Аномальна термостійкість атомних фрагментів деструкції в полімерних нанокомпозитах
Анотація
Досліджена термодеструкція композитів карбомідоформальдегідної (КФС) та поліефірної смол (ПЕС) з наночастинками діоксиду кремнію з питомою поверхнею 280 м2/г, діоксиду титану та титанокремнезему з питомою поверхнею, відповідно 40 та 48 м2/г за вмісту наповнювачів не більше 5.0 мас %.
Дослідження виконані методом термопрограмованої десорбційної мас-спектрометрії з реєстрацією маси десорбованих атомних фрагментів в інтервалі 10 – 200 m/z.
Встановлено, що при руйнуванні основної полімерної маси за температур 150 - 350 оС, із низькотемпературною деструкцією проявляється аномально висока термостійкість ряду атомних фрагментів полімерних ланцюгів та поперечних зв’язків. Визначені атомний склад фрагментів деструкції, температурні межі десорбції в інтервалі 400 ‒ 700 оС.
Встановлено, що в композитах карбомідоформальдегідної смоли аномальна деструкція фрагментів з m/z 27 реалізується за наповнення наночастинками SiO2 і TiO2 внаслідок утворення міцних зв’язків Si та Ti поверхневих центрів з атомом азоту полімеру та не спостерігається в композитах із (Si/Ti)O2. В композитах поліефірної смоли з високодисперсним кремнеземом реалізується високотемпературна деструкція атомів кисню з поліефірних ланцюгів за температур 290 ‒ 400 оС та слабоінтенсивна широка смуга деструкції в інтервалі температур 400 ‒ 700 оС. Крім того, в температурному інтервалі 400 ‒ 700 оС руйнуються поперечні зв’язки з десорбцією бензольного кільця та молекули стиролу.
Встановлено, що аномально високотемпературна десорбція характерна для атомних фрагментів полімерної структури закріплених на поверхневих Si та Ti через атоми азоту або вуглецю в складі полімерної структури. Таким чином, в композитах КФС з оксидами кремнію та титану утворюються міцні хімічні нітридні зв’язки виду Si-N≡C-Н та Ti-N≡C-Н, які демонструють аномально високу термостійкість. Показано, що в композитах поліефірної смоли з наночастинками діоксиду кремнію високотемпературна деструкція фрагментів обумовлена їх десорбцією з поверхні частинок діоксиду кремнію при розриві їх зв’язків з атомами кремнію. Таким чином, визначено полімерні матриці, в яких атомні фрагменти макромолекули, зв’язуючись з поверхневими центрами наповнювачів істотно послаблюють терморуйнування композитів внаслідок утворення міцного хімічного та координаційного зв’язків.
Посилання
1. Sanchez E.M.S., Zavaglia C.A.C., Felisberti M.I. Unsaturated polyester resins: influence of the styrene concentration on the miscibility and mechanical properties. Polymer. 2000. 41(2): 765. doi:10.1016/S0032- 3861(99)00184-6. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00184-6
2. Gao Y., Romero P., Zhang H., Huang M., Lai F. Unsaturated polyester resin concrete: A review. Constr Build Mater. 2019. 228(2):116709. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116709
3. Dholakiya B. Unsaturated polyester resin for specialty applications. Polyester. InTech.https://doi.org/10.5772/2748
4. Dorieh A., Selakjani P., Hassan Shahavi H., Pizzi A., Sogand Ghafari Movahed S., Pour M., Aghaei R. Recent developments in the performance of micro/nanoparticle-modified urea-formaldehyde resins used as wood-based composite binders: A review. Int. J. Adhesion and Adhesives. 2022. 114: 103106.https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2022.103106
5. Dunky M. Urea-formaldehyde (UF) adhesive resins for wood. Int. J. Adhesion and Adhesives. 1998. 18(2): 95. https://doi.org/10.1016/S0143-7496(97)00054-7
6. Pielchowski K., Njuguna J. Thermal Degradation of Polymeric Materials. (Shawbury: Rapra Technology Limited, 2005).
7. Faupel F., Zaporojtchenko B., Strunskus T., Elbahri M. Metal-Polymer nanocomposites for functional applications. Adv. Eng. Materials. 2010. 12(2): 1045. https://doi.org/10.1002/adem.201000231
8. Ashwini A., Varun R., Chandramohan S, Dipti V. Investigation of properties and japplications of ZnO polymer nanocomposites. Polymer Bulletin. 2022. 80(4): 3507.https://doi.org/10.1007/s00289-022-04243-w
9. Zavyalov S.A., Pivkina A.N., Schoonman J. Formation and characterization of metal-polymer nanostructured composites. Solid State Ionics. 2002. 147(3-4): 415. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00038-3
10. Palza H. Antimicrobial Polymers with Metal Nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2015. 16(1): 2099 - 2116. https://doi.org/10.3390/ijms16012099
11. Ushakova L.M., Ivanenko K.I., Sigareva N.V., Terets М.І., Kartel М.Т., Sementsov Yu.І. Influence of nanofiller on the structure and properties of macromolecular compound. Phys Chem Solid State. 2022. 23: 394. https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.394-400
12. Gorelov B. M. Effect of oxide fillers on thermal destruction of unsaturated polyester resin. Chemistry, Physics & Technology of Surface / Khimiya, Fizyka ta Tekhnologiya Poverhni. 2011. 2(2): 201. [in Ukrainian].
13. Grassie N., Scott G. Polymer degradation and stabilization. (Cambridge, UK, 1988).
14. Pielchowski K., Njuguna J. Thermal Degradation of Polymeric Materials. (Shawbury: Rapra Technology Limited, 2005).
15. Gorelov B.M., Mishchenko V.N., Girchenko A.G. Destruction of urea-formaldehyde resin filled with silica materials. Surface. 2009. 1(16): 136. [in Russian].
16. Gorelov B., Gorb A., Korotchenkov O.A., Nadtochiy A., Polovina O., Sigareva N. Impact of titanium and silica/titanium fumed oxide nanofillers on the elastic properties and thermal decomposition of a polyester resin. J Appl Polym Sci. 2015. 132: 42010.https://doi.org/10.1002/app.42010
17. Pączkowski P., Puszka A., Gawdzik B. Investigation of degradation of composites based on unsaturated polyester resin and vinyl ester resin. Materials. 2022. 15: 1286. https://doi.org/10.3390/ma15041286
18. Zaulychny Ya.V., Khyzhniak V. H., Lazarev N. S., and Khyzhniak O. V. Electronic Structure and Microhardness of Ti, V, Cr Carbide Coatings on Steel U10A. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2016. 38(4): 531. [in Ukrainian] https://doi.org/10.15407/mfint.38.04.0531
19. Ostafiychuk B. K., and Popovych D. I. Physicochemical properties of low-dimensional laser-formed oxide and nitride structures. Bulletin of the Precarpathian University. 2014. 3: 70. [in Ukrainian].
20. Takafumi Y., Soon-Ku H. Oxide and Nitride Semiconductors. Processing, Properties, and Applications. (Berlin: Springer, 2009).
21. Pokrovskiy V.A. Mass spectrometry of nanostructured systems. Surface. 2010. 2(17): 63. [in Russian].
22. Physics and Chemistry of Surfaces. (Ed. Kartel M.T. and Lobanov V.V. Kyiv: Institute of Surface Chemistry. A.A. Chuiko of the National Academy of Sciences of Ukraine; NPP Interservice LLC, 2018). [in Russian].
