Thermal stability and mechanical properties of hybrid materials based on nitrocellulose grafted by aminopropylisobutyl polyhedral oligomeric silsesquioxane

Yang, X.; Wang, Y.; Li, Y.; Li, Z.; Song, T.; Liu, X.; Hao, J.

doi:10.14314/polimery.2017.576

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Thermal stability and mechanical properties of hybrid materials based on nitrocellulose grafted by aminopropylisobutyl polyhedral oligomeric silsesquioxane

Autorzy

Yang X. , Wang Y. , Li Y. , Li Z. , Song T. , Liu X. , Hao J.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.14314/polimery.2017.576

Warianty tytułu

Stabilność termiczna i właściwości mechaniczne materiałów hybrydowych na bazie nitrocelulozy szczepionej oligomerycznym wielofunkcyjnym aminopropyloizobutylosilseskwioksanem

Konferencja

International Conference MoDeSt (9 ; 04–08.09.2016 ; Cracow, Poland)

Języki publikacji

Abstrakty

The need for improvement in nitrocellulose (NC) storage safety and convenience of application requires an increase in NC thermal stability and enhancement of its mechanical properties. To this aim, hybrid materials were synthesized by grafting NC with aminopropylisobutyl polyhedral oligomeric silsesquioxane (amino-POSS) using isophorone diisocyanate (IPDI) as a crosslinking agent. The structure and elemental composition of the resulting products were confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), nuclear magnetic resonance (¹H NMR and ²⁹Si NMR), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). It was found, based on the silicon mapping using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), that amino-POSS was well dispersed in NC matrix. Differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) studies showed that hybrid amino-POSS-NC materials have higher thermal decomposition activation energy (E_a) compared to NC control sample. According to TGA results, the temperatures of 5 % weight loss (T_{5 %}) and 50 % weight loss (T_{50 %}) as well as the residual masses at 240 °C (CR_{240 °C}), were increased as a result of NC modification with amino-POSS. As can be seen from the digital and scanning electron microscopy (SEM) images, the char layers of amino-POSS-NC hybrid materials after burning in air became more compact with increasing amino-POSS content. XPS studies have shown an increased content of the graphitized carbon in the char residues of the modified samples. The results of DSC, TGA, SEM and XPS studies have directly proved the enhancement of the thermal stability of amino-POSS-NC hybrid materials. In addition, tensile strengths and Young's moduli of amino-POSS-NC hybrid materials were increased gradually with the amino-POSS content in the uniaxial tensile tests. All these results show that the proposed modification of nitrocellulose improves the safety of manufacture and use of this material.

Poprawa bezpieczeństwa przechowywania nitrocelulozy (NC) wymaga zwiększenia jej stabilności termicznej, a wygoda używania poprawy właściwości mechanicznych. W tym celu zsyntetyzowano materiały hybrydowe, w których NC szczepiono oligomerycznym wielofunkcyjnym aminopropyloizobutylosilseskwioksanem (amino-POSS) stosując jako środek sieciujący izoforonodiizocyjanian (IPDI). Strukturę i skład otrzymanych materiałów potwierdzono za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformatą Fouriera (FT-IR), jądrowego rezonansu magnetycznego (¹H NMR i ²⁹SiNMR), dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS). Na podstawie wyników badań mapowania Si, otrzymanych metodą spektroskopii dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS), stwierdzono, że amino-POSS został dobrze zdyspergowany w matrycy NC. Badania stabilności termicznej przeprowadzone za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) wykazały, że materiały hybrydowe typu amino-POSS-NC charakteryzują się większymi wartościami energii aktywacji rozkładu termicznego (E_a) niż próbka kontrolna NC. Zgodnie z wynikami analizy termograwimetrycznej (TGA) wartości temperatury ubytku 5 % (T_{5 %}) i 50% (T_{50 %}) masy próbki oraz pozostałości masy w temperaturze 240 °C (CR_{240 °C}) zwiększały się na skutek modyfikacji NC za pomocą amino-POSS. Według fotografii cyfrowych i fotografii wykonanych metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) warstwy węglowe powstałe po spaleniu materiałów hybrydowych w powietrzu wraz ze zwiększeniem zawartości amino-POSS stawały się coraz bardziej zwarte, a wyniki badań XPS wykazały, że tworzyło się coraz więcej węgla w postaci grafitu. Wszystkie wyniki DSC, TGA, SEM i XPS dowodzą poprawy stabilności termicznej materiałów hybrydowych amino-POSS-NC. Stwierdzono także, że wytrzymałość na rozciąganie i moduł Young'a podczas prób jednoosiowego rozciągania materiałów hybrydowych rosną ze zwiększaniem się zawartości amino-POSS. Wyniki wszystkich przeprowadzonych badań dowodzą, że zaproponowana modyfikacja NC poprawia bezpieczeństwo wytwarzania i użytkowania tych materiałów w porównaniu z niemodyfikowanym NC.

