Príprava magnetických plnív s vlastnosťami na mieru pre polymérne kompozity a suspenzie

Ing. Zuzana KOŽÁKOVÁ

Doctoral thesis

Tailoring of Magnetic Fillers for Polymer Composites and Suspensions

Abstract:

Prezentovaná dizertačná práca je predložená vo forme komentovaného tematicky aranžovaného súboru piatich pôvodných článkov so sprievodným textom. Metódy syntézy magnetických nanočastíc, ich základné rysy a vlastnosti s dôrazom na potencionálne aplikácie sú zhrnuté do obecného prehľadu, ktorý taktiež zahrňuje súčasné aplikačné trendy v mnohých odvetviach. Bola vyvinutá originálna metóda na prípravu magnetických častíc oxidov železa pomocou mikrovlnne-asistovanej solvotermálnej techniky. Bol taktiež objasnený mechanizmus vzniku častíc pomocou tejto metódy. Na základe tohto mechanizmu bol navrhnutý spôsob ovplyvňovania vlastností častíc pomocou precízneho riadenia parametrov syntézy. Magnetické častice tvorené magnetitom/maghemitom boli pripravené v priebehu 30 minút, zatiaľ čo konvenčné solvotermálne techniky trvajú 12-24 hodín. Veľkosť častíc (20-120 nm), ich tvar a organizácia (monokryštalické polyhedrálne častice, polykryštalické guľovité zhluky) a prítomnosť kryštalických nečistôt (hematit, goethit a ďalšie) boli riadené nastavením parametrov syntézy. Kryštalická štruktúra častíc bola určená pomocou röntgenovej difrakcie, morfológia a distribúcia veľkosti častíc boli sledované pomocou skenovacej a transmisnej elektrónovej mikroskopie. Magnetické vlastnosti boli študované pomocou vibračnej magnetometrie a frekvenčne závislého meranie komplexnej magnetickej permeability. Je dobre známe, že u materiálov v nano a mezoškále je príspevok povrchových atómov k magnetickej anizotropii značný, a teda magnetické chovanie týchto materiálov je silne závislé na veľkosti častíc. Z tohto dôvodu bola diskutovaná i korelácia medzi parametrami syntézy, štruktúrou a morfológiou častíc a ich magnetickými vlastnosťami. Za účelom získať magnetické častice podlhovastého tvaru, ktoré sú veľmi vhodné napríklad pre použitie v magnetoreologických suspenziách, bola navrhnutá metóda, ktorá využíva tepelný rozklad málo stabilných prekurzorov pri zvýšenej teplote. Jedná sa o proces, ktorý pozostáva z dvoch krokov: prvý krok zahrňuje solvotermálnu syntézu prekurzoru podlhovastého tvaru, ktorý je v druhom kroku rozložený na častice oxidov železa, ktoré si ponechávajú tvar prekurzoru. Oba kroky zahrňujú mikrovlnný ohrev miesto bežného zahrievania a teda je tento proces rýchly a vysoko efektívny. Efektivita pripravených nanočasticových systémov bola preukázaná magnetoreologickými experimentmi ako aj in vitro kalorimetriou pre perspektívne aplikácie v hypertermii.

Abstract:

The presented doctoral thesis is submitted in the form of commented thematically arranged collection of five original scientific articles underpinned by the theoretical background. Synthetic techniques of magnetic particles preparation, their basic features and properties are overviewed with emphasis on the possible application and present trends in many areas are included, too. At first, original method for the preparation of magnetic nanoparticles based on the iron oxides by the use of microwave-assisted solvothermal techniques is introduced. Mechanisms that take place within this synthesis are also elucidated here. On the basis of discovered mechanisms, we also propose the manner of tailoring of the particles via the precise control of synthesis parameters. Magnetic particles composed of magnetite/maghemite were prepared in 30 minutes while the conventional solvothermal techniques take usually 12-24 hours. Particles size (20-120 nm), shape and organization (single crystal polyhedral particles, polycrystalline spherical assemblies) and presence of crystalline impurities (presence of hematite, goethite and others) were influenced via the selection of the synthetic parameters. The crystalline composition of these particles was determined by the X-ray diffraction, morphology and particle size distribution were investigated with the help of scanning and transmission electron microscopy. Magnetic properties were measured via the vibrating sample magnetometry and the frequency dependent measurement of complex magnetic permeability. It is well known that for the mesoscopic and nanoscopic materials, contribution of surface and interface atoms to the magnetic anisotropy is great and thus the magnetic behavior is strongly dependent on the dimension of particles. For this reason, the correlation between the synthesis parameters, structure and morphology of obtained products and the magnetic properties was also discussed. In order to obtain elongated shape of the magnetic particles that are suitable for the use in magnetorheological suspensions, another method utilizing decomposition of unstable precursor under the elevated temperature was also proposed. It is a two-step process: first step involves solvothermal synthesis of the precursor with the elongated shape, which is, in the second step decomposed into the iron oxide particles that preserve the shape of the precursor. Both steps involve microwaves instead of common heating and thus the process is fast and highly effective. The performance of prepared nano-particulate systems was demonstrated in magnetorheological experiments as well as by in vitro calorimetry for prospectiveapplication in hyperthermia.

Keywords

Mikrovlnná syntéza, oxidy železa, nanočastice, solvotermálna syntéza, termálny rozklad, magnetické vlastnosti.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 5. 2014

Accessible from:: 1. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2014
• Supervisor: doc. Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds