Устойчивость струй растворов полимеров при формировании волокон

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 20-19-00194

НазваниеУстойчивость струй растворов полимеров при формировании волокон

Руководитель Субботин Андрей Валентинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова полимерные растворы, устойчивость, струя, волокно, фазовый переход, одноосное растяжение, течение, капиллярный распад, капля

Код ГРНТИ61.13.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из основных областей применения полимерных материалов является получение волокон. Технология получения волокон связана с формированием устойчивых струй. Настоящий проект посвящен установлению фундаментальных закономерностей и критериев, определяющих условия распада и время жизни струй, образованных полимерными растворами, включая многокомпонентные системы содержащие наночастицы. Исследование устойчивости струй жидкостей относится к числу фундаментальных проблем науки. Она связана с общими задачами физико-химической гидродинамики, а в прикладном аспекте является основой теории и практики формования волокон и распыления жидкостей для самых разных целей (в текстильной и медицинской промышленности, при двух- и трех-мерной струйной печати и т.д.). Настоящий проект относится к изучению устойчивости струй, образованных растворами полимеров. Растворы полимеров обладают вязкоупругими свойствам. При высоких скоростях деформирования, которые представляют основной научеый и технологический интерес, в растворе происходит комплекс неожиданных явлений, таких как переход в высокоэластическое состояние и фазовый распад. Всё это предопределяет поведение полимерной струи, которое радикально отличается от классического случая релеевского распада. Принципиальная новизна настоящего проекта состоит в том, что на основании исследования влияния деформирования на структуру полимерных растворов в широком диапазоне концентраций и их фазовое состояние, будут установлены критерии возникновения неустойчивости при высокоскоростном растяжении полимерных систем и впервые разработана физическая модель, количественно объясняющая механизмы образования устойчивых струй в различных концентрационных диапазонах и предсказывающая свойства этих струй, выделяя практически важные режимы их оптимального формирования. Основной метод исследования состоит в сочетании экспериментальных наблюдений (высокоскоростной киносъемки) для получения количественных оценок поведения полимерных струй при растяжении с теоретическим исследованием этих явлений на основе фундаментальных физических принципов. Эксперимент состоит в реализации регулируемого деформационного режима растяжения растворов в области от полуразбавленных растворов, в которых отсутствует сетка зацеплений до концентрированных, в которых есть зацепления, вовлечение в эксперимент различных полимеров, включая полимеры с полужесткой цепью и наночастицы. Предполагается исследовать струи, получающиеся в результате непрерывной вытяжки под действием приложенной к концу струи силы, свободно падающие в поле тяжести струи и струи, формирующиеся под действием электрического поля при электроформовании. В теоретическом плане, жидкое течение со свободной поверхностью – это сложнейшая проблема гидродинамики. Эффективные методы ее исследования, наработанные на протяжении более, чем 100 лет изучения простых жидкостей, будут развиты и адаптированы для предсказания струйной динамики сложных полимерных систем. Для теоретического обобщения и количественного объяснения наблюдаемых явлений будут использованы методы неравновесной термодинамики и механики сплошных сред, а также аналитические и численные методы анализа уравнений динамики струи с учетом взаимодействий макромолекул в растворе, их ориентации и неоднородности их распределения. Проект носит как фундаментальный характер, так и дает основания для оптимизации технологии формования волокон.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Субботин А.В., Куличихин В.Г. Orientation and Aggregation of Polymer Chains in the Straight Electrospinning Jet Materials, V.13 (19). P.4295 (год публикации - 2020)
10.3390/ma13194295

2. Субботин А. В. Особенности поведения струи полимерного раствора при электроспиннинге Высокомолекулярные соединения А (год публикации - 2021)

3. Субботин А.В., Семенов А.Н. The Structure of Polyelectrolyte Complex Coacervates and Multilayers Macromolecules, vol. 54, no. 3, p.1314-1328 (год публикации - 2021)

4. Субботин А.В., Скворцов И.Ю., Кузин М.С., Герасименко П.С., Куличихин В.Г., Малкин А.Я. The shape of a falling jet formed by concentrated polymer solutions Physics of Fluids, vol. 33, iss. 8, p. 083108 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0060960

5. А.В. Субботин, А.Н. Семенов Dynamics of Dilute Polymer Solutions at the Final Stages of Capillary Thinning Macromolecules, V. 55, №6, P. 2096−2108 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.macromol.1c01980

6. А.В. Субботин, А.Н. Семенов Dynamics of annular solvent droplets under capillary thinning of non-entangled polymer solution Journal of Rheology, V.67, №1, P.53–65 (год публикации - 2023)
10.1122/8.0000518

Публикации