Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал на базе нанокристаллической целлюлозы и триглицинсульфата



Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал на базе нанокристаллической целлюлозы и триглицинсульфата
Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал на базе нанокристаллической целлюлозы и триглицинсульфата

 


Владельцы патента RU 2599133:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") (RU)

Изобретение относится к наноструктурированным материалам с выраженной сегнетоэлектрической активностью и может быть применено в устройствах микро- и наноэлектроники. Технический результат заключается в получении сегнетоэлектрического материала с высокими и регулируемыми диэлектрическими, пироэлектрическими и переполяризационными характеристиками. Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал содержит в качестве матрицы нанокристаллическую целлюлозу с наноканалами, расположенными перпендикулярно рабочей поверхности образца, и соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2SO4 в качестве сегнетоэлектрического наполнителя. Процентное содержание триглицинсульфата в указанном материале варьируется от 20 до 80 мас.%. 2 ил.

 

Изобретение относится к наноструктурированным материалам с выраженной сегнетоэлектрической активностью и может быть применено в устройствах микро- и наноэлектроники для улучшения рабочих характеристик элементов энергонезависимой памяти, радиотехнических устройств с перестраиваемыми параметрами в виде конденсаторов, фильтров, пьезоэлектрических преобразователей, пироэлектрических приемников инфракрасного излучения.

Известны тонкопленочные сегнетоэлектрические материалы, отличающиеся выбором типа подложки (благородные металлы, электропроводные легкоплавкие материалы) и толщиной сегнетоэлектрического слоя (0,01÷1000 мкм) (Патент РФ №2278910, C25D 15/02, 2006).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата для данных материалов, относятся:

- наличие диэлектрической подложки, влияющей на свойства создаваемых гетероструктур;

- невозможность эффективного регулирования рабочих параметров пленочных сегнетоэлектрических материалов.

Известны композитные составы с сегнетоэлектрическими частицами, полученные на основе пористых матриц (пористый оксид алюминия, пористое стекло) [Барышников С.В. Влияние ограниченной геометрии на линейные и нелинейные диэлектрические свойства триглицинсульфата вблизи фазового перехода / С.В. Барышников, Е.В. Чарная, Ю.А. Шацкая, А.Ю. Милинский, М.И. Самойлович, D. Michel, С. Tien // ФТТ. - 2011. - Т. 53. - №6. - С 1146-1149. O.V. Rogazinskaya, S.D. Milovidova, A.S. Sidorkin et al. Dielectric Properties of Ferroelectric Composites with TGS Inclusions, Ferroelectrics, V. 398, 2010, P. 191-197; RU 2509716, B82B 3/00, B82Y 30/00, 2014]. Недостатком указанных составов является ограниченность области существования матричной пористой структуры в диэлектрических пленках узким слоем протравленной пленки, что приводит к локализации основной части сегнетоэлектрической компоненты в приповерхностном слое композитного материала, а также относительно высокая цена материалов, используемых в качестве матриц.

Известен нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами, полученный по смесевой технологии, который содержит в качестве связующего вещества кремнезем SiO2, а в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2 COOH)3·H2SO4 при следующем соотношении компонентов, мас. %: SiO2 - 56-75, триглицинсульфат - 25-44. Материал имеет зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм (патент РФ 2529682, С04В 35/14, 2013).

Недостатком данного материала является хаотичная ориентация осей кристаллитов сегнетоэлектрического материала, затрудняющая использование выделенного полярного направления.

Известен матричный композит (прототип) на основе наноцеллюлозы с триглицинсульфатом (Х.Т. Нгуен и др. Диэлектрические свойства композитов на основе нанокристаллической целлюлозы с триглицинсульфатом. Физика твердого тела, 2015, Т. 57, вып. 3, С. 491-494). Используемая в нем нанокристаллическая целлюлоза относится к моноклинной сингонии (d=0,61 nm), кристаллографическая плоскость (-110) ячейки которой располагается перпендикулярно и параллельно плоскости образца. Микрофибрилярные ленты целлюлозы состоят из большого количества нанофибрил шириной 50-100 nm и длиной, превышающей этот диаметр в тысячу и более раз.

Однако в опубликованном источнике отсутствуют сведения о количественном составе нанокомпозита и, как следствие, нет данных о возможности регулирования его характеристик за счет изменения процентного соотношения компонент состава.

Заявленное изобретение имеет своей задачей создание новых функциональных сегнетоэлектрических материалов с регулируемыми характеристиками, отвечающих потребностям современного приборостроения и электроники.

Технический результат, получаемый при осуществлении данной задачи, заключается в получении сегнетоэлектрического материала с высокими и регулируемыми диэлектрическими, пироэлектрическими и переполяризационными характеристиками.

Заявляемый материал представляет собой композитную структуру, в которой в качестве армирующей матрицы используется нанокристаллическая бактериальная целлюлоза с наноканалами, расположенными перпендикулярно поверхности образца и электродов, а в качестве сегнетоактивного наполнителя триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3·H2SO4. Согласно изобретению материал с ориентацией наноканалов перпендикулярно рабочей поверхности содержит компоненты при следующем соотношении мас.%:

триглицинсульфат 20-80
нанокристаллическая целлюлоза 80-20

Используемая в составном материале НКЦ + ТГС химически чистая нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ), обладающая уникальными адсорбционными свойствами, апробированна в различных областях медицины и техники [Баклагина Ю.Г. Сорбционные свойства бактериальной целлюлозы / Ю.Г. Баклагина, А.К. Хрипунов, А.А. Ткаченко, С.В. Гладченко, В.К. Лаврентьев, А.Я. Волков // Ж. прикл. химии Т. 78, стр. 1197-1202, 2005].

На фиг. 1 показаны дифрактограммы исследованных образцов: а - чистого НКЦ, b - НКЦ + ТГС (20 мас.%), с - НКЦ + ТГС (60 мас.%); на фиг. 2 - зависимость поляризации от напряженности измерительного поля для композитов НКЦ + ТГС, в которых наноканалы нанокристаллической целлюлозы перпендикулярны поверхности.

Содержание ТГС в образцах разного состава составляет: 1-0, 2-20, 3-40, 4-60, 5-80 мас.%.

Из приведенных графиков видно, что исходной НКЦ соответствуют фактически только интенсивные рефлексы в области углов 2θ~15° и 23°. При внедрении в матрицу НКЦ триглицинсульфата относительная интенсивность указанных рефлексов понижается на фоне многочисленных линий, относящихся к триглицинсульфату. Кроме того, анализ линий, относящихся к триглицинсульфату, показывает, что нанокристаллы ТГС в наноканалах НКЦ находятся в преимущественно ориентированном состоянии. По мере заполнения триглицинсульфатом растет и макроскопическая поляризация синтезированных композитов.

Пример 1. Нанокомпозит состава: 20% ТГС и 80% НКЦ.

Композиты НКЦ + ТГС изготавливалась из полностью высушенной бактериальной наноцеллюлозы путем прогревания ее при +120°С в течение 2 часов в сушильном шкафу и последующим охлаждением до комнатной температуры. Затем пленки НКЦ опускались в насыщенный при комнатной температуре раствор ТГС и нагревались до +50°С с выдержкой в 1 час, охлаждались до комнатной температуры, при которой выдерживались до выпадения и роста кристаллов ТГС.

Для приложенного поля с амплитудой 4 кВ/см поляризация Р=0,1 мкКл/см2.

Пример 2. Нанокомпозит состава: 60% ТГС и 40% НКЦ.

Композиты НКЦ + ТГС изготавливались из предварительно полностью высушенной и затем опущенной в раствор триглицинсульфата бактериальной наноцеллюлозы методом понижения температуры насыщения раствора или методом выпаривания ненасыщенного раствора при постоянной температуре.

Для приложенного поля с амплитудой 4 кВ/см поляризация Р=0,3 мкКл/см2.

В композитах, полученных методом выпаривания ненасыщенного раствора при постоянной температуре, концентрация ТГС, определяемая по дифрактограмме, больше, чем в композитах, полученных методом понижения температуры насыщения растворов. Это согласуется и с результатами диэлектрических исследований. Аномалии в температурных зависимостях диэлектрической проницаемости меньше смещены в область более высоких температур, приближаясь при этом к температуре фазового перехода кристалла ТГС.

Все полученные сегнетокомпозиты нанокристаллическая целлюлоза - триглицинсульфат характеризуются размытием фазового перехода, его смещением ориентировочно на 10-11 K в область более высоких температур по сравнению с наблюдаемым в монокристаллическом ТГС. Во всем исследованном интервале температур диэлектрическая проницаемость композитов НКЦ+ТГС меньше, чем в монокристаллическом триглицинсульфате.

Нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал, содержащий в качестве матрицы нанокристаллическую бактериальную целлюлозу и триглицинсульфат (NH2CH2COOH3)3·H2SO4 в качестве сегнетоэлектрического наполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Триглицинсульфат 20-80
нанокристаллическая целлюлоза 80-20



 

Похожие патенты:

Предложен материал для культивирования или доставки эукариотических клеток. Материал содержит происходящие из растений механически дезинтегрированные целлюлозные нановолокна и/или их производные в форме гидрогеля или мембраны во влажном состоянии.

Описаны и заявлены новые клеевые смеси для достижения улучшенной проклейки наряду с другими преимуществами. Изобретением является композиция для улучшения проклейки бумаги и картона при их производстве, включающая клеевую эмульсию с клеевой добавкой, содержащую один или несколько альдегид-функционализированных полимеров в стабилизирующем количестве, имеющих по крайней мере один вид альдегид-реакционно-способного мономера, присутствующий в указанном полимере.
Изобретение относится к способу производства дисперсии, состоящей из микрофибриллированной целлюлозы и наночастиц, который включает получение суспензии, состоящей из предварительно обработанных волокон целлюлозы, где волокна целлюлозы были предварительно обработаны при помощи механической обработки, ферментативной обработки, карбоксиметилирования, окисления действием ТЕМПО, графтинга КМЦ, химического набухания или гидролиза кислотами, введение наночастиц в суспензию и обработку суспензии путем механического разрушения таким образом, что образуется дисперсия, содержащая микрофибриллированную целлюлозу, в которой наночастицы абсорбируются на поверхности микрофибриллированной целлюлозы и/или абсорбируются внутри микрофибриллированной целлюлозы.

Изобретение относится к растворам, содержащим целлюлозу и к способу растворения лигноцеллюлозных материалов. Согласно предложенному способу лигноцеллюлозный материал вводят в контакт с сопряженной кислотой, образованной сильным органическим основанием и более слабой кислотой, в условиях, которые приводят к по меньшей мере частичному растворению целлюлозных компонентов лигноцеллюлозного материала.

Настоящее изобретение относится к прочной нанобумаге. Описана нанобумага, включающая глину и микрофибриллированную целлюлозу МФЦ, где глина представляет собой силикат со слоистой или пластинчатой структурой, и где нановолокна МФЦ и слоистая глина ориентированы по существу параллельно поверхности бумаги, при этом нанобумага дополнительно включает водорастворимый сшивающий агент, который положительно заряжен, когда находится в водном растворе, и который представляет собой хитозан, а глина включает частицы нанометрового диапазона размеров, причем длина нановолокон МФЦ составляет 5-20 мкм, а поперечный размер нановолокон МФЦ составляет 10-30 нм.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложена композиция для получения продукта, выбранного из группы, состоящей из спиртов, органических кислот, сахаров, углеводородов и их смесей.
Изобретение относится к области получения сорбционно-активных материалов, используемых при разделении и очистке газовых и паровых смесей различной природы, для очистки поверхности воды от нефти и нефтепродуктов, а также для очистки сточных вод от белковых токсикантов.
Изобретение относится к эпоксидной композиции для получения высокопрочных, теплостойких материалов, которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности. Эпоксидная композиция горячего отверждения включает эпоксидный диановый олигомер марки ЭД-20 (100 мас.ч.), отвердитель ангидридного типа (80 мас.ч.), в качестве модифицирующей добавки она дополнительно содержит производные полисахаридов (1,0-10,0 мас.ч.).

Изобретение относится к композициям для повышения вязкости водных сред. Композиция содержит смесь по меньшей мере одного катионного или поддающегося катионизации полимера и по меньшей мере одного анионного или поддающегося анионизации полимера.
Изобретение относится к получению пористой мембраны, подходящей для использования в электрохимических устройствах, таких как батареи различного типа, конденсаторы и т.п.

Изобретение относится к фторированным соединениям, способу их получения, огнетушащим композициям, включающим фторированные соединения, и способам тушения, контролирования или предотвращения пожаров с помощью таких композиций.

Изобретение относится к огнестойкой композиции смолы, которая может быть использована для компонента аппаратуры вывода изображения. .

Изобретение относится к получению композиции, обладающей электрореологическими свойствами, которая может быть использована в конденсаторостроении, мембранной технологии для целей записи информации.

Изобретение относится к области медицины, в частности к медицинской технике, предназначено для использования, при введении и удалении, углеродных наноструктурных композиционных имплантатов.
Наверх