Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (1), 75-86.

Квантовохімічне дослідження взаємодії вуглецевої нанотрубки з олігомерами поліетилену і поліпропілену



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.01.075

M. I. Terets, E. M. Demianenko, S. V. Zhuravsky, O. A. Сhernyuk, V. S. Kuts, A. G. Grebenyuk, Yu. I. Sementsov, L. M. Kokhtych, M. T. Kartel

Анотація


Результати вивчення властивостей нанокомпозитів вуглецеві нанотрубки-полімер показали, що використання вуглецевих нанотрубок (ВНТ) для наповнення полімерних матриць різних видів суттєво змінює їх фізичні властивості в порівнянні з вихідними полімерами. Однак, вплив ВНТ на властивості одержаних нанокомпозитів на молекулярному рівні остаточно не з’ясовано, тому метою даної роботи було дослідити взаємодію ВНТ з олігомерами полімерів однакової природи, але дещо відмінної будови на прикладі поліетилену і поліпропілену методами квантової хімії.

Методом теорії функціоналу густини з обмінно-кореляційним функціоналом В3LYP, базисним набором 6-31G(d,p) і дисперсійною поправкою Грімме розраховані величини енергії взаємодії фрагментів вуглецевої нанотрубки з олігомеромами поліетилену та поліпропілену, оптимізовані найбільш ймовірні структури їх міжмолекулярних комплексів.

За модель зовнішньої поверхні багатошарових вуглецевих нанототрубок (БШВНТ) було вибрано графеноподібну площину складом С40Н16. Для врахування розмірного ефекту поверхні моделі фрагменту нанотрубки на енергію взаємодії, крім вище описаної, було використано дві моделі більшого розміру, загальною формулою С54Н18 і С96Н24.

Встановлено, що величина енергії взаємодії фрагментa вуглецевої нанотрубки з олігомером поліпропілену більша, в порівнянні з поліетиленом, що узгоджується з експериментальними даними щодо температур плавлення чистих полімерів і композитів нанотрубка-полімер.

Полімер з зовнішньою поверхнею вуглецевої нанотрубки утворює міжмолекулярний комплекс, який не зв’язаний ковалентно і утримується міжмолекулярними дисперсійними силами. Олігомери полімерів і поверхні нанотрубки в утворених нанокомпозитах розміщуються ближче один до одного, ніж окремі полімерні ланки між собою.


Ключові слова


нанокомпозит; вуглецева нанотрубка; поліетилен; поліпропілен; метод теорії функціоналу густини; кластерне наближення; дисперсійні сили взаємодії

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Sheeparamatti B.G, Sheeparamatti R.B. Nanotechnology: Inspiration from nature. IETE Technical Review. 2007. 24(1): 5.

2. Okpala C.C. Nanocomposites – An overview. Int. J. Eng. Res. Dev. 2013. 8(11): 17.

3. Camargo P.H.C., Satyanarayana K.G., Wypych F. Nanocomposites: synthesis, structure, properties and new application opportunities. Mater. Res. 2009. 12(1): 1. https://doi.org/10.1590/S1516-14392009000100002

4. 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. 2018. 8: 9132. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27317-0

5. Taraghi I., Fereidoon A., Paszkiewicz S., Zbigniew R.Nanocomposites based on polymer blends: enhanced interfacial interactions in polycarbonate/ethylene-propylene copolymer blends with multi-walled carbon nanotubes. Compos. Interfaces. 2018. 25(3): 275. https://doi.org/10.1080/09276440.2018.1393253

6. Mishchenko S.V., Tkachev A.G. Carbon nanomaterials. Production, properties, application. (Moscow: Mechanical engineering, 2008). [in Russian].

7. Krychkov Y.A., Krychkov M.V., Vymorkov N.V., Portnova Y.M., Bushansky N.V., Bushansky S.N. Reparation of polymeric nanocomposites by using granulated multilayer carbon nanotubes. Composites and Nanostructures. 2014. 6(4): 223. [in Russian].

8. 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

9. 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

10. Sementsov Yu.I., Makhno S.N., Zhuravsky S.V., Kartel M.T. Properties of polyethylene–carbon nanotubes composites. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2017. 8(2): 107. [in Ukrainain]. https://doi.org/10.15407/hftp08.02.107

11. Sementsov Yu.I., Prikhodko G.P, Kartel N.T., Mahno S.M., Grabovsky Yu.E., Aleksyeyev O.M., Pinchuk-Rugal T.M. Polypropylene-carbon nanotubes composites: structural features, physical and chemical properties. Surface. 2012. 4(19): 203. [in Ukrainian].

12. Kotenok O.V., Makhno S.M., Prikhod'ko G.P., Sementsov Yu.I. Electrophysical properties of system polytetrafluorethylene – carbon nanotubes. Surface. 2009. 1(16): 213. [in Ukrainain].

