Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов

Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов

The questions of preparing and stabilization of suspensions of detonation nanodiamonds from theirs dry powder (secondary suspension) were investigated.

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2006
Main Authors: Возняковский, А.П., Качальников, А.Ю., Агибалова, Л.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2006
Series:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Subjects:
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135003
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов / А.П. Возняковский, А.Ю. Качальников, Л.В. Агибалова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 232-236. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135003
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1350032025-02-09T21:02:05Z Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов Возняковский, А.П. Качальников, А.Ю. Агибалова, Л.В. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов The questions of preparing and stabilization of suspensions of detonation nanodiamonds from theirs dry powder (secondary suspension) were investigated. 2006 Article Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов / А.П. Возняковский, А.Ю. Качальников, Л.В. Агибалова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 232-236. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135003 541.183:666.233 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
spellingShingle Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
Возняковский, А.П.
Качальников, А.Ю.
Агибалова, Л.В.
Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description The questions of preparing and stabilization of suspensions of detonation nanodiamonds from theirs dry powder (secondary suspension) were investigated.
format Article
author Возняковский, А.П.
Качальников, А.Ю.
Агибалова, Л.В.
author_facet Возняковский, А.П.
Качальников, А.Ю.
Агибалова, Л.В.
author_sort Возняковский, А.П.
title Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
title_short Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
title_full Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
title_fullStr Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
title_full_unstemmed Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
title_sort процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate 2006
topic_facet Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135003
citation_txt Процессы самоорганизации и седиментационная устойчивость суспензий детонационных наноалмазов / А.П. Возняковский, А.Ю. Качальников, Л.В. Агибалова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 232-236. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv AT voznâkovskiiap processysamoorganizaciiisedimentacionnaâustoičivostʹsuspenziidetonacionnyhnanoalmazov
AT kačalʹnikovaû processysamoorganizaciiisedimentacionnaâustoičivostʹsuspenziidetonacionnyhnanoalmazov
AT agibalovalv processysamoorganizaciiisedimentacionnaâustoičivostʹsuspenziidetonacionnyhnanoalmazov
first_indexed 2025-11-30T17:40:59Z
last_indexed 2025-11-30T17:40:59Z
_version_ 1850238000128065536
fulltext РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВАСВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 232 УДК 541.183:666.233 А. П. Возняковский, докт. хим. Наук; А. Ю. Качальников, Л. В. Агибалова, инженеры ФГУП Институт синтетического каучука им. С. В. Лебедева, Санкт  Петербург, Россия ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ И СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СУСПЕНЗИЙ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ The questions of preparing and stabilization of suspensions of detonation nanodiamonds from theirs dry powder (secondary suspension) were investigated. Внедрение достижений нанотехнологии в материальное производство невозможно без разработки технологии получения наноструктурированных веществ в количестве, обеспечи- вающем межлабораторные исследования. Примером такой технологии является синтез дето- национных наноалмазов (ДНА) [1]. В значительном числе областей практического применения ДНА предполагается их использование