ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Методами квантової хімії досліджувалась взаємодія графену з фрагментами поліхлортрифторетилену. В межах теорії функціоналу густини з обмінно-кореляційним функціоналом В3LYP, базисним набором         6-31G(d,p) і дисперсійною поправкою Грімме та методом теорії збурень Меллера-Плесета другого порядку (МР2) розраховані величини енергії взаємодії графену з олігомерами поліхлортрифторетилену і оптимізовані найбільш ймовірні структури їхніх міжмолекулярних комплексів. За модель графену було обрано графеноподібні площини різного розміру, а саме: С₄₀Н₁₆, С₅₄Н₁₈ та С₉₆Н₂₄.

Олігомери поліхлортрифторетилену і графеноподібних площин у сформованих нанокомпозитах розташовані ближче один до одного, ніж окремі полімерні ланки між собою.

Порівнюючи результати розрахунку методами B3LYP-D3/6-31G(d,p) і МР2/6-31G(d,p) як у випадку взаємодій олігомерів поліхлортрифторетилену між собою, так і міжмолекулярних комплексів олігомерів поліхлортрифторетилену і графеноподібних площин, з’ясовано, що для методу Меллера-Плесета другого порядку характерна більша міжмолекулярна відстань і менша енергія міжмолекулярних взаємодій в порівнянні з методом теорії функціонала густини з дисперсійною поправкою Грімме, що пояснюється тим, що в методі МР2 не повністю враховані відносно малі складові дисперсійних взаємодій.

Аналіз результатів розрахунку методами квантової хімії свідчить про те, що додавання графеноподібних площин до полімера поліхлортрифторетилену веде до збільшення енергії міжмолекулярної взаємодії незалежно від використаного методу розрахунку і розмірів олігомерів поліхлортрифторетилену та графеноподібних площин. Це може свідчити про більшу міцність і термічну стабільність нанокомпозиту на основі графеноподібних площин з олігомерами поліхлортрифторетилену.

Нульове значення вільної енергії Гіббса (ΔG_react) для взаємодії двох димерів один з одним характерне при 270 К, а аналогічне значення взаємодії димера ПХТФЕ з GLP – при значно вищій температурі (420 К). Цей факт відображає зростання термостабільності нанокомпозитів порівняно з самим полімером.

нанокомпозит; графен; графеноподібна площина; поліхллортрифторетилен; метод теорії функціоналу густини; кластерне наближення

1. Sun X., Huang C., Wang L., Liang L., Cheng Y., Fei W., Li Y. Recent Progress in Graphene/Polymer Nanocomposites. Adv. Mater. 2020. 33(6): 2001105. https://doi.org/10.1002/adma.202001105

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

3. Ahmad S.I., Hamoudi H., Abdala A., Ghouri Z.K., Youssef K.M. Graphene-reinforced bulk metal matrix composites: synthesis, microstructure, and properties. Rev. Adv. Mater. Sci. 2020. 59: 67. https://doi.org/10.1515/rams-2020-0007

4. Wang J., Zhou J., Hu Y., Regier T. Chemical interaction and imaging of single Co3O4/graphene sheets studied by scanning transmission X-ray microscopy and X-ray absorption spectroscopy. Energy Environ. Sci. 2013. 6(3): 926. https://doi.org/10.1039/c2ee23844f

5. Jia Z., Wang Y. Covalently crosslinked graphene oxide membranes by esterification reactions for ions separation. J. Mater. Chem. A. 2015. 3(8): 4405. https://doi.org/10.1039/C4TA06193D

6. Xing W., Li H., Huang G., Cai L., Wu J. Graphene oxide induced crosslinking and reinforcement of elastomers. Compos. Sci. Technol. 2017. 144: 223. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.03.006

7. 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

8. 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(1): 9132. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27317-0

9. Geim A.K., Novoselov K.S. The rise of graphene. Nat. Mater. 2007. 6: 183. https://doi.org/10.1038/nmat1849

10. Sahu D., Sutar H., Senapati P., Murmu R., Roy D. Graphene, graphene-derivatives and composites: fundamentals, synthesis approaches to applications. J. Compos. Sci. 2021. 5(7): 181. https://doi.org/10.3390/jcs5070181

11. Li Z., Fu X., Guo Q., Zhao L., Fan G., Li Z., Xiong D.B., Su Y., Zhang D. Graphene quality dominated interface deformation behavior of graphene-metal composite: The defective is better. Int. J. Plast. 2018. 111: 253. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.07.020

12. Hu Z., Tong G., Lin D., Chen C., Guo H., Xu J., Zhou L. Graphene-reinforced metal matrix nanocomposites - a review. Mater. Sci. Technol. 2016. 32(9): 930. https://doi.org/10.1080/02670836.2015.1104018

13. Muxi L., Yuhong Z., Liwen C., Jianquan L., Ting Z., Hua H. Research progress on preparation technology of graphene-reinforced aluminum matrix composites. Mater. Res. Express. 2019. 6(3): 032002. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaf4a5

14. 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

15. Makhno S., Gunya G., Sementsov Y., Grebelna Y., Kartel M., Lisova O. The properties of synthesized graphene and polychlorotrifluoroethylene - graphene systems. Physics and Chemistry of Solid State. 2016. 17(3): 421. https://doi.org/10.15330/pcss.17.3.421-425

16. Yi L., Guiqi F., Tianyu W., Haimu Y. Effect of graphite microsheets on crystallization and properties of polychlorotrifluoroethylene[J]. China Plastics. 2023. 37(1): 18.

