Procesy jonowe w napromieniowanych stałych polimerach

• Autorzy: Szadkowska-Nicze M.

Warianty tytułu

EN

Ionic processes in irradiated solid polymers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metodą radiolizy impulsowej zbadano reakcje przejściowych produktów w napromienionych: polietylenie (PE), poli(metakrylanie metylu) (PMMA), poli(tereftalanie etylenu) (PET), polidimetylosiloksanie (PDMS) i polimerze perfluorowym o nazwie handlowej Nafion, w szerokim zakresie temperatur 30 -298 K. Wyniki badań jonowych produktów radiolizy PE i PMMA, uzyskane techniką impulsową, uzupełniono komplementarnymi badaniami przy zastosowaniu pomiarów radiotermoluminescencji i niskotemperaturowej radiolizy stacjonarnej. W badaniach układów domieszkowanych wykorzystano piren (Py) jako molekularny próbnik luminescencyjny oraz akceptor elektronów i ładunków dodatnich. W niektórych eksperymentach zastosowano również naftalen i 3,3'-dimetylodifenyl. Stwierdzono, że w zależności od budowy chemicznej napromienionego polimeru, elektrony były stabilizowane w pułapkach fizycznych (PE) lub chemicznych ( PMMA, PET, Nafion ) w postaci rodnikoanionów. Tworzenie się rodnikoanionów matrycy było związane z obecnością atomów lub grup chromoforowych o dodatnim powinowactwie elektronowym (EA). Wyniki badań napromienionych domieszkowanych układów wielkocząsteczkowych wykazały, że przebieg procesów jonowych zachodzących w napromienionych polimerach zależał od budowy chemicznej i stanu fizycznego matrycy. Analizując wpływ temperatury na szybkości zaników produktów jonowych w napromienionych impulsowo polimerach wykazano, że w szklistych polimerach zarówno przekazywanie ładunków jak i ich neutralizacja zachodziły w wyniku kwantowo-mechanicznej reakcji tunelowania elektronu do kationu. W zakresie temperatur powyżej temperatury przejścia szklistego Tg, kiedy polimer znajdował się w postaci lepkosprężystej, reakcje produktów jonowych przebiegały zgodnie z mechanizmem dyfuzyjnym. Na podstawie wyników badań fluorescencji Py w napromienionych układach polimerowych wykazano, że procesy przekazywania i rekombinacji ładunków w dielektrycznych polimerach przebiegały lokalnie w obszarach o różnym stopniu koncentracji domieszki i były stymulowane przez molekularne ruchy konformacyjne matrycy polimerowej. Porównując szybkości zaników rodnikojonów Py w PE i PDMS w zakresie temperatur T > Tg z temperaturową zależnością czasów relaksacji polimerów (równanie WLF) stwierdzono, że relaksacja matrycy i związana z nią redystrybucja objętości swobodnej polimeru kontrolują rekombinację rodnikojonów domieszki w lepkosprężystych polimerach. Analiza kinetyki zaniku rodnikojonów Py przy zastosowaniu modelu dyspersyjnego potwierdziła wnioski dotyczące mechanizmu reakcji jonowych w napromienionych polimerach.

EN

Using pulse radiolysis technique for solid polyethylene (PE), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(ethylene terephthalate) (PET), polydimethylsiloxane (PDMS) and perfluorinated polymer (commercial name Nafion) the reactions of transient species were investigated in the wide temperature range 30÷ 298 K. Pulse radiolysis investigations of ionic species in PE and PMMA were completed using complementary measurements like radiothermoluminescence and low temperature steady-state radiolysis. Pyrene, (Py), was used as luminescence molecular probe as well as charge scavenger in investigations of polymers. Some experiments using naphthalene and 3,3'-dimethyldiphenyl were performed. It was found that depending on chemical structure of irradiated polymers, electrons were stabilized in physical traps (PE) or chemical ones (PMMA, PET, Nafion) as radical ions. Matrix radical-anions were produced due to positive electron affinity (EA) of atoms or chromophore groups in polymer chains. Results of absorption measurements of irradiated doped macromolecular systems indicated that ionic processes in irradiated polymers depended on chemical structure and physical state of matrix. Influence of temperature on decay rates of ionic species in pulse irradiated polymers showed that in glassy polymers charge transfer as well as neutralization occurred via quantum-mechanical tunneling reaction of electron to cation. In temperature range above glass transition temperature Tg, when polymer was in viscous-elastic state, ionic product reactions occurred according to diffusion mechanism. Taking into account the observations of emission in irradiated polymer systems, it was found that transfer and charge recombination processes took place in nonhomogeneously distributed local areas and they were stimulated by molecular conformational movements of polymer matrix. Correlation of Py radical ions rate decay in PE and PDMS in temperature range T > Tg with the temperature dependence of polymer relaxation times (WLF equation) showed that matrix relaxation followed by free volume redistribution controlled admixture radical ion recombination in viscous-elastic polymers. Analysis of Py radical ions rate decay using dispersive kinetic model supported conclusions concerning to mechanism of ionic reactions in irradiated polymers.

