Polymer composites and their properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The review article summarizes the results of studies conducted in the field of polymer composites obtained by various methods. An important industrial activity is structured around the development of polymeric materials and composites based on them. Composite materials having a matrix comprised of a polymeric material (polymers, oligomers, copolymers) are highly numerous and diverse. They are widely used in the industry for the manufacture of vitreous, ceramic, electrically insulating coatings, as adsorbents in the treatment of wastewater from heavy metal ions, and in the production of ion-exchange membranes. Composite materials have unique properties such as a large surface area, thermal and mechanical stability, good selectivity against various contaminants, and cost-effectiveness. The review presents the physicochemical and structural characteristics of composite materials based on synthetic polymers (polymer-carbon, polymerclay composites), polymeric heterocyclic and organosilicon compounds. Used across a variety of applications, polymer-carbon and polymer-clay composites are effective in removing organic and inorganic contaminants. However, when used as adsorbents for large-scale production, they have yet to achieve optimum performance. Hybrid materials obtained by the sol-gel method deserve special attention. This method can be conveniently used to influence the composition and structure of the surface layer of such materials as adsorbents of heavy and noble metals, catalysts, membranes and sensors for applications in biological antibiosis, ion exchange catalysis, etc. Such composites are characterized by their increased mechanical strength and thermal stability, as well as offering improved thermochemical, rheological, electrical and optical properties.

