Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора

Работа посвящена модификации поверхности наночастиц фторида гадолиния, способствующей увеличению их диспергируемости в полимерной среде. Роботу присвячено модифікації поверхні наночастинок фториду ґадолінію, що сприяє збільшенню їх дисперґованости у полімерному середовищі. This article is concerned...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Date:	2014
Main Authors:	Жмурин, П.Н., Гуркаленко, Ю.А., Свидло, О.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2014
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140657
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора / П.Н. Жмурин, Ю.А. Гуркаленко, О.В. Свидло // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 4. — С. 783-796. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859592550304710656
author	Жмурин, П.Н. Гуркаленко, Ю.А. Свидло, О.В.
author_facet	Жмурин, П.Н. Гуркаленко, Ю.А. Свидло, О.В.
citation_txt	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора / П.Н. Жмурин, Ю.А. Гуркаленко, О.В. Свидло // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 4. — С. 783-796. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Работа посвящена модификации поверхности наночастиц фторида гадолиния, способствующей увеличению их диспергируемости в полимерной среде. Роботу присвячено модифікації поверхні наночастинок фториду ґадолінію, що сприяє збільшенню їх дисперґованости у полімерному середовищі. This article is concerned with the modification of GdF3 nanoparticle surface that provides increasing their dispersive ability within the polymer medium.
first_indexed	2025-11-27T17:03:09Z
format	Article
fulltext	783 PACS numbers: 29.40.Mc, 68.37.Lp, 78.30.-j, 78.67.-n, 82.35.Np, 82.70.Dd, 78.70.Ps Улучшение диспергируемости наночастиц GdF3 в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора П. Н. Жмурин, Ю. А. Гуркаленко, О. В. Свидло Институт сцинтилляционных материалов, НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, просп. Ленина, 60, 61001 Харьков, Украина Работа посвящена модификации поверхности наночастиц фторида гадо- линия, способствующей увеличению их диспергируемости в полимерной среде. В качестве модификаторов поверхности наночастиц использованы дигексадецилдитиофосфат аммония, 2-фенилэтилфосфоновая и 2- фенилэтиленфосфоновая кислоты. Наночастицы GdF3 получены методом химического осаждения в водно-метанольной среде в присутствии дигек- садецилдитиофосфата аммония. Синтезированные наночастицы GdF3, стабилизированные дигексадецилдитиофосфатом аммония, способны диспергироваться в стироле с образованием прозрачных и устойчивых высококонцентрированных золей. Для модификации поверхности нано- частиц GdF3 2-фенилэтилфосфоновой и 2-фенилэтиленфосфоновой кисло- тами использован метод обмена лигандами, при котором адсорбирован- ный на поверхности GdF3 дигексадецилдитиофосфат-ион частично заме- щается фосфонат-ионом. Полученные наночастицы фторида гадолиния исследованы методами ПЭМ и ИК-спектроскопии. Создание пластмассо- вых сцинтилляторов осуществлялось методом радикальной полимериза- ции стирола в блоке. На основе наночастиц фторида гадолиния, стабили- зированных дигексадецилдитиофосфатом аммония, получены прозрач- ные образцы, содержащие до 0,5 масс.% наночастиц. Модификация по- верхности наночастиц GdF3 2-фенилэтилфосфоновой кислотой, — компо- нентом, обладающим высоким физико-химическим сродством к полисти- ролу, — привела к существенному улучшению диспергируемости наноча- стиц в полистирольной матрице. Использование такого модификатора позволило увеличить содержание наночастиц в пластмассовом сцинтил- ляторе до 3,0 масс.%. Относительный световой выход сцинтиллятора со- ставил 91%. Модификация поверхности наночастиц GdF3 2- фенилэтиленфосфоновой кислоты, — компонента способного сополиме- ризоваться со стиролом, — обеспечила возможность введения 7,0 масс.% наночастиц в состав пластмассового сцинтиллятора с сохранением его сцинтилляционных свойств. Полученный сцинтиллятор имеет световой Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2014, т. 12, № 4, сс. 783–796  2014 ІМÔ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН Óкраїни) Надруковано в Óкраїні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 784 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО выход 90% относительно стандартного пластмассового сцинтиллятора. Роботу присвячено модифікації поверхні наночастинок фториду ґадолі- нію, що сприяє збільшенню їх дисперґованости у полімерному середови- щі. Як модифікатори поверхні наночастинок використано дигексадецил- дитіофосфат амонію, 2-фенілетилфосфонову і 2-фенілетиленфосфонову кислоти. Наночастинки GdF3 одержано методом хімічного осадження у водно-метанольному