Układy nanohybrydowe poliuretan (PUR)/funkcjonalizowany silseskwioksan (PHIPOSS). Cz. II. Rentgenowskie badania strukturalne metodami WAXD i SAXS

• Autorzy: Janowski B. , Pielichowski K. , Kwiatkowski R.

Warianty tytułu

EN

Nanohybrid polyurethane (PUR)/functionalized silsesquioxane (PHIPOSS) systems. Part II. X-Ray structural investigations using WAXD and SAXS methods

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metodami analizy WAXD i SAXS scharakteryzowano strukturę układów nanohybrydowych poliuretan/polisilseskwioksan (PUR/POSS) o zawartości PHIPOSS: 2, 4, 6, 8 i 10 % mas. Krzywe dyfrakcyjne WAXD analizowano rozdzielając je na maksima dyfuzyjnego rozpraszania przez fazy twardą i miękką matrycy poliuretanowej badanych układów oraz pik dyfrakcyjny odpowiadający płaszczyznom krystalograficznym (101) heksagonalnej komórki elementarnej POSS. Korzystając z równania Scherrera wyznaczano wymiary D101 krystalitów POSS, uformowanych w elastomerach PUR/PHIPOSS. Stwierdzono wyraźne zróżnicowanie wartości D101 (34—22 nm) odpowiadającej różnej zawartości PHIPOSS oraz nieregularność zmian D101. Zaobserwowano też, że występujący na dyfraktogramach WAXD prepik głównego halo amorficznego przesuwa się w stronę mniejszych kątów rozpraszania wraz ze wzrostem zawartości silseskwioksanu w układzie, co odpowiada wzrostowi długości korelacji przypisanej temu pikowi, z 0,75 nm dla niemodyfikowanego PUR do ok. 1,18 nm dla elastomeru o zawartości 10 % mas. PHIPOSS. Na podstawie krzywych dyfrakcyjnych SAXS wyznaczono jednowymiarowe funkcje korelacyjne K(r) i CF(r) lamelarnej struktury nadcząsteczkowej badanych układów. Analiza tych funkcji umożliwiła określenie wielkiego okresu lamelarnej struktury nadcząsteczkowej, udziału objętościowego fazy twardej i fazy miękkiej, średniej grubości warstwy twardej i warstwy miękkiej oraz zmiany mocy rozpraszania poliuretanów hybrydowych o zawartości PHIPOSS 4 i 10 % mas. poliuretanu niemodyfikowanego. Stwierdzono, że po dokonaniu modyfikacji łańcuchów poliuretanowych cząsteczkami PHIPOSS, wielki okres lamelarnej struktury nadcząsteczkowej badanych poliuretanów nie ulega zmianie, zmniejszeniu natomiast ulega grubość warstw twardych (z 4,1 nm do 3,8—3,4 nm) i zwiększa się jednocześnie grubość warstw miękkich (z 7,0 nm do 7,4—7,8 nm). Wstosunku do niemodyfikowanego PUR, moc rozpraszania małokątowego elastomerów modyfikowanych o zawartości silseskwioksanu 4 i 10 % mas., zmniejsza się, odpowiednio, o ok. 11 % i 22 %. Efekt ten przypisano lokowaniu się krystalitów PHIPOSS w obszarach pomiędzy stosami lamelarnymi poliuretanowej matrycy nanohybrydowych elastomerów.

