ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-1-10-17ntv-250Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGОптические композиты на основе органических полимеров и полупроводниковых пигментовOptical composites based on organic polymers and semiconductor pigmentshttps://orcid.org/0000-0002-6325-1507ВолынкинВ. М.VolynkinV. M.

Волынкин Валерий Михайлович — кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник

sc 6601999426

Санкт-Петербург, 192171

Valery M. Volynkin — PhD, Leading Researcher

sc 6601999426

Saint Petersburg, 192171

Vvolynkin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0160-8443ЕвстропьевС. К.EvstropievS. K.

Евстропьев Сергей Константинович — доктор химических наук, доцент, начальник отдела

sc 6507317768

Санкт-Петербург, 192171

Sergey K. Evstropiev — D.Sc., Associate Professor, Head of Department

sc 6507317768

Saint Petersburg, 192171

evstropiev@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8861-2527БулыгаД. В.BulygaD. V.

Булыга Дмитрий Владимирович — аспирант

sc 57217158694

Санкт-Петербург, 197101

Dmitry V. Bulyga — PhD Student

sc 57217158694

Saint Petersburg, 197101

dmbulyga@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3461-3350МорковскийА. В.MorkovskyA. V.

Морковский Артем Владимирович — студент

sc 57217158694

Самара, 443010

Artyom V. Morkovsky — Student

sc 57217158694

Samara, 443010

artuom.igrun@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7898-974XПашинС. С.PashinS. S.

Пашин Станислав Сергеевич — заместитель директора

sc 57190843183

Самара, 443010

Stanislav S. Pashin — Deputy Director

sc 57190843183

Samara, 443010

pashinstanislav@outlook.comhttps://orcid.org/0000-0002-1627-7499ДукельскийК. В.DukelskyK. V.

Дукельский Константин Владимирович — кандидат технических наук, доцент, генеральный директор

sc 6602633236

Санкт-Петербург, 192171

Konstantin V. Dukelsky — PhD, Associate Professor, CEO

sc 6602633236

Saint Petersburg, 192171

kdukel@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8737-5486БурдинА. В.BurdinA. V.

Бурдин Антон Владимирович — доктор технических наук, доцент, заместитель генерального директора

sc 6701518987

Санкт-Петербург, 192171

Anton V. Burdin — D.Sc., Associate Professor, Deputy CEO

sc 6701518987

Saint Petersburg, 192171

bourdine-av@psuti.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9857-7200БондаренкоИ. Б.BondarenkoI. B.

Бондаренко Игорь Борисович — кандидат технических наук, доцент, доцент

sc 57191340641

Санкт-Петербург, 193232

Igor B. Bondarenko — PhD, Associate Professor, Associate Professor

sc 57191340641

Saint Petersburg, 193232

igorlitmo@rambler.ruАО «Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»РоссияJSC S.I. Vavilov State Optical InstituteRussian FederationУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationПоволжский государственный университет телекоммуникаций и информатикиРоссияPovolzhskiy State University of Telecommunications & InformaticsRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. профессора М.А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of TelecommunicationsRussian Federation2022161220242211017Copyright © Волынкин В.М., Евстропьев С.К., Булыга Д.В., Морковский А.В., Пашин С.С., Дукельский К.В., Бурдин А.В., Бондаренко И.Б., 20242024Волынкин В.М., Евстропьев С.К., Булыга Д.В., Морковский А.В., Пашин С.С., Дукельский К.В., Бурдин А.В., Бондаренко И.Б.Volynkin V.M., Evstropiev S.K., Bulyga D.V., Morkovsky A.V., Pashin S.S., Dukelsky K.V., Burdin A.V., Bondarenko I.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/250

