Структурні, теплові та магнітні властивості нанокомпозитних тонких плівок ПММА ZnFe2O4

Повний текст

Структурні, теплові та магнітні властивості

PMMA-ZnFe

2

О

4

Нанокомпозитні тонкі плівки

Тіна Джеймс

Томлаль Хосе Е

, Субін Р Джон

, Яків Метью

1, 2Кафедра хімії, коледж С.Б., Чанганачеррі, Керала-686101, Індія

3, 4Мосс Бауер, дослідницька група, фізичний факультет, коледж ім. С.Б., Чанганачеррі, Керала-686101, Індія

Анотація: Шпінель фериту цинку (ZnFe2О4) готували шляхом розпилювального піролізу з використанням полімерного попередника нітрату цинку, нітрату заліза та

полівініловий спирт (ПВА). Потім наночастинки ультразвуково диспергуються у розчині ПММА та ПММА-ZnFe2О4

нанокомпозитні плівки готували методом лиття розчинником. ZnFe2О4 наночастинки та ПММА-ZnFe2О4 нанокомпозит

плівки характеризувались за допомогою рентгенівської дифракції (XRD), інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FT-IR), пропускання електрона мікроскопія (TEM), термогравіметричний аналіз (TGA) та вібромагнітометр (VSM). І XRD, і FT-IR мають підтвердив утворення нанокомпозиту, а зображення ТЕМ показало, що наночастинки добре дисперговані в Матриця PMMA. Нанокомпозитні плівки мають термостабільність до 3600C, як видно з аналізу TG. VSM вимірювання, проведені на композитній плівці, підтримували суперпарамагнітну природу PMMA-ZnFe2О4 нанокомпозитна плівка.

Ключові слова: ZnFe2О4, ПММА, ПММА-ZnFe2О4 нанокомпозит, електропровідний мікроскоп (ТЕМ), суперпарамагнетизм.

Я. ВСТУП

В даний час магнітним наночастинкам приділяється велика увага завдяки їх потенційному комерційному застосуванню у ферорідинах,

вдосконалені магнітні матеріали, каталізатори, [1-3] біомагнітна сепарація, магнітне біосенсор, магнітно-резонансна томографія (МРТ),

електронне обладнання тощо [4-6] Серед різних магнітних наноматеріалів ферити перехідних металів (MFe2O4) стали важливим

Група технологічних матеріалів завдяки таким властивостям, як високий електричний опір, висока хімічна стабільність, висока намагніченість насичення, низькі втрати на вихровий струм, низькі діелектричні втрати, простота приготування, ціна та експлуатаційні характеристики тощо. Ці властивості зробили їх придатними для багатьох застосувань у магнітні, механічні, електронні, каталітичні та мікрохвильові пристрої.

[7-13] Серед феритів шпінелі ZnFe2O4 є найбільш вивченою системою. Кристалічна об'ємна форма ZnFe2O4 є нормальною шпінеллю, в якій

Іони Zn2 + займають тетраедричні ділянки (сайт A), а іони Fe3 + займають октаедричні ділянки (сайт B) і є впорядкованим антиферромагнітом

нижче 10K. Однак нанокристалічний ZnFe2O4 має частково перевернуту структуру шпінелі, яку можна представити формулою

[ZnδFe1-δ] A [Zn1-δFe1 + δ] BO4, де δ - параметр інверсії, і вони ферримагнітно впорядковані при високій температурі та високій температурі

магнітний момент. [14] Властивості наночастинок фериту значною мірою залежать від їх якості, структури та способу отримання. Розмір частинок, кристалічність і морфологія порошків значною мірою впливають на властивості феритового матеріалу і можуть регулюватися різними умовами реакції. Встановлено, що наночастинки фериту подібного складу, отримані

різні методи мають різні магнітні властивості. [14] Також через їх анізотропну диполярну взаємодію, наночастинки фериту

мають тенденцію до агрегації, утворюючи неоднорідні скупчення, які в свою чергу негативно впливають на їх магнітні властивості. Таким чином, запобігання агломерації наночастинок є важливим фактором у визначенні якості наночастинок фериту. Для уникнення агломерації наночастинок використовувались декілька методів, таких як інкапсуляція наночастинок з поверхнево-активними речовинами, хімічна обробка, диспергування в полімерних матрицях тощо. [15] Наночастинки фериту, вбудовані в полімерну матрицю, пропонують ще кілька переваг. Ферритові полімерні композити покращують частотний діапазон операцій, потужність і температурну чутливість ферритових пристроїв. Властивості нанокомпозиту залежать від властивостей обох складових, тобто; властивості наночастинок фериту, а також полімеру. [9] Взаємодія на межі розділу полімер-ферит також впливає на властивості композиційних матеріалів. Отже, полімер-феритові нанокомпозити мають специфічні механічні властивості, хорошу формуваність, в'язкість тощо, що робить їх готовими до складних магнітних приладів. [16] У цій роботі ZnFe2O4

наночастинки отримують методом розпилювального піролізу. Нанокомпозитна суспензія PMMA-ZnFe2O4 готується розчинником

метод, при якому відповідні кількості наночастинок ZnFe2O4 диспергуються в розчині ПММА ультразвуком.

