Исследователи Кабардино-Балкарского государственного университета совместно с коллегами разработали модель для расчёта газопроницаемости полимерных материалов, которая способна помочь в создании улучшенных упаковок для продуктов и защитных покрытий, препятствующих коррозии металла.
Результаты работы опубликованы в издании "Известия Кабардино-Балкарского государственного университета".
Полимеры широко применяются для изготовления упаковки пищевой продукции и антикоррозионных покрытий, однако многие из них пропускают газы и влагу. Это приводит к сокращению срока годности продуктов и к окислению металлических изделий. По словам авторов исследования, для уменьшения проницаемости в полимерные матрицы вводят твёрдые частицы нанометрового масштаба — таким образом получают полимерные композиты. Наночастицы формируют «змееобразный» (извитый) путь для молекул газа: чем плотнее заполнение, тем сложнее газу преодолеть материал.
Учёные Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (КБГУ) в партнёрстве с коллегами из Дагестанского государственного педагогического университета им. Р. Гамзатова и Российского государственного университета туризма и сервиса выявили ещё один существенный фактор — аффинность компонентов, то есть степень сцепления частиц наполнителя с полимерной матрицей. Как отмечают авторы, эффект сильнее проявляется при меньших размерах частиц и их более однородном распределении в материале.
"Для исследования мы использовали поликарбонат на основе бисфенола А в роли матричного полимера, а в качестве наполнителей — графит и термически восстановленный графен. Образцы готовили путём смешивания компонентов в расплавленном состоянии. С помощью фрактального анализа мы установили связь между фактором извилистости — показателем сложности пути газа через материал — и степенью аффинности структуры", — прокомментировал кандидат химических наук, старший научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Игорь Долбин.
По словам Долбина, при полном структурном сродстве компонентов относительная газопроницаемость определяется преимущественно долей наполнителя. При снижении же сродства проницаемость композита оказывается ниже, чем у исходного полимера. Именно качество сцепления частиц с полимерной матрицей определяет, насколько значительно уменьшится газопроницаемость материала, пояснил он.
Учёные также вывели эмпирические уравнения, описывающие обнаруженную зависимость. Разброс между экспериментальными измерениями и предсказаниями модели составил порядка 6–7 процентов, что сопоставимо с погрешностью самих измерений.
Эти результаты дают возможность теоретически прогнозировать характеристики полимерных материалов и более обоснованно планировать лабораторные эксперименты по созданию готовых образцов, что сокращает энергозатраты и трудоёмкость на ранних стадиях. Модель может быть адаптирована и для других классов полимеров и композитов с соответствующими поправками, пояснил кандидат химических наук.
В перспективе исследователи намерены продолжить работу над понижением газопроницаемости полимерных материалов с целью последующего внедрения разработок в промышленное производство.
