научная статья по теме СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ФУЛЛЕРЕН(С60)СОДЕРЖАЩИХ ПОЛИСТИРОЛОВ ПО ДАННЫМ НЕЙТРОННОГО РАССЕЯНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ФУЛЛЕРЕН(С60)СОДЕРЖАЩИХ ПОЛИСТИРОЛОВ ПО ДАННЫМ НЕЙТРОННОГО РАССЕЯНИЯ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2008, том 50, № 10, с. 1833-1841

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА

УДК 541.64:539.2

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ФУЛЛЕРЕН(С60)СОДЕРЖАЩИХ ПОЛИСТИРОЛОВ ПО ДАННЫМ НЕЙТРОННОГО РАССЕЯНИЯ

© 2008 г. В. Т. Лебедев*, Л. В. Виноградова**, Gy. Török***

*Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Российской академии наук 188300 Гатчина, Ленинградская обл.

**Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 ***Research Institute for Solid State Physics and Optics POB-49,1525 Budapest, Hungary Поступила в редакцию 12.07.2007 г.

Принята в печать 12.02.2008 г.

Методом малоуглового рассеяния нейтронов в растворах в бензоле исследованы структурные особенности звездообразных прото(Н)- и дейтеро(Б)полистиролов с фуллереном С60 в качестве центра ветвления. Полученные результаты сопоставлены с характеристиками линейных ПС с ММ, равной ММ луча в звездообразных макромолекулах. Определены ММ звездообразных полимеров. Установлена гексафункциональность их центра ветвления. При относительно низкой концентрации звездообразных полимеров в растворах проявляются эффекты исключенного объема, обусловленные присутствием областей с повышенной плотностью в центре макромолекулы. Методом фурье-преобразования сечения рассеяния получены пространственные корреляционные функции, на основании которых установлено регулярное строение "звезд". Сделаны выводы о локальных корреляциях звеньев в пределах отдельного луча, усредненных корреляциях между звеньями соседних лучей в пределах отдельной "звезды". На основании анализа пространственных корреляций показано, что центры масс лучей расположены по ортогональным осям, проходящим через Сб0-центр ветвления звездообразной макромолекулы.

ВВЕДЕНИЕ

Звездообразные полимеры регулярной структуры представляют значительный интерес в связи с возможностью получения на их основе материалов с высокоупорядоченной морфологией. В ряду таких полимеров особого внимания заслуживают звездообразные полимеры, у которых центром ветвления служит фуллерен С60. В фул-лерен(С60)еодержащих звездообразных ПС обнаружены нелинейные оптические свойства, способность к ограничению лазерного излучения [1, 2]. На основе этих же полимеров получены пленки с морфологией "пчелиных сот" [3, 4]. Оптические и электрооптические свойства пленок из звездообразных полимеров с лучами из ПС и ПМ-МА на С60-центре ветвления использованы при изготовлении оптических устройств [5].

E-mail: vlebedev@mail.pnpi.spb.ru (Лебедев Василий Тимофеевич).

При направленном синтезе звездообразных полимеров методами анионной полимеризации благодаря малым размерам и высокой симметрии С60-центра ветвления потенциально могут образовываться макромолекулы, по структуре приближающиеся к "идеальным" моделям звездообразных полимеров. В реальных условиях вследствие много-стадийности процессов формирования звездообразных полимеров, неизбежно сопровождающихся экспериментальными погрешностями, получение высокооднородных структур не всегда возможно. Несмотря на то, что уже синтезировано значительное число звездообразных гомо- и гибридных фуллеренсодержащих полимеров, надежные исследования структуры таких полимеров весьма ограничены. Так, в работах [6, 7] для характеристики звездообразных ПС использованы методы светорассеяния, седиментации и диффузии. Молекулярные свойства звездообразных поли-2-винилпиридинов [8] и гетеролучевых по-

1833

а, см 1

Рис. 1. Сечения нейтронного рассеяния для растворов протонированных линейного (7) и звездообразного (2) полистиролов в дейтеробензо-ле; дейтерированных линейного (3) и звездообразного (4) ПС в протобензоле. Т = 20°С, концентрация с = 0.01 г/см3.

