The Systems Polyethylene and Polypropylene – CNTs Nanofillers: Quantum-chemical Modeling and Experimental Characteristics

Ю.І. Семенцов; Хао Тан; Донгсін Ван; Є.М. Дем'яненко; М.І. Терець; К.О. Іваненко; О.М. Ігнатенко; С.М. Махно; Н.В. Сігарьова; С.В. Журавський; Ю.В. Гребельна; О.А. Чернюк; М.Т. Картель

doi:10.15330/pcss.25.4.825-837

Автор(и)

Ю.І. Семенцов Нінбо Китайсько-український інститут промислових технологій нових матеріалів, район Чженхай, Нінбо, Китай; Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
Хао Тан Нінбо Китайсько-український інститут промислових технологій нових матеріалів, район Чженхай, Нінбо, Китай
Донгсін Ван Нінбо Китайсько-український інститут промислових технологій нових матеріалів, район Чженхай, Нінбо, Китай
Є.М. Дем'яненко Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
М.І. Терець Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
К.О. Іваненко Нінбо Китайсько-український інститут промислових технологій нових матеріалів, район Чженхай, Нінбо, Китай; Інститут хімії високомолекулярних НАН України, Київ, Україна
О.М. Ігнатенко Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
С.М. Махно Нінбо Китайсько-український інститут промислових технологій нових матеріалів, район Чженхай, Нінбо, Китай; Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
Н.В. Сігарьова Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
С.В. Журавський Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
Ю.В. Гребельна Нінбо Китайсько-український інститут промислових технологій нових матеріалів, район Чженхай, Нінбо,
О.А. Чернюк Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна
М.Т. Картель Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.825-837

Ключові слова:

нанокомпозит, вуглецева нанотрубка, поліетилен, поліпропілен, метод теорії функціоналу густини, дисперсійні сили взаємодії

Анотація

Метою роботи було експериментально та методами квантової хімії дослідити взаємодію графеноподібних нанокластерів з фрагментами полімерів тієї ж природи, але дещо іншої будови, на прикладі поліетилену (ПЕ) та поліпропілену (ПП). Експериментально показано, що армування ПЕ і ПП вуглецевими нанотрубками (ВНТ) шляхом перемішування в розплаві, попередньо розподіленими зі стабільної водної дисперсії на поверхні полімерного порошку, призводить до зміни структурно-механічних і термодинамічних характеристик. Змінюється ступінь кристалічності, розмір області когерентного розсіювання (ОКР), зростає напруження руйнування, деформація руйнування, змінюються термодинамічні характеристики, причому такі зміни характеристик для системи ПП-ВНТ переважають у порівнянні з системою ПЕ-ВНТ.

Розраховано енергію взаємодії графеноподібних фрагментів з олігомерами ПЕ та ПП. Встановлено, що енергія взаємодії графеноподібного нанокластера з поліпропіленовим олігомером є більшою, порівняно з поліетиленовим, що узгоджується з експериментальними даними щодо температур плавлення чистих полімерів та полімерних композитів з нанотрубками. Полімер з поверхнею нановуглецевого фрагмента утворює міжмолекулярний комплекс, який не є ковалентно зв'язаним, а утримується міжмолекулярними дисперсійними силами.

Посилання

Y. Shi, Yu. Hrebelna, E. Demianenko, S. Makhno, K. Ivanenko, S. Hamamda, M. Terets, M. Kartel, Y. Sementsov. The Carbon Nanotubes, Graphene Nanoparticles Their Oxygen Modified Forms and Composites.In: Hamamda, S., Zahaf, A., Sementsov, Y., Nedilko, S., Ivanenko, K. (eds) Proceedings of the 2nd International Conference of Nanotechnology for Environmental Protection and Clean Energy Production. ICNEP 2023. Springer Proceedings in Materials. 45, 29 (2024); https://doi.org/10.1007/978-981-97-1916-7_3.

A.S. Sethulekshmi, A. Saritha, K. Joseph, A comprehensive review on the recent advancements in natural updates rubber nanocomposites, International Journal of Biological Macromolecules 194, 819 (2022); https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.11.134.

J.S. Jayan, A. Saritha, K. Joseph, MoS2: advanced nanofiller for reinforcing polymer matrix, Phys. E Low Dimens. Syst. Nanostruct, 132, 114716 (2021); https://doi.org/10.1016/j.physe.2021.114716.

A.S. Sethulekshmi, J.S. Jayan, A. Saritha, K. Joseph, , Insights into the reinforcibility and multifarious role of WS2 in polymer matrix, J. Alloys Compd, 876, 160107 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160107.

A. Jacob, P. Kurian, A.S. Aprem, Transport properties of natural rubber latex layered clay nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 108(4), 2623 (2008); https://doi.org/10.1002/app.26615.

L. Bokobza, Multiwall carbon nanotube elastomeric composites: A review, Polymer, 48(17), 4907 (2007); https://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.06.046.

W. Bauhofer, J.Z. Kovacs, A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites, Comp. Sci. Technol, 69 (10), 1486 (2009); https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.018.

S. Makhno, O. Lisova, P. Gorbyk, Y. Shi, K. Ivanenko, Y. Sementsov, Estimation of Percolation Threshold and Its Influence on the Properties of Epoxy Resin-Based Polymer Composite Materials Filled Carbon Fibers and Carbon Nanotubes, Springer Proceedings in Materials, 39 (2024); https://doi.org/10.1007/978-981-97-1916-7_4.

Y. Zare, Study of nanoparticles aggregation/agglomeration in polymer particulate nanocomposites by mechanical properties, Composites: Part A, 84, 158 (2016); http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.01.020.

M. Malagù, M. Goudarzi, A. Lyulin, E. Benvenuti, A. Simone, Diameter-dependent elastic properties of carbon nanotube-polymer composites: Emergence of size effects from atomistic-scale simulations, Composites: Part B, 131, 260 (2017); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.07.029.

M. Cen-Puca, A. Oliva-Avilés, F. Avilés, Thermoresistive mechanisms of carbon nanotube/polymer composites, Physica E, 95, 41 (2018); https://doi.org/10.1016/j.physe.2017.09.001.

Y.I. Sementsov, S.N. Makhno, S.V.Zhuravsky, M.T. Kartel, Properties of polyethylene–carbon nanotubes composites, Chemistry, physics and technology of surface, 8(2), 107(2017); https://doi.org/10.15407/hftp08.02.107.

Y.I. Sementsov, М.Т. Kartel, The influence of small concentrations of carbon nanotubes on the structuralization in matrices of different nature, Chemistry, physics and technology of surface, 10(2), 174(2019); https://doi.org/10.15407/hftp10.02.174.

F. Lozovyi, K. Ivanenko, S. Nedilko, S. Revo, S. Hamamda, Thermal analysis of polyethylene + X% carbon nanotubes, Nanoscale Research Letters, 11(1), 97(2016); https://doi.org/10.1186/s11671-016-1315-y.

T.G. Avramenko, N.V. Khutoryanskaya, S.M. Naumenko, K.O. Ivanenko, S.Hamamda, S.L. Revo, Effect of carbon nanofillers on processes of structural relaxation in the polymer matrixes, Springer Proceedings in Physics, 221, 293(2019); https://doi.org/10.1007/978-3-030-17759-1_20.

M.M.J. Treacy, T.W. Ebbesen, J.M. Gibson, Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes, Nature, 381, 678 (1996); https://doi.org/10.1038/381678a0.

A.H. Barber, S.R. Cohen, H.D. Wagner, Measurement of carbon nanotube-polymer interfacial strength, Appl Phys Lett., 82(23), 4140(2003); https://doi.org/10.1063/1.1579568.

K. Mylvaganam, L. C. Zhang, Chemical Bonding in Polyethylene−Nanotube Composites: A Quantum Mechanics Prediction, J. Phys. Chem. B., 108(17), 5217(2004); https://doi.org/10.1021/jp037619i.

S. Tretiak, Triplet state absorption in carbon nanotubes: A TD−DFT study, Nano Lett., 7(8), 2201(2007); https://doi.org/10.1021/nl070355h.

M.G. Ahangari, A. Fereidoon, M.D. Ganji, Density functional theory study of epoxy polymer chains adsorbing onto single-walled carbon nanotubes: electronic and mechanical properties, J Mol. Model., 19, 3127(2013); http://dx.doi.org/10.1007/s00894-013-1852-6.

V.V. Ivanovskaya, A.L. Ivanovsky, About some directions of computer materials science of inorganic nanostructures, Mathematical physics and modelling, 1(1), 7(2009).

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

A.V. Melezhik, Y.I. Sementsov, V.V. Yanchenko, Synthesis of fine carbon nanotubes on coprecipitated metal oxide catalysts, Russian Journal of Applied Chemistry, 78(6), 917(2005); https://doi.org/10.1007/s11167-005-0420-y.

T.M. Pinchuk-Rugal, O.P. Dmytrenko, M.P. Kulish, Y.Y. Grabovskyy, O.S. Nychyporenko, Y.I. Sementsov, V.V. Shlapatskaya, Radiation damages of isotactic polypropylene nanocomposites with multi-walled carbon nanotubes, , Problems of Atomic Science and Technology, 96(2), 10(2015).

A. Patterson, The Scherrer formula for X-Ray particle size determination. Phys. Rev., 56(10), 978 (1939); https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.978.

S.M. Makhno, O.M. Lisova, R.V. Mazurenko, P.P. Gorbyk, K.O. Ivanenko, M.T. Kartel, Yu.I. Sementsov, Electrophysical and strength characteristics of polychlorotrifluoroethylene filled with carbon nanotubes dispersed in graphene suspensions, Applied Nanoscience, 13(12), 7591(2023); https://doi.org/10.1007/s13204-023-02902-6.

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

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

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

K. Jackson, S.K. Jaffar, R.S. Paton, Computational Organic Chemistry, Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. B: Org. Chem., 109, 235(2013); https://doi.org/10.1039/c3oc90007j.

G.R. Hutchison, M.A. Ratner, T.J. Marks, Intermolecular charge transfer between heterocyclic oligomers. effects of heteroatom and molecular packing on hopping transport in organic semiconductors, J. Am. Chem. Soc. 127(48), 16866(2005); https://doi.org/10.1021/ja0533996.

S. Grimme, S. Ehrlich, L. Goerigk, Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory, J Comput Chem., 32(7), 1456(2011); https://doi.org/10.1002/jcc.21759.

S. Grimme, Density functional theory with London dispersion corrections, WIREs Comput. Mol. Sci., 1(2), 211(2011); https://doi.org/10.1002/wcms.30.

A.I. Alrawashdeh, J.B. Lagowski, The role of the solvent and the size of the nanotube in the non-covalent dispersion of carbon nanotubes with short organic oligomers – a DFT study, RSC Adv., 8, 30520 (2018); https://doi.org/10.1039/C8RA02460J.

D.J. Wales, R.S. Berry, Limitations of the Murrell-Laidler Theorem, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 88, 543 (1992); https://doi.org/10.1039/FT9928800543.

S.F. Sun, Physical Chemistry of Macromolecules: Basic Principles and Issues. 2nd ed. (New York: Wiley, 2004).

T.P. Lodge, M. Muthukumar, Physical chemistry of polymers: entropy, interactions, and dynamics. J. Phys. Chem., 100(31), 13275 (1996); https://doi.org/10.1021/jp960244z.

Y. Yang, X. Ding, M.W. Urban Chemical and physical aspects of self-healing materials, Prog. Polym. Sci., 49–50, 34(2015); https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2015.06.001.

S. Nikmatin, A. Syafiuddin, A.B. Hong Kueh, A. Maddu, Thermal, and Mechanical Properties of Polypropylene Composites Filled with Rattan Nanoparticles, Physical, J. Appl. Polym. Sci. Technol., 15(4), 386(2019); https://doi.org/10.1016/j.jart.2017.03.008.

A. Niemczyk, K. Dziubek, B. Sacher-Majewska, K. Czaja, M. Dutkiewicz, B. Marciniec, Study of Thermal Properties of Polyethylene and Polypropylene Nanocomposites with Long Alkyl Chain-Substituted POSS Fillers, J. Therm. Anal. Calorim., 125, 1287(2016); https://doi.org/10.1007/s10973-016-5497-4.

M.L. Minus, H.G. Chae, S. Kumar, Polyethylene crystallization nucleated by carbon nanotubes under shear, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4(1), 326(2012); https://doi.org/10.1021/am2013757.

T. McNally, P. Potschke, P. Halley, M. Murphy, D. Martin, S.E.J. Bell, G.P. Brennan, D. Bein, P. Lemoine, J.P. Quinn, Polyethylene multiwalled carbon nanotube composites, Polymer, 46(19), 8222 (2005); https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.06.094.

O.S. Nychyporenko, O.P. Dmytrenko, M.P. Kulish, T.M. Pinchuk-Rugal, Y.Y. Grabovskyy, A.M. Zabolotnyy, V.V. Strelchuk, A.S. Nikolenko, Y.I. Sementsov, Defects of structure of nanocomposites of polytetrafluorethylene with multiwalled carbon nanotube, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 13(4), 673(2015).

S. Kirkpatrick, Rev Modern Phys., Percolation and Conduction 45, 574 (1973); https://doi.org/10.1103/RevModPhys.45.574 .

A.L. Efros, Physics and geometry of disorder (Moscow: Nauka,1982).

Y.P. Mamunya, Electrical and thermal conductivity of polymer composites with dispersed fillers, Ukrainian Chemistry Journal, 66(3), 55(2000). [in Ukrainian].

A. Quivy, R. Deltour, A.G.M. Jansen, P. WyderTransport phenomena in polymer-graphite composite materials, Phys. Rev. B., 39(2), 1026(1989); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.1026.

I. Balberg, N. Binenbaum, S. Bozovsky, Anisotropic percolation in carbon black-polyvinylchloride composites, Sol St Comm., 47(12), 989(1983); https://doi.org/10.1016/0038-1098(83)90984-5.

M.O. Lisunova, Y.P. Mamunya, N.I. Lebovka, A.V. Melezhyk, Percolation behaviour of ultrahigh molecular weight polyethylene/multi-walled carbon nanotubes composites, European Polymer Journal, 43(3), 949 (2007); https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2006.12.015.

Y. Sementsov, X. Zhang, Kan. Kan, Expanded Graphite and Its Composites (Heilongjiang: Heilongjiang People's Publishing House, 2021).

J.C. Halpin, J.L. Kardos, The Halpin-Tsai equations: A review, Polym. Eng. Sci., 16(5), 344 (1976); https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/pen.760160512.

A. Haque, A. Ramasetty, Theoretical study of stress transfer in carbon nanotubes reinforced polymer matrix composites, Composite Structures, 71(1), 68(2005); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2004.09.029.

M. Kartel, Y. Sementsov, S. Mahno, V. Trachevskiy, WangBo, Polymer Composites Filled with Multiwall Carbon Nanotubes, Universal Journal of Materials Science, 4(2), 23 (2016); http://dx.doi.org/10.13189/ujms.2016.040202.

Y.I. Sementsov, S.M. Makhno, S.V. Zhuravsky, M.T. Kartel, Himia, Properties of polyethylene-carbon nanotubes composites, Fizika ta Tehnologia Poverhni, 8(2), 107(2017); https://doi.org/10.15407/hftp14.04.534.