CC BY
79
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 001.891:666.972.17 DOI: 10.22227/1997-0935.2020.5.678-687
Исследование распределения наночастиц диоксида кремния
в воде затворения
Д.А. Немущенко, В.В. Ларичкин, А.П. Онипченко, В.С. Субботин
Новосибирский государственный технический университет (НГТУ); г. Новосибирск, Россия
аннотация
Введение. Изучены суспензии наночастиц диоксида кремния в воде. Использование суспензий позволяет наиболее эффективно вводить наноразмерные частицы в шликерные керамические массы и массы на основе бетона. Обзор публикаций показал значительный интерес российских и зарубежных исследователей к технологии модификации материалов различного назначения наночастицами. При этом применяются частицы различной химической природы в зависимости от поставленных задач. Широко применяется метод ультразвукового (УЗ) диспергирования наполнителей в матричном материале, использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) дает возможность стабилизировать суспензии и строительные растворы. Диоксид кремния, как один из наиболее дешевых в производстве порошков ультрадисперсного порядка, зарекомендовал себя в качестве активного наполнителя строительных материалов. Материалы и методы. Для равномерного распределения наночастиц в воде использовался метод УЗ диспергирования. Для снижения повторной агрегации частиц и повышения с течением времени устойчивости суспензии вводилось ПАВ. Эффективность распределения наночастиц в суспензии контролировалась турбидиметрическим методом, а размеры твердых частиц определялись с помощью измерения оптической плотности на спектрофотометре. Результаты. Показана эффективность применения УЗ-метода для распределения наноразмерных частиц в воде. На основе полученных суспензий формовались образцы керамики, при помощи растрового электронного микроскопа с насадкой для выявления химического состава были определены размеры конгломератов наночастиц в матрице. Найдена оптимальная концентрация ПАВ ОП-10 для разрушения конгломератов в суспензии, оценена роль времени УЗ-воздействия на суспензию.
0 0 Выводы. Результаты исследования могут быть использованы в технологиях изготовления керамики при модифика- ^ п
g g ции материалов наночастицами различной химической природы. s ®
СЧ СЧ П н
(jjnij КлючЕВыЕ СлОВА: ультразвуковое диспергирование, наночастица, диоксид кремния, распределение наноча- ^ U
g ф стиц, строительная керамика, шликерная керамика, поверхностно-активное вещество, турбидиметрия _ к
° 3 G М
с ю Для ЦИТИРОВАНИЯ: Немущенко Д.А., Ларичкин В.В., Онипченко А.П., Субботин В.С. Исследование рас- S ^
пределения наночастиц диоксида кремния в воде затворения // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 5. С. 678-687. DOI: С ^ Ш £ 10.22227/1997-0935.2020.5.678-687 M |
i1 1 N "7 :§ A research into the distribution of silicium dioxide nanoparticles о 7
^ 1
Ф ф
о ¡g
.E о
LO О
in the mixing water Ц §
o СЛ
— - o
g -5 Dmitry A. Nemuschenko, Vladimir V. Larichkin, Anastasiya P. Onipchenko, o t
8 < Vasilij S. Subbotin
o § Novosibirsk State Technical University (NSTU); Novosibirsk, Russian Federation
CN § - § 3
CO
CO "§ ABSTRACT d g
05 H Introduction. The co-authors studied suspensions of silicium dioxide nanoparticles in the water. The application of ^ 6
suspensions helps to most effectively add nanoparticles to slip ceramic mixtures and mixtures that contain concrete. A review h 0
O of publications has proven that Russian and foreign researchers are willing to learn more about nanoparticles used to modify
cd cd
various materials. Particles having different chemical properties are applied depending on the types of problems to be solved. t § co The method of ultrasonic dispersion of fillers in the matrix material is widely used; surfactants stabilize suspensions and
o E mortars. Silicon dioxide, being one of the cheapest ultra-dispersed powders, has been proven as an active filler designated
EJ o for building materials. O T
^ Materials and methodc A method of ultrasonic dispersion was used to uniformly distribute nanoparticles in the water l o
№ DO
' B"
Materials and methods. A method of ultrasonic dispersion was used to uniformly distribute nanoparticles in the water. 1 °
A surfactant was added to the suspension to reduce the reaggregation of particles and to rise the stability of suspensions m S
0 in the course of time. The turbidimetric method was employed to control the nanoparticle distribution efficiency in the q 5 — 2 suspension, and a spectrophotometer was used to identify the dimensions of solid particles by measuring the optical density.
' Results. The co-authors have proven the efficiency of the ultrasonic method in distributing nano-sized particles over
O up the water. The suspensions, developed by the co-authors, were used to mold samples of ceramics; a scanning electron S a g O microscope and a nozzle, designated for the identification of chemical compositions, were used to identify dimensions of u °
g 2 nanoparticle conglomerates in the matrix. The co-authors identified the concentration of OP-IO surfactant that was optimal ® S
S for the destruction of conglomerates in the suspension; the impact of the ultrasonic treatment duration was assessed in , ,
1- £ respect of the suspension. 22
q ¡2 Conclusions. The research findings can be contributed to ceramic production technologies for versatile nanoparticles to be 2 2 (0 !> employed to modify materials.
