Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (4), 355-366.

Теоретичне дослідження впливу вуглецевого графеноподібного нанокластера на стабільність і міцність поліаміду у нанокомпозиті



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.355

E. M. Demianenko, M. I. Теrets, Yu. I. Sementsov, S. M. Makhno, V. S. Kuts, A. G. Grebenyuk, M. T. Kartel

Анотація


Методом теорії функціоналу густини з обмінно-кореляційним функціоналом В3LYP, базисним набором 6-31G(d,p) і дисперсійною поправкою Грімме розраховані величини енергії міжмолекулярної взаємодії між сусідніми фрагментами поліаміду та встановлено вплив графеноподібних нанокластерів на аналогічні величини для міжмолекулярних комплексів фрагментів поліаміду з графеноподібними нанокластерами. Також досліджено вплив вуглецевих матеріалів на величини енергії ковалентних зв’язків в полімерній матриці поліаміду.

Порівняння величин енергії міжмолекулярної взаємодії двох мономерів (‑86.0 кДж/моль, два водневих зв’язки) і двох димерів (-302.0 кДж/моль, три водневих зв’язки) вказує, що величина енергії взаємодії двох ланок складається з енергії водневих зв’язків та внеску енергії дисперсійних сил взаємодії.

Енергія міжмолекулярної взаємодії двох димерів з графеноподібною матрицею (С110Н26), приблизно на 40 кДж/моль більша (-346.2 кДж/моль) в порівнянні з аналогічною величиною для двох димерів. Менше значення енергії взаємодії (-325.0 кДж/моль) для нанокомпозиту з матрицею С96Н24 обумовлене недостатнім розміром вибраної моделі графеноподібної матриці.

Аналіз довжин водневого зв’язку між атомом Оксигену карбонільної групи і атомом Гідрогену аміногрупи свідчить, що незалежно від довжини ланки полімерного ланцюга поліаміду (мономер і димер) та розміру графеноподібної матриці (С96Н24 і С110Н26) в нанокомпозиті, водневий зв’язок коротший в порівнянні з аналогічною величиною в комплексах без вуглецевої матриці. Це свідчить про більшу міцність даного зв’язку, тобто наявність вуглецевої матриці збільшує міцність утвореного нанокомпозиту, що і пояснює підвищення температури плавлення в порівнянні з вихідним полімером. В утвореному нанокомпозиті поліамід – вуглецева матриця для всіх досліджених моделей енергія міжмолекулярної взаємодії в нанокомпозиті значно збільшується у порівнянні з аналогічною величиною між двома фрагментами чистого поліаміду, що свідчить про підвищення термічної стійкості даного нанокомпозиту та підтверджується експериментальними даними.


Ключові слова


поліамід; нанокомпозит; графеноподібна площина; метод теорії функціоналу густини; кластерне наближення

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Shaoyun Fu, Zheng Sun, Pei Huang, Yuanqing Li Ning Hu. Some basic aspects of polymer nanocomposites: A critical review. Nano Materials Science. 2019. 1(1): 2. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.02.006

2. Zeranska-Chudek K., Lapinska A., Wroblewska A., Judek J., Duzynska A., Pawlowski M., Witowski A.M., Zdrojek M. Study of the absorption coefficient of graphene-polymer composites. Sci. Rep. 2018. 8: 9132. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27317-0

3. Krychkov Y.A., Krychkov M.V., Vymorkov N.V. Portnova Y.M., Bushansky N.V., Bushansky S.N. Preparation of polymeric nanocomposites by using granulated multilayer carbon nanotubes. Composites and nanostructures. 2014. 6(4):223. [in Russian].

4. Chesnokov N.V., Kuznetsov B.N., Mikova N.M. Synthesis and Properties of Carbonaceous and Composite Materials from Natural Graphite. Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2013. 6(1): 11. [in Russian].

5. Wang M., Yan C., Lin M. Graphene Nanocomposites. Composites and Their Properties. 2012: 17. https://doi.org/10.5772/50840

6. Lau K.T. Interfacial bonding characteristics of nanotube/polymer composites. Chem. Phys. Lett. 2003. 370(3-4): 399. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(03)00100-3

7. Mishchenko S.V., Tkachev A.G. Carbon Nanomaterials. Production, Properties, Application. (Moscow: Mechanical engineering, 2008). [in Russian].

8. Coleman J.N., Curran S., Dalton A.B., Davey A.P., McCarthy B., Blau W., Barklie R.C. Percolation-dominated conductivity in a conjugated-polymer-carbon-nanotube composite. Phys. Rev. B. 1998. 58: 7492. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.R7492

9. Lisova O.M., Makhno S.M., Gunya G.M., Sementsov Yu.I., Kartel M.T. Electronic power systems polyamide - graphene nanoplates. Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii. 2017. 15(2): 289. [In Ukrainian].

10. Kartel M., Sementsov Yu., Mahno S., Trachevskiy V., Wang Bo. Polymer composites filled with multiwall carbon nanotubes. Universal J. Mater Sci. 2016. 4(2): 23. https://doi.org/10.13189/ujms.2016.040202

11. Zhang Q., Zhao X., Sui G., Yang X. Surface sizing treated MWCNTs and its effect on the wettability, interfacial interaction and flexural properties of MWCNT/Epoxy nanocomposites. Nanomaterials (Basel). 2018. 8(9): 680. https://doi.org/10.3390/nano8090680

12. Khostavan S., Fazli M., Ahangari M.G. Rostamiyan Y. The effect of interaction between nanofillers and epoxy on mechanical and thermal properties of nanocomposites: theoretical prediction and experimental analysis. Adv. Polym. Tech. 2019. 4: 1. https://doi.org/10.1155/2019/8156718

13. Mehdizadeh K., Giahi M. A DFT study on N-6-amino-hexylamide functionalized single-walled carbon nanotubes in interaction with silver ion in a gaseous environment. J. Nanostructure Chem. 2019. 9(1): 39. https://doi.org/10.1007/s40097-019-0296-7

14. Terets M.I., Demianenko E.M., Zhuravsky S.V. Chernyuk O.A., Kuts V.S., Grebenyuk A.G., Sementsov Yu.I., Kokhtych L.M., Kartel M.T. Quantum chemical study on the interaction of carbon nanotube with polyethylene and polypropylene oligomers. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(1): 75.

15. Sementsov Yu.I., Makhno S.N., Zhuravsky S.V., Kartel M.T. Properties of polyethylene-carbon nanotubes composites Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2017. 8(2): 107. [in Ukrainain]. https://doi.org/10.15407/hftp08.02.107

16. Sementsov Yu.I., Prikhodko G.P, Kartel N.T., Mahno S.M., Grabovsky Yu.E., Aleksyeyev O.M., Pinchuk-Rugal T.M. Polypropylene-carbon nanotubes composites: structural features, physical and chemical properties. Surface. 2012. 4(19): 203. [in Ukrainain].

17. Sun S.F. Physical Chemistry of Macromolecules: Basic Principles and Issues. (New York: Wiley, 2004). https://doi.org/10.1002/0471623571

18. Becke A.D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913

19. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

20. Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011. 32: 1456. https://doi.org/10.1002/jcc.21759

21. Grimme S. Density functional theory with London dispersion corrections. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011. 1: 211. https://doi.org/10.1002/wcms.30

22. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.355

Copyright (©) 2019 E. M. Demianenko, M. I. Теrets, Yu. I. Sementsov, S. M. Makhno, V. S. Kuts, A. G. Grebenyuk, M. T. Kartel