Features of Structural Organization of Nanodiamonds in the Polyethylene Glycol Matrix

Abstract

Полімерні нанокомпозити, які містять наноалмази, привертають все більшу увагу через зростання областей їх застосування. Оскільки мікроструктура системи визначає її властивості, важливим завданням є встановлення особливостей структуроутворення у полімерній матриці. Методами ширококутового та малокутового розсіювання рентгенівських променів досліджено структурні особливості нанокомпозитів на основі поліетиленгліколю (ПЕГ) та ультрадисперсних наноалмазів (УДНА). Системи на основі наноалмазів детонатоційного синтезу та кристалічного ПЕГ готувалися методом ультразвукового диспергування у розплаві. Виявлено, що досліджувані УДНА є полідисперсними частинками із вузьким розподілом за розмірами. Середній радіус первинних частинок УДНА становить 20 нм. Показано, що зі збільшенням вмісту наноалмазів у системі посилюються процеси агрегації. Структура таких систем добре описується в рамках моделі з багаторівневою фрактальною агрегацією. За допомогою фрактального аналізу ідентифіковано тип фрактальних агрегатів кожного структурного рівня та визначено їх розміри. Залежно від вмісту наповнювача у системі, частинки УДНА утворюють різний тип агрегатів. При низькому вмісті наповнювача утворюються щільні масово-фрактальні агрегати та поверхневі агрегати із гладкою поверхнею. При високому вмісті утворюються щільні агрегати поверхнево-фрактального типу із шорсткою поверхнею. Встановлено, що на першому структурному рівні утворюються агрегати із середнім розміром 60-75 нм, на другому рівні частинки УДНА формують агрегати із середнім розміром 225-240 нм.

Polymeric nanocomposites containing nanodiamonds are attractive multifunctional materials with a growing range of applications. Since the microstructure of the system determines its properties, it is an important task to establish the features of structure formation of nanodiamonds in the polymer matrix. The structural features of nanocomposites based on polyethylene glycol (PEG) and ultradispersed nanodiamonds (UDNDs) were investigated using the methods of wide-angle and small-angle X-ray scattering. Systems based on nanodiamonds of detonation synthesis and crystalline PEG were prepared by ultrasonic dispersion in melt. The studied UDNDs are found to be polydispersed particles with a narrow size distribution. The average radius of the UDNDs primary particles is 20 nm. It is shown that as the content of nanodiamonds in the system increases, the aggregation processes increase. The structure of such systems is well described within the model with multilevel fractal aggregation. Fractal analysis identified the type of fractal aggregates of each structural level and determined their sizes. Depending on the content of the filler in the system, particles of UDNDs form different types of aggregates. At low filler content, dense mass fractal aggregates and surface aggregates with a smooth surface are formed. At high contents, dense aggregates of surface-fractal type with a rough surface are formed. It is established that aggregates with an average size of 60-75 nm are formed at the first structural level, and aggregates with an average size of 225-240 nm are formed at the second level.