Особенности формирования, структура и свойства Ленгмюра–Блоджетт пленок поливинилкарбазола с неорганическими наночастицами

Разработана методика формирования тонкопленочных наноструктурированных покрытий на основе поливинилкарбазола (ПВК) с наночастицами диоксида кремния и оксида цинка методом Ленгмюра−Блоджетт (ЛБ). На основании анализа изотермы сжатия монослоя ПВК и данных атомно-силовой микроскопии о структурно-морфологических характеристиках ЛБ-пленок, сформированных способом горизонтального осаждения на поверхности гидрофилизированных кремниевых подложек при различных значениях поверхностного давления (π), установлено, что плотные покрытия на основе ПВК формируются при π = 15 мН/м. Оптимальное содержание наночастиц (на 1 моль полимера) в суспензиях для получения однородных наноструктурированных покрытий составляет до 24,44 ‧ 10³ моль (для SiO₂) и до 4,53 ‧ 10³ моль (для ZnO). Описан характер влияния введения наночастиц на структуру, смачиваемость и локальные механические характеристики формируемых композиционных покрытий. На основании рассчитанных значений модуля сжатия монослоев ПВК, ПВК–SiO₂, ПВК–ZnO и комплекса полученных в ходе выполнения работы экспериментальных данных показано, что модуль сжатия полимерных и нанокомпозиционных монослоев Ленгмюра−Блоджетт может быть использован в качестве количественного критерия оценки плотности формируемых покрытий.

1. A Comprehensive review on polymer nanocomposites; classification, properties and potential applications / A. Khan, S. Iqbal, M. Khan [et al.] // Journal of Nanoscope. – 2023. – Vol. 4, N 1. – P. 45–74. https://doi.org/10.52700/jn.v4i1.88

2. Ganesan, V. Some issues in polymer nanocomposites: Theoretical and modeling opportunities for polymer physics / V. Ganesan // Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. – 2008. – Vol. 46, N 24. – P. 2666–2671. https://doi.org/10.1002/polb.21587

3. Hanemann, T. Polymer-nanoparticle composites: from synthesis to modern applications / T. Hanemann, D. V. Szabó // Materials. – 2010. – Vol. 3, N 6. – P. 3468–3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468

4. Martín-García, B. Block copolymer assisted self-assembly of nanoparticles into Langmuire–Blodgett films: Effect of polymer concentration / B. Martín-García, M. Mercedes Velázquez // Materials Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 141, N 1. – P. 324–332. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.05.017

5. Conjugated polymers as Langmuir and Langmuir–Blodgett films: Challenges and applications in nanostructured devices / R. Da Rocha Rodrigues, R. L. C. G. da Silva, L. Caseli, L. O. Peres // Advances in Colloid and Interface Science. – 2020. – Vol. 285. – Art. 102277. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102277

6. Structure and characterization of nanocomposite Langmuir−Blodgett films of poly(maleic monoester)/Fe3O4 nanoparticle complexes / D. K. Lee, Yo. S. Kang, Ch. S. Lee, P. Stroeve // Journal of Physical Chemistry B. – 2002. – Vol. 106, N 29. – P. 7267–7271. https://doi.org/10.1021/jp014446t

7. Synthesis of uniformly dispersed large area polymer/AgNPs thin film at air-liquid interface for electronic application / R. Mishra, R. K. Pandey, S. Jana [et al.] // Materials Today Communications. – 2020. – Vol. 24. – Art. 101191. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101191

8. Phase transitions in polymer monolayers: Application of the Clapeyron equation to PEO in PPO–PEO Langmuir films / L. Deschênes, J. Lyklema, C. Danis, F. Saint-Germain // Advances in Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 222. – P. 199–214. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.11.002

9. Jun-Fu, Liu. Langmuir–Blodgett films of poly-N-vinylcarbazole prepared by radical polymerization method / JunFu Liu, Zu-Hong Lu, Kong-Zhang Yang // Thin Solid Films. – 1998. – Vol. 322, N 1–2. – P. 308–313. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00942-5

10. Room temperature operated ammonia gas sensor using polycarbazole Langmuir–Blodgett film / V. Saxena, S. Choud-hury, S. C. Gadkari [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2005. – Vol. 107, N 1. – P. 277–282. https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.10.011

11. Тонкие композиционные пленки полиметилметакрилата с наночастицами диоксида кремния / Д. В. Сапсалёв, Г. Б. Мельникова, В. А. Лапицкая [и др.] // Журнал Белорусского государственного университета. Химия. – 2021. – № 2. – С. 36–49. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2021-2-36-49

12. Исследование структурных и пьезоэлектрических свойств пленок ПВДФ, полученных методом Ленгмюра–Блоджетт / И. А. Горбачев, А. В. Смирнов, Е. С. Шамсутдинова [и др.] // Известия Российской академии наук. Серия физическая. – 2021. – Т. 85, № 6. – С. 777–782.

13. A Langmuir–Schaefer approach for the synthesis of highly ordered organoclay thin films / L. M. Toma, R. Y. N. Gengler, E. B. Prinsen [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2010. – Vol. 12, N 38. – P. 12188–12197. https://doi.org/10.1039/c0cp00286k

14. Johnson, K. L. Surface energy and the contact of elastic solids / K. L. Johnson, K. Kendall, A. D. Roberts // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. – 1971. – Vol. 324, N 1558. – P. 301–313. https://doi.org/10.1098/rspa.1971.0141

15. Kaelble, D. H. Dispersion-polar surface tension properties of organic solids / D. H. Kaelble // Journal of Adhesion. – 1970. – Vol. 2, N 2. – Р. 66–81. https://doi.org/10.1080/0021846708544582