CC BY
25
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 538.945
H.A. Шурыгина, /I.A. Щербаченко, В.И. Донской, В.А. Карнаков, A.A. Трошев, Д.А. Краснов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ В ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
В настоящее время электрически активные гетерогенные дисперсные системы с развитой удельной поверхностью относятся к одним из наиболее перспективных классов современных материалов. Особые механические и электрофизические свойства этих систем позволяют создавать на их основе качественно новые материалы, характеристики которых во многом определяются методами их получения и зависят от химического состава компонентов.
В работе рассматривается неравновесная дисперсная система на примере полиминерального вяжущего — портландцемента, состоящая из мелкоразмерных зерен цементного клинкера, погруженных в водную полярную матрицу. На межфазных границах в таких системах возникает интенсивное кулоновское взаимодействие зарядов, находящихся на электрически активной поверхности частиц цемента с полярными молекулами и ионами водной пленки. При наличии многочисленных границ раздела в таких сложных дисперсных системах суммарный эффект межфазных взаимодействий становится особенно сильным и является определяющим для процесса генерации собственных электрических полей. Такое взаимодействие приводит к возникновению электрических сил в исследуемой системе и, как следствие, к градиентам потенциала внутреннего собственного электрического поля.
Все разновидности мелкодисперсных систем в силу условий их получения, особенностей хи-
мического состава и структуры являются неравновесными системами, и в связи с этим появляется способность поверхностных электрических дефектов к эффективной адсорбции полярных молекул из окружающей среды. В связи с тем, что водная компонента состоит из полярных молекул с ионными связями, внутреннее поле выступает в роли катализатора процессов диссоциации жид кой полярной матрицы и способствует увеличению в ней концентрации свободных зарядов. Смещение свободных заряженных частиц в жидкой полярной компоненте под действием устойчивого внутреннего поля в новые энергетически более выгодные места закрепления обеспечивает как миграцию ионов к активной поверхности твердой фазы, так и их накоплению в объеме электрически активной системы. Интенсивное накопление свободных зарядов жидкой и твердой компонентами свидетельствует о проявлении естественных электретных свойств в таких системах.
Цель работы заключалась в изучении структурных особенностей, генерации и реализации внутренней электрической энергии в образцах портландцемента марок 400, 500, а также образцов ПЦ-400, модифицированных низкоразмерной фракцией цементного порошка (далее ПЦ-400, ПЦ-500 и ПЦ-400 м), методами термо-стимулированной и диэлектрической спектроскопии. Исследование термостимулированных токов (ТСТ) в настоящее время является одним из основных инструментов получения инфор-
мации о состоянии полярных дефектов в твердых диэлектриках [1—3]. Образцы фиксированной массы помещались в специально сконструированную измерительную ячейку, представляющую собой плоский конденсатор с алюминиевыми электродами. Напряжение на электроды измерительной ячейки не подавалось. В связи с этим в эксперименте наблюдались процессы, происходящие только под действием внутреннего электрического поля. Регистрация обнаруженных ТСТ в изучаемой дисперсной системе производилась при линейном нагреве образца с постоянной скоростью, не превышающей 1 град/мин в интервале температур от 20 до 260 °С с помощью чувствительного вольтметра-электрометра В7-49 (погрешность измерения тока составляла Ю-15 А). Низкая скорость нагрева обеспечивала отсутствие градиентов температуры в образце, что являлось необходимым условием получения информативных и достоверных термостимулированных токовых спектров. Полученные данные записывались в память компьютера через аналого-цифро-вой преобразователь, обрабатывались стандартными статистическими средствами и представлялись в виде временных диаграмм термостимулированных токов и температуры образца. Диэлектрический анализ изучаемой двухфазной системы осуществлялся емкостным методом с использованием измерителя импеданса Е7-20 в частотном диапазоне от 25 до 106 Гц.
