Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния
Представлены результаты по изучению влияния времени ультразвукового воздействия на распределение наноуглеродов детонационного синтеза в водной среде. Определены оптимальные значения параметров ультразвуковой обработки. Описано влияние модифицирования порошков наноалмазов детонационного синтеза фулле...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63414 |
| 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: | Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния / А.С. Гаврилов, А.П. Возняковский, Л.В. Агибалова // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 5. — С. 44-49. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63414 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. 2014-06-01T09:15:44Z 2014-06-01T09:15:44Z 2009 Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния / А.С. Гаврилов, А.П. Возняковский, Л.В. Агибалова // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 5. — С. 44-49. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63414 539.23 Представлены результаты по изучению влияния времени ультразвукового воздействия на распределение наноуглеродов детонационного синтеза в водной среде. Определены оптимальные значения параметров ультразвуковой обработки. Описано влияние модифицирования порошков наноалмазов детонационного синтеза фуллереном С₆₀ и дибутилдилауринатом олова. Показано, что при процессе модифицирования указанных порошков наблюдается необратимая адсорбция С₆₀ и дибутилдилаурината олова. Модифицирование наноуглеродов фуллереном приводит к существенному смещению кривых полидисперсности в сторону меньших размеров частиц. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| spellingShingle |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. Получение, структура, свойства |
| title_short |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| title_full |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| title_fullStr |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| title_full_unstemmed |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| title_sort |
исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| author |
Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. |
| author_facet |
Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. |
| topic |
Получение, структура, свойства |
| topic_facet |
Получение, структура, свойства |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
Представлены результаты по изучению влияния времени ультразвукового воздействия на распределение наноуглеродов детонационного синтеза в водной среде. Определены оптимальные значения параметров ультразвуковой обработки. Описано влияние модифицирования порошков наноалмазов детонационного синтеза фуллереном С₆₀ и дибутилдилауринатом олова. Показано, что при процессе модифицирования указанных порошков наблюдается необратимая адсорбция С₆₀ и дибутилдилаурината олова. Модифицирование наноуглеродов фуллереном приводит к существенному смещению кривых полидисперсности в сторону меньших размеров частиц.
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63414 |
| citation_txt |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния / А.С. Гаврилов, А.П. Возняковский, Л.В. Агибалова // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 5. — С. 44-49. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gavrilovas issledovaniepolidispersnostinanouglerodovdetonacionnogosintezametodomdinamičeskogosvetorasseâniâ AT voznâkovskiiap issledovaniepolidispersnostinanouglerodovdetonacionnogosintezametodomdinamičeskogosvetorasseâniâ AT agibalovalv issledovaniepolidispersnostinanouglerodovdetonacionnogosintezametodomdinamičeskogosvetorasseâniâ |
| first_indexed |
2025-11-24T05:43:34Z |
| last_indexed |
2025-11-24T05:43:34Z |
| _version_ |
1850842789826265088 |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 44
УДК 539.23
А. С. Гаврилов, А. П. Возняковский,
Л. В. Агибалова (г. Санкт-Петербург, Россия)
Исследование полидисперсности
наноуглеродов детонационного синтеза
методом динамического светорассеяния
Представлены результаты по изучению влияния времени ульт-
развукового воздействия на распределение наноуглеродов детонационного син-
теза в водной среде. Определены оптимальные значения параметров ультразву-
ковой обработки. Описано влияние модифицирования порошков наноалмазов
детонационного синтеза фуллереном С60 и дибутилдилауринатом олова. Пока-
зано, что при процессе модифицирования указанных порошков наблюдается
необратимая адсорбция С60 и дибутилдилаурината олова. Модифицирование
наноуглеродов фуллереном приводит к существенному смещению кривых поли-
дисперсности в сторону меньших размеров частиц.
Ключевые слова: наноуглероды, детонационный синтез, поли-
дисперсность, фуллерены, модифицирование, ультразвуковое воздействие, дина-
мическое светорассеяние.
