ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ НА СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР)

УДК 678.7-036

 

Ленартович Лилия Алексеевна – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: lenartovich@belstu.by

Прокопчук Николай Романович – член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор химических наук, профессор, профессор кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: nrprok@gmail.com

Касперович Ольга Михайловна – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: kasperovichvolha@yandex.by

Петрушеня Александр Федорович – кандидат технических наук, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: petraf@belstu.by

Любимов Александр Геннадьевич – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры полимерных композиционных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: lubimov@belstu.by

 

DOI: https://doi.org/ 10.52065/2520-2669-2024-283-9.

 

Ключевые слова: полимер, оксид цинка, диоксид титана, наночастицы, полиэтилентерефталат.

Для цитирования: Ленартович Л. А., Прокопчук Н. Р., Касперович О. М., Петрушеня А. Ф., Любимов А. Г. Влияние наночастиц оксидов металлов на свойства полимерных материалов (обзор) // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. 2024. № 2 (283). С. 65–76. DOI: 10.52065/2520-2669-2024-283-9.

Аннотация

Введение в полимерную матрицу дисперсных веществ органической или неорганической природы осуществляется с целью улучшения физико-химических, механических, термических, электрических, трибологических свойств. В настоящее время возрастает интерес к композициям, обладающим бактерицидными, огнестойкими, теплопроводящими, антифрикционными свойствами. Одним из перспективных направлений является разработка многофункциональных композиций, обеспечивающих одновременно повышение нескольких важных эксплуатационных характеристик при сохранении физико-механических свойств. Использование соединений металлов в полимерных матрицах может приводить к значительному повышению всех описанных характеристик. Целью данной работы является анализ влияния нанооксидов металлов на свойства полимерных материалов. Наночастицы оксидов металлов имеют большие поверхностные заряды, которые связывают поверхность с полярными полимерами посредством электростатических взаимодействий. Они могут формировать одинарные связи металл – кислород с функциональными гидроксильными и карбоксильными группами в полимере, одинарные координационные связи металл – азот с функциональными группами на основе азота или водородные связи, таким образом оказывая влияние на весь комплекс свойств полимера. Наночастицы благодаря своим размерам могут выступать в роли зародышей кристаллообразования, таким образом влияя на количество образующихся кристаллов и их размер, а кристаллическое строение полимеров непосредственно связано с прочностью, т. е. способностью противостоять разрушению под действием нагрузки. Использование нанодобавок позволяетпридать материалам антибактериальные свойства, а именно эффективную антибактериальную активность как против грамположительных, так и против грамотрицательных бактерий, повысить устойчивость композиций к горению и придать им фотокаталитическую активность.

