- Abstrakt
- 1. Inledning
- 2. Experimentell
- 2.1. Beredning av Klorpentaamin kobolt (III) klorid Cl2
- 2.2. Provberedning
- 3. Resultat och diskussion
- 3.1. Röntgendiffraktion (XRD)
- 3.2. Fourier Transform infraröd spektroskopi (FTIR)
- 3.3. Scanningelektronmikroskop(SEM)
- 3.4. UV-VIS-spektra
- 4. Slutsatser
- intressekonflikt
- bekräftelser
Abstrakt
Klorpentaamin kobolt (III) klorid Cl2 framställdes och kännetecknades sedan av fouriertransformerad infraröd spektroskopi och röntgendiffraktion. De erhållna resultaten indikerade bildandet av ortorombiska Cl2-nanopartiklar av 28,75 nm storlek. Polymera filmer baserade på polyvinylacetat(PVAc) dopad med klorpenta amin kobolt (III) klorid Cl2 i olika viktprocentförhållanden framställdes med användning av lösningsmedelsgjutningstekniken. Komplexeringen av tillsatsen med polymeren bekräftades genom FTIR-och SEM-studier. XRD-mönstret avslöjade att amorfheten hos PVAc-polymermatrisen ökade med att höja Cl2-innehållet. Parametrar såsom utrotningskoefficient, brytningsindex, verkliga och imaginära delar och optisk konduktivitet studerades med användning av absorbansen och mätningar från datoriserad UV-synlig spektrofotometer i spektralområdet 190-800 nm. Denna studie visade att de optiska egenskaperna hos PVAc påverkades av dopningen av Cl2 där absorptionen ökade genom att jämna ut Cl2-koncentrationen. Arten av elektronisk övergång från valensband till ledningsband bestämdes och energibandets luckor i kompositfilmproverna uppskattades med UV-synligt spektrum. Det observerades att den optiska ledningsförmågan ökade med fotonenergi och med ökningen av Cl2-koncentrationen.
1. Inledning
polymerer kan uppvisa olika mekaniska, elektriska och optiska egenskaper beroende på syntesförhållandena och kemiska egenskaper hos ryggraden . Om en polymer utsätts för ultraviolett ljus ändras dess kemiska egenskaper, såsom löslighet, hos polymeren i det exponerade området. Fotolitografi, som är en välkänd process inom elektronik, använder denna princip .
polymerer används i ett fantastiskt antal applikationer. På senare tid har betydande utveckling skett inom området flexibla elektroniska enheter baserade på de användbara piezoelektriska, halvledande, optiska och elektrooptiska egenskaperna som ses i vissa polymerer .
polymera material har särskilt intresse eftersom de i kombination med lämpliga metallsalter ger komplex som är användbara för utveckling av avancerade elektrokemiska anordningar med hög energi, till exempel batterier, bränsleceller, elektrokemiska displayenheter och fotoelektrokemiska celler med enkel tillverkning i önskvärda storlekar . Även polymerer har unika egenskaper såsom låg vikt, hög flexibilitet och förmåga att tillverkas vid låg temperatur och låg kostnad . Optisk kommunikation, inklusive polymera optiska fibrer, optiska vågledare och optiska kontakter på grund av deras enkla process, relativt låga kostnader och massproduktion, jämförs med kiseldioxidbaserade optiska material. De har också potentiella fördelar för applikationer i optiska lagringssystem, såsom hög termisk stabilitet, låg absorptionsförlust och förmågan hos brytningsindex förändras vid exponering för ljus . De elektriska och optiska egenskaperna hos polymerer har väckt stor uppmärksamhet med tanke på deras tillämpningar i optiska enheter med anmärkningsvärd reflektion, antireflektion, interferens och polarisationsegenskaper .
kommersiella vinylpolymerer såsom PVAc (C4H6O2)n studeras intensivt på grund av deras breda tillämpningar inom industrin. Polyvinylacetat är termoplastisk polymer. PVAc-baserade kompositmaterial tillverkades signifikant av hartsemulgeringsmedel, lim, papper, färg och textilindustri på grund av högbindningsförstärkt, filmliknande, luktfri och icke-brännbar egenskap och substrat för PVA-produktion . Införlivandet av olika metalliska tillsatser i polymermatriser kan producera polymermatriskompositer och förbättrar dess egenskaper för specifika tillämpningar .
koordinationsföreningar eller metallkomplex är metalljoner omgivna av ligander. Ligander är antingen anjoner eller molekyler som kan donera elektroner till metalljonens d-orbitaler och bilda en bindning. Exempel på vanliga ligander är kloridjon, cyanidjon, ammoniak, etylendiamin och etylendiamintetraacetatejon (EDTA). Metalljonerna som bildar koordinationsföreningar är från en grupp metaller som kallas övergångsmetaller. Dessa metaller har mer än ett oxidationstillstånd. Denna egenskap gör att övergångsmetallerna kan fungera som Lewis-syror . Metallkomplexet som används i detta papper är klorpentammin kobolt(III) klorid som är en paramagnetisk förening . Den sönderdelas vid upphettning över 150 C. dess löslighet är 0,4 g per 100 mL vid 25 C.
i detta dokument har ett försök gjorts för att studera effekten av tillsats av Cl2 på strukturella och optiska egenskaper hos polyvinylacetat med FTIR, XRD, SEM och UV-synliga spektrometertekniker. Resultaten från dessa mätningar har analyserats och diskuterats.
2. Experimentell
2.1. Beredning av Klorpentaamin kobolt (III) klorid Cl2
Klorpentaamin kobolt(III) klorid Cl2 bereddes genom det förfarande som rapporterats i litteraturen .
1,7 g ammoniumklorid NH4Cl löstes fullständigt i ~10 mL koncentrerad ammoniak NH3 i en 400 mL bägare. Under kontinuerlig omröring tillsattes 3,3 g kobolt(II) klorid CoCl2 till blandningen gradvis. När brunfärgsslam erhölls tillsattes 2,7 mL 30% väteperoxid H2O2 långsamt. Efter att bruset hade slutat tillsattes ~10 mL koncentrerad saltsyra HCl långsamt. Under fortsatt omröring upphettas blandningen på en kokplatta och upprätthåller 85 C i 20 minuter, och därefter kyles blandningen till rumstemperatur i ett isbad och filtreras (med användning av en Buchner-tratt). Kristallerna av Cl2 tvättas med 5-6 gånger, 5 mL portioner isvatten(destillerat vatten kylt i IS) och sedan 5-6 gånger, 5 mL portioner etanol C2H6O. alla kemikalier som används vid framställning av klorpenta amin kobolt (III) klorid köptes från Sigma-Aldrich
2.2. Provberedning
Poly(vinylacetat) (PVAc) med molekylvikt 100 000 köptes från Aldrich. PVAc / Cl2 kompositer filmer tillverkades av lösningsmedelsgjutningstekniken. Vid första emulsion av PVAc med destillerat vatten omrördes under 10 h.de nödvändiga viktfraktionerna av Cl2 dispergerades först i destillerat vatten med en magnetisk omrörare under 1 h och tillsattes sedan gradvis i polymeremulsionen med kontinuerlig omröring och hölls under sträng under 2 h. Slutligen hälldes lösningen på rengjorda petriskålar och fick indunstas långsamt vid rumstemperatur i en vecka. Efter torkning skälldes filmerna från petriskålar och hölls i vakuumtorkare tills de användes. Tjockleken på de erhållna filmerna var i intervallet 120-150 xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx xnumx.
röntgendiffraktionsskanningar erhölls med användning av DX-2700 diffraktometer med användning av Cu Ka-strålning ( = 1,5406 kg) som arbetar vid 40 kV och 30 mA, taget för intervallet 5-50 kg. Mätningar utfördes vid rumstemperatur. Den diffrakterade intensiteten som en funktion av reflektionsängeln plottades automatiskt av Röntgendiffraktometern. De olika topparna erhållna i diffraktionsmönstret gav informationen om föreningens storlek och interplanära avstånd. FTIR spelades in på Fourier transform infraröd spektrofotometer, Shimadzu, modell IR-Prestige 21, med användning av KBr pellets. FT-IR-spektra av proverna erhölls i spektralområdet (4000-400) cm−1. Ultraviolett synliga (UV-VIS) absorptionsspektra mättes i våglängdsområdet 190-800 nm med användning av dubbelstrålespektrofotometer UV-1800 Shimadzu. Filmens morfologi kännetecknades av scanningelektronmikroskop med Bruker Nano GmbH, Tyskland, som arbetar vid 5 kV accelerationsspänning.
3. Resultat och diskussion
3.1. Röntgendiffraktion (XRD)
ett typiskt XRD-mönster för Cl2 visas i Figur 1. Det kan ses att många skarpa toppar observerades i Röntgenprofilen. Den kristallina naturen hos syntetiserad Cl2 observerades av de olika skarpa kristallina topparna i XRD-mönstret. Det visar diffraktionstoppar vid 15.8313, 25.6011, 32.6249 och 34.8279 motsvarande (011), (221), (122), och (040) plan Cl2 som kunde indexeras till ortorombisk struktur som överensstämde med litteraturdata från materialdata, Inc. . Den genomsnittliga partikelstorleken kan beräknas med användning av den första sfären approximation av Debye-Scherrer formel :var är kristallernas genomsnittliga diameter, är våglängden för röntgenstrålning och är hela bredden vid halv maximal intensitet av toppen (FWHM). Den erhållna partikelstorleken för Cl2 är 28,75 nm. Den strukturella parametern såsom diffraktionsvinkel (deg.), interplanar (8), relativ intensitet och full bredd vid halv maximal FWHM (deg.) finns i Tabell 1.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
PVAc är halvkristallina polymerer som anges från deras XRD mönster illustreras i Figur 2 (a). Den kristallina naturen hos PVAc betonas av diffraktionstopparna vid = 19,54 kcal, 40,54 kcal, med en hallow axel vid = 23 kg som representerar den amorfa fasen i PVAc .
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
den funktionsgrupp som finns i strukturen av PVAc har en roll för att öka störningen av Kolben, vilket resulterar i visas en kristallin fas i PVAc som visas i XRD-mönster Figur 2(a) . Figurerna 2(b), 2(c) och 2 (d) förklarade XRD-mönstret för PVAc/3, PVAc/6 och PVAc/9 wt.% Cl2, respektive. Det kan ses att intensiteten av essentiell topp av PVAc minskade och bandbredden ökade med ökande koncentrationerna av Cl2. Den väsentliga toppen av PVAc representerar den kristallina regionen i PVAc, så minskningen av intensiteten och breddningen av denna topp avser minskningar i kristallinitet och ökar i amorfhet. Detta beteende visar komplexbildning mellan fyllmedlet och polymererna i det amorfa området . Beteendet hos PVAc / Cl2 composite överensstämmer med PVAc/Pb3O4 och PVAc/TiO2 . Med 9 vikt.% koncentration topparna tillhör Cl2 observerade med lägre intensitet eftersom Cl2-strukturen begränsas med PVAc efter bildning av kompositer, vilket överensstämmer med (Roy et al. 2013) . Polymerer med 3-dimensionell struktur, sådan poly (vinylacetat) (PVAc) har styva porer, som sätter en övre gräns för additiv tillväxt inuti en sådan polymermatris .
partikelstorlek av Cl2-partiklar hittades enligt det föredragna riktningsplanet (011) för PVAc/6 wt.% och 9 vikt.% av Cl2 kompositer film som är runt 22.06 nm och 23.50 nm, respektive.
3.2. Fourier Transform infraröd spektroskopi (FTIR)
FTIR−spektra av Cl2 visar toppar vid 3278, 1620, 1307, 840 och 486 cm–1 som motsvarar NH3–sträckningsvibrationen, degeneration deformationsvibrationen av NH3−ligand, symmetrisk deformationsvibration av NH3, gungvibrationer av NH3 respektive Co-NH3-sträckningsvibrationer; även Co-Cl-topp uppträdde runt 840 cm-1. FTIR-karaktäriseringen kom överens med Najar och Majid (2013) som undersökte Cl2. Den enda funktionella gruppen av Cl2 är N-H som måste vara runt 3100-3500 cm-1. Figur 3 representerar FTIR-spektrumet för Cl2; N-H är mellan 3161.34 och 3279.1 cm−1.
