научная статья по теме СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ СТЕКЛЯННЫХ ЧАСТИЦ Химия

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ СТЕКЛЯННЫХ ЧАСТИЦ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 77, № 3, с. 284-293

УДК 537.363

СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ СТЕКЛЯННЫХ ЧАСТИЦ

© 2015 г. А. В. Волкова*, Д. А. Ваганов*, Н. Ф. Богданова*, Т. В. Антропова**, Л. Э. Ермакова*

*Санкт-Петербургский государственный университет, институт химии 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский проспект, 26 **Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН 199034 Санкт-Петербург, наб. Адмирала Макарова, 2 E-mail: ermakona3182@yandex.ru Поступила в редакцию 25.11.2014 г.

Для порошков натриевоборосиликатных пористых стекол (ПС) с различной структурой и морфологией порового пространства, а также для сформированных из них диафрагм исследованы структурные, адсорбционные и электрокинетические свойства в зависимости от pH (в интервале 4—9) и концентрации растворов NaCl (10-3-1 М). Результаты определения структурных параметров ПС свидетельствуют о получении слоисто-пористых мезо- и макропористых стеклянных частиц с достаточно узким распределением пор по размерам при высоких значениях общей пористости. Установлено, что поверхностные и электрокинетические характеристики исследуемых ПС попадают в интервал значений, приводимых в литературе для аналогичных межфазных границ. Проанализированы и сопоставлены результаты измерений электрофоретической подвижности пористых частиц и потенциала течения на диафрагмах, сформированных из частиц ПС.

DOI: 10.7868/S0023291215030209

ВВЕДЕНИЕ

Пористые стекла (ПС) — продукты термической и химической обработки ликвирующих ще-лочноборосиликатных стекол [1]. Варьируя условия синтеза, получают ПС с необходимыми структурными и морфологическими параметрами [2]. ПС обладают, в сочетании с регулируемыми структурными характеристиками и большим объемом пор с развитой поверхностью, рядом уникальных свойств, таких как термическая, химическая и микробиологическая инертность, неизменность свойств во времени, прозрачность в оптическом диапазоне длин волн. Все это делает ПС высокофункциональным материалом, использующимся в том числе и в сорбционных, разделительных и деструктивных технологиях очистки воды [1], а также перспективной матрицей для создания композиционных материалов [3]. Модифицирование ПС металлами, оксидами металлов, фоточувствительными металлорганически-ми соединениями, проводящими полимерами, жидкими кристаллами и др. соединениями позволяет получать разнообразные по свойствам и применению композиты, обладающие уникальными свойствами [3—5]. На основе ПС получают сенсорные элементы для микрофлюидных чипов [6], различные оптические хемосенсоры [7, 8], сегнето-электрики [9, 10], мультиферроики — материалы, обладающие сегнетоэлектрическим и ферромаг-

нитным упорядочением [11]. Композитные материалы на основе пористых матриц находят широкое применение как адсорбенты [12, 13] и катализаторы [5, 14].

Функциональные свойства композиционных систем во многом определяются структурными и коллоидно-химическими свойствами их исходных составляющих. В связи с этим необходимо располагать информацией о структуре, морфологии и коллоидно-химическом поведении исходных пористых матриц, что позволяет также оценить степень эффективности синтеза [15, 16] и возможность придания материалу новых или улучшенных характеристик. С этой целью в данной работе проведено исследование структурных и электроповерхностных свойств порошков натриевоборосиликатных ПС с различной структурой и морфологией порового пространства в растворах индифферентного электролита (NaCl), рассматриваемых в качестве перспективных матриц для получения композитов различного функционального назначения.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования были выбраны порошки пористых стекол, полученные путем кислотного (HCl) выщелачивания порошков исходных двухфазных натриевоборосиликат-

ных (НБС) стекол с последующей щелочной обработкой (KOH) в соответствии с процедурой [17]. Были использованы НБС-стекла состава ДВ-I [18] c разной тепловой предысторией. Составы ПС, определенные в Институте химии силикатов РАН по стандартным химико-аналитическим методикам, представлены в табл. 1. После получения порошки были тщательно отмыты бидистиллирован-ной водой и высушены при температуре 120°C.

Размеры и морфология частиц ПС и параметры их пористой структуры были определены с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе Zeiss Merlin в Междисциплинарном ресурсном центре по направлению "Нанотехнологии" СПбГУ. Для определения размеров частиц ПС в их водных суспензиях использован метод динамического рассеяния света (ДРС). Измерения проводили на приборе Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments) в термостатируемой при 20°C универсальной капиллярной U-образной кювете (DTS 1060) при угле рассеяния излучения 173°.

Удельную поверхность (Sw), распределение пор по размерам, микро- и мезопористость ПС определяли на приборе ASAP 2020 MP в ресурсном центре СПБГУ "Инновационные технологии композитных материалов", а также методом тепловой десорбции азота на кафедре коллоидной химии СПбГУ. Обработку данных проводили методами БЭТ и BJH (Barrett—Joyner—Halenda) [19]. Общую пористость (W) определяли весовым методом. Для этого брали навеску порошка ПС весом тс, высушенного при 200°С, и помещали в воду. После пропитки водой образец взвешивали и находили его вес т. Величину общей пористости рассчитывали по формуле

Таблица 1. Состав пористых стекол

W =

m — mc

(1)

т - шс + тс/рст'

где рст — плотность кремнеземного скелета ПС (в г/см3), которую принимали равной плотности аморфного кремнезема 2.18.

