Σύνθεση, χαρακτηρισμός και ιδιότητες αγώγιμων πολυμερών και νανοσύνθετων υλικών από μαγνητικά νανοσωματίδια και οργανικές πολυμερείς ενώσεις

Abstract

In the present work magnetic iron oxide nanoparticles, nanocomposite materials with conductive or conventional polymers and conductive polymers have been studied. Soluble in organic solvents nanoparticles have been synthesized through a biphase system water/toluene and later on they were used for the synthesis of nanocomposite materials with polymethylmethacrylate, polystyrene and polyaniline. The characterization was performed with thermogravimetric analysis, FT-IR spectroscopy, TEM and magnetic measurements in various temperatures. Their incorporation in conventional polymers was performed through dispersion in a monomer solution and in situ free radical polymerization. The surface functionalization with methacrylic acid ensured the chemical bonding of the polymers with the iron oxide nanoparticles. Their study was based on the increment of their glass transition temperature and their magnetic properties. Polyaniline nanocomposite materials were characterized with XRD, FT-IR, UV-visible and TGA. The most detailed study was based on their electrical properties from 5 to 300 Κ. A positive magnetoresistance was indicated. Their magnetic measurements involved the study of the temperature and field dependence of the magnetization from 5 to 300 K. Finally, the interfacial polymerization of pyrrole and aniline was studied and it can be also applied to lead to nanocomposite materials of polypyrrole with silver. The interfacial polymerization was conducted in the boundary of two immiscible solvents (water/chloroform) without stirring. During the polymerization process pyrrole oligomers have been detected in the aqueous phase with UV-visible spectroscopy. Their characterization was performed with the following techniques: TGA, FT-IR, XRD, UV-Visible, TEM, SEM. Extensive magnetic measurements have been performed in a specific sample of polyaniline nanoneedles which exhibits a metallic temperature dependent conductivity.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν νανοσωματίδια οξειδίων σιδήρου, νανοσύνθετα υλικά με συνήθη και αγώγιμα πολυμερή και αγώγιμα πολυμερή. Τα οργανοδιαλυτά μαγνητικά νανοσωματίδια παρασκευάσθηκαν μέσω ενός διφασικού συστήματος τολουολίου-νερού και στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την σύνθεση νανοσύνθετων υλικών με πολυμέθυλμεθακρυλικό και πολυανιλίνη. Ο χαρακτηρισμός έγινε με θερμοβαρυτική ανάλυση, φασματοσκοπία υπερύθρου, ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης και μαγνητικές μετρήσεις σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος. Η ενσωμάτωσή τους σε συνήθη πολυμερή έγινε εν τω γεννάσθαι με πολυμερισμό μέσω ελευθέρων ριζών. Η τροποποίηση της επιφάνειας με μεθακρυλικό εξασφάλισε τον χημικό δεσμό ανάμεσα στο πολυμερές και τα νανοσωματίδια. Η μελέτη τους βασίστηκε στην μεταβολή της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης και στις μαγνητικές τους ιδιότητες. Τα νανοσύνθετα υλικά πολυανιλίνης χαρακτηρίστηκαν με Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR), Φασματοσκοπία Υπεριώδους-Ορατού (UV-Visible) και θερμικές αναλύσεις (TGA). Η πλέον λεπτομερής μελέτη αφορούσε τις ηλεκτρικές ιδιότητες από 5 έως 300 Κ οπότε και παρατηρήθηκε μια θετική μαγνητοαντισταση. Oι μαγνητικές μετρήσεις αφορούσαν την συμπεριφορά της μαγνήτισης συναρτήσει της θερμοκρασίας και του πεδίου από τους 5 έως τους 300 Κ. Τέλος αναπτύχθηκε ο διαφασικός πολυμερισμός πυρρολίου και ανιλίνης ο οποίος οδηγεί και σε νανοσύνθετα υλικά πολυπυρρολίου/αργύρου. Ο πολυμερισμός λαμβανει χώρα στην διεπιφάνεια μεταξύ δυο μή αναμίξιμων διαλυτών. Κατά την διάρκεια του πολυμερισμού ανιχνέυτηκαν ολιγομερή πυρρολίου στην υδατική φάση με την φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού. Ο χαρακτηρισμός έγινε με τις ακόλουθες τεχνικές για την πολυανιλίνη, το πολυπυρρόλιο και τα νανοσύνθετα υλικά πολυπυρρολίου/αργύρου: TGA, FT-IR, XRD, UV-Visible, Ηλεκτρονιακή Μικροσκοπία Διέλευσης (TEM), Ηλεκτρονιακή Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM). Σε επιλεγμένο δείγμα πολυανιλίνης το οποίο εμφανίζει μεταλλικό χαρακτήρα, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μαγνητικές και ηλεκτρικές μετρήσεις με σκοπό την ταυτοποίηση του μηχανισμού της μεταφοράς φορτίου. Τα υλικά αναπτύσονται σε νανοδομές με μικρού εύρους κατανομή μεγεθών, η μορφολογία των οποίων καθορίζεται από το προστιθέμενο τασιενεργό.