©Д.А. Немущенко, В.В. Ларичкин, А.П. Онипченко, В.С. Субботин, 2020 Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
С.678-687
в воде затворения
KEYWORDS: ultrasonic material dispersion, nanoparticle, silicium dioxide, distribution of nanoparticles, structural ceramics, slip ceramics, surfactant, turbidimetry
FOR CITATION: Nemuschenko D.A., Larichkin v.v., Onipchenko A.P., Subbotin v.S. A research into the distribution of silicium dioxide nanoparticles in the mixing water. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(5):678-687. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.5.678-687 (rus.).
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей задачей строительного материаловедения является повышение эксплуатационных характеристик материалов, а также снижение их стоимости при обеспечении высоких физико-механических свойств. В течение последнего десятилетия многие исследователи предлагают решать задачу улучшения свойств материалов при помощи введения различных по химической природе нано-размерных добавок, в частности волокнистых, либо шарообразных частиц.
В патенте1 описан метод получения кварцевой керамики с повышенной высокотемпературной прочностью за счет введения в готовую пористую керамическую основу наночастиц а-А1203 в количестве 1,0-2,5 масс. % за счет пропитки основы водным раствором соли А1^03) 9Н20, сушки и обработки при температуре 400-600 °С. В результате высокотемпературной обработки происходит полный пиролиз нитрата алюминия с образованием а-А1203 в виде наночастиц размером 50-150 нм.
В патентной публикации2 приведены состав массы и способ получения смеси для производства строительных материалов. Вследствие введения на-норазмерного наполнителя повышается прочность и морозостойкость готовых изделий. Масса содержит функциональную добавку — нанопорошок SiO2 (марка АСИЛ-300) 0,05-2 масс. %. Наноразмерный порошок вводится простым механическим перемешиванием.
В патентном документе3 представлена рецептура строительного материала, содержащая цемент,
1 Пат. 2458022 РФ, МПК С04В 35/14, В82В 3/00. Нано-модифицированная кварцевая керамика с повышенной высокотемпературной прочностью / Бородай Ф.Я., Ви-кулин В.В., Иткин С.М., Ляшенко Л.П., Шкарупа И.Л., Самсонов В.И.; заяв. и патентообл. ОАО «Обнинское научно-производственное предприятие "Технология"». Заявл. № 2011104828/03 09.02.11; опубл. 10.08.12. Бюл. № 22. 7 с.
2 Пат. 2430053 РФ, МПК С04В 28/36, С01В 17/00, В82В 1/00, С04В 111/20. Серобетонная смесь и способ ее получения / Мырзин А.П., Софьин В.А.; заяв. и патентообл. Мырзин А.П., Софьин В.А. Заявл. № 2010124994/03 17.06.10; опубл. 27.09.11. 5 с.
3 Пат. 2447036 РФ, МПК С04В 28/02, В82В 3/00, С04В
111/20. Композиция для получения строительных матери-
алов / Кашкина Л.В., Кулагин В.А., Стебелева О.П., Кула-
гина Л.В.; заяв. и патентообл. ФГАОУ ВПО «Сибирский
федеральный университет». Заявл. № 2010144287/03
28.10.10; опубл. 10.04.12. Бюл. № 10. 9 с.
песок и кавитационно-активированный углеродсо-держащий материал (КАУМ) в количестве 0,0240,64 масс. %. КАУМ представляет собой смесь углеродных наноструктур, в том числе трубчатых, полученную путем гидродинамической обработки водной суспензии древесной сажи.
Метод ультразвукового (УЗ) диспергирования также широко применяется исследователями при введении ультрадисперсных частиц в матричный материал.
Например, распределение углеродных нано-трубок (УНТ) в лакокрасочном материале изучалось в работе [1]. Углеродные нанотрубки в концентрации 0,05 масс. % обрабатывались в УЗ-ванне в течение 15 мин совместно с растворителем, применяющимся для конкретного типа лакокрасочного материала. Отмечается более интенсивное диспергирование УНТ в матрице, увеличение адгезии пленки к подложке. УНТ также нашли применение при модификации эпоксидных систем [2]. УНТ смешивали с ацетоном и обрабатывали ультразвуком в ванне с погружным рожковым диспергатором УЗГ 13-0.1/22 в течение 5 мин, одновременно смесь гомогенизировалась на магнитной мешалке. Полученную суспензию вливали в эпоксидную смолу. Авторами отмечается значительное увеличение модуля упругости образцов композита, увеличение разрушающего напряжения при растяжении в зависимости от концентраций УНТ.
В исследованиях [3, 4] УЗ-поля эффективно использовались для распределения наноразмерных частиц в эпоксидной смоле и отвердителе, модификацию проводили углеродными нанотрубками, наноалмазами, специально подготовленным №+-монтмориллонитом4. УНТ использовались для армирования корундовых керамических материалов [5]. Пучки УНТ диспергировались в ультразвуковой зондовой установке УЗДН-2Т при частоте 44 кГц. При этом применяли различные среды для диспергирования: водные растворы этилового, изопропи-лового и поливинилового спиртов, водный раствор диметилформамида. Увеличение прочности полимеров, модифицированных наночастицами, связывают, прежде всего, с торможением распространения микротрещин при разрушении [6]. При равно мер-
Тренисова А.Л., Аношкин И.В., Горбунова И.Ю., Кер-бер М.Л., Плотникова Е.П. Изучение свойств нанокомпо-зитов на основе эпоксидного олигомера и различных наполнителей // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т. XXI. № 6. С. 9-13.
