omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2023-188-125-131WCVTCIomna-223Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSВлияние предварительной термической обработки на морфологию углеродного слоя, формирующегося на поверхности хлорированного поливинилхлорида при воздействии мощного ионного пучкаThe influence of preliminary heat treatment on morphology of carbon layer formed on surface of chlorinated polyvinyl chloride under the impact of a high-power ion beamКовивчакВ. С.KovivchakV. S.

Ковивчак Владимир Степанович - кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры общей и экспериментальной физики ОмГУ им. Ф.М. Достоевского; старший научный сотрудник лаборатории функциональной электроники Института радиофизики и физической электроники ОНЦ СО РАН.

Омск

AuthorID (РИНЦ) 37657

AuthorID (SCOPUS) 6603186738

ResearcherID A-3942-2014

Vladimir S. Kovivchak - Candidate of Physics and Mathematics Sciences, Associate Professor, Associate Professor of General and Experimental Physics Department, Dostoevsky Omsk State University (OmSU); Senior Researcher of Functional Electronics Laboratory, Institute of Radiophysics and Physical Electronics, Omsk Scientific Center SB RAS.

Omsk

AuthorID (RSCI) 37657

AuthorID (SCOPUS) 6603186738

ResearcherID A-3942-2014

kvs_docent@mail.ruПарыгинА. А.ParyginA. A.

Парыгин Аркадий Алексеевич - аспирант направления подготовки «Физика и астрономия» ОмГУ.

Омск

Arkadiy A. Parygin - Graduate Student in the field Physics and Astronomy, OmSU.

Omsk

rusik2462@yandex.ruОмский государственный университет им. Ф.М. Достоевского; Омский научный центр СО РАНРоссияDostoevsky Omsk State University; Omsk Scientific Center SB RASRussian FederationОмский государственный университет им. Ф.М. ДостоевскогоРоссияDostoevsky Omsk State UniversityRussian Federation20233012202304125131Copyright © Ковивчак В.С., Парыгин А.А., 20232023Ковивчак В.С., Парыгин А.А.Kovivchak V.S., Parygin A.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/223

Исследовано влияние предварительной термической обработки на морфологию углеродного слоя, формирующегося на поверхности хлорированного поливинилхлорида с добавкой ферроцена (10 % от массы полимера) под действием мощного ионного пучка наносекундной длительности. Предварительная термообработка приводит к частичному дегидрохлорированию поверхностного слоя полимерной пленки и межцепной сшивке, создавая центры для начала реакции карбонизации, и таким образом влияет на процесс формирования углеродных наноструктур при последующем облучении мощным ионным пучком. Рассмотрены возможные механизмы влияния предварительной термической обработки на формирование углеродных наноструктур. Установлено, что различные температуры термической обработки приводят к различным морфологиям получаемых углеродных наноструктур.

The effect of preliminary heat treatment on the morphology of carbon layer formed on the surface of chlorinated polyvinyl chloride with the addition of ferrocene (10 % of polymer weight) under the impact of a high-power nanosecond-durable ion beam has been studied. Preliminary exposure of samples in an oven at different temperatures for 1 hour leads to partial dehydrochlorination of the surface layer of the polymer film and interchain crosslinking, creating centers for the start of the carbonization reaction, and thus affects the formation of carbon nanostructures during subsequent irradiation with a high-power ion beam. The possible mechanism of carbon nanostructures formation from chlorinated polyvinyl chloride under the impact of a high-power ion beam and the mechanism of the influence of preliminary heat treatment on it are considered. It has been established that different heat treatment temperatures lead to different morphologies of the resulting carbon nanostructures. On the control sample and the sample subjected to heating to 100 °C, only nanofibers are formed, preheating to 150 °C leads to the formation of a porous structure with nanosized pores under the nanofibers, and preheating to 200 °C leads to a significant decrease in the porosity and concentration of nanofibers.