середовищі в присутності дигексадецилдитіофосфа- ту амонію. Синтезовані наночастинки GdF3, стабілізовані дигексадецил- дитіофосфатом амонію, здатні дисперґуватися у стиролі з утворенням прозорих і стійких висококонцентрованих золів. Для модифікації повер- хні наночастинок GdF3 2-фенілетилфосфоновою і 2-фенілетиленфосфоно- вою кислотами використано метод обміну ліґандами, за яким адсорбова- ний на поверхні GdF3 дигексадецилдитіофосфат-йон частково заміщуєть- ся фосфонат-йоном. Одержані наночастинки фториду ґадолінію дослі- джено методами ПЕМ та ІЧ-спектроскопії. Створення пластмасових сци- нтиляторів здійснювалося методом радикальної полімеризації стиролу в блоці. На основі наночастинок фториду ґадолінію, стабілізованих дигек- садецилдитіофосфатом амонію, одержано прозорі зразки, що містять до 0,5 мас.% наночастинок. Модифікація поверхні наночастинок GdF3 2- фенілетилфосфоновою кислотою, — компонентом, що має високу фізико- хімічну спорідненість до полістиролу, — привела до істотного поліпшен- ня дисперґованости наночастинок у полістирольній матриці. Викорис- тання такого модифікатора уможливило збільшити вміст наночастинок у пластмасовому сцинтиляторі до 3,0 мас.%. Відносний світловий вихід сцинтилятора склав 91%. Модифікація поверхні наночастинок GdF3 2- фенілетиленфосфоновою кислотою, — компонентом, здатним сополіме- ризуватися зі стиролом, — забезпечила можливість введення 7,0 мас.% наночастинок до складу пластмасового сцинтилятору зі збереженням йо- го сцинтиляційних властивостей. Одержаний сцинтилятор має світловий вихід у 90% відносно стандартного пластмасового сцинтилятора. This article is concerned with the modification of GdF3 nanoparticle surface that provides increasing their dispersive ability within the polymer medium. Ammonium dihexadecyldithiophosphate, 2-phenylethyl phosphonic and 2- phenylethylen phosphonic acids are used as surface modifiers. The GdF3 na- noparticles are fabricated by means of the method of chemical precipitation in the presence of ammonium dihexadecyldithioposhate in methanol–water medium. The synthesized GdF3 nanoparticles stabilized with ammonium di- hexadecyldithiophosphate can be dispersed in styrene to form transparent and stable high-concentration sols. For modification of the GdF3 nanoparticle surface by 2-phenylethyl phosphonic and 2-phenylethylen phosphonic acids, we use the method of ligands’ exchange, in which the dihexadecyldithio- poshate-ion adsorbed on the GdF3 surface is partly substituted with the phos- phonate-ion. The GdF3 nanoparticles are investigated by TEM and IR spec- troscopy. Fabrication of plastic scintillators is carried out through the radi- cal-block polymerization of dispersion nanoparticles in styrene. Based on the GdF3 nanoparticles stabilized by ammonium dihexadecyldithiophosphate, transparent polystyrene composites are obtained and contain up to 0.5 wt.% of nanoparticles. This demonstrates that, despite the ability of the GdF3 na- ÓЛÓЧШЕНИЕ ДИСПЕРГИРÓЕМОСТИ НАНОЧАСТИЦ GdF3 785 noparticles stabilized with ammonium dihexadecyldithiophosphate to form the transparent highly concentrated dispersion in the monomer, in the poly- mer nanoparticles modified according surfactants dispersed lightly. The GdF3-nanoparticle surface modification with 2-phenylethyl phosphonic acid component having a high physicochemical affinity for polystyrene signifi- cantly improves in the dispersive ability of nanoparticles in polymeric vol- ume. Using this modifier allows to increase the concentration of nanoparti- cles in the plastic scintillator up to 3.0 wt.%. The relative light yield of the scintillators is equal to 91%. Surface modification of the GdF3 nanoparticles with 2-phenylethylen phosphonic acid component, which can be copolymer- ized with styrene, provides a possibility for the introduction of 7.0 wt.% of nanoparticles into the composition of a plastic scintillator with conservation its scintillation properties. The resulting scintillator light yield is 90% rela- tive to the standard plastic scintillator. Ключевые слова: наночастицы, фторид гадолиния, пластмассовый сцин- тиллятор, модификатор, полимеризация, поверхность. (Получено 26 июня 2014 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Органические сцинтилляторы с гадолинийсодержащими добавками широко применяются для решения различных физических задач, поскольку из всех природных элементов гадолиний обладает наибольшим сечением захвата тепловых нейтронов (104 барн для 0,1 эВ и 105 барн для 0,01 эВ). В связи с планированием проведения крупномасштабных длительных экспериментов по регистрации нейтронов, наблюдения двойного -распада, детектирования атмо- сферных и солнечных нейтрино большое внимание уделяется