Відділ фізикохімії полімерів заснований у 1959 році. Організатором і першим завідувачем його був кандидат хімічних наук Войцехівський Ростислав В’ячеславович крім дослідження властивостей різних органічних сполук (полімерів), синтезованих у інших відділах інституту, у ньому проводились також дослідження структури та фізико-хімічних властивостей полімеризаційно наповнених дисперсними мінеральними наповнювачами поліаміду. Вивчався вплив різних добавок на процес поліконденсації капролактаму. Було встановлено, зокрема, що такі дисперсні наповнювачі як пірофіліт, моршаліт, каолін і графіт, які введені у вихідну полімеризаційну суміш не взаємодіючи хімічно з полімерною матрицею, впливають не тільки на вторинну надмолекулярну структуру та в’язко–пружні властивості наповненої полімерної системи, як і на первинну кристалічну структуру полікапроаміду.
Встановлено також різну пластифікуючу дію на полівінілхлорид синтезованих в інституті складних ефірів пентаеритриту та синтетичних жирних кислот різних фракцій (С5 – С6; С7 – С9; С10 – С16; С17 – С20) тощо.
З 1965 по 2005 р. відділ очолював доктор хімічних наук, професор, академік НАН України Ю.С. Ліпатов. З 2005 по 2015 р. – доктор хімічних наук Т.Т. Тодосійчук.
Основним науковим напрямом стала фізикохімія багатокомпонентних полімерних систем, полімерних сумішей та сплавів, синергетика ієрархічних структур у гетерогенних полімерних системах.
Напрями досліджень:
– фізикохімія і термодинаміка багатокомпонентних полімерних систем;
– адсорбція полімерів та їх сумішей, структура адсорбційних шарів;
– в’язкопружні та реологічні властивості полімерних сумішей та сплавів, адгезія в наповнених полімерних системах;
– синтез та модифікація сумішей лінійних полімерів та взаємопроникних полімерних сіток (ВПС) та мікрофазове розділення.
З 1965 р. у відділі проводяться розширені дослідження структури та фізико-хімічних властивостей поліуретанів лінійної та просторової будови і вихідних олігомерів, а також наповнених полімерів різної природи.
В середині 70-х років розпочинаються роботи в двох напрямах – фізикохімія полімерних сумішей та сплавів з метою пошуку шляхів їх модифікації та фізикохімія ВПС.
З 1981 р. у зв’язку зі зміною тематики інституту основним напрямом роботи відділу є фізикохімія композиційних полімерних матеріалів (КПМ), у рамках якого розширюються роботи з дослідження адсорбції полімерів та структури адсорбційних шарів, адгезії полімерів до твердих поверхонь, поверхневих та міжфазних шарів у наповнених полімерах, термодинамічних, в’язкопружних, реологічних та адгезійних властивостей наповнених сумішей та сплавів полімерів та ВПС. Ці напрями, поряд з фізикохімією поверхневих явищ у композиційних полімерних матеріалах, розвиваються донині.
В плані розвитку теорії міжфазних явищ розроблені та обгрунтовані експериментально теоретичні уявлення про молекулярно-агрегативний механізм адсорбції полімерів та їх адгезії до твердих поверхонь, на основі яких створена теорія структурної гетерогенності поверхневих шарів.
Як розвиток цих робіт з 1982 р. розпочаті дослідження адсорбції з розчинів сумішей полімерів, що становить окремий інтерес для теорії полімерних композитів. Було доведено, що основні закономірності адсорбції визначаються наявністю критичної концентрації перекривання клубків та термодинамічною сумісністю полімерів у розчині. Застосування концепції молекулярно-агрегативного механізму адсорбції до сумішей полімерів дозволило встановити ряд принципових закономірностей цього процесу і показати, що складний характер адсорбційної поведінки сумішей обумовлений відмінностями у термодинамічній поведінці компонентів у спільному розчиннику внаслідок їх термодинамічної несумісності (в інтервалі концентрацій, віддаленому від фазового розділення).
Зіставлення даних щодо утворення агрегатів у розчинах сумішей полімерів дало змогу дійти висновку, що структурна перебудова, яка відбувається в розчинах зі зміною концентрації обох компонентів і температури, зумовлена зміною термодинамічної несумісності компонентів.
