CC BY
35
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННОГО РЕЖИМА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА МОРФОЛОГИЮ И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА И СУЛЬФИДА КАДМИЯ
А.М. Магеррамов, М.А. Рамазанов, Ф.В. Гаджиева, С.Г. Алиева
Бакинский государственный университет, ул. З. Халилова, 23, г. Баку, AZ1148, Республика Азербайджан, [email protected], [email protected]
Введение
В последние десятилетия стремительно развиваются исследования по разработке новых полимерных композиционных материалов, содержащих наноразмерные частицы (НРЧ) металлов их оксидов или сульфидов [1-5]. Это обусловлено потребностями нанотехнологий в самых различных областях: от медицины до телекоммуникационных систем. Актуальность проблемы синтеза таких нанокомпозитов в значительной мере связана с перспективностью создания на их основе разнообразных устройств, в частности оптического назначения, миниатюрных переключателей, сенсоров, модуляторов, высокоскоростных оптических приборов, компонентов так называемых «случайных» лазеров, а также устройств для трехмерной оптической записи информации.
Известно, что в зависимости от температурно-временного режима кристаллизации композиции меняется их физическая структура, а это меняет межфазные взаимодействия между компонентами композиций [6, 7].
В данной работе нами изучено влияние температурно-временного режима кристаллизации композиции на структуру, прочностные и фотолюминесцентные свойства нанокомпозиций на основе
ПП+еа8.
Методика эксперимента
Образцы нанокомпозиции III 1+С<18 получены следующим образом. В качестве полимерной матрицы использовались порошки IIII с размером частиц 0,5-1,0 мкм для повышения активности по отношению к ионам переходного металла, в частности С<2+ полимерный порошок подвергали обработке в электрическом разряде на воздухе в течение различного времени по технологии [8]. Обработку порошка проводили в кварцевой пробирке диаметром 15 мм с толщиной стенки 1 мм, на ее поверхности располагался заземленный электрод. Второй электрод диаметром 2 мм, на который подавалось высокое напряжение, через фторопластовую трубку вводился в пробирку. Зазор между электродом и внутренней поверхностью пробирки заполнялся порошком IIII со средним диаметром 50 мкм. Нанокомпозиции полимер+С<8 получали путем перемешивания определенного количества порошков III! магнитной мешалкой в растворе С<С12 различной концентрации в течение 30 мин, после чего порошок отфильтровывали и промывали водой для удаления слабо связанных ионов С< 2+. Затем этот порошок обрабатывали в растворе Ка28 различной концентрации. Нанокомпозитные порошки сушили в течение суток. Образцы выдерживаются 3-5 мин при Тпл полимера под небольшим давлением, а затем при этой же температуре давление медленно поднимается до 15 МЛ, и в таком состоянии образец выдерживается 10-15 мин. Далее снимается давление и композиция охлаждается.
С целью получения образцов с различными надмолекулярными структурами использовали два режима: в первом случае образцы, полученные горячим прессованием, охлаждали медленно до комнатной температуры со средней скоростью 2 град/мин. Эти образцы называются «медленно охлажденные» (МО). Во втором случае композиции охлаждали до комнатной температуры со скоростью 50 град/мин. Эти образцы называются «быстро охлажденные».
Результаты и обсуждение
Изучены рельефы образцов нанокомпозиций И+С<8, полученных при различных темпера-турно-временных режимах кристаллизации методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). На рис. 1 приведены АСМ изображения нанокомпозиций И+С<8, полученных в режимах «закалка в воде» и медленное охлаждение. АСМ исследование рельефа образцов нанокомпозиций И+С<8, полученных при различных температурно-временных режимах кристаллизации, показывает, что на
© Магеррамов А.М., Рамазанов М.А., Гаджиева Ф.В., Алиева С.Г., Электронная обработка материалов, 2011, 47(5), 60-64.
поверхности образцов меняются структурные элементы нанокомпозиций. Видно, что при медленно охлажденных образцах рельеф нанокомпозиций становится более упорядоченным, чем при быстро охлажденных. Известно, что при медленном охлаждении полимеров и композиций на их основе увеличиваются надмолекулярные структуры композитных материалов, то есть крупносферолитные образования намного увеличиваются по сравнению с быстро охлажденными. Уменьшение упорядоченных областей в образцах нанокомпозиций, полученных в режиме быстрого охлаждения, видимо, связано с мелкими хаотическими кристаллическими структурами. Согласно АСМ исследованию образцов с изменением температурно-временного режима кристаллизации размеры наночастиц в 1111 изменяются.
На рис. 2 показаны анализ свойств поверхности и гистограмма значений элементов изображений нанокомпозиций ПП+CdS, полученных в режимах «закалка в воде» (1) и медленное охлаждение (2). Отмечено, что среднеквадратичная шероховатость поверхности нанокомпозиций ПП+CdS в зависимости от режима получения меняется, то есть для образцов, полученных в режиме «закалка в воде», шероховатость составляет 10-20 нм, а для образцов, полученных в режиме медленного охлаждения, - 20-40 нм.
Рис. 1. АСМ изображения нанокомпозиций ПП+CdS, полученных в режимах «закалка в воде» (1) и медленное охлаждение (2)
Рис. 2. Анализ свойств поверхности и гистограмма значений элементов изображений нанокомпозиций ПП+СёБ, полученных в режимах «закалка в воде» (7) и медленное охлаждение (2)
61
Размеры пор в полимерной матрице и наночастиц CdS в матрице 1111 изучены на сканирующем атомном силовом микроскопе и приведены на рис. 3. Из рисунка видно, что размеры наночастиц CdS в 1111 для образцов, полученных в режиме «закалка в воде», составляют 35-37 нм, а для образцов, полученных в режиме медленного охлаждения, - 55 нм.