Предмет исследования. Представлены результаты разработки оптических органо-неорганических композиционных материалов, которые обладают высоким поглощением света в видимой части спектра и высоким отражением в ближней инфракрасной области спектра. Такие оптические материалы используются в качестве покрытий в промышленности и строительстве. Метод. Для создания оптических композитов использованы эпоксидные и эпоксидно-полиуретановые полимерные матрицы, содержащие неорганические полупроводниковые частицы (CuS, PbS, Fe3O4). При получении однородных композиционных материалов применены высокодисперсные порошки неорганических пигментов. Синтез дисперсных порошков сульфидов меди (CuS) и свинца (PbS) осуществлен методом химического осаждения из растворов в присутствии органического стабилизатора. Исследования кристаллической структуры и морфологии порошков неорганических пигментов выполнены методами оптической микроскопии и рентгенофазового анализа. Микротвердость по Виккерсу полученных композитов определена с помощью прибора ПМТ-3. Основные результаты. На основании данных рентгенофазового анализа выполнен расчет среднего размера кристаллитов по формуле Шеррера. Установлено, что свежеосажденные порошки CuS и PbS состоят из нанокристаллов, имеющих размер 11–20 нм. Данные оптической микроскопии свидетельствуют о формировании в порошках агрегатов полупроводниковых нанокристаллов. Эксперименты продемонстрировали, что все синтезированные композиты обладают низким коэффициентом отражения (менее 0,06) в видимой части спектра и повышенным коэффициентом отражения в ближней инфракрасной области спектра (0,13–0,15 и более). Результаты исследования показали, что применение эпоксидно-полиуретановых полимерных матриц обеспечивает большую микротвердость композиционных материалов, по сравнению с композитами на основе эпоксидных полимеров. Наибольшие значения микротвердости наблюдались в композиционных материалах на основе эпоксидно-полиуретановых полимеров, содержащих высокодисперсные частицы Fe3O4. Практическая значимость. Полученные в работе органо-неорганические композиты могут быть использованы в промышленности и строительстве в качестве материала черных светопоглощающих покрытий, которые характеризуются повышенным коэффициентом отражения света в ближней инфракрасной области спектра и высокой микротвердостью.

The aim of the work was the development of optical organic-inorganic composite materials with high absorption of light the visible part of the spectrum and high reflection in the near infrared region of the spectrum. Such materials are used in industry and construction as coatings. To create these optical composites, epoxy and epoxy-polyurethane polymer matrices containing inorganic semiconducting particles (CuS, PbS, Fe3O4) were used. Highly dispersive powders of inorganic pigments were used for the preparation of homogeneous composite materials. The wet precipitation method with the application of organic stabilizing additions was applied for the preparation of dispersive CuS and PbS powders. Optical microscopy and X-ray diffraction analysis helped to study the crystal structure and morphology of the obtained semiconductor pigments. PMT-3 device was applied for microhardness measurements of the prepared composite materials. Based on the data of X-ray diffraction analysis, the average crystallite size was calculated using the Scherrer formula. It was found that freshly precipitated CuS and PbS powders consist of nanocrystals with a size of 11–20 nm. Optical microscopy data indicate the formation of aggregates of semiconductor nanocrystals in powders. Experiments have shown that all synthesized composites have low light reflection coefficient (less than 0.06) in the visible part of the spectrum and an increased light reflection coefficient in the near infrared region of the spectrum (0.13–0.15 and more). The results of the study showed that the use of epoxy-polyurethane polymer matrices provides greater microhardness of composite materials, compared to the composites based on epoxy polymers. The highest microhardness values were observed in composite materials based on epoxy-polyurethane polymers containing highly dispersed Fe3O4 particles. Obtained organic-inorganic composites could be used as materials for light-absorbing coatings in different industrial applications.