13. Mazurenko R.V., Zhuravsky S.V., Gunya G.M., Prikhod'ko G.P., Makhno S.N., Gorbik P.P., Kartel M.T. Electrophysical properties of polymer composites on the basis of multiwalled carbon nanotubes synthesized on a basalt scale. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2014. 5(2): 220. [in Ukrainain].

14. Garkusha O.M., Makhno S.M., Prikhod'ko G.P., Sementsov Yu.I., Kartel M.T. Structural features and properties of polymeric nanocomposites with low concentrations of fillers. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2010. 1(1): 103. [in Ukrainain].

15. Mylvaganam K., Zhang L. C. Chemical bonding in polyethylene−nanotube composites: a quantum mechanics prediction. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(17): 5217. https://doi.org/10.1021/jp037619i

16. Tretiak S. Triplet state absorption in carbon nanotubes: a TD−DFT. Study Nano Lett. 2007. 7(8): 2201. https://doi.org/10.1021/nl070355h

17. Ahangari M. G., Fereidoon A., Ganji M.D. Density functional theory study of epoxy polymer chains adsorbing onto single-walled carbon nanotubes: electronic and mechanical properties. J. Mol. Model. 2013. 19(8): 3127. https://doi.org/10.1007/s00894-013-1852-6

18. Ivanovskaya V.V., Ivanovskii A.L. Some approaches in computer material science of inorganic nanostructures. Nanostructures. Mathematical physics and modeling. 2009. 1(1):7. [in Russian].

19. 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. Nanomater. 2018. 8(9): 680. https://doi.org/10.3390/nano8090680

20. Smeu M., Zahid F., Ji W., Guo H., Jaidann M., Abou-Rachid H. Energetic molecules encapsulated inside carbon nanotubes and between graphene layers: dft calculations. J. Phys. Chem. C. 2011. 115(22): 10985. https://doi.org/10.1021/jp201756p

21. Umadevi D., Panigrahi S., Sastry G.N. Noncovalent interaction of carbon nanostructures. Acc. Chem. Res. 2014. 47(8): 2574. https://doi.org/10.1021/ar500168b

22. Voitko K.V., Demianenko E.M., Bakalinska O.M., Tarasenko Yu. Quantum chemical study on thermodynamic and kinetic characteristics of the interaction between hydroxyl radical and graphite–like planes. CPTS. 2017. 8(4): 357.

23. 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

24. 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

25. 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

26. Jackson K., Jaffar S.K., Paton R.S. Computational organic chemistry. Annual Reports Section B (Organic Chemistry). 2013. 109: 235. https://doi.org/10.1039/c3oc90007j

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

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

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

30. Alrawashdeh A.I., Lagowski J.B. 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. 2018. 8(53): 30520. https://doi.org/10.1039/C8RA02460J

31. Dolgonos G.A., Loboda O.A., Boese A.D. Development of embedded and performance of density functional methods for molecular crystals. J. Phys. Chem. A. 2018. 122(2): 708. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.7b12467

32. Boese A.D., Sauer J. Embedded and DFT calculations on the crystal structures of small alkanes, notably propane. Cryst. Growth. Des. 2017. 17(4): 1636. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.6b01654

33. Wales D.J., Berry R.S. Limitations of the Murrell-Laidler theorem. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1992. 88(4): 543. https://doi.org/10.1039/FT9928800543

34. Sun S.F. Physical Chemistry of Macromolecules: Basic Principles and Issues. 2nd ed. (New York: Wiley, 2004). https://doi.org/10.1002/0471623571

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

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

37. Nikmatin S., Syafiuddin A., Beng Hong Kueh A., Maddu A. Physical, thermal, and mechanical properties of polypropylene composites filled with rattan nanoparticles. J. Appl. Polym. Sci. Tech. 2017. 15(4): 386. https://doi.org/10.1016/j.jart.2017.03.008

38. Grebowicz J., Lau S.F., Wunderlich B. The thermal properties of polypropylene J. Polym. Sci. Polym. Symp. 1984. 71(1): 19. https://doi.org/10.1002/polc.5070710106

39. Niemczyk A., Dziubek K., Sacher-Majewska B., Czaja K., Dutkiewicz M., Marciniec B. Study of thermal properties of polyethylene and polypropylene nanocomposites with long alkyl chain-substituted POSS fillers. J. Therm. Anal. Calorim. 2016. 125(3): 1287. https://doi.org/10.1007/s10973-016-5497-4

40. Jouni M., Boudenne A., Boiteux G., Massardier V., Garnier B., Serghei A. Electrical and thermal properties of polyethylene/silver nanoparticle composites. Polym. Compos. 2013. 34(5): 778. https://doi.org/10.1002/pc.22478




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.01.075

Copyright (©) 2019 M. I. Terets, E. M. Demianenko, S. V. Zhuravsky, O. A. Сhernyuk, V. S. Kuts, A. G. Grebenyuk, Yu. I. Sementsov, L. M. Kokhtych, M. T. Kartel