созда- нию гадолинийсодержащих пластмассовых сцинтилляторов [1, 2]. Это обусловлено тем, что пластмассовые сцинтилляторы отличают- ся относительно низкой стоимостью, высоким быстродействием, от- носительно высокой сцинтилляционной эффективностью [3–5], возможностью модификации состава, а также простотой создания детекторов любой формы, размеров и конфигурации [6, 7]. Кроме того, такие материалы характеризуются повышенной радиацион- ной стойкостью [8, 9], нетоксичностью и пожаробезопасностью [10]. Работ по получению пластмассовых сцинтилляторов, обогащён- ных гадолинием, известно не много. В большинстве из них в каче- стве гадолинийсодержащих добавок используют растворимые в ис- ходном мономере соединения: ацетилацетонат гадолиния [11], комплекс Gd(NO3)3TBP [12], комплексные соединения гадолиния с гексаметилтриамидом фосфорной кислоты [13], изопропилат [14] и карбоксилаты гадолиния [15]. Однако получаемые при этом пласт- массовые сцинтилляторы окрашены, не стабильны во времени и 786 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО обладают значительно меньшим световыходом по сравнению с недопированными образцами. Кроме того, как правило, они не со- держат и достаточного количества гадолиния, в то время как для многих экспериментов в физике высоких энергий требуются пластмассовые сцинтилляторы с концентрацией гадолиния на уровне нескольких процентов от общей массы полимерной основы (например, для регистрации потока нейтрино). На сегодняшний день разработаны различные способы получе- ния гидрофобных наночастиц соединений лантаноидов (фторидов, оксидов), обладающих способностью к диспергированию в непо- лярных органических средах [16–19]. Это обеспечило возможность вводить гадолинийсодержащие наночастицы в полимерную основу пластмассового сцинтиллятора методом блочной полимеризации, при которой наночастицы диспергируются непосредственно в мо- номере перед процессом полимеризации. Данная работа посвящена модификации поверхности гадолиний- содержащих наночастиц, способствующей увеличению их диспер- гируемости в полимерной среде, с целью создания обогащённых га- долинием пластмассовых сцинтилляторов. В качестве основного показателя эффективности введения наночастиц используется со- хранение световыхода сцинтилляционного материала при макси- мальной концентрации нанокристаллов фторида гадолиния. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА В работе использованы следующие реагенты: Gd(NО3)3Ч6Н2О (Sig- ma-Aldrich, 98.0%), фторид натрия (Óкраина, 99,5%), гексадека- нол-1 (Merck, for synthesis, 95,0%), пентасульфид фосфора (Fluka AG, 98,0%), водный раствор аммиака (Óкраина, 25,0%), PCl5 (Sig- ma-Aldrich, 95,0%), дихлорметан (for liquid chromatography, Merck, 99,9%), гексан (Sigma-Aldrich, 95,0%), метанол (Sigma- Aldrich, 99,8%), толуол (Merck, 99,0%), изопропанол (Aldrich,  9,7%), триэтиламин (Sigma-Aldrich,  99,0%), стирол (Aldrich, 99,0%, свежеперегнанный), 2,2-азобис(изобутиронитрил) (Sigma- Aldrich, 97,0%), 2,5-дифенилоксазол (Sigma-Aldrich, 99,5%), 1,4- бис(5-фенилоксазолил-2) (Sigma-Aldrich, 99,5%). Дигексадецилдитиофосфат аммония синтезирован по известной методике [20]. Для этого P2S5 и гексадециловый спирт нагревают при 75С в течение 3 часов. Полученную суспензию охлаждают до комнатной температуры, растворяют в дихлорметане и отфильтро- вывают. Растворитель отгоняют, остаток растворяют в гексане и барботируют аммиаком. Полученный продукт отфильтровывают и сушат при комнатной температуре. М.p.112С. 2-фенилэтиленфосфоновая кислота синтезирована в соответ- ствии с методикой [21]. К суспензии PCl5 в бензоле добавляют сти- ÓЛÓЧШЕНИЕ ДИСПЕРГИРÓЕМОСТИ НАНОЧАСТИЦ GdF3 787 рол при интенсивном перемешивании. Полученный кристалличе- ский аддукт гидролизуют водой при охлаждении. Выделившийся продукт отфильтровывают и сушат на воздухе. М.р.142–143С. Элементный анализ: рассчитано для C — 52,18, H — 4,93, O — 26,07, P — 16,82; обнаружено C — 52,2, H — 5,02, O — 25,97, P — 16,91. Спектр 1H ЯМР (200 МГц, DMSO-d6):  7,57 (d, J4,0 Гц, 2H, C6H5), 7,37 (d, J5,6 Гц, 3H, C6H5), 7,17 (dd, J21,9, 17,5 Гц, 1H, СН), 6,47 (t, J17,1 Гц, 1H, СН), 2,50 (d, J7,6 Гц, 2H, POH). 