Оптические композиты на основе органических полимеров и полупроводниковых пигментов

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.

1. 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 US 7927696 B2. 2011.

2. 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.2014.24011

3. Гершбейн А.М. Способ получения изображения и печатная краска для осуществления этого способа. Патент RU 2244631 С2. Бюл. 2005. № 2.

4. Sanada K. Infrared reflecting black pigment, coating material and resin composition. Patent EP 1847512 A1. 2006.

5. Мартинкевич А.А., Прокопчук Н.Р. Пигменты для современных лакокрасочных материалов: учеб.-метод. пособие. Минск: БГТУ, 2014. 130 с.

6. 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.

7. Волынкин В.М., Киселев В.М., Евстропьев С.К., Бурчинов А.Н., Матвеенцев А.В. Светопоглощающее покрытие. Патент RU 2626838 C2. Бюл. 2017. № 22.

8. 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.

9. Graighead H.G., Howard R.E. Light-absorbing materials. Patent US 4284689 A. 1981.

10. Самсонов К.Н. Светопоглощающее покрытие. Полезная модель RU 126149 U1. Бюл. 2013. № 8.

11. 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-2012-0036

12. Chongad 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/10.1088/1742-6596/755/1/012032

13. Evstropiev 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.3642

14. Lu 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:1006671814597

15. Huang 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/C6CE02471H

16. Багров 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.

17. Jiao 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.2011.12.068

18. Fu 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/cm200051j

19. Shyju 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/S0219581X1450001X

20. Чурсова 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.

21. Sang J.J., Kohli D.K., Shah K.G. Structural adhesive and bonding application thereof. Patent USA 8974905 B2. 2015.

22. 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-y

23. Belousova 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.3343

24. Нацик 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.

25. Low 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:1006517005082