Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом
Методом капілярного поглинання досліджено процес змочування водою та н-деканом хімічно модифікованих високодисперсних кремнеземів з гідрофільно-гідрофобною поверхнею. Виявлено нелінійну залежність осмотичної активності і немонотонну залежність швидкості змочування від ступеня модифікування поверхні...
Saved in:
| Published in: | Хімія, фізика та технологія поверхні |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28979 |
| 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: | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом / П.О. Кузема // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 2. — С. 200-208. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860083954427625472 |
|---|---|
| author | Кузема, П.О. |
| author_facet | Кузема, П.О. |
| citation_txt | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом / П.О. Кузема // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 2. — С. 200-208. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Хімія, фізика та технологія поверхні |
| description | Методом капілярного поглинання досліджено процес змочування водою та н-деканом хімічно модифікованих високодисперсних кремнеземів з гідрофільно-гідрофобною поверхнею. Виявлено нелінійну залежність осмотичної активності і немонотонну залежність швидкості змочування від ступеня модифікування поверхні метилсилільними групами.
Методом капиллярного поглощения исследован процесс смачивания водой и н-деканом химически модифицированных высокодисперсных кремнеземов с гидрофильно-гидрофобной поверхностью. Выявлена нелинейная зависимость осмотической активности и немонотонная зависимость скорости смачивания от степени модифицирования поверхности метилсилильными группами.
The wetting of chemically modified high disperse silicas with hydrophilic-hydrophobic surface by water and n-decane was studied by the method of capillary imbibition. Nonlinear dependence of osmotic activity and nonmonotonic dependence of wetting rate upon the degree of surface modification with methylsilyl groups have been revealed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:18:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
Хімія, фізика та технологія поверхні. 2010. Т. 1. № 2. С. 200–208
_____________________________________________________________________________________________
200 ХФТП 2010. Т. 1. № 2
УДК 544.7
ЗМОЧУВАННЯ КРЕМНЕЗЕМІВ РІЗНОЇ ГІДРОФОБНОСТІ
ВОДОЮ ТА ДЕКАНОМ
П.О. Кузема
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
вул. Генерала Наумова 17, Київ 03164, Україна
Методом капілярного поглинання досліджено процес змочування водою та н-деканом хімічно
модифікованих високодисперсних кремнеземів з гідрофільно-гідрофобною поверхнею. Виявлено не-
лінійну залежність осмотичної активності і немонотонну залежність швидкості змочування від
ступеня модифікування поверхні метилсилільними групами.
ВСТУП
Одним із способів підвищення ефективнос-
ті використання високодисперсних кремнезе-
мів (ВДК) як адсорбентів, каталізаторів, напов-
нювачів полімерів, загусників дисперсійних
середовищ (мастил, лаків, фарб) та ін. є гідро-
фобізація їхньої поверхні заміщенням гідро-
ксильних груп на органічні або елементоорга-
нічні [1]. В більшості випадків проводити по-
вну гідрофобізацію поверхні недоцільно, оскі-
льки існує певне співвідношення гідрофільних
та гідрофобних груп на поверхні кремнезему,
яке надає йому оптимальних властивостей. Зо-
крема, результати досліджень вказують на те,
що як прямі (масло у воді), так і зворотні (вода
в маслі) емульсії можна стабілізувати високо-
дисперсним гідрофобізованим кремнеземом і,
що важливо, існує оптимальний ступінь гідро-
фобізації частинок, при якому стабілізуюча
здатність є максимальною [2].
Широке застосування для гідрофобізації
ВДК знайшли органохлорсилани [3]. На тепе-
рішній час детально вивчено процеси газофаз-
ного модифікування метилхлорсиланами,
причому з трьох сполук складу MenSiCl4-n
(1≤n≤3) найчастіше використовують тримети-
лхлорсилан (ТМХС) у зв’язку з простою сте-
хіометрією поверхневої реакції (1:1) [2] і ди-
метилдихлорсилан (ДМДХС), внаслідок утво-
рення щільного органофільного шару на пове-
рхні при хімічному модифікуванні за участі
цього реагенту [4]. Однак остаточно не з'ясо-
вано, як впливає реалізація способу газофаз-
ного модифікування у різних типах реакторів
на гідрофільно-гідрофобні властивості одер-
жуваних ВДК з частково метилсилільованою
поверхнею і як впливає ступінь гідрофобізації
поверхні ВДК на його гідрофобність.
