ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

АГАРЕВА

Надежда Алексеевна

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ

ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА И СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА И ЗОЛОТА

Специальность 02.00.06 – Высокомолекулярные соединения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель доктор химических наук, профессор СМИРНОВА Лариса Александровна Нижний Новгород

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ГПХ – гель–проникающая хроматография ДАК – 2,2'–азо–бис–изобутиронитрил (динитрил азоизомасляной кислоты) ДЦК – дициклогексилпероксидикарбонат ИК – инфракрасный МАК – метакриловая кислота ММА – метилметакрилат МЭГ – монометакрилат этиленгликоля ММ – молекулярная масса ММР – молекулярно–массовое распределение НЧ – наноразмерные частицы (наночастицы) ПАВ – поверхностно–активное вещество ПБ – пероксид бензоила ПММА – полиметилметакрилат ПС – полистирол ТГФ – тетрагидрофуран УФ – ультрафиолетовый ЭГА – 2–этил–гексилакрилат Au–P16 – тетрахлораурат (III) N–цетилпиридиния D – оптическая плотность L – длина оптического пути излучения, проходящего через вещество [I] – концентрация инициатора в мономере Mn – среднечисловая молекулярная масса полимера Mw – среднемассовая молекулярная масса полимера – молярный коэффициент экстинкции Т – оптическое пропускание

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………………….. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………... ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………. 1.1. (Мет–)акриловые полимеры как матрица для создания полимерных систем оптического назначения……………………………………………. 1.2. Проблемы синтеза и оптические свойства полимерных композитов, содержащих ферроцен. Нелинейно–оптические свойства ферроцена…………………………………………………………………….. 1.3. Основные способы получения и оптические свойства полимерных нанокомпозитов, содержащих наночастицы благородных металлов…….

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………… 2.1. Использованные вещества и способы их очистки…………………….. 2.2. Методы получения полимерных композитов…………………………… 2.3. Взаимодействие ферроцена и соединений золота (III) с компонентами полимеризующихся систем…….……………………………………………… 2.4. Методы исследования свойств синтезированных полимерных композитов……………………………………………………………………... ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ…………………………... 3.1. Синтез полиметилметакрилата, содержащего высокие концентрации ферроцена, радикальной полимеризацией в массе…………………………... 3.1.1. Роль природы инициатора при полимеризации метилметакрилата, содержащего высокие концентрации ферроцена…………………………….. 3.1.2. Взаимодействие инициаторов радикальной полимеризации с ферроценом в смеси ацетона и изопропилового спирта…………………….. 3.1.3. Лазерное микроструктурирование композита на основе полиметилметакрилата и ферроцена………………………………………….. 3.2. Синтез полиметилметакрилата, содержащего золотохлористоводо– родную кислоту, и оптические свойства полученных композитов………… 3.2.1. Особенности радикальной полимеризации метилметакрилата в массе в присутствии золотохлористоводородной кислоты 3.2.2. Оптимизация условий получения композитов на основе полиметил– метакрилата, содержащего золотохлористоводородную кислоту………….. 3.2.3. Фотохимическое и термическое превращение золотохлористоводо– родной кислоты в объеме матрицы полиметилметакрилата………………... 3.3. Синтез полиметилметакрилата, содержащего тетрахлораурат (III) N– цетилпиридиния, и оптические свойства полученных композитов………… 3.3.1. Получение тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния, его спектральные характеристики и растворимость в метилметакрилате……… 3.3.2. Взаимодействие тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния с метилметакрилатом и радикальными инициаторами………………………...

3.3.3. Оптимизация условий получения композитов на основе полиметил– метакрилата, содержащего тетрахлораурат (III) N–цетилпиридиния……….

3.3.4. Свойства и состав композитов, синтезированных на основе полиме– тилметакрилата и тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния………………...

3.3.5. Лазерное наноструктурирование композитов на основе полиметилметакрилата и тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния………..

БЛАГОДАРНОСТЬ……………………………………………………………...

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы стремительно развивается трехмерное лазерное микро– и наноструктурирование прозрачных диэлектриков, в частности, полимеров.

Наноструктурирование полимеров приводит к существенному изменению их нанотехнологий. Лазерное излучение, благодаря постоянному совершенствованию модификации веществ.

Осуществить микроструктурирование прозрачных полимерных композитов можно путем фокусировки лазерного излучения в область, находящуюся в объеме вещества. Если интенсивность излучения при этом оказывается достаточно высокой, то в области фокуса возникает нелинейное поглощение, которое приводит к микроструктурированию системы за счет фотохимических реакций или нагрева только в фокальном объеме величиной порядка нескольких микрон, не затрагивающих ни поверхность композита, ни соседние его участки. Данный эффект используется для создания светопроводящих структур в объеме полимера, разветвителей или для трехмерной оптической записи информации.

Другим способом создания структурированных композитов является такое лазерное воздействие, при котором в облученных участках исследуемого образца твердого тела развиваются процессы, приводящие к образованию нанокластеров или нанонеоднородностей в исходно гомогенной системе, т.е. происходит наноструктурирование. Формирование нанокластеров, часто называемых наночастицами, становится возможным, благодаря фотохимическим превращениям модифицирующих добавокдопантов. В качестве допантов могут применяться соединения металлов, которые разлагаются под действием лазерного излучения, что приводит к возникновению металлических наночастиц (НЧ) в облученных образцах. Обычно появление неоднородностей вызывает существенное изменение оптических свойств таких систем, что представляет значительный практический наноструктурироваться при воздействии лазерного излучения, является актуальной задачей современной химии высокомолекулярных соединений. В качестве матричного полимера в работе использован полиметилметакрилат (ПММА), что являлось целесообразным по ряду причин. ПММА характеризуется высокой оптической прозрачностью, влагостойкостью и химической инертностью, он обладает значительной твердостью и относительно высокой температурой стеклования, хорошо перерабатывается путем формования, что определило применение этого полимера для изготовления как пленочных, так и объемных оптических композитов и изделий с длительным сроком службы. В то же время ПММА хорошо растворяется в широком круге органических растворителей, а исходный мономер метилметакрилат (ММА) способен растворять различные органические и неорганические низкомолекулярные соединения.

органические красители, которые используются при изготовлении цветных органических стекол, приводят к линейному поглощению во всем полимерном образце. Следовательно, вызванные линейно поглощенным излучением фотохимические процессы протекают во всем объеме вещества, что не обеспечивает возможность локального микроструктурирования отдельных участков микроструктурирования полимеров в объеме применяются фемтосекундные лазеры ближнего ИК диапазона, в частности, широкое распространение получили титан– сапфировые лазеры, то важно, чтобы спектральные области линейного оптического соответствующей удвоенной энергии фотона излучения титан–сапфирового лазера (780 нм), т.е. при 390 400 нм. Перечисленным требованиям отвечает ферроцен. В настоящее время исследовано влияние ферроцена на полимеризацию ММА в растворах и в массе при сравнительно низких его концентрациях в мономере, не превышающих 103 моль/л. В то же время, для обеспечения двухфотонного поглощения, вызывающего фотохимическое структурирование полимерных композитов в фокальной области, требуются высокие концентрации ферроцена в ПММА, что определяет актуальность изучения особенностей полимеризации ММА в присутствии ферроцена при концентрациях, близких к насыщению.

Как отмечалось выше, другим перспективным направлением в области создания оптических устройств на основе полимерных нанокомпозитов является введение в полимеры различных допантов, представляющих собой соединения металлов. Для формирования металлических НЧ в полимерных матрицах in situ, применяются соединения серебра, меди, родия и палладия, в которых при воздействии различных факторов происходит восстановление металлов.

Исследована полимеризация акриловых мономеров, содержащих вышеупомянутые вещества при концентрациях около 3102 моль/л в пересчете на атомы металла.

Многочисленные научные работы посвящены НЧ золота в связи с их чрезвычайно высокой устойчивостью к окислению, многообразием способов изготовления и видов золотосодержащих полимерных систем. В настоящее время изучено формирование НЧ золота из золотохлористоводородной кислоты в тонких ПММА пленках, полученных методами полива и центрифугирования. При этом золотохлористоводородную кислоту вводят в раствор полимера. Однако для создания разнообразных оптических устройств необходимо изготовление объемных образцов полимерных композитов, содержащих высокие концентрации соединений золота, способом полимеризации в массе. Сведения о влиянии соединений золота, способных формировать золотые НЧ in situ в объеме, сообщающие полимерной матрице особые оптические свойства, на радикальную полимеризацию акриловых мономеров в массе имеются только для концентраций, не превышающих моль/л. Остается нерешенным ряд вопросов, связанных с особенностями получения композитов путем радикальной полимеризации метилметакрилата (ММА) в массе в присутствии высоких концентраций указанных соединений (in situ).

В связи с этим актуальность работы определяется необходимостью исследования процессов радикальной полимеризации ММА в присутствии высоких концентраций ферроцена, золотохлористоводородной кислоты или тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния для разработки способов получения как микроструктурированных полимерных композитов, так и систем для создания объемных фотоиндуцированных нанокомпозитов.

Цель диссертационной работы состояла в разработке научного подхода к получению объемных фоточувствительных композитов на основе ПММА, насыщенного ферроценом, способных к лазерному микроструктурированию, а также систем на основе ПММА и соединений трехвалентного золота для формирования фотоиндуцированных нанокомпозитов, содержащих НЧ золота.

В соответствии с целью работы были решены следующие задачи:

Исследование влияния высоких (от 0.1 до 0.5 моль/л) концентраций взаимодействия радикальных инициаторов с ферроценом при условии, что концентрация ферроцена на порядок и более превышает концентрацию инициатора в реакционной системе.

Разработка способа синтеза объемных фоточувствительных композитов на основе ПММА, насыщенного ферроценом.

Осуществление лазерного микроструктурирования композитов на основе ПММА с высокими концентрациями ферроцена.

