CC BY
2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМОВ КАЛИЯ С ПОЛИМЕРАМИ И.А. Какорин, магистр
Волгоградский государственный университет (Россия, г. Волгоград)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-5-126-129
Аннотация. В статье исследуются влияние атомов калия на структурные, механические, термические и электрические свойства полимеров. На примере полимера - пироли-зованного полиакрилонитрила проведены теоретические расчеты и продемонстрирован процесс взаимодействия полимерной матрицы с атом калия. Описан процесс внедрение атома в структуру полимера через различные дефекты поверхности, определено что атомы, входящие в периметр дефекта, влияют на значение энергетического барьера, возникающего при прохождении атома калия через слой полимера. Расчеты выполнялись в рамках модели молекулярного кластера методом PM6.
Ключевые слова: пиролизованный полиакрилонитрил, энергетический барьер, взаимодействие, метод PM6, атом калия.
Полимеры, состоящие из повторяющихся молекулярных единиц, являются неотъемлемой частью многих технологических и промышленных приложений благодаря своим разнообразным свойствам. Включение различных элементов, например, металлов может значительно изменить эти свойства. Атомы калия, необходимые в биологических системах и многочисленных промышленных процессах, сложным образом взаимодействуют с полимерами.
Атомы калия, обычно в ионной форме, взаимодействуют с полимерами в основном посредством электростатических сил и ион-дипольных взаимодействий. Эти взаимодействия зависят от функциональных групп полимера и местного ионного окружения. Калий образует координационные комплексы с полимерными цепочками, особенно содержащие донорные атомы кислорода или азота. Эти комплексы могут приводить к изменению конфор-мации и свойств полимера. Калий способен усиливать или ослаблять механические свойства полимеров.
Ионы калия способны экранировать электростатическое отталкивание между заряженными группами, что приводит к увеличению гибкости цепи и, в некоторых случаях, к повышению прочности на разрыв. В гидрогелях калий может выступать в качестве сшивающего агента, увеличивая жесткость и прочность геля. Калий существенно влияет на термическую стабиль-
ность полимеров. Например, полимеры, легированные калием, часто демонстрируют более высокие температуры термического разложения. Калий позволяет увеличивать плотность носителей заряда и тем самым повышает общую проводимость материала [1].
Полимеры, легированные калием, используются в батареях и суперконденсаторах. Благодаря высокой ионной подвижности и благоприятным электрохимическим свойствам калия эти материалы обеспечивают повышенную емкость хранения заряда и увеличивают срок службы.
Полимеры, реагирующие на калий, разрабатываются для применения в «умных» материалах, таких как датчики и актуато-ры. Эти материалы демонстрируют обратимые изменения свойств, таких как набухание или проводимость, в ответ на изменение концентрации калия [2].
Изучался процесс внедрения атома калия в пространство между слоями пироли-зованного полиакрилонитрила (ППАН) [3]. Рассматривалось внедрение атома калия через вакансионный дефект одного из слоев, было изучено три различных дефекта, отличающихся различным составом атомов в слое по периметру. По периметру поры присутствовали атомы углерода и один атом азота, второй вариант присутствовало уже два атом азота и третий дефект имел по периметру три атома азота (рис. 1).
А Г~ & О ~ в ^
Рис. 1. Варианты дефекта на поверхности слоя
Процесс внедрения моделировался следующим образом [4, 5]: атом калия располагался над центром вакансии на расстоянии 2,8 А от слоя, затем это расстояние уменьшалось, в определенных контрольных точках рассчитывалась полная энер-
гия системы, для определения значения потенциального барьера необходимо из полной энергии системы вычесть сумму энергий атома калия и полимера, рассчитанных отдельно. Графически этот процесс представлен на рисунке 2.
__1
-2 J 1 с /"5 2 a) 2 -1 £ -5 2 6) 2 -1 С ) 1 E)
-10 -10 •15 / -10
S ry -25 CD
-30 -35 -20
-25 R,A. -40 -45 R, A. -25 R, A.
Рис. 2. Изменение энергии при внедрении атома калия в структуру ППАН: а) дефект 1; б) дефект 2; в) дефект 3.