На основании экспериментальных результатов электретно-термического анализа вычислены основные электрофизические параметры, наиболее полно отражающие динамику деполяризации исследуемой системы и ее физические свойства (см. таблицу). К ним относятся время релаксации т , энергия активации II и плотность а носителей электретного заряда. Время релаксации соответствует среднему времени, необходимому для термического разрушения электретного состояния системы, и определяется по ширине А Г пикового максимума тока:
Электрофизические параметры образцов портландцемента (ПЦ) (результаты обработки экспериментальных данных)
Образец Т °С и,эЪ т, 103 с а, 10"3 Кл/м2
ПЦ-400 31 1,41 0,41 0,11
64 2,08 0,95 0,32
100 2,14 0,63 1,58
217 2,36 1,06 7,41
ПЦ-500 31 0,89 1,12 0,76
64 1,53 0,87 0,46
107 2,20 0,68 2,78
223 2,30 1,00 8,27
ПЦ-400-м 31 0,70 1,31 1,22
64 1,48 0,88 0,75
116 1,67 0,83 5,25
230 2,37 1,01 8,11
ПЦ-400-м — образец ПЦ-400, модифицированный низкоразмерными частицами цементного порошка.
Обозначения: Гтах — температура, соответствующая максимуму тока; II— энергия активации; т — время релаксации; ст — плотность носителей электретного заряда
Энергия активации и носителей заряда в окрестности температуры некоторого максимума характеризует вероятность выхода заряженных дефектов из потенциальных ловушек твердой фазы изучаемой системы при данной температуре. Величина рассчитывалась по температурному положению Ттах и ширине А Т максимума тока в соответствии с выражением
и=
АТ
■-1
1(Т)с1Т ШТ0)
где к — постоянная Больцмана [4].
Плотность ст термически освобожденного заряда характеризует концентрацию структурных дефектов в указанных ловушках и вычисляется по площади, заключенной под кривой термотока:
т{г)
где (3 = 1 град/мин — скорость нагрева; , Т^ — нижняя и верхняя температурные границы релаксации носителей заряда «-го типа; 5= 1,8- Ю-4 м2 — площадь поверхности электродов ячейки.
Экспериментальная регистрация термостимулированных токов Ю-10—10-9А в отсутствие внешнего напряжения свидетельствует о наличии в рассматриваемой дисперсной полиминеральной системе свободных элекгретных зарядов и существовании в ней нескольких механизмов накопления, релаксации и переноса электрической энергии.
Изучение динамики процесса реализации термостимулированных токов в рассматриваемой электрически активной системе позволяет установить природу доминирующих в ней релаксаторов, а также условия разрушения дипольной поляризации и объемно-зарядово-го состояния этой системы. Релаксационные процессы, ответственные за переориентаци-онную подвижность различных полярных поверхностных и объемных активных включений при термической стимуляции проявляются в виде токовых спектров, весьма чувствительных к структуре исследуемой системы.
При исследовании термополяризационных токов в интервале температур от 20 до 260 °С наблюдается несколько доминирующих термомаксимумов (рис. 1), вызванных термически стимулированным движением элекгретных зарядов, а значительная амплитуда пиковых максимумов тока в указанном интервале температур обусловлена высокой концентрацией зарядов, накопленных как на межфазных границах, так и внутри объема рассматриваемых систем.
С ростом температуры системы, вследствие увеличения интенсивности теплового движения структурных элементов твердой фазы, происходит термический выход заряженных дефектов из потенциальных ловушек твердой компоненты в жидкую среду, что свидетельствует о постепенном разрушении этих структурных элементов, высвобождении запасенной в них энергии и появлении свободных носителей тока.