Потім отриманий розчин відливають у чисту скляну чашку Петрі для приготування тонкоплівкових нанокомпозитних плівок ПММА-ZnFe2O4.

II. МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

A. Матеріали

Поліметилметакрилат (ПММА) використовували як полімерного господаря, ферит цинку (ZnFe2O4) як магнітний нанонаповнювач і

тетрагідрофуран (ТГФ) як розчинник. ПММА із середньою молекулярною масою 550000 г/моль був придбаний у компанії Alfa Aesar і використовується як отриманий. THF був придбаний у Merck. Наночастинки фериту цинку синтезували розпилювальним піролізом розчину попередника полімеру, який готували з використанням нітрату цинку (Merck), нітрату заліза (Merck) та полівінілового спирту (PVA, Merck) в якості вихідних матеріалів.

B. Отримання наночастинок фериту цинку

Наночастинки фериту цинку синтезували розпилювальним піролізом розчину попередника полімеру. Для приготування розчину попередника фериту цинку у водний розчин ПВА вносили відповідні кількості нітрату цинку та нітрату заліза, які перешкоджають агломерації там іонів металів, забезпечуючи рівномірний розподіл іонів металів у розчині. Розпилювальний піроліз отриманого в’язкого розчину нітратів металу PVA при 1300C з подальшим відпалом при 3500C протягом 20 хвилин утворює ферит цинку

C. Приготування нанокомпозитних тонких плівок PMMA-ZnFe2O4

Розчин нанокомпозиту PMMA-ZnFe2O4 готували методом розчинника. Розчиненням готували 2% розчин ПММА

відповідну кількість ПММА в ТГФ і перемішували магнітно протягом декількох годин при 450 ° С, щоб отримати однорідний розчин.

Потім полімерну нанокомпозитну суспензію готували дисперсією відповідних кількостей наночастинок ZnFe2O4 у

до розчину полімеру ультразвуком. Це призвело до однорідного розподілу наночастинок у полімерній матриці. Потім отриману суспензію наночастинок відливали в чисту скляну чашку Петрі і давали їй висохнути на повітрі протягом двох днів

отримати тонкі плівки полімерних нанокомпозитів. Потім підготовленим плівкам давали повністю висохнути у повітряній печі при 550 ° С

видалення розчинника.

D. Характеристика

Картини рентгенівської дифракції (XRD) зразків були зібрані з дифрактометра PANalyitical PW 3040/60 Xpert PRO з випромінюванням Cu Kα. Спектри інфрачервоного перетворення Фур'є (FT-IR) зразків реєстрували за допомогою спектрометра Перкіна-Елмера спектру 400 в діапазоні 400-4000 см-1. Зображення електронного мікроскопа (TEM) були зроблені в JEOL, JEM-2100

просвічуючий електронний мікроскоп. Термогравіметричний аналіз проводили в аналізаторі Perkin Elmer STA 6000 TG зі швидкістю нагрівання 100 ° С в хвилину. Магнітні дослідження кімнатної температури проводили у вібраційному магнітометрі

(VSM) з максимальним магнітним полем 20 кОе.

III.РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ

A. Дифракція рентгенівських променів (XRD)

На рис. 1 показані рентгенограми наночастинок PMMA (a), ZnFe2O4 (b) та нанокомпозиту PMMA-ZnFe2O4 (c).

Рентгенограмна картина ПММА показує лише аморфний пік між значеннями 2θ 150 і 300, як зазначено на рис. 1 (а). Від

дифракційна картина, показана на рис. 1 (b), підтверджує кубічну структуру шпінелі ZnFe2O4. Використання формули Дебая Шеррера; D =

0,9λ/βcosθ, де D - розмір кристаліту, λ - довжина хвилі Cu Kα, β - повна ширина з половиною максимуму (FWHM) і θ - кут Брегга; виявлено, що розмір кристалітів частинок становить близько 10 нм. Крім аморфного піку ПММА; На рис. 1 (в) показані характерні піки наночастинок ZnFe2O4; що підтверджує утворення нанокомпозиту ПММА-ZnFe2O4.

піки на рис. 1 (с) менш різкі та розширені, ніж піки на рис. 1 (б). Це вказує на те, що розмір кристалітів ZnFe2O4

наночастинок зменшується при їх введенні до матриці ПММА через обмеження матриці наночастинок. [17] Кристаліт

Розмір наночастинок ZnFe2O4 в матриці ПММА визначався за ТЕМ-картиною і виявився 7 нм.

