Самовосстанавливающиеся полиуретаны для гибких сенсоров

Актуальность
Считается, что мы стоим на пороге новой промышленной революции, так называемой Индустрии 4.0, которая отличается от предыдущих технологических укладов высоким уровнем персонализации и автоматизации. Считается, что ключевыми технологиями Индустрии 4.0 будет внедрение различных киберфизических систем, основанных на цифровых технологиях, таких как интернет вещей и искусственный интеллект, а также технологии передачи цифровых данных в физический мир, включая робототехнику и 3D-печать. Для эффективного обеспечения автоматизации производства и эффективной работы в рамках Индустрии 4.0 необходима разработка гибких сенсоров различного типа: 1) Носимые устройства: гибкие сенсоры могут применяться в носимых устройствах для мониторинга здоровья, фитнеса, управления устройствами и других задач. 2) Робототехника: cенсоры могут использоваться в роботах для обеспечения их надежности и гибкости в сложных условиях. 3) Биомедицинские приложения: гибкие сенсоры могут использоваться в биомедицинских приложениях, таких как имплантаты и протезы, для повышения их долговечности и безопасности. При этом наиболее эффективными представляются сенсоры, состоящие из самовосстанавливающихся компонентов, которые проявляют эффект самовосстановления микротрещин без или при минимальном участии человека.
Проблема
Полиуретаны – это один из наиболее распространенных типов полимеров. Они обладают рядом практически полезных свойств, таких как широкий диапазон химической и термической устойчивости, сильные связующие свойства. Сшитые термореактивные полиуретаны также обладают высокой прочностью и эластичностью. Благодаря этому они нашли применение в том числе при производстве сенсоров, например, в качестве гибких изолирующих материалов. Однако сшитые полиуретаны также имеют существенные ограничения, связанные со сложностями во вторичной переработке и часто плохой адгезией. Данный проект направлен на решение указанных проблем, а именно, сложности вторичной переработки сшитых полиуретанов и их плохой адгезии. Данные проблемы планируется решить посредством введения в структуру сшитого полиуретана мономеров, способных к динамическим ковалентным взаимодействиям. Динамические свойства этого аддукта основаны на обратимости так называемой реакции Дильса-Альдера фуранов с малеимидами. Благодаря наличию динамических свойств данного мономера, его использование для получения сшитых полиуретанов позволит придать данным полиуретанам эффект самовосстановления. Данный эффект будет достигаться при нагревании сшитого полиуретана благодаря протеканию внутри полимера химических процессов – прямой и обратной реакции Дильса-Альдера.
Цель
Целью данного проекта является получение образцов сшитых динамических полиуретанов из коммерчески доступного (в том числе возобновляемого) сырья. Эффект самовосстановления будет достигаться за счет нагревания сшитого полиуретана, содержащего динамический сшиватель. При этом за счет реакции ретро-Дильса-Альдера произойдет переход от жесткой сшитой структуры, не способной к переработке, к линейным термопластичным полиуретанам, которые обладают хорошей адгезией и могут быть переработаны благодаря хорошей текучести. Использование данного подхода позволит осуществлять ремонт полиуретановых гибких сенсоров, имеющих, например, микротрещины, путем простого нагревания полиуретановых компонентов. По итогам проекта будут получены и охарактеризованы образцы термочувствительных самовосстанавливающичся полиуретанов, который будут пригодны для использования в качестве самовосстанавлиявающегося компонента гибких сенсоров.
Задачи
Основная задача проекта может быть сформулирована как получение образцов новых динамических полиуретановых реактопластов с использованием возобновляемого сырья. Для достижения поставленных в проекте целей необходимо решить следующие задачи: 1) Формулирование структуры, целей и задач проекта. 2) Анализ научной литературы: Провести литературный анализ существующих материалов и технологий для создания гибких сенсоров, а также сравнить различные подходы к самовосстановлению в полимерах. На основании проведенного обзора научной литературы выбрать оптимальную стратегию синтеза целевых самовосстанавливающихся полиуретанов. 3) Разработка экспериментальной методики: разработать методику синтеза мономеров и динамических полиуретанов на их основе. 4) Проведение экспериментов: Провести все необходимые эксперименты по синтезу динамических полиуретанов. Охарактеризовать полученные продукты комплексом физико-химических и механических методов анализа. 5) Обработка и анализ данных: Обработать полученные данные, провести статистический анализ и оценить результаты экспериментов. 6) Оценка возможности использования полученных динамических полиуретанов в качестве компонента гибких сенсоров. 7) Анализ рыночных перспектив проекта. 8) Подготовка отчета и презентации: Подготовить отчет по результатам проекта, включая подробное описание методики, полученных данных и выводов. Презентовать результаты проекта.
Результат
Планируемый продуктовый результат заключается в получении образцов новых динамических полиуретанов, обладающих следующим набором свойств: 1) Сшитая молекулярная структура. Обеспечивает высокую прочность. 2) Гибкость. Обеспечивается путем использования мономеров или пре-полимеров определенного типа. 3) Динамические свойства - способность изменять трехмерную структуру при воздействии внешних стимулов (прежде всего, температуры). 4) Хорошие адгезионные свойства. Характерны для полиуретанов. 5) Экологичность. Будет обеспечена путем использования возобновляемого сырья в качестве исходных компонентов.
Партнёры проекта
ИОХ Н.Д.Зелинского РАН
***