ru en

Адгезия мягких материалов на основе полимеров

Работа по данному направлению ведется в рамках гранта РНФ 18-19-00645 «Адгезия мягких материалов на основе полимеров: от жидкого состояния к твердому» под руководством Леонида Дорогина (Ph.D.).

Трибология мягких материалов играет решающую роль во многих природных, биологических и технологических системах. Понимание механизмов адгезионного взаимодействия важно для технологических применений мягких материалов на основе полимеров. В рамках данного направления изучаются системы на основе резины (эластомера). Выделяется три основных вклада в адгезию резины, действующих на разных масштабах длины: вязкоупругость, шероховатость поверхности и подвижность молекул. Для исследования адгезии используется полидиметилсилоксан (ПДМС) и композитные материалы на его основе (см. обзор [1]).

К настоящему моменту получен ряд результатов, опубликованных в международных рецензируемых академических журналах [1-6] (см. список публикаций ниже). Некоторые избранные результаты [2-6] проиллюстрированы ниже.

В рамках проекта изучено превращение материала ПДМС из несвязанной жидкости в полностью связанное твердое состояние с точки зрения контактной механики по классической схеме Джонсона-Кендалля-Робертса (JKR) [2]. Показано, что в период превращения жидкости в гель ее вязкость возрастает на несколько порядков величины. Сила адгезионного взаимодействия как функция времени также демонстрирует резкий рост при приближении к точке гелеобразования ПДМС. В течение переходного периода контактная механика характеризуется образованием струн и необратимой деформацией, которые не наблюдаются ни в изначальном жидком состоянии, ни в полностью связанном состоянии. В дальнейшем гелеобразный материал ПДМС затвердевает, что сопровождается изменением динамических параметров контактного взаимодействия, а также снижением адгезионного «износа» поверхности ПДМС.

 

 

 

 

 

 

Нить ПДМС, приклеившаяся к стеклянному шару близко к точке, где притягивающее взаимодействие шара к ПДМС является максимальным для образца[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Также были получены образцы материала ПДМС с нанесенным на поверхность слоем наночастиц ZnO, обладающих фотокаталитической активностью [3]. ПДМС был использован в качестве носителя фотокатализатора. ПДМС прозрачен для лучей УФ и видимого диапазона, поэтому ПДМС/ZnO могут быть использованы в качестве фотокатализаторов как под видимым, так и под ультрафиолетовым светом в независимости от направления падающего света. Для активирования фотокаталитической реакции свет может попадать как на поверхность, покрытую ZnO, так и на обратную сторону полимера.

 

 

 

Характеристики полученного образца ПДМС-ZnO для фотокаталических применений, (а) светопропускание, (б) угол смачивания ПДМС, (в) угол смачивания ПДМС-ZnO. [3]

 

 

 

 

Также на основе ПДМС были приготовлены образцы пористого силикона [4]. Полученные сорбенты продемонстрировали высокую способность к сорбции воды.

 

 

 

Характеристики полученных образцов пористого ПДМС, (а) – влияние количества октанола-1 на водопоглощение, (б) – увеличение размеров пористого ПДМС, содержащего 17% октанола-1 после насыщения водой. [4]

 

 

 

 

Было проведено исследование контактной электризации (трибоэлектрического эффекта) ряда полимерных материалов [5]:

  • ПДМС

  • Этиленоктен сополимер

  • Стирол-этилен-бутилен-стирол сополимер

  • Полиэтиленвинилацетат сополимер.

  • Полигексадиолцитрат

В ходе экспериментов с измерением трибоэлектричества на различных материалах была выявлена прямая связь между адгезией, шероховатостью и величиной трибоэлектрического эффекта. Также был продемонстрирован перенос материала, происходящий при циклическом контакте образцов.

Параллельно проводились экспериментальные и теоретические исследования механических свойств используемых серебряных, а также золотых нанопроволок при деформации на изгиб [6]. Понимание поведения нанопроволок при изгибных деформациях крайне важно с практической точки зрения, так как серебрянные нанопроволоки могут быть использованы как наполнитель для ПДМС для получения гибких проводящих материалов, в которых наполнитель будет подвергаться деформационным нагрузкам.

 

 

 

Фрагменты визуализации симуляции деформации серебряной нанопроволоки при изгибе. Симуляция выполнена методом молекулярной динамики. [6]

 

 

 

 

 

 

Также ведутся работы по нескольким другим направлениям, в частности: (а) исследование теплопроводности материалов на основе ПДМС; (б) исследование физико-химических свойств ПДМС с металлическим наполнителем; (в) численное моделирование контактной механики мягких материалов методом граничных элементов (boundary element method, BEM).

Список публикаций:

  1. S. Vlassov, S. Oras, M. Antsov, I. Sosnin, B. Polyakov, A. Shutka, M. Yu. Krauchanka and L. M. Dorogin, "Adhesion and Mechanical Properties of PDMS-based materials probed with AFM: a Review", Reviews on Advanced Materials Science 56 (2018) 62-78.

  2. L.M. Dorogin and I.M. Sosnin and E.G. Akimov and V.I. Agenkov, "Adhesion of polydimethylsiloxane during molecular cross-linking", Letters on Materials 9 (2019) 58-63, DOI: 10.22226/2410-3535-2019-1-58-63.

  3. I. M. Sosnin, S. Vlassov, E. G. Akimov, V. I. Agenkov, L. M. Dorogin, "Transparent ZnO-coated polydimethylsiloxane-based material for photocatalytic purification applications", J. Coat. Technol. Res. [Q2, IF 1.584, SJR 0.415] (2020), DOI: 10.1007/s11998-019-00314-2.

  4. I. M. Sosnin, S. Vlassov, E. G. Akimov, V. I. Agenkov, L. M. Dorogin, "Hydrophilic polydimethylsiloxane-based sponges for dewatering applications", Materials Letters [Q1, IF – 3.019], Volume 263, 15 March 2020, 127278, DOI: 10.1016/j.matlet.2019.127278.

  5. L. Lapcinskis, K. Malnieks, J. Blums, M. Knite, S. Oras, T. Kaambre, S. Vlassov, M. Antsov, M. Timusk, A. Sutka, "The Adhesion Enhanced Contact Electrification and Efficiency of Triboelectric Nanogenerators", Macromol. Mater. Eng. [Q1, IF 3.038] 2019, 1900638, DOI: 10.1002/mame.201900638.

  6. S. Vlassov, M. Mets, B. Polyakov, J. Bian, L. Dorogin and V. Zadin, "Abrupt elastic-to-plastic transition in pentagonal nanowires under bending", Beilstein J. Nanotechnol. [Q1, IF 2.27] 2019, 10, 2468–2476, DOI:10.3762/bjnano.10.237.

Информация © 2015-2020 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий