1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 10, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 10, стр. 617-631

Одностадийный электрохимический синтез композита полиметилолакриламид/ультрадисперсный политетрафторэтилен

Л. Г. Колзунова a, *, Е. В. Щитовская a, b, **

a Институт химии Дальневосточного отделения РАН
Владивосток, Россия

b Дальневосточный федеральный университет
Владивосток, Россия

* E-mail: kolzunova@ich.dvo.ru
** E-mail: schitovskaya.ev@dvfu.ru

Поступила в редакцию 01.12.2022
После доработки 09.02.2023
Принята к публикации 04.03.2023

Аннотация

Разработан способ одностадийного электрохимического синтеза композита, состоящего из двух непроводящих полимеров. На примере электрополимеризации акриламида в присутствии частиц ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ) показано, что электрохимический подход позволяет упростить традиционные многоступенчатые технологии формирования композитных полимерных материалов, объединив в одном процессе электрополимеризацию акриламида и формирование полиметилолакриламидной (ПМАА) пленки на катоде, захват частиц УПТФЭ растущей полимерной матрицей и образование композита ПМАА/УПТФЭ. Такая технология позволяет сократить общее время создания полимер/полимерного композита до 5–10 мин. Разработана методика приготовления устойчивых водных дисперсий УПТФЭ. Установлено, что наиболее эффективными стабилизаторами водной дисперсии УПТФЭ являются лаурилсульфат натрия (ЛС) и силоксан-акрилатная эмульсия КЭ 13-36. Образование ПМАА/УПТФЭ-композита подтверждено методами РФА, СЭМ и МУРР-спектрофотометрии. Обнаружено, что композит включает как крупные (~1 мкм), так и наноразмерные (1–10 нм) частицы УПТФЭ. Цвет ПМАА/УПТФЭ-композитных пленок переходит из бесцветного и прозрачного, характерного для ПМАА, в молочно-белый (цвет УПТФЭ и КЭ 13-36). При этом снижается светопроницаемость композитных пленок, достигая минимального значения для ПМАА/УПТФЭ/КЭ 13-36. Масса ПМАА/УПТФЭ-композита возрастает с увеличением времени электрополимеризации, а остаточный ток, характеризующий степень изоляции электрода, уменьшается по сравнению с ПМАА-покрытием. Модификация пленки ультрадисперсным политетрафторэтиленом приводит к уменьшению набухаемости композитных покрытий в 1.26–2.60 раза в зависимости от природы и концентрации добавки. Максимальный изолирующий эффект и снижение набухаемости достигается для композита ПМАА/УПТФЭ(ЛС), что указывает на предпочтительное использовани УПТФЭ(ЛС) для модификации ПМАА. Термическая устойчивость композита ПМАА/УПТФЭ(ЛС) и матричного ПМАА практически идентична.

Ключевые слова: электрополимеризация, композит полимер/полимер, акриламид, полиметилолакриламид, ультрадисперсный политетрафторэтилен, силоксан-акрилатная эмульсия КЭ 13-36, лаурилсульфат натрия, структура, набухаемость, оптические свойства

Список литературы

  1. Лебедева, О.В., Сипкина, Е.И. Полимерные композиты и их свойства. Изв. вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. № 2. С. 192. [Lebedeva, O.V. and Sipkina, E.I., Polymer composites and their properties, Proceedings of Universities. Appl. Chem. and Biotechnol. (in Russian), 2022, vol. 12, no. 2, p. 192.]

  2. Kimble, L.D. Fakirov, S., and Bhattacharyya, D., Poly(L-lactic acid)/poly(glycolic acid) microfibrillar polymer-polymer composites: Preparation and viscoelastic properties, AIP Conf. Proc., 2015, vol. 1664, 060011. https://doi.org/10.1063/1.4918429

  3. Колосова, А.С., Сокольская, М.К., Виткалова, И.А., Торлова, А.С., Пикалов, Е.С. Современные полимерные композиционные материалы и их применение. Междунар. журн. прикл. и фундамент. исследований. 2018. № 5-1. С. 245. [Kolosova, A.S., Sokolovskaya, M.K., Vitkalova, I.A., Torlova, A.S., and Pikalov, E.S., Modern polymer composite materials and their application, Modern Problems of Science and Education, 2018, no. 5-1, p. 245.]

  4. Shields, R.J., Bhattacharyya, D., and Fakirov, S., Fibrillar polymer-polymer composites: morphology, properties and applications, J. Mater. Sci., 2008, vol. 43 (20), p. 6758.