в виде суспензий в жидких низкомолекулярных средах. В этой связи разрабо- танная технология синтеза предусматривает получение ДНА как конечного товарного про- дукта в виде водных суспензий [2]. С другой стороны, в ряде практически важных случаев необходима предварительная подготовка поверхности ДНА (например, для использования в полимерном материаловеде- нии [3]). Как правило, подобные операции проводят, используя сухие порошки ДНА. Необ- ходимо также учитывать, что экономическая (а в ряде случаев и технологическая) целесооб- разность обусловливает передачу потребителю соответственно подготовленных сухих по- рошков ДНА с последующим переводом их в суспензию непосредственно на месте практи- ческого применения. Таким образом, изучение процессов обратимого выделения ДНА из то- варных суспензий в настоящее время приобретает важное практическое значение. Изучая структуру суспензий ДНА, нужно иметь в виду, что непосредственным продуктом детонаци- онного синтеза является так называемый технический алмазосодержащий наноуглерод (ТАУ), а именно композиционный материал, включающий как кристаллическую, так и аморфную фракции наноуглеродов. Собственно ДНА выделяют из ТАУ, используя достаточ- но сложную последовательность операций [2]. Как минимум, эта последовательность вклю- чает стадии очистки, сушки, измельчения и отсева высокодисперсной фракции. Естественно, что при этом дисперсность исходной фракции ДНА не может быть сохранена и финишная фракция представляет собой набор неких агрегатов ДНА с набором размеров от нанометров до нескольких микрон. Задача обратимого выделения состоит в том, чтобы суспензия, полу- ченная из сухого порошка ДНА, по своим коллоидным характеристикам не уступала товар- ной. Целью настоящего исследования являлось получение вторичных суспензий детонаци- онных наноалмазов, а также изучение факторов, влияющих на их седиментационную устой- чивость. Экспериментальная часть Метод динамического светорассеяния. В настоящей работе для изучения суспензий ДНА применяли метод динамического светорассеяния. Использовали анализатор размеров субмикронных частиц «Coulter N4» (фирма Coultronics, Франция), работающий по принципу коррелометра. В приборах этого типа измеряется автокорреляционная функция тока фотоум- ножителя, возбуждаемого светом, рассеянным наночастицами суспензии. С целью получения Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 233 распределения массовых долей агрегатов ДНА по гидродинамическим размерам использова- ли метод обработки измеряемых автокорреляционных функций, описанный в работах [4, 5]. Программное обеспечение позволяло обрабатывать до 106 частиц. Метод позволяет получать коэффициенты диффузии, а также гидродинамические размеры частиц дисперсной фазы и их ассоциатов в суспензиях. Таким образом, метод динамического светорассеяния предоставляет возможность изу- чать параметры среднечисленного и среднемассового распределения частиц в невозмущен- ных внешними воздействиями структурах. Последнее обстоятельство позволяет получать бо- лее информативные и достоверные данные по дисперсным системам по сравнению с тради- ционными методиками, такими как электронная микроскопия. Наноалмазы. Наноалмазы получены для исследования от ЗАО «Алмазный центр» (Санкт-Петербург) и в работе были использованы без дополнительной подготовки. Приготовление суспензий. Суспензии для исследования приготовляли путем добав- ления расчетного количества ДНА в дистиллированную воду при перемешиванни на магнит- ной мешалке в течение 30 мин. Для изучения времени озвучивания на дисперсность наноал- мазов приготовляли параллельные порции суспензии, соответствующие числу временных интервалов. Генератор ультразвука. В качестве источника ультразвука использовали источник ванного типа Bransonic 220 (50 Вт.). Время обработки измеряли по секундомеру. Обработку проводили как в отдельной емкости, так и непосредственно в кювете коррелометра. Результаты и их обсуждение Пример типичной картины среднечисленного распределения частиц ДНА в товарных суспензиях представлен на рис. 1. Из него видно, что используемая технология выделения ДНА приводит к получению ансамбля кластеров, характеризующихся асимметричным моно- модальным распределением