Квантовохімічне дослідження впливу наявності графеноподібного кластера на енергію ковалентних зв’язків фрагмента поліаміду в нанокомпозиті
Анотація
Методом теорії функціоналу густини з обмінно-кореляційним функціоналом В3LYP, базисним набором 6-31G(d,p) і дисперсійною поправкою Грімме розраховані величини енергії ковалентних зв’язків у вільній молекулі диолігомера ε-амінокапронової кислоти (АКК) та при її входженні до складу міжмолекулярного комплекса з графеноподібною площиною. Ці розрахунки були виконані з метою з’ясування впливу наявності вуглецевих наповнювачів на стійкість термопластичних полімерів, до яких відносяться олігомери АКК. Оскільки, відомо, що для них енергія хімічних зв’язків в полімерній матриці корелює з енергією розриву відповідного нанокомпозиту.
Як фрагмент поліаміду використано диолігомер АКК, який утворюється при конденсації двох молекул АКК, а за графеноподібну площину вибрано поліароматичну молекулу брутто-складом С48Н18, яка є співрозмірною з димером розглянутого аміду.
Енергія ковалентного зв’язку розраховувалась, виходячи з того, що ця величина чисельно тотожна енергетичному ефекту реакції його гомолітичного розриву з утворенням двох радикалів в дублетному стані. Аналіз результатів квантовохімічних досліджень свідчить, що зв’язок між атомами азоту і вуглецю (−HN−CO−), в амідній групі вільної молекули диолігомеру АКК виявився найміцнішим і його енергія становить 447.1 кДж/моль.
В утвореному нанокомпозиті поліамід–фрагмент графеноподібної площини енергія всіх досліджених ковалентних зв’язків значно збільшується в порівнянні з вільною молекулою диолігомеру АКК. Це свідчить про можливе підвищення термічної стійкості даного нанокомпозиту, що корелює з експериментальними даними.
Посилання
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
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].
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-UK. 2018. 8: 9132. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27317-0
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].
Wang M., Yan C., Lin M. Graphene Nanocomposites. Composites and Their Properties. 2012: 17. https://doi.org/10.5772/50840
Dyachkova T.P., Rukhov A.V., Tkachev A.G., Tugolukov E.N. Functionalization of Carbon Nanotubes: Methods, Mechanisms and Technological Realization. Advanced Materials & Technologies. 2018. 2:18. https://doi.org/10.17277/amt.2018.02.pp.018-041
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
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
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].
Kartel M., Sementsov Yu., Mahno S., Trachevskiy V., Bo Wang Polymer composites filled with multiwall carbon nanotubes. Univers. J. Mater Sci. 2016. 4(2): 23. https://doi.org/10.13189/ujms.2016.040202
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
Terets M.I., Demianenko E.M., Zhuravsky S.V. Сhernyuk О.А., 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. CPTS. 2019. 10(1): 75.
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. Advances in Polymer Technology. 2019. 4:1. (doi: 10.1155/2019/8156718). https://doi.org/10.1155/2019/8156718
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. Nanomat. 2018. 8(9): 680. https://doi.org/10.3390/nano8090680
Sementsov Yu.I., Prikhodko G.P, Kartel N.T., Mahno S.M., Grabovsky Yu.E., Aleksyeyev O.M., Pinchuk-Rugal Т.М. Polypropylene-carbon nanotubes composites: structural features, physical and chemical properties. Surface. 2012. 4(19): 203 [in Ukrainain].
Sementsov Yu.I., Makhno S.N., Zhuravsky S.V., Kartel M.T. Properties of polyethylene-carbon nanotubes composites CPTS. 2017. 8(2): 107 [in Ukrainain]. https://doi.org/10.15407/hftp08.02.107
Sun S. F. Physical Chemistry of Macromolecules: Basic Principles and Issues. (Wiley, New York, 2004).
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
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
Grimme S. Density functional theory with London dispersion corrections. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011. 1: 211. https://doi.org/10.1002/wcms.30
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
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
Gordon А., Ford R. The chemist's companion a handbook of practical data, techniques, and references. (New York: Wiley, 1973).
Smith M. B., March J. March's advanced organic chemistry reactions, mechanisms, and structure. Sixth Edition. (Hoboken, New Jersey: Wiley, 2007).