эпоксидный полимерполиуретанPbSCuSмагнетитepoxy polymerpolyurethanePbSCuSmagnetiteReferencesTakeda H., Yabuki K. Visible light absorbing film, structural member having this visible light absorbing film and visible light absorbing ink which forms visible light absorbing film. Patent US 7927696 B2. 2011.Takeda H., Yabuki K. Visible light absorbing film, structural member having this visible light absorbing film and visible light absorbing ink which forms visible light absorbing film. Patent US7927696B2, 2011.Qin J., Qu J., Song J.R., Song Z.N., Zhang W.D., Shi Y.X., Zhang T., Xue X., Zhang R.P., Zhang H.Q., Zhang Z.Y., Wu X. The optical properties of black coatings and their estimated cooling effect and cooling energy savings potential // Journal of Power and Energy Engineering. 2014. V. 2. P. 68–75. http://dx.doi.org/10.4236/jpee.2014.24011Qin J., Qu J., Song J.R., Song Z.N., Zhang W.D., Shi Y.X., Zhang T., Xue X., Zhang R.P., Zhang H.Q., Zhang Z.Y., Wu X. The optical properties of black coatings and their estimated cooling effect and cooling energy savings potential. Journal of Power and Energy Engineering, 2014, vol. 2, pp. 68–75. http://dx.doi.org/10.4236/jpee.2014.24011Гершбейн А.М. Способ получения изображения и печатная краска для осуществления этого способа. Патент RU 2244631 С2. Бюл. 2005. № 2.Gershbejn A.M. Method for production of image and printing ink for realization of this method (modifications). Patent RU 2244631 С2, 2005. (in Russian)Sanada K. Infrared reflecting black pigment, coating material and resin composition. Patent EP 1847512 A1. 2006.Sanada K. Infrared reflecting black pigment, coating material and resin composition. Patent EP 1847512 A1, 2006.Мартинкевич А.А., Прокопчук Н.Р. Пигменты для современных лакокрасочных материалов: учеб.-метод. пособие. Минск: БГТУ, 2014. 130 с.Martinkevich A.A., Prokopchuk N.R. Pigments for Modern Paints and Varnishes. Minsk, BSTU Publ., 2014, 130 p. (in Russian)Fang V., Kenedy J., Futter J., Manning J. A review of infrared reflectance properties of metal oxide nanostructures: GNS Science Report 2013/39. 23 p.Fang V., Kenedy J., Futter J., Manning J. A review of infrared reflectance properties of metal oxide nanostructures. GNS Science Report 2013/39, 23 p.Волынкин В.М., Киселев В.М., Евстропьев С.К., Бурчинов А.Н., Матвеенцев А.В. Светопоглощающее покрытие. Патент RU 2626838 C2. Бюл. 2017. № 22.Volynkin V.M., Kiselev V.M., Evstropev S.K., Burchinov A.N., Matveentsev A.V. Light-absorbing coating. Patent RU 2626838 C2, 2017. (in Russian)Киселев В.М., Бурчинов А.А., Волынкин В.М., Евстропьев С.К., Матвеенцев А.В. Светопоглощающие композиционные покрытия на основе оксидных полых микросфер и сульфида свинца // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 12. С. 60–64.Kiselev V.M., Burchinov A.A., Volynkin V.M., Evstropev S.K., Matveentsev A.V., Composite light-absorbent coatings based on hollow oxide microspheres and lead sulfide. Journal of Optical Technology, 2015, vol. 82, no. 12, pp. 824–826. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000824Graighead H.G., Howard R.E. Light-absorbing materials. Patent US 4284689 A. 1981.Graighead H.G., Howard R.E. Light-absorbing materials. Patent US 4284689 A, 1981.Самсонов К.Н. Светопоглощающее покрытие. Полезная модель RU 126149 U1. Бюл. 2013. № 8.Samsonov K.N. Light-absorbing coating. Patent RU 126149 U1, 2013. (in Russian)Nabiyouni G., Moghimi E., Hedayati K., Jalajerdi R. Room temperature synthesis of lead sulfide nanoparticles // Main Group Metal Chemistry. 