Изучение влияния соединений золота (III) на радикальную полимеризацию ММА в массе и взаимодействия их с ММА и радикальными инициаторами.

золотохлористоводородную кислоту или тетрахлораурат (III) N–цетилпиридиния (Au–P16).

Получение композитов на основе ПММА, содержащих высокие концентрации тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния.

Изучение процессов УФ индуцированного и термического формирования НЧ золота в объеме композитов на основе ПММА и осуществление фотохимического наноструктурирования композитов, содержащих тетрахлораурат (III) N– цетилпиридиния.

Методы исследования Скорость радикальной полимеризации в процессах вискозиметрическим способом и методом гель–проникающей хроматографии (ГПХ). Содержание остаточного мономера в ПММА устанавливали бромид– броматным методом.

Оптические свойства соединений, вводимых в ПММА, исследовали методами спектроскопии в УФ и видимой области. Оптическое пропускание и поглощение измеряли в инертных растворителях (изопропиловый спирт, бутилацетат), в ММА, а также в пленочных и объемных образцах на основе ПММА.

Микроструктурирование композитов на основе ПММА и ферроцена осуществляли при помощи фемтосекундного титан–сапфирового лазера с длиной волны 780 нм. Для наноструктурирования композитов на основе золотосодержащих соединений, введенных в ПММА, использовали излучение XeCl лазера с длиной волны 308 нм и УФ излучение ртутно–кварцевой лампы ДРТ–400 (использовали весь спектр излучения паров ртути).

Размеры НЧ золота в полимерных нанокомпозитах определяли с помощью электродинамических расчетов на основе данных, полученных спектроскопическими методами.

Научная новизна работы состоит в том, что:

впервые радикальной полимеризацией в массе (in situ) с использованием инициатора динитрила азоизомасляной кислоты (ДАК) синтезированы композиты на основе ПММА, содержащие высокие концентрации ферроцена (до 0.6 моль/л) и обладающие нелинейным оптическим поглощением в области фокуса лазерного излучения, не поглощаемого линейно ни полимером, ни ферроценом.

Установлено, что в присутствии пероксидных инициаторов ферроцен, использованный в концентрациях, превышающих концентрацию инициатора на порядок и более, ингибирует полимеризацию ММА.

Впервые при использовании радикальной полимеризации в массе разработан метод получения композитов на основе ПММА с содержанием до 0.02 моль/л тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния (Au–P16), необходимого для формирования НЧ золота in situ.

Установлено, что радикальная полимеризация ММА в массе в присутствии Au–P16 не сопровождается побочными реакциями золотосодержащего агента с мономером, что обеспечивает благоприятные условия для формирования композита с высокой концентрацией металлообразующего соединения.

Разработаны оптимальные способы получения объемных металлополимерных нанокомпозитов, содержащих НЧ золота, путем УФ облучения и последующей термической обработки исходных композитов.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

предложен метод изготовления объемных полимерных композитов, которые представляют собой концентрированные твердые растворы ферроцена, в матрице ПММА. Полученные композиты характеризуются нелинейным оптическим поглощением в диапазоне 700 – 800 нм и обладают чувствительностью к лазерному излучению, сфокусированному в малые участки объема образца. Длина волны излучения подобрана так, что ни полимерная матрица ПММА, ни ферроцен не поглощают действующее излучение однофотонным образом. Синтезированные полимерные системы перспективны для использования при лазерном микроструктурировании, в частности, в качестве регистрирующих сред для записи информации.

Разработан способ получения композитов на основе ПММА, содержащего Au–P16, который позволяет формировать в объеме образца различные структуры из НЧ золота путем УФ облучения определенных участков образца с последующей термической обработкой композитов. Объемные образцы фотоиндуцированных нанокомпозитов на основе ПММА и НЧ золота перспективны для применений в оптике, в частности, для создания не требующих оптического резонатора т.н.

“случайных” лазеров за счет рассеяния излучения на НЧ золота.

Положения, выносимые на защиту:

Особенность радикальной полимеризации ММА в массе при введении в мономер ферроцена в количествах, на порядок превышающих концентрацию инициатора, состоит в избирательном по отношению к химической природе инициатора ингибировании полимеризации вследствие взаимодействия ферроцена с перекисными инициаторами.

Применение ДАК в качестве инициатора радикальной полимеризации позволяет синтезировать объемные композиты на основе ПММА, насыщенного ферроценом.

Насыщение полимерной матрицы ПММА ферроценом позволяет осуществить лазерное микроструктурирование в объеме композитов, благодаря снижению порога лазерной модификации при введении в полимерную матрицу 0.3 – 0. моль/л ферроцена.

Синтез композитов для фотоиндуцированного формирования НЧ золота на основе ПММА способом радикальной полимеризации в массе реализуется при использовании тетрахлораурата (III) N–цетилпиридиния (Au–P16), не взаимодействущего с мономером.

Применение низкотемпературного радикального инициатора для синтеза композитов на основе ПММА и Au–P16 позволяет провести полимеризацию без разложения металлообразующего соединения.

Использование композитов на основе ПММА и Au–P16 обеспечивает фотоиндуцированное формирование НЧ золота в объеме под действием УФ излучения.

Обоснованность и достоверность полученных данных и выводов на их основе взаимосогласованостью данных, полученных при использовании независимых методов исследований.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Третья Всероссийская Каргинская конференция “Полимеры – 2004”( Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 27 января – 1 февраля 2004 г.), European polymer congress (M.V.

Lomonosov Moscow State University. Moscow. Russia. June 27 – July 1, 2005), Вторая Санкт–Петербургская конференция молодых ученых “Современные проблемы науки о полимерах” (Санкт–Петербург, 31 января – 2 февраля 2006 г.), Четвертая Санкт–Петербургская конференция молодых ученых с международным участием “Modern problems of polymer science” (Санкт–Петербург, 15–17 апреля 2008 г.), “Fundamentals of Laser Assisted Micro– and Nanotechnologies” (St. Petersburg – Pushkin, Russia, July 5–8, 2010), “ICONO/LAT” (Kazan, Russia, August 23–26, 2010), 11th International Conference on Laser Ablation “COLA” (Playa del Carmen, Mexico, November 13–19, 2011), 12 th International Conference on Laser Ablation “COLA” (Ischia, Italy, October 6–11, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и 8 тезисов докладов на научных конференциях, получен 1 патент Российской Федерации.

Личный вклад автора состоял в его непосредственном участии в постановке задач, планировании и проведении экспериментов, и анализе полученных результатов и подготовке публикаций.

Работа выполнена в соответствии с планом научно–исследовательских работ Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института прикладной физики Российской академии наук, проводимых при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: “Лазерное структурирование полимероподобных сред: полимеризация, агрегация, свеллинг” (код проекта 02–02– 17745–а); “Лазерное наноструктурирование материалов” (код проекта 05–02– 08151–офи_а); “Случайные лазеры в наноструктурированных средах” (код проекта 06–02–17381–а); “Предельные возможности лазерного наноструктурирования полимеров” (код проекта 09–02–00665–а); “Использование лазерного свеллинга для формирования суб–100 нм плазмонных структур” (код проекта 12–02–01075–а);

Комплексной программы РАН "Фемтосекундная оптика и физика сверхсильных лазерных полей"; Программы Президиума РАН "Сверхсильные световые поля и их приложения"; федеральных целевых программ Министерства образования и науки РФ "Научные и научно–педагогические кадры России" на 2009 – 2013 гг. (ГК 16.740.11.0018 от 01.09.2012 и ГК П560 от 17.05.2010).

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка используемой литературы (307 наименований). Работа изложена на 140 страницах и включает 6 таблиц и 50 рисунков.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. (Мет)акриловые полимеры как матрица для создания полимерных классические галогенсеребряные фотоматериалы [1]. Позднее появились полимерные светочувствительные системы на основе диазосоединений, так светочувствительностью, в связи с чем возникала необходимость применять источники УФ излучения высокой мощности [3]. Затем были разработаны органические свободнорадикальные системы с сухим оптическим способом проявления и термическим методом фиксации записанного изображения [4], а также сложные органические системы на основе высокомолекулярных соединений.

Их использовали в качестве регистрирующих сред для записи информации оптическим методом, а также для изготовления оптических переключателей и нелинейно–оптических устройств [5].

Идея создания трехмерных изображений в объемных светочувствительных полимерных средах была выдвинута в начале 70 годов прошлого столетия и продолжает развиваться в настоящее время. Пионерами в этой области были Х.С.

Багдасарьян, В.А. Барачевский, М.В. Алфимов, В.Л. Тальрозе, Г.И. Лашков, P.M.

Rentzepis. Эти авторы разработали ряд регистрирующих сред для трехмерной оптической записи информации на основе синтетических органических полимеров, содержащих светочувствительные соединения, способные к двухфотонным фотохимическим реакциям [624]. В качестве регистрирующих сред использовали фотополимеризующиеся композиции [15, 17], фоторефрактивные [18] и фотохромные [916, 19] полимерные системы. Участки регистрирующей среды, подвергшиеся действию излучения, отличались от окружения показателем преломления, спектром поглощения или способностью к флуоресценции и/или фосфоресценции. Авторы [20] предложили регистрирующую среду для трехмерной оптической записи информации, представляющую собой пленки полистирола толщиной от 3 до 5 мкм, содержащие лейкооснования красителей – производных Родамина B. Получена необратимая запись информации в прозрачных регистрирующих средах на основе полиметилметакрилата (ПММА) в виде точек субмикронного размера, изображение которых обладает высоким контрастом, допускающим параллельное считывание [22, 23].

В качестве регистрирующей среды в [24] использовались пленки ПММА, содержащие фотохромное соединение из сравнительно нового класса цис–1,2– дициано–1,2–бис(2,4,5–триметил–3–тиенил)этилен (B1536). Это вещество имеет красную окраску, которая меняется на желтую при облучении УФ излучением с длиной волны 380 нм. Трехмерное изображение было записано при помощи титан– сапфирового лазера с длиной волны 760 нм. Режим его работы выбран такой, что двухфотонное поглощение, вызывающее фотохромное превращение, т.е. запись информации, происходит только в точке фокуса. Остальные участки регистрирующей среды не затрагиваются записывающим излучением.

