CC BY
8
УДК 544.77.03
Донина М.В., Есефьева Т.Ю., Яровая О.В.
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦ ТИПА «ЯДРО-ОБОЛОЧКА» С НАНЕСЁННЫМ СЛОЕМ НИКЕЛЯ
Донина Мария Владимировна, аспирант 2 курса кафедры коллоидной химии, e-mail: [email protected]; Есефьева Татьяна Юрьевна, студентка 3 курса факультета химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов;
Яровая Оксана Викторовна, к.х.н., доцент кафедры коллоидной химии.
Целью данной работы являлась оценка возможности использования частиц поливинилацетата (ПВА) в качестве подложки для получения частиц типа «ядро-оболочка» с нанесённым слоем металлического никеля. Были исследованы дисперсии ПВА и определены их основные свойства, а также проведены пилотные эксперименты по нанесению слоя никеля на частицы ПВА.
Ключевые слова: частицы ядро-оболочка, металлический никель, поливинилацетат.
EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING POLYVINYL ACETATE DISPERSIONS TO PRODUCE "CORE-SHELL" PARTICLES WITH A DEPOSITED LAYER OF NICKEL
Donina M.V., Esefyeva T.Y., Yarovaya O.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The purpose of this work was to evaluate the possibility of using polyvinyl acetate particles as a substrate for obtaining core-shell particles with a layer of metallic nickel deposited. Polyvinyl acetate dispersions were investigated and their basic properties were determined, as well as pilot experiments on the deposition of a nickel layer on polyvinyl acetate particles were carried out.
Keywords: core-shell particles, metallic nickel, polyvinyl acetate.
Введение
В последние годы развитие материалов на основе нано- и микрочастиц получает все большее распространение. Во-первых, это связано тем, что большинство продуктов производится небольшими партиями, но играют основную роль в обеспечении функционирования конечного изделия. К таким материалам относятся материалы для электроники, оптические материалы, материалы для сенсоров и датчиков и т.д. При этом даже их высокая стоимость является оправданной и зачастую экономически выгодной. Понятие частицы «ядро-оболочка» (англ. core-shell particle) подразумевает микро- или наноразмерную частицу, у которой ядро и оболочка имеют разный состав, они различны по микроморфологическим свойствам (размеры агрегатов, пор, дефектов, кристаллов и пр.) и функциональному значению. Т. к. в таких частицах функции ядра и оболочки разделены, частицы ядро-оболочка являются многофункциональными, они позволяют оптимизировать морфологические свойства материала. [1]
При изготовлении токопроводящих клеев частицы типа «ядро-оболочка» используются для достижения нескольких целей: снижение затрат на изготовление, придание клею определённых свойств (например, более высокой ударной прочности, упругости и т.п.). Такие частицы можно разделить на два типа: с металлической и с неметаллической сердцевиной. [2] При этом неметаллические ядра используются, в основном, для получения анизотропных токопроводящих клеёв. [3]
Экспериментальная часть
В качестве основной методики получения частиц никеля была выбрана методика синтеза в присутствии
боргидрида натрия. Одна из сложностей методики -возможность окисления металлического никеля в ходе синтеза и при хранении. Для избежания окисления было выбрано оптимальное мольное соотношение соли никеля и боргидрида натрия на основании уже имеющихся данных, а также отработаны методы хранения получаемых систем [4]. В качестве подложек («ядер») на данном этапе были выбраны устойчивые полимерные дисперсии поливинилацетата с размером частиц до 10 мкм, т.к. они имеют подходящий размер частиц, химически инертны, не разлагаются в интервале рабочих температур ^разл > 220°С), а также ввиду их высокой доступности.
Спектры поглощения исследуемых систем, представленные на Рис. 1, проводили на спектрофотометре марки LEKI SS211OUV. Калибровочная кривая для растворов хлорида никеля была построена при втором максимуме поглощения (X = 727 нм). При X = 500 нм наблюдается минимум поглощения, поэтому данная длина волны была выбрана для анализа систем, содержащих поливинилацетат.
Методом оптической микроскопии были получены микрофотографии исследуемых систем, а также исходных веществ и продуктов синтеза на оптическом микроскопе «Биомед», оснащенном камерой «Levenhuk С310 NG». Был проведён пилотный эксперимент по получению частиц ПВА с нанесённым слоем металлического никеля. В ходе эксперимента была получена система, содержащая частицы тёмного цвета, сохраняющая свою устойчивость в течение недели.
C(NiCI2} = 0,06 M
300 <100
0.1 0.05
D-2.247SC k; = о ijy:-.
0.02 O.ÙJ 0.06 (JOS O.l
C. МОЛЬ^Л
1.4 1,2 1
0,8 0,6
0,4 0,2 0
С(ПВА} = 0,46% масс.
400 500 600 ТОО 500 900
i* HM
D - 1,396(5 С R> - 0.997
0,2 0,4 0,6 0,8
C, % MilCC.
Л = 727 HM X = 500 HM
Рис. 1. Спектрофотометрические исследования растворов NiCl2 и ПВА.
яг ЩЩЬ >7 FÖ j/1 * у
F *f §- Ç5 '
> » * О
и?е 1 »Mi 1
Vi
О
ПВА
Ni
NiCI,
Щ, - 1
f
. - ft w*
Пь 1 1
1 25 Jim j
Ni@riBA Ni(OH}2
Рис. 2. Микрофотографии исследуемых систем.
КОН
Размеры частиц ПВА определяли на основании анализа полученных микрофотографий. Определение размеров частиц и агрегатов проводили с помощью программы UTHSCSA ImageTool 3.0. Статистическую обработку проводили с помощью программы Microsoft Excel.
По выборке из 500 частиц был определён наивероятнейший диаметр, частиц, который составил 2,25 мкм (см. Рис. 3). Количественную концентрацию определяли с использованием камеры Горяева (6,88-109 шт./мл), также была рассчитана объёмная концентрация частиц: œv = 5,6 % об. Для оценки возможности адсорбции ионов Ni2+ на поверхности частиц ПВА методом макроэлектрофореза был определён Z-потенциал частиц, который составил -15±2 мВ. Было установлено, что изменение величины рН дисперсионной среды от 2 до 11 единиц, и
добавление ионов никеля в систему до концентрации 0,2 моль/л не оказывает негативного влияния на агрегативную устойчивость системы.
180 160 140
120 100
40 20 0
6 S 10 12 H 16 IE Диаметр частиц, мкм
Рис. 3. Кривая распределения частиц ПВА по размерам.
На основании проделанной работы был сделан вывод, что промышленные дисперсии поливинилацетата могут быть использованы в качестве «ядер» для решения поставленной задачи. Размер частиц удовлетворяет требованиям для частиц токопроводящих клеев и в дисперсиях наблюдается достаточно узкое распределение частиц по размерам. Дисперсии сохраняют свою агрегативную устойчивость в необходимом диапазоне величин рН: 3-4 единицы рН на стадии добавления соли никеля и 9-10 единиц рН на стадии формирования металлического никеля. Поверхность частиц заряжена отрицательно, то на ней есть возможность адсорбции положительно заряженных ионов Ni2+ на начальной стадии синтеза, что должно способствовать формированию металлической оболочки на поверхности частиц.
На заключительном этапе работы были проведены пробные эксперименты по синтезу частиц типа «ядро-оболочка» с использованием дисперсий поливинилацетата. Раствор хлорида никеля вносили в дисперсию поливинилацетата и выдерживали в течение 10 минут, дальнейший синтез проводили аналогично методике, подробно описанной в работе [4]. Было показано, что при дробном введении даже недостатка раствора боргидрида натрия в дисперсию, в ходе реакции получаются как частицы, покрытые оболочкой, так и индивидуальные частицы никеля. При этом в системе присутствуют частицы поливинилацетата, не покрытые оболочкой. В ходе синтеза, и в процессе дальнейшей выдержки частицы поливинилацетата и частицы металлического никеля коагулируют, тогда как частицы поливинилацетата, покрытые оболочкой из никеля, сохраняют свою агрегативную и седиментационную устойчивость в течение нескольких недель. В настоящее время ведутся работы по подбору условий проведения реакции для обеспечения максимального выхода частиц «ядро-оболочка».
Заключение
Таким образом, в ходе работы были определены свойства дисперсий поливинилацетата и растворов хлорида никеля, подтверждена принципиальная возможность использования выбранной дисперсии поливинилацетата для получения частиц типа «ядро-оболочка», с оболочкой из металлического никеля. Предложены методики анализа исходных дисперсий и продуктов реакции. Проведены пробные эксперименты по синтезу частиц типа «ядро-оболочка» и получены положительные результаты. Синтезированные частицы удовлетворяют требованиям по размеру и агрегативной устойчивости, которые предъявляют к наполнителям для анизотропных токопроводящих клеев. В настоящее время ведутся работы по подбору условий проведения реакции для обеспечения максимального выхода частиц «ядро-оболочка».
Список литературы
1. Zhao Z et al. The synthesis and electrochemical applications of core-shell MOFs and their derivatives // Journal of Materials Chemistry. - 2019. - A 7.26. -P. 15519-15540.
2. Aradhana R., Mohanty S., Nayak S. K. A review on epoxy-based electrically conductive adhesives // International Journal of Adhesion and Adhesives. -2020. - T. 99. - P. 102596.
3. Ming T.H., Lai Y.S.W.C. Advanced flip chip packaging // Springer Sci. Bus. Media. - 2013. - V. 142.
4. Магжанов Р.Х., Яровая О.В., Чжо Зин Хтве. Получение дисперсий металлического никеля в присутствии боргидрида натрия / XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Т 2а: тез.докл. - 2019 г. - 437 с.
