ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НАНОУГЛЕРОДА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
Аннотация
В этом обзоре кратко описывается состояние исследований по влиянию фуллеренов и углеродных нанотрубок (УНТ) на долговечность различных полимерных композиционных материалов, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Фуллерены C60, C70, фуллереновая сажа и УНТ, введённые в полимерную матрицу, эффективно предотвращают процессы как термической, так и термо- фотоокислительной деструкции. Механизм стабилизации углеродных наносоединений (УНС) практически идентичен и состоит в обрыве цепей окисления на наноуглеродном каркасе. При этом, все данные однозначно указывают на преимущественное присоединение к УНС углерод-центрированных алкильных радикалов. Таким образом, указанные углеродные наноструктуры могут рассматриваться как редкий класс эффективных базовых антиоксидантов, действие которых заключается в снижении скорости зарождения цепей термоокислительной деструкции на самом первом этапе. Для этого такие антиоксиданты должны обладать очень высокой константой скорости присоединения алкильных радикалов, чтобы составить конкуренцию реакции R• + O2 → RO2•. В данной работе рассмотрены различные полимерные композиционные материалы на основе полиолефинов, полиакрилатов, полиамидов, поликарбонатов, эластомеров. Описанные подходы направлены, в основном, на решение задачи повышения стабильности полимерных композитов путем введения в их состав различных комбинаций наноуглеродных добавок. Оптимальная дозировка УНС и межфазная совместимость между полимером и наполнителями могут значительно повысить термостойкость композитов. Замена атомов углерода в молекуле фуллерена гетероатомами также может изменить ее электронные свойства и улучшить антирадикальную и антиокислительную активность. Области эффективного использования фуллерена С60 в водных средах могут быть значительно расширены путем их модификации гидрофильными полимерами. Таким образом, эффективность УНС как стабилизаторов-антиоксидантов для полимерных материалов сравнима с действием сильных синтетических стабилизаторов. УНС обладают хорошими перспективами для реального промышленного применения.
Литература
Kumar A.P., Depan D., Tomer N.S., Singh R.P. Nanoscale particles for polymer degradation and stabilization—trends and future perspectives. Prog. Polym. Sci. 2009. V. 34. N 6. P. 479-515.
Aloyev V.Z., Zhirikova Z.M., Tarchokova M.A. Effectiveness of use of nano fillers of different types in polymeric composites. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim Tekhnol [Russ. J. Chem. Chem. Tech]. 2020. V. 63. N 4. P. 81-85 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206304.6158.
Jineesh A.G., Mohapatra S. Thermal properties of polymer–carbon nanocomposites. In Carbon-Containing Polymer Composites. Singapore: Springer. 2019. P. 235-270.
Cioslowski J. Electronic Structure Calculations on Fullerenes and Their Derivatives. New York: Oxford University Press. 1995. Ch. 3-5. 281 p.
Krusic P.J., Wasserman E., Keizer P.N., Morton J.R., Preston K.F. Radical reactions of C60. Science. 1991. V. 254. N 5035. P. 1183-1185.
Krusic P.J., Wasserman E., Parkinson B.A., Malone B., Holler Jr, E.R., Keizer P.N., Preston K.F. Electron spin res-onance study of the radical reactivity of C60. J. Am. Chem. Soc. 1991. V. 113. N 16. P. 6274-6275.
McEwen C.N., McKay R.G., Larsen B.S. C60 as a radical sponge. J. Am. Chem. Soc. 1992. V. 114. N 11. P. 4412-4414.
Walbiner M., Fischer H. Rate constants for the addition of the benzyl radical to fullerene C60 in solution. J. Phys. Chem. 1993. V. 97. N 19. P. 4880-4881.
Zeynalov Е.B., Allen N.S., Salmanova N.I. Radical scavenging efficiency of different fullerenes C60, C70 and fullerene soot. Polym. Degrad. Stabil. 2009. V. 94. N 8. P. 1183-1189.
Dimitrijevic N.M., Kamat P.V., Fessenden R.W. Radical adducts of fullerenes C60 and C70 studied by laser flash photolysis and pulse radiolysis. J. Phys. Chem. 1993. V. 97. N 3. P. 615-618.
Zeinalov E.B., Koβmehl G. Fullerene C60 as an antioxidant for polymers. Polym. Degrad. Stabil. 2001. V. 71. N 2. P. 197-202.
Zeynalov Е.B., Magerramova M.Ya., Ishenko N.Ya. Fullerenes C60/C70 and C70 as antioxidants for polystyrene. Iran. Polym. J. 2004. V. 13. N 2. P. 143-148.