2-фенилэтилфосфоновая кислота получена каталитическим гид- рированием 2-фенилетиленфосфоновой кислоты [22] в среде этило- вого спирта в присутствии палладиевого катализатора на угольной подложке (Pd/C). М.p.146–147С. Элементный анализ: рассчита- но для С8Н11РО3: C — 51,61, H — 5,98, O — 25,74, P — 16,69; обна- ружено C — 51,55, H — 6,03, O — 25,70, P — 16,61. Спектр 1H ЯМР (200 МГц, DMSO-d6):  7,47–6,98 (m, 5H, C6H5), 2,72 (d, J8,1 Гц, 2H, CH2), 2,57–2,40 (m, 2H, POH), 1,83 (d, J17,5 Гц, 2H, CH2). Наночастицы фторида гадолиния получены методом химическо- го осаждения в среде вода–метанол в присутствии дигексадецил- дитиофосфата аммония. Для этого раствор дигексадецилдитиофос- фата аммония (0,95 ммоль) и фторида натрия (3,0 ммоль) в 35,0 мл смеси вода–метанол нагревают до образования гомогенного раство- ра. После этого медленно при интенсивном перемешивании прика- пывают водный раствор Gd(NО3)36Н2О (1,33 ммоль). Реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Далее раствор декан- тируют, оставшийся осадок промывают последовательно водой и метанолом. Наночастицы растворяют в дихлорметане, осаждают изопропанолом, центрифугируют, сушат под вакуумом над окси- дом фосфора в течение 2 дней. Полученные наночастицы GdF3 дис- пергируются в неполярных растворителях, таких как толуол, ди- хлорметан, стирол. Наночастицы фторида гадолиния, модифицированные 2- фенилэтиленфосфоновой кислотой, получены перемешиванием дисперсии наночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецил- дитиофосфатом аммония, с 2-фенилэтиленфосфоновой кислотой и триэтиламином в дихлорметане в течение суток, после чего наноча- стицы высаживаются изопропанолом. Наночастицы фторида гадо- линия, модифицированные 2-фенилэтилфосфоновой кислотой, по- лучены аналогичным образом. Создание полистирольных композитов осуществлено радикаль- ной блочной полимеризацией дисперсий наночастиц в стироле в присутствии 0,5 масс.% 2,2-азобис(изобутиронитрила) в качестве инициатора при 65С в течение 72 часов. Морфология порошков наночастиц была охарактеризована с по- мощью просвечивающего электронного микроскопа EM-125 (Selmi, Ukraine). 788 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО Подтверждение структуры полученных фосфоновых кислот про- водилось методом ЯМР-спектроскопии на спектрометре VARIAN Mercury VX-200 (200МГц) в растворе дейтеродиметилсульфоксида (ДМСО-d6); внутренний стандарт — тетраметилсилан. Синтезированные в работе вещества исследовались на ИК- спектрофотометре с Ôурье-преобразованием Spectrum One (Perkin Elmer). Световыход полистирольных сцинтилляторов определялся по пикам полного внутреннего поглощения электронов от источника Bi-207 путём интегрирования сцинтилляционного сигнала реги- стрируемого с помощью ÔЭÓ Hamamatsu R1307. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Авторы в работах [17–19] для получения гидрофобных неорганиче- ских наночастиц, способных диспергироваться в органических не- полярных средах, в качестве поверхностно-активных веществ ис- пользовали соединения типа О,О-диалкилдитиофосфат. Поэтому для получения дисперсии наночастиц GdF3 в стироле нами синтези- рованы наночастицы фторида гадолиния, модифицированные ди- гексадецилдитиофосфатом аммония, по методике [19]. Введение модификатора поверхности на стадии синтеза позволяет стабили- зировать рост размера образующихся наночастиц, уменьшить вза- имодействие между ними и снизить склонность наночастиц к агре- гации в гидрофобной среде. Из рисунка 1 видно, что полученные наночастицы, как правило, имеют размер 1–5 нм в диаметре и при получении образцов из рас- твора в толуоле равномерно распределяются по подложке. ИК-спектры дигексадецилдитиофосфата аммония и наночастиц GdF3, модифицированных этим ПАВ, представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что на обоих спектрах присутствует ряд характер- ных полос, положение которых практически не зависит от состоя- ния ПАВ. Как отмечают авторы [23, 24], полосы 1470 см 1 (рис. 2, а) и 1468 см 1 (рис. 2, б) относятся к деформационным колебаниям CH-группы, 2917 см 1 и 2850 см 1 (рис. 2, а), 2924 см 1 и 2851 см 1 (рис. 2, б) — к валентным колебаниям CH-группы и низкоинтен- сивная полоса 720 см 1 (рис. 2, а, б) — к маятниковым колебаниям СH2-групп. Полосы 688 см 1 (рис. 2, а) и 663 см 1 (рис. 2, б) соответ- ствуют валентным колебаниям PS-групп, а полосы 1064 см 1 (рис. 2, а) и 1022 см 1 (рис. 2, б) характеризуют колебания (P)OC [24] (относительная интенсивность полос снижается в адсорбированном состоянии). Полученные наночастицы GdF3 использовали для приготовления золей в стироле с концентрацией наночастиц в мономере 0,1, 0,3, 0,5, 0,7, 1,0, 2,0, 5,0, 10,0, 15,0 и 20,0 масс.%. Все образцы про- ÓЛÓЧШЕНИЕ ДИСПЕРГИРÓЕМОСТИ НАНОЧАСТИЦ GdF3 789 зрачные и устойчивые в течение длительного времени. Золи с кон- центрацией наночастиц GdF3 0,1, 0,3, 0,5, 0,7, 1,0, 2,0, 5,0 и 10,0 масс.% подвергали полимеризации. Обнаружено, что уже при со- держании добавки более 0,5 масс.