Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (3), 203-218.

Структурні та адсорбційні особливості аморфного нанокремнезему, модифікованого додаванням різної кількості поліметилсилоксану



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.03.203

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

Анотація


Мета роботи полягала в детальному аналізі впливу поліметилсилоксану (ПМС) і умов підготовки на поведінку зв’язаної води, як і на властивості сумішей поліметилсилоксан/нанокремнезем. Аморфний нанокремнезем A-300 з добавкою гідрогелю ПМС (ПМС/A-300 = 1:9 для сухих компонентів) було вивчено в різних дисперсійних середовищах (повітря, хлороформ, чистий чи з додаванням трифтороцтової кислоти, TFAA) у порівнянні з ПМС та A-300 чи ПМС/A-300 (1:1) з використанням низькотемпературної ЯМР 1H спектроскопії та кріопорометрії. Сухий А-300 та ПМС, окремо чи у сумішах, було вивчено за допомогою мікроскопії, адсорбції азоту, інфрачервоної спектроскопії та квантової хімії. Було показано, що властивості сумішей залежать не тільки від вмісту компонентів, але й механічного навантаження внаслідок більш сильного ущільнення вторинних структур наночастинок (агрегатів наночастинок та їх агломератів) при зростанні механічного навантаження. Слід зазначити, що таку поведінку різних сумішей гідрофобних та гідрофильних наноструктурованих матеріалів спостерігали після гідроущільнення з різнім навантаженням. Теоретичне моделювання показало, що будова зв’язаної води, яка локалізована на поверхні гідрофільних та гідрофобних наночастинок, змінюється при ущільненні агрегатів внаслідок змін впливу ефектів обмеженого простору та полярності молекул зв’язаної води. Ці результати відображають певну загальну закономірність, яка спостерігається в гібридних гідрофобних/гідрофільних системах при додаванні певної кількості води та при певному механічному навантаженні. Ці системи стають гідрофільними, проте після сушки вони знову можуть мати гідрофобні властивості, які знову зникають при повторному гідроущільненні.


Ключові слова


нанокремнезем; поліметилсилоксан-гідрогель; поліметилсилоксан/нанокремнезем суміш; текстурні та морфологічні характеристики; вплив механічної обробки; поведінка міжфазної води

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. (Weinheim: Wiley-VCH, 2008).

2. Büchel K.H., Moretto H.-H., Woditsch P. Industrial Inorganic Chemistry. (Weinheim Wiley-VCH, 2000). https://doi.org/10.1002/9783527613328

3. Auner N., Weis J. Oganosilicon Chemistry VI. (Weinheim: Wiley-VCH, 2005). https://doi.org/10.1002/9783527618224

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

5. Iler R.K. The Chemistry of Silica. (Chichester: Wiley, 1979).

6. Legrand A.P. The Surface Properties of Silicas. (New York: Wiley, 1998).

7. Vansant E.F., Van Der Voort P., Vrancken K.C. Characterization and Chemical Modification of the Silica Surface: Studies in Surface Science and Catalysis. V. 93. (Amsterdam: Elsevier, 1995). https://doi.org/10.1016/S0167-2991(06)81508-9

8. Chuiko A.A. Chemistry of Silica Surface. (Kiyv: UkrINTEI, 2001). [in Russian].

9. Chuiko A.A. Medical Chemistry and Clinical Application of Silicon Dioxide. (Kiyv: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].

10. Cai Y., Li J., Yi L., Yan X., Li J. Fabricating superhydrophobic and oleophobic surface with silica nanoparticles modified by silanes and environment-friendly fluorinated chemicals. Appl. Surf. Sci. 2018. 450: 102. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.186

11. Zhu Y., Chen L., Zhang C., Guan Z. Preparation of hydrophobic antireflective SiO2 coating with deposition of PDMS from water-based SiO2-PEG sol. Appl. Surf. Sci. 2018. 457: 522. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.06.177

12. Zhao Y., Wen J., Ge Y., Zhang X., Shi H., Yang K., Gao X., Shi S., Gong Y. Fabrication of stable biomimetic coating on PDMS surface: Cooperativity of multivalent interactions. Appl. Surf. Sci. 2019. 469: 720. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.056

13. Conti J., De Coninck J., Ghazzal M.N. Design of water-repellant coating using dual scale size of hybrid silica nanoparticles on polymer surface. Appl. Surf. Sci. 2018. 436: 234. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.017

14. Ghosh S.K. Functional Coatings. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2006).

15. Bergna H.E., Roberts W.O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Boca Raton: CRC Press, 2006).

16. Protsak I.S., Henderson I.M., Tertykh V.A., Dong W., Le Z. Cleavage of organosiloxanes with dimethyl carbonate: a mild approach to graft-to-surface modification. Langmuir. 2018. 34(33): 9719. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b01580

17. Slinyakova B., Denisova T.I. Organosilicon Adsorbents: Preparation and Properties. (Kiyv: Naukova Dumka, 1988). [in Russian].

