Մուրադյան, Գայանե Մարտունի

Chemistry

Աշխատությունը նվիրված է քլորոպրենի պոլիմերացման գործընթացի ուսումնասիրմանը մոնոմեր–ջուր ստատիկ հետերոգեն համակարգերում՝ առանց էմուլգատորների կիրառման։ Հետազոտության կենտրոնում պոլիմերացման ֆիզիկաքիմիական օրինաչափություններն են, ռեակցիայի ընթացքի վրա համակարգի փուլային կառուցվածքի ազդեցությունը և այն պայմանները, որոնցում հնարավոր է իրականացնել պոլիմերի առաջացումը երկու փոխադարձաբար սահմանափակ խառնելիություն ունեցող միջավայրերի սահմանում կամ դրանց առանձին հատվածներում։ Հիմնական ուշադրությունը կենտրոնացված է այն հարցի վրա, թե ինչպես է պոլիմերացման մեխանիզմը փոխվում սովորական էմուլսիոն համակարգերի համեմատությամբ, երբ բացակայում են միջփուլային մակերևույթը կայունացնող մակերևութային ակտիվ նյութերը։ Այս պայմաններում առանձնահատուկ նշանակություն են ստանում մոնոմերի և ջրային փուլի հարաբերակցությունը, փուլերի սահմանային մակերևույթի հատկությունները, նախաձեռնման պայմանները, ջերմաստիճանը, ռեակցիայի տևողությունը և առաջացող պոլիմերային մասնիկների կառուցվածքային առանձնահատկությունները։ Քլորոպրենը դիտարկվում է որպես արդյունաբերական նշանակություն ունեցող դիենային մոնոմեր, որի պոլիմերացման արդյունքում ձևավորվող նյութերը բնութագրվում են արժեքավոր ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով։ Այդ պատճառով դրա պոլիմերացման մեխանիզմների ուսումնասիրությունը կարևոր է ինչպես բարձրամոլեկուլային միացությունների հիմնարար քիմիայի, այնպես էլ համապատասխան նյութերի ստացման տեխնոլոգիական գործընթացների կատարելագործման տեսանկյունից։ Առանց էմուլգատորի իրականացվող գործընթացը հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել համակարգի վարքագիծը այնպիսի պայմաններում, երբ մակերևութային ակտիվ նյութերի ազդեցությունը բացառված է, և ավելի հստակ կարող են դրսևորվել մոնոմերի, ջրային միջավայրի, նախաձեռնող համակարգի և միջփուլային սահմանների անմիջական փոխազդեցությունները։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում հետերոգեն համակարգի կառուցվածքին։ Մոնոմերային և ջրային փուլերի միջև սահմանը կարող է կարևոր դեր կատարել պոլիմերացման սկզբնական փուլերում՝ ազդելով ակտիվ կենտրոնների առաջացման, մոնոմերի տեղափոխման և պոլիմերային մասնիկների ձևավորման վրա։ Ստատիկ պայմաններում համակարգի բաղադրիչների ինտենսիվ մեխանիկական խառնումը բացակայում է կամ նվազագույն է, ինչի շնորհիվ հնարավոր է ուսումնասիրել փուլերի բնական դասավորության և միջփուլային գործընթացների ազդեցությունը ռեակցիայի կինետիկայի վրա։ Նման մոտեցումը հնարավորություն է տալիս տարբերակել մեխանիկական դիսպերսմամբ պայմանավորված երևույթները հենց քիմիական և ֆիզիկաքիմիական գործընթացներից։ Հետազոտության կարևոր ուղղություններից է պոլիմերացման կինետիկայի ուսումնասիրությունը։ Գնահատվում է մոնոմերի փոխարկման աստիճանի փոփոխությունը ժամանակի ընթացքում, ռեակցիայի արագությունը և դրա կախվածությունը համակարգի հիմնական պարամետրերից։ Այս տվյալների համադրումը հնարավորություն է տալիս պարզել, թե գործընթացի որ փուլերն են սահմանափակում ընդհանուր արագությունը և ինչ դեր ունեն նախաձեռնման, շղթայի աճի ու ավարտի ռեակցիաները։ Հետերոգեն միջավայրում կինետիկական օրինաչափությունները կարող են էապես տարբերվել համասեռ լուծույթում ընթացող պոլիմերացումից, քանի որ ակտիվ մասնիկների և մոնոմերի տեղաբաշխումը տարբեր փուլերում ստեղծում է զանգվածափոխանակության լրացուցիչ գործոններ։ Կարևորվում է նախաձեռնող համակարգի բնույթի և կոնցենտրացիայի ազդեցության գնահատումը։ Ազատ ռադիկալային պոլիմերացման դեպքում ակտիվ կենտրոնների առաջացման արագությունը