% полимерные образцы теряют прозрачность в результате полимеризации. Это указывает на то что, несмотря, на способность наночастиц фторида гадолиния, стабили- зированных дигексадецилдитиофосфатом аммония, образовывать прозрачные высококонцентрированные дисперсии в мономере, в полимере наночастицы, модифицированные данным ПАВ, диспер- гируются незначительно. Одним из возможных путей увеличения диспергируемости нано- частиц в полистироле является введение в состав их поверхности компонента, который обладает физико-химическим сродством к полимеру. Максимально возможное сходство строения полимерно- Рис. 1. ПЭМ-изображение нанокристаллов GdF3, стабилизированных ди- гексадецилдитиофосфатом аммония. а б Рис. 2. ИК-спектры дигексадецилдитиофосфата аммония (а) и наночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецилдитиофосфатом аммония (б). 790 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО го звена и модификатора поверхности наночастиц обеспечит повы- шение их диспергируемости и равномерность распределения в объ- еме полимерной матрицы. Другим возможным способом улучше- ния диспергируемости наночастиц в полистирольной основе явля- ется введение в состав их поверхности компонента, способного вступать в реакцию сополимеризации со стиролом. Он обеспечит агрегативную устойчивость наночастиц за счёт связывания их с по- лимерной основой и фиксацией в объеме полимера. За счёт сходства строения молекул с полистиролом совместимы бензоидные ароматические соединения. Поэтому для проведения эксперимента в качестве компонентов, обладающих сродством к полистиролу, использованы 2-фенилэтилфосфоновая и 2-фенил- этиленфосфоновые кислоты, органическая часть молекул которых наиболее близка к структуре мономерного звена полистирола. Кро- ме того следует отметить, что фосфоновые кислоты имеют высокое сродство и к поверхности неорганических наночастиц, обусловлен- ное образованием химической связи с катионными центрами на по- верхности неорганических частицы [25]. Структуры 2-фенилэтил- фосфоновой и 2-фенилэтиленфосфоновой кислот практически идентичны, отличием является наличие двойной связи в молекуле последней, что обеспечивает ей возможность сополимеризоваться со стиролом [26]. Такой выбор модификаторов вызван тем, что поз- волит оценить характер влияния способности к полимеризации на диспергируемость наночастиц в полимерной основе. Получение наночастиц GdF3, модифицированных 2-фенилэтил- фосфоновой кислотой, путём непосредственного её введения в ходе синтеза невозможно, поскольку в таком случае образуется осадок 2- фенилэтилфосфоната гадолиния. Поэтому нами использован метод замены лиганда [27], при котором адсорбированный на поверхности GdF3 дигексадецилдитиофосфат-ион частично замещается 2-фенил- этилфосфонат-ионом. Наночастицы GdF3, модифицированные 2- фенилэтиленфосфоновой кислотой, получены аналогичным обра- зом. Следует отметить, что 2-фенилэтиленфосфоновая кислота яв- ляется мономером, который не подвергается гомополимеризации, что позволяет не вводить ингибиторы полимеризации в ходе синте- за наночастиц. Содержание Gd в образцах наночастиц до и после замены лиганда определяли методом комплексонометрического титрования [28]. Óстановлено, что в образцах наночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецилдитиофосфатом аммония, массовая доля Gd составля- ет 17,01%, а в образцах наночастиц GdF3, содержащих 2-фенил- этилфосфонат — 20,00,7%, 2-фенилэтиленфосфонат — 20,00,3%. ИК-спектры 2-фенилэтилфосфоновой кислоты и наночастиц GdF3, модифицированных этой кислотой, представлены на рис. 3. По данным авторов [29, 30] полосы, присутствующие на ИК-спект- ÓЛÓЧШЕНИЕ ДИСПЕРГИРÓЕМОСТИ НАНОЧАСТИЦ GdF3 791 ре 2-фенилэтилфосфоновой кислоты (рис. 3, а), относятся к валент- ным колебаниям ароматической СН (3002 см 1), CC (1603, 1490, 1458 см 1), к неплоским деформационным колебаниям СН- монозамещённого бензольного кольца (744 и 703 см 1), к колебани- ям связей PO (1238 см 1) и РОН (951 см 1). Из рисунка 3, б вид- но, что на ИК-спектре наночастиц GdF3, модифицированных 2- фенилэтилфосфоновой кислотой, присутствуют, как полосы харак- терные для 2-фенилэтилфосфоната — ароматическая С–Н (3068 см 1), РO (1229 см -1), РО (919 см 1), так и полосы характерные для дигексадецилдитиофосфата — СH (2932, 2902 см 1). На рисунке 4 представлены ИК-спектры 2-фенилэтиленфосфоно- а б Рис. 3. ИК-спектры 2-фенилэтилфосфоновой кислоты (a) и наночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецилдитиофосфатом аммония и 2- фенилэтилфосфоновой кислотой (б). а б Рис. 4. ИК-спектры 2-фенилэтиленфосфоновой кислоты (a) и наночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецилдитиофосфатом аммония и 2- фенилэтиленфосфоновой кислотой (б). 792 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО вой кислоты и наночастиц GdF3, модифицированных этой кисло- той. Полосы, наблюдающиеся в ИК-спектре 2-фенилэтиленфосфо- новой кислоты (рис. 4, а), относятся к колебаниям ароматической CC (1611, 1576, 1492 см 1), С–Н монозамещённого бензольного кольца (735 и 690 см 1) [29], РO (1124–1241 см 1) и РО(Н) (957– 999 см 1) [30]. Из рисунка 4, б видно, что на ИК-спектре наноча- стиц, модифицированных 2-фенилэтиленфосфоновой кислотой, присутствуют, как полосы характерные для 2-фенилэтиленфосфо- ната — ароматическая СН (3055 см 1), PO (1266 см 1), РО (948 см 1), так и полосы характерные для дигексадецилдитиофосфата — СH (2972, 2930 см 1). Обнаружено, что модификация поверхности наночастиц фторида гадолиния 2-фенилэтилфосфоновой кислотой, компонентом, обла- дающим высоким сродством к полистиролу, приводит к существен- ному увеличению диспергируемости наночастиц в полистироле. Так, на основе наночастиц GdF3, модифицированных 2-фенилэтил- фосфоновой кислотой, получен прозрачный полимерный композит, содержащий до 4,0 масс.% наночастиц. Модификация поверхности наночастиц GdF3 2-фенилэтиленфосфоновой кислотой, компонен- том, обладающим помимо сродства к полистиролу, способностью сополимеризоваться с его мономером, обеспечила получение про- зрачного полистирольного композита с содержанием нанокристал- лов GdF3 до масс. 8,0%. На основании обогащённого гадолинием полимера созданы сцин- тилляторы, содержащие 0,02 масс.% 1,4-бис(2-фенилоксазолил- 5)бензола, 2.0 масс.% п-терфенила и наночастицы (0, 0,1, 0,3, 0,5, 0,7, 1,0, 2,0, 3,0, 5,0, 7,0, 8,0, 10,0 масс.%). Зависимость относи- тельного световыхода пластмассовых сцинтилляторов от концен- трации наночастиц фторида гадолиния представлена на рис. 5. На графике видно, что относительный световыход сцинтилляторов, содержащих наночастицы GdF3, стабилизированных только дигек- садецилдитиофосфатом аммония, быстро убывает с увеличением концентрации наночастиц в полимере. В тоже время снижение от- носительного световыхода у сцинтилляторов с наночастицами GdF3, модифицированными 2-фенилэтилфосфоновой кислотой, наблюдается только при концентрации наночастиц более 3,0 масс.%, у сцинтилляторов с наночастицами GdF3, модифицирован- ными 2-фенилэтиленфосфоновой кислотой, — более 5,0 масс.%. 4. ВЫВОДЫ Наночастицы GdF3, стабилизированные дигексадецилдитиофосфа- том аммония, способны образовывать прозрачные высококонцен- трированные дисперсии в стироле (до 20,0 масс.%). Однако в поли- стироле наночастицы, модифицированные таким ПАВ, дисперги- ÓЛÓЧШЕНИЕ ДИСПЕРГИРÓЕМОСТИ НАНОЧАСТИЦ GdF3 793 руются незначительно (до 0,5 масс.%). Введение в состав поверхно- сти наночастиц GdF3 компонента, обладающего высоким физико- химическим сродством к полистиролу (2-фенилэтилфосфоновая кислота), позволило получить пластмассовый сцинтиллятор с со- держанием наночастиц 3,0 масс.% и относительным световыходом 91%. Использование полимеризующегося компонента (2- фенилэтиленфосфоновая кислота) в качестве модификатора по- верхности наночастиц GdF3 обеспечило возможность ввести в пластмассовый сцинтиллятор 7,0% масс. наночастиц и сохранить его световыход на уровне 90% от световыхода стандартного ПС. По- лученные результаты свидетельствуют о возможности дальнейшего увеличения диспергируемости наночастиц в полимерной основе пластмассового сцинтиллятора путём введения в состав их поверх- ности модификаторов, обладающих одновременно как сродством к полимеру, так и способностью вступать в реакцию сополимериза- ции с его мономером. Авторы благодарят сотрудников НТК «Институт монокристал- лов» к.х.н. Сафронова Д. С. за измерения ИК-спектров и к.х.н. Во- вка О. М. за исследования образцов методом ПЭМ. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. A. G. Piepke, V. M. Novikov, and S. W. Mozer, Nucl. Instrum. Meth. A, 432: 392 (1999). Рис. 5. Зависимость относительного светового выхода обогащённых гадо- линием пластмассовых сцинтилляторов от содержания: 1 — наночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецилдитиофосфатом аммония; 2 — на- ночастиц GdF3, стабилизированных дигексадецилдитиофосфатом аммо- ния и 2-фенилетилфосфоновой кислотой; 3 — наночастиц GdF3, стабили- зированных дигексадецилдитиофосфатом аммония и 2- фенилэтиленфосфоновой кислотой. 794 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО 2. I. B. Nemchenok, N. A. Gundorin, E. A. Shevchik, and A. A. Shurenkova, Functional Materials, 20, No. 3: 470 (2011). 3. Ю. Я. Марков, О. Г. Ряжская, Приборы и техника эксперимента, № 4: 50 (1970). 4. Б. В. Гринев, В. Г. Сенчишин, Пластмассовые сцинтилляторы (Харьков: Акта: 2003). 5. И. Г. Бритвич, В. Г. Васильченко, В. Н. Кириченко, С. И. Купцов, В. Г. Лапшин, А. П. Солдатов, А. С. Соловьев, В. И. Рукалин, С. К. Черниченко, И. В. Шейн, Приборы и техника эксперимента, № 5: 66 (2002). 6. В. П. Семиноженко, В. Г. Сенчишин, Б. В. Гринев, Високі технології в машинобудуванні, 1: 226 (2000). 7. В. Б. Битеман, В. Г. Сенчишин, Ю. М. Галич, Н. И. Воронкина, Способ получения крупноблочных пластмассовых сцинтилляторов (Patent 1460968 RU, МКИ С 08 F2/44 (1993)). 