Моделирование стабилизации прямых эмульсий наночастицами SiO 2 Текст научной статьи по специальности «Физика»

2,0 2,0 ут ут

а б

Рис. 6. 3D визуализация рельефа поверхности осажденного покрытия состава № 2, полученное с

помощью АСМ ИНТЕГРА Прима NT-MDT

Таким образом, было показано, что гексагональные жидкие кристаллы состава 35% тритон Х-100, 15% водного раствора (Ni(NH2SO3)2 и H3BO3) и 50% водного раствора (Ni(NO2)3 и Н3В03) и состава 40% тритон Х-100, 20% водного раствора (Ni(NH2SO3)2 и H3BO3) и 40% водного раствора (Ni(NO2)3 и Н3В03) могут быть применены в качестве «мягкого» темплата для электроосаждения наноструктурированных никелевых покрытий.

Библиографический список

1. Ньюмен Дж. Электрохимические системы // М.: Мир. - 1977. - С. 69 -82.

2. Ganesh V., Lakshminarayanan V. Preparation of high surface area nickel electrode-posit using a liquid crystal template technique // Electrochimica Acta. - 2004. - V. 49. - P. 3561-3572.

3. Юртов Е.В., Матвеева А.Г., Тодаева М.Т., Серцова А.А. Использование гексагонального жидкого кристалла в качестве темплата для получения наноструктуриро-ванных никелевых покрытий // Химическая Технология. - 2012. - № 1. - С. 24-29.

УДК 004.942: 544.77.032.12

А.М. Токарев, Н.В. Доброжицкий, М.Ю. Королева

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРЯМЫХ ЭМУЛЬСИЙ НАНОЧАСТИЦАМИ SiOi

Методом динамики Ланжевена было проведено моделирование стабилизации прямых эмульсий наночастицами SiO2. Была исследована кинетика скорости адсорбции частиц при стабилизации. Установлено, что наиболее эффективная стабилизация происходит при значении ионной силы дисперсионной среды ~ 2000 моль/м3. В этом случае капли масла в эмульсии стабилизировались одинарным слоем нано-частиц и находились либо во флокулированном состоянии, либо располагались на значительном рас-

стоянии друг от друга, и их флокуляция не происходила.

Langevin dynamics simulations of oil-in-water emulsion stabilization by SiO2 nanoparticles was investigated. It was found that the most effective stabilization occurs at an ionic strength value of about 2,000 mol/m3. In that case oil droplets were stabilized by single-nanoparticle layer and existed in separated or flocculated state.

Коллоидные частицы, осаждаясь на поверхность раздела фаз жидкость-жидкость или жидкость-газ играют роль ПАВ, увеличивая агрегативную устойчивость дисперсных систем — эмульсий, пен. При адсорбции наночастиц (НЧ) на межфазной поверхности может происходить образование различных структур — одинарного или двойного слоя НЧ, пространственной сетки из разветвленных агрегатов НЧ [1]. Визуализация образующихся структур является достаточно сложной задачей. Математическое моделирование позволяет определить структуру адсорбционного слоя НЧ на поверхности капель эмульсии, рассчитать скорость адсорбции НЧ и прогнозировать устойчивость образующихся эмульсий.

В данной работе было проведено математическое моделирования кинетики адсорбции наночастиц SiO2 на поверхности капель в прямой эмульсии. Для описания кинетики движения НЧ и капель эмульсии использовался метод динамики Ланжевена с алгоритмом Langevin impulse. Расчёт контактных сил при образовании агрегатов частиц проводился с помощью алгоритма RATTLE. Рассматривалась обратимая агрегация НЧ SiO2, в то время как адсорбция частиц SiO2 на поверхность капель масла считалась необратимой, так как энергия отрыва НЧ от поверхности капель масла превышает 1000 kT [1]. Расчеты проводились с использованием физико-химических параметров, полученных в независимых физико-химических экспериментах. Диаметр капель внутренней фазы составлял 1000 мкм. Минимальное расстояние между каплями масла при генерации было равно 200 нм. Диаметр частиц SiO2 был равным 50 нм, частицы генерировались на расстоянии 10 нм друг от друга.