Одновременно с разработкой рецептур и методик изготовления оптических полимерных композитов было проведено теоретическое исследование процессов лазерного микроструктурирования, в частности, оптической регистрации информации путем двухфотонного возбуждения малых участков в объеме полимерной системы. В работе [25] показана возможность контролируемой и воспроизводимой модификации диэлектриков в объеме ультракороткими лазерными импульсами. Это дает возможность побитовой трехмерной записи информации, в частности, в чистых диэлектриках. Авторы [26] изучали перекрестные помехи при трехмерной оптической записи информации и установили, что однофотонная трехмерная фотохимическая запись информации нецелесообразна. В этой же работе вычислена верхняя граница объемной плотности записи информации при двухфотонном воздействии на регистрирующую среду излучения с длиной волны 800 нм. Она составляет 31013 битсм3. Это означает, что оптический диск диаметром 12 см и толщиной 0.5 мм может содержать Тбайт информации. Расстояние между записанными слоями будет составлять около 0.75 мкм. Таким образом, в одном диске может быть записано около 670 слоев информации.

Полимеры, используемые для получения оптических композитов, должны обладать удовлетворительными механическими свойствами, высокой прозрачностью, совместимостью с вводимыми соединениями, обеспечивающими заданные оптические свойства, а также иметь достаточный для проведения требуемых фотохимических и темновых реакций свободный объем полимерной матрицы. Наиболее широко используются полимерные системы на основе полистирола (ПС), полиметилметакрилата, а также полигидроксиэтилакрилаты и полиметилакрилаты. ПММА обладает наибольшей оптической прозрачностью среди всех органических полимеров и уступает в этом отношении только кварцу [27]. Оптическое пропускание пластифицированного и непластифицированного ПММА и его сополимеров с другими акрилатами и метакрилатами в видимой области находится в пределах 85 92% [2729]. ПММА хорошо пропускает не только видимые, но и ультрафиолетовые (УФ) лучи, что имеет большую практическую ценность для изготовления линз, призм, светофильтров и других оптических изделий и устройств. Наличие большого числа органических красителей, которые можно ввести в ПММА, позволяет производить на его основе светофильтры для выделения отдельных узких участков спектра во всем видимом диапазоне длин волн от 400 до 750 нм практически любой цветовой гаммы.

Известно более 100 рецептур светофильтров синего, зеленого, желтого, оранжевого, красного и других цветов, выпускаемых в виде пластин толщиной от 1 до 16 мм [28, 29]. Пропускание света некоторыми органическими красителями резко меняется с длиной волны, что позволяет использовать их в монохроматорах [28, 29].

Технология изготовления окрашенного органического стекла на основе ПММА и его сополимеров аналогична технологии получения бесцветного органического стекла [2735]. Наиболее прозрачные полимеры синтезируют полимеризацией в массе. Однако процесс полимеризации в массе сопровождается сильным выделением тепла, местными перегревами, неравномерным протеканием реакции роста полимерных цепей по объему образца, а конечный продукт часто характеризуется высоким содержанием остаточного мономера [2935]. К красителям, применяемым для изготовления светофильтров, монохроматоров, призм и других оптических изделий из органического стекла, предъявляются следующие требования: хорошая растворимость в ММА, химическая инертность по отношению к инициаторам полимеризации и акриловым мономерам, термическая (120140С) устойчивость, свето и атмосферостойкость [28, 29].

Оптические изделия из органического стекла имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из силикатных стекол. Они как минимум в 2 раза легче, не требуют трудоемких операций шлифовки и полировки, практически небьющиеся при падении с небольшой высоты, легко обрабатываются, могут быть любых размеров и конфигураций. Главное их преимущество состоит в том, что, изменяя концентрацию красителя, растворенного в мономере перед синтезом полимера, можно легко варьировать оптическую плотность на любой длине волны в широких пределах, в то время как плотность окраски силикатных светофильтров можно изменять лишь в очень узких пределах [28, 29]. Наибольшее применение при изготовлении окрашенного ПММА нашли маслорастворимые, реже спирторастворимые синтетические органические красители.

Известно применение пленочных полимерных систем на основе ПММА, а также его сополимеров и производных, в качестве регистрирующих сред для голографической записи информации [36, 37], нелинейно–оптических элементов [3881] и для синтеза гибридных органо–неорганических нанокомпозитов, обладающих необычными оптическими свойствами [45, 56, 58, 67, 72, 75]. В течение двух последних десятилетий синтезированы также объемные оптические композиты, полученные из производных акриловой и метакриловой кислот способом полимеризации в массе [82118]. Полимерную основу таких оптических систем синтезировали путем фотоинициированной [82] и термической [83118] радикальной полимеризации. Объемные полимерные композиты используются в качестве оптических волокон [85, 88, 94, 96, 106], оптически активных систем, изменяющих направление плоскости поляризации света [86, 87, 89, 97100], флуоресцентных датчиков [83, 92, 93, 95, 101105, 109] и нелинейно–оптических полимерных сред [90, 91, 107, 108, 110118].

В процессах синтеза объемных оптических композитов в качестве реагентов, сообщающих полимерам нелинейно–оптические свойства, применяются различные органические соединения, которые, с одной стороны, являются донорами электронов [119129, 131] или протонов [130], с другой стороны, обладают нелинейным оптическим поглощением. Такими свойствами характеризуются диарилацетиленовые соединения [119], изоцианаты [120], оптически активные мономеры из числа производных пиридина [121] и метакриловых эфиров [122].

Исследованы нелинейно–оптические свойства жидкокристаллических метакриловых полимеров, являющихся донорами электронов [123125].

Установлена возможность использования подобных систем в качестве оптических датчиков фармацевтических препаратов [126]. Синтезированы оптически активные азоароматические дендримеры с донорными и акцепторными группами в макромолекуле [127]. Фотополимеризацией, инициированной двухфотонным поглощением благодаря наличию донорно–акцепторного комплекса, получены фотоинициирования радикальной полимеризации донорно–акцепторными системами. Оптические сенсоры и активные полимерные компоненты жидкокристаллических дисплеев синтезированы из фотополимеризующихся мономеров производных бензойной кислоты [130]. Синтезированы донорно– акцепторные системы, на основе которых получены оптические запоминающие устройства [131]. В работах [123129, 131] в качестве доноров электронов были использованы ароматические амины и имины.

соединением, которое обладает свойствами донора электронов [132], и в то же время характеризуется нелинейным оптическим поглощением [133], является ферроцен, подробно рассмотренный в разделе 1.2.

1.2. Проблемы синтеза и оптические свойства полимерных композитов, содержащих ферроцен. Нелинейно–оптические свойства ферроцена Получение ферроцена [134] дало начало бурному развитию химии металлоорганических соединений переходных металлов. Сэндвичевая структура ферроцена (Рисунок 1) была установлена в 1952 г. на основании магнитных и спектральных свойств ферроцена [135] и по рентгеноструктурным данным [136].

Расстояния между атомами в молекуле ферроцена составляют FeC 2.05 ; и CC 1.40 [137].

Рисунок 1 – Структура молекулы ферроцена (слева) и ферроцениевого катиона (справа) [138].

представляющие собой полимерные ферроценсодержащие слои, были получены на основе поливинилферроцена [139, 140].

Ферроцен отвечает требованиям, предъявляемым к соединениям, вводимым в ПММА в качестве нелинейного хромофора, в отношении высокого коэффициента нелинейного, в частности, двухфотонного оптического поглощения в области 700 – 800 нм [133], растворимости в ММА, совместимости с ПММА. Спектры линейного поглощения ферроцена и образующегося при его окислении катион–радикала ферроцения, который устойчив в присутствии сильных кислот [138], представлены на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Спектры поглощения ферроцена в изопентане (1) и катион–радикала ферроцения в водном растворе 0.01 моль/л HClO4 (2) [138].

Ферроцен занимает бесспорное лидирующее положение по общему количеству сообщений в научной и технической литературе среди всех известных металлоорганических соединений. Однако роль этого вещества в процессах радикальной полимеризации в настоящее время не выяснена.

Сведения о влиянии ферроцена на процессы полимеризации различных мономеров в массе и в растворителях немногочисленны, противоречивы и, как правило, относятся к низким (не более 103 моль/л) концентрациям ферроцена, не превышающим значение концентрации радикального инициатора.

Автор работы [141] предпринял попытку осуществить полимеризацию ММА в растворе (использовано несколько органических растворителей) в присутствии различных металлоценов. Он установил существенное влияние растворителей на полимеризацию ММА при наличии ферроцена в реакционной смеси. Высокие скорости полимеризации наблюдались в кетонах, особенно в циклических, тогда как в бензоле и в массе при прочих одинаковых условиях признаки полимеризации отсутствовали. В случае дополнительного введения CCl4 в реакционную смесь скорость полимеризации в метилэтилкетоне и бензоле резко возрастала, а в циклогексаноне оставалась такой же, как без четыреххлористого углерода.

Ускорение полимеризации ММА в этом случае автор объясняет образованием комплекса с переносом заряда между ферроценом и CCl4, распад которого приводит к повышению концентрации активных свободных радикалов. Однако система ферроцен–CCl4 не инициирует полимеризацию ни стирола, ни акрилонитрила. В этой же работе установлено, что ферроцен не оказывает ни ускоряющего, ни ингибирующего действия на полимеризацию ММА и стирола в растворах (в бензоле и кетонах) при использовании инициатора ДАК. В работе [142] отмечается, что полимеризация виниловых мономеров под действием пероксидов значительно ускоряется при добавлении ферроцена в отсутствие дополнительных восстановителей, что указывает на окислительно–восстановительный характер инициирования.

