Фотокаталитическая усталость полимерных нанокомпозитов
DOI:
https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.308Аннотация
Обсуждается изменение механических свойств полимерных нанокомпозитов, содержащих фотоактивные компоненты, под воздействием света солнечного диапазона. Механизмы процессов фотодеградации связаны с полупроводниковой природой фотокатализаторов, которая предполагает возможность их перехода в электрон-возбужденное состояние при поглощении квантов света. Выход из такого состояния происходит через окислительно-восстановительные реакции с молекулами-соседями, а эти реакции, в свою очередь, могут вызывать изменения в полимере, которые снижают его механическую прочность. Под «фотокаталитической усталостью» понимается частный случай фотодеградации полимеров, связанный только с изменением прочности полимерных нанокомпозитов, содержащих фотоактивные компоненты. В статье дается обзор немногочисленных литературных источников, в которых описываются эксперименты по облучению светом солнечного диапазона таких полимеров с целью изучения изменения их механических свойств. Сравниваются процессы фотодеградации полимерных нанокомпозитов с фотоактивными компонентами и многоцикловая усталость металлов. Делается предположение, что возможным подходом к математическому моделированию процессов фотодеградации полимерных нанокомпозитов может быть использование уравнений для кривых многоцикловой усталости металлов, в которых количество циклов нагружения заменяется на время экспозиции. В качестве базового аналога рассматривается уравнение кривой многоцикловой усталости для образцов с концентрациями напряжений. Экспериментальные параметры уравнения «фотокаталитической усталости» полимерных нанокомпозитов, содержащих фотоактивные компоненты, вычисляются при помощи одного из методов Монте-Карло.
Ключевые слова:
фотокатализ, полимерные нанокомпозиты, полипропилен, циклическая усталость, диоксид титана, кривая Велера, концентрация напряжений, метод Монте-Карло
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
Fishman G. S. Monte Carlo: concepts, algorithms and applications. New York, USA: Springer, 1996. 698 p.
Asmussen S., Glynn P. W. Stochastic simulation: algorithms and analysis. New York, USA: Springer, 2007. 476 p.
Kroese D. P., Taimre T., Botev Z. I. Handbook of Monte Carlo methods. New York, USA: John Wiley & Sons, 2011. 772 p.
Ермаков С. M. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1975. 472 с.
Ермаков С. М., Жиглявский А. А. Математическая теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1987. 320 с.
Жиглявский А. А. Математическая теория глобального случайного поиска. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1985. 296 с.
Nocedal J., Wright S. Numerical optimization. New York, USA: Springer, 2006. 664 p.
Васильев Ф.П. Методы оптимизации. M.: Изд-во Моск. центра непрерывного математического образования, 2011. 434 с.
Малозёмов В. Н., Тамасян Г. Ш. О направлении наискорейшего спуска // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2019. Т. 15. Вып. 4. С. 489-501. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2019.406
Hanemаnn Т., Szabo D. V. Polymer-nanoparticle composites: From synthesis to modern applications // Materials. 2010. Vol. 3. P. 3468-3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468
Oladele I. O., Omotosho T.F., Adediran A. A. Polymer-based composites: An indispensable material for present and future applications // Intern. Journal of Polymer Science. 2020. Article ID 8834518. 12 p. https://doi.org/10.1155/2020/8834518
Zepeng M., Zhangbin Y., Jun Zh. SrTiO3 as a new solar reflective pigment on the cooling property of PMMA-ceramic composites // Ceramics International. 2019. Vol. 45. Iss. 13. P. 16078-16087. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.05.124
Shuang Shi, Dongya Sh., Tao Xu, Yuqing Zh. Thermal, optical, interfacial and mechanical properties of titanium dioxide/shape memory polyurethane nanocomposites // Composites Science and Technology. 2018. Vol. 164. N 18. P. 17-23. https://doi.Org/10.1016/j.compscitech.2018.05.022
Гуревич Ю. Я., Плесков Ю. В. Фотоэлектрохимия полупроводников / пер. с англ. М.: Наука, 1983. 312 с. (Pleskov Yu. V., Gurevich Yu. Ya. Semiconductor photoelectrochemistry.)