< П
iH
kK
G Г
0 со § СО
1 2 У 1
J со
u -
^ I
n °
oo
з (
о §
E w § 2
0) 0 00 66 r 6
an
0 )
¡¡i
01 В
■ T
s □
s у с о <D Ж UIW
2 2 О О 10 10 О О
ном распределении наночастиц, разрушении агломератов в полимере можно добиться сохранения оптических свойств [7].
При помощи УЗ-полей авторы работы [8] распределяли диоксид кремния (нано-SiO^ в синтетическом масле, варьируя содержание различных поверхностно-активных веществ (ПАВ), в результате были улучшены теплообменные свойства масла. В исследовании [9] ультразвук применяли для диспергирования наночастиц в органических растворителях (хлороформ, ацетон, изопропанол, циклопентанон), в работе [10] устраняли агломерацию наночастиц диоксида титана УЗ-полем в присутствии диспергаторов — полиакриловой кислоты и полиметакрилата аммония. Изменение гранулометрического состава исходных нанопорошков оксида алюминия и агрегатов частиц в водных суспензиях, получаемых воздействием ультразвука в присутствии цитрата натрия, при разных режимах обработки подробно анализировалось авторами [11].
Наноразмерный порошок нано-SiO^ который в данной работе используется в качестве функциональной добавки, нашел широкое применение в технологиях получения строительных материа-о о лов. Введение порошка нано^Ю2 улучшает долго-о о вечность и прочность бетона при сжатии [12, 13] „JkJ и растяжении [14, 15], снижает водопоглощение к ш [15], увеличивает сопротивление просачиванию > ¡я воды5 и способствует контролю вымывания каль-
2 ~„ ция6. Кроме того, нано-SiO, ускоряет реакции гидра-to in 2 -
. т- тации как кальциевых силикатов', так и цементно-
jg зольного раствора благодаря большой поверхности
! 2 наночастиц с высокой реакционной способностью8.
¡§ Было обнаружено, что для увеличения прочности
Id i образцов бетона частицы наноразмерного поряд-
^ ка эффективнее, чем кварцевая пыль9. За 28 суток О ф
—■ -
g о 5 Ji T. Preliminary study on the water permeability and micro-
op ^ structure of concrete incorporating nano-SiO2 // Cem. Concr.
0 § Res. 2005. No. 35(10). Pp. 1943-1947.
041 § 6 Gaitero J.J., Campillo I., Guerrero A. Reduction of the
ся calcium leaching rate of cement paste by addition of sili-
^ "S ca nanoparticles / // Cem Concr Res. 2008. No. 38(8-9).
1 о Pp. 1112-1118. DOI: 10.1016/j.cemconres.2008.03.021
Q_ 7
• с Bjornstrom J., MartinelliA., MaticA., BorjessonL., Panas I. ю о
g -¡я Accelerating effects of colloidal nano-silica for beneficial
c? calcium-silicate-hydrate formation in cement // Chemical
g ° Physics Letters. 2004. No. 392(1-3). Pp. 242-248. DOI:
2 10.1016/j.cplett.2004.05.071
$ | 8 Lin K.L., Chang W.C., Lin D.F., Luo H.L., Tsai M.C. EfT ^ fects of nano-SiO2 and different ash particle sizes on sludge ^ Э ash-cement mortar // J. Environ Manage. 2008. No. 88(4). ^ g Pp. 708-714. DOI: 10.1016/jjenvman.2007.03.036 ¡у S 9 Qing Y., Zenan Z., Deyu K., Rongshen C. Influence of Ц ~ nano-SiO2 addition on properties of hardened cement paste ¡3 as compared with silica fume // Construction and Building U £ Materials. 2007. No. 21(3). Pp. 539-545. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2005.09.001
10%-ная смесь HaHO-SiO2 с дисперсными компонентами увеличивает прочность при сжатии цементных растворов10 на 26 %, а 15%-ная смесь кварцевой пыли — всего на 10 %. Даже малое количество (0,25 %) добавки нано^Ю2 увеличивает прочность при сжатии на 10 % на 28 сутки, а прочность на изгиб — на 25 %11. Нано^Ю2 также работает как наполнитель для улучшения микроструктуры12. В исследовании [16] показано влияние распыления суспензии нанопорошков на поверхность бетонных образцов, отмечается увеличение микротвердости и снижение истираемости и водопоглощения.
Еще в 2008 г. упоминалось о внедренных технологиях «нанобетонов» различного назначения13. Отличительной особенностью данных бетонов является наличие в составе функциональной добавки — модифицированной базальтовой микрофибры (МБМ), вводимой в бетон в зависимости от его назначения в количестве 1,5-20 % от массы вяжущего (цемент, гипс, кислотно-зольные смеси и т.п.). Добавка МБМ включает наноразмерную добавку астралена (многослойная полиэдральная наноча-стица) в количестве 0,0001-0,001 % от массы МБМ.
Обзор композитов, полученных с применением технологий введения наночастиц различной химической природы с ориентацией на аэрокосмические приложения, сделан в работе [17].