կարող է որոշիչ ազդեցություն ունենալ ամբողջ գործընթացի վրա։ Հետերոգեն համակարգում կարևոր է նաև այն հարցը, թե որ փուլում են հիմնականում առաջանում ակտիվ մասնիկները և ինչպես են դրանք հասնում մոնոմերային հատվածներին։ Այս երևույթների ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս պատկերացում կազմել պոլիմերային մասնիկների առաջացման սկզբնական մեխանիզմների վերաբերյալ և պարզել, թե ինչպես են տարբեր պայմանները ազդում դրանց քանակի, չափերի ու հետագա աճի վրա։ Առանձին ուսումնասիրության առարկա է ջերմաստիճանի ազդեցությունը։ Ջերմաստիճանի փոփոխությունը կարող է ազդել նախաձեռնողի քայքայման արագության, մոնոմերի ռեակցունակության, դիֆուզիոն գործընթացների և ձևավորվող մակրոմոլեկուլների կառուցվածքի վրա։ Տարբեր ջերմաստիճաններում իրականացվող փորձերի համեմատությունը հնարավորություն է տալիս գնահատել գործընթացի կինետիկական բնութագրերը և ընտրել այնպիսի պայմաններ, որոնցում հնարավոր է ստանալ կանխատեսելի հատկություններով պոլիմերային նյութ։ Միաժամանակ չափազանց ինտենսիվ ռեակցիան կամ կողմնակի գործընթացների ակտիվացումը կարող են ազդել վերջնական նյութի կառուցվածքի և հատկությունների վրա, ուստի օպտիմալ պայմանների որոշումը դառնում է հետազոտության կարևոր խնդիր։ Մեծ նշանակություն ունի մոնոմեր–ջուր հարաբերակցության ուսումնասիրությունը։ Փուլերի ծավալային հարաբերակցությունը որոշում է միջփուլային մակերևույթի հարաբերական նշանակությունը, մոնոմերի հասանելիությունը և պոլիմերային մասնիկների ձևավորման միջավայրը։ Ջրային փուլի քանակի փոփոխությունը կարող է ազդել ինչպես ռեակցիայի արագության, այնպես էլ ստացված դիսպերս համակարգի հատկությունների վրա։ Այս պարամետրի համակարգված փոփոխությունը հնարավորություն է տալիս բացահայտել գործընթացի այն պայմանները, որոնցում առավել հստակ արտահայտվում են միջփուլային պոլիմերացման առանձնահատկությունները։ Առանձին ուշադրություն է հատկացվում պոլիմերային մասնիկների առաջացման և կայունացման մեխանիզմներին։ Սովորական էմուլսիոն պոլիմերացման ժամանակ մակերևութային ակտիվ նյութերը կարևոր դեր են կատարում մասնիկների կայունացման և դրանց միաձուլման կանխարգելման գործում։ Էմուլգատորի բացակայության պայմաններում անհրաժեշտ է պարզել, թե ինչ գործոններ են ապահովում ձևավորվող մասնիկների հարաբերական կայունությունը։ Դրանց թվում կարող են նշանակություն ունենալ մասնիկների մակերևույթին առաջացող լիցքերը, նախաձեռնող համակարգից առաջացած ֆունկցիոնալ խմբերը և պոլիմերային մակերևույթի ու ջրային միջավայրի փոխազդեցությունները։ Այս երևույթների ուսումնասիրությունը կարևոր է առանց լրացուցիչ մակերևութային ակտիվ նյութերի կայուն պոլիմերային դիսպերս համակարգերի ձևավորման սկզբունքները հասկանալու համար։ Հետազոտության շրջանակում ուսումնասիրվում են նաև ստացված պոլիմերի մոլեկուլային և կառուցվածքային բնութագրերը։ Պոլիմերացման պայմանները կարող են ազդել մակրոմոլեկուլների մոլեկուլային զանգվածի, դրա բաշխման, շղթայի կառուցվածքի, ճյուղավորման և այլ կառուցվածքային առանձնահատկությունների վրա։ Քլորոպրենի դեպքում կարևոր են նաև մոնոմերային օղակների միացման տարբեր հնարավորությունները, որոնք կարող են պայմանավորել վերջնական նյութի ֆիզիկական և մեխանիկական հատկությունները։ Պոլիմերի կառուցվածքի և ռեակցիայի պայմանների միջև կապի բացահայտումը հնարավորություն է տալիս ավելի նպատակային կերպով կառավարել ստացվող նյութի հատկությունները։ Կարևոր տեղ է հատկացվում ստացված պոլիմերային համակարգերի ֆիզիկաքիմիական հատկությունների գնահատմանը։ Մասնիկների չափերը, դրանց բաշխումը, դիսպերսիայի կայունությունը, պոլիմերի մոլեկուլային բնութագրերը և ջերմային հատկությունները