About the authors

O. V. Lebedeva

Irkutsk National Research Technical University

Email: lebedeva@istu.edu

E. I. Sipkina

Irkutsk National Research Technical University

Email: evgiv84@mail.ru

References

  1. Pang H., Wu Y., Wang X., Hu B., Wang X. Recent advances in composites of graphene and layered double hydroxides for water remediation: a review // Chemistry Asian Journal. 2019. Vol. 14, no. 15. P. 2542–2552. https://doi.org/10.1002/asia.201900493.
  2. Liu X., Ma R., Wang X. Graphene oxidebased materials for efficient removal of heavy metal ions from aqueous solution: a review // Environmental Pollution. 2019. Vol. 252. P. 62–73. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.05.050.
  3. Wang X., Chen L., Wang L., Fan Q., Pan D., Li J., et al. Synthesis of novel nanomaterials and their application in efficient removal of radionuclides // Science China Chemistry. 2019. Vol. 62, no. 8. P. 933– 967. https://doi.org/10.1007/s11426-019-9492-4.
  4. Saadati J., Pakizeh M. Separation of oil/water emulsion using a new PSf/pebax/F-MWCNT nanocomposite membrane // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2017. Vol. 71. P. 265– 276. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2016.12.024.
  5. Bankole M. T., Abdulkareem A. S., Mohammed I. A., Ochigbo S. Sh., Tijani J. O., Abubakre O. K., et al. Selected heavy metals removal from electroplating wastewater by purified and polyhydroxylbutyrate functionalized carbon nanotubes adsorbents // Scientific Reports. 2019. Vol. 9, no. 1. P. 4475–4494. https://doi.org/10.1038/s41598-018-37899-4.
  6. Hayati B., Maleki A., Najafi F., Gharibi F., McKay G., Gupta V. K., et al. Heavy metal adsorption using PAMAM/CNT nanocomposite from aqueous solution in batch and continuous fixed bed systems // Chemical Engineering Journal. 2018. Vol. 346. P. 258–270. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.03.172.
  7. Yue Y., Wang X., Wu Q., Han J., Jiang J. Assembly of polyacrylamide-sodium alginate-based organic-inorganic hydrogel with mechanical and adsorption properties // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 8. P. 1239–1256. https://doi.org/10.3390/polym11081239.
  8. Kumar R., Ansari M. O., Alshahrie A., Darwesh R., Parveen N., Yadav S. K., et al. Adsorption modeling and mechanistic insight of hazardous chromium on para toluene sulfonic acid immobilized-polyaniline/CNTs nanocomposites // Journal of Saudi Chemical Society. 2019. Vol. 23, no. 2. P. 188–197. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2018.06.005.
  9. Xie Y., He C., Liu L., Mao L., Wang K., Huang Q., et al. Carbon nanotube-based polymer nanocomposites: biomimic preparation and organic dye adsorption applications // RSC Advances. 2015. Vol. 5, no. 100. P. 82503–82512. https://doi.org/10.1039/C5RA15626B.
  10. Dong L., Fan W., Tong X., Zhang H., Chen M., Zhao Y. A CO2-responsive graphene oxide/polymer composite nanofiltration membrane for water purification // Journal of Materials Chemistry A. 2018. Vol. 6, no. 16. P. 6785–791. https://doi.org/10.1039/ C8TA00623G.
  11. Kim S., Lin X., Ou R., Liu H., Zhang X., Simon G. P., et al. Highly crosslinked, chlorine tolerant polymer network entwined graphene oxide membrane for water desalination // Journal of Materials Chemistry A. 2017. Vol. 5, no. 4. P. 1533–1540. https://doi.org/10.1039/C6TA07350F.
  12. Zhao J., Chen H., Ye H., Zhang B., Xu L. Poly(dimethylsiloxane)/graphene oxide composite sponge: a robust and reusable adsorbent for efficient oil/water separation // Soft Matter. 2019. Vol. 15, no. 45. P. 9224–9232. https://doi.org/10.1039/C9SM01984G.
  13. Alghamdi A. A., Al-Odayni A.-B., Saeed W. S., Al-Kahtani A., Alharthi F. A., Aouak T. Efficient adsorption of lead (II) from aqueous phase solutions using polypyrrole-based activated carbon // Materials. 2019. Vol. 12, no. 12. P. 2020. https://doi.org/ 10.3390/ma12122020.
  14. Gardi I., Mishael Y. G. Designing a regenerable stimuliresponsive grafted polymer-clay sorbent for filtration of water pollutants // Science and Technology of Advanced Materials. 2018. Vol. 19, no. 1. P. 588– 598. https://doi.org/10.1080/14686996.2018.1499381.
  15. Atta A. M., Al-Lohedan H. A., Alothman Z. A., Abdel Khalek A. A., Tawfeek A. M. Characterization of reactive amphiphilic montmorillonite nanogels and its application for removal of toxic cationic dye and heavy metals water pollutants // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2015. Vol. 31. P. 374– 384. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2015.07.012.
  16. Medhat Bojnourd F., Pakizeh M. Preparation and characterization of a nanoclay/PVA/PSf nanocomposite membrane for removal of pharmaceuticals from water // Applied Clay Science. 2018. Vol. 162. P. 326–338. https://doi.org/10.1016/j.clay.2018.06.029.
  17. Nakhjiri M. T., Marandi G. B., Kurdtabar M. Effect of bisphosphate as a crosslinker on poly (AAm-co-AMPS)/Na-MMT hydrogel nanocomposite as potential adsorbent for dyes: kinetic, isotherm and thermodynamic study // Journal of Polymer Research. 2018. Vol. 25, no. 11. Article number 244. https://doi.org/10.1007/s10965-018-1625-0.
  18. Wang Y., Xiong Y., Wang J., Zhang X. Ultrasonic-assisted fabrication of montmorillonite-lignin hybrid hydrogel: highly efficient swelling behaviors and super-sorbent for dye removal from wastewater // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. Vol. 520. P. 903–913. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.02.050.
  19. Jinadasa K. K., Peña-Vázquez E., BermejoBarrera P., Moreda-Piñeiro A. New adsorbents based on imprinted polymers and composite nanomaterials for arsenic and mercury screening/speciation: a review // Microchemical Journal. 2020. Vol. 156. P. 104886–104895. https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.104886.
  20. Liu Y., Chang X., Yang D., Guo Y., Meng S. Highly selective determination of inorganic mercury(II) after preconcentration with HG(II)-imprinted diazoaminobenzene–vinylpyridine copolymers // Analytica Chimica Acta. 2005. Vol. 538, no. 1-2. P. 85–91. https://doi.org/10.1016/j.aca.2005.02.017.
  21. Tsoi Y.-K., Ho Y.-M., Leung K. S. Y. Selective recognition of arsenic by tailoring ion-imprinted polymer for ICP-MS quantification // Talanta. 2012. Vol. 89. P. 162–168. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2011.12.007.
  22. Nabid M. R., Sedghi R., Hajimirza R., Oskooie H. A., Heravi M. M. A nanocomposite made from conducting organic polymers and multi-walled carbon nanotubes for the adsorption and separation of gold(III) ions // Microchimica Acta. 2011. Vol. 175. P. 315–322. https://doi.org/10.1007/s00604-011-0680-6.
  23. Tarley C. R. T., Diniz K. M., Suquilaa F. A. C., Segatellia M. G. Study on the performance of microflow injection preconcentration method on-line coupled to thermospray flame furnace AAS using MWCNTs wrapped with polyvinylpyridine nanocomposites as adsorbent // RSC Advances. 2017. Vol. 7. P. 19296. https://doi.org/10.1039/C7RA01220A.
  24. Yamada Y. M. A., Sarkar S. M., Uozumi Y. Self-assembled poly(imidazole-palladium): highly active, reusable catalyst at parts per million to parts per billion levels // Journal of the American Chemical Society. 2012. Vol. 134. P. 3190–3198. https://doi.org/10.1021/ja210772v.
  25. Ohno A., Sato T., Mase T., Uozumi Y., Yamada Y. M. A. A convoluted polyvinylpyridine‐palladium catalyst for Suzuki–Miyaura coupling and C−H arylation // Advanced Synthesis & Catalysis. 2020. Vol. 362, no. 21. P. 4687–4698. https://doi.org/10.1002/adsc.202000742.
  26. Sato T., Ohno A., Shaheen M., Uozumi S. Y., Yamada Y. M. A. A Convoluted polymeric imidazole palladium catalyst: structural elucidation and investigation of the driving force for the efficient Mizoroki–Heck reaction // ChemCatChem. 2015. Vol. 7, no. 14. P. 2141–2148. https://doi.org/10.1002/cctc.201500249.
  27. Zinovyeva V. A., Vorotyntsev M. A., Bezverkhyy I., Chaumont D., Hierso J.-C. Highly dispersed palladium-polypyrrole nanocomposites: Inwater synthesis and application for catalytic arylation of heteroaromatics by direct C-H bond activation // Advanced Functional Materials. 2011. Vol. 21, no. 6. P. 1064–1075. https://doi.org/10.1002/adfm.201001912.
  28. Voronkov M. G., Vlasova N. N., Pozhidaev Yu. N. Organosilicon ion-exchange and complexing adsorbents // Applied Organometallic Chemistry. 2000. Vol. 14, no. 6. P. 287–303. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0739(200006)14:63.0.CO;2-Y.
  29. Zub Yu. L., Chuiko A. A. Salient features of synthesis and structure of surface of functionalized polysiloxane xerogels. In: Colloidal silica: fundamentals and applications. Bergna H. E., Roberts W. O. (eds.). Boca Raton: CRC Press, 2006. Vol. 131. P. 397–424. https://doi.org/10.1201/9781420028706.
  30. Zub Yu. L., Chuiko A. A. Synthesis, structure and adsorption properties of functionalized polysiloxane materials // Combined and Hybrid Adsorbents. 2006. Vol. 45. P. 3–21. https://doi.org/10.1007/1-4020-5172-7_1.
