Помощь студентам в учебе
Эволюция молекулярного состава химически модифицированного поливинилиденфторида при долговременном хранении
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. Обзор методов химической модификации ПВДФ и исследования его модифицированных производных
§ 1. ПВДФ и методы его карбонизации 7
1.1. Структура и свойства ПВДФ 7
1.2. Химическая карбонизация ПВДФ 10
1.3. Радиационная карбонизация ПВДФ 14
1.4. Применение ПВДФ и его модифицированных производных .. 14
§2. Метод ИК - спектроскопии исследования производных
карбонизированных ПВДФ 16
2.1. Сущность метода инфракрасной спектроскопии 16
2.2. Физические основы ИК - спектроскопии
с преобразованием Фурье 20
ВЫВОДЫ ПО I ГЛАВЕ 25
ГЛАВА II. Методика эксперимента, его результаты и их обсуждение
§ 1. Синтез образцов и методика проведения измерений 26
§2. Методика обработки ИК-спектров 28
ВЫВОДЫ ПО II ГЛАВЕ 40
ГЛАВА III. Изучение вопросов ИК спектроскопии ПВДФ в рамкахэлективных курсов по физике
§1. Общие вопросы типологии элективных курсов 41
§2. Разработка элективного курса по физике 44
ВЫВОДЫ ПО III ГЛАВЕ 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГЛАВА I. Обзор методов химической модификации ПВДФ и исследования его модифицированных производных
§ 1. ПВДФ и методы его карбонизации 7
1.1. Структура и свойства ПВДФ 7
1.2. Химическая карбонизация ПВДФ 10
1.3. Радиационная карбонизация ПВДФ 14
1.4. Применение ПВДФ и его модифицированных производных .. 14
§2. Метод ИК - спектроскопии исследования производных
карбонизированных ПВДФ 16
2.1. Сущность метода инфракрасной спектроскопии 16
2.2. Физические основы ИК - спектроскопии
с преобразованием Фурье 20
ВЫВОДЫ ПО I ГЛАВЕ 25
ГЛАВА II. Методика эксперимента, его результаты и их обсуждение
§ 1. Синтез образцов и методика проведения измерений 26
§2. Методика обработки ИК-спектров 28
ВЫВОДЫ ПО II ГЛАВЕ 40
ГЛАВА III. Изучение вопросов ИК спектроскопии ПВДФ в рамкахэлективных курсов по физике
§1. Общие вопросы типологии элективных курсов 41
§2. Разработка элективного курса по физике 44
ВЫВОДЫ ПО III ГЛАВЕ 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Актуальность. Синтез и исследование свойств углеродных структур низкой размерности является актуальной научной проблемой [23-36, 38, 22, 4-6, 10]. В последние годы множество работ посвящено синтезу и изучению новых материалов на основе углерода (графены, углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены и др.). Причина повышенного внимания к материалам на основе углерода заключается в их уникальных физических и химических свойствах, обусловливающих перспективу использования в научных и технических целях. Особый интерес представляет гипотеза о возможности существования одномерной модификации химически чистого углерода - карбина [16, 17]. Идеальный карбин должен состоять из линейных углеродных цепей, в которых соседние атомы соединены между собой либо двойными, либо чередованием тройных и одинарных связей. Цепи предположительно упакованы в кристаллы за счет ван-дер- ваальсовских сил. Теоретические расчеты и ряд экспериментов показывают, что такие углеродные объекты должны обладать полупроводниковыми свойствами [32], высокой теплопроводностью по сравнению с УНТ и графеном [28], гиперполяризуемостью [30].
Возможность существования карбина воспринимается мировым научным сообществом самым различным образом - от полного её отрицания до детального описания экспериментальных исследований реально синтезированных образцов цепочечного углерода [27]. Существуют разные, часто противоречивые структурные модели карбиновых цепей и их взаимного упорядочения [1, 35]. Тем не менее, обнаружение следов карбина в природных минералах [21, 26], метеоритах, околозвездных оболочках углеродных звезд даёт надежду реализации условий его синтеза и в лабораторных условиях [3, 25].
Перспективным представляется синтез карбиноидных структур из поливинилиденфторида (ПВДФ) путем дегидрофторирования. Это связано
с тем, что в процессе химической и/или радиационной карбонизации ПВДФ фтор и водород удаляются в основном в виде фтористого водорода, что позволяет проводить глубокую карбонизацию полимера без разрушения цепочечного углеродного скелета. При радиационной карбонизации фотонами, электронами и ионами наибольшему воздействию подвергается поверхность вещества, поэтому методы изучения модификации ПВДФ должны обладать повышенной чувствительностью к состоянию атомов приповерхностных слоёв. Такой избирательностью обладают, например, методы фотоэлектронной спектроскопии, NEXAFS, нарушенного полного внутреннего отражения. С другой стороны, при химической карбонизации проникновение дегидрофторирующих реагентов может происходить на достаточно большую глубину [4, 13, 15]. В этих случаях можно применять оптические методы исследования в геометрии «на просвет». Хотя применение только ИК спектроскопии не даёт исчерпывающей количественной информации о молекулярной структуре вещества, однако этот метод является незаменимым для регистрации самых минимальных её трансформаций [5, 13].
Для практического использования модифицированных полимеров исключительную важность представляет стабильность их структуры и физико-химических свойств. Тем не менее, нашей научной группой выявлено, что после окончания химического синтеза при хранении образцов их магнитные свойства изменяются [5]. О процессах старения свидетельствуют также результаты исследований, в которых изучаются изменения формы инфракрасных (ИК) спектров модифицированных плёнок [20]. Однако систематического длительного изучения процесса старения до настоящего времени не проводилось.
Данные соображения позволили выявить «белые пятна» в обсуждаемой научной области и, таким образом, сформулировать тему, актуальность и новизну данной выпускной квалификационной работы, определить её предмет, объекты, метод, цель и задачи.
Научная новизна. Впервые систематически изучено изменение формы ИК спектров при длительном (501641 мин) хранении образца, полученного химической карбонизацией ПВДФ.
Объекты. Исходная плёнка ПВДФ и продукт её получасового химического дегидрофторирования (в дальнейшем «образец»).
Предмет. Спектры поглощения ИК излучения образцом.
Цель. Систематическое изучение модификации формы ИК спектров образца в течение продолжительного времени после химической карбонизации исходной плёнки ПВДФ.
В соответствии с целью в настоящей работе решаются следующие задачи:
1) изучение научной литературы по проблеме исследования;
2) изучение ИК спектрометра и методики измерений ИК спектров в геометрии «на просвет»;
3) анализ изменений формы ИК спектров образца в интервале 1400¬1800 см-1 при долговременном хранении;
4) параметризация формы спектров ИК выявление закономерностей её изменения;
5) формулировка выводов по результатам исследования;
6) разработка программы элективного курса по физике.
При выполнении работы использовались следующие методы:
1) анализ научной литературы по теме исследования;
2) Фурье ИК спектроскопия;
3) параметризация формы ИК спектров.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в сборнике научных трудов:
Чалов, Д.А. Эволюция ИК спектров химически модифицированного поливинилиденфторида при долговременном хранении / Д.А. Чалов, Н.А.
Злобина, В.Е. Живулин // Материалы XXV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-25). - 19-26 апреля 2019. - Крым. - С. 437-438.
Возможность существования карбина воспринимается мировым научным сообществом самым различным образом - от полного её отрицания до детального описания экспериментальных исследований реально синтезированных образцов цепочечного углерода [27]. Существуют разные, часто противоречивые структурные модели карбиновых цепей и их взаимного упорядочения [1, 35]. Тем не менее, обнаружение следов карбина в природных минералах [21, 26], метеоритах, околозвездных оболочках углеродных звезд даёт надежду реализации условий его синтеза и в лабораторных условиях [3, 25].
Перспективным представляется синтез карбиноидных структур из поливинилиденфторида (ПВДФ) путем дегидрофторирования. Это связано
с тем, что в процессе химической и/или радиационной карбонизации ПВДФ фтор и водород удаляются в основном в виде фтористого водорода, что позволяет проводить глубокую карбонизацию полимера без разрушения цепочечного углеродного скелета. При радиационной карбонизации фотонами, электронами и ионами наибольшему воздействию подвергается поверхность вещества, поэтому методы изучения модификации ПВДФ должны обладать повышенной чувствительностью к состоянию атомов приповерхностных слоёв. Такой избирательностью обладают, например, методы фотоэлектронной спектроскопии, NEXAFS, нарушенного полного внутреннего отражения. С другой стороны, при химической карбонизации проникновение дегидрофторирующих реагентов может происходить на достаточно большую глубину [4, 13, 15]. В этих случаях можно применять оптические методы исследования в геометрии «на просвет». Хотя применение только ИК спектроскопии не даёт исчерпывающей количественной информации о молекулярной структуре вещества, однако этот метод является незаменимым для регистрации самых минимальных её трансформаций [5, 13].
