Physic mechanical properties of polymer composites with nanomodified single crystals

Abstract

okviru ove doktorske disertacije ispitana je mogućnosti modifikacije površine monokristala tokom sinteze optoelektronskih kompozitnih materijala s polimernom matricom kontrolisanih optičkih svojstava. Na ovaj način se poboljšava povezanost strukture kao i veza matrica-monokristal što utiče na fizičko-mehanička svojstva kompozita. Izbor materijala pao je na poli(metil-metakrilat)-PMMA kao polimernu matricu i monokristale kalcijum volframata dopiranog neodijumom (CaWO4:Nd3+ ) i kvantne tačke kadmijum selenid/cink sulfid (CdSe/ZnS). Poli(metil-metakrilat) je polimer izuzetnih optičkih svojstava i transparentan je u celoj oblasti vidljivog elektromagnetnog zračenja. Zbog toga ne bi trrebalo da utiče na optička svojstva ugrađenih monokristala. Kao modifikator površine korišćen je silan i to 3-merkaptopropil-trimetoksi-silan (MPTMS) zbog obezbeđivaja dobre transparentnosti u kompozitu. Istraživanja su izvedena u dva pravca: a) sinteza monokristalnog CaWO4:Nd3+ kao funkcionalnog nosioca u kompozitu, modifikacija površine i procesiranje laminatnog kompozita sa poli(metilmetakrilatom); b) sinteza i karakterizacija kompozita ugradnjom modifikovanih kvantnih tačaka CdSe/ZnS. Na ovako organizovan način istraživanja može se pratiti uticaj modifikacije površine monokristala na optička, termička i mehanička svojstva dobijenog kompozita. Dobijen je i karakterisan visoko kvalitetni monokristal (CaWO4:Nd3+) metodom po Čohralskom. Nakon sečenja kristala u planparalelne pločice, procesirani su laminatni kompoziti sa poli(metil-metakrilat)-om. Ugradnjom optoelektronskih čestica ili pločica u polimernu matricu menja se granična površina prelamanja elektromagnetnog zraka, sa vazduh-kristal na polimer-kristal. Modifikacijom površine čestice pojavljuje se jos jedna granična površina kristal/silan-polimer. Pored toga, optička svojstva procesiranih kompozita zavise od veličine, oblika, sadržaja i raspodele monokristalnih čestica tako da takođe treba uspostaviti korelaciju između ovih parametara. Zbog toga je tokom istraživanja ispitan uticaj modifikatora površine monokristala i na makro i na nano nivou, tj. kod laminatnog kompozita i kod nanokompozita s kvantnim tačkama. Pokazalo se da modifikacija kod 7 laminatnog kompozita ne remeti optička svojstva, dok kod nanokompozita čak i popravlja one pomeraje u spektru koji su se dogodili tokom ugradnje čestica u polimer. U svakom slučaju, termička i mehanička svojstva kompozita su bitno poboljšana, što uz održana, pa čak i poboljšana optička svojstva, dovodi do dobijanja visokokvalitenih otičkih polimernih kompozita.

Within this doctoral dissertation the possibility of modification of the surface of single crystals during the synthesis of optoelectronic composite materials with a polymer matrix of controlled optical properties was examined. In this way, the connection between the structure and the matrix-single crystals bond is improved, which affects the physic-mechanical properties of the composite. Poly(methyl-methacrylate) - PMMA was used as a polymeric matrix and single crystals of neodymium doped calcium tungstate (CaWO4:Nd3+) and quantum dots cadmium-selenide/zinc-sulfide (CdSe/ZnS). Poly(methyl-methacrylate) is a polymer of exceptional optical properties and it is transparent throughout whole wavelength range of visible electromagnetic radiation. Therefore, it should not have to affect the optical properties of the embedded single crystals. 3-mercaptopropyl-trimethoxy-silane (MPTMS) was used as a surface modifier with aim to provide good transparency in the composite. The investigations were conducted in two directions: a) synthesis of single crystal CaWO4: Nd3+ as a functional carrier in the composite, surface modification and processing of laminate composite with poly (methyl methacrylate); b) synthesis and characterization of composites by incorporating modified quantum points CdSe/ZnS. In this way, the influence of modification of the surface of the single crystals on the optical, thermal and mechanical properties of the composite obtained can be monitored. A high quality single crystal of neodymium doped calcium tungstate CaWO4: Nd3+ was obtained by Czochralski method. After plating the crystals, laminate composites with poly (methyl methacrylate) were processed. By installing optoelectronic particles or sheets in the polymer matrix, the boundary surface of the electromagnetic reflection is changed, with the air-crystal on the polymer-crystal. By modifying the surface of the particle, another boundary surface of the crystal/silane polymer appears. In addition, the optical properties of processed composites depend on the size, shape, content, and distribution of single crystalline particles, so also the correlation between these parameters should also be established. Therefore, during the 9 research, the influence of the surface modifier on the surface of the single crystals was studied both at macro and nano levels, in the laminate composite and in the nanocomposite with quantum dots. It has been shown that the modification in the laminate composite does not disturb the optical properties, while in the nanocomposite it even corrects those scattering in the spectrum agreed upon during the incorporation of the particles into the polymer. In any case, the thermal and mechanical properties of the composites have been significantly improved. So, optical polymer composites of high quality with undisturbed, moreover improved optical properties were processed.