Для оцінки гідрофобності твердих тіл за-
звичай використовують метод вимірювання
крайового кута змочування [5]. Однак цей
метод дає прийнятні результати тільки у ви-
падку гладких, однорідних та чистих повер-
хонь. Для високодисперсних порошків, зок-
рема гідрофобізованих ВДК, більш зручним є
метод капілярного поглинання [6], який дає
можливість визначати не тільки величини
осмотичної активності (максимального
об’єму поглиненої рідини), але і швидкості
змочування полярними та неполярними ріди-
нами. Метою даної роботи було дослідження
поглинання і швидкості змочування ВДК во-
дою та н-деканом в залежності від ступеня і
способу модифікування поверхні метилсилі-
льними (МС) групами.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
Матеріали. Для дослідження було взято
пірогенний ВДК з питомою поверхнею
200 м2/г (А200), одержаний на Калуському
дослідно-експериментальному заводі Інститу-
ту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної
академії наук України, а також кремнеземи
різного ступеня метилсилілювання поверхні,
синтезовані у різних типах реакторів шляхом
газофазного хімічного модифікування поверх-
ні А-200 ДМДХС (АМД) або ТМХС (АМТ).
Модифікатори марки "х.ч." перед використан-
ням очищували перегонкою за стандартною
методикою [7].
Гідрофобізація ВДК. Процес модифіку-
вання здійснювали з урахуванням умов пере-
бігу поверхневих хімічних реакцій диметил- і
триметилсилілювання, узагальнених в [8], при
573 К протягом години. Підготовку поверхні
А-200 проводили при 473 К в сушильній шафі,
Змочування кремнеземів різної гідрофобності
_____________________________________________________________________________________________
ХФТП 2010. Т. 1. № 2 201
а після модифікування здійснювали прогрів
зразків у струмені сухого повітря при 453 К з
метою видалення з поверхні залишку непро-
реагованих модифікаторів та продуктів хіміч-
них реакцій. Тривалість кожної з двох остан-
ніх операцій складала дві години. Модифіку-
вання проводили у трьох типах реакторів: ав-
токлаві, реакторі з перемішуванням (РП) та
реакторі з киплячим шаром (РКШ). У першо-
му і другому випадку модифікатор додавали
до ВДК при 293 К і поступово прогрівали су-
міш до 573 К. В останньому випадку пари мо-
дифікатора вводили в контакт з нагрітим до
573 К ВДК. Ступінь прищеплення МС груп
(Ө) варіювали кількістю введеного модифіка-
тора (автоклав або РП) або часом подачі його
парів (РКШ).
Методи. ІЧ-спектри реєстрували за допо-
могою спектрофотометра "UR-20". Маса таб-
леток кремнезему, спресованих при 50 кгс/см2,
складала (30,0±0,5) мг. Ступінь модифікуван-
ня визначали за формулою
Ө = ӨmaxDx/Dmax,,
де Dx і Dmax – інтегральна густина аналітично-
го піку в області 2980–2990 см-1 відповідно
досліджуваного зразка і зразка з максималь-
ним прищепленням МС груп; Өmax – максима-
льній ступінь модифікування
Өmax = СМС/СОН,
де СОН і СМС – відповідно концентрація гідро-
ксильних і MC груп (в ммоль/г), визначених за
формулою [9]
,
10
303,2
0
6
2/1
питpsA
D
C
υ
υ υ
∆
⋅∆=
де С – концентрація поверхневих функціона-
льних груп (в ммоль/г) кремнезему; Dν –
оптична густина в максимумі смуги погли-
нання; ∆ν1/2 – напівширина смуги поглинан-
ня, см-1; A∆ν – інтегральний коефіцієнт погли-
нання, см-1/моль; s0 – площа поверхні зразка, що
знаходиться під ІЧ-випромінюванням, см2; pпит –
товщина поглинаючого шару, мг/см2.
