ПРОЗРАЧНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

АННОТАЦИЯ

Прозрачные полимерные композиты представляют собой инновационный класс материалов, которые сочетают в себе преимущества полимерных матриц и армирующих материалов, сохраняя оптическую прозрачность. Эти материалы являются легкими, прочными и универсальными, благодаря чему идеально подходят для применения в таких отраслях промышленности, как авиационно-космическая, автомобильная, электронная и оптическая [1]. Новейшие достижения в области нанотехнологий позволили создать прозрачные композиты с улучшенными механическими, тепловыми и функциональными свойствами. Однако по-прежнему не решены такие проблемы, как несоответствие показателя преломления, сложность обработки и подверженность внешним воздействиям.

В настоящей статье представлен исчерпывающий обзор прозрачных полимерных композитов, включая их состав, области применения, новейшие технологические разработки и возникающие вызовы. Кроме того, рассмотрены дальнейшие направления изучения этой быстро развивающейся области, и особое внимание уделено универсальным композитам и экологической устойчивости.

Ключевые слова: прозрачные полимерные композиционные материалы, оптические полимеры, оптические композиционные материалы, оптические свойства.

Введение

Прозрачные полимерные композиты включают в себя два основных компонента: полимерную матрицу и армирующие материалы, обычно наполнители или волокна, которые улучшают механические и функциональные характеристики полимера. Для сохранения прозрачности в таких композитах необходимо тонкое равновесие, которое требует точного согласования показателя преломления обоих компонентов [1, c. 2359]. Несоответствие приводит к рассеянию света, вследствие чего нарушается оптическая прозрачность материала.

При определении механических, тепловых и оптических свойств композита важнейшую роль играет полимерная матрица. Прозрачные полимерные композиты можно классифицировать по полимерам, используемым в матрице (табл. 1).

Таблица 1.

Классификация по типу полимерной матрицы (Гох, 2011)

Для улучшения механических, тепловых или электрических свойств композита в полимерную матрицу добавляют армирующие материалы [1, c. 2363]. Их можно разделить на категории, представленные в таблице 2 [2, c. 158].

Таблица 2.

Классификация по типу армирующего материала

Прозрачные композиционные материалы также можно классифицировать по их функциональным свойствам. Наряду с оптическими свойствами различные функциональные свойства, например, проводимость, способность к самовосстановлению или стойкость к ультрафиолетовому излучению, позволяют использовать прозрачные композиты для производства узкоспециализированного остекления. Так, самовосстанавливающиеся композиты, которые самостоятельно устраняют повреждения (например, царапины), полезны в авиационно-космической отрасли, где крайне важно сохранение целостности [3, c. 145].Сочетание прозрачности и электропроводности идеально подходит для сенсорных экранов и солнечных элементов [4]. Композиты, способные противостоять деградации под воздействием УФ-излучения и армированные наночастицами, например, ZnO, используются при производстве наружных покрытий и остекления [5]

Антибактериальные наночастицы подходят для использования в медицинских изделиях и упаковке пищевых продуктов.

Наконец, существует целый ряд технологий производства перспективных композитов. Выбор технологии зависит, как правило, от таких факторов, как прогнозирование характеристик и механизмов разрушения композитов, стимулирование инноваций, управление затратами, прогнозирование свойств материалов и распространение принципов экологической устойчивости. Ниже приведены наиболее распространенные технологии производства прозрачных полимерных композитов [14, c. 539]:

