Structural and Optical Characteristics of PVA Films Doped with MgO Nanocrystalline
No Thumbnail Available
Date
2026
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Qassim University
Abstract
الأفلام الرقيقة النانوية المركّبة من بولي فينيل الكحول مع أكسيد المغنيسيوم حظيت باهتمام كبير بوصفها أنظمة بوليمر–أكسيد يمكن من خلالها لإضافات صغيرة من الجسيمات النانوية غير العضوية أن تُعدّل الاستجابة البصرية للبوليمر الحاضن، مع الحفاظ على مزايا انخفاض التكلفة وخفة الوزن وسهولة التحضير. في هذا العمل، تم تحضير أفلام بولي فينيل الكحول/أكسيد المغنيسيوم بتقنية الصبّ من المحلول وبنِسَب مختلفة من أكسيد المغنيسيوم، لدراسة كيفية تأثير زيادة محتوى الحشوة على السمات البنيوية والسلوك البصري المرتبط بحافة الامتصاص في بولي فينيل الكحول. وتم توصيف الأفلام المحضّرة باستخدام حيود الأشعة السينية ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه ومطيافية الأشعة فوق البنفسجية–المرئية بهدف تقييمٍ يعتمد على التركيز لدرجة التبلور، والتفاعلات البينية، وأهم المعلمات البصرية المستخرجة من حافة الامتصاص.تشير بيانات حيود الأشعة السينية إلى أن أكسيد المغنيسيوم يحافظ على بنيته المكعبة بعد دمجه داخل أفلام بولي فينيل الكحول. ولوحِظت زيادة تدريجية في حجم البلورات مع ارتفاع محتوى أكسيد المغنيسيوم، تزامنًا مع انخفاض في الإجهاد الكلي. وتُظهر أطياف مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه أن أكسيد المغنيسيوم يؤثر في شبكة بولي فينيل الكحول غالبًا عبر تفاعلات بينية، خصوصًا الروابط الهيدروجينية؛ إذ يحدث انزياح في حزمة الهيدروكسيل نحو قيم أقل، مما يشير إلى تغيّر في شبكة الروابط الهيدروجينية وإعادة ترتيب محلي في سلاسل البوليمر. كما تصبح اهتزازات مغنيسيوم–أكسجين في المجال منخفض العدد الموجي أكثر وضوحًا عند التراكيز الأعلى، بينما تكون ضعيفة عند التركيز الأقل بسبب قلة كمية أكسيد المغنيسيوم.وتُبيّن قياسات الأشعة فوق البنفسجية–المرئية أن الامتصاص البصري لأفلام بولي فينيل الكحول/أكسيد المغنيسيوم يزداد تدريجيًا مع زيادة محتوى أكسيد المغنيسيوم، ما يدل على تعزيز توهين الضوء في هذه المتراكبات النانوية. ويتضح هذا الاتجاه من خلال زيادة معامل الامتصاص عبر المجال الطيفي المدروس، ومن انتقال حافة الامتصاص نحو طاقات فوتونية أقل مع ارتفاع تركيز أكسيد المغنيسيوم. ويمكن إرجاع هذه الظاهرة إلى اللانظام البيني وتكوّن حالات ذيلية موضعية. ويؤكد تحليل تاوك وجود انخفاض يعتمد على التركيز في فجوات الطاقة البصرية؛ إذ تنخفض الفجوة المباشرة وغير المباشرة مع زيادة محتوى أكسيد المغنيسيوم. إضافةً إلى ذلك، ترتفع طاقة أرباخ مع زيادة محتوى أكسيد المغنيسيوم، مما يشير إلى اتساع ذيل أرباخ وزيادة الحالات الموضعية المرتبطة باللانظام. تُظهر هذه النتائج أن حتى الإضافات البسيطة من أكسيد المغنيسيوم يمكن أن تُحدث تغيّرًا ملحوظًا في الاستجابة البصرية لبولي فينيل الكحول، على الرغم من أن أكسيد المغنيسيوم يُعد من الأكاسيد واسعة فجوة الطاقة. ويحدث هذا التعديل أساسًا بفعل التأثيرات البينية وحالات اللانظام المستحثة، ما يبرز قابلية هذه الأفلام لاستخدامات مثل الحجب/الحماية من الأشعة فوق البنفسجية وتطبيقات بصرية وظيفية أخرى منخفضة التكلفة.
Description
PVA/MgO nanocomposite thin films have attracted considerable attention as polymer–oxide systems in which small additions of inorganic nanoparticles can tailor the optical response of the host polymer while retaining the advantages of low cost, light weight, and simple processing. In this work, PVA/MgO films were fabricated by the solution-casting technique with MgO contents of 2, 4, 6, and 8 wt.% to examine how filler loading modifies the structural features and the absorption-edge–related optical behavior of PVA. The prepared films were characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and UV–Vis spectroscopy to provide a concentration-dependent evaluation of crystallinity, interfacial interactions, and key optical parameters derived from the absorption edge. XRD data indicate that MgO maintains its cubic structure following its integration into the PVA films. An incremental rise in crystallite size is noted with increasing MgO content (from around 53.0 nm at 2 wt.% to around 56.8 nm at 8 wt.%), accompanied by a concurrent decrease in microstrain. FTIR spectra indicate that MgO influences the PVA network mostly via interfacial interactions, particularly hydrogen bonding. The O–H band shifts from approximately 3320 cm⁻¹ to approximately 3280 cm⁻¹. The Mg–O vibration in the 400–700 cm⁻¹ range becomes more pronounced at 4–8 wt.%, but it is feeble at 2 wt.% due to the insufficient quantity of MgO. UV–Vis experiments conducted over a wavelength range of 190–900 nm reveal that the optical absorption of PVA/MgO films increases progressively with higher MgO loading, indicating enhanced light attenuation in the nanocomposites. This trend is demonstrated by the increase in the absorption coefficient across the examined spectral range and the shift of the absorption edge toward lower photon energies as MgO concentration rises. This phenomenon can be attributed to interfacial disorder and the formation of localized tail states. Tauc analysis confirms a concentration-dependent reduction in the optical band gaps: the direct band gap decreases from 5.64 eV at 2 wt.% to 4.58 eV at 8 wt.%, while the indirect band gap falls from 4.62 eV to 2.74 eV. Additionally, the Urbach energy increases from 2.62 eV (2 wt.%) to 4.45 eV (8 wt.%), suggesting an expansion of the Urbach tail and an increase in disorder-related localized states with greater MgO content. These findings illustrate that even minor additions of MgO can significantly alter the optical response of PVA. Although MgO is a wide-bandgap oxide (7.7–7.8 eV), its incorporation into PVA as nanoparticles promotes interfacial disorder and defect-related localized states, which collectively reduce the apparent optical band gap of the composite and point to the potential of these films for UV shielding and other cost-effective functional optical applications.
Keywords
PVA, MgO, Magnesium Oxide, Polyvinyl alcohol, Metal Oxide, thin films
Citation
Al-Huwaymili Alharbi, L. A. N. (2026). Structural and Optical Characteristics of PVA Films Doped with MgO Nanocrystalline [Master's thesis, Qassim University]