Процес змочування вихідного та модифіко-
ваних ВДК рідинами вивчали на приладі, опи-
саному в [10] за методикою, наведеною в [6],
при температурі 293 К. Порошкоподібний зра-
зок масою 50 мг вносили в скляну кювету з ді-
аметром 1 см та висотою 3 см. Дном кювети
служив фільтрувальний папір, який закріплю-
вався тефлоновим кільцем. Зразок ущільнюва-
ли постукуванням кювети на дерев’яній доще-
чці до постійного об’єму. Потім кювету з по-
рошком поміщали в установку, яка складалась
з фільтру Шотта, з’єднаного з бюреткою, що
наповнена змочувальною рідиною. В момент
контакту рідини з кюветою, що містить поро-
шок, останній поглинає рідину (за рахунок ка-
пілярних сил) до повного насичення. Для хара-
ктеристики змочування було обрано воду (як
полярну рідину) і н-декан (як неполярну). Ви-
значали об’єм поглиненої речовини в залежно-
сті від часу проведення процесу. Розглядаючи
процес змочування як односторонню реакцію
псевдопершого порядку, експериментальні то-
чки на графіку V=f(t) апроксимували функцією
V=A(1-e-kt) [11], в результаті визначали параме-
три процесу змочування – максимальний об’єм
поглиненої речовини А (в мл) та константу
швидкості змочування k (в с-1).
РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ
Схему взаємодії ДМДХС і ТМХС з повер-
хнею дегідратованого пірогенного ВДК пред-
ставлено на рис. 1.
Наявність молекул води впливає на струк-
туру модифікуючого шару у випадку модифі-
кування поверхні кремнезему ДМДХС. В ре-
зультаті цього на поверхні ВДК можуть утво-
рюватись диметилсиланольні групи або оліго-
диметилсилоксанові структури.
ІЧ-спектри А-200 і деяких зразків АМД і
АМТ наведено на рис. 2. В усіх випадках при
модифікуванні ВДК хлорсиланами в
ІЧ-спектрах ми спостерігали зменшення інте-
нсивності смуги поглинання з максимумом в
області 3745–3750 см-1 і появу смуг поглинан-
ня з максимумами в області 2980–2990 см-1,
що підтверджує перебіг хімічних реакцій на
поверхні за участю вільних гідроксилів та
прищеплення МС груп до поверхні ВДК.
Результати моделювання динаміки змочу-
вання водою та деканом деяких зразків АМД і
АМТ, синтезованих в автоклаві, зображено на
рис. 3 а,б.
Визначені параметри об’єму насичення (А)
та ефективної константи швидкості (kеф), а та-
кож величини середньоквадратичного відхилен-
ня (R2) модельної кривої від експерименту для
всіх досліджуваних зразків наведено в таблицях
1 та 2. Відносна похибка обчислень величини А
склала приблизно 10%, а kеф – близько 5%.
П.О. Кузема
_____________________________________________________________________________________________
202 ХФТП 2010. Т. 1. № 2
O
Si
O
Si
O O
Si
H
O
Si
O O
Si
O
Si
O
Si
O
O
H
Si
O
Si
O
H
Si
OO
Si
O
H
Si
OO
Si
O
Si
H
O
CH3
CH3
CH3
Si
CH3
CH3
CH3
Si
CH3
CH3
CH3
Si
Si
CH3
CH3
Si
CH3
CH3
Si
CH3
CH3
O
Si
O
Si
O
Si
OO
Si
O
H
Si
OO
Si
O
Si
O
OH O
- 3 HCl
t = 300oC
- 6 HCl
t = 300oC
+ 3 H2O
A-200
AMT
AMД
+ 3 (CH3)3SiCl
+ 3 (CH3)2SiCl2
Рис.1.Схема взаємодії ДМДХС і ТМХС з поверхнею дегідратованого пірогенного ВДК
100
80
60
40
20
0
Хвильове число, см-1
П
ог
ли
на
нн
я,
%
29
80
37
50100
80
60
40
20
0
1
100
80
60
40
20
0
100
80
60
40
20
0
100
80
60
40
20
0 5
4
3
2
100
80
60
40
20
0
Хвильове число, см-1
П
ог
ли
на
нн
я,
%
29
80
37
50
100
80
60
40
20
0
1
5
4
3
2
100
80
60
40
20
0
100
80
60
40
20
0
100
80
60
40
20
0
а б
Рис. 2. ІЧ-спектри немодифікованого (1) та модифікованого в автоклаві ДМДХС (а) і ТМХС (б) кремнеземів
(очікувані ступені модифікування: 2 – 0,27; 3 – 0,60; 4 – 1; 5 – max)
Змочування кремнеземів різної гідрофобності
_____________________________________________________________________________________________
ХФТП 2010. Т. 1. № 2 203
0 200 400 600 800
0,0
0,2
0,4
0,6
3
2
1
V
, 1
0-3
л
t, c
0 50 100 150
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
5
4
1
V
, 1
0-3
л
t, c
а б
0 400 800 1200 1600
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
2
V
, 1
0-3
л
t, c
0 100 200 300
0,0
0,2
0,4
0,6
5
V
, 1
0-3
л
t, c
в г
Рис. 3. Експериментальні точки та модельні криві, що описують процес змочування зразків ВДК водою (а, в) і
деканом (б, г):
1 – А-200; 2, 4 – АМД з χ відповідно 0,43 і 1,3; 3, 5 – АМТ з χ відповідно 0,28 і 1.