На кафедре инженерных проблем экологии Новосибирского государственного технического университета ведутся исследования по разработке рецептур и технологий получения строительных материалов на основе промышленных и коммунальных отходов. Данная работа направлена на получение керамических материалов строительного назначения (рядовой и облицовочный кирпич, керамическая настенная и напольная плитка) с использованием в качестве основного компонента золошлаковых отходов угольных электростанций г. Новосибирска, а также стекольных отходов, об-
10 Li H., Xiao H.-G., Yuan J., Ou J. Microstructure of cement mortar with nano-particles // Composites Part B Engineering. 2004. No. 35(2). Pp. 185-189. DOI: 10.1016/S1359-8368(03)00052-0
11 Sobolev K., Flores I., Torres-Martinez L.M., Valdez P.L., Zarazua E., Cuellar E.L. Engineering of SiO2 nanoparticles for optimal performance in nano cementbased materials // Nanotechnology in construction: proceedings of the NICOM3 (3rd international symposium on nanotechnology in construction). Prague, Czech Republic. 2009. Pp. 139-148. DOI: 10.1007/978-3-642-00980-8_18
12 Jo B.-W., Kim C.-H., Tae G.-H., Park J.-B. Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles // Construction and Building Materials. 2007. No. 21(6). Pp. 1351-1355. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2005.12.020
13 Патрикеев Л. Нанобетоны // Наноиндустрия. 2008. № 2. С. 14-15.
С.678-687
в воде затворения
разующихся при осуществлении раздельного сбора твердых коммунальных отходов. Использование отходов позволяет добиться снижения конечной стоимости строительных материалов, а также снизить нагрузку на окружающую природную среду. Для повышения эксплуатационных свойств получаемых строительных материалов предлагается вводить в качестве функциональной добавки наноразмер-ные частицы диоксида кремния. При этом возникают проблемы, связанные с агломерацией первичных частиц нанопорошка в результате действия, прежде всего, Ван-дер-Ваальсовых сил, на что также указывали другие исследователи [6, 10, 11, 18].
Предварительные эксперименты показали эффективность применения наноразмерной добавки в керамической технологии [19], но, как указывают некоторые исследователи, эффект от введения порошков в матричный материал при их максимально равномерном распределении может проявляться в многократном увеличении прочности образцов, морозостойкости и других свойств.
В данной работе ставилась задача определения оптимальных параметров режима ультразвуковой обработки водной суспензии, содержащей нанораз-мерные частицы диоксида кремния. В дальнейшем с использованием полученных суспензий готовились шликерные керамические массы и определялись их свойства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве нанодобавки в работе использовался наноразмерный порошок нано^Ю2, полученный на базе Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН на ускорителе электронов по способу14. Средний размер первичных частиц составлял ~ 22 нм, удельная поверхность ~ 123 м2/г. Во всех экспериментах наноразмерная добавка вводилась в концентрации 0,5 масс. % как наиболее оптимальная (см. [19]).
Для равномерного распределения наночастиц в водных суспензиях использовался метод УЗ диспергирования в ультразвуковой ванне «Град 5-35» при частоте поля 35 кГц и мощности 55 Вт.
С целью более эффективного распределения наночастиц за счет снижения повторной агрегации
14 Пат. 2067077 РФ, МПК6 С01В 33/88. Способ получения ультрадисперсной двуокиси кремния, устройство для его осуществления и ультрадисперсная двуокись кремния / Лукашов В.П., Бардаханов С.П., Салимов Р.А., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин А.В.; заяв.: Лукашов В.П., Бардаханов С.П., Салимов Р.А., Корчагин А.И., Фадеев С.Н., Лаврухин А.В.; патентообл. Бардаханов С.П. Заявл. № 94002568/26; заявл. 26.01.94; опубл. 27.09.96. 6 с.
частиц, а также для повышения устойчивости суспензий с течением времени применяли ПАВ марки ОП-10. Данное вещество является продуктом обработки смеси моно- и диалкилфенолов окисью этилена и относится к водорастворимым ПАВ неио-ногенного типа. ОП-10 применяется в технологиях строительных материалов, в частности, для повышения диспергируемости наполнителей лакокрасочных материалов, повышения устойчивости суспензий связующих и пр.
Эффективность распределения наночастиц в суспензии контролировалась турбидиметриче-ским методом прибором Турбидиметр Hanna HI-93703, калиброванным по формазину. Рабочая длина волны — 890 нм. Для оценки размеров твердых частиц суспензии проводились измерения оптической плотности на спектрофотометре Unico 1200 в диапазоне длин волн от 400 до 890 нм.
Водные суспензии готовились поэтапно растворением ПАВ в воде с последующим добавлением нанодобавки в концентрации 0,5 масс. %, после чего суспензия обрабатывалась в УЗ-ванне. В экспериментах варьировалась концентрация ПАВ, время обработки в УЗ-поле, а также контролировалась температура суспензии и pH. Подготовленные суспензии анализировались турбидиметрическим методом сразу (экспозиция 0 ч) и через 24 ч (экспозиция 24 ч). Также, используя следствия из закона Бугера — Ламберта — Бера для турбидиметрии, на основе спектрофотометрических данных оценивались размеры твердых частиц суспензии.
Для подтверждения возможности применения данного способа приготовления суспензии в керамической технологии формовались образцы керамики в форме таблеток. При этом матричным материалом являлся химически чистый карбонат кальция (CaC03). Таблетки формовались по технологии полусухого прессования с использованием указанных выше водных суспензий наночастиц и связующего.
Высушенные образцы покрывались слоем проводящего материала (медь), поверхность образцов анализировалась на растровом электронном микроскопе Zeiss EVO 50 XVP с насадкой для определения химического состава присутствующих включений. При проведении микроскопии выделялись частицы SiO2 в матричном материале и оценивался их средний размер.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Результаты турбидиметрических исследований полученных суспензий обобщены в виде диаграмм на рис. 1 и 2. Для контроля растворимости ПАВ предварительно проводилась оценка мутности водных растворов ПАВ при их различной концен-
< п
IH
kK
G Г
0 (Л § СО
1 2
y 1
J со
u -
^ I
n °
2 3 o 2
=! (
О §
§ 2
0) 0 26 r 6
an
2 )
¡Í
® 0
01 В
■ T
s □
s у с о <D * Ultt
2 2 О О 10 10 О О
>у
Я S
а ^
0 ■
1 i;
«= о
я .53 s
5 it тЗ
U
a • S f JH
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
m i i i
Mill
0
0,5
1
1,5
2
без УЗ обработки / No ultrasonic treatment
экспозиция 0 ч / 0-hour exposure
экспозиция 24 ч / 24-hour exposure
Концентрация поверхностно-активных веществ, масс. % / Surfactant concentration, in mass.%
Рис. 1. Мутность суспензий наночастиц SiO2 в воде при различной концентрации ПАВ Fig. 1. Turbidity of SiO2 nanoparticle suspensions driven by different surfactant concentrations
о о
N N О О
сч сч in in К (V U 3
> (Л
с и to in
Ю щ
ц
ф ф
о £
---' "t^
о
о У
8« 2. I
w 13
от IE
Е О • с
ю о
S ц
о Е
СП ^ т- ^
<л
(Л
2 3
О (0 №
трации. Установлено, что мутность растворов находится в пределах 10 ЕМФ, что не превышает погрешности измерения данным методом.
При увеличении концентрации ПАВ в суспензии (рис. 1) наблюдается увеличение мутности, максимум фиксируется при содержании ПАВ 1 масс. %, дальнейшее увеличение количества ПАВ не дает положительного результата. При этом рост мутности суспензии отмечается даже без УЗ-обработки (1-й ряд). В присутствии ПАВ и УЗ-воздействия мутность суспензии возрастает скачкообразно (см. 0,5 масс. %). Во всех случаях происходит незначительное снижение мутности суспензии через
24 ч (экспозиция 24 ч), даже при отсутствии ПАВ (см. 0 масс. %), т.е. стабильные суспензии можно получать воздействием УЗ-поля, при этом ПАВ не оказывает положительного влияния на стабильность.
Ультразвуковое диспергирование является весьма эффективным для распределения шарообразных наночастиц в водной суспензии. Даже в отсутствии ПАВ при воздействии ультразвука мутность увеличивается в 1,7 раза (рис. 1, 0 масс. %). В дальнейшем, при концентрации ПАВ 0,5-1 масс. %, мутность суспензии при УЗ-воздействии возрастает более чем в 2 раза.
я
3| s а
а р
4Р£
о 3 с -g
я 3
н +3
и й о
я Н
^ Р * §
& а я .53
S Е
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
экспозиция 0 ч / 0-hour exposure
экспозиция 24 ч / 24-hour exposure
^ 5 10 15
Время обработки УЗ, мин / Ultrasonic treatment time, min
Рис. 2. Влияние времени ультразвуковой обработки на мутность суспензии Fig. 2. The effect of the duration of the ultrasonic treatment on suspension turbidity
С.678-687
в воде затворения
Как видно на рис. 2 (экспозиция 0 ч), влияние времени УЗ-обработки суспензии на мутность и эффективность распределения наночастиц незначительное. При этом стабильность суспензии при более продолжительном воздействии возрастает (экспозиция 24 ч). Дальнейшее увеличение времени обработки приводит к значительному разогреву суспензии, что может привести к изменению свойств ПАВ и другим нежелательным процессам, в случае применения предлагаемого метода в технологии изготовления керамики.
На изображении с электронного микроскопа видно, что частицы диоксида кремния присутствуют в образце, полученном с помощью УЗ-воздействия, в виде конгломератов размером порядка 40 мкм (рис. 3, b, частицы диоксида кремния подсвечены синим цветом). В образце, полученном распределением частиц в керамической массе с использованием лопастной мешалки (см. рис. 3, c, d), конгломе-
раты наночастиц имеют размеры порядка 200 мкм (подсвечены зеленым цветом). На обзорных микрофотографиях с определением химического состава (увеличение 300-400 крат) можно наблюдать значительно более равномерное распределение конгломератов частиц в матричном материале при использовании ультразвукового метода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУжДЕНИЕ
Для получения дисперсий наночастиц диоксида кремния в воде затворения наиболее оптимальной является концентрация ПАВ, равная 1 масс. %. Присутствие ПАВ 0П-10 в такой концентрации позволяет увеличить эффективность распределения наночастиц почти в 2,5 раза, даже без использования УЗ-воздействия. При этом ПАВ не оказывает существенного влияния на стабильность суспензии в течение 24 ч.
c d
Рис. 3. Микрофотографии образцов: a, b — структура и химический состав образца, полученного с использованием УЗ-воздействия; c, d — структура и химический состав образца, полученного с использованием лопастной мешалки Fig. 3. Microphotographs of samples: a, b — structure and chemical composition of the sample obtained using ultrasonic treatment; c, d — structure and chemical composition of the sample obtained using a paddle-type mixer
< П
i H
kK
G Г
S 2
0 со § CO
1 О y 1
J со
u -
^ I
n °
О 3
o s
=s (
о §
§ 2
n g 00 66 r 6
an
0 )
ii
® 0
01 В
■ г
s □
s у с о (D * Ol
M 2 О О 10 10 О О
£
ю
е
<и -о
л О
и
3-
S ^
с
о
Длина волны 400 нм / Wave length 400 um
Длина волны 890 нм / Wave length 890 um
Номер образца / Sample number
О о
N N О О N N
10 10
¡г <и
U 3 > (Л С И
U to
¡1
<D ф
О £
---' "t^
о
О ££
8 «
Z ■ ^
w 13
со IE
E о
CL° • с
ю о
S «
о E со ^
T- ^
CO
со
■S
Рис. 4. Оптическая плотность суспензий наночастиц в воде при граничных значениях длин волн монохроматического излучения: 1 — суспензия наночастиц с обработкой УЗ; 2 — суспензия наночастиц с обработкой УЗ и добавкой ПАВ; 3 — суспензия наночастиц без УЗ-воздействия
Fig. 4. The optical density of nanoparticle suspensions in the water in case of extreme lengths of monochromatic emission waves: 1 — nanoparticle suspension exposed to ultrasonic treatment; 2 — nanoparticle suspension exposed to ultrasonic treatment and surfactants; 3 — nanoparticle suspension without ultrasonic exposure
Увеличение времени обработки суспензии УЗ-полем незначительно влияет на разрушение конгломератов частиц в рамках данного эксперимента, эффект проявляется уже при минимальном времени воздействия УЗ (5 мин). При этом в случае применения метода в строительной технологии при производстве керамического шликера с нанодобавками потребуется большее время обработки и более высокая интенсивность УЗ-поля.
Спектрофотометрические исследования полученных суспензий при варьировании длин волн монохроматического излучения показали значительную эффективность применения УЗ-воздействия (см. рис. 4). Так, при воздействии УЗ-поля и добавлении ПАВ в суспензию оптическая плотность при разных длинах волн практически не меняется, что говорит о незначительных размерах наночастиц относительно длины волны излучения. Оптическая плотность суспензии, полученной перемешиванием без воздействия УЗ-поля (рис. 4, образец 3), при
длине волны 400 нм больше в 2,7 раза аналогичного значения при 890 нм, что указывает на размеры наночастиц, сопоставимые с диапазоном длин волн падающего излучения.
Данный способ введения наноразмерных частиц применим в керамической технологии. Однако стоит обратить внимание, что распределить агрегированные наночастицы SiO2 до первичных частиц все равно не удается, на что также указывали исследователи [14]. Тем не менее следует к этому стремиться, возможно, за счет использования других методов распределения. В дальнейшем планируется подготовить серии образцов строительной керамики на основе твердых отходов с использованием указанной выше технологии приготовления суспензии. При этом введение суспензии должно осуществляться в подвижную шликерную массу, которая затем должна высушиваться до оптимальной для формования керамических изделий влажности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николайчик А.В., Прокопчук Н.Р., Овчинников О.И. Выбор способа введения углеродных на-нодобавок в непигментированные лакокрасочные материалы // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2010. Т. 1. № 4. С. 135-138.
2. Рябов С.А., Захарычев Е.А., Семчиков Ю.Д. Исследование влияния времени функционализации углеродных нанотрубок на физико-механические свойства полимерных композитов на их основе // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2013. № 2-1. С. 71-74.
С.678-687
в воде затворения
3. Брусенцева Т.А., Филиппов А.А., Фомин В.М. Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц // Известия Алтайского государственного университета. 2014. № 1-1 (81). С. 25-27. DOI: 10.14258/izvasu(2014)1.1-04
4. Ma X., Peng C., Zhou D., Wu Z, Li S., Wang J. et al. Synthesis and mechanical properties of the ep-oxy resin composites filled with sol-gel derived ZrO2 nanoparticles // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2018. Vol. 88. Issue 2. Pp. 442-453. DOI: 10.1007/ s10971-018-4827-3
5. Федосова Н.А., Файков П.П., Зарамен-ских К.С., Попова Н.А., Жариков Е.В., Кольцова Э.М. Разработка дисперсионной среды на основе углеродных нанотрубок для армирования керамических материалов // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. № 1 (130). С. 61-65.
6. Kockmann A., Porsiel J.C., Saadat R., Garn-weitner G. Impact of nanoparticle surface modification on the mechanical properties of polystyrene-based nano-composites // RSC Advances. 2018. Vol. 8. Issue 20. Pp. 11109-11118. DOI: 10.1039/c8ra00052b
7. Itoh T., Uchida T., Izu N., Shin W. Effect of Core-shell Ceria/Poly (Vinylpyrrolidone) (PVP) Nanoparticles Incorporated in Polymer Films and Their Optical Properties (2): Increasing the Refractive Index // Materials. 2017. Vol. 10. Issue 7. P. 710. DOI: 10.3390/ ma10070710
8. Timofeeva E.V., MoravekM.R., Singh D. Improving the heat transfer efficiency of synthetic oil with silica nanoparticles // Journal of Colloid and Interface Science. 2011. Vol. 364. Issue 1. Pp. 71-79. DOI: 10.1016/j.jcis.2011.08.004
9. Naderizadeh S., Athanassiou A., Bayer I.S. Interfacing superhydrophobic silica nanoparticle films with graphene and thermoplastic polyurethane for wear/ abrasion resistance // Journal of Colloid and Interface Science. 2018. Vol. 519. Pp. 285-295. DOI: 10.1016/j. jcis.2018.02.065
10. Othman S.H., Rashid S.A., Mohd Ghazi T.I., Abdullah N. Dispersion and Stabilization of Photo-catalytic TiO2 Nanoparticles in Aqueous Suspension for Coatings Applications // Journal of Nanomateri-als. 2012. Vol. 2012. Pp. 1-10. DOI: 10.1155/2012/ 718214
11. Kalinina E.G., Efimov A.A., Safronov A.P., Ivanov V.V., Beketov I.V. Preparation of Alumina Nanoparticle Suspensions with Narrow Particle
Size Distribution // Nanotechnologies in Russia. 2013. Vol. 8. Issue 7-8. Pp. 511-517. DOI: 10.1134/ S1995078013040058
12. Sobolev K., Ferrada Gutierrez M. How nan-otechnology can change the concrete world // Progress in Nanotechnology. 2014. Pp. 113-116. DOI: 10.1002/9780470588260.ch16
13. Niewiadomski P., Hoia J., Cwirzen A. Study on properties of self-compacting concrete modified with nanoparticles // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018. Vol. 18. Issue 3. Pp. 877-886. DOI: 10.1016/j.acme.2018.01.006
14. Dolatabad Y.A., Kamgar R., NezadI.G. Rheo-logical and Mechanical Properties, Acid Resistance and Water Penetrability of Lightweight Self-Compacting Concrete Containing Nano-SiO2, Nano-TiO2 and Nano-Al2O3 // Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2019. DOI: 10.1007/ s40996-019-00328-1
15. Faez A., Sayari A., Manie S. Mechanical and Rheological Properties of Self-Compacting Concrete Containing Al2O3 Nanoparticles and Silica Fume // Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2020. DOI: 10.1007/s40996-019-00339-y
16. Shirzadi Javid A.A., Ghoddousi P., Zareechi-an M., Habibnejad Korayem A. Effects of Spraying Various Nanoparticles at Early Ages on Improving Surface Characteristics of Concrete Pavements // International Journal of Civil Engineering. 2019. Vol. 17. Issue 9. Pp. 1455-1468. DOI: 10.1007/s40999-019-00407-4
17. Rathod V.T., Kumar J.S., Jain A. Polymer and ceramic nanocomposites for aerospace applications // Applied Nanoscience. 2017. Vol. 7. Issue 8. Pp. 519548. DOI: 10.1007/s13204-017-0592-9
18. Гатауллин А.Р., Французова М.С., Богданова С.А., Галяметдинов Ю.Г. Диспергирование одностенных углеродных нанотрубок и фуллеренов С60 в воде и в водных растворах ПАВ // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 10. С. 54-57.
19. Ларичкин В.В., Немущенко Д.А., Кальне-ус В.А., Куницына Е.А., Леготин А.В., Слесарен-ко Р.А. Исследование влияния добавки нанопорош-ка SiO2 на физико-механические свойства золоке-рамики // Перспективные материалы. 2014. № 11. С. 56-62.
Поступила в редакцию 16 марта 2020 г. Принята в доработанном виде 7 апреля 2020 г. Одобрена для публикации 29 апреля 2020 г.
Об авторах: Дмитрий Андреевич Немущенко — старший преподаватель кафедры инженерных проблем экологии; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ); 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, д. 20; РИНЦ ГО: 622346; [email protected];
< П
iH
k к
G Г
0 С/з § С/3
1 2 У 1
J со
u -
^ I
n °
oo
з (
о §
E w § 2
0) 0 00 66 r 6
an
0 )
[i
® 0
01 В
■ T
(Л У
с о <D X
2 2 О О 2 2 О О
Владимир Викторович Ларичкин — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерных проблем экологии; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ); 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, д. 20; РИНЦ ID: 108491, Scopus: 6508047294, ResearcherlD: I-9967-2016; [email protected];
Анастасия Павловна Онипченко — студентка, кафедра инженерных проблем экологии; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ); 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, д. 20; [email protected];
Василий Сергеевич Субботин — студент, кафедра инженерных проблем экологии; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ); 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, д. 20; recrut. [email protected].
REFERENCES
1. Nikolajchik A.V., Prokopchuk N.R., Ovchin-nikov O.I. The choice of the method of introducing carbon nanoparticles into unpigmented paints and varnishes. Proceedings of BSTU. Series 2: Chemical Technologies, Biotechnology, Geoecology. 2010; 1(4):135-138. (rus.).
2. Ryabov S.A., Zakharychev E.A., Sem-chikov Yu.D. Investigation of the influence of func-tionalization time of carbon nanotubes on physical and mechanical properties of polymer composites based on them. Bulletin of the Lobachevsky University of Nizhny
g g Novgorod. 2013; 2-1:71-74. (rus.).
3. Brusentseva T.A., Filippov A.A., Fomin V.M. 10 10 Composite Materials Based on Epoxy Resin and O 3 Nanoparticles. Bulletin of Altai State University. 2014; c j« 1-1(81):25-27. DOI: 10.14258/izvasu(2014)1.1-04 U If) (rus.).
4. Ma X., Peng C., Zhou D., Wu Z., Li S., Wang J.
2 E et al. Synthesis and mechanical properties of the ep-
o ri oxy resin composites filled with sol-gel derived ZrO2 He
• nanoparticles. Journal of Sol-Gel Science and Technol-^ £ ogy. 2018; 88(2):442-453. DOI: 10.1007/s10971-018-
% 4827-3
0 <u
q 5. Fedosova N.A., Fajkov P.P., Zaramenskih K.S., § ij Popova N.A., Zharikov E.V., Kol'cova E.M. Develop-4 "g ment of a dispersion medium based on carbon nanotubes co ® for reinforcing ceramic materials. Advances in Chemis-z -.g try and Chemical Technology. 2012; 26(1):(130):61-65. OT E (rus.).
