Text complet

Proprietăți structurale, termice și magnetice ale

PMMA-ZnFe

2

Oh

4

Filme subțiri nanocompozite

Teena James

Tomlal Jose E

, Subin P John

, Jacob Mathew

1, 2 Departamentul de chimie, colegiul S.B, Changanacherry, Kerala-686101, India

termice

3, 4Moss Bauer Research Group, Departamentul de Fizică, S.B College, Changanacherry, Kerala-686101, India

Rezumat: Spinel ferită de zinc (ZnFe2Oh4) a fost preparat prin piroliză prin pulverizare utilizând precursorul polimerului de azotat de zinc, azotat feric și

alcool polivinilic (PVA). Nanoparticulele sunt apoi dispersate ultrasunet în soluție de PMMA și PMMA-ZnFe2Oh4

filmele nanocompozite au fost preparate prin metoda turnării cu solvent. ZnFe2Oh4 nanoparticule și PMMA-ZnFe2Oh4 nanocompozit

filmele au fost caracterizate folosind difracție de raze X (XRD), spectroscopie în infraroșu transformată Fourier (FT-IR), electron de transmisie microscopie (TEM), analiză termogravimetrică (TGA) și magnetometru cu probă vibrantă (VSM). Atât XRD, cât și FT-IR au a confirmat formarea nanocompozitului, iar imaginea TEM a dezvăluit că nanoparticulele erau bine dispersate în Matrice PMMA. Filmele nanocompozite au stabilitate termică de până la 3600C evidențiat din analiza TG. VSM măsurătorile efectuate pe filmul compozit au susținut natura superparamagnetică a PMMA-ZnFe2Oh4 film nanocompozit.

Cuvinte cheie: ZnFe2Oh4, PMMA, PMMA-ZnFe2Oh4 nanocompozit, microscop electronic cu transmisie (TEM), super paramagnetism.

Eu. INTRODUCERE

Nanoparticulele magnetice au primit o mare atenție în prezent datorită potențialelor aplicații comerciale ale acestora în fero-fluide,

materiale magnetice avansate, catalizatori, [1-3] separare biomagnetică, biosensibilitate magnetică, imagistică prin rezonanță magnetică (RMN),

echipamente electronice etc. [4-6] Printre diferitele nanomateriale magnetice, feritele metalelor de tranziție (MFe2O4) au devenit un important

grup de materiale tehnologice datorită proprietăților lor, cum ar fi rezistență electrică ridicată, stabilitate chimică ridicată, magnetizare la saturație ridicată, pierderi reduse de curent turbionar, pierderi dielectrice scăzute, ușurință în pregătire, preț și considerații de performanță etc. Aceste proprietăți le-au făcut potrivite pentru multe aplicații în dispozitive magnetice, mecanice, electronice, catalitice și cu microunde.

[7-13] Dintre feritele de spinel, ZnFe2O4 este cel mai studiat sistem. Forma cristalină în vrac a ZnFe2O4 este un spinel normal în care

Ionii Zn2 + ocupă siturile tetraedrice (situl A) și ionii Fe3 + ocupă siturile octaedrice (situl B) și este un magnet antiferro ordonat

sub 10K. Cu toate acestea, nanocristalinul ZnFe2O4 are o structură parțial inversată a spinelului care poate fi reprezentată prin formula

[ZnδFe1-δ] A [Zn1-δFe1 + δ] BO4 unde δ este parametrul de inversare și sunt ordonate ferimagnetic la temperatură ridicată și ridicată

moment magnetic. [14] Proprietățile nanoparticulelor de ferită depind în mare măsură de calitatea, structura și metoda de preparare a acestora. Mărimea particulelor, cristalinitatea și morfologia pulberilor influențează în mare măsură proprietățile materialului de ferită și pot fi controlate prin condiții de reacție variate. S-a constatat că nanoparticulele de ferită cu compoziție similară preparate de

diferite metode au proprietăți magnetice diferite. [14] De asemenea, datorită interacțiunilor dipolare anizotrope, nanoparticulele de ferită

