Zastosowanie technik FTIR w badaniach nanokompozytów polimerowo-ceramicznych

• Autorzy: Paluszkiewicz C. , Stodolak E. , Jeleń P.

Warianty tytułu

EN

Application of FTIR technique in study on polymer - ceramic nanocomposites

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy zbadano nanokompozytowe tworzywa polimerowo-ceramiczne, w których jako osnowę zastosowano biopolimer naturalny należący do grupy polisacharydów (chitosan, CS). Jako nanonapełanicz wykorzystano komercyjny glinokrzemian warstwowy - montmorylonit w dwóch odmianach: MMT-K5 i MMT-K10. Nanometryczne cząstki ceramiczne scharakteryzowano ze względu na powierzchnię rozwinięcia (BET), wielkość nanocząstek w roztworze rozpuszczalnika (DLS) i morfologię (TEM). Materiały wyjściowe: chitozan, MMT K5 i K10 poddano również analizie fourierowskiej spektroskopii w podczerwieni (FTIR) ze względu na późniejszy zakres badań otrzymanych na ich bazie tworzyw. Materiały nanokompozytowe otrzymano techniką odlewania, stosując kilkustopniową metodę dyspersji nanocząstek w matrycy. Udział nanonapełaniacza był stały i nie przekraczał 3% wag. MMT. Folie nanokompozytowe (CS/MMT-K5 i CS/MMT-K10) poddano badaniom FTIR. Materiałem odniesienia była niemodyfikowana folia CS. Widma badanych materiałów rejestrowano w zakresie środkowej podczerwieni techniką transmisyjną i refleksyjną techniką całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR). Wykorzystując techniki FTIR, przedstawiono oddziaływania na granicy faz: nanocząstka a matryca biopolimerowa. Wykazano, że dzięki zastosowanym technikom FTIR można otrzymać informacje na temat rozłożenia nanonapełniacza w osnowie, jednorodności folii nanokompozytowej, skłonności nanonapełniacza do sedymentacji w trakcie procesu suszenia. Dobrane techniki badawcze pozwoliły na otrzymanie informacji uśrednionych (transmisja) oraz informacji z powierzchni tworzywa przy różnej głębokości penetracji (ATR z kryształem germanowym i diamentowym) i wielkości badanej powierzchni.

EN

The nanocomposites from renewable sources are considered to be a group of perspective materials. The main advantage of the nanocomposite materials based on natural biopolymers such as polysaccharides e.g. alginates or chitosane is their simple utilization and safe products of degradation. The additional advantage of nanocomposites based on chitosane and montmorylonite (MMT) is availability and low cost of the component materials. However, successful preparation of the nanocomposites still encounters many problems mainly related to proper dispersion of nano-fillers. High surface area, and high free surface energy are the cause of agglomeration of the nanoparticles, which then lose ability to create first-, and second-order interactions with a polymer matrix. In the result, the nano-filler becomes submicron or micron phase which because of its low fraction, not exceeding 10% (volume or weight), act as a defect weakening the polymer matrix. The situation between nanofillier and polymer matrix can be observed used the most popular measurement technique: thermal analyses (DSC, TG, DTA), microscopic methods such as: AFM, SEM, TEM, and spectroscopic methods; FTIR, Raman, XPS. In order to follow the structural changes in the nanocomposites materials a variety of investigative methods suitable for verification of complex phenomena taking place in the materials is utilized. The spectroscopy techniques FTIR can be relatively easily applied both to powder and foil samples on nanocomposite materials. Obtained result can be averaged in the case of transmission techniques or it may describe an area of a sample in the case of ATR technique. FTIR techniques enables better observation and interpretation of subtle changes taking place in the polymer matrix than XRD and SEM/EDS methods, especially when the investigated material is a nanocomposite polymer foil. In the work efforts of production of a series of nanocomposites based on natural chitosane and nano-clay (MMT) were taken. The nanocomposites materials was obtaining by casting method. Mechanical and ultrasound stirrer was used to better homogenization between nanoclay particles and biopolymer matrix. Two types of MMT (MMT-K5 and MMT-K10) with different particle size (DLS) and specific surface area (BET) were used. The nanoparticles morphology was examined with transmission electron microscopy (TEM). In each nanocomposite, the nano-filler amount was 3% wt. Dispersion of the nano-filler within the polymer matrix was investigated with the use of FTIR method (transmission mode, FTIR microscopy). FTIR measurements of the samples were carried out on the transmission mode in the region from 400 to 4000 cm-1 and ATR method in the region from 700 to 4000 cm-1. For the transmission mode powder samples were prepared in the form of potassium bromide (KBr), whereas the foils of the polymer samples were placed directly in the spectrometer. In the ATR method which allow to analyze the deep of penetration of the samples two different crystals were used: german and diament. In this way were observed how the clay (MMT-K5 or MMT-K10) influenced on the chemical structure of biopolymer chain.

Słowa kluczowe

PL

nanokompozyt; nanocząstka; spektroskopia FTIR

EN

nanocomposite; nanoparticles; FTIR spectroscopy

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 1
• Strony: 64--69
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Paluszkiewicz C.

autor

Stodolak E.

autor

Jeleń P.

• Akademia Góniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Yu L., Li L., Wei’an Z., Yue’e F., Radiation Physics and Chemistry 2004, 69, 467-471.
• [2] Devendra V., Kalpana K., Dinesh B., Bedabibhas M., Materials Science & Engineering C 2008, 28, 399-405.
• [3] Wang X., Du Y., Luo J., Lin, Kennedy J.F., Carbohydrate Polymers 2007, 69, 41-49.
• [4] Zhang Y., Venugopal J.R., El-Turki A., Ramakrishna S., Su B., Lim Ch.T., Biomaterials 2008, 29, 4314-4322.
• [5] Baochun G., Demin J., Changgeng C., European Polymer Journal 2004, 40, 1743-1748.
• [6] García-López D., Picazo O., Merino J.C., Pastor J.M., European Polymer Journal 2003, 39, 945-950.
• [7] Wang J., Du J., Zhu J., Wilkie Ch.A., Polymer Degradation and Stability 2002, 77, 249-252.
• [8] Monticelli O., Musina Z., Russo S., Bals S., Materials Letters 2007, 61, 3446-3450.
• [9] Zhang W., Blackburn R.S., Dehghani-Sanij A., Scripta Materialia 2007, 57, 949-952.
• [10] Lingaiah S., Sadler R., Ibeh C., Shivakumar K., Composites Part B 2008, 39, 196-201.
• [11] Liu D., Shi Z., Matsunaga M., Yin J., Polymer 2006, 47, 2918-2927.
• [12] Gestí S., Zanetti M., Lazzari M., Franco L., Puiggalí J., European Polymer Journal 2009, 45, 398-409.
• [13] Jeon K., Lumata L., Tokumoto T., Steven E., Brooks J., Alamo R.G., Polymer 2007, 48, 4751-4764.
• [14] Samyn F., Bourbigot S., Jama Ch., Bellayer S., Nazare S., European Polymer Journal 2008, 44,1642-1653.
• [15] García-Serrano J., Galindo A.G., Pal U., Solar Energy Materials and Solar Cells 2004, 82, 291-298.
• [16] Thakur A.K., Pradhan D.K., Samantaray B.K., Choudhary R.N.P., Journal of Power Sources 2006, 159, 272-276.
• [17] Lu H., Hu Y., Li M., Chen Z., Fan W., Composites Science and Technology 2006, 66, 3035-3039.
• [18] Sonawane S.H., Chaudhari P.L., Ghodke S.A., Parande M.G., Bhandari V.M., Mishra S., Kulkarni R.D., Ultrasonics - Sonochemistry 2009, 16, 351-355.
• [19] Uragami T., Tanaka Y., Nishida S., Desalination 2002, 147, 449-454.
• [20] Sundararajan V.M., Howard, M.W.T., Biomaterials 1999, 20, 1133-1142.
• [21] Zhifeng D., Chengchao L., Limiao L., Ming Z., Shoujiang X., Taihong W., Materials Science & Engineering C 2009, 29, 1794-1797.
• [22] Tyagi B., Chudasama Ch., Jasra R., Spectrochimica Acta Part A 2006, 64, 273-278.