Стабилизация и концентрирование водных суспензий наночастиц диоксида кремния

УДК 546.46:661 846

В. Е. Катнов, С. Н. Степин

СТАБИЛИЗАЦИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Ключевые слова: нанодисперсный диоксид кремния, стабилизация, концентрирование.

В данной работе приведены результаты исследования влияния условий концентрирования водной дисперсии наночастиц диоксида кремния, стабилизированной сополимером акриловой кислот, на содержание дисперсной фазы, отвечающее началу агрегации. Установлено, что полученный в результате полного удаления воды из суспензии порошок может быть редиспергирован в воде без снижения дисперсности.

Keywords: nanodispersed silicium dioxide, stabilization, concentration

In this paper we presented results of study of the effect of conditions of concentration of the aqueous dispersion of silica nanoparticles, stabilized by a copolymer of acrylic acid content in the dispersed phase, corresponding to the beginning of aggregation. It is established that the resulting complete removal of water from a suspension of the powder can be re-milled in water without reducing the dispersion.

Все более широкое использование наноразмерных наполнителей полимеров при получении композиционных материалов связано с многократным увеличением площади межфазного контакта полимерной матрицы с инородными включениями. Результатом этого является значительное увеличение доли полимерной матрицы, свойства которой изменяются под воздействием поверхности дисперсной фазы. Параметры этого переходного слоя и энергетика межфазного контакта во многих случаях имеют решающее значение для всего комплекса свойств наполненных полимерных материалов. Следовательно, изменение характера гетерогенных взаимодействий и состава области полимерной матрицы, формируемой под воздействием поверхности пигментов и наполнителей, может явиться эффективным путем оптимизации эксплуатационных характеристик композиционных материалов. При этом следует отметить, что одним из препятствий на этом пути является повышенная склонность наночастиц к агрегации. Поэтому при получении наночастиц вопросам первостепенной важности является их стабилизация, то есть защита от объединения в агрегаты. Известно, такой защите способствует поверхностная модификация, которую традиционно осуществляют путем физической адсорбции или химической обработки таким образом, что новый материал оказывается «прикрепленным» к поверхности, что приводит к образованию защитной оболочки.

В данной работе получали наночастицы диоксида кремния, путем их формирования из парогазовой фазы в результате гомогенной конденсации из образовавшегося в результате высокотемпературного воздействия пересыщенного пара диоксида кремния. Синтез нанодисперсного диоксида производился на плазменной установке высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда с каскадом трех емкостей, снабженных рубашками охлаждения, и барботером. Барботер, заполненный водным раствором сополимера акриловой кислоты, выполняющего роль стабилизатора суспензии, служил для улавливания нанодисперсного диоксида кремния, транспортируемого газовым потоком [1]. Получаемые наносуспении явились объектами исследования.

Очевидно, что содержание дисперсной фазы во многом определяет возможность, области использования и потребительную стоимость наносуспензий. С другой стороны, известно, что увеличение содержания наночастиц в суспензии сопряжено с усилением процесса их агрегации. Поэтому на первом этапе работы исследовали влияние концентрирования суспензий наноразмерного диоксида кремния на их дисперсность. Для

этого низкоконцентрированные суспензии, полученные в барботере, подвергали концентрированию в ротационном испарителе RV-64 , варьируя температуру в диапазоне температур 70^90 0С и скорость вращения колбы с упариваемым продуктом (50^120 об/мин) и контролируя размер частиц дисперсной фазы.

Распределение частиц суспензий по размерам исследовали с помощью лазерного дифракционного анализатора Malvern Mastersizer 2000 производства фирмы Malvern instruments. Перед измерениями проводили подготовку образцов ультразвуковым озвучиванием суспензии до E = 5 кДж. Для рутинного определения среднего размера частиц суспензии с помощью спектрофотометра LEKI SS1103 измеряли оптическую плотность системы D при различных длинах волн X. По тангенсу угла наклона полученной прямой lgD — lg находили табличное значение параметра Z, а затем по формуле Z = 8nr/ X рассчитывают средний радиус частиц исследуемой дисперсной системы. Оценка среднего размера частиц тестовых образцов лазерным анализатором и спектрофотометром показало хорошее совпадение полученных результатов.

Для нахождения оптимальных условий процесса концентрирования был составлен план, включающий 10 экспериментов с различным сочетанием скорости вращения ротора и температуры. Функциями отклика при этом служили: продолжительность выпаривания до потери стабильности суспензии, содержание дисперсной фазы в точке потери стабильности и средний размер частиц за 1 час до потери стабильности.

Полученные данные представлены на рисунках 1-3.

Число оборотов

Рис. 1 - Влияние параметров выпаривания водных суспензий ЭЮ2 на

продолжительность процесса

0

о

л

1

<ц

С

£

£

Число оборотов

Рис. 2 - Влияние параметров выпаривания водных суспензий БІ02 на содержание дисперсной фазы в момент потери стабильности

о

о

Л

Н

Й

Л

О

с

2

о

Н

Число оборотов

Рис. 3 - Влияние параметров выпаривания водных суспензий ЭЮ2 на средний размер частиц

Анализ полученных данных позволил найти оптимальные условия проведения процесса выпаривания:

- скорость вращения ротора - 100 ^ 120 об/мин ;

- температура - 70 ^ 80 0С.

- продолжительность процесса 6 ^ 9 часов.

Содержание дисперсной фазы. отвечающее началу агрегации в различных условиях эксперимента составило от 10 до 15 % при среднем размере частиц 50^65 нм.

Следующим этапом работы явилась проверка прочности связи наночастиц диоксида кремния в образующихся агрегатах. С этой целью при температуре 75 0С и скорости вращения ротора 120 об/мин из суспензии была полностью удалена вода и полученный порошок был подвергнут редиспергированию в воде с получением 15 %-ной суспензии. Редиспергирование включало обработку суспензии в лабораторном бисерном диспергаторе до достижения постоянного значения оптической плотности при длине волны 540 нм [2] и дополнительной обработке в ультразвуковой ванне.

На рис. 4 в логарифмических координатах приведены зависимости оптической плотности от длины волны двух суспензий: исходной, отобранной из барботера, и полученной редиспергированием порошка, полученного высушиванием исходной суспензии. Расчет среднего размера частиц, проведенный с использованием этих данных, показал, что этот параметр редиспергированной суспензии, (65 нм) практически совпадает с аналогичным параметром исходной суспензии, полученной улавливанием наноразмерного диоксида кремния в барботере. Иными словами, использованный стабилизатор эффективно защищает наночастицы от агрегации даже в процессе обезвоживания, что позволяет получать

редиспергируемый порошок.

Рис. 4 - Зависимость оптической плотности от длины волны света, проходящего через анализируемую суспензию, в логарифмических координатах: 1 - суспензия до

высушивания; 2 - после диспергирования порошка в воде

Выводы

1 Исследовано влияние условий концентрирования упариванием на стабильность

суспензии, полученной путем улавливания в барботере, заполненного водным раствором сополимера метакриловой кислоты, наноразмерного диоксида кремния, полученного

гомогенной конденсацией из парогазовой фазы на плазменной установке высокочастотного индукционного разряда.

2 Найдены условия концентрирования, позволяющие достичь 15 %-го содержания дисперсной фазы в суспензии без изменения дисперсости.

3 Показана возможность получения редиспергируемых наноразмерных порошков диоксида кремния высушиванием суспензий

Показано, что в результате высушивания суспензии получаются способный к редиспергированю наноразмерный порошок диоксида кремния.

Литература

1. Катнов, В.Е. Исследование дисперсного состава порошков 8Ю2, синтезированных в реакторе ВЧИ разряда/ Межд. конф. «Физика высокочастотных разрядов». Межд. школа молодых ученых и специалистов «Высокочастотный разряд: теория и техника»: материалы конференции/ М-во образ. И науки РФ, Казан. Гос. Технол. Ун-т. - Казань: КГТУ, 2011. - 416

2. 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; С. Н. Степин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. химической технологии лаков, красок и лакокрасочных покрытий КНИТУ, stepin@kstu.ru.