tind să se agregeze pentru a forma clustere neomogene care la rândul lor afectează negativ proprietățile lor magnetice. Astfel, prevenirea aglomerării nanoparticulelor este un factor important în determinarea calității nanoparticulelor de ferită. Mai multe metode, cum ar fi încapsularea nanoparticulelor cu agenți tensioactivi, tratamente chimice, dispersia în matrici polimerice etc. au fost folosite pentru a evita aglomerarea nanoparticulelor. [15] Nanoparticulele de ferită încorporate în matricea polimerică oferă alte câteva avantaje. Compozitele din polimer de ferită îmbunătățesc gama de frecvență a operațiilor, capacitatea de manipulare a puterii și sensibilitatea la temperatură a dispozitivelor de ferită. Proprietățile nanocompozitului depind de proprietățile ambilor constituenți, adică; proprietățile nanoparticulelor de ferită, precum și ale polimerului. [9] Interacțiunea la interfața polimer-ferită influențează, de asemenea, proprietățile materialelor compozite. Nanocompozitele polimer-ferită au, prin urmare, proprietăți mecanice specifice, o bună formabilitate, rezistență etc. care le fac să pregătească dispozitive magnetice complexe. [16] În lucrarea de față, ZnFe2O4

nanoparticulele sunt preparate prin metoda pirolizei prin pulverizare. Suspensia de nanocompozit PMMA-ZnFe2O4 este preparată prin solvent

metodă în care cantitățile adecvate de nanoparticule ZnFe2O4 sunt dispersate în soluția PMMA prin ultrasunete.

soluția rezultată este apoi turnată pe o cutie Petri din sticlă curată pentru prepararea filmelor subțiri nanocompozite PMMA-ZnFe2O4.

II. MATERIALE ȘI METODE

A. Materiale

Poli metacrilatul de metil (PMMA) a fost folosit ca gazdă polimerică, ferita de zinc (ZnFe2O4) ca material de umplere magnetic și

tetrahidrofuran (THF) ca solvent. PMMA cu greutate moleculară medie de 550000 g/mol a fost achiziționat de la Alfa Aesar și este utilizat așa cum a fost primit. THF a fost cumpărat de la Merck. Nanoparticulele de ferită de zinc au fost sintetizate prin piroliza prin pulverizare a soluției de precursor de polimer care a fost preparată utilizând azotat de zinc (Merck), azotat feric (Merck) și alcool polivinilic (PVA, Merck) ca materii prime.

B. Prepararea nanoparticulelor de ferită de zinc

Nanoparticulele de ferită de zinc au fost sintetizate prin piroliza prin pulverizare a soluției de precursor de polimer. Pentru a prepara soluția precursoră de ferită de zinc, cantități adecvate de azotat de zinc și azotat feric au fost luate într-o soluție apoasă de PVA care împiedică aglomerarea ionilor metalici acolo asigurând distribuția omogenă a ionilor metalici în soluție. Piroliza prin pulverizare a soluției vâscoase rezultate din PVA-nitrați metalici rezultată la 1300C urmată de recoacere la 3500C timp de 20 de minute produce ferită de zinc

C. Pregătirea filmelor subțiri compozite nano PMMA-ZnFe2O4

Soluția de nanocompozit PMMA-ZnFe2O4 a fost preparată prin metoda solventului. O soluție de 2% de PMMA a fost preparată prin dizolvare

cantitate adecvată de PMMA în THF și agitată magnetic timp de câteva ore la 450C pentru a obține o soluție omogenă.

Suspensia de nanocompozit polimeric a fost apoi preparată prin dispersarea cantităților adecvate de nanoparticule de ZnFe2O4 în

la soluția de polimer prin ultrasunetare. Acest lucru a dus la distribuția omogenă a nanoparticulelor în matricea polimerică. Suspensia de nanoparticule rezultată a fost apoi aruncată pe o cutie Petri din sticlă curată și este lăsată să se usuce în aer timp de două zile

pentru a obține pelicule subțiri de nanocompozite polimerice. Filmele preparate au fost apoi lăsate să se usuce într-un cuptor cu aer la 550 ° C pentru complet

îndepărtarea solventului.