Цикл робіт присвячений дослідженню теплоти адсорбції та структури адсорбційних шарів в разі одночасної адсорбції двох полімерів. Встановлено, що в разі адсорбції із сумішей несумісних полімерів адсорбційний шар формується з кластерів вихідних компонентів і має мозаїчну структуру з характеристичним розміром доменів близько 200 нм для кожного компонента. Методом атомно-силової мікроскопії показано, що адсорбційні шари – це фрактальні структури, фрактальна розмірність яких залежить від типу полімеру і режиму адсорбції.
Великий обсяг проведених у відділі робіт присвячений дослідженню термодинаміки поверхневих явищ у полімерних системах і пов’язаних з ними адгезійних характеристик полімерних матеріалів. Запропоновано рівняння для визначення термодинамічної роботи адгезії суміші двох термодинамічно несумісних полімерів і створена термодинамічна модель і рівняння, що описує міцність адгезійного зв’язку двокомпонентної полімерної системи з поверхнею. Проте в експериментальних роботах встановлено, що адгезія сумішей характеризується складнішою залежністю, яка визначається відмінностями в змочуванні поверхні компонентами бінарної системи. Розвинені теоретичні підходи до термодинаміки адгезії і структури поверхневих шарів дали змогу запропонувати ряд фізико-хімічних способів підвищення адгезійної міцності.
Всебічне дослідження наповнених полімерів і композиційних полімерних матеріалів дало змогу узагальнити і сформулювати основні фізико-хімічні закономірності їх поведінки, обумовлені міжфазними явищами на межі поділу полімер-наповнювач. Розроблено концепцію формування в наповнених гетерогенних системах поверхневих шарів, властивості яких різняться від властивостей в об’ємі. Показано, що вплив поверхні на параметри поверхневих шарів залежить від фазового і фізичного стану полімерів, змінюється для аморфних і кристалічних, для лінійних і зшитих полімерів, а також безпосередньо визначається умовами формування поверхневого шару в наповнених полімерах. Розроблена узагальнююча модель, нині загальновизнана, яка дала змогу за допомогою механічних моделей визначити внесок міжфазного шару у в’язкопружні та механічні властивості наповнених полімерів, що було підтверджено експериментально. Розвинені уявлення дали змогу по-новому розглянути механізм підсилення полімерів дисперсними і волокнистими матеріалами, в якому визначальна роль належить зміні властивостей полімерної матриці при взаємодії з наповнювачем і утворення поверхневих шарів.
Дослідження релаксаційних процесів у поверхневих шарах на межі поділу методами діелектричної, механічної, ЯМР- та об’ємної релаксації показали, що межа поділу знижує сегментальну рухливість ланцюгів, внаслідок чого в поверхневих шарах підвищуються температура склування і середні часи релаксації. Доведено, що основну роль у зниженні молекулярної рухливості відіграють конформаційні обмеження, які накладаються поверхнею, а не енергетична взаємодія ланцюга з нею.
В роботах теоретично встановлені умови, за яких можна спостерігати роздільні релаксаційні максимуми полімерної матриці та міжфазного шару. Ефект зміни температури склування Тg пов’язаний з відмінностями у величинах і розподілі вільного об’єму в міжфазному шарі та в матриці. Ці висновки покладено в основу розрахунків в’язкопружних функцій наповнених полімерів. Експериментальні дослідження температурної і частотної залежності зазначених функцій для полімерів з різною концентрацією наповнювача дали змогу встановити і сформулювати принципово нове уявлення про концентраційно-частотну або концентраційно-температурну суперпозицію.
При вивченні полімерів з полімерними наповнювачами було встановлено їх взаємний вплив на молекулярну рухливість у граничній зоні контакту двох полімерів. При формуванні сумішей термодинамічно несумісних полімерів утворюється перехідний шар на розмитій межі поділу між двома компонентами суміші. У зоні контакту полімерів можливе також або утворення граничної поверхні між ними і співіснування двох поверхневих шарів кожного компонента, або формування розмитої перехідної області. Ці ефекти зумовлені як термодинамічною несумісністю двох компонентів, так і реологічними процесами що супроводжують формування матеріалу.
Реологічні дослідження сумішей полімерів дозволили встановити екстремальне зниження в’язкості при змішуванні розплавів двох полімерів та зв’язок реологічних та термодинамічних характеристик системи, що забезпечує істотне підвищення механічних властивостей полімерних композицій при введенні малих добавок полімерів іншої хімічної природи.