B. Спектри FT-IR (FT-IR)

На фіг.2 показані спектри FT-ІЧ PMMA (a), наночастинок ZnFe2O4 (b) та нанокомпозиту PMMA-ZnFe2O4 (c). На рис. 2 (а),

пік при 2948 см -1 відповідає розтягуючій вібрації C-H; пік при 1719 см -1 відповідає розтягувальній вібрації C = O;

пік на рівні 1432 см -1 пояснюється вібрацією вигину C-H; пік на рівні 1139 см -1 призначається вібрації розтягування C-O-C

а піки між 983 см -1 і 749 см -1 вказують на вигинні коливання O-C-O зв'язків PMMA. На рис. 2 (b) показано ІЧ

спектр наночастинок ZnFe2O4. У феритах іони металів, присутні в октаедричних та тетраедричних підрешітках, відрізняються

частоти коливань. Високочастотна смуга близько 600 см -1 у спектрі відповідає коливанням іонів металів

присутній в тетраедричних ділянках з атомами кисню. Фіг.2 (c) також підтримує утворення нанокомпозиту PMMA-ZnFe2O4 як

ІЧ-спектр нанокомпозиту містить характерні піки для наночастинок ZnFe2O4 разом з піками

що відповідає ПММА. Це також вказує на те, що наночастинки ZnFe2O4 добре дисперговані в полімерній матриці.

Рис. 2: FT-ІЧ-спектри (а) PMMA, (b) наночастинок ZnFe2O4 та (c) нанокомпозиту PMMA-ZnFe2O4.

C. Морфологічні дослідження

Морфологію та розмір частинок наночастинок ZnFe2O4 та нанокомпозитної плівки PMMA-ZnFe2O4 вивчали за допомогою ТЕМ

аналіз. На рис. 3а показано ТЕМ-зображення наночастинок ZnFe2O4. ТЕМ-зображення наночастинок ZnFe2O4 виявило це

частинки агломерируются більшою мірою. Це пояснюється магнітними дипольними взаємодіями між частинками. Також виявляється, що середній розмір кристалітів частинок становить близько 10 нм, що узгоджується з результатом, отриманим на XRD

даних. На фіг.3b показано ТЕМ-зображення нанокомпозитної тонкої плівки PMMA-ZnFe2O4. З ТЕМ-зображення виявлено наночастинки

3: ТЕМ-зображення наночастинок (a) ZnFe2O4 та (b) нанокомпозитної плівки PMMA-ZnFe2O4.

D. Теплові дослідження

На фіг.4 показані термогравіметричні (TG) графіки для нанокомпозитів PMMA (a) та PMMA-ZnFe2O4 (b). Початкова втрата ваги вгору

до 120 0С через втрату залишкових молекул розчинника та води, адсорбованих на поверхні плівки. ПММА показує три стадії

термічна деградація, як видно з рис. 4а. Перша стадія деградації ініціюється розщепленням слабких пероксидних та гідропероксидних зв’язків, головним чином завдяки поєднанню мономеру з киснем під час синтезу. Головні зв’язки, утворені перериванням шляхом комбінування, також легко руйнуються при більш низьких температурах, що призводить до утворення вільних радикалів, які потім будуть брати участь у подальшій полімеризації при більш високих температурах. Ця перша стадія, що відбувається приблизно при 200 0С, є відносно незначною

оскільки існує декілька вищезгаданих зв’язків. Друга стадія при температурі близько 300 ° С виникає в результаті радикального переходу в ненасичений

ланцюг закінчується, тоді як остання стадія навколо 365 0С відповідає випадковому розподілу. З графіків TGA видно, що

Нанокомпозитні плівки PMMA-ZnFe2O4 термостабільні до 360 0C.

Е. Магнітні дослідження

На фіг.5 показані криві M-H підготовлених наночастинок фериту цинку та нанокомпозитної плівки PMMA-ZnFe2O4. PMMA не є

магнітний полімер. [18] З кривої M-H наночастинок ZnFe2O4 видно, що максимальне магнітне поле 20 кЕ не є

достатньо для насичення зразка. Однак зразки не демонструють жодної петлі гістерезису і є парамагнітним у області високого поля. Ненасиченість магнетизму виникає через неоднорідність розміру частинок, а також через агломерацію частинок. Нанокомпозитні плівки ПММА - ZnFe2O4 демонструють чітку суперпарамагнітну поведінку, оскільки крива M-H показує

особливість ангістеректичної петлі та нульова магнітна залишковість (коли H дорівнює нулю). Це вказує на те, що розмір частинки в матриці ПММА менший, ніж суперпарамагнітний критичний розмір, тобто агломеровані наночастинки рівномірно розподіляються в полімерній матриці і, таким чином, зменшують ефективний розмір частинок. У таблиці 1 наведені значення намагніченості насичення та магнітного моменту підготовлених наночастинок ZnFe2O4 та тонкої плівки ПММА-ZnFe2O4. Збільшення

значення намагніченості насичення (Ms) нанокомпозиту PMMA-ZnFe2O4 можна віднести до тонкої дисперсії наночастинок у

Матриця PMMA. Цей вид рівномірної дисперсії в полімерній матриці пригнічує агрегацію, посилюючи тим самим магнітний вклад окремих частинок у загальне намагнічування матеріалу.