хлорированный поливинилхлоридтермическая обработкамощный ионный пучокдегидрохлорированиекарбонизацияуглеродные нановолокнаchlorinated polyvinyl chlorideheat treatmenthigh-power ion beamdehydrochlorinationcarbonizationcarbon nanofibersReferencesАгеев О. А., Ильин О. И., Климин В. С. [и др.]. Исследование режимов формирования и модификации ориентированных массивов углеродных нанотрубок методом PECVD на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Известия ЮФУ. Технические науки (Тематический выпуск: нанотехнологии). 2011. № 4 (117). С. 69–77.Ageyev O. A., Il’in O. I., Klimin V. S. [et al.]. Issledovaniye rezhimov formirovaniya i modifikatsii oriyentirovannykh massivov uglerodnykh nanotrubok metodom PECVD na nanotekhnologicheskom komplekse NANOFAB NTK-9 [Investigation of modes of formation and modification of oriented arrays of carbon nanotubes by the PECVD method on the nanotechnological complex NANOFAB NTK-9] // Izvestiya YuFU. Tekhnicheskiye nauki (Tematicheskiy vypusk: nanotekhnologii). Proceedings of the Southern Federal University. Engineering Sciences (Thematic Issue: Nanotechnologies). 2011. Vol. 4 (117). P. 69–77. (In Russ.).Zhou X., Wang Y., Gong C. Production, structural design, functional control, and broad applications of carbon nanofiber-based nanomaterials: A comprehensive review // Chemical Engineering Journal. 2020. Vol. 402. P. 126189. DOI: 10.1016/j.cej.2020.126189.Zhou X., Wang Y., Gong C. Production, structural design, functional control, and broad applications of carbon nanofiber-based nanomaterials: A comprehensive review // Chemical Engineering Journal. 2020. Vol. 402. P. 126189. DOI: 10.1016/j.cej.2020.126189. (In Engl.).Yadav D., Amini F., Ehrmann A. Recent advances in carbon nanofibers and their applications – A review // European Polymer Journal. 2020. Vol. 138. P. 109963. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2020.109963.Yadav D., Amini F., Ehrmann A. Recent advances in carbon nanofibers and their applications – A review // European Polymer Journal. 2020. Vol. 138. P. 109963. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2020.109963. (In Engl.).Vediyappan V., Sivakumar M., Chen S.-M. [et al.]. Nanolayers of carbon protected copper oxide nanocomposite for high performance energy storage and non-enzymatic glucose sensor // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 875. P. 160063. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160063.Vediyappan V., Sivakumar M., Chen S.-M. [et al.]. Nanolayers of carbon protected copper oxide nanocomposite for high performance energy storage and non-enzymatic glucose sensor // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 875. P. 160063. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160063. (In Engl.).Sridara T., Upan J., Saianand G. [et al.]. Non-Enzymatic Amperometric Glucose Sensor Based on Carbon Nanodots and Copper Oxide Nanocomposites Electrode // Sensors. 2020. Vol. 20, no. 3. P. 808. DOI: 10.3390/s20030808.Sridara T., Upan J., Saianand G. [et al.]. Non-Enzymatic Amperometric Glucose Sensor Based on Carbon Nanodots and Copper Oxide Nanocomposites Electrode // Sensors. 2020. Vol. 20, no. 3. P. 808. DOI: 10.3390/s20030808. (In Engl.).Shu R., Li W., Wu Y. [et al.]. Fabrication of nitrogen-doped cobalt oxide/cobalt/carbon nanocomposites derived from heterobimetallic zeolitic imidazolate frameworks with superior microwave absorption properties // Composites Part B. 2019. Vol. 178. P. 107518. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.107518.Shu R., Li W., Wu Y. [et al.]. Fabrication of nitrogen-doped cobalt oxide/cobalt/carbon nanocomposites derived from heterobimetallic zeolitic imidazolate frameworks with superior microwave absorption properties // Composites Part B. 2019. Vol. 178. P. 107518. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.107518. (In Engl.).Shu R., Wu Y., Zhang J. [et al.]. Facile synthesis of nitrogen-doped cobalt/cobalt oxide/carbon/reduced graphene oxide nanocomposites for electromagnetic wave absorption // Composites Part B. 2020. Vol. 193. P. 108027. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108027.Shu R., Wu Y., Zhang J. [et al.]. Facile synthesis of nitrogen-doped cobalt/cobalt oxide/carbon/reduced graphene oxide nanocomposites for electromagnetic wave absorption // Composites Part B. 2020. Vol. 193. P. 108027. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108027. (In Engl.).Wang K., Liu C., Wang W. [et al.]. Synthesis and electrochemical performance of nickel–cobalt oxide/carbon nanocomposites for use in efficient oxygen evolution reaction // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. Vol. 30. P. 4144–4151. DOI: 10.1007/s10854-019-00706-5.Wang K., Liu C., Wang W. [et al.]. Synthesis and electrochemical performance of nickel–cobalt oxide/carbon nanocomposites for use in efficient oxygen evolution reaction // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. Vol. 30. P. 4144–4151. DOI: 10.1007/s10854-019-00706-5. (In Engl.).Chyan Y., Ye R., Li Y. [et al.]. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing: Toward Electronics on Cloth, Paper, and Food // ACS Nano. 2018. Vol. 12, no. 3. P. 2176–2183. DOI:10.1021/acsnano.7b08539.Chyan Y., Ye R., Li Y. [et al.]. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing: Toward Electronics on Cloth, Paper, and Food // ACS Nano. 2018. Vol. 12, no. 3. P. 2176–2183. DOI:10.1021/acsnano.7b08539. (In Engl.).Peng Z., Lin J., Ye R. [et al.]. Flexible and Stackable Laser Induced Graphene Supercapacitors // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7, no. 5. P. 3414–3419. DOI: 10.1021/am509065d.Peng Z., Lin J., Ye R. [et al.]. Flexible and Stackable Laser Induced Graphene Supercapacitors // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7, no. 5. P. 3414–3419. DOI: 10.1021/am509065d. (In Engl.).Lamberti A., Perrucci F., Caprioli M. [et al.]. New insights on laser induced graphene electrodes for flexible supercapacitors: tunable morphology and physical properties // Nanotechnology. 2017. Vol. 28, no. 17. P. 174002. DOI: 10.1088/1361-6528/aa6615.Lamberti A., Perrucci F., Caprioli M. [et al.]. New insights on laser induced graphene electrodes for flexible supercapacitors: tunable morphology and physical properties // Nanotechnology. 2017. Vol. 28, no. 17. P. 174002. DOI: 10.1088/1361-6528/aa6615. (In Engl.).Lamberti A., Clerici F., Fontana M. [et al.]. A Highly Stretchable Supercapacitor Using Laser-Induced Graphene Electrodes onto Elastomeric Substrate // Advanced Energy Materials. 2016. Vol. 6. P. 1600050. DOI: 10.1002/aenm.201600050.Lamberti A., Clerici F., Fontana M. [et al.]. A Highly Stretchable Supercapacitor Using Laser-Induced Graphene Electrodes onto Elastomeric Substrate // Advanced Energy Materials. 2016. Vol. 6. P. 1600050. DOI: 10.1002/aenm.201600050. (In Engl.).Lin J., Peng Z., Liu Y. [et al.]. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers // Nature communications. 2014. Vol. 5. P. 5714. DOI: 10.1038/ncomms6714.Lin J., Peng Z., Liu Y. [et al.]. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers // Nature communications. 2014. Vol. 5. P. 5714. DOI: 10.1038/ncomms6714. (In Engl.).Shimoyama M., Niino H., Yabe A. A KrF excimer laser induced dehydrochlorination of a chlorinated poly(vinylchloride): preparation of conjugated polyene and polyyne // Macromol. Chem. 1992. Vol. 193 (3). P. 569–574. DOI: 10.1002/macp.1992.021930301.Shimoyama M., Niino H., Yabe A. A KrF excimer laser induced dehydrochlorination of a chlorinated poly(vinylchloride): preparation of conjugated polyene and polyyne // Macromol. Chem. 1992. Vol. 193 (3). P. 569–574. DOI: 10.1002/macp.1992.021930301. (In Engl.).Liu J., Shimanoe H., Ko S. [et al.]. Highly Chlorinated Polyvinyl Chloride as a Novel Precursor for Fibrous Carbon Material // Polymers. 2020. Vol. 12, no. 2. P. 328. DOI: 10.3390/polym12020328.Liu J., Shimanoe H., Ko S. [et al.]. Highly Chlorinated Polyvinyl Chloride as a Novel Precursor for Fibrous Carbon Material // Polymers. 2020. Vol. 12, no. 2. P. 328. DOI: 10.3390/polym12020328. (In Engl.).Ковивчак В. С., Кряжев Ю. Г., Запевалова Е. С. Формирование наноструктурированного углеродного материала на поверхности полимера, содержащего ферроцен, при воздействии мощного ионного пучка // Письма в журнал технической физики. 2016. Т. 42, № 3. С. 84–90.Kovivchak V. S., Kryazhev Yu. G., Zapevalova E. S. Formirovaniye nanostrukturirovannogo uglerodnogo materiala na poverkhnosti polimera, soderzhashchego ferrotsen, pri vozdeystvii moshchnogo ionnogo puchka [Formation of nanostructured carbon material on the surface of a ferrocene-containing polymer under the influence of a high-power ion beam] // Pis′ma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki. Technical Physics Letters. 2016. Vol. 42, no. 3. P. 84–90. (In Russ.).Ковивчак В. С. Особенности воздействия мощного ионного пучка наносекундной длительности на полиэтилентерефталат // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 3. С. 11–15. DOI: 10.31857/S1028096023030068.Kovivchak V. S. Osobennosti vozdeystviya moshchnogo ionnogo puchka nanosekundnoy dlitel’’nosti na polietilentereftalat [Features of the effect of a high-power ion beam of nanosecond duration on polyethylene terephthalate] // Poverkhnost’. Rentgenovskiye, sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniya. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2023. No. 3. P. 11–15. DOI: 10.31857/S1028096023030068. (In Russ.).Ковивчак В. С., Кряжев Ю. Г. Формирование наноструктурированного углерода на поверхности хлорполимеров при воздействии мощного ионного пучка наносекундной длительности // Взаимодействие излучений с твердым телом: материалы 12-й Междунар. конф., 19-22 сент. 2017 г. Минск, Беларусь, 2017. С. 56-57.Kovivchak V. S., Kryazhev Yu. G. Formirovaniye nanostrukturirovannogo ugleroda na poverkhnosti khlorpolimerov pri vozdeystvii moshchnogo ionnogo puchka nanosekundnoy dlitel′nosti [Formation of nanostructured carbon on a surface of chlorinated polymers under the action of a high power ion beam of nanosecond duration] // Vzaimodeystviye izlucheniy s tverdym telom. Interaction of Radiation with Solids. Minsk, 2017. P. 56–57. (In Russ.).Донцов А. А., Лозовик Г. Я., Новицкая С. П. Хлорированные полимеры. Москва: Химия, 1979. 232 с.Dontsov A. A., Lozovik G. Ya., Novitskaya S. P. Khlorirovannyye polimery [Chlorinated polymers]. Moscow, 1979. 232 p. (In Russ.).