2012. V. 35. N 5-6. P. 173–178. https://doi.org/10.1515/mgmc-2012-0036Nabiyouni G., Moghimi E., Hedayati K., Jalajerdi R. Room temperature synthesis of lead sulfide nanoparticles. Main Group Metal Chemistry, 2012, vol. 35, no. 5-6, pp. 173–178. https://doi.org/10.1515/mgmc-2012-0036Chongad L.S., Sharma A., Banerjee M., Jain A. Synthesis of lead sulfide nanoparticles by chemical precipitation method // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 755. P. 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/755/1/012032Chongad L.S., Sharma A., Banerjee M., Jain A. Synthesis of lead sulfide nanoparticles by chemical precipitation method. Journal of Physics: Conference Series, 2016, vol. 755, pp. 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/755/1/012032Evstropiev S.K., Kislyakov I.M., Bagrov I.V., Belousova I.M. Stabilization o f PbS quantum dots by high molecula r polyvinylpyrrolidone // Polymers for Advanced Technology. 2016. V. 27. N 3. P. 314–317. https://doi.org/10.1002/pat.3642Evstropiev S.K., Kislyakov I.M., Bagrov I.V., Belousova I.M. Stabilization o f PbS quantum dots by high molecula r polyvinylpyrrolidone. Polymers for Advanced Technology, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 314–317. https://doi.org/10.1002/pat.3642Lu S., Sohling U., Krajewski T., Mennig M., Schmidt H.K. Synthesis and characterization of PbS nanoparticles in ethanolic solution stabilized by hydroxypropyl cellulose // Journal of Materials Science Lette rs. 1998. V. 17. N 24. P. 2071–2073. https://doi.org/10.1023/A:1006671814597Lu S., Sohling U., Krajewski T., Mennig M., Schmidt H.K. Synthesis and characterization of PbS nanoparticles in ethanolic solution stabilized by hydroxypropyl cellulose. Journal of Materials Science Letters, 1998, vol. 17, no. 24, pp. 2071–2073. https://doi.org/10.1023/A:1006671814597Huang Z., Zhai G., Zhang Z., Zhang C., Xia Y., Lian L., Fu X., Zhang D., Zhang J. Low cost and large scale synthesis of PbS quantum dots with hybrid surface passivation // CrystEngComm. 2017. V. 19. N 6. P. 946–951. https://doi.org/10.1039/C6CE02471HHuang Z., Zhai G., Zhang Z., Zhang C., Xia Y., Lian L., Fu X., Zhang D., Zhang J. Low cost and large scale synthesis of PbS quantum dots with hybrid surface passivation. CrystEngComm, 2017, vol. 19, no. 6, pp. 946–951. https://doi.org/10.1039/C6CE02471HБагров И.В., Данилов В.В., Евстропьев С.К., Киселев В.М., Кисляков И.М., Панфутова А.С., Хребтов А.И. Фотоиндуцированное изменение люминесцентных свойств суспензий наночастиц PbS, стабилизированных поливинилпирролидоном // Письма в Журнал технической физики. 2015. Т. 41. № 2. С. 25–33.Bagrov I.A., Danilov V.V., Evstrop’ev S.K., Kiselev V.M., Kislyakov I.M., Panfutova A.S., Khrebtov A.I. Photoinduced variation of the luminescent properties of PbS nanoparticle suspensions stabilized by polyvinylpyrrolidone. Technical Physics Letters, 2015, vol. 41, no. 1, pp. 65–68. https://doi.org/10.1134/S1063785015010198Jiao Y., Gao X., Lu J., Chen Y., Zhou J., Li X. A novel method for PbS quantum dot synthesis // Materials Letters. 2012. V. 72. P. 116–118. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.12.068Jiao Y., Gao X., Lu J., Chen Y., Zhou J., Li X. A novel method for PbS quantum dot synthesis. Materials Letters, 2012, vol. 72, pp. 116–118. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.12.068Fu H., Tsang S.-W., Zhang Y., Ouyang J., Lu J., Yu K., Tao Y. Impact of the growth conditions of colloidal PbS nanocrystals on photovoltaic device performance // Chemistry of Materials. 2011. V. 23. N 7. P. 1805–1810. https://doi.org/10.1021/cm200051jFu H., Tsang S.