Свободные ионы жидкой фазы и заряды твердой компоненты движутся под действием внутреннего электрического поля в каналах ионной проводимости. Движение ионов можно представить как прыжки из одного вакантного узла в другой с преодолением потенциального барьера, равного энергии активации. Механизмом движения таких зарядов является диффузия и их дрейф в локальном электрическом поле,
Т,° С
Рис. 1. Спектры термостимулированного тока образцов портландцемента: 1—ПЦ-400; 2— ПЦ-500;
ПЦ-400-м
что и обуславливает наличие термостимулированного тока. Поскольку до начала процесса активации эти носители тока являлись частью структуры твердой и жидкой фаз исследуемой дисперсной системы, динамика термостимулированных токов позволяет изучать структурные особенности всей системы в целом, а также ее отдельных компонентов.
Экспериментально установлено, что в спектрах термостимулированных токов прослеживаются две температурные области. В низкотемпературной (20-80) °С выявлено наличие максимумов термостимулированного тока (см. рис. 1) при температурах Тх = 31 °С и Т2 = 64 °С, которые, по всей вероятности, связываются с накоплением межфазных свободных зарядов под действием внутреннего поля исследуемой электрически активной системы, а также с особенностями структуры водной компоненты.
Максимум релаксационного тока I = = 1,7* 10~10 А при 31 "С для образца ПЦ-400-м в три раза превышает аналогичные максимумы для образцов ПЦ-400 и ПЦ-500 при техже условиях, что свидетельствует о наличии значительно большей концентрации свободных элекгретных зарядов в этом образце, накопленных на межфазных границах и в объеме изучаемой системы.
Подтверждением этого факта является увеличение плотности заряда ото1 = О,И "Ю-3 Кл/м2 до ст3 = 1,22-10~3 Кл/м2 (см. таблицу), вычисленной по профилю термостимулированных спектров.
Источником таких зарядов являются процессы ионизации, в ходе которых молекулы воды распадаются на ионы. Согласно теории Пула — Френкеля, диссоциация молекул жидкости в окрестности 35—36 "С осуществляется преимущественно под действием внутреннего электрического поля, поскольку энергии теплового движения молекул для их ионизации недостаточно [5].
Выше 36 °С упорядоченная структура полярной жидкой воды постепенно разрушается под действием теплового движения, что приводит к ослаблению связей между молекулами. При некоторой «критической» температуре и достаточной энергии активации носители заряда покидают потенциальные ловушки; при этом происходит разрушение дефектов определенного вида и выход освобожденных зарядов в каналы ионной проводимости. Факт уменьшения энергии активации указывает на возможность более интенсивного выхода накопленных элекгретных зарядов в каналы ионной проводимости в окрестности этой температуры.
Максимум термотока, обнаруженный на релаксационном спектре термостимулированной поляризации при температуре 64 °С (см. рис. 1), вероятно, связан с перестройкой структурированной воды в объемное состояние, на что указывают многочисленные экспериментальные работы [6—8]. При этой температуре происходит тепловое разрушение упорядоченной структуры связанных слоев кластеризованных молекул, и направление диполей молекул воды в них становится хаотическим, что приводит к значительному уменьшению потенциального барьера, удерживающего рассматриваемые заряды вблизи активной поверхности. Наблюдаемая наибольшая амплитуда токового пика /3 = 1,5-10_10А при температуре 64 °С (кривая 3 на рис. 1), может быть объяснена интенсивным проявлением свойств структурированной воды в связи с увеличением удельной активной поверхности частиц цемента. Установлено, что наибольшая интенсивность термотока при температуре 64 "С наблюдается в изучаемой системе для образцов портландцемента с моди-
фикатором. В связи с этим можно заключить, что концентрация связанной воды при большей величине активности поверхности твердой фазы будет максимально проявляться. Это подтверждается наибольшей термоактивационной амплитудой тока (кривая 3 на рис. 1).
Экспериментально выяснено, что положение низкотемпературных максимумов тока неизменно для всех исследуемых систем и не зависит от размеров частиц твердой фазы, которые прямо связаны с поверхностной активностью частиц цемента.
