Золь-гель синтез і властивості органо-неорганічних нанокомпозитів на основі тетраетоксисилану

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню закономірностей синтезу і властивостей органо-неорганічних нанокомпозитних матеріалів на основі золь-гель систем ТЕОС і ГПС. Кінетичні дослідження гідролізу ТЕОС в кислому середовищі дозволили встановити вплив температури та концентрації каталізатора на швидкість процесу. Визначено кінетичні параметри процесу, які підтверджено квантово-хімічними розрахунками. Процес структуроутворення у золь-гель системах за різних умов вивчено за динамікою в’язкості золь-гель систем та градієнтною залежністю в’язкості. Встановлено час досягнення перколяційної точки, визначено характер змін фрикційної та пружної складових в’язкості золь-гель систем. Виведено регресійне рівняння, яке дозволяє прогнозувати час перколяції системи залежно від умов ведення золь-гель процесу. Виявлено значний вплив присутності золь-гель системи у полімеризаційній суміші та часу попереднього структурування системи на кінетичні параметри фотоініційованої полімеризації акрилових мономерів – максимальну швидкість зміни конверсії, час досягнення максимальної швидкості та конверсію за wmax. Синтезовані органо-неорганічні нанокомпозити, що містять сульфогрупи, характеризуються протонною провідністю 10-5-10-4 См/см при кімнатній температурі, високою термічною стійкістю та значним водопоглинанням, що дозволяє розглядати ці матеріали як перспективні для використання їх у паливних елементах. Диссертационная работа посвящена исследованию закономерностей синтеза и свойств органо-неорганических нанокомпозитов. Синтез гибридных материалов осуществлен золь-гель методом с использованием золь-гель систем ТЭОС и ГПС. Проведены экспериментальные исследования отдельных стадий золь-гель процесса в системах ТЭОС:С2Н5ОН:Н2О. Кинетические исследования гидролиза ТЭОС в кислой среде позволили установить влияние различных факторов на скорость процесса. Определены кинетические параметры процесса, которые подтверждены квантово-химическими расчетами. Процесс структурообразования в исследуемых золь-гель системах при различных условиях изучался вискозиметрическим методом по динамике вязкости золь-гель систем и по градиентной зависимости вязкости. Установлено время достижения перколяционной точки, определен характер изменения фрикционной и упругой составляющих вязкости золь-гель систем. Предложено регрессионное уравнение, позволяющее прогнозировать время перколяции для данных систем в зависимости от условий процесса. При исследовании кинетики фотоиницированной полимеризации акриловых мономеров выявлено существенное влияние присутствия золь-гель системиы в полимеризацонной смеси и времени структурирования системы на кинетические параметры процесса – максимальную скорость изменения конверсии, время достижения максимальной скорости и конверсию при wmax. С учетом установленных закономерностей синтезированы органо-неорганические нанокомпозиты путем золь-гель превращения в матрице полимера ПВДФ, а также предложен метод фотоинициированной полимеризации акрилатных композиций в присутствии золь-гель систем. Для композитов, содержащих сульфогруппы, определены ионпроводящие характеристики: число носителей заряда, их подвижность и коэффициенты диффузии. Полученные материалы характеризуются протонной проводимостью 10-5-10-4 См/см при комнатной температуре, высокой термической стабильностью и значительным водопоглощением, что позволяет рассматривать эти материалы как перспективные для использования в качестве протонпроводящих мембран топливных элементов. Dissertation is devoted to the study of the regularities of synthesis and characterization of organic-inorganic nanocomposite materials on the base of TEOS and GPS. Kinetic studies of hydrolysis of TEOS in acidic medium allowed to define the influence of initial system composition, temperature, catalyst concentration on the process rate. The kinetic parameters of the process have been determined, which have been confirmed by quantum-chemical calculations. Process of structure formation in sol-gel systems under various conditions was studied on dynamics of sol-gel system viscosity and gradient dependence of viscosity. Time of gelation (percolation point), character of the changes of friction and elastic components of viscosity of sol-gel systems at gelation have been determined. Investigations of kinetics of photoinitiated polymerization of acrylic monomers revealed a significant effect of the presence of sol-gel system in polymerizating mixture and time of previous system structuring on kinetic parameters of the process. Synthesized organic-inorganic nanocomposites containing sulphogroups have proton conductivity 10-5-10-4 S / cm at room temperature, high thermal stability and significant water absorption, which allows to consider these materials as promising for the use as proton-conductive membranes in fuel cells.