• Литье под давлением. Этот способ предполагает впрыск расплавленных полимерных композиционных материалов в пресс-форму для создания сложных форм. Он широко применяется для производства высокоточных деталей, например, линз, автомобильных компонентов и других прозрачных изделий. В технологическом процессе часто используются такие материалы, как поликарбонат (ПК) и полиметилметакрилат (ПММА), благодаря их отличной текучести.
• Экструзия. При экструзии композиционные материалы нагреваются и продавливаются через головку экструдера, образуя непрерывные формы, например, листы, пленки или трубки. Этот способ обычно применяется при производстве прозрачных листов и защитных покрытий из таких материалов, как ПММА и поликарбонат. Полученные изделия можно подвергнуть дальнейшей обработке или разрезать по заданному размеру.
• Отливка из раствора. Этот способ предполагает растворение полимера в растворителе и его смешивание с армирующими материалами с дальнейшей заливкой полученной смеси в пресс-формы или на поверхность для получения пленок или листов. Отливка из раствора часто применяется при производстве прозрачных проводящих пленок, особенно для оптоэлектронных устройств и гибких дисплеев.
• Термоформование. При термоформовании лист прозрачного полимера нагревается, пока не станет пластичным, после чего с помощью пресс-формы создается нужная форма. Этот способ часто применяется при производстве упаковочных материалов, защитных покрытий и автозапчастей. Полученные изделия сохраняют прозрачность при создании различных форм.
• 3D-печать (аддитивное производство). Благодаря передовым технологиям 3D-печати прозрачные полимерные композиты можно производить с помощью послойного осаждения материалов. Этот способ обеспечивает гибкость проектирования и позволяет создавать сложные формы, которых трудно достичь с помощью традиционных технологий. При этом можно использовать различные полимеры, включая прозрачные.

Прозрачные полимерные композиты широко применяются в самых разных отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию прозрачности, легкости и улучшенных механических свойств.

В компонентах для автомобильной и авиационно-космической отраслей эти материалы используются вместо традиционного стекла, улучшая КПД топлива и повышая безопасность. В обеих отраслях для повышения КПД очень важно снижение массы, и прозрачные полимерные композиты являются эффективной заменой более тяжелого традиционного стекла, которое легче разбить. Так, в автомобильной промышленности поликарбонатные композиты в настоящее время широко используются для таких компонентов, как фары, люки в крыше и боковые окна. Эти материалы не только обладают повышенной стойкостью к ударным нагрузкам по сравнению со стеклом, но также обеспечивают улучшенную теплоизоляцию. В авиационно-космической отрасли прозрачные композиты необходимы для производства таких компонентов, как капоты и фонари, функциональность которых напрямую зависит от высокой прочности и прозрачности [6].

В оптоэлектронике прозрачные полимерные композиты особенно полезны при разработке гибких и прозрачных дисплеев, сенсорных панелей и солнечных элементов. Благодаря высокой оптической прозрачности и гибкости эти композиты являются идеальным решением для таких передовых разработок, как складные смартфоны и гибкие дисплеи [7]. Эти материалы также используются в прозрачных проводящих пленках, которые крайне важны для таких приборов, как органические светодиоды (OLED) и фотогальванические элементы, что способствует развитию области энергоcберегающих портативных электронных устройств [7-10].

Помимо этого, прозрачные полимерные композиты широко применяются для производства защитных экранов и окон, в частности пуленепробиваемого стекла. Сочетание прозрачности и высокой стойкости к ударным нагрузкам позволило активно использовать эти материалы в сферах безопасности и обороны [11]. Такие композиты обычно состоят из поликарбонатной матрицы, армированной стекловолокном или наночастицами, и представляют собой легкое, но высокопрочное решение для производства защитных стекол транспортных средств, зданий и средств индивидуальной защиты.

Благодаря новейшим достижениям в области прозрачных полимерных композитов их функциональность и возможности использования расширились. К наиболее перспективным разработкам относится интеграция армирования на основе графена [12]. Графен, который состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, обладает непревзойденными механическими, электрическими и тепловыми свойствами. При включении в полимерные матрицы графен может существенно улучшить прочность и электропроводность композита, не влияя на его прозрачность. Благодаря этому композиты, армированные графеном, пригодны для использования в таких областях, как производство прозрачных проводящих пленок и гибкая электроника. Исследователи даже разработали композиты на основе оксида графена с улучшенной электропроводностью, и в настоящее время изучается возможность их применения в прозрачных электродах для солнечных элементов и сенсорных экранов. Высокая термостойкость этих композитов позволяет также использовать их в условиях воздействия высоких температур, например, для авиационно-космической техники.