Słowa kluczowe

PL

napromieniowane polimery; procesy jonowe

EN

irradiated polymers; ionic process

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2002
• Tom: Z. 316
• Strony: 3--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 100 poz.

Twórcy

autor

Szadkowska-Nicze M.

• Międzyrosortowy Instytut Techniki Radiacyjnej, Wydział Chemiczny Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] A. Charlesby, Chemia radiacyjna polimerów, (tłum. J. Żurakowska-Orszagh), WNT, Warszawa 1962.
• [2] M. Dole (red.), The Radiation Chemistry of Macromolecules, t. I, II, Academic Press, Nowy Jork 1972, 1973.
• [3] J. Guillet, Polymer Photophysics and Photochemistry, Cambridge University Press, Cambridge 1985.
• [4] S. Tagawa, ACS Symposium nr 475, ACS Waszyngton 1991, rozdz.l.
• [5] M. Ogasawara, Adv. Polym. Sci. 105, 38 (1993).
• [6] M. Szadkowska-Nicze, J.Mayer, J.Kroh, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 54, 389 (1990).
• [7] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, J. Kroh, Radiat. Phys. Chem. 38, 361 (1991) .
• [8] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, J.Kroh, Radiat. Phys. Chem. 39, 23 (1992) .
• [9] M. Szadkowska- Nicze, J. Mayer, J. Kroh, Radiat. Phys Chem. 40, 383 (1992).
• [10] M. Szadkowska-Nicze, J. Kroh, J. Mayer, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 91, 241 (1995).
• [11] M. Szadkowska-Nicze, J. Kroh, J. Mayer, Radiat. Phys. Chem. 48, 138 (1996).
• [12] M. Szadkowska-Nicze, J. Kulpiński, Z.M. Michalska, J. Mayer, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 117, 153 (1998).
• [13] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 36, 1209 (1998).
• [14] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, Radiat. Phys. Chem. 56, 553 (1999).
• [15] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 37, 2853 (1999).
• [16] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, J. Polym. Sci., Part A: Polym.Chem. 38, 3378 (2000).
• [17] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, Res. Chem. Interned. 27,823 (2001).
• [18] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, J. Polym.Sci., Part A: Polym. Chem. 39,4110(2001).
• [19] J.B. Birks, Photophysics of Aromatic Molecules, J.Wiley & Sons Ltd. London 1970.
• [20] G. Zhang, J.K. Thomas, J. Phys. Chem. 98, 11714 (1994).
• [21] H. Miyasaka, H. Masuhara, N. Mataga, J. Phys. Chem. 94, 3577 (1990).
• [22] J.T. Richards, G. West, J.K. Thomas, J. Phys. Chem. 74, 4137 (1970).
• [23] K. Kalyanasundaram, J.K. Thomas, J. Am. Chem. Soc. 99,2039 (1977).
• [24] M. F. Winnik, Chem. Rev. 93, 587 (1993)
• [25] J.Kroh (red.), Wybrane zagadnienia chemii radiacyjnej, PWN, Warszawa (1986)
• [26] J. Mayer, T. Szreder, M. Szadkowska-Nicze, A. Faucitano, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 36, 1217 (1998).
• [27] J. Mayer, M. Szadkowska-Nicze, J. Kroh, Polimery 42, 162 (1997).
• [28] G.R.A. Johnson, A. Willson, Radiat. Phys. Chem. 10, 89 (1977).
• [29] S. Tagawa, N. Hayashi, Y. Yoshida, M. Washio, Y. Tabata, Radiat. Phys. Chem. 34, 503 (1989).
• [30] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer , T. Szreder, A. Faucitano, Radiat. Phys. Chem. 54, 193 (1999).
• [31] J. Kroh, Elektrony w chemii radiacyjnej układów skondensowanych, Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Wydawnictwo PAN, Wrocław, 1980.
• [32] R.M. Keyser, F. Williams, J. Phys. Chem. 73, 1623 (1969).
• [33] R.H. Partrige, J. Chem. Phys. 52, 1277 (1970).
• [34] J. Mayer, M. Szadkowska-Nicze, J.Kroh, Current Trends in Polymer Photochemistry, ed. N.S. Allen, M. Edge, I.R. Bellobono, E.Selli, Prentice Hall Int.(U.K.), 1995, p.344-351.
• [35] O. Brede, R. Hermann, L. Wojnarovits, L. Stephan, T. Taplick, Radiat.Phys. Chem. 34, 403 (1989).
• [36] M. Szadkowska-Nicze, M. Kiszka and J. Mayer, J. Polym. Sci., Part A: Polym .Chem. 35, 299 (1997).
• [37] H. Tachikawa, H. Yoshida, M. Ogasawara, Radiat. Phys. Chem. 37,107 (1991).
• [38] M. Tanaka, H. Yoshida, T. Ichikawa, Polym. J. 22, 835 (1990).
• [39] T. Shida, S. Iwata, M. Imamura, J. Phys. Chem. 78, 741 (1974).
• [40] J. Masnovi, J. Am. Chem. Soc. I l l , 9081 (1989).
• [41] T. Shida, Electronic Absorption Spectra of Radical Ions, Elsevier Science, Amsterdam (1988).
• [42] Yu.D. Tsvetkov, Yu.N. Molin, V.V. Voevodskii, Vysokomol.Soedin.1, 1805 (1959)
• [43] M.G. Ormerod, A. Charlesby, Polymer 4,459 (1963).
• [44] S.H. Almeida,Y. Kawano, Polym. Degrad, and Stab. 6, 291 (1998)
• [45] B. Hurni, R.E. Buhler, Radiat. Phys. Chem. 15, 231 (1980).
• [46] A. Faucitano, A. Buttafva, S. Karolczak, P.A. Guarda, G. Marchionni, Radiat. Phys. Chem. 54, 179 (1999).
• [47] T.G. Fox, Jr., P.J. Flory, J. Polymer Sci. 14, 315 (1954).
• [48] M. Szadkowska-Nicze, J. Kroh, J. Mayer, Radiat. Phys. Chem. 45, 87 (1995).
• [49] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, Symp. Chemii i Techniki Radiacyjnej, P-10, Karpacz 17-21.09. 1996.
• [50] A. Torikai, R. Kato, J. Polym. Sci. Polym, Chem. Ed. 16, 1487 (1978).
• [51] R.F. Boyer, Macromolecules 6, 288 (1973).
• [52] J. Naciri, R G. Weiss, Macromolecules 22, 3928 (1989).
• [53] Z. He, G.S. Hammond, R.G. Weiss, Macromolecules 25, 1568 (1992).
• [54] A.F. Olea, J.K. Thomas, J. Am. Chem. Soc. 110, 4494 (1989).
• [55] N.S. Allen, J. Homer, J.F. McKellar, J. Appl. Polym. Sci. 21, 3147 (1978).
• [56] J. Kroh, S. Wysocki, Radiat. Phys. Chem. 40, 395 (1992).
• [57] A. Gupta, R. Liang, F.D. Tsay, J. Moacanin, Macromolecules 13, 1696 (1980).
• [58] J.P. LaFemina, G. Arjavalingam, J. Phys. Chem. 95, 984 (1991).
• [59] L. Chen, X. Jin, J. Du, R. Qian, Makromol. Chem. 192, 1399 (1991).
• [60] M.A. Matties, W.L. Mattice, Polym. Bull. 34, 369 (1995).
• [61] K.H. Illers, H. Breuer, J. Colloid. Sci., 18, 1 (1963).
• [62] J.P. Bell, T. Murayama, J. Polym. Sci. Part A: 2 7, 1059 (1969).
• [63] Y. Hama, Y. Kimura, M. Tsumura, N. Omi, Chem. Phys. 53, 115 (1980).
• [64] Y. Hama, K. Gouda, Radiat. Phys.Chem. 21, 185 (1983).
• [65] A. Płonka, Prog. React. Kinet. 16, 157 (1991).
• [66] C. Burger, F.-H. Kreuzer, Silicon in Polymer Synthesis, H.R. Kircheldorf (ed.), Springer, Berlin, Heidelberg, 1996, Chap.3, str. 113-222.
• [67] A.C. Somersall, E. Dan, J.E. Guillet, Macromolecules 7, 233 (1974).
• [68] J. Kolarik, Adv. Polym. Sci. 46, 119 (1982).
• [69] G. Allen, J. Appl. Chem. 14, 1 (1964).
• [70] M. Tilley, S.P. Pappas, W. Schnabel, Macromol. Chem. 188, 2427 (1987).
• [71] D.Y. Chu, J.K. Thomas, J. Phys. Chem. 93, 6250 (1989).
• [72] H. Rutheford, I. Soutar, J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. 18, 1021 (1980).
• [73] J. Tino, J. Urban, V. Klimo, Polymer 30, 2135 (1989).
• [74] M.L. Williams, R.F. Landel, J.D. Ferry, J. Am. Chem. Soc. 77, 3701 (1955).
• [75] A.K. Doolittle, J. Appl. Phys. 22, 929 (1951).
• [76] R. Simha, R.F. Boyer, J. Chem. Phys. 37, 1003 (1962).
• [77] G. Dlubek, K. Saarinen, H.M. Fretwell, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 36, 1513 (1998).
• [78] A. Torikai, H. Mishina, J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 19, 2297 (1981).
• [79] W. Sakai, A. suchida, M. Yamamoto, T. Matsuyama, H. Yamaoka, Macromol. Chem., Rapid Commun. 15, 551 (1994).
• [80] G. Zhang, J.K. Thomas, J. Phys. Chem. A 102, 5465 (1998).
• [81] A. Tsuchida, W. Sakai, M. Nakano, M. Yoshida, M. Yamamoto, Chem. Phys. Utt. 188, 254 (1992).
• [82] A. Tsuchida, W. Sakai, M. Nakano, M. Yamamoto, J. Phys. Chem. 96, 8855 (1992).
• [83] L. Zlatkevich, Radiothermoluminescence and Transitions in Polymers, Springer-Verlag, New York (1987).
• [84] G.C. Meggit, A. Charlesby, Radiat. Phys. Chem. 13,45 (1979)
• [85] J.K. Lednev, V.A. Aulov, N.F. Bakeev, Doki. Akad. Nauk SSSR 265, 1424(1982)
• [86] J.K. Lednev, V.A. Aulov, N.F. Bakeev, Radiat. Phys. Chem. 27, 335, (1986).
• [87] R. Kitamaru, F. Hori, Adv. Polym. Sci. 26, 139 (1978).
• [88] K.S. Bagdasaryan, R.I. Milutinskaya, Ya.V. Kovalov, Khim. Vysok. En.1, 127 (1967).
• [89] A. Płonka, J. Mayer, W. Lefik, J. Kroh, Radiat. Phys. Chem. 26, 657, (1985) .
• [90] J. Mayer, J. Kuriata, J. Kroh, J. Radioanal. Nucl. Chem., Articles 97, 65 (1986) .
• [91] J. Mayer, M. Szadkowska-Nicze, J. Kroh, J. Photochem. 38, 385 (1987).
• [92] J. Mayer, M. Szadkowska-Nicze, J. Kroh, Proceedings of the Sixth Symposium on Radiation Chemistry, str. 387 (1986).
• [93] M. Szadkowska-Nicze, J, Mayer, J. Kroh, J. Photochem. Photobiol., A: Chem. 47,319(1989).
• [94] M. Szadkowska-Nicze, J. Mayer, Radiat. Phys. Chem. 37, 483 (1991).
• [95] M. Szadkowska-Nicze, M. Wolszczak, J. Kroh, J. Mayer, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 75, 125 (1993).
• [96] A. Itaya, T. Yamada, K. Tokuda, H. Mosuhar, Polym. J. 22, 697 (1990).
• [97] R.E. Robertson, J. Polym. Sci. Polym. Symp. 63, 173 (1978).
• [98] P. Avis, G. Porter, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2, 70, 1057 (1974).
• [99] J. Mayer, T. Szreder, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 134, 71 (2000).
• [100] F.J. Campbell, Radiat. Phys. Chem. 18, 109 (1981).