авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Синтез и свойства композиционных материалов на основе матриц полиметилметакрилата и полигидроксиэтилметакрилата и наночастиц серебра

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МУЗАЛЕВ ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ МАТРИЦ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА И ПОЛИГИДРОКСИЭТИЛМЕТАКРИЛАТА И НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА

05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Кособудский Игорь Донатович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Юрков Глеб Юрьевич
доктор технических наук, профессор Устинова Татьяна Петровна
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского», г. Саратов

Защита состоится 28 июня 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «27» мая 2011 г.

Автореферат размещен на сайте СГТУ http://www.sstu.ru «27» мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время среди интенсивно развивающихся методов получения наноматериалов, наибольшее внимание уделяется методам получения композиционных материалов на основе органических полимерных матриц и наночастиц металлов и их соединений (оксидов, нитридов, сульфидов). В качестве полимерных матриц – стабилизаторов широко используются полиэтилен, полипропилен, полиамид и другие, так как они характеризуются низкой себестоимостью, высокими стабилизирующими свойствами и простотой при термообработке.

Но необходимо отметить, что эти полимерные материалы имеют низкие значения коэффициента пропускания света, что существенно ограничивает возможность их использования для оптических приборов. Поэтому все больший интерес начинает привлекать новый класс материалов на основе прозрачных полимерных матриц и наночастиц d-металлов и их соединений.

Но, несмотря на то, что в данный момент существует ряд экспериментальных и теоретических научных работ, в которых рассматриваются методы получения и исследования основных физико-химических параметров такого рода нанокомпозитов, их свойства остаются еще малоизученными, кроме того, существенно ограничен ряд металлов и их соединений, которые могут использоваться в качестве нанонаполнителя.

Поэтому разработка методов получения нанокопозиционных материалов с инертной, оптически прозрачной полимерной матрицей является актуальной задачей в настоящее время.

В связи с этим целью работы является синтез композиционных материалов на основе наночастиц d-металла в полимерных матрицах с аморфной структурой, а также исследование их физико-химических свойств.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Синтез композиционных материалов на основе изолированных друг от друга наночастиц серебра с размерами от 1 до 50 нм в объеме: полиметилметакрилата и полигидроксиэтилметакрилата.

2) исследование размера, состава и строения наночастиц Ag в матрицах данных полимеров;

3) исследование спектральных характеристик в видимой и ближней инфракрасной (ИК) - области спектра материалов на основе наночастиц серебра в матрицах полиметилметакрилата и полигидроксиэтилметакрилата.

4) исследование физико-механических свойств материалов на основе наночастиц и выявление концентрационных зависимостей свойств.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые получены материалы, содержащие изолированные друг от друга наночастицы Ag, c различной концентрацией в матрицах полиметилметакрилата (ПММА) и полигидроксиэтилметакрилата (ПГЭМА); экспериментальным путем доказано, что в полученном материале содержатся наночастицы металлов, определены их размеры, строение и состав;

-впервые рассмотрен механизм стабилизации частиц серебра в объеме полимерных матриц ПММА и ПГЭМА.;

-впервые осуществлены исследования физико-химических свойств полученных нанокомпозитов (молекулярно-массовое распределение, реологические характеристики, параметры набухания, технологические свойства);

-впервые проведены исследования основных оптических характеристик в видимой и ближней УФ и ИК – областей оптического спектра полученных полимерных нанокомпозитов.

Практическая значимость данной работы состоит в получении новых нанокомпозитных материалов на основе d-металла (серебра) и оптически прозрачных полимеров: полиметилметакрилата и полигидроксиэтилметакрилата. Использование, простой и недорогой технологии, позволяет получать нанокомпозиты с уникальными электрофизическими и оптическими свойствами. Новые синтезированные наноматериалы могут найти широкое применение в различных областях науки и техники, свойствами наночастиц и материалов на их основе можно управлять посредством изменения различных параметров, таких как средний размер частиц, их концентрация и распределение в матрице.

Пленки из композиционных материалов на основе наночастиц серебра и полиметилметакрилата и полигидроксиэтилметакрилата могут найти применение в качестве оптических просветляющих покрытий для солнечных панелей. Коэффициент полезного действия работы таких фотоэлементов может быть на 10 - 15 % выше фотоэлемента без просветляющего покрытия. Кроме того, пленки из таких наноматериалов имеют большие перспективы применения в качестве антибликовых покрытий для мониторов. Характерной особенностью таких материалов является отсутствие какого-либо отражения света, что характерно для большинства современных мониторов.

Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена использованием комплекса взаимодополняющих современных методов исследования (атомно-силовая (АСМ), электронная просвечивающая (ПЭМ) и сканирующая микроскопии (СЭМ), рентгеновский фазовый (РФА), энергодисперсионный (ЭДА), рентгено-флуоресцентный анализы). Интерпретация результатов исследований основана на современных представлениях о физико-химических свойствах поверхности, наночастиц и наноматериалов. Полученные закономерности согласуются с результатами других авторов, работающих в области наноматериалов и нанотехнологий.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

  1. Способы управления составом, строением и размерами наночастиц металла в полимерной матрице путем выбора метода синтеза и концентрации металлсодержащего соединения.
  2. Методика получения наночастиц серебра в полимерной матрице ПГЭМА за счет протекания сопряженных реакций фотовосстановления и фотополимеризации ГЭМА в ПГЭМА.
  3. Зависимости оптических характеристик (пропускание и отражение) для нанокомпозитов с матрицами ПММА и ПГЭМА от концентрации нанодисперсного наполнителя.

Апробация работы. Различные результаты докладывались и обсуждались на I и II Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (RusNanotech) (Москва 2008, 2009); IX Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро – и нанотехнологии» (Кисловодск, 2009), Научно-практической конференции “УМНИК” (Саратов, 2009); V и VI Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2010, 2011); VII Всероссийской конференции молодых ученых “Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии” (Саратов, 2010); V Международной конференции «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» («Композит-2010») (Энгельс; 2010); 5 Всероссийской Каргинской конференции (Москва, 2010); 5 международной конференция Стеклопрогресс XXI (Саратов, 2010); 5 Всероссийской конференции молодых ученых Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика (Саратов, 2010); 4 Всероссийской конференции по наноматериалам (Москва, 2011).

Публикации. По материалам исследований, обобщенных автором в диссертации, опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в международных и отечественных журналах из списка ВАK, 1 статья в других журналах, 12 - в материалах международных и всероссийских конференций.

Личный вклад автора Автор принимал участие в постановке и проведении эксперимента, интерпретации и систематизации полученных данных, формулировки выводов и опубликовании результатов исследований в статьях и материалах конференций.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов: Министерства Образования и Науки РФ “Аналитическая ведомственная программа поддержки потенциала высшей школы” АВЦП (Грант 2.1.2/575).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографии (139 наименований), содержит 166 страниц, а также включает 78 рисунков, 20 таблиц. Обзор литературных данных по данной тематике приведен в первой главе, во второй главе описаны используемые в работе материалы, методы и методики исследования. Основные обсуждения результатов приведены в последующих трех главах.

Благодарности. Автор считает своим долгом выразить благодарность сотрудникам лаб. «Субмикронной электроники» ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН: зав.лаб., проф., д.ф-м.н. Ушакову Н.М., к.т.н. Кульбацкому Д.М., к.т.н. Подвигалкину В.Я., проф. кафедры химической технологии ЭТИ СГТУ, д.х.н. Пановой Л.Г. за помощь в проведении исследований, полезные обсуждения и интерпретацию результатов, полученных в диссертационной работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обзор современного состояния существующей проблемы, обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и основные задачи исследования диссертанта, описываются научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основые положения и результаты, выносимые на защиту, приводится краткое содержание, структура и объем диссертации, апробация работы, а также список публикации.

В первой главе описываются основные методы синтеза наноразмерных частиц металлов и их соединений. Рассматривается строение наночастицы, основные представление о характере стабилизации в различных полимерных матрицах. Приведены основные физико-химические свойства полимеров с аморфной структурой. Представлены теоретические аспекты теории просветления в оптике, рассмотрены стандартные варианты просветляющих покрытий, а также новые типы просветляющих систем. Рассмотрены также основные работы в области синтеза и исследования физико-химических свойств нанокомпозитов с аморфными полимерными матрицами (полиакрилаты, поликарбонаты).

