Аннотация проекта
Проект направлен на создание «интеллектуальных» высокогидрофобных и супергидрофобных покрытий с иерархически структурированной поверхностью, формируемой под воздействием внешнего магнитного поля. Основой предлагаемых покрытий является полимерная среда с диспергированными магнитными частицами разной природы, вводимыми на разных этапах формирования покрытия. В рамках междисциплинарного подхода, сочетающего методы синтеза с физическими методами исследования свойств поверхности, а также теоретического моделирования структуры поверхности планируется решить следующие основные задачи: (а) создание методов нанесения и отверждения магнито-восприимчивых композиций; (б) изучение структуры (рельефа) поверхности в зависимости от концентрации и типа магнитного наполнителя, а также величины магнитного поля, в котором проводится синтез; (в) изучение зависимости свойств покрытия, в частности, краевых углов смачивания и термической стабильности, от состава магнитно-полимерной композиции и морфологии сформированного рельефа; (г) изучение возможностей управления рельефом поверхности, а, следовательно, и смачиваемостью с помощью внешнего магнитного поля, в частности, для направленного транспорта капель воды по поверхности; (д) создание динамического рельефа поверхности с помощью внешнего импульсного переменного магнитного поля разной частоты. Последнее важно для регулирования не только краевых углов смачивания, но и адгезионных свойств покрытия. Управление рельефом поверхности в динамическом режиме рассматривается в проекте как принципиально новый подход к созданию антиобледенительных покрытий.
О проделанной за первый год работе
Получены магнито-полимерные покрытия на основе силиконовых полимерных матриц и магнитных частиц карбонильного железа размером 3-5 мкм. Синтез проводился как в отсутствие внешних магнитных полей, так и в магнитном поле 80 мТл, направленном перпендикулярно поверхности покрытия. Содержание магнитного наполнителя в полимерной матрице варьировалось в интервале 10-83 масс %.
Исследованы зависимости краевого угла смачивания от концентрации магнитного наполнителя, а также от величины прикладываемого перпендикулярно поверхности внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле происходит структурирование магнитного наполнителя вдоль линий поля, в результате на поверхности покрытия формируются игольчатые микроструктуры и гребни, высота которых и расстояние между которыми зависят от концентрации наполнителя и величины приложенного поля.
Получены покрытия, для которых краевой угол смачивания возрастает от 110 до 141° при приложении магнитного поля до 500 мТл.
Разработаны оригинальные методики модификации поверхности магнитных частиц силоксановыми олигомерами с тиольными и карбоксильными группами для усиления их гидрофобности и сродства с полимерной матрицей. Методом ТГА показано, что обработка серосодержащими соединениями приводит к повышению термоокислительной стабильности карбонильного железа.
Создана теоретическая модель для изучения поведения структуры магнитного наполнителя в тонком слое магнито-полимерного покрытия при наличии внешнего магнитного поля. При моделировании учитывается намагничивание частиц внешним полем и их взаимодействие между собой, а также происходящие в упругой среде изменения при смещении частиц, а именно ее деформация и образование рельефных структур на границах.
Таким образом, проверена общая концепция проекта, подтверждена возможность регулирования рельефа поверхности магнито-полимерных покрытий с помощью внешнего магнитного поля и создана база для дальнейшей разработки супергидрофобных покрытий на основе магнито-полимерных композиций.
О проделанной за второй год работе
Управление смачиваемостью поверхности и, в частности, достижение эффекта супергидрофобности связано с формированием иерархического рельефа на поверхности. Проект направлен на создание восприимчивых высокогидрофобных и супергидрофобных покрытий на основе так называемых магнитоактивных эластомерных композиций, структурой и свойствами которых можно управлять с помощью внешних магнитных полей.
Синтезированы магнито-полимерные покрытия разного состава. В качестве полимерного связующего использованы силиконовые полимерные матрицы, в качестве магнитного наполнителя – широкий круг магнитных материалов разной формы и размера (сферическое карбонильное железо, гамма-оксид железа, пластинчатое железо, сплав FeNdB, а также их смеси с железом и графитом). Разработаны оригинальные методики модификации поверхности магнитных частиц, а также методы нанесения и отверждения покрытий. Получены как изотропные покрытия, так и структурированные при синтезе в магнитном поле 80 мТл, направленном перпендикулярно поверхности покрытия. Содержание магнитного наполнителя в полимерной матрице варьировалось в интервале 10-83 масс %.
Исследованы реологические и магнитоэлектрические свойства полученных магнитополимерных материалов. Впервые обнаружен значительный (порядка 1000%) рост диэлектрической проницаемости материала во внешнем магнитном поле до 600 мТл. Измерения зависимостей модуля накопления и модуля потерь материала разного состава от величины внешнего магнитного поля позволили выявить взаимосвязь между чувствительностью к магнитному полю краевого угла смачивания и вязкоупругими свойствами матрицы. Наиболее значимый результат соответствует возрастанию краевого угла смачивания каплей воды от 110 до 163 град при приложении магнитного поля до 600 мТл. Методом ТГА показано, что термоокислительная стабильность карбонильного железа в силиконовых матрицах выше, чем чистого железа.
