CC BY
104
Электронный журнал Cloud of Science. 2013. № 1.
http://cloudofscience.ru
Наночастицы и надмолекулярная структура полимеров
О. А. Ханчич1, С. А. Кузнецова2 1Московский технологический институт «ВТУ» Институт химии и химической технологии СО РАН (Красноярск)
Аннотация. Целью данной работы являлось установление основных закономерностей структурообразования и условий реализации жидкокристаллической фазы в полимерных системах на основе природных и синтетических полимеров. Поляризационно-оптические исследования показали, что ориентация молекул в них параллельна друг другу, но под некоторым углом к оптическим осям молекул соседнего домена. В зависимости от величины предварительного сдвига ЖК раствора можно реализовать как корреляционный, так и координационный порядки в расположении структур с периодичностью на разных масштабных уровнях. Ключевые слова: жидкокристаллическая фаза в полимерных системх, надмолекулярная структура полимеров, наночастицы.
Нанотехнология это новая отрасль прикладной науки, которая занимается изучением и производством устройств и материалов, размеры которых минимальны и составляют несколько нанометров. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов до органических молекул и их конгломератов, имеющих размеры более 1 мкм в одном или двух измерениях. Наночастицы — частицы размерами от 1 до 1000 нанометров могут обладать хорошими каталитическими, адсорбционными и адгезивными свойствами. Сложились два понятия таких частиц с размером порядка 10 нм и размером меньше 1000 нм. Первые являются по сути кластерами с необычными свойствами, а вторые — обычными фазовыми включениями, ранее называвшиеся микрочастицами или усиливающими наполнителями. Используя их уникальные свойства можно создавать сверхпрочные, немаркие, водоотталкивающие, термостойкие и другие материалы. С этой точки зрения анизотропные структуры в полимерах, под которыми следует понимать их надмолекулярную структуру в виде сферолитов, фибрилл и доменов жидкокристаллической (ЖК) фазы также можно считать наноструктурой, поскольку их размеры укладываются в эти рамки (от 500 и более нанометров). Исследование ЖК состояния полимеров имеет большое научное и практическое значение, так как позволяет установить общие закономерности фазовых переходов в полимерах, различающихся по жесткости цепи и использовать явление перехода в мезофазу для получения высокопрочных волокон и пленок. Образование оптически анизотропных структур
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
С1оий о/Баеисе. 2013. № 1.
в ЖК фазе позволяет получить высоко ориентированное состояние в полимерах и обеспечить уникальные прочностные характеристики волокон и пленок.
Целью данной работы являлось установление основных закономерностей структурообразования и условий реализации ЖК фазы в полимерных системах на основе природных и синтетических полимеров. В случае полностью жесткоцепных ароматических полиамидов домены ЖК фазы уже существуют в их концентрированных растворах [1]. Определены их размеры и ориентация при различных градиентах скоростей течения и показано, в процессе релаксации происходит образование макродоменов, проявляющих свойства амплитудно-фазовой дифракционной решетки. Поляризационно-оптические исследования показали, что ориентация молекул в них параллельна друг другу, но под некоторым углом к оптическим осям молекул соседнего домена. Причем в зависимости от величины предварительного сдвига ЖК раствора можно реализовать как корреляционный, так и координационный порядки в расположении структур с периодичностью на разных масштабных уровнях.
При коагуляции ЖК растворов жесткоцепных полимеров образуются стержнеподобные структуры. В то же время наиболее распространенной формой анизотропных структур, возникающих при кристаллизации гибкоцепных полимеров, являются сферолиты. Установленные для гибко- и жесткоцепных полимеров закономерности подтверждаются при анализе поведения полужесткоцепных синтетических и природных полимеров при их осаждении из растворов. В зависимости от конкретных условий (температуры, и растворителя и т. д.) в процессе структуро-образования при коагуляции концентрированных растворов полиамидбензамидазо-лов и производных целлюлозы могут образовывать как изотропные, так и анизотропные системы. В последнем случае возникают сферолиты, кинетика роста и структура которых совершенно иные, чем в гелях гибкоцепных полимеров. Эти анизотропные структуры, подобные ЖК сферолитам, наблюдавшимся ранее в растворах поли-у-бензил-Ь-глутамата, с течением времени претерпевают изменения, стремясь к наиболее стабильным для заданных концентраций, растворителей и температур формам надмолекулярной организации. Определена зависимость между типом растворителя и образующейся структурой, которая характерна как для гибкоцепных, так и для жесткоцепных полимеров. Установлено, что в этих системах образуются самые различные типы надмолекулярных структур: сферолиты, полигональная и периодическая структуры и стержнеподобные домены гранжановской текстуры [2]. Расчет картин малоуглового рассеяния поляризованного света показал, что изменение размеров этих структур и шага закручивания холестерической спирали зависит не только от температурно-концентрационных условий, но и природы исследуемых полимеров. Обнаружено увеличение прочности полимерных
О. А. Ханчич С. А. Кузнецова
Наночастицы и надмолекулярная структура полимеров
пленок (в 2,5 раза), соответствующее максимальному значению оптической анизотропии в двухфазной области перехода растворов производных целлюлозы в ЖК-фазу.
На основании литературных данных и результатов, полученных авторами, проводится оценка эффективности размеров аморфно-кристаллических и ЖК анизотропных структур в полимерных материалах на их прочностные свойства.
Литература
[1] Ханчич О. А., Серков А. Т., Калмыкова В. Д. Волохина А. В. Структурообразова-ние при осаждении поли-п-бензамида из изотропных и анизотропных растворов // Высокомолекулярные соединения. А. 1975. Т. 17. № 3. С. 579-581.
[2] Ханчич О. А., Кузнецова С. А. Температурно-концентрационные условия образования жидкокристаллической фазы в простых и сложных эфирах целлюлозы в трифторуксусной кислоте // Высокомолекулярные соединения. А. 2011. Т. 53. № 4. С. 547-552.
Авторы:
Ханчич О. А., доктор химических наук, профессор, профессор кафедры естественно-научных дисциплин Московского технологического института «ВТУ» Кузнецова С. А., доктор химических наук, профессор, Институт химии и химической технологии СО РАН (Красноярск)
