ЭПР спектроскопическое исследование композиционных полимерных материалов

EPR spectroscopic study of composite polymer materials
Цитировать:
Камалова Д.И., Умаров А.В., Негматов С.С. ЭПР спектроскопическое исследование композиционных полимерных материалов // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 1(82). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11185 (дата обращения: 02.08.2021).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается ЭПР спектроскопическое исследование структуры композитов на основе полистирола и каолина. А также, координационные связи между полистиролом и каолином.

ABSTRACT

This article discusses the EPR spectroscopic study of the structure of composites based on polystyrene and kaolin. And also, coordination bonds between polystyrene and kaolin.

 

Ключевые слова: полистирол, каолин, ЭПР спектроскопия, спектр, структура, полимер, композит.

Keywords: polystyrene, kaolin, EPR spectroscopy, spectrum, structure, polymer, composite.

 

Введение. Известно, что многие наполнители, в том числе каолин, позволяют сократить расход связующих материалов и удешевить пластмассу, причем при этом могут повыситься механическая прочность и некоторые диэлектрические характеристики композитов. Известно также еще со времен начала 70-х годов научная концепция, согласно которой наполнители, обычно механически смешиваясь с остальными компонентами, не вступают с ними в химическое взаимодействие.

Объект и методика исследования. В данной работе с помощью структурных исследований спектроскопическими способами ЭПР наполненных каолином композитов ПС (полистирола) будут показаны:

Во-первых, вопреки устранившимся представлениям образование химической связи между компонентами композитов в их МФС (межфазных слоях);

Во-вторых, будут проанализированы новые магнитные свойства, проявляемые этими композитами.

Последнее обстоятельство является очень важным фактом, так как современная магнитотехника нуждается в новых нетрадиционных материалах с управляемыми свойствами. Сам факт о возможности приобретения сколь ни будь магнетизма в ПС пленках после наполнения каолином не является удивительным. Дело в том, что в каолине, являющемся силикатом алюминия, всегда присутствуют примеси, обладающие в более или меньшей степени магнетизмом, например, оксид железа, силикаты кальция и магния и др. Для нас важно было другое, можно ли варьируя технологией приготовления композитов целенаправленно управлять магнитным состоянием приготовляемых материалов. В нашем конкретном случае в качестве диспергации частичек каолина в связующей среде ПС выбрана – ультразвуковая диспергация в течение определенного времени в растворе полимера в бензоле с последующим горячим прессованием смешанных компонентов [1].

Анализ структурных и макросвойств, полученных таким путем композитов, удобно начинать с интерпретации ЭПР спектроскопических исследований. Результат по ЭПР исследованию на воздухе при комнатной температуре для ПС, наполненный каолином в количестве V1=0,06 представлен на рисунке 1. Результаты экспериментальных и расчетных данных парамагнитных параметров для этого и других композитов представлены в таблице 1.

 

Рисунок 1. Спектр ЭПР композита ПС+каолин (0,06)

 

Как видно из рисунка 1 на фоне общего и достаточно широкого (ΔHPP=800 Э) сигнала выделяются два самостоятельных и очень разных по ширине (ΔHPP=320 Э и ΔHPP=20 Э) синглетных сигнала. Судя по большой ширине, по значению резонирующего магнитного поля (Н=3048 Э) и согласно тому факту, что количества ПМЦ (парамагнитных центров) именно от этого сигнала имеют прямую корреляцию с концентрацией наполнителя, можно предположить неорганическую природу ПМЦ ответственного за сигнал с ΔHPP=320 Э. Тогда как сигнал с ΔHPP=20 Э с резонирующим магнитным полем (Н=3048 Э) скорее имеет органическую природу. В пользу такого предположения можно отнести также факт уменьшения количества ПМЦ с ростом содержания наполнителя V1 (табл.1). Сигнал органического происхождения не меняет свою ширину линии ЭПР с изменением количества наполнителя, что дает основание предполагать одинаковую для всех исследованных композитов природу ПМЦ от этого компонента. Убывание HPP и рост с увеличением концентрации наполнителя можно трактовать в пользу о возможности наличия определенной связи между этими отдельными ПМЦ [1; 49 стр].

Сапфир (Al2O3) или же окись кремния (SiO2) сами по себе ответственными за левую компоненту сигнала ЭПР в наших экспериментах быть не могут. Скорее всего ответственными за проявление этой компоненты сигнала ЭПР является Fe3+ потому что именно валентное железо может давать столь широкую линию ЭПР при комнатной температуре [2; 109 стр]. Если это действительно так, то далее очень важно выяснение вопроса о том, что в окружении какой среды сигналит это железо. Сопоставительный анализ наших результатов показывает следующий результат. Этот сигнал не является следствием проявления парамагнетизма Fe3+, ни в окружении Si и ни в SiO2. Первое возможно при СВЧ 8,4 ГГц только при температуре 2ºК. Согласно [3; 672 стр] Fe3+ в SiO2 при комнатной температуре проявляет сигнал ЭПР с двумя характерными спин-гамильтонианами, тогда как со всех наших экспериментах выделяется лишь один спин-гамильтониан. Далее, левая компонента общего сигнала ЭПР композитов не может быть следствием парамагнетизма ни в окружении, только Al2O3 и ни при каком сочетании, только Fe:Al. Согласно исследованиям сигналы ЭПР при следующих сочетаниях Fe:Al=80; 200 и 300 проявляется лишь при очень низких – 4ºК; 90ºК и 20ºК температурах. Fe3+ в природном сапфире при комнатной температуре проявляет сигнал ЭПР с двумя спин-гамильтонианами ни один из которых не соответствует данным из наших экспериментов (табл.1). Этот сигнал также не является следствием Fe3+ в TiO2 (может иметься в составе каолина в пределах 0,4-1,2%), потому что в таком сочетании сигнал ЭПР имеет три спин-гамильтониана, ни один из которых не соответствует нашим данным. И наконец, этот сигнал не может быть следствием Fe3+ в СаО (может иметься в составе каолина в пределах около 0,8%), так как сигнал ЭПР от такой комбинации должен проявляться при температуре жидкого азота 77ºК или при еще низких температурах, например, при 20ºК.

Таблица 1.

Концентрационная зависимость некоторых парамагнитных параметров композитов ПС+каолин

V1

a, Э

Д, МГц

Д, см-1

ΔНРР, Э

ΔНРР1, Э

ΔНРР2, Э

(Im’/m)1

(Im’/m)2

0,02

945

2646

0,0882

1250

550

20

1,05

1,85

0,04

450

1260

0,042

800

300

20

1,04

1,45

0,06

410

1148

0,0382

800

320

20

2,33

1,46

0,08

467

1307,6

0,0435

720

400

20

5,9

1,05

 

Спиновый-гамильтониан 0,0882 см-1 от нашего эксперимента для случая ПС с каолином V1=0,02 практически совпадает с 0,083 см-1 Fe3+ в Al[(CH3CO)2СН3]3 при комнатной температуре.

Вывод. Если такое совпадение не случайное событие, то оно может:

Во-первых, указывать на столь существенные с точки зрения образования новых соединений, события, которые происходят за счет ультразвукового диспергирования частичек наполнителя в связующей среде ПС;

Во-вторых, стать спорной точкой для дальнейшего объяснения всех структурных особенностей, вытекающих из экспериментов ЭПР этих композитов.

 

Список литературы:

  1. Камалова Д.И., Негматов С.С. Электронно-микроскопическое и ИК, ЭПР спектроскопическое исследование структуры системы ПВДФ+сажа (0,02). «Universum: технические науки». Россия. 2017. №11(44). 49-52 стр.
  2. Камалова Д.И. Исследование концентрационной зависимости ширины сигнала ЭПР. «Инновационные технологии в образовательном процессе» XV общероссийская научно-методическая конференция с международным участием. Россия, Курск. 8-декабрь, 2017. 109-112 стр.
  3. Альтшулер С.А., Козырев Б.М. Электронный парамагнитный резонанс. М. Наука. 1992. 672 стр.
Информация об авторах

PhD по техническим наукам, доцент кафедры “Методика преподавании физики и астрономии”, Навоийский государственный педагогический институт, Республика Узбекистан, г. Навои

PhD in technical sciences, associate professor of the department “Methods of teaching physics and astronomy”, Navoi state pedagogical institute, Republic of Uzbekistan, Navoi

д-р. техн. наук, профессор, Ташкентский государственный транспортный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of technical sciences, professor, Tashkent state transport university, Republic of Uzbekistan, Tashkent

академик АН РУз, д-р. техн. наук, профессор, научный руководитель ГУП «Фан ва тараккиёт» (Наука и прогресс) Заслуженный деятель науки Республики Узбекистан, Академик Международной Академии Высший школы, почетный доктор наук института Механики Металлополимерных систем НАН Белоруссии, Узбекистан, г. Ташкент

Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Doctor of Technical Sciences, Professor, Scientific Director of the State Unitary Enterprise "Fan va Tarakkiyot" (Science and Progress) Honored Scientist of the Republic of Uzbekistan, Academician of the International Academy of Higher School, Honorary Doctor of Sciences of the Institute of Mechanics of Metal-Polymer Systems of the National Academy of Sciences Belarus, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top