Из полученных величин удельной поверхности и общей пористости были рассчитаны средние радиусы пор ПС:

% ='

2W

Пористое

Состав, мас. %

стекло SiO2 B2O3 Na2O

ПС1 92.80 6.68 0.52

ПС2 94.15 5.59 0.26

ПС3 91.51 8.12 0.37

ПС4 88.30 10.69 1.01

растворе №С1 (Кд). Величину коэффициента структурного сопротивления рассчитывали по формуле

в = Яд/^h.

(3)

Значения среднего радиуса каналов (гр) сформированных диафрагм были определены методом фильтрации жидкости. Измерения проводили в 0.1 М растворе №С1, чтобы избежать влияния электровязкостного эффекта на скорость фильтрации. Величины коэффициента фильтрации (О) были рассчитаны по формуле

G = V/pst,

(4)

где V — объем протекшей жидкости, Р — внешнее давление, S — площадь диафрагмы, I — время фильтрации.

Значения коэффициентов фильтрации и структурного сопротивления были использованы для расчета среднего радиуса каналов диафрагм по уравнению

re = V8n Окв,

(5)

. (2)

(1 - ж)рсАд

Также были определены структурные характеристики диафрагм, сформированных из порошков исследуемых пористых стекол. Для нахождения коэффициента структурного сопротивления (в) диафрагмы использовали ячейку Самарцева-Ост-роумова. Сначала измеряли сопротивление ячейки с 10-1 М раствором №С1 (Яь) и затем с диафрагмой, сформированной из концентрированной суспензии растертого порошка ПС в 0.1 М

где п — динамическая вязкость среды, h — высота диафрагмы.

Величина поверхностного заряда (ст0) ПС была определена методом динамического потенцио-метрического титрования по стандартной методике [20] на фоне 10—3—1 М растворов NaCl в интервале значений pH 4—8.5. Измерения электро-форетической подвижности (Ue) частиц ПС были проведены для дисперсий ПС на фоне 10—3—10-2 М растворов NaCl в диапазоне pH 3—9 и в 10-2—101 М растворах HCl на анализаторе Zetasizer Nano ZS методом лазерного доплеровского электрофореза (ЛДЭ) при температуре 20°C в универсальной капиллярной U-образной поликарбонатной кювете (DTS1060) с интегрированными позолоченными электродами.

Для расчета электрокинетического потенциала из величин электрофоретической подвижности использовали уравнение Смолуховского

Таблица 2. Структурные характеристики пористых стекол

Пористое стекло V V ^Н) ¿•уд (БЕТ), м2/г ¿уд (ВШ), м2/г г нм Диапазон наблюдавшихся методом СЭМ размеров пор (с1), нм Диапазон наиболее вероятных размеров пор (с1), нм гСЭМ, нм

ПС1 0.65 0.61 85 118 19 20-45 23-32 14

ПС2 0.76 0.75 100 112 29 25-65 45-65 27

ПС3 0.80 - 40 - 94 140-300 160-200 90

ПС4 0.79 - 13 - 264 200-900 350-470 205

С

8 _ п

66п

и е

(6)

где е, е0 — диэлектрическая проницаемость среды и электрическая постоянная соответственно.

В случае насыпной диафрагмы электрокинетический потенциал был определен также методом потенциала течения в ячейке Самарце-ва—Остроумова на фоне 10—3—10-1 М растворов №С1 при рН 6.2 ± 0.2 и температуре 20°С. Здесь величина дзета-потенциала была рассчитана по формуле Гельмгольца—Смолуховского

С0 = (пку^8)/(еб0Р), (7)

где Е8 — потенциал течения, ку — удельная электропроводность свободного раствора, и с учетом поверхностной проводимости:

Са = (8)

где а — коэффициент эффективности, рассчитанный из величин Яд и Яь, измеренных при концентрациях С < 0.1 М,

а = рЯд/Яь. (9)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Структурные параметры частиц ПС и сформированных из них диафрагм

На рис. 1 приведены СЭМ-изображения исследованных порошков пористых стекол. Следует отметить высокую степень полидисперсности порошков, размер частиц которых изменяется от 4 до 350 мкм (рис. 1а—1г). Результаты анализа электронных микрофотографий пористой структуры ПС (рис. 1д— 1з) приведены в табл. 2. Видно, что, даже несмотря на достаточно широкое распределение пор по размерам в случае пористых стекол ПС3 и ПС4 (см. табл. 1), для всех полученных стекол наиболее вероятный размер поровых каналов находится в весьма узком интервале значений. Видно также, что были получе-

ны порошки как мезопористых (ПС1 и ПС2), так и макропористых (ПС3 и ПС4) стекол.

Для всех исследуемых ПС характерны высокие значения объемной пористости (0.65—0.8), обусловленные, по-видимому, формированием слоисто-пористой структуры при получении ПС. Следует отметить, что стекла ПС3 и ПС4 имеют более рыхлую, чем у ПС1 и ПС2, структуру, что обусловлено заметной разницей в размерах поро-вых каналов.

Анализ полученных данных показал (табл. 2), что значения структурных параметров (удельной поверхности, объемной пористости, среднего размера поровых каналов) не зависят от способа их определения в

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