Эффективность стабилизации зависела от скорости адсорбции НЧ на поверхности капель, которая, в свою очередь, зависела от размера и концентрации НЧ, их Z-потенциала, ионной силы дисперсионной среды эмульсий. Зависимость скорости адсорбции от ионной силы показана на рис. 1. Видно, что на рассматриваемом промежутке времени адсорбция протекала наиболее быстро при ионной силе, равной 50 моль/м3 и 2000 моль/м3.

Скорость сближения капель масла друг с другом зависела от степени заполнения межфазной поверхности адсорбировавшимися НЧ. На рис. 2 показана зависимость расстояния H между каплями масла от времени при различной ионной силе раствора, составляющего дисперсионную среду эмульсий.

Рис. 1. Кинетические кривые адсорбции НЧ SiO2 на поверхности капель масла

в прямой эмульсии при различных значениях ионной силы дисперсионной среды

Время, с

Рис. 2. Изменение расстояния между каплями масла с течением времени при различных значениях ионной силы дисперсионной среды

Рис. 3. Визуализация моделируемых капель масла с одинарным слоем адсорбировавшихся НЧ

8Ю2. Ионная сила - 2000 моль/м3

При ионной силе 50-1000 моль/м расстояние между каплями масла быстро уменьшалось со временем, уже за время 0,001 с капли масла контактировали друг с другом, что соответствует коалесценции в эмульсионной системе. При ионной силе 2000 моль/м капли масла были стабилизированы одинарным слоем НЧ, с течением времени не происходило их сближения, т.е. флокуляция в системе не протекала (рис. 2, 3). При I = 3000 моль/м капли масла также были стабилизированы одинарным слоем НЧ, но с течением времени протекала их флокуляция. При I = 4000 моль/м стабилизации капель масла не происходило.

Зависимости скорости адсорбции НЧ на межфазной поверхности в эмульсии (рис. 3) сходны с кинетическими кривыми адсорбции молекул ПАВ на границе раздела фаз. Для описания скорости адсорбции НЧ было использовано уравнение, аналогичное уравнению, используемому для описания кинетики мономолекулярной адсорбции молекул ПАВ в соответствии с теорией Ленгмюра:

г!Л

, (1) А - адсорбция; к - константа скорости адсорбции; Ар - равновесная адсорбция; ^ - время. Решение уравнения адсорбции имеет вид:

A=A (1- exp (- kt))

(2)

Табл. 1. Значения оптимальных параметров для уравнения адсорбции при аппроксимации расчётных данных и соответствующие отклонения

I, моль/м3 k, с-1 Стандартное отклонение

50 9804,6 0,0134

100 5764,3 0,0310

500 4117,5 0,0370

1000 3666,6 0,0330

2000 2244,7 0,0350

3000 717,0 0,0277

4000 569,5 0,0397

Зависимость степени заполнения поверхности капель масла адсорбировавшимися НЧ SiO2 от времени хорошо описывается уравнением (2) только при малых значениях ионной силы раствора, составляющего дисперсионную среду эмульсий - при I = 50 моль/м3 (табл. 1). При более высоких значениях ионной силы стандартное отклонение расчётных данных уравнением (2) возрастало.

Таким образом, при ионной силе 2000 моль/м3 капли масла стабилизировались одинарным слоем НЧ SiO2, при этом флокуляция капель внутренней фазы эмульсии не происходила. При I = 3000 моль/м3 происходила флокуляция капель масла, разделённых одинарным слоем НЧ SiO2. При более высоких и более низких значениях ионной силы система оказывалась неустойчивой, капли масла сближались друг с другом до нулевого расстояния, что соответствует коалесценции в эмульсии.

Библиографический список

1. Binks B.P. Particles as surfactants—similarities and differences. // Current Opinion in Colloid & Interface Science. - 2002. - V. 7, No 1-2. - P. 21-41.

УДК 544.35+539.21

М.Ю.Чекрыгина, М.Ю. Королёва

Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРИСТОГО ПОЛИСТИРОЛА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Высокопористый полистирол был получен на основе обратных высококонцентрированных эмульсий. Определены оптимальные условия получения обратных высококонцентрированных эмульсий состава стирол/ Span80/ водная фаза с долей внутренней фазы от 80 до 97%. Установлены условия поли-