Геометрия системы оптимизировалась в каждой контрольной точке, было выявлено, что взаимодействие калия с полимером вызывает деформацию его поверхности, а также увеличение межслоевого параметра. В таблице 1 представлены максимальные значения энергии, которые интерпретиру-
ются как энергетические барьеры, которые преодолевает атом калия при прохождении через дефект поверхности. Локализация атомов азота по периметру дефекта способствует прохождению атома калия через дефект.
Таблица 1. Величина энергетического барьера.
Вариант дефекта Энергетический барьер, эВ
1 18,68
2 19,78
3 18,22
Далее проводились расчеты для поиска устойчивого состояния системы с атомом калия в межплоскостной полости. Для изучения рассматривалось две структуры с дефектом полимерной матрицы ППАН: 1 -периметр дефекта образован только углеродными атомами; 2 - периметр дефекта образован атомами углерода и тремя атомами азота. Оптимизированная структура
«ППАН + атом калия» позволила выявить особенности процесса взаимодействия. Стабильное состояние для структуры с первым дефектом наблюдается только при отсутствии внедряемого атома калия между слоями (рис. 3а). Для структуры со вторым вариантом дефекта наблюдается устойчивое положение атома калия в полимерной матрице (рис. 3б).
Рис. 3. Оптимизированная структура полимерной матрицы ППАН с атомом калия:
а) структура 1; б) структура 2.
Таким образом, на взаимодействие ато- ческую прочность, термостабильность, ма калия с ППАН оказывает влияние электропроводность и на полимеризацию. структура полимерной матрицы, в свою Понимание этих механизмов открывает очередь атомы калия оказывают значи- новые возможности для разработки новых тельное влияние на свойства полимеров. материалов для различных применений. Это влияние распространяется на механи-
Библиографический список
1. Трофимов, М.Ю. Изучение влияния химического состава полититанатов калия на свойства модифицированного ПА-6 / М.Ю. Трофимов, Т.П. Устинова, Н.Л. Левкина // Естественные и технические науки. - 2012. - № 5(61). - С. 406-408.
2. Мостовой, А.С. Модификация эпоксидных матриц вискерами полититаната калия / А.С. Мостовой, А.Н. Леденев, Л.Г. Панова // Перспективные материалы. - 2017. - № 4. -С. 29-34.
3. Какорина, О.А. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного по-лиакрилонитрила с внедренными в межслоевое пространство атомами щелочноземельных металлов / О.А. Какорина, И.В. Запороцкова, Л.В. Кожитов // Физика и технология нано-материалов и структур: Сборник научных статей 3-й Международной научно-практической конференции. В 2-х томах, Курск, 23-25 мая 2017 года. Том 1. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2017. - С. 225-231.
4. Нанотубулярные композиты и их полуэпирические исследования / И.В. Запороцкова, Е.В. Перевалова, Е.В. Прокофьева, О.А. Давлетова // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2006. - № 2. - С. 4-14.
5. Какорина, О.А. Радиопоглощающие материалы на основе пиролизованного полиак-рилонитрила с включением атомов ферромагнетика / О.А. Какорина, А.Н. Панченко // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2022. - № 3-3(66). - С. 4042. - DOI 10.24412/2500-1000-2022-3-3-40-42.
INVESTIGATION OF THE INTERACTION OF POTASSIUM ATOMS WITH POLYMERS
I.A. Kakorin, Master Volgograd State University (Russia, Volgograd)
Abstract. The article examines the effect of potassium atoms on the structural, mechanical, thermal and electrical properties of polymers. Theoretical calculations were carried out on the example of a polymer - pyrolyzed polyacrylonitrile and the process of interaction of a polymer matrix with a potassium atom was demonstrated. The process of introducing an atom into the polymer structure through various surface defects is described, it is determined that the atoms entering the perimeter of the defect affect the value of the energy barrier that occurs when a potassium atom passes through the polymer layer. Calculations were performed within the framework of the molecular cluster model using the PM6 method.
Keywords: pyrolyzed polyacrylonitrile, energy barrier, interaction, PM6 method, potassium atom.
