природных полимеров: • получены новые двойные и нанокомпозитные сетки на основе альгината натрия и нанотрубок (НТ) глины галлуазита в качестве наполнителя, а также обосновано их применение в 3D-печати; • определены оптимальные условия для 3D-печати, позволяющие обеспечить максимальные вязкоупругие свойства в покое и падение вязкости при течении и соответствующие наиболее быстрой фиксации структуры для достижения максимального пространственного разрешения 3D-печати, а также наибольшей механической прочности получаемых гелей; • изучены закономерности сшивания полимерных цепей в нанокомпозитном гидрогеле на основе альгината натрия и НТ галлуазита и микроструктура образующихся гидрогелей, а также выявлены оптимальные соотношения между компонентами, обеспечивающие высокие механические свойства гидрогелей; • определен оптимальный состав и обосновано использование разработанных материалов (двойные сетки и нанокомпозитные гели на основе полисахарида альгината натрия и нанотрубок глины галлуазита) в качестве чернил для экструзионной 3D-печати; • разработана методика получения чернил для экструзионной 3D-печати указанных биодеградируемых материалов и оптимальные условия печати данными чернилами. Совокупность полученных результатов служит обоснованием и научно-технической базой для развития низкозатратных и экологически безопасных технологий производства, переработки и модификации широкого круга полимерных материалов (пленки, волокна, пластики, покрытия, изделия произвольной конфигурации) с пониженным уровнем отходов или, в ряде случаев, с полным их отсутствием. Значимость результатов обусловлена развитием фундаментальных физико-химических основ получения новых водорастворимых комплексов на основе биодеградируемых полимеров и двойных нанокомпозитных сеток, а также переработки, модификации и производства полимерных пленок, волокон, пластиков и покрытий. На основании результатов проведенных исследований разработаны перспективные рецептуры и режимы формирования защитных почвенных покрытий с высокой водостойкостью и стойкостью к ветровой эрозии, производства полимерных материалов с контролируемыми структурой и свойствами объема и поверхности и получения изделий произвольной конфигурации методом 3D печати. Сформулированные и апробированные на лабораторном и опытно-промышленном уровне научно-технические подходы могут быть рекомендованы для использования в сельском хозяйстве, агротехнике, авиа- и автомобилестроении, строительстве, медицине, а также для решения задач по созданию экологически чистой городской и транспортной инфраструктуры. Научно-технический уровень и конкурентоспобность полученных результатов в сравнении с настоящими отечественными и зарубежными разработками определяются нетоксичностью биополимерных комплексов в отношении растений при норме внесения 1% от массы почвы и их способностью к биодеструкции под действием ферментов и почвенных микроорганизмов, а также высокой сорбционной емкостью по отношению к катионам тяжелых металлов; контролируемым гидрофильно-гидрофобным балансом поверхности модифицированных пленок с краевым углом смачивания в пределах от 20 до 120; возможностью увеличения эксплуатационных характеристик материалов в пределах порядка величины за счет введения малых (не более 2%) модификатора; снижением температуры переработки пластиков на 80 – 120С при использовании реакционнопособных прекурсоров, а также созданием оригинальных и экологически безопасных рецептур для формирования полимерных покрытий на бетоне, металле и почве, модификации и переработки волокон, пленок и пластиков и чернил для экструзионной 3D-печати. Дальнейшее развитие данных научно-технических направлений связано с оптимизацией разработанных процессов, их масштабированием на промышленный уровень и увеличением эффективности предложенных подходов.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".