На підставі розвинених уявлень запропоновано фізико-хімічний критерій поняття «високонаповнений полімер», згідно з яким високонаповненим полімером слід вважати систему, в якій увесь полімерний компонент перейшов у стан граничного шару, товщина якого більша за розміри макромолекулярного клубка в розплаві.
Експериментально доведені положення дали змогу запропонувати модель наповненого полімерного сплаву, яка припускає наявність градієнта складу внаслідок поверхневої сегрегації і градієнта ступеня фазового розділення в напрямі, нормальному до поверхні, як результат різного ступеня сумісності компонентів сплаву. Розглянуто можливі концентраційні профілі і показано, що склад матриці не відповідає початковому складу сплаву до введення в нього наповнювача. Це означає, що відмінності в ступені сумісності компонентів стосуються не тільки граничного шару, а й усього об’єму матриці.
На основі численних досліджень фазового стану наповнених полімерних сплавів сформульовано положення про рівноважну та нерівноважну компатибілізацію. При рівноважній компатибілізації внаслідок взаємодії полімерного сплаву з поверхнею наповнювача термодинамічна стабільність (сумісність) полімерного сплаву збільшується, параметр термодинамічної взаємодії між компонентами зменшується. Нерівноважна компатибілізація пов’язана з гальмуванням процесів фазового розділення внаслідок впливу твердого тіла, в результаті чого в системі “фіксується” структура, яка відповідає або стабільному стану, або меншому ступеню несумісності в порівнянні з тим, який існував би за даних термодинамічних умов. Встановлено, що введення наповнювачів може привести як до вимушеної сумісності компонентів, так і до вимушеного стану мікрофазового розділення; умови обох процесів залежать від кінетики фазового розділення та особливостей взаємодії компонентів системи з поверхнею. Ці положення в однаковій мірі можуть бути застосовані і до наповнених сплавів лінійних полімерів, і до реакційних сплавів типу взаємопроникних полімерних сіток (ВПС).
Комплексне дослідження властивостей ВПС дало можливість встановити та обґрунтувати взаємозв’язок кінетики реакцій та процесів мікрофазового розділення, що характеризуються універсальним параметром – ступенем сегрегації. Дослідженнями термодинамічної поведінки ВПС доведено, що в одночасних ВПС фазове розділення відбувається за спінодальним механізмом. При цьому залежно від швидкості реакції, яка приводить до зшивання і втрати рухливості компонентами системи, процес мікрофазового розділення можна знівелювати на різних глибинах перетворення.
Вивчення термодинамічних і в’язкопружних властивостей, фазового розділення і кінетики реакцій утворення ВПС, що містять наповнювач, показало, що останній виконує не тільки традиційно підсилювальну функцію, а й регулює умови фазового розділення і поверхневої сегрегації компонентів на стадії формування ВПС.
Численні дослідження процесів формування сумішей лінійних полімерів та ВПС дали змогу сформулювати принципово нові положення з ряду проблем. Було введене термодинамічне обґрунтування уявлення про гібридні зв’язуючі в полімерних сплавах, викладено положення про самоорганізацію при утворенні ВПС, нерівноважний стан таких сполук (існування загальної термодинамічної нерівноваги та локальної квазірівноваги) та нерівноважність процесів їх формування. Останнє визначається тим, що під час синтезу поряд з формуванням двох тривимірних сіток одночасно, починаючи з малих глибин перетворення, відбувається процес мікрофазового розділення, зумовлений виникненням під час реакції термодинамічної несумісності складових фрагментів ланцюгів. На цій підставі зроблено висновки щодо особливості мікрогетерогеної структури ВПС. На відміну від уявлень, які існували раніше, про неможливість молекулярного змішування сіток через їх термодинамічну несумісність встановлено, що ВПС утворена трьома мікрообластями незавершеного фазового розділення, кожна з яких, маючи характерні розміри і склад, є незалежною ВПС з молекулярним рівнем змішування компонентів, що зумовлено їх вимушеною сумісністю, тобто всі три області – це нерівноважні дисипативні структури. З цього також випливає, що структура ВПС визначається тісним взаємозв’язком термодинамічних і кінетичних умов (з погляду як хімічної, так і фізичної кінетики), тобто термодинаміка утворення системи та її термодинамічний стан обумовлені хімічною кінетикою процесу зшивання і фізичною кінетикою фазового розділення. Як наслідок у затверділій системі фіксується деякий ступінь сегрегації компонентів, від якого залежать в’язкопружні властивості.