Введение. В настоящее время наиболее перспективным на-
правлением создания композиционных полимерных материалов нового поко-
ления является использование в качестве наполнителей высокоактивных на-
нодисперсных веществ, к которым относятся различные наноуглероды —
наноалмазы, нанотрубки, фуллерены и т. д. Однако применение наноалмазов
для улучшения характеристик полимерных материалов приводит к противо-
речивым результатам. Последнее обстоятельство потребовало характеризо-
вать наноуглероды детонационного синтеза (ДНУ) не только по содержанию
наноалмазов детонационного синтеза (ДНА), но и обратить внимание на
композиционный состав аморфной компоненты.
Технология получения ДНА включает две стадии. На первой стадии про-
водят собственно детонационный синтез, продуктом которого является так
называемый технический алмазосодержащий углерод (ТАУ). Последний
представляет собой сложную смесь углеродов с содержанием ДНА до 50 %
(по массе). [1] Остальное приходится на различные углеродные структуры.
На второй стадии происходит собственно выделение наноалмазов. С этой
целью аморфную компоненту наноуглерода окисляют и переводят таким
образом в растворимую форму. В общем случае следует учитывать, что по-
верхностные свойства (а следовательно, и характеристики суспензий) зависят
от конкретного способа выделения наноалмазов. Существующие способы их
химической очистки, в основном, различаются составом используемой окис-
лительной среды. Указанные способы не исключают загрязнение поверхно-
сти ДНА тяжелыми металлами.
ТАУ нашел самостоятельную нишу применения в материаловедении по-
лимеров [2, 3]. Последнее обстоятельство потребовало характеризовать ТАУ
© А. С. ГАВРИЛОВ, А. П. ВОЗНЯКОВСКИЙ, Л. В. АГИБАЛОВА, 2009
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 5 45
не только по содержанию ДНА, но и обратить внимание на композиционный
состав аморфной компоненты.
Важной характеристикой нановеществ являются параметры их полидис-
персности.
Экспериментальная часть. Для измерения дисперсного состава колло-
идных частиц в диапазоне размеров от нанометров до микронов в настоящее
время существует несколько методов. Самым распространенным является
электронная микроскопия. Несмотря на привлекательность, использование
этого метода для изучения ультрадисперсных систем может приводить к ис-
кажению получаемых кривых полидисперсности. Как правило, это связано со
сложностью приготовления воспроизводимых по свойствам образцов [4].
Широко используют методы, основанные на изучении седиментации час-
тиц [5], но они позволяют получить воспроизводимые результаты только в
области диаметров частиц, превышающих микронные размеры. Наиболее
перспективными для измерения размеров микронных и субмикронных частиц
являются оптические методы, основанные на регистрации как интенсивности
рассеянного света [6], так и спектрального состава квазиупругого рассеянно-
го света [7]. Последний способ состоит в измерении корреляционной функ-
ции или спектрального состава релеевской компоненты рассеянного света —
метод динамического светорассеяния. В приборах динамического светорас-
сеяния спектр фототока или его корреляционную функцию измеряют в опре-
деленном числе дискретных точек на шкале частот или временных интерва-
лов, поэтому решение обратной задачи в этом случае естественно искать в
виде системы линейных алгебраических уравнений.
Рассмотрим уравнение
∑ =γ iikk UAB )( . (1)
Для корреляционной функции )( ii gU τ= ядро этого уравнения имеет вид
экспоненты
)exp( ikikA τγ−= , (2)
где i = 1, 2, 3, …, M — число временных интервалов, в которых измеряется
корреляционная функция, а k = 1, 2, 3, …, N — число точек, в которых оты-
скивается решение уравнения (4) (см. ниже); B(γk) — функция распределения
интенсивности компонент рассеянного света по параметру γ — полуширине
соответствующей компоненты. Полуширина спектра рассеянного света γ
зависит от коэффициента трансляционной функции D рассеивающих частиц:
2qDkk =γ (3)
и величины )2/sin()/4( θλπ= nq , характеризующей изменение волнового
вектора возбуждающего света с длиной волны λ при рассеянии под углом θ в
среде с показателем преломления n.
Коэффициент диффузии D связан с гидродинамическим размером рассеи-
вателя уравнением Стокса-Эйнштейна
rk
B
k R
TK
D
πη
=
6
, (4)
где KB — постоянная Больцмана; Т — температура в градусах Кельвина; η —
вязкость растворителя; Rik — гидродинамический радиус рассеявателя.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 46
Для получения информации о дисперсном составе исследуемых коллоидов
необходимо решить систему алгебраических уравнений (1) относительно функ-
ции распределения B(γk).
Ранее было показано, что относительная весовая концентрация коллоидных
частиц размерами Rk определяется соотношением [8]
3
1
3 )()(
)( k
k
kn
j
j
j
j
kk f
B
f
B
WRW γγ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∑ γ
γ
==
=
, (5)
где f — представляет собой форм-фактор рассеивающих частиц, который для
однородных частиц определяется выражением
( ) ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−== )cos()sin(3)( 2 qR
qR
qR
qR
Rf . (6)
Использование уравнения (6) при обработке данных динамического светорас-
сеяния позволяет получать кривую полидисперсности коллоидных частиц в сус-
пензиях, что, в свою очередь, оказывается весьма полезным при разработке мето-
дов изменения структуры коллоидных систем.
В данной работе исследовали ТАУ производства РФЯЦ (г. Снежинск), ЗАО
“Синта” (Беларусь), “Электрохимприбор” (г. Лесное), СКТБ “Технолог”
(г. Санкт-Петербург), НПО “Алтай” (г. Бийск). Также исследовали ДНА произ-
водства РФЯЦ (г. Снежинск) и ДНА, модифицированные во ФГУП НИИСК
(г. Санкт-Петербург).
При модифицировании ДНА (РФЯЦ) во ФГУП НИИСК их обрабатывали
10 %-ным водным раствором HCl при температуре 50 °С в течении 3 ч при по-
стоянном перемешивании. Затем ДНА промывали дистиллированной водой до
рН = 7 и диспергировали (дисперсионная среда — вода и толуол). Наномодифи-
каторы распределяли в дисперсионной среде наложением поля ультразвука (УЗ).
Через 1 ч суспензию ДНА отделяли от образовавшегося осадка, состоящего из
крупных агрегатов ДНА. Суспензию высушивали; полученные ДНА использова-
ли в дальнейших исследованиях.
Для определения состава ТАУ различных производителей был выполнен
рентгеноструктурный анализ.
Были проведены эксперименты по модифицированию ДНУ фуллеренами C60.
С этой целью в суспензии ДНУ в толуоле вводили фуллерен С60. ДНУ в толуоле
распределяли наложением поля ультразвука.
В рамках работы по созданию полимерных покрытий с антибактериальными
свойствами решали задачу распределения биологически активного металлоорга-
нического вещества по большим поверхностям равномерно и в малых концен-
трациях. Для осуществления этого были проведены эксперименты по модифици-
рованию ДНА дибутилдилауринатом олова. С этой целью в суспензии ДНА в
толуоле и воде вводили 50 % (по массе) дибутилдилаурината олова и кипятили в
течение 1 ч. Далее отфильтрованные ДНА были промыты толуолом и высушены
при 170°С. Прививка дибутилдилаурината олова предотвращала выход металло-
органических соединений в окружающую среду.
Методом динамического светорассеяния были получены кривые полидис-
персности исходных и модифицированных ДНА и ТАУ в воде и толуоле.
Обсуждение результатов. Ранее был предложен в качестве практического
критерия отнесения высокодисперсных веществ к наноструктурированным эф-
фект роста прочностных параметров в полимерных композициях при введении
ДНУ до 4 %. Рентгеноструктурный анализ показал значительное отличие ТАУ
различного происхождения по составу (табл. 1).
При модифицировании ТАУ фуллереном С60 было установлено, что характер-
ная окраска раствора фуллерена в толуоле исчезала при выдерживании суспензии
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 5 47
ТАУ в течение времени τ (табл. 2) при температуре кипения толуола. Экспери-
менты показали, что процесс адсорбции фуллеренов ТАУ происходит и при нор-
мальных условиях. При этом время процесса адсорбции зависит от происхожде-
ния ТАУ.
Таблица 1. Состав ТАУ различных производителей
Состав, % (по массе) Произво-
дитель нанографит наноалмаз магнетит Fe3O4 Fe(OH) Fe2O3 примеси
ОКР*,
Ǻ
“Алтай” 55 45 — — — — 30
“Синта” 42 58 — — 46
РФЯЦ 20 60 15 — — 5 53
“Технолог” 5-7 50 — 30 10 3—5 56
* ОКР — область когерентного рассеяния.
Таблица 2. Время адсорбции фуллеренов ТАУ и ДНА
Время адсорбции при тем-
пературе, ч Производитель
Содержание фуллеренов,
% (по массе)
110 °С 20 °С
РФЯЦ (ТАУ) 1 0,5 72
“Синта” (ТАУ) 1 2 120*
“Электрохимприбор” (ТАУ) 1 5* 4
РФЯЦ (ДНА) 0,9** 2 24*
НИИСК (ДНА модифициро-
ванный)
0,7** 4 48*
* Процесс адсорбции не закончился.
** При увеличении концентрации фуллерена адсорбция не происходит.
При аналогичном введении фуллерена C60 в суспензии ДНА в толуоле была
определена предельная адсорбция фуллерена ДНА (см. табл. 2), которая зависела
от происхождения ДНА.
Следует отметить, что выделить сорбированные экстракцией суспензий ТАУ
и ДНА фуллерены воздействием поля УЗ при варьировании температуры в пре-
делах 10—110 °С (охватывающих области адсорбционного или координационно-
го комплекса взаимодействий) не удалось. Это позволяет сделать вывод о необ-
ратимости адсорбции фуллеренов ТАУ.
При распределении частиц ДНУ в среде полем УЗ большое значение имеет
время озвучивания. Для каждого ДНУ существует оптимум времени озвучива-
ния, после которого наблюдается агрегация частиц. Следует отметить, что рас-
сматривать только среднемассовую или только среднечисленную кривую поли-
дисперсности некорректно.
Рассмотрим данные по суспензиям ДНУ в воде (рис. 1).
Из рис. 1, а, б видно, что модифицирование ДНУ сорбированным фуллереном
С60 позволяет значительно увеличить относительное количество частиц в нано-
размерном диапазоне. При этом массовая доля частиц ТАУ с диаметром ≤ 100 нм
составляет 0,121 (0,114 для модифицированных фуллереном). Массовая доля
частиц ДНА с диаметром ≤ 178 нм — менее 1 %.
Наличие привитых металлоорганических радикалов практически не изменяет
полидисперсность ДНА (НИИСК) в воде (см. рис. 1, в). При этом массовая доля
частиц ДНА с диаметром ≤ 95 нм составляет 0,337 для немодифицированных
ДНА и 0,380 — для модифицированных.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 48
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000 D, нм
% (по массе)
1
2
а
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 10 100 1000
1
2
% (по массе)
D, нм
б
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 10 100 1000
1
2
% (по массе)
D, нм
в
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 10 100 1000
1
2
D, нм
% (по массе)
г
Рис. 1. Кривые дисперсности (среднечисленные) в воде: а — ТАУ (1 — исходный; 2 — с
адсорбированными С60); б — ДНА (1 — исходный; 2 — с адсорбированными С60); в —
ДНА (НИИСК) (1 — исходный; 2 — с дибутилдилауринатом олова); г — ДНА (РФЯЦ)
(1 — исходный; 2 — с дибутилдилауринатом олова).
Наличие привитых металлоорганических радикалов существенно изменя-
ет полидисперсность ДНА (РФЯЦ) в воде (см. рис. 1, г). При этом массовая
доля частиц ДНА с диаметром ≤ 95 нм составляет 0,299 для немодифициро-
ванных ДНА и 0,341 — для модифицированных. График демонстрирует, что
модифицирование сухих порошков наноалмазов металлоорганическими со-
единениями позволяет получить их высокодисперсные суспензии.
