CC BY
11
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДЫ ЛИГАНДА ИСХОДНЫХ РЕАГЕНТОВ
НА РАЗМЕР ЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА
Осипова Елена Александровна
старший преподаватель, Женеев Сергей Александрович
студент,
Аркушенко Евгений Андреевич
студент, Оренбургский Государственный университет, г. Оренбург
АННОТАЦИЯ
В настоящее время спектр применения мелкодисперсных частиц постоянно расширяется, а производство таких частиц, как правило, требует больших энергозатрат и дорогостоящего приборного обеспечения. Высокодисперсный оксид цинка - важный многофункциональный материал, применяемый во многих областях техники. Данная статья посвящена исследованию влияния природы лиганда исходных реагентов и температуры на размер частиц оксида цинка. В результате исследования установлено, что при использовании в качестве исходного реагента ацетат цинка получаются наиболее мелкодисперсные частицы при пониженной температуре. ABSTRACT
Currently, the use offine particle range is constantly expanding, and the production of such particles tend to require a lot of energy and expensive instrumentation. Superfine zinc oxide - an important multifunctional material used in many fields of technology. This article is devoted to the study of influence of the nature of the ligand starting reactants and temperature on the particle size of zinc oxide. The study found that by using as starting reagent zinc acetate to obtain the most fineparticles at a low temperature.
Ключевые слова: мелкодисперсные частицы, оксид цинка, лиганды
Keywords: microparticles, zinc oxide, ligands
Введение
Современная наука показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять частицу малого размера этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нм (10-9м) называют "наночастицами", более крупные размеры (10-5м) соответствуют высокодисперсным или мелкодисперсным частицам. Высокодисперсные частицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Удается добиться взаимодействия искусственных мелкодисперсных частиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др.
Одной из главных причин изменения физических и химических свойств малых частиц по мере уменьшения их размеров является рост относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), нежели атомы внутри объемной фазы. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию роли поверхностной энергии. [1]
Оксид цинка - важный многофункциональный материал, применяемый во многих областях техники. Высокодисперсные частицы оксида цинка обладают рядом уникальных свойств, среди которых особый интерес вызывает способность поглощать широкий спектр электромагнитного излучения, включая ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиочастотное.
Такие частицы могут служить, например, для защиты против УФ-лучей, придавая новые функции стеклам, пластмассам, краскам, синтетическим волокнам и т.д. Эти частицы также можно использовать для приготовления солнцезащитных кремов, мазей и других препаратов,
так как они безопасны для человека и не раздражают кожу. [2]
Способность высокодисперсных частиц оксида цинка к рассеянию электромагнитных волн может использоваться в тканях одежды для придания ей свойств невидимости в инфракрасном диапазоне за счет поглощения излучаемого человеческим телом тепла. Это позволяет изготавливать камуфляжи, невидимые в широком диапазоне частот - от радио до ультрафиолета. Такая одежда просто незаменима в военных или антитеррористических операциях, поскольку позволяет вплотную подойти к противнику без риска быть замеченным приборами ночного видения. Высокодисперсные частицы цинка также являются уникальными полупроводниковыми материалами с широкой запрещенной зоной (3,37 эВ). Производство нанома-териалов и высокодисперсных частиц требует наличие дорогостоящих приборов и существенных энергозатрат. [2]
Известен ряд методов получения высокодисперсного оксида цинка, включая пиролиз аэрозолей, газофазное осаждение и т.д., но наиболее распространенным способом является химическое осаждение термически нестабильных соединений в растворах сдальнейшим их разложением. Такие методы основаны на синтезе из водных или неводных систем высокодисперсных осадков солей, гидроксида или непосредственно оксида цинкаи обеспечивают возможность получения дисперсных форм 2п0 с контролируемыми размерами и морфологией путем регулирования условий осаждения и термолиза. [3]
В ближайшей перспективе следует ожидать резкое увеличение объёмов производства наноматериалов и высокодисперсных частиц из-за их широкого применения, поэтому необходимо подобрать наименее энергозатратные способы получения. В связи с чем, цель наших исследований состоит в установлении наименее энергозатратного метода синтеза высокодисперсных частиц оксида цинка.
Материалы и методы исследования Для получения оксида цинка использовали сульфат цинка (г^04.7Н20) и ацетат цинка (2п(СН3СОО) 2.2Н20) классификации "чда". Синтез проводили путем
Образование осадка (формула 1) протекает за счет взаимодействия сульфата цинка и гидролиза карбоната аммония. Полученный белый осадок отфильтровывали, сушили при 100оС и в дальнейшим прокаливали до образования оксида цинка (формула 2) при 320оС и при 500оС (муфельная печь SNOL 8, 2/1100, Литва).
2п5(СО3)2(ОИ)6 ^ 52пО| + 2С02| + 3Н20 (2)
Аналогичные операции проводили при использовании ацетата цинка (формула 3).
медленного сливания 0,1М водного раствора сульфата цинка к 0,2 М водному раствору карбоната аммония ((КН4)2СО3) при постоянном перемешивании с включенной магнитной мешалкой.
(1)
5гп(СН3СОО)2+2(ЫН4)2СО3 +6КН4НСО3 ^ гп5(СО3)2(ОН)6| + + ЮСН3СОО 1Ж4 + 6С02Т (3)
Результаты исследования и их обсуждение Размеры полученных частиц анализировали на приборе Р^йсогСотраС, диапазон измерений которого находится в интервале от десятых долей нанометров до 6 микрон.
В результате анализа образцов были получены следующий данные.
52п^04) + 2(]Ж4)2ТО3 + 6КШНС03^2п5(ТО3)2(0Н)6| +5(]Ж4^04 + 6С02|
А)
Б)
Рисунок 1. Размеры частиц оксида цинка, полученных из сульфата цинка при 320°С (А) и при 500°С (Б)
Размеры 50% частиц, синтезированных при использовании в качестве исходного реагента сульфат цинка и прокаленных при 320°С составили 202 нм (рис.1). Размеры 80 % частиц, прокаленных при 500 °С превысили значение 1000 нм, что свидетельствует о высокой степени агломерации частиц при прокаливании при высоких температурах.
Размеры частиц, синтезированных при использовании в качестве исходного реагента ацетат цинка и прокаленных при 320°С, составили в среднем 139 нм (рис. 2). Размеры частиц оксида цинка, прокаленных при 500°С составили 129 нм.
Согласно полученным данным, в выборе исходных реагентов для синтеза высокодисперсных частиц оксида цинка, предпочтение следует отдать ацетату цинка, вследствие наибольшей устойчивости к агрегации получаемых частиц, в том числе при пониженной термической обработке осадка гидрооксокарбоната цинка. Использование водных растворов сульфата цинка ведет к образованию агрегированных комплексов частиц оксида цинка, вследствие "слипания" частиц, что особо проявляется при повышенных температурах.
А)
Б)
Рисунок 2. Размеры частиц оксида цинка, полученных из ацетата цинка при 320°С (А) и при 500°С (Б)
Таблица 1
Сопоставление размеров частиц оксида цинка в зависимости от природы лиганда исходных реагентов_
Исходный реагент Температура обработки осадка
320 °C 500 °C
Сульфат цинка 202,4 ± 17,7 нм 1193 ± 211 нм
Ацетат цинка 138,8 ± 50,4 нм 128 ± 35 нм
Таким образом, на размер мелкодисперсных частиц влияет природа лиганда исходного реагента и температура термической обработки.
Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на проведение научно-исследовательских работ № 342.
Список литературы 1. Сергеев Г.Б. Нанохимия. - М.: Изд-во МГУ, 2003. -288 с.
2. Живописцев В.П., Селезнева Е.А. Аналитическая химия цинка. - М: Наука, 1975. - 250с.
3. Николаева,Н.С. Синтез высокодисперсных форм цинка:осаждение и термолиз/ В. В. Иванов, А.А Шубин: Journalof Siberian Federal University. Chemistry 2, 2010. -C. 153-173.
4. Zhu Y., Zhou Y. Preparation of pure ZnO nanoparticles by a simple solid-state reaction method // Appl. Phys. A. - 2008. - V. 92. - Р.275-278.
КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЭТИЛЕНПРОПИЛЕНОВОГО ЭЛАСТОМЕРА, НАПОЛНЕННОГО МЕЛКОДИСПЕРСНЫМ ШУНГИТОМ
Комова Нинель Николаевна
Доцент кафедры физики МИТХТ, г.Москва Потапов Евгений Эдуардович Д.т.н., профессор МИТХТ, г.Москва Фомкина Зинаида Ивановна Доцент кафедры прикладной механики МИТХТ, г.Москва
Родионова Елена Викторовна К.ф-м.н., ст.преподавателькафедры физики МИТХТ
АННОТАЦИЯ
Исследована кинетика изменения проводимости этиленпропиленового каучука, наполненного мелкодисперсным шунгитом при свободном охлаждении в постоянном электрическом поле и без поля. Показано, что охлаждение композиции без действия поля приводит к уменьшению проводимости системы, а действие поля в процессе охлаждения приводит к увеличению электропроводности. Предложен механизм проводимости для двух случаев.
ABSTRACT.
The kinetics of the change in conductivity of ethylene-propylene rubber, filled with particulate shungite with free cooling in a constant electric field and without field. It is shown that the composition without the cooling effect of the field decreases the conductivity of the system and the action of the field in the cooling process causes an increase in electrical conductivity. Cconduction mechanism was proposed for the two cases.
Ключевые слова: электропроводность, наполненный эластомер, этиленпропи-леновый каучук, туннельная и прыжковая проводимость.
Keywords: electrical conductivity of filled elastomers, ethylene-propylene rubber, tunneling and hopping conduction.
В настоящее время в промышленности широко используются конструкции из полимерных и композиционных материалов, что позволяет снизить материалоёмкость машин и конструкций, облегчить переход на новую продукцию, повысить коррозийную стойкость изделий. В современных технических конструкциях, изготовленных из эластомеров и композиционных материалов на их основе, при динамических нагрузках существенное влияние на характер напряжённо-деформированного состояния оказывает зависимость физико-механических характеристик от температуры, времени и условий нагружения. При длительной эксплуатации таких материалов немаловажную роль играют их электротехнические свойства, влияющие на накопление статического электричества в процессе реализации динамических нагрузок и, в конечном счёте, на срок службы изделий. В связи с этим возникает задача создания электропроводящих эластомерных композитных
материалов, сохраняющие свои характеристики на протяжении длительного времени эксплуатации.
Электропроводность композитных материалов на основе полимеров и токопроводящих наполнителей в значительной степени определяется свойствами полимера и наполнителя, концентрацией наполнителя и условиями эксплуатации изделий из этого материала [1]. В наполненных полимерах в качестве проводящих компонентов широко используются порошкообразные материалы такие, как технический углерод, графит, мелкодисперсные частицы серебра и других металлов. Содержание в полимерах наполнителя колеблется от 30 до 60 %. Введение наполнителей часто преследует цель снижения стоимости материала, поскольку наполнители обычно дешевле полимеров [2].
В качестве перспективного наполнителя, придающего специфические свойства полимерным материалам, используют такой природный материал как шунгит [3].