8. Н. З. Галунов, В. П. Семиноженко, Теория и применение радиолюминесценции органических конденсированных сред (Киев: Наукова думка: 1997). 9. V. B. Taraban, I. P. Shelukhov, G. S. Zhdanov, and N. I. Voronkina, Radiat. Phys. Chem., 46, Nos. 4–6: 1321 (1995). 10. М. М. Котон, Журнал технической физики, 26, № 8: 1741 (1956). 11. I. B. Gzirr, Nucl. Instrum. Methods, 108: 613 (1973). 12. Z. W. Bell, C. Heei-Ho, G. M. Brown, and C. Hurlbut, Method of Loading Organic Materials with Group III Plus Lanthanide and Actinide Elements (US Patent 6.544.422 (2003)). 13. V. B. Brudanin, V. I. Bregadze, N. A. Gundorin, D. V. Filossofova, O. I. Kochetova, I. B. Nemtchenoka, A. A. Smolnikova, and S. I. Vasilieva, Particles and Nuclei Letters, 109, No. 6: 69 (2001). 14. L. Ovechkina, K. Riley, S. Miller, Zane Bell, and V. Nagarkar, Physics Procedia, 2: 161 (2009). 15. A. J. Bedrik, Y. S. Velmozhnaya, P. N. Zhmurin, A. F. Adadurov, V. A. Lebedev, and V. D. Titskaya, Functional Materials, 18, No. 4: 470 (2011). 16. L. G. Jacobsohn, K. B. Sprinkle, S. A. Roberts, C. J. Kucera, T. L. James, E. G. Yukihara, T. A. DeVol, and J. Ballato, Journal of Nanomaterials, 2011: 1 (2011). 17. Y. Wang, W. Qin, J. Zhang, C. Cao, J. Zhang, and Y. Jin, J. of Rare Earths, 26: 40 (2008). 18. J. W. Stouwdam and F. C. J. M. van Veggel, Langmuir, 20: 11763 (2004). 19. J. W. Stouwdam, M. Raudsepp, and F. C. J. M. van Veggel, Langmuir, 21: 7003 (2005). 20. J. W. Stouwdam, G. A. Hebbink, J. Huskens, and F. C. J. M. van Veggel, Chem. Mater., 15: 4604 (2003). 21. A. Meffert and K. Henkel, Preparation of 2-Phenylethylene Phosphonic Acid (US Patent 4.324.740 (1982)). 22. К. Вейганд, Методы эксперимента в органической химии (Москва: Из-во иностранной лит-ры: 1952) (пер. с нем.). 23. Л. А. Казицына, Н. Б. Куплетская, Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии (Москва: Изд-во Моск. ун-та: 1979). 24. Л. Беллами, Инфракрасные спектры сложных молекул (Москва: Изд-во ÓЛÓЧШЕНИЕ ДИСПЕРГИРÓЕМОСТИ НАНОЧАСТИЦ GdF3 795 иностранной лит-ры: 1963) (пер. с англ.). 25. R. Gomes, A. Hassinen, A. Szczygiel, Q. Zhao, A. Vantomme, J. C. Martins, and Z. Hens, J. Phys. Chem. Lett., 2: 145 (2011). 26. С. В. Шулындин, Я. А. Левин, Б. Е. Иванов, Успехи химии, 50, № 9: 1653 (1981). 27. I. L. Medintz, H. T. Uyeda, E. R. Goldman, and H. Mattoussi, Nature Materials, 4: 435 (2005). 28. N. A. Chiviryova, O. N. Lasovskaya, V. P. Antonovich, V. F. Zinchenko, and N. N. Golik, Functional Materials, 8, No. 3: 555 (2001). 29. К. Наканиси, Инфракрасные спектры и строение органических соединений (Москва: Мир: 1965) (пер. с англ.). 30. Р. Сильверстейн, Г. Басслер, Т. Моррил, Спектрометрическая идентификация органических соединений (Москва: Мир: 1977) (пер. с англ.). REFERENCES 1. A. G. Piepke, V. M. Novikov, and S. W. Mozer, Nucl. Instrum. Meth. A, 432: 392 (1999). 2. I. B. Nemchenok, N. A. Gundorin, E. A. Shevchik, and A. A. Shurenkova, Functional Materials, 20, No. 3: 470 (2011). 3. Yu. Ya. Markov and O. G. Ryazhskaya, Pribory i Tekhnika Ehksperimenta, No. 4: 50 (1970) (in Russian). 4. B. V. Grinev and V. G. Senchishin, Plastmassovye Scintilljatory [Plastic Scintillators] (Kharkov: Act: 2003) (in Russian). 5. I. G. Britvich, V. G. Vasil’chenko, V. N. Kirichenko, S. I. Kuptsov, V. G. Lapshin, A. P. Soldatov, A. S. Solov’ev, V. I. Rykalin, S. K. Chernichenko, and I. V. Shein, Pribory i Tekhnika Ehksperimenta, No. 5: 66 (2002) (in Russians). 6. V. P. Seminozhenko, V. G. Senchishin, and B. V. Grinev, Vysokі Tekhnologii v Mashynobuduvanni, No. 1: 266 (2000) (in Ukrainian). 7. V. B. Biteman, V. G. Senchishin, Yu. M. Galich, and N. I. Voronkina, Sposob Polucheniya Krupnoblochnykh Plastmassovykh Scintillyatorov [The Method for Producing Coarse-Plastic Scintillators] (Patent 1460968 RU, MKI C 08 F2/44 (1993)) (in Russians). 8. N. Z. Galunov and V. P. Seminozhenko, Teoriya i Primenenie Radiolyuminestsentsii Organicheskikh Kondensirovannykh Sred [Theory and Application Radioluminescence of Organic Condensed Media] (Kiev: Naukova Dumka: 1997) (in Russian). 9. V. B. Taraban, I. P. Shelukhov, G. S. Zhdanov, and N. I. Voronkina, Radiat. Phys. Chem., 46, Nos. 4–6: 1321 (1995). 10. M. M. Koton, Zhurn. Tekhn. Fiz., 26, No. 8: 1741 (1956) (in Russian). 11. I. B. Gzirr, Nucl. Instrum. Methods, 108: 613 (1973). 12. Z. W. Bell, C. Heei-Ho, G. M. Brown, and C. Hurlbut, Method of Loading Organic Materials with Group III Plus Lanthanide and Actinide Elements (US Patent 6.544.422 (2003)). 13. V. B. Brudanin, V. I. Bregadze, N. A. Gundorin, D. V. Filossofova, O. I. Kochetova, I. B. Nemtchenoka, A. A. Smolnikova, and S. I. Vasilieva, Particles and Nuclei Letters, 109, No. 6: 69 (2001). 