Полистирольные суспензии, содержащие наночастицы оксидов металлов (1091724), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Литературный обзорПроблемы создания полимерных материалов, содержащих наночастицыоксидов металловВнастоящеевремяполимерныекомпозиционныематериалы,состоящие из полимерной матрицы с включенными (иммобилизованными) внее наночастицами оксидов металлов, являются предметом широкогоисследования фундаментальных и прикладных наук [1].Свойства и области применения композиционных полимерных частицзависят от способа их получения и морфологии. Литературные данные [2]показывают, что существует несколько типов морфологии композиционныхчастиц. Кратко рассмотрим основные типы (рис. (1)).При инкапсулировании неорганических наночастиц в полимерныемикросферы могут образовываться полимерные частицы с различнойморфологией.Частицытипа«ядро-оболочка»образуютсяприконцентрировании их в межфазном адсорбционном слое. Для этого онидолжны обладать поверхностно-активными свойствами.
Частицы типа«частица с заполненными пустотами» образуются когда, более, чем одна изчастиц, инкапсулирована в полимерную матрицу. «Частицы с заполненнымипустотами» или «многослойные частицы» получают путем комбинированияполимерной и неорганической фазы. «Частично заполненные частицы»образуются при определенном значении межфазного натяжения междуиспользуемым материалом и полимером и каждого из двух материалов сводной фазой. Частицы с морфологией – «нанокапсула» образуются приинкапсулировании жидкости или создании пустот внутри частиц придобавлении порообразователей.
Известны также композиционные частицытипа «ядро-оболочка», оболочка которых представляет собой полимерныечастицы, органический или неорганический материал.10МногослойнаячастицаЯдро-оболочкаЧастица сзаполненнымипустотамиЧастичнозаполненнаячастицаНанокапсула- ПолимерЧастица соболочкой изполимерных(неорганических)частиц- Жидкая или газовая фаза- Наполнитель (органический или неорганический)Рис. (1) Различные типы морфологии композиционных полимерных частицПри создании композиционных полимерных частиц, обладающихантимикробными и адсорбционными свойствами, наибольший интересвызывают частицы с иммобилизованными наночастицами оксидов металловна поверхность полимерных микросфер, т.е. частиц с морфологией типа«ядро-оболочка».1.1 Наночастицы оксида цинка и диоксида титана: получение, структураи свойстваАнализ литературных данных показал, что наиболее «популярными»наночастицамиявляютсячастицынаосновеуглерода(нанотрубки,фуллерены, графен), наночастицы благородных металлов, оксидов металлов,оксида кремния и др.Срединаночастицоксидовметалловособоеместозанимаютполупроводниковые материалы (TiO2, ZnO, ZnS, ZnSe, CdS, Fe2O3, ZrO2, CeO2идр.),атакженаночастицы,обладающиеантимикробнымииадсорбционными свойствами.Впоследниегодыобъемпромышленногопроизводстванеорганических наночастиц составляет сотни тысяч тонн.
В зависимости отусловий синтеза наночастицы могут быть получены с различными11свойствами, что зависит от их диапазона их размеров, разнообразной формы,морфологии, состава и типа кристаллической решетки.В литературе описано множество различных способов получениянаноразмерногооксидацинка,например,гидротермальныйметод,термическое разложение.
Они различаются тем, что полученные частицыZnO имеют различную морфологию [3].Основнымпреимуществомгидротермальногометодаявляетсявозможность направленного изменения морфологии получаемых частиц засчет варьирования температурного режима, продолжительности синтеза,концентрации обрабатываемых растворов, их кислотности (рН) и давления всистеме [4].Еще одним способом получения наночастиц ZnO является термическоеразложение, которое позволяет получать частицы с размером от 30 до 60 нм.В качестве исходных реагентов используют нитрат цинка (Zn(NO3)2) икарбонат аммония ((NH4)2CO3), при интенсивном перемешивании ихрастворовформируетсяосадокгидратагидрокарбонатацинка(Zn4CO3(OH)6·H2O), который разлагается при температуре 550 °C до оксидацинка [5].В настоящее время известно и множество способов получениянаночастиц диоксида титана с различной морфологией, размерами частиц,пористостью [6].
Среди этих способов выделяют: гидролиз титансодержащихсоединений, гидротермальный способ, сольвотермический метод, золь-гельметод, микроволновой способ, химическое и электрохимическое окислениетитана.Пригидролизетитансодержащихсоединенийнаиболеечастоиспользуют соли: хлорид титана [7], сульфат титанила [8] и алкоксидытитана, например, метоксид, этоксид, нормальный пропоксид, изопропоксид,нормальный бутоксид и изобутоксид титана [9].Гидротермальный способ заключается в гидролизе прекурсоровдиоксида титана, например изопропоксида титана, при высокой температуре12[10].
Таким образом,в работе [11] были получены наночастицы соструктурой стержня со средним размером от 20 до 70 нм в длину (рис.1.1(1)).Рис. 1.1(1) Микрофотография ТЕМ наночастиц TiO2Частицы сферической формы могут быть получены при использованиисольвотермического метода, где в качестве среды протекания реакциииспользуют органические растворители, например, спирты [12]. В работе [13]для синтеза наночастиц TiO2 использовали в качестве прекурсоровалкоксиды титана, реакцию проводили в среде этанола при температуременее 200 ºС в течение 2 часов.
В результате были получены наночастицы сосредним диаметром в диапазоне от 5 до 20 нм (рис. 1.1(2)).13Рис. 1.1(2) Микрофотография ТЕМ наночастиц TiO2Золь-гель метод заключается в гидролизе прекурсоров титана(алкоксидов титана), его поликонденсации, в результате которых образуетсязоль, содержащий гидроксид титана, гидротермальная обработка которогопри контролируемой температуре и давлении приводит к образованию TiO2[14]. К сожалению, авторы не указывают структуру образовавшихся частиц.Микроволновой способ [15] основан на применении микроволновогоизлучения (диапазоном частот от 900 до 245 МГц) на исходную систему.Таким образом, был получен наноразмерный диоксид титана со смешанноймодификацией и трубчатой структурой.Отмечается [16], что наночастицы ZnO и TiO2 могут находиться вразличных модификациях.Так, из литературных данных [17] известны три модификации оксидацинка: кубическая Рошелевская соль (рис.
1.1(3)а), кубический цинковыйсфалерит (рис. 1.1(3)б), гексагональный вюрцит (рис. 1.1(3)в).14абвРис. 1.1(3) Структуры кристаллического оксида цинка: (а) кубическаяРошелевская соль, (б) кубический цинковый сфалерит, (в) гексагональныйвюрцитДиоксид титана также имеет несколько модификаций. Наибольшеераспространение получили следующие модификации TiO2: анатаз, рутил ибрукит (рис. 1.1(4)) [18]. Рутил – самая термостабильная модификациядиоксида титана.
Физические свойства TiO2 зависят от его модификации:плотность для анатаза составляет 3,9 г/см3, а для рутила - 4,3 г/см3,температура плавления варьируется в диапазоне от 1830 до 1850 ºС,показатель преломления изменяется в диапазоне от 2,54 до 2,75. В интервалетемператур от 500 до 900 ºС анатаз может переходить в рутил [19].15a =3.7845, c =9.5143Å,a =4.5937, c =2.9587Å,пр.гр. I41/amd, Z=4пр.гр. P42/mnm, Z=2абa =9.1840, b =5.4470, c=5.1450Å, пр.гр. Pbca,Z=8вРис. 1.1(4) Модификации TiO2: а) анатаз; б) рутил; в) брукитИзлитературы[20]известно,чтосредиполупроводниковыхматериалов диоксид титана обладает рядом преимуществ: термической ихимической стойкостью, низкой стоимостью и отсутствием токсичности, чтона протяжении десятилетий дало ему широкое применение в качестве белогопигмента.
Для этих целей TiO2 используют в виде порошка со среднимразмером 250 – 350 нм [19].Диоксид титана и оксид цинка обладают фотокаталитическими,адсорбционными, бактерицидными, появление которых объясняют наличиемгидроксильных групп на их поверхности, обладающих высокой реакционнойспособностью [21]. При контакте поверхности этих оксидов с электролитаминаблюдается высокая адсорбирующая способность и фотокаталитическаяактивность [22-24].Фотокаталитические свойстваВ процессе фотокатализа полупроводниковый оксид облучают (приэтом энергия возбуждения источника должна быть выше, чем энергия16запрещенной зоны материала), что приводит к поглощению фотонов ипереходу электрона (e−) из валентной зоны в зону проводимости (CB), темсамым формируя в валентной зоне (VB) электронную «дырку» сположительным зарядом (h+): полупроводник + hv → h+VB + e−CB.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
