научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

Фронтальная полимеризация: история и перспективы

ФРОНТАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

Хочу рассказать историю создания теории  новой технологии – фронтальной полимеризации, разработанной  профессором  Севаном Паруйровичем ДАВТЯНОМ. Сегодня эта технология и возможности ее практического применения  вызывают большой интерес в  международных научных кругах.

 

В 70-е годы  мы работали   в Черноголовке, в  филиале Института химической физики АН СССР, который в основном занимался оборонными проблемами. Перед нами стояла задача – наладить метод получения толстостенных, крупногабаритных оболочек для корпусов ракет и подводных лодок. Подобные материалы получали на разных заводах СССР, но проблема состояла в том, что затраты были слишком высокими. Требовалось получить крупногабаритные полимерные монолиты. Но в процессе эксплуатации полученные образцы трескались и их использование  не представлялось возможным. Из 10 образцов только два-три  оказывались пригодными для поставленных целей.

 

В реактор предварительно загружались исходные реагенты. Полимеризация и усадка реагентов начиналась с краев и распространялась к центру  по радиусу. Таким образом, в центре образца образовывались пустоты, которые  вызывали напряжение и, соответственно, трещины в направлении радиуса образца. В силу огромного количества брака этот метод был достаточно дорогостоящим. Именно поэтому Министерство промышленности СССР  поставило перед оборонными институтами задачу – наладить синтез бездефектных крупногабаритных полимерных композитов.  По-видимому, выбор исполнителей был обусловлен  образовательным цензом руководителя лаборатории –  Севана Паруйровича Давтяна.

Было решено идти от простого к сложному - изучить реальный фон процесса  в условиях, близких к синтезу крупногабаритных изделий. Брали стеклянные ампулы диаметром около 10 см, засыпали исходными веществами, но разогревали не всю ампулу, а кратковременно подавали тепло только к одному из концов. Как только разогревался небольшой слой исходной смеси, тепло отводили. Образовавшиеся в разогретой части  активные радикалы вызывали процесс полимеризации,  выделявший тепло. Оно передавалось в соседний слой исходной реагирующей массы, где, как и в предыдущем слое, снова образовывались активные радикалы, вызывающие  полимеризацию с выделением тепла. Так процесс протекал по всей длине ампулы.

Мы обнаружили, что можно проводить полимеризацию в режиме фронтального распространения волны, и назвали этот процесс фронтальной полимеризацией. Тогда мы и  наши коллеги восприняли это только как возможность разработки технологии по синтезу полимеров.

Для  наглядности приведем небольшое сравнение традиционной технологии  синтеза полимеров и технологии  фронтальной полимеризации. Как уже говорилось, реактор по синтезу полимера сначала разогревался до нужной температуры, далее начинался процесс полимеризации и реактор разогревался из-за выделяющегося в процессе полимеризации экзотермического тепла. Чтобы не произошло  взрыва,  стенки реактора охлаждали,  но  если скорость реакции была высокой, приходилось  разбавлять реагирующую смесь растворителями.  Предварительный разогрев и последующее охлаждение  требовали значительных затрат энергии. Возникала и серьезная экологическая проблема – выброс растворителей в окружающую среду. Тот же процесс во фронтальном режиме позволял  сберечь  тепло - оно без потерь передавалось в соседние слои,   не надо было ни подавать тепло, ни отводить его  из разогретой смеси. Растворители тоже  уже не нужны, наоборот, надо сделать так, чтобы процесс протекал быстро, без теплопотерь от стенок реактора. Не вдаваясь в детали технологических расчетов, направленных на  оптимизацию процесса, скажем, что фронтальная полимеризация под руководством Севана Давтяна была реализована в условиях технологического процесса на разных заводах СССР.

Поставленная задача вроде бы  была решена, можно было оставить проблему технологам, тем более что сама теория фронтальной полимеризации в то время  особого интереса ученых  не вызывала.  Но мы уже тогда знали, какие перспективы откроют наши исследования  и как много серьезных  вопросов можно решить, изучив автоволновой процесс, аналогичный протекающим в природе. С 1970 до 1991 г. во всем мире только мы занимались фронтальной полимеризацией и стремились понять,   как теряется скорость распространения тепловой волны полимеризации. В каких случаях амплитуда волны увеличится и образуются спиновые режимы, а при каких произойдет затухание волны с прекращением процесса, каковы граничные, оптимизационные условия стационарного протекания фронтальной полимеризации?  Практически не имея  поддержки научного сообщества, мы целенаправленно шли к цели.

После  возвращения Севана Паруйровича в 1991 году в Ереван несколько его сотрудников и учеников  переехали в США к тогда еще молодому ученому Джону Пойману. Будучи физиком, Пойман  понял всю привлекательность нового метода. Пойман стал активным популяризатором фронтальной полимеризации на Западе, и после 1995 года этот метод  получил известность во всем мире.

 Сегодня многие научные центры Европы и США занимаются исследованием синтеза  полимеров и композитов в условиях автоволновых процессов в режиме фронтальной полимеризации. Без ложной скромности отметим, что, несмотря на серьезную финансовую поддержку правительств  в Европе и США,  наши разработки и исследования в данной области остаются авангардными, а технологические процессы в реакторах фронтального действия в непрерывных условиях осуществлены только нашей научной школой. Это справедливо отмечается зарубежными  исследователями.

Сегодня фронтальная полимеризация представляет серьезный интерес и для синтеза полимерных нанокомпозитов. Дело в том, что одной из главнейших проблем синтеза полимерных нанокомпозитов является  сохранение наноразмерности нанодобавок. Для получения полимерных композитов разного назначения в исходную смесь добавляются наночастицы с требуемыми свойствами. Как известно, одно и то же вещество в наноразмерном состоянии имеет совершенно разные свойства. В наноразмерном состоянии за счет соотношения размеров поверхности частицы к ее весу поверхностная энергия частицы  необычно активна и притягивает к себе подобные наночастицы из реагирующей смеси с образованием крупных и неактивных агломератов того же вещества.

 Эти агломераты полностью теряют индивидуальные свойства, присущие наночастицам. Следовательно, если в исходную реагирующую массу добавляются наноразмерные частицы, то в процессе полимеризации исходной смеси они могут самоукрупняться за счет притяжения  подобных частиц и в полученном полимерном композите невозможно  сохранить свойства добавленных наночастиц. Наноразмерных частиц там уже нет, имеются только их агломераты. Поэтому при синтезе полимерных нанокомпозитов в традиционных условиях приходится стабилизировать наночастицы разными методами – акустическими волнами, подаваемыми в процессе реакции, обволакиванием наночастиц разными пленками и т.д. Хотя и здесь возникают трудности –  пленки должны снижать активность наночастиц настолько, чтобы они не укрупнялись, но  настолько, чтобы не терять свою привлекательную активность.  Сегодня этим исследованиям посвящены десятки тысяч работ.

В режиме фронтальной полимеризации процесс стабилизирует не только наноразмерность, но и деагломерацию уже имеющихся наночастиц, а очень быстрый процесс распространения автоволны полимеризации не оставляет времени и возможности для самоагрегирования наночастиц. Мы показали это при синтезе различных нанокомпозитов в условиях фронтального распространения волны, таких, как высокотемпературные сверхпроводящие композиты или гидрогели с нанодобавками, полученные в режиме фронтальной полимеризации и имеющие заранее заданные требуемые свойства. При этом нами получен привлекательный результат при синтезе полиакриламидных гидрогелей и нанокомпозитов на основе этих гидрогелей.

 При традиционных методах синтеза исходный токсичный мономер (акриламид) в небольших количествах захватывается полученной трехмерной сеткой гидрогеля и для его вывода из сетки приходится проводить достаточно трудоемкий процесс очищения геля от этих остатков. Цена гидрогеля на международном рынке диктуется  количеством остаточного акриламида. При синтезе гидрогелей во фронтальном режиме за счет быстроты и полноты процесса в каждом конкретном слое обеспечивается возможность синтеза чистого, полностью лишенного даже следов акриламида продукта. При этом возможность регулирования макрокинетических параметров позволяет регулировать размеры и плотности микропор, ответственных за набухаемость  гидрогеля в зависимости от целей  использования.

 Для пролонгированной отдачи впитанных в наногель медицинских препаратов необходима низкая набухаемость и заранее заданная выдача впитавшегося лекарственного препарата в организме человека. А для использования гидрогелей в сельском хозяйстве необходима высокая набухаемость гидрогелей водой и соответствующая  отдача влаги в почву. Важно и получение продуктов с необходимыми параметрами для очистки нефти или воды. Глубокое исследование теории и практики фронтальной полимеризации позволяет регулировать макрокинетические параметры в необходимом диапазоне и получить продукт с требуемыми свойствами.

 Мы воодушевлены возможностью использования полученных для фронтальной полимеризации моделей потери устойчивости волны полимеризации для описания нелинейных явлений в биологии. Известно, что многие процессы в человеческом организме протекают по модели Белоусова-Жаботинского. Это  распространение нервного импульса по нервным волокнам, электрического импульса или расщепления и восстановления АТФ (адиназинтрифосфорной кислоты), акустических и оптических волн и др. Модели фронтальной полимеризации практически описывают те же закономерности потери устойчивости, что и в биологических процессах, протекающих по нелинейной динамике. При умелом использовании этих моделей можно определить пределы выхода разных биологических процессов из стационарного режима в нестационарный. Вплоть до полного коллапса.

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 1902 раз
Оцените материал
(14 голосов)

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх