A correlation between formation of free radicals and double bonds conversion during photopolymerization by EPR and NIR study and complex systems theory approach

Editorial Board PCSS Journal; Т.С. Кавецький; О.І. Мацьків; О. Шауша; Г. Швайдленкова; В.М. Соловйов; А.О. Бєлінський; А.В. Тужиков; Й. Остраускайте; А.Ю. Ків

doi:10.15330/pcss.27.2.299-309

Автор(и)

Т.С. Кавецький Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна; Інститут фізики Словацької академії наук, Братислава, Словаччина; Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, Одеса, Україна
О.І. Мацьків Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна
О. Шауша Інститут фізики Словацької академії наук, Братислава, Словаччина; Кафедра ядерної хімії, ФПН, Університет Коменського, Братислава, Словаччина
Г. Швайдленкова Кафедра ядерної хімії, ФПН, Університет Коменського, Братислава, Словаччина; Інститут полімерів, Словацька академія наук, Братислава, Словаччина
В.М. Соловйов Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, Одеса, Україна; Київський національний економічний університет імені Вадима Гетьмана, Київ, Україна
А.О. Бєлінський Державний університет економіки і технологій, Кривий Ріг, Україна; Київський національний економічний університет імені Вадима Гетьмана, Київ, Україна
А.В. Тужиков Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, Одеса, Україна
Й. Остраускайте Каунаський технологічний університет, Каунас, Литва
А.Ю. Ків Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, Одеса, Україна; Неґевський університет Бен-Гуріона, Беер-Шева, Ізраїль

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.299-309

Ключові слова:

фотополімеризація, фотодеградація, ультрафіолетове світло, опромінення, полімери, композит, ЕПР спектроскопія, ІЧ спектроскопія, структура, властивості, теорія складних систем

Анотація

Досліджено фотополімеризацію акрилованої епоксидованої соєвої олії (AESO) та ваніліндиметакрилату (VDM) з фотоініціатором (2,2-диметокси-2-фенілацетофеноном) (DMPA) in-situ за допомогою методів електронного парамагнітного резонансу (EPR) та ближньої інфрачервоної (NIR) спектроскопії. Виявлено кореляцію між концентрацією вільних радикалів, визначеною зі спектрів EPR, та площею піку перетворення подвійних зв’язків, визначеною зі спектрів NIR, як функцію часу УФ-опромінення для досліджуваного полімерного композиту. Спостережувана кореляція добре узгоджується з прогнозом явищ фотополімеризації та фотодеградації у межах підходу теорії складних систем.

Посилання

D.P. Královič, K. Cifraničová, O. Šauša, H. Švajdlenková, T. Kavetskyy, A. Kiv, The process of photopolymerization of acrylated soybean oil-based epoxides investigated by positron annihilation lifetime spectroscopy, Chemical Papers, 77, 7257 (2023); https://doi.org/10.1007/s11696-022-02607-0.

D.P. Královič, K. Cifraničová, H. Švajdlenková, D. Tóthová, O. Šauša, P. Kalinay, T. Kavetskyy, J. Ostrauskaite, O. Smutok, M. Gonchar, V. Soloviev, A. Kiv, Effect of aromatic rings in AESO-VDM biopolymers on the local free volume and diffusion properties of polymer matrix, Journal of Polymers and the Environment, 32, 2336 (2024); https://doi.org/10.1007/s10924-023-03097-1.

T. Kavetskyy, O. Zubrytska, M. Stievenard, O. Šauša, H. Švajdlenková, V. Soloviev, A. Bielinskyi, J. Ostrauskaite, A. Kiv, Complex network methods, PALS, ATR-FTIR and EPR study of photopolymerization, In: P. Petkov, M.E. Achour, C. Popov (Eds.), Nanotechnological Advances in Environmental, Cyber and CBRN Security. NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. Springer, Dordrecht, Chap. 19, 265 (2025); https://doi.org/10.1007/978-94-024-2316-7_19.

T.S. Kavetskyy, O.V. Zubrytska, O.I. Matskiv, M. Stievenard, O. Šauša, H. Švajdlenková, V.M. Soloviev, A.O. Bielinskyi, J. Ostrauskaite, A.E. Kiv, Photopolymerization and photodegradation of polymers after long-term UV light exposure, Physics and Chemistry of Solid State, 26(4), 718 (2025); https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.718-732.

F. Heylighen, Complexity and Self-organization, in M.J. Bates & M.N. Maack (Eds.), Encyclopedia of Library and Information Science (3rd ed.), Taylor & Francis, (2009); http://pespmc1.vub.ac.be/PAPERS/ELIS-complexity.pdf.

I. Prigogine, I. Stengers, Order out of Chaos. Bantam Books, (1984).

G. Nicolis, I. Prigogine, Self-organization in Nonequilibrium Systems: From Dissipative Structures to Order through Fluctuations, Wiley, (1977).

D. Kondepudi, I. Prigogine, Modern thermodynamics: From heat engines to dissipative structures (2nd ed.). Wiley, (2014).

H. Haken, Information and Self-organization: A Macroscopic Approach to Complex Systems, Springer-Verlag, (2000).

C. Jarzynski, Nonequilibrium equality for free energy differences, Physical Review Letters, 78(14), 2690 (1997); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.

G.E. Crooks, Entropy production fluctuation theorem and the nonequilibrium work relation for free energy differences, Physical Review E, 60(3), 2721 (1999); https://doi.org/10.1103/PhysRevE.60.2721.

J.M.R. Parrondo, C. Van den Broeck, R. Kawai, Entropy production and the arrow of time, New Journal of Physics, 11, 073008 (2009); https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/7/073008.

E. Ott, Chaos in Dynamical Systems (2nd ed.), Cambridge University Press, (2002).

M. Mitchell, Complexity: A Guided Tour, Oxford University Press, (2009).

D.L. Turcotte, J.B. Rundle, Self-organized complexity in the physical, biological, and social sciences, Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (1), 2463 (2002); https://doi.org/10.1073/pnas.012579399.

B.B. Mandelbrot, The Fractal Geometry of Nature, W.H. Freeman, (1982).

Y. Bar-Yam, Multiscale variety in complex systems, Complexity, 9(4), 37 (2004); https://doi.org/10.1002/cplx.20014.

C.N. Bowman, C.J. Kloxin, Toward an enhanced understanding and implementation of photopolymerization reactions, AIChE Journal, 54(11), 2775 (2008); https://doi.org/10.1002/aic.11678.

C. Decker, Kinetic study and new applications of UV radiation curing, Macromolecular Rapid Communications, 23(18), 1067 (2002); https://doi.org/10.1002/marc.200290014.

M. Lang, S. Hirner, F. Wiesbrock, P. Fuchs, A review on modeling cure kinetics and mechanisms of photopolymerization, Polymers, 14(10), 2074 (2022); https://doi.org/10.3390/polym14102074.

A.K. O’Brien, C.N. Bowman, Modeling thermal and optical effects on photopolymerization systems, Macromolecules, 36(20), 7777 (2003); https://doi.org/10.1021/ma034070c.

K.S. Anseth, C.M. Wang, C.N. Bowman, Kinetic evidence of reaction diffusion during the polymerization of multi(meth)acrylate monomers, Macromolecules, 27(3), 650 (1994); https://doi.org/10.1021/ma00081a004.

H. Švajdlenková, O. Šauša, G. Peer, C. Gorsche, In situ investigation of the kinetics and microstructure during photopolymerization by positron annihilation technique and NIR-photorheology, RSC Advances, 8(65), 37085 (2018); https://doi.org/10.1039/C8RA07578F.

C. Decker, A.D. Jenkins, Kinetic approach of oxygen inhibition in ultraviolet- and laser-induced polymerizations, Macromolecules, 18(6), 1241 (1985); https://doi.org/10.1021/ma00148a034.

J.S. Young, C.N. Bowman, Effect of polymerization temperature and cross-linker concentration on reaction diffusion controlled termination, Macromolecules, 32(19), 6073 (1999); https://doi.org/10.1021/ma9902955.

P. Bak, C. Tang, K. Wiesenfeld, Self-organized criticality: An explanation of 1/f noise, Physical Review Letters, 59(4), 381 (1987); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.381.

P. Bak, C. Tang, K. Wiesenfeld, Self-organized criticality, Physical Review A, 38(1), 364 (1988); https://doi.org/10.1103/PhysRevA.38.364.

S. Montserrat, F. Román, P. Colomer, Vitrification and dielectric relaxation during the isothermal curing of an epoxy-amine resin, Polymer, 44(1), 101 (2003); https://doi.org/10.1016/S0032-3861(02)00745-0.

A.E. Kiv, V.N. Soloviev, A.O. Bielinskyi, M.A. Slusarenko, T.S. Kavetskyy, O. Šauša, H. Švajdlenková, I.I. Donchev, N. Hoivanovych, L.I. Pankiv, O.V. Nykolaishyn, O.R. Mushynska, O.V. Zubrytska, A.V. Tuzhykov, M. Kushniyazova, Multifractal signatures of light-driven self-organization in acrylated epoxidized soybean oil polymers, Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 27(3), 366 (2024); https://doi.org/10.15407/spqeo27.03.366.