den enda funktionella gruppen av PVAc är C=O. Figur 4(A) representerar FTIR−spektrumet för PVAc, C=O uppträdde runt 1728,22 cm–1 , även C–O−C uppträdde runt 1246 cm–1, medan C−H uppträdde runt 2935,66 cm-1 . Det är värt att notera att absorptionsbandet nära 3400 cm−1 beror på O–H-grupperna . Figurerna 4 (b), 4(c) och 4 (d) visar att PVAc-absorptionstopparna befinns förskjutas med tillsats av Cl2. Skiftningen ger en inblick i en interaktion mellan Cl2 i polymermatrisen . Med ökande koncentrationen av Cl2 ökas IR-absorptionstopparna på grund av sträckningsvibrationer förskjutna mot högre vågnummer , absorptionsbanden som tillhör Cl2 blir skarpare, medan intensiteten hos PVAc-absorptionsbanden minskar vilket indikerar en uppenbar närvaro av Cl2. Utseendet på absorptionsbandet runt 1728 cm-1 för prover 3, 6 och 9 vikt.% Cl2 bekräftar närvaron av PVAc i proverna . Med 3 vikt.% av Cl2, n-h är dold bakom den o-h rundade spetsen medan vid högre koncentrationer uppträdde N–h som en skarp spets.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
3.3. Scanningelektronmikroskop(SEM)
figurerna 5(a), 5(b), 5(c) och 5 (d) visar sem-fotografierna av PVAc, PVAc/3 wt.% av Cl2, PVAc / 6 vikt.% av Cl2 och PVAc / 9 vikt.% av Cl2 kompositfilmer, respektive. I Figur 5 (a) uppträdde några ljusa olösta PVAc-korn. Andra fläckar med olika grad av grovhet observerad på de bakåtspridda bilderna som visas i figurerna 5(b), 5(c) och 5(d) verkar vara agglomerat av Cl2-partiklar, vilket ökar med ökande koncentration av Cl2. Medeldiametrarna för dessa agglomererade partiklar (korn) är cirka 0,885, 1,83 och 2.114 kg för PVAc / 3, PVAc / 6 och PVAc / 9 vikt.% av Cl2 kompositfilmer, respektive. Förändringen antyder att PVAc-molekyler kan dispergeras i mjuksegmentfas med liten påverkan på mikrofasavskiljning och blandning av de hårda och mjuka segmenten. Graden av grovhet hos filmytan ökar med ökning av innehållet i Cl2. Detta indikerar segregering av fyllmedlet i värdmatrisen och detta kan bekräfta interaktionen och komplexationen mellan tillsatsen och polymeren och det kan också hänvisa till tillväxt av Cl2-partiklar i PVAc-matris .
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
3.4. UV-VIS-spektra
absorbansspektra för PVAc / Cl2-dopade filmer visas i Figur 6. Såsom anges i Figur 6 Cl2 förbättrar absorbansen hos PVAc-värden. De UV-synliga absorptionsspektra av PVAc-och PVAc / Cl2-kompositfilmer utförs vid rumstemperatur. De låtsas spektrala beroenden av optiska funktioner visar entydigt att principen roll i den observerade spektra spelar elektron-fonon breddning. Det UV-optiska absorptionsmönstret för PVAc uppvisar ett absorptionsband som axel vid ungefär = 260 nm. Detta band tillskrivs karbonylgruppen . Det observeras att våglängden som motsvarar absorptionsbandet som Axel ökar med ökande Cl2-innehåll; Denna ökning har tillskrivits de mindre strukturella inhomogeniteterna närvarande i PVAc som beror på tillväxt av Cl2 inuti polymermatrisen. Eftersom kompositfilmerna visar ett rött skiftbeteende indikerar dessa skift komplexationen mellan Cl2 och PVAc och kan också bero på förändring i kristallinitet med närvaro av tillsats . Dessa resultat bekräftades av XRD-resultat. Från Figur 6 observerades ett litet absorptionsband vid cirka 500 nm. Bildning av nya toppar för proverna och även breddning av dessa toppar med ökande Cl2 indikerar en avsevärd interaktion mellan additiv och värdpolymer . Även figur 6 visar att absorbansen ökar genom att lägga till olika viktprocent av Cl2; detta är relaterat till absorbans av Cl2 eller med andra ord ökar absorbansen med procentandelar absorberade partiklar . Absorptionen vid vilken våglängd som helst beror på antalet partiklar längs badet i det infallande ljuset (dvs det beror på koncentrationen av Cl2) och på längden på den optiska vägen som passerar genom . Dessa resultat har ett bra avtal med Abdelaziz .