EN

The structure of the nanohybrid PUR/POSS systems containing 2, 4, 6, 8 and 10 wt. % PHIPOSS has been characterized by WAXD and SAXS methods. WAXD diffraction patterns of the hybrid elastomers were analyzed by deconvolution into diffuse scattering maxima of the hard phase or soft phase and the diffraction peak corresponding to the (101) crystallographic plane of the POSS hexagonal unit cell. The dimension D101 of the POSS crystallites formed in PUR/PHIPOSS elastomers, was determined using the Scherrer equation. Clear differences in the values of D101 (34—22 nm), with changes not occurring on aregular basis, were found for various PHIPOSS contents. Moreover, for all the systems investigated, it was observed that the so-called ‘prepeak' of the main amorphous halo in WAXD patterns was shifted to lower diffraction angles with an increase in PHIPOSS content. This was corresponding to an increase of correlation length associated with this peak, from 0.75 nm in case of the unmodified PUR to about 1.18 nm for the elastomer containing 10 wt.% PHIPOSS. One-dimensional correlation functions K(r) and CF(r) for the lamellar supramolecular structure of the investigated systems were determined from SAXS diffraction patterns. Based on the analysis of these functions, the following parameters have been determined: the long period of the lamellar supramolecular structure, the volume fraction and average thickness of the hard and soft phases, and the changes in the scattering power for hybrid polyurethane containing 4 and 10 wt. % of PHIPOSS compared to unmodified polyurethane. It was found that after the modification of polyurethane chains with PHIPOSS molecules the long period of the lamellar supramolecular structure of the investigated elastomers was not changed, whereas the thickness of the hard layers was reduced (from 4,1 nm to 3,8—3,4 nm) and the thickness of the soft layers was simultaneously increased (from 7,0 nm to 7,4—7,8 nm). It was also observed that the scattering power for the elastomers with POSS mass fractions of 4 and 10 % is reduced by 11 % and 22 %, respectively. This effect has been attributed to the location of PHIPOSS crystallites in the regions between the lamellar stacks in the polyurethane matrix of nanohybrid elastomers.

Słowa kluczowe

PL

poliuretany nanohybrydowe; elastomery nanohybrydowe; POSS; poliedryczne oligosilseskwioksany; metoda WAXD; metoda SAXS; struktura nadcząsteczkowa

EN

nanohybrid polyurethanes; nanohybrid elastomers; POSS; polyhedral oligomeric silsesquioxanes; WAXD; SAXS; supramolecular structure

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 59, nr 2
• Strony: 147--159
• Opis fizyczny: Bibliogr. 54 poz., rys.

Twórcy

autor

Janowski B.

• Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Katedra Chemii i Technologii Polimerów, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków

autor

Pielichowski K.

• Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Katedra Chemii i Technologii Polimerów, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków

autor

Kwiatkowski R.

• Akademia Techniczno-Humanistyczna,Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku, Instytut Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych, Zakład Fizyki i Badań Strukturalnych, ul.Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała

Bibliografia

• [1] Janowski B., Pielichowski K.: Polimery 2012, 57, 518.
• [2] Kickelbick G.: „Hybrid Materials — Synthesis, Characterization and Applications”, Wiley-Vch Verlag, Weinheim 2007.
• [3] Wei Q., Ji J., Shen J.: Macromol. Rapid Commun. 2008, 29, 645.
• [4] Cardiano P.: J. Appl. Polym. Sci. 2008, 108, 3380.
• [5] Araki W., Wada S., Adachi T.: J. Appl. Polym. Sci. 2008, 108, 2421.
• [6] Ahmad S., Agnihotry S. A., Ahmad S.: J. Appl. Polym. Sci. 2008, 107, 3042.
• [7] Lipatov Y. S.: „Polymer Reinforcement”, ChemTec Publishing, Toronto 1995.
• [8] Klempner D., Sperling L. H., Utracki L. A.: „Interpenetrating Polymer Networks”, American Chemical Society, 1994.
• [9] Zhou P., Frisch H. L., Rogovina L., Makarova L. i in.: J. Polym. Sci., Polym. Chem. 1993, 31, 2481.
• [10] Madbouly S. A., Otaigbe J. U.: Prog. Polym. Sci. 2009, 34, 1283.
• [11] Daimatsu K., Anno Y., Sugimoto H., Nakanishi E. i in.: J. Appl. Polym. Sci. 2008, 108, 362.
• [12] Yang P.: „Chemistry of Nanostructured Materials”, World Scientific Publishing, Hong Kong 2003.
• [13] Li J., Wong P.-S., Kim J-K.: Mater. Sci. Eng. A 2008, 483—484, 660.
• [14] Lin J.-C.: Comp. Struct. 2008, 84, 125.
• [15] Zhao X., Mai Z., Kang X., Dai Z. i in.: Electrochim. Acta 2008, 53, 4732.
• [16] Zhang J., Luo S., Gui L.: J. Mater. Sci. 1997, 32, 1469.
• [17] Catauro M., Raucci M. G., de Gaetano F., Marotta A.: J. Mater. Sci. 2003, 38, 3097.
• [18] Harrison P. G.: J. Organometal. Chem. 1997, 542, 141.
• [19] Singh M. A., Ghosh S. S., Shannon R. F. Jr.: J. Appl. Cryst. 1993, 26, 787.
• [20] Barry A. J., Daudt J. J. D., Gilkey J. W.: J. Am. Chem. Soc. 1955, 77, 4248.
• [21] Brown J. F., Vogt L. H., Prescott P. I.: J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 1120.
• [22] Fu B. X., Hsiao B. S., Pagola S., Stephens P. i in.: Polymer 2001, 42, 599.
• [23]Waddon A. J., Coughlin E. B.: Chem. Mater. 2003, 15, 4555.
• [24] Alexander L. E.: „X-ray Diffraction Methods in Polymer Science”, Wiley-Interscience, New York 1969.
• [25] Balta-Calleja F. J., Vonk C. G.: „X-Ray Scattering of Synthetic Polymers”, Polymer Science Library, Elsevier, Amsterdam 1989.
• [26] Kim M. H., Londono J. D., Habenschuss A.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed. 2000, 38, 2480.
• [27] Huh D. S., Cooper S. L.: Polym. Eng. Sci. 1971, 11, 369.
• [28] Samuels S. L., Wilkes G. L.: J. Polym. Sci., Polym. Symp. 1973, 43, 149.
• [29] Seymour R. W., Cooper S. L.: Macromolecules 1973, 6, 48.
• [30] Seymour R. W., Estes G. M., Cooper S. L.: Macromolecules 1974, 3, 579.
• [31] Bonart R., Muller E. H.: J. Macromol. Sci., Phys. 1974, B10, 177.
• [32] Bonart R., Muller E. H.: J. Macromol. Sci., Phys. 1974, B10, 345.
• [33] Koberstein J. T., Stein R. S.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. 1983, 21, 1439.
• [34] Leung L. M., Koberstein J. T.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. 1985, 23, 1883.
• [35] Leung L. M., Koberstein J. T.: Macromolecules 1986, 19, 706.
• [36] Raftopoulos K. N., Pandis Ch., Apekis L., Pissis P. i in.: Polymer 2010, 51(3), 709.
• [37] Raftopoulos K. N., Janowski B., Apekis L., Pielichowski K. i in.: Eur. Polym. J. 2011, 47, 2120.
• [38] Koberstein J. T., Galambos A. F., Leung L. M.: Macromolecules 1992, 25, 6195.
• [39] Koberstein J. T., Leung L. M.: Macromolecules 1992, 25, 6205.
• [40] Guinier A., Fournet G.: „Small-Angle Scattering of X-Rays”, Wiley, New York 1955.
• [41] Porod G.: Kolloid-Z. 1951, 124, 83.
• [42] Vonk C. G., Kortleve G.: Kolloid Z. Z. Polym. 1967, 220, 19.
• [43] Vonk C. G.: J. Appl. Cryst. 1973, 6, 81.
• [44] Strobl G. R., Schneider M.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. 1980, 18, 1334.
• [45] Vonk C. G.: „Synthetic polymers in the solid state”w„Small angle X-ray scattering” (red. Glatter O., Kratky O.), Academic Press, London 1982.
• [46] Vonk C. G., Pijpers J.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed. 1985, 23, 2517.
• [47] Goderis B., Reynaers H., Koch M. H. J., Mathot V. B. F.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. 1999, 37, 1715.
• [48] Rathje J., RulandW.: Colloid Polym. Sci. 1976, 254, 358.
• [49] Weigand W., Ruland W.: Prog. Colloid Polym. Sci. 1979, 13, 335.
• [50] Ruland W.: J. Appl. Cryst. 1971, 4, 70.
• [51] Koberstein J. T., Morra B., Stein R. S.: J. Appl. Cryst. 1980, 13, 34.
• [52] Koberstein J. T., Stein R. S.: J. Polym. Sci., Polym. Phys. 1983, 21, 2181.
• [53] Albrecht T., Strobl G. R.: Macromolecules 1995, 28, 5267.
• [54] Boulin C., Kempf R., Koch M. H. J., McLaughlin S. M.: Nucl. Instrum. Methods 1986, A249, 399