Недавно было исследовано влияние ферроцена на кинетические параметры полимеризации ММА при проведении полимеризации в массе [143]. Показано, что если в качестве инициатора полимеризации использован пероксид бензоила (ПБ), то в присутствии ферроцена наблюдается сильный рост начальной скорости полимеризации, сопровождающийся падением степени полимеризации образующегося полимера. Этими же авторами изучена зависимость молекулярно– массовых характеристик и термостойкости ПММА от содержания ферроцена в полимеризующейся системе. Установлено, что влияние ферроцена на молекулярную массу ПММА определяется природой применяемого инициатора.

Введение ферроцена не влияет на начальную скорость полимеризации и не приводит к изменению молекулярной массы (ММ) образующегося полимера, если в качестве инициатора используется ДАК и вызывает резкое снижение как среднемассовой молекулярной массы (Mw), так и среднечисловой молекулярной массы (Mn) в случае полимеризации ММА, инициированной ПБ [143, 144]. Авторы вышеупомянутых работ высказали предположение, что ферроцен сильно снижает устойчивость пероксидной связи в ПБ и индуцирует распад последнего. Это указывает на образование малостабильного промежуточного комплекса ПБ– ферроцен, при распаде которого возникают инициирующие полимеризацию радикалы. Непосредственно комплексообразование ПБ с ферроценом было обнаружено при спектральных исследованиях [145]. В упомянутой работе сообщается об исследованиях спектров поглощения и стабильности комплекса ПБ– ферроцен в ацетонитриле. Установлено, что система стабильна при температурах ниже 20C. При более высоких температурах (от 20C до +20C) она может инициировать полимеризацию ММА. При исследовании полимеризации в массе концентрация ферроцена в ММА не превышала величины 103 моль/л [143145].

В течение нескольких последних лет были получены донорно–акцепторные полимерные системы, содержащие в качестве донора ферроцен или его производные, и показано, как такие соединения функционируют в оптических устройствах. Синтезированы донорно–акцепторные системы на основе фуллерена C60, содержащего полиферроценилсиланы [146], показано применение их для создания светодиодных устройств. В работах [147, 148] описан синтез ферроцен– замещенного донорно–акцепторного полимера, изучено влияние донорных и продемонстрирована возможность их применения в качестве оптических датчиков и переключателей [148, 149]. Донорно–акцепторные полимерные системы, синтезированные на основе ферроцена в качестве донора и фуллеренов в качестве акцепторов [150], а также политиофенов с производными ферроцена в боковых цепях [151] перспективны для создания cолнечных батарей. Полимеры, содержащие ферроцен, используются в оптических устройствах для анализа состава газовых смесей [152]. Синтезированные в [153, 154] полиферроценилсиланы являются защитными покрытиями, предохраняющими диэлектрики от разрушения рентгеновским излучением [153] и кислородной плазмой [154]. Полученные полимеры перспективны для применения в микро– и нанолитографии в качестве масок для травления. Обзор [155] посвящен результатам в области синтеза и применения полимеров на основе ферроцена и его производных, полученных в течение последних десяти лет. В частности, речь идет о новых полимерах с уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами, которые используются для создания оптических переключателей в компьютерах, мобильных телефонах и других технических устройствах. В качестве активной среды в таких оптических переключателях применяются сополимеры N–додецилакриламида и ферроценилметилакрилата. Работа [156] посвящена синтезу ферроцен–содержащих полиацетиленов с высоким показателем преломления, перспективных и как материал для изготовления световодов, и как металлообразующее вещество, и как металлообразующих веществ для синтеза полимерных систем с магнитными НЧ.

Несмотря на то, что научные исследования в области оптических свойств и фотохимических реакций ферроцена продолжаются несколько десятков лет [138], нелинейные, в частности, двухфотонные процессы поглощения лазерного излучения незамещенным ферроценом изучены лишь недавно [133]. Авторы этой работы показали, что для обеспечения протекания нелинейных процессов за счет двухфотонного поглощения излучения с длиной волны от 500 до 820 нм концентрация ферроцена в исследуемой среде должна быть высокой, не менее 0.2 – 0.3 моль/л. В работе [133] изучено действие Nd : YAG лазера (длина волны 532 нм) на концентрированные растворы ферроцена в толуоле. В процессе облучения растворов, помещенных в прозрачные кюветы, в них возникает поглощение в области 700 – 800 нм, которое не свойственно молекулярному ферроцену, но характерно для катион–радикалов ферроцения [138]. Однако, в отличие от кислых водных растворов солей ферроцения [138] в неполярной органической среде, катион–радикалы ферроцения неустойчивы, их время жизни составляет ~ 107 c [133]. Наряду с исследованием нелинейных оптических свойств незамещенного ферроцена, описанных в работе [133], недавно синтезирован ряд производных ферроцена, для которых показано, что они обладают нелинейным, в частности, двухфотонным поглощением в видимой и ближней ИК области [157 – 162].

Теоретически изучено двухфотонное поглощение ряда производных ферроцена [163, 164]. Показана возможность использования в качестве двухфотонных хромофоров таких замещенных ферроценов, где в роли заместителей выступают циано–замещенные производные остатки дигидрофурана [164]. Сведения о нелинейно–оптических свойствах полимерных композитов, содержащих производные ферроцена, пока еще совсем немногочисленны [165].

Таким образом, вопрос создания объемных композитов, содержащих высокие концентрации ферроцена в прозрачных полимерных матрицах, является в настоящее время открытым.

1.3. Основные способы получения и оптические свойства полимерных нанокомпозитов, содержащих наночастицы благородных металлов Наряду с традиционными оптическими полимерными материалами, которые представляют собой гомогенные, т.е. истинные растворы различных низкомолекулярных соединений в твердых полимерных матрицах, ведутся разработки полимерных композитов, в которых активные компоненты присутствуют в виде коллоидных частиц [166173]. В настоящее время такие коллоидные системы принято называть полимерными нанокомпозитами или нанокомпозиционными материалами.

К нанокомпозитам относятся структурированные материалы со средним геометрическим размером одного из компонентов (длина, ширина или толщина), лежащим в нанометровом диапозоне (1 100 нм) [174]. В последнее время уделяется много внимания созданию и изучению полимерных нанокомпозитов, содержащих наночастицы (НЧ) металлов и полупроводников. Такие композиты обусловленных размерными эффектами, и находят применение в различных областях науки и техники, в частности, для создания нелинейно–оптических элементов, получения сверхтонких металлических покрытий и высокоактивных каталитических систем [175].

Основные структурные параметры НЧ – их форма и размер. Физические, электронные и химические свойства НЧ, определяемые их чрезвычайно высокой удельной поверхностью (отношением поверхности к объему) значительно отличаются как от свойств макроскопического объемного образца твердого материала, так и от свойств отдельных атомов. В частности, физические характеристики НЧ существенно зависят от вида и числа атомов, из которых они свидетельствует о переходе вещества из состояния НЧ в макроскопическое состояние. Типичные размеры НЧ от 1 до 10 нм [174, 175], хотя верхняя граница размеров НЧ составляет несколько сотен нм [175182].

регистрирующих сред для трехмерной оптической записи информации высокой плотности. Нанокомпозиты были изготовлены из латексных частиц, состоящих из ядра и оболочки. Ядра частиц получали из окрашенного полимера, содержащего флуоресцентный краситель, химически связанный с макромолекулами. Оболочки представляли собой прозрачный, бесцветный, фотохимически инертный, нефлуоресцирующий полимер, температура стеклования которого значительно ниже температуры стеклования полимера, составляющего сердцевины латексных частиц. Отношение толщины оболочек к радиусу ядер не меньше 0.2. В этом случае в процессе термической обработки латекса, нанесенного на подложку, при условии, что температура отжига выше температуры стеклования полимера оболочки, но ниже температуры стеклования полимера ядра, формируется нанокомпозит, в котором флуоресцентные полимерные частицы равномерно распределены в инертной, прозрачной полимерной матрице и составляют гексагональную плотно упакованную структуру (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Схематическое изображение метода “ядро–оболочка” для изготовления нанокомпозита, приготовленного из полимерных частиц с диаметром ядра 500 нм и толщиной оболочек 250 нм (б), [166].

флуоресцентного мономера, который представлял собой акриловое производное красителя 4–хлор–7–нитро–1,2,3–бензоксодиазола. Максимумы поглощения и флуоресценции красителя составляли соответственно 476 и 540 нм. Оболочки мицелл были получены сополимеризацией ММА и бутилметакрилата в массовом отношении 2 : 1. Температуры стеклования полимеров, составляющих ядро и оболочку, были соответственно 134 и 90C.

Благодаря методу “ядро–оболочка”, авторы работ [166171] получили плотность окрашенных флуоресцентных частиц в синтезированном нанокомпозите от 2.61012 до 1016 см3 в зависимости от размеров исходных полимерных мицелл и отношения диаметра их ядра к толщине оболочек. Наиболее высокая плотность записи информации при наименьшем влиянии перекрестных помех была достигнута при диаметре ядра полимерных мицелл 500 нм и толщине оболочек нм. На Рисунке 3 (б) представлена структура пленки нанокомпозита, полученного из мицелл вышеупомянутых размеров. Периодически расположенные светлые участки соответствуют полимеру ядра, содержащему флуоресцентный краситель.

Черный фон здесь означает прозрачный, инертный полимер, из которого состоят оболочки мицелл.

упомянуть публикацию [172], которая является “продолжением” работ [166171]. В работе [172] также описан способ формирования монодисперсных полимерных микросфер. Однако в отличие от данных [166171], микросферы, изготовленные авторами [172], однородны по составу полимера вглубь по всей толщине. При этом снаружи они покрыты НЧ металлов (серебро) или полупроводников (сульфид кадмия). Авторы работы [172] предлагают использовать полученные композиты в качестве лазерных сред (интенсивная люминесценция наночастиц CdS) и нелинейно–оптических устройств, в частности, для оптической регистрации информации.