Суцільна крива – результат апроксимації експериментальних точок модельною функцією в усьому ча-
совому інтервалі вимірювань; пунктирна крива – апроксимація експериментальних точок лінійної
ділянки кривої (початкова стадія процесу) тією ж функцією з фіксованим параметром А, взятим з
результатів апроксимації точок у всьому часовому проміжку
Як видно з рис. 3 а,б, початок процесу змо-
чування характеризується відхиленнями засто-
совуваної моделі від експерименту – точки у
випадку деяких зразків ВДК лежать вище моде-
льної кривої. З метою визначення констант
швидкості змочування у початковий момент
часу сукупність експериментальних точок, що
характеризували лінійну область перебігу про-
цесу, апроксимували з використанням тієї ж
експоненційної функції із заданим параметром
А, який було визначено апроксимацією всіх екс-
периментальних точок. Цей процес проілюстро-
вано на рис. 3 в,г. Визначені таким чином конс-
танти швидкості змочування на початковому
етапі процесу (k) наведено в таблицях 1 та 2.
Відносна похибка обчислень величини k склала
приблизно 5%. Зазначені таблиці також містять
величини об’єму зразків ВДК (наважка 50 мг) до
і після змочування (V0 і Vk, відповідно),та експе-
риментально визначені значення максимального
об’єму поглиненої рідини (Vmax).
Аналізуючи наведені в таблицях дані,
слід відмітити, що із збільшенням ступеня мо-
дифікування:
1) величини об’єму, який відповідає на-
сиченню зразків АМД і АМТ водою і деканом,
монотонно, але нелінійно спадають (рис. 4).
Це узгоджується з даними [12], де показано,
що величини граничної адсорбції води та гек-
сану на метилсилільованих кремнеземах є
меншими порівняно з немодифікованим ВДК;
2) ефективні константи швидкості змочу-
вання водою та деканом зразків АМД і АМТ
змінюються немонотонно. Аналіз величин кон-
станти швидкості змочування на початковій
стадії процесу виявив аналогічну їх залежність
від ступеня модифікування поверхні ВДК з
більш вираженими екстремумами (рис. 5);
П.О. Кузема
_____________________________________________________________________________________________
204 ХФТП 2010. Т. 1. № 2
Таблиця 1. Параметри процесу змочування метилсилільованих зразків ВДК водою
Реактор Зразок Ө A, мл kеф × 103, с-1 R2 × 104 k × 103, с-1 V0, мл Vk, мл Vmax, мл
A-200 0 0,62 10,42 1,3 11,40 1,00 0,60 0,62
авто-
клав
АМД
0,10
0,33
0,35
0,40
0,43
0,45
0,49
0,63
1,30
0,59
0,53
0,51
0,45
0,44
0,33
0,40
—
—
2,38
0,16
0,84
0,16
2,76
0,41
0,21
—
—
19,4
6,5
12,2
10
3,1
5,6
0,4
—
—
2,22
0,62
1,66
1,78
6,49
2,48
0,53
—
—
0,85
0,80
0,85
0,75
0,75
0,80
0,80
—
—
0,60
0,75
0,70
0,70
0,70
0,75
0,80
—
—
0,51
0,38
0,45
0,42
0,45
0,36
0,40
—
—
авто-
клав
АМТ
0,11
0,28
0,42
0,55
0,60
0,70
0,75
1,00
0,57
0,55
0,46
0,36
—
—
—
—
6,38
5,96
5,37
1,91
—
—
—
—
8,3
11,7
6,1
4,7
—
—
—
—
10,20
12,11
8,42
3,53
—
—
—
—
0,90
0,85
0,80
0,80
—
—
—
—
0,65
0,65
0,70
0,80
—
—
—
—
0,55
0,54
0,52
0,32
—
—
—
—
РП АМД
0,25
0,38
0,52
0,52
0,53
—
4,72
5,03
—
4,9
2,2
—
4,41
6,59
—
0,90
0,90
—
0,60
0,60
—
0,51
0,52
—
РП АМТ
0,35
0,70
0,67
—
2,66
—
9,2
—
3,84
—
0,95
—
0,65
—
0,55
—
РКШ АМД
0,19
0,23
0,39
0,46
0,56
0,84
1,65
0,47
0,44
—
0,58
0,14
4,05
11,19
—
8,8
2,6
14,6
5,4
—
1,32
1,35
7,04
9,17
—
1,00
1,00
0,70
0,60
—
0,60
0,60
0,60
0,50
—
0,56
0,51
0,51
0,46
—
3) величина зміни об’єму зразків АМД і
АМТ внаслідок змочування зменшується, що
обумовлено як зменшенням питомої поверхні
досліджуваних зразків, так і ступеня руйну-
вання агрегатів ВДК рідиною;
4) максимальний об’єм поглиненого де-
кану для всіх зразків більший порівняно з
об’ємом води. Це, імовірно, є наслідком того,
що декан, на відміну від води, сорбується на
всій поверхні ВДК.
На рис. 5 зображено залежності константи
швидкості на початковому етапі процесу змо-
чування досліджуваних зразків ВДК водою та
деканом від ступеня модифікування поверхні
метилсилільними групами.
Порівнюючи швидкість змочування водою
зразків АМД, синтезованих у різних типах ре-
акторів (рис. 5а), слід відмітити менш вираже-
ний екстремальний характер залежності конс-
танти швидкості від ступеня модифікування у
випадку зразків, синтезованих у РКШ. Це мо-
же бути наслідком: 1) різниці в структурі
прищепленого шару диметилсилільних груп
(різний склад компонентів газової фази у реа-
кційному середовищі); 2) різної рівномірності
модифікування (режим подачі модифікатора);
3) впливу перемішування при модифікуванні
(зміна розмірів та форми агрегатів і міжагре-
гатних просторів). Відносно першого, – важко
щось сказати напевно, оскільки, як вже зазна-
чалось, наявність води у реакційному просторі
може істотно впливати на механізми та про-
дукти поверхневих хімічних реакцій за участю
ДМДХС.
Щодо другого, то нерівномірність модифі-
кування в автоклаві підтвердилась наявністю в
складі суспензії змочених водою зразків АМД,
синтезованих в автоклаві, деякої кількості аг-
регатів, що не змочились, вже починаючи зі
ступеня модифікування 0,3. У випадку ж усіх
змочених зразків АМД, синтезованих в РП або
РКШ, наявності таких агрегатів не відмічено.
Змочування кремнеземів різної гідрофобності
_____________________________________________________________________________________________
ХФТП 2010. Т. 1. № 2 205
Таблиця 2. Параметри процесу змочування метилсилільованих зразків ВДК деканом
Реактор Зразок Ө A, мл kеф × 103, с-1 R2 × 104 k × 103, с-1 V0, мл Vk, мл Vmax, мл
A-200 0 1,02 14,65 12,3 13,81 1,00 0,70 0,90
авто-
клав
АМД
0,10
0,33
0,35
0,40
0,43
0,45
0,49
0,63
1,30
0,86
0,91
0,89
0,84
0,88
0,91
0,84
0,95
0,81
20,44
13,61
17,35
19,67
14,33
14,22
16,48
12,12
16,10
7,9
8,7
6,3
6,5
5,4
6,5
5,4
5,8
6,7
19,82
12,85
16,69
19,06
13,87
13,63
15,79
11,60
15,34
0,90
0,85
0,85
0,85
0,85
0,85
0,80
0,85
0,75
0,80
0,75
0,75
0,80
0,80
0,80
0,75
0,80
0,70
0,81
0,79
0,82
0,79
0,79
0,80
0,77
0,81
0,73
авто-
клав
АМТ
0,11
0,28
0,42
0,55
0,60
0,70
0,75
1,00
0,94
0,92
0,87
0,84
0,80
0,74
0,76
0,72
19,27
18,55
16,93
14,54
20,68
12,28
14,48
13,46
4,1
10,0
3,9
1,2
2,5
14,0
6,2
8,2
18,91
17,74
16,59
14,47
20,24
14,50
15,82
15,59
0,90
0,85
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
0,70
0,70
0,70
0,70
0,90
0,85
0,82
0,78
0,76
0,76
0,76
0,74
РП АМД
0,25
0,38
0,52
0,89
0,93
0,89
19,13
15,56
9,35
4,2
6,8
2,3
18,58
14,88
9,00
0,95
0,95
0,90
0,80
0,80
0,80
0,84
0,84
0,81
РП АМТ
0,35
0,70
0,91
0,94
13,96
5,24
6,4
3,0
13,36
6,45
0,95
0,85
0,80
0,70
0,81
0,74
РКШ АМД
0,19
0,23
0,39
0,46
0,56
0,90
0,91
0,76
0,66
0,47
10,27
9,67
11,99
10,76
44,32
14,5
20,6
7,4
12,9
2,3
10,41
15,56
13,61
12,08
44,16
1,00
1,00
0,80
0,60
0,50
0,70
0,70
0,70
0,60
0,50
0,87
0,89
0,75
0,64
0,48
Слід відзначити незначний вплив нерів-
номірності модифікування на глибину міні-
муму кривої k = f(Ө) в області Ө ~ 0,2–0,3,
оскільки у випадку АМД, синтезованих в
РКШ, цей мінімум також досить глибокий.
Проте спостерігається вплив нерівномірності
на ширину цього мінімуму – гідрофобні агре-
гати ВДК перешкоджають дифузії води крізь
шар досліджуваного порошку.
Стосовно третього, то, імовірно, саме
схожість будови агрегатів, їх розмірів та
міжагрегатних зв’язків для всіх зразків
АМД в області ступеня модифікування 0,4–
0,45 й зумовлює появу максимумів для кри-
вих k = f(Ө).
При порівнянні швидкості змочування во-
дою зразків АМД і АМТ, синтезованих в авто-
клаві (рис. 5а і в, криві 1), видно, що природа
прищеплених МС груп істотно впливає на пере-
біг цього процесу. Характер екстремальної за-
лежності k від Ө у випадку АМТ такий самий,
проте екстремуми менш виражені і дещо зміще-
ні. При однакових ступенях модифікування
швидкість змочування АМТ вища. ВДК не
змочується водою при значеннях ӨАМД і ӨАМТ,
більших 0,55–0,6. Слід відмітити, що в складі
суспензії змочених водою зразків АМТ, синтезо-
ваних в автоклаві, на відміну від АМД, не фіксу-
вали наявність агрегатів, які не змочились, що
свідчить про більшу рівномірність модифікуван-
ня поверхні ВДК триметилсилільними групами.
Аналізуючи швидкість змочування дека-
ном зразків АМД, синтезованих у різних ти-
пах реакторів (рис. 5б), слід відмітити зворот-
ний у порівнянні з водою характер залежності
константи швидкості від ступеня модифіку-
вання. У результаті зіставлення кривих 1-3 на
рис. 5б можна припустити, що нерівномір-
ність модифікування при невисоких значеннях
Ө практично не впливає на швидкість змочу-
вання АМД деканом, оскільки він сорбується
на всіх ділянках поверхні.
П.О. Кузема
_____________________________________________________________________________________________
206 ХФТП 2010. Т. 1. № 2
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
32
V
m
ax
, 1
0-3
л
θ
1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
3
2
V
m
ax
, 1
0-3
л
θ
1
а б
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
V
m
ax
, 1
0-3
л
θ
1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,75
0,78
0,81
0,84
0,87
0,90
V
m
ax
, 1
0-3
л
θ
1
в г
Рис. 4. Залежність величини максимального об’єму поглиненої води (а, в) і декану (б, г) зразками АМД (а, б)
і АМТ (в, г), синтезованими в автоклаві (крива 1), реакторі з перемішуванням (крива 2) та реакторі з
киплячим шаром (крива 3), від ступеня модифікування
Існування максимуму для кривих k = f(Ө)
в області Ө ~ 0,1–0,2 можна пояснити, при-
пустивши, що при малих величинах Ө не-
має стеричних перешкод для сорбції декану
на всій поверхні, а наявність прищеплених
диметилсилільних груп приводить до збі-
льшення загальної швидкості змочування
порівняно з немодифікованим ВДК. З під-
вищенням ступеня модифікування молеку-
лам декану все важче проникати до поверх-
ні крізь модифікуючий шар, і швидкість
змочування зменшується. Мінімум швидко-
сті змочування деканом відповідає мініма-
льному ступеню модифікування, характер-
ному для гідрофобного ВДК (Ө ~ 0,6). З пода-
льшим підвищенням Ө швидкість змочу-
вання деканом в незначній мірі зростає, ха-
рактеризуючи на початковій стадії змочу-
вання сорбцію декану переважно на диме-
тилсиліьних групах, прищеплених до по-
верхні.
