Получение композиционных соединений на основе диоксида кремния, размещенного в органической матрице и изучение их некоторых свойств Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК:546.284-31+547.68

ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ, РАЗМЕЩЕННОГО В ОРГАНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ

© 2015 Ю. О. Веляев1, Р. Н. Беленьков2

1канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры химии e-mail: velyae vyoa yandex. ru 2студент кафедры физики и нанотехнологий e-mail: belenkov. romana.hk. ru

Курский государственный университет

Представлены результаты исследований по получению композиционных соединений на основе диоксида кремния, размещенного в органической матрице полистирола. Экспериментально изучены следующие физические свойства полученных образцов: твердость по Шору А, твёрдость в международной системе единиц IRHD, диэлектрическая проницаемость. Также получены сведения о морфологии их поверхности.

Ключевые слова: диоксид кремния, полистирол, композиционный материал, защитные покрытия.

В последнее время резко вырос интерес к композиционным материалам, полученным на основе совмещения органической и неорганической составляющих [Филина 2003]. Органические полимеры позволяют сформировать достаточно равномерную матрицу, а неорганическая составляющая придаёт специфические свойства, улучшая, например, прочностные характеристики матричного материала. Одним из таких составляющих может быть аморфный диоксид кремния. Получаемый у нас в стране SiO2 нашёл широкое применение в виде осушающего материала, а также в качестве наполнителя при производстве огнетушащих смесей. Однако интересным является его применение в качестве добавки при формировании органо-неорганических покрытий на основе органических полимерных матриц, в частности полистирола.

Сырьём для производства аморфного диоксида кремния может служить нефелин. Это минерал, который добывается на Кольском полуострове и в огромных количествах складируется в виде нефелинового концентрата, так как является отходом производства горно-обогатительного комплекса.

Учёными ИХТРЭМС КНЦ РАН предложена технология переработки нефелинового концентрата, по которой представляется возможным выделение высокочистого аморфного диоксида кремния из этого техногенного отхода [Пат. РФ № 2179527; Матвеев 2013]. Соответственно, важной задачей для реализации этой технологии является расширение сферы применения получаемого SiO2. В данной статье описаны результаты исследований по применению данного продукта в качестве компонента при создании органо-неорганических композитов на основе

полистирольной матрицы.

В качестве матрицы для получения композиционных материалов был выбран полистирол (п), в качестве наполнителя - аморфный диоксид кремния с высокой степенью чистоты (SiO2).

Реактивный полистирол растворяли на водяной бане в бензоле при повышенной температуре, соблюдая все соответствующие правила техники безопасности. Процесс проводили при постоянном помешивании, что существенно

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

увеличивало скорость растворения полистирола. Затем в полученный раствор добавлялся аморфный диоксид кремния, полученный из нефелинового концентрата при соблюдении следующих технологических условий: концентрация серной кислоты, используемой для осаждения кремнезёма, - 85%, её температура - 105 °С, расход затравки кремнезёма - 15%, продолжительность процесса - 90 минут.

Для лучшего распределения вводимого неорганического компонента по объему раствор подвергался воздействию ультразвукового генератора ULTRASONIC GENERATOR IL 10 - 0.63 на частоте 23656 Гц в течение 30 минут.

Описанным выше способом было получено 5 образцов с различным содержанием диоксида кремния и полистирола. Их массовый состав отражен в таблице 1.

Таблица 1

Состав приготовленных образцов

Образец m(SiO2), г. m^), г ro(SiO2), % ю(п), %

Образец №1 0,05 0,95 5 95

Образец №2 0,10 0,90 10 90

Образец №3 0,15 0,85 15 85

Образец №4 0,20 0,80 20 80

Образец №5 0,25 0,75 25 75

Образец №6 0 1 0 100

Образец №6 представлял собой чистый полистирол.

Для изучения твердости полученных образцов применяли методику определения твердости по Шору А и методику определения твердости в международных единицах IRHD.

Для расчета диэлектрической проницаемости пришлось прибегнуть к методу плоского конденсатора. Были вырезаны металлические пластинки в виде кругов с диаметрами 8 мм, между которыми закладывался образец. К пластинкам припаивались электроды, чтобы получить своего рода конденсаторы, емкость которых и измерялась. Измерения емкости проводили с помощью прибора LCR-7819 gwinstek при параллельной схеме измерений со смещающим напряжением 0.1 В на частоте 1кГц. В результате был получен ряд значений емкостей. Путем математических манипуляций из формулы емкости для плоского конденсатора были рассчитаны диэлектрические проницаемости полученных нами композитов.

Изучение морфологии производили с помощью растрового электронного микроскопа Quanta FEG 650, который был предоставлен для исследований ООО «МНТЦ» (г. Курск).

Данные, полученные в ходе измерений твёрдости синтезированных образцов, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Твердости ^ синтезируемых образцов

№ образца Содержание SiO2, % Твердость по Шору А Твердость по ISO (международный)

1 5 80 85.0

2 10 80 83.6

3 15 90 78.2

4 20 90 82.9

5 25 93 82.2

6 0 97 81.5

Твердость по Шору возрастает с увеличением массовой доли диоксида кремния в матрице композита, что говорит об увеличении прочностных характеристик

Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 3 (07)

Веляев Ю. О., Беленьков Р. Н. Получение композиционных соединений на основе диоксида кремния,размещенного в органической матрице

и изучение их некоторых свойств получаемого композита. Однако этот же параметр у образца чистого полистирола имеет более высокий параметр, что объясняется меньшей хрупкостью образца. Твердость в международной системе единиц, наоборот, уменьшается, при этом самые высокие прочностные характеристики имеет образец с наименьшим содержанием диоксида кремния. В то же время при сравнении результатов измерений по обеим методикам наблюдаются значительные различия, которые могут быть объяснены отличием инденторов в методах измерений. Так, в методике определения твёрдости по Шору индентор имеет форму клина, а по ISO - форму полусферы.

Данные, полученные в ходе измерений диэлектрической проницаемости, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Диэлектрическая проницаемость образцов

Номер образца Содержание SiO2, % Диэлектрическая проницаемость

№1 5 2.14

№2 10 2.32

№3 15 2.47

№4 20 2.71

№5 25 2.85

№6 0 2.70

Из представленных данных видно, что данный параметр плавно возрастает с увеличением содержания диоксида кремния в образце. Из литературных данных известно, что диоксид кремния обладает большей диэлектрической проницаемостью (s=3.9) по сравнению с полистиролом (s=2.5). Таким образом, образец 5 при содержании SiO2 в 25% от массы образца по своей диэлектрической проницаемости уже превосходит чистый полистирол.

Электронные микрофотографии, полученные при изучении морфологии поверхности синтезированных образцов, представлены на рисунках 1-6.

Рис. 1. Морфология поверхности образца №1

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Рис. 2. Морфология поверхности образца №2

21.04.2015 det HV mag □ spot! VVD Г model • 200 iim —.....■

17:45:52 ETD 1.00 kV 400 x 3.0 8.4 mm SE__________________________3_______________

Рис. 3. Морфология поверхности образца №3

Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 3 (07)

Беляев Ю. О., Беленьков Р. Н. Получение композиционных соединений на основе диоксида кремния, размещенного в органической матрице

и изучение их некоторых свойств

Рис. 4. Морфология поверхности образца №4

Рис. 5. Морфология поверхности образца №5

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Рис. 6. Морфология поверхности образца №6

Поверхность полистирола является ровным монолитом. На всех композитных образцах в различной степени видны ламели, образованные выступающими с поверхности агрегатами диоксида кремния. Нетрудно заметить, что образец №5 обладает наиболее крупно и часто выступающими с поверхности вкраплениями SiO2. Можно предположить, что и такое строение поверхности отчасти вносит свой вклад в то, что этот образец обладает самой высокой из экспериментального ряда диэлектрической проницаемостью, а также твёрдостью по ISO.

В ходе исследований нами были получены композиционные соединения с наполнителем из диоксида кремния, размещенного в полимерной матрице полистирола, а также изучены некоторые их физические свойства, такие как твердость и диэлектрическая проницаемость. Также была изучена морфология поверхности полученных образцов. Исследования показали, что с помощью такого неорганического наполнителя, как аморфный диоксид кремния, можно значительно повысить диэлектрическую проницаемость органических полимеров. Кроме того, добавка диоксида кремния повышает некоторые прочностные характеристики получаемого композита. Также особый интерес представляет изучение возможности модификации поверхности получаемого из нефелина аморфного диоксида кремния, что позволит увеличить степень интеграции кремнекислородных агломератов в органическую полимерную матрицу.

Библиографический список

Филина Е.А. Органо-неорганические композиты на основе органических полимеров и гидроксидов алюминия, циркония и кремния: дис. ... канд. хим. наук : 02.00.06 : Иркутск, 2003, 177 с.

Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 3 (07)

Беляев Ю. О., Беленьков Р. Н. Получение композиционных соединений на основе диоксида кремния, размещенного в органической матрице

и изучение их некоторых свойств

Пат. 2179527 РФ, МПК7 C 01 B 33/187. Способ переработки силикатного сырья / Захаров Д.В., Захаров К.В., Матвеев В.А., Майоров Д.В.; Закрытое акционерное общество «ХОРС». № 2001101307/12; заявл. 15.01.01; опубл. 20.02.02, Бюл. № 5.

Матвеев В.А. Исследования по усовершенствованию метода выделения чистого диоксида кремния из растворов от сернокислотного разложения нефелина / В.А. Матвеев, Ю.О. Веляев, Д.В. Майоров // Химическая технология. 2013. №8. С. 453459.

ГОСТ 263-75. Резина. Метод определения твердости по Шору А (с Изменениями N 1, 2, 3, 4)

ГОСТ 20403-75. Резина. Метод определения твердости в международных единицах (от 30 до 100 IRHD) (с Изменениями N 1, 2)