Работа [173] посвящена неорганическим нанокомпозитам с НЧ золота.

Изготовление композитов проводили следующим образом. Золь SiO2 в золотохлористоводородной кислоты в этиловом спирте и наносили на пластинки из кварцевого стекла методом центрифугирования. После этого их сушили в течение 30 с при 60C. Процесс нанесения и сушки пленок повторяли 3 раза, после чего полученную пленку выдерживали в течение 3 суток при комнатной температуре.

Толщина готовых пленок силикагеля, содержащего золотохлористоводородную кислоту, полученных авторами [173], составляла 2 мкм. Они были прозрачными, имели желтую окраску и характеризовались полосами поглощения в УФ области с максимумами при 220 и 310 нм. Для формирования НЧ золота путем фотовосстановления золотохлористоводородной кислоты пленочные образцы облучали лазерным излучением с длиной волны 355 нм.

Пленки силикагеля, содержащие НЧ золота, полученные методом фотовосстановления, использовались в качестве среды для оптической регистрации информации с высокой плотностью записи. При воздействии лазерным излучением с длиной волны 532 нм, которое соответствует полосе поглощения плазмонного резонанса НЧ золота, спектр поглощения облученной пленки смещается в область более коротких длин волн. На основании этого свойства была записана голограмма на такой пленке (Рисунок 4). Методом просвечивающей электронной микроскопии авторы [173] подтвердили, что изменение спектра поглощения происходит, благодаря уменьшению размеров частиц в пленке, вызванному лазерным излучением. Таким образом, при облучении пленок силикагеля, содержащих НЧ золота, лазерным излучением с длиной волны 532 нм “сигнал” записывается как изменение спектра поглощения облученной области, соответствующее изменению размера частиц золота в пленке. Средняя плотность частиц золота в пленке силикагеля составляла около 51022 м3. Следовательно, среднее расстояние между частицами составляет около 30 нм (Рисунок 4), что много меньше длины волны действующего лазерного излучения. Если сфокусировать записывающий лазерный луч в область порядка 1 мкм, то при этом будет достигнута плотность записи информации 100 Мбит/см2.

Рисунок 4 – Изображение записанной интерференционной картины, полученное при помощи оптического микроскопа [173].

При использовании НЧ металлов и полупроводников в нелинейно– оптических устройствах и в качестве катализаторов их стабилизируют, например, в жидком растворе, с помощью поверхностно–активных веществ, или в полимерной пленке, нанесенной на твердую подложку. Несмотря на сравнительно невысокую термическую стабильность, различные полимеры часто служат матрицей, фиксирующей НЧ [174, 175]. Выбор полимера обычно определяется теми свойствами, которыми должно обладать готовое изделие – оптическая прозрачность, влагостойкость, газопроницаемость, электропроводность и т.д. [175].

Традиционные методы введения наполнителей в композиты на смесительном оборудовании при механическом диспергировании не позволяют получить частицы меньше 1 мкм [176180]. Для синтеза полимерных нанокомпозитов применяются специальные методы [174, 175, 181].

Включение металлических НЧ в полимерные среды приводит к появлению аномальных оптических свойств, связанных, прежде всего, с размерными эффектами НЧ. Отличительной особенностью оптических нанокомпозиционных материалов является наличие функциональных связей между оптическим наполнителем и средой и влияние внешнего облучения на оптические свойства композитов. “Накачка” оптического композита возбуждающими фотонами и его реакция на такое воздействие показана на Рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема оптического нанокомпозита [175].

Для большого числа оптически активных систем, содержащих НЧ металлов в различных жидких и твердых неорганических и органических полимерных матрицах, характерно возникновение резонансных полос поглощения при = 800 нм (Рисунок 6) [175]. Они наблюдаются для НЧ щелочных, переходных и благородных металлов. Наиболее подробно изучены НЧ серебра, биметаллические НЧ, а также НЧ полупроводников – соединений элементов II–VI (CdS, CdSe) и III–V (InP, InAs) групп Периодической системы. Это поглощение обусловлено возбуждением плазмонных колебаний электронов в НЧ. Частота, интенсивность, форма и ширина полосы зависит от температуры, размера и формы частиц, природы матрицы, структуры композита. С уменьшением размеров частиц плазмонная частота, как правило, также убывает [175].

В течение двух последних десятилетий проводится разработка технологий, позволяющих получать нанокомпозиты путем формирования НЧ металла in situ в полимерных матрицах. При этом исследователи уделяли основное внимание повышению дисперсности частиц металла и равномерности их распределения в объеме полимерной матрицы [175, 181].

Рисунок 6 – Спектры поглощения в полиэтиленимине НЧ серебра ( 5 10 нм), ртути ( 5 10 нм) и биметаллических коллоидов HgAg. Отношение Hg : Ag при постоянном содержании Ag приведены на кривых [175].

В настоящее время известно большое количество различных жидких и твердых, в основном, пленочных нанокомпозитов, которые содержат НЧ металлов, близкие к монодисперсным. Наиболее пристальное внимание исследователей уделяется НЧ благородных металлов в связи со сравнительно простыми способами получения и стабилизации соответствующих коллоидных систем, химической инертностью и уникальными физическими, в частности, оптическими свойствами.

Золото занимает особое место среди металлов. Несмотря на малую распространенность в природе, золото известно человечеству и высоко ценится с древнейших времен. Однако вплоть до начала XX века золото в виде обычного макроскопического металла применяли практически только для изготовления женских украшений, деталей праздничных национальных костюмов различных народов мира, ювелирных изделий и чеканки монет, а также в зубоврачебном деле [182, 183185]. Ярко окрашенное коллоидное золото, известное как “кассиев пурпур”, на протяжении нескольких столетий используется как чрезвычайно стойкий к солнечному свету краситель для стекла. Первые грамотно поставленные научные исследования в этой области были выполнены М.В. Ломоносовым и относились к разработке методики изготовления цветных стекол. В середине XIX века М. Фарадей изучал водные коллоидные системы золота и впервые высказал гипотезу о зависимости окраски коллоидов от размеров частиц металла, а также описал агрегацию частиц золота в присутствии электролитов и защитную роль желатина и других природных полимеров (синтетические полимеры тогда еще не были известны) по отношению к водным коллоидам золота. На рубеже XIX и XX веков Р. Зигмонди опубликовал ряд фундаментальных работ, посвященных способам получения и изучению свойств коллоидных систем золота [186194].

Зигмонди впервые описал методы синтеза коллоидного золота с различными размерами частиц при использовании в качестве восстановителей пероксида водорода и формальдегида, а также исследовал физические, в частности, оптические свойства золей золота. Коллоидное золото было им использовано как экспериментальный объект при создании ультрамикроскопа. В XX веке были разработаны и описаны многочисленные методики приготовления коллоидных растворов золота [185239]. Общим для всех методов является восстановление соединений золота, чаще всего это золотохлористоводородная кислота и ее соли [184, 185, 195239]. Среди них следует отметить цитратный метод [197], разработанный в 1951 году; метод Шмида [202, 204, 206, 215218, 235], позволяющий получить монодисперсные кластеры состава [Au55{P(C6H5)3}12Cl6], и метод Брюста, который обеспечивает термическую и химическую устойчивость (к окислению) частиц золота диаметром от 1.5 до 5.2 нм [207, 212, 238, 239].

НЧ благородных металлов применяют для получения сверхтонких металлических покрытий [218, 235], в качестве катализаторов, устойчивых к окислению в условиях длительной эксплуатации [240], чрезвычайно светостойких текстильных красителей [241], как реагент в аналитической химии, микробиологии и геологии [182], а также для создания биологических маркеров для диагностики различных заболеваний, в т. ч. онкологических [175, 182, 185, 242]. Благодаря уникальным оптическим свойствам, НЧ золота используются также для создания нелинейных оптических элементов [243], лазерных сред, устройств связи, нанометровых структур для оптической записи информации [173].

Среди различных способов получения таких композитов преобладают два основных направления – синтез НЧ в растворах с последующим введением их в полимерную матрицу и синтез НЧ в твердой матрице in situ совместным осаждением мономера и металла из газовой фазы [244] и химическим восстановлением растворенных в мономере солей металлов [245249]. Во всех случаях актуальной является разработка способов получения систем с повышенной дисперсностью металлообразующих соединений и равномерным распределением их в пространстве матрицы.

Новый способ изготовления полимерных нанокомпозитов, охватывающий широкий круг как полимеров, так и металлов, описан в работе [246]. Полимерную пленку, площадь которой составляла несколько см2, а толщина – от 0.04 до 0.5 мм, помещали в стеклянную колбу, на внутренние стенки которой предварительно наносили соединение металла. Колбу заполняли азотом или аргоном и нагревали до температуры, превышающей температуру стеклования полимера на 5 10 градусов.

Среди металлообразующих соединений были выбраны такие, которые при нагревании до соответствующей температуры испаряются или сублимируются.

Таким образом, полимер, находящийся в высокоэластичном состоянии, насыщается газообразным соединением металла, которое при заданных условиях проведения эксперимента равномерно распределяется в полимере. Если температура кипения или сублимации металлообразующего вещества ниже температуры стеклования используемого полимера, то равномерное распределение исходного соединения и образующихся НЧ металла в стеклообразном полимере невозможно. После насыщения полимеров металлообразующими соединениями следовала дополнительная термическая обработка образцов для формирования НЧ. В работе [246] были использованы такие синтетические полимеры, как полиамиды, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты, эпоксидные смолы, и различные виниловые полимеры, например, полистирол, поливинилацетат, поливиниловый спирт, а также такие производные природных полимеров, как ацетат целлюлозы. В качестве металлообразующих веществ применяли комплексные соединения железа, кобальта, никеля, меди, родия, иридия, палладия, платины и золота с карбонильными, аллильными и циклопентадиенильными лигандами. Эти вещества характеризуются температурами кипения или сублимации от 25 до 170 C.