Еще одним прорывом в этой области стала разработка самовосстанавливающихся прозрачных композитов. Эти материалы могут самостоятельно устранять мелкие повреждения, например, трещины или царапины, что значительно продлевает срок их службы. Благодаря своему свойству эти композиты особенно ценны в таких отраслях, как авиационно-космическая и автомобильная, где крайне важно сохранять целостность прозрачных компонентов. Самовосстанавливающиеся прозрачные композиты часто включают обратимые химические связи или микрокапсулы, наполненные восстанавливающими веществами, которые активируются в случае повреждения, за счет чего материал восстанавливается без внешнего вмешательства.

Захватывающей инновацией в этой области также являются интеллектуальные прозрачные композиты. Эти материалы способны реагировать на внешние раздражители, такие как свет, температура или электрические сигналы, благодаря чему динамически изменяют свои свойства в ответ на изменения окружающей среды. Так, исследователи в настоящее время разрабатывают интеллектуальные прозрачные композиты для использования в умных стеклах. Такие композиты смогут регулировать свою непрозрачность в зависимости от температуры или количества солнечного света [13]. Эта технология способна произвести революцию в области экономии энергии в зданиях, снизив потребность в кондиционировании воздуха. Кроме того, интеллектуальные прозрачные композиты могут оказать существенное влияние на автомобильное остекление, обеспечив больший контроль светопроницаемости и энергоэффективности в транспортных средствах.

Вызовы

Хотя прозрачные полимерные композиты обладают множеством преимуществ, исследователи сталкиваются и со значительными вызовами:

1. Несоответствие показателя преломления. Одной из самых больших трудностей при производстве прозрачных композитов является достижение соответствия показателя преломления полимерной матрицы и армирующих материалов. Несоответствие может привести к рассеянию света и снижению прозрачности.
2. Способы обработки. Для сохранения прозрачности крайне важно обеспечить равномерную дисперсию армирующих материалов в полимерной матрице. Ненадлежащая дисперсия может привести к образованию агломератов, ухудшающих как механические, так и оптические свойства [11]
3. Долговечность. Несмотря на усовершенствования, свойства полимерных композитов по-прежнему ухудшаются под воздействием окружающей среды, особенно ультрафиолетового излучения и влаги. Разработка прозрачных полимерных композитов, устойчивых к ультрафиолетовому излучению и атмосферным воздействиям, остается актуальной задачей.

Дальнейшие направления исследований

В перспективе исследователи планируют разработать универсальные прозрачные композиты, сочетающие прозрачность с такими свойствами, как электропроводность, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и способность к самовосстановлению. Эти инновации могут способствовать прорыву в таких областях, как оптоэлектроника, производство интеллектуальной упаковки и даже накопление энергии, где в настоящее время исследователи изучают прозрачные батареи и солнечные элементы.

Кроме того, набирают популярность экологичные альтернативы, особенно полимеры на биологической основе и экологически чистые армирующие материалы, благодаря которым воздействие прозрачных композиционных материалов на окружающую среду может снизиться.

Заключение

Прозрачные полимерные композиционные материалы представляют собой многогранную развивающуюся область материаловедения и обладают значительными преимуществами, которые позволяют использовать их в самых разных отраслях промышленности от авиационно-космической до электронной. Благодаря разработке новых нанокомпозитов, интеллектуальных материалов и экологичных альтернатив возможности применения этих материалов продолжают расширяться. Однако для полной реализации их потенциала необходимо решить проблемы, связанные с соответствием показателя преломления, способами обработки и обеспечением долговечности.