Ковивчак В. С., Парыгин А. А. Влияние предварительного ультрафиолетового облучения на формирование углеродных нановолокон на поверхности хлорированного поливинилхлорида при воздействии мощного ионного пучка // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2022. № 3. С. 44–49. DOI: 10.31857/S1028096022030116.Kovivchak V. S., Parygin A. A. Vliyaniye predvaritel’nogo ul’trafioletovogo oblucheniya na formirovaniye uglerodnykh nanovolokon na poverkhnosti khlorirovannogo polivinilkhlorida pri vozdeystvii moshchnogo ionnogo puchka [Influence of UV pre-irradiation on the formation of carbon nanofibers on the surface of chlorinated polyvinyl chloride under the action of a high power ion beam] // Poverkhnost’. Rentgenovskiye, sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniya. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022. No. 3. P. 44–49. DOI: 10.31857/S1028096022030116. (In Russ.).Liu J., Lv Y., Luo Z. [et al.]. Molecular chain model construction, thermostability, and thermo-oxidative degradation mechanism of poly (vinyl chloride) // RCS Advances. 2016. Vol. 6. P. 31898–31905. DOI: 10.1039/c6ra02354a.Jia Liu, Yin Lv, Zhidong Luo [et al.]. Molecular chain model construction, thermostability, and thermo-oxidative degradation mechanism of poly (vinyl chloride) // RCS Advances. 2016. Vol. 6. P. 31898–31905. DOI: 10.1039/c6ra02354a. (In Engl.).Тарасов И. Ю. Стабилизация поливинилхлорида // Современная наука: эксперимент и научная дискуссия: сб. науч. тр. по материалам II Междунар. науч.-практ. конф., 25 апреля 2022 г. Анапа, 2022. С. 60–66.Tarasov I. Yu. Stabilizatsiya polivinilkhlorida [Stabilization of polyvinyl chloride] // Sovremennaya nauka: eksperiment i nauchnaya diskussiya. Modern Science: Experiment and Scientific Discussion. Anapa, 2022. P. 60–66. (In Russ.).Стрепихеев А. А., Деревицкая В. А. Основы химии высокомолекулярных соединений. Москва: Химия, 1976. 440 с.Strepikheyev A. A., Derevitskaya V. A. Osnovy khimii vysokomolekulyarnykh soyedineniy [Fundamentals of chemistry of macromolecular compounds]. Moscow, 1976. 440 p. (In Russ.).Та К. К., Бондалетов В. Г., Огородников В. Д. [и др.]. Термоокислительная деструкция композиций полидициклопентадиена с хлорсодержащими антипиренами // Пластические массы. 2020. № 11-12. С. 8–10. DOI: 10.35164/0554-2901-2020-11-12-8-10.Ta K. K., Bondaletov V. G., Ogorodnikov V. D. [et al.]. Termookislitel’naya destruktsiya kompozitsiy poliditsiklo-pentadiyena s khlorsoderzhashchimi antipirenami [Thermooxidative degradation of compositions of polydicyclopentadiene with chlorine-containing flame retardants] // Plasticheskiye massy. Plastic Masses. 2020. No. 11-12. P. 8–10. DOI: 10.35164/0554-2901-2020-11-12-8-10. (In Russ.).Парыгин А. А. Влияние предварительной дегидрохлорирующей обработки на поверхностную морфологию хлорированного поливинилхлорида, облученного мощным ионным пучком // Научный форум: технические и физико-математические науки: сб. ст. по материалам LVIII Междунар. науч.-практ. конф., 07 ноября 2022 г. Москва, 2022. Т. 8, № 58. С. 27–31.Parygin A. A. Vliyaniye predvaritel’noy degidrokhloriruyushchey obrabotki na poverkhnostnuyu morfologiyu khlorirovannogo polivinilkhlorida, obluchennogo moshchnym ionnym puchkom [Influence of preliminary dehydrochlorinating treatment on the surface morphology of chlorinated polyvinyl chloride irradiated with a high-power ion beam] // Nauchnyy forum: tekhnicheskiye i fiziko-matematicheskiye nauki. Scientific Forum: Technical and Physical and Mathematical Sciences. 2022. Vol. 8, no. 58. P. 27–31. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.