Рэнби Б., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров / пер. с англ. В. Б. Иванова; под ред. И. М. Эмануэля. М.: Мир, 1978. 676 с. ( Ranby B.J., Rabek J.F. Photodegradation, photo-oxidation, and photostabilization of polymers.)
Klemchuk P. P. Influence of pigments on the light stability of polymers: A critical review // Polymer Photochemistry. 1983. Vol. 3. Iss. 1. P. 1-27. https://doi.org/10.1016/0144-2880(83)90042-8
Эмануэль Н.М., Бучаченко А. Л. Химическая физика молекулярного разрушения и стабилизации полимеров. М.: Наука, 1988. 388 с.
Egerton G. S. Photosensitizing properties of dyes and white pigments // Nature. 1964. Vol. 204. P. 1153-1155. https://doi.org/10.1038/2041153a0
Egerton G. S., Shah К. M. The effect of temperature on the photochemical degradation of textile materials. Pt I. Degradation sensitized by titanium dioxide // Textile Research Journal. 1968. Vol. 38. Iss. 2. P. 130-135. https://doi.org/10.1177/004051756803800204
Kamrannejad M.M., Hasanzadeha A., Nosoudi N., Mai L., Babaluo A. A. Photocatalytic degradation of polypropylene/TiO2 nano-composites materials // Research-Ibero-American Journal of Materials. 2014. Vol. 17. Iss. 4. P. 1039-1046. http://dx.doi.org/10.1590/1516-1439.267214
Mavric Z., Tomsic B., Simoncic B. Recent advances in the ultraviolet protection finishing of textiles // Tekstilec. 2018. Vol. 61(3). P. 201-220. https://doi.org/10.14502/Tekstilec2018.61.201-220
Wiener J., Chladova A., Shahidi Sh., Peterova L. Effect of UV irradiation on mechanical and morphological properties of natural and synthetic fabric before and after nano-TiO2 padding // Autex Research Journal. 2017. Vol. 17(4). P. 370-378. http://dx.doi.org/10.1515/aut-2017-0002
Chang H. T., Wu N. M., Zhu F. A kinetic model for photocatalytic degradation of organic contaminants in a thin film TiO2 catalyst // Water Research. 2000. Vol. 34(2). P. 407-416. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00247-X
Sanongraj W., Chen Y., Crittenden J. C., Destaillats H., Hand D. W., Perram D. L., Taylor R. Mathematical model for photocatalytic destruction of organic contaminants in air // Journal of the Air & Waste Management Association. 2007. Vol. 57. Iss. 9. P. 1112-1122. Publ. online: February 24, 2012. https://doi.Org/10.3155/1047-3289.57.9.1112
Lee Q. Y., Li H. Photocatalytic degradation of plastic waste: A mini review // Micromachines. 2021. Vol. 12. P. 907. https://doi.org/10.3390/mi12080907
Wohler A. Uber die festigkeitsversuche mit eisen find Stahl // Zeitschrift fur Bauwesen. 1870. Vol. 20. P. 73-106.
Rozumek D. The development of fatigue cracks in metals // Materials Research Proceedings. 2019. Vol. 12. P. 124-130. https://doi.org/10.21741/9781644900215-18
Schijve J. Fatigue of structures and materials. Berlin; Heidelberg, Germany: Springer, 2009. 622 p.
Kim H. S. Mechanics of solids and fracture. 3rd ed. London, UK: Bookboon, 2018. 223 p.
Степнов M.H., Наумкин А. С. Расчетно-экспериментальный метод построения кривых многоцикловой усталости для элементов конструкций с концентрацией напряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2012. Т. 41(1). С. 34-38.