а
б
Рис. 3. Размеры наночастиц CdS в матрице ПП, полученных в режимах «закалка в воде» (а) и медленное охлаждение (б)
Исследовано влияние температурно-временного режима кристаллизации на электрическую прочность полимерных нанокомпозиций ПП+CdS и установлено, что электрическая прочность образцов нанокомпозиций, полученных в режиме медленного охлаждения, больше, чем для образцов нанокомпозиций, полученных в режиме «закалка в воде» (рис. 4). Закономерность изменения электрической прочности нанокомпозиций в зависимости от объемного содержания CdS сохраняется. Увеличение электрической прочности нанокомпозиций образцов, полученных в режиме медленного охлаждения скорее всего связано с увеличением межфазных взаимодействий компонентов композиций. Рост электрической прочности нанокомпозиций до 0,6% об.сод. концентрации CdS, по нашему мнению, связан со структурированием полимерной матрицы вокруг частиц CdS. До 0,6% об.сод. добавок CdS в полимерную матрицу наночастицы CdS играют роль центра кристаллизации для полимерных матриц. Дальнейшее уменьшение электрической прочности с увеличением концентрации наночастиц CdS связано с уменьшением доли полимерной матрицы и с разрушением ее структуры. Увеличение электрической прочности образцов нанокомпозиций, полученных в режиме
медленного охлаждения, связано с увеличением межфазного взаимодействия компонентов композиций, а увеличение размеров наночастиц - с повышением вероятности коагуляции частиц CdS. Известно, что образование химической связи между атомами фотополупроводника и отдельными функциональными группами полимера приводит к высокой адгезионной прочности, тогда как лишь физическое взаимодействие посредством ван-дер-ваальсовых или электростатических сил сопровождается слабой адгезией. Адгезионная прочность фотолюминесцентного полупроводника и полимерной матрицы определяется характером взаимодействия на межфазной границе. Так как наночастицы проявляют большую химическую активность, то степень взаимодействия для компонентов наноком-позиций больше, межфазные взаимодействия между компонентами нанокомпозиций должны повлиять на фотолюминесцентные свойства нанокомпозиций.
Рис. 4. Зависимость электрической прочности нанокомпозиций ПП+СёБ, полученных в режимах «закалка в воде» (!) и медленное охлаждение (2) от концентрации исходных растворов
Рис. 5. Спектры фотолюминесценции нанокомпозиций ПП+СёБ, полученных в режиме медленного охлаждения и в режиме «закалка в воде»
Изучены спектры люминесценции нанокомпозиций ПП+CdS в зависимости от температур-но-временного режима кристаллизации. На рис. 5 приведены спектры фотолюминесценции нанокомпозиций ПП+CdS, полученных в режиме медленного охлаждения и в режиме «закалка в воде».
Из рис. 5 видно, что наблюдаются три максимума в области длин волн 534, 627 и 805 нм, а амплитуда максимумов в зависимости от температурно-временного режима кристаллизации меняется. Амплитуда ФЛ увеличивается с уменьшением скорости охлаждения расплава нано-композиций.
Увеличение амплитуды ФЛ образцов нанокомпозиций, полученных в режиме медленного охлаждения, связано с увеличением межфазного взаимодействия компонентов композиций, которые приводят к возбуждению в CdS новых дополнительных люминесцентных центров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд У.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. 671 с.
2. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Изд-во Московского университета, 2003. 286 с.
3. Magerramov A.M., Ramazanov M.A., Gadjieva F.V. Photoluminescence in the polymer nanocomposites on the basis of PP+CdS. The Journal of American Science. 2007, 3(4), 62-67.
4. Магеррамов А.М., Рамазанов М.А., Гаджиева Ф.В. Структура и фотолюминесценция полимерных нанокомпозиций с сульфидом кадмия и полипропиленом. Физика и химия обработки материалов. 2008, (1), 71-74.
5. Magerramov A.M., Ramazanov M.A., Gadjiyeva F.V. Role of phase interactions in formation of fotoluminescent and dielectric properties of polymeric nanocomposites. Journal Optoelectronics and
Advanced Materials. Rapid Communications. 2009, 3(12), 1348-1353.
6. Ramazanov M.A., Ismailov A.A. Influence of temperature condition of crystallization and discharge processing on spectra of photoluminescence of com positions on the basis of polymer-semiconductor. Fizika. 2002, 8(2), 16-18.
7. Абасов С.А., Ибрагимова Х.С., Рамазанов М.А. Влияние температурно-временного режима кристаллизации и электрического поля на теплофизические и прочностные свойства композиций на основе полимеров и пьезокерамиков. Fizika. 2007, 13(1-2), 137-138.
8. Шахтахтинский М.Г., Мамедов А.И., Курбанов М.А., Рамазанов М.А., Гасанов А.Ш., Алиев Н.Г., Алиев Н.Н. Способ получения материалов для пьезоэлементов. А.С. СССР №14816 3. 22.01.1989. Б И., 1989, (4).
Поступила 02.02.11 После доработки 23.02.11
Summary
In this work is given results of influence of temperature and time regimes of crystallization on the structures and properties nanocompositions on the basis of polypropylene and cadmium sulphide, prepared from polymer, treated by electrical discharge in air quality. Has been shown temperature and time of crystallization and other technological regimes change supramolecular structure of the polymer, interphase interactions between components of compositions and thickness of interphase layer.