  5. Колосова, А.С., Сокольская, М.К., Виткалова, И.А., Торлова, А.С., Пикалов, Е.С. Наполнители для модификации современных полимерных композиционных материалов. Фундамент. исследования. 2017. № 10-3. С. 459. [Kolosova A.S., Sokolovskaya, M.K., Vitkalova, I.A., Torlova, A.S., and Pikalov, E.S., Fillers for modification of modern polymer composite materials, Fundamental Res. (in Russian), 2017, no. 10-3, p. 459.]

  6. Friedrich, K., Evstatiev, M., Fakirov, S., Evstatiev, O., Ishii, M., and Harrass, M., Microfibrillar reinforced composites from PET/PP blends: processing, morphology and mechanical properties, Composites Sci. and Technol., 2005, vol. 65, no. 1, p. 107.

  7. Evstatiev, M., Fakirov, S., Bechtold, G., and Friedrich, K., Structure-property relationships of injection- and compression-molded microfibrillar-reinforced PET/PA-6 composites, Advances in Polymer Technol., 2000, vol. 19, no. 4, p. 249.

  8. Колзунова, Л.Г. Электрохимическое инициирование полимеризации мономеров. Функциональные полимерные пленки и покрытия на металлах, в Электрохимия органических соединений в начале ХХI века. Под ред. Гультяя, В.П., Кривенко, А.Г., Томилова, А.П., М.: Спутник, 2008. С. 429-495. [Kolzunova, L.G. Electrochemical initiation of polymerization of monomers. Functional polymer films and coatings on metals in Electrochemistry of organic compounds at the beginning of the XXI century. Eds. Gultai, V.P., Krivenko, A.G., and Tomilov, A.P. (in Russian), M: Sputnik, 2008, p. 429.]

  9. Карпенко, М.А., Карпенко, А.А., Колзунова, Л.Г. In situ исследование электросополимеризации акриламида и метиленбисакриламида. Электрохимия. 2007. Т. 43. С. 1206. [Karpenko, M.A., Karpenko, A.A., and Kolzunova, L.G., In situ study of electrocopolymerization of acrylamide, formaldehyde, and N,N'-methylene-bis-acrylamide, Russ. J. Electrochem., 2007, vol. 43, p. 1144.]

  10. Kolzunova, L.G., Electropolymerization as the Method of Producing of Functional Polymer Films and Coatings, Eds, Stefan A. Romano and George P. Somners. Series: Materials Science and Technologies. N.Y.: Nova Science Publishers, Inc. USA. 2011.

  11. Карпенко, М.А., Колзунова, Л.Г. Инициирование электрополимеризации акриламида и формальдегида металлическим цинком в водной среде. Электрохимия. 2011. Т. 47. С. 1170. [Karpenko, M.A. and Kolzunova, L.G., Initiation of the electropolymerization of acrylamide and formaldehyde by metallic zinc in an aqueous medium, Russ. J. Electrochem., 2011, vol. 47, p. 1091.]

  12. Щитовская, Е.В., Колзунова, Л.Г., Курявый, В.Г., Слободюк, А.Б. Электрохимическое формирование и свойства полиметилолакриламидной пленки с включением частиц платины. Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 1235. [Shchitovskaya, E.V., Kolzunova, L.G., Kuryavyii, V.G., and Slobodyuk, A.B., Electrochemical formation and properties of polymethylolacrylamide film with inclusion of platinum particles, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 1097.]

  13. Kolzunova, L.G. and Barinov, N.N., The supramolecular structure of ultrafiltration membranes synthesized by electropolymerization, Anal. Bioanal. Chem., 2002, vol. 374, no. 4, p. 746.

  14. Колзунова, Л.Г., Гребень, В.П., Супонина, А.П. Определение характеристик пористой структуры электросинтезированных ультрафильтрационных мембран по их электросопротивлению. Электрохимия. 2003. Т. 39. С. 1452. [Kolzunova, L.G., Greben, V.P., and Suponina, A.P., Determining characteristics of the porous structure of electrochemically synthesized ultrafiltration membranes from their electroresistance, Russ. J. Electrochem., 2003, vol.39, p. 1300.]

  15. Колзунова, Л.Г. Особенности формирования надмолекулярной структуры полиакриловых пленок, синтезированных методом электрополимеризации. Электрохимия. 2004. Т. 40. С. 380. [Kolzunova, L.G., Formation of supramolecular structure of electropolymerized acryl films, Russ. J. Electrochem., 2004, vol. 40, p. 380.]

  16. Колзунова, Л.Г., Карпенко, А.А., Карпенко, М.А., Удовенко, А.А. Электрохимический синтез пористых полимерных пленок. Рос. хим. журн. (ЖРХО им. Менделеева). 2005. Т. XLIX. № 5. С. 137. [Kolzunova, L.G., Karpenko, A.A., Karpenko, M.A., and Udovenko, A.A., Electrochemical synthesis of porous polymer films, Russ. Chem. J. (ZHRHO named after Mendeleev) (in Russian), 2005, vol. XLIX, no. 5, p. 137.]