Для практического использования модифицированных полимеров исключительную важность представляет стабильность их структуры и физико-химических свойств. Тем не менее, нашей научной группой выявлено, что после окончания химического синтеза при хранении образцов их магнитные свойства изменяются [5]. О процессах старения свидетельствуют также результаты исследований, в которых изучаются изменения формы инфракрасных (ИК) спектров модифицированных плёнок [20]. Однако систематического длительного изучения процесса старения до настоящего времени не проводилось.
Данные соображения позволили выявить «белые пятна» в обсуждаемой научной области и, таким образом, сформулировать тему, актуальность и новизну данной выпускной квалификационной работы, определить её предмет, объекты, метод, цель и задачи.
Научная новизна. Впервые систематически изучено изменение формы ИК спектров при длительном (501641 мин) хранении образца, полученного химической карбонизацией ПВДФ.
Объекты. Исходная плёнка ПВДФ и продукт её получасового химического дегидрофторирования (в дальнейшем «образец»).
Предмет. Спектры поглощения ИК излучения образцом.
Цель. Систематическое изучение модификации формы ИК спектров образца в течение продолжительного времени после химической карбонизации исходной плёнки ПВДФ.
В соответствии с целью в настоящей работе решаются следующие задачи:
1) изучение научной литературы по проблеме исследования;
2) изучение ИК спектрометра и методики измерений ИК спектров в геометрии «на просвет»;
3) анализ изменений формы ИК спектров образца в интервале 1400¬1800 см-1 при долговременном хранении;
4) параметризация формы спектров ИК выявление закономерностей её изменения;
5) формулировка выводов по результатам исследования;
6) разработка программы элективного курса по физике.
При выполнении работы использовались следующие методы:
1) анализ научной литературы по теме исследования;
2) Фурье ИК спектроскопия;
3) параметризация формы ИК спектров.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в сборнике научных трудов:
Чалов, Д.А. Эволюция ИК спектров химически модифицированного поливинилиденфторида при долговременном хранении / Д.А. Чалов, Н.А.
Злобина, В.Е. Живулин // Материалы XXV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-25). - 19-26 апреля 2019. - Крым. - С. 437-438.
В ходе нашего исследования изучены особенности модификации формы ИК спектров образца в течение продолжительного времени после химической карбонизации исходной пленки ПВДФ. Обработаны экспериментальные данные, выполнены расчеты частот валентных колебаний, на основе которых были получены результаты, позволяющие на качественном уровне произвести идентификацию наиболее интенсивных полос поглощения ИК в спектрах. Разработана программа элективного курса по физике «Инфракрасная спектроскопия», рассчитанная на учащихся физико-математических и естественнонаучных классов средней школы.
Выдвинуты предположения, объясняющие наиболее заметную перестройку молекулярной структуры в модифицированных образцах, которая может происходить благодаря совокупности различных процессов: испарением жидкого этанола, присоединением этоксигрупп к карбиноидным фрагментам цепей, окислением этоксигрупп при хранении в атмосфере воздуха, накоплением жидкой воды вследствие повышения гигроскопичности пленок.
Таким образом, поставленные в данном исследовании теоретические задачи были реализованы в полной мере, а решение новых практических задач требует дальнейшего продолжения работы.
Выдвинуты предположения, объясняющие наиболее заметную перестройку молекулярной структуры в модифицированных образцах, которая может происходить благодаря совокупности различных процессов: испарением жидкого этанола, присоединением этоксигрупп к карбиноидным фрагментам цепей, окислением этоксигрупп при хранении в атмосфере воздуха, накоплением жидкой воды вследствие повышения гигроскопичности пленок.
Таким образом, поставленные в данном исследовании теоретические задачи были реализованы в полной мере, а решение новых практических задач требует дальнейшего продолжения работы.