796 П. Н. ЖМÓРИН, Ю. А. ГÓРКАЛЕНКО, О. В. СВИДЛО 14. L. Ovechkina, K. Riley, S. Miller, Zane Bell, and V. Nagarkar, Physics Procedia, 2: 161 (2009). 15. A. J. Bedrik, Y. S. Velmozhnaya, P. N. Zhmurin, A. F. Adadurov, V. A. Lebedev, and V. D. Titskaya, Functional Materials, 18, No. 4: 470 (2011). 16. L. G. Jacobsohn, K. B. Sprinkle, S. A. Roberts, C. J. Kucera, T. L. James, E. G. Yukihara, T. A. DeVol, and J. Ballato, Journal of Nanomaterials, 2011: 1 (2011). 17. Y. Wang, W. Qin, J. Zhang, C. Cao, J. Zhang, and Y. Jin, J. of Rare Earths, 26: 40 (2008). 18. J. W. Stouwdam and F. C. J. M. van Veggel, Langmuir, 20: 11763 (2004). 19. J. W. Stouwdam, M. Raudsepp, and F. C. J. M. van Veggel, Langmuir, 21: 7003 (2005). 20. J. W. Stouwdam, G. A. Hebbink, J. Huskens, and F. C. J. M. van Veggel, Chem. Mater., 15: 4604 (2003). 21. A. Meffert and K. Henkel, Preparation of 2-Phenylethylene Phosphonic Acid (US Patent 4.324.740 (1982)). 22. C. Weygand, Metody Ehksperimenta v Organicheskoi Khimii [Organisch- Chemische Experimentierkunst] (Moscow: Izd. Inostrannoi Literatury: 1952) (Russian translation). 23. L. A. Kazicyna and N. B. Kupletskaya, Primenenie UF-, IK-, YaMR- i Mass-Spektroskopii v Organicheskoi Khimii [Application of UV, IR, NMR and Mass-Spectrometry in Organic Chemistry] (Moscow: Izd. Moscow University: 1979) (in Russian). 24. L. J. Bellamy, Infrakrasnye Spektry Slozhnykh Molekul [The Infrared Spectra of Complex Molecules] (Moscow: Izd. Inostrannoi Literatury: 1963) (Russian translation). 25. R. Gomes, A. Hassinen, A. Szczygiel, Q. Zhao, A. Vantomme,. J. C. Martins, and Z. Hens, J. Phys. Chem. Lett., 2: 145 (2011). 26. S. V. Shulyndin, Ya. A. Levin, and B. E. Ivanov, Uspekhi Khimii, 50, No. 9: 1653 (1981) (in Russian). 27. I. L. Medintz, H. T. Uyeda, E. R. Goldman, and H. Mattoussi, Nature Materials, 4: 435 (2005). 28. N. A. Chiviryova, O. N. Lasovskaya, V. P. Antonovich, V. F. Zinchenko, and N. N. Golik, Functional Materials, 8, No. 3: 555 (2001). 29. K. Nakanishi, Infrakrasnyye Spektry i Stroenie Organicheskikh Soedineniy [Infrared Spectra and the Structure of Organic Compounds] (Moscow: Мir: 1965) (Russian translation). 30. R. M. Silverstein, G. C. Bassler, and T. C. Morrill, Spektrometricheskaya Identifikatsiya Organicheskikh Soedineniy [Spectrometric Identification of Organic Compounds] (Moscow: Мir: 1977) (Russian translation).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-140657
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-11-27T17:03:09Z
publishDate	2014
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Жмурин, П.Н. Гуркаленко, Ю.А. Свидло, О.В. 2018-07-13T09:04:42Z 2018-07-13T09:04:42Z 2014 Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора / П.Н. Жмурин, Ю.А. Гуркаленко, О.В. Свидло // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 4. — С. 783-796. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 1816-5230 PACS: 29.40.Mc, 68.37.Lp, 78.30.-j, 78.67.-n, 82.35.Np, 82.70.Dd, 78.70.Ps https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140657 Работа посвящена модификации поверхности наночастиц фторида гадолиния, способствующей увеличению их диспергируемости в полимерной среде. Роботу присвячено модифікації поверхні наночастинок фториду ґадолінію, що сприяє збільшенню їх дисперґованости у полімерному середовищі. This article is concerned with the modification of GdF3 nanoparticle surface that provides increasing their dispersive ability within the polymer medium. Авторы благодарят сотрудников НТК «Институт монокристаллов» к.х.н. Сафронова Д. С. за измерения ИК-спектров и к.х.н. Вовка О. М. за исследования образцов методом ПЭМ. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора Article published earlier
spellingShingle	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора Жмурин, П.Н. Гуркаленко, Ю.А. Свидло, О.В.
title	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора
title_full	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора
title_fullStr	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора
title_full_unstemmed	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора
title_short	Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора
title_sort	улучшение диспергируемости наночастиц gdf₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140657
work_keys_str_mv	AT žmurinpn ulučšeniedispergiruemostinanočasticgdf3vpolistirolʹnoiosnoveplastmassovogoscintillâtora AT gurkalenkoûa ulučšeniedispergiruemostinanočasticgdf3vpolistirolʹnoiosnoveplastmassovogoscintillâtora AT svidloov ulučšeniedispergiruemostinanočasticgdf3vpolistirolʹnoiosnoveplastmassovogoscintillâtora

Улучшение диспергируемости наночастиц GdF₃ в полистирольной основе пластмассового сцинтиллятора

Institution

Similar Items