Характер змочування деканом зразків
АМТ, синтезованих в автоклаві (рис. 5г, кри-
ва 1), демонструє аналогічну залежність конс-
танти швидкості змочування від ступеня мо-
дифікування, що й у випадку АМД (рис. 5б,
крива 1). Це дає підставу вважати, що швид-
кість змочування деканом не залежить від
природи прищеплених МС груп. Ця величина
залежить від ступеня модифікування для гід-
рофільних зразків і практично не залежить від
останнього для гідрофобних зразків.
Порівнюючи криві 1 і 2 на рис. 5б, слід
відмітити, що швидкість змочування деканом
гідрофобних зразків залежить від режиму про-
ведення модифікування. Проте характер цієї
залежності встановити важко у зв’язку із скла-
дністю синтезу повністю метилсилільованих
зразків у РП і РКШ. Гідрофільні зразки АМД,
синтезовані в РП, характеризуються аналогіч-
ною залежністю константи швидкості змочу-
вання деканом від ступеня модифікування.
Змочування кремнеземів різної гідрофобності
_____________________________________________________________________________________________
ХФТП 2010. Т. 1. № 2 207
0,0 0,2 0,4 0,6
0
2
4
6
8
10
12
3
2
1
k
x
10
3 , c
-1
θ
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
5
10
15
20
3
2
1
k
x
10
3 , c
-1
θ
а б
0,0 0,2 0,4 0,6
0
2
4
6
8
10
12
1
k
x
10
3 , c
-1
θ
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
5
10
15
20
1
k
x
10
3 , c
-1
θ
в г
Рис. 5. Залежність константи швидкості змочування водою (а, в) і деканом (б, г) зразків АМД (а, б) і АМТ (в,
г), синтезованих в автоклаві (крива 1), реакторі з перемішуванням (крива 2) та реакторі з киплячим
шаром (крива 3), від ступеня модифікування
Швидкість змочування деканом для всіх гі-
дрофільних зразків більша порівняно зі швидкі-
стю змочування водою. Очевидно, це пов’язано
з меншим поверхневим натягом декану та його
неспецифічною сорбцією на поверхні ВДК.
ВИСНОВКИ
1. Природа гідрофобізованої поверхні впли-
ває на змочуваність ВДК: при однакових
ступенях модифікування поверхні швид-
кість змочування триметилсилільованих
кремнеземів водою є вищою, ніж диметил-
силільованих.
2. Ступінь гідрофобності ВДК змінюється
нелінійно зі зміною ступеня модифікування
поверхні. Зі збільшенням останнього зме-
ншується поглинання кремнеземом як во-
ди, так і декану, а швидкість змочування
гідрофобізованих кремнеземів в області
ступенів модифікування 0,1–0,2 має міні-
мум у випадку змочування водою і макси-
мум – при змочуванні деканом.
3. Ступінь модифікування поверхні, що хара-
ктеризує поріг змочуваності кремнезему
водою, складає близько 0,55–0,6 незалежно
від того, який тип МС груп прищеплений
до поверхні.
4. Спосіб газофазного модифікування диме-
тилдихлорсиланом впливає на швидкість
змочування і осмотичну активність ВДК по
відношенню до води та декану, однак хара-
ктер залежності цих величин від ступеня
модифікування в межах кожного способу є
ідентичним.
ЛІТЕРАТУРА
1. Чуйко А.А., Горлов Ю.И. Химия поверхно-
сти кремнезема: строение поверхности,
активные центры, механизмы сорбции. –
Киев: Наукова думка, 1992. – 248 с.
П.О. Кузема
_____________________________________________________________________________________________
208 ХФТП 2010. Т. 1. № 2
2. Модифицированные кремнеземы в сорб-
ции, катализе и хроматографии / Под ред.
Г.В. Лисичкина. – Москва: Химия, 1986. –
248 с.
3. Пащенко А.А., Воронков М.Г., Михайлен-
ко Л.А. и др. Гидрофобизация. – Киев: Нау-
кова думка, 1973. – 240 c.
4. Неймарк И.Е., Слинякова И.Б.. Адсорбци-
онные свойства силикагелей, модифици-
рованных диметилдихлорсиланом // Укр.
хим. журн. – 1961. – Т. 27. – С. 196–205.
5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии
(Поверхностные явления и дисперсные си-
стемы): учебник для вузов. – Москва: Хи-
мия, 1982. – 400 с.
