научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПОЗИТРОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СОРБЕНТОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПОЗИТРОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СОРБЕНТОВ»

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ

541.6+539.189.2

ОСОБЕННОСТИ ПОЗИТРОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СОРБЕНТОВ

© 2015 г. Э. В. Белоусова*, В. Г. Бекешев*, В. В. Густов*, В. А. Даванков**, О. К. Красильникова***, И. Б. Кевдина*, А. В. Пастухов**, М. К. Филимонов*, В. П. Шантарович*

*Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, 4 E-mail: shant@center.chph.ras.ru **Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

119991, Москва, ул. Вавилова, 28 ***Институт физической химии и электрохимии им А.Н. Фрумкина РАН 119071, Москва, Ленинский просп., 31 Поступила в редакцию 05.11.2014 г. В окончательном виде 17.12.2014 г.

Исследованы распределения по размерам элементарных свободных объемов (EFV) в мезопористых микрогетерогенных полимерных сорбентах на основе сополимеров дивинилбензола, модифицированных каучуком линейного строения. На основании анализа результатов этой работы и литературных данных показано, что в микрогетерогенных системах, в отличие от гомогенных, спектроскопия времен жизни позитронов (PALS) не всегда чувствительна к мезопорам, образованным по границам неоднородностей и определяющим сорбционные или мембранные свойства модифицированных материалов. Для получения полной информации требуется привлечение дополнительных методик, таких как низкотемпературная адсорбция газов (ВЕТ) и радиотермолюминесценция (TSL). Указанная особенность обусловлена значительной удаленностью мезопор в гетерогенных системах и ограниченной подвижностью позитрония в процессе локализации в поре. В дополнение к результатам методики BET, дающей в основном информацию о мезопорах, PALS оказывается полезной при изучении микропор. Методика TSL позволяет судить о гетерогенности исследуемых материалов. Определена минимальная концентрация мезопор, доступная для наблюдения позитронным методом в исследованных системах.

DOI: 10.7868/S0023119315030043

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 3, с. 227-234

УДК

Спектроскопия времен жизни позитронов относительно аннигиляции (PALS) давно используется для исследований микропор в полимерах [1—4]. В данной работе продолжено это направление применительно к гетерогенным, модифицированным системам на примере полимерных сорбентов. Они модифицированы таким способом, чтобы добиться новых уникальных свойств. Например, в случае сорбентов речь идет об изменении характера распределения свободных объемов (мезо-пор) по размерам, более стабильных функциональных свойствах полимерных композиций. Ранее было показано, что для других систем, также обладающих развитым свободным объемом (мембранных полимерных материалов), перспективным для увеличения проницаемости является путь приготовления нано-композиций, т.е. полимеров, содержащих мелкодисперсные неорганические добавки (мембраны со смешанной матрицей (MMMs) [5—7]. Другой способ модификации

(образование дополнительных пор, увеличение удельной поверхности) предполагает насыщение полимеров газом в сверхкритическом состоянии с последующим повышением температуры, ведущему к "вспениванию" [8]. В нашем случае речь идет о сополимерах дивинилбензола, модифицированных каучуком линейного строения. Объединяющим все эти случаи обстоятельством является создание новых пор, нехарактерных для основного материала и обычно более удаленных.

Преимуществом данного исследования является использование комбинации трех экспериментальных методов: позитронного PALS, термо-стимулированной люминесценции (TSL) и метода низкотемпературной сорбции паров азота (BET). Основы последнего описаны в [9]. Эффект TSL представляет собой испускание света при нагревании вещества, подвергнутого предварительно низкотемпературному облучению. Методы

PALS и TSL объединяет между собой их общая ра-диационно-химическая природа, а именно трековые процессы. Эти процессы ведут как к образованию позитрония (водородоподобного атома Ps, состоящего из позитрона и электрона) [10—13], так и к эффекту люминесценции. При низкой температуре интенсивность образования позитрония и интегральная (по длине волны) интенсивность TSL [14, 15] зависят от накопления слабо связанных электронов (трековых электронов) и подвержены световому тушению ("отбеливание"). Такие результаты являются еще одним доказательством шпурового механизма образования позитрония [16, 17].