лимеров с лучами из ПС и поли-трет-бутилмета-крилата на общем С60-ядре [9] исследованы диф-фузионно-вискозиметрическим методом. Данные работ [6-9] показали, что гидродинамические характеристики указанных полимеров по сравнению со свойствами их линейных аналогов изменяются в соответствии с особенностями архитектуры макромолекул.

Для изучения структуры полимеров на нано-скопическом уровне возможности классических гидродинамических методов ограничены. Однако такая информация может быть получена с помощью высокочувствительных дифференциальных и интегральных методов рассеяния нейтронов, использующих невозмущающее изотопное контрастирование полимера без изменения его химической природы. В предшествующих работах [10, 11] представлены данные по изучению методами нейтронного рассеяния влияния фуллерена С60 как центра ветвления на динамические свойства

звездообразных ПС в блоке и формирование на-но- и мезоструктур в растворах. Цель настоящей работы - изучение молекулярных характеристик и особенностей тонкой структурной организации звездообразных фуллеренсодержащих прото(Н)-ПС и дейтеро(Б)-ПС в растворах на наномас-штабном уровне.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез полимеров

Звездообразные фуллеренсодержащие ПС получали методом графтирования фуллерена С60 "живущими" цепями ПС с противоионом лития (полистириллитий, ПСЛ) в смеси бензол-толуол при комнатной температуре при соотношении реагентов ПСЛ : С60 = 6 : 1 [12, 13]. Синтез линейных ПСЛ-предшественников, использованных в качестве лучей в звездообразных полимерах, осуществляли методом анионной полимеризации прото(Н)- и дейтеро(Б)стирола в бензоле по методике [14].

Полимеры высаждали в метанол и сушили в вакууме.

Методика нейтронных исследований

Для нейтронных исследований растворы протонированных (Н) звездообразных и линейных ПС готовили в дейтеробензоле, а дейтерированных (D) полимеров - в протобензоле при 20°С. Концентрация c полимеров в растворах составляла 0.01 г/см3. Малоугловое рассеяние нейтронов измеряли на дифрактометре "Yellow submarine" (Нейтронный центр, Будапешт, Венгрия) в диапазоне переданных импульсов q = (4п/ X)sin(0/2) = = 0.2-5 нм-1, где 0 - угол рассеяния, длина волны А = 0.355 нм, ширина спектра ДА/ А = 0.1. Диапазон импульсов отвечал пространственным масштабам 1/q ~ (0.2-5) нм, т.е. от размера звена цепи полимера до диаметра макромолекул.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Интенсивность рассеяния нейтронов измеряли в растворах (Н, D) линейных и (Н, D) звездообразных полимеров в дейтеро- и протобензоле. Сечение рассеяния а для растворов полимеров определяли в расчете на 1 см3 (рис. 1). Нормировку ин-тенсивностей рассеяния проводили на данные для стандарта (слой H2O толщиной 1 мм с известным сечением рассеяния).

Анализ нейтронного рассеяния в приближении Гинъе

При описании рассеяния нейтронов в области малых импульсов я < 1 нм-1 и оценке молекулярных параметров исследуемых объектов наиболее общим является приближение Гинье [15]. Данные гинье-приближения сечений рассеяния нейтронов а для растворов (Н и Б) звездообразных и линейных ПС в дейтеро- и протобензоле при 20°С представлены на рис. 2. Чтобы оценить радиус инерции макромолекул Яс и ММ (М), проводили анализ рассеяния в области малых импульсов q < 1 нм-1 для сечений рассеяния а в единицу телесного угла О:

а = ¿а(я)/й& = а0ехр[-(яЯа)2/3]

(1)

Параметры и М связаны с сечением а = а0 ] пределе малых импульсов [15] формулой

а0 = К2фМ/^др,

(2)

¥2(я) = ехр[-(яЯс й)2/3]

(3)

а, см 100

10-1

10-2 100

1

(а)

1 9

о 1 а2

10"

где К - фактор контраста по плотности длины когерентного рассеяния для полимера в растворе, ф - объемная доля полимера, М/ИАр = Уа - сухой объем макромолекулы, р - плотность полимера, МА - число Авогадро.

