Получение ультродисперсных частиц SiO2 в реакторе ВЧИ-разряда

УДК 537.523.9

В. Е. Катнов, Е. В. Петрова, С. Н. Степин,

А. Ф. Дресвянников, И. Г. Гафаров

ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ SÍO2 В РЕАКТОРЕ ВЧИ-РАЗРЯДА

Ключевые слова: высокочастотный индукционный разряд, реактор, ультрадисперсный порошок диоксида

кремния, парагазовый синтез, стабилизация.

В работе исследовано получение ультрадисперсных порошков SÍO2 в высокочастотном индукционном разряде. Изучено распределение по размерам частиц порошков SÍO2. Показана зависимость размера частиц от зоны отбора порошка.

Keywords: the RF inductive discharge, reactor, ultrafme powder silicon dioxide, steamgas synthesis, stabilization.

The paper was investigated to obtain ultrafme powders of SÍO2 in the RF inductive discharge. It was studied the distribution of particle size powders SÍO2. Shown to be dependent on the particle size of the zone selection powder.

Введение в состав полимерных композиционных материалов порошков с размерами частиц в интервале 10-100 нм, позволяет добиться не только существенного улучшения эксплуатационных характеристик изделий из получаемых композиций, но, в ряде случаев, получения материалов с принципиально новыми свойствами. Это обусловлено изменением физико-химических свойств порошков при достижении нанометрового размера частиц. При столь малых размерах на поверхности частиц происходит перестройка расположения атомов и изменение типа межатомных связей, строго пространственная периодичность расположения атомов, характерная для монокристаллов, нарушается, межатомное расстояние закономерно изменяется при переходе от центра частички к ее поверхности. Начинают проявляться «кванто-размерные эффекты», существенно возрастает удельная площадь поверхности и химическая активность порошков. Это придает актуальность исследованиям по получению и исследованию наноматериалов [1].

К наиболее распространенным методам получения нанопорошков относится формирование дисперсных частиц из парогазовой фазы, вариантом которого является формирование наноразмерных частиц в результате гомогенной конденсации из образовавшегося в результате высокотемпературного воздействия пересыщенного пара металла или тугоплавкого соединения.

Для парогазофазного синтеза частиц, используются различные способы получения перегретых паров соединений: электронно-лучевой, лазерный или плазмохимический

способы. Минимальный размер частиц, получаемых из парогазовой фазы, составляет порядка 1 нм (частицы столь малого размера содержат всего лишь сотни атомов), причем получаемые порошки характеризуются узким распределение по размеру частиц. По этим важным параметрам парогазофазные методы синтеза нанопорошков существенно превосходят методы механического диспергирования.

В настоящей работе исследовано распределение по размерам частиц порошков SÍO2, полученных методом парагазофазного синтеза в высокочастотном индукционном разряде.

Порошок подавался через разрядную камеру (РК) плазмотрона и в струю разряда (рис.1). При подаче порошка в РК в нижней части кварцевой трубки реактора происходит агрегация порошка и образование нароста. При подаче сырья в струю плазмы это явление не наблюдалось.

Для исследования распределения получаемого порошка вдоль длины реактора применен специально сконструированный водяной зонд, который размещался внутри

реактора и кварцевой трубки плазмотрона на расстоянии 140 см от его нижнего фланца (от места ввода сырья).

Рис. 1 - Получение порошка SiO2 в ВЧИ-разряде: 1, 2, 3 - зоны отбора порошка)

Сбор нарабатываемого порошка проводился в кварцевой трубе разрывной камеры (зона 1), реакторе-расширителе (зона 2 и 3) ив барботере. В качестве среды для улавливания порошка в барботере был использован раствор полимерной стабилизирующей добавки в воде. Распределение порошка по размерам в зонах отбора 1, 2 и 3 показаны на рис.2.

Для измельчения полученного порошка использовались лабораторный бисерный диспергатор и гомогенизатор WiseTis марки HG-15A. В качестве мелющих тел в бисерной мельнице был использован керамический бисер, отличающийся повышенной твердостью и износостойкостью. Результаты испытаний показали, что применение бисерного диспергатора позволяет добиться более высокой дисперсности суспензии за более короткий срок.[2] Контроль дисперсности суспензии в процессе механической обработки осуществляли посредством мониторинга ее оптической плотности с помощью спектрофотометра LEKI SS1103 [1,3].

Распределение частиц SiO2 в приготовленных суспензиях было исследовано с помощью лазерного дифракционного анализатора Malvern Zetasizer Nano ZS производства фирмы Malvern instruments. Перед отбором проб проводили подготовку образцов ультразвуковым озвучиванием суспензии до E = 5 кДж.

Исследование проб порошка, отобранных с использованием зонда показало, что в зоне 1 (внутри кварцевой трубы на расстоянии 140 мм), в зоне 2 (в реакторе-расширителе на расстоянии 140 мм от среза плазмотрона (вдоль плазменного потока)) и в зоне 3 (в реакторе-расширителе (перпендикулярно плазменному потоку)) дисперсность порошка практически одинакова (в зоне 1 частицы немного крупнее). При увеличении расхода плазмообразующего газа с 10 до 11-12 м3/час исходный порошок не попадает в кварцевую трубу плазмотрона и на участке 1 оседания порошка не наблюдалось. В процессе экспериментов было установлено, что наиболее целесообразным является использование барботера (рис.3), так как суспендирование порошка в жидкой среде в значительной мере предотвращает агрегацию его частиц, что важно с точки зрения проведения анализов и доставки порошка потребителю.

Анализ полученных данных показал, что использование барботера для сбора порошка делает технологию получения наночастиц более совершенной, так как, за счет оптимизации скорости подачи сырья в плазмотрон может быть обеспечено получение суспензий с более узким распределением частиц по размеру в нано-области. Это в свою очередь позволяет исключить стадию дальнейшего измельчения из технологической схемы.

Рис. 2 - Распределение порошка по размерам в зонах отбора 1, 2, 3 и в барботере 4

Рис. 3- Применение барботера для сбора порошка

Работа проводилась в рамках выполнения госконтракта 16.552.11.7012 «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области создания композиционных, полимерных и керамических материалов на основе наночастиц, полученных электрофизическими, электрохимическими, сверхкритическими флюидными методами».

Литература

1. Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов: учебное пособие /НА. Шабанова,

B.В. Попов, П.Д. Саркисов.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 309 с.

2. Катнов, В.Е. Изучение процесса диспергирования наночастиц диоксида кремния/ В. Е. Катнов,

C. Н. Степин// Всерос. молод. Интернет конф. «Наноматериалы, наносистемы и нанотехнологии». -Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2010.

3. Катнов, В.Е. Исследование возможности использования оптических характеристик суспензий для контроля процесса диспергирования нанодисперсных наполнителей в полимерсодержащих средах/ В. Е. Катнов, С. Н. Степин//Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №6. - С. 275-279.

© В. Е. Катнов - асп. каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, vkatnov@yandex.ru; Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ; С. Н. Степин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, stepin@kstu.ru; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, nich140@mail.ru; И. Г. Гафаров - д-р техн. наук, проф., ген. дир. Научно-производственной группы "Ренари" (г. Москва), renari@mail.ru.