CC BY
15
УДК 544.576.01
О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ НАНОСТРУКТУР В СЛАБОПОЛЯРНЫХ И ПОЛЯРНЫХ СРЕДАХ
ТАРАСОВ ВВ.1, ТРИНЕЕВА ВВ.1, ПОЛЕТОВ Я.А.3, КОДОЛОВ В.И.23, ПОСТНИКОВ В.А.4
1Институт прикладной механики УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии УдНЦ УрО РАН Ижевский государственный технический университет, 426069, г.Ижевск, ул.Студенческая, 7 4НПО «Новые технологии», 426011, а/я 4061, г. Ижевск, ул. Студенческая, 48 а
АННОТАЦИЯ. Шунгит - фуллеренсодержащий природный минерал, обладающий рядом специфических свойств, позволяющим использовать его в различных технических и технологических приложениях. Рассмотрены процессы формирования тонкодисперсных суспензий шунгита и углеродных металлсодержащих наноструктур в среде дихлорэтана и водных средах. Отмечено влияние рН среды на устойчивость суспензий шунгита.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: шунгит, углеродные металлсодержащие наноструктуры, коллоидные растворы, суспензии, слабополярные и полярные среды.
ВВЕДЕНИЕ
Для стабилизации наноструктур и наночастиц в растворе применяют различные поверхностно-активные вещества. Замена водной дисперсионной среды на углеводородную сопряжена с трудностью обеспечения устойчивости дисперсной фазы в сложной гетерофазной системе. Олеиновая кислота - ненасыщенная жирная кислота С17Н35СООН, зачастую применяется для стабилизации кластеров металлов, наночастиц различной природы [1]. При стабилизации наноструктур олеиновой кислотой происходит ориентация углеводородного хвоста по отношению к наноструктуре (рис. 1, а).
а - прямая мицелла; б - обращенная (обратная) мицелла Рис. 1. Формирование мицелл в средах
В неполярных или слабополярных средах полярные группы дифильных молекул становятся лиофобными. В результате формируются мицеллы, в которых ядро образовано полярными группами - обращенные мицеллы (рис. 1, б) [2]. Обратные мицеллы используются как для химических методов получения наночастиц, так и для их стабилизации. Применение олеиновой кислоты позволяет сохранить изначально магнитные характеристики наночастиц за счет заряда на поверхности, сформированной мицеллы. Магнитные характеристики суспензий на основе получения обратных мицелл могут быть значительно ниже, либо отсутствовать, что объясняется отсутствием заряда на поверхности мицеллы.
Вместе с тем установлено, что шунгит содержит фуллерены С60 [4, 5], которые достаточно активны при взаимодействии с полярными и слабополярными средами.
Высокие реакционные свойства позволяют использовать шунгиты в металлургии, химической технологии, в устройствах очистки воды как эффективные адсорбенты и др. В последние годы композиции на основе природных минералов вызывают интерес для их использования в нетрадиционных областях - для изготовления присадок к смазочным материалам [6, 7], где они проявляют высокие антифрикционные свойства.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
С практической точки зрения представляло интерес сравнить суспензии шунгита с аналогичными суспензиями углеродных металлсодержащих наноструктур (УМНС). Экспериментальные исследования проведены на системах на основе олеиновой кислоты. В качестве слабополярного растворителя в модельных экспериментах использовали дихлорэтан, а полярного растворителя - воду. Суспензии получены введением шунгита и углеродных кобальтсодержащих наноструктур [3].
Исследование суспензий проводилось на микроскопе Leca 4000 BM при увеличении в 1000 раз. На фотометре КФК-3 проведены исследования по определению оптической плотности (D) при осаждении частиц шунгита из суспензии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При смешении наноструктур с олеиновой кислотой и дихлорэтаном получаются коллоидные растворы. На рис. 2 приведена микрофотография суспензии в первые 2 ч после получения. Частицы меньше 1 мкм. Получен коллоидный раствор с распределенными в нем углеродными кобальтсодержащими наноструктурами. При введении в среду (смесь олеиновой кислоты и дихлорэтана) порошка шунгита с ю = 0,03 % также получен коллоидный раствор с распределенными частицами шунгита.
среда: олеиновая кислота и дихлорэтан, ш (УМНС) = 0,03 % Рис. 2. Микрофотография суспензии на основе углеродных кобальтсодержащих наноструктур
На рис. 3 представлены микрофотографии суспензии на основе шунгита (среда: олеиновая кислота и дихлорэтан, ш (шунгита) = 0,03 %). Исследование проводилось через 7 дней после смешения. На микрофотографии видны отдельные частицы шаровидной формы. Минимальный размер частиц около 1 мкм.
Пр оцентное со отношение частиц
шунгита в зависимости от диаметра
я
я 70
и
К а 60 50
1 ДО 30
¿и
10
1 2 3 4
диаметр ча;:иц пун гиг а, мыл
среда: олеиновая кислота и дихлорэтан, ш (шунгита) =0,03 % Рис. 3. Микрофотография суспензии на основе шунгита
На рис. 4 представлена микрофотография суспензии на основе шунгита (среда: олеиновая кислота), ш(шунгита) = 0,03 %. Исследование суспензии проводилось в первые 2 ч после ее получения. На микрофотографии видны частицы в основном шаровидной формы. Минимальный размер частиц около 1 мкм, максимальный размер частиц 10 мкм.
