CC BY
23
УДК 541.1:539.2
МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИКАРБОНАТА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕДЬ/УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА
ПЕРШИН Ю.В., *КОДОЛОВ В.И.
Ижевский государственный технический университет, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7 *Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии УдНЦ УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Проведено исследование модификации поликарбоната с помощью медь/углеродного нанокомпозита. Установлены изменения спектральных, оптических и теплофизических характеристик композиций на основе поликарбоната, модифицированного медь/углеродным нанокомпозитом.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нанокомпозит, суспензия, поликарбонат, модификация, оптическая плотность, ИК спектроскопия, теплофизические свойства.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время материалы на основе поликарбоната модифицируют, чтобы улучшить их теплофизические и оптические характеристики и придать новые свойства для использования в специальных целях. Введение в материалы наноструктур способствует процессам самоорганизации в них. Протекание этих процессов зависит от поверхностной энергии наноструктур, которая связана, в свою очередь, с энергией взаимодействия их с окружением. Известно [1], что с уменьшением размера наночастиц их поверхностная энергия возрастает и увеличивается их активность.
Для нанопленок поверхность и объем определяются дефектностью и формой изменений конформаций пленочных наноструктур в зависимости от степени их кристалличности. Однако возможности изменений формы нанопленок при изменении активности среды выше по сравнению с уже сформированными наноструктурами. Вместе с тем существенную роль играют размеры сформированных нанопленок и их дефектность, т.е. разрывы и трещины на поверхности нанопленок [2].
При изучении влияния сверх малых количеств добавок веществ, вводимых в полимеры и существенно изменяющих их свойства, следует, по-видимому, исходить из той роли, какую эти вещества играют в полимерах, обладающих высокоорганизованной надмолекулярной упорядоченностью как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях. Можно предполагать, что механизм этого явления заключается в передаче энергии наноструктуры через поверхность раздела структурным образованиям полимера, что приводит к изменению их поверхностной энергии и подвижности структурных элементов полимерного тела. Такой механизм представляется весьма реальным, поскольку полимеры являются структурно-гетерогенными (высокодисперсными) системами.
Модификация поликарбоната с помощью сверх малых количеств Си/С нанокомпозита возможно при использовании тонкодисперсных суспензий этого нанокомпозита, что способствует равномерному распределению наночастиц в растворе поликарбоната.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве модифицированного поликарбоната использовалась марка поликарбоната «Актуаль». Тонкодисперсные суспензии медь/углеродного нанокомпозита готовили при совмещении 1,0; 0,1; 0,01; 0,001 % нанокомпозита в растворе поликарбоната в 1,2 дихлорэтане. Суспензии подвергались ультразвуковой обработке.
Для сравнительного изучения оптической плотности суспензии нанокомпозита в растворе поликарбоната в 1,2 дихлорэтане, а также поликарбоната и модифицированных нанокомпозитом образцов поликарбоната использовали спектрофотометр КФК-3-01.
Образцы в виде модифицированной и немодифицированной пленки для исследования ИК спектров подготовлены путем осаждения из суспензии или раствора в вакууме. Полученные пленки толщиной порядка 100 мкм исследовались на ИК Фурье-спектрометре ФСМ 1201.
Для изучения кристаллизации и образовавшихся структур использован микроскоп с высоким разрешением (до 10 мкм).
Для исследования теплофизических характеристик изготавливался слоистый материал на основе поликарбоната и полиметилметакрилата, высотой порядка 10 мм, использовалось три слоя полиметилметакрилата и два слоя поликарбоната. Теплофизические характеристики (удельная теплоемкость и теплопроводность) исследованы на калориметрах ГГ-с-400 и ГГ-Х-400.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе исследования проводили изучение тонкодисперсной суспензии нанокомпозита в растворе поликарбоната в 1,2 дихлорэтане, сравнительное изучение пленок поликарбоната, модифицированных с использованием разных концентраций нанокомпозита, с помощью оптической спектроскопии, микроскопии, ИК спектроскопии и теплофизических методов исследования.
Результаты исследований оптической плотности тонкодисперсной суспензии Си/С нанокомпозита (0,001 %) на основе раствора поликарбоната в 1,2 дихлорэтане представлены на рис.1. Как видно из рисунка, введение в дихлорэтан нанокомпозита и поликарбоната приводит к увеличению пропускания в области 640 - 690 нм (примерно в три раза). Вместе с тем при 790 и при 890 нм отмечено значительное увеличение оптической плотности. Представляет интерес сопоставление оптических плотностей пленок поликарбоната и модифицированных материалов при введении в поликарбонат различных количеств (1,0; 0,1; 0,01 %) нанокомпозита (рис. 2).
концентрацией и ^^ нанокомпозитом в концентрации к поликарбонату 0,001 % (1) и дихлорэтана (2)
Сопоставление кривых оптической плотности суспензии при содержании в ней 0,001 % нанокомпозита и оптической плотности образца поликарбоната, модифицированного 0,01 % нанокомпозита, свидетельствует о близости характера кривых. В связи с этим вполне вероятна корреляция оптических свойств суспензий нанокомпозитов и пленочных материалов, модифицированных теми же нанокомпозитами.