  17. Карпенко, М.А., Колзунова, Л.Г., Карпенко, А.А. Структурные и морфологические исследования электросинтезированных полиакриламидных ультрафильтрационных мембран. Электрохимия. 2006. Т. 42. С. 100. [Karpenko, M.A., Kolzunova, L.G., and Karpenko, A.A., Structural and morphological studies of electrosynthesized polyacrylamide ultrafiltration membranes, Russ. J. Electrochem., 2006, vol. 42, p. 89.]

  18. Kolzunova, L., Shchitovskaya, E., and Karpenko, M., Polymethylolacrylamide/AuNPs Nanocomposites: Electrochemical Synthesis and Functional Characteristics, Polymers, 2021, vol. 13 (14), 2382.

  19. Kolzunova, L., Shchitovskaya, E., Karpenko, M., Characteristics of electrochemical formation and catalytic properties of polymethylolacrylamide/AuNPs composite, Appl. Nanosci., 2022, vol. 12, p. 3363. https://doi.org/10.1007/s13204-021-02311-7

  20. Щитовская, Е.В., Колзунова, Л.Г., Карпенко, М.А. Электрохимическая иммобилизация наночастиц серебра в полиметилолакриламидную матрицу. Электрохимия. 2020. Т. 56. С. 397. [Shchitovskaya, E.V., Kolzunova, L.G., and Karpenko, M.A., Electrochemical immobilization of silver nanoparticles in a polymethylolacrylamide matrix, Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56, p. 379.]

  21. Колзунова, Л.Г., Рунов, А.К., Щитовская, Е.В. Способ получения композитного материала, обладающего фотокаталитическими свойствами. Пат. 2690378 (Россия). 2019. [Kolzunova, L.G., Runov, A.K., and Shchitovskaya, E.V., A method for producing a composite material with photocatalytic properties, Pat. 2690378 (Russia), 2019.]

  22. Пугачев, А.К. История создания отечественных фторполимеров. Рос. хим. журн. (ЖРХО им. Д.И. Менделеева) 2008. Т. LII. №3. С. 5. [Pugachev, A.K. The history of the creation of domestic fluoropolymers, Russ. Chem. J. (J. Chem. Soc. named after D.I. Mendeleev) (in Russian), 2008, vol. LII, no 3, p. 5.]

  23. Биосовместимость, под ред. В.И. Севастьянова. М.: ИЦ ВНИИГС, 1999. 367 с. [Biocompatibility, under. ed. Sevastyanov (in Russian), Moscow: Testing Centre VNIIGS, 1999. 367 p.]

  24. Севастьянов, В.И. Биоматериалы для искусственных органов. Вестн. трансплантологии и искусственных органов. 2001. № 3–4. С. 123. [Sevastyanov, V.I., Biomaterials for artificial organs, Bull. transplantology and artificial organs (in Russian), 2001, nos. 3–4, p. 123.]

  25. Бузник, В.М., Фомин, В.М., Алхимов А.П. и др. Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение), под ред. Ляхова, Н.З. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 260 с. (Интеграционные проекты СО РАН, вып. 2). ISBN: 5-7692-0735-3. URL: https://www.iprbookshop.ru/15805.html [Buznik, V.M., Fomin, V.M., Alkhimov, A.P., et al.; under. ed. Lyakhova, N.Z. Metal-polymer nanocomposites (preparation, properties, applications) (in Russian), Novosibirsk: Izd. SO RAN, 2005, 260 p.]

  26. Уолл, Л.А. Фторполимеры. М.: Мир, 1975. 448 с. [Wall, L.A. Fluoropolymers (in Russian), M.: Mir, 1975, 448 p.]

  27. Бузник, В.М. Современное материаловедение на примере фторполимеров. Вып. 1. Томск: Том. гос. ун-т, 2012. 42 с. [Buznik, V.M. Modern materials science on the example of fluoropolymers, Iss. 1, (in Russian), Tomsk: Tomsk State University, 2012, 42 p.]

  28. Паншин, Ю.А., Малкевич, С.Г., Дунаевская, В.С. Фторопласты. Л.: Химия, 1978. 232 с. [Panshin, Yu.A., Malkevich, S.G., and Dunaevskaya, V.S. Fluoroplastics (in Russian), Leningrad: Chemistry, 1978, 232 p.]

  29. Бузник, В.М. Состояние отечественной химии фторполимеров и возможные перспективы развития. Рос. хим. журн. 2008. Т. LII. № 3. С. 7. [Buznik, V.M., The state of domestic chemistry of fluoropolymers and possible development prospects, Russ. Chem. J. (in Russian), 2008, vol. LII, no. 3, p. 7.]

