CC BY
66
УДК 691. 3
Н. Н. Морозова, Н. В. Майсурадзе, И. И. Галиев ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ НА СТЕПЕНЬ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ДИОКСИДА ТИТАНА
Ключевые слова: ультразвук, диоксид титана, дисперсионная среда, фракционный состав
Диоксид титана широко применяются во многих областях химической и строительной промышленности. Он используется в качестве эффективного фотокатализатора и пигмента. Фракционный состав диоксида титана разнороден. Отсутствие сведений о влиянии среды диспергирования диоксида титана на его фракционный состав послужило предметом данного исследования. В качестве сред диспергирования диоксида титана рассмотрены вода, этиловый спирт и ацетон. Диспергирование проводили с использование ультразвукового прибора УЗД1-0,063/22 погружного типа. Выявлена эффективная среда диспергирования.
Key words: ultrasound, dioxide of the titan, dispersive environment, fractional structure
Dioxide of the titan are widely applied in many fields of chemical and construction industry. It is used as the effective photocatalyst and a pigment. The fractional composition of dioxide of the titan is diverse. Lack of data on influence of the environment of dispergating of dioxide of the titan on its fractional structure served as a subject of this research. As environments of dispergating of dioxide of the titan water, ethyl alcohol and acetone are considered. Dispergating was carried out about use of the ultrasonic UZD1-0,063/22 device of submersible type. The effective environment of dispergating is revealed.
Введение
Из множества пигментов широкое применение в создании строительных материалов и изделий нашел диоксид титана.
Субмикронный порошок TiO2 в сочетании с поливиниловым спиртом применяется для изготовления пористой керамики методом гелевого литья [1]. В лакокрасочной промышленности диоксид титана является, практически, эталоном белого цвета [2]. В композиционных материалах известно применение нанотрубчатого анодного диоксида титана (НТАДОТ) [3], который является матрицей при создании армированных наполнителями композитов, обладающими высокой прочностью, твердостью, жесткостью и т.п. Одним из таких материалов может быть нанобетон, с размером частиц от 1 до 100 нм. Для получения нанобетона используют технологию домола цемента до наноразмерных частиц [4].
Исследование свойств наноразмерных материалов в настоящее время является перспективным направлением отечественной науки. Однако, порошкообразные материалы
нанометрического размера подвержены
агломерации при помещении в жидкую среду, что затрудняет их однородное распределение в объеме. Необходимы эффективные средства
диспергирования, позволяющие преодолеть силы, связывающие частицы материала после смачивания.
Известны технологии диспергирования минеральных порошков, такие как роторно-статорные смесители (например, ultra turrax), поршневые гомогенизаторы или методы мокрого размола (например, в шаровых мельницах или в коллоидных мельницах и т.п. [5-7].
Как показали исследования авторов [8, 9], эффективным способом диспергации агломератов наночастиц является обработка ультразвуком.
Диспергирование и деагломерация, полученные во время обработки ультразвуком, происходят в результате акустической кавитации. При
воздействии на жидкость ультразвуком звуковые волны, распространяющиеся в жидкости, создают чередование высокого и низкого давления. При этом образуется кавитационное облако, которое представляет собой скопление вакуумных пузырьков. Избыточное давление приводит к схлопыванию пузырьков, что влечет за собой возникновение микропотоков, кумулятивных выбросов, которые дробят твердые материалы, находящиеся в поле их воздействия. При ультразвуковом диспергировании суспензий, дисперсность продукта увеличивается на несколько порядков.
В наноразмерном состоянии многие вещества приобретают новые свойства ввиду большей их удельной поверхности, увеличивается химическая и топохимическая активность. Высокая активность наноразмерного вещества снижает их долю при применении, но повышает требования к однородности распределения.
Настоящее исследование посвящено диспергированию ТЮ2, который является основным промышленным белым пигментом и обладает фотокаталитическими свойствами, последнее из которых важно для фасадных изделий.
Авторы [10] на основании данных физико-химического анализа (РФА, ТГА, электронной микроскопии) и данных, полученных при изучении кинетики термолиза гидратированного диоксида титана, титановой соли (МН4)2ТЮ^04)2^Н20, а также комплексной соли (ЫН4)2ТЮ^04)2-И20 + МН4А1^04)2- 12Н20 выявили условия, при которых в процессе высокотемпературной обработки формируются наноразмерные продукты в виде рутила. Показано, что повышение температуры при термолизе соли более 750°С сопровождается повышением насыпной плотности у рутильной формы диоксида титана, что связано со значительным (на 35%) уменьшением удельной поверхности формирующихся частиц, с уплотнением их структуры и, соответственно, увеличением размера частиц.