В интервале температур от 80 до 260 °С обнаружено два доминирующих максимума тока, которые в отличие от низкотемпературных проявляют зависимость от поверхностной активности частиц цемента. Экспериментальное обнаружение высокотемпературных термотоков связано с термическим разрушением и освобождением ионов из дефектных областей, расположенных на поверхности и в объеме частиц цемента. Значительная амплитуда релаксационных максимумов тока (/«1,5-10-9 А) свидетельствует о большой концентрации накопленных зарядов на межфазных границах. Релаксационные максимумы тока в интервалах температур от 100 до 116 "С и от 217 до 230 °С позволили выявить зависимость температурного положения максимумов тока от величины удельной поверхности исследуемых образцов цемента. Для образцов портландцемента, характеризующихся большей удельной поверхностью, концентрация адсорбированной воды увеличивается, что приводит к расширению каналов ионной проводимости, обеспечивая более интенсивное движение термически освобожденных зарядов до электродов ячейки, и объясняет рост термостимулированного тока в этом диапазоне температур от 1Х = 4,5-10~10 А для образца ПЦ-400 до /3 = 1,1 ■ Ю-9 А для образца ПЦ-400-м (см. кривые 1, 3 на рис. 1). Этот факт подтверждается увеличением плотности заряда от а, = 1,58-Ю-3 Кл/м2 до а3 = 5,25-10"3 Кл/м2 для образцов ПЦ-400 и ПЦ-400-м, соответственно. При этом отмечается уменьшение энергии активации носителей заряда от £/, = 2,14 эВ до Щ = 1,67 эВ (см. таблицу). При термическом распаде основных структурных элементов системы образованные заряды попадают в каналы ионной проводимости и под действием гради-
ентов потенциала внутреннего поля аккумулируют электрический ток. Обнаружено, что для образцов модифицированного цемента максимум термоактивационного тока сдвигается в область более высоких температур и составляет 230 *С, по сравнению с менее активным образцом ПЦ-400, температурное положение токового максимума которого соответствует 217 "С. Этот факт можно интерпретировать следующим образом.
Свободные электретные заряды, образованные в процессе ионизации, под действием собственного внутреннего поля накапливаются на межфазных границах жидкой и твердой компонент в результате кулоновского взаимодействия с активными поверхностными центрами частиц цемента. Процессы накопления свободных ионов сопровождаются частичным экранированием электрического поля поверхностных центров. Экранирование зарядов, находящихся на электрически активной поверхности твердой компоненты, происходит более эффективно при большей концентрации свободной водной фазы, которая прямо зависит от величины удельной поверхности частиц цемента. Экранирование приводит к ослаблению суммарного электрического собственного поля системы, и, наоборот, низкая концентрация величины адсорбции водной фазы незначительно изменяет величину суммарного внутреннего поля. Энергия активации заряженных дефектов, находящихся на активной поверхности и в объеме механоактивированных частиц цемента, является результирующей от вкладов энергий электрического и теплового полей. В связи с этим можно полагать, что при меньшей величине концентрации водной фазы суммарное собственное электрическое поле системы способствует уменьшению энергии активации заряженных дефектов твердой фазы и облегчает их выход с поверхности и объема частиц цемента в каналы ионной проводимости. И, как следствие, облегченный электрическим полем выход ионов с поверхности частиц цемента осуществляется при более низкой температуре. Таким образом, при меньшем размере частиц ПЦ с наполнителем и, как следствие, при наличии в системе значительно большей концентрации водной компоненты высокотемпературный максимум термоактивационного тока сдвигается в область
температуры Т3 = 230 °С. Смещение максимума термотока в область более высоких температур связано с интенсивным экранированием зарядов на поверхности твердой фазы. В связи с этим превалирующий вклад в энергию активации заряженных дефектов вносят тепловые колебания, и температура, при которой наблюдается максимум тока, повышается.
Особый интерес в нашем исследовании представляет объяснение полученной временной зависимости д иэлектрической поляризации образцов всех трех видов ПЦ в нулевом внешнем поле. В связи с тем, что рассматриваемые дисперсные полиминеральные системы являются неравновесными, протекающие в них фазовые переходы, процессы гидратации и десорбции сопровождаются изменениями диэлектрической поляризации и потерями энергии. Экспериментально установлено, что временные изменения диэлектрической поляризации являются немонотонными (рис. 2) и зависят от различных протекающих в системе процессов, представленных десорбцией воды, явлениями тепломассо-переноса и диффузии, связанных с химическим составом изучаемых образцов портландцемента.
В низкотемпературной области (Т= 21 °С)
8 64-
60-
56-
52 -
27 мин
0,0
—I—
0,5
1,0
1,5
t, ч
Рис. 2. Временная зависимость диэлектрической поляризации образцов ПЦ в нулевом внешнем поле на частоте V = 25 Гц (Г=21°С): 1 - ПЦ-400; 2- ПЦ-500; 3- ПЦ-400-м
временная зависимость диэлектрической поляризации е' проходит через максимум (см. рис. 2). Особенностью этой функции является запаздывание по времени проявления максимума поляризации е' для образцов ПЦ-400-м, характеризующихся большей удельной поверхностью по сравнению с образцами других марок ПЦ, отобранными для исследования. Этот факт можно объяснить следующим образом.
В процессе механоактивации частиц цемента появляются локализованные заряды дефекты, способные в микрообластях исследуемой неравновесной системы создавать и поддерживать произвольно ориентированную собственную поляризацию. Высокая степень структурного беспорядка в таких образцах приводит к возникновению большого числа локализованных состояний поляризации. Если градиенты потенциала внутреннего поля системы достаточно большие, то в различных микрообластях системы могут реализоваться процессы миграции локализованных зарядов с поверхности или из объема частицы цемента через потенциальные барьеры, если они соизмеримы с величиной энергии активации. При этом выход локализованных зарядов из рассматриваемой области создает возможность изменять прежнее направление поляризации в системах и способствовать формированию единого направления поляризации релаксаторов во всем образце, совпадающего с направлением внутреннего собственного поля системы, что является временным низкотемпературным фазовым переходом диэлектрической поляризации, которая при этих условиях изменяется скачком.
Что касается образцов ПЦ, частицы которого характеризуются большой удельной поверхностью, то у них происходит временная задержка формирования максимума диэлектрической поляризации из-за наличия большей концентрации отдельных локальных микрообластей с «индивидуальной» поляризацией.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов можно заключить, что внутреннее собственное поле электроактивных систем способно при больших величинах напряженности изменять направление поляризации релаксаторов в микрообластях исследуемой системы и формировать однородную поляризацию
в объеме всего исследуемого образца. В качестве меры воспроизводимости было использовано относительное стандартное отклонение, которое по результатам анализа экспериментальных данных не превысило 3 %.
На основе полученных результатов нами построена модель электрофизических процессов, протекающих в гетерогенных системах. Кулоновское взаимодействие разноименных зарядов, которые упорядочены, близко расположены, но пространственно разделены и находятся на межфазных границах электрически активных твердых и жидких разнородных компонент, формирует двойной электрический слой (ДЭС); он является новой фазой струк-турообразования и кластеризованным слоем связанной воды.
Отличительной способностью этого ДЭС от рассматриваемых ранее является то, что он образуется под действием внутренней собственной электрической энергии системы, а межфазными границами являются разнородные твердые и жидкие полярные диэлектрики.
В объеме двойного электрического слоя, обуславливающего характерные свойства электрически активных конденсированных систем, происходит изменение структуры, физических свойств полярной жидкой матрицы и образование в ней молекулярных кластеров под действием внутреннего электрического поля, а также вырождение дипольно-ориентационной поляризации молекул жидкости. Таким образом, ДЭС является кластеризованным слоем связанной структурированной воды, расположенным между активной твердой фазой и свободной полярной жидкостью.
Вследствие проявления особых свойств ДЭС под действием внутреннего собственного поля слой структурированной связанной воды приобретает функции потенциального барьера как для свободных молекул, так и для молекул, ориентированных электрическим полем активной поверхности цементных зерен. Поскольку молекулы структурированного слоя полярной воды ориентированы собственным внутренним полем и жестко им удерживаются, то их переходы в область, где находятся свободные молекулы воды, характеризующиеся объемными свойствами, практически невозможны; в связи с этим переход является запрещенным.
Вне ДЭС в свободном объеме полярной воды напряженность внутреннего электрического поля равна нулю и молекулы находятся только под действием хаотического теплового движения. В процессе теплового движения возможен случайный переход свободной молекулы в область структурированного слоя полярной воды. Однако в этом случае она будет жестко ориентирована собственным внутренним полем системы и объединена с молекулами структурированного слоя жидкости в линейный кластер. Кроме того, следует учесть, что плотная упаковка молекул в упорядоченном слое водной компоненты служит препятствием для включения в ее структуру дополнительных молекул. Это обстоятельство является запрещающим фактором проникновения свободных молекул жидкости в область действия внутреннего электрического поля, где слой воды характеризуется кластеризованной структурой.
В исследуемых полиминеральных дисперсных электрически активных системах частицы портландцементапогруженывполярную водную матрицу. Внутреннее собственное электрическое поле системы, являясь катализатором процессов ионизации молекул воды, способствует увеличению концентрации свободных ионов, часть которых способна гидратироваться из-за электрически активного окружения полярных молекул и ионов. Гидратные оболочки гидрок-силов и протонов, представляющие собой слой связанной воды, — это устойчивое прочное образование, выполняющее барьерную функцию как для свободных молекул воды, так и для молекул структурированного слоя. По всей вероятности, гидратные оболочки рассматриваемых ионов являются прочными структурированными устойчивыми ассоциатами, что, вероятно,
список/
1. Гороховатский, Ю.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков [Текст] / Ю.А. Гороховатский, Г.А. Бордовский. — М.: Наука, 1991. — 248 с.
2. Щербаченко, Л.А. Электретный эффект и процессы элекгропереноса в дисперсных системах органического и неорганического происхождения [Текст] / JI.A. Щербаченко, B.C. Борисов, Н.Т. Максимова [и др.] // Журнал технической физики. — 2009. — Т. 79. - Вып. 9. - С. 129-137.
связано с более высокими температурами процессов их разрушения.
Оболочка гидратированных ионов воды есть кластеризованный слой связанной воды, расположенный между зарядом иона и свободными молекулами воды; она удерживается около заряженного иона кулоновскими электрическими силами. Это по сути ДЭС, принадлежащий как ионам, так и молекулам свободной воды.
Итак, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:
собственное внутреннее электрическое поле неравновесных гетерогенных дисперсных систем, которое есть следствие межфазного взаимодействия активных твердых поверхностей и полярных жидких матриц, выступает в роли главного фактора. Это фактор обуславливает возникновение направленного движения носителей свободного электретного заряда, который образуется при термическом разрушении объемно-зарядового состояния исследуемой системы;
в исследуемых образцах портландцемента зарегистрировано появление градиентов потенциала устойчивого внутреннего поля;
установлено, что интенсивность межфазного взаимодействия, эффективность кластеризации структуры полярной воды и, как следствие, напряженность собственного внутреннего электрического поля полиминеральных дисперсных систем зависят как от размеров меха-ноактивированных частиц твердой фазы, так и от концентрации жидкой компоненты. В связи с этим появляется возможность управления градиентами потенциала внутреннего электрического поля в рассматриваемых электрически активных системах.
3. Щербаченко, JI.A. Элекгретно-термический и диэлектрический анализ структуры электрически активных коллоидных систем [Текст] /JI.A. Щербаченко, B.C. Борисов, Н.Т. Максимова [идр.] //Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80. - Вып. 8. - С. 136-142.
4. Щербаченко, JI.A. Анализ структурного взаимодействия электрически активных гетерогенных мелкодисперсных систем на границах раздела твердой и жидкой фаз [Текст] / JI.A. Щербаченко Н.Т. Максимова, С.С. Барышников [идр.] //Физикатвердого
тела. - 2011. - Т. 53. - Вып 7. - С. 1417-1422.
5. Борисов, B.C. Особенности диэлектрического отклика гетерогенных систем с полярной матрицей, содержащей электрически активные включения [Текст] / B.C. Борисов, Ю.В. Аграфонов, JI.A. Щер-баченко [и др.] // Физика твердого тела. — 2011. — Вып. 1. - С. 52-57.
6. Пинчук, JI.C. Термостимулированная деполяризация крови человека [Текст] / JI.C. Пинчук,
А.Г. Кравцов, С.В. Зотов // Журнал технической физики. - 2001. - Т. 71. - Вып. 5. - С. 115-118.
7. Дерягин, Б.В. Вода в дисперсных системах [Текст] / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко [и др.] - М.: Химия, 1989. - 228 с.
8. Gaur, M.S. Thermally stimulated current analysis in human blood [Text] /M.S. Gaur, R.K. Tiwari, Prashant Shukla [et al.] // J. Trends Biomater. Artif. Organs. — 2007.-Vol. 21(1).-P. 8-13.
УДК 620.22(075.8): 615.462
О.Н. Саракуз, Г. И. Горя и нов, В.М. Капралова, А.И. Слуцкер
НОВЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННО СШИТЫЕ СЕГМЕНТИРОВАННЫЕ ПОЛИЭФИРУРЕТАНСИЛОКСАНОВЫЕ ЭЛАСТОМЕРЫ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ
Одной из наиболее обширных групп полимеров медико-биологического назначения являются полимеры, используемые для создания медицинских имплантатов. Имплантат — объект, вводимый в организм хирургическими методами и функционирующий в условиях полного или частичного окружения живыми тканями, поэтому он должен быть совместим с окружающими тканями по механическим, химическим, поверхностным и фармакологическим свойствам. Изучение биосовместимости медицинских материалов развивается в течение уже 50 лет, и за это время относительно инертными и биосовместимыми в качестве материалов для протезов мягких тканей признаны полиэфиры, фторполимеры (тефлон, или политетрафторэтилен), полипропилен, полиуретаны, силиконы и некоторые сополимеры. На протяжении последних 30 лет для создания имплантатов применялись два основных биоматериала: сшитые силиконовые резины и по-лиуретановые термопласты [1].
Важным преимуществом силиконовых резин, или полиорганосилоксановых эластомеров, по сравнению с другими биоинертны-
ми имплантируемыми материалами, является близость их консистенции к консистенции окружающих тканей. Силоксановые связи, составляющие скелет макромолекул полиор-ганосилоксанов, устойчивы химически и при этом обладают высокой гибкостью. Проблемы при использовании силиконовых имплантатов связаны в основном с адсорбцией окисленных жиров из окружающих тканей, которое вызывает набухание и изменение размеров протеза. К недостаткам силиконовых материалов нужно отнести и необходимость их вулканизации, или создания поперечных ковалентных сшивок для придания материалу необходимых механических свойств, поскольку линейные или разветвленные полиорганосилоксаны при комнатной температуре являются вязкими жидкостями.
Полиуретаны представляют собой сополимеры, состоящие из гибких и жестких сегментов, соединенных уретановой группой —СО(О) >Ш—. Уретановая группа дает возможность для поперечных сшивок макромолекулярных цепей, что обеспечивает большое разнообразие механических свойств полиуретанов: от мягкого каучукоподобного термопластичного эласто-
