Электрофизические свойства исходных и фуллеренсодержащих пленок ПММА, полученных в толуоле

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН __________________________________2009, том 52, №12_____________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.64:539.2

Х.М.Абдуллаев, Э.Шоимов ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ И ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ ПЛЕНОК ПММА, ПОЛУЧЕННЫХ В ТОЛУОЛЕ

Наполнение является одним из действенных способов направленного модифицирования молекулярной и надмолекулярной структуры полимерных материалов. Изменения структуры и физико-механических свойств наполненной композиционной системы определяются природой полимера, количеством наполнителя, его активностью и характером распределения частиц в объеме полимера [1-3].

В связи с вышесказанным цель настоящей работы заключается в изучении влияния процентного содержания наноуглеродного наполнителя- фуллерена С60 на деформационнопрочностные и электрофизические свойства полиметилметакрилата (ПММА).

Объектом исследования служили исходные и фуллеренсодержащие пленки атактического ПММА, полученные путем растворения полимера и фуллерена С60 в общем растворителе - толуоле. В интервале температур 20-220оС изучены температурные зависимости диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и удельного объемного электрического сопротивления пленок ПММА, содержащих 0, 1, 3, 5 и 10% масс фуллерена С60. Кривые растяжения образцов снимали на приборе исследования реологических свойств полимеров (ПИРСП) при комнатной температуре и при постоянной скорости растяжения 2-10- м/с.

В таблице приведены значения диэлектрической проницаемости (в) и тангенса угла диэлектрических потерь 0^5) исходной и фуллеренсодержащих пленок ПММА при комнатной температуре. Как видно, с возрастанием содержания С60 диэлектрические свойства пленок ПММА улучшаются; на концентрационных зависимостях в и 1§5 наблюдается практически идентичная тенденция к снижению значений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Таблица

Значения диэлектрических параметров пленок ПММА, содержащих фуллерен С60

С,% 0 1 3 5 10

в 2.88 2.59 2.51 2.26 2.02

^5 • 102 2.06 1.65 1.35 1.30 0.82

На температурной зависимости 1§5 исходного ПММА (С=0) наблюдается область диэлектрической релаксации с максимумом при Т=84оС (рис.1, кривая 1). Для образцов, со-

держащих 1 и 3% Сбо, значения tgô уменьшаются по величине и максимум дипольно-сегментальных потерь смещается в сторону более высоких температур (88°С при С=1% и 98°С при С=3%) (рис.1, кривые 2 и 3). Рост концентрации Сбо до 5 и 10% приводит к дальнейшему снижению максимума tgô по величине и его обратному смещению по оси температур до 86°С. Одновременно появляется новая, слабо заметная область диэлектрических потерь в диапазоне температур 50-60°С, максимум значения о которой становится более интенсив-

ЧУ

____ ной при концентрации 10% (рис.1,

20 60 100 140 180

кривые 4 и 5).

Рис.1. Температурная зависимость тангенса угла диВ работах [1,2] установлено,

электрических потерь пленок ПММА, содержащих

фуллерен С6о: 1 - 0, 2 - 1, 3 - 3, 4 - 5, 5 - 10%. что внедрение фУллерена С6о в мат-

рицу ПММА приводит к возрастанию микрогетерогенности структуры ПММА, причем она увеличивается с ростом концентрации фуллерена. Согласно данным работы [1], молекулы С60 в полимерной матрице при их содержании в пределах 1 -2% могут находиться в виде нескольких слабо агрегированных молекул либо диспергированы до молекулярного уровня. Присоединение молекул С60 в местах слабых связей полимера приводит к образованию связанных молекул, а несвязанные молекулы, по всей видимости, могут располагаться во внутрифибриллярных участках ПММА.

Можно полагать, что располагаясь во внутрифибриллярных аморфных участках полимера, молекулы фуллерена С60 усиливают стерическое торможение полярных групп, что на зависимостях tg 5 (Т) выражается в расширении спектра времен релаксации с ростом концентрации С60, снижении величины tg5 и смещении максимума дипольно-сегментальных потерь в сторону более высоких температур (рис.1, кривые 1-3).

Как видно из рис.2, наполнение полимера фуллереном С60 в пределах до 3% приводит также к существенному возрастанию разрывной прочности и модуля упругости образцов, причем наиболее существенные изменения наблюдаются при концентрации С60 1%. Упрочнение полимера может быть обусловлено залечиванием слабых связей полимера, за счет свя-

занных с ПММА молекул фуллерена, а возрастание модуля упругости - усилением межмо-лекулярного взаимодействия.