Один из наиболее распространенных путей синтеза объемных полимерных нанокомпозитов описан в работе [247]. Нанокомпозиты состава Ag/ПММА были изготовлены способом полимеризации ММА в массе с помощью радикальных инициаторов в присутствии трифторацетата серебра (I) с последующей стадией дополнительной термической обработки. Авторы работы [247] сравнили влияние двух радикальных инициаторов – ДАК и ПБ на формирование НЧ серебра и установили, что размер НЧ серебра в приготовленных нанокомпозитах увеличивается при повышении исходной концентрации ДАК и уменьшается при повышении исходной концентрации ПБ.

Известны также способы получения композитов на основе ПММА, содержащего НЧ родия, палладия, платины и золота радикальной полимеризацией в массе [245, 248]. Комплексные соли каждого из вышеперечисленных металлов растворяли в ММА одновременно с растворением радикального инициатора.

Полимеризацию проводили с помощью традиционных инициаторов ДАК и ПБ при температуре 6070 C. Затем следовало дополнительное прогревание полимера при температуре от 80 до 180 C в течение от 1 до 20 часов в зависимости от взятого соединения металла. Последняя стадия необходима для формирования НЧ металлов при термическом разложении комплексных солей. Авторы работ [245, 248] отмечают, что HAuCl4, несмотря на хорошую растворимость в ММА, не подходит для синтеза нанокомпозитов на основе ПММА способом радикальной полимеризации в массе, поскольку в процессе полимеризации, инициированной как ДАК, так и ПБ при 60 C в реакционных смесях выпадает металлический осадок. В этих работах золотохлористоводородная кислота использовалась лишь в качестве вспомогательного реагента для синтеза таких комплексных соединений, как тетрахлораурат (III) стеарилтриметиламмония [245] или тетрахлораурат (III) N– цетилпиридиния [248]. Авторами [248] изучена полимеризация ММА, содержащего тетрахлораурат (III) N–цетилпиридиния (Au–P16). При этом в мономере было растворено лишь 4.74104 моль/л металлообразующего соединения. Такая низкая концентрация не оказывала влияния на скорость полимеризации ММА.

Полимеризацию проводили при 60C в течение 6 часов. Концентрация ПБ составляла 0.02 моль/л в ММА перед полимеризацией. В результате авторы [248] получали прозрачные, практически бесцветные образцы ПММА. В дальнейшем полимер подвергали термической обработке при 140C в течение часа, которая приводила к его окрашиванию в красный цвет. Объемные полимерные композиты, изготовленные авторами [245, 248], были предназначены для использования в качестве декоративных строительных и отделочных материалов, способных выдержать многолетнюю эксплуатацию вне помещений. Главные требования к таким материалам – устойчивость по отношению к действию солнечного света и к резким колебаниям температуры окружающей среды, а также равномерная окраска крупнотоннажного производства строительных и отделочных материалов, являлось снижение себестоимости, поэтому в полимер вводили наименьшую концентрацию соединения золота, способную вызвать его окрашивание благодаря образованию коллоидного золота после термической обработки. Полимеризация в массе при более высоких концентрациях соединений золота в мономере и при более низких температурах в настоящее время не исследована.

Недавно разработана новая методика синтеза гибридных нанокомпозитов состава металл–полимер [249]. В этой работе описан способ in situ формирования нанокомпозитов, содержащих НЧ металлов в ПММА. Металлообразующее соединение растворяли в ММА перед проведением свободнорадикальной полимеризации традиционными методами суспензионной полимеризации или в массе. Соединение металла самопроизвольно равномерно распределяется внутри полимерной матрицы по всему объему при ее формировании во время синтеза металлообразующего соединения до НЧ металла проводится в атмосфере сверхкритического CO2, применяемого, во–первых, для облегчения доступа водорода, который используется в качестве восстановителя, и, во–вторых, для металлоорганического соединения, что приводит к получению нанокомпозита высокой чистоты. НЧ меди и серебра были выбраны в качестве модельных наночастиц для in situ синтеза в полимере, т.к. оба металла характеризуются различной окраской ионов при разных значениях степени окисления и НЧ вследствие наличия полосы плазмонного поглощения НЧ в видимой области спектра.

Полимер, содержащий соединение металла, имеющий вид порошка из мелких шариков или монолитного блока, синтезированный соответственно методом суспензионной полимеризации или способом полимеризации в массе, помещали в сосуд высокого давления, заполненный водородом (68 атм) и CO2 (суммарное давление 204 атм). При этом давлении исследуемые образцы нагревали до 80C в случае серебра или до 100C в случае меди и выдерживали в течение 8 часов. Далее образующийся нанокомпозит состава металл–полимер очищали сверхкритическим диоксидом углерода при 40C до полного удаления органических остатков разложения металлообразующих соединений.

Изучены особенности формирования НЧ золота под действием УФ излучения в твердой ПММА матрице, допированной золотохлористоводородной кислотой [250253]. Исследованные в этих работах композиты представляли собой пленки толщиной 20200 мкм, полученные методом полива или центрифугирования из растворов ПММА в различных органических растворителях, содержащих HAuCl4.

Показана возможность получения НЧ золота в ПММА матрице, содержащей HAuCl4, при воздействии УФ излучения с последующим прогревом при различных температурах, не превышающих температуру стеклования ПММА. Полученный нанокомпозит характеризуется наличием полосы поглощения в видимой области спектра, типичной для НЧ золота [173, 175, 182, 184, 185, 248]. В работе [253] показано, что в результате фотолиза золотохлористоводородной кислоты в полимерных пленках формируются НЧ золота, размер которых зависит от природы полимерной матрицы. Установлено, что увеличение свободного объема полимера при переходе от гомополимера ПММА к сополимеру ММАЭГА приводит к возрастанию среднего размера НЧ золота.

Использование золотохлористоводородной кислоты в качестве исходного соединения для формирования НЧ золота известно в случае проведения полимеризации в водных [254257] и органических [257261] растворах, но не в массе. Для восстановления этого металлообразующего соединения применяли борогидрид натрия [254, 259], гидразин [258] и броморганическую систему, содержащую Br2, [NEt4]Br и ацетонитрил [260]. Сведения по формированию НЧ золота без участия специальных реагентов – восстановителей (термическое восстановление HAuCl4 в неорганических средах [257] и фотохимическое немногочисленны.

растворителей на положение максимума полосы оптического поглощения НЧ золота [262]. Для стабилизации НЧ золота в толуоле использовался N– цетилтриметиламмонийхлоридом. В работе рассмотрено влияние природы бромид– и хлорид–ионов в составе стабилизаторов на фотохимическую устойчивость НЧ золота. Рассмотренные в [262, 263] процессы происходили в жидкой среде (толуол), а для восстановления HAuCl4 использовали борогидрид натрия. В работе [264] металлообразующего вещества для формирования золотых НЧ, но и как окислитель при проведении окислительно–восстановительной полимеризации мономера этилендиокситиофена, конденсирующегося из газовой фазы на твердой подложке из полиэтилентерефталата. Авторы [265268] синтезировали НЧ золота в водной среде, стабилизировали их серосодержащими ПАВ [265267], затем осуществили на поверхности стабилизированных золотых НЧ радикальную полимеризацию 2– изопропилакриламида [266], сополимеризацию ММА и гексилакрилата [267]. В работе [268] для стабилизации НЧ золота применяли полимеризующееся ПАВ и осуществляли их катионную полимеризацию. Авторы работы [269] провели окислительно–восстановительную полимеризацию тиофена на поверхности НЧ золота, с использованием HAuCl4 в качестве окислителя. В работе [270] золотые НЧ диаметром 20 нм стабилизировали низкомолекулярными ПАВ, к молекулам которых присоединяли инициатор 2–бромпропионилбромид, с помощью которого проводили радикальную полимеризацию изопропилакриламида с переносом атома в водной среде при комнатной температуре. В работах [271273] НЧ золота формировали путем восстановления водных растворов HAuCl4, после чего при помощи ПАВ, таких как тетраоктиламмония бромид, переносили в органические растворители, не смешивающиеся с водой, например, толуол. НЧ золота стабилизировали сополимерами стирола и винилфенола, которые предварительно синтезировали термической радикальной сополимеризацией в растворе [271].

Другие способы стабилизации НЧ золота – фотоинициированная эмульсионная полимеризация ММА с последующим внедрением НЧ внутрь полимеризующихся мицелл [272] и формирование пероксидных групп в молекулах такого стабилизирующего золотые наночастицы ПАВ, как меркаптоундекановая кислота, при помощи кислородной плазмы с последующей фотополимеризацией изопропилакриламида непосредственно на поверхности НЧ золота [273]. Авторы работы [274] осуществили термическую полимеризацию винилтиофена на поверхности НЧ золота, которые были стабилизированы многофункциональным полимерным радикальным инициатором на основе полистирола, содержащего азогруппы в середине макромолекул и метилкумариновые концевые группы. В качестве восстановителей HAuCl4 использовали мономер этилендиокситиофен [264], борогидрид натрия [265268, 271, 272, 274], тиофен [269], гидрид лития – алюминия [265], цитрат натрия [265, 273], аскорбиновая кислота [265, 268] и гидразин [271]. Описанные процессы полимеризации были проведены в тонких пленках твердых полимеров [264, 269] или в жидких средах [265268, 270274]. Во всех рассмотренных работах для формирования НЧ золота применяли золотохлористоводородную кислоту.

Несмотря на значительные достижения последнего десятилетия в синтезе полимерных нанокомпозитов, содержащих НЧ благородных металлов, в этой области существует еще много нерешенных вопросов, среди которых особенно важной является проблема проведения полимеризации мономеров в присутствии растворенных металлообразующих соединений в массе в мягких условиях и получение не только пленочных, но и объемных полимерных нанокомпозитов.