Troitskii B.B., Troitskaya L.S., Dmitriev A.A., Anikina L.I., Novikova M.A., Denisova V.N., Khokhlova L.V. Fullerenes and synergistic mixtures on their basis as high-temperature antioxidants of polymers. Molec. Mater. 2000. V. 13. N 1-4. P. 209-212.
Nekoei A. R., Haghgoo S. DFT investigation on some nitrogen-doped fullerenes with more antiradical and antioxidant activities than C 60. Struct. Chem. 2019. 30. P. 1737-1748. DOI: 10.1007/s11224-019-01311-2.
Tam J., Liu J., Yao Z. Effect of microstructure on the antioxidant properties of fullerene polymer solutions. RSC Ad-vances. 2013. V. 3. N 4. P. 4622-4627.
Shibaev L.A., Egorov V.M., Zgonnik V.N., Antonova T.A., Vinogradova L.V., Melenevskaya E.Y., Bershtein V.A. An enhanced thermal stability of poly (2, 6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) in the presence of small additives of C60 and C70 fullerenes. Polym. Sci. Ser. A. Chem., Phys. 2001. V. 43. N 2. P. 101-105.
Cataldo F. On the reactivity of C60 fullerene with diene rubber macroradicals. I. The case of natural and synthetic cis-1, 4-polyisoprene under anaerobic and thermooxidative degradation conditions. Fullerene Sci. Technol. 2001. V. 9. N 4. P. 497-513.
Jipa S., Zaharescu T., Santos C., Gigante B., Setnescu R., Setnescu T., Olteanu R.L. The antioxidant effect of some carbon materials in polypropylene. Mater. Plastice. 2002. V. 39. N 1. P. 67-72.
Troitskii B.B., Troitskaya L.S., Dmitriev A.A., Yakhnov A.S. Inhibition of thermo-oxidative degradation of poly(methyl methacrylate) and polystyrene by C60. Europ. Polym. J. 2000. V. 36. N 5. P. 1073-1084.
Troitskii B.B., Domrachev G.A., Khokhlova L.V., Anikina L.I. Thermooxidative degradation of poly (methyl methacrylate) in the presence of C60 Fullerene. Polym. Sci. Ser. A, Chem., Phys. 2001. V. 43. N 9. P. 964-969.
Troitskii B.B., Domrachev G.A., Semchikov Y.D., Khokhlova L.V., Anikina L.I., Denisova V.N., Yashchuk L.M. Fullerene-C60, a new effective inhibitor of high-temperature thermooxidative degradation of methyl methacry-late copolymers. Russ. J. Gen. Chem. 2002. V. 72. N 8. P. 1276-1281.
Ginzburg B.M., Ugolkov V.L., Shibaev L.A., Bulatov V.P. The effect of fullerene C60 on the thermooxidative degradation of a free-radical PMMA studied by thermogravimetry and calorimetry. Techn. Phys. Lett. 2001. V. 27. N 10. P. 806-809.
Ginzburg B.M., Shibaev L.A., Ugolkov V.L. Effect of fullerene C60 on thermal oxidative degradation of polymethyl methacrylate prepared by radical polymerization. Russ. J. Appl. Chem. 2001. V. 74. N 8. P. 1329-1337.
Ginzburg B.M., Shibaev L.A., Ugolkov V.L., Bulatov V.P. Influence of C60 fullerene on the oxidative degradation of a free radical poly (methyl methacrylate). J. Macromolec. Sci., Pt. B. 2003. V. 42. N 1. P. 139-166.
Shibaev L.A., Ginzburg B.M., Antonova T.A., Ugolkov V.L., Melenevskaya E. Y., Vinogradova L.V., Zgonnik V.N. Thermal and thermooxidative degradation of poly (me-thyl methacrylate) in the presence of fullerene. Polym. Sci. Ser. A, Chem., Phys. 2002. V. 44. N 5. P. 502-509.
Troitskii B.B., Domrachev G.A., Khokhlova L.V., Yashchuk L.E., Denisova V. N., Novikova M.A., Dorofeeva Y.A. Effect of fullerene C60 and other antioxidants on high-temperature oxidative degradation of poly (methyl methacrylate) and methyl methacrylate copolymers with methacrylic acid. Russ. J. Gen. Chem. 2003. V. 73. N 7. P. 1091-1094.
Troitskii B.B., Domrachev G.A., Khokhlova L.V., Yash-chuk L.E., Denisova V. N., Novikova M.A., Khorshev S.Y. Inhibiting effect of fullerene C60 and other antioxidants on thermal oxidative degradation of copolymers of methyl methacrylate with methacrylamides. Russ. J. Gen. Chem. 2003. V. 73. N 12. P. 1904-1908.
Troitskii B.B., Khokhlova L.V., Konev A.N., Denisova V.N., Novikova M.A., Lopatin M.A. Temperature and con-centrations limits for fullerenes C60 and C70 as polymer degradation inhibitors. Polym. Sci. Ser. A, Chem., Phys. 2004. V. 46. N 9. P. 951-956.
Ginzburg B.M., Shibaev L.A., Melenevskaja E.Y., Pozdnjakov A.O., Pozdnjakov O.F., Ugolkov V.L., Leksovskii A.M. Thermal and tribological properties of fullerene‐containing composite systems. Part 1. Thermal stability of fullerene‐polymer systems. J. Macromolec. Sci., Pt. B. 2004. V. 43. N 6. P. 1193-1230.
Yumagulova R.K., Medvedeva N.A., Yakupova L.R., Kolesov S.V., Safiullin R.L. Free-radical chain oxidation of 1,4-dioxane and styrene in the presence of fullerene C60. Kinet. Catal. 2013. V. 54. N 6. P. 709-715.
Zuev V.V., Bertini F., Audisio G. Fullerene C60 as stabiliser for acrylic polymers. Polym. Degradat. Stability. 2005. V. 90. N 1. P. 28-33.
Watts P.C.P., Fearon P.K., Hsu W.K., Billingham N.C., Kroto H.W., Walton D.R.M. Carbon nanotubes as polymer antioxidants. J. Mater. Chem. 2003. V. 13. N 3. P. 491-495.
Sreekanth P.R., Kumar N.N., Kanagaraj S. Improving post irradiation stability of high density polyethylene by multi walled carbon nanotubes. Composit. Sci. Technol. 2012. V. 72. N 3. P. 390-396.
Shi X., Jiang B., Wang J., Yang Y. Influence of wall number and surface functionalization of carbon nanotubes on their antioxidant behavior in high density polyethylene. Carbon. 2012. V. 50. N 3. P. 1005-1013.
Morlat-Therias S., Fanton E., Gardette J.L., Peeterbroeck S., Alexandre M., Dubois P. Polymer/carbon nanotube nanocomposites: influence of carbon nanotubes on EVA photodegradation. Polym. Degradat. Stability. 2007. V. 92. N 10. P. 1873-1882.
Bocchini S., Frache A., Camino G., Claes M. Polyethylene thermal oxidative stabilisation in carbon nanotubes based nanocomposites. Eur. Polym. J. 2007. V. 43. N 8. P. 3222-3235.
Shen Z., Bateman S., Wu D.Y., McMahon P., Dell’Olio M., Gotama J. The effects of carbon nanotubes on mechanical and thermal properties of woven glass fibre reinforced polyamide-6 nanocomposites. Composit. Sci. Technol. 2009. V. 69. N 2. P. 239-244.
Gorrasi G., Sarno M., Di Bartolomeo A., Sannino D., Ciambelli P., Vittoria V. Incorporation of carbon nanotubes into polyethylene by high energy ball milling: morphology and physical properties. J. Polym. Sci. Pt. B: Polym. Phys. 2007. V. 45. N 5. P. 597-606.
Martinez-Morlanes M.J., Castell P., Alonso P.J., Martinez M.T., Puertolas J.A. Multi-walled carbon nanotubes acting as free radical scavengers in gamma-irradiated ultrahigh molecular weight polyethylene composites. Carbon. 2012. V. 50. N 7. P. 2442-2452.
Guadagno L., Naddeo C., Raimondo M., Gorrasi G., Vittoria V. Effect of carbon nanotubes on the photo-oxidative durability of syndiotactic polypropylene. Polym. Degradat. Stability. 2010. V. 95. N 9. P. 1614-1626.
Kodal M., Karakaya N., Wis A.A., Ozkoc G. Thermal Properties (DSC, TMA, TGA, DTA) of Rubber Nanocompo-sites Containing Carbon Nanofillers. In: Carbon-Based Nano-filler and Their Rubber Nanocomposites. Elsevier. 2019. P. 325-366. DOI: 10.1016/B978-0-12-817342-8.00011-1.
Atlukhanova L.B., Kozlov G.V., Rumyantsev E.V., Dolbin I.V. Analysis of temperature dependence of catalytic activity of carbon nanotubes at epoxy polymers curing within frameworks of fractal analysis. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 3. P. 64-69 (in Rus-sian). DOI: 10.6060/ivkkt201962fp.5841.
Aghahuseynova M.М., Salmanova N.I., Zeynalov E.B. Study of polymer composites, containing Carbon nanotubes, properties. 20th Gavin Conferences. World Congress on Chemistry. Dubai, UAE. Proceedings of the conference: E-posters. Supporting Journal: Current Research in Bioorganic & Organic Chemistry. 2019. V. 3. P. 50-51.
