Microstructure and Optical Properties of PMMA Matrix Composites Containing LaB₆ Nanoparticles

Abstract

he lanthanum hexaboride (LaB₆) nanoparticles are synthesized via a solid state reaction in vacuum. Silane coupling agent is used for modifying the surface of the nanoparticles. This process is carried out in different solutions so as to ascertain the best modification technology. Modified LaB₆ nanoparticles are added to polymethyl methacrylate (PMMA) matrix by in-situ polymerization. Synthesized nanoparticles are characterized by XRD and TEM, the results show that the obtained particles have high degree of crystallinity and elliptical or cubic shape, the size ranged from 20 nm to 100 nm. In addition, FESEM and Medium infra-red spectrometers are used to prove the effect of surface modification of nanoparticles, alcohol solution can provide the best modification atmosphere for the modifying process, as LaB₆ nanoparticles modified in alcohol solution appear in uniformly elliptic shape and smallest size. Furthermore, the microstructure of PMMA/LaB₆ composites are characterized, and optical properties of the composites are tested by UV-vis-NIR spectrophotometry. Experimental results show that modified LaB₆ nanoparticles dispersed well in the PMMA matrix, the relationship between added LaB₆ nanoparticles and optical properties of PMMA matrix is demonstrated as well. PMMA matrix contained 0.02% wt. LaB₆ nanoparticles can block NIR effectively with slight influence on the high transparency of PMMA matrix.

Наночастинки гексабориду лантану LaB₆ синтезовано шляхом твердотільної реакції у вакуумі. Для модифікування поверхні частинок використовувалась сполучна речовина силан. Цей процес виконувався в різних розчинах для визначення найкращої технології модифікування. Модифіковані наночастинки LaB₆ додавалися до матриці поліметилметакрилату (ПММК) під час полімеризації. Синтезовані наночастинки досліджувались методом рентгеноструктурного аналізу та просвічуючої електронної мікроскопії, результати показують, що одержані наночастинки мають високий ступінь кристалічності, еліптичну або кубічну форму і розміри від 20 до 100 нм. Крім того, для підтвердження впливу модифікації поверхні наночастинок використовувались автоемісійний сканувальний електронний мікроскоп та спектрометр середнього інфрачервоного діапазону. Спиртовий розчин може забезпечити найкраще навколишнє середовище для процесу модифікації, тому що наночастинки LaB₆, модифіковані в спиртовому розчині, мають однакову еліптичну форму та мінімальний розмір. Більше того, охарактеризовано мікроструктуру композитів ПММК/LaB₆, а їх оптичні властивості досліджено методами спектрофотометрії в ультрафіолетовому, видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах. Результати експерименту показують, що модифіковані наночастинки LaB₆ добре розподілені в матриці ПММК. Продемонстровано також зв’язок між додаванням наночастинок LaB₆ та оптичними властивостями матриці ПММК. Матриця ПММК з 0,02% мас. LaB₆ може ефективно блокувати випромінення ближнього інфрачервоного діапазону при слабкому впливі на високу прозорість матриці ПММК.

Наночастицы гексаборида лантана LaB₆ синтезированы путем твердотельной реакции в вакууме. Для модифицирования поверхности наночастиц использовалось связующее вещество силан. Этот процесс выполнялся в различных растворах для определения наилучшей технологии модифицирования. Модифицированные наночастицы LaB₆ добавлялись к матрице полиметилметакрилата (ПММК) во время полимеризации. Синтезированные наночастицы исследовались методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии, результаты показали, что полученные наночастицы имеют высокую степень кристалличности, эллиптическую или кубическую форму и размеры от 20 до 100 нм. Кроме того, для подтверждения влияния модификации поверхности наночастиц использовались автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп и спектрометр среднего инфракрасного диапазона. Спиртовой раствор может обеспечить наилучшую окружающую среду для процесса модификации, так как наночастицы LaB₆, модифицированные в спиртовом растворе, имеют одинаковую эллиптическую форму и минимальный размер. Более того, охарактеризована микроструктура композитов ПММК/LaB₆, а их оптические свойства исследованы методами спектрофотометрии в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Результаты эксперимента показывают, что модифицированные наночастицы LaB₆ хорошо распределены в матрице ПММК. Продемонстрирована также взаимосвязь между добавлением наночастиц LaB₆ и оптическими свойствами матрицы ПММК. Матрица ПММК с 0,02% масс. LaB₆ могла эффективно блокировать излучение ближнего инфракрасного диапазона при слабом влиянии на высокую прозрачность матрицы ПММК.