18. Wu L., Baghdachi J. Functional Polymer Coatings: Principles, Methods, and Applications. First Edition. (New York: John Wiley & Sons, 2015). https://doi.org/10.1002/9781118883051

19. 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

20. Voronin E.F., Gun'ko V.M., Guzenko N.V., Pakhlov E.M., Nosach L.V., Malysheva M.L., Skubiszewska-Zięba J., Leboda R., Borysenko M.V., Chuiko A.A. Interaction of poly(ethylene oxide) with fumed silica. J. Colloid Interface Sci. 2004. 279(2): 326. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.06.073

21. Gun'ko V.M., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Goncharuk E.V., Nychiporuk Y.M., Zarko V.I., Blitz J.P. Influence of different treatments on characteristics of nanooxide powders alone or with adsorbed polar polymers or proteins. Powder Technology. 2008. 187(2): 146. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2008.02.007

22. 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

23. Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Goncharuk O.V., Andriyko L.S., Nychiporuk Yu.M., Balakin D.Yu., Sternik D., Derylo-Marczewska A. Nanosilica modified by polydimethylsiloxane depolymerized and chemically bound to nanoparticles or physically bound to unmodified or modified surfaces: Structure and interfacial phenomena. J. Colloid Interface Sci. 2018. 529: 273. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.06.019

24. Gun'ko V.M. Polymer composites with functionalized silica. In: Polymer Composites with Functionalized Nanoparticles. Synthesis, Interactions. (Properties and Applications, Elsevier, 2018). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814064-2.00004-4

25. Mark J.E., Allcock H.R., West R. Inorganic Polymers, Prentice Hall. (New York: Englewood, 1992).

26. Nikolaev V.G. Enterosgel: A novel organosilicon enterosorbent with a wide range of medical applications. In: Biodefence. Advanced Materials and Methods for Health Protection. (Dordrecht: Springer, 2011). https://doi.org/10.1007/978-94-007-0217-2_21

27. Shevchenko Yu.N., Dushanin B.M., Yashinina N.I. New silicon compounds - porous organosilicon materials for technology and medicine. Silicon for the Chemistry Industry III. (Sandefjord, Norway, 1996).

28. Lotters J.C., Olthuis W., Veltink P.H., Bergveld P. The mechanical properties of the rubber elastic polymer polydimethylsiloxane for sensor applications. J. Micromech. Microeng. 1997. 7(3): 145. https://doi.org/10.1088/0960-1317/7/3/017

29. McDonald J.C., Duffy D.C., Anderson J.R., Chiu D.T., Wu H., Schueller O.J.A., Whitesides G.M. Fabrication of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Electrophoresis. 2000. 21(1): 27. https://doi.org/10.1002/(SICI)1522-2683(20000101)21:1<27::AID-ELPS27>3.3.CO;2-3

30. Fadeev A.Y., Kazakevich Y.V. Covalently attached monolayers of oligo(dimethylsiloxane)s on silica: A siloxane chemistry approach for surface modification. Langmuir. 2002. 18(7): 2665. https://doi.org/10.1021/la011491j

31. Litvinov V.M., Barthel H., Weis J. Structure of a PDMS layer grafted onto a silica surface studied by means of DSC and solid-state NMR. Macromolecules. 2002. 35(11): 4356. https://doi.org/10.1021/ma0119124

32. Gun'ko V.M., Turov V.V., Zarko V.I., Goncharuk E.V., Gerashchenko I.I., Turova A.A., Mironyuk I.F., Leboda R., Skubiszewska-Zięba J., Janusz W. Comparative characterization of polymethylsiloxane hydrogel and silylated fumed silica and silica gel. J. Colloid Interface Sci. 2007. 308(1): 142. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.053

33. Finiels A., Alonso B., Bousmina M., Brunel D., El Kadib A. Periodic mesoporous organosilicas derived from amphiphilic bulky polymethylsiloxane. New J. Chem. 2016. 40(5): 4132. https://doi.org/10.1039/C5NJ01824B

34. Li Y., Luo C., Li X., Zhang K., Zhao Y., Zhu K. Submicron / nano-structured icephobic surfaces made from fluorinated polymethylsiloxane and octavinyl-POSS. Appl. Surf. Sci. 2016. 360: 113. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.10.193

35. Li F., Ji C., Yun Z. Synthesis of alkyl polymethylsiloxane (APMS) by condensation reaction and study of properties as lubricants. J. Macromol. Sci. Part A Pure Appl. Chem. 2018. 55(4): 332. https://doi.org/10.1080/10601325.2018.1426388

36. Nagappan S., Joo J., Soo S., Hong S., Sik Y. Polymethylhydrosiloxane-based organic - inorganic hybrids for amphiphobic coatings. Compos. Interfaces. 2013. 20(1): 33. https://doi.org/10.1080/15685543.2013.762892

37. Sharaf M.A., Mark J.E. Modulus of randomly crosslinked polymethysiloxane networks, Polymeric Materials Science and Engineering. Proc. ACS Division of Polymeric Materials Science and Engineering. 1993. 68: 180.