Золотохлористоводородная кислота является наиболее доступным соединением золота, и ее присутствие легко идентифицировать спектрофотометрически по наличию интенсивной полосы поглощения в УФ области с максимумом при длине волны 320 нм благодаря тетрахлораурат–аниону AuCl4– [173, 175, 248]. Вопрос о влиянии других соединений, содержащих ионы трехвалентного золота, на радикальную полимеризацию акриловых мономеров в настоящее время является открытым. Оптические свойства соединений с тетрахлораурат–анионом и комплексными органическими катионами изучены только в растворах [262, 263], но не в полимерных матрицах.

Интерес к разработке способов получения фоточувствительных композитов, опирающихся на использование оптических свойств и фотохимических реакций ферроцена настоящее время не только не снижается, но и неуклонно возрастает.

Лишь недавно предметом изучения стали нелинейные, в частности, двухфотонные процессы поглощения лазерного излучения незамещенным ферроценом. Сведения о нелинейно–оптических свойствах полимерных систем, содержащих ферроцен, пока еще совсем немногочисленны. Вопрос создания объемных композитов с высокими концентрациями ферроцена в прозрачных полимерных матрицах является в настоящее время открытым.

Принимая во внимание эти обстоятельства, в число основных направлений диссертационной работы включены задачи, связанные с исследованием процессов радикальной полимеризации ММА в присутствии ферроцена, при условии, что концентрация ферроцена в системе на порядок и более превышает концентрацию инициатора, и разработкой способов синтеза объемных фоточувствительных композитов на основе ПММА, насыщенного ферроценом. Также необходимо было изучить влияние золотохлористоводородной кислоты и тетрахлораурата (III) N– цетилпиридиния на радикальную полимеризацию ММА в массе и взаимодействие их с ММА и радикальными инициаторами для того, чтобы оптимизировать способ фотохимического наноструктурирования исходно гомогенных композитов, содержащих соединения золота (III), растворенные в прозрачной полимерной матрице.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Использованные вещества и способы их очистки Метилметакрилат (ММА) (ООО “Энергоэффект”, г. Дзержинск) перед использованием сушили над гидридом кальция (CaH2) (Sigma–Aldrich), затем перегоняли при пониженном давлении на установке для вакуумной перегонки жидкостей. Для предотвращения преждевременной полимеризации при хранении и в процессе перегонки к мономеру добавляли различные ингибиторы – гидрохинон, 2,2,6,6–тетраметилпиперидиноксил, дифенилолпропан или параметоксифенол в пределах 0.002 % по отношению к массе мономера.

В качестве инициаторов радикальной полимеризации применяли динитрил дициклогексилпероксидикарбонат (ДЦК). ДАК очищали перекристаллизацией из изопропилового спирта марки х.ч. при 50C, перекристаллизацию ПБ проводили также из изопропилового спирта при 60C. ДЦК очищали перекристаллизацией из гексана при комнатной температуре.

Ацетон и толуол марок ч.д.а. и ос.ч., бензол марки х.ч., гексан марки ч.д.а., диэтиловый эфир марки ч.д.а., изопропиловый спирт марки ч.д.а., хлороформ марок ч.д.а. и х.ч., бутилацетат марки х.ч., этилацетат марки х.ч. и тетрагидрофуран (ТГФ) марки ч использовали без дополнительной очистки.

Ферроцен марки ч.д.а. использовали без дополнительной очистки.

В качестве соединений, применяемых для формирования НЧ золота, называемых также металлообразующими соединениями – допантами, при получении полимерных нанокомпозитов на основе ПММА, содержащего НЧ золота, использовали золотохлористоводородную кислоту HAuCl4nH2O (где n = 4) марки х.ч. (ОАО “Аурат”) и тетрахлораурат (III) N–цетилпиридиния (в дальнейшем будет обозначен Au–P16). Золотохлористоводородную кислоту применяли без дополнительной очистки. Соединение Au–P16 синтезировали по методике, описанной в работе [248]. Перед началом синтеза готовили два водных раствора – золотохлористоводородной кислоты и N–цетилпиридиния хлорида (Merck), квалификации “for synthesis” одинаковых концентраций в пределах от 0.001 до 0.2 моль/л. Затем к 50–100 мл раствора золотохлористоводородной кислоты прибавляли такой же объем раствора N–цетилпиридиния хлорида при интенсивном перемешивании при комнатной температуре. Образующийся в результате химической реакции желтый осадок выделяли путем фильтрования, промывали дистиллированной и бидистиллированной водой, затем сушили на воздухе при комнатной температуре. Далее его очищали перекристаллизацией из хлороформа. Полученные желтые кристаллы перед полимеризацией растворяли в ММА.

Для изготовления пленок методом полива готовили растворы ПММА марки ЛСО–М, ( ММ ~ 2105) синтезированного способом суспензионной полимеризации (ООО “Энергоэффект”, г. Дзержинск). Полимер предварительно очищали от остаточного мономера путем растворения в ацетоне и осаждения в петролейный эфир или гексан. После этого очищенный ПММА сушили до постоянной массы при температуре 130 – 150 С.

2.2. Методы получения полимерных композитов Исследуемые полимерные образцы готовили в виде пленок и в виде объемных блоков, соответственно, методами полива и радикальной полимеризации в массе.

Для получения пленок методом полива применяли 1520% по массе растворы очищенного суспензионного ПММА в хлороформе, ацетоне, этилацетате, тетрагидрофуране или в более высококипящих растворителях, таких как толуол или бутилацетат. К раствору полимера добавляли раствор изучаемого соединения в том же растворителе, т.е готовили рабочий раствор. На предметный столик, поверхность которого тщательно отрегулирована по уровню, помещали сухую, чистую чашку Петри. Ее заполняли рабочим раствором, после чего его накрывали стеклянным колпаком для уменьшения скорости испарения растворителя и улучшения качества поверхности образца. В течение 23 суток в случае применения хлороформа, этилацетата, тетрагидрофурана или ацетона или в течение 68 суток при использовании в качестве растворителя толуола или бутилацетата из рабочего раствора формируется твердая, прозрачная, однородная пленка или пластинка, толщина которой, в зависимости от поставленной задачи, достигала от 0.05 мм до 0.5 мм. По истечении указанного времени снимали стеклянный колпак и выдерживали полученную пленку в течение еще 35 суток в вытяжном шкафу при комнатной температуре для возможно более полного удаления растворителя, т.е. до достижения постоянной массы пленки.

радикальной полимеризации в массе. Для этого определенное количество инициатора полимеризации растворяли в ММА. Затем в мономер, содержащий инициатор, вводили необходимое количество ферроцена или соединения золота.

При исследовании влияния концентрации вещества, растворенного в мономере, на процесс полимеризации путем последовательных разбавлений концентрированного раствора мономером, содержащим инициатор, готовили серии растворов, имеющих различные концентрации исследуемого соединения. В других случаях готовили серии растворов с фиксированной концентрацией исследуемого соединения и различными концентрациями инициатора полимеризации в мономере.

Объемные полимерные системы на основе ПММА получены при насыщении ММА ферроценом, если применяли инициатор ДАК. В случае использования ПБ при насыщении мономера ферроценом получалась лишь вязкая масса, т.к.

полимеризация останавливалась при 33.7% конверсии. Полимеризацию ММА в присутствии ферроцена исследовали в широком интервале концентраций последнего, от 5104 моль/л, что близко к значениям, приведенным в работах [143, 144], до насышения мономера ферроценом при 0.5 моль/л. Реакцию между ферроценом и ПБ проводили по методике [138]. Исследовали влияние продукта этой реакции на полимеризацию ММА при инициировании как азосоединениями, так и органическими пероксидами.

Полимеризацию ММА, содержащего соединения трехвалентного золота золотохлористоводородную кислоту или тетрахлораурат (III) N–цетилпиридиния изучали в интервале концентраций этих соединений от 104 до 102 моль/л и в интервале температур от 20 до 60C. Инициирование проводили как при помощи азосоединений, так и органических пероксидов.

Полимеризацию проводили в стеклянных ампулах – дилатометрах. Перед началом полимеризации из реакционных смесей удаляли растворенный кислород путем трехкратного замораживания их в жидком азоте в условиях вакуума. Затем ампулы запаивали в пламени газовой горелки, тщательно перемешивали их содержимое, и помещали в термостат с заданной температурой. При достижении нужной степени конверсии дилатометры извлекали из термостата и охлаждали жидким азотом для прекращения полимеризации. После этого выделяли полимеры трехкратным осаждением в диэтиловый эфир, изопропиловый спирт или гексан из растворов в бензоле, толуоле, ацетоне, этилацетате, бутилацетате или хлороформе.

При необходимости получения объемных образцов твердых растворов полимеризацию проводили до глубокой степени конверсии, постепенно повышая температуру реакционных смесей в течение периода времени от нескольких часов до нескольких суток. Температура начальной стадии полимеризации составляла 45С в случае применения инициатора ДЦК или 60C, если в качестве инициаторов использовали ПБ или ДАК. Процессы полимеризации в массе завершали при 110C для того, чтобы снизить содержание остаточного мономера в образцах.

Конверсию мономера определяли по уменьшению объема реакционной смеси в ходе полимеризации. Между изменением объема полимеризующегося мономера и величиной конверсии существует линейная зависимость, которая выражается уравнением [30–35, 275].

Здесь p – конверсия мономера, %;

V – первоначальный объем реакционной смеси при температуре проведения полимеризации, V – уменьшение объема реакционной смеси в процессе полимеризации, K – величина контракции.

Значения плотности и контракции ММА при различных температурах, необходимые для дилатометрического определения скоростей полимеризации, приведены в [34].

2.3. Взаимодействие ферроцена и соединений золота (III) с компонентами Изменение концентраций соединений, вводимых в полимеризационную систему, происходящее в результате взаимодействия их с мономером и/или с радикальными инициаторами, регистрировали спектрофотометрически. При изучении взаимодействия ферроцена с инициаторами полимеризации в толуоле растворяли два образца ПММА предельно глубокой степени конверсии, которую удавалось достичь при насыщении ММА ферроценом. Один образец синтезировали с помощью ДАК, другой – с помощью ПБ. Затем готовили “контрольный” раствор путем растворения суспензионного ПММА в толуоле, содержащем такое количество растворенного ферроцена, что его концентрация в полимере соответствовала максимально возможной при проведении полимеризации в массе.