D. Caracterizare

Modelele de difracție cu raze X (XRD) ale probelor au fost colectate de la un difractometru PANalyitical PW 3040/60 Xpert PRO cu radiație Cu Kα. Spectrele cu infraroșu transformat Fourier (FT-IR) ale probelor au fost înregistrate folosind un spectrometru Perkin-Elmer spectru 400 în intervalul 400-4000 cm-1. Imaginile microscopului electronic cu transmisie (TEM) au fost realizate într-un JEOL, JEM-2100

microscop pentru transmisie de electroni. Analiza termogravimetrică a fost efectuată într-un analizor Perkin Elmer STA 6000 TG cu o rată de încălzire de 100C pe minut. Studiile magnetice la temperatura camerei au fost efectuate într-un magnetometru cu probă vibrantă

(VSM) cu un câmp magnetic maxim de 20kOe.

III.REZULTATE ȘI DISCUȚII

A. Difracția cu raze X (XRD)

Fig. 1 prezintă modelele XRD ale PMMA (a), nanoparticulelor ZnFe2O4 (b) și nanocompozitului PMMA-ZnFe2O4 (c).

Modelul XRD al PMMA arată doar un vârf amorf între valorile 2θ 150 și 300, așa cum este indicat în Fig 1 (a). De la

modelele de difracție prezentate în figura 1 (b), confirmă structura cubică a spinelului ZnFe2O4. Folosind formula Debye Scherrer; D =

0,9λ/βcosθ, unde D este dimensiunea cristalitului, λ este lungimea de undă a lui Cu Kα și β este lățimea totală la jumătate maximă (FWHM) și θ este unghiul lui Bragg; dimensiunea cristalitului particulelor este de aproximativ 10nm. Pe lângă vârful amorf al PMMA; Fig. 1 (c) prezintă vârfurile caracteristice ale nanoparticulelor ZnFe2O4; ceea ce confirmă formarea nanocompozitului PMMA-ZnFe2O4.

vârfurile din Fig. 1 (c) sunt mai puțin ascuțite și lărgite decât vârfurile din Fig. 1 (b). Acest lucru indică faptul că dimensiunea cristalitului ZnFe2O4

nanoparticulele scad pe măsură ce sunt introduse în matricea PMMA datorită constrângerii matricei nanoparticulelor. [17] Cristalitul

dimensiunea nanoparticulelor ZnFe2O4 din matricea PMMA a fost determinată din modelul TEM și sa dovedit a fi de 7 nm.

B. Spectre FT-IR (FT-IR)

Fig. 2 prezintă spectrele FT-IR ale PMMA (a), nanoparticulelor ZnFe2O4 (b) și nanocompozitului PMMA-ZnFe2O4 (c). În Fig. 2 (a),

vârful la 2948cm -1 corespunde vibrațiilor de întindere C-H; vârful la 1719 cm -1 corespunde vibrației de întindere C = O;

vârful la 1432cm -1 este atribuit vibrației de îndoire C-H; vârful la 1139cm -1 este atribuit vibrației de întindere C-O-C

iar vârfurile între 983cm -1 și 749cm -1 indică vibrațiile de îndoire ale legăturilor O-C-O ale PMMA. Fig. 2 (b) prezintă IR

spectru de nanoparticule ZnFe2O4. La ferite, ionii metalici prezenți în subrețele octaedrice și tetraedrice prezintă diferite

frecvențe vibraționale. Banda de frecvență înaltă în jurul valorii de 600cm -1 în spectru corespunde vibrațiilor ionilor metalici

prezente în siturile tetraedrice cu atomi de oxigen. Fig. 2 (c) susține, de asemenea, formarea nanocompozitului PMMA-ZnFe2O4 ca

spectrul IR al nanocompozitului conține vârfurile caracteristice pentru nanoparticulele ZnFe2O4 împreună cu vârfurile

corespunzător PMMA. Acest lucru indică, de asemenea, că nanoparticulele ZnFe2O4 sunt bine dispersate în matricea polimerică.

FIG. 2: Spectre FT-IR ale (a) PMMA, (b) nanoparticulelor ZnFe2O4 și (c) nano compozit PMMA-ZnFe2O4.