£= 6. Kockmann A., Porsiel J.C., Saadat R., Garn-
£= O ' ' '
cl o weitner G. Impact of nanoparticle surface modification
lt> ° on the mechanical properties of polystyrene-based nano-
g | composites. RSCAdvances. 2018; 8(20):11109-11118.
£ I DOI: 10.1039/c8ra00052b
? Z 7. Itoh T., Uchida T., Izu N., Shin W. Effect
^ of Core-shell Ceria/Poly(Vinylpyrrolidone) (PVP)
— J Nanoparticles Incorporated in Polymer Films and Their
>» Optical Properties (2): Increasing the Refractive Index.
£ W Materials. 2017; 10(7):710. DOI: 10.3390/ma10070710 s g 8. Timofeeva E.V., Moravek M.R., Singh D.
!E £ Improving the heat transfer efficiency of synthetic oil
1 £ with silica nanoparticles. Journal of Colloid and In® J terface Science. 2011; 364(1):71-79. DOI: 10.1016/j.
jcis.2011.08.004
9. Naderizadeh S., Athanassiou A., Bayer I.S. Interfacing superhydrophobic silica nanoparticle films with graphene and thermoplastic polyurethane for wear/abrasion resistance. Journal of Colloid and Interface Science. 2018; 519:285-295. DOI: 10.1016/j. jcis.2018.02.065
10. Othman S.H., Rashid S.A., Mohd Ghazi T.I., Abdullah N. Dispersion and Stabilization of Photocata-lytic TiO2 Nanoparticles in Aqueous Suspension for Coatings Applications. Journal of Nanomaterials. 2012; 2012:1-10. DOI: 10.1155/2012/718214
11. Kalinina E.G., Efimov A.A., Safronov A.P., Ivanov V.V., Beketov I.V. Preparation of Alumina Nanoparticle Suspensions with Narrow Particle Size Distribution. Nanotechnologies in Russia. 2013; 8(7-8):511-517. DOI: 10.1134/S1995078013040058
12. Sobolev K., Ferrada Gutierrez M. How nanotechnology can change the concrete world. Progress in Nanotechnology. 2014; 113-116. DOI: 10.1002/9780470588260.ch16
13. Niewiadomski P., Hola J., Cwirzen A. Study on properties of self-compacting concrete modified with nanoparticles. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2018; 18(3):877-886. DOI: 10.1016/j. acme.2018.01.006
14. Dolatabad Y.A., Kamgar R., Nezad I.G. Rheo-logical and Mechanical Properties, Acid Resistance and Water Penetrability of Lightweight Self-Compacting Concrete Containing Nano-SiO2, Nano-TiO2 and Na-no-Al2O3. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2019. DOI: 10.1007/ s40996-019-00328-1
15. Faez A., Sayari A., Manie S. Mechanical and Rheological Properties of Self-Compacting Concrete Containing Al2O3 Nanoparticles and Silica Fume. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2020. DOI: 10.1007/s40996-019-00339-y
16. Shirzadi Javid A.A., Ghoddousi P., Zareechi-an M., Habibnejad Korayem A. Effects of Spraying Various Nanoparticles at Early Ages on Improving Surface Characteristics of Concrete Pavements. International Journal of Civil Engineering. 2019; 17(9):1455-1468. DOI: 10.1007/s40999-019-00407-4
С.678-687
в воде затворения
17. Rathod V.T., Kumar J.S., Jain A. Polymer and ceramic nanocomposites for aerospace applications. Applied Nanoscience. 2017; 7(8):519-548. DOI: 10.1007/ s13204-017-0592-9
18. Gataullin A.R., Francuzova M.S., Bogdano-va S.A., Galyametdinov Yu.G. Dispersion of single-wall carbon nanotubes and fullerenes C60 in water and in
Received March 16, 2020.
Adopted in a revised form on April 7, 2020.
Approved for publication April 29, 2020.
aqueous surfactant solutions. Herald of Kazan Technological University. 2011; 10:54-57. (rus.).
19. Larichkin V.V., Nemuschenko D.A., Kal'neus V.A., Kunicyna E.A., Legotin A.V., Slesa-renko R.A. Research of impact of SiO2 nanopowder to physical and mechanical properties of ashen ceramic. J. Promising materials. 2014; 11:56-62. (rus.).
Bionotes: Dmitry A. Nemuschenko — senior lector of Department of Engineering Problems of Ecology; Novosibirsk State Technical University (NSTU); 20 prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; RISC ID: 622346; [email protected];
Vladimir V. Larichkin — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Engineering Problems of Ecology; Novosibirsk State Technical University (NSTU); 20 prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; RISC ID: 108491, Scopus: 6508047294, ResearcherlD: I-9967-2016; [email protected];
Anastasiya P. Onipchenko — student, Department of Engineering Problems of Ecology; Novosibirsk State Technical University (NSTU); 20 prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; [email protected];
Vasilij S. Subbotin — student, Department of Engineering Problems of Ecology; Novosibirsk State Technical University (NSTU); 20 prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; [email protected].
< П
8 8 i H
k к
g Г
s 2
0 со § со
1 o
y i
J CD
u -
^ I
n °
О 3
0 s
=s (
01
о §
§ 2
0) g 00 66 r 6
an
o )
ii
® w
W и
■ £
s у
с о
<D *
M 2 О О 10 10 О О