Из этих трех растворов методом полива получали пленки. Оптические спектры поглощения пленок записывали при помощи спектрофотометров СФ–2000 и СФ– 256.

Взаимодействие ферроцена с инициаторами полимеризации рассматривали также в инертных растворах в отсутствие как мономеров, так и полимеров. В качестве растворителя в этом случае использовали смесь ацетона с изопропиловым спиртом в объемном отношении ацетон : изопропиловый спирт = 1 : 2. Готовили нескольких серий растворов с фиксированной концентрацией ферроцена и различными концентрациями ДАК и ПБ. Другие серии растворов содержали фиксированные концентрации инициаторов при отличающихся концентрациях ферроцена.

ИК спектры ферроцена и продукта его взаимодействия с ПБ регистрировали на спектрофотометре “Specord IR–75”.

Взаимодействие золотохлористоводородной кислоты и соединения Au–P16 с соответствующих растворов при различных температурах в течение определенных промежутков времени. В качестве растворителей использовали изопропиловый спирт в случае HAuCl4 и бутилацетат – при работе с Au–P16, потому что последнее соединение нерастворимо в спиртах. Взаимодействие золотосодержащих соединений с ДАК и ПБ изучали при 60C, с дициклогексилпероксидикарбонатом (ДЦК) от 23 до 50C. Изменение концентрации золотохлористоводородной кислоты контролировали путем регистрации спектров оптического поглощения исследуемых растворов в УФ области по уменьшению интенсивности полосы поглощения с максимумом при длине волны 320 нм. Поглощение растворов измеряли при помощи спектрофотометров СФ–2000 или СФ–256.

2.4. Методы исследования свойств синтезированных полимерных композитов композитов. Определение молекулярных масс (ММ) полимеров проводили вискозиметрическим методом. Характеристическую вязкость [] растворов ПММА определяли при помощи вискозиметра Уббелоде с висячим уровнем. Время истечения растворов полимеров измеряли при заданной температуре. Время истечения чистого растворителя составляло:

1) бензол, при 30 C – 147.3 с;

2) хлороформ, при 20 C – 90.8 с;

3) толуол, при 25 C – 144.5 с.

ММ вычисляли по уравнению Марка–Куна–Хаувинка:

Использовались следующие значения констант:

для бензола при 30C K = 8.6910–5, = 0.76 [276] (для среднечисловых значений);

для бензола при 25C K = 4.6810–5, = 0.77 (седиментация – для среднемассовых значений ММ) и K = 0.9410–4, = 0.76 (осмометрия – для среднечисловых значений ММ) [277–279];

для хлороформа при 20C K = 0.4910–4, = 0.82 (для среднечисловых значений) [277–279].

для толуола при 25C K = 0.7110–4, = 0.73 (для среднемассовых значений по светорассеянию) [277–279].

Анализ молекулярно–массовых характеристик синтезируемых полимеров проводили методом гель–проникающей хроматографии [280] при 40C на жидкостном хроматографе “PROMINENCE LC–20VP” (Shimadzu) с колонками, заполненными сополимером стирола и дивинилбензола с размерами пор 1106 и 1105, снабженном рефрактометрическим и УФ детекторами. В качестве элюента служил тетрагидрофуран.

Определение температуры стеклования и содержания остаточного полимерных композитов определяли с помощью прибора “ВИКА” при скорости нагревания 2С/мин. Процентное содержание остаточного мономера в образцах, синтезированных на основе ПММА глубоких конверсий определяли бромид– броматным методом. Методика эксперимента описана в [281].

микроструктурирования в объеме полимерных композитов. Для изучения зависимости оптической стойкости объемных композитов на основе ПММА от содержания ферроцена в качестве основной характеристики был выбран порог начала лазерного микроструктурирования вещества в объеме. При проведении этих относительно поверхности объемного образца. Под перетяжкой следует понимать область фокусировки лазерного пучка, прошедшего через линзу. Это было необходимо, поскольку доза лазерного излучения, при которой начинается микроструктурирование, сильно зависит от качества обработки полимерного образца. Изготовленные прозрачные образцы в форме параллелепипедов с размерами от 2 до 10 мм были однородны по своему составу по всему объему, что было доказано путем исследования пропускания образцов в разных точках и сечениях. В исследованиях, проводимых в Институте прикладной физики воздействующего излучения является облучение образцов последовательностью микроструктурирования композита использовали фемтосекундный лазер, генерирующий импульсы длительностью 50 фс, частотой следования 78 МГц.

Основная длина волны лазерного излучения составляла 800 нм, ширина спектра нм. Указанная спектральная полоса расположена в области прозрачности для всех исследуемых полимерных композитов, как содержащих, так и не содержащих ферроцен. Средняя мощность генерируемого лазерного излучения не превосходила 0.5 Вт, диаметр пучка 2 мм. Для увеличения воздействующей интенсивности излучения применяли линзы (кварцевая линза с фокусным расстоянием 5 см и короткофокусная линза с компенсацией аберраций фирмы Thorlab с фокусным расстоянием 6.25 мм и числовой апертурой 0.4). Оптическая схема эксперимента и внешний вид экспериментальной установки представлены на Рисунке 7 и Рисунке 8 соответственно.

Генерируемое фемтосекундным лазером излучение было отрегулировано по мощности при помощи аттенюатора. Уровень мощности контролировали при помощи отведения излучения на измеритель оптической мощности (ИОМ). Для установки образца необходимо перекрывать лазерный луч, что осуществляли при помощи затвора. Далее излучение собирали при помощи фокусирующей линзы, в результате чего оно попадало на образец.

Фемтосекундный чувствительности композитов на основе ПММА от концентрации ферроцена и осуществления их лазерного микроструктурирования.

Рисунок 8 – Используемый лазер (а), внешний вид экспериментальной установки (б), образец, помещенный за линзой с большой числовой апертурой (NA=0.4) (в).

Образцы представляли собой параллелепипеды или пластины как из чистого ПММА, так и из композита на основе ПММА, содержащго от 0.3 до 0.6 моль/л ферроцена. Внешний вид исследуемых образцов представлен на Рисунке 9.

Фокальная перетяжка находилась в объеме образца. Для перемещения образца использовали двухкоординатный трансляционный столик с микрометрическими винтами, что позволяло регулировать положение образца вдоль относительно фокальной перетяжки, а также выбирать новую область воздействия в образце путем перемещения поверхности образца поперек луча. Уровень прошедшего излучения регистрировали при помощи измерителя оптической мощности. Для наблюдения происходящих в образце изменений в ходе его облучения применяли фотокамеру Canon с частотой съемки 30 кадров в 1 с, что оказалось достаточным для регистрации характерных процессов, необходимых для определения времени начала лазерного микроструктурирования образца. Кроме того, на экране, помещенном за образцом, фиксировали картину структуры прошедшего лазерного пучка. Так, сразу после действия лазерного излучения на образец образца по экрану пробегали характерные кольца, свидетельствующие о сильном изменении структуры образца в фокальной перетяжке.

Рисунок 9 – Внешний вид образцов с масштабной линейкой. Образцы синтезированы полимеризацией в массе при 0.015 моль/л ДАК в ММА. Оранжевые образцы содержат 0.6 моль/л ферроцена в ПММА. Бесцветные образцы не содержат ферроцен.

Изучение состава и оптических свойств композитов на основе ПММА и соединений золота (III). Для нахождения концентрации золота в объемных композитах на основе ПММА, синтезированных при концентрации 0.02 моль/л Au– P16, растворенного в ММА, исследуемые полимерные образцы сжигали в муфельной печи при 500 C. Затем проводили анализ полученного металлического остатка методом атомно–эмиссионной спектроскопии.

Объемные образцы композитов на основе ПММА подвергали УФ облучению ртутно–кварцевой лампой в течение 45 минут или XeCl лазером с длиной волны излучения 308 нм в течение от (1 + 1) до (15 + 15) минут с каждой из двух расположенных друг напротив друга граней исследуемого полимерного образца, имеющего форму цилиндра или параллелепипеда. За облучением следовал процесс термической обработки образца при различных температурах, превышающих температуру стеклования ПММА.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Синтез полиметилметакрилата, содержащего высокие концентрации ферроцена, радикальной полимеризацией в массе Для получения композитов, способных к лазерному микроструктурированию, благодаря нелинейным, в частности, двухфотонным фотохимическим процессам [282, 283], были исследованы особенности полимеризации ММА в массе при насыщении мономера ферроценом. Чтобы повысить вероятность протекания двухфотонных процессов, исследуемая система, в частности, полимерный композит, должна содержать как можно больше молекул нелинейного хромофора, являющихся центрами двухфотонного поглощения. Поэтому в полимерную матрицу необходимо вводить высокие концентрации соединений, являющихся нелинейными хромофорами, позволяющие обеспечить их равномерное распределение и однородность физических и химических свойств композитов по всему объему.

3.1.1. Роль природы инициатора при полимеризации метилметакрилата, содержащего высокие концентрации ферроцена В настоящее время известно [138], что соли ферроцения вступают в реакцию со свободными радикалами. Ферроцен не взаимодействует со свободными радикалами в условиях, исключающих образование катион–радикалов ферроцения.

Последние реагируют как с арильными, так и с алкильными радикалами [138].

Именно поэтому в работе использовались радикальные инициаторы различной природы. Полученные результаты опубликованы в [284–286].

Катион–радикалы ферроцения проявляют высокую реакционную способность при взаимодействии с образующимися при разложении ДАК алкильными радикалами. Результатом реакции является –цианопропилферроцен [287]. Сам ферроцен не реагирует с цианопропильными радикалами.