Ученые из Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова (КБГУ) представили инновационную модель для оценки газопроницаемости полимерных композитов. Эта разработка открывает перспективы для создания сверхэффективной упаковки, продлевающей срок годности продуктов, а также передовых антикоррозийных покрытий для металлов.
Традиционно для улучшения барьерных свойств в полимерную матрицу вводят твердые наночастицы. Они формируют своеобразный «лабиринт», многократно усложняющий траекторию движения газовых молекул: чем выше концентрация наполнителя, тем надежнее защита. Однако совместная работа исследователей КБГУ, Дагестанского государственного педагогического университета им. Р. Гамзатова и Российского государственного университета туризма и сервиса выявила решающий нюанс, который ранее недооценивался.
Ключевым фактором, определяющим газоперенос, оказалась аффинность компонентов, то есть степень их физико-химического сродства и прочности сцепления наполнителя с полимером. Исследователи установили, что этот эффект проявляется наиболее ярко при условии минимального размера частиц и их максимально гомогенного распределения в материале.
Экспериментальная часть работы базировалась на использовании поликарбоната (на основе бисфенола А) в качестве основы, который модифицировали графитом и термически восстановленным графеном. Компоненты интегрировали методом смешения в расплаве.
Как поясняет кандидат химических наук и старший научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Игорь Долбин, с применением методов фрактального анализа команда описала, как именно фактор извилистости газового пути зависит от структурного сродства материалов.
«При абсолютном структурном сродстве относительная газопроницаемость диктуется исключительно объемной долей наполнителя. Однако при снижении этого сродства проницаемость композита падает еще сильнее по сравнению с исходным чистым полимером. Иными словами, именно качество микроскопического сцепления частиц с матрицей определяет итоговую герметичность материала», — отмечает эксперт.
Для практического применения этих выводов ученые вывели систему эмпирических уравнений. Верификация модели показала высокую точность: отклонение теоретических расчетов от реальных экспериментальных данных составило всего 6–7%, что полностью укладывается в рамки стандартной инструментальной погрешности.
По словам разработчиков, новая модель позволяет перейти от дорогостоящего метода «проб и ошибок» к точному теоретическому прогнозированию характеристик материала еще до его синтеза. Это существенно сокращает трудозатраты и расход энергии на стадии НИОКР. При необходимости модель может быть адаптирована и для других классов полимеров и композитов с внесением соответствующих коэффициентов.
В ближайших планах научной группы — углубление исследований в области минимизации газопроницаемости с прицелом на последующую коммерциализацию и внедрение технологий в реальное промышленное производство.
Информация предоставлена пресс-службой КБГУ
Источник фото: 123rf.com