В работах [18—20] продемонстрирована эффективность комбинации PALS данных при комнатной температуре и низкотемпературных TSL данных для исследования некоторых новых мембранных материалов, в том числе имеющих гетерогенную структуру. При этом предлагалась следующая логика рассуждений. Проницаемость полимерных мембран зависит (изменяется более чем на порядок) от размеров элементарных свободных объемов (EFV). Эти размеры лежат обычно в пределах от нескольких А до нескольких нанометров. Эти параметры определяют время жизни орто-позитрония (o-Ps, долгоживущее триплетное состояние), локализованного в порах. В теоретической работе [21] вводится понятие локальной жесткости полимера и утверждается, что большей локальной жесткости должны соответствовать большие элементарные свободные объемы и соответственно большее время жизни o-Ps. С другой стороны, жесткость определяет форму зависимости интегральной интенсивности TSL от температуры. В нашем случае форма кривой высвечивания TSL характеризуется относительной интенсивностью ее высокотемпературной (выше 200—250 K) компоненты (так называемый параметр "а") [18]. В [18—22] корреляция позитрон-ных данных о размере пор (эффективный радиус), проницаемости по кислороду P(O2) и параметра " а" иллюстрируется данными для ряда полимерных и композиционных мембранных материалов. Результаты подтверждают идею [23—25] о взаимосвязи между проницаемостью, свободным объемом и локальной жесткостью (локальные напряжения, стерические препятствия) в полимерной матрице. Это дает возможность в ряде случаев (сверхсшитые полистиролы, поли(3-метилсилил пропин) и др.) судить о размере пор и проницаемости для газов без соответствующих измерений, только на основе PALS или TSL данных. Причем работы [18—20] продемонстрировали более высокую чувствительность метода TSL к изменению характера пористости и удельной поверхности, ведущему к изменению функциональных свойств

мембранных материалов и сорбентов. Поэтому возникает вопрос об оценке минимальной концентрации пор, доступной для диагностики пози-тронным методом. В данной работе впервые используется сочетание перечисленных выше подходов (BET, TSL, PALS) для изучения распределения свободных объемов в полимерных сорбентах, созданных на основе сополимеров дивинилбензола, модифицированных каучуком линейного строения. Связь времени жизни позитрония с размером пор в сочетании с полученными методом BET данными по распределению мезопор по размерам позволяет провести эту оценку для исследуемых материалов и иллюстрировать специфику применения позитронного метода при изучении микрогетерогенных систем. Отметим, что упомянутые выше методы не исчерпывают собой все разнообразие подходов, развиваемых в настоящее время для исследования свободного объема в материалах с развитой удельной поверхностью. Подробный обзор на эту тему можно найти в [26], где рассматриваются методы PALS, ядерного магнитного резонанса NMR 129Xe, обращенной газовой хроматографии, теоретической метод молекулярной динамики и ряд других. В принципе, сопоставление всех данных для одних и тех же материалов весьма полезно. Хотя результаты обработки наших данных зависят от выбора геометрии поры, избранная нами основная комбинация PALS—BET представляется наиболее информативной, покрывающей полный диапазон эффективных размеров нано-пор от микропор до мезопор, что особенно важно для мембранных материалов и сорбентов.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ АТОМОВ ПОЗИТРОНИЯ В ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СВОБОДНЫХ ОБЪЕМАХ

Трековый механизм образования позитрония предполагает, в частности, первоначальное образование пре-локализованного атома позитрония pr-Ps с его последующей локализацией в EFV [3]. В [27] путем измерения зависящего от времени углового распределения аннигиляционного излучения (АМОС-эксперименты) получено экспериментальное подтверждение существования этого состояния. Поэтому представляло интерес рассмотрение взаимодйствия pr-Ps с EFV разного размера и концентрации. В [24] обсуждался случай, когда имеется набор i пор разного размера (эффективный размер R, концентрация N), находящихся в пределах досягаемости (в пределах диффузионной длины) pr-Ps. Очевидно, образовавшийся позитроний несколько трансформируется от первоначального "разбухшего" ("swelled") до нормального состояния. Соответственно может меняться его подвижность. Для упрощенных оценок охарактеризуем ее коэффициентом диффузии нелокализованного позитрония DPs. Введем

скорость захвата V позитрония /-м свободным объемом. По-видимому, справедливо допущение, что скорость аннигиляции нелокализованного (свободного) позитрония Xр сравнима со скоростью аннигиляции свободных позитронов X+, т.е. Xр = X + = Х^. Введя скорость образования нелокализованного позитрония vfoгm, можно записать систему кинетических уравнений, описывающих рассматриваемый процесс:

df dt

= -(V + vform)P+, P+ (0) = 1,

dPp

/ = (3/4) VformP+ - (X/ + X V) / (i)

Pps ( 0) = 0,

li = 3 { Vform/(X/- Yi + Vform)} X

v,/(X/- Yi + X V

(2)

атом позитрония либо не захватывается из-за малости N (характерно для наиболее удаленных БРУ модифицированных систем), либо лишь начинает их чувствовать, и интенсивность соответствующей компоненты определяется общей формулой (2). С наибольшей вероятностью позитроний локализуется в порах, имеющих наибольшую концентрацию, т.е. преимущественно в микропорах.

Для гомогенных материалов и некоторой доли БРУ гетерогенных систем более типичным вариантом является случай

vt > Xf; Vform > Yi-

При этом

I =

QW (х/ - Yi + X

(5)

(6)

= ¿Р? - ур8, РР (0) = 0

с суммированием по числу долгоживущих компонент / (или по размерам элементарных свободных

объемов) и с обозначениями Р/+, Р^ и Р(р!! для вероятностей найти свободный позитрон, нелока-лизованный

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