6. Pakhovchychyn S.V., Shimanskiy A.P.
Wettability of highly dispersed silica and
alumina // Colloids Surf. A. – V. 101,
N 2–3. – 1995. – P. 211–215.
7. Воскресенский П.И. Техника лаборато-
рных работ. – Москва: Химия, 1973. –
717 с.
8. Тертых В.А., Белякова Л.А. Химичес-
кие реакции с участием поверхности
кремнезема. – Киев: Наукова думка,
1991. – 264 c.
9. Соболев В.А., Чуйко А.А., Тертых В.А
и др. Количественное определение функ-
циональных групп на поверхности кремне-
зема методом инфракрасной спектроскопии
// Физико-химическая механика и лиофиль-
ность дисперсных систем. – 1973. – № 5. –
С. 44–49.
10. Круглицкий Н.Н., Паховчишин С.В. Ме-
тодические разработки применения
ПАВ для увеличения нефтеотдачи неф-
тяных пластов. – Киев: Наукова думка,
1983. – 46 с.
11. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химиче-
ской кинетики: учебник для хим. фак. ун-
тов – Москва: Высшая школа, 1984. –
463 с.
12. Химия привитых поверхностных соеди-
нений / Под ред. Г.В. Лисичкина. – Моск-
ва: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 592 с.
Надійшла 16.06.2010, прийнята 21.06.2010
Cмачивание кремнеземов разной гидрофобности водой и деканом
П.А. Кузема
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова 17, Киев 03164, Украина
Методом капиллярного поглощения исследован процесс смачивания водой и н-деканом химически
модифицированных высокодисперсных кремнеземов с гидрофильно-гидрофобной поверхностью. Выяв-
лена нелинейная зависимость осмотической активности и немонотонная зависимость скорости сма-
чивания от степени модифицирования поверхности метилсилильными группами.
Wettability of Silicas of Varied Hydrophobicity by Water and Decane
P.O. Kuzema
Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
17 General Naumov Street, Kyiv 03164, Ukraine
The wetting of chemically modified high disperse silicas with hydrophilic-hydrophobic surface by water
and n-decane was studied by the method of capillary imbibition. Nonlinear dependence of osmotic activity
and nonmonotonic dependence of wetting rate upon the degree of surface modification with methylsilyl
groups have been revealed.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28979 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2079-1704 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:18:19Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кузема, П.О. 2011-11-27T08:35:18Z 2011-11-27T08:35:18Z 2010 Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом / П.О. Кузема // Хімія, фізика та технологія поверхні. — 2010. — Т. 1, № 2. — С. 200-208. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 2079-1704 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28979 Методом капілярного поглинання досліджено процес змочування водою та н-деканом хімічно модифікованих високодисперсних кремнеземів з гідрофільно-гідрофобною поверхнею. Виявлено нелінійну залежність осмотичної активності і немонотонну залежність швидкості змочування від ступеня модифікування поверхні метилсилільними групами. Методом капиллярного поглощения исследован процесс смачивания водой и н-деканом химически модифицированных высокодисперсных кремнеземов с гидрофильно-гидрофобной поверхностью. Выявлена нелинейная зависимость осмотической активности и немонотонная зависимость скорости смачивания от степени модифицирования поверхности метилсилильными группами. The wetting of chemically modified high disperse silicas with hydrophilic-hydrophobic surface by water and n-decane was studied by the method of capillary imbibition. Nonlinear dependence of osmotic activity and nonmonotonic dependence of wetting rate upon the degree of surface modification with methylsilyl groups have been revealed. uk Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України Хімія, фізика та технологія поверхні Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом Cмачивание кремнеземов разной гидрофобности водой и деканом Wettability of Silicas of Varied Hydrophobicity by Water and Decane Article published earlier |
| spellingShingle | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом Кузема, П.О. |
| title | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом |
| title_alt | Cмачивание кремнеземов разной гидрофобности водой и деканом Wettability of Silicas of Varied Hydrophobicity by Water and Decane |
| title_full | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом |
| title_fullStr | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом |
| title_full_unstemmed | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом |
| title_short | Змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом |
| title_sort | змочування кремнеземів різної гідрофобності водою та деканом |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28979 |
| work_keys_str_mv | AT kuzemapo zmočuvannâkremnezemívríznoígídrofobnostívodoûtadekanom AT kuzemapo cmačivaniekremnezemovraznoigidrofobnostivodoiidekanom AT kuzemapo wettabilityofsilicasofvariedhydrophobicitybywateranddecane |