агрегатов по размерам, смещенным в область частиц большого размера. Другими словами, ансамбль агрегатов кластеров ДНА характеризуется наличием не- прерывным набором частиц от 1нм и вплоть до микронного размера. Рис. 1. Типичная кривая полидисперсности частиц ДНА в водной суспензии. Число низкодисперсных частиц (размером более 200 нм), как правило, незначительна (менее 0.5 %). Тем не менее, они могут составлять значительную массовую долю ДНА. Седи- ментационная устойчивость низкодисперсных частиц, естественно, невелика, что приводит к их первоочередному выводу из взвешенного состояния (оседанию). Как следствие, реальная концентрация суспензии заметно отличается от расчетной. Рассмотрим возможности увели- чения доли нанодисперсных частиц с помощью обычно рекомендуемого наложения поля УЗ. В качестве первого приближения мы выбрали концентрацию суспензии, обеспечиваю- щую практическую изолированность агрегатов ДНА в дисперсионной среде  0,002 % (по 0 20 40 60 1 10 100 1000 10000 D, nm N, % РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВАСВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 234 массе). Данные о влиянии времени озвучивания на значение среднечисленного диаметра аг- регатов ДНА (Dmean) представлены на рис. 2. Кривая демонстрирует наличие нескольких ло- кальных минимумов при 4, 7 и 20 мин. озвучивания при минимальном значении Dmean= 22.6 нм. Проследим влияние концентрации ДНА на структуру суспензии (соотношение отно- сительной доли нанодисперсных частиц (N %) и их массовой доли (M %)). В качестве базово- го времени озвучивания на основании ранее проведенных экспериментов выберем 20 мин. Кроме того, сузим рассматриваемый интервал размеров частиц до практически важного на- норазмерного  D менее 200 нм. Полученные данные сведены в таблицу (режим 1). Данные таблицы демонстрируют, что практически все агрегаты ДНА находятся в области наноразме- ров. При этом в рассматриваемом диапазоне концентраций суспензии значения N% практиче- ски постоянны и близки к 100 %. Однако их массовая доля не превышает 5 %. 20 30 40 50 0 4 8 12 16 20 t, min Dmean, nm Рис. 2. Влияние времени озвучивания на среднечисленное значение диаметров агрегатов ДНА С = 0,002 % ( по массе). Таким образом, подавляющее количество по массе частиц ДНА находится в незначи- тельном числе неразрушаемых при выбранных условиях подготовки суспензии низкодис- персных агрегатах. Следует отметить, что значения Dmean, мало изменяясь в интервале кон- центраций до 0.1 % (по массе), резко (практически в 2 раза) уменьшаются при с = 0,5 % (по массе). Это свидетельствует о наличии локальной зависимой от концентрации структуры суспензий наноразмерных частиц ДНА. Наши расчеты показали, что при с = 0,5 % (по массе) кривая полидисперсности характеризуется узким пиком с максимумом при 18 нм и шириной 0–32 нм. При более низких концентрациях кривая полидисперсности более размыта (макси- мум 32–40 нм; ширина 0–178 нм). С узким среднечисленным распределением ДНА с = 0.5 % (по массе) связано и низкое значение М %, которое рассчитывается для более широкого ин- тервала и, соответственно, при усреднении приводит к завышенным расчетным значениям. Следует обратить внимание, что практически все агрегаты ДНА находятся в области наноразмеров. При этом число низкодисперсных частиц мало и практически (если отвлечься от их массы) может не учитываться. Подобная структура суспензий должна, казалось бы, приводить к их высокой седиментационной устойчивости. Однако, наши наблюдения показа- ли, что время стабильности суспензий не превышает 2,5 ч (для суспензии с = 0,5 % (по мас- се) – 4 ч). Рассмотрим причины низкой седиментационной устойчивости полученных суспен- зий. Прежде всего, следует отметить, что различие в геометрических размерах приводит и к различной диффузионной подвижности частиц. Так как нанодисперсные частицы имеют са- мую высокую подвижность, то в процессе диффузионного движения наиболее высока веро- ятность их столкновения с самыми низкодисперсными частицами, которые перемещаются в суспензии с наименьшей скоростью. Учитывая высокую поверхностную активность наноча- стицы, процесс столкновения приведет к практически необратимой агрегации высоко- и