Материал: Изучение закономерностей формирования наночастиц кобальта в структуре полимерных матриц на основе модифицированного тетрафторэтилена

Изучение закономерностей формирования наночастиц кобальта в структуре полимерных матриц на основе модифицированного тетрафторэтилена

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Кубанский государственный университет"

(ФГБОУ ВПО "КубГУ")

Физико-технический факультет

Кафедра радиофизики и нанотехнологий

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Изучение закономерностей формирования наночастиц кобальта в структуре полимерных матриц на основе модифицированного тетрафторэтилена

Работу выполнил Петров Александр Александрович

Направление 210600.62 - Нанотехнология

Научный руководитель канд. хим. наук М.Е. Соколов

Нормоконтролёр канд. хим. наук М.Е. Соколов

Краснодар 2014

Реферат

Дипломная работа: 81 с., 46 рис., 8 табл., 35 источников, 2 прил.

Наночастицы кобальта, нанокомпозитные полимерные материалы, магнитные материалы, ферромагнитный резонанс, ионообменные мембраны

Объектом исследования дипломной работы являлись нанокомпозитные кобальтсодержащие полимерные материалы на основе политетрафторэтилена.

Целью данной работы являлось изучение закономерностей образования наночастиц кобальта при химическом восстановлении имплантированных ионов Co²⁺ в структуру полимерных мембран на основе политетрафторэтилена при различных условиях.

В результате выполненной дипломной работы изучено:

влияние концентрации исходного раствора хлорида кобальта при имплантации ионов кобальта в полимерную матрицу на основе политетрафторэтилена на размер получаемых наночастиц кобальта;

влияние концентрации исходного раствора хлорида кобальта при имплантации ионов кобальта в полимерную матрицу на основе политетрафторэтилена на глубину проникновения наночастиц кобальта;

влияние концентрации исходного раствора хлорида кобальта при имплантации ионов кобальта в полимерную матрицу на величину эффективной намагниченности полученного нанокомпозита.

Содержание

Введение

. Литературный обзор

1.1 Магнитные свойства веществ

.1.1 Диамагнетизм

.1.2 Парамагнетизм

.1.3 Ферромагнетизм

.2 Размерные эффекты в магнетизме

.2.1 Магнитные характеристики наночастиц

.2.2 Суперпарамагнетизм

.2.3 Влияние концентрации наночастиц на магнитные свойства полимера

.3 Методы исследования магнитных свойств наночастиц

.3.1 Магнитометры

.3.2 Ферромагнитный резонанс

.4 Методы получения наночастиц в полимерах

.4.1 Общая характеристика методов получения магнитных наночастиц

.4.2 Получение наночастиц переходных металлов методом термического разложения

.4.3 Получение наночастиц методом химического восстановления

.5 Перспективы использования магнитных нанокомпозитных систем

.6 Ионообменные мембраны

.6.1 Общие сведения об ионитах и ионообменных мембранах

.6.2 Ионообменная емкость ионита

.6.3 Изотерма ионного обмена

2. Экспериментальная часть

2.1 Использованные реактивы и растворы

.2 Определение концентрации ионов Co²⁺ в растворе

.2.1 Комплексонометрическое титрование исходного раствора хлорида кобальта

.2.2 Спектрофотометрическое определение концентрации ионов Co²⁺

.3 Определение константы ионного обмена полимерного материала

.4 Получение образцов нанокомпозитных полимерных материалов

.4.1 Подготовка полимера

.4.2 Имплантация ионов кобальта в структуру политетрафторэтилена

.4.3 Восстановление имплантированных в политетрафторэтилен ионов кобальта

.5 Исследование структурных и магнитных характеристик нанокомпохитных полимерных материалов

.5.1 Исследование структуры нанокомпозитных полимерных материалов методами РЭМ

.5.2 Исследование магнитных характеристик нанокомпозитных полимерных материалов методами ФМР

3. Обсуждение результатов

3.1 Определение ионной емкости полимера

.2 Средний размер наночастиц кобальта, содержащихся в структуре полимера на основе политетрафторэтилена

.3 Глубина проникновения наночастиц

.4 Исследование эффективной намагниченности

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

В настоящее время свойства наночастиц активно изучаются, особое место среди них занимают магнитные свойства, различие которых, по сравнению с массивным материалом, проявляются наиболее сильно.