38. Shimizu T., Kanamori K., Maeno A., Kaji H., Nakanishi K. Transparent ethylene-bridged polymethylsiloxane aerogels and xerogels with improved bending flexibility. Langmuir. 2016. 32(50): 13427. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b03249

39. Shimizu T., Kanamori K., Maeno A., Kaji H., Doherty C.M. Transparent ethenylene-bridged polymethylsiloxane aerogels: mechanical flexibility and strength and availability for addition reaction. Langmuir. 2017. 33(18): 4543. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b00434

40. Zhang H., Lana C., Ana F., Teixeira L., Michaela S. Water-based freeze casting: Adjusting hydrophobic polymethylsiloxane for obtaining hierarchically ordered porous SiOC. J. Am. Ceram. Soc. 2017. 100(5): 1907. https://doi.org/10.1111/jace.14782

41. Zu G., Shimizu T., Kanamori K., Zhu Y., Maeno A., Kaji H., Shen J., Nakanishi K. Transparent, super flexible doubly cross- linked polyvinylpolymethylsiloxane aerogel superinsulators via ambient pressure drying. ACS Nano. 2018. 12(1): 521. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b07117

42. Michurina S.V., Ischenko I.Y., Arkhipov S.A., Klimontov V.V, CherepanovaM.A., Korolev M.A., Rachkovskaya L.N., Zav E.L., Konenkov V.I. Melatonin − aluminum oxide - polymethylsiloxane complex on apoptosis of liver cells in a model of obesity and type 2 diabetes mellitus. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2017. 164: 165. https://doi.org/10.1007/s10517-017-3949-x

43. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Matkovsky A.K., Krupska T.V., Kartel M.T., Charmas B. Blends of amorphous/crystalline nanoalumina and hydrophobic amorphous nanosilica. J. Non-Cryst. Solids. 2018. 500: 351. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.08.020

44. 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(12): 12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

45. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Pakhlov E.M. Behavior of water and methane bound to hydrophilic and hydrophobic nanosilicas and their mixture. Chem. Phys. Lett. 2017. 690: 25. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2017.10.039

46. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water bound in hydrophilic components of complex systems. Colloids Surf. A. 2018. 552: 39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017

47. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. (London: Academic Press, 1982).

48. Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surface. 6th edition. (New York: Wiley, 1997).

49. Neimark A.V., Ravikovitch P.I. Capillary condensation in MMS and pore structure characterization. Microporous Mesoporous Mater. 2001. 44/45: 697. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(01)00251-7

50. Gun'ko V.M. Composite materials: textural characteristics. Appl. Surf. Sci. 2014. 307: 444. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.055

51. Strange J.H., Rahman M., Smith E.G. Characterization of porous solids by NMR. Phys. Rev. Lett. 1993. 71: 3589. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.3589

52. Mitchell J., Webber J.B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. 461: 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2008.02.001

53. 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

54. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Gaussian 09, Revision D.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2013.

55. Stewart J.J.P. MOPAC2016, Stewart Computational Chemistry. 2017. http://OpenMOPAC.net.

56. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods VI: more modifications to the NDDO approximations and re-optimization of parameters. J. Mol. Model. 2013. 19(1): 1. https://doi.org/10.1007/s00894-012-1667-x

57. Zhurko G.A., Zhurko D.A. Chemcraft (version 1.8, build b536a). 2017. http://www.chemcraftprog.com.

58. Hanwell M.D., Curtis D.E., Lonie D.C., Vandermeersch T., Zurek E., Hutchison G.R. Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform. J. Chem. Inform. 2012. 4(1): 17. https://doi.org/10.1186/1758-2946-4-17

59. Emsley J.W., Feeney J., Sutcliffe L.H. High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. (Oxford: Pergamon Press, 1965). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-002792-0.50007-4

60. Chaplin M. Water structure and science. 2018. http://www1.lsbu.ac.uk/water/.

61. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., 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

62. Turov V.V., Geraschenko I.I., Krupska T.V., Suvorova L. Nanochemistry in solution of problems of exo- and endo-ecology. (Stavropol: Zebra, 2017). [in Russian]).

63. Mikheev Yu.A., Guseva L.N., Davydov E.Ya., Ershov Yu.A. The hydration of hydrophobic substances. Russ. J. Phys. Chem. 2007. 81(12): 1897. https://doi.org/10.1134/S0036024407120011

64. Yaminsky V.V., Vogler E.A. Hydrophobic hydration. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2001. 6(4): 342. https://doi.org/10.1016/S1359-0294(01)00104-2

65. Widom B., Bhimalapuram P., Koga K. The hydrophobic effect. Phys. Chem. Chem. Phys. 2003. 5(15): 3085. https://doi.org/10.1039/b304038k




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.03.203

Copyright (©) 2019 V. V. Turov, V. M. Gun'ko, T. V. Krupska, I. S. Protsak, E. M. Pakhlov