Девушка упаковывает продукты
© Shutterstock/FOTODOM / Pixel-Shot
Исследователи предложили модель, способную предсказать, как характеристики наполнителя влияют на прохождение газов через полимерные материалы, что важно для продления срока хранения пищевых продуктов и защиты металла от коррозии.
Полимеры широко используются для упаковки продуктов и в защитных покрытиях для металла, однако многие из них пропускают газы и влагу, из‑за чего срок хранения продуктов сокращается, а металлические изделия окисляются. Чтобы снизить проницаемость, в полимеры вводят твердые частицы нанометрового размера — получают полимерные композиты. Частицы создают «извилистый путь» для газа: чем их больше, тем сложнее газу пройти через материал.
Ученые Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (КБГУ) совместно с коллегами из Дагестанского государственного педагогического университета им. Р. Гамзатова и Российского государственного университета туризма и сервиса показали, что на газоперенос существенно влияет еще один фактор — аффинность компонентов, то есть насколько прочно частицы наполнителя сцеплены с полимером. По словам авторов, эффект сильнее выражен при меньших размерах частиц и их более равномерном распределении в матрице.
«Для исследования мы использовали поликарбонат на основе бисфенола А в качестве матричного полимера, а в качестве наполнителя — графит и термически восстановленный графен. Образцы получили смешиванием компонентов в расплаве. Методом фрактального анализа мы описали зависимость фактора извилистости — параметра, показывающего, насколько сложен путь газа через материал, — от степени аффинности структуры», — прокомментировал кандидат химических наук, старший научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Игорь Долбин.
Долбин пояснил, что при полном структурном сродстве компонентов относительная газопроницаемость определяется только содержанием частиц. При снижении сродства газопроницаемость композита уменьшается по сравнению с чистым полимером: именно качество сцепления частиц с полимерной матрицей определяет, насколько сильно упадет газопроницаемость.
Авторы работы предложили эмпирические уравнения, описывающие эту зависимость; расхождение между экспериментальными и теоретическими данными составило около 6–7 процентов, что сопоставимо с погрешностью измерений. В статье результаты опубликованы в журнале «Известия Кабардино-Балкарского государственного университета».
«Полученные результаты позволяют теоретически предсказывать свойства полимерных материалов и планировать эксперименты по получению готового продукта, что снижает энерго- и трудозатраты на предварительных этапах. Модель можно применять и к другим классам полимеров и композитов, внося необходимые поправки», — пояснил кандидат химических наук.
В дальнейшем учёные планируют продолжить исследования по снижению газопроницаемости полимерных материалов для последующего внедрения в производство.