Аннотация проекта
Проект направлен на решение проблем создания методом 3Д-печати универсальных мягких роботов, управление движением которых осуществляется посредством различных внешних стимулов, таких как магнитные и электрические поля, УФ-излучение, давление и др. для широкого применения в медицине, различных областях науки и народного хозяйства. Основными задачами проекта являются создание (а) блок-сополимерной термопластичной полимерной матрицы, обеспечивающей нужную реологию расплава и физико-механические характеристики готовых изделий, и (б) набора наполнителей, несущих функции восприимчивости к тому или иному внешнему управляющему воздействию, а также (с) разработка теоретических моделей композитного материала для выявления фундаментальной связи между его составом и свойствами и оптимизации его параметров.
О проделанной за первый год работе
На первом этапе выполнения проекта основное внимание было уделено получению полисилоксан-уретановых матриц и магнитоактивных материалов на их основе. Был разработан новый синтетический подход для получения сополимеров линейного строения на основе полиорганосилоксанов и уретанов. В основе нового синтетического подхода лежит реакция азид-алкинового циклоприсоединения, позволяющая легко контролировать процесс синтеза в простых условиях. Синтезированы сополимеры с разной длиной силоксанового блока, которые были охарактеризованы с применением современных физических методов, изучены их реологические свойства. Полученные материалы были впервые использованы в процессе 3Д-печати термопластичными полимерами. Была продемонстрирована возможность качественной 3Д-печати разработанными материалами стандартных структур различной сложности. Разработана методика введения магнитных частиц карбонильного железа в синтезированные сополимерные матрицы, получены магнито-полимерные композиты, реологическими свойствами которых можно управлять с помощью магнитного поля.
Проведен синтез термопластичных матриц полимочевинсилоксана по методу поликонденсации с использованием различных коммерчески доступных продуктов. Проведено масштабирование синтеза и исследовано влияния на него различных факторов: интенсивности перемешивания, типа растворителя, соотношения исходных реагентов, участвующих в поликонденсации; определены оптимальные условия для проведения синтеза. Наработано 10 г полисилоксанмочевина для дальнейшего введения магнитного наполнителя. Разработаны методы модификации поверхности микрочастиц карбонильного железа для улучшения совместимости с полимерной матрицей. Получено 50 г карбонильного железа с оболочкой из аминопропилтриэтоксисилана и 50 г карбонильного железа с оболочкой из метилтриэтоксисилана. Наличие оболочки подтверждено сканирующей электронной микроскопией с энергодисперсионным микроанализом. На основе матриц полисилоксанмочевина и модифицированных частиц железа получены образцы магнито-полимерных композитов, изучены их магнитореологические свойства, показано, что они регулируются внешним магнитном полем.
Совместно с китайскими коллегами разработаны магнитоактивные материалы на основе коммерчески доступного термопластичного полиуретана, наполненного микрочастицами магнитожесткого сплава неодим-железо-бор. Проанализированы результаты 3Д-печати мягких роботов с использованием данного материала. Кроме того, были разработаны мягкие изгибные актуаторы, которые были изготовлены китайскими исполнителями проекта посредством технологии 3D-печати с использованием филаментов из простого и проводящего термопластичного полиуретана.
Теоретическое исследование свойств полимерных композитов проводилось на основе рассмотрения мезоскопических ячеек объёма материала, содержащих одну или несколько частиц наполнителя. При помощи моделирования методом конечных элементов рассматривалась трёхмерная кубическая ячейка материала, содержащая сферические, кубические, цилиндрические и эллипсоидальные включения. Для изучения влияния параметров наполнителя на механические характеристики полимерного композита были рассмотрены задачи об одноосном сжатии ячейки материала и вращении частиц наполнителя. Показано, что полноценное управление механическими свойствами композитов при помощи использования наполнителей с различными модулями Юнга возможно только для наполнителей, изготовленных из достаточно мягких материалов, модуль Юнга которых не более чем в 100 раз превышает модуль Юнга полимерной матрицы. С целью изучения влияния поверхностной обработки частиц наполнителя на свойства полимерного композита и улучшения сходимости численных решений задач мезоскопической механики сконструированы ячейки материала, содержащие окружённые оболочками включения. Продемонстрировано, что даже при низкой концентрации наполнителя для случая мягких полимерных матриц можно получить наиболее широкий интервал изменения модуля упругости ячейки материала (порядка 10%), используя сравнительно мягкие слои вокруг частиц наполнителя. Полученные в процессе моделирования результаты позволят описать новые способы тонкой настройки механических свойств полимерных композитов.
По результатам работы написаны три совместные статьи, одна из которых принята к печати в высокорейтинговый журнал первого квартиля Bio-Design and Manufacturing, две другие находятся на рецензировании.