-W., Zhang Y., Ouyang J., Lu J., Yu K., Tao Y. Impact of the growth conditions of colloidal PbS nanocrystals on photovoltaic device performance. Chemistry of Materials, 2011, vol. 23, no. 7, pp. 1805–1810. https://doi.org/10.1021/cm200051jShyju T.S., Anandhi S., Sivakumar R., Gopalakrishnan R. Studies on lead sulfide (PbS) semiconducting thin films deposited from nanoparticles and its NLO application // International Journal of Nanoscience. 2014. V. 13. N 1. P. 1450001. https://doi.org/10.1142/S0219581X1450001XShyju T.S., Anandhi S., Sivakumar R., Gopalakrishnan R. Studies on lead sulfide (PbS) semiconducting thin films deposited from nanoparticles and its NLO application. International Journal of Nanoscience, 2014, vol. 13, no. 1, pp. 1450001. https://doi.org/10.1142/S0219581X1450001XЧурсова Л.В., Панина Н.Н., Гребенева Т.А., Кутергина И.Ю. Эпоксидные смолы, отвердители, модификаторы и связующие на их основе. СПб.: ЦОП «Профессия», 2020. 576 с.Chursova L.V., Panina N.N., Grebeneva T.A., Kutergina I.Iu. Epoxy Resins, Hardeners, Densifiers and Binders Based on Them. St. Petersburg, Professija Publ., 2020, 576 p. (in Russian)Sang J.J., Kohli D.K., Shah K.G. Structural adhesive and bonding application thereof. Patent USA 8974905 B2. 2015.Sang J.J., Kohli D.K., Shah K.G. Structural adhesive and bonding application thereof. Patent USA 8974905 B2, 2015.Kulagina A.S., Sandulenko A.V., Volynkin V.M., Evstropiev S.K. Synthesis and nonlinear optical properties of vanadium-doped plasticized epoxy polymer composites // Advanced Composites and Hybrid Materials. 2021. V. 4. N 2. P. 324–331. https://doi.org/10.1007/s42114-021-00227-yKulagina A.S., Sandulenko A.V., Volynkin V.M., Evstropiev S.K. Synthesis and nonlinear optical properties of vanadium-doped plasticized epoxy polymer composites. Advanced Composites and Hybrid Materials, 2021, vol. 4, no. 2, pp. 324–331. https://doi.org/10.1007/s42114-021-00227-yBelousova I.M., Videnichev D.A., Volynkin V.M., Evstropiev S.K., Kislyakov I.M., Murav’ova T.D., Rakov E.G. Nonlinear optical limiters of pulsed laser radiation based on carbon-containing nanostructures in viscous and solid matrices // Polymers for Advanced Technologies. 2014. V. 25. N 9. P. 1008–1013. https://doi.org/10.1002/pat.3343Belousova I.M., Videnichev D.A., Volynkin V.M., Evstropiev S.K., Kislyakov I.M., Murav’ova T.D., Rakov E.G. Nonlinear optical limiters of pulsed laser radiation based on carbon-containing nanostructures in viscous and solid matrices. Polymers for Advanced Technologies, 2014, vol. 25, no. 9, pp. 1008–1013. https://doi.org/10.1002/pat.3343Нацик В.Д., Фоменко Л.С., Лубенец С.В. Исследование ползучести и стеклования эластомеров методом микроиндентирования: эпоксидная смола и нанокомпозиты на ее основе // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 5. С. 940–952.Natsik V.D., Fomenko L.S., Lubenets S.V. Investigation of the creep and glass transition of elastomers by the microindentation method: epoxy resin and related nanocomposites. Physics of the Solid State, 2013, vol. 55, no. 5, pp. 1020–1033. https://doi.org/10.1134/S1063783413050260Low I.M., Shi C. Vickers indentation responses of epoxy polymers // Journal of Materials Science Letters. 1998. V. 17. N 14. P. 1181–1183. https://doi.org/10.1023/A:1006517005082Low I.M., Shi C. Vickers indentation responses of epoxy polymers. Journal of Materials Science Letters, 1998, vol. 17, no. 14, pp. 1181– 1183. https://doi.org/10.1023/A:1006517005082

The authors declare that there are no conflicts of interest present.