Целью данного исследования является установления зависимости среды диспергирования ТЮ2 на его фракционный состав при ультразвуковом водействии.
Материалы и методы исследования
Выбранный пигмент- диоксид титана ТЮ2 является рутильной модификации: сингония -тетрагональная, число формульных единиц в ячейке -2, параметры элементарной ячейки: а= 0,45929 нм; с = 0,29591 нм, плотность 4,24 г/см3.
Среды диспергирования - вода, этиловый спирт и ацетон. При исследовании распределения частиц в разных средах учитывали динамический коэффициент вязкости, который для ацетона при 20
Таблица 1 - Основные технические характеристики
0С составляет 0,322 , этилового спирта - 1,19 и воды- 1 мПа с.
Для установления влияния среды на степень диспергации ТЮ2 использовали ультразвуковой диспергатор погружного типа УЗД1-0,063/22. Согласно паспорта на ультразвуковой диспергатор УЗД1-0,063/22 он позволяет создать интенсивную кавитационную зону в жидких средах и может быть использован для диспергирования порошков и пигментов с целью изменения размеров их частиц. В табл.1 приведены характеристики ультразвукового диспергатора. Диспергатор состоит из ультразвукового генератора типа УЗГ15-0,1/22П и ультразвуковой стержневой пьезокерамической колебательной системы типа ПП1-0,063/22Д.
ультразвукового диспергатора УЗД1-0,063/22
Наименование показателя Ед. изм Значение показателя
Рекомендуемый объем озвучивания л 0,5
Амплитуда механических колебаний мкм max 70±5
Мощность выходная Вт номинальная 63±10
Регулировка мощности ступенчатая % 50 и 100
Таймер мин 0-30
Рабочая частота кГц 22±1,65
Точность АПЧ Гц не ниже 50
Мощность, потребляемая от сети кВА 0,12
Частота питающей сети Гц 50
Изменения дисперсности оценивали с помощью прибора HORIBA's LA-950 Laser Diffraction Particle Size Distribution Analyzer. Принцип работы LA-950 основан на статическом рассеянии лазерного света. В процессе взаимодействия лазерного света с частицей наблюдаются процессы рассеяния света, характеризующие размер частицы, дифракции, рефракции, отражения и поглощения.
Обсуждение результатов
Поскольку вода является одним из главных компонентов реакций гидролиза и гидратации минеральных вяжущих веществ, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело - жидкость (Т-Ж) и применяемые минеральные порошки в твердеющей цементной системе могут выступать центрами кристаллизации, то они могут проявлять адсорбционные свойства и быть кинетически неустойчивыми. Скорость оседания или всплытия частиц будет тем больше, чем больше отличается плотность дисперсной фазы от плотности дисперсионной среды и чем меньше вязкость этой среды. Как и все грубодисперсные системы, суспензии в большинстве случаев агрегативно неустойчивы и нуждаются в стабилизации [11].
Если частицы дисперсной фазы способны к поверхностной диссоциации или к адсорбции ионов из раствора, то на поверхности частиц образуется двойной электрический слой, создающий электростатическое отталкивание между частицами (электростатический фактор стабилизации суспензий).
Так как для ряда строительных материалов важен факт цветности, то необходимым компонентом становится белый пигмент, в качестве которого как правило выступает порошок ТЮ2 и в зависимости от среды диспергирования определяется область его применения. Поэтому в работе дисперсионной средой выбраны вода, этиловый спирт и ацетон.
Порошок ТЮ2 диспергированный в воде, этиловом спирте и ацетоне подвергнут фракционному исследованию на анализаторе LA-950. Концентрация раствора принималась равной 0,05%. Из полученных проб отбирали порцию, которую помещали в приемник канала анализатора. При оценке фракционного состава исходного порошка ТЮ2 в анализаторе LA-950 принимали указанные выше среды.
В результате исследования получали данные, которые приведены на рис.1 -2 и в табл. 2.
Как видно из рис. 1 (А, Б, В), для водной и спиртовой среды исследования фракционного состава ТЮ2 характерно бимодальное распределение зерен, а для ацетона -одномодальное. Результаты (рис. 2 (А, Б, В) ультразвукового воздействия привели к одномодальному распределению частиц ТЮ2 и сузили область распределения. Так же по интегральным и дифференциальным кривым распределения частиц ТЮ2 в этиловом спирте видно, что данная среда способствует некоторой коагуляции порошка в отличии от воды.