C. Studii morfologice

Morfologia și dimensiunea particulelor nanoparticulelor ZnFe2O4 și a filmului nanocompozit PMMA-ZnFe2O4 au fost studiate de TEM

analiză. Fig. 3a prezintă imaginea TEM a nanoparticulelor ZnFe2O4. Imaginea TEM a nanoparticulelor ZnFe2O4 a dezvăluit că

particulele sunt aglomerate într-o măsură mai mare. Acest lucru este atribuit interacțiunilor dipol magnetice dintre particule. De asemenea, dimensiunea medie a cristalitului particulelor este de aproximativ 10 nm, ceea ce este în concordanță cu rezultatul obținut din XRD

date. Figura 3b prezintă imaginea TEM a filmului subțire nanocompozit PMMA-ZnFe2O4. Din imaginea TEM se găsesc nanoparticulele

FIG. 3: imagini TEM ale (a) nanoparticulelor ZnFe2O4 și (b) filmului nanocompozit PMMA-ZnFe2O4.

D. Studii termice

Fig. 4 prezintă graficele termo-gravimetrice (TG) pentru nanocompozitele PMMA (a) și PMMA-ZnFe2O4 (b). Scăderea inițială în greutate crește

la 120 0C se datorează pierderii de solvent rezidual și a moleculelor de apă adsorbite pe suprafața filmului. PMMA prezintă trei etape ale

degradarea termică după cum este evident din Fig. 4a. Prima etapă de degradare este inițiată prin scindarea legăturilor slabă de peroxid și hidro peroxid datorită în principal combinării monomerului cu oxigenul în timpul sintezei. Legăturile cap la cap formate prin terminarea prin combinație sunt, de asemenea, ușor de rupt la temperaturi mai scăzute, ducând la producerea de radicali liberi, care vor participa apoi la polimerizarea ulterioară la temperaturi mai ridicate. Această primă etapă, are loc la aproximativ 200 0C, este relativ nesemnificativă

deoarece există câteva legături menționate mai sus. A doua etapă la aproximativ 300 0C apare ca urmare a transferului radical în nesaturat

lanțul se termină în timp ce ultima etapă în jurul valorii de 365 0C corespunde unei sciziuni aleatorii. Din comploturile TGA este clar că

Filmele nanocompozite PMMA-ZnFe2O4 sunt stabile termic până la 360 0C.

E. Studii magnetice

Fig. 5 prezintă curbele M-H ale nanoparticulelor de ferită de zinc preparate și ale nano-filmului compozit PMMA-ZnFe2O4. PMMA este un non

polimer magnetic. [18] Din curba M-H a nanoparticulelor ZnFe2O4, este clar că câmpul magnetic maxim de 20 kOe nu este

suficient pentru a satura proba. Cu toate acestea, probele nu prezintă nicio buclă de histerezis și sunt paramagnetice în regiunea cu câmp ridicat. Nesaturația magnetismului apare datorită neomogenității dimensiunii particulelor și, de asemenea, datorită aglomerării particulelor. Filmele nanocompozite ale PMMA - ZnFe2O4 prezintă un comportament super paramagnetic clar, deoarece curba M-H arată

caracteristică buclă anisterectică și remananță magnetică zero (când H este zero). Acest lucru indică faptul că dimensiunea particulei din matricea PMMA este mai mică decât dimensiunea critică super paramagnetică, adică nanoparticulele aglomerate sunt uniform dispersate în matricea polimerică și prin aceasta reduc dimensiunea efectivă a particulelor. Tabelul 1 prezintă valorile magnetizării saturației și ale momentului magnetic al nanoparticulelor ZnFe2O4 preparate și ale filmului subțire nanocompozit PMMA-ZnFe2O4. O creștere a

valoarea magnetizării saturației (Ms) a nanocompozitului PMMA-ZnFe2O4 poate fi atribuită dispersiei fine a nanoparticulelor în

Matrice PMMA. Acest tip de dispersie uniformă în matricea polimerică inhibă agregarea, sporind astfel contribuția magnetică a particulelor individuale la magnetizarea totală a materialului.

FIG. 5: Graficele VSM pentru (a) nanoparticule ZnFe2O4 și (b) film subțire nanocompozit PMMA-ZnFe2O4.

Parametrii magnetici ai nanoparticulelor znfe2o4 și nanocompozitului pmma-znfe2o4.

IV. CONCLUZIE

Nanoparticulele ZnFe2O4 sunt preparate prin metoda pirolizei prin pulverizare și sunt caracterizate folosind analize spectrale XRD și FT-IR.

structura nanoparticulelor este confirmată ca structură de spinel. Dimensiunea medie a particulelor nanoparticulelor este de 10 nm. Dispersia nanoparticulelor în soluție de PMMA prin ultrasunete urmată de turnarea cu solvent a soluției rezultate

filme nanocompozite PMMA-ZnFe2O4 fabricate. Formarea nanocompozitului a fost confirmată atât din XRD, cât și din FT-IR

spectrele și dimensiunea medie a particulelor nanoparticulelor este redusă atunci când este încorporată în matricea polimerică.

Imaginea TEM relevă faptul că încorporarea nanoparticulelor ZnFe2O4 în matricea PMMA previne apariția nanoparticulelor

aglomerare și, ca rezultat, nanocompozitul prezintă un comportament super paramagnetic clar la temperatura camerei, care a fost

absentă în curba M-H a nanoparticulelor ZnFe2O4 datorită aglomerării nanoparticulelor. De asemenea, filmele cu nanocompozite sunt

sa dovedit a fi stabil până la 3600C.

V. CONFIRMARE

Autorii ar dori să mulțumească Comisiei de Granturi Universitare (UGC) pentru sprijinul lor financiar.

Magnetizarea probei de saturație (Ms) Moment magnetic (μ)

ZnFe2O4 9.14337 0.39468

[1] F. Caruso, M. Spasova, A. Susha, M. Giersig, RA Crauso, (2001) Chemistry of Materials Vol.13 pp.109-116 [2] Y. Xiong, X. Xie, S. Chen, Z. Li, (2003) Chemistry- A European Journal Vol. 9 pp.4991-4996

[3] K. Woo, H. J. Lee, J. Ahn, Y. S. Park, (2003) Advanced Materials Vol. 15 pp. 1761-1764 [4] I. Safarik, M. Safarikova, (2004) Biomagnetic Research and Technology Vol. 2 numărul. 7 [5] M. Megens, M. J. Prins, (2005) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 293 pp. 702 [6] D. L. Graham, H. A. Ferreira, P. P. Freitas, (2004) Trends in Biotechnology, Vol. 22 pp. 455 [7] E. Schloeman, (2009) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 209 pp. 15

[8] M. Pardavi-Horvath, (2000) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 171, pp. 215-216 [9] R. Dosoudil, J. Franek, M. Usakova, (2006) Journal of Electrical Engineering, Vol. 57 p. 142-146 [10] J. Kulikowski, (1984) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 41 p. 56

[11] A. P. Alivisatos, (1996) Science Vol. 271 (5251), pp. 933-937

[12] M. Sujimoto, (1999) Journal of the American Ceramic Society, Vol. 82, Număr: 2, pp. 269-280 [13] H.M. Fan, J. B. Yi, (2009) ACS nano, Vol. 3 Număr: 9, pp. 2798-2808

[14] M. Thomas, K. C. George, (2009) Indian Journal of Pure and Applied Physics, Vol. 47 pp. 81-86

[15] L. Li, H. Liu, Y. Wang, J. Jiang, F. Xu, (2008) Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 32, pp. 265-271 [16] L. Valko, P. Bucek, R. Dosoudil, M. Usakova, (2003) Electric Engineering, Vol. 54, Numere: 3, pp. 100-103 [17] S. Liu, X. Wei, M. Chu, J.Peng, Y. Xu, (2006) Colloids and Surfaces B, Vol.51, pp.101

Figura

Imagini TEM ale unei nanoparticule ZnFe2O4 și b film de nanocompozit PMn ZnFe2O4. Vizualizați în documentul p.4 Fig. 5 prezintă curbele M H ale nanoparticulelor de ferită de zinc și a filmului compozit nano PMMA ZnFe2O4. Vizualizați în document p.5 TABELUL I nanoparticule și pmma znfe. Vizualizați în document p.5