կարող են օգտագործվել տարբեր պոլիմերացման պայմանների համեմատության համար։ Նման ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս պարզել, թե էմուլգատորի բացակայությունը ինչ ազդեցություն է ունենում վերջնական արտադրանքի մաքրության, կառուցվածքի և տեխնոլոգիական հատկությունների վրա։ Էմուլգատոր չպարունակող համակարգերի հնարավոր առավելություններից մեկը վերջնական նյութում մակերևութային ակտիվ նյութերի մնացորդների նվազեցումն է, ինչը որոշ կիրառությունների համար կարող է ունենալ էական նշանակություն։ Հետազոտության տեսական հատվածում կարող են քննարկվել ազատ ռադիկալային պոլիմերացման ընդհանուր մեխանիզմները՝ նախաձեռնման, շղթայի աճի, փոխանցման և ավարտի փուլերի փոխկապակցվածությամբ։ Հետերոգեն համակարգի դեպքում այդ դասական պատկերացումը լրացվում է փուլերի միջև նյութափոխանակության, դիֆուզիայի և միջփուլային մակերևույթի ազդեցությամբ։ Այս գործոնների համատեղ ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս մշակել գործընթացի ավելի ամբողջական կինետիկական և ֆիզիկաքիմիական պատկերացում։ Հատուկ ուշադրություն կարող է հատկացվել այն հարցին, թե պոլիմերացման հիմնական մասը տեղի է ունենում մոնոմերային փուլում, ջրային միջավայրում ձևավորված մասնիկներում, միջփուլային սահմանում, թե միաժամանակ մի քանի տեղամասերում։ Փորձարարական տվյալների համադրումը տեսական մոդելների հետ հնարավորություն է տալիս գնահատել առաջարկվող մեխանիզմների համապատասխանությունը իրական գործընթացին։ Առանձին նշանակություն ունի ստատիկ համակարգերի ուսումնասիրությունը որպես մոդելային մոտեցում։ Խառնման բացակայությունը հնարավորություն է տալիս հետևել փուլային սահմանների բնական զարգացմանը և պարզել պոլիմերացման հետևանքով համակարգի կառուցվածքի աստիճանական փոփոխությունները։ Պոլիմերի առաջացման հետ մեկտեղ կարող են փոխվել փուլերի ֆիզիկական հատկությունները, միջփուլային սահմանը և մոնոմերի տեղափոխման պայմանները, ինչն իր հերթին կարող է ազդել ռեակցիայի հետագա ընթացքի վրա։ Այս փոխադարձ ազդեցությունների ուսումնասիրությունը կարևոր է հետերոգեն պոլիմերացման ինքնակարգավորվող բնույթի բացահայտման համար։ Աշխատության կիրառական նշանակությունը կապված է պոլիքլորոպրենային նյութերի ստացման տեխնոլոգիական գործընթացների կատարելագործման հնարավորության հետ։ Էմուլգատորների օգտագործման նվազեցումը կամ դրանցից հրաժարումը կարող է որոշ դեպքերում պարզեցնել վերջնական արտադրանքի մաքրման գործընթացները և նվազեցնել օժանդակ բաղադրիչների մնացորդային պարունակությունը։ Սակայն նման տեխնոլոգիական մոտեցման կիրառելիությունը կախված է պոլիմերացման կայունությունից, փոխարկման աստիճանից, ստացված նյութի որակից և գործընթացի վերահսկելիությունից։ Այդ պատճառով հիմնարար կինետիկական ու կառուցվածքային ուսումնասիրությունները կարևոր հիմք են հնարավոր տեխնոլոգիական լուծումների գնահատման համար։ Ընդհանուր առմամբ նյութը ներկայացնում է քլորոպրենի հետերոգեն պոլիմերացման մեխանիզմների, կինետիկայի, միջփուլային երևույթների և ստացվող պոլիմերի հատկությունների համալիր ուսումնասիրություն՝ հատուկ ուշադրություն դարձնելով մակերևութային ակտիվ նյութերի բացակայության պայմաններին։ Այն կարող է նպաստել պոլիմերային դիսպերս համակարգերի ձևավորման հիմնարար օրինաչափությունների ավելի խորքային ընկալմանը և պոլիմերացման գործընթացների կառավարման նոր մոտեցումների մշակմանը։ Աշխատությունը կարող է օգտակար լինել պոլիմերային քիմիայի, բարձրամոլեկուլային միացությունների ֆիզիկաքիմիայի, քիմիական տեխնոլոգիայի, նյութագիտության և սինթետիկ էլաստոմերների ուսումնասիրությամբ զբաղվող հետազոտողների, տեխնոլոգների, դասախոսների և ուսանողների համար։