Скачать

Список литературы

  1. Елисеев А. А., Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы / под. ред. Ю. Д. Третьякова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 456 с.
  2. Михайлов М. Д. Современные проблемы материаловедения. Нанокомпозитные материалы: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 208 с.
  3. Липин В. А. Нанотехнологии в химической технологии производства полимеров: учеб. пособие. СПб.: ВШТЭ СПбГУПТД, 2020. 72 с.
  4. Полимерные нанокомпозиты / под ред. М. Ю-Винг, Ю. Жонг-Жен. М.: Техносфера, 2011. 687 с.
  5. Оптические полимерные нанокомпозиты / Ю. Э. Бурункова [и др.]. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 80 с.
  6. Функциональные наполнители для пластмасс / под ред. М. Ксантоса; пер. с англ. под ред. В. Н. Кулезнева. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 462 с.
  7. Перепелкин К. Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. СПб.: Научные основы и технологии, 2009. 380 с.
  8. Фостер Л. Нанотехнологии, наука, инновации и возможности. М.: Техносфера, 2008. 352 с.
  9. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 134 с.
  10. Сергеев Г. Б. Нанохимия. М.: МГУ, 2007. 148 с.
  11. Данилов А. Дуализм наночастиц // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 41, № 5. С. 20–21.
  12. Шуленбург М. Нанотехнологии – новинки завтрашнего дня. Люксембург: Служба по официальным изданиям Европейского Сообщества, 2006. 56 с.
  13. Пинчук Л. С., Гольдаде В. А. Крейзинг в технологии полиэфирных волокон. Минск: Беларуская навука, 2014. 177 с.
  14. Рева О. В., Назарович А. Н., Богданова В. В. Закрепление нетоксичных антипиренов на поверхности полиэфирных волокон // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2019. Т. 3, № 2. C. 107–116.
  15. Supercritical fluid flame-retardant processing of polyethylene terephthalate (PET) fiber treated with 9,10dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO): Changes in physical properties and flame-retardant performance / O. Jiyeon [et al.] // Journal of CO2 Utilization. 2021. Vol. 54. 14 p. DOI: 10.1016/j.jcou.2021.101761.
  16. Construction of catalyst-free, smoke suppression flame retardant PET fiber via bifunctional metalorganic framework / A. Zhang [et al.] // Polymer Degradation and Stability. 2023. Vol. 216. 10 p. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2023.110457.
  17. PET fabric treated with environmental-friendly phosphorus-based compounds for enhanced flame retardancy, thermal stability and anti-dripping performance / D. Fang [et al.] // Composites Part B: Engineering. 2022. Vol. 235. 12 p. DOI: 10.1016/j.compositesb.2022.109791.
  18. Flame-retardant and anti-dripping coating for PET fabric with hydroxyl-containing cyclic phosphoramide / Ch. Zhang [et al.] // Polymer Degradation and Stability. 2021. Vol. 192. 18 p. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2021.109699.
  19. Упрочнение ПЭТФ нитей многостенными углеродными нанотрубками / Н. Р. Прокопчук [и др.] // Полимерные материалы и технологии. 2020. Т. 6, № 4. C. 30–36. DOI: 10.32864/polymmattech-2020-6-4-30-36.
  20. Серцова А. А., Юртов Е. В. Наночастицы соединений металлов – замедлители горения для полимерных композиционных материалов // Получение и модифицирование синтетических волокон и нитей для инновационных материалов, композитов и изделий: тез. докл. Всеросс. науч.-практ. конф., г. Плес Ивановской обл., 2–5 сент. 2015 г., Иваново, 2015. С. 21.
  21. Rashid M. M., Simončič B., Tomšič B. Recent advances in TiО2-functionalized textile surfaces // Surface and Interfaces. 2021. Vol. 22. P. 1–71. DOI: 10.1016/j.surfin.2020.100890.
  22. Carosio F., Alongi J., Frache A. Influence of surface activation by plasma and nanoparticle adsorption on the morphology, thermal stability and combustion behavior of PET fabrics // European Polymer Journal. 2011. Vol. 47, no. 5. P. 893–902. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2011.01.009.
  23. Effect of TiO2 and ZnO on thin film properties of PET/PBS blend for food packaging applications // P. Threepopnatkula [et al.] // Energy Procedia. 2014. Vol. 56. P. 102–111. DOI: 10.1016/j.egypro.2014.07.137.
  24. Bouhriss A., Gmouth S.The recent advances in nanotechnologies for textile functionalization // Advances in Functional and Protective Textiles. 2020. P. 531–568. DOI: 10.1016/B978-0-12-820257-9.00020-5.
  25. Manumur R. M., Simoncic B., Tomcsic B. Recent advances in TiO2-functionalized textile surfaces // Surfaces and Interfaces. 2021.Vol. 22. P. 1–71. DOI: 10.1016/j.surfin.2020.100890.
  26. Замедление горения и упрочнение ПЭТ частицами диоксида титана / Н. Р. Прокопчук [и др.] // Полимерные материалы и технологии. 2022. Т. 8, № 4. С. 63–68.
  27. Residue-based TiO2/PET photocatalytic films for the degradation of textile dyes: a step in the development of green monolith reactors / L. N. Ribeiroa [et al.] // Chemical Engineering and Processing – Process Intensification. 2020. Vol. 147. P. 1–33. DOI: 10.1016/j.cep.2019.1077921.
  28. Novel and versatile TiO2 thin films on PET for photocatalytic removal of contaminants of emerging concern from water / B. P. Rafaela [et al.] // Chemical Engineering Journal. 2019. Vol. 370. P. 1251–1261. DOI: 10.1016/j.cej.2019.03.284.
  29. Porphyrin Dye/TiO2 imbedded PET to improve visible-light photocatalytic activity and organosilicon attachment to enrich hydrophobicity to attain an efficient self-cleaning material / Kyeong Su Min [et al.] // Dyes and Pigments. 2019. Vol. 162. P. 8–17. DOI: 10.1016/j.dyepig.2018.10.014.
  30. Influence of TiO2 nanoparticles on formation mechanism of PANI/TiO2 nano-composite coating on PET fabric and its structural and electrical properties / M. B. Radoičića [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 278. P. 38–47. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.07.070.
  31. Fabrication of robust and self-healing superhydrophobic PET fabrics based on profiled fiber structure // F. Zhoua [et al.] // Colloids and Surfaces. 2021. Vol. 609. 12 p. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125686.
  32. Radetic M. Functionalization of textile materials with TiO2 nanoparticles // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2013. Vol. 16. P. 62–76. DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2013.04.002.
  33. Bhargav M., Suresh B. V. Experimental investigation of fiber orientation effect on mechanical and erosive wear performance of TiO2 filled woven jute fiber based epoxy composites // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 44, part 1. P. 2617–2622. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.660.
  34. Crystallization characteristics of PET/TiO2 nanocomposites / T. Yamada [et al.] // Materials Science: an Indian Journal. 2006. Vol. 2, no. 6. P. 154–160.
  35. Crystallization activation energy of polyethylene terephthalate & its ZnO/TiO2 nanocomposites / H. Agrawal [et al.] // Research and Reviews: Journal of Pure and Applied Physics. 2014. Vol. 2, no. 1. P. 17–21.
  36. Catheters coated with Zn-doped CuO nanoparticles delay the onset of catheter-associated urinary tract infections / Y. Shalom [et al.] // Nano Research. 2016. Vol. 10. P. 520–533. DOI: 10.1007/s12274-016-1310-8.
  37. Exploring the potential of polyethylene terephthalate in the design of antibacterial surface / T. Çaykara [et al.] // Medical Microbiology and Immunology. 2020. Vol. 209. P. 363–372. DOI: 10.1007/s00430-020-00660-8.
  38. Fabrication of multifunctional PET fabrics with flame retardant, antibacterial and superhydrophobic properties / L. Qiuyin [et al.] // Progress in Organic Coatings. 2021. Vol. 157. P. 296–305. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2021.106296.
  39. Антибактериальные неорганические агенты: эффективность использования многокомпонентных систем / А. А. Мелешко [и др.] // Инфекция и иммунитет. 2020. Т. 10, № 4. С. 639–654.
  40. Abo-Zeid Y., Williams G. R. The potential anti-infective applications of metaloxide nanoparticles: a systematic review // Wiley Interdisciplinary Reviews Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2020. Vol. 12, no. 3. P. 1–36. DOI: 10.1002/wnan.1592.
  41. Alavi M., Rai M. Recent advances in antibacterial applications of metal nanoparticles (MNPs) and metal nanocomposites (MNCs) against multidrug resistant (MDR) bacteria // Expert Review of Antiinfective Therapy. 2019. Vol. 17, no. 6. P. 419–428. DOI: 10.1080/14787210.2019.1614914.
  42. A review on bidirectional analogies between the photocatalysis and antibacterial properties of ZnO / J. Liu [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 783. P. 898–918. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.12.330.
  43. Rauhunath A., Perumal E. Metal oxide nanoparticles as antimicrobial agents: a promise for the future // International Journal of Antimicrobial Agents. 2017. Vol. 49, no. 2. P. 137–152. DOI: 10.1016/j.ijantimicag.2016.11.011.
  44. Metal-based nanoparticles as antimicrobial agents: an overview / E. Sanchez-Lopez [et al.] // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 292–331. DOI: 10.3390/nano10020292.
  45. Калмурзаева А. Ш., Джуманазарова А. З., Сариева Ж. К. Антимикробные свойства против патогенных и условно-патогенных микроорганизмов наночастиц серебра, полученных из экстрактов растений // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2022. № 6. С. 81–86.
  46. Preparation and characterizations of antibacterial PET-based hollow fibers containing silver particles / L. Lin [et al.] // Materials Letters. 2011. Vol. 65. P. 1375–1377. DOI: 10.1016/j.matlet.2011.02.006.
  47. Recent advances in the development of metal complexes as antibacterial agents with metal-specific modes of action / J. E. Waters [et al.] // Current Opinion in Microbiology. 2023. Vol. 75. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.mib.2023.102347.
  48. Photoreactive silver-containing supramolecular polymers that form self-assembled nanogels for efficient antibacterial treatment / Y. Asmare Fesseha [et al.] // Journal of Colloid and Interface Science. 2024. Vol. 654, part B. P. 967–978. DOI: 10.1016/j.jcis.2023.10.119.
  49. Antibacterial modification of PET with quaternary ammonium salt and silver particles via electronbeam irradiation / Shumin Zhang [et al.] // Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 85. P. 123–129. DOI: 10.1016/j.msec.2017.12.010.
  50. Способ изготовления медицинской маски: пат. 2426484 РФ / В. М. Жариков, Д. Г. Шарапов. Опубл. 20.08.2011.
  51. Создание упаковочных полимерных материалов с антимикробными свойствами / Ю. В. Фролова [и др.] // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7, № 3. С. 145–152.
  52. Способ получения полимерных изделий на основе полиэтилентерефталата с антибактериальными свойствами: пат. RU 2394948 / В. О. Шеляков, М. Н. Иванов, А. Л. Волынский, Н. Ф. Бакеев, Л. М. Ярышева, О. В. Аржакова, А. А. Долгова, Е. В. Семенова, Н. И. Никонорова. Опубл. 20.07.2010.
  53. Upasani P. S., Sreekumar T. V., Jain A. K. Polyester fabric with inherent antibacterial, hydrophilic and UV protection properties // The Journal of The Textile Institute. 2016. Vol. 107. P. 1135–1143. DOI: 10.1080/00405000.2015.1097082.
  54. Raghupathi K. R., Koodali R. T., Manna A. C. Size-dependent bacterial growth inhibition and mechanism of antibacterial activity of zinc oxide nanoparticles // Langmuir. 2011. Vol. 27, no. 7. P. 4020–4028. DOI: 10.1021/la104825u. 55. Enabling antibacterial coating via bioinspired mineralization of nanostructured ZnO on fabrics under mild conditions / J. Manna [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. Vol. 5, no. 10. P. 4457–4463. DOI: 10.1021/am400933n.

Поступила 05.09.2024