Słowa kluczowe

nitrocellulose hybrid material aminopropylisobutyl polyhedral oligomeric silsesquioxane thermal stability mechanical properties

nitroceluloza materiał hybrydowy oligomeryczny wielofunkcyjny aminopropyloizobutylosilseskwioksan stabilność termiczna właściwości mechaniczne

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej

Czasopismo

Polimery

Rocznik

2017

Tom

T. 62, nr 7-8

Strony

576--587

Opis fizyczny

Bibliogr. 56 poz., rys. kolor.

Twórcy

autor

Yang X.

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

autor

Wang Y.

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

autor

Li Y.

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

autor

Li Z.

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

autor

Song T.

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

autor

Liu X.

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

autor

Hao J.

hjw@bit.edu.cn

Beijing Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering, National Engineering Technology Research Center of Flame Retardant Materials, Beijing 100081, PR China

Bibliografia

[1] Jin M., Luo N., Li G., Luo Y.: Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2015, 121 (2), 901. http://dx.doi.org/10.1007/s10973-015-4574-4
[2] Chajistamatiou A.S., Bakeas E.B.: Talanta 2016, 151, 192. http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2016.01.038
[3] Mao C., Chen C.: Journal of Applied Polymer Science 2003, 90 (14), 4000. http://dx.doi.org/10.1002/app.13121
[4] Alinat E., Delaunay N., Costanza C. et al.: Talanta 2014, 125 (125), 174. http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2014.02.071
[5] Ma S., Song G., Feng N.: Carbohydrate Polymers 2012, 89 (1), 36. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.02.029
[6] Bao T.N., Gautrot J.E., Nguyen M.T., Zhu X.X.: Journal of Materials Chemistry 2007, 17, 1725. http://dx.doi.org/10.1039/B616446C
[7] Gao X.F., Xu L.P., Xue Z.X. et al.: Advanced Materials 2014, 26 (11), 1771. http://dx.doi.org/10.1002/adma.201304487
[8] Tanyolaç D., Özdural A.R.: Reactive and Functional Polymers 2000, 45 (3), 235. http://dx.doi.org/10.1016/S1381-5148(00)00037-7
[9] Peterson G.R., Cychosz K.A., Matthias T., Hope- -Weeks L.J.: Chemical Communication 2012, 48 (96), 11 754. http://dx.doi.org/10.1039/c2cc36071c
[10] Zhang X., Weeks B.L.: Journal of Hazardous Materials 2014, 268 (3), 224. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.01.019
[11] Mu X., Yu H., Zhang C. et al.: Carbohydrate Polymers 2016, 136, 618. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.08.070
[12] Shen W., Wang H., Liu Y. et al.: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2007, 308 (1–3), 20. http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2007.05.023
[13] Katoh K., Yoshino S., Kubota S. et al.: Propellants, Explosives, Pyrotechnics 2007, 32 (5), 406. http://dx.doi.org/10.1002/prep.200700044
[14] Yoon J., Lee J., Choi B. et al.: Nano Research 2016, 1. http://dx.doi.org/10.1007/s12274-016-1268-6012345
[15] Wolszakiewicz T., Książczak A.: Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2004, 77, 353. http://dx.doi.org/10.1023/B:JTAN.0000033219.39717.68
[16] Katoh K., Yoshino S., Kubota S. et al.: Propellants, Explosives, Pyrotechnics 2007, 32 (4), 314. http://dx.doi.org/10.1002/prep.200700034
[17] Hassan M.A.: Journal of Hazardous Materials 2001, 88 (1), 33. http://dx.doi.org/10.1016/S0304-3894(01)00297-7
[18] Moniruzzaman M., Bellerby J.M.: Polymer Degradation and Stability 2008, 93 (6), 1067. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2008.03.020
[19] Katoh K., Higashi E., Nakano K. et al.: Propellants, Explosives, Pyrotechnics 2010, 35 (5), 461. http://dx.doi.org/10.1002/prep.200900074
[20] Qian X., Song L., Jiang S. et al.: Industrial & Engineering Chemistry Research 2013, 52 (22), 7307. http://dx.doi.org/10.1021/ie400872q
[21] Chen Y., Peng Y., Liu W.Y. et al.: Advanced Materials Research 2013, 741, 28. http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.741.28
[22] Wu G., Chen L., Liu L.: Journal of Materials Science 2016, 52 (2), 1. http://dx.doi.org/10.1007/s10853-016-0401-y
[23] Blattmann H., Mülhaupt R.: Macromolecules 2016, 49 (3), 742. http://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.5b02560
[24] Montero B., Bellas R., Ramírez C. et al.: Composites Part B: Engineering 2014, 63, 67. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.03.023
[25] Mirmohammadi S.A., Nekoomanesh-Haghighi M., Gezaz S.M. et al.: Materials Science and Engineering: C 2016, 68, 530. http://dx.doi.org/10.1016/j.msec.2016.06.027
[26] Gidden J., Kemper P.R., Shammel E. et al.: International Journal of Mass Spectrometry 2003, 222 (1–3), 63. http://dx.doi.org/10.1016/S1387-3806(02)00951-X
[27] Zong P., Fu J., Chen L. et al.: RSC Advances 2016, 6 (13), 10 498. http://dx.doi.org/10.1039/c5ra24885j
[28] Vahabi H., Ferry L., Longuet C. et al.: Materials Chemistry and Physics 2012, 136 (2–3), 762. http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.07.053
[29] Girouard N.M., Xu S., Schueneman G. et al.: ACS Applied Materials & Interfaces 2016, 8 (2), 1458. http://dx.doi.org/10.1021/acsami.5b10723
[30] Trache D., Khimeche K., Mezroua A., Benziane M.: Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2016, 124 (3), 1485. http://dx.doi.org/10.1007/s10973-016-5293-1
[31] Chen S., Gao J., Han H., Wang C.: Iranian Polymer Journal 2014, 23 (8), 609. http://dx.doi.org/10.1007/s13726-014-0255-6
[32] Dong H., Brennan T.D.: Chemistry of Materials 2006, 18 (17), 4176. http://dx.doi.org/10.1021/cm060509e
[33] Nikolić A., Petrović S., Antonović D., Gobor L.: Journal of Molecular Structure 1997, 408–409, 355.
[34] Lee Y.J., Kuo S.W., Su Y.C. et al.: Polymer 2004, 45 (18), 6321. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2004.04.055
[35] Li R., Xu H., Hu H. et al.: Journal of Energetic Materials 2014, 32 (1), 50. http://dx.doi.org/10.1080/07370652.2012.754515
[36] Fan H., Yang R.: Industrial & Engineering Chemistry Research 2013, 52 (7), 2493. http://dx.doi.org/10.1021/ie303281x
[37] Chen S., Guo L., Du D., Li X.: Polymer 2016, 103, 27. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2016.09.034
[38] Bu X., Zhou Y., Huang F.: Materials Letters 2016, 174 (1), 21. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2016.03.067
[39] Wang K., Liu D., Xu S., Cai G.: Thermochimica Acta 2015, 610, 23. http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2015.04.022
[40] Ozawa T.: Journal of Thermal Analysis 1970, 2 (3), 301. http://dx.doi.org/10.1007/BF01911411
[41] Pourmortazavi S.M., Hosseini S.G., Nasrabadi M.R. et al.: Journal of Hazardous Materials 2009, 162 (2–3), 1141. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.05.161
[42] Kissinger H.E.: Analytical Chemistry 1957, 29 (11), 1702. http://dx.doi.org/10.1021/ac60131a045
[43] Teo J.K.H., Teo K.C., Pan B. et al.: Polymer 2007, 48 (19), 5671. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2007.07.059
[44] Sovizi M.R., Hajimirsadeghi S.S., Naderizadeh B.: Journal of Hazardous Materials 2009, 168 (2–3), 1134. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.02.146
[45] Jeon J.H., Tanaka K., Chujo Y.: Journal of Materials Chemistry A 2014, 2 (3), 624. http://dx.doi.org/10.1039/C3TA14039C
[46] Zhao C., Yang X., Wu X. et al.: Polymer Bulletin 2008, 60 (4), 495. http://dx.doi.org/10.1007/s00289-008-0887-9
[47] Yang X., Li Y., Wang Y. et al.: Journal of Polymer Research 2017, 24, 50. http://dx.doi.org/10.1007/s10965-017-1203-x
[48] Yuan D.D., Cai X.F.: Chinese Journal of Polymer Science 2013, 31 (10), 1352. http://dx.doi.org/10.1007/s10118-013-1306-8
[49] Wang X., Romero M.Q., Zhang, X.Q. et al.: RSC Advances 2015, 5, 10 647. http://dx.doi.org/10.1039/C4RA14943B
[50] Puziy A.M., Poddubnaya O.I., Ziatdinov A.M.: Applied Surface Science 2006, 252 (23), 8036. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.10.044
[51] Huang G., Liang H., Wang Y. et al.: Materials Chemistry and Physics 2012, 132 (2–3), 520. http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2011.11.064
[52] Puziy A.M., Poddubnaya O.I., Socha R.P. et al.: Carbon 2008, 46 (15), 2113. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2008.09.010
[53] Tsai K.C., Kuan C.F., Chen C.H. et al.: Journal of Applied Polymer Science 2013, 127 (2), 1084. http://dx.doi.org/10.1002/app.37700
[54] Hu L., Jiang P., Bian G. et al.: Journal of Applied Polymer Science 2016. http://dx.doi.org/10.1002/APP.44440
[55] Yin G., Chen G., Zhou Z., Li Q.: RSC Advances 2105, 5 (42), 33 356. http://dx.doi.org/10.1039/c5ra01971k
[56] Tanaka K., Adachi S., Chujo Y.: Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2009, 47 (21), 5690. http://dx.doi.org/10.1002/pola.23612

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-5b78ab7a-9a4c-4b20-9f91-fdac6d532512