научная статья по теме СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАСЛЯНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА И НАНОРАЗМЕРНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ Химия

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАСЛЯНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА И НАНОРАЗМЕРНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2015, том 51, № 2, с. 176-179

== НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

УДК 544.77.022.82

СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАСЛЯНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА И НАНОРАЗМЕРНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ © 2015 г. Н. Б. Урьев, С. В. Емельянов, К. А. Титов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119071, Москва, Ленинский просп., 31 e-mail: uriev@phyche.ac.ru Поступила в редакцию 15.12.2013 г.

Проведены исследования реологических свойств суспензий, составленных на основе масла и двух типов наполнителей, один из которых являлся ультрадисперсным (наноразмерным). Оценивали влияние природы дисперсионой среды, полярности основного и ультрадисперсного наполнителя. Работа выполнена на ротационном вискозиметре в двух режимах: при постоянной скорости сдвига, а также при сочетании сдвиговой деформации и ортогональной вибрации.

DOI: 10.7868/S0044185615020187

ВВЕДЕНИЕ

Нанокомпозиты представляют новое направление в области наполненных систем. Это материалы, состоящие из двух или большего числа фаз, в которых хотя бы одна из фаз имеет размер частиц в одном измерении менее 100 нм. Хорошее диспергирование наночастиц наполнителя в матрице позволяет добиться улучшения свойств материала при введении значительно меньшего количества наполнителя, чем в случае традиционных наполнителей (сажи, аэросила, талька, стекловолокна).

Одним из наиболее привлекательных направлений использования нанотрубок является нано-электроника. Благодаря малым размерам, разнообразным электрическим, оптическим и магнитным свойствам, механической прочности и химической стабильности нанотрубки являются уникальным материалом для производства рабочих элементов электронных устройств [1—4].

Так, анализ работ [5—9] показал, что введение углеродных нановолокон (УНВ) в сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) повышает механическую стойкость материала, но только при строго определенных соотношениях основы и наполнителя.

Однако получение тонкодисперсных нанома-териалов связано с определенными трудностями. Избыточная поверхностная энергия способствует агрегации наночастиц, поэтому технологии, отработанные для получения традиционных микро-

композитов, могут быть применены не для всех видов материалов.

В данной работе проведена оценка влияния наноразмерного наполнителя на реологические свойства модельных дисперсий на основе одного из видов выбранных масел и технического углерода. В качестве основы модельной неполярной суспензии выбрано вазелиновое масло (ГОСТ 3164-78). Основой модельной полярной суспензии являлось касторовое масло (ГОСТ 6757-96).

Некоторые характеристики наполнителей, использованных при создании суспензий представлены ниже.

1. Технический углерод (ЕС-600). Размер агломератов — около 900 нм (рис. 1), истинная плотность — 1.76—1.9 г/см3. Наличие на поверхности частиц кислородсодержащих функциональных групп.

2. Углеродные нанотрубки (УН) марки Теепах А НТ М100. Удельная поверхность 300 м2/г. Средний размер первичных частиц равен 50 нм (рис. 2). рН водной суспензии 7. На поверхности частиц функциональные группы отсутствовали.

3. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза (УДА). Полидисперсный порошок светло-серого цвета. Массовая доля алмаза в основном веществе, определенная методом рентгено-структурного анализа, составляет не менее 98%. Плотность 3.1 г/см3. Удельная поверхность 350 м2/г. Средний размер первичных частиц равен 4 нм. На поверхности частиц присутствуют кислород- и азотсодержащие функциональные группы.

.

-йу*-: 1 ■..■'.",:V -г'.;-

с**1 -л

Ь:* Г" ,"- ■

*

ЩШШЯШШШМ^ т ■

- - * ■ Фт

*'..' шт.*'»

5 ,'; ; А* ;

»' * ' • • *

. » .*■, ■ ■ ¡■■ ■ V ■ • '

(а)

Шт

50 нм

¡1_I

(б)

150 нм

I_I

Рис. 1. Микрофотографии элементарных частиц (а) и агломератов (б) технического углерода ЕС-600.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Реологические свойства модельных систем исследовали на ротационных вискозиметрах Рео-тест 2, один из которых был оснащенном устройством для наложения гармонического режима ортогональной вибрации на процесс сдвиговой деформации, и НААКЕ КЬео$1ге88 1. Приготовление и испытания композиций производили при температуре (22 ± 1)°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью были исследованы следующие типы композиций:

1. касторовой масло—технический углерод—УДА

2. касторовое масло—технический углерод—УН

3. вазелиновое масло—технический углерод—УДА

4. вазелиновое масло—технический углерод—УН Также варьировали концентрации наполнителей.

Следует отметить, что суспензии на основе масел и углеродных нанотрубок приготовить было невозможно вследствие седиментации частиц на-

Рис. 2. Микрофотографии элементарных частиц (а) и агломератов (б) углеродных нанотрубок.

полнителя с первых минут после смешения. Данный процесс наблюдался при всех исследованных концентрациях (от 2 до 20 мас. % наполнителя).

Седиментация твердых частиц в случае систем масло — технический углерод происходила при концентрации до 2 мас. %. Поэтому в дальнейшем работу проводили только для композиций при содержании технического углерода от 3 мас. %.

На рис. 3 и 4 представлены зависимости вязкости для суспензий на основе касторового масла.

Из полученных данных видно, что введение ультрадисперсных алмазов приводит к увеличению вязкости систем. При этом для неполярной среды можно отметить линейное возрастание вязкости по мере введения наполнителя, а так же в случае совместного использования УДА и технического углерода. Так как УДА и технический углерод близки по своей природе, алмазы сыграли роль наполнителя, распределенного в массе основной матрицы. В случае полярной среды влияние УДА на изменение вязкости более значительно из-за присутствия на поверхности алмазов полярных групп, что приводит к созданию дополнительных связей.

178

УРЬЕВ и др.

^ п [Па*с]

3.5 "ж

.....о..

""•А.

Л 2.5 г* 'Ж-.

5

1.5 -

0.5 -

С"*-*

^■х 4

1

Н--Е-В--,

0.5

0.5

0.5

1.5

2.5 18 У [с-1]

Рис. 3. Зависимость вязкости от градиента скорости сдвига в двойных логарифмических координатах при 20°С для касторового масла (1) и композиций на основе касторового масла:

2 - 3% ЕС-600; 3 - 10% ЕС-600; 4 - 4% ЕС-600 + 4 % УН; 5 - 4% ЕС-600 + 4% УДА.

18 п [Па*с] 4

... 3

2

1

о

к:

Ж. А>-

А.

5

2

В--Е,

ж.;

в -о-.

о о

1

о о

2

-&—в——

1

-е-

18 У [с-1]

Рис. 4. Зависимость вязкости от градиента скорости сдвига в двойных логарифмических координатах при 20°С для вазелинового масла (1) и композиций на основе вазелинового масла:

2 - 3% ЕС-600; 3 - 10% ЕС-600; 4 - 4% ЕС-600 + 4% УН; 5 - 4% ЕС-600 + 4% УДА.

3

4

2

3

Введение углеродных нановолокон в полярную среду не приводит к значительным изменениям характера течения суспензий, их влияние никак не проявляется. В то же время в случае неполярной среды был обнаружен синергизм углеродных нановолокон и углеродной матрицы. Это можно объяснить хорошим распределением УН в суспензии, а также химическим сродством с углеродным наполнителем.

Следующим шагом в работе стало изучение виброреологических свойств композиций. Одним из наиболее эффективных средств разрушения коагуляционной структуры, и, как следствие, снижения вязкости исследуемых систем, является низкочастотная механическая вибрация [10]. Таким образом, по полученным кривым можно судить о степени взаимодействия наполнителей.

Структурно-реологические свойства определяли в условиях непрерывного сдвигового деформирования с помощью ротационного вискозиметра "Реотест-2" с цилиндрическими измерительными устройствами. Подведение вибрации к наружному измерительному цилиндру осуществляли посредством электродинамического вибростенда типа ВДС-10 А. Конструкция прибора позволяет выполнять измерения, как в условиях статического непрерывного линейного деформирования, так и при наложении гармонического режима вибрации на этот процесс. Серию исследований проводили при виброускорении 10 м/с.

Исследования проводили на композициях на основе вазелинового масла, как наиболее эффектной системе по результатам исследования на первом этапе.

На основании представленных на рис. 5 зависимостей можно сделать вывод о том, что при

совместном использовании технического углерода с ультрадисперсными наполнителями формируется прочная структура, при этом наибольшей прочностью обладает композиция, содержащая УДА. Причиной этого является наличие полярных групп на поверхности алмазов, которые образую прочные связи с матрицей. В то же время видно, что при увеличении градиента скорости сдвига связи между матрицей и УН начинают интенсивнее разрушаться, что приводит к резкому снижению вязкости по мере увеличения интенсивности ортогональной вибрации из-за слабых связей УН-матрица.

1.5-1-

0 10000 20000 Интенсивность воздействия осцилляции

Рис. 5. Зависимость вязкости от интенсивности воздействия осцилляции в логарифмических координатах при градиенте скорости 0.17 с-1 для композиций на основе вазелинового масла: 1 - 4% ЕС-600; 2 - 4% ЕС-600 + 4% УН; 3 - 4% ЕС-600 + + 4% УДА.

Таким образом, проведенные исследования позволили оценить зависимость реологических свойств суспензий, приготовленных на основе двух разных наполнителей, отличающихся по типу частиц. Также оценено влияние полярности среды на реологические свойства бинарных суспензий.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-03-00473).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Saito S. // Science. 1997. V 278. P. 77.

2. Service R.F. // Science. 1999. V. 285. P. 2055.

3. Ahlskog М., Laurent С., Baxendale M., Huhtala M. In

Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology.

V 2 / Ed. by Nalwa H.S. Amer. Sci. Publ., 2004. P. 139.

4. (a) Gonzalez J. In Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. V. 2 / Ed. Nalwa H.S. Amer. Sci. Publ., 2004. P. 163; (б) Станкевич И.В., Чернозатон-ский Л.А. // Физика твердого тела. 1999. Т. 41. С. 1515; (в) Станкевич И.В., Чернозатонский Л.А. // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63. С. 588.

5. Раков Э.Г. // Рынок легкой промышленности. 2007. № 48.

6. Раков Э.Г

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»