  30. Бузник, В.М., Курявый В.Г. Морфология и строение микронных наноразмерных порошков политетрафторэтилена, получение газофазным методом. Рос. хим. журн. 2008. Т. 52. №3. С. 131. [Buznik, V.M. and Kuryavyii, V.G., Morphology and structure of micron nanosized polytetrafluoroethylene powders obtained by the gas-phase method, Russ. Chem. J. (in Russian), 2008, vol. 52, no. 3, p. 131.]

  31. Бузник, В.М., Гришин, М.В., Вопилов, Ю.Е., Игнатьева, Л.Н., Терехов, А.С., Слободюк, А.Б. Особенности строения порошковой формы политетрафторэтилена марки “ФЛУРАЛИТ®”. Перспективные материалы. 2010. № 1. С. 63. [Buznik, V.M., Grishin, M.V., Vopilov, Yu.E., Ignatieva, L.N., Terekhov, A.S., and Slobodyuk, A.B., Features of the structure of the powder form of polytetrafluoroethylene brand “FLURALIT®”, Promising materials (in Russian), 2010, no. 1, p. 63.]

  32. Цветников, А.К., Игнатьева, Л.Н., Бузник, В.М. Ультрадисперсные порошки политетрафторэтилена, в Фторполимерные материалы, под. ред. Бузник, В.М., Томск: НТЛ, 2017. С. 394-448. [Tsvetnikov, A.K., Ignatieva, L.N., and Buznik, V.M. Ultrafine powders of polytetrafluoroethylene in Fluoropolymer materials, Buznik, V.M. Ed. (in Russian), Tomsk: NTL, 2017. p. 394-448.]

  33. Гнеденков, С.В., Синебрюхов, С.Л., Машталяр, Д.В., Цветников, А.К., Минаев, А.Н. Формирование композиционных полимерсодержащих слоев на металлах и сплавах. Вестн. ДВО РАН. 2009. № 2. С. 98. [Gnedenkov, S.V., Sinebryukhov, S.L., Mashtalyar, D.V., Tsvetnikov, A.K., and Minaev, A.N., Formation of composite polymer-containing layers on metals and alloys, Bull. Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (in Russian), 2009, no. 2, p. 98.]

  34. Цветников, А.К., Уминский, А.А. Способ переработки политетрафторэтилена. Пат. 1775419 (Россия), 1992. [Tsvetnikov, A.K. and Uminsky, A.A. Method for processing polytetrafluoroethylene, Pat. 1775419 (Russia), 1992.]

  35. ГОСТ 162589 (СТ СЭВ 233780) Формалин технический. ТУ. Введ. 01.01.1991. 18 с. [GOST 162589 (ST SEV 233780) Technical formalin, TU, Introduction 01/01/1991, 18 p.]

  36. Рабинович, В.А., Хавин, З.Я. Краткий химический справочник, Л.: Химия, 1977. 392 с. [Rabinovich, V.A. and Khavin, Z.Ya. Brief Chemical Reference (in Russian). Leningrad: Chemistry, 1977, 392 p.]

  37. Руднев, В.С., Ваганов-Вилькинс, А.А., Недозоров, П.М., Яровая, Т.П., Авраменко, В.А., Цветников, А.К., Сергиенко, В.И. Гибридные политетрафторэтилен оксидные покрытия на алюминии и титане, сформированные методом плазменно-электролитического оксидирования. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т. 49. № 1. С. 95. [Rudnev, V.S., Vaganov-Vil’kins, A.A., Nedozorov, P.M., Yarovaya, T.P., Avramenko, V.A., Tsvetnikov, A.K., and Sergienko, V.I., Hybrid polytetrafluoroethylene oxide coatings on aluminum and titanium formed by plasma-electrolytic oxidation, Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2013, vol. 49, no. 1, p. 87.]

  38. Руднев, В.С., Ваганов-Вилькинс, А.А. Недозоров, П.М. Характеристики плазменно-электролитических оксидных покрытий на алюминии и титане, сформированных в электролитах с силоксан-акрилатом и частицами оксидов ванадия, бора и алюминия. Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. № 6. С. 815. [Rudnev, V.S., Vaganov-Vil’kins, A.A., and Nedozorov, P.M., Characteristics of plasma-electrolytic oxide coatings formed on aluminum and titanium in electrolytes with siloxane acrylate and particles of vanadium, boron, and aluminum oxides, Russ. J. Appl. Chem., 2018, vol. 91, p. 942.]

  39. Collins, G.L. and Norman, T.W., Mechanism of Coating by Electropolymerization on Metal Cathodes from Zinc Chloride Solutions of Acrylamide, J. Polymer Sci.: Polymer Chem. Edition, 1977, vol. 15, p. 1819.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал