CC BY
84
УДК 546.62:541.13
Е. В. Петрова, А. Ф. Дресвянников, А. В. Винокуров ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ПОЛИМЕРОВ НА СТАБИЛЬНОСТЬ НАНОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
ГИДРОКСИД АЛЮМИНИЯ - ВОДА
Ключевые слова: наночастицы; гидроксиды; поверхностно-активные вещества; полимеры.
Исследовано влияние природы и концентрации поверхностно-активных веществ и полимеров на стабильность нанодисперсных систем гидроксид алюминия - вода.
Keywords: nanoparticle; hydroxide; electrochemical method; surface-active substances; polymers.
The influence of the nature and concentration of surface-active substances and polymers on stability nanosizer systems hydroxide aluminum - water is investigated.
Нанодисперсный оксид алюминия используется как высокоэффективный катализатор, сорбент и носитель катализаторов; в качестве наполнителей полимеров при модификации полимерных материалов для повышения основных показателей качества (механических, физико-химических, химических) [1-2]. Одним из способов регулирования дисперсности частиц оксидных и гидроксидных систем может быть синтез, электрохимический метод [3], позволяющий регулировать фазовый состав и морфологию исходных нанопорошков в процессе их получения, путем изменения условий электрохимического синтеза.
В основе электрохимических методов получения наночастиц лежат процессы электрокристаллизации из растворов, которые связаны с выделением на электродах простых и комплексных катионов и анионов. Осадок, образующийся на электроде в результате электрокристаллизации, в морфологическом отношении может быть как рыхлым порошком, иногда рентгеноаморфным, так и плотным слоем из множества микрокристаллов [2-4]. Дисперсность оксидных синтезируемых систем, можно также регулировать путем введения поверхностно активных веществ (ПАВ) и полимеров [5]. Это оказывается возможным вследствие того, что наличие стабилизатора способствует, как правило, понижению поверхностного натяжения интермицеллярной жидкости и оказывает влияние на размер, морфологию и пространственную ориентацию получаемых кристаллов.
Целью данной работы являлось выявление влияния природы и концентрации поверхностно-активных веществ и полимеров на стабильность нанодисперсных систем гидроксид алюминия - вода.
Для получения гидроксидов алюминия использовали коаксиальный электрохимический реактор, где катодом служила сталь Х18Н10Т, а анодом - алюминий марки А5. В качестве электролита использовали водные растворы хлорида натрия (NaCl «х. ч.»). В качестве модифицирующих веществ были выбраны полиакриламид, лаурилсульфат, тетраэтоксисилан, полиэтиленглтколь и модифицирующая добавка на поликарбоксилатной основе (С-3). Введение модифицирующей добавки проводили непосредственно после электролиза в количествах 0,3, 0,5, 3,0, 5,0, 10,0 и 30,0 % мас. Анализ размеров частиц в системе гидроксид алюминия - вода - модифицирующая добавка проводили методом динамического светорассеяния на анализаторе Malvern Zetasizer Nano ZS фирмы «Malvern» образцов непосредственно после электролиза и после созревания в маточном растворе. Пробоподготовка образца перед анализом включала ультразвуковое озвучивание до E= 5 кДж.
Результаты анализов распределения частиц по размерам представлены в табл. 1 и рис. 1.
Структурные характеристики гидроксидов, могут существенно изменяться при различных значениях температуры осаждения и других факторов (например природы м
концентрации модифицирующей добавки). Гидроксиды алюминия характеризуются склонностью к химическим и фазовым превращениям в процессе осаждения и старения [2-4].
Таблица 1 - Результаты анализов распределения частиц по размерам систем гидроксид алюминия (ГОА) - вода - модифицирующая добавка
№ Исследованная система Результаты анализов
Свежеприготовленная система Система после созревания
РБ1* 2**, нм РБ1* 2**, нм
1 ГОА - вода 1,000 5496 0,47 3204,0
2 ГОА - вода - полиакриловая кислота (0.05%) 0,302 341,2 0,47 3204,0
3 ГОА - вода - ПАК (0,3%) 0,570 1607,0 — —
4 ГОА - ПАК (0,5%) 0,364 1926,0 — —
5 ГОА - вода - ПАК (3,0%) 0,913 422,8 0,951 461,9
6 ГОА - вода - лаурилсульфат (3%) 0,418 325,6 — —
7 ГОА - ТЭС (10%) 0,909 451,3 0,505 393,2
8 ГОА - вода - ТЭС (30%) — — 0,378 463,7
9 ГОА -С3(3%) 0,457 2605,0 — —
10 ГОА - вода - С3 - (10%) 0,496 276,9 0,435 415,9
11 ГОА - вода - ПЭГ (5%) 0,154 4201,0 — —
* Индекс полидисперсности системы;
** средний диаметр частиц в системе.
Эти превращения сопровождаются изменением степени дисперсности, как в направлении понижения, так и повышения. Например, для образцов № 1 (контрольный образец) в процессе старения системы произошло уменьшение среднего диаметра, что частиц, что привело к уменьшению значения индекса полидисперсности, характеризующего склонность системы к агрегированию. Установлено, что введение ПАВ и полимеров способствует уменьшению среднего диаметра частиц в 15-20 раз. Можно предположить, что процесс формирования гидроксидов протекает по многостадийному механизму, первой стадией процесса является гидролиз исходного вещества, в результате которого образуются частично полимеризованные продукты. Одновременно протекает конденсация между частицами, благодаря чему их размер возрастает, а устойчивость в растворе уменьшается. В результате, по достижении частицей некоторого размера, появляется поверхность раздела частица-жидкость и раствор превращается в золь. В процессе коагуляции происходит агрегация частиц в крупные конгломераты. Гидроксид алюминия способен кристаллизоваться, в связи с этим превращения, которые претерпевают частицы осадка, осложняются: аморфные частицы кристаллизуются и срастаются, зачастую ориентировано, и величина поверхности сильно уменьшается. В процессе старения также происходят различные превращения, например дегидратация. Следует отметить, что коагулированные частицы связаны внутри конгломератов сравнительно слабыми силами и в известной мере сохраняют свою индивидуальность. Подтверждением этого является легкость, с которой происходит разрушение агрегатов при введении модификатора в виде ПАВ или полимера, в зависимости от природы диспергирующего вещества разрушение агрегатов происходит до различной степени дисперсности системы, о чем косвенно свидетельствует изменение значения индекса полидисперсности, что вносит большие или меньшие изменения в свойства конечного продукта.
Size (d.nm)
Рис. 1 - Графическое представление результатов измерения размеров частиц в системе гидроксид алюминия - вода - ТЭС (10%)
Таким образом, можно констатировать что введение поверхностно активных веществ и полимеров в количестве 3-5 % мас. позволяет уменьшить агрегирование частиц гидроксида алюминия в 15-2G раз. Установлено, что на стабильность нанодисперсных систем гидроксид алюминия - вода существенное влияние оказывает природа и концентрация вводимого модификатора.
Работа проводилась в рамках выполнения ГК № 02.740.11.0802 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области наноструктурированных композиционных полимерных материалов, армированных модифицированными наночастицами органической и неорганической природы», и частично рамках выполнения ГК №16.740.11.0207 «Получение и модификация наночастиц металлов и оксидов металлов электрохимическими и электрофизическими методами».
Литература
1. Hannink, R.H.J. Nanostrukture control of materials/ Hannink R.H.J., Hill A.J.. Woodhead Publishing Limited. - 2GG6. - 488 p.
2 Zhang, Q.Y. Microstructure, morphology and their annealing behaviors of alumina films synthesized by ion beam assisted deposition/ Q.Y. Zhang, W.J. Zhao, P.S. Wang, L. Wang, J.J. Xu, P.K. Chu // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section. - 2GG3. - V.2G6. - P.357-361.
2. Дресвянников, А.Ф. Морфология и фазовый состав наноразмерных частиц гидроксида и оксида алюминия, полученных электрохимическим способом / Дресвянников А.Ф., Петрова Е.В., Цыганова М.А. //Журнал физической химии. - 2G1G. - Т.84. - №4. - С.727-732.
3. Шепелева, М.Н. Влияние агрегации гидроксидов на структурно-механические свойства оксида алюминия, сформированного жидкостным методом/ Шепелева М.Н., Фенелонов В.Б., Шкрабина Р.А., Мороз Э.М.// Кинетика и катализ. - Т.32. - №5. - 1986. - С.1202-1207.
4. Курбангалеева, А.Р. Возможности стабилизации наночастиц гидроксида алюминия, полученных электрохимическим способом / А.Р.Курбангалеева и др.// Вестник Казан. технол. ун-та - 2G1G. - № 9. -C7G4-7G8.
© Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, [email protected]; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; А. В. Винокуров - аспирант той же кафедры.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 20.02.11 по 1.03.11.
3G8