  31. Armanini L., Carturan G., Boninsegna S., Dal Monte R., Muraca M. SiO2-Entrapment of animal cells. Part 2: protein diffusion through collagen membranes coated with sol-gel SiO2 // Journal of Materials Chemistry. 1999. Vol. 9, no. 12. P. 3057– 3060. https://doi.org/10.1039/A907302G.
  32. Wei Y., Xu J., Feng Q., Dong H., Lin M. Encapsulation of enzymes in mesoporous host material via the nonsurfactant-templated sol-gel process // Materials Letters. 2000. Vol. 44, no. 1. P. 6–11. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(99)00287-6.
  33. Patel S., Bandyopadhyay A., Vijayabaskar V., Bhowmick A. K. Effect of acrylic copolymer and terpolymer composition on the properties of in-situ polymer/silica hybrid nanocomposites // Journal of Materials Science. 2006. Vol. 41, no. 3. P. 927–936. https://doi.org/10.1007/s10853-006-6576-x.
  34. Bonilla G., Martinez M., Mendoza A. M., Widmaier J.-M. Ternary interpenetrating networks of polyurethane-poly(methyl methacrylate)-silica: preparation by the sol-gel process and characterization of films // European Polymer Journal. 2006. Vol. 42, no. 11. P. 2977–2986. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2006.07.011.
  35. Li S., Shah A., Hsieh A. J., Haghighat R., Praveen S. S., Mukherjee I., et al. Characterization of poly(2-hydroxyethyl methacrylate-silica) hybrid materials with different silica contents // European Polymer Journal. 2007. Vol. 48, no. 14. P. 3982–3989. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2006.07.011.
  36. Tamai T., Watanabe M. Acrylic polymer/silica hybrids prepared by emulsifier-free emulsion polymerization and the sol-gel process // Journal of Polymer Science. 2006. Vol. 44, no. 1. P. 273–280.
  37. Ogoshi T., Chujo Y. Synthesis of poly(vinylidene fluoride) (PVdF)/silica hybrids having interpenetrating polymer network structure by using crystallization between PVdF chains // Journal of Polymer Science. 2005. Vol. 43, no. 16. P. 3543–3550.
  38. Das N. S., Cordoba T. S. I., Zoppi R. A. Template synthesis of polyaniline: a route to achieve nanocomposites // Synthetic Metals. 1999. Vol. 101, no. 1-3. P. 754–755.
  39. Yang X., Wang W., Cao L., Wang J. Effects of reaction parameters on the preparation of P4VP/SiO2 composite aerogel via supercritical CO2 drying // Polymer Composites. 2019. Vol. 40, no. 11. P. 4205–4214. https://doi.org/10.1002/pc.25281.
  40. Hannachi Y., Hafidh A., Ayed S. Bi-Functionalized hybrid materials as novel adsorbents for heavy metal removal from aqueous solution: batch and fixed-bed techniques. In: Water chemistry. Eyvaz M., Yüksel E. (eds.). 2019. https://doi.org/10.5772/intechopen.86802.
  41. Abdalla S., Al-Marzouki F., Obaid A., Gamal S. Effect of addition of colloidal silica to films of polyimide, polyvinylpyridine, polystyrene, and polymethylmethacrylate nano-composites // Materials. 2016. Vol. 9, no. 2. P. 104–115. https://doi.org/10.3390/ma9020104.
  42. Bakangura E., Wu L., Ge L., Yang Z., Xu T. Mixed matrix proton exchange membranes for fuel cells: state of the art and perspectives // Progress in Polymer Science. 2016. Vol. 57. P. 103–152. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2015.11.004.
  43. Jalani N. H., Dunn K., Datta R. Synthesis and characterization of Nafion®-MO2 (M=Zr, Si, Ti) nanocomposite membranes for higher temperature PEM fuel cells // Electrochimica Acta. 2005. Vol. 51, no. 3. P. 553–560. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.05.016.
  44. He R., Li Q., Xiao G., Bjerrum N. J. Proton conductivity of phosphoric acid doped polybenzimidazole and its composites with inorganic proton conductors // Journal of Membrane Science. 2003. Vol. 226, no. 1-2. P. 169–184. https://doi.org/10.10 16/j.memsci.2003.09.002.
  45. Enhessari M., Razi M. K., Etemad L., Parviz A., Sakhaei M. Structural, optical and magnetic properties of the Fe2TiO5 nanopowders // Journal of Experimental Nanoscience. 2014. Vol. 9. P. 167–176. https://doi.org/10.1080/17458080.2011.649432.
  46. Bonnet B., Jones D. J., Roziere J., Tchicaya L., Alberti G., Casciola M., et al. Hybrid organicinorganic membranes for a medium temperature fuel cell // Journal of New Materials for Electrochemical Systems. 2000. Vol. 3. P. 87–92.
  47. Salarizadeh P., Javanbakht M., Pourmahdian S. Fabrication and physico-chemical properties of iron titanate nanoparticles based sulfonated poly (ether ether ketone) membrane for proton exchange membrane fuel cell application // Solid State Ionics. 2015. Vol. 281. P. 12–20. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2015.08.014.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».