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:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Series: | Сверхтвердые материалы |
| 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 |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-634142025-02-23T17:48:42Z Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. Получение, структура, свойства 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. 2009 Article 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 ru Сверхтвердые материалы 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 |
Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства |
| spellingShingle |
Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния Сверхтвердые материалы |
| 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. |
| format |
Article |
| author |
Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. |
| author_facet |
Гаврилов, А.С. Возняковский, А.П. Агибалова, Л.В. |
| author_sort |
Гаврилов, А.С. |
| title |
Исследование полидисперсности наноуглеродов детонационного синтеза методом динамического светорассеяния |
| 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 |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Получение, структура, свойства |
| 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. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT gavrilovas issledovaniepolidispersnostinanouglerodovdetonacionnogosintezametodomdinamičeskogosvetorasseâniâ AT voznâkovskijap issledovaniepolidispersnostinanouglerodovdetonacionnogosintezametodomdinamičeskogosvetorasseâniâ AT agibalovalv issledovaniepolidispersnostinanouglerodovdetonacionnogosintezametodomdinamičeskogosvetorasseâniâ |
| first_indexed |
2025-11-24T05:43:34Z |
| last_indexed |
2025-11-24T05:43:34Z |
| _version_ |
1849649282154496000 |
| 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
|