Сдвиг максимума на кривой 1 относительно максимума на кривой 2 дает
возможность высказать предположение о том, что в процессе прививки ме-
таллоорганического соединения к ДНА образуется химическая связь. Это
подтверждается также тем, что свойства привитых наноалмазов не меняются
при прогреве до 250 °С.
Рассмотрим данные по суспензиям ДНУ в толуоле (рис. 2).
Из рис. 2, а видно, что наличие сорбированных фуллеренов практически
не изменяет полидисперсность ТАУ в толуоле. При этом массовая доля час-
тиц ТАУ с диаметром ≤ 100 нм составляет 0,264 для немодифицированных
ТАУ и 0,123 — для модифицированных.
Суспензию ДНА в толуоле получить не удалось. Однако для ДНА с сор-
бированными фуллеренами практически 90 % частиц в толуоле попадает в
нанодиапазон. При этом массовая доля частиц ДНА с диаметром ≤ 178 нм
составляет 0,0083.
Наличие привитых металлоорганических радикалов практически не изме-
няет полидисперсность ДНА и ТАУ в толуоле. При этом наноразмерных час-
тиц не наблюдается (см. рис. 2, б, в).
Выводы
Впервые последовательно изучены суспензии детонационного наноугле-
рода в полярных и неполярных средах.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 5 49
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000
1
2
D, нм
% (по массе)
а
0
10
20
30
40
50
60
70
100 1000
12
% (по массе)
D, нм
б
0
10
20
30
40
50
60
70
10 100 1000
1
2
% (по массе)
D, нм
в
Рис. 2. Кривые дисперсности (среднечис-
ленные) в толуоле: а — ТАУ (1 — исход-
ный; 2 — с адсорбированными С60); б —
ДНА НИИСК (1 — исходный; 2 — с дибу-
тилдилауринатом олова); в — ДНА РФЯЦ
(1 — исходный; 2 — с дибутилдилаурина-
том олова).
Для детонационных наноалмазов показано, что вид кривых полидисперс-
ности в заметной мере зависит от технологии выделения ДНА из продуктов
подрыва.
Признано целесообразным при изучении дисперсности ДНА учитывать не
только среднечисленное, но и среднемассовое распределение частиц.
Модифицирование ДНУ фуллеренами приводит к увеличению дисперсно-
сти. Аналогичный процесс наблюдается при модифицировании ДНА метал-
лоорганическими соединениями. Можно предположительно, что этот про-
цесс является следствием замены взаимодействия кристаллического углерода
Скр—Скр на Скр—С60 или Скр—металлоорганика.
Частицы ДНА связывают металлоорганику ковалентной связью, что дела-
ет эти образованные комплексы перспективным модификатором для нано-
композитов, обладающих поверхностной биологической активностью.
1. Долматов В. Ю. Модифицированный способ получения детонационных наноалмазов и
их реальный элементарный состав // Журнал прикладной химии. — 2008. — 81, № 10.
— С. 1620—1627.
2. Возняковский А. П. Самоорганизация в нанокомпозитах на основе наноалмазов
детонационного синтеза // Физика твердого тела. — 2004. — 46, № 4. — С. 629—632.
3. Возняковский А. П, Долматов В. Ю., Веретенникова М. В. Нанокомпозиты на основе
полиблочных полисилоксановых сополимеров и наноалмазов. Особенности топологии
распределения и свойства // Сверхтв. материалы. — 2003. — № 4. — С. 27—37.
4. Лукьянова Л. М., Кузнецова В. Л., Берестнев В. А. Методы микроскопии для контроля
латексов и материалов на их основе. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1987. — 49 с.
5. Коузов П. А. Основы анализа дисперсионного состава промышленных пылей и
измельченных материалов. — Л.: Химия, 1974. — 279 с.
6. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. — М.: ГИТТЛ, 1951. — 215 с.
7. Камминс Г., Пайк Э. М. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов.
— М.: Мир, 1978. — 584 с.
8. Клюбин В. В. Измерение молекулярно-массового распределения полимеров методом
динамического светорассеяния // Высокомолекулярные соединения. Серия А. — 1995.
— 37, № 4. — С. 670—675.
ФГУП НИИСК им. акад. С. В. Лебедева Поступила 18.06.09
|