Мультифункциональные материалы для целевой модификации промышленно выпускаемых термопластов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-73-10036

НазваниеМультифункциональные материалы для целевой модификации промышленно выпускаемых термопластов.

Руководитель Ханнанов Артур Айдарович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова Аддитивные технологии, термопласты, наполнители, добавки, смарт материалы

Код ГРНТИ31.25.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время аддитивные технологии (АТ) масштабно внедряются в промышленное и полупромышленное производство. В основном это связано с техническими преимуществами, позволяющими создавать изделия сложной геометрии и специализированные продукты, что ранее было невозможно или нерационально с использованием традиционных методов. Помимо этого, АТ обладают большим потенциалом в повышении эффективности производства и обеспечении большей функциональности материалов по сравнению с традиционными методами. Применение АТ сокращает потребность в специальной оснастке при изготовлении деталей, повышает эффективность производства инструментов и сокращение отходов материала. Высокие темпы развития аппаратной базы аддитивных технологий значительно опережают развитие сырьевой базы, это накладывает ограничения применения 3D печати для изготовления компонентов и/или изделий с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными специальными свойствами. По этой причине к ограничениям АТ можно отнести недостаточное развитие используемых полимерных материалов, которые на данный момент ограничены применением ряда полимеров (полиэтилентерефталат-гликоль, полилактид, акрилонитрил бутадиен стирол (АБС), стирол бутадиен сополимер (СБС), и др.), или различные компаунды. Для будущего аддитивных технологий, требуются новые композиционные материалы, с сохранением свойств после многократной переработки. Следовательно, материалы для АТ должны обладать высочайшей устойчивостью к термоокислительной деструкции. В свою очередь материал без специализированных (подходящий под конкретную задачу) свойств не перспективен в Индустрии 4.0 к которой, несомненно, относятся аддитивные технологии. Одним из привлекательных и универсальных по применяемости свойств материала, является магнитная восприимчивость. В АТ важно не только создание сложного геометрического объекта, но и управление внутренней структурой материала и как следствие свойствами конечного изделия. При этом внедрение добавок должно минимально влиять на технологические и эксплуатационные характеристики полимера такие как реологические свойства, термическая стабильность, предотвращения коробления, и усадки. Подводя итог, для промышленного и масштабного применения аддитивных технологий необходим коммерчески доступный филамент, обладающий практически полезным свойством, например магнитной восприимчивостью, при этом данный материал должен быть устойчивым к термоокислительной деструкции. Именно на это направлен данный проект, на придание выпускаемым крупной промышленностью полимерам (АБС, полипропилен, полиэтилен) устойчивости к термоокислительной деструкции, а также магнитных свойств, за счет использования новых добавок обладающими данными свойствами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработан эффективный метод синтеза биметаллических наночастиц Fe₃O₄/Co с ядром-оболочкой на основе модификации поверхности магнетита (Fe₃O₄) сверхразветвлёнными полиэфирполиолами (G4-OH). Установлено, что использование гиперразветвлённого полиэфирполиола 4-й генерации (SE8) обеспечивает иммобилизацию ионов Co²⁺ с последующим их восстановлением до металлического кобальта, формирующего наноструктуры с ядром из Fe₃O₄ и оболочкой, содержащей наночастицы Co⁰ и оксиды кобальта. Разработан магнитно-активный композит на основе полипропилена, наполненного 60 мас.% железа (PP-Fe), полученный методом экструзии. Композит характеризуется равномерным распределением частиц железа и сохраняет насыщенную намагниченность исходного порошка без признаков деградации. Исследованы теплофизические, магнитные, реологические и механические свойства материала, а также его пригодность для 3D-печати методом FDM. Установлено, что PP-Fe обладает низкой теплоёмкостью (~0,7 Дж/г·К), сниженной вязкостью расплава и высокой технологичностью. Показана возможность целенаправленного индукционного нагрева композита при частоте 180 кГц до температур плавления с реализацией процессов сварки и постобработки 3D-изделий. Полученные тороидальные сердечники на основе PP-Fe продемонстрировали эффективную магнитную проницаемость (2–4). Полученные сердечники продемонстрировали стабильную работу и обладают потенциалом для применения в трансформаторах, дросселях и датчиках, особенно в случаях, где важны формуемость, пониженные вихревые потери. Разработаны магнитоактивные композиты на основе полипропилена (PP) с наполнителями SmCo₅ и Nd₂Fe₁₄B, пригодные для 3D-печати методом FDM и управляемого намагничивания. После термомагнитной обработки композит PP–SmCo демонстрирует шестикратное увеличение остаточной индукции (до ~24 мТ) и ориентацию частиц в магнитном поле, что делает его перспективным для создания магнитно-управляемых мягких роботов.