Рис. 5: Графіки VSM для наночастинок (a) ZnFe2O4 та (b) нанокомпозитної нанокомпозитної плівки PMMA-ZnFe2O4.

Магнітні параметри наночастинок znfe2o4 та нанокомпозиту pmma-znfe2o4.

IV. ВИСНОВОК

Наночастинки ZnFe2O4 отримують методом розпилювального піролізу і характеризуються за допомогою XRD та FT-IR спектрального аналізу.

структура наночастинок підтверджена як структура шпінелі. Встановлено, що середній розмір частинок наночастинок становить 10 нм. Дисперсія наночастинок у розчині ПММА ультразвуком з подальшим розливанням отриманого розчину в розчинник

виготовлені нанокомпозитні плівки PMMA-ZnFe2O4. Утворення нанокомпозиту було підтверджено як з рентгенографії, так і з FT-IR

Встановлено, що спектри та середній розмір частинок наночастинок зменшуються при включенні в полімерну матрицю.

Зображення ТЕМ показує, що включення наночастинок ZnFe2O4 у матрицю ПММА запобігає наночастинкам

агломерації, і як результат, нанокомпозит демонструє чітку суперпарамагнітну поведінку при кімнатній температурі, яка була

відсутні на кривій M-H наночастинок ZnFe2O4 внаслідок агломерації наночастинок. Крім того, нанокомпозитні плівки є

виявлено стабільним до 3600С.

V. ПОДЯКІ

Автори висловлюють подяку Університетській комісії з надання грантів (UGC) за фінансову підтримку.

Намагніченість насиченого зразка (Ms) Магнітний момент (μ)

ZnFe2O4 9,14337 0,39468

[1] Ф. Карузо, М. Спасова, А. Суша, М. Гірсіг, Р. А. Краузо, (2001) Хімія матеріалів, том 13, стор. 109-116 [2] Ю. Сюн, X. Сі, С. Чень, Z. Li, (2003) Chemistry- A European Journal Vol. 9 с.4991-4996

[3] К. Ву, Х. Дж. Лі, Дж. Ан, Ю. С. Парк, (2003) Advanced Materials Vol. 15 с. 1761-1764 [4] І. Сафарік, М. Сафарікова, (2004) Біомагнітні дослідження та технології Вип. 2 випуск. 7 [5] М. Мегенс, М. Дж. Прінс, (2005) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 293 с. 702 [6] Д. Л. Грем, Х. А. Феррейра, П. П. Фрейтас, (2004) Тенденції в біотехнології, вип. 22 с. 455 [7] Е. Шломан, (2009) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 209 с. 15

[8] М. Пардаві-Горват, (2000) Журнал магнетизму та магнітних матеріалів, вип. 171, с. 215-216 [9] Р. Досуділ, Дж. Франек, М. Усакова, (2006) Journal of Electrical Engineering, Vol. 57 с. 142-146 [10] J. Kulikowski, (1984) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 41 с. 56

[11] А. П. Алівісатос, (1996) Science Vol. 271 (5251), стор.933-937

[12] М. Судзімото, (1999) Журнал Американського керамічного товариства, вип. 82, Випуск: 2, с. 269-280 [13] H.M. Fan, J. B. Yi, (2009) ACS nano, Vol. 3 Випуск: 9, с. 2798-2808

[14] М. Томас, К. С. Джордж, (2009) Індійський журнал чистої та прикладної фізики, вип. 47 с. 81-86

[15] L. Li, H. Liu, Y. Wang, J. Jiang, F. Xu, (2008) Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 32, с. 265-271 [16] Л. Валько, П. Бучек, Р. Досуділ, М. Усакова, (2003) Електротехніка, вип. 54, Випуски: 3, с. 100-103 [17] С. Лю, X. Вей, М. Чу, Дж. Пен, Ю. Сю, (2006) Колоїди та поверхні B, Т.51, с.101

Малюнок

ТЕМ-зображення наночастинок ZnFe2O4 та b нанокомпозитної плівки PMMA ZnFe2O4. Вигляд у документі с.4 На рис. 5 показані криві M H підготовлених наночастинок фериту цинку та нанокомпозитної плівки PMMA ZnFe2O4. Переглянути у документі с.5 ТАБЛИЦЯ I наночастинки та pmma znfe. Переглянути в документі с.5