Kulawinski D., Nagel К., Henkel S., Hubnerb P., Fischer H, Kuna M., Biermann H. Characterization of stress-strain behavior of a cast TRIP steel under different biaxial planar load ratios // Engineering Fracture Mechanics. 2011. Vol. 78. Iss. 8. P. 1684-1695.
References
Fishman G.S. Monte Carlo: concepts, algorithms and applications. New York, USA, Springer Publ., 1996, 698 p.
Asmussen S., Glynn P. W. Stochastic simulation: algorithms and analysis. New York, USA, Springer Publ., 2007, 476 p.
Kroese D.P., Taimre T., Botev Z. I. Handbook of Monte Carlo methods. New York, USA, John Wiley & Sons Publ., 2011, 772 p.
Ermakov S. M. Metod Monte Karlo i smezhnyye voprosy [Monte-Carlo method and related issues]. Moscow, Nauka Publ., 1975, 472 p. (In Russian)
Ermakov S.M., Zhiglyavsky A. A. Matematicheskaya teoriya optimal’nogo eksperimenta [Mathematical theory of optimal experiment}. Moscow, Nauka Publ., 1987, 320 p. (In Russian)
Zhiglyavsky A. A. Matematicheskaya teoriya global’nogo sluchaynogo poiska [Mathematical theory of global random search]. Leningrad, Publishing House of Leningrad State University, 1985, 296 p. (In Russian)
Nocedal J., Wright S. Numerical optimization. New York, USA, Springer Publ., 2006, 664 p.
Vasiliev F.P. Metody optimizatsii [Optimization methods}. Moscow, Publishing House of the Moscow Center for Continuous Mathematical Education, 2011, 434 p. (In Russian)
Malozemov V.N., Tamasyan G. Sh. О napravlenii naiskoreyshego spuska [On the direction of the steepest descent]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2019, vol. 15, iss. 4, pp. 489-501. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2019.406 (In Russian)
Hanemann T., Szabo D.V. Polymer-nanoparticle composites: From synthesis to modern applications. Materials, 2010, vol. 3, pp. 3468-3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468
Oladele I.O., Omotosho T.F., Adediran A. A. Polymer-based composites: An indispensable material for present and future applications. Intern. Journal of Polymer Science, 2020, Article ID 8834518, 12 p. https://doi.org/10.1155/2020/8834518
Zepeng M., Zhangbin Y., Jun Zh. SrTiOs as a new solar reflective pigment on the cooling property of PMMA-ceramic composites. Ceramics International, 2019, vol. 45, iss. 13, pp. 16078-16087. https://doi.Org/10.1016/j.ceramint.2019.05.124
Shuang Shi, Dongya Sh., Tao Xu, Yuqing Zh. Thermal, optical, interfacial and mechanical properties of titanium dioxide/shape memory polyurethane nanocomposites. Composites Science and Technology, 2018, vol. 164, no. 18, pp. 17-23. https://doi.Org/10.1016/j.compscitech.2018.05.022
Pleskov Yu.V., Gurevich Yu. Ya. Semiconductor photoelectrochemistry. Consultants Bureau, trans, ed. P. N. Bartlett. New York, Springer Publ., 1986, XXV + 422 p. (Rus. ed.: Gurevich Yu. Ya., Pleskov Yu.V. Fotoelektrokhimiia poluprovodnikov. Moscow, Nauka Publ., 1983, 312 p.)
Ranby B. J., Rabek J.F. Photodegradation, photo-oxidation, and photostabilization of polymers. London, UK, Wiley Publ., 1975, 652 p. (Rus. ed.: Ranby B. J., Rabek J. F. Fotodestruktsiia, fotookislenie, fotostabilizatsiia polimerov. Moscow, Mir Publ., 1978, 676 p.)
Klemchuk P. P. Influence of pigments on the light stability of polymers: A critical review. Polymer Photochemistry, 1983, vol. 3, iss. 1, pp. 1-27. https://doi.org/10.1016/0144-2880(83)90042-8
Emanue’l N. M., Buchachenko A. L. Khimicheskaya fisika molekulyarnogo razrusheniyu i stabilizatsii polimerov [The chemical physics of the molecular decomposition and stabilization of polymers] . Moscow, Nauka Publ., 1988, 388 p. (In Russian)
Egerton G. S. Photosensitizing properties of dyes and white pigments. Nature, 1964, vol. 204, pp. 1153-1155. https://doi.org/10.1038/2041153a0
Egerton G. S., Shah K.M. The effect of temperature on the photochemical degradation of textile materials. Pt I. Degradation sensitized by titanium dioxide. Textile Research Journal, 1968, vol. 38, iss. 2, pp. 130-135. https://doi.org/10.1177/004051756803800204
Kamrannejad M. M., Hasanzadeha A., Nosoudi N., Mai L., Babaluo A. A. Photocatalytic degradation of polypropylene/TiO2 nano-composites materials. Research-Ibero-American Journal of Materials, 2014, vol. 17, iss. 4, pp. 1039-1046. http://dx.doi.org/10.1590/1516-1439.267214
Mavric Z., Tomsic B., Simoncic B. Recent advances in the ultraviolet protection finishing of textiles. Tekstilec, 2018, vol. 61(3), pp. 201-220. https://doi.org/10.14502/Tekstilec2018.61.201-220
Wiener J., Chladova A., Shahidi Sh., Peterova L. Effect of UV irradiation on mechanical and morphological properties of natural and synthetic fabric before and after nano-TiO2 padding. Autex Research Journal, 2017, vol. 17(4), pp. 370-378. http://dx.doi.org/10.1515/aut-2017-0002
Chang H. T., Wu N. M., Zhu F. A kinetic model for photocatalytic degradation of organic contaminants in a thin film TiO2 catalyst. Water Research, 2000, vol. 34(2), pp. 407-416. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(99)00247-X
Sanongraj W., Chen Y., Crittenden J.C., Destaillats H., Hand D.W., Perram D.L., Taylor R. Mathematical model for photocatalytic destruction of organic contaminants in air. Journal & the Air & Waste Management Association, 2007, vol. 57, iss. 9, pp. 1112-1122. Publ. online: February 24, 2012. https://doi.Org/10.3155/1047-3289.57.9.1112
Lee Q.Y., Li H. Photocatalytic degradation of plastic waste: A mini review. Micromachines, 2021, vol. 12, p. 907. https://doi.org/10.3390/mi12080907
Wohler A. Uber die festigkeitsversuche mit eisen find Stahl. Zeitschrift fur Bauwesen, 1870, vol. 20, pp. 73-106.
Rozumek D. The development of fatigue cracks in metals. Materials Research Proceedings, 2019, vol. 12, pp. 124-130. https://doi.org/10.21741/9781644900215-18
Schijve J. Fatigue of structures and materials. Berlin, Heidelberg, Germany, Springer Publ., 2009, 622 p.
Kim H. S. Mechanics of solids and fracture. 3rd ed. London, UK, Bookboon Publ, 2018. 223 p.
Stepnov M. N., Naumkin A. C. Raschetno-eksperimental’nyi metod postroyeniia krivykh mno-gotsiklovoi ustalosti dlia elementov konstruktsii s kontsentratsiei napryazhenii [A computational and experimental method for plotting multicycle fatigue curves for structural]. Journal of machinery manufacture and reliability, 2012, vol. 41(1), pp. 34-38. (In Russian)
Kulawinski D., Nagel K., Henkel S., Hubnerb P., Fischer H., Kuna M., Biermann H. Characterization of stress-strain behavior of a cast TRIP steel under different biaxial planar load ratios. Engineering Fracture Mechanics, 2011, vol. 78, iss. 8, pp. 1684-1695.
Загрузки
Опубликован
29.09.2022
Как цитировать
Орехов, А. В., Артемьев, Ю. М., & Павилайнен, Г. В. (2022). Фотокаталитическая усталость полимерных нанокомпозитов. Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления, 18(3), 390–401. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.308
Выпуск
Раздел
Информатика
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