absorptionskoefficient definieras som förmågan hos ett material att absorbera ljuset av en given våglängd. Absorptionskoefficienten beräknades från den optiska absorbansen med följande förhållande :Figur 7 visar variationen av absorptionskoefficienten med fotonenergi för PVAc/0, PVAc/3, PVAc/6 och PVAc/9 wt.% av Cl2 kompositer filmer. Det är uppenbart att absorptionskoefficienten ökar med koncentrationen av Cl2; detta kan hänföras till ökning av absorbansen . Figur 7 visar också beroendet av absorptionskoefficienten på infallande fotonenergi, indikerad från det låga värdet av absorptionskoefficienten med lågt värde av fotonenergi och vice versa vilket innebär att möjligheten till elektronövergång ökar med fotonenergi.
från absorptionskoefficienten tidigare resultat är elektronövergången av PVAc/Cl2 indirekt. En bra linjär passform erhålls för och kontra som visas i figurerna 8 respektive 9. De respektive värdena för erhålls genom extrapolering till och för den tillåtna indirekta övergången och förbjudna indirekta övergången, respektive. Innehållet är ansvarigt för bildandet av vissa defekter i filmerna. Dessa defekter producerar de lokaliserade tillstånden i det optiska bandgapet och överlappar varandra. Dessa överlappningar ger bevis för att minska energibandets gap när Cl2-innehållet ökas i polymermatrisen som visas i figurerna 8 och 9. Med andra ord återspeglar minskningen av det optiska gapet ökningen av graden av störning i PVAc-filmerna. Abdelaziz och Ghannam observerade liknande resultat. Eller det kan hänföras till tillsatskomplexeringen med polymermatrisen . Dessa resultat överensstämmer med FTIR, SEM och XRD observationer.
Figur 10 visar värdena för energigap för indirekt övergång (tillåten och förbjuden) för (PVAc/0, PVAc/3, PVAc/6 och PVAc/9 wt.% Cl2) kompositer.
utrotningskoefficienten beräknades med användning av följande ekvation :beroendet av utrotningskoefficienten på våglängden i intervallet 190-800 nm av PVAc/Cl2-kompositerprover visas i Figur 11. Det är uppenbart att utrotningskoefficienten för rent PVAc-prov visar en minskning av värdena för alla våglängder (190-800) nm, medan den ökar för PVAc/0, PVAc/3, PVAc/6 och PVAc/9 wt.% av Cl2 i våglängden från 400 nm till 800 nm. Utrotningskoefficienten ökades för PVAc-filmer med ökad koncentration av Cl2; detta beror på ökningen av absorptionskoefficienten .
brytningsindex är en grundläggande Optisk egenskap hos polymerer som är direkt relaterad till andra optiska, elektriska och magnetiska egenskaper och är också av intresse för dem som studerar fysikaliska, kemiska och molekylära egenskaper hos polymerer genom optiska tekniker . Brytningsindexet beräknas av var är reflektans som erhålls från absorptions-och transmissionsspektra i enlighet med bevarande av energilagen . Figur 12 representerar brytningsindex för PVAc/0, PVAc/3, PVAc/6 och PVAc / 9 vikt.% av Cl2-kompositer filmer i det undersökta våglängdsområdet. Inspektion av Figur 12 indikerar för alla kompositioner att brytningsindexet minskar med ökande våglängd. Figuren visar att brytningsindexet ökar som ett resultat av att öka i procentandelen Cl2 vilket beror på ökningen av densiteten hos kompositerfilm som ett resultat av Cl2-innehåll. I litteraturen beskrivs förhållandet mellan brytningsindex och massdensitet som linjär . Ökning av brytningsindex med koncentration av Cl2 är ett resultat av att öka antalet atomfraktioner på grund av ökningen av den linjära polariserbarheten som överensstämmer med Lorentz-Lorentz-formeln .
