CC BY
134
А. Р. Курбангалеева, А. И. Куркин, Ю. Н. Хакимуллин, Е. В. Петрова,
А. Ф. Дресвянников
ВОЗМОЖНОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ НАНОЧАСТИЦ
ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Ключевые слова: гидроксид алюминия, наночастицы, полиакриламид, полиоксиэтиленгли-
коль, электрохимический способ.
Исследовано и установлено, что введение модифицирующих добавок в виде полимеров и ПАВ позволяет стабилизировать наночастицы, полученные электрохимическим способом, на ранней стадии их образования. Установлено, что стабилизаторы эффективнее вводить непосредственно в процессе электролиза.
Keywords: aluminium hydroxide, nanoparticles, polyacrylamide, polyoxyethylene glycol, an
electrochemical method.
It was investigated and found out that the introduction of modifying additives, in the form of polymers and surfactants, allows stabilization of nanoparticles that were obtained by electrochemical method in the early stages of their formation.
It is established that it is more efficient to injected stabilizers directly during the process of electrolysis.
На сегодняшний день известны десятки методов создания наночастиц. Процессы получения включают как этап их синтеза, так и этап их стабилизации. Степень дисперсности оказывает определяющее влияние на их активность, причем по мере роста металлических частиц их свойства существенно меняются [1]. Наличие в ультрадисперсных системах большого избытка энергии, связанного с высокоразвитой межфазной поверхностью раздела, способствует протеканию нежелательных, самопроизвольных процессов агрегирования. Для получения частиц заданной дисперсности необходимо вовремя остановить рост частиц. Необходимо отметить, что наноразмерные частицы проявляют свои уникальные свойства в большинстве случаев именно в неравновесном метастабильном состоянии. Поэтому актуальной задачей является стабилизация наноразмерных частиц. Использование различных стабилизаторов позволяет не только синтезировать наноструктуры, но и сохранить их неизменность в течение продолжительного времени, а также обеспечить взаимодействие между частицами и матрицей, позволяющих получить продукт с хорошим комплексом свойств.
Среди методов стабилизации основными являются:
1) матричная изоляция;
2) функционализация поверхности наночастиц группами или защитными слоями,
3) локализация наночастиц на поверхности носителей различной природы [2].
В первую очередь для контроля процессов формирования и стабилизации наночастиц применяются разнообразные стабилизаторы, в качестве которых первоначально ис-
пользовали низкомолекулярные органические соединения (карбоновые кислоты, спирты, амиды и др.) и природные полимеры (желатин, гуммиарабик, агар-агар, крахмал, целлюлоза и др.). В последние годы все чаще для этих целей стали применять синтетические полимеры [1].
Экспериментальная часть
Для получения гидроксидов алюминия использовали коаксиальный электрохимический реактор, где центральным электродом (катодом) служила сталь Х18Н10Т, а анодом - алюминий марки А5. Электролиз проводили при разных плотностях анодного тока [3]. В качестве электролита использовали водные растворы хлорида натрия (NaCl «х. ч.») (образец №1 табл.1).
Способы модификации:
1. Добавление модифицирующей добавки проводили перед проведением анодного растворения (образцы № 2,3,4,6 и 7).
2. Введение модифицирующей добавки проводили непосредственно после электролиза в
осадок.
В качестве стабилизаторов были выбраны полиакриламид, полиоксиэтиленгликоль (ПЭГ 6000) и поверхностно-активное вещество (ПАВ) на поликарбоксилатной основе.
Результаты и их обсуждение
В качестве модифицирующих веществ были выбраны полиакриламид, полиоксиэтиленгликоль и модифицирующая добавка на поликарбоксилатной основе.
Для контрольного образца № 1 и образцов с модифицирующей добавкой был проведен анализ распределения частиц в осадке на анализаторе размера частиц Malvern Zeta-sizer Nano ZS. Результаты анализа представлены на рис. 1 (для контрольного образца) и в таблице (для всех образцов).