Публикации

1. Контроль диэлектрических, механических и тепловых свойств полимерного композита на основе ABS с использованием наночастиц CoB Control of Dielectric, Mechanical, and Thermal Properties of a Polymer Composite Based on ABS Using CoB Nanoparticles Polymers, Khannanov, A. Control of Dielectric, Mechanical, and Thermal Properties of a Polymer Composite Based on ABS Using CoB Nanoparticles / A. Khannanov, A. Burmatova, D. Balkaev, A. Rossova, K. Zimin, A. Kiiamov, M. Cherosov, I. Lounev, M. Kutyreva // Polymers – 2024. – V. 17. – № 1. – Reg. 38. (год публикации - 2024)
10.3390/polym17010038

2. КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА И НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ДЛЯ СОЗДАНИЯ SERS АКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА И НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ДЛЯ СОЗДАНИЯ SERS АКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Тезисы докладов Всероссийской конференции "Полимеры и композиты на их основе: прикладные и экологические решения", Прытков В.А. КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ СВЕРХРАЗВЕТВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА И НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ДЛЯ СОЗДАНИЯ SERS АКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ [текст]/ В.А. Прытков, М.П. Кутырева, И.В. Кузнецов. Т.Л. Хамидуллин, А.М. Димиев, Н.А. Улахович // Всероссийская конференция «Полимеры и композиты на их основе: прикладные и экологические решения» (Казань, 2025): тезисы докладов. – Казань: ИОФХ им. А.Е. Арбузова – обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, 2025. - с. 271 (год публикации - 2025)
-

3. Упрвление Диэлектрическими, механическими и термическими свойствами полимерного композита на основе АБС с использованием наночастиц CoB Упрвление Диэлектрическими, механическими и термическими свойствами полимерного композита на основе АБС с использованием наночастиц CoB Тезисы докладов Всероссийской конференции "Полимеры и композиты на их основе: прикладные и экологические решения", Ханнанов А.А. Контроль диэлектрических, механических и термических свойств полимерного композита на основе ABS с использованием наночастиц CoB [текст]/ А.А. Ханнанов, А. Бурматова, Д. Балькаев, А. Россова, К. Зимин, А. Кямов, М. Черосов, И. Лунев, М. Кутырева // Всероссийская конференция «Полимеры и композиты на их основе: приклад- ные и экологические решения» (Казань, 2025): тезисы докладов. – Казань: ИОФХ им. А.Е. Арбузова – обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН, 2025. - с. 66 (год публикации - 2025)

4. FDM-печать элементов беспилотных летательных аппаратов на неразборной подложке FDM Printing of Unmanned Aerial Vehicles Elements on a Non-Separable Substrate Russian Aeronautics (год публикации - 2024)
10.3103/S1068799824040172

Возможность практического использования результатов
Создание новой и усовершенствование существующей продукции: Магнитоактивные композиты (PP-Fe, ABS-Co) могут быть использованы в производстве: Электротехнических компонентов: трансформаторы, индукторы, датчики с улучшенными магнитными свойствами и сниженными потерями. Это повысит энергоэффективность устройств и сократит затраты на эксплуатацию. 3D-печатных изделий: филаменты с магнитными свойствами для аддитивного производства деталей робототехники, медицинских имплантов и функциональных прототипов. Это ускорит разработку инновационных продуктов. Огнестойкие полимеры (ABS с фосфорорганическими добавками) найдут применение: В строительстве: огнеупорные панели, кабельные изоляторы, что повысит безопасность зданий и инфраструктуры. В транспорте: материалы для авиации и автомобилей, снижающие риски возгорания. Инновационные технологии: Разработанные методы синтеза наночастиц (полиольный процесс, сонохимия) и композитов станут основой для создания новых материалов с уникальными свойствами (например, саморегулирующиеся магнитотепловые системы). Технология индукционного нагрева для постобработки 3D-изделий может быть адаптирована для других термопластов, расширив область применения Вклад в стратегические цели РФ Цифровизация и инновации: Развитие аддитивных технологий и умных материалов для Industry 4.0. Экология: Использование долговечных и энергоэффективных материалов сократит ресурсопотребление и выбросы CO₂.