dielektrisk konstant definieras som materialets svar mot det infallande elektromagnetiska fältet. Den dielektriska konstanten av () ges av följande ekvation: där () och () är de verkliga och de imaginära delarna av dielektrisk konstant, som kan erhållas med följande ekvationer :beroendet av den verkliga delen på våglängden visas i figur 13 för PVAc/0, PVAc/3, PVAc/6 och PVAc/9 wt.% av Cl2. Det kan noteras, från denna siffra, att den verkliga delen beror på brytningsindex eftersom effekten av utrotningskoefficienten är mycket liten, så det kan avbryta . Den verkliga delen av dielektricitetskonstanten ökar med Cl2-koncentration och kurvorna vertex flyttas till högre våglängder med ökande Cl2-procentandel som kan hänföras till beroendet av den verkliga delen av dielektricitetskonstanten på brytningsindex . Den imaginära delen av dielektrisk konstant som en funktion av våglängden visas i figur 14. Det är uppenbart att den imaginära delen beror på utrotningskoefficienten, särskilt i våglängdsområdet runt (390-800) där brytningsindexet förblir nästan konstant medan utrotningskoefficienten ökar med våglängden .
absorptionskoefficienten och brytningsindexet användes för att erhålla den optiska konduktiviteten (), genom följande förhållande :var är ljusets hastighet i rymden. Figur 15 visar variationen av optisk ledningsförmåga hos PVAc/0, PVAc/3, PVAc/6 och PVAc / 9 wt.% av Cl2 kompositer filmer, som en funktion av fotonenergi. Konduktiviteten hos ren PVA är nästan konstant upp till cirka 5, 2 eV fotonenergi, efter det ökar den med ökad fotonenergi. Cl2-koncentrationen orsakade ökningen av optisk ledningsförmåga, vilket beror på hög absorption av polymerkompositfilmerna. Ökningen av optisk konduktans och minskning av bandgapsenergin hos PVAc/Cl2 med ökning av Cl2-koncentrationen kan hänföras till ökningen av antalet mobila laddningsbärare och även till ökningen av värdpolymerens amorfa natur . Dessa resultat överensstämmer med Al-Taa ’ Y et al. .
4. Slutsatser
polymerfilmer baserade på PVAc med olika koncentrationer av Cl2 framställdes med användning av lösningsmedelsgjutningsteknik. XRD smädade att den syntetiserade Cl2 indexerades till ortorombisk struktur. Bildandet av en intermolekylär interaktion och komplexbildning mellan PVAc och Cl2 har bekräftats med XRD, FTIR, SEM och UV. UV-resultaten indikerade att Cl2 effektivt kan förbättra de optiska egenskaperna hos PVAc. Absorptionskoefficienten ökade med ökande viktprocent av tillsatsen. Ökningen i optisk konduktans och minskning av energibandgapet hos polymervärdmatrisen med ökning av Cl2-koncentrationen tillskrevs ökningen av antalet mobila laddningsbärare och även till ökningen av amorf natur hos polymervärdmatrisen. De optiska konstanterna såsom utrotningskoefficienter, brytningsindex, reella och imaginära dielektriska konstanter och optisk konduktans befinns bero på koncentrationen av Cl2 i polymerfilmen. PVAc / 9 vikt.% Cl2 kompositer filmer visar de bästa optiska egenskaperna. Denna typ av kompositer kan vara en lämplig kandidat för fotovoltaiska celler, även om ytterligare studier och förbättring önskas. Detta arbete bekräftar också att brytningsindex och energiklyftan är starkt korrelerade.
Sammanfattningsvis indikerar mätningarna av optiska egenskaper att Cl2 är användbar tillsats för att samtidigt öka både absorbans och optisk ledningsförmåga hos PVAc. Som ett resultat visar PVAc/Cl2-kompositfilmen dramatiska förändringar i optiska egenskaper som hjälper den vid tillverkning av optiska enheter.
intressekonflikt
författarna förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.
bekräftelser
författarna erkänner tacksamt Dr. Nadher Najem för hjälpsamma diskussioner under utvecklingen av detta arbete; de vill också uttrycka sin djupa framväxt för Dr.Mohammed Hadi för hans hjälpsamma hjälp vid XRD-mätning.