Моделирование фазового разделения в растворе полимера в процессе формирования полимерного геля

А.Л. Свистков  (Пермь)

Получение гелей из раствора полимера приводит к образованию материала, структура которого напоминает губку с очень мелкими ячейками. В работе предложена математическая модель, позволяющая исследовать на компьютере условия появления фаз в полимерном геле на стадии его образования. Рассматривается фазовое равновесие двух фаз: полимерной сетки, которая формируется в результате сшивания полимерных цепей (гель - фаза материала) и фазы, представляющей собой раствор несшитых полимерных цепей в смеси низкомолекулярных жидкостей (водном растворе молекул мономера и других компонентов).

В модели учитывается состав исходного раствора, степень полимеризации полимерных цепей в момент присоединения их к гель - фазе, изменения объема полимерной сетки при ее набухании, изменение длины статистического сегмента полимерной цепи (сегмента Куна) при изменении состава смеси.

В отличие от классических моделей набухания полимерных систем, предложено учитывать в свободной энергии материала ограниченную возможность увеличения объема полимерного геля, связанную с конечностью длин полимерных цепей. Показано, что учет структурных ограничений на расширения полимерной сетки имеет исключительно важное значения при моделировании условия фазового равновесия.

В предложенной модели используется более общая гипотеза изменения объема смеси, чем гипотеза аддитивности объемов ее компонентов. Вместо объемных долей растворителей в качестве параметров состояния среды применяются понятия молярных плотностей компонентов системы.

Рассмотрен случай, когда скорость присоединения плавающих в растворе молекул полимера к гель - фракции пропорциональна объемной доле гель - фракции в системе (объемной доле первой фазы) и объемной плотности полимерных цепей во второй фазе. В компьютерных экспериментах хорошо видны три  стадии процесса. Вначале идет формирование полимерных цепей золь-фракции в растворе. После этого наступает этап объединения отдельных цепей в гель - фракцию и выделение ее в виде областей самостоятельной фазы. На третьей стадии процесса появляющиеся полимерные цепи быстро присоединяются к гель - фракции. Вторая фаза практически не содержит полимерных цепей.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 01-03-96487).