Рис. 2. Кривые оптической плотности контрольного образца (2), модифицированного ^^ нанокомпозитами в концентрации 1 % (1), 0,1 % (3), 0,01 % (4)
Исследование кривых оптической плотности образцов показали, что при концентрации наноструктур в количестве 1 % от массы поликарбоната идет поглощение видимого спектра света почти на 4,2 % больше по сравнению с контрольным образцом. При концентрации 0,1 % нанокомпозита поглощение снижается на 0,7 %, при концентрации 0,01 % поглощение уменьшается в области 540 - 600 нм на 2,3 %, а в области 640 - 960 нм на 0,5 %.
При микроскопическом исследовании образцов получено схематичное изображение образовавшихся структур. Результаты предоставлены на рис. 3. Исходя из приложенных схематичных изображений видно, что в поликарбонате, модифицированном 0,01 % Си/С нанокомпозитом, формируются объемные структуры правильной формы, окруженными мицеллами. При введении 0,1 % нанокомпозита отмечено образование структур линейного характера, искаженных в пространстве и окруженных мицеллами. При концентрации 1 % Си/С нанокомпозита в поликарбонате не обнаружено образования крупных агрегатов.
Рис. 3. Схематическое изображение образования структур в поликарбонате модифицированного ^^ нанокомпозитами в концентрации 1 %, 0,1 %, 0,01 % (слева направо), размер 20 мкм
По-видимому, снижение концентрации нанокомпозита в поликарбонате может привести к образованию самоорганизующихся структур более крупного размера. В работе [3] высказана гипотеза о передаче колебаний нанокомпозитов на молекулы полимерной композиции, интенсивность полос в ИК спектрах которых резко возрастает при введении даже сверх малых количеств нанокомпозитов. Эта гипотеза в нашем случае проверена на модифицированных и немодифицированных образцах пленок поликарбоната.
На рис. 4 представлены ИК-спектры поликарбоната и поликарбоната, модифицированного 0,001 % Си/С нанокомпозита.
Рис. 4. ИК-спектры контрольного образца (1) и модифицируемого поликарбоната ^^ нанокоммпозитами в концентрации 0,001 % (2)
Как видно по данным ИК-спектров идет увеличение интенсивности почти по все областям, что свидетельствует о влиянии колебаний Си/С нанокомозита на всю систему, наиболее яркие изменения интенсивности полос наблюдаются при 557 см-1, в области 760 - 930 см-1, при 1400, 1600, 2970 см-1.
Таким образом, самоорганизация поликарбоната под влиянием Си/С нанокомпозита происходит с участием определенных связей, для которых интенсивность полос поглощения возрастает. При этом возможно формирование новых фаз, что обычно приводит к росту теплоемкости. Вместе с тем возможно уменьшение теплопроводности за счет формирования дефектных областей между образовавшимися агрегатами. В таблице приведены результаты изучения теплофизических характеристик.
Таблица
Теплофизические характеристики поликарбоната и его модифицированных аналогов
Параметры Содержание нанокомпозита в поликарбонате, %
0%, контр. 1% 0,1% 0,01%
т 10-3, кг 1,9 1,955 1,982 1,913
h 10-3, м 9,285 9,563 9,76 9,432
Суд, Дж/кг К 1440 1028 1400 1510
X 0,517 0,503 0,487 0,448
Показано, что с уменьшением концентрации наноструктур в материале наблюдается рост теплоемкости, что подтверждает результаты предыдущих исследований. Понижение теплопроводности с уменьшением концентрации наноструктур, по-видимому, вызвано дефектностью материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При введении Cu/C нанокомпозитов в модифицируемый материал, наноструктуру можно расценивать как генератор возбуждения молекул композиции, который приводит к волновому процессу в материале.
Установлено, что модификация поликарбоната металл углеродсодержащими нанокомпозитами приводит к изменению структуры поликарбоната, что сказывается на его оптических и теплофизических свойствах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кодолов В.И., Хохряков Н.В. Химическая физика процессов формирования и превращений наноструктур и наносистем / в двух томах. Ижевск : Изд-во ИжГСХА, 2009. Т. 1. 360 с. Т. 2. 416 с.
2. Кодолов В.И., Хохряков Н.В., Тринеева В.В. и др. Активность наноструктур и проявление ее в нанореакторах полимерных матриц и активных средах // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 4. С. 448-460.
3. Khokhriakov N.V., Kodolov V.I. Influence of hydroxyfullerene on the structure of water // Int. J. Quantum Chemistry. 2011. V. 111, Is. 11. Р. 2620-2624.
POLYCARBONATE MODIFICATION BY Cu/C NANOCOMPOSITE
Pershin Yu.V., *Kodolov V.I.
Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
*Basic Research - High Educational Centre of Chemical Physics and Mesoscopy, Udmurt Scientific Centre, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The investigation of polycarbonate modification by Cu/C nanocomposite is carried out. The changes of spectral, optical and thermal physical characteristics of polycarbonate compositions, modified by Cu/C nanocomposite are determined.
KEYWORDS: nanocomposite, suspension, polycarbonate, modification, IR spectroscopy, optical density, thermal physical characteristics.
Першин Юрий Витальевич, аспирант, инженер 1 категории кафедры химии и химической технологии ИжГТУ,
Кодолов Владимир Иванович, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой ИжГТУ, руководитель НОЦ ХФиМ УдНЦ УрО РАН, тел. (3412)582438; e-mail: kodol@istu.ru