Б
В
Рис. 1 - Интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц порошка ТЮ2 без ультразвука: А) в воде, Б) в ацетоне, В) в этиловом спирте
ВтэшеЬегфш)
В
Рис. 2 - Интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц порошка ТЮ2 с ультразвуковым диспергированием на приборе УЗД1-0,063/22: А) в воде, Б) в ацетоне, В) в этиловом спирте
Поскольку одним из основных параметров порошкообразных материалов является их дисперсность, то ее изменение в процессе ультразвуковой обработки можно охарактеризовать коэффициентом диспергирования (Кд), который рассчитывали как отношение среднего размера частиц исходного диоксида титана к среднему размеру частиц после ультразвукового воздействия. Полученные результаты приведены в табл.2.
Таблица 2 - Изменение среднего размера чистец ТЮ2 при диспергировании в разных средах
Наименование среды Средний размер частиц, цт Кд
исходный материал после УЗ обработки в течении 5 минут
Вода 8,52 2,04 4,2
Этиловый спирт 39,96 2,69 14,8
Ацетон 24,42 2,00 12,2
Как видно из табл. 2, по оценке среднего размера частиц TiO2 выявлено значительное различие в среднем размере частиц от среды диспергирования. Наименьший эффект диспергирования проявился в водной среде, а наибольший - в среде этилового спирта.
Вывод
В результате выполненных исследований установлено, что:
- средний размер исходных частиц TiO2 в этиловом спирте и ацетоне больше в 4,7 и 2,9 раза соответственно, чем в воде;
- наименьший размер частиц TiO2 получен в ацетоне и составил 2 цт;
- при пятиминутном «озвучивании» во всех средах наблюдается дефлокуляция частиц TiO2: в воде - в 4,2 раза, в этиловом спирте - 14,8 раза, в ацетоне - 12,2 раза;
- наибольшее значение коэффициента диспергирования получено в этиловом спирте, которое больше в 3,5 раза чем в воде и на 20% больше, чем в ацетоне.
Таким образом, ультразвуковое диспергирование TiO2 с помощью аппарата погружного типа эффективно в этиловом спирте.
Литература
1 Мищинов Б. П., Порозова С. Е. Оптимизация условий получения пористой керамики гелевым литьем субмикронного порошка диоксида титана // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 164-169.
2 Вегера А. Диоксид титана «Cristal»; новые возможности для производителей ЛКМ // Лакокрасочные материалы и их применение. №6, 2007.- С. 34-35
3 Пиати Дж. Достижения в области композиционны материалов.- М.: Металлургия, 1982. - 304 с.
4 Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 6(8). С. 25-33
5 Лукутцова Н.П., Ахременко С.А., Дегтярев Е.В., Пыкин А.А. Энергоэффективная технологическая линия производства нанодисперсной добавки для бетонов // Патент на полезную модель RUS 108033 07.04.2011.
6 Морозов Н.М., Хохряков О.В., Морозова Н.Н., Хозин В.Г., Сагдатуллин Д.Г. Эффективность цеолитсодержащих мергелей в цементных бетонах// Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. №3. С. 134-138.
7 Лапонов С.В., Иванов О.С. Перспективы применения роторно-дисковых смесителей в процессах химической технологии// Вестник молодого ученого УГНТУ, №1, 2015.- С. 16-19.
8 Стеблева О. В., Леонов Г. В., Верещагин А. Л. Способ получения ультрадисперсных частиц углеродной фазы в процессе ультразвуковой кавитации// Intmational Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM, 2008.
9 Пименов А.И., Ибрагимов Р.А., Изотов В.С. Влияние ультразвуковой обработки цементного теста на физико-механические свойства цементных композиций // Строительные материалы. 2015. №10. С. 82-85.
10 Герасимова Л.Г., Николаев А.И., Щукина Е.С., Маслова М.В. Наноразмерный диоксид титана для термостойких герметиков // Клеи. Герметики. Технологии. №4, 2014. С. 9-14.
11 Козачук И.Н. Влияние ультразвукового поля на процессы седиментации // Вестник МГСУ № 4. 2008, С. 83-87.
© Н. Н. Морозова - к.т.н., доцент кафедры технологии строительных материалов и изделий (ТСМИК) КГАСУ, ninamor@mail.ru; Н. В. Майсурадзе - к.т.н., доцент, кафедра ТСМИК, КГАСУ, e-mail: maisuradze64@mail.ru; И. И. Галиев -студент института строительных технологий и инженерно-экологических систем КГАСУ, e-mail: ilsurgaliev@mail.ru
© N. N. Мого/оуа - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, ninamor@mail.ru; N. V. Maisuradze - candidate of technical sciences, associate professor, department of technology of construction materials, products and designs, Kazan State University of Architecture and Engineering; 1 I. Galiev - student of department of construction technologies and engineering-ecological systems of KSUAE e-mail: ilsurgaliev@mail.ru
