Анализ взаимодействия параметров «структура-свойства» полимерных материалов

В. В. Тихонина, Л. Н. Бутенко.
Волгоградский государственный технический университет.

В работе рассматривается проведение конструктивного анализа сложных полимерных композиций. Данный анализ включает в себя проведение декомпозиции полимерного материала на составные элементы, определение функций этих элементов, экспертную оценку качества выполнения этих функций, формирование массива недостатков элементов.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, система, концептуальный анализ, зависимость «структура-свойство».

V. V. Tikhonina, L. N. Butenko
Analysis of the interaction parameters «structure-property» of polymer materials
Volgogorad State Technical University

In this article considered a meaningful analysis of a complex polymer compositions. This analysis includes a decomposition of the polymer material, Definition of functions of these elements, expert assessment of the quality of these functions, and the formation of array shortcomings elements.

Key words: polymer composite material, system, conceptual analysis, dependency structure-property.

С каждым годом количество полимерных материалов и композитов на их основе растет; данная тенденция будет наблюдаться и в дальнейшем. В то же время происходит переизбыток информации, вследствие которого процесс выбора требуемого полимерного материала с заданными свойствами может занять длительное время; также не исключено, что может потребоваться создание композиции, удовлетворяющей заданным свойствам. Специфические свойства полимеров обусловлены особенностями их структуры, знание основных параметров которой необходимо для создания научно обоснованных методов их регулирования.

В качестве примера можно привести такое явление, как самоорганизация молекул. Варьируя химическое строение синтезируемых макромолекул, природу и распределение функциональных групп, удается гибко управлять процессом молекулярной сборки, добиваясь получения сложных регулярных наноструктур с уникальными свойствами. Сейчас уже известно достаточно много полимерных систем с перестраивающейся микроархитектурой, способных функционировать как молекулярные электронные устройства. Один из примеров показан на рисунке.

Эта система состоит из двухблочного сополимера поли-4-винилпиридин (ПВП)/полистирол (ПС), протонированного по атомам азота пиридиновых групп метилсульфоновой кислотой (МСК), к которой, в свою очередь, могут присоединяться амфифильные молекулы пентадецилфенола (ПДФ) за счет водородных связей.

При температуре ниже 100 °С молекулярная самосборка приводит к формированию иерархической ламеллярной морфологии с чередованием двух типов слоев, построенных из блоков ПВП-ПДФ и ПС (а). Небольшое повышение температуры разрушает слоевую микроструктуру первого типа (б). При этом электропроводность системы резко возрастает. Выше 150 °С блоки ПВП-ПДФ организуются в цилиндры (в), а электропроводность скачкообразно падает. Таким образом, в узком температурном интервале данная система может работать как молекулярное электронное устройство [3].

Собрано множество общих сведений о структуре полимеров; выделяют некоторые предположительные зависимости свойств от структуры, но нельзя выявить определенные зависимости, касающиеся отдельных полимеров или их композиций. То есть из-за того, что не известно взаимодействие между различными уровнями структуры нельзя точно прогнозировать свойства полимеров (можно только предполагать).

Так как модели взаимодействия различных уровней в структуре полимера сложны и на сегодняшний день не установлены, задачу выбора полимерной композиции, обладающей определенными свойствами, можно решить только в обход этой зависимости путем систематизации известных эмпирических данных экспертов в области химии полимеров. Полимерные композиционные материалы (ПК) необходимо рассматривать в качестве системы. Система – это множество взаимосвязанных объектов и ресурсов, организованных процессом системогенеза в единое целое и противопоставляемое среде; система в системном анализе – совокупность сущностей (объектов) и связей между ними, выделенных из среды на определенное время и с определенной целью; система – это множество объектов, на котором реализуется отношение с заранее заданным свойством.

Для систем выделены следующие группы инвариантных свойств:

• связанные с целью:
  1. синергичность – однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы;
     
  2. приоритет интересов системы более широкого  (глобального) уровня перед интересами ее компонентов;
     
  3. эмерджентность – цели (функции) омпонентов системы не совпадают с целями (функциями) системы;
  4. мультипликативность – и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения;
     

• связанные со структурой:

  1. целостность – первичность целого по отношению к частям;
  2. неаддитивность – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее компонентов;
  3. структурность – возможна декомпозиция системы на компоненты, установление связей между ними;
  4. иерархичность – каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы;
• Связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой:
  
  1. коммуникативность – существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии;
  2. взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды;
  3. адаптивность – стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития);
  4. надежность – функционирование системы при выходе из строя одной из ее компонент, сохраняемость проектных значений параметров системы в течение запланированного периода;

• а также:

  1. интегративность – наличие системообразующих,  истемосохраняющих факторов;
  2. эквифинальность – способность системы достигать состояний, независящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы;
  3. наследственность;
  4. развитие;
  5. порядок;
  6. самоорганизация.

Зависимость «структура-свойство» характеризуется тремя понятиями: зависимость; структура; свойство:

• Зависимость – связанность явлений, предопределяющая их существование или сосуществование – это обусловленность чего-либо какими-либо обстоятельствами, причинами и т. п. [1].
• Структура – совокупность устойчивых связей предмета, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т. е. сохранение основных свойств при различных изменениях – это устойчивое взаимное расположение в пространстве всех образующих его элементов, их внутреннее строение и характер взаимодействия между ними.
• Свойство – это философская категория, выражающая такую сторону предмета, которая обусловливает его различие или общность с другими предметами и обнаруживается в его отношении к ним.

Свойства делятся на существенные и несущественные, обобщенные и специфические, необходимые и случайные (и т. д.), в зависимости от вида взаимодействия объектов и характера образующейся между ними связи, вида связи. Всякое свойство относительно: свойство не существует вне отношений к другим свойствам и вещам. Свойства вещей внутренне присущи им, существуют объективно, независимо от человеческого сознания. В зависимости от того, каким образом изменяются свойства, их можно разделить на два вида: свойства, не обладающие интенсивностью и потому не могущие её менять (например, экономический, исторический и т. д.); свойства, обладающие в предмете определенной интенсивностью, которая может быть большей или меньшей. Отметим также определяющее для полимерных композиций соотношение таких категорий, как свойство и качество. Качество – признак, способность, характеризующие кого-, что-нибудь, и составляющие отличительную особенность кого-, чего-нибудь. Сторона проявления качества: качество существует у предмета всегда, а свойства могут проявляться, а могут и не проявляться. Нами был проведен конструктивно-функциональный анализ композиционного материала на примере поливинилхлоридного пластиката.

Этот анализ включает в себя проведение декомпозиции полимерного материала на составные элементы, определение функций этих элементов, экспертную оценку качества выполнения этих функций, формирование массива недостатков элементов. Анализ данных [2] выявил, что композиция имеет 23 недостатка. Инверсия этих недостатков позволяет сформулировать цели совершенствования этих композиций. Следует отметить, что возникают не только тривиальные задачи, но и задачи создания условий для управления свойствами полимерной матрицы. Таким образом, применение морфофункционального системного подхода к анализу полимерных композиций позволяет упорядоченно решать задачу целеполагания и делает процесс совершенствования полимерных композиций направленным.

Библиографический список

1. Волкова, В. Н. Теория систем / В. Н. Волкова, А. А. Денисов. – М., Высшая школа, 2006. – 511 с.
2. Руководство по разработке композиции на основе ПВХ / под ред. Р. Ф. Гроссмана. – СПб.: Научные основы и технологии, 2009. – 608 с.
3. Халатур, Г. Самоорганизация полимеров / Г. Халатур // Соросовский образовательный журнал. – 2001. – № 4. –Т. 7. – С. 36–43.