З 2000 р. вперше розпочинаються дослідження процесів компатибілізації ВПС. На відміну від компатибілізаціі сумішей лінійних полімерів, за якої компатибілізатори вводяться в розплав двох несумісних полімерів, у разі ВПС компатибілізатор вводиться в однофазову реакційну суміш перед формуванням ВПС.
Дослідження впливу деяких добавок, які за хімічною структурою можна вважати потенційними компатибілізаторами для ВПС, дозволило встановити два різних типи їх суміщувальної дії. В одному випадку добавка, введена у вихідну реакційну суміш, запобігає мікрофазовому розділенню системи. В іншому випадку добавки впливають на кінетику реакції, прискорюючи мікрофазове розділення системи. За впливом добавок на кінетику утворення компонентів ВПС і час початку фазового розділення можна зробити висновок про механізм компатибілізації.
Подальше розвитку набули дослідження в галузі фазорозділених ВПС. Встановлено механізм формування перехідного шару між співіснуючими фазами, визначено параметри, що характеризують його частку в системі, показано зміну частки перехідного шару при введенні в реакційну систему наповнювачів і компатибілізаторів.
Доведено, що кінцева структура фазорозділених ВПС умовно характеризується наявністю трьох фазових областей, що різняться за складом; при цьому кожна область – це ВПС з молекулярним рівнем змішування. Всі три області термодинамічно нерівноважні, але ступінь відхилення від стану рівноваги для кожної частини системи різний.
У спеціальних дослідженнях вивчено утворення in situ двох лінійних полімерів, що формуються за різними механізмами (принцип формування ВПС). Виявлено взаємний вплив реакцій формування обох полімерів, які відбуваються одночасно, на молекулярні характеристики кожного з них. Мікрофазове розділення в таких системах залежить також від співвідношення компонентів у вихідній реакційній суміші, яке визначає кінетику реакцій і час початку фазового розділення. Залежність ступеня сегрегації від складу зумовлена термодинамічними факторами. Фактично ступінь сегрегації і частка міжфазної області визначаються термодинамічними параметрами, а кінетика – тільки інструмент для досягнення необхідних термодинамічних умов. Встановлено, що закономірності цього процесу такі самі як і для ВПС, про що свідчить подібний механізм фазового розділення.
Співробітниками відділу захищено 10 докторських і 45 кандидатських дисертацій, опубліковано 20 монографій, 3 довідники, понад 1200 статей, одержано більше 170 авторських свідоцтв та патентів, зроблено більше 400 доповідей на республіканських і міжнародних конференціях.
У 1992 році одержано диплом Державного патентного відомства СРСР про Відкриття (Ю.С. Ліпатов, Є.В. Лебедєв).
Виконані експериментальні та теоретичні дослідження стали науковою базою для створення нових полімерних матеріалів для сучасної техніки, перелік яких наведено у додатку 3.
Вагомий внесок у наукові дослідження, проведені у відділі, зробили доктор хімічних наук, професор, академік НАН України Ю.С. Ліпатов, доктор хімічних наук, професор, академік НАН України Є.В. Лебедєв, доктор хімічних наук, професор, чл.-к. НАН України Ю.Ю. Керча, доктор хімічних наук, професор Л.М. Сергеєва, доктор хімічних наук, професор В.П. Привалко, доктор хімічних наук, професор В.В. Шилов, доктор хімічних наук, професор Ф.Г. Фабуляк, доктори хімічних наук А.Є. Нестеров, В.П. Шумський, Ю.М. Нізельський, Т.Т. Тодосійчук, Т.Т. Алексєєва, кандидати хімічних наук К.В. Запунна, Н.В. Бабкіна, І.П. Гетьманчук, О.М. Горбатенко, С.І. Грищук, Т.Д. Ігнатова, Л.Ф. Косянчук, Г.Я. Менжерес, Л.М. Перепелицина, В.Ф. Росовицький, Г.М. Семенович, А.Є. Файнерман, А.М. Куксін, Т.С. Храмова, В.М. Чорна, Н.В. Ярова, кандидати технічних наук Л.І. Безрук і В.Ф. Бабіч.