Разработано два теоретических подхода для изучения поведения структуры магнитного наполнителя в тонком слое магнито-полимерного покрытия при наличии внешнего магнитного поля. В первом подходе используется мезоскопическая модель: полимерная сетка представляется в виде сплошной упругой среды, в которой движется дискретный наполнитель. Были получены картины смещений частиц наполнителя и деформации поверхности выбранного элемента материала под действием заданных магнитных полей для различных ансамблей частиц. Показано, что случайно распределённые частицы под действием поля образуют структуры типа цепочек. У поверхности даже при относительно небольших полях (~ 0.4 Тл) величина смещений достигает 3 диаметров частиц и растёт с ростом глубины слоя. В рамках данного подхода также рассмотрена задача о вращении эллиптической магниточувствительной частицы вблизи поверхности эластомера под действием магнитного поля для моделирования покрытий с анизометричными частицами. Кроме того, проведено компьютерное моделирования слоя магнитных частиц методом молекулярной динамики, и получены зависимости шероховатости рельефа поверхности от модуля упругости матрицы, концентрации частиц и величины внешнего магнитного поля.
По результатам работы за отчетный период опубликованы две статьи в высокорейтинговых журналах, одна статья принята в печать и одна статья послана в печать.
О проделанной за период выполнения проекта работе
Управление смачиваемостью поверхности и, в частности, достижение эффекта супергидрофобности связано с формированием иерархического рельефа на поверхности. Проект направлен на создание восприимчивых высокогидрофобных и супергидрофобных покрытий на основе так называемых магнитоактивных эластомерных композиций, структурой и свойствами которых можно управлять с помощью внешних магнитных полей.
Синтезированы магнито-полимерные покрытия разного состава. В качестве полимерного связующего получены силиконовые полимерные матрицы разной структуры и упругости, в качестве магнитного наполнителя использован широкий круг магнитных материалов разной формы и размера (сферическое карбонильное железо, гамма-оксид железа, пластинчатое железо, сплав FeNdB, а также их смеси с железом и графитом). Разработаны оригинальные методики модификации поверхности магнитных частиц, получения низкомодульных матриц без использования низкомолекулярного пластификатора, а также методы нанесения и отверждения покрытий. Получены как изотропные покрытия, так и структурированные при поэтапном синтезе в магнитном поле 80 мТл, направленном перпендикулярно поверхности покрытия. Содержание магнитного наполнителя в полимерной матрице варьировалось в интервале 10-83 масс %.
Исследованы реологические и магнитоэлектрические свойства полученных магнито-полимерных композитов. Впервые обнаружен значительный (на 1000%) рост диэлектрической проницаемости материала во внешнем магнитном поле до 600 мТл, разработана теоретическая модель, описывающая этот эффект. Измерения зависимостей модуля накопления и модуля потерь материала разного состава от величины магнитного поля позволили выявить взаимосвязь степени чувствительности к магнитному полю структуры поверхности и краевого угла смачивания с вязкоупругими свойствами матрицы. Наиболее значимый результат – возрастание краевого угла смачивания каплей воды от 120 до 163 град при приложении магнитного поля 500 мТл. Методом ТГА показана высокая термостабильность материалов. Изучение радиопоглощающих свойств полученных материалов показало, что они могут быть использованы в качестве контролируемых внешними магнитными полями радиозащитных или поляризационных покрытий.
Разработано два теоретических подхода для изучения поведения структуры магнитного наполнителя в тонком слое магнито-полимерного покрытия при наличии внешнего магнитного поля. В рамках первого подхода разработана крупнозернистая модель для моделирования системы методом молекулярной динамики: магнитные частицы представлены в виде мягких сфер, несущих точечные диполи, они соединены упругими пружинами, представляющими полимерную матрицу. Проведен анализ распределения магнитных частиц, упругих напряжений, а также шероховатости поверхности для разных концентраций магнитных частиц, упругости полимерной матрицы и величины внешнего магнитного поля. По результатам сформулированы рекомендации по изготовлению покрытий с контролируемо перестраиваемой топологией поверхности. В рамках второго подхода разработана мезоскопическая модель для расчёта и численного анализа рельефа, возникающего на поверхности слоя эластомера с анизометричными частицами в присутствии магнитного поля в одночастичном приближении. Создан программный комплекс, реализующий предлагаемое решение. Получены картины рельефа для репрезентативных элементов слоя и зависимости характеристик рельефа от геометрических параметров частиц наполнителя, их распределения в образце и от величины внешнего магнитного поля. Показано, что наполнитель, обладающий геометрической и магнитной анизотропией, позволяет получить заметный отклик материала на магнитное поле при малых концентрациях наполнителя.
По результатам работы опубликованы две статьи в высокорейтинговых журналах, одна статья принята в печать и одна статья послана в печать.