а, МПа

Рис.2. Деформационная кривая пленок ПММА, содержащих фуллерен С60: 1 - 0, 2 - 1, 3 - 3, 4 - 5, 5 - 10%.

_і______________________і____________________і____________________і____________________і--------------------і—

0 2 4 6 8 10

Рис. 3. Зависимость разрывной прочности (1), деформации разрыва (2) и модуля упругости (3) пленок

ПММА от концентрации фуллерена С60.

Возрастание концентрации фуллерена до 5% приводит к обратному смещению максимума диэлектрических потерь в сторону более низких температур (рис. 3, кривые 4 и 5). При этом наблюдается возрастание деформации разрыва по сравнению с С=3% почти в два раза, уменьшение прочности и резкое падение модуля упругости образцов. Дальнейший рост

концентрации С60 до 10% оказывает слабое влияние на положение максимума диэлектрических потерь, на деформационные свойства и модуль образцов.

Согласно работе [1], при внедрении 10% фуллерена С60 в матрице ПММА образуются кластеры больших размеров, содержащие до 80-100 молекул фуллерена. Даже при таких больших концентрациях С60 наблюдается широкое распределение агрегатов фуллерена по размерам, от отдельных молекул до кластеров больших размеров, однако кривая распределения молекул С60 заметно смещается в сторону агрегатов больших размеров. Естественно полагать, что дисперсные молекулы фуллерена могут располагаться как во внутри- так и в межфибриллярных участках ПММА, а крупные зародыши С60 - только в межфибриллярных областях полимера. Действительно, проведенные нами рентгенографические исследования показали, что среднее межцепное расстояние в полимерной матрице составляет ~6.8 Â, а радиус молекулы С60, согласно работе [4], равен 3.6 Â.

Особенностью кластеров больших размеров является то, что для их присоединения с молекулами ПММА доступна только небольшая часть молекул С60, находящаяся на поверхности зародыша [1]. Поэтому они не могут внести вклад в упрочнение полимера и, как видно из рис. 1 и 2, модули упругости пленок, содержащих 5 и 10% С60 резко снижаются, их прочность падает, а деформация разрыва возрастает.

Температуру плавления ПММА (170оС), из-за резкого возрастания значений электропроводности полимера, зафиксировать не удается, однако из зависимостей tgô (Т) образцов следует, что в пределах концентраций до 3% С60 высокотемпературная область диэлектрических потерь заметно смещается в сторону более высоких температур (128оС для С=0, 148оС при С=1% и 165оС при С=3%). При больших концентрациях С60 наблюдается обратное смещение области проводимости в сторону более низких температур.

Подобное изменение температуры начала потерь массы образцов от концентрации фуллерена С60 наблюдалось при термоокислительной деструкции атактического ПММА. Согласно работе [2], оно объясняется сегрегацией молекул фуллерена в процессе приготовления пленок.

Работа выполнена в рамках проекта Международного научно-технического центра Т-1145 и плана НИР ТНУ.

Таджикский национальный университет Поступило 09.10.2009 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шибаев Л.А. и др. - Высокомолекулярные соединения, 2002, т. А44(5), с.825-833.

2. Гинзбург Б.М. и др. - Журнал прикладной химии, 2000, т.73(37), с.484-490.

3. Голд Р.Ф. Многокомпонентные полимерные системы. - М.:Химия, 1974, 328 с.

4. Kroto H.W., Heath J.R. - Nature, 1985, v.318, p.162-167.

Х,.М.Абдуллоев, Э.Шоимов ХОСИЯТ^ОИ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ ВА МЕХАНИКИИ ЛАВ^А^ОИ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТИ ТОЗА ВА ФУЛЛЕРЕНДОШТАИ ДАР ТОЛУОЛ Х,ОСИЛШУДА

Нишон дода шудааст, ки вобаста аз консентратсия таъсири молекулах,ои фулле-рени Сбо ба хосиятх,ои электрофизикй ва механикии ПММА гуногун аст. Натичах,ои х,осилшуда бо тагйирёбии характери так;симоти молекулах,ои фуллерен дар элементх,ои сохтори полимер ва таъсири гуногуни байнихдмии молекулах,ои системаи композитсионй вобаста ба консентратсияи Сбо фах,монида шудаанд.

Kh.M.Abdullaev, E.Shoimov ELECTROPHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES INITIAL AND CONTAINING FULLERENE C60 FILMS OF POLYMETHYLMETHACRYLATE RECEIVED IN TOLUENE

It is shown that depending on concentration influence (effect) of fullerene С60 on electrophysical and mechanical properties of PMMA variously. The received results are explained by different character of distribution of fullerene molecules in elements of structure of polymer and distinction of interactions of molecules of composite system at different concentration of fullerene.