o:23646 Полимерни нанокомпозити на бази PVDF и механички активираног праха ZnO, карактеризација и примена у МЕМС технологијама докторска дисертација Polymer nanocomposites based on PVDF polymer and mechanically activated ZNO powder, characterisation and application in MEMS technologies : doctoral dissertation sr Истраживање у овој дисертацији базирано је на синтези, карактеризацији и примени полимерних нанокомпозита на бази полимера PVDF и механички активираног праха цинк- оксида у МЕМС технологијама. Један од начина за добијање полимерних нанокомпозита са побољшаним сензорским карактеристикама је додавање пуниоца унутар полимерне матрице. У овој докторској дисертацији је као полимер коришћен PVDF, а као пунилац-прах цинк- -оксида. Поред комерцијално добијеног (механички неактивираног) праха цинк-оксида, као пуниоци су коришћени и механички активирани прахови цинк-оксида. Механичка активација праха је извршена у планетарном механохемијском активатору (млину) са волфрам-карбидним куглицама. Времена активације су износила 5, 10 и 30 минута. И неактивиран и механички активирани прахови су подвргнути детаљној структурној анализи. Рендгеноструктурном анализом је утврђено да је процесом механичке активације дошло до ситњења честица праха и повећања микронапрезања. Рамановом спектроскопијом је утврђено да је процесом механичке активације дошло до повећања концентрације сопствених дефеката у кристалној решетки ZnO, што је битно утицало на повећање интензитета појединих Раманових пикова, па и на појачано присуство тзв. површинских фонона. Методама електронске микроскопије (СЕМ и ТЕМ) је анализирана површина прахова и јасно показан утицај механичке активације који са продуженим временом доводи до ситњења праха, а уједно након 30 минута активације и до стварања површинских меких агломерата. Адсорпционо-десорпционом анализом је одређена величина пора и утврђено је да се ради о мезопорозном праху. Добијени FTIR резултати су такође у корелацији са поменутим анализама. Неактивиран и механички активиран прах је додаван у полимерну матрицу у тежинском уделу од 2.5%, 5% и 10%. Синтеза нанокомпозита са таквим тежинским уделом цинк-оксидног праха је вршена да би се утврдило да ли бољи утицај на механичке карактеристике има концентрација пуниоца или механичка активација пуниоца. С обзиром да су добијене приближно исте вредности Јунговог модула еластичности нанокомпозита при тежинском уделу механички активираног (10 мин.) пуниоца од 5 и 10 wt%, у даљим истраживањима у склопу израде дисертације су детаљније анализирани полимерни нанокомпозити са 5 wt% механички активираног праха цинк-оксида. Добијени резултати, применом различитих метода, показали су да је дошло до повећања удела бета фазе након додавања механички активираног праха цинк-оксида. Скенирајућом електронском микроскопијом показано је да је дошло до умрежавања полимерних ланаца и стварања сферулитне струкутре. Рендгеноструктурном анализом је утврђено да је након додавања неактивираног праха цинк-оксида дошло до измена кристалне структуре полимерне матрице, у смислу пораста удела алфа фазе. Са друге стране, након додавања механички активираног праха дошло је до повећања удела поларних фаза. При томе су резултати Раманове спектроскопије указали да додавање механички активираног праха цинк-оксида подстиче кристализацију бета фазе PVDF-a, нарочито при краћим временима активације. Механичке карактеристике су одређене методом наноиндентације. Тако је утврђено да вредност Јунговог модула еластичности драстично расте код полимерних нанокомпозитима са механички активираним прахом цинк-оксида. Показано је да електричне карактеристике директно зависе од времена механичке активације пуниоца. Вредност диелектричне константе је најмања код чистог полимера и полимера са неактивираним прахом цинк-оксида. Микроскопом атомских сила утврђено је да храпавост узорака расте са временом активације пуниоца, а тиме и удео бета фазе и вредности пиезоелектричних карактеристика. Пиезоелектричне карактеристике су одређене микроскопом атомских сила са пиезоелектричним врхом. Резултати указују на то да најјачи пиезоелектрични одговор имају узорци са прахом који је механички активиран у трајању од 10 до 30 минута. Након детаљне анализе полимерних нанокомпозита, развијени су теоријски модели за примену оваквих узорака у МЕМС технологијама. Адсорпционо-десорпциони хемијски и биолошки сензори са активном површином су били тема овог истраживања. Полимерни нанокомпозит је разматран као активна површина у таквом сензору. Процеси који би се одвијали на тој површини, када би се нашао у некој гасној атмосфери, би се генерално односили на: адсорцпију, десорпцију, површинску дифузију и трансфер масе. Математички модел за одређивање састава и количине гаса, на основу поменутих процеса, представљен је у дисертацији. The research in this dissertation is based on the synthesis, characterization and application of polymer nanocomposites based on PVDF polymer and mechanically activated zinc oxide powder in MEMS technologies. One way to obtain polymer nanocomposites with enhanced sensing character- istics is to add fillers within the polymer matrix. The PVDF polymer was used in this doctoral disser- tation, and as a filler the zinc oxide powder was used. In addition to pure (mechanically inactivated) zinc oxide powder, mechanically activated zinc oxide powders were used as the filler. Mechanical ac- tivation of the powder was performed in a planetary mechanochemical activator (mill) with tungsten carbide beads. Activation times were 5, 10 and 30 minutes. Both, inactivated and mechanically acti- vated powders were subjected to detailed structural analysis. X - ray diffraction analysis determined that the process of mechanical activation caused the decreasing in crystallite size and an increase in the micro strain. Raman spectroscopy revealed that the process of mechanical activation increased the concentration of its own defects in the ZnO crystal lattice, which significantly influenced the in- crease in the intensity of individual Raman peaks, as well as the increased presence of the so-called surface phonons. Electron microscopy (SEM and TEM) methods were used to analyze the surface of powders and clearly show the influence of mechanical activation, which with prolonged time leads to powder comminution, and at the same time after 30 minutes of activation to the formation of surface soft agglomerates. Adsorption-desorption analysis determined the size of the pores and found them to be mesoporous powder. The obtained FTIR results are also in correlation with the aforementioned analyzes. Such powder was added to the polymer matrix in 2.5 wt%, 5 wt% and 10 wt%. The inactivat- ed and mechanically activated powder was added to the polymer matrix in a weight fraction of 2.5%, 5% and 10%. The synthesis of nanocomposites with such a weight fraction of zinc oxide powder was performed. Since approximately the same values of the Jung modulus of elasticity of nanocomposites were obtained at a weight fraction of mechanically activated (10 min) filler of 5 and 10 wt%, in fur- ther research as part of the dissertation, polymer nanocomposites with 5 wt% of mechanically acti- vated zinc oxide powder were analyzed in more detail. The results obtained, using different methods, showed that there was an improvement in the beta phase after the addition of the mechanically acti- vated zinc oxide powder. Scanning electron microscopy showed that the cross-linking of the polymer chains and the formation of a spherulite structure had occurred. X-ray diffraction analysis revealed that upon addition of mechanically activated zinc oxide powder, the crystal structure of the polymer matrix changed, in terms of the increase in the alpha phase content. After the addition of mechani- cally activated powder, there was an increase in the beta phase content. On the other hand, after the addition of mechanically activated powder, the share of polar phases increased. The results of Raman spectroscopy indicated that the addition of mechanically activated zinc oxide powder stimulates the crystallization of the beta phase of PVDF, especially at shorter activation times. The mechanical char- acteristics are determined by the nanoindentation method. Thus, the value of Jung’s modulus of elas- ticity was found to increase drastically in polymeric nanocomposites with mechanically activated zinc oxide powder. The value of the dielectric constant is the lowest in pure polymer and polymer with in- activated zinc oxide powder. Atomic force microscopy have shown that the roughness of the samples increases with the activation time of the filler, and thus the share of the beta phase and the values of piezoelectric characteristics. Piezoelectric characteristics were determined by an atomic force micro- scope with a piezoelectric tip. The results indicate that samples with mechanically activated powder at 10 and 30 minutes have the strongest piezoelectric response. After detailed analysis of polymer nano- composites, theoretical models for the application of such samples in MEMS technologies have been developed. Adsorption-desorption chemical and biological sensors with an active surface were the topic of this research.The polymer nanocomposite is considered as the active surface in such a sensor. The processes that would occur on that surface, if it were in a gaseous atmosphere, would generally refer to: adsorption, desorption, surface diffusion and mass transfer. The mathematical models for de- termining the composition and quantity of gas, based on the mentioned processes, is presented in the dissertation. Физика - Примењена и компјутерска физика / Physics - Applied and computer physics Datum odbrane: 01.10.2020. полимерни нанокомпозит, механичка активација, МЕМС, адсорпицоно‑-десорпциони биолошки и хемијски сензори, PVDF, ZnO Polymer nanocomposite, mechanical ativation, MEMS, adsorption-desorptionbio/chemical sensors, PVDF, ZnO yes 91552100 37347849 91552101 8131 2021-05-12T11:52:11.053Z 45 no 46 mentor Adriana P., 1984- Peleš Tadić 68491017 2020 63 mentor Zoran S., 1949- Nikolić 7084647 2020 63 član komisije Ivan, 1964- Belča 21708647 2020 63 član komisije Dušan, 1966- Popović 8020583 2020 63 član komisije Vera, 1968- Pavlović 12769127 2020 63 član komisije Ivana, 1972- Jokić 28426855 2020 112 стр. 13426446 http://phaidrabg.bg.ac.rs/o:23646 no yes 4 2021-05-12T11:52:11.320Z 70 11 1066732 1066772 полимерни нанокомпозит, механичка активација, МЕМС, адсорпицоно‑-десорпциони биолошки и хемијски сензори, PVDF, ZnO Polymer nanocomposite, mechanical ativation, MEMS, adsorption-desorptionbio/chemical sensors, PVDF, ZnO 539.215:543.42(043.3) 1738 11A41 2020