Photopolymerization and photodegradation of polymers after long-term UV light exposure

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

doi:10.15330/pcss.26.4.718-732

Автор(и)

Т.С. Кавецький Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, м. Дрогобич, Україна; Інститут фізики Словацької академії наук, м. Братислава, Словаччина; Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, м. Одеса, Україна
О.В. Зубрицька Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, м. Дрогобич, Україна
О.І. Мацьків Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, м. Дрогобич, Україна
М. Стівенард Кафедра хімії, IUT de LILLE, Villeneuve d’Ascq, м. Лілль, Франція
О. Шауша Інститут фізики Словацької академії наук, м. Братислава, Словаччина; Кафедра ядерної хімії, ФПН, Університет Коменського, м. Братислава, Словаччина
Х. Швайдленкова Кафедра ядерної хімії, ФПН, Університет Коменського, м. Братислава, Словаччина; Інститут полімерів, Словацька академія наук, м. Братислава, Словаччина
В.М. Соловйов Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, м. Одеса, Україна; Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна
А.О. Бєлінський Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна; Київський національний економічний університет імені Вадима Гетьмана, м. Київ, Україна
Й. Остраускайте Каунаський технологічний університет, м. Каунас, Литва
А.Ю. Ків Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К.Д. Ушинського, м. Одеса, Україна; Неґевський університет Бен-Гуріона, м. Беер-Шева, Ізраїль

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.718-732

Ключові слова:

фотополімеризація, фотодеградація, ультрафіолетове світло, опромінення, полімери, вільний об’єм, властивості, фотоструктурні зміни, комп’ютерне моделювання, рекурентний аналіз

Анотація

Протягом останніх двох десятиліть дослідження фотостимульованих процесів у полімерних матеріалах набули нового імпульсу, зумовленого як зростаючим попитом на функціональні полімери з контрольованими властивостями, так і необхідністю розуміння їхньої довгострокової стабільності в експлуатаційних умовах. Сучасні підходи поєднують розробку нових матеріалів, таких як системи фотополімеризації для 3D-друку та біосенсорики, з глибоким фундаментальним вивченням механізмів фотоіндукованих змін, включаючи роль вільного об’єму та динаміку молекулярних рухів. Відомо, що опромінення ультрафіолетовим світлом впливає на матеріали та, можливо, змінює їхні властивості за певних умов через існування «підпорогових радіаційних ефектів». Реакції полімеризації також можуть потребувати впливу світла, це фотополімеризація, і вплив ультрафіолетового світла є дуже хорошим способом для запуску цих реакцій. Однак ультрафіолетове світло може руйнувати полімер, якщо він піддається йому протягом тривалого періоду часу. У цьому випадку новоутворений полімер зазнає змін у своїй сітчастій структурі, що може змінити його властивості. Для отримання інформації про властивості сітки полімерної матриці на основі акрилованої епоксидованої соєвої олії (AESO) та ваніліндиметакрилату (VDM) з фотоініціатором (2,2-диметокси-2-фенілацетофенон) (DMPA) та без нього, згідно із запропонованим протоколом вмикання/вимикання світла з урахуванням тривалого впливу ультрафіолетового опромінення, було використано комбінацію позитронної анігіляційної спектроскопії часу життя (PALS), інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є з ослабленим повним відбиттям (ATR-FTIR) та електронного парамагнітного резонансу (EPR) у доповненні з комп’ютерним моделюванням за використання рекурентного аналізу.

Посилання

A.E. Kiv, V.N. Soloviev, A.O. Bielinskyi, M.A. Slusarenko, T.S. Kavetskyy, O. Šauša, H. Švajdlenková, I.I. Donchev, N.K. 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.

T. Kavetskyy, O. Smutok, M. Goździuk-Gontarz, B. Zgardzińska, Y. Kukhazh, K. Zubrytska, N. Hoivanovych, O. Šauša, O. Demkiv, N. Stasyuk, M. Gonchar, J. Ostrauskaite, A. Kiv, E. Katz, Impact of chemical composition of soybean oil and vanillin-based photocross-linked polymers on parameters of electrochemical biosensors, Microchemical Journal, 201, 110618 (2024); https://doi.org/10.1016/j.microc.2024.110618.

M. Goździuk, B. Zgardzińska, T. Kavetskyy, Research on the sorption properties of biopolymer matrix based on soybean oil for the construction of biosensors to detect xenobiotics, Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement, 15, 4-A5 (2022); https://doi.org/10.5506/APhysPolBSupp.15.4-A5.

M. Goździuk, T. Kavetskyy, D. Massana Roquero, O. Smutok, M. Gonchar, D.P. Královič, H. Švajdlenková, O. Šauša, P. Kalinay, H. Nosrati, M. Lebedevaite, S. Grauzeliene, J. Ostrauskaite, A. Kiv, B. Zgardzińska, UV-cured green polymers for biosensorics: correlation of operational parameters of highly sensitive biosensors with nano-volumes and adsorption properties, Materials, 15, 6607 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15196607.

M. Goździuk, B. Zgardzińska, T. Kavetskyy, K. Zubrytska, O. Smutok, O. Šauša, M. Lebedevaite, J. Ostrauskaite, A. Kiv, Nanostructure research and amperometric testing to determine the detection capabilities of biopolymer matrices based on acrylated epoxidized soybean oil, Acta Physica Polonica A, 139(4), 432 (2021); https://doi.org/10.12693/APhysPolA.139.432.

T. Kavetskyy, Y. Kukhazh, K. Zubrytska, O. Smutok, O. Demkiv, M. Gonchar, O. Šauša, H. Švajdlenková, S. Kasetaite, J. Ostrauskaite, V. Boev, V. Ilcheva, T. Petkova, Controlling the network properties of polymer matrices for improvement of amperometric enzyme biosensors: contribution of positron annihilation, Acta Physica Polonica A, 137(2), 246 (2020); https://doi.org/10.12693/APhysPolA.137.246.

C. Mendes-Felipe, I. Isusi, O. Gómez-Jiménez-Aberasturi, S. Prieto-Fernandez, L. Ruiz-Rubio, M. Marco Sangermano, J.L. Vilas-Vilela, One-step method for direct acrylation of vegetable oils: A biobased material for 3D printing, Polymers, 15, 3136 (2023); https://doi.org/10.3390/polym15143136.

S. Grauzeliene, A.-S. Schuller, C. Delaite, J. Ostrauskaite, Biobased vitrimer synthesized from 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, tetrahydrofurfuryl methacrylate and acrylated epoxidized soybean oil for digital light processing 3D printing, European Polymer Journal, 198, 112424 (2023); https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.112424.

S. Grauzeliene, B. Kazlauskaite, E. Skliutas, M. Malinauskas, J. Ostrauskaite, Photocuring and digital light processing 3D printing of vitrimer composed of 2-hydroxy-2-phenoxypropyl acrylate and acrylated epoxidized soybean oil, Express Polymer Letters, 17(1), 54 (2023); https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2023.5.

M. Lebedevaite, V. Talacka, J. Ostrauskaite, High biorenewable content acrylate photocurable resins for DLP 3D printing, Journal of Applied Polymer Science, 138, e50233 (2021); https://doi.org/10.1002/app.50233.

M. Lebedevaite, J. Ostrauskaite, Influence of photoinitiator and temperature on photocross-linking kinetics of acrylated epoxidized soybean oil and properties of the resulting polymers, Industrial Crops & Products, 161, 113210 (2021); https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.113210.

A. Navaruckiene, E. Skliutas, S. Kasetaite, S. Rekštytė, V. Raudoniene, D. Bridziuviene, M. Malinauskas, J. Ostrauskaite, Vanillin acrylate-based resins for optical 3D printing, Polymers, 12, 397 (2020); https://doi.org/10.3390/polym12020397.

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

H. Švajdlenková, A. Kleinová, O. Šauša, J. Rusnák, T.A. Dung, T. Koch, P. Knaack, Microstructural study of epoxy-based thermosets prepared by “classical” and cationic frontal polymerization, RSC Advances, 10, 41098 (2020); https://doi.org/10.1039/D0RA08298H.

R.A. Pethrick, Positron annihilation – A probe for nanoscale voids and free volume?, Progress in Polymer Science, 22, 1 (1997); https://doi.org/10.1016/S0079-6700(96)00023-8.

T. Goworek, Positronium as a probe of small free volumes in crystals, polymers and porous media, Annales Universitatis Mariae Curie-Sklodowska, Lublin – Polonia, 69, 1 (2014); https://doi.org/10.2478/umcschem-2013-0012.

M. Petriska, S. Sojak, V. Slugeň, Positron lifetime setup based on DRS4 evaluation board, Journal of Physics: Conference Series, 505, 012044 (2014); https://doi.org/10.1088/1742-6596/505/1/012044.

M. Petriska, S. Sojak, V. Kršjak, V. Slugeň, Digital triple coincidence positron lifetime setup with DRS4 and its benefits, AIP Conference Proceedings, 2411, 080009 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0067492.

J. Kansy, Microcomputer program for analysis of positron annihilation lifetime spectra, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 374, 235 (1996); https://doi.org/10.1016/0168-9002(96)00075-7.

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.

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.

J. Coates, Interpretation of Infrared Spectra, A Practical Approach, in Encyclopedia of Analytical Chemistry, John Wiley & Sons, Ltd, pp. 1-23 (2006); https://doi.org/10.1002/9780470027318.a5606.

H.-E. Shim, B.-M. Lee, D.-H. Lim, Y.-R. Nam, H.-J. Gwon, A comparative study of gamma-ray irradiation-induced oxidation: polyethylene, poly (vinylidene fluoride), and polytetrafluoroethylene, Polymers, 14, 4570 (2022); https://doi.org/10.3390/polym14214570.

S. Liu, Q. Li, J. Wang, M. Lu, W. Zhang, K. Wang, W. Liu, M. Wang, Study on the post-irradiation oxidation of polyethylenes using EPR and FTIR technique, Polymer Degradation and Stability, 196, 109846 (2022); https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109846.

J.-P. Eckmann, S.O. Kamphorst, D. Ruelle, Recurrence plots of dynamical systems, Europhysics Letters, 4(9), 973 (1987); https://doi.org/10.1209/0295-5075/4/9/004.

N. Marwan, M.C. Romano, M. Thiel, J. Kurths, Recurrence plots for the analysis of complex systems, Physics Reports, 438(5–6), 237 (2007); https://doi.org/10.1016/j.physrep.2006.11.001.

C.L. Webber, Jr., J.P. Zbilut, Dynamical assessment of physiological systems and states using recurrence plot strategies, Journal of Applied Physiology, 76(2), 965 (1994); https://doi.org/10.1152/jappl.1994.76.2.965.

L.L. Trulla, A. Giuliani, J.P. Zbilut, C.L. Webber, Jr., Recurrence quantification analysis of the logistic equation with transients, Physics Letters A, 223(4), 255 (1996); https://doi.org/10.1016/S0375-9601(96)00741-4.

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.

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.