Список литературы:

1. Лин, Ю., Билотти, Э., Бастиансен, К.В.М., Пейс, Т. (2020). Прозрачные полукристаллические полимерные материалы и их нанокомпозиты. Обзор. Журнал Polymer Engineering & Science, 60(10), стр. 2351–2376. doi:https://doi.org/10.1002/pen.25489.
2. Гох, Я.В. (2011). Энциклопедический словарь полимеров. Том 1, A-0. Нью-Йорк: изд-во Springer.
3. Лост, Ж., Лопес-Куэста, Х.-М., Бийон, Л., Гарай, Э. и Сав, М. (2019). Прозрачные полимерные нанокомпозиты. Обзор синтеза и усовершенствованных свойств. Журнал Progress in Polymer Science, 89, стр. 133–158. doi:https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2018.10.003.
4. Ян, И., Лай, И., Чжао, С., Чэн, Х., Ли, Ж. и Ван, И. (2023). Оптически прозрачный высокопрочный композит, армированный стекловолокном. Журнал Composites Science and Technology, 245, стр. 110338–110338. doi:https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110338.
5. Цзэн С.-Ф., Ли С., Тао С., Шэн Ч.-Г., Чэн Ц.-Ф. (2010). Производство высокопрозрачных нанокомпозитных пленок ZnO / PVB с новыми свойствами защиты от ультрафиолетового излучения. doi:https://doi.org/10.1109/inec.2010.5424473.
6. Контица, А. и Карцонакис, И.А. (2024). Интеллектуальные композиционные материалы с самовосстанавливающимися свойствами. Обзор проектирования и применения. Журнал Polymers, 16(15), стр. 2115. doi:https://doi.org/10.3390/polym16152115.
7. Нго И.-Л., Чон С., Бён Ч. (2016). Теплопроводность прозрачных и гибких полимеров с наполнителями. Обзор литературы. Журнал International Journal of Heat and Mass Transfer, [электронный доступ] 98, стр. 219–226. doi:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.082.
8. Зобейри, Н., Ли, А., Мобушон, К. (2020). Производство прозрачных перспективных композитов. Журнал Composites Science and Technology, 197, стр. 108281. doi:https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108281.
9. Сян Х., Ли, Я., Мэн, Ш., Ли, Ч., Чэн, Л., Тан, Ц. (2018). Чрезвычайно эффективные прозрачные гибкие органические светодиоды с наноструктурированными композиционными электродами. Журнал Advanced Optical Materials, 6(21). doi:https://doi.org/10.1002/adom.201800831.
10. New Atlas (2011). На шаг ближе к прозрачным сенсорным экранам и солнечным панелям на основе графена. [электронный доступ] New Atlas. Доступ по ссылке: https://newatlas.com/transparent-flexible-graphene-based-electrodes/19397/ [дата просмотра: 24.10.2024].
11. Галло, Л.С., Виллаш-Боаш, М.О.К., Родригес, А.К.М., Мело, Ф.К.Л., Занотто, Э.Д. (2019). Прозрачная стеклокерамика для баллистической защиты. Материалы и вызовы. Журнал Journal of Materials Research and Technology, 8(3), стр. 3357–3372. doi:https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.05.006.
12. ле Ферран Г., Болисетти С., Демирёрс А.Ф., Либанори Р., Стударт А.Р., Мезенга Р. (2016). Магнитная сборка прозрачных и проводящих функциональных композитов на основе графена. Журнал Nature Communications, 7(1). doi:https://doi.org/10.1038/ncomms12078.
13. Лв Ш., Ван, Д., Тан, Ц., Лю, Ц., Иноуэ, Х., Тан, Б., Сун, Ц., Вондрачек Л., Цю, Ц., Чжоу, Ш. (2024). Прозрачные композиты для эффективного обнаружения нейтронов. Журнал Nature Communications, 15(1). doi:https://doi.org/10.1038/s41467-024-51119-w.
14. Брабазон, Д. (2021). Введение в обработку композиционных материалов и физические характеристики. Elsevier eBooks, стр. 539–541. doi:https://doi.org/10.1016/b978-0-12-819724-0.00108-7.