L. Lacasa, A.M. Núñez, E. Roldán, J.M.R. Parrondo, B. Luque, Time series irreversibility: A visibility graph approach, The European Physical Journal B, 85, 217 (2012); https://doi.org/10.1140/epjb/e2012-20809-8.

J.H. Martínez, J.L. Herrera-Diestra, M. Chavez, Detection of time reversibility in time series by ordinal patterns analysis, Chaos, 28(12), 123111 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5055855.

C. Bandt, B. Pompe, Permutation entropy: A natural complexity measure for time series, Physical Review Letters, 88(17), 174102 (2002); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.174102.

M. Zanin, A. Rodríguez-González, E. Menasalvas Ruiz, D. Papo, Assessing time series reversibility through permutation patterns, Entropy, 20(9), 665 (2018); https://doi.org/10.3390/e20090665.

L. Lacasa, B. Luque, F. Ballesteros, J. Luque, J.C. Nuño, From time series to complex networks: The visibility graph, Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(13), 4972 (2008); https://doi.org/10.1073/pnas.0709247105.

B. Luque, L. Lacasa, F. Ballesteros, J. Luque, Horizontal visibility graphs: Exact results for random time series, Physical Review E, 80(4), 046103 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevE.80.046103.

L. Lacasa, R. Flanagan, Time reversibility from visibility graphs of nonstationary processes, Physical Review E, 92(2), 022817 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.022817.

J.F. Donges, R.V. Donner, J. Kurths, Testing time series irreversibility using complex network methods, Europhysics Letters, 102, 10004 (2013); https://doi.org/10.1209/0295-5075/102/10004.

H. Xiong, P. Shang, F. Hou, Y. Ma, Visibility graph analysis of temporal irreversibility in sleep electroencephalograms, Nonlinear Dynamics, 96(1), 1 (2019); https://doi.org/10.1007/s11071-019-04768-2.

Y. Li, J. Li, J. Liu, Y. Xue, Z. Cao, C. Liu, Variations of time irreversibility of heart rate variability under normobaric hypoxic exposure, Frontiers in Physiology, 12, 607356 (2021); https://doi.org/10.3389/fphys.2021.607356.

D. Zhao, X. Yang, W. Song, W. Zhang, D. Huang, Visibility graph analysis of the sea surface temperature irreversibility during El Niño events, Nonlinear Dynamics, 111, 17393 (2023); https://doi.org/10.1007/s11071-023-08762-7.

R. Flanagan, L. Lacasa, Irreversibility of financial time series: A graph-theoretical approach, Physics Letters A, 380(20), 1689 (2016); https://doi.org/10.1016/j.physleta.2016.03.011.

B. Acosta-Tripailao, D. Pastén, P.S. Moya, Applying the horizontal visibility graph method to study irreversibility of electromagnetic turbulence in non-thermal plasmas, Entropy, 23(4), 470 (2021); https://doi.org/10.3390/e23040470.

M. Zanin, D. Papo, Algorithmic approaches for assessing irreversibility in time series: Review and comparison, Entropy, 23(11), 1474 (2021); https://doi.org/10.3390/e23111474.

A. Kiv, A. Bryukhanov, V. Soloviev, A. Bielinskyi, T. Kavetskyy, D. Dyachok, I. Donchev, V. Lukashin, Complex network methods for plastic deformation dynamics in metals, Dynamics, 3(1), 34 (2023); https://doi.org/10.3390/dynamics3010004.

A.B. Kousaalya, B. Ayalew, S. Pilla, Photopolymerization of acrylated epoxidized soybean oil: A photocalorimetry-based kinetic study, ACS Omega, 4(26), 21799 (2019); https://doi.org/10.1021/acsomega.9b02680.

M. Lebedevaite, J. Ostrauskaite, E. Skliutas, M. Malinauskas, Photoinitiator free resins composed of plant-derived monomers for the optical µ-3D printing of thermosets, Polymers, 11(1), 116 (2019); https://doi.org/10.3390/polym11010116.

M. Bodor, A. Lasagabáster-Latorre, G. Arias-Ferreiro, M.S. Dopico-García, M.-J. Abad, Improving the 3D printability and mechanical performance of biorenewable soybean oil-based photocurable resins, Polymers, 16(7), 977 (2024); https://doi.org/10.3390/polym16070977.

R. Saraswat, Shagun, A. Dhir, A., A.S.S. Balan, S. Powar, M. Doddamani, Synthesis and application of sustainable vegetable oil-based polymers in 3D printing, RSC Sustainability, 2(6), 1708 (2024); https://doi.org/10.1039/d4su00060a.

Y. Zhang, H. Zhang, X. Zhao, In-situ interferometric curing monitoring for digital light processing based vat photopolymerization additive manufacturing, Additive Manufacturing, 81, 104001 (2024); https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104001.