Процентное содержание частиц шунгита в
з ави симо ста от ди а метр а
45
Е 5
К эо 0 3 ЕТ 20
Н 15 о ю ? 5
£ ° 1 ; 4 6 10
диаметр частиц шунгита, ми
среда: олеиновая кислота, ш(шунгита) = 0,03 % Рис. 4. Микрофотография суспензии на основе шунгита
На рис. 5 представлены микрофотографии образцов на основе углеродных металлсодержащих наноструктур. Исследование системы «УМНС-дихлорэтан-олеиновая кислота» проводилось через 7 дней после получения коллоидного раствора, системы «УМНС - олеиновая кислота» в первые 2 ч после получения суспензии. На микрофотографии (рис. 5, а) частицы шаровидной формы, размер около 1 мкм. В растворе таких скоагулированных частиц присутствует около 1 % от общего объема коллоидного раствора. На микрофотографии (рис. 5, б) частицы под действием магнитного поля коагулируют с образованием протяженный структур длиной до 100 мкм. Максимальный диаметр скоагулированных частиц 15 мкм, минимальный диаметр около 1 мкм.
Устойчивость полученных суспензий определяли по скорости осаждения частиц в водной среде.
а) б)
а) - система «УКМС-дихлорэтан-олеиновая кислота»; б) - система «УКМС-олеиновая кислота»
Рис. 5. Микрофотография суспензий на основе углеродных кобальтсодержащих наноструктур
Оптическая плотность дистиллированной воды равна 0. По результатам исследования (табл., рис. 6) можно сделать вывод, что хотя скорость осаждения выше для образца (шунгит, водный раствор гидроксида натрия), оптическая плотность не упала до нуля, при этом стабилизировалась на значении 0,2. Таким образом, система с водным раствором гидроксида натрия является стабильной.
Таблица
Результаты исследований осаждения шунгита в водной среде
шунгит (30 %), вода, ю(шунгита) = 3 % шунгит (30 %), водный раствор гидроксида натрия (рН=8-9), ю(шунгита) = 3%
Время осаждения, ^с Оптическая плотность, D Время осаждения, ^с Оптическая плотность, D
0 0,206 0 1,224
300 0,174 300 1,175
900 0,172 900 1,163
1800 0,161 1800 1,08
2700 0,143 2700 1,052
3600 0,113 3600 1,042
7200 0,101 7200 0,904
86400 0,02 86400 0,278
172800 0,008 172800 0,212
а) - зависимость осаждения шунгита в воде от времени; б) - зависимость осаждения шунгита в растворе гидроксида натрия от времени
Рис. 6. Зависимости осаждения шунгита в водной среде
ВЫВОДЫ
Первые модельные эксперименты показали:
1) возможность стабилизации частиц шунгита и углеродных металлсодержащих наноструктур в обращенных мицеллах на основе дихлорэтана;
2) получение стабильной суспензии на основе шунгита в слабощелочной водной среде.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Повстугар В.И., Кодолов В.И., Михайлова С.Г. Строение и свойства поверхности полярных материалов. М. : Химия, 1988. 189 с.
2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1964. 574 с.
3. Тринеева В.В. Разработка и исследование механохимического способа получения углеродных металлсодержащих наноструктур: дис. ...канд. техн. наук. Пермь, 2009. 145 с.
4. Юшкин Н.П. Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии // ДАН. 1994. Т.337, № 6. С. 800-803.
5. Kovalevski V.V., Buseck P.R., Cowley J.M. Comparison of carbon in shungite rocks to other natural carbons: An X-ray and TEM study // Carbon. 2001. V. 39. Р. 243-256.
6. Тарасов В.В., Постников В.А., Дорофеев Г.А. и др. Исследование состава минеральных силикатов типа шунгитов и серпентинитов // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т.10, №1. С. 32-36.
7. Тарасов В.В., Слободина В.Ш., Грязев А.В., Лоханина С.Ю., Чуркин А.В. Исследование физико-химических свойств некоторых модификаторов минеральных масел // Вестник Удмуртского университета. Сер. Химия. 2007. №8. С.121-126.
PROBLEM OF INTERACTION NANOSTRUCTURES IN THE WEAKLY POLAR AND POLAR MEDIA
Tarasov V.V.1, Trineeva V.V.1, Poletov Ia.A.3, Kodolov V.I.2,3, Postnikov V.A.4
1 Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
2Basic Research-High Educational Centre of Chemical Physics and Mesoscopy, Udmurt Scientific Centre, UB RAS,
Izhevsk, Russia
3Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia 4NPO «New technologies», Izhevsk, Russia
SUMMARY. The shungite and carbon metalcontaining nanostructures fine suspension formation processes are considered into the media of dichlorethane or water. The influence of pH medium on the stability of shungite water suspension is noted.
KEYWORDS: shungite, carbon metalcontaining nanostructures, colloidal solutions, suspension, weakly polar and polar media
Тарасов Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412)20-29-25, e-mail: tvv@udman.ru
Тринеева Вера Владимировна, кандидат технических наук, младший научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412)20-34-76, e-mail: vera_kodolova@mail.ru
Полетов Ян Александрович, аспирант ИжГТУ, тел. (3412) 58-24-38, e-mail: kodol@istu. ru
Кодолов Владимир Иванович, доктор химических наук, профессор, директор НОЦ УдНЦ УрО РАН, зав. кафедрой ИжГТУ, тел. (3412) 58-24-38, e-mail: kodol@istu.ru
Постников Вячеслав Александрович, директор НПО «Новые технологии», тел. (3412)506968; e-mail: pva58@bk.ru
