Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (1), 38-57.

Керування тиксотропними властивостями водної суспензії, що містить гідрофільні та гідрофобні компоненти



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.038

T. V. Krupska, V. M. Gun'ko, I. S. Protsak, M. T. Kartel, V. V. Turov

Анотація


Метою роботи був пошук колоїдних систем, в яких максимально проявляються ефекти взаємодії води з поверхнею твердої фази і мікрокоагуляція, а також розробка способів регулювання тиксотропних властивостей за рахунок включення до водної колоїдної системи твердих і рідких гідрофобних речовин. Методами низькотемпературної 1Н ЯМР-спектроскопії та електронної мікроскопії вивчено стан води, визначено її термодинамічні параметри, зокрема, величини міжфазної енергії для концентрованих колоїдних систем, створених на основі гідратованих сумішей гідрофобних речовин (поліметилсилоксан та метилкремнезем) і високодисперсного пірогенного кремнезему марки А-300. Встановлено, що в умовах високої гідратованості поверхні міжфазна енергія води, яка визначає тиксотропні властивості концентрованих суспензій, обумовлена в першу чергу будовою міжчастинкового простору, зокрема ефектом нанокоагуляціі та впливом поверхні на формування впорядкованої сітки водневих зв’язків води в адсорбованому шарі. Для сумішей 1/1 кремнеземів А-300 і АМ1 міжфазна енергія взаємодії з водою виявилася майже в 10 разів вище, ніж для вихідних кремнеземів, проте візуально ефект мікрокоагуляціі проявляється погано через близьку форму частинок оксидів, які використовували. Аналогічні ефекти росту міжфазної енергії проявляються і для сумішей А-300+ПМС. Для цієї суміші електронною мікроскопією виявлено також ефект мікрокоагуляції, величина якого максимальна для композитної системи, приготованої без використання великих механічних навантажень. Оскільки твердий ПМС має велику поверхню порівнянно з нанокремнеземом А-300, то вода, що заповнює міжчастинкові зазори ПМС, перебуває у вигляді кластерів меншого радіуса, ніж в А-300. При цьому гідрофільність (гідрофобність) матеріалу не є визначальною для поверхневої енергії кластерів води. З іншого боку, якщо сильно гідратовані порошки ПМС (або АМ1) і А-300 помістити в гідрофобне середовище слабкополярнного CDCl3, то останній легко дифундує в міжчастинкові зазори гідрофобного ПМС, витісняючи воду в пори більшого радіуса і значно важче - в міжчастинкові зазори гідрофільного А-300, що проявляється в значній залежності величини γS від середовища для ПМС і слабкій – для А-300. Чим сильніше добавки рідкого гідрофобного агента зменшують величину міжфазної енергії, тим більшою мірою зменшуються тиксотропні властивості композиту. Найбільш перспективним тиксотропним агентом можна вважати суміші гідрофобних і гідрофільних порошків, насипна густина яких не перевищує 200 мг/см3, оскільки вони мають максимальну величину міжфазної енергії і в них проявляється ефект мікрокоагуляціі.


Ключові слова


1Н ЯМР-спектроскопія; тиксотропія; поліметилсилоксан; метилкремнезем; мікрокоагуляція

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


1. Kuleznev V.N. Fundamentals of physics and chemistry of polymers. (Moscow: Visshaya shkola, 1977). [in Russian].

2. Evdokimov I.N., Efimov Y.O., Losev A.P., Novikov M.A. Morphological Transformations of Native Petroleum Emulsions. I. Viscosity Studies. Langmuir. 2003. 24(14): 7124. https://doi.org/10.1021/la800628j

3. Ovchinnikov P.F., Kruglitsky N.N., Mikhailov N.V. Rheology of thixotropic systems. (Kyiv: Naukova Dumka, 1972). [in Russian].

4. Uryev N.B. Physico-chemical dynamics of disperse systems. Russ. Chem. Rev. 2004. 73(1): 39. [in Russian]. https://doi.org/10.1070/RC2004v073n01ABEH000861

5. Roldugin V.I. Self-organization of nanoparticles on interfaces. Russ. Chem. Rev. 2004. 73(2): 123. [in Russian]. https://doi.org/10.1070/RC2004v073n02ABEH000866

6. Raghavan S.R., Khan S.A. Shear-Thickening Response of Fumed Silica Suspensions under Steady and Oscillatory Shear. J. Colloid Interface Sci.1997. 185(1): 57. https://doi.org/10.1006/jcis.1996.4581

7. Morris G.E., Skinner W.A., Self P.G., Smart R.St.C. Surface chemistry and rheological behavior of titania pigment suspensions. Colloids Surf. A. 1999. 155(1): 27. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(98)00631-1

8. Tarasevich Yu.I. Surface energy of oxides and silicates. Theor. Exp. Chem. 2006. 42(3): 145. https://doi.org/10.1007/s11237-006-0031-6

9. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at the interface. (Kyiv: Naukova Dumka, 2009). [in Russian].

10. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202

11. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Leboda R., Goncharuk E.V., Novza A.A., Turov A.V., Chuiko A.A. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic Interfaces. Adv. Colloid Interface Sci. 2005. 118 (1-3): 125. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003

12. Turov V.V., Gun'ko V.M. Clustered water and ways to use it. (Kyiv: Naukova Dumka, 2011). [in Russian].

13. Iler R.K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. (Wiley-Interscience, 1979).

14. Legrand A.P. The surface properties of silicas. (New York: Wiley, 1998).

15. Basic characteristics of Aerosil. Technical Bulletin Pigments. N 11. (Hanau: Degussa AG, 1997).

16. Chuiko A.A. Silica chemistry. (Kyiv: UkrINTEI, 2001). [in Russian].

17. Krupskaya T.V., Turov V.V., Barvinchenko V.N., Filatova K.O., Suvorova L.A., Iraci G., Kartel M.T. Influence of the "wetting-drying" compaction on the adsorption characteristics of nanosilica A-300. Adsorpt. Sci. Technol. 2017. 36(1-2): 300. https://doi.org/10.1177/0263617417691768

18. Patent UA 105151. Krupska T.V., Turov V.V., Barvinchenko V.M., Filatova K.O., Suvorova L.A., Kattel M.T. Sposib ushchilʹnennya nanokremnezemu. 2016. [in Ukrainian].

19. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of Hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

20. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B. Water interactions with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40): 12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

21. Slinyakova I.B., Denisova T.I. Organosilicon adsorbents: production, properties, application. (Kyiv: Naukova Dumka, 1988). [in Russian].

22. Shevchenko Y.N., Dushanin B.M., Yashinina N.I. New silicon compounds - porous organosilicon matrics for technology and medicine. In: Silicon for chemistry industry. (Sandefjord; Norway, 1996).

23. Patent RF 2111979, C08G77/02. Shevchenko Yu.N., Dushanin B.M., Polyansky A.V., Yashina N.I. Hydrogels of methylsilicic acid as adsorbents of medium molecular metabolites and the method for their preparation. 1998.

24. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Protsak I.S., Borysenko M.V., Pakhlov E.M. Polymethylsiloxane alone and in composition with nanosilica under various conditions. J. Colloid Interface Sci. 2019. 541: 213. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.01.102

25. Aksnes D.W., Forl K., Kimtys L. Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3(1): 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n

26. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2009. 54(2): 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001

27. Glushko V.P. Thermodynamic properties of individual substances. (Moscow: Nauka, 1978). [in Russian].

28. Mchedlov-Petrosyan M.O., Lebid V.I., Glazkova O.M., Lebid O.V. Colloid chemistry. (Kharkov: V.N. Karazin KhNU, 2012). [in Russian].

29. Deryagin B.D. Stability of colloidal systems (theoretical aspect). Russ. Chem. Rev. 2007. 43(3): 675. [in Russian].

30. Muller V.M. Theory of Reversible Coagulation. Colloid J. 1996. 58(5): 634. [in Russian].

31. Efremov I.F. Periodic colloidal structures. (Leningrad: Chemistry, 1971). [in Russian].

32. Frolov Yu.G. Colloid chemistry course. Surface phenomena and disperse systems. (Moscow: Chemistry, 1988). [in Russian].




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.038

Copyright (©) 2020 T. V. Krupska, V. M. Gun'ko, I. S. Protsak, M. T. Kartel, V. V. Turov