ВО
71
Я
t 50 * -D с 30 2D
10
■ ■ ■ ■
—1
D.1
1Ü
1И
aze (íjiin}
low
in
Рис. 1 - Графическое отображение распределения частиц по размерам для контрольного образца гидроксида алюминия (образец № 1)
Таблица 1 - Результаты анализов распределения частиц по размерам
.сі І Условия модификации Результаты анализа размера частиц Примечание
Пик 1 ю, % Пик 2 ю, % Пик 3 ю, %
1 3,64 9,90 57,36 12,90 5489,00 77,30 ]=77,7А/м2, мелкие частицы наблюдались на фоне агломе-
2 Модифицирующая добавка -полиоксиэтиленгликоль, 1673,00 100,00 ратов размером более 8 мкм ) =7 8,0 А/м2 } =77,7А/м2
3 ю=0,05% Модифицирующая добавка -полиакриламид, ю=0,09 % 476,60 9,30 2862,00 90,70
4 Модифицирующая добавка -полиакриламид, ю=0,30% - - 368,6 100,00 - - ) =7 8,0 А/м2
5 Модифицирующая добавка -полиакриламид, ю = 0,30%, Модифицирующую добавку вводили в осадок после проведения электролиза. Наблюда-
6 Модифицирующая добавка -на поликарбоксилатной осно- 0 0 1652,00 92,50 5487,00 7,50 лось сильное агрегирование частиц } =77,7А/м2 } =77,7А/м2
7 ве, ю=0,3% Модифицирующая добавка -на поликарбоксилатной осно- 72,55 12,00 524,20 82,80 4119,00 5,10
ве, ю=3%
Из данных табл. 1 следует, что введение стабилизаторов, таких как полиакриламид, полиоксиэтиленгликоль и модифицирующей добавки на поликарбоксилатной основе, способствуют снижению среднего размера частиц. Увеличение концентрации модификатора (в данном случае полиакриламида) приводит к формированию более мелких частиц, но при концентрации его 0,30 % существенно увеличивается вязкость образовавшегося осадка. Предположительно взаимодействие происходит на физическом уровне, т. е. происходит не ковалентная модификация - происходит окружение поверхности наноразмерных частиц полимером, в результате создаются предпосылки для стабилизации.
Введение модифицирующей добавки на поликарбоксилатной основе способствовало стабилизации наночастиц на ранней стадии их образования, причем эффект стабилизации повышался с увеличением концентрации ПАВ. Основной размер частиц 524,2нм. -82,8%, зафиксировались частицы с размером 72,55нм. -12%. Это свидетельствует о том, что необходимо подбирать условия синтеза и концентрацию стабилизатора, для получения основных частиц с размером до 100 нм.
Таким образом, в результате проделанной работы установлено, что введение модифицирующих добавок в виде полимеров и ПАВ позволяет стабилизировать наночастицы на ранней стадии их образования. Установлено, что стабилизаторы эффективнее вводить непосредственно в процессе электролиза.
Работа проводилась в рамках выполнения госконтракта №02.740.11.0802 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области наноструктурированных композиционных полимерных материалов, армированных модифицированными наночастицами органической и неорганической природы».
Литература
1. Помогайло, А. Д. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд. - М.: Химия, 2000-672 с.
2. Губин, С. П. Наночастицы: получение, стрение, свойства / С. П Губин, Юрков Г. Ю. // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. V Межд. конф. - Кисловодск-Ставрополь/ СевКавГТУ. 2005. - 368 с.
3. Петрова, Е.В. Наноразмерные гидроксид и оксид алюминия, полученные электрохимическим способом и их использование / Е.В. Петрова [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та - 2009. - №2. -С.115-119.
© А. Р. Курбангалеева - асп. каф. химии и технологии переработки эластомеров КГТУ, adelja-@mail.ru; А. И. Куркин - докторант той же кафедры; Ю. Н. Хакимуллин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, nich140@mail.ru.