низ- Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 235 кодисперсных частиц. Теоретически в суспензии имеется непрерывный спектр низкодисперс- ных частиц. Вероятность необратимой агрегации частиц этого спектра дисперсности, тем меньше, чем ближе поверхностная энергия частиц. В общем случае агрегация низкодисперс- ных частиц обратима. Таким образом, процесс дезагрегации будет проходить преимущест- венно за счет выхода частиц среднестатистического размера. С учетом этого суммарный процесс агрегации  дезагрегации формирует структуру суспензии, характеризующуюся уменьшением доли высокодисперсной фракции и обогаще- нием фракцией частиц средних размеров. Исходя из этой модели структуры суспензий ДНА, можно предположить, что их седи- ментационная устойчивость может быть улучшена искусственным удалением наиболее круп- ных частиц (в простейшем случае фильтрованием). Действительно, при фильтровании сус- пензии ДНА (после обработки УЗ) через металлический фильтр с цилиндрическими порами d=0,5 мк седиментационная стабильность возрастает до 2 суток. Влияние концентрации и режима озвучивания суспензий ДНА на их полидисперсность Рассмотрим с этой точки зрения влияние режима озвучивания на структуру суспензий ДНА. Озвучивание суспензии и последующая выдержка в течении времени седиментацион- ной стабильности, как предполагалось выше, приводит к структуре суспензии, обогащенной агрегатами ДНА, относящимися к средним размерам. По структуре эти агрегаты, как следует из предполагаемого механизма их формирования, представляют ядро, окруженное «шубой» высокодисперсных частиц. Можно также предположить, что структура сформированных аг- регатов нестабильна по отношению к сдвиговым нагрузкам. Тогда повторное озвучивание может способствовать разрушению этих агрегатов и, соответственно, увеличению массовой доли высокодисперсных частиц. С этой целью озвученная суспензия ДНА была выдержана в течение 2 ч, а затем вновь озвучена. Полученные при этом параметры сведены в таблицу (ре- жим 2). Повторное озвучивание позволило достичь значительно более высоких значений мас- совой доли высокодисперсных частиц. Оптимальные результаты достигнуты для с = 0,5 % (по массе), при которой доля частиц с размером менее 200 нм составило 45,4 % (по массе). Выводы 1. При получении вторичных суспензий алмазов необходимо обращать внимание не толь- ко на среднестатистические размеры частиц, но и на параметры полидисперсности ан- самбля частиц наноалмазов. 2. Даже незначительное количество низкодисперсных неразрушаемых агрегатов частиц существенно снижает седиментационную устойчивость суспензий. Режим 1* Режим 2*Концентрация сус- пензии, (по массе) % Dmean, нм N % M % Dmean, нм N % M % 0,002 0,01 0,1 0,5 44,4 43,1 36,4 21,4 99,9 99,8 99,9 99,8 4,9 3,9 2,3 1,9 24,7 244.0 123,4 30.0 99,9 52,0 93,5 99,7 19,2 6,6 32,1 45,4 * - пояснения в тексте РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВАСВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ 236 3. Крупные седиментационно неустойчивые агрегаты обогащены высоко- и низкодис- персными частицами. 4. Время озвучивания влияет на параметры кривой полидисперсности частиц наноалма- зов в суспензии; может быть найдено время оптимального озвучивания, приводящее к максимальной доле наноалмазов в практически важном интервале размеров 0 – 100 нм. 5. Процессы самоорганизации частиц в суспензиях в сочетание с периодическим режи- мом озвучивания могут быть использованы для перевода максимально возможной массовой доли частиц наноалмазов вторичных суспензий в высокодисперсное состоя- ние. Литература 1. Лямкин А. И., Петров Е. А., Ершов А. П. и др. //Докл. АН СССР.  1988.  302.  №3.  С. 611613. 2. Долматов В. Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза. Получение, свойства, применение.  СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003.  344 с. 3. Возняковский А. П. Самоорганизация в нанокомпозитах на основе наноналмазов детонационного синтеза. //Физика твердого тела.  2004.  № 4  С. 629632. 4. Клюбин В. В. // Высокомолекулярные соединения, А.  1995.  37, № 4.  С. 1153. 5. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов /Под. ред. Каммин- са Г., Пайка Э.  М.: Мир,  1978.  584 с. Поступила 07.07.2006 г.

Similar Items