В области композитных полимерных материалов большое внимание уделяется полимерным нанокомпозитным магнитным материалам, содержащим наночастицы металла. Интерес к таким материалам вызван в первую очередь возможностью их практического применения в авиа-космической и легкой промышленности, электронике, а также медицине и биотехнологиях. Они могут использоваться в системах магнитной записи и хранения информации, в новых постоянных магнитах, в системах магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров. Уникальность таких материалов связана с объединением в них практически важных свойств наночастиц с пластичностью, эластичностью, прочностью и другими свойствами полимеров.

Интересным является нанокомпозитные полимерные магнитные материалы на основе политетрафторэтилена. В структуру такого полимера можно вводить катионы различных металлов, включая катионы ферромагнитных металлов, из которых можно получить магнитные наночастицы, подвергнув их химическому восстановлению. На сегодняшний день данный метод не получил должного внимания, а получаемые материалы в настоящее время далеки от совершенства, по сравнению с неорганическими системами. Наилучшие магнитные свойства наблюдаются при условии, что наночастицы распределены в полимере равномерно, и их концентрация в полимере достаточно высока. При больших концентрациях магнитной фазы (более 30%) наблюдается перколяционый переход, связанный с тем, что ансамбль суперпарамагнитных однодоменных наночастиц переходит в состояние коллективного ферромагнетика.

Таким образом, целью данной работы являлось экспериментальное изучение закономерностей образования наночастиц кобальта методом химического восстановления ионов кобальта имплантированных в структуру полимера на основе модифицированного политетрафторэтилена.

В задачи исследования входило:

определить обменную емкость полимерного материала по отношению к ионам Co²⁺;

изучить влияние начальной концентрации ионов Co²⁺, имплантированных в структуру полимерного материала, на размер, упорядоченность и глубину проникновения получаемых наночастиц;

изучить влияние начальной концентрации ионов Co²⁺, имплантированных в структуру полимерного материала, на магнитные свойства нанокомпозита.

1. Литературный обзор

.1 Магнитные свойства веществ

Все вещества в той или иной степени магнитны, некоторые из них проявляют свои магнитные свойства всегда, а некоторые, только если их поместить во внешнее магнитное поле. И в том и в другом случае, если поместить тело во внешнее магнитное поле величиной , то оно приобретет магнитный момент . Магнитный момент, отнесенный к единице объема тела, называют намагниченностью тела , в общем случае он определяется как

. (1)

Намагниченность является векторной величиной и направлена параллельно или антипараллельно напряженности внешнего поля. Единица измерения намагниченности совпадают с единицей измерения индукции внешнего поля, следовательно, тело либо ослабляет, либо усиливает внешнее магнитное поле [1].

Следующее выражение, связывающее магнитный момент с напряженностью внешнего поля, в общем случае определяет важную характеристику тела, называемую магнитной восприимчивостью ч:

. (2)

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Положительное значение магнитной восприимчивости характерно для ферромагнитных и парамагнитных веществ, отрицательное - для диамагнитных [2].

Намагниченное тело создает вокруг себя магнитное поле , поэтому индукция результирующего магнитного поля будет равна

. (3)

Если учесть, что величина создаваемого телом магнитного поля

, (4)

то величина результирующего внешнего магнитного поля определяется

 (5)

Величину, стоящую в скобках, называют магнитной проницаемостью магнетика  [1].

.1.1 Диамагнетизм

Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна и по абсолютной величине значительно меньше единицы, это означает, что диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном полю и выталкиваются из области наибольшей величины поля. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако часто подавлен на фоне более сильных парамагнетизма и ферромагнетизма и поэтому в чистом виде встречается только у веществ с заполненными электронными оболочками.

Механизм намагничивания диамагнетиков объясняется следующим образом. Электрон, двигаясь по орбите, создает замкнутый контур с током. Любой замкнутый контур с током обладает магнитным моментом. Внешнее магнитное поле старается ориентировать орбиту электрона перпендикулярно напряженности внешнего поля. Это вызывает прецессию орбиты электрона вокруг направления поля. Частота этой прецессии называется ларморовой частотой прецессии. Прецессионное движение создает дополнительное движение электрона, которое создает замкнутый ток, обладающий магнитным моментом, направленным против направления внешнего поля [1].

.1.2 Парамагнетизм

Парамагнетизм наблюдается у атомов с незаполненными электронными оболочками и поэтому с отличным от нуля магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле парамагнетик приобретает магнитный момент, направленный по полю, и втягивается в область более сильного магнитного поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна и значительно меньше единицы [1].

Возникновение магнитного момента парамагнетика связывают со следующим. Каждый электрон, находящийся на внешнем незаполненном энергетическом уровне обладает орбитальным и спиновым магнитными моментами. Согласно квантовой теории величины этих моментов, а также их проекции на любое направление принимают только определенные значения , т. е. квантуются. Потенциальная энергия атома  во внешнем магнитном поле  будет определяться выражением

 (6)

где и - угол между H и .

Это значение минимально при и = 0, поэтому все атомы стремятся ориентироваться по полю. Результирующий магнитный момент складывается из проекций магнитных моментов всех атомов на направление внешнего магнитного поля. Так как

,

то задача о нахождении результирующего действия сходится к нахождению среднего значения , отвечающего равновесию между ориентирующим действием поля и дезориентирующим действием теплового движения. Эта задача решается методами классической статистики (Ланжевен) и квантовой статистики (Бриллюэн) [3]. Согласно квантовой статистике Бриллюэна намагниченность и магнитная восприимчивость могут быть определены как

, (7)

. (8)

Величина называется постоянной Кюри С. Откуда следует, что формула (8) выражает закон Кюри. Согласно экспериментальным данным намагниченность оказывается обратно пропорциональной температуре, что согласуется с формулами (7) и (8). В сильных полях прямая пропорциональность между  и  нарушается, и намагниченность достигает насыщения:

. (9)

На рисунке 1 показаны зависимость намагниченности парамагнетиков и диамагнетиков в слабых полях (а), и зависимость намагниченности парамагнетиков в сильных полях (б) [3].

Рисунок 1 - Зависимость намагниченности диамагнетиков и парамагнетиков от величины приложенного поля, и намагниченность насыщения парамагнетика в более сильных полях

.1.3 Ферромагнетизм

У некоторых атомов с ненулевым магнитным моментом может наблюдаться другой тип магнетизма - ферромагнетизм. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков также положительна, но ее величина на несколько порядков выше, чем у парамагнетиков. Ферромагнетик способен намагничиваться до насыщения даже в относительно небольших по сравнению с парамагнетиками магнитных полях, причем ферромагнетик может иметь магнитный момент даже при нулевом внешнем магнитном поле. Все это объясняется тем, что в ферромагнетике есть отдельные области, спонтанно намагниченные до насыщения. Внешне ферромагнетик может быть не намагничен, так как магнитные моменты этих областей направлены по-разному, нивелируя друг друга [1].

Магнитный момент атома складывается из орбитального и спинового моментов его электронов. Ферромагнетизм проявляется только в атомах с незаполненными внутренними 3d- и 4f-оболочками. Таким образом, ферромагнетики - атомы переходных и редкоземельных элементов. Орбитальный момент электронов на внутренних оболочках экранирован внешним уровнем, поэтому в ферромагнетизм вносят вклад только спины этих электронов. В основе упорядочения в ферромагнетизме лежит электростатическое обменное взаимодействие. В рамках этого взаимодействия рассматриваются волновые функции электронов соседних атомов. В результате появляется величина обменной энергии, которая имеет минимальное значение, когда соседние атомы внутри кристаллографической плоскости обладают сонаправленными или противонаправленными спиновыми магнитными моментами. Какая именно взаимная ориентация спинов будет отвечать принципу минимума энергии определяется отношением постоянной решетки a к размеру электронных оболочек d. Если это отношение больше 1,5, то обменная энергия будет иметь минимальное значение при параллельной ориентации спинов. В случае, когда меньше 1,5, то будет наблюдаться антипараллельная ориентация спинов. Магнетики у которых спины соседних атомов имеют противоположное направление называются антиферромагнетиками. Величина обменной энергии в зависимости от отношения  приведены на рисунке 2 [1].