Гинье-приближение корректно при определении параметров Яс и М макромолекул в разбавленных растворах и выполняется для линейного ПС при его объемном содержании в растворе ф - 1%. При такой же объемной концентрации полимерных "звезд" в растворах их исключенный объем выше сухого объема полимера. Это обусловлено существованием градиента концентрации, направленного от центра "звезды" к периферии. Внутри "звезд" существует осмотическое давление, которое вызывает их отталкивание при контакте. Полагая, что ядро звездообразной макромолекулы недоступно для проникновения лучей других "звезд", а его диаметр соответствует удвоенному радиусу инерции "звезды", в функции рассеяния а, включающей квадрат форм-фактора звезды

2 -2 д2, нм 2

Рис. 2. Аппроксимация данных нейтронного рассеяния по Гинье [15] для растворов звездообразных (а) и линейных (б) протонированных (1) и дейтерированных (2) ПС в дейтеро- и протобензоле соответственно.

5 ( я ) = [ 1 + 8 уФ( г)]

-1

(5)

(подстрочный индекс st здесь и далее относится к звездообразным полимерам) следует учесть также и структурный фактор 5(я):

а = ¿а(я)/¿О = а0¥ (я)5(я)

(4)

В формулу (5) входит величина радиуса инерции "звезды" Яс^, суммарный исключенный объем ансамбля из N звездообразных макромолекул в

з

1 см3 раствора у = Уех^, где Уех = (4п/3) - исключенный объем "звезды" (подстрочный индекс ех относится к исключенному объему).

Функция Ф(г) = (3/г3)[8т(г) - г сов(г)] аргумента г = 2ЯС5я (из формулы (5)) является форм-фактором сферы радиуса 2ЯС,п [15, 16]. Величина N равна отношению массовой концентрации с к массе одной макромолекулы т, N = с/т, где т определяется ММ и числом Авогадро NA, т = М^А. С учетом сечения рассеяния а0 = К2ст/р2, пропорционального массе т, получена зависимость параметра у от сечения а0 и радиуса инерции Яс

Таблица 1. Параметры сечений рассеяния для растворов и молекулярные характеристики линейных И-ПС и Б-ПС и звездообразных полимеров (И-ПС)уС60 и (Б-ПС)уС60

Полимеры ае, см 1 RGe, нм а0, см 1 RG, нм M х 10-3 f

Н-ПС 0.114 ± 0.003 1.55 ± 0.05 0.114 ± 0.003 1.55 ± 0.05 4.4 ± 0.1 -

(Н-ПС)уСб0 0.406 ± 0.007 3.24 ± 0.04 0.699 ± 0.020 4.60 ± 0.15 27.1 ± 0.8 6.1 ± 0.2

D-ПС 0.236 ± 0.011 1.35 ± 0.08 0.236 ± 0.011 1.35 ± 0.08 6.5 ± 0.3 -

ф-ПС)уСб0 1.074 ± 0.031 2.89 ± 0.08 1.277 ± 0.038 3.22 ± 0.13 35.4 ± 0.9 5.4 ± 0.3

V = Vac2 K2/р2ао, Va = (4 п/3) Rl st (6)

При расчетах использовано значение плотности H-ПС Р(Н) = 1.05 г/см3. Плотность D-ПС оценивается величиной P(D) = 1.13 г/см3.

В области малых импульсов функция рассеяния а = a0F2(q)S(q) удовлетворяет приближению Гинье а = ае exp[-(qR

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком