Введение к работе
Актуальность работы
Углерод, как ни один химический элемент, обладает удивительным разнообразием свойств и структурных модификаций. Синтез и исследования новых твердотельных нанообъектов из чистого углерода в течение последнего тридцатилетия демонстрируют широкие возможности их применения в разнообразных передовых технологиях, в том числе, в сочетании с полимерными материалами. Одним из наиболее перспективных материалов для синтеза углеродных структур является поливинилиденфторид (СН2-СР2)л (ПВДФ). Одинаковое количество фтора и
водорода в полимерных цепях позволяет осуществить глубокую карбонизацию этого материала путём отщепления молекул фтористого водорода при воздействии дегидрофторирующих агентов. В процессе дегидрофторирования на поверхности прозрачной пьезоэлектрической плёнки происходит образование полупроводниковых и проводящих гетерослоев. Такая гибридная система может быть использована в качестве элементной базы при создании гибких плат для микро- и оптоэлектроники. Таким образом, исследование процесса карбонизации ПВДФ, изучение структуры и свойств его карбонизованных производных актуально для расширения сферы практического использования этого полимера.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании процесса карбонизации ПВДФ спектроскопическими методами и методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:
методом ИК-спектроскопии изучено изменение кристалличности и типа конформации плёнок ПВДФ при механическом и химическом воздействии;
изучена модификация РФЭ и NEXAFS спектров при дегидрофторировании (ДГФ) ПВДФ с помощью рентгеновского излучения;
исследована радиационная карбонизация ПВДФ под воздействием потока электронов высокой энергии.
На защиту выносятся:
- установленные закономерности изменения кристалличности и типа
конформации плёнок ПВДФ при механическом растяжении и химической
карбонизации;
спектроскопические данные, характеризующие процесс
дегидрофторирования исходных и в различной степени растянутых плёнок ПВДФ при химической и радиационной карбонизации;
результаты экспериментального исследования модификации состава и электронной структуры поверхности ПВДФ при воздействии рентгеновского монохроматического и немонохроматического излучения;
комплекс разработанных моделей процесса и механизмов карбонизации ПВДФ при радиационном дефторировании.
Научная новизна.
В диссертационной работе впервые:
методом ИК-спектроскопии установлены закономерности изменения степени кристалличности и типа конформации полимерных цепей при химической карбонизации плёночных образцов ПВДФ с различными коэффициентами одноосного растяжения;
получены с высоким уровнем статистической достоверности РФЭ и NEXAFS спектры, обработка и анализ которых позволили определить особенности электронной структуры, характерные для радиационного дефторирования ПВДФ;
изучено влияние электронной бомбардировки на процесс деградации поверхности плёнок ПВДФ, выявлен и описан механизм карбонизации;
разработаны и применены оригинальные методики обработки данных, полученных различными спектроскопическими методами.
Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:
- выявлены механизмы карбонизации ПВДФ в результате внешних
воздействий различного рода, установлены и описаны закономерности
изменения приповерхностного карбонизованного слоя, которые могут быть
использованы для разработки новых методов синтеза углеродных структур;
- усовершенствована методика определения типа конформации цепей ПВДФ,
которая может быть рекомендована к применению в новых исследованиях, в
том числе и с другими материалами.
Личный вклад соискателя: Участие в планировании эксперимента, подготовке образцов, регистрации спектров. Обработка спектральных данных, выполнение необходимых расчётов. Участие в обсуждении результатов экспериментов, в подготовке научных статей и докладов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (г. Волгоград, 2010), XVII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (г. Екатеринбург, 2011), XVIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (г. Красноярск, 2012), XIX Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (г. Архангельск, 2013), XI Всероссийской молодёжной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2010), XII Всероссийской молодёжной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2011), X международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (г. Санкт-Петербург, 2010), VIII Национальной конференции «Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-
Когнитивные технологии» (Москва. 2011), III Международном научном симпозиуме «Frontiers in Polymer Science» (Ситжес, Испания, 2013), ежегодных конференциях по итогам научно-исследовательской работы аспирантов и преподавателей ЧГПУ, Челябинск, 2010, 2012, 2013.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в российских журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных работ, 2 статьи в международном журнале, 7 тезисов докладов научных конференций.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка цитированной литературы и двух приложений. Диссертационная работа изложена на 170 страницах сквозной нумерации, содержит 17 таблиц, 75 рисунков, включая 6 таблиц и 2 рисунка приложений. Список цитированной литературы содержит 131 наименование.
Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.ф.-м. н., профессору кафедры физики и методики обучения физике ЧГПУ Л.А. Лесину за постановку проблемы исследования и постоянную помощь в его проведении. Также автор благодарит О.В. Корякову (Институт органического синтеза УРО РАН, Екатеринбург) за помощь в проведении измерений ИК-спектров; И.В. Грибова, В.Л. Кузнецова и Н.А. Москвину (Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург) за помощь в проведении измерений РФЭС и обсуждение результатов; М.М. Бржезинскую, Е.М. Байтингера за помощь в проведении эксперимента на Российско-Германском канале электронного накопителя BESSY II, постоянное внимание к работе, полезные консультации; Д.А. Жеребцова (Южно-Уральский государственный университет) за помощь в проведении измерений СЭМ и ценные замечания при подготовке публикации; СЕ. Евсюкова (Evonik Industries AG, Dossenheim, Germany), H.H. Логинову (ОАО "Пластполимер", Санкт-Петербург) за предоставление образцов для исследования, помощь в подготовке публикаций, ценные замечания; П.С. Семочкина за подготовку образцов.
Исследования проводились в рамках программы, выполняемой НИЦ ЧГПУ «Низкоразмерный углерод» и поддержанной двусторонней программой «Российско-Германская лаборатория БЕССИ», грантами ректората ЧГПУ:№ УГ-25/09/А, № УГ-20/11/А, № УГ-05/12/А.