На основании литературного обзора показано, что на данный момент остаются еще малоизученными механизм стабилизации наночастиц в матрицах акриловых полимеров, кроме того, существующие на данный момент методы просветления имеют определенные недостатки и ограничения по применению и эффективности, поэтому нуждаются в доработке или замене на более эффективные.

Во второй главе рассматриваются материалы и методы синтеза наночастиц серебра в матрицах полимеров ПММА и ПГЭМА, а также основные физико-химические методы исследования состава строения и физико-химических свойств (физико-механических, оптических) синтезированных нанокомпозитов.

Основными методами синтеза приняты метод высокоскоростного термического разложения и химического восстановления серебросодержащего соединения (прекурсора) в растворе-расплаве полимера и способ фотохимического восстановления серебряного прекурсора в среде мономера с его последующей фотополимеризацией.

Различие в методах синтеза обусловлено особенностями строения и структуры полимерных матриц.

Для исследования состава, строения полученных материалов использовался комплекс физико-химических методов: рентгеновский фазовый анализ, просвечивающая и сканирующая электронные микроскопии, атомно-силовая микроскопия, дифференциально-термический и термогравиметрический анализ, методы визкозиметрии, рентгенофлуоресцентный и энергодисперсионный анализы, оптическая спектроскопия.

Третья глава посвящена обсуждению экспериментальных результатов по исследованию размера, строения, состава наночастиц. Приведено обоснование выбора восстановителя для нанохимического синтеза, исходя из данных РФА.

Было установлено, что только в случае использования в качестве восстановителя раствора гидрата гидразина позволяет получить наночастицы серебра при отсутствии оксидной фазы (см. рис.1).

Рис. 1 Дифрактограмма образца ПММА + Ag (10 масс %.)

С целью проверки освоения методики синтеза и воспроизводимости результатов исследования по синтезируемым образцам по методу химического восстановления серебра в полиметилметакрилате получены образцы композиций ПММА + Ag с различной концентрацией металла и также проведено исследование состава и строения полученных композиций.

Как показал анализ микрофотографий ПЭМ, в результате синтеза происходит образование серебряных частиц нанометрового диапазона, форма и размер которых будут определяться концентрацией вводимого наполнителя. На микрофотографии отчетливо видны темные сферические частицы серебра на фоне серой матрицы ПММА (рис. 2).

dср = 7±1
Рис. 2 Микрофотография ПЭМ и функция распределения частиц по размерам для нанокомпозита ПММА + Ag (1 масс % )

При концентрации серебра 1 масс % частицы имеют размеры 2-12 нм, средний размер наночастиц d при этом составляет 7±1 нм.

С увеличением концентрации металлсодержащего соединения (МСС) увеличиваются и размеры наночастиц в полимерном нанокомпозите. Для образца ПММА + Ag (10 масс. %) отклонение от среднего значения размеров частиц составил от 25-37 нм, при этом d= 31±2 нм (см. рис. 3).

dср =31±2

Рис. 3 Микрофотография ПЭМ и распределение частиц по размерам для

нанокомпозита ПММА + Ag (10 масс %)

Таким образом, можно управлять размерами частиц путем варьирования концентрации серебряного прекурсора.

Из синтезированных серебряных нанокомпозитов получали толстоплёночные полимерные покрытия толщиной от 50-100 мкм. методом жидкофазного нанесения растворенной композиции на стеклянные и кремниевые носители

Функциональная схема технологического процесса представлена на рис. 4:

Рис. 4 Функциональная схема получения толстоплёночного нанокомпозитного просветляющего покрытия

Изучение топологии полученных покрытий говорит о том, что увеличение концентрации металла приводит к увеличению шероховатости поверхности (рис. 5).

Так если для полимерного покрытия без наполнителя среднеквадратичная шероховатость составляет 25,3 нм, а размер неоднородностей варьируется от 2,3 до 174,4 нм, то для покрытия с концентрацией серебра 1 масс % она возрастает до 30,5 нм. Для покрытия с 10 масс % Ag эта величина достигает 572 нм, а размер неоднородностей становится больше 1 мкм. Таким образом, неровности поверхности начинают вносить свой вклад в свойства такого покрытия.

а) б)
в) г)
Рис. 5 3D-АСМ профили поверхности нанокомпозиционных покрытий: а) ПММА; б) ПММА+Ag (1%); в) ПММА+Ag (3%); г) ПММА+Ag (10%)


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.