17. Liang C.Y., Krimm S. Infrared Spectra of High Polymers. III. Polytetrafluoroethylene and Polychlorotrifluoroethylene. J. Chem. Phys. 1956. 25: 563. https://doi.org/10.1063/1.1742964

18. Li Y., Wen J., Wu T., Cao Ch., Meng X., Ye H. Mechanical properties and microstructure of polychlorotrifluoroethylene toughened by polyamide 11 based on intermolecular interaction. J. Appl. Polym. Sci. 2022. 39(42): e53028. https://doi.org/10.1002/app.53028

19. Price F.P. The development of crystallinity in polychlorotrifluoroethylene. J. Am. Chem. Soc. 1952. 74(2): 311. https://doi.org/10.1021/ja01122a006

20. Watkins J.J., Mecarthy T.J. Polymerization of styrene in supercritical CO2-Swollen Poly(chlorotrifluoroethylene). Macromolecules. 1995. 28: 4067. https://doi.org/10.1021/ma00116a004

21. Dias A.J., McCarthy T.J. Surface modification of poly(chlorotrifluoroethylene) with methyllithium. Macromolecules. 1985, V. 18(10): 1826. https://doi.org/10.1021/ma00152a006

22. Miyamoto Y. Crystallization of Poly(chlorotrifluoroethylene). Polym. J. 1972. 3(2): 122. https://doi.org/10.1295/polymj.3.122

23. Cheng G., Chen B., Guo F., Xiang C., Jia X. Research on the friction and wear mechanism of a polymer interface at low temperature based on molecular dynamics simulation. Tribol. Int. 2023. 183: 108396. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108396

24. Zou J., Zhang M., Huang M., Zhao D., Dai Y. Structure, properties, and modification of polytrifluorochloroethylene: a review. Front. Mater. 2022. 9: 824155. https://doi.org/10.3389/fmats.2022.824155

25. Scott A.H., Scheiber D.J., Curtis A.J., Lauritzen Jr. J.I., Hoffman J.D. Dielectric properties of semicrystalline polychlorotrifluoroethylene. J. Res. Natl. Bur. Stand. A. Phys. Chem. 1962. 66A(4): 269. https://doi.org/10.6028/jres.066A.028

26. 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: 3127. https://doi.org/10.1007/s00894-013-1852-6

27. 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. Nanomaterials. 2018. 8(9): 680. https://doi.org/10.3390/nano8090680

28. Terets M.I., Demianenko E.M., Zhuravsky S.V., Chernyuk O.A., Kuts V.S., Grebenyuk A.G., Sementsov Yu.I., Kokhtych L.M., Kartel M.T. Quantum chemical study on the interaction of carbon nanotube with polyethylene and polypropylene oligomers. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(1): 75. https://doi.org/10.15407/hftp10.01.075

29. Demianenko E.M., Terets M.I., Sementsov Yu.I., Makhno S.M., Kuts V.S., Grebenyuk A.G., Kartel M.T. Theoretical study on the effect of carbon graphenous nanoclusters on the stability and capacity of polyamide in a nanocomposite. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(4): 355. https://doi.org/10.15407/hftp10.04.355

30. Kartel M., Sementsov Yu., Dovbeshko G., Karachevtseva L., Makhno S., Aleksyeyeva T., Grebel'na Yu., Styopkin V., Bo W., Stubrov Y. Lamellar structures from graphene nanoparticles produced by anode oxidation. Adv. Mater. Lett. 2017. 8(3): 212. https://doi.org/10.5185/amlett.2017.1428

31. 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

32. 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

33. Barca G., Bertoni C., Carrington L., Datta D., De Silva N., Deustua J.E., Fedorov D.G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J., Mironov V. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188

34. 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

35. 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

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

37. Head-Gordon M., Pople J.A., Frisch M.J. MP2 energy evaluation by direct methods. Chem. Phys. Lett. 1988. 153(6): 503. https://doi.org/10.1016/0009-2614(88)85250-3

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

42. Karton A. Relative energies of increasingly large [n]helicenes by means of high-level quantum chemical methods. Mol. Phys. 2023. DOI: 10.1080/00268976.2023.2241927. https://doi.org/10.1080/00268976.2023.2241927

43. Goerigk L., Hansen A., Bauer C., Ehrlich S., Najibi A., Grimme S. A look at the density functional theory zoo with the advanced GMTKN55 database for general main group thermochemistry, kinetics and noncovalent interactions. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. 19(48): 32184. https://doi.org/10.1039/C7CP04913G

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